基于模态参数的在役风力发电机组叶片损伤识别研究

基于模态参数的在役风力发电机组叶片
损伤识别研究
摘要：风能几乎不产生环境污染。

对风力机的核心要求是更高的发电效率和
更少的维护成本。

风力机中最常见的结构损坏类型是叶片损坏。

风力机叶片的损
坏不仅会缩短风力机的寿命和发电效率，还会增加监测误差、安全风险和维护成本。

此外，叶片成本一般占风机总成本的15%～20%。

修复叶片损坏所需的时间最长，成本最昂贵。

因此，叶片的早期运维对于风电机组的故障避免、维护规划和
运行可持续性具有重要意义。

关键词：模态参数；风力发电机组；叶片损伤；识别研究
引言
风能作为常规能源替代和缓解全球生态环境恶化问题的一种清洁可再生能源，已成为各国能源工业关注和发展的热点。

风电产业的不断成熟和成本下降，提高
了其相对于传统能源的竞争力。

受电网消纳能力的限制，目前我国风电应用正在
向沿海和中部地区人口比较稠密的地区扩展，风力机在运行时产生的噪声会对风
电场周围一定范围内的敏感区居民造成影响，这成为制约风电发展的重要因素之一。

目前，风力机运行噪声主要是机械噪声和气动噪声，随着工业制造技术和工
艺的进步，机械噪声已经得到有效的控制，气动噪声的主要来源是翼型自噪声，
可控性仍然需要优化。

因此，研究翼型噪声对风电产业意义重大
1风力机叶片的损伤
叶片的损伤一般包含如下几类：（1）连接蒙皮和主梁法兰的胶黏剂层的损伤；（2）前缘或后缘开裂；（3）夹芯层和主梁腹板面损伤；（4）蒙皮和主梁
层合板内部损伤；（5）层合板纤维断裂和层压破坏；（6）蒙皮屈曲；（7）胶
衣开裂和脱落。

根据统计，叶片的典型损伤易发区域如下：（1）叶根；（2）最
大弦长位置。

研究人员一般采用断裂力学方法表征损伤的萌生和增长。

损伤的扩
展取决于裂纹尖端的应变能释放率。

计算分层扩展的最常用方法称为虚拟裂纹闭合技术（VCCT）。

闭合所有裂纹所需的功用于计算应变能释放率。

有限元分析是模拟裂纹扩展的最常用方法。

2对象与方法
2.1数值计算对象与模型
数值计算采用商用CFD软件FLUENT和全频谱流动振动声学分析软件
FINE/Acoustics，选用翼型NACA0012为研究对象，弦长c是0．3048m，数值模拟中所有网格采用ICEMCFD生成，通过网格无关性验证，网格数大约为80万。

所采用的网格如图1所示，为C型结构网格，相对于非结构网格来说，结构网格对壁面的描述更加精确，特别是涉及到粘性影响时，在流动变化剧烈的地方(圆柱，翼型前缘)网格适当加密。

采用k－ε(SST)湍流模型对翼型进行CFD计算，来流风速55．5m/s，翼型迎角为0°，CFD计算结果及网格导入FINE/Acoustic 里，截取翼型包含相关湍动能的区域，大约30万网格。

以翼型前缘点为坐标原点(0，0)，噪声监测点垂直于尾缘，位于上方距离翼型尾缘1．22m，即坐标(0．3048，1．22)。

风洞试验来流速度是55．5m/s。

攻角为0°。

Brooks、Pope 和Marcolini在亚声速无回声风洞完成试验。

2.2实验试件
试验所用长度为1.55m，质量为4kg的2kW小型风力机叶片，材料由增强玻璃钢构成，玻璃钢表面涂抹一层聚氨酯。

由于叶片在工作状态中会长时间受到风沙的侵蚀从而在叶片表面形成磨损损伤，受到电击或沙砾碰撞会在叶片表面出现裂纹损伤，空气中的油污与沙尘一起吸附在叶片表面久而久之会形成异物附着类型损伤。

故在不影响风机叶片正常使用的前提下，在风力发电机叶片的迎风面上人为赋予风机叶片在役状态下具有代表性的三种类型损伤：1）面部磨损损伤，直径分别为1、2、3、4、5cm；2）裂纹损伤，长度5cm，宽度2mm,深度分布别为1、2、3、4、5mm；3）异物附着，表面粘贴黑胶带，长度5cm，宽度1cm试验试件的可见光学图。

