风机叶片损伤图像处理的研究近况

大连交通大学软件学院 王 煜

目前依赖人工巡检方式对风机叶片进行检测容易引发疲劳，其主观因素也影响检测结果及效率，因此风电场迫切需求能对实际现场环境中的损伤图像进行自动识别的技术来改善人工检测的局限性。

本文以装机投入使用的风机叶片损伤为识别检测对象，针对目前人工巡检为主的叶片损伤检测的局限性，以先进的机器检测方法为研究内容，研究目的是实现对装机投入使用的风机叶片损伤进行识别检测任务。

风电创新技术在不断展现出其独特技术优势的时候同时也仍然存在一些突出问题。由于大型风力发电场通常主要位于较偏远的地方陆地、海岸或者靠近海上，环境恶劣且无人实时值守，其中对运行环境状态的实时监测可能面临较大技术挑战。风电风机叶片检测是生产风力涡轮发电机的一个关键部件，叶片运行状态的准确检测以及叶片寿命值的预测对逐步提高电力风机正常工作效率、保障电力风机正常稳定工作运行具有重要指导意义。

1 风机损伤的影响因素

1.1 空滤芯未及时吹尘，未定期更换

空滤芯定期除尘不规律工作会直接导致空滤芯出现堵塞，进出的排气量也因此会大大减少；不定期及时更换滤芯会直接造成机器负压变化增大空气渗透，进而导致污染物直接进入外部机器，堵塞内部滤油器和大部分油芯，恶化机器冷却液和润滑油，磨损机器主机。

1.2 滤油器不时更换

滤油器时不时需要更换，设备前后滤油压差变化增大，漏油量大大减少，主机前后排气管内温度持续升高容易停机；如果前后滤油压差变化过大，造成主机故障，污染物直接进入启动机器，就可能会直接堵塞油气分离器油芯，进而严重磨损机器主机。

1.3 油细分离器不定期更换

如果油分离器没有及时更换，随着压差的增加，主电机的电流会增加，排量会减小。如果前后壳的压差过大而外壳无法完全击穿，冷却泵和润滑油泵就会随着冷却空气回流进入冷却管道，直至空气耗尽，主机箱和排气管的温度自然升高，导致自动停机。

1.4 油管接头未清洁

如果油管接头不及时清洗，很容易导致回油管堵塞，导致油回流，使部分分离的油随压缩空气排入管道，造成油损增加，油量不足。

1.5 主电机轴承不时润滑

电机驱动轴承如果缺油，容易就会造成电机轴承严重磨损，直到导致主电机轴承烧坏。

1.6 散热器和排气扇未定期清洗

如果散热器和排气扇不定期清洗，油蒸汽和灰尘会长时间附着在上面，散热效果不好。如果油温没有得到有效控制，排气温度会升高，主机会在高温下停机。

1.7 储气罐没有定期排空

一些空气压缩机设备将配备储气罐。在气体的排出和储存过程中，压缩空气中的水蒸气在储气罐中被冷却和再次液化，并停留在储气罐中。如果不定期排水，液态水会占用储气罐的空间，导致空压机频繁装卸，增加末端气体的含水量。

1.8 润滑油不定期更换

润滑油使用时间过长会导致油量下降，杂质多，润滑性差，导致轴承和转子磨损增加，使用寿命缩短，高温停机，甚至油自燃，主机烧毁。

1.9 设备工作环境脏乱

温度、湿度和灰尘是影响鼓风机、空气压缩机和其他风机设备使用寿命的重要因素。通风不良、潮湿、灰尘会影响机油滤清器、空气滤清器、机油滤芯等部件以及主机各方面的使用寿命，也会直接降低主机的性能。

2 常见风机损坏检测技术

2.1 光纤光栅检测技术

光纤入射光栅相位检测仪该技术主要利用各种光纤检测材料的特殊光敏性，通过紫外线的曝光将其与入折射光互相干涉在光场中的图形直接写入纤芯，产生沿写入纤芯中心轴向进行折射的频率的高度周期性相位变化，形成永久的三维空间入射相位检测光栅。在不同应用位置上可安装不同光纤栅和光栅损伤传感器，检测不同风机驱动叶片内部材料的各种结构特性损伤，进而准确获得结构损伤检测信号的具体特征，并对应用实验室的数据分析进行综合分析，实现风机叶片结构损伤的准确识别和科学判断。徐萍通过利用光纤小波光栅信号传感器可以测量整个叶片基层表面射频应变信号分布的复杂变化，对叶片应变后的信号分布进行时域和频域对比分析，研究基于双面叶树复合函数小波变换的射频信号图像处理计算方法，通过分析比较整个叶片完好和连续裂纹时间所获得的各种特征参数数据来准确判断整个叶片的正常工作运行状态。提出了一种基于新型光纤布拉格反射光栅的新型风力发电压缩机通风叶片非基准直线供电缺陷测量检测新技术方法。利用卡方分布表征局部损伤特征，利用特征信息融合方法融合和优化局部特征信息。然而，这种检测技术不能从多个技术角度准确识别关于风机内部叶片质量缺陷的详细检测缺陷，并不能给出相关实时检测报告。

