葉片零度角激光校準

王玉忠

摘要：本文介紹了利用脈沖激光檢測葉片零度角的原理和方法;并現(xiàn)場實測多臺風(fēng)機，進行角度計算，根據(jù)計算結(jié)果對偏差角度大的風(fēng)機進行糾正;仿真分析了偏差角度帶來的危害和造成的發(fā)電量損失;收集現(xiàn)場校準前后的振動和功率曲線數(shù)據(jù)，對比理論仿真值，驗證了激光角度偏差測定的準確有效。

關(guān)鍵詞：葉片零度角;激光校準;激光測振

概述

葉片是風(fēng)機吸收能量的裝置，隨著風(fēng)電機組容量的不斷增加，葉片越做越長，掃風(fēng)面積、重量和轉(zhuǎn)動慣量也隨之增加。以某2MW112風(fēng)機為例，其葉片長度達到56m，單支葉片重量達到10噸，掃風(fēng)面積10000m2，轉(zhuǎn)動慣量147000kgm。因此為了保證運行穩(wěn)定，葉片需要更高的安裝精度。風(fēng)機葉片在生產(chǎn)制造過程中由于場地限制，只能夠做靜平衡配平。風(fēng)機在安裝后需要做角度校準，校準手段為通過目測標尺或簡單的工裝進行校準，而葉片標尺則是風(fēng)機葉片在出廠前根據(jù)葉根基準簡單標定，這就會造成風(fēng)機運行時氣動不平衡。將引起風(fēng)輪的振動增大，風(fēng)機晃動明顯。

根據(jù)風(fēng)機認證規(guī)范Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010中第4章（4.3.4.1）載荷計算的要求，葉片角度偏差不超過±0.3°。該要求為載荷計算的輸入條件，產(chǎn)生額外的極端載荷和周期性疲勞載荷。如果角度偏差過大，將造成實際載荷超過設(shè)計載荷，也會減少疲勞壽命，甚至引發(fā)共振帶來災(zāi)難性載荷。通過近期對風(fēng)機事故的調(diào)研和對一些出現(xiàn)振動大的風(fēng)機故障分析發(fā)現(xiàn)，葉片零度角不準確是引起葉片角度偏差的重要原因。因此如何準確測定在運行風(fēng)機的葉片零度角顯得十分重要。

1葉片角度測量方法對比

目前葉片角度測量的方法有以下四種：

一、高速相機圖片對比：這是較早的葉片校準方法，通過高速攝像對比三個葉片通過時的狀態(tài)，缺點是糾正精度較低，無法避免風(fēng)機振動的影響。

二、數(shù)據(jù)分析：通過分析運行數(shù)據(jù)中的風(fēng)速和功率數(shù)據(jù)、振動數(shù)據(jù)或葉根載荷數(shù)據(jù)，能夠出初步估算出葉片是否偏差、偏差方向和大致的角度，但誤差較大。

三、輪轂內(nèi)目測校準：目測校準主要依據(jù)葉片本身的零度標尺，方法與安裝時校準方法一致，缺點是無法避免視覺誤差、表面污染、葉片標尺偏差等。

四、地面激光校準：該方法為目前最先進的方法，使用遠距離高頻高速脈沖激進行葉片運行掃描，準確記錄葉片表面狀態(tài)，測量時設(shè)備位于地面，無須操作風(fēng)機，測量時間短，誤差精度低于±0.1°，能夠控制在標準要求的角度偏差內(nèi)，其他方法則很難保到這個精度。

2激光測量的實現(xiàn)

采用高頻脈沖激光設(shè)備對準葉片截面，通過葉片運轉(zhuǎn)掃掠固定照射的激光脈沖，實現(xiàn)對葉片表面外形的掃描記錄，如圖1。記錄一定時間的掃描數(shù)據(jù)，如圖2，可解析出塔頂振動，葉輪轉(zhuǎn)速，和葉片角度偏差。由葉片葉尖線速度V=ΩπD/60，最高可達80m/s，假設(shè)掃掠葉片截面弦長為1m，則葉片通過塔筒時間為0.0125s。如果需要得到葉片表面形狀，需要足夠的點數(shù)，因此需要激光的脈沖達到很高的頻率，如果是100kHz，則會測到1250個點，能夠滿足測試要求。由于風(fēng)機高度較高，保證測量精度，則激光的角度不能太大，因此至少需要測量距離在300米以上。

將每隔兩個周期的距離突變數(shù)據(jù)疊加在同一圖譜里可得到每只葉片在一段運行周期內(nèi)的表面形狀散點圖。通過對去除噪音的塔筒數(shù)據(jù)進行分段線性擬合得到塔筒振動圖譜。利用最小二乘法擬合葉片表面形狀，

對比3個葉片可計算出角度偏差。同時利用時間參數(shù)很容易計算出風(fēng)機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，通過葉片設(shè)計特性推斷當前轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的截面零度角，如圖3。

3現(xiàn)場抽樣測試

在河北某風(fēng)電場針對三一1.5MW風(fēng)機進行抽樣測量，之后對山東某兩個風(fēng)場的東汽1.5MW風(fēng)機、華銳1.5MW和華創(chuàng)1.5MW風(fēng)機進行抽樣測量。共計測量79臺，其中偏差角度嚴格符合±0.3°的僅有14臺，合格率17.7%，單支葉片最大偏差-5.78°和4.38°，兩葉片之間偏差值最大達到8.87°。全部風(fēng)機槳葉相互偏差平均值也達到2°。后通過載荷計算可知槳葉角度偏差達到5°時載荷增大近20%，部分關(guān)鍵載荷在特定風(fēng)況下增加一倍，如果偏差達到8°，風(fēng)機的安全和壽命則受到嚴重考驗。

選擇有代表性的9臺風(fēng)機進行葉片角度校正，校正過程中結(jié)合激光測量儀進行測量，保證現(xiàn)在條件允許下達到標準要求±0.3°。全部校正結(jié)果：

4葉片零度偏差影響理論仿真

葉片零度偏差對風(fēng)機影響很大，既帶來振動、載荷增大又影響發(fā)電量。通過仿真和實際運行數(shù)據(jù)分析可以準確計算對風(fēng)機的危害.

