风电机组叶片振动测试数据有效性研究

凌旭，程云荣，肖芝

(1.湖南化工职业技术学院，湖南株洲，412000；2. 比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳，518000）

0 前言

近十年的发展，我国风电装备突飞猛进发展，跃居世界风电装备制造大国，同时也是风电装备装机量第二大国[1-2]。风力发电机组结构主要分为：垂直轴式和水平轴式，我国主要采用水平轴式风力发电机组[3-4]。水平轴式风力发电机组结构主要包括：塔筒、机舱、电机、齿轮箱、联轴器、主轴、轮毂和叶片组成。风力发电机组一般安装在风速较大，人迹罕至的荒郊野地或大海荒岛上，运行环境相当恶劣，非常容易产生故障[5]。

风力发电机组所有常见的故障主要包括齿轮箱故障、叶片故障以及发动机故障。然而齿轮箱故障，仅仅造成机组不运动或发电量不正常，很少出现风机倒塌的风险。而叶片作为风力发电机组中的最大的受载旋转部件，机组在运行过程中，叶片的运动状态对风机本体的状态起决定性作用，若叶片振动过大，极易机组倒塌的危险。因此，必须对叶片的运行状态进行实时监控，保证风机本体的稳定性。

叶片运动状态的监控由于其转速快，附加干扰加速度大，且因旋转使得传感器不好布线等特点使得其测试的有效性面临很大的挑战，目前行业内使用较多的有应变片和振动加速度传感器。本文从原理出发，针对某陆上机型，通过对两种传感器测量数据的分析，通过对比两种测量方式的有效性分析，为风电机组故障诊断及故障溯源提供数据支撑。

1 试验情况及测点布置

为实现测试目的，分别安装应变传感器和振动加速度传感器在3点和12点方向，其中3点方向可以测量叶片摆振频率，布置在12点钟方向可以测量叶片舞振频率。机组运行状态为停机状态，叶轮锁死，处于正对迎风状态，叶片位置处于竖直位置，完全顺桨状态（90度）。应变片位置叶片12点钟和3点钟方向距离叶片固定法兰大约50厘米处；振动加速度传感器安装在叶片和轮毂连接法兰处，叶片应力检测时风速大约12m/s。

2 数据分析

2.1 应变传感器和振动加速度传感器对比

2.1.1 3点钟方向检测波形对比分析

在叶片根部3点钟方向安装应变传感器和振动加速度传感器检测叶片的固有频率，数据采集时间是1分钟，采样频率是100Hz，时域波形如下图1所示。

图1 3点钟方向应变传感器和振动加速度传感器时域波形

由图1中，3点钟方向两种传感器的时域波形图分析发现，应变传感器的波形中的频率成分明显少于振动加速度传感器频率成分，为了更加清楚的分析两种传感器之间的差异，对两种传感器的时域波形进行FFT变换，结果如下图2所示。

图2 3点钟方向应变传感器和振动加速度传感器频域波形

图2中，从频谱中可以看出，应变传感器特征频率比较显著能量比较集中，主要集中于A点，频率为2.08Hz，判断为叶片的摆振频率；振动加速度传感器能量主要集中于A点和B点，A点频率为2.11Hz，判断为叶片的摆振频率，B点频率为0.425Hz，判断为机组塔筒的谐振频率。应变传感器仅对安装位置的材料形变比较敏感，因此只能检测到叶片的固有频率；振动加速度传感器对安装位置以及传递到安装位置的振动较为敏感，因此能够检测到叶片的固有频率和塔筒的谐振频率。

2.1.2 12点钟方向检测波形对比分析

在叶片根部12点钟方向安装应变传感器和振动加速传感器检测叶片的固有频率，数据采集时间是1分钟，采样频率是100Hz，时域波形如图3所示。对比分析12点钟方向两种传感器的频率成分，振动加速度传感器波形中的频率成分明显要比应变传感器的频率成分丰富。

