穆丹：各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家，大家下午好！我是來(lái)自中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司技術(shù)中心的穆丹。今天很高興通過(guò)這個(gè)平臺(tái)跟大家分享我們的工作。
我們技術(shù)中心有一支非常專業(yè)的葉片故障分析團(tuán)隊(duì)，近年來(lái)，每年都會(huì)接到一些葉片故障分析的實(shí)例，今天我就把我們最近研究的一類大葉片振動(dòng)受損問(wèn)題跟大家進(jìn)行一些探討。我們看一下這些葉片振動(dòng)受損的問(wèn)題是由什么導(dǎo)致的，我們可以通過(guò)什么樣的手段去避免或者降低我們的損失。
我將從五個(gè)方面來(lái)進(jìn)行介紹。首先是背景，我們都知道，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組現(xiàn)在正朝著大型化、大功率的方向發(fā)展，現(xiàn)在6兆瓦的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了批量運(yùn)行，10兆瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了樣機(jī)階段，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大功率的趨勢(shì)，我們風(fēng)輪的直徑也在逐漸的變大。現(xiàn)在葉片的最長(zhǎng)的長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到了百米級(jí)別，就像我們?cè)诖筘S是已經(jīng)下線了雙瑞的102米的葉片。隨著葉片的長(zhǎng)度逐漸增加，葉片的柔度也在不斷的增加，同時(shí)由于葉片有降載的需求，它的氣動(dòng)阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼都在逐漸的降低，而且現(xiàn)在整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)市場(chǎng)的壓力都在逐漸增加。
我們大家都在面臨著減重降本的問(wèn)題，減重將本一方面會(huì)導(dǎo)致葉片的柔度增加，另外一方面設(shè)計(jì)安全的程度在降低，同時(shí)設(shè)計(jì)周期也再壓縮，這就會(huì)導(dǎo)致葉片在設(shè)計(jì)階段有一些精細(xì)化的計(jì)算分析沒(méi)有足夠的時(shí)間去完成，這都導(dǎo)致了葉片的設(shè)計(jì)和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的提升，同時(shí)也為葉片故障率的提升埋下一些伏筆。
我們現(xiàn)在最近研究的這一類葉片振動(dòng)受損的形式主要出現(xiàn)在中國(guó)葉片風(fēng)電場(chǎng)，右邊的這個(gè)圖是葉片振動(dòng)受損故障在不同年份的數(shù)量分布。我們可以看到在2019年至今，也就是藍(lán)色部分，這一類事故是占主要比例的，這主要是因?yàn)閾屟b潮的出現(xiàn)，導(dǎo)致的這一類事故的集中出現(xiàn)。而在2019年以前，這一類事故也是有零星的一些，但是它總體的案發(fā)量不大，同時(shí)在這類事故發(fā)生的時(shí)候，由于大家為了降低發(fā)電損失引起的賠付金額，所以葉片只要發(fā)生了一個(gè)振動(dòng)損傷就會(huì)很快的更換，所以并沒(méi)有引起大家足夠的重視。而2019年以后，特別是去年搶裝潮的的出現(xiàn)，這樣的案例集中出現(xiàn)了一批。
