基于FBG風電槳葉動平衡監測系統的研究

李繼超

摘 ?要：風電槳葉是風力發電系統中的關鍵部件，風電場的事故多發生在盛風發電期，運行環境十分惡劣，長時間受惡劣天氣的影響，隨時都有可能對風機產生危害，因此對風電槳葉的結構進行健康監測迫在眉睫。本監測系統通過高速采集處理設備提供實時的風電葉輪的動平衡力學數據，能夠測量出偏航、風切變、湍流等對風電葉片氣動性能的影響程度，為調整風機運行狀態提供技術參數支持。

關鍵詞：FBG;風電槳葉;動平衡

中圖分類號：TM315 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）06-0001-02

風電槳葉健康監測的目的就是要通過先進的光纖光柵傳感器（FBG）網絡獲取槳葉的結構狀態信息，通過信息融合提取故障特征信息，反映槳葉的運行狀態和損傷發展程度，優化風電槳葉的運行和使用，積累槳葉損傷識別經驗并及時進行停機處理，提供維護信息，減少重大安全隱患，對于風能生產部門的安全高效穩定運營具有極其重要的意義和重大的經濟價值。

針對風力發電槳葉安全運行的實際需求，本系統采用分布式光纖光柵傳感技術對風力發電系統的槳葉結構、覆冰、動平衡和振動等關鍵參數進行實時監測，結合先進的無線網絡數據傳輸設備對監控數據進行遠程監測，實現風電槳葉故障的早期的快速預警，確保風力發電設施的安全運營。

1 ?傳感器的應用

由實際需求可知，工程中需要對風電槳葉復合材料結構進行溫度、應變、雷擊、裂縫、脫落、覆冰和動平衡等多參量在線監測，傳統的電應變片和電子式加速度傳感器難以滿足實際的分布式測量要求，急需具有抗電磁干擾、防雷擊損傷和耐久性好的分布式傳感網絡滿足風電槳葉結構建康監測的需求。

實現風電槳葉的結構狀態及受力情況的監測，需要選用陣列式的光纖光柵溫度、應變和振動傳感器進行在線測量，這涉及幾種不同參量傳感器的應用，實現風電槳葉故障早期的快速預警，確保風力發電設施的安全運營。光纖傳感器不但可以在風機生產過程中嵌入葉片結構內部，還可以短時間內安裝在已投產的風機上，先進的無線網絡數據傳輸設備實現監控數據的實時傳輸、存儲、分析和遠程訪問。

2 ?FBG槳葉動態測試系統

2.1 ?風電槳葉受力分析

風電槳片為細而長的彈性結構，一般采用玻璃鋼復合材料制造。槳葉越長，彈性就越大，更容易發生振動，同時還存在著氣動彈性的穩定性問題。因此，在對槳葉的振動進行監測時必須先分析其受力及動力學情況，并進行實驗驗證。

影響風電槳葉載荷的因素包括空氣動力、重力和離心力。在這三種力的作用下，槳葉會產生三種振動形式：揮舞、擺動和扭轉。揮舞是指槳葉在垂直于轉動平面上的彎曲振動，揮舞剛度越小，固有頻率較、越低，擺振剛度越大，固有頻率越高。擺動是指槳葉在轉動平面內的彎曲振動。扭轉是指槳葉圍繞其轉動軸轉動時的扭轉振動。這三種力結合在一起，共同影響旋轉槳葉的受力情況。

細而長的風電槳葉，相對于槳葉徑向的速度分量，槳葉的橫向即寬度方向的速度分量通常很小，因此在分析槳葉的受力時，通常假定槳葉在徑向位置處的受力是二維的，即Z軸方向的速度分量為零。槳葉的受力分析如圖1所示。

對于風電槳葉的受力情況分析，首先要考慮槳葉的空氣動力學參數，如槳葉長度、槳葉面積、槳葉弦長、槳葉平均幾何弦長、槳葉扭角、槳葉的轉軸及槳葉的轉矩角，以上這些條件決定了槳葉在旋轉過程中所受到的升力和阻力的大小。

槳葉由于旋轉而產生作用力F可以分解到兩個方向，即垂直于來流速度ν方向的力和平行于來流速度ν方向的力，分別稱它們為升力FL和阻力FD，槳葉動不平衡量的簡化示意圖，如圖2所示。

為了完整地描述槳葉的受力情況，還需要知道某一微元的力矩M。這一微元一般位于距離槳葉根部1/4槳葉長度的軸線上。我們假設，槳葉順時針旋轉，使槳葉抬頭，這時的力矩為正力矩，其表達式為：

