一种基于风力环境变化的叶片预防性增强方法

技术领域

本发明涉及风电场运行领域，具体而言，涉及一种基于风力环境变化的叶片预防性增强方法。

背景技术

近年来，风场环境不断变化，参考标准在不断更新，设计技术也在不断进步，对叶片设计有了更高的要求。风场运行中的叶片属于早期产品，近期发现存在风场的实际风力等级要高于叶片原先设计时的设计值，经调查，风场每年实际疯狂都会有所不同，个别年份确实超出风能测量评估值，对叶片的正常运行造成威胁。

发明内容

本发明的目的包括提供一种基于风力环境变化的叶片预防性增强方法，针对年风速变化大的风场增强叶片以确保叶片运行安全性，本方法仅增强PS侧内部，对气动效率没有影响，不会对风轮平衡产生不利影响，本方法属于预防性增强，增强材料固化后叶片即可投入正常使用。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种基于风力环境变化的叶片预防性增强方法，针对实际极端风力大于原设计风力时于叶片PS侧后缘进行局部补布做预防性增强。

进一步地，叶片PS侧后缘需增强的局部区域选定，包括，

获得叶片的设计参数，设计参数包括年平均风速；

选取新的极端年平均风速，对叶片载荷进行仿真计算，得到载荷幅度增加较大以可能超过安全余量的区域；

根据载荷增加较大的区域，对叶片进行有限元分析，包括纤维方向强度校核和纤维间强度校核，获得纤维方向应变云图和纤维间应变云图，结合安全余量分析得到叶片PS侧后缘需增强的局部区域。

进一步地，局部补布包括，

首先，对选定的局部区域进行表面处理，打磨亮面，后将多余粘接剂打磨去除，确认修复区域无明显凸起；

接着，使用粘接剂挂平后缘；

然后，进行铺布处理；

最后，进行加热固化。

进一步地，铺布处理中，设有多层纤维布依次叠加铺设，其中最里层和最外层采用玻纤双轴向布，其它层的采用玻纤单向布，铺设的纤维布方向与原铺层纤维方向一致；

最里层纤维布以后缘芯材边缘为中心、对称铺放；

于PS壳体内侧轴向，最里层纤维布铺设于选定的局部区域，其它层纤维布按照每层向前缘错层一定距离进行铺设。

进一步地，加热固化步骤中，可使用加热毯或真空加热带辅助加热；

真空加热带采用在铺层区域边缘贴上密封胶条、用真空袋密封、留出进风口和出风口、进风口在铺层起点、出风口在铺层重点的制作方式，在进风口布置电吹风和电热枪，设备的出风口用木头或金属等其它材料垫高使之离开叶片表面30mm以上，在出风口安排温度计，从风机内电源插座连通电源，开启电吹风和电热枪，适当调整进风口，检查温度计温度，在温度为50℃-70℃下加热2小时，确认硬化后持续加热1h。

进一步地，补布中增强材料固化后叶片即可投入使用，后期维护时刻进行检查确定增强是否出现异常。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：针对年风速变化大的风场增强叶片以确保叶片运行安全性，本方法仅增强PS侧内部，对气动效率没有影响，不会对风轮平衡产生不利影响，本方法属于预防性增强，增强材料固化后叶片即可投入正常使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供PS侧后缘补布局部增强的结构示意图；

图2为本发明实施例提供PS壳体内侧多层铺布的示意表。

图标：100-后缘UD，200-后缘平板，300-粘接剂，400-UD增强，500-芯材。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

风电叶片的设计直接影响风能的转换效率，直接影响年发电量，需要保证其可靠的质量和优越的性能。近年来，风场环境不断变化，参考标准在不断更新，设计技术也在不断进步，尤其是最新颁布GL2015版标准，对各叶片各类运行工况变化考虑更为全面，对于叶片设计有了更高的要求。

发明人发现，某型号叶片设计投入使用一段时间后，近期有风场业主反应，叶片所处风场的实际风力等级要高于设计值，对叶片的安全性造成威胁。经实地调查，发现风场每年实际风况都会有所不同，个别年份确实超出风能测量评估值。其中，年平均风速是划分风区等级以及载荷计算的主要依据。

以下以一种具体型号的叶片进行具体描述，以使得整体描述较为明朗：

根据某年开发的2MW级DF108叶片，按照IEC-S风场设计，年平均风速6.5m/s,V1＝34m/s,V50＝42.5m/s,I

年平均风速是划分风区等级以及载荷计算的主要依据。基于该情况，为评估叶片的安全性，需要对载荷重新进行仿真计算。计算时以年平均风速7m/s为极端情况，I

根据载荷增加的情况，对叶片进行有限元分析，包括纤维方向强度校核和纤维间强度校核。

其中，于纤维方向强度校核中，最大应变4100um/m，出现在My-max工况PS叶根和最大弦长之间的区域，根据My-max工况纤维方向应变云图发现，上述应变远小于纤维方向许用应变强度(原始设计中，拉伸应变约8800um/m，压缩应变约6000um/m)，因此，满足强度要求。

