一种恶劣环境风机叶片安全实时监测方法

本发明涉及风机叶片监测，特别是一种恶劣环境风机叶片安全实时监测方法。

背景技术：

1、风机的作业环境往往非常恶劣，叶片在运行中承受多种荷载，其中疲劳荷载是指在叶片周期性往复应力作用下可能引起疲劳破坏的荷载，主要来源包括：风载载荷、重力载荷、离心力、变速和变载荷、温度变化、不均匀振动、覆冰、强降雨等，由于这些疲劳荷载的循环作用，叶片根部或连接处，尤其在叶片与主轴的连接区域会出现裂纹，大量风沙随之进入裂纹，加速叶片表面开裂，进而演变成断裂，带来巨大的经济损失。目前对于风机叶片的监测，光纤光栅传感技术是受环境因素影响最小的监测手段，且能够良好的监测叶片表面的应变变化，但在实际应用中，缺乏针对性的损伤判断方法，无法及时的发现损伤并采取合理的维护措施，维护效率低，导致在恶劣环境中作业的风机叶片使用寿命低，产生经济损伤，甚至有安全隐患。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种恶劣环境风机叶片安全实时监测方法，满足风机叶片在恶劣作业环境下的实时状态监测，以便及时作出正确快速的应对，提高维护效率和风机叶片寿命。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明的一种恶劣环境风机叶片安全实时监测方法，包括以下步骤：

3、步骤ⅰ，构建所需监测的风机叶片的等比例模型，生成其迎风面和背风面的等效应变云图，用以划分光纤传感器的布设区域，在同一区域内的光纤传感器的布设密度一致；

4、步骤ⅱ，对叶片模型的迎风面和背风面进行网格划分，根据对应区域的布设密度在网格的节点上布设光纤传感器；

5、步骤ⅲ，通过采集多个光纤传感器的应变信号，计算各监测点实际应变并重构叶片的表面应变曲线，通过分析应变曲线图像变化判断是否发生突发荷载或者持续荷载；

6、步骤ⅳ，判断发生突发荷载或者持续荷载后，先通过应变发生位置、大小和方向采取应急变桨措施；再通过各所述光纤传感器自身测量所得应变信号计算叶片的固有频率，通过对比各光纤传感器的固有频率计算结果以及无损伤叶片的固有频率，判断叶片是否发生损伤；

7、步骤ⅴ，判断发生小尺度范围损伤时，先根据应变曲线分析确定突发载荷位置，再通过分析低阶固有频率的变化，判断小尺度范围损伤的损伤程度，依据突发载荷位置和损伤程度规划并执行小尺寸损伤维护事件；判断发生大尺度范围损伤时，通过对比相邻光纤传感器所得的高阶固有频率的同步性，确定大尺度损伤的位置，依据大尺度损伤位置规划并执行大尺寸损伤维护事件。

8、进一步地，所述光纤传感器设置有三个传感单元，分别用于测量其布设位置三个方向上的线应变，所述网格由相互正交的两个方向的网格线构成，两个方向的网格线分别沿所述风机叶片的转轴轴线和垂直于该轴线方向设置；布设单个光纤传感器时，先确定其在所述网格上的布设节点位置，以该节点为坐标原点o，垂直于转轴轴向的网格线为x轴，将其三个所述传感单元测量方向的交点与坐标原点o重合，再使得其中一个传感单元沿x轴方向布设，以逆时针方向为正方向，依次以夹角a向正方向展开布设另外两个所述传感单元。

9、进一步地，步骤ⅲ中，重构叶片表面应变曲线包括构建叶片迎风面和背风面的应变曲线，在绘制迎风面或者背风面的应变曲线时，先将各光纤传感器的测量值根据自身应力传递率计算出各点对应的实际应力值，再以沿叶片转轴轴线方向，且位于同一直线上的多个传感器所得实际应变值绘制应变曲线，从而分别获得迎风面和背风面上，沿x轴方向平行排列分布的多个条形区域的应变曲线。

10、进一步地，步骤ⅲ中，重构的所述应变曲线，为沿风机轴线方向应力随时间的动态变化曲线，当在某一时刻，存在距离叶片根部一定范围内的应变值上升，并在以后一定的时间段内恢复至正常应变值时，则判断发生有突发荷载；当在某一时刻，存在距离叶片根部一定范围内的应变值上升，并在以后一定的时间段内维持在高于正常应变值状态时，则判断发生持续荷载。

11、进一步地，步骤ⅴ中，突发荷载造成小尺度范围损伤时，先根据应变曲线分析确定损坏涉及的条形区域，每个条形区域内距离叶片根部最远的应变增大监测点为载荷接近点，将多个所述载荷接近点相连构成一条边界线，将各所述载荷接近点远离叶片根部一侧的相邻监测点相连构成另一条边界线，两条所述边界线间的区域则为小尺度范围损伤发生区域。

12、进一步地，步骤ⅳ-ⅴ中，若相邻光纤传感器测得的高阶固有频率不同步，则判定存在大尺度范围损伤，且损伤位置位于测得高阶固有频率不同步的两个传感器之间。

13、进一步地，假设光纤传感器测得的应变值为m，实际应变值为n，则，

14、

15、其中，γ为平均应变传递率：

16、

17、

18、式中，为橡胶封装光纤的平均应变传递率，为风机与橡胶基片间的平均应变传递率；k和k1为传感单元的材料及纵断面尺寸相关系数，l为光纤与橡胶基片的粘贴半长度，l1为橡胶基片与风机叶片的粘贴半长度。

