逢友解析-风力机中的运动捕捉技术：优化性能与安全管理

流线型物体在稳定的流体中,都会在物体两侧周期性交替地产生脱离结构表面的旋涡,这种现象被称为“卡门涡街”。卡门涡街是一种复杂的流体动力学现象,通常发生在流体绕过圆柱体或其他非对称物体时。随着流体绕过物体,旋涡在物体的两侧交替产生并脱落,形成一个规律性的涡旋排列。

当风吹过高塔、烟囱、电线等结构时,卡门涡街现象会明显出现。特别是当漩涡脱落的频率与这些物体的固有频率接近或一致时,会引发物体的共振,这种共振现象被称为“涡激振动”。涡激振动可能导致结构物剧烈振动,甚至在极端情况下引发结构破坏。

一个著名的案例是美国的塔科马海峡大桥,这座桥在上世纪四十年代因为卡门涡街引发的共振现象而最终坍塌,而造成桥梁倒塌的风速仅为8级(17.2~20.7 m/s)。塔科马海峡大桥的倒塌促使工程师们在设计和建造大型结构时更加重视流体动力学的影响。

现代工程中,通过优化设计、使用扰流装置和采用先进的监测技术,可以有效减少卡门涡街和涡激振动的危害,确保结构的安全和稳定。对于风电机组的塔架而言,涡激振动就如下图所示:

一阶涡激振动

(垂直风向左右摇摆,基本是顶部摆幅大)

二阶涡激振动

(垂直风向左右摇摆,顶部几乎不动,中部摆动)

风况的不断变化、复杂的运行环境、高速旋转部件的磨损和疲劳等等,都是风电机需要面对的挑战。Qualisys三维运动捕捉系统系统的3D可视化和精确性,能够帮助优化风电机,为塔架的设计、监测和维护提供了全面支持。

风力发电机塔架作为整个风电系统的关键支撑结构,其稳定性和安全性至关重要。塔架需要承受风力、振动和设备重量等多种应力,因此对其进行精确的监测和分析尤为重要。

Qualisys系统特征

十分契合内陆和近海涡轮机

简单、高性价比的解决方案

确定风险因素并立即做出决定

3D可视化及实时数据

串联连接易于安装

100米+范围可达毫米级精确度

恶劣环境中运行良好

风力发电机塔架在运行过程中会受到不断变化的风力和机械负荷,这些因素可能导致塔架产生振动和变形。Qualisys运动捕捉系统通过在塔架上安装标记点,并利用高精度摄像机捕捉这些标记点的运动,能够实时监测塔架的振动和变形情况。这些数据帮助工程师了解塔架在不同负荷条件下的动态行为,识别潜在的结构问题,确保塔架的稳定性和安全性。

通过分析Qualisys系统捕捉的数据,工程师可以更好地理解塔架在各种环境条件下的应力和变形情况。这些信息对于优化塔架设计至关重要,利用这些数据进行有限元分析和其他模拟,优化塔架的结构设计,使其能够更有效地抵抗风力和其他负荷,延长塔架的使用寿命。

对风电机而言,在风力涡轮机的运行过程中,还有多种变量可能导致轴承故障。这些变量包括风压、振动和其他外部因素,它们都可能引起变速箱的异常运动,最终导致设备损坏或失去动力。这种复杂的机械环境需要有效的监测系统,以确保设备的稳定运行和及时维护。

为了解决这一问题,Qualisys三维运动捕捉系统被应用于风力涡轮机的实际部署中。Qualisys具有经济高效、安装方便的特点,可以对变速箱性能进行实时的三维监测。这种监测方式帮助作业者迅速确定潜在的风险因素,并立即做出相应的决策,以避免严重故障的发生。

具体而言,Qualisys运动捕捉系统的工作原理是,将摄像机对准变速箱上的一组标记点。通过这些摄像机,可以捕捉到变速箱在各个方向上的实时运动数据。这些数据经过处理后,提供了变速箱在运行过程中的详细运动情况。

Qualisys系统捕捉到的画面不仅能帮助优化风力涡轮机的整体性能,还能显著减少运行中的停机时间。通过实时监测和快速反应,作业者可以及时发现并解决问题,确保风力涡轮机的持续高效运行。

风力涡轮机叶片的超大尺寸在运行过程中会产生巨大的压力。这些叶片不仅暴露在恶劣的外部环境中,还需要支撑自身的重量,这些因素都会导致叶片在各个方向上出现明显的移动和弯曲。这种复杂的应力和变形情况对叶片的结构完整性和使用寿命提出了严峻挑战。

为了确保叶片在这种苛刻条件下的安全运行,需要进行严格的测试,以确定叶片的弹性及其在不同压力下的表现。这些测试旨在评估叶片在风力和自重作用下能够安全吸收多大压力,以及在这些压力下的变形情况。

Qualisys运动捕捉系统在这一测试过程中发挥了关键作用。该系统能够精确地追踪叶片在所有方向上的偏转。通过在叶片上布置一系列标记点,并利用高精度摄像机捕捉这些标记点的运动,从而实时监测叶片的动态行为。通过捕捉和分析这些数据,工程师可以全面了解叶片在各种负荷条件下的变形情况。

这种详细的运动分析不仅有助于验证叶片设计的可靠性,还能为进一步优化设计提供宝贵的数据支持。通过使用Qualisys系统,工程师可以快速识别潜在的结构弱点,并进行相应的改进,确保叶片在长时间运行中的安全性和稳定性。

Qualisys运动捕捉系统在风力涡轮机叶片测试中的应用,不仅提升了测试的精确性和效率,还为风力发电设备的可靠性提供了有力保障。这一先进的技术手段,使得风力涡轮机叶片能够在极端环境中保持最佳性能,从而推动可再生能源的发展和应用。

在海上光伏平台上,Qualisys系统同样展现了其强大的应用能力。海上光伏平台需要面对海浪、潮汐和风力等多重因素的影响,其结构稳定性和性能是确保平台高效运行的关键。通过使用Qualisys系统,工程师能够实时监测平台的动态行为,捕捉其在各种环境条件下的运动情况。这些数据对于评估平台的稳定性和安全性至关重要,并为优化设计和维护提供了科学依据。

Qualisys运动捕捉系统在风力机和海上光伏平台的测试工况中,发挥了不可替代的作用。它不仅提供了精确的实时数据,帮助工程师进行详细的分析和优化,还通过其经济高效和安装方便的特点,为可再生能源设备的可靠性和运行效率提供了有力保障。这一先进技术的应用,推动了风力和太阳能发电领域的发展,促进了可再生能源的广泛应用和技术进步。

除此之外,Qualisys运动捕捉系统还可应用于船舶、潜航器等领域。