CN102588213B - 风力发电机叶片智能化监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机叶片智能化监测装置，包括：安装在轮毂上的叶片本体；经由齿轮箱及主轴连接所述轮毂或者直接连接所述轮毂的发电机；设置在叶片本体上的多个光纤光栅传感器；通过光纤和光纤耦合器连接所述多个光纤光栅传感器的光纤光栅信号分析仪；其中，设置在叶片本体上的每支光纤光栅传感器具有不同于其他光纤光栅传感器的波长，光纤光栅信号分析仪通过测量不同波长的光信号对应的温度、震动和应变量的幅值和频率关系，可获得叶片本体震动、动平衡、疲劳、变形、载荷、损坏信息，以便对事故的及时处理。

Description

风力发电机叶片智能化监测装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电机叶片监测，尤其是一种风力发电机叶片智能化监测装置。

背景技术

1.5兆瓦风力发电机的塔架高度为60米以上，而叶轮的直径为77米，也就是说叶轮的中心距地面61米高，叶片的最高点98.5米(最低点也在23.5米高)，叶片在这么高的部位运行，一旦出现开裂，被雷电击坏，表面结冰等是我们无法用肉眼及时发现的。小毛病不能被及时发现处理，最终将导致整支叶片断裂。

风轮在额定转速运行下，叶尖的线速度为70米/秒(这相当于一辆时速252公里的超高速行驶的小轿车的速度)，叶片的断裂不能被及时发现，一旦断裂，叶片会与塔架相撞击，将对风机的某些部件造成伤害。整个风轮(三支叶片和轮毂)重30多吨，产生的惯力和撞击力是很大的。

风力发电机的叶片使用寿命为20年，部件是完全暴露在光天化日之下，要经受住风、霜、雨、雷电、高温以及严寒和飓风的考验，叶片的损坏是不可避免的。目前叶片在风机的运行中发生损坏直至停机或者造成严重后果时才被发现，造成的损失是可想而知的。

风机越做越大，叶片随之而加长(45M/2MW、54M/3MW、61M/5MW)，大尺寸叶片柔性大大增加使叶片经常处于大攻角运行，失速现象严重，引发叶片疲劳振动，并降低发电效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力发电机叶片智能化监测装置，用于解决上述现有技术中存在的问题。

本发明的风力发电机叶片智能化监测装置包括：

多个叶片本体，安装在轮毂上；

发电机，经由齿轮箱及主轴连接所述轮毂或者直接连接所述轮毂；

设置在所述多个叶片本体上的多个光纤光栅传感器；

光纤光栅信号分析仪，通过光纤和光纤耦合器连接所述多个光纤光栅传感器；

其中，光纤光栅信号分析仪通过分别测量每个光纤光栅传感器经由光纤传送的光信号幅值变化及频率关系，获得叶片本体震动、动平衡、疲劳、变形、载荷、损坏信息。

其中，所述的光纤光栅传感器通过粘接胶固定在叶片本体的内壁或预埋在叶片本体内。

其中，光纤光栅传感器设置在叶片本体上的位置包括：叶片翼型剖面下表面、叶片前缘、叶片翼型剖面上表面和叶片后缘之一或其组合。

其中，所述叶片本体通过变桨法兰总成安装在轮毂上，主轴的一端与轮毂相连另一端与齿轮箱主轴相连，电滑环的一端与齿轮箱主轴相连另一端与光滑环相连，发电机与齿轮箱相连并分别固定在机座上，机座通过偏航法兰固定在塔筒上。

其中，光纤分为两段，一段穿过主轴、齿轮箱主轴和电滑环的内孔与光滑环的转子端相连，另一段经由光滑环的定子端与光纤光栅信号分析仪相连。

所述光纤光栅信号分析仪包括光信号处理单元、光电转换单元、模拟/数字转换单元、数字处理单元和通信接口，并完成对每个光纤光栅传感器波长的检测或通过光延迟将信号在时间上错开，通过先后顺序及不同的时隙来区分每个光纤光栅传感器的反射信号，并根据光纤光栅传感器对应的温度、震动和应变量的幅值和频率光纤，获得叶片本体的震动、动平衡、疲劳、变形、载荷、损坏信息；

