CN104514686B - 一种实时监测风机塔筒运行状态的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实时监测风机塔筒运行状态的装置及方法，采用激光测距技术，将激光发射头放置于风机塔筒轴线的顶部位置，风机塔筒轴线的底部位置放置凹球面激光接收装置，凹球面上均布的激光接收头均对应着塔筒沿X、Y轴偏离的角度，凹球面接收装置内包含一些信号处理技术模块，通过计算一系列的激光接收头接收到激光发射头发送的激光信号及变换速率，得出塔筒沿X、Y轴偏离的角速度和加速度及绕Z轴（塔筒轴线方向）的扭角。还具有风速、六维力传感器，传感器信号通过数据传输系统传入风场主控制系统。本发明对风力发电机塔筒的稳固性（倾角和扭转）进行实时监测，以便在风向快速变化的复杂条件下准确反映风机塔筒状态并及时做出响应。

Description

一种实时监测风机塔筒运行状态的装置及方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组领域，特别涉及一种实时监测风机塔筒运行状态的装置及方法。

背景技术

目前，随着社会的发展，世界能源消耗量持续增加，各国的能源危机形势愈发明显。但由于风能的可再生、分布广、无污染等特性，使得风能发电成为世界上可再生能源发展的重要发展方向，且风力发电机组正在向轻型、高效、高可靠性及大型化方向发展。然而，在大中型风力发电机组中，往往采用较高的塔筒来支撑风机叶轮和机舱，以便获得更多的风能。其中塔筒作为风机机组重要的承载部件，其工作环境恶劣，长期承受风载荷和重力等负载（塔筒自重，发电机组的重力）的作用，还承受风轮旋转所产生的周期性激励负载等因素将直接影响风力机的工作性能和可靠性。

一种风机塔筒倾角状态监测装置（201220258304.4）采用三个角度传感器进行实时监测风机塔筒倾角状态，使得维修人员即时了解风机塔筒的倾角状态，进而及时采取补救措施，避免故障的进一步扩大。

现有的实时监测风机塔筒运行状态的方法常采用三个方向的角度传感器测得风机塔筒偏离三个方向的角度进行处理、分析来评估塔筒的稳定性。具有以下不足：

（1）风向快速变化的复杂条件下，不能够实时准确反应风机塔筒的运行状况。

（2）不能够实时获得风机套筒上主要的可变载荷（风载荷及风轮旋转所产生的周期性激励负载）。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷,设计一种可对风力发电机风机塔筒的稳固性（倾角和扭转）进行实时监测装置，以便在风向快速变化的复杂条件下更准确地反映风机塔筒的运行状态，并及时调整风机叶轮的方向和将警报远程发送给指控中心。

一种实时监测风机塔筒运行状态的装置包括：风力发电机叶片、风机塔筒、底座和一组或两组或两组以上对应且设置于风机塔筒轴线或风机塔筒轴线的平行线上的安放于风机塔筒顶部的发射装置和安放于风机塔筒底部的凹球面接收装置组成；

上述技术方案所述接收装置为凹球面接收装置或平面接收装置，所述凹球面接收装置的凹球面的曲率半径为发射装置到接收装置的距离。

凹球面接收装置的球面上均布了一系列的激光接收头，定义塔筒轴线方向为Z轴，通过塔筒顶部的激光发射装置发射出的激光，射向凹球面激光接收装置，并且被凹球面上对应的激光接收头所接收，凹球面上均布的激光接收头，均对应着塔筒沿X、Y轴偏离的角度，凹球面激光接收装置内包含一些信号处理技术模块，通过计算一系列的激光接收头接收激光发射装置发送的激光信号的变换速率，得出塔筒沿X、Y轴偏离的角速度和加速度。

另外，此装置还可以分段安置以适应不同高度风机塔筒的运行状态监测，具体如下，塔筒顶部安置一个激光发射装置，塔筒中间部位安置一个凹球面激光接收装置，并且中间还安置一个激光发射装置，其用于向底部发射激光，塔筒底部安放一个凹球面激光接收装置，这样通过两级或者多级串联，来实现对风机塔筒的运行状态监测。

