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CWPM2021:风力发电机组大叶片振动问题探讨

2021-07-31 来源:东方风力发电网 浏览数:746

穆丹:各位领导、各位专家,大家下午好!我是来自中国船级社质量认证公司技术中心的穆丹。今天很高兴通过这个平台跟大家分享我们的工作。

穆丹
  穆丹:各位领导、各位专家,大家下午好!我是来自中国船级社质量认证公司技术中心的穆丹。今天很高兴通过这个平台跟大家分享我们的工作。
  
  我们技术中心有一支非常专业的叶片故障分析团队,近年来,每年都会接到一些叶片故障分析的实例,今天我就把我们最近研究的一类大叶片振动受损问题跟大家进行一些探讨。我们看一下这些叶片振动受损的问题是由什么导致的,我们可以通过什么样的手段去避免或者降低我们的损失。
  
  我将从五个方面来进行介绍。首先是背景,我们都知道,风力发电机组现在正朝着大型化、大功率的方向发展,现在6兆瓦的海上风力发电机组已经实现了批量运行,10兆瓦的风力发电机组现在已经进入了样机阶段,随着风力发电机组大功率的趋势,我们风轮的直径也在逐渐的变大。现在叶片的最长的长度已经达到了百米级别,就像我们在大丰是已经下线了双瑞的102米的叶片。随着叶片的长度逐渐增加,叶片的柔度也在不断的增加,同时由于叶片有降载的需求,它的气动阻尼和结构阻尼都在逐渐的降低,而且现在整个风力发电机市场的压力都在逐渐增加。
  
  我们大家都在面临着减重降本的问题,减重将本一方面会导致叶片的柔度增加,另外一方面设计安全的程度在降低,同时设计周期也再压缩,这就会导致叶片在设计阶段有一些精细化的计算分析没有足够的时间去完成,这都导致了叶片的设计和运行风险的提升,同时也为叶片故障率的提升埋下一些伏笔。
  
  我们现在最近研究的这一类叶片振动受损的形式主要出现在中国叶片风电场,右边的这个图是叶片振动受损故障在不同年份的数量分布。我们可以看到在2019年至今,也就是蓝色部分,这一类事故是占主要比例的,这主要是因为抢装潮的出现,导致的这一类事故的集中出现。而在2019年以前,这一类事故也是有零星的一些,但是它总体的案发量不大,同时在这类事故发生的时候,由于大家为了降低发电损失引起的赔付金额,所以叶片只要发生了一个振动损伤就会很快的更换,所以并没有引起大家足够的重视。而2019年以后,特别是去年抢装潮的的出现,这样的案例集中出现了一批。
  
  我们现在来看一下这一类叶片振动受损的问题的特征,主要有四个特征,第一个就是受损叶片的长度多大于70米,第二个是叶片受损位置集中于叶身中段后缘的区域,但是它的主梁和后梁是完好的,但是梁之间的蒙皮其余发生了一些问题,第三个是随着它破坏形势的加剧,最后是解体式的形式,但是它解体之后叶片的各个部位保持相对完整。第四个就是发现叶片受损的时候,叶片基本处于挂机后尚未并网投运前,或者并网投运最初三个月以内。我们去检查了这些叶片的生产制造、运吊装等过程都进行了勘查,同时我们综合最短的破坏时间只有八天去综合分析,我们认为这个叶片受损主要是由于振动引起的。
  
  下面我们来看一下叶片的振动。叶片的振动分为颤振、涡振、抖振,我们主要针对前两个进行介绍。首先是颤振,颤振就是结构上的瞬时气动力与弹性位移之间有位差,使振动的结构优可能从气流重吸收能量而扩大振幅,它是一种自激振动或者是负阻尼的振动,这种振动是非常有害的,他有可能导致叶片在非常短的时间内就产生解体。
  
  而涡振是由于卡门涡周期性脱落导致的,涡振可能是由于大桥振动出现大家的视野,但是涡振这个词在力学当中是非常经典的存在,这是当年冯卡门发现的这个问题。那么涡振是什么呢?我们可以看到右边中间绿色的动画,当一个来流的风速流过一个绕流体时在后面会形成一个涡,所以这个首体就会收到来流方向的力和横向的周期性的力的作用,当这个周期性的力和这个物体本身的固有频率一致时,这个物体就会发生共振,所以说涡振是一种强迫振动,它的振幅是有限的。对于我们的叶片而言,从叶根到叶尖的变化是非常巨大的,所以说如果这个叶片是涡振导致的,那么这个来流的风延展向一定是一个非常特定的分布才可能实现。
  
  那么这个问题到底是颤振还是涡振还是说是由涡振引发的颤振问题呢?我们现在还不能给出一个准确的定论,主要是由于受到现行的一些客观条件的限制。这些客观条件包括,首先风电场的数据我们不太容易获得,因为所有的这一类的故障分析,当然指的是我们接收到的资料,不一定是全部的,我们这边接收到的资料是所有的叶片都是在失电状态下发生的情况,所以说在这个状态下,它的数据是非常难获取的。同时,对于现行的标准而言,在标准里面是没有准确的对于这些涡振或者是颤振的一些工况的条件说明,对于现行的软件而言,大家都知道,基本上都是基于叶素理论,不能考虑三维大变形等问题,而且尾流计算比较简单,北京准确反应实际情况。同时它还有一个问题,就是它部分考虑大变型结构体的变形之后对流体的一个反作用,因为它在计算时没有考虑结构的网格,所以计算不了这个问题。而对于流固耦合集散来说,它是考虑三维影响,可以实时模拟叶片与来流的互相影响状态,可以计算大变形的,计算相对比较准确。而且它的计算精度比较高,也可以计算湍流的效应,所以它的计算速度就会非常慢。最后一个关键就是我们风电的载荷工况比较多,它不同于常规的航空行业或者是其他的行业,它的计算工况太多了,如何合理的去采取合适的载荷工况去进行计算,这也是我们现在面临的一个问题。
  
