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金风科技:航空级“积木式”验证体系提升海上大叶片可靠性

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-04-15  浏览次数:1637
  2020年1月,《关于促进非水可再生能源发电健康发展的若干意见》发布,其中明确了海上风电平价上网相关问题。平价时代,如何保障客户投资收益,保证海上风电项目健康可靠运行?在既定的上网电价基础上,确保海上风电机组的可靠性,已成为摆在各界面前的一道“必答题”。
  海上风电机组可靠性,需要从材料、部件、系统等多个维度进行验证支持。风电叶片作为机组的重要组成部分,其质量与机组健康休戚相关,尤其在海上风电机组大功率化趋势逐渐明显的今天,要求叶片长度更长、强度更强、重量更轻、可靠性更高。


 
  在这一背景下,新疆金风科技股份有限公司(下称“金风科技”)将航空级“积木式”验证体系的先进经验,引入到风机叶片测试领域,以此来保证全尺寸海上大叶片的可靠性。
风电跨界航空“取经”
  事实上,航空级“积木式”验证体系来源于航空界多年关于产品可靠性验证的方法经验积累。
  简言之,是在验证过程中采用逐步增大试验件尺寸和复杂程度,逐步增加试验规模进行试验验证的方法体系。通过系统的试验与分析迭代,从材料的单层级到全尺寸结构验证,充分验证产品的安全性和可靠性,有力保障新产品的研制与验证。


 
↑叶片“积木式”验证体系示意图(来源:IEC61400-5)
  为了让大家更容易理解测试过程,小编这里想用大家熟悉的汽车打比方:一辆汽车好不好,要看整体性能。单独来看,观察发动机情况,需要测试低转速、高转速扭矩情况;观察车辆抗撞性,需要对车门、车头进行碰撞测试;想了解减震性,需要模拟缓冲带情况进行振动测试,也就是部件级测试。
  这其中,由于汽车大部件由金属材料制成。检测首先从材料测试入手,结合上述部件测试,最后进行整机测试。经过上述测试过程,汽车的安全性能才得以保障。
  明白了汽车测试的思路,就很容易理解风机叶片测试过程。简单来说,叶片也要通过材料级、部件级、整机级测试,“环环相扣”进而确保风机叶片更可靠、安全。
全覆盖材料级测试
  身处整个“积木式”验证体系的最底层,材料级试验是产品可靠性最重要的“基石”之一。
  2016年,金风科技在江苏大丰成立国家地方联合工程实验室,下设“叶片材料实验室”,实验室涉及叶片主材测试能力46项,包括国际标准24项,国家标准22项。


↑金风科技位于江苏大丰的国家地方联合工程实验室
  全覆盖材料级测试除验证材料的常规理化性能外,还要验证其在各种载荷谱下的抗疲劳性能,特别是海上大叶片,通过确保所选用的材料和设计匹配,满足其综合性能及寿命要求。


↑材料、结构件疲劳测试
  在大叶片碳纤维的检测方面,“叶片材料实验室”具有国内领先的RTM灌注技术精确控制树脂含量,基础级的叶片褶皱、缺胶、芯材倒角等国内独家材料缺陷性研究,具备海上大叶片核心材料碳纤维材料、结构芯材等拉-拉疲劳、拉-压疲劳、压-压疲劳全面的疲劳寿命评估能力,为海上大叶片材料的结构设提供安全及可靠性数据。
  针对海上叶片前缘损伤的普遍问题,金风科技进行了大量基础级测试和研究,先后进行了UVB老化测试、海南自然暴晒基地的自然老化测试,雨蚀与涂层寿命模型研究,经过大量的老化和雨蚀测试后,选出具有高可靠性和海上超强防护能力的前缘防护材料,来确保海上叶片全生命周期方案。
率先引入部件级测试
  传统的叶片测试是从材料的单层级直接到全尺寸结构验证,这一跳跃容易使设计验证过程中存在诸多不确定性,为消除上述不确定性,叶片设计往往取较大安全系数,造成叶片设计较保守、可靠性水平不高等问题,且在后期的全尺寸叶片测试过程中存在较高风险。
  为解决这一问题,金风科技很早就引入叶片部件级测试,将叶片部件级测试结果用作设计值,指导设计工作。叶片部件级测试主要包括叶片后缘部件稳定性测试、叶片工字梁部件测试、主梁部件测试等。
国内领先的全尺寸叶片实验平台
  在上述测试之外,金风科技也具备全尺寸叶片实验的能力。全尺寸叶片实验平台通过对叶片进行模态实验、静力实验、疲劳实验,验证、比对、分析和应用叶片的静态、动力学性能指标,为优化叶片设计提供数据,不断提高叶片运行可靠性。
  全尺寸叶片实验平台通过叶片模态测试,可准确测量叶片的频率、振型、阻尼等信息;通过叶片静载测试,可对叶片的极限承载能力进行验证;通过叶片疲劳测试,可模拟全生命周期的载荷进行测试验证;通过叶片扭转测试,可对大型叶片的扭转刚度和剪切中心进行测试验证。


↑全尺寸叶片实验台模拟25年以上寿命要求的疲劳测试,提高运行可靠性
  九层之台,起于垒土。未来,海上风电将进入更大规模、更高水平和更深海域的开发。随着大功率机组的迭代发展,对产品可靠性的要求势必也越来越高。
  未来,金风科技将继续坚持以产品质量和可靠性为基石,积跬步、累小流,用科学试验构建数据体系,指导海上大叶片结构的设计和制造,为海上风电的健康发展保驾护航。
  (来源:金风科技微平台)
 
 
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