风力发电叶片无损检测技术 邢晓坡
摘要：风力发电具有资源再生、容量巨大、无污染、度电成本低等优点，是未来电力的先进生产方向。在风力发电系统组成中，风力发电叶片是能量转化的关键部件且故障率相对较高。为确保风电叶片在野外复杂气候条件下长期可靠运行，风电产业发展较快的国家或大的叶片制造商都建立了自己的叶片检测中心，同时，许多风机叶片生产厂家均迫切提出了建立叶片无损检测能力的需求。
关键词：风电叶片；缺陷；无损检测
1.概述
近年来，随着风电行业快速发展，风电机组不断朝着大型化趋势发展，叶片的长度也不断增加，叶片的生产制造成本也越来越昂贵，其占整机总成本达到10%-15%。对于运行的机组，如果叶片出现质量问题，不仅修复和更换的成本昂贵，而且还会影响整个机组运行的稳定性和安全性，特别是对于大型海上风机叶片，其运输、吊装和维护的成本都很高。因而通过有效检测手段及早发现缺陷和损伤是非常重要的，同时可以及时对叶片进行维护以免造成更大的事故。
针对风电叶片不同的缺陷和损伤形式，可以将风电叶片无损检测方法大致分为静态无损检测和动态监测。对于叶片在生产、运输、安装过程中产生的缺陷损伤通常采用静态无损检测方法;对于叶片在运行过程中即将发生的缺陷损伤，通常采用动态监测方法进行监测和预判。目前，常用的静态无损检测方法有目视法、敲击法、超声波检测法、激光散斑检测法、红外热成像检测、射线检测和微波等方法;动态监测方法目前研究和关注相对较多的主要有声发射、光纤传感、加速度传感、振动监测等方法。
2.风电叶片的主要缺陷
2.1缺陷类型与产生原因
受制造工艺、黏结工艺等随机因素的影响，风电叶片难免会带有孔隙、裂纹、分层、脱黏等结构缺陷。风电叶片的缺陷可能只是一种类型，也可能是好几种类型的缺陷同时存在。缺陷产生的原因是多种多样的，可以归纳为以下几点：①工艺方面：叶片手糊成型过程中气泡排挤不完全；叶片灌注过程中树脂体系引入的气泡，导致局部纤维未浸透；玻纤布层铺时出现褶皱，在灌注前没有发现和处理。②原材料方面：树脂与纤维浸润不良、芯材导流效果不良，不同的材料在结合部位经固化后存在明显界面。③使用方面：叶片的裂纹主要发生在粘接区域，分为胶粘剂本体裂纹和胶粘剂与叶片壳体粘接裂纹。产生的主要原因是外界冲击、环境骤变、疲劳作用。裂纹在叶片运转一定时间后产生的频率较高。叶片整体是一种复杂的层合板结构，由于各种干扰因素会产生分层现象。叶片的分层主要指纤维层合板间的分层、芯材与纤维层合板间的分层。分层形成的原因有：树脂用量不够、布层污染、真空泄压、二次成型。夹杂指叶片生产过程中引入非结构材料。夹杂的产生主要是主观因素，如：布层铺设时不慎落入的异物、灌注树脂中的异物杂质。
风力发电叶片
风机叶片检验和分析项目
风机叶片检验和分析项目主要有以下几种：
静态检验
疲劳检验
室外检验
模型分析
强度（硬度）检验
红外成像分析
声学分析
超声检查
叶片表面质量控制
质量分布测量
自然频率和阻尼的测定
一、静态检验
静态检验用来测定叶片的结构特性，包括硬度数据和应力分布。
静态检验可以使用多点负载方法或单点负载方法，并且负载可以在水平方向进行也可以在垂直方向进行。
图1：室外多点垂直方向静态检验
图2：高达10个负载点的叶片静态检验
二、疲劳检验
叶片的疲劳检验用来测定叶片的疲劳特性。实际大小的叶片疲劳检验通常是认证程序的基本部分。BLAEST叶片检验中心提供的叶片疲劳检验包括单独的翼面向和翼弦向检验。疲劳检验时间要长达几个月，检验过程中，要定期的监督、检查以及检验设备的校准。
检验工作人员通过网络摄象机和数据采集系统的在线网络端口进行检验过程的监督。
图3：大篷中的风机叶片疲劳检验
图4：翼面向疲劳检验
三、室外检验
室外检验是一种选择性的检验方式。室外检验可以降低费用，但同时也增加难度。必须对检验和测量设备加以保护，以免受环境的破坏，并且还要考虑检验的机密性和噪音的影响。
温度变化和风况也影响检验的结果，因此有必要在测量、分析时把这些因素考虑进去，然后得出结果。
四、超声波检查
最佳叶片生产需要渊博的设计、原材料知识以及生产技术。随之带来的问题是随着叶片的增大，生产成本也在提高，技术要求也在提高，因此生产风机叶片的风险也在提高，因此需要一种快速、高效并且非破坏性的检查方法。
图5：自动化超声波检查
风机叶片结构健康评估方法与关键技术
近年来，风机叶片在风力发电领域扮演着至关重要的角色。然而，由于不断的工作负荷和外界环境的作用，风机叶片的结构健康问题逐渐引起人们的关注。本文将探讨风机叶片结构健康评估的方法与关键技术。
