FBG在葉片疲勞測(cè)試中的應(yīng)用

1、FBG在葉片疲勞測(cè)試中的應(yīng)用摘 要：開展了全尺寸風(fēng)電葉片揮舞方向疲勞測(cè)試，采用光纖布拉格光柵FBG應(yīng)變傳感器測(cè)量應(yīng)變數(shù)據(jù)，載荷標(biāo)定采用吊車豎直上拉分級(jí)加載，疲勞測(cè)試使用偏心電機(jī)共振法鼓勵(lì)葉片振動(dòng)，對(duì)該全尺寸風(fēng)電葉片在目標(biāo)疲勞測(cè)試載荷下的設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行了測(cè)試。驗(yàn)證了該型號(hào)葉片在目標(biāo)疲勞載荷下滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了光纖光柵技術(shù)在葉片疲勞測(cè)試中檢測(cè)應(yīng)變的可行性。向葉片設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)者提供了重要而詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，向葉片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，有助于提高風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)、研發(fā)和制造水平。關(guān)鍵詞：光纖布拉格光柵 葉片 載荷標(biāo)定 疲勞測(cè)試 應(yīng)變中圖分類號(hào)：

2、TP212                文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A            文章編號(hào)：1674-098X202107b-0131-03Abstract：Thefull-sizewindturbinebladeflapwisefatiguetestwascarriedout.ThefiberBragggratingF

3、BGstrainsensorwasusedtomeasurethestraindata.Theloadcalibrationwascarriedoutbytheverticalpull-uploadingofthecrane.Thefatiguetestusedtheeccentricmotorresonancemethodtoexcitethebladevibration.Thedesignlifeofthewindturbinebladesunderthetargetfatiguetestloadwastested.Itisverifiedthattheblademeetsthedesig

4、nrequirementsunderthetargetfatigueload，andthefeasibilityoftheFBGtechnologytodetectthestraininthebladefatiguetestisverified.Providesimportantanddetailedtestdatatobladedesignersandproducers，testdatasupportforbladedesignandproductionprocesses，helpsimprovethedesign，developmentandmanufacturinglevelofwind

5、turbineblades.KeyWords：FiberBragggrating;Blade;Loadcalibration;Fatiguetest;Strain現(xiàn)今社會(huì)，化石能源儲(chǔ)量已明顯降低，開采和使用本錢持續(xù)上升，同時(shí)化石能源不利于環(huán)境保護(hù)，對(duì)化石能源的依賴度已不如以往強(qiáng)烈，人們對(duì)風(fēng)能、太陽能等可再生能源的開發(fā)利用已日趨重視【1】。風(fēng)能，是自然界中非常充分的一種可再生能源，其商業(yè)價(jià)值極大。葉片是風(fēng)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的收集器。其是否具有可靠的性能是葉片產(chǎn)業(yè)必須重視的關(guān)鍵因素。風(fēng)電葉片核心技術(shù)包括氣動(dòng)翼型設(shè)計(jì)、載荷計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核、材料擇優(yōu)、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)等綜合集成技術(shù)【2】。風(fēng)電葉片

6、設(shè)計(jì)壽命一般為20年，為驗(yàn)證葉片能否正常服役20年，需要對(duì)葉片的各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測(cè)，其中疲勞性能驗(yàn)證是極其關(guān)鍵的驗(yàn)證內(nèi)容。在疲勞測(cè)試驗(yàn)證中，為了反響葉片的彎矩分布，需在葉片長(zhǎng)度方向布置應(yīng)變傳感器，通過采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換為彎矩?cái)?shù)值，和目標(biāo)彎矩進(jìn)行比照，確認(rèn)彎矩是否到達(dá)目標(biāo)彎矩。通常使用電阻應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，但其環(huán)境敏感度較高，易受溫度、電磁波等干擾。本文在全尺寸風(fēng)電葉片的疲勞測(cè)試中使用光纖布拉格光柵FBGFiberBraggGrating應(yīng)變傳感器測(cè)量葉片應(yīng)變。1 葉片疲勞測(cè)試在葉片測(cè)試中對(duì)葉片的性能評(píng)估主要包括固有頻率、極限載荷承載能力、疲勞壽命等。疲勞測(cè)試的目的是為了驗(yàn)

