风力发电机组叶片全生命周期监控与管理

林奇

摘 要：风机多是安装在环境恶劣、海拔高、气候复杂的地区，而叶片又恰恰是工作在高空、全天候条件下，经常受到空气介质、大气射线、沙尘、雷电、暴雨、冰雪的侵袭，其故障率在整机中约占三分之一以上。定期检查，早期发现，尽快采取措施，把问题解决在萌芽状态是避免事故、减少风险、稳定电场收益的最有效方式。

关键词：风力发电；故障分析；维护

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0158-02

1 风力发电叶片简介

风力发电机叶片是一种复合材料制成的薄壳结构，从结构上可分为：根部、外壳、龙骨三个部分。夜盘类型有多種，如平头、尖头、钩头、带襟翼的尖部等。制造工艺主要包括阳模→翻阴模→铺层→加热固化→脱模→打磨表面→喷漆等。设计难点包括叶型的空气动力学设计、强度、疲劳、噪声设计、复合材料铺层设计。工艺难点主要包括阳模加工、模翻制、树脂系统选用。叶片是一个大型的复合材料结构，其重量的90%以上由复合材料组成。

2 风力发电叶片维护的必要性

在我国风电飞速发展开始于2006年，在当时国内风机以600kw，700kw机型为主，2007年3月，我国首台1.5MW直驱永磁发电机组在新疆投运，拉开了兆瓦级风力发电发展的序幕。随着风电市场的逐渐成熟，大型风力发电机组相继出现，叶片长度也由原来的30-40m增加至60-70m。叶片长度的不断增长，同时带来叶片重量的增加，但是叶片设计使用寿命为20年，如何在叶片20年的生命周期内保持其高效运行至关重要。

风力发电叶片一般安装于偏远的地区，运行环境恶劣，如较大的风沙侵袭，-30℃至50℃的循环温差，以及强紫外光的老化等。目前2.5MW-50.3m的叶片，叶尖运行速度高达300公里/小时，在这样高转速下，风沙和雨滴对风电叶片的侵蚀相当于等离子切割，叶片表面容易形成空洞。研究表明，叶片表面粗糙度的增加以及缺陷的累积将导致发电效率降低5%-30%，还可能导致叶片运行失稳造成齿轮箱的故障。叶片小的缺陷如果没有及时发现并进行专业修复，将导致裂纹延伸至叶尖，造成叶片大面积的开裂，不得不进行大型修补或者返厂处理，给风场业主带来重大经济损失。

风机叶片是风电机组关键部件之一，其性能直接影响到整个系统的性能。叶片工作在高空，环境十分恶劣，空气中各种介质几乎每时每刻都在侵蚀着叶片，春夏秋冬、酷暑严寒、雷电、冰雹、雨雪、沙尘随时都有可能对风机产生危害，隐患每天都有可能演变成事故。据统计，风电场的事故多发期多是在盛风发电期，而由叶片产生的事故要占到事故的三分之一，叶片发生事故电场必须停止发电，开始抢修，严重的还必须更换叶片，这必将导致高额的维修费用，也给风电场带来很大的经济损失。在我国风电开发还处于一个发展阶段，风场管理和配套服务机制尚不完善，尤其是风电企业对叶片的维护还没有引起充分认识，投入严重不足，风电场运转存在许多隐患，随时都会出现许多意想不到的事故，直接影响到风电场的送电和经济效益。根据对风电场的调查和有关数据分析，并参阅了许多国外风电场维护的成功经验，我们对风电场的日常维护的必要性有了更深刻的了解。我认为，建立良好的叶片正常维护制度是保证风电场效益的基础，以少量的投入避免巨大的损失、换取最佳经济效益的最好方式。

3 叶片产生问题的原因及故障分析

叶片产生问题的原因类型，主要分为四个方面：即设计不完善、生产缺陷、自然原因和运行不当。

（1）设计方面的原因：管理层要求降低成本的压力，未经设计者批准就改变生产工艺在叶片生产加工过程中，有时候生产部门未经设计部门批准就私自修改工艺，这样会破坏叶片的整体性能。叶片的设计要考虑到机组其他部件的要求与配合，例如，塔架与叶片的间距通常是设计叶片强度需要考虑的一个原因，主轴和轴承的尺寸也会对叶片的重量提出要求，如果这些参数考虑不周就会使叶片设计到达极限值。在叶片设计的任何一个阶段中，实际运行载荷和静态载荷总是很难准确预测，设计不当就会降低运行载荷的安全余量，这样设计参数生产出来的产品因为降低安全余量很容易损毁，如图1所示。

