CN106091941A - 风力发电机叶尖塔筒净空的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电机叶尖塔筒净空的测量方法，在塔筒外壁上安装2D激光扫描仪，高度位于叶片扫过塔筒时叶尖最低点往上1米的位置。2D激光扫描仪旋转扫描获取与叶片之间的距离及角度，采集的数据通过数据线送入数据采集器，数据采集器根据采集的2D激光扫描仪与叶片距离以及激光扫描仪扫描方位角计算出叶片和塔筒间的净空距离，实现在风机所有运行工况下风轮扫过塔筒时叶尖距离塔筒净空距离的实时动态测量，并跟风机运行数据进行同步存储，进行实时的数据后处理。该测量方法中系统应用方便，可以满足在各种复杂地形下风机上的安装，并在风机各种运行工况下进行叶尖塔筒净空数据测量。

Description

风力发电机叶尖塔筒净空的测量方法

技术领域

本发明涉及一种测试技术，特别涉及一种风力发电机叶尖塔筒净空的测量方法。

背景技术

叶尖塔筒净空是指风力发电机轮毂转动时叶片扫过塔筒时叶尖部位距离塔筒的最小几何距离；叶片迎风受力旋转所形成的旋转曲面形状往往会随风力载荷的变化而变化，为了避免叶片与塔筒间的运动干涉，在设计时需要通过仿真计算出各种工况下的叶尖塔筒净空距离，确保风机的运行安全。

叶尖塔筒净空测量系统的设计目的是为了实时地直接测量计算出各种风况下的叶尖塔筒净空，并实现跟风机运行数据的同步，实现跟设计仿真的闭环验证，特别是对复杂山地地形下的净空距离验证。

当前市场上的产品主要是基于高速摄影和图像后处理分析来计算叶片塔筒净空，主要存在以下缺陷：需要复杂的数据后处理分析，无法实时计算出净空测量值；净空距离通过图像处理得到，测量不确定度受拍摄机位跟被测风机的相对角度影响很大；风机运行过程中，需要根据不同的偏航位置不断的调整拍摄位置，难以保证数据一致性；恶劣天气和夜间无法测量数据；跟风机数据同步困难。

发明内容

本发明是针对风机在运行过程中不同偏航位置、风轮高速旋转下净空测量困难的问题，提出了一种风力发电机叶尖塔筒净空的测量方法，实现了风机所有工况下的实时动态测量。

本发明的技术方案为：一种风力发电机叶尖塔筒净空的测量方法，风力发电机固定在作为竖直支架的塔筒顶端，风力发电机前端为旋转叶片，在塔筒外壁上安装2D激光扫描仪，2D激光扫描仪安装高度位于旋转叶片扫过塔筒时叶尖最低点以上1米的位置，2D激光扫描仪在同一高度旋转扫描，2D激光扫描仪旋转扫描获取与叶片之间的距离，采集的数据通过数据线送入数据采集器，数据采集器根据采集的2D激光扫描仪与叶片扫过最小距离计算出最小净空距离。

当叶片扫过时，2D激光扫描仪通过获取激光反射信息，通过反射信息得到叶尖扫过平面与2D激光扫描仪的距离，叶尖扫过平面与2D激光扫描仪之间的方向向量与2D激光扫描仪坐标系的夹角，通过不断扫描与计算距离，最小值为叶片通过最低点时与激光扫描仪的距离Lmin，Lmin与激光扫描仪和塔筒轴心连线夹角为Φ，最小净空距离S=Lmin+R(cosΦ-1)，R为2D激光扫描仪安装高度对应的塔筒半径。

所述2D激光扫描仪有三个，在塔筒同一高度切面圆三等份点上各安装一个，实现360度全方位测试。

本发明的有益效果在于：本发明风力发电机叶尖塔筒净空的测量方法，实现了风机所有工况下的动态自动测量；直接测量出风机风轮扫过塔筒时叶尖距离塔筒的净空距离，不需要复杂的后数据处理，实现跟风机运行数据的实时同步存储；安装方便，可以满足在各种复杂地形下风机上的安装，从而实现在各种复杂地形下风机运行的叶片塔筒净空数据测量。

