CN106286152A - 风力发电机组的叶片状态监测装置及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组的叶片状态监测装置和方法，包括：传感器，设置于所述叶片所在的所述风力发电机组的塔架、机舱或发电机上，用于监测所述传感器与所述叶片吸力面之间的距离，获得所述叶片吸力面与所述传感器之间的实际距离数据；控制器，连接所述传感器以接收所述传感器输出的实际距离数据，并根据所述叶片吸力面与所述传感器之间的初始距离数据和所述实际距离数据判断所述叶片所处的扭转状态。该监测装置通过外置传感器监测传感器与叶片之间的距离，根据所获得的实际距离数据和初始距离数据来判断叶片的扭转变形是否过大，进而得出叶片是否存在开裂或结构出现异常的风险，以及时采取相应的维修等补救措施，减少叶片开裂带来的损失，同时节省叶片部件更换带来的成本。

Description

风力发电机组的叶片状态监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及风电技术领域，特别涉及用于对风力发电机组的叶片的扭转变形状态进行监测，以判断叶片是否存在开裂或其他结构异常导致扭转过大的监测装置和监测方法。
背景技术
近几年，国内风电行业得到了快速发展，以2015年为例，全国装机容量达3297万千瓦。
随着每年装机容量越来越多，带来的问题也同样突显出来，受限于叶片加工制造大多采用人工操作，其中的生产制造、工艺、质量多环节控制上，如果某一操作存在缺陷，在风场装机运行一段时间后，就会发生叶片开裂、功率下降、叶片断裂甚至整机整体倒塌等事件，给整机厂和业主带来了成本增加、声誉受影响、发电量损失等问题。
对此，可采用监测手段对风机叶片的状态进行实时监测，以判断叶片是否存在开裂或结构异常等风险，及时采取相应的维修等补救措施，减少叶片开裂的带来的损失，同时节省叶片部件更换带来的成本。
现有技术中的一种转子叶片状况监测系统包括至少一个传感器和控制器，该至少一个传感器构造成感测转子叶片的振动且发送指示所感测的振动的至少一个监测信号，控制器电连接至传感器，用于从传感器接收监测信号，控制器可基于所接收到的监测信号判断转子叶片的状态。
现有技术中的另一种风力涡轮叶片边缘监测系统包括设置在转子叶片的内部腔体内的传感器的任何配置，其中传感器相对于叶片的前缘或后缘而取向且配置成检测叶片内的物理特性，该物理特性指示沿被监测的边缘的壳体构件之间的分离的出现，控制器配置成接收来自传感器的信号并启动对检测到的分离的自动响应。
这两种叶片监测系统和方法都通过传感器对叶片状态进行监测，然后通过对传感器数据进行运算和分析来判断叶片是否处于正常状态。但是，其传感器均需要以特殊的方式安装在叶片内部，不仅结构复杂、组装难度大、制造成本较高，而且，测量精度和稳定性较差，一旦监测系统自身出现故障，便需要停机检查，维修难度大，维护成本高。此外，也不适于对已经投入使用的风力发电机组进行升级改造。
因此，如何克服上述风机叶片状态监测装置和方法存在的缺陷，是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种风力发电机组的叶片状态监测装置。该监测装置通过外置传感器监测传感器与叶片之间的距离，根据所获得的实际距离数据和初始距离数据来判断叶片的扭转变形是否过大，进而得出叶片是否存在开裂或结构出现异常的风险，以及时采取相应的维修等补救措施，减少叶片开裂带来的损失，同时节省叶片部件更换带来的成本。
本发明的另一目的是提供一种风力发电机组的叶片状态监测方法。
为实现上述目的，本发明提供一种风力发电机组的叶片状态监测装置，包括：
传感器，设置于所述叶片所在的所述风力发电机组的塔架上、机舱上或发电机上，用于监测所述传感器与所述叶片吸力面的距离，获得所述叶片吸力面与所述传感器之间的实际距离数据；
控制器，连接所述传感器以接收所述传感器输出的实际距离数据，并根据所述叶片吸力面与所述传感器之间的初始距离数据和所述实际距离数据判断所述叶片所处的扭转状态。
优选地，所述传感器通过同步机构设置于塔架上；所述同步机构设置在所述塔架外表面上，用于承载所述传感器，并带动所述传感器沿周向方向环绕所述塔架转动，在所述风力发电机组偏航时所述同步机构与机舱同步转动。
