徐勝一 王澤林

摘? 要：現(xiàn)階段，風(fēng)電機(jī)組得到深層次開發(fā)和運(yùn)用，向低成本、高功率方向發(fā)展，機(jī)組風(fēng)輪直徑、掃瓊面積不斷增加，有效加快電力輸送效率，滿足社會的用電需求，但也提高運(yùn)行隱患，極易出現(xiàn)葉片荷載不均勻的現(xiàn)象，影響大型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效果。該文以提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電穩(wěn)定性為研究目標(biāo)，著重闡述光纖傳感器下大型風(fēng)電機(jī)組葉片荷載在線監(jiān)測系統(tǒng)，并簡單論述葉片結(jié)構(gòu)和受力分析，以及常見故障類型等內(nèi)容，希望對相關(guān)研究工作有所參考。

關(guān)鍵詞：大型風(fēng)電機(jī)組；葉片荷載；光纖傳感器；在線監(jiān)測系統(tǒng)；故障類型

中圖分類號：TM315? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0151-04

Abstract： At the present stage， the wind turbine has been deeply developed and applied， to the effect of enjoying low cost and high power development， and the diameter of the unit is increasing， effectively accelerate the efficiency of power transmission， which meets the social demand for electricity， and improves the hazards of operation， prone to lead to the phenomenon of uneven blade loads and affect the power generation effect of large wind turbines. In order to improve the power generation stability of wind turbine， this paper focuses on the online monitoring system of large wind turbine blade load under optical fiber sensor， and briefly discusses the blade structure and force analysis， as well as common fault types， hoping that it can be used as a reference for related research work.

Keywords： large wind turbine; blade load; optical fiber sensor; online monitoring system; fault type

就目前狀況而言，大型風(fēng)電機(jī)組葉片的設(shè)計使用壽命普遍為20年，設(shè)計荷載則根據(jù)地方風(fēng)力情況和各項(xiàng)參數(shù)，再利用工程模型仿真計算。其中統(tǒng)計風(fēng)況過程中，具有采樣數(shù)量多、統(tǒng)計時間短的特征，加之風(fēng)能千變?nèi)f化，難以精準(zhǔn)預(yù)測變化規(guī)律，存在諸多的不確定性，顯著提升了風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計難度，增加葉片故障出現(xiàn)概率。為此應(yīng)重視大型風(fēng)電機(jī)組葉片荷載在線檢測，了解葉片結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，仔細(xì)測量葉片關(guān)鍵位置的應(yīng)變量，以此獲得整個葉片荷載。

1? 大型風(fēng)電機(jī)組葉片結(jié)構(gòu)和受力分析

1.1? 葉片結(jié)構(gòu)

對于大型風(fēng)電機(jī)組來說，葉片主要由復(fù)合材料構(gòu)成，如玻璃纖維與碳纖維混雜復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料，小型風(fēng)電機(jī)組葉片則以E-玻纖增強(qiáng)塑料為主。機(jī)組葉片蒙皮組成部分包含表面氈、雙向復(fù)合材料鋪層、膠衣，保護(hù)葉片氣動外形，并能承擔(dān)一部分剪切荷載與彎曲荷載。對于葉片主梁部分，多運(yùn)用玻纖織物，達(dá)到強(qiáng)化剛度與強(qiáng)度的效果。

大型風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行期間，葉片受力呈現(xiàn)復(fù)雜化特征，只有了解葉片基本結(jié)構(gòu)，才能更好地監(jiān)測葉片荷載，獲得準(zhǔn)確的數(shù)值。葉片持續(xù)化運(yùn)行期間，傳遞多種激振力，且承擔(dān)重力、不均勻風(fēng)流、陣風(fēng)等。葉片具有良好的柔性，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)弦向短、展向長的特征，常常受到外力的作用而振動，機(jī)械振動較為明顯，此外葉片屬于一種細(xì)長彈性體，還具備氣動元件的特征，同時承受氣動力和機(jī)械振動力[1]。

1.2? 受力分析

深入分析葉片受力特征，有助于為葉片荷載監(jiān)測提供準(zhǔn)確參數(shù)。根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，葉片結(jié)構(gòu)主要受慣性力、氣動力和重力。

