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风电机组全寿命周期性能研究
 

  风电机组的设计寿命通常为20年,在其服役的生命周期中,由于各种环境、载荷、材料等因素的不利影响,机组各个部件都不可避免地产生累积损伤、抗力衰减和功能退化。由于机组的服役磨损和损伤累积,运维成本会逐年增加。因此,减少风电机组部件的故障和损伤是提高风电场可靠性和经济性的关键之一。风电叶片是风电机组更换次数最多,维护成本最大的一个部件,一般采用纤维增强复合材料制造而成,叶片质量和性能受到原材料、制造技术、生产工艺、服役环境和人为因素的影响。根据叶片服役的时间历程和性能变化,叶片的生命周期一般可分为制造加工、运输安装、运行维护和退役处理四个部分。刚度对于叶片及风电机组寿命预测和残余强度计算有重要作用,刚度退化情况与层压板组成、材料性能以及疲劳载荷类型有关,通常可由位移-载荷实验数据计算获得。 

  复合材料强度在疲劳寿命早期阶段呈缓慢下降趋势,随着损伤积累,强度逐渐降低最后快速下降,直到材料完全破坏。中国科学院工程热物理研究所国家能源风电叶片研发(实验)中心对某型47m叶片进行了疲劳试验测试,在不同测试时间(疲劳循环周期)测得静力加载的载荷、位移数据,叶片经过200万次循环周期的疲劳加载,刚度总共下降了2.20%。其中,50万次疲劳加载时,叶片刚度下降了1.43%,占刚度下降总量的65%;而在50~200万次循环周期中,叶片刚度呈稳定下降趋势,刚度下降幅度占总量的35%。叶片在疲劳加载初期的刚度下降速度较快,并且在200万次疲劳周期内的刚度退化趋势与复合材料刚度退化规律前两阶段相吻合。这一实验研究结果表明,复合材料和叶片结构在疲劳载荷作用下的这一相似规律,是叶片在服役初期发生破坏较多的原因之一。 

  虽然与传统金属材料相比,复合材料具有比强度和比刚度高、疲劳性能好、耐腐蚀等许多优异特性,且用于风电叶片上,可使叶片减重25~30%。但是,叶片复合材料结构对损伤较为敏感,在含有损伤的状态下剩余强度会严重降低。因此,准确的检测出叶片初始缺陷和服役损伤,并及时采取合适的修补措施,对减缓叶片的损伤扩展,回复叶片原有的性能具有重要价值。目前,应用到复合材料叶片检查的常用无损检测技术有超声波技术、声发射检测技术、红外线成像检测技术和错位散斑干涉技术等,可对叶片进行质量控制和结构部件的现场检验,还有一些常规的在线监测方法,比如振动监测法、应变测量法等,这些研究在确保设备运行在适当的应力范围内,并对设备结构的服役寿命预测有重要参考意义。目前,国家风电叶片研发(实验)中心基于超生波技术以及在线监测技术的风电叶片测试技术方面已取得一定积累,未来将在风电行业服务方面得到广泛推广和应用。