（2）生产缺陷：使用不合格的材料，不严格的质量控制，擅自修改生产工艺，生产工艺过于复杂很难产生质量一致的产品都会导致生产缺陷，如图2所示。

（3）自然原因：如雷击、冰、空气中的颗粒、高速风、剪切风、恶劣气候等，如图3所示。

（4）运行和维护不当：如漏油、裂缝、污垢、前缘腐蚀、超额定功率运行、失控等，如图4所示。

4 叶片的维护

4.1 叶片裂纹维护

叶片表面的裂纹一般在风力发电机组运行2-3年后就会出现。裂纹是由低温和机组自振所引起的。如果裂纹出现在距叶片根部的8-15米处，风力发电机的每次自振、停车都会是裂纹加深加长。裂纹在扩张的同时，空气中的污垢、风沙乘虚而入，是的裂纹加深加宽。裂纹严重威胁着叶片的安全，可导致叶片的开裂，横向的裂纹可导致叶片断裂。

如果出现横向裂纹，必须采用拉锁加固复原法。拉锁加固复原发是指，采用专用的拉筋粘合，修复回原有的叶片平面。

4.2 叶片砂眼形成与维护

风机叶片出现砂眼是由于叶片没有了保护层所引起的。叶片的胶衣层破损后，被风沙抽磨的叶片首先出现的麻面其实是细小的砂眼，如果叶片有坚硬的胶衣保护，沙粒吹打到叶面时可以抵挡也能转移风沙的冲击力，就象风沙分别打到钢板和木版上，所出现砂眼的状态肯定是截然不同。砂眼对风机叶片最大的影响是运转时阻力增加转速降低，砂眼生成后它的演变的速度是惊人的。1.5毫米直径的砂眼二年后清洗已变成深度5毫米直径达10-12毫米，如果此时是雨季，砂眼内存水，麻面处湿度增加，风机避雷指数就会降低。针对砂眼的修复，以往国内采用的是抹压法，此种方法对于小砂眼和麻面是有效的，但对于较深的砂眼，在抹压的同时砂眼内污垢和空气气泡无法排出，存在着治标不治本的现象。采用注射法治理修复叶片砂眼，无论深度多少的砂眼都是从内向外堵，使内结面积增大饱和无气隔。做到表里如一，坚硬耐冲击。

4.3 叶尖的维护

风机的许多功能是靠叶尖的变换来完成的。叶尖是整体叶片的易损部位，风机运转时叶尖的抽磨力大于其它部位，整体叶片中它又是最薄弱的部位。叶尖是由双片合压组成，叶尖的最边缘是由胶衣树脂粘合为一体，叶尖的最边缘近4厘米的材质是实心。目的是增加叶尖的耐磨度和两片之间的亲和力。由于叶尖内空腔面积较小，风沙吹打时没有弹性，所以也是叶片中磨损最快的部位。通过施工标记试验证明，叶尖每年都有0.5厘米左右的缩短磨损。叶片的易开裂周期是风机运转四至五年后，原因就是叶片边缘的固体材料磨损严重，双片组合的叶尖保护能力、固合能力下降，使双片粘合处缝隙暴露于风沙中。解决风机叶片开裂的问题，就是风机运转几年后做一次叶尖的加长、加厚保护。与原有叶片所磨损的重量基本吻合，不会对叶片的配重比产生任何影响，修复后的叶尖至少三年后磨回原有叶面，对阻止叶尖开裂现象的发生起到决定性作用。

5 结语

本文对风力发电机组叶片的故障分析及维护做了详细的过程，风轮叶片作为风电机组的一个部件，与其它零件一样需要关注。维持叶片情况良好的方式是检查和观察早期问题。如果定期修复这些问题，可以避免更大、高额费用的修补。如果对小的问题不理不睬，就会发展成越来越大损毁。这不仅造成修补费用更加昂贵，而且这种损坏通常在有风季节出现，由此影响发电收入。