其中，所述的光纤光栅分析仪的采样频率为0.01Hz至500Hz。

其中，叶片本体通过变浆法兰总成与轮毂相连，轮毂与发电机轴相连，发电机轴安装在发电机上，发电机固定在机座上，电滑环通过螺栓与发电机轴相连，光滑环通过螺栓与电滑环相连，机座通过偏航法兰与塔筒相连，塔筒固定在塔基座上。

其中，所述光纤分为两段，一段穿过发电机轴的内孔和电滑环的内孔与光滑环的转子端相连，另一段经由光滑环的定子端与光纤光栅信号分析仪相连。

本发明的风力发电机叶片智能化监测装置还包括设置在发电机或齿轮箱或轴承箱或机座或偏航法兰或塔筒或塔基座上的其他光纤光栅传感器，这些光纤光栅传感器通过光纤与光纤光栅信号分析仪相连，以实现对风力发电机的多部位监测。

其中，所述的智能化监测装置可以对整个风力发电场的风力发电机叶片进行集中监测，也可以对单台风力发电机叶片进行单元式监测，采用GPRS无线传输可以实现远程监测，以太网接口与以太网相连可实现多地、多机位网络数据传输。

本发明的特点是：通过光纤光栅传感器采集的信号传输给光纤光栅信号分析仪，光纤光栅信号分析仪将接收到的光信号分析整理、数据处理后传输给工控机，并通过专用软件在显示器上显示叶片的运行状况(如动平衡、超负荷运转等)。将采集到的信号经过进一步分析、计算、判断可获知叶片的健康状况(如叶片的损坏，前后缘开裂，材料老化等)。

显然，上述结构的风力发电机叶片智能化监测装置具有结构简单、可对叶片健康实时在线监测、安全可靠的特点。

本发明具有以下技术效果：

1、本发明的风力发电机叶片智能化监测装置，其在制造叶片的过程中把光纤光栅传感器埋在叶片本体内或叶片制做好后粘贴在叶片表面，当叶片安装在轮毂上时，把每个光纤光栅传感器通过光纤与光纤光栅信号分析仪相连，每个传感器相当于人体的神经，光纤光栅信号分析仪相当于人体的大脑，根据传感器输出的数据，光纤光栅信号分析仪会自动分析处理，显示叶片健康状况，隐患等。通过有线或无线的方式及时准确的传递给风场控制中心的值机人员，避免叶片带病工作，以减少事故的发生和损失。

2、风力发电机叶片智能化监测装置有数据输出接口，能传输给风机主控制系统可实现自动化控制，或修改变浆机构的变浆参数使叶片最大程度捕捉风能。叶片制造商或主机制造商与各风场控制中心联网，可获悉各地风场每支叶片的运行情况和健康状况，再经过仔细的分析还可以预知叶片未来的使用寿命。

3、依托风力发电机叶片智能化监测装置会有效地控制叶片及整机的载荷，以降低齿轮箱，转子和其他零部件的额外载荷，减少维护和提高风机可靠性。

4、风力发电机叶片智能化监测装置采用光纤光栅传感器和光纤传输，抗电池干扰、防爆、防腐、防雷击、高绝缘性、耐高温、体积小、重量轻、寿命长。

5、可以对单个风机叶片进行单元式监测，也可以对整个风力发电场风机叶片进行集中监测、与网络相连实现多地多机位网络数据传输或采用GPRS无线传输，实现远距离监测，灵活、便捷、可靠。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1a是本发明的风力发电机叶片智能化监测装置的第一实施例示意图；

图1b是图1a中A-A指示部位的剖视图；

图2是本发明的风力发电机叶片智能化监测装置的第二实施例示意图；

图3是显示本发明的光纤光栅传感器安装示意图；

图4是本发明的风力发电机叶片智能化监测装置的第三实施例示意图。

附图标记说明：叶片本体1、叶片翼型剖面下表面1A、叶片前缘1B、叶片翼型剖面上表面1C、叶片后缘1D、光纤光栅传感器2、光纤3、变浆驱动系统4、光纤耦合器5、变浆法兰总成6、轮毂7、轴承箱8、主轴9、齿轮箱10、齿轮箱主轴11、螺栓12、电滑环13、螺栓14、光滑环15、光滑环定子连杆16、发电机17、螺栓18、机座19、偏航法兰20、塔筒21、塔基座22、光纤光栅信号分析仪23、以太网接口24、连接线25、工控机26、显示器27、发电机轴28、粘接胶29。