优选地，所述同步机构包括：
动力部件，与所述控制器电连接；
环形滑轨，沿周向设于所述塔架的外壁上；
传动部件，用于在所述动力部件的驱动下，带动所述传感器沿所述环形滑轨移动。
优选地，所述传动部件包括环状齿形带和齿轮；所述齿形带设于所述塔架的外壁上，与所述环形滑轨平行间隔布置；所述齿轮连接所述动力部件的动力输出端，并与所述齿形带相啮合。
优选地，所述传动部件包括安装在所述环形滑轨上的滑块、滑轮或滑套。
优选地，所述传感器的监测位置设置在所述塔架上对应于所述叶片的最大弦长部位到叶尖部位之间。
优选地，所述传感器的监测位置设置在在所述塔架上对应于所述叶片的叶尖部位、叶中部位、最大弦长部位中的一者、两者或三者。
优选地，所述传感器设置于所述风力发电机组的发电机的外转子上或外定子上。
为实现上述第二目的，本发明提供一种风力发电机组的叶片状态监测方法，包括：
将传感器设置于所述叶片所在的所述风力发电机组的塔架上、机舱上或发电机上，监测所述传感器与所述叶片吸力面之间的距离，获得所述叶片吸力面与所述传感器之间的实际距离数据；
控制器接收所述传感器输出的实际距离数据，并根据所述叶片吸力面与所述传感器之间的初始距离数据和所述实际距离数据判断所述叶片所处的扭转状态。
进一步地，当所述叶片转到垂直方向时所述传感器监测其与所述叶片吸力面之间的距离。
进一步地，所述接收所述传感器输出的实际距离数据，并根据所述叶片吸力面与所述传感器之间的初始距离数据和所述实际距离数据判断所述叶片所处的扭转状态包括：
根据所述叶片吸力面与所述传感器之间的初始距离数据和所述实际距离数据，获得所述叶片的实际扭转角度；
将所述实际扭转角度与设定扭转角度进行比较，若所述实际扭转角度大于所述设定扭转角度，则判定所述叶片存在异常或开裂风险。
进一步地，若所述实际扭转角度大于所述设定扭转角度，则报警或停机。
进一步地，所述根据所述叶片吸力面与所述传感器之间的初始距离数据和所述实际距离数据，获得所述叶片的实际扭转角度包括：
监测所述叶片前缘和后缘与所述传感器之间的距离，获得所述叶片前缘和后缘与所述传感器之间的实际距离；
根据所述叶片前缘和后缘与所述传感器之间的初始距离和所述实际距离，获得所述叶片的实际扭转角度。
进一步地，若风力发电机组整机进行偏航，则控制所述传感器沿周向方向与所述叶片环绕所述塔架同步移动。
本发明所提供的风力发电机组的叶片状态监测装置和方法，通过外置传感器监测传感器与叶片之间的距离，根据所获得的实际距离数据和初始距离数据来判断叶片的扭转变形是否过大，进而得出叶片是否存在开裂或结构出现异常的风险，以及时采取相应的维修等补救措施，减少叶片开裂带来的损失，同时节省叶片部件更换带来的成本增加；而且，通过监测叶片扭转变形，在后续开发叶片的设计过程中增加考虑扭转变形带来的攻角改变，起到指导性参考作用，同时，从挂机叶片角度考虑叶片的扭转变形，可以对气动和结构设计起指导性参考作用。
此外，传感器设置在叶片所在的风力发电机组的塔架上、机舱上或发电机上，与叶片相对独立，具有结构简单、易于组装维修、制造维护成本低等优点，而且，测量精度和稳定性也得以显著提高，不仅适用于新建风力发电机组，也适于对已经投入使用的风力发电机组进行升级改造。
附图说明
图1为某风力发电机组的结构示意图，其塔架上在对应叶片尖部的位置设有本发明所提供风力发电机组的叶片状态监测装置；
图2为图1中所示风力发电机组的叶片状态监测装置与叶片的局部放大示意图；
图3为常规叶片某截面监测变形图；
图4为叶片扭转变形前后的运行测量图；
图5为叶片扭转变形前后的监测变形图。
图中：
1.变频电机 2.滑轨滑块 3.滑轨滑道 4.减速箱 5.传感器 6.齿轮 7.齿形带 8.叶片 9.塔架
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1、图2，图1为某风力发电机组的结构示意图，其塔架上在对应叶片尖部的位置设有本发明所提供风力发电机组的叶片状态监测装置；图2为图1中所示风力发电机组的叶片状态监测装置与叶片的局部放大示意图。
