一種風(fēng)力機(jī)葉片現(xiàn)場(chǎng)損傷監(jiān)測(cè)與識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械行業(yè)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種風(fēng)力機(jī)葉片的現(xiàn)場(chǎng)損傷監(jiān)測(cè)與識(shí)別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)電葉片損傷問(wèn)題是風(fēng)電葉片運(yùn)行中所關(guān)注的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)中，一般都要求風(fēng)電葉片能滿足20年的使用壽命。但在實(shí)際野外運(yùn)行中，風(fēng)電機(jī)組在非定常載荷作用下的運(yùn)行特性使其易發(fā)生破壞，嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性和使用壽命。一旦葉片發(fā)生局部損壞，將有可能擴(kuò)展到整體葉片的破壞，如不及時(shí)進(jìn)行處理，甚至影響到整個(gè)機(jī)組的安全。而相反，如果在葉片局部發(fā)生微小的損壞時(shí)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并及時(shí)對(duì)損壞部位進(jìn)行處理，不僅能避免對(duì)整個(gè)葉片的更換，也能有效避免可能給機(jī)組帶來(lái)的損失。因此，在葉片的運(yùn)行中，能夠及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)損傷，是保障葉片與機(jī)組安全性與經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要前提。
[0003]由于風(fēng)電機(jī)組在野外環(huán)境下工作，且每一個(gè)風(fēng)場(chǎng)都有大量的機(jī)組在運(yùn)行。采取簡(jiǎn)單的人力巡查的方式，不僅操作困難，而且難以發(fā)現(xiàn)葉片內(nèi)在的微小缺陷。因此，建立一種有效的在線監(jiān)測(cè)方法，開(kāi)展葉片缺陷識(shí)別工作是十分必要的。
[0004]而要建立有效的在線監(jiān)測(cè)方式，就必須對(duì)葉片實(shí)際運(yùn)行中的缺陷發(fā)生、擴(kuò)展的機(jī)理有所了解，且能夠保障所建立的方法既能有效識(shí)別缺陷產(chǎn)生的歷程，又避免因?yàn)槁┡谢蛘`判所帶來(lái)的不必要損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述需求，本專利提出一種風(fēng)電葉片現(xiàn)場(chǎng)損傷監(jiān)測(cè)與識(shí)別方法，通過(guò)評(píng)估葉片在極限強(qiáng)度工況與疲勞工況下，結(jié)構(gòu)安全因子的分布情況，確定葉片易發(fā)生損壞的位置與分布。在這些位置布置應(yīng)變傳感器，用以識(shí)別運(yùn)行中這些位置結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能變化情況。結(jié)合風(fēng)速信息的監(jiān)測(cè)，確定并監(jiān)測(cè)風(fēng)速與葉片局部應(yīng)變二者的變化關(guān)系。并以此為基礎(chǔ)，對(duì)葉片是否發(fā)生損傷及損傷情況進(jìn)行評(píng)估與判斷。
[0006](一）要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0007] 針對(duì)目前風(fēng)力機(jī)葉片在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境下，難以識(shí)別結(jié)構(gòu)局部微小破壞的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種對(duì)葉片危險(xiǎn)位置處結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)及分析的方法，可對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的風(fēng)電葉片進(jìn)行缺陷識(shí)別與評(píng)估。
[0008](二）技術(shù)方案
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種風(fēng)力機(jī)葉片現(xiàn)場(chǎng)損傷監(jiān)測(cè)與識(shí)別方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
[〇〇1〇] 1)確定葉片結(jié)構(gòu)易發(fā)生損傷位置。
