风电机组叶片无损检测技术研究与进展

01 风电叶片主要缺陷、损伤类型及损伤原因

1）疲劳损伤。风力发电机在长期运行中，由于疲劳作用叶片会出现微小裂缝、裂纹和缺陷等，最终导致叶片的断裂或失效。

2）延迟失效。当叶片被暴露在恶劣环境下，比如高温、低温、潮湿或强风等条件下，其寿命会显著降低，可能会导致延迟失效。

3）冲击损伤。当叶片受到外部冲击或碰撞时，容易出现破裂、裂纹和断裂等问题。

4）腐蚀损伤。当叶片表面受到化学物质、海水或大气污染等因素的侵蚀时，会出现腐蚀损伤，导致叶片性能下降或失效。

5）材料老化。随着使用时间的增加，叶片材料的力学性能逐渐下降，这可能会导致叶片的失效。

图1

风电叶片的局部损伤通常指在使用过程中，叶片某些区域出现了裂纹、划痕、腐蚀等问题。这些损伤可能会影响叶片的性能和可靠性，甚至危及风力发电系统的安全。

叶片运行进入中期后，叶片表面受疲劳载荷作用容易产生裂纹，尤其是前缘处受拉伸载荷的影响容易产生横向疲劳裂纹（裂纹沿叶展方向为纵向裂纹，垂直于叶展方向为横向裂纹）。叶片表面裂纹产生的原因有：

1）涂层本身耐候性（耐紫外、风沙、雨蚀等）不满足设计要求，整体出现龟裂等；

2）涂层底部的复合材料部分存在缺陷，导致叶片运行过程中出现应力集中，裂纹在涂层面上表现出来，如图2和图3所示。

如果叶片生产制造过程中存在一些区域粘接不良，在长期交变载荷的作用下，叶片表面、前后缘、主梁、腹板等部分可能会发生分层，如图4和图5所示。分层可能会导致叶片局部或整体发生屈曲，屈曲会降低叶片的强度，从而对叶片结构造成不同程度的危险。当局部屈曲和分层的联合作用达到一定程度时，叶片会突然断裂。

图4 叶片表面分层

风电叶片先分别制造两个半壳，最后合模粘接而成，叶片的前后缘位于粘接区域。该区域有多种损伤模式，开裂是主要的损伤模式，发生在叶片的叶根区域及叶尖区域，如图6和图7所示。叶根前后缘的裂纹主要是因为几何变化和疲劳引起的高应力集中，导致叶根处前后缘产生粘接开裂。叶尖处前后缘的开裂主要是因为壳体厚度减少，叶片刚度降低，载荷增加，使叶尖处粘接材料的剪应力增加，造成叶尖处前后缘开裂。

图6 叶片前缘开裂

图7 叶片后缘开裂

叶片表面侵蚀是一个复杂的物理化学过程，其侵蚀程度取决于环境条件，如温度、湿度、大气中的污染物和风速。雨滴撞击叶片表面时会产生压力波，这些压力波在叶片材料中传播，引起叶片表面的疲劳、开裂和表面粗糙化，随着凹坑密度的增加，最终形成凹槽，如图8所示。其他大而坚硬的颗粒，如冰雹和砾石等，在冲击叶片表面时具有很高的动能，特别是在靠近叶片尖端的速度很快的区域，会加速叶片表面的侵蚀。叶片长期运行后，侵蚀部位会发生分层和开裂，将会严重降低叶片的结构稳定性。出现侵蚀后的风电叶片会出现升力下降阻力增加的现象，有研究表明，风电叶片侵蚀会导致风电机组年发电量下降5%以上，潜在寿命损伤达7%。

