基于FBG風(fēng)電槳葉動(dòng)平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

李繼超

摘 ?要：風(fēng)電槳葉是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，風(fēng)電場(chǎng)的事故多發(fā)生在盛風(fēng)發(fā)電期，運(yùn)行環(huán)境十分惡劣，長(zhǎng)時(shí)間受惡劣天氣的影響，隨時(shí)都有可能對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生危害，因此對(duì)風(fēng)電槳葉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)迫在眉睫。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過高速采集處理設(shè)備提供實(shí)時(shí)的風(fēng)電葉輪的動(dòng)平衡力學(xué)數(shù)據(jù)，能夠測(cè)量出偏航、風(fēng)切變、湍流等對(duì)風(fēng)電葉片氣動(dòng)性能的影響程度，為調(diào)整風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)提供技術(shù)參數(shù)支持。

關(guān)鍵詞：FBG;風(fēng)電槳葉;動(dòng)平衡

中圖分類號(hào)：TM315 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2015）06-0001-02

風(fēng)電槳葉健康監(jiān)測(cè)的目的就是要通過先進(jìn)的光纖光柵傳感器（FBG）網(wǎng)絡(luò)獲取槳葉的結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，通過信息融合提取故障特征信息，反映槳葉的運(yùn)行狀態(tài)和損傷發(fā)展程度，優(yōu)化風(fēng)電槳葉的運(yùn)行和使用，積累槳葉損傷識(shí)別經(jīng)驗(yàn)并及時(shí)進(jìn)行停機(jī)處理，提供維護(hù)信息，減少重大安全隱患，對(duì)于風(fēng)能生產(chǎn)部門的安全高效穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)具有極其重要的意義和重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電槳葉安全運(yùn)行的實(shí)際需求，本系統(tǒng)采用分布式光纖光柵傳感技術(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的槳葉結(jié)構(gòu)、覆冰、動(dòng)平衡和振動(dòng)等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合先進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電槳葉故障的早期的快速預(yù)警，確保風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)。

1 ?傳感器的應(yīng)用

由實(shí)際需求可知，工程中需要對(duì)風(fēng)電槳葉復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度、應(yīng)變、雷擊、裂縫、脫落、覆冰和動(dòng)平衡等多參量在線監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的電應(yīng)變片和電子式加速度傳感器難以滿足實(shí)際的分布式測(cè)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(wǎng)絡(luò)滿足風(fēng)電槳葉結(jié)構(gòu)建康監(jiān)測(cè)的需求。

實(shí)現(xiàn)風(fēng)電槳葉的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及受力情況的監(jiān)測(cè)，需要選用陣列式的光纖光柵溫度、應(yīng)變和振動(dòng)傳感器進(jìn)行在線測(cè)量，這涉及幾種不同參量傳感器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電槳葉故障早期的快速預(yù)警，確保風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)。光纖傳感器不但可以在風(fēng)機(jī)生產(chǎn)過程中嵌入葉片結(jié)構(gòu)內(nèi)部，還可以短時(shí)間內(nèi)安裝在已投產(chǎn)的風(fēng)機(jī)上，先進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、存儲(chǔ)、分析和遠(yuǎn)程訪問。

2 ?FBG槳葉動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)

2.1 ?風(fēng)電槳葉受力分析

風(fēng)電槳片為細(xì)而長(zhǎng)的彈性結(jié)構(gòu)，一般采用玻璃鋼復(fù)合材料制造。槳葉越長(zhǎng)，彈性就越大，更容易發(fā)生振動(dòng)，同時(shí)還存在著氣動(dòng)彈性的穩(wěn)定性問題。因此，在對(duì)槳葉的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)必須先分析其受力及動(dòng)力學(xué)情況，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