附图说明

图1为本发明风力发电机叶尖塔筒净空的测量结构示意图；

图2为本发明风力发电机叶尖塔筒净空的测量算法示意图；

图3为本发明3个2D激光扫描仪实现360度全方位测量示意图。

具体实施方式

如图1所示风力发电机叶尖塔筒净空的测量结构示意图，测量系统包括2D激光扫描仪4和数据采集器6，风力发电机2固定在作为竖直支架的塔筒3顶端，风力发电机2前端为三个旋转叶片1，在塔筒3外壁上安装2D激光扫描仪4，高度位于旋转叶片1扫过塔筒3时叶尖最低点以上约1米的位置， 2D激光扫描仪4通过数据线5将采集数据送入数据采集器6。示意图中的虚线表示测量范围，在安装时应注意使激光扫描仪安装高度对着的塔筒轴心与激光扫描仪连线与当地主风向相同。

测量所选用的2D激光扫描仪4，具有在平面内捕获物体距离和所在角度的功能。2D激光扫描仪4进行360°的高速（最高50Hz）顺时针，旋转扫描，扫面仪在扫面平面360°上进行逐点的距离测量，同时测得被测量点跟扫描仪之间的角度信号，根据测得的距离和角度计算出叶尖跟塔筒的净空距离。当叶片扫过时，2D激光扫描仪4通过获取激光反射信息，得到叶尖扫过平面上的若干散点，这些散点的信息包含散点到2D激光扫描仪4的距离，以及散点与2D激光扫描仪4之间的方向向量与2D激光扫描仪4坐标系的夹角。

根据测得的距离和角度计算出叶尖跟塔筒的净空距离，如图2所示，图中圆为2D激光扫描仪4所在高度塔筒的截面图，通过不断扫描，可以获得叶片在位置与扫描仪的距离，通过数理统计可得出其最小值，即叶片通过最低点时与激光扫描仪的距离（Lmin），Lmin与激光扫描仪和塔筒轴心连线夹角为Φ，Lmin与激光扫描仪安装点（K点）在塔筒外圆切平面的夹角θ，因为Φ+θ=90°，所以Φ=90°-θ。又因塔筒轴心到叶片扫过平面的距离与所测得最小距离Lmin平行，所以可得塔筒轴心与K点连线和塔筒轴心到叶片扫过平面的距离的夹角也为Φ。如图2所示可以得到如下等式：

S+R=d+RcosΦ=Lmin+RcosΦ

即 S=Lmin+R(cosΦ-1)

式中R为塔筒半径，S即为最小净空距离。

一个2D激光扫描仪能实现120度偏航角度上净空距离的测量，基本满足主风向上净空测量的需求；如果使用3个2D激光扫描仪可以实现360度全方位偏航角度下的叶片塔筒净空测量，其示意图如图3所示，4a、4b、4c为3个2D激光扫描仪安装点，在塔筒切面圆三等份点上各安装一个。

该测量系统可以实现全天候24小时的测量，晚上的测量效果优于白天，该叶片塔筒净空测量系统在非雨雪天气下运行最佳，激光扫面频率为50Hz，采样频率250K Hz, 能保证叶片每扫过塔筒时都能采集到5个数据。

Claims (3)

1.一种风力发电机叶尖塔筒净空的测量方法，风力发电机固定在作为竖直支架的塔筒顶端，风力发电机前端为旋转叶片，其特征在于，在塔筒外壁上安装2D激光扫描仪，2D激光扫描仪安装高度位于旋转叶片扫过塔筒时叶尖最低点以上1米的位置，2D激光扫描仪在同一高度旋转扫描，2D激光扫描仪旋转扫描获取与叶片之间的距离，采集的数据通过数据线送入数据采集器，数据采集器根据采集的2D激光扫描仪与叶片扫过最小距离计算出最小净空距离。

2.根据权利要求1所述风力发电机叶尖塔筒净空的测量方法，其特征在于，当叶片扫过时，2D激光扫描仪通过获取激光反射信息，通过反射信息得到叶尖扫过平面与2D激光扫描仪的距离，叶尖扫过平面与2D激光扫描仪之间的方向向量与2D激光扫描仪坐标系的夹角，通过不断扫描与计算距离，最小值为叶片通过最低点时与激光扫描仪的距离Lmin，Lmin与激光扫描仪和塔筒轴心连线夹角为Φ，最小净空距离S=Lmin+R(cosΦ-1)，R为2D激光扫描仪安装高度对应的塔筒半径。

3.根据权利要求1所述风力发电机叶尖塔筒净空的测量方法，其特征在于，所述2D激光扫描仪有三个，在塔筒同一高度切面圆三等份点上各安装一个，实现360度全方位测试。