1系统功能设计

风电叶片光纤监测系统主要实现四大功能：风机运行载荷监测、动平衡监测、覆冰监测、叶片损伤监测，监测结果为预警、停机、检测、维护、调节、设计反馈提供依据，如图1所示。

叶片运行载荷监测：叶片在风场运行情况下的理论载荷可通过风电叶片载荷计算软件，同时进行载荷标定，建立应变载荷方程，以推算叶片在风场实际承受载荷情况。

风机运行平衡监测：根据各叶片之间受载的不平衡梁，推算叶片运行的动平衡数据，进而可测量偏航角度的改变、风剪切和叶片局部质量增加对风机出力的影响。

覆冰监测：覆冰会引起叶片局部应力水平和温度的改变，通过监测局部应力与温度，并与其它各点和历史数据进行比较，可做出覆冰判断。

损伤监测：实时显示出叶片结构的变化如叶片结构薄弱部位断裂及叶片动力特性的变化，防止叶片损坏区域扩大化。

2 传感器及解调仪表布局研究

监测系统主要由光纤光栅传感器、光纤解调仪表、数据存储&远程传输系统、数据处理&显示管理、安全预告&维修管理几部分组成，数据处理的依据由载荷方程和损伤模型提供。如图2所示。

根据需求，载荷测试主要针对叶片的弯矩进行测试，需要对一台机组三支叶片中在挥舞方向、摆振方向进行载荷监测。共安装27支光纤传感器，其中光纤应变传感器21支，光纤温度传感器6支。传感器的具体安装方案如下：

叶片根部弯矩测量：在每支叶片的叶根处布置测量叶根载荷的光纤应变传感器5支，其中挥舞方向2支，摆振方向2支，另外光纤温度传感器1支。如图3左侧所示。

叶片运行载荷监测：在风机中一支叶片安装光纤传感器4支，布置位置见图3右侧。4支传感器全部布置在工作面，其中光纤应变传感器3支监测载荷，光纤温度传感器1支监测工作温度。此外，通过载荷监测可以实时反应叶片各监测区域的弯矩值。

解调仪表安装在轮毂处，与叶片一同旋转，如图3左侧所示。

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表1 叶片安装传感器统计

3 风场到显示终端的数据传输

设计与解调仪表相配套的数据存储及远程传输设备，设备通过以太网与解调仪表连接，接收监测数据。采用CF卡进行数据存储，同时记录监测时间。同时，根据风场运营商的要求，进行数据远程传输。传输方式采用3G或GPRS，传输速率不低于40kbit/s。系统工作原理如图4所示。设计与解调仪表相配。

数据传输有两条路径：

路径1：数据从3G模块发出，通过运营商网络到达接收端的3G模块；

路径2：光纤解调器与风场所用的数据传输网络进行无线对接，需要研制专用的发送和接收模块，原因在于光纤解调在工作过程中随风机旋转，而风场传输网络安装在塔架上，不可与解调器直接连接。

4 应变载荷方程&损伤模型

①
??? ?载荷模型建立

图5 叶片载荷模型

IEC61400-1标准要求，叶片载荷计算需要按照图15坐标系进行。其中X方向为挥舞方向，Y方向为摆振方向，Z方向为叶片轴向。对于叶片每一个截面来讲，作用在风机上的力可以用叶片元素理论来确定，β是叶片的浆距角，φ是入流角，c是翼型弦长。

?? 气动力载荷

应用动量定理可以计算出不同半径下空气动力对叶片的作用力，作用在叶轮上的空气动力是风力机最主要的动力来源，目前计算作用翼型上的空气的主要理论依据是叶素理论。在上面的设定的坐标系中，作用在叶片单位长度的空气动力载荷为：

式中，P 为截面压力重心，C 为扭转中心，ρ为气动中心与旋转中心连线与翼型弦线的夹角，d_pc为气动中心为旋转中心的直线距离。

?? 重力载荷：

载荷的一个重要部分是由于叶轮自重产生的周期性悬臂弯曲力矩，力矩按正弦发生变化，是疲劳载荷的主要来源。计算公式如下：

式中：r_H 为叶片安装角；G 是重心，因为轴倾角δ 偏小，不考虑重力在垂直于叶轮旋转平面的分力。

?? 离心力载荷：

叶轮绕主轴旋转而产生离心载荷，它作用在翼剖面的重心上，与重力载荷相互作用会给叶片带来很大的作用力，在计算中要充分考虑，单位长度离心力为：

离心力扭矩：

?????? 式中，Ω为转速、ρ₀ 、F₀为密度和面积、G为重心、r_H为半径。

采用了应变测量法实测载荷，利用统计的方法建立经验公式又是本方法的关键。采用而工程实际中应用较广的回归技术，基于应变-载荷测量法,载荷参数识别方法的基本原理和步骤一般可归纳如表格2所示。

