风电叶片疲劳测试中的等效载荷研究

风电叶片疲劳测试中的等效载荷研究

张凯

甘肃省特种设备检验检测研究院  甘肃省兰州市  730050

摘要：风电叶片作为风力发电机接收风能的主要部件，其设计寿命长达20年。研究表明，由于长期受到交变载荷影响，疲劳破坏是叶片主要失效形式，进行疲劳试验是验证叶片性能和寿命最有效的方式。目前，叶片疲劳试验普遍采用单点激振方法，使叶片持续上下振动，以此来测试其疲劳寿命。

关键词：风机叶片；等效转换；疲劳载荷；复合材料

引言

当前多数风机叶片缺陷检测分两种情况。一是使用物体材料反射率差异巡查，即有缺陷和无缺陷物体反射频率不同，通道检测可以发现缺陷；二是使用计算机视觉技术和深度学习方法选出有缺陷的图片，然后根据拍摄的信息具体定位到缺陷所在的风机叶片上的准确位置，最后派遣人员检修或更换。玻璃钢复合材料是一种高性能的纤维增强复合材料，具有质量轻、硬度高和耐腐蚀等优点，适用于恶劣气候等实际工况的要求，一直是大中型风机叶片的常用材料。但是，由于风机内部结构复杂，制造过程复杂，受风蚀、雨蚀等环境因素的影响，如检测和处理不当，叶片可能断裂，造成严重后果。目前，风机叶片检测的方法主要有目视法、超声波检测、传统视觉算法、声发射检测、红外热成像和图像检测技术等。

1叶片传统的等效疲劳载荷计算方法

风力机叶片的设计与性能分析的重点在于疲劳研究。风机叶片载荷主要为20年设计生命周期内的动载荷，动载荷中的周期载荷、非周期载荷可统称为疲劳载荷。针对载荷的处理，美国风能技术研究部人员提出了利用雨流法对风荷载进行统计分析，通过分布的荷载幅值来描述疲劳载荷历程.目前风机在运行中的疲劳载荷可以通过GHBladed软件进行模拟仿真，以载荷－时间历程形式输出，称为时域载荷。但是由于时域载荷的不确定性，这种载荷谱难以直接应用，通常会对其进行统计处理。作为在风电机组设计行业被应用最为广泛的商业仿真软件，GHBladed中提供对疲劳载荷进行等效处理的功能模块。通过雨流计数方法对时域载荷进行循环计数，得到载荷均值、幅值和循环次数的马可夫载荷表。

2试验系统构建

两点惯性激振系统控制结构采用上位机－主控制器－从控制器－执行装置的分布式网络结构。上位机采用LabVIEW编程实现现场监控及控制算法，主、从控制器在西门子200Smart系列PLC中编程实现。通过变频器调节对应异步电机的转速，进而改变激振器的激振频率。叶片通过高强度螺栓安装在试验台上，两激振器通过夹具分别安装在叶片的相应位置。激振器主要包括三相异步电机、减速机、摆臂及配重块。摆臂安装在减速机的输出轴上，并且摆臂上安装质量可调的配重块。试验时，摆臂作回转运动，产生激振力，当激振器的激振频率接近叶片固有频率时，迫使叶片在激振器安装面方向振动，使用激光测距仪测量叶片振幅变化。通过传感器采集高速脉冲信号，用于计算激振器的转速和相位；使用限位开关为每台激振器设置相位零位基准。

3叶片在风场的实际受载分析

以某兆瓦级风机叶片为研究对象，在风场对叶根载荷进行实测。该风机额定风速为8.85m/s，风场实测的平均风速为9.32m/s，湍流为3.15%，空气密度为1.201kg/m3，正常发电工况，得到时域载荷谱如图1和图2所示，可见叶根弯矩Mx摆振方向测试数据与仿真计算数据吻合度较高，且载荷均值在0kN·m附近，而叶根弯矩My挥舞方向测试值略低于仿真值，载荷均值约为7，000kN·m，由此说明挥舞方向将疲劳等效为Ｒ=－1的对称疲劳载荷来进行测试，不符合叶片实际载荷分布。