4.1振動過大

包括機艙沿風(fēng)向振動，機艙橫向振動，機艙扭轉(zhuǎn)方向振動等。振動會造成明顯的齒輪箱前后竄動，機艙左右強烈搖晃，偏航制動位置竄動，嚴重的會在偏航處發(fā)出強烈的噪音，損壞機艙內(nèi)部件。

通過仿真對比正常運行的風(fēng)機和單支葉片角度偏差的風(fēng)機，可以看出塔頂機艙振動加速度幅值明顯加大。如圖4，正常風(fēng)機運行時，塔頂機艙前后振動方向振動加速度Nacelle x-acceleration和機艙橫向振動加速度Nacelle y-acceleration振動幅值不超過0.3m/s2;將單支葉片設(shè)置角度偏差5°，塔頂機艙前后振動方向振動加速度Nacelle x-acceleration和機艙橫向振動加速度Nacelle y-acceleration振動幅值均明顯增大，而機艙縱向振動更劇烈。

4.2載荷過大

7m/s湍流風(fēng)下，通過單支葉片偏差5°的風(fēng)機和偏差±0.3°的風(fēng)機輪轂中心、偏航中心傾覆力矩、基礎(chǔ)載荷對比，可以看出單只葉片偏差角度加大將導(dǎo)致塔頂明顯的1P低頻振動，交變載荷大幅增加。

輪轂中心載荷增加一倍，這個位置的載荷影響傳動鏈和機艙底架等主要部件，對齒輪箱、軸承的壽命影響嚴重。偏航中心載荷增加14%，對偏航系統(tǒng)，塔筒帶來不利影響，增加偏航制動和驅(qū)動負擔(dān)，降低部件疲勞壽命。基礎(chǔ)載荷增加8%，降低基礎(chǔ)安全系數(shù)，過大載荷將引起地面裂縫和基礎(chǔ)不均勻沉降，如圖5、6。

4.3影響發(fā)電量

葉片角度偏差影響葉片的功率吸收，從而影響發(fā)電量。如圖7為7m/s湍流風(fēng)下單支葉片5°偏差的風(fēng)機和±0.3°偏差的風(fēng)機的實時動態(tài)功率變化圖，前者功率平均降低9%。

5葉片零度偏差影響實測結(jié)果

通過激光測定的塔筒距離數(shù)據(jù)變化可以計算出塔頂?shù)恼駝訄D譜。以實測河北4號風(fēng)機為例，從測量結(jié)果（圖8）上可以看出4號風(fēng)機葉片角度相互偏差6.7度，風(fēng)機塔頂周期振動明顯振幅較大（時域圖呈鋸齒狀，后期進行傅里葉變換，得到頻域圖對比轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)為1P振動）。當時轉(zhuǎn)速始終低于12轉(zhuǎn)，說明風(fēng)速不大。重新按照激光測定偏差值校準到零度后，測量周期振動消除，校準前后時間臨近、轉(zhuǎn)速差別不大、說明風(fēng)速沒有發(fā)生明顯變化，而周期振動消除（圖9）。

河北12號風(fēng)機實測偏差近9度，校準后振動幅值大幅減小（圖10、11）。

山東1風(fēng)場A9風(fēng)機偏差6，84度，校準后的風(fēng)機運行一段時間，收集山東1風(fēng)場A9風(fēng)機SCADA運行數(shù)據(jù)，通過校準前后的數(shù)據(jù)繪制功率曲線，對比發(fā)電量提升。

對比校準前后的年發(fā)電量提升情況，A9校準后在4類風(fēng)場發(fā)電量提升5.12%，年收益增加10萬元。

結(jié)論

葉片零度角偏差過大對風(fēng)機振動方面，帶來周期性劇烈振動，對風(fēng)機安全、疲勞壽命、高強螺栓松動都帶來影響;在載荷方面，一些關(guān)鍵部位主載荷設(shè)置增加一倍，加速軸承、齒輪箱等部件的損壞，甚至對偏航系統(tǒng)和基礎(chǔ)帶來破壞性影響;在發(fā)電能力方面，直接影響低于額定風(fēng)速范圍的發(fā)電效率，特別對限電地區(qū)的盈利能力帶來很大影響;如果葉片偏在負角度上，在低風(fēng)速時則會出現(xiàn)失速現(xiàn)象，葉片顫振，功率降低;額定風(fēng)速附近葉片由負角度向0度收槳，反而增加能量吸收，容易加速葉輪，使風(fēng)機超速停機，這種現(xiàn)象在多數(shù)異常停機現(xiàn)象中比較常見，也比較危險。校準葉片角度到設(shè)計標準要求的范圍，能夠使風(fēng)機運行在設(shè)計要求的環(huán)境和合理的載荷水平下，同時能夠提高風(fēng)機可利用率，減少部件損壞，更重要的是能夠提高風(fēng)機發(fā)電效率，帶來可觀的年收益。