  虽然说我们现在根据客观条件不能做深一步的分析,但是我们基于现行的条件我们也是可以做一些分析工作的。我们现在可以做风速、风向、地形的影响分析,同时,各家生产企业甚至是基地的产品质量矩的差异我们也是需要进一步探讨的,我们都知道,对于一套叶片而言,他是由三个叶片组合而成的,那么这三个叶片的质量差距在现行的标准里是有明文规定的,但是对于同一个型号的一款叶片在不同的基地生产,那么它所有叶片的质量矩的差异是没有办法考虑的,以上这些工作我们在这一类事故分析中都进行了。我们综合前面的特征,最后我们得出我们的结论,就是对于这样一类破坏特征的案例,它是由于叶片是在一个特定的风速、特定的风向下,一定是一个短时超大的风引发的一个叶片振动,当然这个大风因为是短时发生的,当它过了这一阵风速之后,这个叶片可能就不再继续振动了,但是在一定长的周期之内,如果还再一次遇到这一类的风得话,可能叶片会重新引发振动。
  
  那么对于这样一类问题我们怎样有效避免呢?因为现在这个叶片都已经装到风机上了,他不和平拆下来。我们现在给了三条建议,第一个是首选时刻偏航对风,首先是自挂机之日起,就要保证机头指向来风方向,这样叶片的安全性就是有保障的。第二个就是当机组中有一个叶片发生受损但是不太严重的时候,如果这个时候可以让机组重新通电,使之偏航对风的话,那么对另外两个叶片的保护意义也是很大的。
  
  第二个是当你不能保证通电偏航对风的时候,因为你是在挂机初始到调试前的状态,这个阶段是失电状态,在叶片上挂网兜配泡沫块可以改变叶片外形特征是有效的,它不会引起振动了。还有一种方法是在挂机初始到调试前的机组失电时段,我们一定要参考一下过往的风频记录以及未来时段的天气预报,或者是现在也有一些激光雷达可以预测未来的风的流向,这个时候我们一定要预设好机头的指向,这个也是非常有价值的。
  
  第三个是积极加强在线监测预警系统的建设,我们都知道现在很多风力发电机现在都已经有在线监测的系统了,我们可以探索一下后备电源的安装,可以在失电的状态下监测叶片的振动状态,当叶片的振动出现问题的时候可以在第一时间识别,并且进行相应的操作,这样也可以大幅度避免这一类问题的发生。
  
  而对于我们现在不能进行深一步研究的一个问题,我们提出了三年的以后的发展方向。第一类是叶片气弹计算方法的更新,我们可以发展研究可靠性的流固耦合计算方法,可以实时模拟叶片状态。第二个是考虑合理的风况模型,选取典型工况进行分析,这也是非常重要的。第三个是考虑可建立整机模型的计算方法,现在也有一些软件是可以进行整机模型计算的,但是这样的计算软件在进行叶片分析的时候还是采用的叶素理论,所以他在结论这一类问题时也是不准确的,所以我们要寻求一种方法,在一个实现周期允许范围之内可以形成一个完善的可商用的计算方法和流程。
  
  第二个是叶片新材料的开放,主要是提升叶片的结构阻尼,如果叶片的结构阻尼提升的话,在遇到类似风的时候,结构的振动可以得到有效的抑制的话,这个事故率也会下降。
  
  第三个就是未来的叶片结构设计,未来的叶片肯定会越来越长的,所以我们需要在结构设计的时候就考虑到加入承载此类工况的思考,因为现行的计算是没有计算在失电状态下叶片的一些问题的,所以说如果加入了这些承载工况的思考的话,那么叶片的重量和成本肯定会上升,但是对于它的安全运行来说安全系数是提高的。
  
  最后我介绍一下我们技术中心叶片故障分析团队,我们叶片故障分析团队有七个方向的针对于叶片的人员,包括气动、结构、材料、载荷、工艺、测试、控制,我们团队所有的计算人员和分析人员都是百分之百的硕士及以上的学历。同时我们是一个独立、公正、客观的第三方,这个第三方的身份可以使一些企业在面临一些特别是一些叶片故障分析的时候,如果大家存在一些问题点,那么我们第三方比较客观的一个身份,可以提供一些服务。同时,我们也已经承接了几十项的叶片故障分析的服务,我们是有非常丰富的经验的。我再介绍一下我们着重发展的三个方向,一个是叶片的气弹方向,第二个是叶片的工艺方向,第三个是叶片的防雷方向。
  
  下面这个就是我们团队负责人的联系方式,如果大家有需求的话可以随时联系我们的业务对接人。以上就是我今天分享的所有内容,谢谢大家。(内容来自现场速记,未经本人审核,如有不妥,请联系修改!)
阅读上文 >> CWPM2021:电动升降器在叶片检修工作中的应用
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