我們現(xiàn)在來(lái)看一下這一類葉片振動(dòng)受損的問(wèn)題的特征，主要有四個(gè)特征，第一個(gè)就是受損葉片的長(zhǎng)度多大于70米，第二個(gè)是葉片受損位置集中于葉身中段后緣的區(qū)域，但是它的主梁和后梁是完好的，但是梁之間的蒙皮其余發(fā)生了一些問(wèn)題，第三個(gè)是隨著它破壞形勢(shì)的加劇，最后是解體式的形式，但是它解體之后葉片的各個(gè)部位保持相對(duì)完整。第四個(gè)就是發(fā)現(xiàn)葉片受損的時(shí)候，葉片基本處于掛機(jī)后尚未并網(wǎng)投運(yùn)前，或者并網(wǎng)投運(yùn)最初三個(gè)月以內(nèi)。我們?nèi)z查了這些葉片的生產(chǎn)制造、運(yùn)吊裝等過(guò)程都進(jìn)行了勘查，同時(shí)我們綜合最短的破壞時(shí)間只有八天去綜合分析，我們認(rèn)為這個(gè)葉片受損主要是由于振動(dòng)引起的。
下面我們來(lái)看一下葉片的振動(dòng)。葉片的振動(dòng)分為顫振、渦振、抖振，我們主要針對(duì)前兩個(gè)進(jìn)行介紹。首先是顫振，顫振就是結(jié)構(gòu)上的瞬時(shí)氣動(dòng)力與彈性位移之間有位差，使振動(dòng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)可能從氣流重吸收能量而擴(kuò)大振幅，它是一種自激振動(dòng)或者是負(fù)阻尼的振動(dòng)，這種振動(dòng)是非常有害的，他有可能導(dǎo)致葉片在非常短的時(shí)間內(nèi)就產(chǎn)生解體。
而渦振是由于卡門渦周期性脫落導(dǎo)致的，渦振可能是由于大橋振動(dòng)出現(xiàn)大家的視野，但是渦振這個(gè)詞在力學(xué)當(dāng)中是非常經(jīng)典的存在，這是當(dāng)年馮卡門發(fā)現(xiàn)的這個(gè)問(wèn)題。那么渦振是什么呢？我們可以看到右邊中間綠色的動(dòng)畫，當(dāng)一個(gè)來(lái)流的風(fēng)速流過(guò)一個(gè)繞流體時(shí)在后面會(huì)形成一個(gè)渦，所以這個(gè)首體就會(huì)收到來(lái)流方向的力和橫向的周期性的力的作用，當(dāng)這個(gè)周期性的力和這個(gè)物體本身的固有頻率一致時(shí)，這個(gè)物體就會(huì)發(fā)生共振，所以說(shuō)渦振是一種強(qiáng)迫振動(dòng)，它的振幅是有限的。對(duì)于我們的葉片而言，從葉根到葉尖的變化是非常巨大的，所以說(shuō)如果這個(gè)葉片是渦振導(dǎo)致的，那么這個(gè)來(lái)流的風(fēng)延展向一定是一個(gè)非常特定的分布才可能實(shí)現(xiàn)。
那么這個(gè)問(wèn)題到底是顫振還是渦振還是說(shuō)是由渦振引發(fā)的顫振問(wèn)題呢？我們現(xiàn)在還不能給出一個(gè)準(zhǔn)確的定論，主要是由于受到現(xiàn)行的一些客觀條件的限制。這些客觀條件包括，首先風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)我們不太容易獲得，因?yàn)樗械倪@一類的故障分析，當(dāng)然指的是我們接收到的資料，不一定是全部的，我們這邊接收到的資料是所有的葉片都是在失電狀態(tài)下發(fā)生的情況，所以說(shuō)在這個(gè)狀態(tài)下，它的數(shù)據(jù)是非常難獲取的。同時(shí)，對(duì)于現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)而言，在標(biāo)準(zhǔn)里面是沒(méi)有準(zhǔn)確的對(duì)于這些渦振或者是顫振的一些工況的條件說(shuō)明，對(duì)于現(xiàn)行的軟件而言，大家都知道，基本上都是基于葉素理論，不能考慮三維大變形等問(wèn)題，而且尾流計(jì)算比較簡(jiǎn)單，北京準(zhǔn)確反應(yīng)實(shí)際情況。同時(shí)它還有一個(gè)問(wèn)題，就是它部分考慮大變型結(jié)構(gòu)體的變形之后對(duì)流體的一個(gè)反作用，因?yàn)樗谟?jì)算時(shí)沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，所以計(jì)算不了這個(gè)問(wèn)題。而對(duì)于流固耦合集散來(lái)說(shuō)，它是考慮三維影響，可以實(shí)時(shí)模擬葉片與來(lái)流的互相影響狀態(tài)，可以計(jì)算大變形的，計(jì)算相對(duì)比較準(zhǔn)確。而且它的計(jì)算精度比較高，也可以計(jì)算湍流的效應(yīng)，所以它的計(jì)算速度就會(huì)非常慢。最后一個(gè)關(guān)鍵就是我們風(fēng)電的載荷工況比較多，它不同于常規(guī)的航空行業(yè)或者是其他的行業(yè)，它的計(jì)算工況太多了，如何合理的去采取合適的載荷工況去進(jìn)行計(jì)算，這也是我們現(xiàn)在面臨的一個(gè)問(wèn)題。