于纤维间强度校核中，最大应变出现在Mx-min工况PS后缘9m前后，横向拉伸应变最大达到2440um/m微应变，出现在PS最大弦长后缘附近区域，而横向拉伸应变设计许用值为2370um/m。摆振方向除了PS最大弦长附近外，其他地方设计安全余量大，即使载荷增大，其安全性任然足够。

根据以上校核情况，发现PS侧后缘8m附近纤维间强度不足，在长期运行中，可能存在安全风险，为了拟补该处纤维强度不足，可以对PS侧后缘进行局部增强。

根据Mx-min工况纤维间应变云图，依据横向拉伸应变设计许用值(本方案中举例的2MW级DF108叶片其横向拉伸应变设计许用值为2370um/m)，结合一定的安全余量设计，分析得出应变偏大的区域。

经过详细分析，确定后缘7-13m位置都属于应变偏大的区域，修补时需要沿后缘单项带区域进行集中增强。

确定后缘7-13m位置属于应变偏大区域，在PS侧后缘6.5m-13.5m芯材截止位置统一进行补布，做预防性增强，请参照图1，图1展示了修补后叶片PS侧后缘结构包括后缘UD、后缘平板、粘接剂处理形成的粘接结构、UD增强部分以及原有芯材，之间的关系。具体的修补增强方案如下：

首先，补布区域表面处理，将需要补布增强的区域打磨亮面，将多余粘接剂打磨去除，确认修复区域无明显凸起。

接着，使用粘接剂挂平后缘。

然后，铺布处理。请参照图2，在PS壳体内侧，轴向6.5m-13.5m范围内，手糊(或机糊)补布6层，纤维布要铺放平整、无褶皱、无纤维弯曲，将纤维末端抹平，其中第一层与第六层选取玻纤双轴向布AX-800、300mm宽，第二层至第5层均采用玻纤单向布UD-1200、200mm宽，第一层布以后缘芯材边缘为中心、对称铺放，后续的5层布均采用“每层向前缘错层20mm”。于PS壳体内侧轴向位置，第一层铺放于7-13m，第二层铺放于6.9-13.1m，第三层铺放于6.8-13.2m，第四层铺放于6.7-13.3m，第五层铺放于6.6-13.4m，第六层铺放于6.5-13.5m。

最后，进行固化操作，使用加热毯或真空加热带辅助加热。其中加热带采用在铺层区域边缘贴上密封胶条、用真空袋密封、留出进风口和出风口、进风口在铺层起点、出风口在铺层重点的制作方式。在进风口布置电吹风和电热枪，设备的出风口用木头或金属等其它材料垫高使之离开叶片表面30mm以上，在出风口安排温度计。从风机内电源插座连通电源，开启电吹风和电热枪，适当调整进风口，检查温度计温度，在温度为50℃-70℃下加热2小时，确认硬化后持续加热1h。

其中在加热过程中，需注意，必须至少有1人全程跟踪和监视，确保加热设备的出风口没有直接对着叶片表面或紧贴着薄膜吹，避免局部过热导致烧坏。

其中需要确保，所使用的纤维布方向要与原铺层纤维方向一致。

通过上述的修补增强方案对PS侧后缘补布局部增强处理后，采用有限元模型再次进行Mx-min工况分析，得到后缘增强后的Mx-min工况纤维间应变云图。增强后，PS后缘纤维间最大应变降至2110um/m，低于设计许用应变2370um/m，在安全范围内。

采用上述的修补增强方案对现有运行中的叶片进行修补处理，以降低运行风险，尤其针对年风速变化大、四季温差大的风场，增强后更能确保叶片运行安全性。

对上述的方案，除了上述的适应新标准和更高风场风力时安全性保障，还具有以下的特点：

1、该增强方案仅增强PS侧内部，不需要在外部增强，也不会改变叶片的外形，因此对气动效率没有任何影响；

2、单只叶面增强总计重量为15kg，考虑极限情况(仅对1只叶片增强，另外2只不增强)，增加的重量约为叶片重量的0.12％，低于重量互差0.5％的要求，增加的力矩约0.05％，低于力矩互差0.1％的要求，不会对风轮平衡产生影响；若是三支叶片均在同一位置增重，更不会对平衡造成不利影响；

3、叶片重量增大仅约0.1％，对整机部件的强度基本没有不利影响；

4、该方案为预防性增强，叶片本身结构是正常的，因此增强材料固化后，叶片即可投入正常使用(无需限制功率运行)，并且叶片安全性更有保证，在后期维护时可以进行一次检查，确认增强是否出现异常。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。