风力发电机叶片的维护

        酒 泉 职 业 技 术 学 院 毕业设计（论 文） 11    级  风能与动力技术  专业 题    目：      风力机叶片的故障分析及维护      毕业时间：        二O一四年六月              学生姓名：            王立伟                  指导教师：            甄  亮                  班    级：      风能与动力技术（1）班                                                                                                  2013年 11月2日 酒泉职业技术学院      届各专业 #毕业#（设计）成绩评定表 姓名 王立伟 班级 11风电（1）班 专业 风能与动力技术 指导教师第一次指导意见 年    月    日 指导教师第二次指导意见 年    月    日 指导教师第三次指导意见 年    月    日 指导教师评语及评分   成绩：                    签字（盖章）        年    月    日 答辩小组评价意见及评分 成绩：                      签字（盖章）        年    月    日 教学系毕业实践环节指导小组意见 签字（盖章）        年      月      日 学院毕业实践环节指导委员会审核意见 签字（盖章）        年      月      日 目  录   摘要    2 一、风机叶片简介    2 二、维护叶片的目的    3 三、叶片产生问题的原因及故障分析    3 （一）叶片产生问题的原因类型    3 (二)风机叶片的常见损坏类型及诊断方法    8 四、叶片的维护    13 （一）叶片裂纹维护    13 (二)叶片砂眼形成与维护    13 (三)叶尖的维护    13 总结    14 参考文献    14 致谢    15 风力机叶片的故障分析及维护     摘要：叶片是风力发电机将风能转化为机械能的重要部件之一,是获取较高风能利用系数和经济效益的基础，叶片状态的好坏直接影响到整机的性能和发电效率，应该引起风电企业的高度重视。风机多是安装在环境恶劣、海拔高、气候复杂的地区，而叶片又恰恰是工作在高空、全天候条件下，经常受到空气介质、大气射线、沙尘、雷电、暴雨、冰雪的侵袭，其故障率在整机中约占三分之一以上。定期检查，早期发现，尽快采取措施，把问题解决在萌芽状态是避免事故、减少风险、稳定电场收益的最有效方式。。 关键词：叶片；故障分析；维护 一、风机叶片简介 风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构，结构上分根部、外壳、龙骨三个部分。类型多种，有尖头、平头、钩头、带襟翼的尖部等。制造工艺主要包括阳模→翻阴模→铺层→加热固化→脱模→打磨表面→喷漆等。设计难点包括叶型的空气动力学设计、强度、疲劳、噪声设计、复合材料铺层设计。工艺难点主要包括阳模加工、模翻制、树脂系统选用。叶片是一个大型的复合材料结构,其重量的90%以上由复合材料组成,每台发电机一般有三支叶片,每台发电机需要用复合材料达四吨之多。   二、维护叶片的目的 风机叶片是风电机组关键部件之一，其性能直接影响到整个系统的性能。叶片工作在高空，环境十分恶劣，空气中各种介质几乎每时每刻都在侵蚀着叶片, 春夏秋冬、酷暑严寒、雷电、冰雹、雨雪、沙尘随时都有可能对风机产生危害，隐患每天都有可能演变成事故。据统计，风电场的事故多发期多是在盛风发电期，而由叶片产生的事故要占到事故的三分之一，叶片发生事故电场必须停止发电，开始抢修，严重的还必须更换叶片，这必将导致高额的维修费用，也给风电场带来很大的经济损失。在我国风电开发还处于一个发展阶段，风场管理和配套服务机制尚不完善，尤其是风电企业对叶片的维护还没有引起充分认识，投入严重不足，风电场运转存在许多隐患，随时都会出现许多意想不到的事故，直接影响到风电场的送电和经济效益。