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如雷电对电网或风电机组冲击较大,应出现短时间的 系统过电压;如雷电冲击能量较小,可能仅导致叶片损坏而 无法引起系统过电压。由事故前后系统电压变化情况图(图 6)可知,叶片断裂前后系统电压无明显波动。
综合分析可知:(1)排除故障时风速超过设计值导致 叶片断裂的可能;(2)排除风电机组飞车的可能;(3)排除雷击因素导致叶片断裂的可能。
四、叶片解剖测量、取样试验
叶片各截面测量明细见表 3,发现的主要缺陷见表 4。
综合分析如下:
(1)叶根处存在 2 处褶皱:叶根 L2.5m 处轴向褶皱 (L=600mm,W=32mm,H=8mm,高宽比为 0.25);叶根 L1.8m 处轴向褶皱(L=480mm,W=27mm,H=6mm,高宽 比为 0.22)。由于叶根 L2.5m 折断截面并未发现褶皱分层, 且 L2.5m 折断截面呈弦向折断与 2 处轴向褶皱没有直接关 联,判定 2 处褶皱均为质量缺陷。
(2)后缘 L23m 和 L24m 处的断面上均发现有空胶现 象,叶片局部空胶风险较小,可以排除。
(3)抽检了 10 处叶片后缘粘接厚度,存在 4 处超标, 部分胶层存在空胶现象。除后缘 L8m 位置超标严重(超标 275%)外,其余 3 处最大超标为 16.67%。但胶层超厚的缺 陷并未在叶片初始断口位置,因此,后缘胶层缺陷不能作为 本次叶片断裂事故的主要原因,可以排除。
(4)L6m 处 后 缘 辅 梁(UD) 弦 向 褶 皱, 长 度 为 320mm,宽度为 25mm,高度为 5mm,高宽比为 0.20。叶 片在 L6m 处发生折断,现场勘查发现 L6m 折断截面存在褶 皱分层的现象,弦向褶皱对叶片折断的影响因素很大,初步 判定该缺陷是造成叶片折断的主要因素。
判定该缺陷是造成叶片折断的主要因素。
五、辅梁弦向褶皱材料力学性能测试、拉伸测试 因叶根外部自 L6m 至 L15.5m 处后缘开裂,在辅梁褶 皱位置取三个样块:第一块为 L6m 处后缘辅梁断口位置样 块,标记为 A 样块;第二块为 L7.5m 处后缘辅梁弦向 45° 褶皱样块,标记为 B 样块;第三块为正常状态的辅梁,标 记为 C 样块,作为对比样块。
弯曲试验是将一定形状和尺寸的试样放置于弯曲装置 上,以规定直径的弯心将试样弯曲到要求的角度后,卸除 试验力,检查试验承受的变形性能(由于样品 A 尺寸较小 且缺陷过大,导致试验机无法做力学性能测试,因此,本 次力学性能试验用样块 B 和 C 做对比测试)。由弯曲试验 数据(表 5)可知,缺陷样块的弯曲强度仅为正常样块弯 曲强度的 67.97%;而弯曲模量比正常样块大 9.13%。弯曲强度降低,使得辅梁的抗剪切能力严重下降;而弯曲模量 值越大,表示材料在弹性极限内抵抗弯曲变形能力相对越 小,实验数据表明辅梁出现褶皱后,降低了本身的抗变形 能力。
拉伸试验是检测强度和刚度最主要的试验方法之一, 通过拉伸试验可以观察材料的变形行为。由表 6 可知,褶皱 缺陷导致辅梁抗拉强度下降了 9.18%。
结论
结合试验数据分析可知:缺陷样块的弯曲强度仅为正 常样块弯曲强度的 67.97%;褶皱缺陷导致辅梁抗拉强度下 降了 9.18%;而弯曲模量比正常样块大 9.13%;以上数据充 分说明,叶片 L6m 处的后缘辅梁(UD)弦向褶皱是造成叶 片折断失效的主要诱发因素。
综合分析,该事故风电机组叶片的失效过程是由叶片 L6m 处后缘辅梁(UD)弦向褶皱诱发叶片开始断裂,叶片 在离心力的作用下,蒙皮及主梁发生撕扯分层开裂,在叶片 开裂后,叶片稳定性大幅下降,当叶片载荷传递到根部后, 因根部结构强度较大,在叶片 L6m 处应力积聚,导致后缘 L6m 处由内向外撕裂,迎风面和背风面主梁折断,进而导 致叶片瞬间失效。
(作者单位:中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司)
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