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          CWPM2021:風力發電機組大葉片振動問題探討

          2021-07-31 來源:東方風力發電網 瀏覽數:1922

          穆丹:各位領導、各位專家,大家下午好!我是來自中國船級社質量認證公司技術中心的穆丹。今天很高興通過這個平臺跟大家分享我們的工作。

          穆丹
            穆丹:各位領導、各位專家,大家下午好!我是來自中國船級社質量認證公司技術中心的穆丹。今天很高興通過這個平臺跟大家分享我們的工作。
            
            我們技術中心有一支非常專業的葉片故障分析團隊,近年來,每年都會接到一些葉片故障分析的實例,今天我就把我們最近研究的一類大葉片振動受損問題跟大家進行一些探討。我們看一下這些葉片振動受損的問題是由什么導致的,我們可以通過什么樣的手段去避免或者降低我們的損失。
            
            我將從五個方面來進行介紹。首先是背景,我們都知道,風力發電機組現在正朝著大型化、大功率的方向發展,現在6兆瓦的海上風力發電機組已經實現了批量運行,10兆瓦的風力發電機組現在已經進入了樣機階段,隨著風力發電機組大功率的趨勢,我們風輪的直徑也在逐漸的變大?,F在葉片的最長的長度已經達到了百米級別,就像我們在大豐是已經下線了雙瑞的102米的葉片。隨著葉片的長度逐漸增加,葉片的柔度也在不斷的增加,同時由于葉片有降載的需求,它的氣動阻尼和結構阻尼都在逐漸的降低,而且現在整個風力發電機市場的壓力都在逐漸增加。
            
            我們大家都在面臨著減重降本的問題,減重將本一方面會導致葉片的柔度增加,另外一方面設計安全的程度在降低,同時設計周期也再壓縮,這就會導致葉片在設計階段有一些精細化的計算分析沒有足夠的時間去完成,這都導致了葉片的設計和運行風險的提升,同時也為葉片故障率的提升埋下一些伏筆。
            
            我們現在最近研究的這一類葉片振動受損的形式主要出現在中國葉片風電場,右邊的這個圖是葉片振動受損故障在不同年份的數量分布。我們可以看到在2019年至今,也就是藍色部分,這一類事故是占主要比例的,這主要是因為搶裝潮的出現,導致的這一類事故的集中出現。而在2019年以前,這一類事故也是有零星的一些,但是它總體的案發量不大,同時在這類事故發生的時候,由于大家為了降低發電損失引起的賠付金額,所以葉片只要發生了一個振動損傷就會很快的更換,所以并沒有引起大家足夠的重視。而2019年以后,特別是去年搶裝潮的的出現,這樣的案例集中出現了一批。
            
            我們現在來看一下這一類葉片振動受損的問題的特征,主要有四個特征,第一個就是受損葉片的長度多大于70米,第二個是葉片受損位置集中于葉身中段后緣的區域,但是它的主梁和后梁是完好的,但是梁之間的蒙皮其余發生了一些問題,第三個是隨著它破壞形勢的加劇,最后是解體式的形式,但是它解體之后葉片的各個部位保持相對完整。第四個就是發現葉片受損的時候,葉片基本處于掛機后尚未并網投運前,或者并網投運最初三個月以內。我們去檢查了這些葉片的生產制造、運吊裝等過程都進行了勘查,同時我們綜合最短的破壞時間只有八天去綜合分析,我們認為這個葉片受損主要是由于振動引起的。
            
            下面我們來看一下葉片的振動。葉片的振動分為顫振、渦振、抖振,我們主要針對前兩個進行介紹。首先是顫振,顫振就是結構上的瞬時氣動力與彈性位移之間有位差,使振動的結構優可能從氣流重吸收能量而擴大振幅,它是一種自激振動或者是負阻尼的振動,這種振動是非常有害的,他有可能導致葉片在非常短的時間內就產生解體。
            
            而渦振是由于卡門渦周期性脫落導致的,渦振可能是由于大橋振動出現大家的視野,但是渦振這個詞在力學當中是非常經典的存在,這是當年馮卡門發現的這個問題。那么渦振是什么呢?我們可以看到右邊中間綠色的動畫,當一個來流的風速流過一個繞流體時在后面會形成一個渦,所以這個首體就會收到來流方向的力和橫向的周期性的力的作用,當這個周期性的力和這個物體本身的固有頻率一致時,這個物體就會發生共振,所以說渦振是一種強迫振動,它的振幅是有限的。對于我們的葉片而言,從葉根到葉尖的變化是非常巨大的,所以說如果這個葉片是渦振導致的,那么這個來流的風延展向一定是一個非常特定的分布才可能實現。
            
            那么這個問題到底是顫振還是渦振還是說是由渦振引發的顫振問題呢?我們現在還不能給出一個準確的定論,主要是由于受到現行的一些客觀條件的限制。這些客觀條件包括,首先風電場的數據我們不太容易獲得,因為所有的這一類的故障分析,當然指的是我們接收到的資料,不一定是全部的,我們這邊接收到的資料是所有的葉片都是在失電狀態下發生的情況,所以說在這個狀態下,它的數據是非常難獲取的。同時,對于現行的標準而言,在標準里面是沒有準確的對于這些渦振或者是顫振的一些工況的條件說明,對于現行的軟件而言,大家都知道,基本上都是基于葉素理論,不能考慮三維大變形等問題,而且尾流計算比較簡單,北京準確反應實際情況。同時它還有一個問題,就是它部分考慮大變型結構體的變形之后對流體的一個反作用,因為它在計算時沒有考慮結構的網格,所以計算不了這個問題。而對于流固耦合集散來說,它是考慮三維影響,可以實時模擬葉片與來流的互相影響狀態,可以計算大變形的,計算相對比較準確。而且它的計算精度比較高,也可以計算湍流的效應,所以它的計算速度就會非常慢。最后一個關鍵就是我們風電的載荷工況比較多,它不同于常規的航空行業或者是其他的行業,它的計算工況太多了,如何合理的去采取合適的載荷工況去進行計算,這也是我們現在面臨的一個問題。
            