图3 12点钟方向应变传感器和振动加速度传感器时域波形

为了更加清楚的分析两种传感器之间的差异，对图3所示的时域波形进行FFT变换，结果如下图4所示。

图4 12点钟方向应变传感器和振动加速度传感器频域波形

由图4所示，从频谱中可以看出，应变传感器特征频率比较显著能量比较集中，主要集中于A点区域，频率为1.09Hz左右，判断为叶片的摆振频率；而振动加速度传感器检测波形的FFT频率，从频谱中可以看出，频率成分比较复杂，特征频率不明显。应变传感器仅对安装位置的材料受力形变比较敏感，不受其它部件振动的影响，抗干扰能力较强，比较适合振动来源定位检测；振动加速度传感器对安装位置以及传递到安装位置的振动较为敏感，容易受到干扰，频谱特性比较复杂，特征频率不明显，不适合对振动来源进行定位检测。

2.2 机舱加速度传感器和叶片加速度传感器对比

机舱和塔筒衔接处安装低频振动加速度传感器，在叶片根部3点钟方向和12点钟方向安装低频振动加速度传感器，对比机舱振动加速度传感器和叶片振动加速度传感器检测波形的区别。数据采集频率为100Hz，数据采集时间长度为60秒。

2.2.1 3点钟方向检测波形对比分析

由图5所示，机舱垂直传动链方向振动加速度时域波形与叶片根部3点钟振动加速度时域波形对比分析，从时域波形图中可以看出，叶片根部振动加速度时域波形中高频分量比机舱垂直传动链方向振动加速度波形中高频分量要丰富。

图5 机舱振动加速度传感器和叶片3点钟振动加速传感器检测时域波形

为了更加清楚的分析波形中的频率成分，对时域波形进行FFT变换，如图6所示，可以看出，两者波形几乎一致，叶片在2.1Hz左右的频带比机舱振动宽一些，这点与图5所示的时域波形相符合。但是，从整体上看，机舱与叶片振动反映的信息是一致的，主要能量均集中于A点和B点，其中A点区域0.4Hz左右，B点区域2.1Hz左右，机舱垂直传动链方向的振动检测信息完全能够代替在叶片根部3点钟处振动加速度传感器的检测信息，但是由于振动的传递性交强，二者均不能对振动的来源进行定位。

图6 机舱振动加速度传感器和叶片3点钟振动加速传感器检测频域波形

2.2.2 12点钟方向检测波形对比分析

图7所示，12点钟机舱传动链方向振动加速度时域波形与叶片根部12点钟振动加速度时域波形对比，从时域波形图中可以看出，叶片根部振动加速度时域波形中高频分量比机舱垂直传动链方向振动加速度波形中高频分量要丰富。

图7 机舱振动加速度传感器和叶片12点钟振动加速传感器检测时域波形

为了更加清楚的分析波形中的频率成分，对时域波形进行FFT变换，结果如图8所示。机舱传动链方向振动加速度的FFT波形，可以看出频谱特征比较显著；叶片根部振动加速度的FFT波形，特征频率不显著，干扰成分比较多，不能对特征频率进行准确的判断。安装在叶片根部的振动加速传感器FFT频谱比较杂乱，对振动比较敏感，容易受到干扰，尤其是当风力发电机组负荷运行时，会检测到更多复杂的频率成分，并且不能对振动的来源进行定位。

图8 机舱振动加速度传感器和叶片12点钟振动加速传感器检测频域波形

3 结论

用于叶片根部应力检测的应变传感器仅对叶片根部的受力形变敏感，外部可形成干扰因素较少，抗干扰能力较强，比较适合振动来源检测。

用于叶片根部振动检测的振动加速度传感器用于检测叶片根部的绝对振动加速度，受机械系统结构及振动信号传导影响，该振动信号不仅包含叶片特征振动信息，而且具有复杂的机舱整体结构振动信息，通常频谱特性复杂，噪声显著，叶片故障及隐患特征频率不明显容易被淹没覆盖，尤其在机组动态运行过程中会检测到大量的复杂噪声频率成分，难以有效实现基于频谱特征的叶片故障及隐患特征分析；

机舱中所安装的低频振动加速度传感器和叶片根部所安装振动加速度传感器在风轮静止且叶片竖直方向锁检测的振动加速度波形频谱基本一致，因此在机舱安装超低频振动加速度传感器不仅可以实现机舱晃度监测，而且也能一定程度实现在叶片故障隐患监测。