如图所示，在一种具体实施方式中，本发明所提供的风力发电机组的叶片状态监测装置，包括传感器5、同步机构以及控制器(图中未示出)，其中，传感器5为距离传感器，设置在塔架9外部并位于一定高度，用于监测传感器5与叶片8吸力面之间的距离；同步机构设置在塔架9的外壁上，用于承载传感器5，并带动传感器5沿周向方向与叶片8一起环绕塔架9同步移动；控制器与传感器5通信连接，以接收传感器5的监测信号，并根据监测信号判断叶片8所处的扭转状态。
具体地，同步机构包括齿形带7、滑轨滑道3、齿轮6、滑轨滑块2、减速箱4及变频电机1，选用变频电机能够使机械自动化程度和同步效率大为提高、节约能源，有利于减少同步机构的体积。当然，根据实际需要的不同，也可以选用其他类型的电机。
滑轨滑道3和齿形带7分上下间隔地安装在塔架9的外表面上，减速箱4一侧与安装在滑轨滑道3上的滑轨滑块2连接，用于位置固定和绕塔架9滑动，减速箱4的上方安装有变频电机1，用于动力驱动，下方安装有齿轮6，齿轮6与塔架9表面的齿形带7啮合，传感器5安装在减速箱4的外侧面上，以进行距离测量。当然，除了滑轨滑块2，减速箱4与滑轨滑道3之间还可以通过滑轮或滑套等其他传动部件进行滑动连接。
当变频电机1带动减速箱4旋转时，减速箱4带动齿轮6在齿形带7上旋转运动，从而带动减速箱4连同传感器5和变频电机1一起再滑轨滑道3上作回转运动。这样，在风机整机偏航时，传感器5可同步偏航至相应的位置，保证时刻都能够对叶片8的扭转变形进行监测。
本实施例虽然仅设有一个用于监测叶片尖部区域变形的传感器5，但本领域技术人员可以理解，还可以在塔架9上安装两个或多个传感器，并为各传感器设置回转机构，分别监测叶片8的叶尖、叶中、最大弦长等部位的扭转变形，多个传感器可共用同一控制器，也可以在塔架上安装多套相互独立的上述监测装置，分别监测叶片的叶尖、叶中、最大弦长等部位的扭转变形，各传感器分别连接不同的控制器。当然，除了监测叶片8的叶尖、叶中、最大弦长部位，也可以监测叶片的其他部位。
此外，同步机构也不局限于上述具体形式，只要能够驱动传感器5与叶片8同步偏航的回转机构都可以用来实现本发明目的。例如，上述滑轨滑道3和齿形带7的上下位置可以相互颠倒，或者，不采用齿轮6和齿形带7机构，而是在塔架9外壁上安装环形回转平台，然后将传感器5可回转地安装在回转平台上，等等。
请一并参考图3、图4、图5，图3为常规叶片某截面监测变形图；图4为叶片扭转变形前后的运行测量图；图5为叶片扭转变形前后的监测变形图。
如图所示，风机风轮旋转进行发电时，一般设计如启动风速3m/s，额定风速10m/s，切出风速25m/s，风轮叶片8在额定风速前，不采取变桨的策略，风速超过10m/s后叶片8进行变桨，而在风速超过切出风速25m/s后，叶片8顺桨停机；风轮运行在切出风速前这一阶段，叶片8自身的扭转变形最大值一般≤2°，如果实测的扭转变形过大，则在叶片设计阶段，分别从气动和结构角度考虑，解决该问题。
本发明监测叶片的扭转变形采取的措施为(以某一叶片为例)：风机偏航时，控制器输出偏航信号至变频电机1，通过变频电机1驱动减速箱4，在塔架9表面移动至叶片8和塔架9之间的位置，当叶片8运行时，位于减速箱4上的传感器5开始测量与叶片8表面之间的水平距离，从图4的A点开始测量翼形至距离传感器5的距离，当运行至B点时，可以得到如图3的运行曲线，因此结合风机叶片挂机后该位置处叶片8的相对位置，可判断该截面是否发生较大的扭转变形。
例如在图4中，右侧为扭转角度后运行的叶片8的截面，通过距离传感器5测量A点和B点随风机运行时间的变形，即图5中虚线所示的变形位置，结合该位置变形前的位置，判断该截面位置发生了5°的扭转变形，设计中选择该位置的气动扭角和攻角数据，判断该位置发生失速，可能已经发生叶片开裂、发电功率曲线异常等现象。
对应的在该扭转变形输出后，可设置报警信号，即扭转变形超过设定值(比如设定扭转变形≥3°，设定值的考虑因素主要是不同风速对应不同的叶片的扭转变形、整机部件的尺寸、机舱倾斜的角度以及叶片的变桨角度等等)，发出警告信号，通过人为控制的方式，对该风机及时停机，检查整个叶片8的是否存在损伤或开裂；
同时，通过监测叶片8多处位置的扭转变形，尤其是叶尖区域的扭转变形，可以与理论设计进行对比，为叶片的气动设计和结构设计提供实际运行数据支撑，更好的迭代优化叶片设计。
