摘 要：風(fēng)電槳葉是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，運行環(huán)境十分惡劣，長時間受極端天氣的影響，隱患隨時都有可能演變成事故，因此對風(fēng)電槳葉進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測勢在必行。本論文根據(jù)風(fēng)電槳葉監(jiān)測的需求構(gòu)建了模擬監(jiān)測實驗系統(tǒng)，進行了槳葉靜態(tài)受力和動平衡實驗測試，通過多通道高速光纖光柵解調(diào)儀和LabVIEW監(jiān)控軟件采集了大量原始測試數(shù)據(jù)，并對實驗數(shù)據(jù)進行了細(xì)致的分析，在此基礎(chǔ)上建立了槳葉健康監(jiān)測的數(shù)值分析方法，為槳葉超限狀態(tài)的判別和快速預(yù)警功能的實現(xiàn)打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電槳葉 光纖光柵傳感器 健康監(jiān)測 動平衡

中圖分類號：V212 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-00-02

在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，由于人們對發(fā)電設(shè)備的效率和負(fù)荷要求越來越高，安全監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮的作用越來越大。一旦風(fēng)力發(fā)電機組因傳動裝置和發(fā)動機失靈，以及轉(zhuǎn)動槳葉損壞出現(xiàn)停轉(zhuǎn)，都會造成巨大的經(jīng)濟損失。風(fēng)電槳葉是風(fēng)力發(fā)電機組關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響到整個系統(tǒng)的性能。風(fēng)電槳葉體積巨大，結(jié)構(gòu)主要為復(fù)合材料，又安裝在比較偏遠(yuǎn)的地點，風(fēng)力發(fā)電場會受到各種類型天氣的干擾和破壞。風(fēng)電槳葉又工作在高空，運行環(huán)境十分惡劣，空氣中各種介質(zhì)幾乎每時每刻都在侵蝕著槳葉，春夏秋冬、酷暑嚴(yán)寒、雷電、冰雹、雨雪、沙塵隨時都有可能對槳葉產(chǎn)生危害，若出現(xiàn)斷裂和脫落就會造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，因此開展此類監(jiān)控技術(shù)的研究極為重要。

1 傳感原理

1.1 光纖光柵振動傳感器

由于單個光纖Bragg光柵傳感器只能測量某一個點的溫度和應(yīng)變情況，對于細(xì)而長的風(fēng)電槳葉來講，用一個傳感器不能夠完全表征槳葉的振動狀況，因此，我們引入準(zhǔn)分布式光纖光柵振動應(yīng)變測量方法。即在槳葉的軸向上布設(shè)一串光纖Bragg光柵傳感器，等距離布設(shè)各個光柵，用以測量槳葉受外力作用時的振動情況。測量原理如圖1所示，圖中實線表示槳葉不受力的自由狀態(tài)，虛線表示槳葉受到振動后揮舞形變狀態(tài)，這樣就可以通過固化在槳葉上的應(yīng)變傳感器測量出槳葉的振動幅度、相位及頻率的變化

信息。

1.2 光纖光柵波長解調(diào)技術(shù)

對風(fēng)電槳葉的結(jié)構(gòu)健康進行監(jiān)測，需要實時多點采集槳葉的應(yīng)變、溫度和振動信息。一般地，根據(jù)槳葉的實際長度需要布設(shè)多個光纖Bragg光柵傳感器，少則十幾個多則幾十個，而且分布較廣，因此，必須采用多通道集成的方法，將數(shù)量較多的待測傳感器串聯(lián)起來，用一臺解調(diào)裝置對多波長傳感器進行同步解調(diào)。

本論文采用課題組自主設(shè)計的16通道的小型化掃描激光解調(diào)儀器實現(xiàn)多點應(yīng)變、溫度測量。系統(tǒng)中采用掃描激光作為光源，激光輸出功率比普通的寬帶光源強，具有很高的信噪比，不受因光纖傳感網(wǎng)絡(luò)測點多而引起光強下降的影響。當(dāng)波長掃描的可調(diào)諧激光輸出到光纖光柵傳感器陣列時，由不同中心波長的光纖光柵傳感器反射回的信號傳輸?shù)焦怆娞綔y器陣列上實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，由嵌入式微處理器進行光電信號采集處理，經(jīng)過運算最后將測量的波長值顯示在液晶顯示屏上。

解調(diào)系統(tǒng)中采用了高靈敏度的光電探測器探測傳感器的中心波長信號，用大規(guī)模可編程器件與高速ADC芯片測量光電信號，用高速并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器件預(yù)處理測量信號，由DSP計算出的波長值由嵌入式芯片控制鍵盤和液晶顯示接口進行顯示和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。波長解調(diào)系統(tǒng)的原理圖如1-2所示。系統(tǒng)具有16個獨立通道，激光波長掃描范圍可達80 nm，每個獨立通道可接入40個光纖光柵溫度傳感器，各通道完全獨立同步采集，無時間延遲，掃描頻率300Hz，總計可同時監(jiān)測640個光纖光柵傳感器，通過擴展通道還可以增加傳感器的容量，非常有利于風(fēng)電槳葉結(jié)構(gòu)狀態(tài)的分布式監(jiān)測。

