風(fēng)力機(jī)葉片故障診斷方法研究

張磊++馬云玲++趙賀++閆永杰

摘 要：風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)電機(jī)組的最為關(guān)鍵部件之一，其作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，對整個(gè)風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。并且逐步朝著大尺寸、大功率發(fā)展，葉片結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，在運(yùn)行及維護(hù)方面出現(xiàn)的問題也越來越多。在運(yùn)行中，葉片易出現(xiàn)表面磨損、腐蝕、脫落及裂紋等缺陷，更嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生開裂甚至斷裂事故。葉片成本比較高，其維修費(fèi)用、部件費(fèi)用占到風(fēng)力機(jī)總收入的10～15%。風(fēng)力機(jī)壽命在很大程度上取決于葉片的壽命。葉片故障診斷就是及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以消除安全隱患，確保葉片的良好運(yùn)行，將葉片的危險(xiǎn)降低到最低限度的一項(xiàng)重要工作。利用在線監(jiān)測及故障診斷技術(shù)是提高風(fēng)電機(jī)組企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑，也是降低發(fā)電成本的重要環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；葉片；故障診斷

一、診斷方法及失效機(jī)理分析

（一）故障診斷方法。在國家政策的支持下，風(fēng)力機(jī)葉片故障診斷方法得到飛速發(fā)展，其主要技術(shù)有應(yīng)變測量、振動(dòng)測量、激光超聲技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、視覺技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、光纖技術(shù)和攝影技術(shù)。比較先進(jìn)的是視覺技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、光纖技術(shù)和攝影技術(shù)。光纖技術(shù)和攝影技術(shù)成本高，應(yīng)變測量成本低。攝影技術(shù)精度極高，視覺技術(shù)、光纖技術(shù)和聲發(fā)射技術(shù)精度較高。激光超聲技術(shù)和光纖技術(shù)適用于遠(yuǎn)距離監(jiān)測。光學(xué)應(yīng)變測量（光學(xué)三維測試技術(shù)、激光散斑圖干涉技術(shù)、DIC技術(shù)）適合三維監(jiān)測，并且激光散斑圖干涉技術(shù)和DIC技術(shù)互補(bǔ)，可以無限制量程監(jiān)測。視覺技術(shù)可以監(jiān)測最小尺寸缺陷。振動(dòng)測量特別適合檢測葉片裂紋。

（二）失效模式。風(fēng)力機(jī)葉片損傷機(jī)理及識別方法的探索對風(fēng)力機(jī)葉片故障診斷尤為重要。表1為葉片失效機(jī)理。

表1 葉片失效機(jī)理

二、狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷

（一）傳感器。傳感器是將反映設(shè)備狀態(tài)的各種物理量的信息監(jiān)測出來的部件，是狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的第一步，也是很重要的一步。她直接影響著監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。

對傳感器的基本要求是：①監(jiān)測出來的狀態(tài)特征量信號有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性；②對被測設(shè)備無影響或影響很微弱，吸收待測系統(tǒng)的能量很小，能和后續(xù)單元很好的匹配；③可靠性好，壽命長。

在風(fēng)力機(jī)葉片在線監(jiān)測與故障診斷中，傳感器占有重要地位。用于葉片監(jiān)測的主要有壓電陶瓷傳感器、光纖光柵傳感器、應(yīng)力應(yīng)變傳感器、光纖視覺傳感器、聲波（AE）傳感器、脈沖傳感器和振動(dòng)傳感器等。

通過分析相關(guān)文獻(xiàn)，可以得出結(jié)論：

1、 經(jīng)濟(jì)性：從低到高依次為電阻應(yīng)變測量、振動(dòng)測量、激光超聲測量、聲發(fā)射測量、光學(xué)應(yīng)變測量、光纖測量、視覺技術(shù)測量、紅外成像測量、攝影測量。

2、 安全可靠性：主要以精度為參考量，從高到低依次為攝影測量、視覺技術(shù)測量、光學(xué)應(yīng)變測量、光纖測量、激光超聲測量、聲發(fā)射測量、電阻應(yīng)變測量、振動(dòng)測量、紅外成像測量。

3、 適用性：

（1） 葉片裂紋：振動(dòng)測量、光學(xué)應(yīng)變測量（三維裂紋、夾層結(jié)構(gòu)裂紋）、聲發(fā)射測量（特別是微型）、攝影技術(shù)。

（2） 葉片開裂：振動(dòng)測量、攝影測量（三維開裂）。

（3） 葉片斷裂：聲發(fā)射測量、光纖測量、攝影測量。

（4） 葉片覆冰：振動(dòng)測量、激光超聲測量、光纖測量。

（5） 雷擊：光纖測量。

（6） 葉片變形：視覺技術(shù)測量、光學(xué)應(yīng)變測。

（7） 結(jié)構(gòu)分層：激光超聲測量、紅外成像測量、光纖測量。

（8） 葉片腐蝕：聲發(fā)射測量。

（9） 葉片碳化：攝影技術(shù)。

（10） 局部應(yīng)力集中：電阻應(yīng)變測量、光纖測量。

三、結(jié)論

本文以風(fēng)力機(jī)葉片為研究對象，其主要結(jié)論如下：

（1）風(fēng)力機(jī)葉片損傷類型和損傷機(jī)理的分析，為故障診斷奠定了理論基礎(chǔ)，有利于快速有效的診斷出故障原因。

（2）從經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性及適用性等方面對各種故障診斷技術(shù)進(jìn)行橫向、縱向比較，從而可以根據(jù)情況選用最優(yōu)的故障診斷方法。