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1、【摘要】本论文以中广核新能源某风电场选用的某型15MW双馈型风力发电机为例，对其重要部件一一叶片在运行过程中遇到的问题进行深入地剖析，并探索采用加长型叶片对原叶片进行更换、增大叶轮扫风面积的改造方法进行解决，以提高风电机组的安全性、经济性和可靠性。【关键词】清洁能源风电加长叶片可靠性1 .项目背景1.1 项目简介研究对象为某风电场装机容量300MW使用的双馈1.5MW机型70叶片。其位于内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市，风电场中心地理位置约为东经115o5r北纬4328,平均海拔约为1350mo1.1.1 HT34型叶片缺陷产生机理(1)叶片材质问题叶片生产厂家早期出于成本考虑使用聚酯树脂作为原材料
2、(聚酯树脂价格相较于现在大型叶片使用的主流材料环氧树脂便宜近三分之一)，但是聚酯树脂在寒冷的冬季容易脆化，经过近10年时间运行，聚酯树脂材料衰减老化加剧，脆化度增加。结合叶片内部存在的生产时期遗留的固有缺陷，叶片随着运行年限的增加结构承载能力下降很多。(2)制造存在缺陷叶片最大弦长至接近1/2叶片长的局部，属于叶片曲率很不连续的区域，曲率不连续将导致叶片铺层贴合度难度较大。且此处叶片表面积和弯度最大，也是提供叶片整体刚度和承担载荷的最主要区域。由于该型叶片早期生产工艺不达标，导致R8-R16区域有较多缺陷，从已折损的叶片来看全部都是从该区域折断。(3)设计安全余量不足原因叶片原始设计存在较大设
3、计安全余量不足问题，无法满足叶片安全运行20年，尤其在叶片运行5年后开始出现材料衰减、运行环境材料老化后，叶片强度降低，难以抵御复杂载荷作用，开始出现裂纹。疲劳载荷作用下，在加载初期迅速发生大量基体开裂，所形成的裂纹及其累积造成纵向弹性模量显著衰减。当纤维无法承受裂纹尖端应力发生断裂时，会造成局部纵向弹性模量的瞬时衰减，且裂纹尖端的剪应力还会造成纤维和基体间界面的剪切破坏，使得纤维上的力无法有效传递到基体上，受力纤维更易于断裂，这些均导致纵向弹性模量衰减较快。直至裂纹扩展到形成开裂的层面，导致叶片产生无可复原的损伤破坏。1.1.2 HT34型叶片对于风电场经济效益的影响该HT34型叶片批次性质
4、量性问题为风电场的经营效益造成了影响，为了彻底解决叶片问题，该风电场计划对原叶片进行批量更换，希望通过更换加长型叶片(单支长37.5米)将叶轮直径由70米增加至77米，扫风面积增大21.65%,提升现有机组出力能力，用超发的电量补偿更换费用，实现所有机组剩余生命周期的安全、稳定、高效运行。以下章节为采用加长型叶片进行改造、提升发电能力的可行性研究论证。2 .风电场风资源分析该风电场海拨大约为1350m,直阅可研报告，根据气象站19562017年实测的平均气压、平均气温、空气密度，按低温环境-5。C计算当地空气密度。通过以下公式计算，可得到风场当地空气密度为1.11kgm3:（当地空气密度计算公
5、式）352.99h(273+t)101325式中：P-空气密度，kgm3h-当地大气压力，Pat-温度，C2.1 湍流强度根据该风电场可研报告中湍流强度的计算结果，可知70m高度处湍流强度0.08（见下表2.2）,表2.2各高度处湍流强度测风高度10m30m50m70m湍流强度（逐小时）0.220.150.140.13湍流强度(V=150.5ms)0.130.090.080.082.3极限风速利用锡林浩特市气象站多年最大风速资料，采用Gumbel型进行频率计算，得出气象站IOm高50年一遇的最大风速为28.0mso再由气象站与风场的相关关系和风场的风切变指数关系，并结合风场的实际风况，得到风场
6、通常轮毂高度的50年一遇最大风速为：60m高50年一遇的最大风速：40.5ms;65m高50年一遇的最大风速：41.2mso2.4 年平均风速根据风电场可研报告数据，风电场Wm高度处年平均风速为6.6ms,年平均风功率密度为264.0Wm2;70m高度处年平均风速为8.8ms,年平均风功率密度为637.3Wm2,说明该风场风能资源较为丰富，开发利用价值较大，如能妥善解决叶片问题，风电场将取得较好的经济效益。3 .风电机组部件初步评估根据风电场可研报告中的数据，对比现场风资源条件和设计边界条件，判断两种情况的可行性。表3.1计算边界条件对比设计边界条件宝力格风场空气密度1.225kgm31.11
7、kgm3额定功率kW15001500湍流强度0.2020.135切入风速ms3.5ms3.5m/s切出风速ms25m/s25ms50年一遇10分钟平均风速42.5ms42.5ms年平均风速8.5ms8.8ms根据风场风资源数据计算改造后各部件的极限和疲劳载荷，通过与机组设计载荷对比，对可行性进行初步判断。根据对该风场风资源情况的分析以及叶片改造方案，对整个系统进行动力学仿真建模，并对各设计工况进行载荷计算，通过对比极限载荷和疲劳载荷，对风电机组主要部件进行安全性校核。3.2 载荷坐标系坐标系定义如下：MZSMedge图3.1：弦坐标系YS沿弦向，指向叶片后缘ZS沿叶片变桨轴方向XS垂直于弦，并
