(盐城市产品质量监督检验所 江苏盐城 224000;国家风电设备质量监督检验中心 江苏)
摘要:国家能源局已将叶片认证定义为强制性认证，通过对叶片进行摆振方向200万次振动测试，验证叶片能否满足20年使用寿命的要求,了解叶片整体强度结构，为评价风力发电机组叶片性能提供基础数据来源。本试验采用单点恒幅加载方式，考察叶片各截面。在叶片特定截面安装激振系统，由激振系统的偏心轮旋转产生离心力对叶片施加交变恒幅载荷。通过调节偏心轮的转速，使其旋转频率与叶片固有频率接近，进而产生共振。监测危险截面应变，当应变值达到预期水平时即认为载荷达到测试载荷水平。
关键词：疲劳性能测试;激振系统;交变恒幅载荷
引言
着近几年国内风电行业的大规模发展，国内已基本完成了风电相关产业链和配套设施的建设。国家能源局下发《关于规范风电设备市场秩序有关要求的通知》，明确提出新建风力发电项目的风轮叶片，须按照《GB/Z25458-2010 风力发电机组合格认证规则及程序》进行型式认证，叶片认证成为强制性认证。型式试验是型式认证必不可少的一个环节。
一．国内外叶片制造和检测发展现状
国外早在上世纪80年代就开展了风力发电机组的检测工作。IEC(国际电工委员会)陆续颁布了一系列风力发电机组测试标准。 国内风力发电技术起步较晚，且风力发电机组叶片疲劳测试技术是近几年才开始着手作一些方面的研究，对大型风力发电机组叶片疲劳性能检测研究都比较缺乏，故对大型风力发电机组叶片疲劳性能检测研究是非常有必要的。
二．疲劳测试系统原理简析
叶片的疲劳试验用来测定叶片的疲劳特性。实际大小的叶片疲劳试验通常是认证程序的基本部分。疲劳试验时间要长达几个月，检验过程中，要定期的监督、检查以及检验设备的校准。叶片可用面载荷或集中载荷（单点/多点载荷）来进行加载。对于一个给定的加载顺序，静力试验载荷通常按均匀的步幅施加，或以稳定的控制速率平稳地增加。必要时，可明确规定加载速率与最大载荷等级的数值。通常加载速率应足够慢，以避免载荷波动引起的动态影响，从而改变试验的结果。
三．疲劳测试主要研究内容
大型风力发电机组叶片疲劳性能检测是指通过相关的工装设备在叶片上施加相应的等幅或变幅的载荷，以验证叶片具有足够的强度，可以承受设计寿命内的疲劳载荷的作用。本研究采用单点恒幅加载方式，考察叶片各截面。在叶片特定截面安装激振系统（电机，减速机，悬臂，偏心块等），由激振系统的偏心轮旋转产生离心力对叶片施加交变恒幅载荷。通过调节偏心轮的转速，使其旋转频率与叶片固有频率接近，进而产生共振。监测危险截面应变，当应变值达到预期水平时即认为载荷达到测试载荷水平。
四．疲劳测试方法
疲劳试验正常运转起来后实行24小时不间断运行，每隔2个小时根据要求检查一次叶片状况，做好记录。启动电机，通过变频器由小向大调节输出频率，同时关注L10截面的应变数值，当该截面的数值达到静载标定数值水平时认为达到测试载荷大小，电机以目前频率稳定输出。记录此时的输出频率和室外温度，此后每间隔两个小时记录一次室外温度，保持应变仪20Hz采集频率，动态连续监测危险截面应变情况，如有异常情况应及时分析其原因。
每隔50万次振动或L16和L35截面完好应变片全部损坏时，进行一次载荷标定，同时进行L39截面挠度测量和试验台变形，以及应变片数值记录，直至完成全部试验。刚度计算公式如下图1所示。
图1刚度计算公式
考虑到叶片截面的强度与刚度，选取L39m为加载位置，在该截面安装激振系统，完成200万次振动。载荷标定：
标定载荷为56.63KN，该试验采用吊车以及拉力传感器的方式对叶片进行载荷标定。标定中加载过程分为5级：10kN/10kN/10kN/10kN/16.63kN。启动吊车对叶片进行缓慢加载，每次达到预期载荷水平时，保持该载荷不变，待L16和L35截面应变数值稳定,记录实际载荷、L16和L35应变值、L39挠度，然后进行下一级的载荷加载，直至完成，并重复记录数据。振动时L16和L35的应变峰峰值，大于等于标定值的2倍，即认为达到标定振幅。
卸载过程为加载过程的逆过程。同样需要记录实际载荷、L16和L35应变值、L39挠度和试验台变形的数据。
重复以上步骤三次，以三次的均值作为疲劳测试的目标。每隔50万次振动或L16和L35截面的应变片完全损坏时，需要进行一次载荷标定，同时进行挠度测量、应变片数值记录。
五．叶片测试结果以及失效判断方法
疲劳测试中，可以允许一些非关键结构的破坏，如腹板小范围的开胶和蒙皮的分层，修补后，可以继续测试。但是测试过程中，破坏和分层的部位在测试期间不允许有扩大的情况出现。根据《IEC 61400-23》第36页11.3节中描述的情况，测试期间如果出现以下情况，应停止试验，分析原因：
（1）叶片刚度下降超过10%并不可恢复；
（2）卸载后，叶片出现明显的永久形变；
（3）叶片大部分截面出现局部失稳或破坏；
（4）卸载后，叶片整体或关键结构发生破坏，并且不能再承担相应的功能。
六．结束语
叶片是风力发电机组最关键的构件之一，风力发电机风轮叶片疲劳测试与评估，是非常必要的。叶片疲劳测试的目的是为了验证叶片设计的正确性、可靠性和制造工艺的合理性。
总而言之，风力发电机的风轮叶片测试是风力发电可靠持续实现的一个必要过程，对叶片整体质量作出一个系统评价，对业主和主机厂商而言有着无与伦比的重要性，对风力发电机组的正常运转起着决定的作用，具有很大的意义。
参考文献：
1.中华人民共和国机械行业标准,JB/T10194-2000《风力发电机组风能叶片》，国家机械工业局，2000.10
2.姚兴佳，《风力发电测试技术》，电子工业出版社，2011.03.01
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5.UPBlade-2000-51[1].5-IVB (国电联合动力技术有限公司叶片结构设计分析报告)，国电联合动力技术有限公司，2006
6.GHBlade 风力发电机组叶片载荷计算原理手册，2005.4
论文作者:邵成
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/14
标签：叶片论文; 载荷论文; 截面论文; 疲劳论文; 应变论文; 测试论文; 加载论文; 《电力设备》2017年第29期论文;