風(fēng)能，大自然饋贈的綠色能源。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出現(xiàn)，成功捕獲了風(fēng)能并將之轉(zhuǎn)化為電能。葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件之一，其性能不僅關(guān)系到自身的可靠性，還關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組其他部件，甚至整個機(jī)組的安全。因此葉片檢測技術(shù)是保證葉片質(zhì)量、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行乃至我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵。
近日，由北京鑒衡認(rèn)證中心承擔(dān)的國內(nèi)最長的SR5.0-WB171型風(fēng)電機(jī)組葉片全尺寸試驗順利完成。該葉片是國內(nèi)最長、全球第二長葉片，試驗自2017年7月啟動，歷經(jīng)14個月。本次試驗嚴(yán)格按照國際電工委IEC61400-23：2014標(biāo)準(zhǔn)要求開展，試驗的順利完成為未來120米甚至更長葉片全尺寸試驗測試系統(tǒng)的研制積累了經(jīng)驗和奠定了良好的基礎(chǔ)。
全尺寸測試保障葉片安全運(yùn)行
風(fēng)電機(jī)組是全天候野外自然環(huán)境下運(yùn)行的發(fā)電設(shè)備。葉片在服役期間要時刻承受來自大自然狂風(fēng)驟雨的洗禮，這就要求葉片具有足夠的剛度和強(qiáng)度，即具有一定的變形要求、極限強(qiáng)度和疲勞壽命。北京鑒衡認(rèn)證中心風(fēng)能葉片部部長張金峰在接受科技日報記者采訪時表示，由于葉片結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，幾何外形極不規(guī)則，所用原材料品種規(guī)格較多，不同生產(chǎn)工藝對葉片強(qiáng)度影響很大，無法僅僅通過計算分析完成對葉片設(shè)計安全性的評估。同時，在“降本增效”的壓力下，隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，葉片重量越來越輕，越來越長，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計提出了更高的要求。測試作為聯(lián)系理論設(shè)計和實際工程的紐帶，是驗證產(chǎn)品設(shè)計的最后一環(huán)。因此必須進(jìn)行全尺寸測試，對葉片設(shè)計、制造工藝、實際承載能力和使用壽命進(jìn)行綜合驗證，保證葉片安全運(yùn)行。
經(jīng)過多年的發(fā)展，目前國際上已經(jīng)形成了較為完善、統(tǒng)一的葉片測試標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如國際電工委發(fā)布的IEC61400-23標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了葉片型式測試，包括葉片重量重心、固有頻率和模態(tài)分析、靜力強(qiáng)度測試和疲勞測試等。“葉片全尺寸測試已經(jīng)成為葉片產(chǎn)品投入市場的準(zhǔn)入門檻。”北京鑒衡認(rèn)證中心研究院副院長俞輝表示。
測試技術(shù)升級滿足產(chǎn)品更新
“葉片尺寸大、載荷大，葉片長度甚至可以達(dá)到百米級，因此葉片測試對檢測系統(tǒng)的規(guī)模要求大，同時加載精度要求也高，這一直是葉片測試的難點。”張金峰認(rèn)為，若市場無匹配的檢測系統(tǒng)，或者檢測系統(tǒng)能力不足，會導(dǎo)致無法真實驗證產(chǎn)品，甚至導(dǎo)致葉片損壞，將大大影響葉片研發(fā)周期和葉片投入市場的進(jìn)度，阻礙整個風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
為適應(yīng)不斷更新的葉片產(chǎn)品和不斷提高的測試要求，測試技術(shù)和測試系統(tǒng)也在不斷升級。
在靜力測試過程中，如何精確監(jiān)測葉片的位移軌跡一直是個技術(shù)難點，也是評估葉片設(shè)計制造一致性的重要指標(biāo)。由于葉片在加載過程中會發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致所安裝的激光位移傳感器無法獲取有效的數(shù)據(jù)。針對這一問題，張金峰帶領(lǐng)團(tuán)隊基于最為常用的拉線式位移傳感器結(jié)合幾何數(shù)值分析設(shè)計開發(fā)了一套完整的三向位移測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對同一點三個不同位移的數(shù)值分析獲得該點的位置，能夠獲取整個測試過程中葉片的位移軌跡，充分利用實驗室的設(shè)備，有效降低了成本。
在疲勞試驗中，目前常用方式為電動機(jī)帶動擺臂旋轉(zhuǎn)。但隨著葉片長度與功率的增加，其所承受的載荷逐漸增大，尤其是疲勞載荷的增加，之前的加載模式會在葉片加載位置引入扭轉(zhuǎn)載荷導(dǎo)致葉片破壞。為解決這一技術(shù)難題，鑒衡團(tuán)隊分別開發(fā)了一系列的對稱式擺臂加載裝備，有效解決了試驗中加載設(shè)備的偏心問題，保護(hù)葉片測試過程中免受其他載荷干擾，在國內(nèi)得到了推廣與應(yīng)用。
隨著風(fēng)電開發(fā)的逐步深入，多兆瓦大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，尤其是5MW乃至10MW以上大功率風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為設(shè)備制造企業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)的重點。為此，北京鑒衡認(rèn)證中心目前已在廣東省陽江市申請籌建“國家海上風(fēng)電裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心”，并獲得認(rèn)監(jiān)委批準(zhǔn)。后續(xù)將在該檢測中心建設(shè)適用于大型海上風(fēng)電機(jī)組150米長葉片的公共測試系統(tǒng)。“目前我團(tuán)隊正在研發(fā)的雙自由度加載技術(shù)、新型加速疲勞技術(shù)等先進(jìn)測試技術(shù)有望在該監(jiān)督檢驗中心得到應(yīng)用。”張金峰表示。
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建立國家級測試平臺促風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展
在我國風(fēng)電發(fā)展初期，完全符合國際標(biāo)準(zhǔn)要求、適應(yīng)大兆瓦機(jī)組葉片全尺寸試驗的測試平臺比較缺乏，因此建設(shè)符合國際標(biāo)準(zhǔn)，滿足國內(nèi)需求的葉片測試平臺刻不容緩。
2010年，在保定市高開區(qū)政府的支持下，國家發(fā)改委能源所聯(lián)合北京鑒衡認(rèn)證中心啟動了葉片測試平臺的建設(shè)。從標(biāo)準(zhǔn)研究、加載系統(tǒng)開發(fā)、測試平臺搭建等方面逐一開展工作，歷時2年多建成了當(dāng)時亞洲最大的葉片公共檢測系統(tǒng)平臺。2011年國家能源局批復(fù)依托北京鑒衡認(rèn)證中心成立“國家能源風(fēng)能太陽能仿真與檢測認(rèn)證技術(shù)重點實驗室”，葉片檢測系統(tǒng)平臺也成為該重點實驗室的重要組成部分。據(jù)張金峰介紹，國家重點實驗室建成至今已完成上百支不同型號的葉片全尺寸測試，并在2017年到2018年間完成了目前國內(nèi)最長、世界第二長和國內(nèi)最重的葉片測試。