影響風(fēng)電槳葉載荷的因素包括空氣動(dòng)力、重力和離心力。在這三種力的作用下，槳葉會(huì)產(chǎn)生三種振動(dòng)形式：揮舞、擺動(dòng)和扭轉(zhuǎn)。揮舞是指槳葉在垂直于轉(zhuǎn)動(dòng)平面上的彎曲振動(dòng)，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(dòng)是指槳葉在轉(zhuǎn)動(dòng)平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)。扭轉(zhuǎn)是指槳葉圍繞其轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。這三種力結(jié)合在一起，共同影響旋轉(zhuǎn)槳葉的受力情況。

細(xì)而長(zhǎng)的風(fēng)電槳葉，相對(duì)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(shí)，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(duì)于風(fēng)電槳葉的受力情況分析，首先要考慮槳葉的空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如槳葉長(zhǎng)度、槳葉面積、槳葉弦長(zhǎng)、槳葉平均幾何弦長(zhǎng)、槳葉扭角、槳葉的轉(zhuǎn)軸及槳葉的轉(zhuǎn)矩角，以上這些條件決定了槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中所受到的升力和阻力的大小。

槳葉由于旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生作用力F可以分解到兩個(gè)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?yōu)樯L和阻力FD，槳葉動(dòng)不平衡量的簡(jiǎn)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(zhǎng)度的軸線上。我們假設(shè)，槳葉順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使槳葉抬頭，這時(shí)的力矩為正力矩，其表達(dá)式為：

M=■？籽V2lc·CM

式中：CM為力矩系數(shù)，無量綱。

2.2 ?槳葉的結(jié)構(gòu)損傷與振動(dòng)的關(guān)系

槳葉的載荷即自身重量與環(huán)境加載于槳葉上的所有作用的集合。正常旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，槳葉的形變、裂縫寬度、振幅、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變都應(yīng)該在載荷的耐久性極限狀態(tài)內(nèi)。當(dāng)其超過極限狀態(tài)，即超過其最大承受能力時(shí)，槳葉的旋轉(zhuǎn)將失去平衡，葉輪轉(zhuǎn)軸不平衡會(huì)發(fā)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致槳葉的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞性損傷。

使風(fēng)力發(fā)電機(jī)劇烈振動(dòng)的原因主要有：槳葉變形，受力不均;外力導(dǎo)致風(fēng)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(dòng);遭受雷擊后，槳葉的損壞，這些因素都會(huì)導(dǎo)致槳葉在旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生振動(dòng)。

本系統(tǒng)研究的對(duì)風(fēng)電槳葉結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，是在槳葉的徑向布設(shè)光纖Bragg光柵傳感器，當(dāng)槳葉表面的產(chǎn)生裂縫時(shí)，就會(huì)監(jiān)測(cè)到其振動(dòng)信息，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映槳葉的運(yùn)行現(xiàn)狀，在超限情況下迅速預(yù)警，進(jìn)而避免重大事故的發(fā)生，對(duì)風(fēng)力機(jī)維護(hù)提供技術(shù)參數(shù)支持。

風(fēng)電槳葉動(dòng)平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要的功能是對(duì)風(fēng)電槳葉的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。若槳葉振動(dòng)過大， 則可利用所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線動(dòng)平衡分析，得到槳葉偏重的大小和位置，并將3個(gè)槳葉的受力進(jìn)行分析，最后得到需在每個(gè)槳葉上均衡的配重的建議參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)提供依據(jù)。

2.3 ?風(fēng)電槳葉監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由復(fù)合材料風(fēng)電槳葉、光纖光柵傳感器陣列、光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)儀及運(yùn)行監(jiān)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(shè)傳感器的方法，共布設(shè)10個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器，5個(gè)布設(shè)在槳葉正面脊部，5個(gè)在背面脊部，這5對(duì)傳感器呈鏡像分布，當(dāng)一個(gè)傳感器處于拉伸狀態(tài)時(shí)，鏡像布置的傳感器處于壓縮狀態(tài)。這些應(yīng)變傳感器通過環(huán)氧樹脂固化在復(fù)合材料的表面，完全與槳葉產(chǎn)生協(xié)同變形，真實(shí)反映槳葉的形變和振動(dòng)信息。