8、且XS,YS,ZS符合右手定则原点位于相应的弦线和叶片变桨轴的交点处图3.3：风轮坐标系XNF风轮粕线方向ZNF竖直向上YNF礁置于XNF,并且XNFYNF.ZNF.符合右手定则原点位于风轮中心XNR风轮轴线方向ZNR沿叶片1半径方向，并垂直于XNRYNR垂直于XNR,并且XNRYNR.ZNF,符合右手定则原点位于风轮中心图3.5：塔架底部坐标系XT风轮轴线的水平指向，固定在塔架上ZT垂直向上YT水平侧向，并且XT.YT.ZT符合右手定则原点位于塔架轴战与塔架顶部截面的交点处XF水平方向ZF沿塔架轴线垂直向上YF水平侧向，并且XF,YF,ZF符合右手定则原点位于塔架轴线与基础环上表面的交点处3
9、.3 极限载荷对比本课题主要针对机组几大重要部件进行分析校核，其中载荷计算采用长度为37.5米的DF77D叶片模型根据风场风资源数据计算载荷与叶片设计载荷对比。(1)叶片各截面将改造后叶片极限计算载荷与极限设计载荷对比，如下表所示：叶片截面位置ImI设计载荷kNm计算载荷kNm计算载荷/设计载荷FlapwiseMomentkNmFlapwiseMomentkNmFlapwiseMomentMax.Min.Max.Min.Max.Min.1.0124389.9-3040.43942.8-2863.189.894.24.0123768.2-2600634120-235929059077.01231
10、58.7-2183.52894.3-1899.191.687.010.0122612.0-1850.523588-1562590384413.0122093.2-1544.218621-1252.689081116.0121612.7-1276.31433.7-970.488.976.019.0121188.1-998010646-750.389675.222.012827.7-729.7748.5-547.090.475.025.012535.3-4885490.2-366.491675028.012311.1-2876288.5-218.392.775.931.012150.6-136.7
11、140.7-108.593.479.434.01247.4-42.644.7-35.094382237.0122.85-2662.68-2.3094.086.5叶片截面位置Iml设计载荷kNm计算载荷kNm)计算载荷/设计载荷(EdgewiseMomentIkNmIEdgewiseMomentIkNmIEdgewiseMomentMax.Min.Max.Min.Max.Min.1.0122335.7-2139.521206-1962.490891.74.0122106.2-1833.21872.4-1687.988992.17.0121865.4-1533616147-1397.0866911
12、10.0121471.0-1178.112641-1093.685992.813.0121107.3-8816949.1-833.885794.616.012820.4-64936936-614.384594.619.012589.1-462.4502.1-442.185295.6220124025-3120349.0-302486796925.012256.1-194.0225.0-190.987.998.4280121455-10641316-1114904104.731.01266.9-46.962.2-48.993.0104.33401221.3-11.320.2-13.6948120
13、.437.0121.72-1.061.55-0.8990.184.0通过对比可知，叶片计算载荷小于叶片设计值，只有部分截面挥舞载荷高于设计值，通过对叶片安全性进行综合评估得出，改造后加长型叶片是能够满足要求的。(2)叶片根部设计载荷kNmkN计算载荷kNmkN计算载荷/设计载荷圄Mx3507.62882.882.21.4363.93734.985.6Mxy4404.44056.292.1Mz78.472.892.9Fx204.1181.088.7Fy211.1173.982.4Fxy221.5206.893.4Fz717.9598.983.4从叶根载荷对比可知，变桨轴承、变桨驱动系统和轮毂是满足叶片加长改造要求的。(3)风轮中心(轮毂坐标系)设计载荷(kNmkN计算载荷kNmkN计算载荷/设计载荷Mx2384.32232.593.6My4216.13702.987.8MZ3137.02975.794.9Myz4218.33720.188.2Fx475.5415.687.4Fy359.2280.378.0Fz543.7524.196.4Fyz546.0525.596.2从风轮中心载荷对比可知，
