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风电机组叶片无损检测技术研究与进展

风电机组叶片在运行时除了承受气动力作用外，还承受重力、离心力等其他力的影响，

再加上雨雪、沙尘、盐雾侵蚀、雷击等破坏，使叶片基体及表面容易受到损伤，这些损

伤如未及时发现与维修会导致风电机组发电效率下降、停机，甚至发生损毁等事故。因

此，风电机组叶片损伤检测对保障风电机组安全高效运行、降低风电机组寿命周期内发

电成本有重大意义。

01风电叶片主要缺陷、损伤类型及损伤原因

风电叶片是复合材料设计制作的特殊结构，其内部结构如图1所示。其损伤主要原因有：

1）疲劳损伤。风力发电机在长期运行中，由于疲劳作用叶片会出现微小裂缝、裂纹

和缺陷等，最终导致叶片的断裂或失效。

2）延迟失效。当叶片被暴露在恶劣环境下，比如高温、低温、潮湿或强风等条件下，

其寿命会显著降低，可能会导致延迟失效。

3）冲击损伤。当叶片受到外部冲击或碰撞时，容易出现破裂、裂纹和断裂等问题。

4）腐蚀损伤。当叶片表面受到化学物质、海水或大气污染等因素的侵蚀时，会出现

腐蚀损伤，导致叶片性能下降或失效。

5）材料老化。随着使用时间的增加，叶片材料的力学性能逐渐下降，这可能会导致

叶片的失效。

图1

图1风电叶片内部结构示意

风电叶片局部损伤

风电叶片的局部损伤通常指在使用过程中，叶片某些区域出现了裂纹、划痕、腐蚀等

问题。这些损伤可能会影响叶片的性能和可靠性，甚至危及风力发电系统的安全。

1叶片表面裂纹

叶片运行进入中期后，叶片表面受疲劳载荷作用容易产生裂纹，尤其是前缘处受拉伸

载荷的影响容易产生横向疲劳裂纹（裂纹沿叶展方向为纵向裂纹，垂直于叶展方向为横

向裂纹）。叶片表面裂纹产生的原因有：

1）涂层本身耐候性（耐紫外、风沙、雨蚀等）不满足设计要求，整体出现龟裂等；

2）涂层底部的复合材料部分存在缺陷，导致叶片运行过程中出现应力集中，裂纹在

涂层面上表现出来，如图2和图3所示。

图2叶片表面横向裂纹

图3叶片表面纵向裂纹

2叶片表面或内部分层

如果叶片生产制造过程中存在一些区域粘接不良，在长期交变载荷的作用下，叶片表

面、前后缘、主梁、腹板等部分可能会发生分层，如图4和图5所示。分层可能会导致

叶片局部或整体发生屈曲，屈曲会降低叶片的强度，从而对叶片结构造成不同程度的危

险。当局部屈曲和分层的联合作用达到一定程度时，叶片会突然断裂。

图4叶片表面分层

图5叶片叶根处分层

3叶片前后缘粘接开裂

风电叶片先分别制造两个半壳，最后合模粘接而成，叶片的前后缘位于粘接区域。该

区域有多种损伤模式，开裂是主要的损伤模式，发生在叶片的叶根区域及叶尖区域，如

图6和图7所示。叶根前后缘的裂纹主要是因为几何变化和疲劳引起的高应力集中，导

致叶根处前后缘产生粘接开裂。叶尖处前后缘的开裂主要是因为壳体厚度减少，叶片刚

度降低，载荷增加，使叶尖处粘接材料的剪应力增加，造成叶尖处前后缘开裂。

图6叶片前缘开裂

图7叶片后缘开裂

4叶片表面侵蚀

叶片表面侵蚀是一个复杂的物理化学过程，其侵蚀程度取决于环境条件，如温度、湿

度、大气中的污染物和风速。雨滴撞击叶片表面时会产生压力波，这些压力波在叶片材

料中传播，引起叶片表面的疲劳、开裂和表面粗糙化，随着凹坑密度的增加，最终形成

凹槽，如图8所示。其他大而坚硬的颗粒，如冰雹和砾石等，在冲击叶片表面时具有很

高的动能，特别是在靠近叶片尖端的速度很快的区域，会加速叶片表面的侵蚀。叶片长

期运行后，侵蚀部位会发生分层和开裂，将会严重降低叶片的结构稳定性。出现侵蚀后

的风电叶片会出现升力下降阻力增加的现象，有研究表明，风电叶片侵蚀会导致风电机

组年发电量下降5%以上，潜在寿命损伤达7%。

图8叶片表面侵蚀

风电叶片宏观损伤

风电叶片宏观损伤通常指在使用过程中，整个叶片出现了大面积的开裂、覆冰或者断

裂等问题。这些损伤会直接影响风电叶片的稳定性、可靠性和安全性。

1雷击

当风电叶片受到雷击后，叶片内部防雷装置不能及时将瞬间雷电电流引入到地下，叶

片在雷电电流的作用下产生瞬时高温造成叶片损伤，导致叶片开裂，如图9所示。

图9风电叶片雷击后开裂

2叶片覆冰

风电机组叶片表面结冰取决于温度、湿度、空气密度