CN105424333A - 一种风力机叶片现场损伤监测与识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力机叶片现场损伤监测与识别方法，针对风力机叶片现场运行情况下，对风力机叶片缺陷进行在线监测与识别，其目的在于提供一种现场监测技术，对叶片运行中受内外因素影响而可能发生的裂纹等缺陷进行及时的发现与判别。该方法特点在于，当叶片结构受外部环境因素及自身结构因素而产生裂纹等损伤时，损伤发生的位置及周边局部范围，在损伤发生前后的力学性能将发生一定的变化，导致该位置处及周边局部范围的结构应变水平与风载之间的比例关系也将发生一定的变化。据此通过对叶片结构薄弱位置处的应变与风载关系进行在线监测，实现对叶片损伤情况判别这一目的。

Description

一种风力机叶片现场损伤监测与识别方法

技术领域

本发明涉及机械行业风力发电技术领域，尤其涉及一种风力机叶片的现场损伤监测与识别方法。

背景技术

风电叶片损伤问题是风电叶片运行中所关注的一项重要内容。在风电叶片设计中，一般都要求风电叶片能满足20年的使用寿命。但在实际野外运行中，风电机组在非定常载荷作用下的运行特性使其易发生破坏，严重影响风电机组安全运行的可靠性和使用寿命。一旦叶片发生局部损坏，将有可能扩展到整体叶片的破坏，如不及时进行处理，甚至影响到整个机组的安全。而相反，如果在叶片局部发生微小的损坏时，能及时发现，并及时对损坏部位进行处理，不仅能避免对整个叶片的更换，也能有效避免可能给机组带来的损失。因此，在叶片的运行中，能够及时有效的发现损伤，是保障叶片与机组安全性与经济性的一个重要前提。

由于风电机组在野外环境下工作，且每一个风场都有大量的机组在运行。采取简单的人力巡查的方式，不仅操作困难，而且难以发现叶片内在的微小缺陷。因此，建立一种有效的在线监测方法，开展叶片缺陷识别工作是十分必要的。

而要建立有效的在线监测方式，就必须对叶片实际运行中的缺陷发生、扩展的机理有所了解，且能够保障所建立的方法既能有效识别缺陷产生的历程，又避免因为漏判或误判所带来的不必要损失。

发明内容

针对上述需求，本专利提出一种风电叶片现场损伤监测与识别方法，通过评估叶片在极限强度工况与疲劳工况下，结构安全因子的分布情况，确定叶片易发生损坏的位置与分布。在这些位置布置应变传感器，用以识别运行中这些位置结构的力学性能变化情况。结合风速信息的监测，确定并监测风速与叶片局部应变二者的变化关系。并以此为基础，对叶片是否发生损伤及损伤情况进行评估与判断。

(一)要解决的技术问题

针对目前风力机叶片在现场运行环境下，难以识别结构局部微小破坏的缺点，本发明提出了一种对叶片危险位置处结构的力学性能与风速进行监测及分析的方法，可对长期运行的风电叶片进行缺陷识别与评估。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种风力机叶片现场损伤监测与识别方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)确定叶片结构易发生损伤位置。

对于叶片结构易发生损伤位置的确定，可依据如下原则进行选取。叶片发生结构损坏，通常是由于受极限载荷以及疲劳载荷的作用，叶片的局部结构的抗极限载荷能力或抗疲劳载荷能力不足，从而导致局部破坏，并进而扩展，造成叶片更大范围结构的损伤。事实上，在叶片设计阶段，大都对叶片在多种极限载荷与疲劳载荷下的强度进行分析，并提供了叶片各位置处的强度安全因子。对于新开发设计的叶片，一般也都会开展全尺寸叶片的静态载荷测试与疲劳载荷测试。依据这些计算与测试报告，可以确定叶片的结构薄弱位置。

2)在所确定的薄弱位置，安装粘贴应变片，鉴于风电叶片运行环境恶劣，一般应将应变片安装在叶片内部，并通过信号电缆联接。

3)将叶片挂机后，在叶片根部或轮毂处安装应变测量的数据采集仪，采集仪一端通过信号电缆与应变片之间联接，一端通过安装在机组转子上的滑环系统，将采集的数据信号导入到对机组进行监控的计算机上；

4)在采用该设备进行监控前，应对设备进行标定，采用的标定办法可利用叶片在单纯自重作用下，所获得采样数据进行标定；也可采用吊车等设备对叶片施加一系列确定的载荷的方式进行标定；

5)利用风机前测风塔上所安装的测风设备，(若没有测风塔，也可利用风机上所安装的测风设备)对风速与风向进行测量；利用测风设备获取各时刻的来流风速、风向，利用这两组数据，可以获得各时刻垂直于叶片旋转平面的来流风速分量；

6)利用上述安装、标定的应变采集设备进行测量，可获得各时刻叶片测量位置的应变数据；

7)利用步骤5)、6)中所获得数据，可以得到叶片在各时刻点监测位置的应变值，以及垂直于叶片旋转平面的来流风速分量。鉴于实际监测周期较长，各时刻点的选取间隔可根据实际需求进行设置。一般对新运行的机组，间隔时间可取得比较长，对运行寿命已经很长的机组，可适当缩短时间间隔。

