檢測(cè)技術(shù)升級(jí) 確保風(fēng)電葉片運(yùn)行安全

風(fēng)能，大自然饋贈(zèng)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(gè)機(jī)組的安全。因此葉片檢測(cè)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(guó)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(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的SR5.0-WB171型風(fēng)電機(jī)組葉片全尺寸試驗(yàn)順利完成。該葉片是國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)、全球第二長(zhǎng)葉片，試驗(yàn)自2017年7月啟動(dòng)，歷經(jīng)14個(gè)月。本次試驗(yàn)嚴(yán)格按照國(guó)際電工委IEC61400-23：2014標(biāo)準(zhǔn)要求開(kāi)展，試驗(yàn)的順利完成為未來(lái)120米甚至更長(zhǎng)葉片全尺寸試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的研制積累了經(jīng)驗(yàn)和奠定了良好的基礎(chǔ)。

全尺寸測(cè)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(shí)刻承受來(lái)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(zhǎng)張金峰在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)時(shí)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(duì)葉片強(qiáng)度影響很大，無(wú)法僅僅通過(guò)計(jì)算分析完成對(duì)葉片設(shè)計(jì)安全性的評(píng)估。同時(shí)，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(lái)越輕，越來(lái)越長(zhǎng)，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出了更高的要求。測(cè)試作為聯(lián)系理論設(shè)計(jì)和實(shí)際工程的紐帶，是驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最后一環(huán)。因此必須進(jìn)行全尺寸測(cè)試，對(duì)葉片設(shè)計(jì)、制造工藝、實(shí)際承載能力和使用壽命進(jìn)行綜合驗(yàn)證，保證葉片安全運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前國(guó)際上已經(jīng)形成了較為完善、統(tǒng)一的葉片測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如國(guó)際電工委發(fā)布的IEC61400-23標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了葉片型式測(cè)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(cè)試和疲勞測(cè)試等。“葉片全尺寸測(cè)試已經(jīng)成為葉片產(chǎn)品投入市場(chǎng)的準(zhǔn)入門(mén)檻?！北本╄b衡認(rèn)證中心研究院副院長(zhǎng)俞輝表示。

測(cè)試技術(shù)升級(jí)滿(mǎn)足產(chǎn)品更新

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“葉片尺寸大、載荷大，葉片長(zhǎng)度甚至可以達(dá)到百米級(jí)，因此葉片測(cè)試對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的規(guī)模要求大，同時(shí)加載精度要求也高，這一直是葉片測(cè)試的難點(diǎn)?！睆埥鸱逭J(rèn)為，若市場(chǎng)無(wú)匹配的檢測(cè)系統(tǒng)，或者檢測(cè)系統(tǒng)能力不足，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法真實(shí)驗(yàn)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(chǎng)的進(jìn)度，阻礙整個(gè)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(cè)試要求，測(cè)試技術(shù)和測(cè)試系統(tǒng)也在不斷升級(jí)。

在靜力測(cè)試過(guò)程中，如何精確監(jiān)測(cè)葉片的位移軌跡一直是個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，也是評(píng)估葉片設(shè)計(jì)制造一致性的重要指標(biāo)。由于葉片在加載過(guò)程中會(huì)發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致所安裝的激光位移傳感器無(wú)法獲取有效的數(shù)據(jù)。針對(duì)這一問(wèn)題，張金峰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)基于最為常用的拉線(xiàn)式位移傳感器結(jié)合幾何數(shù)值分析設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套完整的三向位移測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)同一點(diǎn)三個(gè)不同位移的數(shù)值分析獲得該點(diǎn)的位置，能夠獲取整個(gè)測(cè)試過(guò)程中葉片的位移軌跡，充分利用實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，有效降低了成本。

在疲勞試驗(yàn)中，目前常用方式為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)擺臂旋轉(zhuǎn)。但隨著葉片長(zhǎng)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(huì)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(duì)分別開(kāi)發(fā)了一系列的對(duì)稱(chēng)式擺臂加載裝備，有效解決了試驗(yàn)中加載設(shè)備的偏心問(wèn)題，保護(hù)葉片測(cè)試過(guò)程中免受其他載荷干擾，在國(guó)內(nèi)得到了推廣與應(yīng)用。

隨著風(fēng)電開(kāi)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(diǎn)。為此，北京鑒衡認(rèn)證中心目前已在廣東省陽(yáng)江市申請(qǐng)籌建“國(guó)家海上風(fēng)電裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心”，并獲得認(rèn)監(jiān)委批準(zhǔn)。后續(xù)將在該檢測(cè)中心建設(shè)適用于大型海上風(fēng)電機(jī)組150米長(zhǎng)葉片的公共測(cè)試系統(tǒng)?！澳壳拔覉F(tuán)隊(duì)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(cè)試技術(shù)有望在該監(jiān)督檢驗(yàn)中心得到應(yīng)用?！睆埥鸱灞硎?。

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建立國(guó)家級(jí)測(cè)試平臺(tái)促風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展

在我國(guó)風(fēng)電發(fā)展初期，完全符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求、適應(yīng)大兆瓦機(jī)組葉片全尺寸試驗(yàn)的測(cè)試平臺(tái)比較缺乏，因此建設(shè)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需求的葉片測(cè)試平臺(tái)刻不容緩。

2010年，在保定市高開(kāi)區(qū)政府的支持下，國(guó)家發(fā)改委能源所聯(lián)合北京鑒衡認(rèn)證中心啟動(dòng)了葉片測(cè)試平臺(tái)的建設(shè)。從標(biāo)準(zhǔn)研究、加載系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、測(cè)試平臺(tái)搭建等方面逐一開(kāi)展工作，歷時(shí)2年多建成了當(dāng)時(shí)亞洲最大的葉片公共檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)。2011年國(guó)家能源局批復(fù)依托北京鑒衡認(rèn)證中心成立“國(guó)家能源風(fēng)能太陽(yáng)能仿真與檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，葉片檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)也成為該重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分。據(jù)張金峰介紹，國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建成至今已完成上百支不同型號(hào)的葉片全尺寸測(cè)試，并在2017年到2018年間完成了目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)、世界第二長(zhǎng)和國(guó)內(nèi)最重的葉片測(cè)試。