技术与安全难题

     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。

初步研究成果振奋人心

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。

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。

图1 IMA研究所测试现场，图示转子叶片带有附加质量

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。

图2 Wolfel公司生产的电动激振器

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）。

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。

图4 从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。

图5  40米长的转子叶片的特征模态

10.9Hz时的振型（上部），12.44Hz时的振型（下部）

图6 17.63Hz时的特征模态（上部）        图7 29.75Hz时的特征模态（上部）

    20.81Hz时的特征模态（下部）       36.13Hz时的特征模态（下部）

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。

参考文献

[1] Laser Vibrometers Make Non-contact

Vibration Measurements on Wind

Power Plants, Polytec InFocus 2/2008,

[2] Ebert, C.; Friedmann, H.; Henkel,

F.-O.; Frankenstein, B.; Schubert, L.,

3. VDI-Fachtagung Baudynamik,

Kassel 2009, VDI reports 2063