非接觸式測量風力渦輪機葉片振動

技術與安全難題

     風能作為一種新型綠色能源，其重要性正穩固上升。德國聯邦政府目前計劃將逐年提高風力發電占總發電量的比例，至2025年該比例將增至25%。由于風力渦輪機在運行過程中會受到強烈振動及機械應力，因此要求葉片必須具有很高的疲勞強度，而且還需定期檢查其動態特性（狀態監測）。在這種情況下，使用激光測振儀進行振動測試有諸多優勢。例如，測試不僅可以用于檢查葉片的結構質量，還可以用于驗證現有的仿真模型。此外，測量出的振動特性數據還可以幫助客戶確定固定在葉片上、用于監測葉片狀態的傳感器的理想安裝位置。

初步研究成果振奮人心

本次試驗的地點為德國弗倫斯堡應用技術大學，測試對象為發電功率為300 kW、輪轂高50米的轉子葉片（圖1）。試驗結果表明，激光測振儀是非接觸式遠程診斷風力渦輪機振動的理想工具。

單點式激光測振儀配有長焦鏡頭，還配有專用于戶外測試的望遠瞄準器和自動聚焦裝置。相比之下，擁有高局部分辨率和精度的掃描式激光測振儀，是測量試驗臺上葉片振動特性（振型）理想的測試工具。

圖1 IMA研究所測試現場，圖示轉子葉片帶有附加質量

多方參與合作

此次介紹的測試結果，主要用于風力渦輪機葉片故障診斷。參與本次試驗的德國合作伙伴有：位于德累斯頓的專門從事材料研究和應用技術的IMA研究所，位于德累斯頓的專門從事無損檢測技術（IZFP）的Fraunhofer研究所，以及位于赫希貝格的工程咨詢公司Wolfel-Beratende Ingenieure GmbH。

圖2 Wolfel公司生產的電動激振器

測量時，將40米長的轉子葉片的一端，水平固定在IMA大樓前的地基上（圖1），在上表面（空氣動力吸力面）距離中心大約10米處，使用Wolfel公司生產的激振器提供水平振動激勵（圖2）。葉片的激勵信號為頻率范圍為3~100Hz、分辨率為62.5mHz的周期快掃信號。在距中心16米的葉片頂部安裝一個加速度傳感器，用于振型的相位參考。由于激振器安裝在葉片的上表面，因此將測振儀的光學頭安裝到液壓臺上（圖3），其在葉片的上表面移動（圖4）。

圖3掃描頭被安裝到液壓臺上

由于掃描頭距離被測對象很遠，因此測量時可以一次掃描很大一片面積。吸力面（上表面）的共531個測點和施力面（下表面）的共480個測點共同構成振型。本次采用PSV掃描式激光測振儀，內置VD-08速度解碼器，測量時使用長焦鏡頭并開啟5kHz低通濾波器。

圖4 從20米高的液壓臺上測量轉子葉片（左側），被測區域的俯視圖（右側）

仿真與實測結果的比較

本次測試確定了葉片的特征模態。由于被測對象較大，測量分多次完成，每次測量都覆蓋若干米，然后用PSV軟件將它們拼接成一張完整的圖像。試驗所測得的22Hz以下的固有頻率與模型計算及Wolfel公司的現有測量值（圖5和圖6）吻合度較好。由于所使用的振動器無法激發3Hz以下的固有頻率，因此沒有采集這些頻率下的數據。

圖5  40米長的轉子葉片的特征模態

10.9Hz時的振型（上部），12.44Hz時的振型（下部）

圖6 17.63Hz時的特征模態（上部）        圖7 29.75Hz時的特征模態（上部）

    20.81Hz時的特征模態（下部）       36.13Hz時的特征模態（下部）

總結與展望

測量結果不僅顯示了每個測點在三維坐標系中當前位置上的振幅，還顯示了整個葉片的固有頻率振型。計算模態與試驗模態（真實的動態特性）可以進行簡單、便捷的對比，從而在必要時給出建設性調整的建議。此外，工程人員還可以利用測量數據，快速高效地確定用于葉片狀態監測的傳感器的最佳安放位置。

在計算模態中，如果模型不正確，即使特征頻率發生很小的變動，特征模態也會發生較大變化。掃描式激光測振儀直觀、快速、高效，能高分辨率、高精度獲取結構的特征模態（振型）。相比而言，接觸式傳感器的布線安裝非常復雜和耗時。而在本次試驗中，使用掃描激光測振儀，包括設備調試安裝，整個測量過程可以在8小時以內完成。

參考文獻

[1] Laser Vibrometers Make Non-contact

Vibration Measurements on Wind

Power Plants, Polytec InFocus 2/2008,

[2] Ebert, C.; Friedmann, H.; Henkel,

F.-O.; Frankenstein, B.; Schubert, L.,

3. VDI-Fachtagung Baudynamik,

Kassel 2009, VDI reports 2063