2.2 超声波检测技术

超声波叶片检测核心技术主要是一种基于利用声波叶片不同材料间在声学结构性能上的差异检测引起的针对超声波材料反射强度能量值的变化和声波穿透检测内部软件缺陷的安全无损性是检测缺陷与信号表面之间的缺陷，距离大小是通过同时测量一个信号方向往返于一个缺陷的空间传输点和时间距离来分析确定的，缺陷的幅度大小和缺陷方向角度是通过同时测量一个回波发射信号的缺陷幅度和回波发射器与换能器的缺陷位置角度来分析确定的。当超声叶片某处位置存在超声缺陷时，接收器得到的多个超声音频信号谐波会同时具有超声波速变化降低、振幅变化减小、波形发生失真、接收超声信号谐波频率发生变化等多种特点。对小波超声变换信号分析进行了小波离散模式小波超声变换、变分频率模式小波分解和希尔伯特小波变换，并将其广泛应用于了对风力发电压缩机通风叶片各个节段中的脱粘性能缺陷的统计分析。杨凯等等有人建议采用基于量子超声波的风机结构健康危害监测技术，采用模态图像分析、非线性的超声学和量子导波学等方法应用来准确检测平台风机内部叶片的结构损伤。

2.3 电阻应变检测技术

电阻驱动应变仪的检测元件是一种利用一个电阻驱动应变仪元件作为电阻传感器的元件，将电阻应变仪直接贴在被电阻测量的物体上。电阻值随被受受测构件物体的应力变形而发生变化，反映出被受力部位构件物体表面或内部的受力应变，根据被测应力与物体应变的各种数学测量关系即可确定受力构件物体表面或内部的物体应力应变状态。

电阻强度应变叶片检测系统会在应变叶片上直接铺设电阻应变片，有利于通过应变叶片电阻的强度变化检测来准确反映应变叶片整体内部结构的强度变化和应力损伤，有效率的检测应变叶片的内部应力强度变化和叶片表面结构损伤。电阻值和应变电流测量的主要优点之一是测量灵敏度和测量准确度高，测量应用范围宽，便于在各种复杂应用环境中准确安装和进行测量。缺点之处是该仪只能直接测量元件的外部表面运动应变，不能直接测量内部运动应变。单个运动应变仪通常只能准确测量某一点沿某一直线方向的运动应变，不能测量整个面积。而且不同应变片重复使用后其在测量时的精度可能会大大降低。

3 风机叶片的发展近况

风机壳体叶片结构是一个是由复合材料叶片制成的圆形薄壳壳体结构，其中总重量的90%以上由多个复合金属材料叶片组成，每台风力发电机一般都装有多支风机叶片。叶片在日常运输和维修安装使用过程中，由于风机叶片本身的大尺寸和自重较大而且本身具有一定的使用弹性时就会容易造成影响风机以及叶片内部严重损伤的情况产生。更需要值得注意的一点是，由于风机工作现场环境的恶劣性与操作工况的复杂多变性，风机机的叶片在没有阳光，酸雨，狂风，自振，风沙，盐雾等不利的环境条件下随着使用时间的不断变化，其使用性能也随之发生着巨大退化，直至叶片产生自然性的开裂，沙眼，表面摩擦磨损，雷击侵蚀损坏，横向变形裂纹等严重故障。

通过检测与监测相结合的方式，可以预防并且能够避免事故的发生。目前对风机叶片检测可分为生产质检和服役叶片在位、在线检测。生产质检往往是对在生产过程的生产缺陷、材料检测，这种检测是容易操作实现的。

基于对图像进行数字图像处理可以准确的将受损叶片部位识别出来的智能程度高的检测装置，该装置解决了现有的风力机叶片存在着不方便、检测不准确、智能程度低、实用性性差、结构复杂等缺点。

结束语：叶片正常运行状态缺陷及叶片故障诊断是影响风电风场机组安全正常运行的重大技术隐患之一，随着大型风场机组叶片故障事故不断升级增多，对其如何进行叶片状态变化检测与叶片故障原因诊断分析具有重要指导意义。此外，叶片风机运行物理状态的在线维护监测与故障诊断等也是另一个非常值得我们关注的技术问题，通过利用安装在现场风机运行叶片上的在线故障监测诊断设备，利用各种新型信息技术设备实现了对叶片风机运行物理状态的在线实时故障检测、实时故障反馈，反应风机叶片运行状态反馈信息中各参数的相对应性变化，根据风机使用统计数据以及各种相关技术判据可以指导现场进行风机驱动叶片的运行状态维护检测与运行故障分析诊断，从而大大降低现场风机运行叶片上的运行状态维护与故障检测技术成本，为提高风机运行叶片的可靠性和运行维护提供重要理论技术支撑与相关技术支持。