风电叶片宏观损伤通常指在使用过程中，整个叶片出现了大面积的开裂、覆冰或者断裂等问题。这些损伤会直接影响风电叶片的稳定性、可靠性和安全性。

当风电叶片受到雷击后，叶片内部防雷装置不能及时将瞬间雷电电流引入到地下，叶片在雷电电流的作用下产生瞬时高温造成叶片损伤，导致叶片开裂，如图9所示。

风电机组叶片表面结冰取决于温度、湿度、空气密度、风速等变量。在高纬度高海拔地区，有丰富的风力资源，但在冬季这些地区有非常强的风力和高冷空气密度，容易导致叶片表面结冰，如图10所示。

通常叶片发生断裂主要是生产过程中工艺控制不良导致。生产过程中叶片根部局部区域树脂固化不完全导致强度、刚度降低，在疲劳载荷作用下风电叶片发生断裂，如图11所示。此外风速超限、风电机组失速、电气故障以及雷击等也是导致风电叶片断裂的原因。

02风电叶片损伤主要检测技术

风电叶片损伤实时监测技术是指风电叶片正常工作状态下通过传感器或其他技术手段对叶片运行状态进行实时监测，发现叶片运行过程中产生的损伤。目前主要的叶片损伤实时监测技术包括应变监测、振动监测、声发射监测、噪声监测、SCADA数据监测。

风电叶片运行时在外部载荷的作用下，正常叶片和含有损伤叶片在应变程度上存在明显的差异，当监测到的风电叶片局部应变值远大于其历史应变值时就可以判定该风电叶片部位产生了损伤。为了消除风电叶片尺寸的影响，须使用相对应变进行度量。目前主要有两种应变传感器可以对风电叶片进行应变监测，分别为电阻应变片和光栅布拉格传感器（FBG）。

FBG的工作原理是在光纤上刻蚀一特定间距的图案，可以在不同的位置实现期望的折射特性。当光栅区域被外部载荷激发时，会引起变形，从而改变有效折射率。FBG在使用时须嵌入到叶片内部，当叶片发生应变时，光栅布拉格传感器的折射率会发生改变，其反射回的反射光波长也会发生相应改变，可以通过特殊的测量装置监测出这种应变。光纤布拉格传感器工作原理如图13所示。

由于FBG具有抗干扰能力强、稳定性好、测量参数多等优点，不少学者进行了深入研究。以高性能光纤传感技术为基础，充分利用其分布式高密度测量、准分布式动态测量的特点，获取风力发电机结构的真实应变响应分布，提出了一种基于准分布式光纤光栅传感数据的大型风力发电机叶片覆冰识别方法。

提出了一种基于应变传递定律的聚合物填充FBG传感器精度可靠性评估方法，建立了用于风电机组叶片结构试验的应变传递效率的计算模型。结果表明：交变负载的频率对FBG传感器的性能有重要影响，频率越高，应变传递效率和精度可靠性越高。

开发了基于光纤布拉格光栅传感器和光纤旋转接头的浮动风电机组叶片负荷在线监测系统，验证了其可行性和可靠性。

风电叶片的振动响应与其材料、结构特性（质量、阻尼、刚度）有关，叶片损伤（裂纹的出现或连接的松动）会引起叶片刚度降低导致振动信号参数与模态特性的变化，因此可利用振动信号参数与模态参数的变化来监测叶片结构中的损伤变化。

图14 风电叶片振动监测

基于模态的监测方法是通过提取不同状态下风机叶片的模态参数来进行风电叶片损伤识别，风电叶片的结构特征随着损伤的发生和扩展而变化，模态特性的变化可以用来揭示叶片的健康状况。

对加速度信号进行频域分解（FFD）以获得叶片模态参数，特别是固有频率和模式形状，并利用振型差（MSD）检测叶片纵向出现的裂纹，该方法被证明能够正确地检测和定位损伤特征。

利用中频振动提出了一种结构健康监测系统，能够检测风力涡轮机叶片的结构缺陷，如裂纹、前缘/后缘开口或分层。结果表明，即使小尺寸缺陷也可以在风电机组运行不停机的情况下远程检测。