具体实施方式

根据图1a和图2所示的实施例，本发明的风力发电机叶片智能化监测装置包括：

叶片本体1，安装在轮毂7上；

发电机17，经由齿轮箱10及主轴9连接所述轮毂7或者直接连接所述轮毂7；

设置在叶片本体1上的多个光纤光栅传感器2；

光纤光栅信号分析仪23，通过光纤3和光纤耦合器5连接所述多个光纤光栅传感器2；所述的光纤光栅传感器2受到温度或受力变化时，光纤光栅的栅格周期以及光纤芯层的折射率就会发生变化，使得光纤光栅的反射光波长随之改变。光纤光栅信号分析仪23通过对反射光波长的数字化精确测量，并根据输入的温度、应变量的幅值及频率关系，可获得叶片本体1的震动、动平衡、疲劳、变形、载荷、损坏等信息，通过人机界面输出，以便风场值机人员得到叶片的健康状况，及时发现事故隐患的损伤部位，及时排除故障，提高发电效率。

本发明利用设置在各个叶片本体1不同部位上的光纤光栅传感器2对叶片本体1不同部位进行实时监测，因而可以及时发现叶片本体的问题，及时进行检修，从而可以避免风力发电机出现损坏等严重后果。

另外，本发明的光纤光栅传感器2通过粘接胶29固定在叶片本体1的内壁或预埋在叶片本体1内，如图3所示。

此外，光纤光栅传感器2设置在叶片本体1上的位置包括：叶片翼型剖面下表面1A、叶片前缘1B、叶片翼型剖面上表面1C和叶片后缘1D之一或其组合，如图1b所示。

下面结合三个具体实施例，对本发明进行详细说明。

图1a显示了本发明的风力发电机叶片智能化监测装置的第一实施例，其中风力发电机为齿轮箱式风力发电机。

如图1所示，所述叶片本体1通过变桨法兰总成6安装在轮毂7上，主轴9的一端与轮毂7相连，另一端与齿轮箱主轴11相连(例如，通过插接或螺栓连接在一起)，并通过轴承箱8固定在机座19上，电滑环13的一端通过螺栓12与齿轮箱主轴11的输出端相连，另一端通过螺栓14与光滑环15相连，光滑环定子连杆16通过螺栓18与电滑环13相连，变桨驱动系统4与变桨法兰总成6和轮毂7相连，发电机17与齿轮箱10相连，发电机17和齿轮箱10分别固定在机座19上，机座19通过偏航法兰20固定在塔筒21上，而塔筒21固定在塔基座22上，所述的叶片本体1上设有若干个光纤光栅传感器2，光纤光栅传感器2与光纤3相连，光纤耦合器5通过光纤3将各组光纤光栅传感器2连接在一起，经过主轴9和齿轮箱10段的光纤3其一端通过光纤耦合器5和光纤3与光纤光栅传感器2相连，另一端穿过主轴9、齿轮箱主轴11、电滑环13的内孔与光滑环15相连，光纤光栅信号分析仪23的输入端通过光纤3与光滑环15相连，而输出端通过连接线25与工控机26相连，显示器27与工控机26相连。

光纤光栅分析仪23主要由光信号处理单元、光电转换单元、模拟/数字转换单元、数字处理单元和通信接口所组成，由于它们属于本领域公知技术，故省略对其详细说明。光信号处理单元首先发出光信号，经过光纤到达光纤光栅传感器2，光纤光栅传感器2反射回的光信号中携带了测点的温度、震动和应变量信息，沿原路返回到达光信号处理单元，完成每支光纤光栅传感器2信号的波长解调；光电转换单元将经过波长解调后的光信号转换成电信号，输入到模拟/数字转换单元，实现对光信号的数字采样；数字信号处理单元对已数字化的传感信号进行信号处理，完成对每支光纤光栅传感器2波长的检测或通过光延迟将信号在时间上错开，通过先后顺序及不同的时隙来区分每支光纤光栅传感器2的反射信号，并根据光纤光栅传感器2对应的温度、震动和应变量的幅值及频率关系，可获得叶片本体1的震动、动平衡、疲劳、变形、载荷、损坏信息，同时根据预设的报警阀值可判断是否发出超限报警信息；通信接口将所有信息通过连接线25发送到工控机26并通过专用软件处理，在显示器27上显示监测软件界面。