[0011]對(duì)于葉片結(jié)構(gòu)易發(fā)生損傷位置的確定，可依據(jù)如下原則進(jìn)行選取。葉片發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞，通常是由于受極限載荷以及疲勞載荷的作用，葉片的局部結(jié)構(gòu)的抗極限載荷能力或抗疲勞載荷能力不足，從而導(dǎo)致局部破壞，并進(jìn)而擴(kuò)展，造成葉片更大范圍結(jié)構(gòu)的損傷。事實(shí)上，在葉片設(shè)計(jì)階段，大都對(duì)葉片在多種極限載荷與疲勞載荷下的強(qiáng)度進(jìn)行分析，并提供了葉片各位置處的強(qiáng)度安全因子。對(duì)于新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的葉片，一般也都會(huì)開(kāi)展全尺寸葉片的靜態(tài)載荷測(cè)試與疲勞載荷測(cè)試。依據(jù)這些計(jì)算與測(cè)試報(bào)告，可以確定葉片的結(jié)構(gòu)薄弱位置。
[0012]2)在所確定的薄弱位置，安裝粘貼應(yīng)變片，鑒于風(fēng)電葉片運(yùn)行環(huán)境惡劣，一般應(yīng)將應(yīng)變片安裝在葉片內(nèi)部，并通過(guò)信號(hào)電纜聯(lián)接。
[0013]3)將葉片掛機(jī)后，在葉片根部或輪轂處安裝應(yīng)變測(cè)量的數(shù)據(jù)采集儀，采集儀一端通過(guò)信號(hào)電纜與應(yīng)變片之間聯(lián)接，一端通過(guò)安裝在機(jī)組轉(zhuǎn)子上的滑環(huán)系統(tǒng)，將采集的數(shù)據(jù)信號(hào)導(dǎo)入到對(duì)機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控的計(jì)算機(jī)上；
[0014]4)在采用該設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控前，應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，采用的標(biāo)定辦法可利用葉片在單純自重作用下，所獲得采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定；也可采用吊車等設(shè)備對(duì)葉片施加一系列確定的載荷的方式進(jìn)行標(biāo)定；
[0015]5)利用風(fēng)機(jī)前測(cè)風(fēng)塔上所安裝的測(cè)風(fēng)設(shè)備，（若沒(méi)有測(cè)風(fēng)塔，也可利用風(fēng)機(jī)上所安裝的測(cè)風(fēng)設(shè)備）對(duì)風(fēng)速與風(fēng)向進(jìn)行測(cè)量；利用測(cè)風(fēng)設(shè)備獲取各時(shí)刻的來(lái)流風(fēng)速、風(fēng)向，利用這兩組數(shù)據(jù)，可以獲得各時(shí)刻垂直于葉片旋轉(zhuǎn)平面的來(lái)流風(fēng)速分量；
[0016]6)利用上述安裝、標(biāo)定的應(yīng)變采集設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，可獲得各時(shí)刻葉片測(cè)量位置的應(yīng)變數(shù)據(jù)；
[0017]7)利用步驟5)、6)中所獲得數(shù)據(jù)，可以得到葉片在各時(shí)刻點(diǎn)監(jiān)測(cè)位置的應(yīng)變值，以及垂直于葉片旋轉(zhuǎn)平面的來(lái)流風(fēng)速分量。鑒于實(shí)際監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)，各時(shí)刻點(diǎn)的選取間隔可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置。一般對(duì)新運(yùn)行的機(jī)組，間隔時(shí)間可取得比較長(zhǎng)，對(duì)運(yùn)行壽命已經(jīng)很長(zhǎng)的機(jī)組，可適當(dāng)縮短時(shí)間間隔。
[0018]8)利用步驟7)中獲得的采樣數(shù)據(jù)，對(duì)葉片是否發(fā)生損傷破壞進(jìn)行判斷。
[0019]判斷基于如下原理：對(duì)葉片應(yīng)變起影響作用的外部載荷主要為風(fēng)載與慣性載荷。如果葉片本身未發(fā)生質(zhì)量缺陷，相同幅值的風(fēng)載荷所導(dǎo)致的葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)變應(yīng)基本恒定（應(yīng)變測(cè)量考慮了溫度補(bǔ)償，因此溫度波動(dòng)對(duì)應(yīng)變的影響可以排除）。而慣性載荷對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變的影響是一個(gè)以葉輪轉(zhuǎn)速為變化周期的應(yīng)變周期波動(dòng)?？紤]風(fēng)載與慣性載荷的共同作用，葉片某一位置的應(yīng)變值應(yīng)為具有一個(gè)均值和幅值的應(yīng)變周期波動(dòng)。其均值取決于風(fēng)載，波動(dòng)幅值取決于慣性載荷。當(dāng)風(fēng)載一定時(shí)，其均值應(yīng)保持一定。