上述技术方案还具有用于监测风机塔筒的偏转角度、角速度和加速度的角运动检测装置，用于实时监测风机塔筒风速大小的风速传感器，用于实时监测风机塔筒底端三个方向的压力和扭矩的六维力传感器以及用于发出控制信号控制叶轮和机舱位姿方向运动的风机主控系统；所述角运动检测装置和风速传感器均安装在风机塔筒的顶部；所述六维力传感器安装在风机塔筒的底部；所述风机主控系统的输入端接角运动检测装置的输出端、风速传感器的输出端、六维力传感器的输出端，风机主控系统的输出端接维修预防中心。

上述技术方案所述发射装置为激光发射装置或微波发射装置或超声发射装置；所述接收装置为激光接收装置或微波接收装置或超声接收装置。

通过此风机塔筒检测装置，将实时采集风机塔筒内的角度、角速度、角加速度、以及绕Z轴的扭角和扭角的变化速率，通过通讯模块发送到外部的风机控制装置中、结合塔筒底部的压力传感器、风机塔筒顶端的风速传感器传输到风机主控系统中，风机主控系统内部设置一些阈值，当测得的这些信号超过预警阈值但低于报警阈值，风机主控系统将发出控制信号用来控制叶轮和机舱沿合适的位姿方向运动。一旦测得的这些信号超出了所设的报警阈值，风机主控系统将向维修预警中心发出报警指示，以便维修人员即时了解风机塔筒的倾角状态，进而及时采取补救措施，避免故障的进一步扩大。

一种实时监测风机塔筒运行状态的的方法，具体步骤如下：

a、在风机主控系统内部设置一些预警、报警参考阈值；

b、定义风机塔筒的中心轴为Z轴，风机塔筒轴心的顶部激光发射装置发射激光，风机塔筒轴心的底部激光接收装置接收激光信号，通过角运动检测装置、风速传感器和六维力传感器测得当前的角度信号、角速度信号、角加速度信号、风速信号和六维力信号，并将测得的角度信号、角速度信号、角加速度信号、风速信号和六维力信号传输到风机主控系统中；

c、对步骤b中获得的角度信号、角速度信号、角加速度信号、风速信号和六维力信号的数值与步骤a中设定的参考阈值作差值处理；当风机塔筒无横向风载荷时，激光接收装置接收到激光信号的位置为接收装置的中心位置；如果有载荷时，其光信号偏离轴心位置，对应接收信号位置（X，Y）；

d、通过接收信号位置和时间变化能计算出风机塔筒的倾角、角速度、角加速度以及绕风机塔筒轴线的扭角和扭角的变化速率；

e、通过通讯模块发送到外部的风机控制装置中、结合塔筒底部的压力传感器、风机塔筒顶端的风速传感器传输到风机主控系统中；

f、进行二值化处理：当计算出的信号的数值超过预警阈值但低于报警阈值时，风机主控系统将发出控制信号控制叶轮和机舱沿所需调整的位置方向运动；当计算的信号的数值大于报警阈值，风机主控系统将通过通讯模块向维修预警中心发出报警指示。

采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：

（1）本发明对风力发电机塔筒的稳固性（倾角和扭转）进行实时监测，以便在风向快速变化的复杂条件下更准确地反映风机状态，并调整风机叶轮的方向和将警报远程发送给指控中心。

（2）除了两组级联，还可以多组级联，一来可以避免塔桶中楼梯、电梯的遮挡；二来可以监测塔桶连接处状态，如此，多组级联能更准确监测塔桶状态。

（3）一旦测得的这些信号超出了所设的预警或报警阈值，风机主控系统将调整叶轮方向或向维修预警中心发出报警指示，以便维修人员即时了解风机塔筒的倾角状态，进而及时采取补救措施，避免故障的进一步扩大。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的检测风机塔筒状态的装置的结构示意图；

图2为本发明的凹球面型激光接收装置的结构示意图；

图3为本发明的原理示意图。

附图中标号为：风力发电机叶片1、发射装置2、风机塔筒3、接收装置4、底座5、角运动检测装置6、风速传感器7、六维力传感器8、风机主控系统9。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明的一种实时检测风机塔筒状态的装置进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