上述实施例仅是本发明的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，在地面上安装距离传感器5，监测叶片8的扭转变形；或者，在机舱上，通过在上方、下方和侧面安装距离传感器5，监测叶片8的扭转变形；又或者，将传感器安装在直驱发电机的外转子或外定子上等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。
如果将传感器安装在机舱或发电机的外转子上，由于在风机整机进行偏航时，机舱和发电机外转子本身就可以随叶片一起同步回转，因此可省去同步机构。
除了上述监测装置，本发明还提供一种风力发电机组的叶片状态监测方法，包括：
S01：将传感器5设置于塔架9外部并位于一定高度的监测位置，监测传感器5与叶片8吸力面之间的距离；
S02：接收传感器5的监测信号，并根据监测信号判断叶片8所处的扭转状态。
进一步地，在步骤S01中：当叶片8转到垂直方向时，恰好与传感器5轴向对准，进入传感器5的监测范围，传感器5监测其与叶片8吸力面之间的距离。
进一步地，在步骤S02中：接收传感器5的监测信号，并根据监测信号判断所述叶片8所处的扭转状态，具体可以通过以下方式实现：
监测叶片8吸力面与传感器5之间的距离，获得叶片8吸力面与传感器5之间的实际距离数据；
根据叶片8吸力面与传感器5之间的初始距离数据和实际距离数据，获得叶片8的实际扭转角度；
将实际扭转角度与设定扭转角度进行比较，若实际扭转角度大于设定扭转角度，则判定叶片8存在异常或开裂风险。
进一步地，监测叶片8吸力面与传感器5之间的距离，获得叶片8吸力面与传感器5之间的实际距离数据；根据叶片8吸力面与传感器5之间的初始距离数据和实际距离数据，获得叶片8的实际扭转角度，具体可以通过以下方式实现：
监测叶片8前缘和后缘与传感器5之间的距离，获得叶片8前缘和后缘与传感器5之间的实际距离；
根据叶片8前缘和后缘与传感器5之间的初始距离和实际距离，获得叶片8的实际扭转角度。
进一步地，还包括步骤S03：若风机整机进行偏航，则控制传感器5沿周向方向与叶片8一起环绕塔架同步移动，保证时刻都能够对叶片8的扭转变形进行监测。
同理，除了将传感器安装在塔加9上，还可以将传感器安装在机舱的上方、下方或侧面，也可以将传感器安装在直驱发电机的外转子上。如果将传感器安装在机舱或发电机的外转子上，由于在风机整机进行偏航时，机舱和发电机外转子本身就可以随叶片一起同步回转，因此可省去控制传感器与叶片同步回转的步骤。
上述各步骤的具体实现方式在监测装置的实施例中已进行了详细说明，为节约篇幅，这里就不再重复，请参考上文。
这里需要说明的是，在对传感器检测数据进行处理的过程中，可以根据风速，对叶片在运行时在风力作用下贴近或远离塔架的距离进行补偿，以进一步提高监测的准确性，而且，在监测过程中，风轮的三个风叶会依次循环扫过传感器的监测区域，由于三个风叶的外形和性能参数应该保持一致，因此，可以视为是同一叶片的监测数据，若监测结果显示存在异常或开裂风险，则意味着其中某一叶片或某两个叶片甚至三个叶片存在异常或开裂风险。
本发明提供的监测装置和方法在塔架上、机舱上或发电机上安装距离传感器，通过距离传感器监测叶片不同位置前后缘变形的不一致性，并根据叶片的扭转变形来判断叶片后缘是否开裂或结构异常，及时采取相应的维修等补救措施，大大减少叶片开裂的带来的损失，节省叶片部件更换带来的成本；同时，通过监测没开裂或结构异常的叶片，通过测量叶片8前后缘的距离来判断叶片不同截面发生的扭转变形，对叶片气动和结构设计起指导参考作用。
以上对本发明所提供的风力发电机组的叶片状态监测装置及监测方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (14)

1.一种风力发电机组的叶片状态监测装置，其特征在于，包括：
传感器(5)，设置于所述叶片(8)所在的所述风力发电机组的塔架(9)上、机舱上或发电机上，用于监测所述传感器(5)与所述叶片(8)吸力面的距离，获得所述叶片(8)吸力面与所述传感器(5)之间的实际距离数据；