雖然說(shuō)我們現(xiàn)在根據(jù)客觀條件不能做深一步的分析，但是我們基于現(xiàn)行的條件我們也是可以做一些分析工作的。我們現(xiàn)在可以做風(fēng)速、風(fēng)向、地形的影響分析，同時(shí)，各家生產(chǎn)企業(yè)甚至是基地的產(chǎn)品質(zhì)量矩的差異我們也是需要進(jìn)一步探討的，我們都知道，對(duì)于一套葉片而言，他是由三個(gè)葉片組合而成的，那么這三個(gè)葉片的質(zhì)量差距在現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)里是有明文規(guī)定的，但是對(duì)于同一個(gè)型號(hào)的一款葉片在不同的基地生產(chǎn)，那么它所有葉片的質(zhì)量矩的差異是沒(méi)有辦法考慮的，以上這些工作我們?cè)谶@一類事故分析中都進(jìn)行了。我們綜合前面的特征，最后我們得出我們的結(jié)論，就是對(duì)于這樣一類破壞特征的案例，它是由于葉片是在一個(gè)特定的風(fēng)速、特定的風(fēng)向下，一定是一個(gè)短時(shí)超大的風(fēng)引發(fā)的一個(gè)葉片振動(dòng)，當(dāng)然這個(gè)大風(fēng)因?yàn)槭嵌虝r(shí)發(fā)生的，當(dāng)它過(guò)了這一陣風(fēng)速之后，這個(gè)葉片可能就不再繼續(xù)振動(dòng)了，但是在一定長(zhǎng)的周期之內(nèi)，如果還再一次遇到這一類的風(fēng)得話，可能葉片會(huì)重新引發(fā)振動(dòng)。
那么對(duì)于這樣一類問(wèn)題我們?cè)鯓佑行П苊饽兀恳驗(yàn)楝F(xiàn)在這個(gè)葉片都已經(jīng)裝到風(fēng)機(jī)上了，他不和平拆下來(lái)。我們現(xiàn)在給了三條建議，第一個(gè)是首選時(shí)刻偏航對(duì)風(fēng)，首先是自掛機(jī)之日起，就要保證機(jī)頭指向來(lái)風(fēng)方向，這樣葉片的安全性就是有保障的。第二個(gè)就是當(dāng)機(jī)組中有一個(gè)葉片發(fā)生受損但是不太嚴(yán)重的時(shí)候，如果這個(gè)時(shí)候可以讓機(jī)組重新通電，使之偏航對(duì)風(fēng)的話，那么對(duì)另外兩個(gè)葉片的保護(hù)意義也是很大的。
第二個(gè)是當(dāng)你不能保證通電偏航對(duì)風(fēng)的時(shí)候，因?yàn)槟闶窃趻鞕C(jī)初始到調(diào)試前的狀態(tài)，這個(gè)階段是失電狀態(tài)，在葉片上掛網(wǎng)兜配泡沫塊可以改變?nèi)~片外形特征是有效的，它不會(huì)引起振動(dòng)了。還有一種方法是在掛機(jī)初始到調(diào)試前的機(jī)組失電時(shí)段，我們一定要參考一下過(guò)往的風(fēng)頻記錄以及未來(lái)時(shí)段的天氣預(yù)報(bào)，或者是現(xiàn)在也有一些激光雷達(dá)可以預(yù)測(cè)未來(lái)的風(fēng)的流向，這個(gè)時(shí)候我們一定要預(yù)設(shè)好機(jī)頭的指向，這個(gè)也是非常有價(jià)值的。
第三個(gè)是積極加強(qiáng)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)，我們都知道現(xiàn)在很多風(fēng)力發(fā)電機(jī)現(xiàn)在都已經(jīng)有在線監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)了，我們可以探索一下后備電源的安裝，可以在失電的狀態(tài)下監(jiān)測(cè)葉片的振動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)葉片的振動(dòng)出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候可以在第一時(shí)間識(shí)別，并且進(jìn)行相應(yīng)的操作，這樣也可以大幅度避免這一類問(wèn)題的發(fā)生。