3结果分析
3．1距离翼型相同距离不同方向远场噪声结果分析
从整体上讲，中间频段的噪声声压级较高，6300Hz时部分方向声压级接近60dB;较低和较高频段的声压级较低，尤其是当20000Hz时，部分方向声压级低至30dB以下。

160Hz到200Hz时，翼型前缘上方噪声最高;315Hz到400Hz时，翼型正下方噪声最高;500Hz到1000Hz时，翼型前缘上方噪声最高;1250Hz到1600Hz时，翼型前缘下方噪声最高;2000Hz到5000Hz时，翼型前缘上方噪声最高;6300Hz到20000Hz时，翼型前缘下方噪声最高。

声波向翼型表面的上下方辐射。

3.2光线照射会影响叶片表面温度的变化从而影响
风电叶片的现场红外无损检测”这一问题，进行了自然激励下风电叶片损伤的红外热像检测研究，试验研究表明：光照强度确实对叶片表面温度的变化有着极大的影响，但在一定范围内的光照强度下可以清楚的检测到损伤的位置及其大小。

并且对异物附着、面部磨损以及裂纹三种典型损伤的最佳检测光照条件分别进行了总结：其中异物附着和面部磨损在午间光照强度达到1000W/m2及以上检测效果最佳，其它光照条件下可以检测出损伤，但检测效果不太理想；而裂纹损伤在中午之前很难检测到损伤的位置，直至午后光照强度为900W/m2左右才可以达到最佳检测效果，傍晚时分仍可检测出裂纹损伤，但检测效不太理想。

4结论
本文的主要改进思想是利用额外信息进行前馈控制，在不影响稳定性的情况下提高响应速度，即物理模型越准确，额外信息越丰富，取得的效果越好。

基于风扰动的控制最好的信息反馈是直接风力反馈，为了计算出风力相对影响，对于离散数据采用一维卡尔曼滤波的方式。

通过读取平稳状态下加速度计数据并组成更新数组，对数组进行卡尔曼滤波，同时对随机方差进行调整，以调整数据的平滑程度。

如果方差过大会过于平滑会使数据偏离风的预定值，如果方差过小数据波动太大，效果不佳且容易引起抖动。

在本文基础上如果加上风场扰动仿真，构筑包含风力发电机模型与外部环境扰动的Gazebo世界，建立无人机模拟飞行测试环境，可以开展基于加速度反馈的模拟前馈控制测试，即先离线设计路径供无
人机循迹，验证巡检路径规划设计优越性，后在线生成路径，验证路径规划方法的运算效率合理可行，以开展后续设备调试工作。

结束语
叶片损坏的主要原因是制造缺陷、沉淀和碎屑、进水、风引起的可变载荷、操作错误和雷击，这些都是叶片机械性能降低、黏合剂脱粘、表面侵蚀和空气动力学变化、疲劳失效或燃烧的原因。

早期运维技术一般包括预测模型、主动和被动保护系统以及检查方法。

准确的预测模型可以在故障发生前预测损坏，从而可以避免修复叶片的相关成本。

而物理表征技术可以快速检测导致叶片力学性能下降的缺陷。

对环氧树脂进行增强可以使其显示出更好的断裂韧性。

结冰减缓系统可以用来解决叶片结冰带来的叶轮不平衡问题。

涂层技术的发展是防止叶片因沉淀、碎屑或进水而损坏的必要手段。

参考文献
[1]胡琴,杨大川,蒋兴良,张石强,董静军.叶片模拟冰对风力发电机功率特性影响的试验研究[J].电工技术学报,2020,35(22):4807-4815
[2]陈红星,崔红梅,李飞宇.结冰对风力发电机叶片模态参数影响的试验研究[J].内蒙古农业大学学报(自然科学版),2020,41(06):74-78.
[3]顾永强,冯锦飞,贾宝华,周拓.风力发电机叶片折断对叶片动力影响分析[J].内蒙古电力技术,2020,38(05):1-4.
[4]高鹏,孙塽,席莉,刘雨佳,何川,吕娜.浅析风力发电机叶片在结冰工况下覆冰质量计算[J].科学咨询(科技·管理),2020(09):125.
[5]孙淑媛,郑远航,金煜航.风力发电机叶片表面损伤监测系统的设计研究[J].节能,2020,39(07):113-114.。