光纤光栅传感器2通过粘接胶29固定在叶片本体1的内壁，或预埋在叶片本体1内，参见图3。

图1b显示了光纤光栅传感器2的叶片本体1上安装部位，其中光纤光栅传感器2可根据需要置放在叶片本体1的叶片翼型剖面下表面1A，叶片前缘1B、叶片翼型剖面上表面1C和叶片后缘1D，数量可根据需要而订，纵向置放的数量也可根据需要而定。

图2显示了本发明的风力发电机叶片智能化监测装置的第二实施例，其中，该风力发电机为直驱式风力发电机。

如图2所示，叶片本体1通过变桨法兰总成6与轮毂7相连，发电机轴28置于发电机17内，其一端与轮毂7相连，另一端通过螺栓12与电滑环13相连，光滑环15通过螺栓14与电滑环13相连，光滑环定子连杆16的一端与光滑环15相连，另一端通过螺栓18与电滑环13相连，发电机17固定在机座19上，塔筒21的上端通过偏航法兰20与机座19相连，下端固定在塔基座22上，所述经过发电机17段的光纤3其一端通过光纤耦合器5和光纤3与光纤光栅传感器2相连，另一端穿过发电机轴28和电滑环13的内孔与光滑环15相连，光纤光栅信号分析仪23的输入端通过光纤3与光滑环15相连，而输出端通过连接线25与工控机26相连，显示器27与工控机26相连。

此外，光纤光栅传感器2通过粘接胶29固定在叶片本体1的内壁，或预埋在叶片本体1内，参见图3。

如第二实施例，光纤光栅传感器2也可根据需要置放在叶片本体1的叶片翼型剖面下表面1A，叶片前缘1B、叶片翼型剖面上表面1C和叶片后缘1D，数量可根据需要而订，纵向置放的数量也可根据需要而定。

图4显示了本发明的风力发电机叶片智能化监测装置的第三实施例，第三实施例通过对风力发电机多部件、多部位进行监测，实现对风力发电机的全面监测。

如图4所示，第三实施例与第一实施例或第二实施例的区别仅仅在于光纤光栅传感器2根据需要置放在发电机17、或齿轮箱10、或轴承箱8、或机座19、或偏航法兰20、或塔筒21、或塔基座22上，以上部位的光纤光栅传感器2通过光纤3和光纤耦合器5与光纤光栅信号分析仪23相连，以实现对齿轮箱10和发电机17以及轴承箱8的温度，振动等故障监测，监测机座19和偏航法兰20的振动、疲劳、变形、监测塔筒21的振动、变形、倾斜、监测塔基座22的松动等。

所述的风力发电机叶片智能化监测装置既可以对整个风力发电场的风力发电机叶片及各部件进行集中监测，也可以对单台风力发电机叶片及各部件进行单元式监测，采用GPRS无线传输可实现远程监测，以太网接口24与以太网相连可实现多地多机位网络数据传输。

风力发电机叶片智能化装置，所述光纤光栅信号分析仪23与风力发电机组的主控制系统相连，并根据风作用在叶片上的载荷情况，将采集并处理后的数据传输给主控制系统以便叶片及时调整变桨角度，并修改变桨机构的变桨参数，以便最大程度捕捉风能，同时还可以根据风的情况有效地控制叶片及整机的载荷，以降低齿轮箱10、转子和其它部件的额外载荷，减少维护和提高风机的可靠性。

尽管上文对本发明做了详尽说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明原理进行各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种风力发电机叶片智能化监测装置，包括：