而對(duì)于我們現(xiàn)在不能進(jìn)行深一步研究的一個(gè)問(wèn)題，我們提出了三年的以后的發(fā)展方向。第一類是葉片氣彈計(jì)算方法的更新，我們可以發(fā)展研究可靠性的流固耦合計(jì)算方法，可以實(shí)時(shí)模擬葉片狀態(tài)。第二個(gè)是考慮合理的風(fēng)況模型，選取典型工況進(jìn)行分析，這也是非常重要的。第三個(gè)是考慮可建立整機(jī)模型的計(jì)算方法，現(xiàn)在也有一些軟件是可以進(jìn)行整機(jī)模型計(jì)算的，但是這樣的計(jì)算軟件在進(jìn)行葉片分析的時(shí)候還是采用的葉素理論，所以他在結(jié)論這一類問(wèn)題時(shí)也是不準(zhǔn)確的，所以我們要尋求一種方法，在一個(gè)實(shí)現(xiàn)周期允許范圍之內(nèi)可以形成一個(gè)完善的可商用的計(jì)算方法和流程。
第二個(gè)是葉片新材料的開放，主要是提升葉片的結(jié)構(gòu)阻尼，如果葉片的結(jié)構(gòu)阻尼提升的話，在遇到類似風(fēng)的時(shí)候，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可以得到有效的抑制的話，這個(gè)事故率也會(huì)下降。
第三個(gè)就是未來(lái)的葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，未來(lái)的葉片肯定會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)的，所以我們需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮到加入承載此類工況的思考，因?yàn)楝F(xiàn)行的計(jì)算是沒(méi)有計(jì)算在失電狀態(tài)下葉片的一些問(wèn)題的，所以說(shuō)如果加入了這些承載工況的思考的話，那么葉片的重量和成本肯定會(huì)上升，但是對(duì)于它的安全運(yùn)行來(lái)說(shuō)安全系數(shù)是提高的。
最后我介紹一下我們技術(shù)中心葉片故障分析團(tuán)隊(duì)，我們?nèi)~片故障分析團(tuán)隊(duì)有七個(gè)方向的針對(duì)于葉片的人員，包括氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、材料、載荷、工藝、測(cè)試、控制，我們團(tuán)隊(duì)所有的計(jì)算人員和分析人員都是百分之百的碩士及以上的學(xué)歷。同時(shí)我們是一個(gè)獨(dú)立、公正、客觀的第三方，這個(gè)第三方的身份可以使一些企業(yè)在面臨一些特別是一些葉片故障分析的時(shí)候，如果大家存在一些問(wèn)題點(diǎn)，那么我們第三方比較客觀的一個(gè)身份，可以提供一些服務(wù)。同時(shí)，我們也已經(jīng)承接了幾十項(xiàng)的葉片故障分析的服務(wù)，我們是有非常豐富的經(jīng)驗(yàn)的。我再介紹一下我們著重發(fā)展的三個(gè)方向，一個(gè)是葉片的氣彈方向，第二個(gè)是葉片的工藝方向，第三個(gè)是葉片的防雷方向。
下面這個(gè)就是我們團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人的聯(lián)系方式，如果大家有需求的話可以隨時(shí)聯(lián)系我們的業(yè)務(wù)對(duì)接人。以上就是我今天分享的所有內(nèi)容，謝謝大家。(內(nèi)容來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)速記，未經(jīng)本人審核，如有不妥，請(qǐng)聯(lián)系修改！)