控制器，连接所述传感器(5)以接收所述传感器(5)输出的实际距离数据，并根据所述叶片(8)吸力面与所述传感器(5)之间的初始距离数据和所述实际距离数据判断所述叶片(8)所处的扭转状态。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶片状态监测装置，其特征在于，所述传感器(5)通过同步机构设置于塔架(9)上；所述同步机构设置在所述塔架(9)外表面上，用于承载所述传感器(5)，并带动所述传感器(5)沿周向方向环绕所述塔架(9)转动，在所述风力发电机组偏航时所述同步机构与机舱同步转动。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组的叶片状态监测装置，其特征在于，所述同步机构包括：
动力部件，与所述控制器电连接；
环形滑轨，沿周向设于所述塔架(9)的外壁上；
传动部件，用于在所述动力部件的驱动下，带动所述传感器(5)沿所述环形滑轨移动。
4.根据权利要求3所述的风力发电机组的叶片状态监测装置，其特征在于，所述传动部件包括环状齿形带(7)和齿轮(6)；所述齿形带(7)设于所述塔架(9)的外壁上，与所述环形滑轨平行间隔布置；所述齿轮(6)连接所述动力部件的动力输出端，并与所述齿形带(7)相啮合。
5.根据权利要求3所述的风力发电机组的叶片状态监测装置，其特征在于，所述传动部件包括安装在所述环形滑轨上的滑块、滑轮或滑套。
6.根据权利要求2至5任一项所述的风力发电机组的叶片状态监测装置，其特征在于，所述传感器(5)的监测位置设置在所述塔架(9)上对应于所述叶片(8)的最大弦长部位到叶尖部位之间。
7.根据权利要求2至5任一项所述的风力发电机组的叶片状态监测装置，其特征在于，所述传感器(5)的监测位置设置在在所述塔架(9)上对应于所述叶片(8)的叶尖部位、叶中部位、最大弦长部位中的一者、两者或三者。
8.根据权利要求1至5任一项所述的风力发电机组的叶片状态监测装置，其特征在于，所述传感器(5)设置于所述风力发电机组的发电机的外转子上或外定子上。
9.一种风力发电机组的叶片状态监测方法，其特征在于，包括：
将传感器(5)设置于所述叶片(8)所在的所述风力发电机组的塔架(9)上、机舱上或发电机上，监测所述传感器(5)与所述叶片(8)吸力面之间的距离，获得所述叶片(8)吸力面与所述传感器(5)之间的实际距离数据；
控制器接收所述传感器(5)输出的实际距离数据，并根据所述叶片(8)吸力面与所述传感器(5)之间的初始距离数据和所述实际距离数据判断所述叶片(8)所处的扭转状态。
10.根据权利要求9所述的风力发电机组的叶片状态监测方法，其特征在于，当所述叶片(8)转到垂直方向时所述传感器(5)监测其与所述叶片(8)吸力面之间的距离。
11.根据权利要求9所述的风力发电机组的叶片状态监测方法，其特征在于，所述接收所述传感器(5)输出的实际距离数据，并根据所述叶片(8)吸力面与所述传感器(5)之间的初始距离数据和所述实际距离数据判断所述叶片(8)所处的扭转状态包括：
根据所述叶片(8)吸力面与所述传感器(5)之间的初始距离数据和所述实际距离数据，获得所述叶片(8)的实际扭转角度；
将所述实际扭转角度与设定扭转角度进行比较，若所述实际扭转角度大于所述设定扭转角度，则判定所述叶片(8)存在异常或开裂风险。
12.根据权利要求11所述的风力发电机组的叶片状态监测方法，其特征在于，若所述实际扭转角度大于所述设定扭转角度，则报警或停机。
13.根据权利要求11所述的风力发电机组的叶片状态监测方法，其特征在于，所述根据所述叶片(8)吸力面与所述传感器(5)之间的初始距离数据和所述实际距离数据，获得所述叶片(8)的实际扭转角度包括：
监测所述叶片(8)前缘和后缘与所述传感器(5)之间的距离，获得所述叶片(8)前缘和后缘与所述传感器(5)之间的实际距离；
根据所述叶片(8)前缘和后缘与所述传感器(5)之间的初始距离和所述实际距离，获得所述叶片(8)的实际扭转角度。
14.根据权利要求9至13任一项所述的风力发电机组的叶片状态监测方法，其特征在于，若风力发电机组整机进行偏航，则控制所述传感器(5)沿周向方向与所述叶片(8)环绕所述塔架(9)同步移动。
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