图1叶片1的叶根弯矩Mx风场实测载荷和计算载荷

2叶片1的叶根弯矩My风场实测载荷和计算载荷

4考虑均值的叶片等效疲劳载荷计算

4.1声发射信号的传播速度分析

由于声发射信号的传播方向与叶片的叶展方向一致，因此在叶尖处拟定一个声发射源（即冲击荷载），然后在叶片长度方向上在距离声发射源100mm处取第1个点，然后每隔100mm选取1个点，共选择10个点，根据声发射信号到达每个点的时间及每个点与声发射源的距离，计算得到每个点的声发射信号传播速度；以此得到这10个点的声发射信号传播速度，然后取平均值，作为声发射信号在叶片材料中的传播速度。分别计算玻璃纤维－环氧树脂复合材料中玻璃纤维方向与声发射信号传播方向的夹角不同时的声发射信号传播速度。

4.2同步控制方案设计

两激振器的同步是通过调节转速使相位差保持为0实现的。由于两激振器在振动过程中存在耦合效应，会对两激振器的同步产生阻碍，因此在同步方案的设计上，应协调好转速与相位之间的关系。异步电机作为一个非线性、强耦合、多变量的输入输出系统，采用矢量控制技术控制异步电机可实现与直流电机调速相似的效果。变频器的矢量控制在异步电机转速稳定控制上已得到广泛应用。相位控制的目的是保证两激振器转速稳定下摆臂相位一致，得到合力激振的效果。因此，制定了虚拟主轴并行同步控制方案。其中，T1为2号激振器产生的耦合扭矩、T2为1号激振器产生的耦合扭矩。虚拟主轴是软件生成的传感信号，可作为理想的基准相位，使两台激振器作为独立单元跟随基准相位，可减小耦合效应对两激振器的互相扰动，提高系统的静态和动态性能。

4.3考虑均值的疲劳幅值计算方法

根据GL2010叶片设计规范，叶片疲劳计算需要考虑载荷均值的影响，且采用的是Goodman的线性模型，故利用Goodman直线模型疲劳转换公式，

将马可夫矩阵载荷表里各个截面不同幅值Sa和平均值SMS载荷转换为对称载荷Ｒ=－1下的等效S－1。其中：Sa为幅值；Sm为平均值；S－1为对称循环载荷；Sb为极限值。Sb为各截面材料所能承受的极限弯矩载荷，可利用叶片有限元计算模型，根部约束全部自由度，同步在叶尖加载单位弯矩载荷，再求出摆振和挥舞两工况每个截面范围内的最大应变，最后结合最大应变位置的材料极限值，按单位载荷下的轴向应变和材料极限值线性推算出截面的极限弯矩载荷Sb。

5讨论

为提高风电叶片疲劳试验的驱动力，优化疲劳测试精度，本文作者设计了风电叶片两点惯性激振试验系统。根据试验结果可得出以下结论：(1）非控制状态下的耦合效应影响激振系统同步，两激振器的相位差波动较大，叶片振幅紊乱，不满足叶片疲劳试验标准；(2）设计了基于模糊PI的虚拟主轴并行同步控制策略，可使两激振器的相位差维持在［－1.5°，1.5°］，叶片振幅可保持稳定，验证了该同步策略的同步性能；(3）通过与目前普遍采用的单点激振方法相比较，两点激振可提供更大的激振力，可改善叶片弯矩分布精度差的问题，为后续的大型风电叶片疲劳测试提供了参考。

结束语

风力发电机组中的叶片容易遭受疲劳损坏，本文通过风场实测数据和软件计算的疲劳载荷矩阵分析，指出了目前的疲劳测试载荷的不合理性，并通过有限元计算和采用Goodman公式等效计算，重新设计了一套风力机叶片疲劳计算和试验验证的新方法，能够对叶片实现更为有效的疲劳测试考核。

参考文献

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