氣動力：葉片氣動力可分解成切向方向與沿葉片方向2個力，如圖1所示。表達(dá)式為F=ρCrSν2、FD=■ρCd（αA）Sν2、FL=■ρCl（αA）Sν2，式中：ρ為空氣密度、Cr為氣動系數(shù)、S為翼展面積、ν為來流密度、Cd為阻力系數(shù)、Cl為升力系數(shù)、F為翼型上的力、FD和FL為分量。經(jīng)以上分析可知，葉片翼型上的氣動力包含變距力矩、升力和阻力3個部分，荷載分成非周期性和周期性荷載。當(dāng)葉片被周期性氣動力干擾時，將在多個位置出現(xiàn)振動。

重力：大型風(fēng)電機(jī)組葉片運(yùn)行期間，在地球重力場的作用下形成重力荷載，葉片將產(chǎn)生正弦曲線變化荷載。

離心力：大型風(fēng)電機(jī)組處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，將形成慣性荷載，此時葉片結(jié)構(gòu)中葉素剖面產(chǎn)生微元力。表達(dá)式為dF=rmdrdw/dt，式中：m為葉片單位長度的質(zhì)量、dr為葉素剖面大小、r為旋轉(zhuǎn)軸到截面的半徑。葉片葉素離心力表達(dá)式為Fc=ω2rmdr。為有效減少葉片旋轉(zhuǎn)方向的彎矩，可適當(dāng)將風(fēng)輪葉片向后仰，形成錐角，葉片離心力被分成2個分力。

在離心力、氣動力和重力共同作用下，大型風(fēng)電機(jī)組葉片穩(wěn)定運(yùn)行時，產(chǎn)生多種類型的振動，分成揮舞方向振動、扭轉(zhuǎn)振動等。當(dāng)與氣動力相互作用，產(chǎn)生氣動彈性問題，若氣動力與振動力完全抵消，則葉片穩(wěn)定運(yùn)行，反之劇烈振動。通過實(shí)踐分析可知，葉片振動階段，能量多匯集于一階低頻位置，也就是扭轉(zhuǎn)與揮舞振動，還可能出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，導(dǎo)致葉片氣動彈性動態(tài)不穩(wěn)定。

圖1? 葉片氣動力受力分析

2? 風(fēng)機(jī)葉片常見故障

2.1? 葉片折斷

大型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)立和運(yùn)行，主要為了捕捉更多風(fēng)能，生產(chǎn)大量的電能，滿足社會發(fā)展需求，其中葉片作為重要組成部分，具備較高的承載能力。但若遇到極端天氣，如強(qiáng)陣風(fēng)、臺風(fēng)等，風(fēng)速較高，超過葉片的最大承載能力，將造成葉片折斷，產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.2? 雷擊損傷

大型風(fēng)電機(jī)組葉片主要由復(fù)合材料組成，不具備傳導(dǎo)雷電流的功能，若受到雷暴損害，葉片難免受到損傷。一般情況下，雷擊損傷分成2種類型，一種為機(jī)械性損傷，葉片結(jié)構(gòu)或表層出現(xiàn)物理性損傷，具體表現(xiàn)為：受到雷擊后，葉片蒙皮裂開。另一種為電氣性損傷，葉片既有防雷裝置中避雷帶或接閃器出現(xiàn)高溫膨脹、導(dǎo)線熔等情況。此外，還可根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)損傷程度，分成功能性、可修復(fù)性損傷。其中功能性損傷具有不可修復(fù)的特征，葉片結(jié)構(gòu)功能受到影響，可修復(fù)性損傷指葉片結(jié)構(gòu)發(fā)生輕度故障，技術(shù)人員能利用現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行修復(fù)，使其恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.3? 葉片表面損傷

若大型風(fēng)電機(jī)組安裝于海上，常常在天氣和海面因素的共同作用下，空氣中氯化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成大范圍鹽霧，當(dāng)與葉片金屬結(jié)構(gòu)接觸，葉片表面被腐蝕，使得表面嚴(yán)重?fù)p傷。若安裝于陸地，雨水、沙塵、冰雹等天氣也會導(dǎo)致葉片損傷。經(jīng)過長時間發(fā)展，葉片翼型形狀發(fā)生改變，降低風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量，風(fēng)能利用率降低[2]。另外，葉片表面裂開也屬于常見損傷類型。由于葉片外層被樹脂膠完全包裹，在長時間風(fēng)吹、日曬、雨淋作用下，樹脂逐漸趨于老化狀態(tài)，部分位置開裂或脫落，加劇葉片表面的損傷程度，降低主梁的強(qiáng)度和剛度，易造成重大的運(yùn)行事故。