8)利用步骤7)中获得的采样数据，对叶片是否发生损伤破坏进行判断。

判断基于如下原理：对叶片应变起影响作用的外部载荷主要为风载与惯性载荷。如果叶片本身未发生质量缺陷，相同幅值的风载荷所导致的叶片结构应变应基本恒定(应变测量考虑了温度补偿，因此温度波动对应变的影响可以排除)。而惯性载荷对结构应变的影响是一个以叶轮转速为变化周期的应变周期波动。考虑风载与惯性载荷的共同作用，叶片某一位置的应变值应为具有一个均值和幅值的应变周期波动。其均值取决于风载，波动幅值取决于惯性载荷。当风载一定时，其均值应保持一定。而如果叶片一旦在薄弱位置出现了质量缺陷，由于缺陷的存在，将导致缺陷及其周围局部范围内结构应力的重新分布，与未发生缺陷时相比，在相同幅值的风载与惯性载荷作用下，该处应变的幅值与均值跟发生缺陷前有所变化，且随缺陷的加大，变化也将加大。依据该原理，可以对该位置处是否发生缺陷，进行判断。为便于评估，可以只取风载与应变均值这两者进行观察。在整个运行过程，如果测试部位没有发生缺陷，一般来说，风载与结构应变基本为线性关系，而垂直于叶片旋转平面的风速与叶片风载也基本为线性关系。(从严格的角度，以上两个关系并不总是线性的，但从满足实际工程需要的角度，可以认为其是线性关系)。

所以利用各时刻垂直于叶片旋转平面的风速与结构应变的比值，可实现对缺陷的评价工作，具体方法如下：

a)根据所设定的采样间隔，采集各时刻的风速、风向与结构应变；

b)根据各时刻的风速、风向，计算各时刻垂直于叶轮旋转平面的风速，(这一计算过程可编程实现)；

c)计算各采样时刻垂直于叶轮旋转平面的风速与各位置结构应变的比值，(这一计算过程可编程实现)。如果在监测过程中，该比值基本不变，或保持在一个合理的变化范围(因为多种干扰因素的存在，可能导致测量值的波动变化)，可认为该位置未发生破坏，如果该比值发生了变化，且随时间进度，该变化日趋显著，则可初步判定该位置可能发生了破坏。

9)对于利用上述过程预测为结构损伤的部位，再结合叶片实际部位进行观察，或结合无损探测技术进一步评估，最终实现对叶片是否发生损伤进行判断。

优选的，采用该方法进行叶片损伤评判，其前提在于有相应叶片在极限载荷与疲劳载荷情况下的强度与疲劳计算报告和实验测试报告。

优选的，采用该方法进行现场监测之前，应对应变测试系统进行标定。

优选的，采用该方法进行现场监测，应利用现场所获得的风况数据以及结构应变数据，进行数据处理。并以此对叶片损伤进行评估。

(三)有益效果

本发明具有如下明显的实质特点和显著优点：

1)该方法结合叶片结构计算报告与全尺寸测试报告，确定叶片监测位置点，可有效减少布点数量，且提供监测精度。

2)该方法通过在线监测风况与叶片结构力学性能的变化，可实现实时监测与评判，保障了及时有效的对损伤的发现与判别。

3)通过计算比较各时刻垂直于叶片旋转平面的风速与结构应变的比值，可有效识别叶片损伤的发生情况。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，，对本发明进一步详细说明。

本实施例中，以当前主流的MW级风力机叶片为例，采用以下步骤进行叶片现场监测：

1)确定叶片结构易发生损伤位置。

根究叶片强度与疲劳计算报告，以及全尺寸叶片的结构测试报告，选取出10个最薄弱的结构位置。

2)在所确定的薄弱位置，安装粘贴应变片，鉴于风电叶片运行环境恶劣，将应变片安装在叶片内部，并通过电缆连接到外部；

3)将叶片挂机后，在叶片轮毂处安装应变测量的数据采集仪，采集仪一端通过信号电缆与应变片之间联接，一端通过安装在机组转子上的滑环系统，将采集的数据信号导入到对机组进行监控的计算机上；

4)在采用该设备进行监控前，对设备进行标定，本示例采用的标定办法为利用叶片在单纯自重作用下，所获得采样数据进行标定；

5)利用风机前测风塔上所安装的测风设备，对风速与风向进行测量；

6)利用测风设备获取各时刻的来流风速、风向，利用这两组数据，可以获得各时刻垂直于叶片旋转平面的来流风速分量；

7)利用应变采集设备，可获得各时刻叶片测量位置的应变数据；

8)利用6)、7)中所获得数据，可以得到叶片在各时刻点监测位置的应变值，以及垂直于叶片旋转平面的来流风速分量。鉴于实际监测周期较长，各时刻点的选取间隔可根据实际需求进行设置。本示例中监测间隔初期取为每24小时采样一次，之后可根据实际情况进行调节。