对小型风力发电机叶片多种损伤工况的数值模拟进行模态分析，研究叶片损伤识别与定位的方法，提出通过自振频率的变化可判断叶片是否发生损伤。结果表明，无论叶片是否发生损伤，随着叶片转速的增大，其固有频率都会增大。

在外界条件（应力、温度）作用下，材料或构件的局部缺陷（损伤）部位因为应力集中而产生变形或开裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射（AE）。

近年来国内外学者将声发射技术应用于风电叶片损伤检测进行了大量、深入的研究。基于声发射技术提出了一种主成分聚类分析与BP神经网络相结合的材料损伤识别模型，基于试验数据对识别网络进行测试训练。训练结果表明，识别模型对未知类型疲劳损伤的识别率均高于90%。

选取含分层缺陷的玻璃纤维复合材料作为试验材料并进行室温单调拉伸试验，利用声发射技术对受载过程进行动态监测。采用K-均值聚类分析方法对声发射信号的幅值、峰值频率等特征参数进行损伤模式识别，借助BP神经网络识取失稳破坏前兆特征信号并对失稳状态进行预测。研究结果表明，对声发射信号、参数进行聚类分析可得到各损伤模式的特征频率。

提出了一种利用声发射信号对受损风机进行早期预警的时空处理框架，利用短时傅里叶变换（STFT）分析声发射信号的非平稳性。数值模拟表明，当叶片表面有孔时，声发射信号的固有频率趋于降低。

用声发射技术对疲劳载荷作用下的风电叶片进行全面健康监测，提出了基于快速搜索和查找的聚类方法（CFSFDP）识别损伤模式及检测异常值，并指出声发射信号不同频率下对应叶片不同的损伤模式，各种损伤模式的出现与振动次数和声发射信号的频率特征表现出一定的周期性变化。

风电机组在运行过程中会产生大量的噪声，其中特定的噪声信号可以反映风电叶片的某些损伤。通过麦克风采集到这些噪声信号，对噪声信号进行处理，提取与叶片损伤相关的信息，从而实现对叶片健康状况监测。除了单个麦克风测量外，还可以将多个麦克风组装成一个麦克风阵列，以实现声源的定向测量。

SCADA是风电机组的重要组件之一，大部分兆瓦级风电机组都配备有SCADA系统来控制风电机组运行并采集相关运行数据。SCADA系统可以记录风电机组运行状态，如风速、叶轮转速、发电机电流和电压、发电功率等大量的数据。

基于数据融合的叶片监测技术是指将多种不同类型的监测数据进行整合，以提高叶片损伤检测的精度和可靠性的技术。该技术可以通过以下步骤实现：

设计并开发了一种基于声信号融合的风力涡轮机叶片损伤预警系统。提出一种使用混合密集传感器网络进行风力涡轮机叶片损伤检测的算法，该算法利用多个传感器采集叶片的振动和应变信息，将其转换为数字信号并进行特征提取，然后使用多层神经网络（MLP）对特征数据进行分类和融合，以识别出叶片损伤。提出了一种基于多传感器信号和一维卷积神经网络（1D-CNN）的多级融合的振动-声学信号离心风机叶片损伤识别方法。

利用红外探测器将构件表面温度场分布转换为热图像，通过对图像的分析进行检测，如损伤、缺陷的判断，原理如图17所示。根据热激励方式不同，基于热成像的风电机组叶片缺陷检测技术可以分为被动式热成像技术和主动式热成像技术。

图17  红外热成像检测原理

无人机搭载高灵敏度的红外摄像机可以在相对合适的环境实现叶片损伤缺陷的快速检测，通过分析生成的图像可以方便地实现损伤检测和定位。

热成像技术可以在短时间内大范围检测叶片的损伤和缺陷，特别是叶片表面下的分层缺陷，由于红外热成像检测技术只需要一个高分辨率的热成像相机来完成检测，可以避免安装更多的传感器，降低了操作和维护成本。

