1.前言

　　自從國家能源局發(fā)文要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)及風(fēng)輪必須通過型式認(rèn)證，因此每個(gè)型號(hào)的風(fēng)輪葉片都需要通過疲勞測試。

　　葉片疲勞測試是一個(gè)較漫長而復(fù)雜的工作，操作不當(dāng)有較大的風(fēng)險(xiǎn)。比如說葉片設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量都非常高，但由于疲勞加載或者操作不當(dāng)可能會(huì)引起提前破壞，最后導(dǎo)致不能取得型式認(rèn)證證書。在溫度變化時(shí)，復(fù)合材料的自振頻率將發(fā)生變化，進(jìn)而影響風(fēng)電葉片疲勞測試的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。

　　2. 葉片疲勞測試的原理

　　目前葉片疲勞測試是靠安裝在葉片上的偏心旋轉(zhuǎn)設(shè)備與葉片發(fā)生共振，從而驅(qū)動(dòng)葉片做上下循環(huán)擺幅運(yùn)動(dòng)的。葉片、偏心旋轉(zhuǎn)設(shè)備、額外配重的質(zhì)量組成葉片系統(tǒng)。共振的充分條件是偏心旋轉(zhuǎn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)頻率與葉片系統(tǒng)自振頻率非常接近。其中旋轉(zhuǎn)頻率可通過變頻器來調(diào)節(jié)，尤其在共振頻率附近區(qū)域。

　　3. 模量引起葉片頻率變化

　　目前大型水平軸風(fēng)電葉片由樹脂基復(fù)合材料制造而成，根部為圓柱型，通過T 型螺栓或預(yù)埋螺栓連接，從最大弦長到葉片尖部段，絕大部分剛度由單向織物復(fù)合材料提供。

　　復(fù)合材料的模量受溫度影響較大，GL 2010規(guī)定復(fù)合材料適應(yīng)的一般環(huán)境溫度范圍為-30---+50℃，而其機(jī)械性能測試是在室溫23℃下進(jìn)行的。參照室溫條件，復(fù)合材料模量的變化趨勢是： 在低溫下升高，高溫時(shí)降低。

　　為了研究簡便，可以把在任何溫度下葉片截面的剛度看成一個(gè)系數(shù)乘以室溫條件下的葉片剛度所得的積。本文假設(shè)剛度的變化量為10%，表1 顯示了剛度和系統(tǒng)頻率的變化。

      4. 溫度變化對(duì)葉片疲勞測試的影響

　　經(jīng)過細(xì)微的調(diào)試，葉片系統(tǒng)與偏心旋轉(zhuǎn)設(shè)備發(fā)生共振，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致如下連鎖變化：

　　（ 1） 葉片單向織物復(fù)合材料的模量變化；

　　（ 2） 葉片系統(tǒng)的自振頻率發(fā)生變化；

　　（ 3） 破壞原有共振平衡，導(dǎo)致葉片的動(dòng)態(tài)應(yīng)變不夠或者超出。

　　按照第二部分中描述的方法對(duì)葉片開展疲勞測試，疲勞試驗(yàn)荷載用單點(diǎn)恒幅加載，在葉片特定截面處安裝激振器，由激振器的偏心輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力對(duì)葉片施加交變恒幅荷載。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速及偏心輪質(zhì)量，使激振器與葉片產(chǎn)生共振，可使激振力達(dá)到預(yù)定的荷載水平，分別采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和位移傳感器采集考核位置的動(dòng)態(tài)應(yīng)變和振幅。

　　圖1 顯示了LZ55. 58-2. 0 葉片在連續(xù)的溫度變化下振幅的變化趨勢。操作人員按照白天的溫度調(diào)節(jié)獲得穩(wěn)定的振幅。晚上溫度降低，葉片自振頻率升高，共振平衡被打破，振幅降低。第二天早晨，溫度又升高，振動(dòng)平衡又恢復(fù)。

　　當(dāng)葉片的振動(dòng)幅值不同時(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)變隨之發(fā)生變化。

      5. 調(diào)節(jié)措施

　　葉片疲勞測試中，危險(xiǎn)截面區(qū)域的主梁和輔梁的動(dòng)態(tài)應(yīng)變被作為考核對(duì)象，需要保持穩(wěn)定。在溫度變化的環(huán)境中，需要調(diào)節(jié)變頻器頻率去調(diào)節(jié)偏心旋轉(zhuǎn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)頻率，最后保持較穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。

　　以表1 中的數(shù)據(jù)為例，設(shè)定變頻器的初始頻率為37. 88Hz， 17 ∶02 時(shí)因溫度微變，頻率調(diào)整為37. 88Hz，18 ∶04 時(shí)因溫度下降，采集的應(yīng)變偏小，需要將變頻器的頻率設(shè)為37. 92Hz，應(yīng)變恢復(fù)為設(shè)計(jì)要求的686。

　　變頻器調(diào)節(jié)的步長越短，所獲得調(diào)節(jié)后的動(dòng)態(tài)應(yīng)變就越精確、越穩(wěn)定。

　　另外，如果葉片在室內(nèi)做疲勞測試，即使環(huán)境溫度有變化，但是葉片材料本身的溫度變化較室外的小得多，則更容易控制。

　　假設(shè)在三個(gè)溫度環(huán)境中，葉片單向布復(fù)合材料的模量相差10%。通過調(diào)節(jié)變頻器在對(duì)應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)獲得同樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，表2 列出了三個(gè)理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

      可見，如果要保持動(dòng)態(tài)應(yīng)變不變，則需要保持葉片振幅不變。目前一種以 控制葉片振幅的閉環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)成功開發(fā)，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)振幅。

　　6. 結(jié)論

　　本文闡述了風(fēng)電葉片疲勞測試受環(huán)境溫度影響的結(jié)果及調(diào)節(jié)方法，總結(jié)如下：

　　（ 1） 環(huán)境溫度變化對(duì)葉片疲勞測試的影響很大，可造成被考核的葉片動(dòng)態(tài)應(yīng)變不夠或者超出；

　　（ 2） 為了獲得較穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，需要根據(jù)環(huán)境溫度變化及時(shí)調(diào)節(jié)偏心旋轉(zhuǎn)設(shè)備變頻器頻率： 溫度升高，調(diào)低變頻器頻率； 溫度降低，調(diào)高變頻器頻率；

　　（ 3） 即使在不同的溫度下運(yùn)行疲勞測試，如果要保持關(guān)鍵點(diǎn)恒幅應(yīng)變，應(yīng)使葉片保持同樣的振幅。一般來說，振幅比較容易監(jiān)控。