風(fēng)能作為一種新型綠色能源，其重要性正穩(wěn)固上升。德國(guó)聯(lián)邦政府目前計(jì)劃將逐年提高風(fēng)力發(fā)電占總發(fā)電量的比例，至2025年該比例將增至25%。由于風(fēng)力渦輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到強(qiáng)烈振動(dòng)及機(jī)械應(yīng)力，因此要求葉片必須具有很高的疲勞強(qiáng)度，而且還需定期檢查其動(dòng)態(tài)特性（狀態(tài)監(jiān)測(cè)）。在這種情況下，使用激光測(cè)振儀進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試有諸多優(yōu)勢(shì)。例如，測(cè)試不僅可以用于檢查葉片的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，還可以用于驗(yàn)證現(xiàn)有的仿真模型。此外，測(cè)量出的振動(dòng)特性數(shù)據(jù)還可以幫助客戶確定固定在葉片上、用于監(jiān)測(cè)葉片狀態(tài)的傳感器的理想安裝位置。
初步研究結(jié)果非常振奮人心
本次試驗(yàn)的地點(diǎn)為德國(guó)弗倫斯堡應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，測(cè)試對(duì)象為發(fā)電功率為300 kW、輪轂高50米的轉(zhuǎn)子葉片（圖1）。試驗(yàn)結(jié)果表明，激光測(cè)振儀是非接觸式遠(yuǎn)程診斷風(fēng)力渦輪機(jī)振動(dòng)的理想工具。
圖1 IMA研究所測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，圖示轉(zhuǎn)子葉片帶有附加質(zhì)量
單點(diǎn)式激光測(cè)振儀配有長(zhǎng)焦鏡頭，還配有專用于戶外測(cè)試的望遠(yuǎn)瞄準(zhǔn)器和自動(dòng)聚焦裝置。相比之下，擁有高局部分辨率和精度的掃描式激光測(cè)振儀，是測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)上葉片振動(dòng)特性（振型）理想的測(cè)試工具。
多方參與合作
此次介紹的測(cè)試結(jié)果，主要用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片故障診斷。參與本次試驗(yàn)的德國(guó)合作伙伴有：位于德累斯頓的專門從事材料研究和應(yīng)用技術(shù)的IMA研究所，位于德累斯頓的專門從事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)（IZFP）的Fraunhofer研究所，以及位于赫希貝格的工程咨詢公司W(wǎng)olfel-Beratende Ingenieure GmbH。
測(cè)量時(shí)，將40米長(zhǎng)的轉(zhuǎn)子葉片的一端，水平固定在IMA大樓前的地基上（圖1），在上表面（空氣動(dòng)力吸力面）距離中心大約10米處，使用Wolfel公司生產(chǎn)的激振器提供水平振動(dòng)激勵(lì)（圖2）。葉片的激勵(lì)信號(hào)為頻率范圍為3~100Hz、分辨率為62.5mHz的周期快掃信號(hào)。在距中心16米的葉片頂部安裝一個(gè)加速度傳感器，用于振型的相位參考。由于激振器安裝在葉片的上表面，因此將測(cè)振儀的光學(xué)頭安裝到液壓臺(tái)上（圖3），其在葉片的上表面移動(dòng)（圖4）。
圖2 Wolfel公司生產(chǎn)的電動(dòng)激振器
圖3掃描頭被安裝到液壓臺(tái)上
由于掃描頭距離被測(cè)對(duì)象很遠(yuǎn)，因此測(cè)量時(shí)可以一次掃描很大一片面積。吸力面（上表面）的共531個(gè)測(cè)點(diǎn)和施力面（下表面）的共480個(gè)測(cè)點(diǎn)共同構(gòu)成振型。本次采用PSV掃描式激光測(cè)振儀，內(nèi)置VD-08速度解碼器，測(cè)量時(shí)使用長(zhǎng)焦鏡頭并開啟5kHz低通濾波器。
圖4 從20米高的液壓臺(tái)上測(cè)量轉(zhuǎn)子葉片（左側(cè)），被測(cè)區(qū)域的俯視圖（右側(cè)）
仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較
本次測(cè)試確定了葉片的特征模態(tài)。由于被測(cè)對(duì)象較大，測(cè)量分多次完成，每次測(cè)量都覆蓋若干米，然后用PSV軟件將它們拼接成一張完整的圖像。試驗(yàn)所測(cè)得的22Hz以下的固有頻率與模型計(jì)算及Wolfel公司的現(xiàn)有測(cè)量值（圖5和圖6）吻合度較好。由于所使用的振動(dòng)器無(wú)法激發(fā)3Hz以下的固有頻率，因此沒有采集這些頻率下的數(shù)據(jù)。
總結(jié)與展望
測(cè)量結(jié)果不僅顯示了每個(gè)測(cè)點(diǎn)在三維坐標(biāo)系中當(dāng)前位置上的振幅，還顯示了整個(gè)葉片的固有頻率振型。計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)（真實(shí)的動(dòng)態(tài)特性）可以進(jìn)行簡(jiǎn)單、便捷的對(duì)比，從而在必要時(shí)給出建設(shè)性調(diào)整的建議。此外，工程人員還可以利用測(cè)量數(shù)據(jù)，快速高效地確定用于葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)的傳感器的最佳安放位置。
在計(jì)算模態(tài)中，如果模型不正確，即使特征頻率發(fā)生很小的變動(dòng)，特征模態(tài)也會(huì)發(fā)生較大變化。掃描式激光測(cè)振儀直觀、快速、高效，能高分辨率、高精度獲取結(jié)構(gòu)的特征模態(tài)（振型）。相比而言，接觸式傳感器的布線安裝非常復(fù)雜和耗時(shí)。而在本次試驗(yàn)中，使用掃描激光測(cè)振儀，包括設(shè)備調(diào)試安裝，整個(gè)測(cè)量過(guò)程可以在8小時(shí)以內(nèi)完成。
