پایش وضعیت پره‌های توربین‌های بادی تحت بارگذاری‌های استاتیکی و خستگی با روش آکوستیک امیشن

Acoustic Emission Monitoring from Wind Turbine Blades

 Undergoing Static and Fatigue Testing

پره‌های توربین‌های بادی تحت بارهای گسترده پیچیده و کاملاً اتفاقی قرار می‌گیرند. تاریخچه این بارگذاری‌ها برای برآورد عملکرد این سازه‌ها نقش حیاتی دارد. به خصوص زمانی که این سازه‌ها درجایی غیرقابل‌دسترس مثل فراساحل نصب می‌گردند. در این حالت پایش وضعیت آن‌ها اهمیت پیدا می‌کند. پره‌های توربین‌های بادی از مواد کامپوزیتی شیشه-پلی استر و شیشه – اپوکسی ساخته می‌شوند.

تست‌های استاتیکی و دینامیکی به‌عنوان تست‌های معمول برای ارزیابی این سازه‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرد. این تست‌ها به‌منظور اطمینان از اینکه پره‌های توربین‌های بادی می‌توانند بارگذاری‌های بالا را تحمل کنند طراحی و تعریف شده‌اند. انجام تست‌های استاتیکی و خستگی باعث ایجاد ترک‌ها و شکستگی‌های موضعی در طول پره شده که محل آن‌ها باید تخمین زده شود.

شناسایی محل ایجاد خرابی و درعین‌حال شدت آسیب ایجادشده از اهمیت بالایی برخوردار است. بطوریکه اطلاع از این پارامترها در بهبود طراحی پره‌ها می‌تواند خیلی کارساز باشد. یکی از روش‌های مدرن که دراین‌ارتباط می‌تواند مورداستفاده قرار بگیرد، روش غیر مخرب آکوستیک امیشن است که علاوه بر مکان‌یابی می‌تواند مقدار آسیب ایجادشده را نیز تخمین بزند.

 در ادامه این متن به اطلاعات به‌دست‌آمده از تست پره‌ها با روش آکوستیک امیشن اشاره شده است.

.

اطلاعات به‌دست‌آمده از تست پره‌های توربین‌های بادی با روش آکوستیک امیشن

در ابتدا دو پره تحت بار استاتیکی برای آزمون آکوستیک امیشن مورد ارزیابی قرار گرفتند.

بارگذاری دارای دو سطح مختلف بود: بارگذاری نامی (Nominal Operation Load-OL) و بارگذاری با ماکزیمم مقدار (Maximum Test Load-MLT).

در بارگذاری نامی سازه نباید تحت آسیب‌های زیاد قرار بگیرد در این بارگذاری تست‌های متعددی ممکن است برای پره‌ها قبل از رسیدن به تست استحکام نهایی انجام شود. با توجه به اینکه کامپوزیت‌ها در حین بارگذاری صداهایی را ساطع می‌کنند بنابراین بارگذاری اولیه باید دو بار تکرار شود.

در طول بارگذاری دوم، انتظار می‌رود که هیچ پدیده آکوستیکی درصورتی‌که آسیبی پیشروی نداشته باشد، دیده نشود. در برخی استانداردهای موجود آکوستیک امیشن، نظر بر این است که نیرو به مدت 10 دقیقه به‌منظور رسیدن به پایداری لازم بر روی سازه اعمال و نگه‌داشته شود. بر طبق این روش تا رسیدن به مقدار نیروی نهایی استاتیکی، نیروها به‌صورت نسبی افزایش می‌یابند. هر نیرو به مدت 3 دقیقه نگه‌داشته می‌شود و این آزمون تا زمانی ادامه می‌یابد که پره دچار شکست شود یا به استحکام نهایی برسد.

محل اعمال نیرو و فاصله سنسورها نسبت به هم در شکل 1 آورده شده است. پره دارای طول 4.5 متر بر روی یک تکیه‌گاه در ریشه قرارگرفته است. نیروها نهایی برای شکست بر روی kN 5.9 است که در شکل 2 مشاهده می‌شود.

در شکل 3 اتفاقات آکوستیکی نسبت به زمان آورده شده است. نیروهای اعمالی بر روی سازه در شکل با منحنی سبز نشان داده شده است. پره تا نیروی ماکزیمم 5.9 kN در اثر کمانش ناپایدار در سازه دچار شکست شد. نقطه شکست در فاصله 2.4 m از ریشه پره بین سنسور 5 و 6 است.

ماکزیمم بارگذاری بر طبق ایجاد یک‌بار بر روی سازه به‌صورت بارگذاری با طول زمانی 10 ثانیه است. قبول یا ردی معیار تست بر اساس اینکه آیا پره تحت این بار توانسته دوام بیاورد یا نه حاصل می‌شود. بنابراین نیازمند طراحی یک پروفایل نیرویی است که نشانگر یک تست استاندارد بوده و ارزیابی‌های آکوستیکی را نیز در بر داشته باشد. این نیرو باید درواقع نشانی از یک نیروی با مقدار زیاد بر روی پره باشد که پره در طی عملکرد ممکن است با آن مواجه شود؛ همچنین نیازمند این باشد که بتوانیم تشخیص دهیم که آیا بعد از بارگذاری آسیبی ایجادشده است یا نه؛ بنابراین یک ترتیبی از بارگذاری‌ها باید بر روی پره انجام بگیرد تا مینیم مقدار بارگذاری که باعث تشخیص یک اتفاق آکوستیکی می‌گردد را مشخص کند. در شکل 4 نتیجه این بارگذاری‌های مکرر برای رسیدن به آن هدف آورده شده است.

تست خستگی

برای تست خستگی که ممکن است تا 2 ماه به طول بیانجامد. تعدد داده‌های جمع‌آوری‌شده در حین تست آکوستیکی مسئله خیلی مهمی است. برای مدیریت داده‌های آکوستیکی صرفاً پارامترهایی مثل تعداد سیکل‌های بارگذاری، انرژی، داده‌های پارامتریک، میانگین سطح سیگنال‌های آکوستیکی به‌طور پیوسته ثبت و ضبط می‌شود. بعد از هر 10000 سیکل به‌اندازه 10 سیکل با فرکانس پایین ثبت داده اتفاقات صورت می‌گیرد. در این تست‌ها حد آستانه بالاتر از 55dB تنظیم می‌گردد. تست خستگی دارای 4 مرحله بارگذاری مختلف است که در شکل پایین آورده شده است.

• بارگذاری استاتیک اولیه تا OL (داده‌های آکوستیکی ثبت می‌شود).
• بارگذاری استاتیکی در حین شروع و بعد از 500000 سیکل تا 10 درصد بار ماکزیمم خستگی (داده‌های آکوستیکی ثبت می‌شود).
• بارگذاری با سرعت بالا 2 Hz بارگذاری خستگی سینوسی R=0.1 تا بارگذاری ماکزیمم خستگی (داده‌های پارامتریک و انرژی و سطح دامنه سیگنال‌ها ثبت می‌گردد).

بعد از هر 10000 سیکل، بار اعمالی به یک‌دهم کاهش می‌یابد. یعنی 0.2 Hz و در طول این بازه زمانی مشخصه‌های نیرو-کرنش و فعالیت‌های آکوستیکی مورد پایش قرار می‌گیرد.

منبع: https://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn553/idn553.html

بیشتر بخوانید: بازرسی مخازن ذخیره آمونیاک به روش آکوستیک امیشن