技术方案实施例1

发明提出的一种实时监测风机塔筒运行状态的装置，其实施方案：设计一种可对风力发电机的风机塔筒3的稳固性（倾角和扭转）进行实时监测装置，以便在风向快速变化的复杂条件下更准确地反映风机塔筒3的运行状态，并及时调整风机叶轮的方向和将警报远程发送给指控中心。该系统通过风机塔筒3顶部中心的发射装置2向风机塔筒3底部发射激光，其中风机塔筒3底部中心的接收装置4是凹球面，并且其凹球面均布有一系列的激光接收头，用于接收顶部发射来的激光，定义风机塔筒3的中心轴线为Z轴，风机塔筒3在没有横向负载的情况下，顶部发射装置2发射出的激光正好射向底部的凹球面的接收装置4的凹球面顶部中央，经过凹球面的接收装置4内部信号计算，其表示着风机塔筒3偏离角度为0；

当风机塔筒3在收到横向风载荷的情况下，顶部发射装置2发射出的激光，将射向底部凹球面接收装置4凹球面上的各个位置，底部凹球面的接收头将接收实时射入的激光信号，经过内部信号处理系统，及时分析出风机塔筒3偏离的角度与绕Z轴的扭角，并且通过计算一系列的激光接收头接收发射装置2发送的激光信号的变换速率，得出塔筒沿X、Y轴偏离的角速度和加速度。

技术方案实施例2

另外，此装置还可以分段安置以适应风机塔筒3内部有遮挡或需要详细监测各连接部分和整体的运行状态监测，具体如下，风机塔筒3顶部中央安置一个发射装置2，风机塔筒3中间部位安置一个凹球面接收装置4，并且中间还安置一个发射装置2，其用于向底部发射激光，风机塔筒3底部安放一个凹球面的接收装置4，这样通过两级或者多级串联，可以避开塔桶内部遮挡、分段监测塔桶部位，实现对风机塔筒运行状态的准确监测。

技术方案实施例3

一种实时监测风机塔筒运行状态的方法，具体步骤如下：

a、在风机主控系统9内部设置一些参考阈值；

b、定义风机塔筒3的中心轴为Z轴，风机塔筒3轴心的顶部激光发射装置发射激光，风机塔筒3轴心的底部激光接收装置接收激光信号，通过角运动检测装置6、风速传感器7和六维力传感器8测得当前的角度信号、角速度信号、角加速度信号、风速信号和六维力信号，并将测得的角度信号、角速度信号、角加速度信号、风速信号和六维力信号传输到风机主控系统9中；

c、对步骤b中获得的角度信号、角速度信号、角加速度信号、风速信号和六维力信号的数值与步骤a中设定的参考阈值作差值处理；当风机塔筒3无横向风载荷时，激光接收装置接收到激光信号的位置为风机塔筒3底部轴心位置；如果有载荷时，其光信号偏离轴心位置，对应接收信号位置（X，Y）；

d、通过接收信号位置和时间变化能计算出风机塔筒3的倾角、角速度、角加速度以及绕风机塔筒3轴线的扭角和扭角的变化速率；

e、通过通讯模块发送到外部的风机控制装置中、结合塔筒底部的压力传感器、风机塔筒顶端的风速传感器7传输到风机主控系统9中；

f、进行二值化处理：当计算出的信号的数值超过预警阈值但低于报警阈值时，风机主控系统9将发出控制信号控制叶轮和机舱沿所需调整的位置方向运动；当计算的信号的数值大于报警阈值，风机主控系统9将通过通讯模块向维修预警中心发出报警指示。

