低溫對風輪葉片的影響

摘要：本文描述了低溫環(huán)境對失速型風輪葉片的影響，并給出了此問題的解決方法及其效果。本文主要是對過去幾年中，國內外主要研究機構、制造商等對低溫對失速型風輪葉片的影響研究的回顧。 0前言     沒有哪個國家像中國這樣，地域遼闊，緯度跨度巨大，由此帶來溫度的變化也是巨大的。     風力發(fā)電機組作為一種野外自然環(huán)境下的發(fā)電設備，承受的是惡劣的自然環(huán)境，并且要求風力發(fā)電機組在此環(huán)境下具有20年以上的生存壽命。     在我國風電場裝機運行的風力發(fā)電機組，面臨著少有的自然環(huán)境條件，比如：高低溫、臺風、雷擊、風沙和各種腐蝕等的影響，這給風力發(fā)電機組的設計、制造、運行和維護等都帶來了很大的困難。     對于風力發(fā)電機組的風輪葉片來說，由于其在風力發(fā)電機組中的特殊地位，核心部件、高昂的成本、困難的維護等，各種惡劣環(huán)境對于葉片來說，都是一種巨大的挑戰(zhàn)。特別是低溫環(huán)境，對風輪葉片的影響是巨大的。由低溫誘導失速型風輪葉片產生不可預測的振動，導致葉片結構發(fā)生破壞、影響機組正常運行等。 1主要情況描述 　　對于定槳距失速控制型風力發(fā)電機組，如果風電場的環(huán)境溫度低于一20℃,風速超過額定點以后(大約16~18m/s)，在風力發(fā)電機組正常運行過程中，會發(fā)生無規(guī)律的、不可預測的葉片瞬間振動現象，即葉片在旋轉平面內的振動（edgewise vibration），這種振動有時會發(fā)散，導致機組振動迅速增加，造成機組停機，影響機組的正常發(fā)電。同時，這種振動對葉片也是有害的，它會導致葉片后緣結構失效，產生裂紋，在葉片最大弦長位置產生橫向裂紋，嚴重威脅葉片結構安全。 2原因分析 　　由于這種振動導致的后果是嚴重的，因此，國際上特別是歐洲幾個開發(fā)定槳距失速型風力發(fā)電機組的制造商，如Bonus, NEG-Micon等，荷蘭的ECN、 Delft技術大學，丹麥Riso國家實驗室等對此投入了大量的研究土作，即歐盟的ECJOULE_Ⅲ(STALLVIB)項目。     對此我們也與北京航空航大大學國家固體靜動力學振動實驗室進行了大量的研究和分析工作。     通過大量的計算、試驗對比分析認為：擺振方向振動的根源是由于失速運行時的氣動力產生的，原因是葉片失速后氣動阻尼變?yōu)樨撝邓?，它與葉片翼型的靜態(tài)、動態(tài)空氣動力特性，葉片的布局(葉片的幾何分布)，葉片的結構特性(結構阻尼)等有關；其次是復合材料葉片低溫時其結構阻尼下降，最后導致總的阻尼下降。 　　同時，通過全尺寸氣彈分析計算和實測比較顯示，機組的支撐機構(如機艙和塔架等)特性對葉片擺振方向的振動也很重要，由于振動葉片與支撐結構交換能量，在這種交換過程中，葉片固有頻率相對于機組俯仰一偏航耦合模態(tài)頻率位置扮演著重要的角色。 3解決措施     由于擺振方向上的振動是由失速運行時的空氣動力產生的，氣動阻尼變負，結構阻尼下降。解決此問題的主要措施就是要增加系統(tǒng)的阻尼，通過阻尼消耗掉這部分能量。 3.1局部改善措施 3.1.1增加葉片結構阻尼     阻尼是減振的最有效措施，研究表明：如果葉片結構阻尼達到5%以上時，可以有效減緩擺振方向上振動的發(fā)生。因此，最根木的辦法是提高復合材料葉片結構本身在低溫時的結構阻尼，由于低溫對復合材料葉片結構阻尼影響較大，特別是環(huán)境溫度低于一20℃時，葉片自身的結構阻尼會下降。必須利用特殊的阻尼材料提高復合材料葉片低溫時的結構阻尼。     我們對此進行了大量的研究和分析工作，與北京航空航大大學國家固體靜動力學振動實驗室進行了長期的合作，在管德院士、諸德超教授、程偉教授以及趙壽根博士等協(xié)助下，進行了大量的分析和試驗工作。對不同的阻尼材料、阻尼結構、阻尼位置等對葉片結構阻尼的影響進行了大量的試驗分析。最終證明：通過選用合適的阻尼材料、阻尼結構及合理的位置可以有效提高葉片的結構阻尼，范圍在3%~5%之間。而且，這種形式的阻尼結構與葉片結構一起，壽命與葉片相同，且在很寬的頻率范圍內都有效。此技術應用在我公司600kW和750kW葉片上，實際證明是有效的。 3. 1. 2改變葉片氣動阻尼     改變翼型局部形狀使得翼型的氣動性能發(fā)生改變，來增加翼型的氣動阻尼。最有效地方法是在葉片局部前緣加裝失速條。這種方法可以有效降低葉片擺振方向振動，使葉片擺振方向振動延遲到切出風速以后；安裝失速條后，同時也降低了風輪的功率輸出。補救的措施可以利用渦流發(fā)生器來提高風輪的輸出功率。 3. 1. 3、葉片內部加裝阻尼器     也可以利用在葉片內部安裝阻尼器的方式來降低葉片擺振方向的振動，這種阻尼器可以是機械的也可以是流體的。其缺點是結構復雜，而且這種結構阻尼器只能在很窄的頻率范圍內起作用。 3.2、總體改善措施 3. 2. 1、利用減振器消除機艙擺振方向上的振動     利用在機艙尾部加裝機械減振器的方法消除或降低葉片擺振方向的振動，結構較復雜。NEG-Micon公司在其600kW機組上采取此種方式。 3. 2. 2、合理設計支撐結構     機組總體設計時合理確定支撐結構特性，以達到避免擺振方向振動的目的。有證據表明，使用同樣型號葉片的不同機組，對低溫失速導致的振動可以避免。例如德國Nordex公司的600kW定槳距失速型機組就沒有這一問題。 4結論     低溫對失速型風輪葉片的影響是巨大的，會導致葉片結構失效，影響葉片的使用壽命，同時也影響機組的正常運行?？梢酝ㄟ^各種措施有效地降低或消除失速型葉片擺振方向的振動。低溫對失速型風輪葉片的影響應給以高度重視。     對于變槳距機組來說，機組達到額定功率以后，由于葉片變距滯后于風速變化，可能會導致葉片擺振方向的振動。