一、概述
风机叶片的结构健康评估是判断叶片是否存在损伤或疲劳裂纹的过程，以确保风机运行的安全性和可靠性。通过对叶片结构的分析和检测，可以及时采取维护措施，减少故障风险，提高发电效率。
二、风机叶片结构健康评估方法
1.视觉检查与摄像法
视觉检查是最常用的评估方法之一，通过肉眼观察叶片表面是否存在明显的破损或变形，如裂纹、凹陷等。此外，摄像法将视觉检查与摄像技术相结合，通过拍摄叶片表面的图像，并通过图像处理算法来识别和评估叶片的结构健康状况。
2.无损检测技术
无损检测技术是一种非侵入性的评估方法，主要包括超声波检测、热成像检测、激光测距等方法。超声波检测利用超声波的传播特性来检测叶片内部的缺陷，如疲劳裂纹、松动等。热成像检测则利用红外辐射技术来检测叶片的温度变化，从而判断是否存在结构问题。激光测距技术可以通过测量叶片的形状和尺寸来评估其结构的完整性。
3.振动分析技术
振动分析技术通过检测叶片振动信号来评估其结构健康状况。传感器可以安装在叶片上，实时监测振动信号，并通过数据处理和分析来判断叶片是否存在结构问题。该方法具有实时性和准确性高的特点，对于现场监测和故障诊断非常有效。
三、风机叶片结构健康评估关键技术
1.数据处理与分析
风机叶片结构健康评估需要对收集到的大量数据进行处理和分析。数据处理技术包括数据传输、存储和处理等方面，以确保数据的完整性和可靠性。数据分析技术则通过使用数学模型和算法来提取叶片结构健康的有关信息，并作出准确评估。
2.故障诊断与预测
风机叶片结构健康评估旨在及早发现潜在的故障，并提前进行维护修复。因此，故障诊断和预测技术变得至关重要。通过建立合理的故障模型和预测算法，可以及时判断叶片是否存在损伤或疲劳裂纹，并预测其发展趋势，从而提前采取有效的维护措施。
说明书
风力发电机叶片的状态监测系统
技术领域：
本实用新型涉及风力发电机叶片状态监测系统，包括叶片受力分析、叶片应力传感器、无线传输网络、故障分析软件、监测终端等。是一种针对风力发电机叶片振动的状态保护而进行设计。
背景技术：
风力发电是一种可再生的清洁能源，环境污染小，自动化程度高，易于实现远程控制，可满足人口稀少、电网不易到达地区的用电，因此，风力发电更具有重要的经济效益和社会效益。
叶片是风力发电机组的关键部件，叶片在旋转过程中，当叶片由上方转到与下方时，受力改变并且交替变化，以及风力状况的不稳定，这些都会引起风力机的振动。风力机长时间工作后，由于其材料老化、硬件的物理疲劳、恶劣环境等原因引起的扇叶物理性能下降以及损坏，影响了风力发电机的工作效率。因此，对其运行状态的监测就显得尤为重要。
传统风力扇叶上并无能够对扇叶运行状态很好地监测的设备，多数都有成本高、布线复杂、管理效率较低、延时高等问题。而本设计在传统的监测方式、结构等方面做了重大突破。本无线监测系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。
实用新型内容： 本实用新型布置在风机叶片上，首先是独立传感采集子系统,针对风机叶片上的监测信号,设计适合于风机叶片健康状态的传感采集子系统,所设计的传感采集子系统能灵活地与无线传感网络节点配接,更好地完成结构的健康监测。传感器有压电薄膜传感器（LH223）、霍尔效应式叶片传感器（HME56）、飞思卡尔三轴加速度传感器（MMA7260QT）、可编程三轴振动传感器模块（AOIS16223CMLZ），用于检测风机叶片上的压力信号、振动信号并将其转换成电信号传给无线通信组件的发射模块，在实验中验证传感器的性能和精度，并确定传感器的型号。
其次是无线传感网络子系统，包括由无线传感网络节点和节点软件模块。该系统是整个多点监测系统的核心部分,子系统承担了系统的数据采集、转发和接收的功能。设计主要由数字处理模块和射频模块组成线传感网络节点。其次，根据已经得到的典型故障独立特征信号的分布特点和范围，利用小波分析工具对整机运行下采集的信号缩小区间和范围，去除典型故障区间和范围之外的数据。对于多个子系统信号的重叠或者调制，采用神经网络、模糊理论等智能算法进行处理，析取出部件信号，确定特征信号与故障类型的对应关系，为正确判断叶片故障奠定理论基础。在考虑风机叶片内部嵌入传感器的合理布局基础上，研究风机叶片的不同部位的受力状态和故障类型的关系，合理布局叶片上的传感器位置和数量，并根据传感器的特点和叶片的位置放置合适的传感器，使其能够客观真实地检测出风机叶片的状态和故障类型。
