FBG在葉片疲勞測試中的應(yīng)用

張登剛 李成良 唐金錢 宋昊

摘 ? 要：開展了全尺寸風(fēng)電葉片揮舞方向疲勞測試，采用光纖布拉格光柵（FBG）應(yīng)變傳感器測量應(yīng)變數(shù)據(jù)，載荷標(biāo)定采用吊車豎直上拉分級加載，疲勞測試使用偏心電機共振法激勵葉片振動，對該全尺寸風(fēng)電葉片在目標(biāo)疲勞測試載荷下的設(shè)計壽命進(jìn)行了測試。驗證了該型號葉片在目標(biāo)疲勞載荷下滿足設(shè)計要求，驗證了光纖光柵技術(shù)在葉片疲勞測試中檢測應(yīng)變的可行性。向葉片設(shè)計者和生產(chǎn)者提供了重要而詳細(xì)的試驗數(shù)據(jù)，向葉片設(shè)計和生產(chǎn)工藝提供了試驗數(shù)據(jù)支持，有助于提高風(fēng)電葉片的設(shè)計、研發(fā)和制造水平。

關(guān)鍵詞：光纖布拉格光柵 ?葉片 ?載荷標(biāo)定 ?疲勞測試 ?應(yīng)變

中圖分類號：TP212 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（b）-0131-03

Abstract：The full-size wind turbine blade flapwise fatigue test was carried out. The fiber Bragg grating （FBG） strain sensor was used to measure the strain data. The load calibration was carried out by the vertical pull-up loading of the crane. The fatigue test used the eccentric motor resonance method to excite the blade vibration. The design life of the wind turbine blades under the target fatigue test load was tested. It is verified that the blade meets the design requirements under the target fatigue load， and the feasibility of the FBG technology to detect the strain in the blade fatigue test is verified. Provides important and detailed test data to blade designers and producers， test data support for blade design and production processes， helps improve the design， development and manufacturing level of wind turbine blades.

Key Words：Fiber Bragg grating; Blade; Load calibration; Fatigue test; Strain

現(xiàn)今社會，化石能源儲量已明顯降低，開采和使用成本持續(xù)上升，同時化石能源不利于環(huán)境保護(hù)，對化石能源的依賴度已不如以往強烈，人們對風(fēng)能、太陽能等可再生能源的開發(fā)利用已日趨重視[1]。風(fēng)能，是自然界中非常充沛的一種可再生能源，其商業(yè)價值極大。葉片是風(fēng)電機組將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的收集器。其是否具有可靠的性能是葉片產(chǎn)業(yè)必須重視的關(guān)鍵因素。風(fēng)電葉片核心技術(shù)包括氣動翼型設(shè)計、載荷計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計校核、材料擇優(yōu)、生產(chǎn)制造、試驗等綜合集成技術(shù)[2]。風(fēng)電葉片設(shè)計壽命一般為20年，為驗證葉片能否正常服役20年，需要對葉片的各項性能進(jìn)行檢測，其中疲勞性能驗證是極其關(guān)鍵的驗證內(nèi)容。在疲勞測試驗證中，為了反饋葉片的彎矩分布，需在葉片長度方向布置應(yīng)變傳感器，通過采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換為彎矩數(shù)值，和目標(biāo)彎矩進(jìn)行對比，確認(rèn)彎矩是否達(dá)到目標(biāo)彎矩。通常使用電阻應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變測量，但其環(huán)境敏感度較高，易受溫度、電磁波等干擾。本文在全尺寸風(fēng)電葉片的疲勞測試中使用光纖布拉格光柵FBG（Fiber Bragg Grating）應(yīng)變傳感器測量葉片應(yīng)變。

1 ?葉片疲勞測試

在葉片測試中對葉片的性能評估主要包括固有頻率、極限載荷承載能力、疲勞壽命等。疲勞測試的目的是為了驗證葉片的設(shè)計假設(shè)，更準(zhǔn)確的說，疲勞測試時為了驗證葉片是否具有設(shè)計中規(guī)定的承載能力和使用壽命。疲勞測試是風(fēng)電行業(yè)特別關(guān)注的一項測試內(nèi)容。

