隨著新能源發展勢頭的高歌猛進,風能作為其重要的一部分也得到了快速的發展,風機功率的不斷增大,伴隨而來的是驅動裝置的不斷增大增強。從早期的在750kW、1.25kW到現在國內外相繼推出的5mW、6mW的機型,作為風能的傳遞載體,風力發電復合材料葉片也從12m、31m不斷增長至現在的56m、62m。
伴隨著葉片的不斷增長,葉片的加工制作水平也在不斷的提升,然而同時增加的不利因素也在增多,葉片在運行過程中出現的故障損傷的情況更是從出不窮。故障損傷大致可以分為兩個方面,人為因素、外力環境因素。通過對這兩個方面的分析,可以從中總結出風力發電復合材料葉片在日常運轉中需要注意的相關問題,以便更好的維持整臺風機的正常運轉。以下對上述兩個方面做詳細分析。
1人為因素
早期的復合材料葉片的設計更多的建立在假設條件下,對于環境等因素考慮較少,材料的使用、疲勞強度的預設、工藝設計等并沒有放在現實的環境中去檢驗,這樣導致的結果是在風洞試驗中可以滿負荷有效生存時間在實際環境中大大減少,甚至出現“葉毀機亡”的事故。以下從結構設計和工藝設計兩個方面分析。
2結構設計不合理
葉片的結構和氣動外形設計是一項比較復雜的工程,如何使其在最小的重量下去獲得做大的捕風面積,尤其在以復合材料為基體的結構設計和工藝設計需要得到最優化的方案。當然還有機型的匹配,葉型的設計,內部結構的建造,載荷計算,風洞試驗或模型的模擬測試等等,每一步都是一項需要經驗和科學有效的分析才能得出滿足要求的結果。設計的完成并不能保證加工制作的葉片一定能滿足使用要求,第一支葉片的完成需要有靜力載荷試驗和頻率試驗去檢驗其結構的合理性,并且從中獲得相關的技術參數以便對葉片的結構和工藝給予更加有效地修正。
隨著風力發電裝機量的迅速增加,葉片出現結構問題的故障也不斷涌現,前緣(leading edge)或后緣(training edge)粘接強度不足受力開裂;剪腹板(shearing web)受壓后斷裂或與殼體分離;梁帽(spar cap)設計強度不夠出現葉片斷裂;葉片尖部強度不夠導致尖部與接閃器同時脫落;接閃器設計不合理導致葉片遭受雷擊;根部連接部位設計不合理,導致連接螺栓磨損或受力不均扭斷,甚至出現葉片運轉中飛離輪轂后擊中塔架,等等這些問題給整臺風機帶來的傷害會是致命的。
3工藝設計不合理
工藝設計是制作加工的前提保障,合理的工藝設計能有效地確保葉片設計中的各種參數合理實現,并且讓現場操作人員工作過程中有章可循。
工藝設計的原始資料是設計圖紙和技術參數,如何有效保證所有技術參數在工藝設計中得到合理體現,這需要從兩個方面實現。首先,要吃透設計圖紙和設計文件。設計圖紙和文件中包含了所有的工藝參數,從葉片中各個結構件的制作到結構件的組裝,及組裝過程需要的工裝設備制作,到一只葉片從模具中完好脫模,再到最后的表面處理,每一步的完成都需要工藝設計中有詳細的步驟說明。當然在各工藝步驟中會明確提出許多硬性指標,比如梁帽的安裝位置、筋板的安裝位置、芯材的鋪設位置、纖維布的鋪設位置、粘接劑的厚度、補強的層數、表面處理的標準等等,這些指標的意義就是保證了產品滿足設計要求。
工藝設計的步驟和操作方法的缺陷是導致葉片加工制造缺陷的主要誘發因素。加工過程中容易出現問題的工藝執行控制點大致可以分為以下幾種:鋪設(纖維、芯材)、氣泡、結構件位置及粘接、固化(玻璃化轉變)、表面處理等。
1)鋪設
鋪設大致可分為兩個方面:梁帽、殼體纖維鋪設,芯材鋪設。
梁帽(目前通用的材料一般是玻璃纖維,碳纖維現在也陸續被應用到大功率葉片中)是葉片最重要的受力延伸構件,作為力的主要傳遞載體,纖維鋪設平整度是保證大梁強度的首要條件。據資料顯示纖維在彎曲狀態下制作的單層板剪切強度和拉伸強度約下降30%~50%。大梁與殼體的纖維如果在彎曲狀態下,如果單從纖維受力的情況分析葉片的受力,這樣的葉片是有嚴重隱患的。
芯材鋪設主要體現的是三明治結構的抗剪切能力以及對整只葉片的剛度加強,所以在完成對設計要求的芯材位置擺放,還要考慮到芯材在鋪設過程中產生的滑移和錯位。假如在鋪設過程中產生錯位或大尺寸芯材間隙,產生的結果是,在滑移和間隙部位容易產生應力集中,從而導致葉片斷裂。
2)氣泡
氣泡在玻璃鋼復合材料中是經常出現的,當然它的出現會帶來很多麻煩。首先在體現在葉片制作過程中,氣泡可能因為各種原因在纖維織物內部不能有效的排出,導致固化后的產品質量明顯下降,表現最為明顯的是梁帽,當其在受力情況下會出現應力集中。
氣泡不僅體現在影響受力方面,還體現在葉片表面,由于氣泡的存在導致葉片表面存在凹坑等,在表面處理過程中增加難度,且影響表面質量。
3)結構件位置及粘接
葉片透過各結構件的有效連接保證其整體強度,結構件的位置尺寸以及粘接強度是基礎。
結構件的位置尺寸主要提現在剪腹板、粱帽等之間的相互位置。合理的位置分布確保了力的平穩過渡。結構件之間的有效粘接確保了力的傳遞,避免應力集中等現象的出現。例如剪腹板和粱帽通過粘接劑,如果粘接劑內部有空洞或粘接表面有光滑面(光滑面減小粘接面),容易引起粘接失效,嚴重的后果是粘接部位分裂,導致葉片整體失穩,斷裂。
4)固化(玻璃化轉變Tg)
葉片的固化狀態是保證葉片的強度的必要因素。通過模具等相關設備對葉片整體進行加熱至材料所需要的玻璃化轉變溫度(Tg),并保持一定時間,材料的整體性能得到了充分的發揮,達到最大強度。如果葉片的固化沒有達到Tg要求的溫度和時間,葉片的整體性能和強度得不到保證,這樣的葉片如果安裝在風機上,出現的問題會比較嚴重。2010年,國內個別葉片供應商出現了數十臺風機葉片Tg不合格,導致退貨,這種損失是大家都不愿意看到的。