3? 光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn)

現(xiàn)階段，光纖傳感技術(shù)廣泛運(yùn)用于醫(yī)藥衛(wèi)生、建筑、航天航空、能源環(huán)保和建筑等領(lǐng)域，技術(shù)類型呈現(xiàn)多樣化特征，如振動、彎曲、溫度和壓力等。光纖工頻帶寬、損耗低，還能適應(yīng)于特殊環(huán)境，屬于一種性能良好的敏感元件。加之光纖空間占用面積小、易彎曲、不帶電，且具有良好的抗輻射和抗干擾性能，符合大型風(fēng)電機(jī)組葉片監(jiān)測要求。其中光纖傳感器又分成傳光型、傳感型2種。傳光型光纖傳感器能高效率輸入被測對象的光信號，之后在輸出端實(shí)行系統(tǒng)化處理和測量，傳感型光纖傳感器在傳遞光的同時，還可當(dāng)做光電敏感元件。通過實(shí)踐調(diào)查和查閱相關(guān)資料可知，光纖傳感器的可嵌入性較強(qiáng)，能與計算機(jī)系統(tǒng)相連接，便于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測和管控；可移植性強(qiáng)，依據(jù)具體需求和用途，制作成多種類型的物理量傳感器，如位移、電流、磁場和輻射傳感器等；動態(tài)響應(yīng)范圍大；韌性和柔性良好，監(jiān)測期間傳感器能制作成多種形狀；抵御電磁干擾且靈敏度高，光信號傳輸階段，不會受到電磁波、電噪聲的干擾，使其廣泛運(yùn)用于電力系統(tǒng)監(jiān)測工作[3]。

光纖傳感器組成部分包含光調(diào)制器、解調(diào)制器、入射光纖、光源和出射光纖等，基本運(yùn)行原理為：輸送光源入射光纖至調(diào)制器，在外界被測參數(shù)與調(diào)制器作用下，光源的光學(xué)性能被改變，如相位、強(qiáng)度、偏正態(tài)和波長等，使其轉(zhuǎn)變成信號光，再通過出射光纖傳輸至解調(diào)制器、探測器內(nèi)，從而獲取精準(zhǔn)的被測參數(shù)。大型風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，周邊環(huán)境呈現(xiàn)復(fù)雜化特征，電阻應(yīng)變傳感器線路分布繁瑣且復(fù)雜，長期受到電磁的影響，需不定期更換相關(guān)零部件，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化監(jiān)測葉片荷載。其中光纖傳感器的引入和運(yùn)用，有助于實(shí)現(xiàn)葉片荷載在線檢測，獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，監(jiān)測結(jié)果更加完整，創(chuàng)造更大的運(yùn)行效益。近年來，光纖傳感器向智能化、靈敏化、精準(zhǔn)性方向發(fā)展，在電氣性能、化學(xué)性能等方面具有明顯的優(yōu)勢。

4? 光纖傳感器下大型風(fēng)電機(jī)組葉片荷載在線監(jiān)測系統(tǒng)

