風力機葉片故障診斷方法研究

張磊++馬云玲++趙賀++閆永杰

摘 要：風力機葉片是風電機組的最為關鍵部件之一，其作用是將風能轉換為機械能，對整個風電機組安全運行起著關鍵作用。并且逐步朝著大尺寸、大功率發展，葉片結構也越復雜，在運行及維護方面出現的問題也越來越多。在運行中，葉片易出現表面磨損、腐蝕、脫落及裂紋等缺陷，更嚴重的會發生開裂甚至斷裂事故。葉片成本比較高，其維修費用、部件費用占到風力機總收入的10～15%。風力機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發現并加以消除安全隱患，確保葉片的良好運行，將葉片的危險降低到最低限度的一項重要工作。利用在線監測及故障診斷技術是提高風電機組企業經濟效益的重要途徑，也是降低發電成本的重要環節。

關鍵詞：風力發電機；葉片；故障診斷

一、診斷方法及失效機理分析

（一）故障診斷方法。在國家政策的支持下，風力機葉片故障診斷方法得到飛速發展，其主要技術有應變測量、振動測量、激光超聲技術、紅外熱成像技術、視覺技術、聲發射技術、光纖技術和攝影技術。比較先進的是視覺技術、聲發射技術、光纖技術和攝影技術。光纖技術和攝影技術成本高，應變測量成本低。攝影技術精度極高，視覺技術、光纖技術和聲發射技術精度較高。激光超聲技術和光纖技術適用于遠距離監測。光學應變測量（光學三維測試技術、激光散斑圖干涉技術、DIC技術）適合三維監測，并且激光散斑圖干涉技術和DIC技術互補，可以無限制量程監測。視覺技術可以監測最小尺寸缺陷。振動測量特別適合檢測葉片裂紋。

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

表1 葉片失效機理

二、狀態監測及故障診斷

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

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

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

通過分析相關文獻，可以得出結論：

1、 經濟性：從低到高依次為電阻應變測量、振動測量、激光超聲測量、聲發射測量、光學應變測量、光纖測量、視覺技術測量、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、視覺技術測量、光學應變測量、光纖測量、激光超聲測量、聲發射測量、電阻應變測量、振動測量、紅外成像測量。

3、 適用性：

（1） 葉片裂紋：振動測量、光學應變測量（三維裂紋、夾層結構裂紋）、聲發射測量（特別是微型）、攝影技術。

（2） 葉片開裂：振動測量、攝影測量（三維開裂）。

（3） 葉片斷裂：聲發射測量、光纖測量、攝影測量。

（4） 葉片覆冰：振動測量、激光超聲測量、光纖測量。

（5） 雷擊：光纖測量。

（6） 葉片變形：視覺技術測量、光學應變測。

（7） 結構分層：激光超聲測量、紅外成像測量、光纖測量。

（8） 葉片腐蝕：聲發射測量。

（9） 葉片碳化：攝影技術。

（10） 局部應力集中：電阻應變測量、光纖測量。

三、結論

本文以風力機葉片為研究對象，其主要結論如下：

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

（2）從經濟性、安全可靠性及適用性等方面對各種故障診斷技術進行橫向、縱向比較，從而可以根據情況選用最優的故障診斷方法。