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检测技术升级 确保风电叶片运行安全

导读: 近日,由北京鉴衡认证中心承担的国内最长的SR5.0-WB171型风电机组叶片全尺寸试验顺利完成。该叶片是国内最长、全球第二长叶片,试验自2017年7月启动,历经14个月。

风能,大自然馈赠的绿色能源。风力发电机组的出现,成功捕获了风能并将之转化为电能。叶片作为风力发电机组的核心部件之一,其性能不仅关系到自身的可靠性,还关系到风力发电机组其他部件,甚至整个机组的安全。因此叶片检测技术是保证叶片质量、风力发电机组稳定运行乃至我国风电产业健康发展的关键。

近日,由北京鉴衡认证中心承担的国内最长的SR5.0-WB171型风电机组叶片全尺寸试验顺利完成。该叶片是国内最长、全球第二长叶片,试验自2017年7月启动,历经14个月。本次试验严格按照国际电工委IEC61400-23:2014标准要求开展,试验的顺利完成为未来120米甚至更长叶片全尺寸试验测试系统的研制积累了经验和奠定了良好的基础。

全尺寸测试保障叶片安全运行

风电机组是全天候野外自然环境下运行的发电设备。叶片在服役期间要时刻承受来自大自然狂风骤雨的洗礼,这就要求叶片具有足够的刚度和强度,即具有一定的变形要求、极限强度和疲劳寿命。北京鉴衡认证中心风能叶片部部长张金峰在接受科技日报记者采访时表示,由于叶片结构极为复杂,几何外形极不规则,所用原材料品种规格较多,不同生产工艺对叶片强度影响很大,无法仅仅通过计算分析完成对叶片设计安全性的评估。同时,在“降本增效”的压力下,随着风电技术的发展,叶片重量越来越轻,越来越长,对结构强度设计提出了更高的要求。测试作为联系理论设计和实际工程的纽带,是验证产品设计的最后一环。因此必须进行全尺寸测试,对叶片设计、制造工艺、实际承载能力和使用寿命进行综合验证,保证叶片安全运行。

经过多年的发展,目前国际上已经形成了较为完善、统一的叶片测试标准和规范,如国际电工委发布的IEC61400-23标准规定了叶片型式测试,包括叶片重量重心、固有频率和模态分析、静力强度测试和疲劳测试等。“叶片全尺寸测试已经成为叶片产品投入市场的准入门槛。”北京鉴衡认证中心研究院副院长俞辉表示。

测试技术升级满足产品更新

“叶片尺寸大、载荷大,叶片长度甚至可以达到百米级,因此叶片测试对检测系统的规模要求大,同时加载精度要求也高,这一直是叶片测试的难点。”张金峰认为,若市场无匹配的检测系统,或者检测系统能力不足,会导致无法真实验证产品,甚至导致叶片损坏,将大大影响叶片研发周期和叶片投入市场的进度,阻碍整个风电产业的发展。

为适应不断更新的叶片产品和不断提高的测试要求,测试技术和测试系统也在不断升级。

在静力测试过程中,如何精确监测叶片的位移轨迹一直是个技术难点,也是评估叶片设计制造一致性的重要指标。由于叶片在加载过程中会发生弯曲和扭转,导致所安装的激光位移传感器无法获取有效的数据。针对这一问题,张金峰带领团队基于最为常用的拉线式位移传感器结合几何数值分析设计开发了一套完整的三向位移测量系统,该系统通过对同一点三个不同位移的数值分析获得该点的位置,能够获取整个测试过程中叶片的位移轨迹,充分利用实验室的设备,有效降低了成本。

在疲劳试验中,目前常用方式为电动机带动摆臂旋转。但随着叶片长度与功率的增加,其所承受的载荷逐渐增大,尤其是疲劳载荷的增加,之前的加载模式会在叶片加载位置引入扭转载荷导致叶片破坏。为解决这一技术难题,鉴衡团队分别开发了一系列的对称式摆臂加载装备,有效解决了试验中加载设备的偏心问题,保护叶片测试过程中免受其他载荷干扰,在国内得到了推广与应用。

随着风电开发的逐步深入,多兆瓦大型风力发电机组,尤其是5MW乃至10MW以上大功率风电机组已经成为设备制造企业新产品研发的重点。为此,北京鉴衡认证中心目前已在广东省阳江市申请筹建“国家海上风电装备质量监督检验中心”,并获得认监委批准。后续将在该检测中心建设适用于大型海上风电机组150米长叶片的公共测试系统。“目前我团队正在研发的双自由度加载技术、新型加速疲劳技术等先进测试技术有望在该监督检验中心得到应用。”张金峰表示。

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建立国家级测试平台促风电产业发展

在我国风电发展初期,完全符合国际标准要求、适应大兆瓦机组叶片全尺寸试验的测试平台比较缺乏,因此建设符合国际标准,满足国内需求的叶片测试平台刻不容缓。

2010年,在保定市高开区政府的支持下,国家发改委能源所联合北京鉴衡认证中心启动了叶片测试平台的建设。从标准研究、加载系统开发、测试平台搭建等方面逐一开展工作,历时2年多建成了当时亚洲最大的叶片公共检测系统平台。2011年国家能源局批复依托北京鉴衡认证中心成立“国家能源风能太阳能仿真与检测认证技术重点实验室”,叶片检测系统平台也成为该重点实验室的重要组成部分。据张金峰介绍,国家重点实验室建成至今已完成上百支不同型号的叶片全尺寸测试,并在2017年到2018年间完成了目前国内最长、世界第二长和国内最重的叶片测试。

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