风力涡轮机叶片振动测试
发布日期:2020-03-11 18:41:22

风能作为一种新型绿色能源,其重要性正稳固上升。德国联邦政府目前计划将逐年提高风力发电占总发电量的比例,至2025年该比例将增至25%。由于风力涡轮机在运行过程中会受到强烈振动及机械应力,因此要求叶片必须具有很高的疲劳强度,而且还需定期检查其动态特性(状态监测)。在这种情况下,使用激光测振仪进行振动测试有诸多优势。例如,测试不仅可以用于检查叶片的结构质量,还可以用于验证现有的仿真模型。此外,测量出的振动特性数据还可以帮助客户确定固定在叶片上、用于监测叶片状态的传感器的理想安装位置。


初步研究结果非常振奋人心

本次试验的地点为德国弗伦斯堡应用技术大学,测试对象为发电功率为300 kW、轮毂高50米的转子叶片(图1)。试验结果表明,激光测振仪是非接触式远程诊断风力涡轮机振动的理想工具。


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图1 IMA研究所测试现场,图示转子叶片带有附加质量


单点式激光测振仪配有长焦镜头,还配有专用于户外测试的望远瞄准器和自动聚焦装置。相比之下,拥有高局部分辨率和精度的扫描式激光测振仪,是测量试验台上叶片振动特性(振型)理想的测试工具。


多方参与合作

此次介绍的测试结果,主要用于风力涡轮机叶片故障诊断。参与本次试验的德国合作伙伴有:位于德累斯顿的专门从事材料研究和应用技术的IMA研究所,位于德累斯顿的专门从事无损检测技术(IZFP)的Fraunhofer研究所,以及位于赫希贝格的工程咨询公司Wolfel-Beratende Ingenieure GmbH。


测量时,将40米长的转子叶片的一端,水平固定在IMA大楼前的地基上(图1),在上表面(空气动力吸力面)距离中心大约10米处,使用Wolfel公司生产的激振器提供水平振动激励(图2)。叶片的激励信号为频率范围为3~100Hz、分辨率为62.5mHz的周期快扫信号。在距中心16米的叶片顶部安装一个加速度传感器,用于振型的相位参考。由于激振器安装在叶片的上表面,因此将测振仪的光学头安装到液压台上(图3),其在叶片的上表面移动(图4)。


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2 Wolfel公司生产的电动激振器


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图3扫描头被安装到液压台上


由于扫描头距离被测对象很远,因此测量时可以一次扫描很大一片面积。吸力面(上表面)的共531个测点和施力面(下表面)的共480个测点共同构成振型。本次采用PSV扫描式激光测振仪,内置VD-08速度解码器,测量时使用长焦镜头并开启5kHz低通滤波器。


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4 20米高的液压台上测量转子叶片(左侧),被测区域的俯视图(右侧)


仿真与实测结果的比较

本次测试确定了叶片的特征模态。由于被测对象较大,测量分多次完成,每次测量都覆盖若干米,然后用PSV软件将它们拼接成一张完整的图像。试验所测得的22Hz以下的固有频率与模型计算及Wolfel公司的现有测量值(图5和图6)吻合度较好。由于所使用的振动器无法激发3Hz以下的固有频率,因此没有采集这些频率下的数据。

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总结与展望

测量结果不仅显示了每个测点在三维坐标系中当前位置上的振幅,还显示了整个叶片的固有频率振型。计算模态与试验模态(真实的动态特性)可以进行简单、便捷的对比,从而在必要时给出建设性调整的建议。此外,工程人员还可以利用测量数据,快速高效地确定用于叶片状态监测的传感器的最佳安放位置。


在计算模态中,如果模型不正确,即使特征频率发生很小的变动,特征模态也会发生较大变化。扫描式激光测振仪直观、快速、高效,能高分辨率、高精度获取结构的特征模态(振型)。相比而言,接触式传感器的布线安装非常复杂和耗时。而在本次试验中,使用扫描激光测振仪,包括设备调试安装,整个测量过程可以在8小时以内完成。


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