根据对风电场的调查和有关数据分析，并参阅了许多国外风电场维护的成功经验，我们对风电场的日常维护的必要性有了更深刻的了解。我认为，建立良好的叶片正常维护是保证风电场效益的基础，以少量的投入避免巨大的损失、换取最佳经济效益的最好方式。 三、叶片产生问题的原因及故障分析   （一）叶片产生问题的原因类型 我们将从四个方面讨论叶片产生问题的主要原因：即设计不完善、生产缺陷、自然原因和运行不当。   1.设计方面的原因     (1)管理层要求降低成本的压力     生产厂家管理层片面追求利润，设计部门经常会受到来自管理层的压力，要求他们设计成本低廉的部件，以便使企业有更大的利润空间。面对来自管理层的压力，设计部门有时不得不做出妥协，比如，减小叶片的叶根直径的方式来减少轮毂和叶片的成本，但是叶根尺寸减小后会导致叶片强度不够，再例如选择质量不佳但价格便宜的原材料，这往往导致叶片出现致命的缺陷。     (2)未经设计者批准就改变生产工艺     在叶片生产加工过程中，有时候生产部门未经设计部门批准就私自修改工艺，这样会破坏叶片的整体性能。     (3)生产部门和设计部门缺乏沟通     有时，设计部门的某项设计旨在降低叶片的成本、重量或为了开发一种新产品，他们将这些设计构想寄希望于生产部门，但实际上这些设计在工艺上是很难保证的，如果设计部门和生产者之间缺乏必要的沟通，缺乏团队精神，产品就会出现问题。     (4)极限设计     叶片的设计要考虑到机组其他部件的要求与配合，例如，塔架与叶片的间距通常是设计叶片强度需要考虑的一个原因，主轴和轴承的尺寸也会对叶片的重量提出要求，如果这些参数考虑不周就会使叶片设计到达极限值。     (5)安全余量降低     在叶片设计的任何一个阶段中，实际运行载荷和静态载荷总是很难准确预测，设计不当就会降低运行载荷的安全余量，这样设计参数生产出来的产品因为降低安全余量很容易损毁。     2.生产     (1)使用不合格的材料     为降低成本，生产厂家会寻求更便宜的胶衣、树脂或纤维，如果这些材料不符合叶片的设计要求，这会导致叶片很快失效。     (2)不严格的质量控制     生产过程中缺乏质量控制是导致叶片出现问题的主要原因之一。在生产过程中必须在关键环节设置质量检验点，只有通过了该工序的质量检验，生产加工才能继续。如果忽略了或者不存在这些检验点，生产工艺很难保证，就会存在质量问题。生产过程的质量检验和出厂产品的测试检验是质量控制体系的一个重要组成部分，生产厂家要保证对产品质量的持续改进，避免把有缺陷的叶片发给客户。例如，2008年3月苏司兰公司将要花费0.25亿美元修复在美国发现的出现裂纹的叶片，修复工作将超过6个月。     (3)擅自修改生产工艺     生产者决定改变工艺时，必须按正常程序得到设计部门的批准，并得到质量验证，擅自修改工艺会导致产品质量不合格。     (4)生产工艺过于复杂很难产生质量一致的产品     如果生产工艺过于复杂，很难批量生产出质量一致的产品。     3.自然原因     (1)雷击     遭受雷击是叶片毁坏的主要原因之一。如果避雷系统工作不正常，当雷击击中一个叶片时，电流将会直接传递给发电机。如果叶片有砂眼下雨时就会积水，在受到雷击的时候这些水分会瞬间蒸发，产生的蒸汽压力会使叶片爆炸或裂开，这对机组来说是灾难性的、致命的。我们虽然无法控制雷击这种自然现象，但是如果经常检查叶片防雷系统，修复有问题的避雷系统，将叶尖的排水孔里的杂质清理干净，就能最大限度的保护叶片，减少叶片遭受雷击。 (2)冰 叶片上的积冰非常危险，最好的办法是把风力机上的冰都除去。冰减少了翼型的效率，使叶轮失去平衡。在极端结冰条件下，风力机经常被迫关掉。     (3)空气中的颗粒     由于叶片转动，它不可避免会与空气中的颗粒产生摩擦和撞击。在许多情况下,叶片的叶尖速度超过70m/s，在这个速度下，空气中的颗粒会导致前缘磨损，前缘粘合会因此开裂。即使不是结构性损坏，前缘磨损也会造成很大的发电损失。     (4)高速风、剪切风、恶劣气候     通常随着风速增加，叶片顺桨，当风速超过额定值时，叶片顺桨直至机组完全停止。强的剪切风或大的阵风可以将叶片载荷超过其设计载荷，即使叶片处在静态状态，也会损坏叶片。暴雨、雷电、暴风雪、冰雹、飓风、寒潮等恶劣气候都可能会给叶片造成损坏。     (5)疲劳寿命     如果生产的叶片疲劳寿命实验值达到了其设计要求，说明叶片抗疲劳性能良好，这是叶片很关键的一个技术指标。     4.运行和维护不当 (1)漏 油 因为油渗漏后会穿透叶片层板，引起叶片分离。叶片内部缝隙需要清洁控制。叶片外层的油渗漏能造成污垢，降低其运行效果。     (2)裂 缝     目测叶片裂缝，这是最容易的一种检查叶片有问题的方法。所有的裂缝应及时报告，以保证它在变成大问题前及时修复。由于裂缝会生长，随着时间的延长，修补起来会比较贵。裂缝会使水进入叶片，在冰融气候中引起叶片损坏。     (3)污 垢     当翼型变脏后，其性能受到影响。就象一辆汽车的挡风板，叶片也会很快地聚集污垢和虫子。失速调桨风力机在高风速下失速以保护风力机。这些翼型对前缘上的污垢或虫子很敏感，它们会使叶片提前失速。     一个变脏的失速定浆翼型可能会损失20%效率，因此保持干净很重要。在一些地区，每几个星期对叶片进行清洁是很经济的。变桨风力机翼型可避免失速，它和失速定桨叶片不同，不受污垢影响。     (4)前缘腐蚀     在世界上一些地方，前缘腐蚀是一个严重的问题，而其它地方可能根本不是一个问题。如果你发现前缘腐蚀在你的地区是一个问题时，我们建议使用前缘保护带，它用于叶片前缘。这些带子非常耐用，可以防止腐蚀。     (5)超额定功率运行     许多风机操作者操作风机，让机组在超高风速下运转，这样做短时间带来很大的好处是产生的功率大幅增加，但是导致的结果是机组超功率运行，叶片开始出现早期失效。 (6)失 控 失控使风力机不能停下来。它可能是由于制动或变桨系统出错造成。也可能是控制器或操作误差引起。这是很危险的情况，因为叶片产生的功率随着转速增加继续上升。如果发电机不在线，没有载荷可阻止每分钟转速上升。当转速增加，就会产生几种情况。叶片可能回弹，撞到塔架，或者因为离心力增加，引起叶片飞散。如果这种情况发生，叶轮会失控甩出去，风力机可能摇晃脱离塔架。因为没有一个系统是被设计用来对付极限超速，所以塔架或地基可能倒塌，掀翻整个风力机。不要靠近一个失控的风力机，因为它的某些部件可能被甩出几百英尺远。由于现代风力机高度很高，倒塌时它要超过一个足球场大小。     (7)叶片平衡     叶片必须平衡，使它们不会对风力机其余部分或塔架造成过载。就象汽车的轮子，如果叶片不平衡，旋转叶片会引起载荷反复摆动。     (8)静载荷力矩     这是叶片被吊着叶根时的重量。每次轮毂旋转180度，该重量反向。反向的载荷造成许多损坏，如果叶片设计或制造有误，它就会在叶根附近断裂，因为根端所受载荷最大。当叶片越来越长时，它就成为一个关键的设计载荷。     (9)叶片震动缺陷     当叶片越来越大时，风力机就更昂贵，要使用更多的安全装置。叶片震动可以用加速计测出。控制仪能改变叶片的节矩、风力机速度或其它参数以减小不需要的震动。如果你的风力机在这点上有错，它就会变成一个严重的事故。叶片震动缺陷通常需要专门的探测工具，大多数现场技术人员不具备。我们建议用一名风力机师收集和分析数据，以找出原因。     (10)共振频率     当一个物体的震动固有频率与风力机转动速度相匹配时，就产生共振频率。设计叶片时，其固有频率必须和叶轮每分钟转动的频率和塔架摇摆频率不同。否则，正常的叶片跳动在叶片和风力机其它部件共振时被放大，在叶片结构上引起极限载荷。由于叶片形状象翅膀，它们在拍动方向，以边缘间不同频率震动。     当叶片装在变速风力机上，这些频率都需被理解，同时共振问题更加复杂。在叶片制造中大的修补或偏离设计会改变叶片重量，也改变共振频率。这就是为什么风力机可能装有一个叶片振动传感器，如果叶片运作接近任何固有频率，它能使风力机产生故障。     (11)叶片到塔架的间距     在现代风力机设计中，这是一个重要的设计考虑。因为大多数风力机是迎风的，它们往往会向后弯向塔架。 叶尖和塔架的间距受到以下因素影响：叶片刚度、叶轮转速、风速、叶片塔架距离、机舱罩倾斜、偏航轴溢出和塔架的形状。随着时间延长，偏航轴磨损和叶片老化可能降低叶片和塔架的间距。如果一个叶片撞到了塔架，对叶片是一个灾难性事件，它会损坏整个风机和塔架 (12)叶片涂饰 好的叶片涂饰是比较贵的。因为叶片也很贵，所以我们建议在修补后采用好的涂饰。不要使用辊筒或刷子来进行涂饰。一些涂饰工作会使你不能产能，如在叶片前缘上胶衣中的刷痕。除非气动工程师把这些刷痕并入翼型中，否则它们不应该存在。你可能要花时间把它们从新叶片上打磨掉。 (13)可展开的叶尖 这些可移动的叶尖用作刹车装置，防止产生失控。它们用在定桨风力机上。拥有可展开叶尖的叶片需要叶尖维护。针对裂缝和磨损部件，要检查所有的机构。大多数带叶尖的大叶片用电缆连接叶尖至叶根处的激励机构。这些地方的问题涉及叶尖锁断裂、电缆断裂。叶片可以在没有叶尖锁的情况下起作用。但因为叶尖将展开，所以电缆断了，叶片就不起作用了。     在我看来，有必要问是否所有的叶片应有可展开的叶尖，作为一个最后的安全措施以防止出现失控。在独立桨叶片的风力机上已出现过失控。     (14)防止叶片损坏   在搬运叶片时，适当保护翼型的薄弱之处很重要。我们经常会看到在搬运叶片时不小心，造成后缘损坏。在用皮带捆扎起来进行搬运前，我们用一个的护套来保护后缘。     (15)叶距刻痕     这些刻痕通常在叶片外面。对于小叶片这没什么，但对于大叶片，叶距刻痕应放在叶片内外面。如果变桨错了，哪怕是半度，其运行状况也会显著改变。   (16)叶片标识     我们建议用较大的标识标记叶片，这样从地面或用摄像机就能比较容易地辨别每片叶片，使叶片跟踪不成问题。   (17)缺少预防性维护     这是本文要讨论的主要问题。对叶片的周期性、预防性维护对保证风电机组正常运行起到了关键作用，花少些的时间和费用及时维护，或对发现的初期问题苗头进行维修，可以避免日后高额的维修费用、减少停机造成的经济损失。 (二)风机叶片的常见损坏类型及诊断方法 1.常见的叶片损毁类型 (1)前缘腐蚀 前缘腐蚀导致翼型变化。由于翼型发生形变，叶片捕捉的能量就会减少5%以上，前缘损坏在早期容易修补。 图1叶片前缘腐蚀 (2)前缘开裂     如果发现叶片前缘开裂，要尽快修补。如果不及时修补，开裂越变越长，在空气作用下，蒙皮就会出现脱开、开裂。如果叶片蒙皮开裂6英尺以下时还可以勉强修补，如果开裂再多就不得不更换整个叶片了，这意味着高额的材料、维修费用和较长时间的发电损失。 图2前缘开裂 (3)后缘损坏     后缘损坏在早期容易处理，如果置之不理，听任发展，轻微的后缘损坏就会导致大问题。从下面的照片中可以看见，裂缝沿着叶片弦向裂开，直通到梁，然后沿着梁撕裂，这个叶片已经接近灾难性失效了。 图3后缘损坏   (4)叶根断裂     叶根断裂必须尽早发现，因为叶根断裂经常引发灾难性失效。照片中这个叶片的叶根裂缝已经扩大，很难修补。 图4叶根断裂 (5)表面裂缝     即使很小的裂缝、砂眼也会使水渗入复合材料，严冬时水会结冰导致内芯快速损坏。小的裂缝会蔓延生长，最终导致叶片失效。 图5表面裂缝 (6)雷击损坏     避雷系统损坏会导致叶片遭受雷击。如果导雷器损坏或工作不正常，在雷电交加的时候叶片很容易被击中损坏。已经有证据显示，雷电会多次击中某个风电场中的某台机组，而风电场中其它的机组却从来不遭雷击，这是因为这台机组的横向裂纹引发雷击，因此发现裂纹或避雷系统有故障及时维修十分重要。 图6雷击损坏 2.判断叶片受损方法 通过看，听和感觉，可找出叶片缺陷。一个好的技术人员会听风力机和叶片的声音。一个旋转的叶片所发出的声音如果有任何变化，比如有一个叶片突然开始哨叫，那就意味着叶片中某些部分发生了变化。如果你再一次注意到你的风力机会向四周摇摆，而这种情况以前从未发生过，那可能叶片中的一些部分发生改变。我们建议使用一副好的双筒望远镜定期扫描检查叶片蒙皮。