M=■？籽V2lc·CM

式中：CM為力矩系數，無量綱。

2.2 ?槳葉的結構損傷與振動的關系

槳葉的載荷即自身重量與環境加載于槳葉上的所有作用的集合。正常旋轉狀態下，槳葉的形變、裂縫寬度、振幅、加速度、應力、應變都應該在載荷的耐久性極限狀態內。當其超過極限狀態，即超過其最大承受能力時，槳葉的旋轉將失去平衡，葉輪轉軸不平衡會發生振動，從而導致槳葉的結構產生疲勞性損傷。

使風力發電機劇烈振動的原因主要有：槳葉變形，受力不均;外力導致風電槳葉的裂縫;槳葉表面覆冰，造成不平衡;槳葉根部固定螺釘松動;遭受雷擊后，槳葉的損壞，這些因素都會導致槳葉在旋轉時發生振動。

本系統研究的對風電槳葉結構的健康監測，是在槳葉的徑向布設光纖Bragg光柵傳感器，當槳葉表面的產生裂縫時，就會監測到其振動信息，通過監測數據反映槳葉的運行現狀，在超限情況下迅速預警，進而避免重大事故的發生，對風力機維護提供技術參數支持。

風電槳葉動平衡監測系統主要的功能是對風電槳葉的振動進行監測。若槳葉振動過大， 則可利用所測得的數據進行在線動平衡分析，得到槳葉偏重的大小和位置，并將3個槳葉的受力進行分析，最后得到需在每個槳葉上均衡的配重的建議參數，對系統的維護提供依據。

2.3 ?風電槳葉監測實驗系統組成

本實驗系統由復合材料風電槳葉、光纖光柵傳感器陣列、光纖光柵波長解調儀及運行監控軟件的筆記本電腦等幾部分組成，具體組成如圖3所示。

擬采用在槳葉的上下表面和根部布設傳感器的方法，共布設10個光纖光柵應變傳感器，5個布設在槳葉正面脊部，5個在背面脊部，這5對傳感器呈鏡像分布，當一個傳感器處于拉伸狀態時，鏡像布置的傳感器處于壓縮狀態。這些應變傳感器通過環氧樹脂固化在復合材料的表面，完全與槳葉產生協同變形，真實反映槳葉的形變和振動信息。

光纖光柵波長解調儀為小型化的多通道光纖光柵解調儀，為了滿足槳葉多傳感器陣列的信號采集，實驗中選用16通道的設計方案，每個通道可接入20個光纖光柵傳感器，儀器的波長分辨率為1 pm，完全滿足大型槳葉的分布式監測。解調儀的采樣頻率為300 Hz，能夠實現槳葉振動的在線測量。實驗設備中選用小型化的解調儀可以安裝在風力發電機的輪轂的位置，隨風電槳葉同步轉動實現在線測量。

以光纖光柵傳感系統為測試平臺，通過對風電槳葉模型的靜態、動態沖擊阻尼和動平衡的實驗測試，驗證本實驗中研究的光纖光柵風電槳葉健康監測系統的功能，并在此基礎上研究風電槳葉結構損傷識別的方法，為完善結構健康監測功能打下理論和實驗基礎。

3 ?風電槳葉動平衡測試及數據分析

動平衡是風電槳葉結構監測的重要內容，當槳葉覆冰、軸承磨損或槳葉缺損時會產生異常的振動，通過測量槳葉的動平衡完全可以提取出槳葉的實時狀態信息，即將標定好應變傳感器的槳葉固定在主軸上，外力旋轉槳葉，得到各個位置處光纖光柵傳感器波長值與時間的對應關系。依據前面的動平衡理論分析，在系統的動平衡測試主要分析低頻振動的幅值和槳葉的振動頻率信息。

在動態實驗過程中，開展了如下沖擊實驗，即當槳葉旋轉時，人為對槳葉進行沖擊，得到的沖擊曲線如圖4所示。在這個實驗過程中可以觀察到，沖擊信號是疊加在均勻的振動信號之上的，通過信號的數值處理完全可以監測到槳葉受外力沖擊的情況，當異物撞擊槳葉時出現異常信息后可通過分析槳葉的應變和振動信息了解槳葉的損傷情況，如差異非常大可根據情況停機檢查。

FFT選取第22 s開始時的計算顯示結果，如圖5所示。此圖中顯示較高頻率集中在6 Hz和13 Hz處。在實際監測中，可以通過在頻譜中尋找最大值并設置閾值的方法，來判斷槳葉是否受到異物的沖擊或結構的損傷，達到實時監測預警的目的。

4 ?結 ?語

本文結合新型光纖光柵傳感技術（FBG）的獨特優點提出和建立了基于光纖光柵傳感網絡的風電槳葉動平衡監測系統，并給出了適于風電槳葉監測系統組網方案，應用LabVIEW軟件平臺光纖光柵數據采集處理軟件，利用小型的風電槳葉進行了系列驗證實驗，對關鍵的振動和動平衡監測進行了實驗驗證，取得了良好的測試結果，實驗證明，該系統完全滿足風電槳葉結構健康監測的實際需求。

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