在实际应用中叶片损伤位置的温度变化非常慢，热成像技术需要在损坏的缺陷位置有足够的热量才能被热成像摄像机感知，检测时受环境影响因素较大。

针对风力发电机叶片出现褶皱、气泡和泡沫（PVC）等典型缺陷后高空识别困难的问题，首先利用热传导方程推导出风电机组叶片出现缺陷区域与正常参考区域的温度变化关系，其次利用实验的方法测出预制缺陷的热扩散系数，然后在持续热激励实验中采集温度数据，最后根据软件对温度数据进行分析处理并选出满足温度阈值的缺陷及定位缺陷的位置。

图18 风电叶片损伤红外热成像检测

风电机组的安装位置，风电叶片巨大尺寸及人眼目视距离的局限性导致人工目视检测难以实现。基于无人机的机器视觉检测以其良好的适应性及灵活性在风电叶片损伤检测领域得到越来越多的应用，如图19所示。与人眼相似，叶片裂纹、划痕、孔洞、覆冰等的状态信息可以通过无人机拍摄二维或三维图像获得。图像是二维或三维空间的信号，目前已有许多算法提取图像几何、变形和纹理特征来判断叶片的健康状况，如傅里叶变换、小波变换等。

图19  基于无人机的风电叶片表面损伤检测

研究了一种基于数字图像处理的风电叶片的缺陷检测方法，使用LPSO算法和对数Gabor滤波器生成自适应滤波器，可直接输出多特征提取的最佳结果图像。然后使用基于HOG+SVM的分类器对缺陷类型进行识别和分类，该方法提取并识别划痕类型、裂缝类型、砂眼类型和斑点类型，识别率超过92%。

提出一种基于无人机叶片图像的分析检测方法，针对无人机拍摄的图像特点，通过运动模糊、图像降噪和图像增强的预处理，使目标区域和裂缝细节更加清晰完整。同时提出了一种基于灰度值的裂纹分析方法，考虑到裂纹的分布、严重程度和发展趋势，从而可以减少风电叶片日常检测中的盲区，从根本上大大降低了操作和维护成本。

1）应变监测：使用电阻应变片进行风电叶片损伤监测时，走线复杂，安装点位多，难以监测风电叶片内部结构中的损伤。使用光纤应变监测时，需要将光纤传感器预埋在风电叶片内部，增加了风电叶片制造的难度，此外，风电叶片特殊的结构也会影响光纤传感器的检测精度。

2）振动监测：振动传感器安装位置有限；振动信号数据量大，数据传输、处理成本高；振动监测对风电叶片早期微小缺陷不敏感。

3）声发射监测：由于声发射信号比较微弱，容易受到风电叶片工作环境的干扰。声发射监测对风电叶片内部损伤监测效果较好，而对于风电叶片表面损伤较难以监测。

4）噪声监测：噪声信号很容易受风速、温度、湿度、地形、传感器安装位置等因素影响，难以精确地对风电叶片损伤时产生的声信号进行采集。噪声信号须经过复杂的滤波、去噪处理后才能得到有效的信息，同时噪声信号与叶片的运动不直接关联，需要运用算法进一步处理，增加了噪声监测的难度。

5）SCADA数据监测：SCADA系统提供相对粗略的信息，难以对风电叶片损伤进行精确定位。SCADA系统会产生庞大数据，使用时需要对数据进行清洗、处理才能提取到有效的故障特征。对于风电叶片微小的裂纹或划痕等表面损伤无法进行有效的监测，SCADA数据监测的准确性及可靠性受环境因素的影响较大。

6）红外热成像检测：在使用红外热成像检测时需要在特定的环境下进行，易受环境温度、湿度等影响。一方面在进行检测时无法准确地确定风电叶片损伤的位置和程度，另一方面红外热成像检测需要专业的设备和人员，成本相对较高。最后红外热成像检测需要对叶片进行扫描，检测范围受限，难以覆盖所有可能存在的损伤区域。