2 光纖光柵槳葉測試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

風(fēng)電槳葉光纖光柵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由固化好光纖光柵傳感器的智能槳葉、信號傳輸光纜、光纖光柵波長解調(diào)儀和數(shù)據(jù)采集分析軟件組成。

本實驗以小型化的風(fēng)力發(fā)電槳葉為實驗測試平臺，將光纖光柵傳感器對稱粘貼在復(fù)合材料制作的小型風(fēng)電槳葉的上下表面，構(gòu)成分布式應(yīng)變測試傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過信號傳輸光纖傳輸至波長解調(diào)儀，實現(xiàn)槳葉的靜態(tài)和動態(tài)受力情況的測量。實際應(yīng)用中，解調(diào)系統(tǒng)被安裝在風(fēng)力發(fā)電機的輪轂機艙中，它的主要功能是將傳感器網(wǎng)絡(luò)感測到槳葉的應(yīng)變和振動信號進行波長解調(diào)，并通過網(wǎng)絡(luò)進行遠(yuǎn)程傳輸。

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要由無線接收設(shè)備和監(jiān)測中心計算機組成，無線接收設(shè)備將接收到的波長信息傳輸給監(jiān)測中心計算機，計算機對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時分析，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)反映槳葉的運行現(xiàn)狀，在超限情況下迅速預(yù)警，進而避免重大事故的發(fā)生，還可對風(fēng)電槳葉的維護提供必要的技術(shù)支持。

2.2 LabVIEW槳葉數(shù)據(jù)采集軟件

監(jiān)控軟件為基于LabVIEW平臺的數(shù)據(jù)采集和處理軟件，實現(xiàn)傳感器波長與應(yīng)變和振動物理量的對應(yīng)轉(zhuǎn)換和時頻分析等功能。監(jiān)控軟件的功能包括解調(diào)儀和PC機之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)預(yù)處理、波長轉(zhuǎn)換、實時數(shù)據(jù)刷新、FFT變換、光纖光柵波形顯示等具體功能。

3 槳葉動態(tài)測試及數(shù)據(jù)分析

風(fēng)電槳葉是風(fēng)電設(shè)備中的大型旋轉(zhuǎn)部件，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)時，槳葉的動態(tài)數(shù)據(jù)較靜態(tài)時復(fù)雜，但正常的旋轉(zhuǎn)和槳葉損傷情況下的動態(tài)信息有明顯的區(qū)別。實驗中通過將槳葉掛裝在軸承上模擬動態(tài)運轉(zhuǎn)，實時測試槳葉的動態(tài)數(shù)據(jù)，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，得到各個位置處光纖光柵傳感器波長值與時間的對應(yīng)關(guān)系，以槳葉的根部為起點。

在槳葉動態(tài)旋轉(zhuǎn)的過程中，槳葉會發(fā)生振動，傳感器能夠?qū)崟r提取出振動信號，通過快速傅立葉變換可以識別振動的信息。當(dāng)槳葉出現(xiàn)裂縫和脫落等異常情況時，會直接反映在槳葉的振動頻率上，由此可以實現(xiàn)槳葉的異常狀態(tài)監(jiān)測。

在動態(tài)實驗過程中，開展了如下沖擊實驗，即當(dāng)槳葉旋轉(zhuǎn)時，人為對槳葉進行沖擊，得到的沖擊曲線如圖3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(shù)值處理完全可以監(jiān)測到槳葉受外力沖擊的情況，當(dāng)異物撞擊槳葉時出現(xiàn)異常信息后可通過分析槳葉的應(yīng)變和振動信息了解槳葉的損傷情況，如差異非常大可根據(jù)情況停機檢查。

圖4為FFT選取第22 s開始時的計算顯示結(jié)果，此圖中顯示較高頻率集中在6Hz和13Hz處。在實際監(jiān)測中，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，達到實時監(jiān)測預(yù)警的目的。

4 結(jié)語

該文給出了適于風(fēng)電槳葉監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)方案，分析了數(shù)據(jù)采集軟件功能需求，應(yīng)用LabVIEW軟件平臺編寫了光纖光柵數(shù)據(jù)采集處理軟件，并利用小型的風(fēng)電槳葉進行了系列驗證實驗，對關(guān)鍵的振動和動平衡監(jiān)測進行了實驗驗證，取得了良好的測試結(jié)果，實驗證明該系統(tǒng)完全滿足風(fēng)電槳葉結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實際需求。通過動平衡測試驗證了槳葉在缺損和掛冰等異常情況的頻率響應(yīng)特性，通過時頻分析可快速判別槳葉的損傷狀態(tài)。

參考文獻

[1]張新房，徐大平，呂躍剛，等.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及若干問題[J].現(xiàn)代電力，2003，20（5）：29-34.

[2]王承熙，張源.風(fēng)力發(fā)電[M].北京：中國電力出版社，2002.

[3]時軼，崔新維，李春蘭，等.在線監(jiān)測系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機上的應(yīng)用[J].風(fēng)機技術(shù)，2007（4）：74-76.