            雖然說我們現在根據客觀條件不能做深一步的分析,但是我們基于現行的條件我們也是可以做一些分析工作的。我們現在可以做風速、風向、地形的影響分析,同時,各家生產企業甚至是基地的產品質量矩的差異我們也是需要進一步探討的,我們都知道,對于一套葉片而言,他是由三個葉片組合而成的,那么這三個葉片的質量差距在現行的標準里是有明文規定的,但是對于同一個型號的一款葉片在不同的基地生產,那么它所有葉片的質量矩的差異是沒有辦法考慮的,以上這些工作我們在這一類事故分析中都進行了。我們綜合前面的特征,最后我們得出我們的結論,就是對于這樣一類破壞特征的案例,它是由于葉片是在一個特定的風速、特定的風向下,一定是一個短時超大的風引發的一個葉片振動,當然這個大風因為是短時發生的,當它過了這一陣風速之后,這個葉片可能就不再繼續振動了,但是在一定長的周期之內,如果還再一次遇到這一類的風得話,可能葉片會重新引發振動。
            
            那么對于這樣一類問題我們怎樣有效避免呢?因為現在這個葉片都已經裝到風機上了,他不和平拆下來。我們現在給了三條建議,第一個是首選時刻偏航對風,首先是自掛機之日起,就要保證機頭指向來風方向,這樣葉片的安全性就是有保障的。第二個就是當機組中有一個葉片發生受損但是不太嚴重的時候,如果這個時候可以讓機組重新通電,使之偏航對風的話,那么對另外兩個葉片的保護意義也是很大的。
            
            第二個是當你不能保證通電偏航對風的時候,因為你是在掛機初始到調試前的狀態,這個階段是失電狀態,在葉片上掛網兜配泡沫塊可以改變葉片外形特征是有效的,它不會引起振動了。還有一種方法是在掛機初始到調試前的機組失電時段,我們一定要參考一下過往的風頻記錄以及未來時段的天氣預報,或者是現在也有一些激光雷達可以預測未來的風的流向,這個時候我們一定要預設好機頭的指向,這個也是非常有價值的。
            
            第三個是積極加強在線監測預警系統的建設,我們都知道現在很多風力發電機現在都已經有在線監測的系統了,我們可以探索一下后備電源的安裝,可以在失電的狀態下監測葉片的振動狀態,當葉片的振動出現問題的時候可以在第一時間識別,并且進行相應的操作,這樣也可以大幅度避免這一類問題的發生。
            
            而對于我們現在不能進行深一步研究的一個問題,我們提出了三年的以后的發展方向。第一類是葉片氣彈計算方法的更新,我們可以發展研究可靠性的流固耦合計算方法,可以實時模擬葉片狀態。第二個是考慮合理的風況模型,選取典型工況進行分析,這也是非常重要的。第三個是考慮可建立整機模型的計算方法,現在也有一些軟件是可以進行整機模型計算的,但是這樣的計算軟件在進行葉片分析的時候還是采用的葉素理論,所以他在結論這一類問題時也是不準確的,所以我們要尋求一種方法,在一個實現周期允許范圍之內可以形成一個完善的可商用的計算方法和流程。
            
            第二個是葉片新材料的開放,主要是提升葉片的結構阻尼,如果葉片的結構阻尼提升的話,在遇到類似風的時候,結構的振動可以得到有效的抑制的話,這個事故率也會下降。
            
            第三個就是未來的葉片結構設計,未來的葉片肯定會越來越長的,所以我們需要在結構設計的時候就考慮到加入承載此類工況的思考,因為現行的計算是沒有計算在失電狀態下葉片的一些問題的,所以說如果加入了這些承載工況的思考的話,那么葉片的重量和成本肯定會上升,但是對于它的安全運行來說安全系數是提高的。
            
            最后我介紹一下我們技術中心葉片故障分析團隊,我們葉片故障分析團隊有七個方向的針對于葉片的人員,包括氣動、結構、材料、載荷、工藝、測試、控制,我們團隊所有的計算人員和分析人員都是百分之百的碩士及以上的學歷。同時我們是一個獨立、公正、客觀的第三方,這個第三方的身份可以使一些企業在面臨一些特別是一些葉片故障分析的時候,如果大家存在一些問題點,那么我們第三方比較客觀的一個身份,可以提供一些服務。同時,我們也已經承接了幾十項的葉片故障分析的服務,我們是有非常豐富的經驗的。我再介紹一下我們著重發展的三個方向,一個是葉片的氣彈方向,第二個是葉片的工藝方向,第三個是葉片的防雷方向。
            
            下面這個就是我們團隊負責人的聯系方式,如果大家有需求的話可以隨時聯系我們的業務對接人。以上就是我今天分享的所有內容,謝謝大家。(內容來自現場速記,未經本人審核,如有不妥,請聯系修改!)
          閱讀上文 >> CWPM2021:電動升降器在葉片檢修工作中的應用
          閱讀下文 >> CWPM2021:物流運輸與吊裝對葉片質量問題影響分析

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