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文 | 姚佑清

编辑 | 姚佑清

1.简介

新装机风能容量为60.4GW在全球范围内，与19年相比，安装量增加了2018%，最终开始为全球减少碳排放的需求做出贡献，最大化每个涡轮机的能量捕获，导致每个农场的涡轮机更少，从而降低平准化能源成本，考虑到大型涡轮机组件的较高成本，这一方面甚至生效。

由于在设计更长、更高效的叶片时，需要减少每米叶片的相对质量和体积，因此正在对叶片设计进行深入研究，较长的叶片在结构本身以及变桨轴承和传动系上也承受更高的空气动力学和重力载荷。

1.1.相关性

虽然空气动力学仿真有助于叶片工程师设计叶片几何形状和材料复合材料，但运行中的叶片监控对于评估叶片行为尤为重要，首先，连续监测可以在早期阶段检测叶片的损坏和不规则行为，从而减少间接损坏，与预定的目视检查相比，这有助于降低维护和维修成本，并缩短停机时间。

其次，提高了现场技术人员和个人的安全性，如果在早期阶段发现，可以防止叶片部件断裂、部分叶片断裂甚至叶片丢失等损坏类型，第三，运行中的监测可用于优化涡轮机设置和检查叶片行为，因此，连续监测有助于调整模拟并完成完整的循环。

图1

交替弯曲过程中的挠度和由此产生的应力随着叶片长度的增加而增加，因此在当前的叶片趋势中变得越来越重要，在涡轮机的整个使用寿命期间，交替弯曲会导致负载增加并导致疲劳，因此，需要对叶片弯曲进行在线监测，以评估交替弯曲的程度并优化涡轮机设置。

1.2.相关文献

模拟周期性的风效应和叶片的最终行为有助于了解作用在叶片上的力，Kragh和Hansen通过模拟5MW参考涡轮机，他们的结果表明，通过根据湍流水平调整偏航错位，可以减少稳态负载变化。

Dai等人通过比较两种不同求解算法的空气动力载荷和挠度来研究气动弹性建模，虽然偏航条件下的最大偏转发生在大约90和270方位角处，但作者还可以证明不同的求解算法的结果有所不同，此外，Ke等人研究了周期性风效应中大型涡轮机的风致疲劳。

此外，Liew等人研究了单个俯仰控制（ICP），以防止通过沿预设轨迹引导叶片来防止交替弯曲，但尚未考虑用于测量尖端偏转的可行传感器解决方案。

模拟提供了一种廉价且快速的方法来评估叶片弯曲，但需要估计材料属性和风效应，模拟属性与叶片实际行为之间的不匹配只能通过在操作中执行测量来检测，例如，White等人报告了模拟和实验测量的特征频率不匹配，因此，仿真需要辅以运行期间的连续测量。

在刀片上安装传感器有望确定刀片位置和操作中的弯曲，加速度计已被用于确定叶片特征频率，以便在各种结构健康监测方法中进行损伤检测，此外，White等人通过在9m智能刀片，并在第一次挠度测试中取得了可喜的结果。

Fu等人在叶片长度的20%处安装了三轴陀螺仪，并训练了一个人工神经网络来检测尖端间隙，尽管陀螺仪在叶片监测方面很有前途，但尚未评估纯粹基于人工智能的方法的稳定性和鲁棒性。

除了在转子叶片本身安装传感器外，还研究了遥感来监测叶片弯曲，Zhang等人将天线嵌入叶片尖端以及叶片根部外部，用于超宽带（UWB）传感，因此，挠度可以估算为最大偏差0.13m在测试台上执行测量时。

此外，Moll等人使用基于雷达的系统来检测转子叶片中人为引入的损坏，然而，监控仅限于涡轮机塔前雷达系统的测量范围，最后，Grosse-Schwiep等人测试了激光扫描以检测叶片形状，然而，Yuan报告了诸如灵敏度和成本之间的权衡以及航空航天结构相关领域中高功率激光器的安全隐患等缺点。

1.3.方法和目标

在我们的方法中，我们测量叶片尖端的加速度，以检测与理想均匀旋转的偏差，通过使用仅基于测量加速度的模型，我们的方法与材料属性和精确的叶片几何形状无关，而制造商通常无法提供这些特性和形状。

我们方法的两个主要目标是优化涡轮机设置，以减少交替弯曲，以及检测由于部件损坏而导致的偏差弯曲行为，通过在叶片外部安装能量自给自足传感器，我们的解决方案允许灵活的安装位置，也可用于改造现有涡轮机。

2.方法

从加速度测量创建基于模型的折弯形状的过程由六个部分组成，首先，开发了一个模型，用于模拟传感器在叶片上任何位置和方向测量的加速度，其次，将预处理应用于过滤涡轮机的稳态，这将在实际数据评估的上下文中进一步详细描述，然后，计算弯曲形状，指示从测量的加速度到理想的均匀旋转运动的偏差，然后将弯曲形状分组为不同的图案，并用于创建一个变形圆，该圆根据其相似性排列弯曲形状。