通过此风机塔筒3检测装置，将实时采集风机塔筒3内的角度、角速度、角加速度、以及绕Z轴的扭角和扭角的变化速率，通过通讯模块发送到外部的风机控制装置中、结合塔筒底部的压力传感器、风机塔筒3顶端的风速传感器7传输到风机主控系统9中，风机主控系统9内部设置一些阈值，当测得的这些信号超过预警阈值但低于报警阈值，风机主控系统9将发出控制信号用来控制叶轮和机舱沿合适的位姿方向运动。一旦测得的这些信号超出了所设的报警阈值，风机主控系统9将向维修预警中心发出报警指示，以便维修人员即时了解风机塔筒的倾角状态，进而及时采取补救措施，避免故障的进一步扩大。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种实时检测风机塔筒状态的装置，具有风力发电机叶片、风机塔筒和底座；所述风力发电机叶片设置在风机塔筒的顶部；所述风机塔筒固定设置在底座上；其特征在于：还具有一组或两组或两组以上对应且设置于风机塔筒轴线或风机塔筒轴线的平行线上的发射装置和接收装置；所述接收装置上设有若干激光接收头，所述接收装置为凹球面接收装置或平面接收装置，所述凹球面接收装置的凹球面的曲率半径为发射装置到接收装置的距离，风机塔筒在没有横向负载的情况下，顶部的发射装置发射出的激光正好射向底部的凹球面的接收装置的凹球面顶部中央。

2.根据权利要求1所述的实时检测风机塔筒状态的装置，其特征在于：所述接收装置为凹球面接收装置，对应设置的发射装置和接收装置为一组，发射装置安放于风机塔筒的顶部，接收装置安放于风机塔筒底部。

3.根据权利要求1所述的实时检测风机塔筒状态的装置，其特征在于：所述接收装置为凹球面接收装置，对应设置的发射装置和接收装置为两组，两个发射装置分别安放于风机塔筒的顶部和风机塔筒中间位置，两个接收装置分别安放于风机塔筒底部和风机塔筒中间位置，安放于风机塔筒的顶部的发射装置与安放于风机塔筒中间位置的接收装置对应，安放于风机塔筒中间位置的发射装置与安放于风机塔筒的底部的接收装置对应。

4.根据权利要求2或3所述的实时检测风机塔筒状态的装置，其特征在于：还具有用于监测风机塔筒的偏转角度、角速度和加速度的角运动检测装置，用于实时监测风机塔筒风速大小的风速传感器，用于实时监测风机塔筒底端三个方向的压力和扭矩的六维力传感器以及用于发出控制信号控制叶轮和机舱位姿方向运动的风机主控系统；所述角运动检测装置和风速传感器均安装在风机塔筒的顶部；所述六维力传感器安装在风机塔筒的底部；所述风机主控系统的输入端接角运动检测装置的输出端、风速传感器的输出端、六维力传感器的输出端，风机主控系统的输出端接维修预防中心。

5.根据权利要求4所述的实时检测风机塔筒状态的装置，其特征在于：所述发射装置为激光发射装置或微波发射装置或超声发射装置；所述接收装置为激光接收装置或微波接收装置或超声接收装置。

6.一种实时检测风机塔筒状态的方法，其特征在于，具体步骤如下：

a、在风机主控系统内部设置一些参考阈值；

b、定义风机塔筒的中心轴为Z轴，风机塔筒轴心的顶部激光发射装置发射激光，风机塔筒轴心的底部激光接收装置接收激光信号，通过角运动检测装置、风速传感器和六维力传感器测得当前的角度信号、角速度信号、角加速度信号、风速信号和六维力信号，并将测得的角度信号、角速度信号、角加速度信号、风速信号和六维力信号传输到风机主控系统中；

c、对步骤b中获得的角度信号、角速度信号、角加速度信号、风速信号和六维力信号的数值与步骤a中设定的参考阈值作差值处理；当风机塔筒无横向风载荷时，激光接收装置接收到激光信号的位置为风机塔筒底部轴心位置；如果有载荷时，其光信号偏离轴心位置，对应接收信号位置(X，Y)；

d、通过接收信号位置和时间变化能计算出风机塔筒的倾角、角速度、角加速度以及绕风机塔筒轴线的扭角和扭角的变化速率；

e、通过通讯模块发送到外部的风机控制装置中、结合塔筒底部的压力传感器、风机塔筒顶端的风速传感器传输到风机主控系统中；

f、进行二值化处理：当计算出的信号的数值超过预警阈值但低于报警阈值时，风机主控系统将发出控制信号控制叶轮和机舱沿所需调整的位置方向运动；当计算的信号的数值大于报警阈值，风机主控系统将通过通讯模块向维修预警中心发出报警指示。