风力发电复合材料叶片运行过程中的故障损伤分析

       随着新能源发展势头的高歌猛进，风能作为其重要的一部分也得到了快速的发展，风机功率的不断增大，伴随而来的是驱动装置的不断增大增强。从早期的在750kW、1.25kW到现在国内外相继推出的5mW、6mW的机型，作为风能的传递载体，风力发电复合材料叶片也从12m、31m不断增长至现在的56m、62m。
　　伴随着叶片的不断增长，叶片的加工制作水平也在不断的提升，然而同时增加的不利因素也在增多，叶片在运行过程中出现的故障损伤的情况更是从出不穷。故障损伤大致可以分为两个方面，人为因素、外力环境因素。通过对这两个方面的分析，可以从中总结出风力发电复合材料叶片在日常运转中需要注意的相关问题，以便更好的维持整台风机的正常运转。以下对上述两个方面做详细分析。
　　1人为因素
　　早期的复合材料叶片的设计更多的建立在假设条件下，对于环境等因素考虑较少，材料的使用、疲劳强度的预设、工艺设计等并没有放在现实的环境中去检验，这样导致的结果是在风洞试验中可以满负荷有效生存时间在实际环境中大大减少，甚至出现“叶毁机亡”的事故。以下从结构设计和工艺设计两个方面分析。
　　2结构设计不合理
　　叶片的结构和气动外形设计是一项比较复杂的工程，如何使其在最小的重量下去获得做大的捕风面积，尤其在以复合材料为基体的结构设计和工艺设计需要得到最优化的方案。当然还有机型的匹配，叶型的设计，内部结构的建造，载荷计算，风洞试验或模型的模拟测试等等，每一步都是一项需要经验和科学有效的分析才能得出满足要求的结果。设计的完成并不能保证加工制作的叶片一定能满足使用要求，第一支叶片的完成需要有静力载荷试验和频率试验去检验其结构的合理性，并且从中获得相关的技术参数以便对叶片的结构和工艺给予更加有效地修正。
　　随着风力发电装机量的迅速增加，叶片出现结构问题的故障也不断涌现，前缘（leading edge）或后缘（training edge）粘接强度不足受力开裂；剪腹板（shearing web）受压后断裂或与壳体分离；梁帽（spar cap）设计强度不够出现叶片断裂；叶片尖部强度不够导致尖部与接闪器同时脱落；接闪器设计不合理导致叶片遭受雷击；根部连接部位设计不合理，导致连接螺栓磨损或受力不均扭断，甚至出现叶片运转中飞离轮毂后击中塔架，等等这些问题给整台风机带来的伤害会是致命的。
　　3工艺设计不合理
　　工艺设计是制作加工的前提保障，合理的工艺设计能有效地确保叶片设计中的各种参数合理实现，并且让现场操作人员工作过程中有章可循。
　　工艺设计的原始资料是设计图纸和技术参数，如何有效保证所有技术参数在工艺设计中得到合理体现，这需要从两个方面实现。首先，要吃透设计图纸和设计文件。设计图纸和文件中包含了所有的工艺参数，从叶片中各个结构件的制作到结构件的组装，及组装过程需要的工装设备制作，到一只叶片从模具中完好脱模，再到最后的表面处理，每一步的完成都需要工艺设计中有详细的步骤说明。当然在各工艺步骤中会明确提出许多硬性指标，比如梁帽的安装位置、筋板的安装位置、芯材的铺设位置、纤维布的铺设位置、粘接剂的厚度、补强的层数、表面处理的标准等等，这些指标的意义就是保证了产品满足设计要求。
　　工艺设计的步骤和操作方法的缺陷是导致叶片加工制造缺陷的主要诱发因素。加工过程中容易出现问题的工艺执行控制点大致可以分为以下几种：铺设（纤维、芯材）、气泡、结构件位置及粘接、固化（玻璃化转变）、表面处理等。
　　1）铺设
　　铺设大致可分为两个方面：梁帽、壳体纤维铺设，芯材铺设。
　　梁帽（目前通用的材料一般是玻璃纤维，碳纤维现在也陆续被应用到大功率叶片中）是叶片最重要的受力延伸构件，作为力的主要传递载体，纤维铺设平整度是保证大梁强度的首要条件。据资料显示纤维在弯曲状态下制作的单层板剪切强度和拉伸强度约下降30%~50%。大梁与壳体的纤维如果在弯曲状态下，如果单从纤维受力的情况分析叶片的受力，这样的叶片是有严重隐患的。
　　芯材铺设主要体现的是三明治结构的抗剪切能力以及对整只叶片的刚度加强，所以在完成对设计要求的芯材位置摆放，还要考虑到芯材在铺设过程中产生的滑移和错位。假如在铺设过程中产生错位或大尺寸芯材间隙，产生的结果是，在滑移和间隙部位容易产生应力集中，从而导致叶片断裂。
　　2）气泡
　　气泡在玻璃钢复合材料中是经常出现的，当然它的出现会带来很多麻烦。首先在体现在叶片制作过程中，气泡可能因为各种原因在纤维织物内部不能有效的排出，导致固化后的产品质量明显下降，表现最为明显的是梁帽，当其在受力情况下会出现应力集中。
　　气泡不仅体现在影响受力方面，还体现在叶片表面，由于气泡的存在导致叶片表面存在凹坑等，在表面处理过程中增加难度，且影响表面质量。
　　3）结构件位置及粘接
　　叶片透过各结构件的有效连接保证其整体强度，结构件的位置尺寸以及粘接强度是基础。
　　结构件的位置尺寸主要提现在剪腹板、粱帽等之间的相互位置。合理的位置分布确保了力的平稳过渡。结构件之间的有效粘接确保了力的传递，避免应力集中等现象的出现。例如剪腹板和粱帽通过粘接剂，如果粘接剂内部有空洞或粘接表面有光滑面（光滑面减小粘接面），容易引起粘接失效，严重的后果是粘接部位分裂，导致叶片整体失稳，断裂。
　　4）固化（玻璃化转变Tg）
　　叶片的固化状态是保证叶片的强度的必要因素。通过模具等相关设备对叶片整体进行加热至材料所需要的玻璃化转变温度（Tg），并保持一定时间，材料的整体性能得到了充分的发挥，达到最大强度。如果叶片的固化没有达到Tg要求的温度和时间，叶片的整体性能和强度得不到保证，这样的叶片如果安装在风机上，出现的问题会比较严重。2010年，国内个别叶片供应商出现了数十台风机叶片Tg不合格，导致退货，这种损失是大家都不愿意看到的。