叶片载荷监测系统：振动、噪声、损伤检测与故障诊断

图11-2和图11-3中所示为风电机组的主要监测点，其中包括主轴承、齿轮箱、发电机轴承振动和叶根载荷。

图11-2 风电机组的监测点1

1.桨叶

叶片载荷监测系统由每轴向四个应力传感器、两个温度传感器、传输光纤和数据采集盒构成，如图11-4所示。光纤应力传感器预先埋入桨叶根部，通过信号线将信号引入数据采集盒。光纤应力传感器具有抗电磁干扰的性能，且可以实现多路信号的无干扰并行，当传感器感应到力时，将改变反射光波的波长。系统内通常还包括温度传感器，它被用来作为补偿由于温度变化而造成的应力传感信号变化^[35]。叶片载荷监测系统的实施难度在于叶片是旋转的，将信号从叶根可靠地传递到轮毂做特殊的考虑，而传感器反映的应力结果和叶片材料也有直接的关系，在采用了光纤应力传感器的情况下，可以有效地规避雷电流的威胁。

图11-3 风电机组的监测点2

对于大型风电机组而言，存在由风剪切、塔影效应、对风偏差等因素造成的不均衡载荷，且机组容量越大、风轮直径越大则整个风轮面受力的不均衡度越强，风轮和传动轴系上的不均衡载荷越明显。叶片载荷监测系统是大型风电机组独立变桨技术方案的重要组成部分。独立变桨控制作为大型风电机组的重要发展方向，其主要目的就是削弱风轮的不均衡载荷，从而降低对结构设计的要求。

除了叶片的载荷以外，监测叶片振动与叶片引起的噪声也有助于评估叶片的疲劳度和预期寿命。

2.传动轴系

传动轴系是风电机组实现能量转换的关键部件，其运行状态直接影响风电机组的安全、寿命与发电品质。如果传动轴系部件发生了严重故障需要更换的话，必然需要将机舱吊至地面才能处理，而且备件的订货周期都比较长，这将导致很大的经济损失。

图11-4 叶片载荷监测系统

传动轴系包括以下三部分：(www.xing528.com)

1）低速转动的主轴、主轴承以及轴承座；

2）增速齿轮箱及其弹性支撑；

3）高速轴联轴器、发电机及其弹性支撑。

图11-5所示是定桨恒速风电机组或双馈风电机组的传动轴系示意图。图左侧是低速轴，对于低速转动的轴系而言，可能出现的问题主要是轴承问题，包括安装不正、润滑不良、早期损伤、中后期损坏；图中间是增速齿轮箱，对于齿轮箱而言，主要问题是轴承损坏与齿轮啮合不良，齿轮箱轴承的损坏往往引发齿轮、甚至齿轮轴的损坏，从而导致整个齿轮箱的更换；图右侧是发电机，对于发电机而言，发电机对中不良，导致轴承承受过度负载，会使轴承寿命降低至1/6～1/5，轴承损伤是发电机故障的主要类型。

在各类旋转机械中，轴的扭转振动是重要的一种振动形式，它是由于作用在轴上的转矩随时间变化而产生的旋转振动。扭振对轴及轴上零件的危害在振动初期表现得并不明显，但扭振引起的扭转应力变化的积累往往会造成突发性的事故，通过扭振信号来监测主轴的运行状态可以防止灾害事故的发生。另外，利用扭振信号，可以对轴及其相关部件进行损伤检测和故障诊断。相对于定桨失速机组，变速恒频机组的传动系统阻尼更小，更容易发生扭振，而风速的波动和控制转矩给定的更新对于扭振来说都是一种激发源，除机组本身的因素外，近年还发生了由于电网因素造成的风电机组传动系统扭振的情况，比如典型的次同步振荡，该现象在传统发电机组运行中时有发生，但在机理上风电机组也有产生同类故障的可能性。

图11-5 风电机组的传动轴系

测量扭振的方法有直接法和间接法两类。直接法就是直接感测轴的扭振，分为接触测量和非接触测量。接触测量主要是将传感器（应变片、加速度计和编码器等）安装在轴上，测量信号可以通过集电环或无线电发射等方式传输到仪器上。非接触测量主要有测齿法、红外法和激光法等，这些方法无须在轴上安装传感器，利用非接触方式感测轴的扭振。间接法主要是通过测量与扭振有关的其他物理量来得到扭振信息，如定子电流等^[36]。

在风电机组的实际应用中，一般都采用在传动轴系各测试点埋设高灵敏度的振动加速度传感器或应力波传感器的方法，以包络检波和频谱分析的方法来处理传感器信号，准确判断轴承或齿轮的故障。针对轴承或齿轮的故障频率的幅值可进行趋势分析，实现对轴承或齿轮的寿命评估，及时安排维护和生产调度。

3.塔架

塔架在不均衡的风轮载荷作用下将形成前后和左右方向的振动，当其振动过强或其振动频率与塔架本身的自振频率接近而引起共振时将造成严重的破坏作用，所以控制系统一方面以控制变桨操作为手段，可以参与对不均衡的风轮载荷的控制；另一方面也必须监测塔架的振动情况。

由于机舱的偏航影响，塔架振动的监测经常在机舱进行。塔架振动的频率很低，振动的方向也不受外在约束，所以需要多轴向的测量与可靠的滤波技术。

通常塔架的振动监测系统由多轴向的振动传感器和一个数据分析模块构成。传感器的信号被实时传送到数据分析模块，经过分析计算后将结果经过数据总线传送给风力发电机组的控制系统。