風電機組葉片振動測試數據有效性研究

凌旭，程云榮，肖芝

(1.湖南化工職業技術學院，湖南株洲，412000；2. 比亞迪汽車工業有限公司，廣東深圳，518000）

0 前言

近十年的發展，我國風電裝備突飛猛進發展，躍居世界風電裝備制造大國，同時也是風電裝備裝機量第二大國[1-2]。風力發電機組結構主要分為：垂直軸式和水平軸式，我國主要采用水平軸式風力發電機組[3-4]。水平軸式風力發電機組結構主要包括：塔筒、機艙、電機、齒輪箱、聯軸器、主軸、輪轂和葉片組成。風力發電機組一般安裝在風速較大，人跡罕至的荒郊野地或大海荒島上，運行環境相當惡劣，非常容易產生故障[5]。

風力發電機組所有常見的故障主要包括齒輪箱故障、葉片故障以及發動機故障。然而齒輪箱故障，僅僅造成機組不運動或發電量不正常，很少出現風機倒塌的風險。而葉片作為風力發電機組中的最大的受載旋轉部件，機組在運行過程中，葉片的運動狀態對風機本體的狀態起決定性作用，若葉片振動過大，極易機組倒塌的危險。因此，必須對葉片的運行狀態進行實時監控，保證風機本體的穩定性。

葉片運動狀態的監控由于其轉速快，附加干擾加速度大，且因旋轉使得傳感器不好布線等特點使得其測試的有效性面臨很大的挑戰，目前行業內使用較多的有應變片和振動加速度傳感器。本文從原理出發，針對某陸上機型，通過對兩種傳感器測量數據的分析，通過對比兩種測量方式的有效性分析，為風電機組故障診斷及故障溯源提供數據支撐。

1 試驗情況及測點布置

為實現測試目的，分別安裝應變傳感器和振動加速度傳感器在3點和12點方向，其中3點方向可以測量葉片擺振頻率，布置在12點鐘方向可以測量葉片舞振頻率。機組運行狀態為停機狀態，葉輪鎖死，處于正對迎風狀態，葉片位置處于豎直位置，完全順槳狀態（90度）。應變片位置葉片12點鐘和3點鐘方向距離葉片固定法蘭大約50厘米處；振動加速度傳感器安裝在葉片和輪轂連接法蘭處，葉片應力檢測時風速大約12m/s。

2 數據分析

2.1 應變傳感器和振動加速度傳感器對比

2.1.1 3點鐘方向檢測波形對比分析

在葉片根部3點鐘方向安裝應變傳感器和振動加速度傳感器檢測葉片的固有頻率，數據采集時間是1分鐘，采樣頻率是100Hz，時域波形如下圖1所示。

圖1 3點鐘方向應變傳感器和振動加速度傳感器時域波形

由圖1中，3點鐘方向兩種傳感器的時域波形圖分析發現，應變傳感器的波形中的頻率成分明顯少于振動加速度傳感器頻率成分，為了更加清楚的分析兩種傳感器之間的差異，對兩種傳感器的時域波形進行FFT變換，結果如下圖2所示。

圖2 3點鐘方向應變傳感器和振動加速度傳感器頻域波形

圖2中，從頻譜中可以看出，應變傳感器特征頻率比較顯著能量比較集中，主要集中于A點，頻率為2.08Hz，判斷為葉片的擺振頻率；振動加速度傳感器能量主要集中于A點和B點，A點頻率為2.11Hz，判斷為葉片的擺振頻率，B點頻率為0.425Hz，判斷為機組塔筒的諧振頻率。應變傳感器僅對安裝位置的材料形變比較敏感，因此只能檢測到葉片的固有頻率；振動加速度傳感器對安裝位置以及傳遞到安裝位置的振動較為敏感，因此能夠檢測到葉片的固有頻率和塔筒的諧振頻率。

2.1.2 12點鐘方向檢測波形對比分析

在葉片根部12點鐘方向安裝應變傳感器和振動加速傳感器檢測葉片的固有頻率，數據采集時間是1分鐘，采樣頻率是100Hz，時域波形如圖3所示。對比分析12點鐘方向兩種傳感器的頻率成分，振動加速度傳感器波形中的頻率成分明顯要比應變傳感器的頻率成分豐富。