1）风电叶片损伤的全面监测/检测：风电叶片尺寸巨大，结构复杂，目前大多数风电叶片损伤监测/检测技术主要集中在风电叶片表面的检测，但实际上叶片的内部也可能存在损伤，需要开发出能对风电叶片内部结构损伤进行监测的技术，以扩大检测范围。

2）提高损伤监测/检测的精度：现有技术在叶片损伤检测时存在精度不足的问题，需要进一步提高检测精度对损伤进行位置定位及类型判定与评估。

3）快速风电叶片故障排除技术：当检测到风电叶片损伤后，需要及时采取相应的修复措施。因此需要开发出基于叶片损伤程度和损伤类型的风电叶片损伤快速修复技术。

4）先进的数据处理技术：当前叶片损伤检测技术产生的数据量较大，需要进行有效地处理和管理。因此，需要优化数据处理算法，提高数据分析的准确性和效率。

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随着风电机组叶片生产制造技术的不断发展，相应的风电叶片损伤检测技术也在不断发展。大量工程应用的需求，风电叶片检测技术关注度逐年升高。不同风电叶片损伤监测/检测技术针对叶片损伤类型不同，其应用场景也不同，现有风电叶片监测/检测手段还存在一定局限性，如传感器数量多、走线复杂、精确性及时性差等。下面对比分析了目前各类检测技术的优缺点及其应用范围，提出了今后技术研究方向。

当前国内外风电叶片非实时损伤检测技术对比如下：

1）风电叶片损伤全面监测/检测技术：目前大多数风电叶片损伤监测/监测技术主要集中在风电叶片表面的检测，但实际上叶片的内部也可能存在损伤，需要开发出能对风电叶片内部结构损伤及表面损伤都能进行监测/检测的技术，以扩大检测范围。

2）多传感器融合监测研究：多传感器数据融合是将不同传感器采集到的多种类型数据进行集成，可用于增强叶片状况信息采集的完整性。通过数据融合的应用可以合理融合不同类型的信号，实现对整个叶片的准确全面监测。

3）风电叶片损伤高精度监测/检测技术：现有技术在叶片损伤检测时存在精度不足的问题，需要进一步提高检测精度对损伤进行位置定位及类型判定与评估。

4）新型非接触式监测/检测技术：传统的如应变、模态、振动等都需要在风电叶片上安装大量传感器，走线复杂且成本高。随着技术的发展，例如激光扫描，地基雷达、三维数字图像相关技术（DIC）等也可以用于风电叶片损伤的非接触监测。这些方法容易受到外部环境变化的影响，信号处理方法比经典的方法要复杂得多，需要进一步研究其适应性。

5）高效的风电叶片数据采集处理技术及算法：目前研究中的损伤检测主要依赖于传感器采集的数据及后续的数据分析，人工智能、机器学习等技术的发展较好地提升了数据建模及处理问题的能力。利用这些技术开发新的风电机组监测数据分析方法，对揭示风电叶片损伤故障的演变规律，准确对故障进行定位及分类，实现更好的检测精度具有重大意义。

6）低成本损伤监测/检测技术：当前叶片损伤检测技术和设备成本较高，需要进一步研究并开发出成本更低、易于维护的叶片损伤检测技术和设备。

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风电叶片的健康与否对风电机组的安全高效运行具有重要意义。及时检测叶片损伤不仅可以减少停机时间，降低操作和维护成本，还可以避免更大的灾难性损失。本文根据风电机组运行的工程实际综述了风电叶片典型损伤及其损伤机理，对目前主要检测技术进行了实时在线监测与非实时在线检测分类，阐述了这些监测技术的原理，比较了其优缺点以及相应的应用场景，提出了风电机组叶片损伤检测技术的可能研究方向。为需要了解风电叶片主要损伤类型及损伤机理、叶片主要损伤监测/检测方法的研究人员提供参考，对推进叶片损伤检测技术的实际应用与研究具有一定价值。