多个叶片本体（1），安装在轮毂（7）上；

发电机（17），经由齿轮箱（10）及主轴（9）连接所述轮毂（7）或者直接连接所述轮毂（7）；

设置在所述每个叶片本体（1）上的多个光纤光栅传感器（2）；

将各个叶片本体上的多个光纤光栅传感器（2）连接在一起的光纤耦合器（5）；

光纤光栅信号分析仪（23），通过光纤（3）和光纤耦合器（5）连接每个叶片本体上的所述多个光纤光栅传感器（2）；

其中，光纤光栅分析仪（23）的光信号处理单元发出的光信号经过光纤到达光纤光栅传感器（2），光纤光栅传感器（2）反射回的携带了测点的温度、震动和应变量信息的光信号沿原路返回到达光纤光栅分析仪（23）的光信号处理单元；

其中，所述光纤（3）分为两段，一段穿过主轴（9），齿轮箱主轴（11）和电滑环（13）的内孔与光滑环（15）的转子端相连，另一段经由光滑环（15）的定子端与光纤光栅信号分析仪（23）相连。

2.根据权利要求1所述的风力发电机叶片智能化监测装置，其特征在于所述的光纤光栅传感器（2）通过粘接胶（29）固定在叶片本体（1）的内壁或预埋在叶片本体（1）内。

3.根据权利要求2所述的风力发电机叶片智能化监测装置，其特征在于，光纤光栅传感器（2）设置在叶片本体（1）上的位置包括：叶片翼型剖面下表面（1Ａ）、叶片前缘（1Ｂ）、叶片翼型剖面上表面（1Ｃ）和叶片后缘（1Ｄ）之一或其组合。

4.根据权利要求1或3所述的风力发电机叶片智能化监测装置，其特征在于，所述叶片本体（1）通过变桨法兰总成（6）安装在轮毂（7）上，主轴（9）的一端与轮毂（7）相连，另一端与齿轮箱主轴（11）相连，电滑环（13）的一端与齿轮箱主轴（11）相连另一端与光滑环（15）相连，发电机（17）与齿轮箱（10）相连并分别固定在机座（19）上，机座（19）通过偏航法兰（20）固定在塔筒（21）上。

5.根据权利要求1所述的风力发电机叶片智能化监测装置，其特征在于，所述的光纤光栅信号分析仪（23）包括光信号处理单元、光电转换单元、模拟/数字转换单元、数字处理单元和通信接口，并完成对每个光纤光栅传感器（2）波长的检测或通过光延迟将信号在时间上错开，通过先后顺序及不同的时隙来区分每个光纤光栅传感器（2）的反射信号，并根据光纤光栅传感器（2）对应的温度、震动和应变量的幅值和频率关系，获得叶片本体（1）的震动、动平衡、疲劳、变形、载荷、损坏信息；

其中，所述的光纤光栅分析仪（23）的采样频率为0.01Hz——500Hz。

6.根据权利要求1或3所述的风力发电机叶片智能化监测装置，其特征在于，所述的叶片本体（1）通过变桨法兰总成（6）与轮毂（7）相连，轮毂（7）与发电机轴（28）相连，发电机轴（28）安装在发电机（17）上，发电机（17）固定在机座（19）上，电滑环（13）通过螺栓（12）与发电机轴（28）相连，光滑环（15）通过螺栓（14）与电滑环（13）相连，机座（19）通过偏航法兰（20）与塔筒（21）相连，塔筒（21）固定在塔基座（22）上。

7.根据权利要求2所述的风力发电机叶片智能化监测装置，其特征在于还包括设置在发电机（17）或齿轮箱（10）或轴承箱（8）或机座（19）或偏航法兰（20）或塔筒（21）或塔基座（22）上的其他光纤光栅传感器（2），这些光纤光栅传感器（2）通过光纤（3）与光纤光栅信号分析仪（23）相连，以实现对风力发电机的多部位监测。

8.根据权利要求1所述的风力发电机叶片智能化监测装置，其特征在于所述的智能化监测装置能够对整个风力发电场的风力发电机叶片进行集中监测，也能够对单台风力发电机叶片进行单元式监测，采用GPRS无线传输能够实现远程监测，以太网接口（24）与以太网相连可实现多地、多机位网络数据传输。