地面载荷校谁试验(表格1中第一阶段)

通过对结构部件上安装光纤应变传感器后进行地面载荷校谁试验，使用回归技术可以统计建立应变与载荷关系，通常称此关系为地面载荷校准方程，即为表1中的公式(l)。由此关系可以从飞行实测应变输出估计出结构部件的载荷。

风场载荷校准试验(表1中第二阶段)

通过专门的风场试验实测结构部件上的应变与其相关的参数,由公式(l)把应变转换成该结构部件上载荷，使用回归技术，可以统计建立载荷与参数的经验关系，通常称此关系为载荷回归方程,即为表1中的公式(2)。同理还可把应变与相应的参数建立应变与参数的经验关系,即为表l中的公式(3)。.

风场实测载荷试验(表1中第三阶段)

通过地面载荷校淮试验和风场载荷校准试验,最终建立了载荷与参数和应变与参数的经验关系,即公式(2)和公式(3)。由此公式，就可通过风场实测应变，由参数识别出其相应的载荷状态。

叶片理论载荷计算软件界面如图16所示，对于叶片每一切面，将切面所有参数输入到载荷计算软件中，得到每一切面在X（挥舞）、Y（摆振）、Z（轴向）方向的理论计算载荷。

③ 载荷谱&损伤监测模型

通过载荷标定，建立应变载荷方程，并在实际风场的安装使用中进行修正，通过大量数据累积，形成叶片载荷谱。

采用雨流计算法可以计算出每个测得的时间历程的疲劳载荷谱。采用这种类似定义的载荷和条件来进行设计计算，雨流法包括以下几下步骤：

?? 从序列载荷中根据雨流法挑出某相邻总的最大（峰值）和最小的（谷值）载荷并保留，记录其峰值和谷值。

?? 计算不同循环的累积数。

?? 在取出的每一组数据中最高波峰或最低波谷处，将波形裁成两段形成新的收敛—发散波。

载荷级数至少为50个，以便获得足够的精度。如果步长是固定的，应选择预计的最大的载荷范围，这样就可以使其获取最大的载荷。换句话说，就是对每个记录来说，根据每个记录中出现的最大范围，步长可以不同。

从雨流矩阵到载荷谱编制定寿所使用的载荷谱，需要了解风力发电机组整个设计寿命期内的外部条件与运行条件。这类数据可以表示成风速分布以及整个寿命期内可能出现的预期的各种事件（起动与停机、故障等），这些称之为“工作循环”。据此，确定总的寿命时间、每次稳态运行持续时间及瞬态事件载荷情况，然后导出每种载荷情况的加权因子，将测量载荷状态、雨流矩阵中每个元素出现的次数换算成寿命当量。使用载荷谱就是以加权的总体的雨流矩阵为基础而制定的，这个过程不考虑载荷情况转换时引起的低周疲劳载荷。

等效载荷是对给定的载荷测量时间内对疲劳载荷的效果的一种方便的、简明的描述。等效载荷是一个概括性的信号载荷，在给定的时间历程中以给定的频率（例如1Hz）出现的总的循环次数施加这个载荷时，它所造成的疲劳损伤与测得的载荷谱中所有雨流计算出的载荷幅值造成的损伤之和是相同的。等效载荷的最大优点是能够对一个特定载荷在给定的时间内可能造成的疲劳损伤进行简要描述。因此，能够对不同运行条件下（如自然风，尾流，高湍流等等）的疲劳损伤直接进行比较，并能够对模拟出的疲劳载荷和测量出的疲劳载荷进行比较。更明确地说，等效载荷是加权的平均雨流值，采用相关材料的S-N曲线的斜率m作为加权指数。假设材料特性用一个指数公式表示：

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式中：N 是在以S级载荷幅值载荷下疲劳损坏时的循环次数，S、C、m 是材料

特性，S—N曲线中的斜率m由相关材料来确定。

确定等效载荷时，需选择一个对应的等效循环次数。等效循环次数应代表给定载荷类型的典型频率。风轮俯仰弯矩等效循环次数应和叶片通道的频率一致，也可以简单采用1Hz。等效载荷用以下公式定义：

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并非所有材料的疲劳特性都完全满足S—N曲线的指数方程，而且，由于等效载荷估算并未考虑每个测量载荷周期的不同平均载荷，因此，等效载荷不能看作是对疲劳损伤的精确估算。它是对通常情况下不同载荷样本相关损伤的较好估算，因此对统计的描述非常有用。

将载荷谱作为叶片安全运行的依据，研究不同风速情况下的实测载荷谱，与安全载荷谱进行比较，可以计算叶片安全运行的余量，作为拓展发电风速的依据。

叶片在损伤情况下，应变场的分布会发生改变，以此为依据可以判断叶片的受损情况。

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