风电场风力发电机组叶片失效断裂分析

惠鹏++郭永刚++鞠伟

摘 要：风力发电系统大多都布置在环境恶劣的条件下，通过将自然风产生的动能转化为电能进行工作。由于自然风具有强烈的随机性，常常发生风速、风向剧变的情况，因此要求风电场中的风力发电机必须能够承受较大的载荷。而随着风力发电规模和技术的不断发展，风机叶片变得越来越大，这无形中增加了叶片损坏的概率。本文通过对机组叶片的结构和受力情况进行介绍，对风电场风力发电机组叶片的断裂监测和预防进行了分析。

关键词：风电机组 叶片断裂 结构 受力 监测

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（c）-0080-02

随着经济和社会的不断发展，能源问题成为制约人类发展的关键问题。石化资源由于其污染性、不可再生性等特点已经无法满足社会发展的需求。这种情况下，风能成为一种重要的绿色替代能源，并因此受到了更多的研究和关注。通过风力发电机组将风产生的动能转化为电能，不仅有效降低了污染废料的排放，还改善了电力结构。随着装机容量的快速增加，风力发电设备和技术的发展非常迅速。其中，叶片是风电场风力发电机组的重要组成部件，直接影响到发电机的性能、效率、质量和经济效益。叶片会随着机组容量的增大而快速增加，越大的风机叶片会无形中增加叶片损坏的概率。而且在风机的运行过程中会使叶片受到恶劣自然环境的影响，使叶片出现共振现象。叶片共振是风力发电机组叶片失效断裂的重要原因之一。本文通过对机组叶片的结构和受力情况进行介绍，对风电场风力发电机组叶片的断裂监测和预防进行了分析。

1 机组叶片的基本结构和特性

1.1 材料

由于风力发电机组都是布置在环境恶劣的条件下，因此，风力发电机的叶片材料选择要十分慎重，要综合考虑叶片的重量、强度和化学性能，这样才能有效降低叶片的断裂概率。选择的材料应具有较大的强度和比模量、良好的减震性和破损安全性，以及耐疲劳性。

1.2 结构

在设计过程中，常见的叶片材料结构主要包括层压板、夹层和编织三种结构。其中，层压板结构是指将纤维增强材料按顺序铺设到基体中，是当前应用最多的一种叶片材料结构，其主要材料性能由纤维和基体的性质决定；夹层结构是指两层层压板薄蒙皮与其间的夹芯构成，这种结构的比刚度良好，隔音、隔热、减震、抗疲劳，且结构简单；编织结构指将增强材料编织在面内和厚度方向上的结构，具有强度高、重量轻和较高的抗冲击能力。每种材料结构都有其侧重的特点，在风电场设计过程中要根据实际的情况进行选择。

1.3 力学特性

葉片材料的力学特性通常从宏观和微观两个方面进行分析。宏观方面，只对材料的各项平均性能进行考虑，而不讨论各个成分间的作用；微观方面则从微观的角度对材料各个成分间的影响进行分析。微观分析应该从材料整体构成中提取能够代表材料性能的基本单元，进而对各个组分的力学性质、成分含量和形态进行考虑，以期获取更有价值的分析结果。

2 风电场风力发电机组叶片失效断裂分析

2.1 叶片断裂种类

风力发电通过风力发电机组将风产生的动能转化为电能，其原理是让风吹动发电机组叶片的旋转，然后经过增速机提升叶片的转速，进而带动发电机组产生电力。风力发电系统大多都布置在环境恶劣的条件下，通过将自然风产生的动能转化为电能进行工作。由于自然风具有强烈的随机性，常常发生风速、风向剧变的情况，因此要求风电场中的风力发电机必须能够承受较大的载荷。而随着风力发电规模和技术的不断发展，风机叶片变得越来越大，这无形中增加了叶片损坏的概率。常见的叶片失效断裂故障包括：

（1）梁帽强度不达标造成的叶片断裂。

（2）因前、后缘粘接强度较弱造成的叶片开裂情况。

（3）叶片尖部强度较弱造成的接闪器和尖部的脱落。

（4）对剪腹板产生压力后出现的断裂情况。

（5）部件连接不合理造成的螺栓磨损或扭断等情况。

上述问题都是叶片运行过程中容易出现的故障，随着故障的积累，很容易出现叶片失效断裂的情况，因此需要对叶片的损伤机理进行研究，通过发电机组的叶片受损程度来监控叶片的运行情况。

2.2 叶片断裂监测

因为常见的风力发电机组都比较庞大，而且还处于比较偏远的地区，使得对机组设备的维护非常困难。所以，应该采用合适的方式对叶片的运行状态进行监测，对叶片的失效和断裂情况进行防范。其中，远程在线监测是目前最常用的技术，它不仅提高了风电机组的运行时间，还有效降低了系统的维护成本。

依据以往的经验可以发现，叶片材料在出现整体失效前都会出现一定的断裂、结构脱胶和分层破坏等情况，这些情况通常不会影响叶片的正常使用，但是随着损伤的积累，就会对叶片造成严重的损坏，最终导致整个叶片的失效。因此，在叶片失效前及时发现这些问题，对风电机组的维护和安全运行具有重要的意义。

远程在线监测是通过在风力发电机组的各个部位安装传感器，采集设备产生的信号，然后由计算机进行分析并对风力发电机的叶片状态进行判断，从而及时发现异常，有效保障风力发电机组的稳定运行。传感器在进行调试的过程中，要选择合适的位置，使其能够采集到有效的、具有代表性的信号，从而更好地反映风力发电机组的状态。信号采集到以后，要通过计算机对数据进行处理，并建立有效的模式识别数据库，通过数据的对比分析来判断风力发电机的运行情况。风力发电机组叶片信息的监测流程如图1所示。

最近几年来，国内外在声发射监测技术上进行了大量的研究，这是一种无损的动态监测技术，能够根据材料受到负荷时产生的应力反射来对材料的实际损伤情况进行判断。随着叶片材料的不断损坏，叶片结构受力会出现很多声发射信号，这使得计算机系统能够接收到信号并对信号的类型进行分析。在这些信号波形中会隐含大量的和发射源的基本特性相关的特征数据，计算机能够对这些数据进行有效处理和分析，从而对叶片材料的损坏位置、持续时间、破坏程度和趋势进行判断，并进一步得到叶片损伤位置的受力情况，为后期风力发电机组的维护和稳定运行提供可靠的分析依据。

3 结语

叶片是风电场风力发电机组的重要组成部件，直接影响到发电机的性能、效率、质量和经济效益。在风机的运行过程中会使叶片受到恶劣自然环境的影响，而且叶片会随着机组容量的增大而快速增加，越大的风机叶片会无形中增加叶片损坏的概率。因此，在叶片设计过程中要根据实际的情况和叶片的受力条件选择合适的材料和设计结构，并通过断裂监测等手段对叶片的失效断裂行为进行防范。

参考文献

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