光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)儀為小型化的多通道光纖光柵解調(diào)儀，為了滿足槳葉多傳感器陣列的信號(hào)采集，實(shí)驗(yàn)中選用16通道的設(shè)計(jì)方案，每個(gè)通道可接入20個(gè)光纖光柵傳感器，儀器的波長(zhǎng)分辨率為1 pm，完全滿足大型槳葉的分布式監(jiān)測(cè)。解調(diào)儀的采樣頻率為300 Hz，能夠?qū)崿F(xiàn)槳葉振動(dòng)的在線測(cè)量。實(shí)驗(yàn)設(shè)備中選用小型化的解調(diào)儀可以安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輪轂的位置，隨風(fēng)電槳葉同步轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。

以光纖光柵傳感系統(tǒng)為測(cè)試平臺(tái)，通過對(duì)風(fēng)電槳葉模型的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)沖擊阻尼和動(dòng)平衡的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)中研究的光纖光柵風(fēng)電槳葉健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，并在此基礎(chǔ)上研究風(fēng)電槳葉結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的方法，為完善結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)功能打下理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

3 ?風(fēng)電槳葉動(dòng)平衡測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

動(dòng)平衡是風(fēng)電槳葉結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，當(dāng)槳葉覆冰、軸承磨損或槳葉缺損時(shí)會(huì)產(chǎn)生異常的振動(dòng)，通過測(cè)量槳葉的動(dòng)平衡完全可以提取出槳葉的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，即將標(biāo)定好應(yīng)變傳感器的槳葉固定在主軸上，外力旋轉(zhuǎn)槳葉，得到各個(gè)位置處光纖光柵傳感器波長(zhǎng)值與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。依據(jù)前面的動(dòng)平衡理論分析，在系統(tǒng)的動(dòng)平衡測(cè)試主要分析低頻振動(dòng)的幅值和槳葉的振動(dòng)頻率信息。

在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)過程中，開展了如下沖擊實(shí)驗(yàn)，即當(dāng)槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)，人為對(duì)槳葉進(jìn)行沖擊，得到的沖擊曲線如圖4所示。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中可以觀察到，沖擊信號(hào)是疊加在均勻的振動(dòng)信號(hào)之上的，通過信號(hào)的數(shù)值處理完全可以監(jiān)測(cè)到槳葉受外力沖擊的情況，當(dāng)異物撞擊槳葉時(shí)出現(xiàn)異常信息后可通過分析槳葉的應(yīng)變和振動(dòng)信息了解槳葉的損傷情況，如差異非常大可根據(jù)情況停機(jī)檢查。

FFT選取第22 s開始時(shí)的計(jì)算顯示結(jié)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(shí)際監(jiān)測(cè)中，可以通過在頻譜中尋找最大值并設(shè)置閾值的方法，來判斷槳葉是否受到異物的沖擊或結(jié)構(gòu)的損傷，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警的目的。

4 ?結(jié) ?語

本文結(jié)合新型光纖光柵傳感技術(shù)（FBG）的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)提出和建立了基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電槳葉動(dòng)平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并給出了適于風(fēng)電槳葉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)方案，應(yīng)用LabVIEW軟件平臺(tái)光纖光柵數(shù)據(jù)采集處理軟件，利用小型的風(fēng)電槳葉進(jìn)行了系列驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，對(duì)關(guān)鍵的振動(dòng)和動(dòng)平衡監(jiān)測(cè)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了良好的測(cè)試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)完全滿足風(fēng)電槳葉結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 時(shí)軼，崔新維，李春蘭，等.在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2007，（4）.

[2] 陳長(zhǎng)征，楊璐，高有華.大型風(fēng)機(jī)智能監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)研制[J].重型機(jī)械，2002，（6）.

[3] 歐進(jìn)萍，周智，武湛君，等.黑龍江呼蘭河大橋的光纖光柵智能監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].土木工程學(xué)報(bào)，2004，（1）.