新疆风电装备叶片覆冰及其疲劳损伤建模研究

Wind energy is the sustainable development of green energy to the world.Xinjiang is rich in wind energy resources, its scale of wind power ranks third in the country. Xinjiang is cold in winter, Ice covering the blades of wind power equipment has become the norm, caused by icing on blade fatigue damage notonly affects the life of the blades, increasing wind turbine unbalanced load, And has become an prominent problem, which affecting the operation and maintenance of wind power equipment in Xinjiang. This project takes the 1.5MW wind turbine bladeas the research carrier, By (1) icing conditions and mechanism of rotating windturbine blades;(2) rotating the wind turbine blade icing state modal analysis;(3) Research on fatigue damage modeling of ice covered rotating wind turbine blade;(4) wind turbine blade icing monitor device and verification test. To explore the fatigue damage pattern recognition and the fatigue damage evolution process of icing wind turbine blade, and to reveal the mechanism of the ice coverice; To construct icing condition diagnosis model and fatigue damage cumulative model of rotating wind turbine blade, finally developed monitoring device of wind turbine blade icing and fatigue damage, test and optimization of research results.The results of the project have important scientific research value for the health protection of the blade and the safety operation of the wind turbine in the cold climate of Xinjiang. To reduce the cost of wind farm operation and maintenance,and promote the stable and sustainable development of Xinjiang wind power is of great significance.

风能是世界大力发展的可持续绿色能源。新疆风能资源十分丰富，其风电规模居全国第三。新疆冬季寒冷气候，使风电装备叶片覆冰成为常态，覆冰对叶片造成的疲劳损伤不仅影响叶片寿命，增大风电机组不平衡载荷，而且已成为影响新疆风电装备正常运维的突出问题。本项目以1.5MW风电机组叶片为研究载体，通过（1）旋转风力机叶片覆冰条件及机理研究；（2）旋转风力机叶片覆冰状态模态分析；（3）覆冰旋转风力机叶片疲劳损伤建模研究；（4）风力机叶片覆冰监测装置与试验验证。探索覆冰风力机叶片疲劳损伤模式识别及疲劳损伤演化过程；揭示旋转风力机叶片覆冰机理；构建旋转风力机叶片覆冰状态诊断模型和疲劳损伤累积模型，研发风力机叶片覆冰及其疲劳损伤监测装置，并对研究成果进行试验验证和优化。项目成果对新疆寒冷气候环境下叶片的健康保障及风电机组安全运维具有重要科学研究价值。对降低风场运维成本，推动新疆风电稳定、可持续发展具有重要意义。

风能作为世界上发展最快的可再生能源，具有大规模开发和商业化应用的前景。新疆风电场多位于高海拔高寒地区，风电装备运行环境恶劣，风电装备叶片覆冰影响其安全稳定运行，降低叶片使用寿命，减少发电量，增加运维成本。本项目以1.5MW风电机组叶片为研究载体，首先针对旋转风力机叶片覆冰条件及机理研究开展研究。确定了温度、风速、湿度和水滴直径对风电装备叶片覆冰的影响比重占到70%，之后以温度、风速、湿度和水滴直径为影响因素设计了四因素三水平正交试验。温度在﹣10~0℃时，叶片表面形成的冰面比较光滑，在﹣20~﹣10℃时叶片表面会形成凹凸不平的冰面；无风速时，水滴在叶尖易形成冰锥。有风速时，水滴在风电装备叶片表面形成晶状冰层，且风速越大，覆冰的面积也越大；湿度对风其影响为空气湿度越大，覆冰越明显，冰厚度越厚；水滴直径越大，在叶片表面形成的冰晶颗粒越大，冰面越粗糙。其次对覆冰风力机叶片进行模态分析，采用环境激励（风激励）和多点拾振的方法进行模态测试。以最大振动频率和覆冰厚度为评价指标，分析了四个因素对覆冰风力机叶片振动特性的影响。相同覆冰条件下，覆冰厚度不变，旋转风力机叶片振动频率由叶尖至叶根逐渐减小；覆冰位置不变，覆冰厚度增加，旋转风力机叶片振动频率逐渐降低；旋转风力机叶片运行环境温度和湿度变化对其振动频率的影响较大。最后通过建模的方法研究了覆冰旋转风力机叶片疲劳损，通过对风力机叶片进行覆冰试验，获得了覆冰载荷作用下风力机叶片应力幅和平均应力的累积分布。应用雨流计数法对其进行统计分析，并结合Palmgren-Miner线性损伤累积法则建立了一种预测风力机覆冰叶片疲劳寿命的新方法。本项目的顺利实施，对探寻风电装备叶片覆冰影响因素、覆冰风电装备叶片载荷强度评价以及覆冰叶片风险评估等方面提供了重要的理论参考和实验依据，同时也为风电企业针对覆冰风力机运行提供了相应的管控策略。