风力发电机组及其叶片的主要测试项目

1 叶片主要检验和分析项目风力发电机组动力性能的测试要根据IEC 61400-23“风力机发电系统-第23部分：风轮叶片全尺寸结构试验”标准的最新版执行。1.1 叶片静力试验静力试验用来测定叶片的结构特性，包括硬度数据和应力分布。叶片可用面载荷或集中载荷（单点/多点载荷）来进行加载。每种方法都有其优缺点，加载方法通常按下面讨论的经验方法来确定。包括分布式面载荷加载方法、单点加载方法、多点加载方法。静力试验加载通常涉及一个递增加载顺序的应用。对于一个给定的加载顺序，静力试验载荷通常按均匀的步幅施加，或以稳定的控制速率平稳地增加。必要时，可明确规定加载速率与最大载荷等级的数值。通常加载速率应足够慢，以避免载荷波动引起的动态影响，从而改变试验的结果。1.2 叶片疲劳试验叶片的疲劳试验用来测定叶片的疲劳特性。实际大小的叶片疲劳试验通常是认证程序的基本部分。疲劳试验时间要长达几个月，检验过程中，要定期的监督、检查以及检验设备的校准。在疲劳试验中有很多种叶片加载方法，载荷可以施加在单点上或多点上，弯曲载荷可施加在单轴、两轴或多轴上，载荷可以是等幅恒频的，也可以是变幅变频的。每种加载方法都有其优缺点。加载方法的选用通常取决于所用的试验设备。主要包括等幅加载、 分块加载、变幅加载、单轴加载、多轴加载、多载荷点加载、共振法加载。推荐的试验方法的优缺点如下表：表1 推荐的试验方法的优缺点试验方法优 点缺 点分布式表面加载（使用沙袋等静重）- 精确的载荷分布- 剪切载荷分布很精确- 只能单轴- 只能静态载荷- 失效能量释放可导致更严重的失效- 非常低的固有频率单点加载- 硬件简单- 一次只能精确试验一个或两个剖面- 由试验载荷引起的剪切载荷较高多点加载- 一次试验可试验叶片的大部分长度- 剪切力更真实- 更复杂的硬件和载荷控制单轴加载- 硬件简单- 不易获得准确的应变，损伤分布在整个剖面上多轴加载- 挥舞和摆振方向载荷合成更真实- 更复杂的硬件和载荷控制共振加载- 简单硬件- 能耗低- 不易获得准确的应变，损伤分布在整个剖面上等幅加载- 简单，快速，较低的峰值载荷- 对疲劳公式的精确性敏感等幅渐进分块加载- 失效循环次数有限-对疲劳公式精确性和加载顺序影响敏感等幅可变分块加载- 简单方法模拟变幅加载-对疲劳公式精确性和加载顺序影响敏感（尽管敏感程度低于等幅渐进分块加载）变幅加载- 更真实的加载- 对疲劳公式精确性不敏感- 较高的峰值载荷- 复杂的硬件和软件- 比较慢1.3 叶片挠曲变形测量由于风轮相对于塔架的间隙有限，因此，叶片挥舞方向的挠度是非常重要的。在试验过程中，应记录叶片和试验台的挠度。该试验通常与静力试验一起进行。1.4 叶片刚度分布测量叶片在给定载荷方向下的弯曲刚度可由载荷/应变测量值或由挠度测量值来导出。叶片的扭转刚度可以表示为旋转角随扭矩增大的函数。1.5 叶片应变分布测量如果需要，可用由置于叶片测试区域上的应变计测量叶片应变水平分布，应变计的位置和方向必须记录。测量的次数取决于试验的叶片（例如叶片的大小、复杂程度、需要测量的区域等）。如果要求从零应力水平获取非线性，则必须使用一片未加载的叶片对应位置上的应变计来补偿其自重力影响。应在叶片表面临界区域测量叶片应变，叶片上的比较典型的位置为：几何形状突变、临界的细部设计或应变水平预计较高的位置。1.6 叶片固有频率测量通常重要的频率只限于挥舞方向的一、二阶和摆振方向的一阶频率（有些情况下，还包括扭转一阶频率）。对于大多数叶片来说，这些频率间隔很好，且很少会耦合。因此，可把叶片置于所要求的振动模态下，监测来自诸如应变计、位移传感器或加速度计等的振动模态响应信号，逐个地直接测量出这些频率。二阶挥舞方向的激振模态可能会导致一些问题，尤其是对刚性非常大的叶片测量的过程中。1.7 叶片阻尼测量可以通过测量叶片挥舞和摆振方向无扰动振荡的对数衰减量确定叶片的结构阻尼。振幅必须足够小，以排除气动阻尼（几厘米）的影响。应注意阻尼通常与温度关系密切。1.8 叶片振型测量与清晰间隔固有频率的低阻尼线性结构相应的标准振型值，可以由（在共振时）传递函数的虚部来逼近，此传递函数是确定振型值点处的输入力与加速度响应关系的函数。进行挥舞和摆振方向的振型测量时，可将叶片安装在刚性试验台上，在叶片的某个适当点处（多数在叶尖）施加一个激振力（以相关的频率），沿叶片适当间隔位置监测所引起的加速度响应，激振力可由力传感器来测量，加速度由加速度计来测量，然后把测量值输入分析仪中，通过分析仪获得可能的模态数以及在共振频率下复杂传递函数的相位，在文献7中给出详细说明。