风机叶片缺陷的红外检测数值模拟

张 爽，王湘明，郑 浩，仲奇奇

（沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110000）

叶片是风力发电机的关键部件，在风场的实际运行中承载着不断变化的风载荷[1]。风机叶片长期服役在这种情况下，会使叶片疲劳载荷运行，叶片容易出现分层、脱粘、夹杂、缺胶、气泡、褶皱、裂纹、干纱等缺陷。因此，风机叶片要定期进行检测，以免风电机组安全运行受到严重威胁。由于极小的叶片缺陷不易被发现，这就对后期的维修造成极大困难，因此采用无损检测技术对风机叶片缺陷进行检测。当前，国家标准GB/T 37431—2019《风力发电机组风轮叶片红外热像检测指南》中介绍了叶片常见的缺陷类型和位置等信息，以及缺陷的模拟和对比的要求。红外无损检测技术具有检测成本低、适用范围广、检测结果可信度高、操作简单安全、检测结果直观可见等优势，非常适合用于对风机叶片缺陷检测，成为继五大常规无损检测技术之后发展最快、潜能最大的无损检测新方法[2-3]。故采用红外无损检测技术对风机叶片缺陷进行模拟分析，为叶片结构检测提供可靠依据。

1.模型建立与模拟过程

1.1 模型建立

以玻璃纤维复合材料[4-6]的风机叶片作为研究对象，其叶片缺陷设置为嵌入缺陷形式，胶衣、黏胶、玻璃纤维增强材料和玻璃纤维强度材料为缺陷材料[7-9]，模型缺陷是人为制造缺陷，缺陷形状为长方形。由于风机叶片结构复杂，故采用叶片微元模型进行建模，有利于对风机叶片细微缺陷检测问题的研究。该风机叶片微元模型的几何尺寸为13mm×13mm×13mm，模型如图1 所示，风机叶片的铺层顺序如图2 所示[10-11]，各铺层顺序材料热物性参数如表1 所示[12]。

图1 风机叶片微元模型

表1 铺层材料热物理性质

1.2 模拟过程

采用热通量为热载荷，将恒定的热通量加载到检测面。加热方式为脉冲加热，持续加热时间为20s。由于风机叶片结构复杂，故将模型的最外层表面设置为与空气接触[13]。模拟工况是在理想环境下进行，物体的初始温度为20℃[14]，外界空气环境对流换热系数为15W/mm2·℃。

图2 叶片铺层顺序材料

设置完毕后，分别取：当热通量、单层缺陷宽度不变时，环境温度变化；当环境温度、单层缺陷宽度不变时，热通量变化；当环境温度、热通量、单层缺陷宽度不变时，单层缺陷变化3 种情况进行模拟。提取分析结果中缺陷处与非缺陷处对应表面温度进行分析，对比不同情况下热像温度差影响。

2.模拟结果与分析

2.1 环境温度对热像温度差的影响

设定单层缺陷是胶衣层缺陷，缺陷宽度为L = 5 mm，热通量为5.0×105W/m2，环境温度分别为-40℃、-10℃、0℃、20℃、50℃进行模拟。模拟分析结果如图3、图4 所示。

图3 环境温度对热像温度差的影响

图4 环境温度不同时热像温度差峰值趋势图

由图3、图4 可知，随着环境温度的升高，热像温度差峰值也随之减小。热像温度差峰值出现的时间也稍有延迟。环境温度不同时，热像温度差曲线逐渐都会趋于平缓。

2.2 热通量对热像温度差的影响

设定单层缺陷是胶衣层缺陷，缺陷宽度为L = 5 mm，环境温度为20℃，热通量分别为1.0×105W/m2、2.0×105W/m2、3.0×105W/m2、4.0×105W/m2、5.0×105W/m2进行模拟。模拟分析结果如图5、图6 所示。

图5 热通量对热像温度差的影响

图6 热通量不同时热像温度差峰值趋势图

由图5、图6 可知，随着热通量的增大，热像温度差峰值也随之增大。热像温度差峰值出现的时间相同。在较短的时间内，不同热通量的热像温度差值没有明显变化、热像温度差曲线没有区别。

2.3 单层缺陷对热像温度差的影响

设定单层缺陷宽度都为L = 5 mm，环境温度为20℃，热通量为5.0×105W/m2，单层缺陷分别是胶衣层缺陷、玻璃纤维增强层缺陷、黏胶层缺陷进行模拟。模拟分析结果如图7、图8所示。

图7 单层缺陷对热像温度差的影响

图8 不同单层缺陷时热像温度差峰值趋势图

由图7、图8 可知，胶衣层缺陷、玻璃纤维增强层缺陷和黏胶层缺陷的热像温度差峰值是依次减小，胶衣层缺陷的热像温度差峰值最大，这说明相较于玻璃纤维增强层缺陷和黏胶层缺陷，胶衣层缺陷容易检测出来。热像温度差峰值逐渐趋于恒定值。

3.结语

根据有限元的方法对含有缺陷的风机叶片进行红外模拟分析。通过对不同环境温度、热通量、单层缺陷的风机叶片缺陷红外模拟分析，得出以下结论：随着环境温度的升高，热像温度差峰值与环境温度呈反比关系，这说明温度越低叶片缺陷越容易检测出来。并且热像温度差峰值出现的时间稍有延迟，说明环境温度越高，最适合的检测时间越长，理论上检测的反应速度越慢。随着热通量的增大，热像温度差峰值也随之增大，这说明叶片缺陷是容易被检测出来的。在较短的时间内，热像温度差值基本没有变化，说明加热时间越长，热通量对热像温度差值越大，叶片缺陷就越容易被检测出来。在缺陷宽度相同时，胶衣层缺陷的热像温度差峰值最大，玻璃纤维增强层和黏胶层缺陷依次减小，这说明胶衣层缺陷是容易被检测出来的。并且同时也说明风机叶片最外层与空气接触，缺陷容易被检测出来。不同单层缺陷热像温度差峰值曲线逐渐趋于平缓。