图2

2.1.加速度测量模型

首先，在下面指定加速度模型的坐标系，涡轮坐标系（称为轴xt,yt和zt在下文中）与涡轮机轮毂的中心对齐，如图3a，旋转角度定义如下：

αt：围绕yt-由于刀片的旋转运动而引起的轴。

βt：刀片周围的俯仰角xt-轴。

γt：刀片围绕zt-轴，例如，由于弯曲。

图3

加速度计的测量轴指定为xs，ys和zs，需要知道叶片上传感器的方向，以便将传感器坐标系与涡轮机坐标系对齐，对于传感器坐标系，如中所示图3a和传感器的安装位置γs=0°和βs=0°，然后将传感器坐标系以旋转角度αt=90°（刀片水平对齐，刀片指向右侧）xs=xt,ys=yt,zs=zt。

需要注意的是，传感器坐标系的原点位于传感器，而涡轮坐标系的中心位于涡轮轮毂的中心，因此，坐标系仅在x方向和围绕y轴的旋转方面有所不同，因此，所有轴和角度的下标将在以下位置删除。

2.1.1.静态加速度

跟Rx由于螺距，传感器围绕X轴的旋转矩阵β，Rz由于传感器方向，传感器围绕Z轴旋转矩阵γ和Ry，吨由于涡轮机的旋转运动，传感器围绕涡轮机坐标系的y轴旋转矩阵。

图4

重力加速度被采用为1g=9.81m/s2，而当考虑到加速度计的制造地点和涡轮机的工作位置时，可以获得更高的精度，由向心力引起的加速度计算为一个c=(2πf0)2R对于旋转频率f0在传感器的安装半径R处的涡轮机。

根据传感器的方向，恒定加速度一个c和重力加速度一个g由加速度计的所有三个轴在不同程度上测量（参见图4)。

跟V0静态平均风速，A为塔半径，X和Y分别为叶片到塔中线的纵向和横向距离，在存在塔阴影的情况下，安装在涡轮叶片上的传感器的模拟3D加速度可以在图5.当叶片通过塔架时，在旋转角度为180时可以看到静态加速度的特征变化，由于角速度的变化，叶片通过塔架前后的动态加速度略有增加;但是，整体加速度以静态加速度为主。

图5

3.测量

3.1.交替弯曲效果

叶片的交替弯曲是由两种不同的效应引起的，即不均匀的风况，即偏航和风切变，以及作用在叶片上的重力，如第2节中详细指出的，叶片弯曲包括襟翼弯曲、边缘弯曲和扭转弯曲，可以通过安装在叶片尖端的加速度计进行测量。

3.2.模拟弯曲模式

模拟了60m转子叶片的交替弯曲，传感器安装在55m的叶片半径处，首先，评估了安装角度的影响，图显示了x、y、z和av加速度的结果变形圆，需要注意的是，聚类没有跨方向对齐，即聚类C我的x加速度不对应于集群Cj的y加速度。

3.3.生成的弯曲图案

此外，还评估了传感器沿叶片长度的位置的影响，模拟了安装在50的两个传感器的加速度测量m和60m.图14显示风切变情况下产生的弯曲形状，如果传感器安装在叶片的较大半径处，则形状的特征更加明显，即形状与单位圆的偏差增加。

这是意料之中的，因为叶片偏转随着沿叶片的径向位置的增加而增加；因此，弯曲的变化反映在弯曲形状的显着性上，因此，叶片形状的标记可用于评估叶片的交替弯曲量。

图14

4.结论

目前增加叶片长度以实现最大能量捕获的趋势导致更大的负载和作用在叶片上的力，需要尽量减少非均匀风廓线中的交替叶片弯曲，以减少负载并防止叶片损坏，因此，涡轮叶片的寿命增加，成本最小化，风能作为可再生能源的整体竞争力提高。

在本文中，我们提出了一种连续监测涡轮机运行中的叶片弯曲的新方法，其特点是具有以下优点：

叶片尖端的加速度计允许在合理的安装努力下对交替弯曲进行定性评估；

本研究中使用的传感器以无线方式和自给自足地运行，因此，对安装位置没有限制，传感器甚至可用于现有涡轮机的改造；

不需要刀片的任何属性，例如操作员通常无法获得的几何形状和材料；

评估不需要涡轮机的环境和运行参数，但是，出于验证目的，需要高精度的参考测量。

因此，我们的方法可用于优化非均匀风廓线中的涡轮机设置，具有合理的安装努力，并且对叶片类型没有限制，此外，我们的方法还可用于检测长期监测应用中由于部件损坏或老化而导致的偏差弯曲行为。