基金項(xiàng)目：湖南省重大科技攻關(guān)“揭榜掛帥”制項(xiàng)目（2023ZJ1040）

第一作者簡(jiǎn)介：蔡明（1989-），男，碩士，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師。研究方向?yàn)閺?fù)合材料。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.004

摘" 要：為研究風(fēng)電葉片在服役過(guò)程中的變形特性，采用分布式光纖傳感技術(shù)，對(duì)葉片在靜力試驗(yàn)中的應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，分布式光纖光柵（FBG）傳感器能夠有效測(cè)量風(fēng)電葉片在靜力試驗(yàn)中的各關(guān)鍵部位的應(yīng)變信息，能承受大載荷下的高應(yīng)變，測(cè)量結(jié)果與電阻應(yīng)變片測(cè)量值基本吻合，驗(yàn)證光纖傳感技術(shù)在風(fēng)電葉片監(jiān)測(cè)上的可靠性和有效性，為以后風(fēng)電葉片的掛機(jī)在線監(jiān)測(cè)提供可行方案。

關(guān)鍵詞：分布式光纖光柵傳感器；風(fēng)電葉片；應(yīng)變監(jiān)測(cè)；靜力試驗(yàn)；光纖傳感技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB332" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）16-0016-04

Abstract： In order to study the deformation characteristics of wind power blades in service， the distributed optical fiber sensing technology is used to monitor the strain field of wind power blades in static test. The test results show that the distributed FBG sensor can effectively measure the strain information of the key parts of the wind turbine blade in the static load test， and can withstand the high strain under heavy load. The measured results are basically consistent with the measured values of the resistance strain gauge， which verifies the reliability and effectiveness of the optical fiber sensing technology in the wind turbine blade monitoring， and provides a feasible scheme for the on-line monitoring of the wind turbine blade in the future.

Keywords： distributed optical fiber sensor; wind power blade; strain monitoring; static test; optical fiber sensing technology

隨著全球?qū)G色能源需求的不斷提高，風(fēng)電市場(chǎng)逐漸壯大，風(fēng)電葉片作為風(fēng)力發(fā)電的核心部件，在惡劣的環(huán)境中易發(fā)生失效和破壞的問(wèn)題日益突出，風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)具有越來(lái)越重要的地位[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于風(fēng)電機(jī)組的健康監(jiān)控技術(shù)研究較多，而針對(duì)風(fēng)電葉片的研究和應(yīng)用相對(duì)較少，國(guó)內(nèi)尚未有關(guān)于風(fēng)電掛機(jī)葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的實(shí)例報(bào)道。此外，目前市場(chǎng)上對(duì)葉片出廠前進(jìn)行的疲勞和靜載試驗(yàn)大部分采用應(yīng)變片進(jìn)行檢測(cè)，由于應(yīng)變片受環(huán)境影響較大、接線多及電纜自身較重等給葉片的監(jiān)測(cè)帶來(lái)諸多不便。

光纖傳感技術(shù)具有抗電磁干擾、本質(zhì)防爆、絕緣性能好和安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[3-6]。由于光纖體積小，埋入材料中對(duì)其性能影響很小，將光纖光柵貼在結(jié)構(gòu)表面或者植入其中與結(jié)構(gòu)形成整體，通過(guò)傳感器響應(yīng)可以得到結(jié)構(gòu)完整信息從而評(píng)估工程結(jié)構(gòu)的安全性和完整性[7-9]，在大型低速旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、分布式光纖動(dòng)靜件傳感、分布式光纖均勻預(yù)應(yīng)力鋪設(shè)以及光纖應(yīng)變損傷分析等方面都有廣泛的應(yīng)用[10-14]。

因此，本文通過(guò)研究葉片內(nèi)外表面光纖布局策略及設(shè)計(jì)施工、制造全尺寸應(yīng)變監(jiān)測(cè)葉片樣件，采用分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)風(fēng)電葉片應(yīng)變變化，并與電阻應(yīng)變片的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證光纖傳感技術(shù)在風(fēng)電葉片監(jiān)測(cè)應(yīng)用的可靠性和有效性，為未來(lái)研制帶有光纖“神經(jīng)”的智能葉片打下良好基礎(chǔ)。

1" 全尺寸應(yīng)變監(jiān)測(cè)樣件制作

本次選用的葉片型號(hào)為71.5E，光纖傳感器預(yù)置在葉片內(nèi)表面，預(yù)制位置主要包括葉片大梁中心線（PS面和SS面）、后緣（PS面和SS面）、前緣、合?？pLE、TE±45°方向（距離根部2 m和4 m），SS面和PS面距UD芯材2方向（距離根部6 m和14 m處，距UD 200、600、1 000 mm）上粘貼用玻纖預(yù)浸料封裝好的特種光纖光柵傳感器。

1.1" 光纖傳感器布局方案

為了對(duì)71.5E葉片的靜力試驗(yàn)進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要合理地對(duì)FBG光纖傳感器進(jìn)行布局設(shè)計(jì)。根據(jù)靜載試驗(yàn)的4個(gè)工況：最大揮舞、最小揮舞、最大擺振和最小擺振布置FBG光纖傳感器，布局方案如圖1所示。

1.2" 光纖傳感器的固定

光纖傳感器布局設(shè)計(jì)完成后，將光纖傳感器安裝于葉片指定位置。光纖傳感線總重量0.98 kg，應(yīng)變片導(dǎo)線總重量260 kg，相比較電阻應(yīng)變片，葉片增重明顯下降。

2" 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)