9)利用8)中所获得的采样数据，对叶片是否发生损伤破坏进行判断。具体方法如下：

a)根据所设定的采样间隔，采集各时刻的风速、风向与结构应变；

b)根据各时刻的风速、风向，计算各时刻垂直于叶轮旋转平面的风速，(这一计算过程可编程实现)；

c)计算各采样时刻垂直于叶轮旋转平面的风速与各位置结构应变的比值，(这一计算过程可编程实现)。如果在监测过程中，该比值基本不变，或保持在一个合理的变化范围(因为多种干扰因素的存在，可能导致测量值的波动变化)，可认为该位置未发生破坏，如果该比值发生了变化，且随时间进度，该变化日趋显著，则可初步判定该位置可能发生了破坏。

10)对于利用上述过程预测为结构损伤的部位，再结合叶片实际部位进行观察，或结合无损探测技术进一步评估，最终实现对叶片是否发生损伤进行判断。

通过以上步骤的实施，实现了对该叶片现场监测与损伤判定工作。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种风力机叶片现场损伤监测与识别方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)在叶片设计完成后，首先确定叶片结构易发生损伤位置，依据如下原则确定叶片结构易发生损伤位置：

在叶片设计阶段，对叶片在多种极限载荷与疲劳载荷下的力学性能进行分析，并提供叶片各位置处的安全因子，根据叶片在极限载荷与疲劳载荷作用下的力学性能以及叶片各位置处的安全因子，确定叶片在极限载荷与疲劳载荷作用下，结构易发生损伤位置；或，

对于新开发设计的叶片，开展全尺寸叶片的静态载荷测试与疲劳载荷测试，依据全尺寸叶片的静态载荷测试与疲劳载荷测试结果，确定叶片的结构易发生损伤位置。

2)对于所要监测的叶片，在叶片制作过程中，在步骤(1)中所确定的叶片结构易发生损伤位置，安装粘贴应变片，鉴于风电叶片运行环境恶劣，一般应将应变片安装在叶片内部，并通过信号电缆联接应变片，从叶根引入到叶片外部；

3)将叶片挂机后，在叶片根部或轮毂处安装应变测量的数据采集仪，数据采集仪一端通过信号电缆与应变片之间联接，一端通过安装在机组转子上的滑环系统，将采集的数据信号导入到对风力机组进行监控的计算机上，由此，设置在叶片结构易发生损伤位置处的应变片、数据采集仪和监控计算机构成监测叶片的应变采集设备；

4)在采用步骤(3)中的应变采集设备进行监控前，应对应变采集设备进行标定，获得各应变片在确定载荷作用下的信号输出值,可利用叶片在单纯自重作用下所获得的采样数据进行标定,也可采用吊车等设备对叶片施加一系列确定载荷的方式进行标定；

5)利用风机前测风塔上所安装的测风设备，或利用风机上所安装的测风设备，对来流风速与风向进行测量，获取各时刻的来流风速、风向，依据来流风速与风向数据，获得各时刻垂直于叶片旋转平面的来流风速分量；

6)利用上述安装、标定的应变采集设备进行测量，可获得各时刻叶片测量位置的应变数据；

7)利用步骤5)、6)中所获得数据，可以得到叶片在各时刻点监测位置的应变值，以及垂直于叶片旋转平面的来流风速分量。鉴于实际监测周期较长，各时刻点的选取间隔可根据实际需求进行设置。一般对新运行的机组，间隔时间可取得比较长，对运行寿命已经很长的机组，可适当缩短时间间隔。

8)利用步骤7)中所获得的采样数据，对叶片是否发生损伤破坏进行判断利用各时刻垂直于叶片旋转平面的风速与结构应变的比值，实现对缺陷的评价工作如果在监测过程中，该比值基本不变，或保持在一个合理的变化范围，则该位置未发生破坏，如果该比值发生了变化，且随时间进度，该变化日趋显著，则可初步判定该位置可能发生了破坏。

9)对于利用上述过程预测为结构损伤的部位，需对该叶片的具体位置进行人员的实地观察，或结合无损探测技术进一步评估，最终实现对叶片是否发生损伤进行判断。

2.根据权利要求1所述的风力机叶片现场损伤监测与识别方法，其特征在于，采用该方法进行叶片损伤评判，其前提在于有相应叶片在极限载荷与疲劳载荷情况下的强度与疲劳计算报告和实验测试报告。

3.根据上述权利要求所述的风力机叶片的现场损伤监测与识别方法，其特征在于，安装在叶片内部的应变片数量与布置位置取决于该叶片强度与疲劳计算报告和实验测试报告中对叶片危险位置的分析结果。

4.根据上述权利要求所述的风力机叶片的现场损伤监测与识别方法，其特征在于，在进行现场监测之前，应对应变测试系统进行标定。

5.根据上述权利要求所述的水平轴风力机叶片的现场损伤监测与识别方法，其特征在于，应利用现场所获得的风况数据以及结构应变数据，进行数据处理。并以此对叶片损伤进行评估。