风力发电机叶片的维护讲解.docx

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风力发电机叶片的维护讲解

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

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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

毕业论文（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

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制度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工程师收集和分析数据，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