本文主要針對某型號風(fēng)電發(fā)電機組的全尺寸大型風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行了光柵布拉格光柵測量疲勞應(yīng)變的研究。測試方法是在規(guī)定的葉片安裝角度下通過偏心電機施加等效疲勞載荷，采集葉片的應(yīng)變數(shù)據(jù)。試驗時，首先使用吊車對葉片進(jìn)行載荷標(biāo)定，在指定位置逐步施加豎直方向上的力，獲得應(yīng)變數(shù)據(jù)與彎矩之間的對應(yīng)關(guān)系。起重機加載具有操作簡單、操作快捷、成本低廉等優(yōu)點。應(yīng)變測量采用FBG進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集。

2 ?測試原理

寬帶光進(jìn)入FBG中傳輸時，會產(chǎn)生模式耦合，滿足FBG條件的入射光將發(fā)生反射，反射光譜峰值的中心波長滿足式（1）[3]：

3 ?測試方案

3.1 測試準(zhǔn)備和載荷標(biāo)定

將被測葉片固定在試驗臺上，在迎風(fēng)面（P面）和背風(fēng)面（S面）距葉片根部A、B、C、D、E、F、G、H共8個截面上的主梁中心粘貼FBG應(yīng)變傳感器，在預(yù)先設(shè)定好的位置安裝偏心電機激振設(shè)備，在指定位置分步施加豎直向上的力，如圖2所示。

開始載荷標(biāo)定，使用吊車施加豎直向上的力F，獲得應(yīng)變和載荷數(shù)據(jù)，其中P面受壓，應(yīng)變?yōu)樨?fù)，S面受壓，應(yīng)變?yōu)檎?/p>

3.2 數(shù)據(jù)分析

啟動偏心電機激振器，調(diào)試電機轉(zhuǎn)速，使得電機輸出頻率與葉片頻率接近，達(dá)到共振狀態(tài)，記錄每個FBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變數(shù)據(jù)，達(dá)到目標(biāo)應(yīng)變后保持電機頻率不變，持續(xù)振動，直至完成測試。

疲勞試驗過程中，典型應(yīng)變時間曲線如圖4所示，其中橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為傳感器所測應(yīng)變。

在整個疲勞測試過程中，每個FBG應(yīng)變傳感器會實時記錄每次循環(huán)振動的峰峰值應(yīng)變數(shù)據(jù)，如圖4至圖11所示。

4 ?結(jié)語

疲勞試驗過程FBG應(yīng)變傳感器的峰峰值變化保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯劇烈波動，因此可判斷葉片在整個疲勞測試進(jìn)行過程中未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷或破壞，試驗結(jié)束后檢查葉片，也未發(fā)現(xiàn)損傷，說明葉片承受住了疲勞測試載荷的考驗，滿足設(shè)計要求。

同時，驗證了FBG應(yīng)變傳感器在葉片疲勞測試中的使用效果。它具有測試數(shù)據(jù)精度高、傳感器體積小、抗電磁干擾、耐久性好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。從圖4～圖11的數(shù)據(jù)曲線可看出FBG采集數(shù)據(jù)的非常穩(wěn)定，由于激振設(shè)備為變頻電機，測試環(huán)境中存在較強的電磁波，長時間的連續(xù)采集數(shù)據(jù)未受到外界環(huán)境的干擾，穩(wěn)定性得到了驗證。完成整個測試，布設(shè)的FBG傳感器未出現(xiàn)損壞，其疲勞耐久性也得以驗證。

本試驗對全尺寸風(fēng)電葉片進(jìn)行了疲勞測試和應(yīng)變測量，驗證了該葉片在目標(biāo)疲勞載荷下的疲勞壽，同時使用FBG傳感器有效采集了關(guān)注點的應(yīng)變數(shù)據(jù)。向葉片設(shè)計者和生產(chǎn)者提供了重要而詳細(xì)的試驗數(shù)據(jù)，向葉片設(shè)計和生產(chǎn)工藝提供了試驗數(shù)據(jù)支持，有助于提高風(fēng)電葉片的設(shè)計、研發(fā)和制造水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 王超.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及其發(fā)展方向[J].電站系統(tǒng)工程，2006，22（2）：11-13.

[2] 羅慧敏.我國大型風(fēng)力發(fā)電葉片產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀分析[J].玻璃鋼，2008（4）：1-5.

[3] 蘇晨輝.表面粘貼式光纖光柵傳感器的應(yīng)變傳遞機理分析與實驗研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2018，4（31）：514-517.