4.1? 光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)功能

監(jiān)測大型風(fēng)電機(jī)組葉片荷載時，光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)由光纖解調(diào)儀、光纖連接線、支撐架和無線發(fā)射器等構(gòu)件組成，其中光纖解調(diào)儀安裝于風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂內(nèi)部變槳柜位置，光纖傳感器安裝于葉片根部法蘭位置。當(dāng)從模塊層面分析，光纖傳感葉片荷載監(jiān)測系統(tǒng)分成數(shù)據(jù)采集、存儲和分析模塊，不同模塊功能各不相同。在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行期間，需根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)特征，科學(xué)化布置光纖傳感器，便于數(shù)據(jù)采集。一旦葉片結(jié)構(gòu)發(fā)生振動即可第一時間采集數(shù)據(jù)，再利用無線發(fā)射技術(shù)，傳輸數(shù)據(jù)到無線接收模塊，以此實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲。監(jiān)測系統(tǒng)中接收器包含信號處理模塊，充分發(fā)揮此模塊高效化的數(shù)據(jù)計算能力，有利于精準(zhǔn)處理和傳送數(shù)據(jù)處理結(jié)果。處于數(shù)據(jù)讀取階段，采用按時間段讀取的方式，系統(tǒng)自動化生成數(shù)據(jù)趨勢圖，也是葉片荷載在線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。若監(jiān)測階段出現(xiàn)故障，系統(tǒng)內(nèi)上位機(jī)能自動發(fā)出警示，提醒技術(shù)人員及時查看，防止葉片故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2? 在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2? 監(jiān)測原理

監(jiān)測大型發(fā)電機(jī)組葉片荷載時，與電阻應(yīng)變片相比較，光纖傳感器適應(yīng)力更良好，可應(yīng)對各種惡劣環(huán)境，具體運(yùn)用優(yōu)勢如下。其一，復(fù)用能力強(qiáng)。葉片監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量多，且監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變動態(tài)范圍廣泛。若測量數(shù)量為50個，則應(yīng)選擇50個通道的應(yīng)變儀，連接1 000根電纜，電纜分布復(fù)雜。運(yùn)用光纖傳感器，在波分復(fù)用技術(shù)的作用下，即可通過2、3個光纜，實(shí)現(xiàn)同時監(jiān)測50個測點(diǎn)，監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，復(fù)用能力良好。其二，抵御電磁干擾。光纖傳感器將光作為傳感信號載體，降低電磁帶來的影響。同時，由于雷擊事件較為常見，光纖不導(dǎo)電的特征，促使在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠。另外，光纖傳感器運(yùn)行時，可動態(tài)化檢測透射波長光譜，實(shí)現(xiàn)溫度與應(yīng)變絕對測量，中心反射波長公式為λg=2ncff A，式中：A為光柵周期、ncff 為有效折射率，此種方法操作原理簡便、可靠性強(qiáng)。

4.3? 粘貼傳感器

粘貼傳感器過程中，需在一根光纖上刻制傳感器，但不應(yīng)超過20個，其中傳感器刻制數(shù)量需參考葉片長度與監(jiān)測需求，常見粘貼方案如下。光纜方式，利用光纜保護(hù)光纖，將環(huán)氧樹脂膠均勻粘貼至葉片表層；表埋方式，光纖直徑與葉片結(jié)構(gòu)纖維直徑相差不多，在復(fù)合材料表層埋入光纖，構(gòu)建智能化的葉片結(jié)構(gòu)。采用表埋方式粘貼傳感器時，占用長時間的葉片生產(chǎn)周期，還需采取恰當(dāng)?shù)姆椒ūＷo(hù)光纖接頭位置。表貼方式，將光纖傳感器粘貼于葉片內(nèi)腔位置，降低對復(fù)合材料使用性能的影響[5]。

4.4? 布置系統(tǒng)硬件

風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行期間，布置光纖在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件包括解調(diào)儀、數(shù)據(jù)存儲傳輸單元、主梁傳感器和葉根傳感器。安裝解調(diào)儀過程中，需仔細(xì)檢查安裝的牢固性，防止葉片運(yùn)行時與其他零部件發(fā)生碰撞摩擦，同時為保障解調(diào)儀正常運(yùn)行，可利用輪轂戶滑環(huán)提供電能。解調(diào)儀輸出應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，再存儲至數(shù)據(jù)貯存單元過程中，主要采取制定無線局域網(wǎng)的方法，將無線傳輸模塊與接收模塊按照要求有序安裝于數(shù)據(jù)存儲單元、解調(diào)儀位置，構(gòu)建完整的點(diǎn)對點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，但會受到移動基站信號質(zhì)量的影響。也可采用滑環(huán)高效化傳輸數(shù)據(jù)的方式，利用風(fēng)電機(jī)組控制信號與反饋信號，將數(shù)據(jù)反饋至在線監(jiān)控系統(tǒng)。

