风机叶片损伤图像处理的研究近况

张乘民

摘要：目前依靠人工巡检方式对风机叶片进行检测容易引发疲劳，其主观因素也影响检测的结果及效率，因此风电场迫切需要能对实际现场环境中的叶片损伤图像进行自动识别的技术来改善人工检测的局限性。大型风力发电场通常位于较偏远的陆地、海岸或者靠近海上，环境恶劣且实行无人值守，风机叶片运行状态的实时监测面临着较大技术挑战。

关键词：风机叶片；损伤图像处理；研究

引言

风能不仅丰富、清洁、无污染，而且由于其资本建设时间短、设备规模灵活、环境影响不大等优点而得到越来越多的关注和迅速发展。叶片是风力发电系统的主要组成部分，在风力发电中起着重要作用。能否正常工作，对整个风力发电系统有着非常重要的影响。

1风机损伤的影响因素

1.1空滤芯未及时吹尘，未定期更换

空滤芯定期除尘不规律会直接导致空滤芯出现堵塞，进出的排气量也会因此大大减少；不及时更换滤芯会直接造成机器负压变化增大空气渗透，进而导致污染物直接进入外部机器，堵塞内部滤油器和大部分油芯，使机器冷却液和润滑油恶化，磨损机器主机。

1.2动、静叶片间隙过小，运行中碰磨损伤

因动、静叶片间隙一致，运行中如振动导致碰磨则会整圈叶片发生碰磨，故基本排除该原因。动叶片运行中与静叶片座碰擦变形，在负荷上升转子膨胀时发生动、静叶片碰擦。现场检查第二级静叶片座与动叶片相邻位置无明显碰磨刮擦痕迹，基本排除该原因。

1.3油细分离器不定期更换

如果油分离器没有及时更换，随着压差的增加，主电机的电流会增加，排量会减小。如果前后壳的压差过大而外壳无法完全击穿，冷却泵和润滑油泵就会随着冷却空气回流进入冷却管道，直至空气耗尽，主机箱和排气管的温度自然升高，导致自动停机。

1.4基建安装时部分动叶片弯曲造成碰磨

发电机转子动、静叶片碰擦先决条件：转子动叶片与静叶片间距在热态运行时超出说明书规定的装配间隙R值范围（32±2）mm。判断转子第二级5片动叶片在施工环节先行碰擦变形，转子振动整体呈现不平衡的趋势，随负荷上升，转子膨胀增加，先期变形的动叶与静叶片碰擦导致静叶整圈根部损伤。

1.5异物进入造成叶片碰磨损伤

抽出转子后检查定子、转子，除少量金属碎屑外均未发现明显异物，基本排除异物进入导致叶片损伤因素。

1.6散热器和排气扇未定期清洗

如果散热器和排气扇不定期清洗，油蒸汽和灰尘会长时间附着在上面，散热效果不好。如果油温没有得到有效控制，排气温度会升高，主机会在高温下停机。

2常见风机损坏检测技术

2.1声发射检测

对风扇机翼的长期风力冲击将导致机翼破损部位的应力集中，声发射检测装置可用于检测叶片损坏时立即释放的弹性波。静态载荷和循环疲劳试验验证声发射检测装置检测风扇叶片的损伤位置和类型，并确定风扇叶片处于相对较大载荷下时叶片损伤的临界值。优化风机叶片声发射传感器布局，实现基于无线传感器网络的信号采集，检测风机叶片裂纹。从风机叶片裂纹定位的现有方法出发，提出了一种基于风机叶片声发射信号小波分析的多传感器信号裂纹定位方法，与传统线性位置和平面位置相比，提高了风机叶片裂纹位置检测精度和裂纹强度识别。收集了大量叶片裂纹声发射信号，并用BP神经网络评价损伤程度，分析裂纹对风扇叶片的影响，仿真结果表明鉴定是有效的。

2.2光纤光栅检测技术

光纤入射光栅相位检测技术主要利用各种光纤检测材料的特殊光敏性，通过紫外线的曝光将其与入折射光互相干涉在光场中的图形直接写入纤芯，产生沿写入纤芯中心轴向进行折射的频率的高度周期性相位变化，形成永久的三维空间入射相位检测光栅。在不同应用位置上可安装不同光纤栅和光栅损伤传感器，检测不同风机驱动叶片内部材料的各种结构特性损伤，进而准确获得结构损伤检测信号的具体特征，并对应用实验室的数据分析进行综合分析，实现风机叶片结构损伤的准确识别和科学判断。通过利用光纤小波光栅信号传感器可以测量整个叶片基层表面射频应变信号分布的复杂变化，对叶片应变后的信号分布进行时域和频域对比分析，研究基于双面叶树复合函数小波变换的射频信号图像处理计算方法，通过分析比较整个叶片完好和连续裂纹时间所获得的各种特征参数数据来准确判断整个叶片的正常工作运行状态。

2.3超声波检测

风扇叶片的声学特性对超声波的传播途径有影响，叶片损伤的方向和程度可以通过超声波反射来判断。采用超声相控阵技术检测叶片的键合误差，采用超声波c扫描检测叶片中的异物。采用多频率谐波激励的非线性调制检测方法，检测风机叶片损伤时低频振动信号和高频超声波引起的非线性调制现象，定量评价损伤对叶片的影响，用于检测风机叶片早期裂纹损伤。采用离散小波变换、Hilbert变换和变分模式分解相结合的方法接收超声引导波信号，通过离散小波变换分析风机叶片损伤的大小和位置。采用模块化分解与Hilbert变换相结合的方法，比较了故障信号与叶片故障信号的瞬时频率、幅度和延时，通过适当的信号处理技术提高了风机叶片损坏评估的准确性。

2.4电阻应变检测技术

电阻驱动应变仪的检测元件是一种利用一个电阻驱动应变仪元件作为电阻传感器的元件，将电阻应变仪直接贴在被电阻测量的物体上。电阻值随被受测构件物体的应力变形而发生变化，反映出被受力部位构件物体表面或内部的受力应变，根据被测应力与物体应变的各种数学测量关系即可确定受力构件物体表面或内部的物体应力应变状态。电阻强度应变叶片检测系统会在应变叶片上直接铺设电阻应变片，有利于通过应变叶片电阻的强度变化检测来准确反映应变叶片整体内部结构的强度变化和应力损伤，有效率地检测应变叶片的内部应力强度变化和叶片表面结构损伤。

3防范措施

（1）转子动、静叶片安装后必须经金相检测合格。（2）发电机穿转子过程中严格执行防护措施，防止动叶片在穿转子过程中损伤。（3）发电机静叶片及支座复装时必须严格按照出厂说明书安装工序进行，安装时使用专用工具，防止因操作不当造成动、静叶片损伤。（4）组织对静叶座复装过程中可能造成叶片损伤的工序进行风险点分析，制订防范措施，并组织施工人员进行学习，落实好防范措施。

结束语

叶片正常运行状态缺陷及叶片故障诊断是影响风电场机组安全运行的重大技术隐患之一，随着大型风场机组叶片故障不断升级增多，对其如何进行叶片状态变化检测与叶片故障原因诊断分析具有重要指导意义。此外，风机叶片运行物理状态的在线维护监测与故障诊断等也是另一个非常值得我们关注的技术问题，这种技术通过利用安装在现场风机运行叶片上的在线故障监测诊断设备及各种新型信息设备实现了对风机叶片运行物理状态的在线实时故障检测、实时故障反馈。

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