也可以使用摄像机摄录下对叶片蒙皮的扫描，用于以后的评估，并放大怀疑的区域。但我们建议由同一个人来扫描检查蒙皮或记录，这样使微小的变化也可被看到。不熟练的人可能看不到这些微小变化。 (1)从声音辨别叶片受损技巧 一般柔性叶片运行两年后、刚性叶片运行三年后如果叶片叶尖处未出现砂眼、软胎、开裂、叶尖磨平现象，三支叶片运转时声音是一致的，叶片转动至地面角度时，所发出的是刷刷声音，如果出现呼呼之声和哨声，证明有单支叶片已经出现受损现象，需要停车检查叶尖部位和整体叶片的迎风角面（叶脊），观察叶刃至上而下是否有横纹现象。总之三支叶片同时出现隐患的几率极低，从运转声音上，最易判断事故隐患。 (2)风机叶片目测技巧 叶片运行二至三年后，如遇雨后，从叶片迎风面（叶脊）可看出风机叶片受损情况。如果叶片迎风面雨后还显黑色，证明叶片已经出现砂眼，因为外界小生物被叶片打到后，只是附着在叶脊上；如果叶脊没有砂眼、麻面，附着物及污物完全可以被冲刷掉（盐雾、漏油除外），叶片迎风面颜色越重，证明叶片受损越严重。 四、叶片的维护   （一）叶片裂纹维护 叶片表面的裂纹一般在风力发电机组运行2-3年后就会出现。裂纹是由低温和机组自振所引起的。如果裂纹出现在距叶片根部的8-15米处，风力发电机的每次自振、停车都会是裂纹加深加长。裂纹在扩张的同时，空气中的污垢、风沙乘虚而入，是的裂纹加深加宽。裂纹严重威胁着叶片的安全，可导致叶片的开裂，横向的裂纹可导致叶片断裂。 如果出现横向裂纹，必须采用拉锁加固复原法。拉锁加固复原发是指，采用专用的拉筋粘合，修复回原有的叶片平面。 (二)叶片砂眼形成与维护 风机叶片出现砂眼是由于叶片没有了保护层所引起的。叶片的胶衣层破损后，被风沙抽磨的叶片首先出现的麻面其实是细小的砂眼，如果叶片有坚硬的胶衣保护，沙粒吹打到叶面时可以抵挡也能转移风沙的冲击力，就象风沙分别打到钢板和木版上，所出现砂眼的状态肯定是截然不同。砂眼对风机叶片最大的影响是运转时阻力增加转速降低，砂眼生成后它的演变的速度是惊人的。1.5毫米直径的砂眼二年后清洗已变成深度5毫米直径达10-12毫米，如果此时是雨季，砂眼内存水，麻面处湿度增加，风机避雷指数就会降低。针对砂眼的修复，以往国内采用的是抹压法，此种方法对于小砂眼和麻面是有效的，但对于较深的砂眼，在抹压的同时砂眼内污垢和空气气泡无法排出，存在着治标不治本的现象。采用注射法治理修复叶片砂眼，无论深度多少的砂眼都是从内向外堵，使内结面积增大饱和无气隔。做到表里如一，坚硬耐冲击。 (三)叶尖的维护 风机的许多功能是靠叶尖的变换来完成的。叶尖是整体叶片的易损部位，风机运转时叶尖的抽磨力大于其它部位，整体叶片中它又是最薄弱的部位。叶尖是由双片合压组成，叶尖的最边缘是由胶衣树脂粘合为一体，叶尖的最边缘近4厘米的材质是实心。目的是增加叶尖的耐磨度和两片之间的亲和力。由于叶尖内空腔面积较小，风沙吹打时没有弹性，所以也是叶片中磨损最快的部位。通过标记试验证明，叶尖每年都有0.5厘米左右的缩短磨损。叶片的易开裂周期是风机运转四至五年后，原因就是叶片边缘的固体材料磨损严重，双片组合的叶尖保护能力、固合能力下降，使双片粘合处缝隙暴露于风沙中。解决风机叶片开裂的问题，就是风机运转几年后做一次叶尖的加长、加厚保护。与原有叶片所磨损的重量基本吻合，不会对叶片的配重比产生任何影响，修复后的叶尖至少三年后磨回原有叶面，对阻止叶尖开裂现象的发生起到决定性作用。 总结 本文对风力发电机组叶片的故障分析及维护做了详细的过程，风轮叶片作为风电机组的一个部件，与其它零件一样需要关注。维持叶片情况良好的方式是检查和观察早期问题。如果定期修复这些问题，可以避免更大、高额费用的修补。如果对小的问题不理不睬，就会发展成越来越大损毁。这不仅造成修补费用更加昂贵，而且这种损坏通常在有风季节出现，由此影响发电收入。 若有合理的维护，是我们希望看到的，也是我们不懈的追求。   参考文献: [1]能源领域组，能源领域．科技发展“十五规划”和2015年远景研究[M 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