風電葉片疲勞測試動態應變受溫度的影響

北極星風力發電網訊:前言

自從國家能源局發文要求風力發電機組整機及風輪必須通過型式認證，因此每個型號的風輪葉片都需要通過疲勞測試。

葉片疲勞測試是一個較漫長而複雜的工作，操作不當有較大的風險。比如說葉片設計、製造質量都非常高，但由於疲勞載入或者操作不當可能會引起提前破壞，最後導致不能取得型式認證證書。在溫度變化時，複合材料的自振頻率將發生變化，進而影響風電葉片疲勞測試的動態應變。

2. 葉片疲勞測試的原理

目前葉片疲勞測試是靠安裝在葉片上的偏心旋轉設備與葉片發生共振，從而驅動葉片做上下循環擺幅運動的。葉片、偏心旋轉設備、額外配重的質量組成葉片系統。共振的充分條件是偏心旋轉設備的旋轉頻率與葉片系統自振頻率非常接近。其中旋轉頻率可通過變頻器來調節，尤其在共振頻率附近區域。

3. 模量引起葉片頻率變化

目前大型水平軸風電葉片由樹脂基複合材料製造而成，根部為圓柱型，通過T 型螺栓或預埋螺栓連接，從最大弦長到葉片尖部段，絕大部分剛度由單向織物複合材料提供。

複合材料的模量受溫度影響較大，GL 2010規定複合材料適應的一般環境溫度範圍為-30---+50℃，而其機械性能測試是在室溫23℃下進行的。參照室溫條件，複合材料模量的變化趨勢是: 在低溫下升高，高溫時降低。

為了研究簡便，可以把在任何溫度下葉片截面的剛度看成一個係數乘以室溫條件下的葉片剛度所得的積。本文假設剛度的變化量為10%，表1 顯示了剛度和系統頻率的變化。

4. 溫度變化對葉片疲勞測試的影響

經過細微的調試，葉片系統與偏心旋轉設備發生共振，實現平穩運行。當環境溫度發生變化，導致如下連鎖變化:

( 1) 葉片單向織物複合材料的模量變化;

( 2) 葉片系統的自振頻率發生變化;

( 3) 破壞原有共振平衡，導致葉片的動態應變不夠或者超出。

按照第二部分中描述的方法對葉片開展疲勞測試，疲勞試驗荷載用單點恆幅載入，在葉片特定截面處安裝激振器，由激振器的偏心輪旋轉產生的離心力對葉片施加交變恆幅荷載。通過調節轉速及偏心輪質量，使激振器與葉片產生共振，可使激振力達到預定的荷載水平，分別採用動態應變儀和位移感測器採集考核位置的動態應變和振幅。

圖1 顯示了LZ55. 58-2. 0 葉片在連續的溫度變化下振幅的變化趨勢。操作人員按照白天的溫度調節獲得穩定的振幅。晚上溫度降低，葉片自振頻率升高，共振平衡被打破，振幅降低。第二天早晨，溫度又升高，振動平衡又恢復。

當葉片的振動幅值不同時，動態應變隨之發生變化。

5. 調節措施

葉片疲勞測試中，危險截面區域的主梁和輔梁的動態應變被作為考核對象，需要保持穩定。在溫度變化的環境中，需要調節變頻器頻率去調節偏心旋轉設備的旋轉頻率，最後保持較穩定的動態應變。

以表1 中的數據為例，設定變頻器的初始頻率為37. 88Hz， 17 ∶02 時因溫度微變，頻率調整為37. 88Hz，18 ∶04 時因溫度下降，採集的應變偏小，需要將變頻器的頻率設為37. 92Hz，應變恢復為設計要求的686。

變頻器調節的步長越短，所獲得調節後的動態應變就越精確、越穩定。

另外，如果葉片在室內做疲勞測試，即使環境溫度有變化，但是葉片材料本身的溫度變化較室外的小得多，則更容易控制。

假設在三個溫度環境中，葉片單向布複合材料的模量相差10%。通過調節變頻器在對應關鍵點獲得同樣的動態應變，表2 列出了三個理論計算結果對比。

可見，如果要保持動態應變不變，則需要保持葉片振幅不變。目前一種以 控制葉片振幅的閉環系統已經成功開發，可以實時調節振幅。

6. 結論

本文闡述了風電葉片疲勞測試受環境溫度影響的結果及調節方法，總結如下:

( 1) 環境溫度變化對葉片疲勞測試的影響很大，可造成被考核的葉片動態應變不夠或者超出;

( 2) 為了獲得較穩定的動態應變，需要根據環境溫度變化及時調節偏心旋轉設備變頻器頻率: 溫度升高，調低變頻器頻率; 溫度降低，調高變頻器頻率;

( 3) 即使在不同的溫度下運行疲勞測試，如果要保持關鍵點恆幅應變，應使葉片保持同樣的振幅。一般來說，振幅比較容易監控。