除采用移动单个加速度计的方法外，还可以沿叶片展向均匀地布置若干加速度计，用一系列强迫频率来激振叶片，也可以确定叶片的振型。1.9 叶片质量分布测量粗略的质量分布可以通过测量叶片总质量和重心的方法计算出来，必要时可把叶片截成小段并称出每段的重量来测量其质量分布。1.10 叶片蠕变测量对蠕变敏感的材料来说，有必要通过试验确定叶片的蠕变和恢复特性。这些试验是通过对叶片进行长时间静加载进行的（如几小时或几天）。在试验过程中，应频繁地测量叶片的挠度，并记录叶片的挠度与对应时间。经过一段时间后去掉载荷，当叶片松弛时，应再记录叶片的恢复与对应时间。1.11 叶片的其它非破坏性试验在有些情况下，非破坏性试验(NDT)技术可用来检查叶片是否按设计要求制造，并用来发现制造缺陷。非破坏性试验可与其它试验同时进行，常用的方法有：检查叶片几何形状（如尺寸、外形等）的测量、硬币轻敲、声音传导、超声波探伤、声发射、 热成像等。1.12 叶片解剖叶片解剖可用来检查叶片是否按设计要求制造，并且可以用来发现制造缺陷。通过叶片解剖可以检查下列特性：叶片的质量分布、几何形状（如翼型等）、铺层、梁、胶接等的制造（如确定玻璃纤维叶片的纤维含量、纤维方向和疏松度等）。1.13 叶根螺栓套的静强度和疲劳强度试验风力发电机组风轮叶片承受的各种载荷都必须经叶根连接结构传递至轮毂，其强度和可靠性直接影响整台机组的运行安全和出力。因此叶根连接结构的可靠性是考核叶片强度的重要指标之一。2风力发电机组主要测试项目2.1 风力发电机组功率特性测试风力发电机组动力性能的测试要根据IEC 61400-12“风力机发电系统-第12部分：风力机动力性能”标准的最新版本执行。由于风速的随机波动性和间歇性，需要测试发电机组随风速变化的功率特性曲线，确定发电机组的功率特性，比较实际功率曲线同设计功率曲线的关系，为整机的年发电量评估提供依据。2.2 风力发电机组噪声测试风力发电机组除噪性能的测试要根据IEC 61400-11“风力机发电系统-第11部分：噪音测试技术”标准的最新版本执行。由于风电机组的运行会产生噪声，对周围的环境产生影响，需进行噪声监测，为除噪效果提供依据，同时根据噪声判别风机的运行状态。要注意特别是风轮叶片类型、塔高和塔的类型以及风力发电机组驱动系统变速箱的类型都会对噪声效果产生影响。2.3 风力发电机组电能质量测试风力发电机组电特征的测试要根据IEC 61400-21“风力机发电系统-第21部分：风力机电网连接电能质量测试和评估”标准的最新版本执行。电能质量从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。其可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。 通过测试电能质量可以对机组的并网发电以及对电网的稳定性作出评估。2.4 风力发电机组涡轮运转性能测试涡轮运转测试的目的是为了对作为风力发电机组设计基础的参数和性能进行验证。涡轮运转测试有以下几个单独测试组成：安全系统测试、制动系统测试、自动操作测试、开关操作测试、自然频率测试、机械制动的液压。2.5 风力发电机组机械载荷测试载荷测试要根据最新版的IEC TS 61400-13“风力机发电系统-第13部分：机械载荷测试”标准的最新版执行。为了验证机组设计载荷工况，为建设和修订机组理论设计模型提供依据，对风机进行载荷测试。测试的主要项目有叶片根部摆振和挥舞方向的弯矩，电机主轴弯矩和扭矩，塔架底部的偏航力矩和俯仰弯矩，塔架顶部的偏航力矩、俯仰弯矩和扭矩。 实际测试中的获得的数据将和风机设计软件的仿真结果进行对比，从而验证机组的设计模型。要在支撑结构上安装附加传感器，安装位置要参考风能大全后再做决定。2.6 风力发电机组机变速箱原型的测试测试的目的是检查变速箱设计的实现条件和获取重要参数用于风力发电机组变速箱生产阶段的级数检验。要通过实际操作对变速箱的基本性能进行验证。在根据变速箱的动态特征或变速箱独立元件的载荷分布进行设计修改时，需要重新进行原型测试。试验测试参考标准：IEC 61400-12“风力机发电系统-第12部分：风力机动力性能IEC 61400-13“风力机发电系统-第13部分：机械载荷测试IEC 61400-21“风力机发电系统-第21部分：风力机电网连接电能质量测试和评估IEC 61400-11“风力机发电系统-第11部分：噪音测试技术IEC 61400-23“风力机发电系统-第23部分：风轮叶片全尺寸结构试验风力发电机组认证指南（GL2005)