19、进一步地，三个传感单元间的布设角度为a＝45°，三个传感单元的测量值分别为ε0°、ε45°、ε90°，则测得的应变值m，包括最大主应变εmax和最小主应变εmin：

20、

21、实际应变值n则包括实际最大主应变和实际最小主应变以实际最大主应变重构所述风机叶片的表面应变曲线。

22、有益效果：本发明的一种恶劣环境风机叶片安全实时监测方法，采用光纤光栅传感技术，对叶片迎风面和背风面分别进行分区域的应变曲线重构，根据曲线图像的分析，优先对突发应变和持续应变采取对应的变桨措施，降低损伤风险或减缓损伤的快速扩大，再结合固有频率的计算分析判断损伤的位置和程度，便于快速执行响应的维护计划，提高维护效率，有效保证风机在恶劣的环境下的作业安全，降低维护成本。

技术特征：

1.一种恶劣环境风机叶片安全实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种恶劣环境风机叶片安全实时监测方法，其特征在于：所述光纤传感器设置有三个传感单元，分别用于测量其布设位置三个方向上的线应变，所述网格由相互正交的两个方向的网格线构成，两个方向的网格线分别沿所述风机叶片的转轴轴线和垂直于该轴线方向设置；布设单个光纤传感器时，先确定其在所述网格上的布设节点位置，以该节点为坐标原点o，垂直于转轴轴向的网格线为x轴，将其三个所述传感单元测量方向的交点与坐标原点o重合，再使得其中一个传感单元沿x轴方向布设，以逆时针方向为正方向，依次以夹角a向正方向展开布设另外两个所述传感单元。

3.根据权利要求2所述的一种恶劣环境风机叶片安全实时监测方法，其特征在于：步骤ⅲ中，重构叶片表面应变曲线包括构建叶片迎风面和背风面的应变曲线，在绘制迎风面或者背风面的应变曲线时，先将各光纤传感器的测量值根据自身应力传递率计算出各点对应的实际应力值，再以沿叶片转轴轴线方向，且位于同一直线上的多个传感器所得实际应变值绘制应变曲线，从而分别获得迎风面和背风面上，沿x轴方向平行排列分布的多个条形区域的应变曲线。

4.根据权利要求3所述的一种恶劣环境风机叶片安全实时监测方法，其特征在于：步骤ⅲ中，重构的所述应变曲线，为沿风机轴线方向应力随时间的动态变化曲线，当在某一时刻，存在距离叶片根部一定范围内的应变值上升，并在以后一定的时间段内恢复至正常应变值时，则判断发生有突发荷载；当在某一时刻，存在距离叶片根部一定范围内的应变值上升，并在以后一定的时间段内维持在高于正常应变值状态时，则判断发生持续荷载。

5.根据权利要求4所述的一种恶劣环境风机叶片安全实时监测方法，其特征在于：步骤ⅴ中，突发荷载造成小尺度范围损伤时，先根据应变曲线分析确定损坏涉及的条形区域，每个条形区域内距离叶片根部最远的应变增大监测点为载荷接近点，将多个所述载荷接近点相连构成一条边界线，将各所述载荷接近点远离叶片根部一侧的相邻监测点相连构成另一条边界线，两条所述边界线间的区域则为小尺度范围损伤发生区域。

6.根据权利要求5所述的一种恶劣环境风机叶片安全实时监测方法，其特征在于：步骤ⅳ-ⅴ中，若相邻光纤传感器测得的高阶固有频率不同步，则判定存在大尺度范围损伤，且损伤位置位于测得高阶固有频率不同步的两个传感器之间。

7.根据权利要求6所述的一种恶劣环境风机叶片安全实时监测方法，其特征在于：假设光纤传感器测得的应变值为m，实际应变值为n，则，

8.根据权利要求7所述的一种恶劣环境风机叶片安全实时监测方法，其特征在于：三个传感单元间的布设角度为a＝45°，三个传感单元的测量值分别为ε0°、ε45°、ε90°，则测得的应变值m，包括最大主应变εmax和最小主应变εmin：

技术总结本发明公开了一种恶劣环境风机叶片安全实时监测方法，先划分布设区域，再对迎风面和背风面进行网格划分，根据对应区域的布设密度在网格的节点上布设光纤传感器；计算各监测点实际应变并重构叶片表面应变曲线，通过分析应变曲线图像变化判断是否发生荷载；荷载发生时，先应急变桨措施；再通过计算叶片的固有频率，判断叶片是否发生损伤；根据应变曲线分析确定突发载荷位置，通过分析低阶固有频率的变化，判断小尺度范围损伤的损伤程度；通过对比相邻光纤传感器所得的高阶固有频率的同步性，确定大尺度损伤的位置。本发明满足风机叶片在恶劣作业环境下的实时状态监测，以便及时作出正确快速的应对，提高维护效率和风机叶片寿命。技术研发人员：周之龙,张喆,何建平,鲍玉萍,严桂凤,鲍文浩,赵骏受保护的技术使用者：南通理工学院技术研发日：技术公布日：2024/12/2