2.1" 靜力試驗(yàn)測(cè)試

靜力測(cè)試4個(gè)工況中，最大擺振是指由葉片的后緣向前緣發(fā)生形變，最小擺振是由葉片的前緣向后緣發(fā)生形變，最大揮舞是由葉片的PS面向SS面發(fā)生形變，最小揮舞是由葉片的SS面向PS面發(fā)生形變。試驗(yàn)夾具位置分別為葉片的18.5、30、40、53和64 m。加載過(guò)程按照最大加載的20%→40%→60%→80%→100%的等級(jí)加載，卸載過(guò)程按照最大加載的80%→60%→40%→0的等級(jí)進(jìn)行卸載。

各工況試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示，靜力加載開(kāi)始后，F(xiàn)BGs和電阻應(yīng)變片同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)觀察各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值變化情況，測(cè)試結(jié)束以后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的光纜和電纜進(jìn)行整理，為下一個(gè)工況做好準(zhǔn)備。

圖1" 靜力試驗(yàn)FBG傳感器布局

2.2" 試驗(yàn)結(jié)果分析

在最大揮舞工況下，葉片PS面大梁和SS面大梁14、27、44 m處FBG測(cè)量結(jié)果如圖3所示，從圖3（a）可以看出，隨著加載的增加，在葉片PS面14、27、44 m處的應(yīng)變均在增加，且呈線性上升趨勢(shì)，當(dāng)加載到100%最大載荷時(shí)，在距葉根44 m處的應(yīng)變也能被FBG傳感器準(zhǔn)確測(cè)量。從圖3（b）可以看出，隨著加載的增加，葉片SS面對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)變也在反方向線性增加。這是由于葉片在最大揮舞工況下，葉片的PS面向SS面發(fā)生形變，葉片PS面大梁拉伸，應(yīng)變?yōu)檎?，葉片SS面壓縮，應(yīng)變?yōu)樨?fù)值。從圖3能看出，F(xiàn)BG的測(cè)量結(jié)果與電阻應(yīng)變片（SG）基本吻合，二者誤差在5%以?xún)?nèi)。

（a）" PS面大梁

（b）" SS面大梁

圖3" 最大揮舞PS面大梁和SS面大梁距離葉根14、27、44 m處FBG與SG測(cè)量結(jié)果

在最小揮舞工況下，葉片PS面大梁和SS面大梁14、27、44 m處FBG測(cè)量結(jié)果如圖4所示，從圖4（a）可以看出，隨著加載的增加，葉片PS面應(yīng)變反向增加。從圖4（b）可以看出，隨著加載的增加，葉片SS面應(yīng)變?cè)诰€性增加。這是由于葉片在最小揮舞工況下，葉片的SS面向PS面發(fā)生形變，葉片PS面壓縮，應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，葉片SS面大梁拉伸，應(yīng)變?yōu)檎?。從圖4能看出，F(xiàn)BG的測(cè)量結(jié)果與電阻應(yīng)變片基本吻合，二者誤差在4%以?xún)?nèi)。

（a）" PS面大梁

（b）" SS面大梁

圖4" 最小揮舞PS面大梁和SS面大梁距離葉根14、27、44 m處FBG與SG測(cè)量結(jié)果

在最大擺振工況下，葉片前緣和后緣14、16、22 m處FBG測(cè)量結(jié)果如圖5所示，從圖5（a）可以看出，隨著加載的增加，葉片前緣應(yīng)變反方向線性增加。從圖5（b）可以看出，隨著加載的增加，葉片后緣應(yīng)變正向線性增加。這是由于最大擺振情況下，葉片的后緣向前緣發(fā)生形變，葉片前緣壓縮，應(yīng)變?yōu)樨?fù)，葉片后緣拉伸，應(yīng)變?yōu)檎?。從圖5能看出，在最大擺振工況下，葉片前后緣FBG的測(cè)量結(jié)果與電阻應(yīng)變片基本吻合，二者誤差在7%以?xún)?nèi)。

（a）" 前緣

（b）" 后緣

圖5" 最大擺振前緣和后緣距離葉根14、16、22 m處FBG與SG測(cè)量結(jié)果

在最小擺振工況下，葉片前緣和后緣14、16、22 m處FBG測(cè)量結(jié)果如圖6所示，從圖6（a）可以看出，隨著加載的增加，葉片前緣應(yīng)變呈線性增加，從圖6（b）可以看出，隨著加載的增加，葉片后緣應(yīng)變反向線性增加，這是由于最小擺振情況下，葉片的前緣向后緣發(fā)生形變，葉片前緣拉伸，應(yīng)變?yōu)檎?，后緣壓縮，應(yīng)變?yōu)樨?fù)。從圖6能看出，在最小擺振工況下，葉片前后緣FBG的測(cè)量結(jié)果與電阻應(yīng)變片基本吻合，二者誤差在8%以?xún)?nèi)。

（a）" 前緣

（b）" 后緣

圖6" 最小擺振前緣和后緣距離葉根14、16、22 m處FBG與SG測(cè)量結(jié)果

3" 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)和制造全尺寸應(yīng)變監(jiān)測(cè)風(fēng)電葉片樣件，采用分布式光纖傳感技術(shù)在葉片內(nèi)外表面布設(shè)光纖傳感器，開(kāi)展葉片在靜力測(cè)試不同工況下變形監(jiān)測(cè)研究，并與電阻應(yīng)變片的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)BG能夠很好地監(jiān)測(cè)葉片在靜載試驗(yàn)中的各關(guān)鍵部位的應(yīng)變，能承受大載荷下的高應(yīng)變，與電阻應(yīng)變片基本吻合，誤差在8%之內(nèi)，為以后風(fēng)電葉片的掛機(jī)在線監(jiān)測(cè)提供可行方案。

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