7、證葉片的設(shè)計(jì)假設(shè)，更準(zhǔn)確的說，疲勞測(cè)試時(shí)為了驗(yàn)證葉片是否具有設(shè)計(jì)中規(guī)定的承載能力和使用壽命。疲勞測(cè)試是風(fēng)電行業(yè)特別關(guān)注的一項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容。本文主要針對(duì)某型號(hào)風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的全尺寸大型風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行了光柵布拉格光柵測(cè)量疲勞應(yīng)變的研究。測(cè)試方法是在規(guī)定的葉片安裝角度下通過偏心電機(jī)施加等效疲勞載荷，采集葉片的應(yīng)變數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)，首先使用吊車對(duì)葉片進(jìn)行載荷標(biāo)定，在指定位置逐步施加豎直方向上的力，獲得應(yīng)變數(shù)據(jù)與彎矩之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。起重機(jī)加載具有操作簡(jiǎn)單、操作快捷、本錢低廉等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)變測(cè)量采用FBG進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集。2 測(cè)試原理寬帶光進(jìn)入FBG中傳輸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生模式耦合，滿足FBG條件的入射光將發(fā)生反射

8、，反射光譜峰值的中心波長(zhǎng)滿足式1【3】：3 測(cè)試方案3.1測(cè)試準(zhǔn)備和載荷標(biāo)定將被測(cè)葉片固定在試驗(yàn)臺(tái)上，在迎風(fēng)面P面和背風(fēng)面S面距葉片根部A、B、C、D、E、F、G、H共8個(gè)截面上的主梁中心粘貼FBG應(yīng)變傳感器，在預(yù)先設(shè)定好的位置安裝偏心電機(jī)激振設(shè)備，在指定位置分步施加豎直向上的力，如圖2所示。開始載荷標(biāo)定，使用吊車施加豎直向上的力F，獲得應(yīng)變和載荷數(shù)據(jù)，其中P面受壓，應(yīng)變?yōu)樨?fù)，S面受壓，應(yīng)變?yōu)檎?.2數(shù)據(jù)分析啟動(dòng)偏心電機(jī)激振器，調(diào)試電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得電機(jī)輸出頻率與葉片頻率接近，到達(dá)共振狀態(tài)，記錄每個(gè)FBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變數(shù)據(jù)，到達(dá)目標(biāo)應(yīng)變后保持電機(jī)頻率不變，持續(xù)振動(dòng)，直至完成測(cè)試。疲勞試

9、驗(yàn)過程中，典型應(yīng)變時(shí)間曲線如圖4所示，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為傳感器所測(cè)應(yīng)變。在整個(gè)疲勞測(cè)試過程中，每個(gè)FBG應(yīng)變傳感器會(huì)實(shí)時(shí)記錄每次循環(huán)振動(dòng)的峰峰值應(yīng)變數(shù)據(jù)，如圖4至圖11所示。4 結(jié)語疲勞試驗(yàn)過程FBG應(yīng)變傳感器的峰峰值變化保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯劇烈波動(dòng)，因此可判斷葉片在整個(gè)疲勞測(cè)試進(jìn)行過程中未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷或破壞，試驗(yàn)結(jié)束后檢查葉片，也未發(fā)現(xiàn)損傷，說明葉片承受住了疲勞測(cè)試載荷的考驗(yàn)，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，驗(yàn)證了FBG應(yīng)變傳感器在葉片疲勞測(cè)試中的使用效果。它具有測(cè)試數(shù)據(jù)精度高、傳感器體積小、抗電磁干擾、耐久性好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。從圖4圖11的數(shù)據(jù)曲線可看出FBG采集數(shù)據(jù)的非常穩(wěn)定，由于激振設(shè)備為變頻電機(jī)，測(cè)試環(huán)境中存在較強(qiáng)的電磁波，長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)采集數(shù)據(jù)未受到外界環(huán)境的干擾，穩(wěn)定性得到了驗(yàn)證。完成整個(gè)測(cè)試，布設(shè)的FBG傳感器未出現(xiàn)損壞，其疲勞耐久性也得以驗(yàn)證。本試驗(yàn)對(duì)全尺寸風(fēng)電葉片進(jìn)行了疲勞測(cè)試和應(yīng)變測(cè)量，驗(yàn)證了該葉片在目標(biāo)疲勞載荷下的疲勞壽，同時(shí)使用FBG傳感器有效采集了關(guān)注點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。向葉片設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)者提供了重要而詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，向葉片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，有助于提高風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)、