圖3 12點鐘方向應變傳感器和振動加速度傳感器時域波形

為了更加清楚的分析兩種傳感器之間的差異，對圖3所示的時域波形進行FFT變換，結果如下圖4所示。

圖4 12點鐘方向應變傳感器和振動加速度傳感器頻域波形

由圖4所示，從頻譜中可以看出，應變傳感器特征頻率比較顯著能量比較集中，主要集中于A點區域，頻率為1.09Hz左右，判斷為葉片的擺振頻率；而振動加速度傳感器檢測波形的FFT頻率，從頻譜中可以看出，頻率成分比較復雜，特征頻率不明顯。應變傳感器僅對安裝位置的材料受力形變比較敏感，不受其它部件振動的影響，抗干擾能力較強，比較適合振動來源定位檢測；振動加速度傳感器對安裝位置以及傳遞到安裝位置的振動較為敏感，容易受到干擾，頻譜特性比較復雜，特征頻率不明顯，不適合對振動來源進行定位檢測。

2.2 機艙加速度傳感器和葉片加速度傳感器對比

機艙和塔筒銜接處安裝低頻振動加速度傳感器，在葉片根部3點鐘方向和12點鐘方向安裝低頻振動加速度傳感器，對比機艙振動加速度傳感器和葉片振動加速度傳感器檢測波形的區別。數據采集頻率為100Hz，數據采集時間長度為60秒。

2.2.1 3點鐘方向檢測波形對比分析

由圖5所示，機艙垂直傳動鏈方向振動加速度時域波形與葉片根部3點鐘振動加速度時域波形對比分析，從時域波形圖中可以看出，葉片根部振動加速度時域波形中高頻分量比機艙垂直傳動鏈方向振動加速度波形中高頻分量要豐富。

圖5 機艙振動加速度傳感器和葉片3點鐘振動加速傳感器檢測時域波形

為了更加清楚的分析波形中的頻率成分，對時域波形進行FFT變換，如圖6所示，可以看出，兩者波形幾乎一致，葉片在2.1Hz左右的頻帶比機艙振動寬一些，這點與圖5所示的時域波形相符合。但是，從整體上看，機艙與葉片振動反映的信息是一致的，主要能量均集中于A點和B點，其中A點區域0.4Hz左右，B點區域2.1Hz左右，機艙垂直傳動鏈方向的振動檢測信息完全能夠代替在葉片根部3點鐘處振動加速度傳感器的檢測信息，但是由于振動的傳遞性交強，二者均不能對振動的來源進行定位。

圖6 機艙振動加速度傳感器和葉片3點鐘振動加速傳感器檢測頻域波形

2.2.2 12點鐘方向檢測波形對比分析

圖7所示，12點鐘機艙傳動鏈方向振動加速度時域波形與葉片根部12點鐘振動加速度時域波形對比，從時域波形圖中可以看出，葉片根部振動加速度時域波形中高頻分量比機艙垂直傳動鏈方向振動加速度波形中高頻分量要豐富。

圖7 機艙振動加速度傳感器和葉片12點鐘振動加速傳感器檢測時域波形

為了更加清楚的分析波形中的頻率成分，對時域波形進行FFT變換，結果如圖8所示。機艙傳動鏈方向振動加速度的FFT波形，可以看出頻譜特征比較顯著；葉片根部振動加速度的FFT波形，特征頻率不顯著，干擾成分比較多，不能對特征頻率進行準確的判斷。安裝在葉片根部的振動加速傳感器FFT頻譜比較雜亂，對振動比較敏感，容易受到干擾，尤其是當風力發電機組負荷運行時，會檢測到更多復雜的頻率成分，并且不能對振動的來源進行定位。

圖8 機艙振動加速度傳感器和葉片12點鐘振動加速傳感器檢測頻域波形

3 結論

用于葉片根部應力檢測的應變傳感器僅對葉片根部的受力形變敏感，外部可形成干擾因素較少，抗干擾能力較強，比較適合振動來源檢測。

用于葉片根部振動檢測的振動加速度傳感器用于檢測葉片根部的絕對振動加速度，受機械系統結構及振動信號傳導影響，該振動信號不僅包含葉片特征振動信息，而且具有復雜的機艙整體結構振動信息，通常頻譜特性復雜，噪聲顯著，葉片故障及隱患特征頻率不明顯容易被淹沒覆蓋，尤其在機組動態運行過程中會檢測到大量的復雜噪聲頻率成分，難以有效實現基于頻譜特征的葉片故障及隱患特征分析；

機艙中所安裝的低頻振動加速度傳感器和葉片根部所安裝振動加速度傳感器在風輪靜止且葉片豎直方向鎖檢測的振動加速度波形頻譜基本一致，因此在機艙安裝超低頻振動加速度傳感器不僅可以實現機艙晃度監測，而且也能一定程度實現在葉片故障隱患監測。