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金风科技：航空级“积木式”验证体系提升海上大叶片可靠性
2020年1月，《关于促进非水可再生能源发电健康发展的若干意见》发布，其中明确了海上风电平价上网相关问题。平价时代，如何保障客户投资收益，保证海上风电项目健康可靠运行？在既定的上网电价基础上，确保海上风电机组的可靠性，已成为摆在各界面前的一道“必答题”。
海上风电机组可靠性，需要从材料、部件、系统等多个维度进行验证支持。风电叶片作为机组的重要组成部分，其质量与机组健康休戚相关，尤其在海上风电机组大功率化趋势逐渐明显的今天，要求叶片长度更长、强度更强、重量更轻、可靠性更高。
在这一背景下，新疆金风科技股份有限公司（下称“金风科技”）将航空级“积木式”验证体系的先进经验，引入到风机叶片测试领域，以此来保证全尺寸海上大叶片的可靠性。
风电跨界航空“取经”
事实上，航空级“积木式”验证体系来源于航空界多年关于产品可靠性验证的方法经验积累。
简言之，是在验证过程中采用逐步增大试验件尺寸和复杂程度，逐步增加试验规模进行试验验证的方法体系。通过系统的试验与分析迭代，从材料的单层级到全尺寸结构验证，充分验证产品的安全性和可靠性，有力保障新产品的研制与验证。
↑叶片“积木式”验证体系示意图（来源：IEC61400-5）
为了让大家更容易理解测试过程，小编这里想用大家熟悉的汽车打比方：一辆汽车好不好，要看整体性能。单独来看，观察发动机情况，需要测试低转速、高转速扭矩情况；观察车辆抗撞性，需要对车门、车头进行碰撞测试；想了解减震性，需要模拟缓冲带情况进行振动测试，也就是部件级测试。
这其中，由于汽车大部件由金属材料制成。检测首先从材料测试入手，结合上述部件测试，最后进行整机测试。经过上述测试过程，汽车的安全性能才得以保障。
明白了汽车测试的思路，就很容易理解风机叶片测试过程。简单来说，叶片也要通过材料级、部件级、整机级测试，“环环相扣”进而确保风机叶片更可靠、安全。
全覆盖材料级测试
身处整个“积木式”验证体系的最底层，材料级试验是产品可靠性最重要的“基石”之一。
2016年，金风科技在江苏大丰成立国家地方联合工程实验室，下设“叶片材料实验室”，实验室涉及叶片主材测试能力46项，包括国际标准24项，国家标准22项。
↑金风科技位于江苏大丰的国家地方联合工程实验室
全覆盖材料级测试除验证材料的常规理化性能外，还要验证其在各种载荷谱下的抗疲劳性能，特别是海上大叶片，通过确保所选用的材料和设计匹配，满足其综合性能及寿命要求。
↑材料、结构件疲劳测试
在大叶片碳纤维的检测方面，“叶片材料实验室”具有国内领先的RTM灌注技术精确控制树脂含量，基础级的叶片褶皱、缺胶、芯材倒角等国内独家材料缺陷性研究，具备海上大叶片核心材料碳纤维材料、结构芯材等拉-拉疲劳、拉-压疲劳、压-压疲劳全面的疲劳寿命评估能力，为海上大叶片材料的结构设提供安全及可靠性数据。
针对海上大叶轮前缘损伤问题，金风科技进行了大量基础级测试和研究，先后进行了UVB老化测试、海南自然暴晒基地的自然老化测试，雨蚀与涂层寿命模型研究，经过大量的老化和雨蚀测试后，选出具有高可靠性和海上超强防护能力的前缘防护材料，来确保海上叶片全生命周期方案。
率先引入部件级测试
传统的叶片测试是从材料的单层级直接到全尺寸结构验证，这一跳跃容易使设计验证过程中存在诸多不确定性，为消除上述不确定性，叶片设计往往取较大安全系数，造成叶片设计较保守、可靠性水平不高等问题，且在后期的全尺寸叶片测试过程中存在较高风险。
为解决这一问题，金风科技很早就引入叶片部件级测试，将叶片部件级测试结果用作设计值，指导设计工作。叶片部件级测试主要包括叶片后缘部件稳定性测试、叶片工字梁部件测试、主梁部件测试等。
国内领先的全尺寸叶片实验平台
在上述测试之外，金风科技也具备全尺寸叶片实验的能力。全尺寸叶片实验平台通过对叶片进行模态实验、静力实验、疲劳实验，验证、比对、分析和应用叶片的静态、动力学性能指标，为优化叶片设计提供数据，不断提高叶片运行可靠性。
全尺寸叶片实验平台通过叶片模态测试，可准确测量叶片的频率、振型、阻尼等信息；通过叶片静载测试，可对叶片的极限承载能力进行验证；通过叶片疲劳测试，可模拟全生命周期的载荷进行测试验证；通过叶片扭转测试，可对大型叶片的扭转刚度和剪切中心进行测试验证。
↑全尺寸叶片实验台模拟25年以上寿命要求的疲劳测试，提高运行可靠性