而如果葉片一旦在薄弱位置出現(xiàn)了質(zhì)量缺陷，由于缺陷的存在，將導(dǎo)致缺陷及其周圍局部范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的重新分布，與未發(fā)生缺陷時(shí)相比，在相同幅值的風(fēng)載與慣性載荷作用下，該處應(yīng)變的幅值與均值跟發(fā)生缺陷前有所變化，且隨缺陷的加大，變化也將加大。依據(jù)該原理，可以對(duì)該位置處是否發(fā)生缺陷，進(jìn)行判斷。為便于評(píng)估，可以只取風(fēng)載與應(yīng)變均值這兩者進(jìn)行觀察。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程，如果測(cè)試部位沒(méi)有發(fā)生缺陷，一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)載與結(jié)構(gòu)應(yīng)變基本為線性關(guān)系，而垂直于葉片旋轉(zhuǎn)平面的風(fēng)速與葉片風(fēng)載也基本為線性關(guān)系。（從嚴(yán)格的角度，以上兩個(gè)關(guān)系并不總是線性的，但從滿足實(shí)際工程需要的角度，可以認(rèn)為其是線性關(guān)系）。
[0020]所以利用各時(shí)刻垂直于葉片旋轉(zhuǎn)平面的風(fēng)速與結(jié)構(gòu)應(yīng)變的比值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的評(píng)價(jià)工作，具體方法如下：
[0021]a)根據(jù)所設(shè)定的采樣間隔，采集各時(shí)刻的風(fēng)速、風(fēng)向與結(jié)構(gòu)應(yīng)變；
[0022]b)根據(jù)各時(shí)刻的風(fēng)速、風(fēng)向，計(jì)算各時(shí)刻垂直于葉輪旋轉(zhuǎn)平面的風(fēng)速，（這一計(jì)算過(guò)程可編程實(shí)現(xiàn)）；
[0023]c)計(jì)算各采樣時(shí)刻垂直于葉輪旋轉(zhuǎn)平面的風(fēng)速與各位置結(jié)構(gòu)應(yīng)變的比值，（這一計(jì)算過(guò)程可編程實(shí)現(xiàn)）。如果在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，該比值基本不變，或保持在一個(gè)合理的變化范圍（因?yàn)槎喾N干擾因素的存在，可能導(dǎo)致測(cè)量值的波動(dòng)變化），可認(rèn)為該位置未發(fā)生破壞，如果該比值發(fā)生了變化，且隨時(shí)間進(jìn)度，該變化日趨顯著，則可初步判定該位置可能發(fā)生了破壞。
[0024]9)對(duì)于利用上述過(guò)程預(yù)測(cè)為結(jié)構(gòu)損傷的部位，再結(jié)合葉片實(shí)際部位進(jìn)行觀察，或結(jié)合無(wú)損探測(cè)技術(shù)進(jìn)一步評(píng)估，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片是否發(fā)生損傷進(jìn)行判斷。
[0025]優(yōu)選的，采用該方法進(jìn)行葉片損傷評(píng)判，其前提在于有相應(yīng)葉片在極限載荷與疲勞載荷情況下的強(qiáng)度與疲勞計(jì)算報(bào)告和實(shí)驗(yàn)測(cè)試報(bào)告。
[0026]優(yōu)選的，采用該方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)之前，應(yīng)對(duì)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。
[0027]優(yōu)選的，采用該方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，應(yīng)利用現(xiàn)場(chǎng)所獲得的風(fēng)況數(shù)據(jù)以及結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。并以此對(duì)葉片損傷進(jìn)行評(píng)估。
[0028](三）有益效果
[0029]本發(fā)明具有如下明顯的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：
[0030]1)該方法結(jié)合葉片結(jié)構(gòu)計(jì)算報(bào)告與全尺寸測(cè)試報(bào)告，確定葉片監(jiān)測(cè)位置點(diǎn)，可有效減少布點(diǎn)數(shù)量，且提供監(jiān)測(cè)精度。
[0031]2)該方法通過(guò)在線監(jiān)測(cè)風(fēng)況與葉片結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)判，保障了及時(shí)有效的對(duì)損傷的發(fā)現(xiàn)與判別。
[0032]3)通過(guò)計(jì)算比較各時(shí)刻垂直于葉片旋轉(zhuǎn)平面的風(fēng)速與結(jié)構(gòu)應(yīng)變的比