4.5? 管控并分析軟件

管理人員操作光纖在線監(jiān)測系統(tǒng)時，不僅能夠獲得報警閾值、系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)和傳感器運(yùn)行參數(shù)等，還能查詢歷史數(shù)據(jù)，以及現(xiàn)階段風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行狀態(tài)，針對性展開功能調(diào)整，提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量。同時，在線監(jiān)測系統(tǒng)具備實(shí)時監(jiān)測多個風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能的能力，而監(jiān)測單個風(fēng)機(jī)系統(tǒng)時，能同時分析3個葉片的波長信號，利用相關(guān)計算公式，顯示荷載信號。若風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行階段形成安全隱患，在線監(jiān)測系統(tǒng)感受到異常信號，以明顯顏色或警告框的方式，通知技術(shù)人員檢測風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行故障，采取最佳的解決方法。調(diào)查和分析歷史數(shù)據(jù)，有助于技術(shù)人員系統(tǒng)化分析風(fēng)機(jī)葉片故障，科學(xué)化預(yù)測使用壽命，針對性提出維護(hù)保養(yǎng)措施。實(shí)際操作過程中，以報表形式展現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，便于技術(shù)人員繪制內(nèi)容完善的數(shù)據(jù)報表。

4.6? 葉片荷載測量值的確定

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行階段，葉片會受到重力、慣性力、風(fēng)載的作用，加之復(fù)雜化的外部環(huán)境，造成風(fēng)力分布不均勻。一般情況下，葉片各個位置風(fēng)壓分布特征不同，主要通過分析葉根截面判斷風(fēng)能大小，影響著葉片荷載監(jiān)測結(jié)果。鑒于這一情況，應(yīng)科學(xué)化確定葉根位置的測量點(diǎn)，以此獲得高準(zhǔn)確度的葉片荷載測量值，其中葉根外表為圓柱形，分布擺陣彎矩、揮舞彎矩、自由力等。

4.7? 標(biāo)定

計算葉片根部荷載時，常常運(yùn)用相關(guān)計算公式計算，但在多種因素的影響下，產(chǎn)生較大的測量誤差，影響因素包括：葉片根部內(nèi)壁不是完整的圓形、葉片抗彎剛度的理論值與實(shí)踐值存在偏差；葉片根部位置材料不均勻；傳感器粘貼后與法蘭面非完全垂直；傳感器粘貼位置存有誤差，與預(yù)期設(shè)計點(diǎn)不相符；粘貼效果不良，牢固性較差。為降低以上因素帶來的影響，發(fā)揮葉片荷載在線監(jiān)測系統(tǒng)的利用價值，應(yīng)重視傳感器標(biāo)定工作，結(jié)合實(shí)際情況并根據(jù)現(xiàn)有資料，采取最佳的標(biāo)定方法。

傳感器標(biāo)定過程中，可利用標(biāo)定矩陣，分析光纖傳感器對荷載的敏感程度，并起到修正交叉效應(yīng)的作用。對于大型風(fēng)電機(jī)組來說葉片尺寸大，可參考葉片自身重量，標(biāo)定外部荷載，表達(dá)式為M■M■=A1A2A3A4S■S■，式中：M■為揮舞彎矩、S■為擺陣方向應(yīng)變傳感器的絕對平均值、M■為擺陣彎矩、S■為揮舞方向應(yīng)變傳感器的絕對平均值，A1為標(biāo)定系數(shù)。

5? 結(jié)束語

總而言之，在時代快速發(fā)展背景下，風(fēng)電機(jī)組已成為借助風(fēng)能發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，通過葉片持續(xù)化運(yùn)轉(zhuǎn)，有助于提高風(fēng)能利用率，轉(zhuǎn)換成大量的電能，滿足各行業(yè)用電需求。但大型風(fēng)電機(jī)組葉片運(yùn)行期間，由于周邊環(huán)境較為惡劣，加之葉片面積大，受力結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)復(fù)雜化特征，極易出現(xiàn)各種各樣故障。為此應(yīng)根據(jù)葉片基本結(jié)構(gòu)，在了解光線傳感技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，合理安裝光纖傳感器，構(gòu)建葉片荷載在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時收集、存儲和分析數(shù)據(jù)，以便于及時發(fā)現(xiàn)葉片故障，避免產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)損失。

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