CN106289114A - 一种间接式风机转子几何参数测量及性能优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种间接式风机转子几何参数测量及性能优化的方法，该方法采用激光测距系统对风力发电机组转子叶片上不同翼型处的多条翼型廓线进行动态扫描，通过对测得的廓线进行几何分析可确定转子叶片及风机塔筒的几何特性参数，在此基础上通过调节叶片桨距角达到风机性能优化。

Description

一种间接式风机转子几何参数测量及性能优化的方法

技术领域

本发明属于风场测量技术领域，涉及一种间接式风机转子几何参数测量及性能优化的方法，该方法可用于解决风力发电机组载荷不平衡的问题。

背景技术

随着新能源及风力发电行业的快速发展，风机的安装量及保有量快速增长。但近年来由于风机转子不平衡载荷引起的诸如叶片碰擦、机舱和塔筒振动过大、叶片折损、传动轴系故障等问题呈上升趋势，转子不平衡加大了机组的疲劳载荷，降低了机组的出力和使用寿命，是急需解决的问题。

风场统计及风机转子叶片空气动力学模拟的结果表明：引起风机转子不平衡的主要因素在于风机上各叶片间桨距角的偏差过大，其它因素还包括叶片扭转、摆振、挥舞、制造、安装和操作误差等。

另一方面，风机的控制系统通常过分依靠控制算法进行控制，忽略了风机自身几何特征参数偏差带来的潜在影响，如桨距角误差等，控制效果往往不理想。为解决这个问题，传统的方法需在风机上加装一系列的辅助测量手段以进行修正，如引入振动测量系统、叶片扭转测量装置、叶片摆振测量装置、疲劳应力测量装置等，使得风机的控制、运行和维护复杂化，投资大幅提升。

从以上分析可知，研究一种非机组安装的间接式风力发电机组转子几何参数测量及性能优化方法对简化测量、降低投资非常必要。

随着激光测量技术的发展，借助激光测距系统实现转子几何参数的间接测量变得可行。

发明内容

本发明的目的是提出一种间接式风机转子几何参数测量及性能优化的方法，解决风力发电机组载荷不平衡的问题。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：在选定的测量距离处，采用激光测距系统对风力发电机组转子叶片上不同翼型处的多条翼型廓线进行动态扫描，通过对测得的廓线进行几何分析可确定转子叶片及风机塔筒的几何特性参数，在此基础上通过调节叶片桨距角达到风机性能优化。

为满足常用1～4兆瓦功率等级风机测量的要求，测量位置选取在风机前方迎风侧60～200米距离处，以兼顾测量精度和测量距离的要求。

由于大功率风力发电机组叶尖速较高，为保证测量的实时性，本发明采用激光脉冲飞行时间测距法，通过测量激光测距系统所发射的激光脉冲往返目标测点的时间间隔来测量对应的距离。

在激光测距方案的选择上，可采用以下两种方法之一：

(1)单一激光源，多廓线同时扫描的方式

(2)采用至少两个激光源，多廓线同时扫描的方式

第一种方法采用一对多的扫描方式，该方式激光测距系统集成度高，要求一个光源可以发射多个光束，多波束实现多廓线同时扫描；第二种方法采多对多的扫描方式，需多个测距系统并行工作。

为了获得较好的测量精度同时兼顾数据处理的速度，每条翼型廓线上扫描的点数都需要保证足够多，通常叶尖廓线单次扫描次数在50～150次，叶根廓线单次扫描次数在350～800次，为了获得可靠的均值，整体扫描周期应选择100～150转。

由于风机转子系统在制造、安装及运行过程中均存在一定的几何偏差，如叶片初始安装角偏差、运行一段时间后的桨距角偏差、叶片扭转角偏差等，很难确定各几何参数的绝对零值，也就很难采用绝对值测量法，本发明测量方法主要采用相对值法。该方法采用激光测距系统对风力发电机组转子叶片上不同翼型处的多条翼型廓线进行动态扫描。根据测量位置的三角几何关系及多次测量结果的拟合，可确定下列转子叶片及风机塔筒的几何特征参数：

(1)单个叶片任意指定位置处的桨距角

(2)单个叶片任意指定两个翼型间的相对扭转角

(3)单个叶片的相对摆振幅值

(4)单个叶片的相对挥舞幅值

(5)风机多个叶片间的相对桨距角偏差

(6)风机多个叶片间的分区偏差

(7)叶片与塔筒间的间隙

(8)塔筒振幅

根据本发明描述的测量方法得到的转子叶片及风机塔筒的几何特征参数为风机状态监测和性能优化提供了依据。在此基础上主要通过调节风机多个叶片间的相对桨距角偏差在合理的范围内，可解决风力发电机组载荷不平衡问题，防止可能出现的机组疲劳及失效的情况。

从以上方面可以看出，与现有技术相比，该方法有几个优点：

1、间接测量。本发明采用远距离激光扫描法获得转子叶片及风机塔筒的几何特征参数，激光测距系统置于风力发电机组一定距离外，对风机的正常运行没有影响。

2、相对值测量。采用相对测量偏差作为风机优化调整的依据，避免初始零位误差的影响。

3、简单有效。无需更改风机控制策略，无需在风机上安装测量设备和元器件，无需停机测量，可实时调整桨距角。

附图说明

图1是本发明采用远距离激光测距系统对风力发电机组转子上叶片翼型廓线和风机塔筒进行动态扫描的示意图。

图2是根据本发明测量方法示意的叶片翼型廓线图。

图3是单个叶片指定位置处的桨距角及相对扭转角示意图。

图4是单个叶片指定位置处的相对挥舞示意图。

图5是单个叶片指定位置处的相对摆振示意图。

图6a、6b是风机多个叶片的桨距角及多

个叶片间的桨距角偏差示意图。

图7是风机多个叶片间的分区偏差示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明进行详细说明。

下面附图用于示意和简化描述，并仅保留了与理解本发明相关的重要的细节，其它的细节已经被除去。图中，对于相同的部分采用相同的参考数字和符号。

图1描述了采用远距离激光测距系统1对风力发电机组2转子3上叶片4和风机塔筒6进行动态扫描的示意图。其中激光测距系统1位于风机前迎风侧60～200米处，激光测距系统发出的一系列光束1-1、1-2、…、1-n与运动着的风机叶片表面相交，其相对运动轨迹正好为叶片不同位置处的翼型在迎风一侧的廓线5-1、5-2、…、5-n，廓线轨迹的变化与激光测距系统到叶片表面的距离变化是一致的。当运动叶片与光束不相交时，激光光束落在正对风机塔筒6表面上的对应廓线6-1、6-2、…、6-n，这时可测量塔筒的前后位移变化，也即风机塔筒的振幅。由于本发明采用相对值的测量方法，相对值测量的最小数据量要求为两条廓线，因而在不影响精度的情况下，激光测距系统发出的光束最少为两束，对风力发电机组转子上至少一个叶片上不同翼型处的至少两条翼型廓线进行动态扫描。可采用单一激光源、两条廓线同时扫描的方式，或采用两个以上的激光源、两条廓线同时扫描的方式。

图2是根据本发明测量方法示意的叶片上其中一条翼型的廓线5。图中横坐标代表激光脉冲测量的次数，纵坐标代表被测叶片表面的廓线相对测距系统的距离。本发明采用居于激光脉冲的飞行时间测距法，通过测量激光测距系统所发射的激光脉冲往返目标测点的时间间隔来测量对应的距离，因而图中以纵坐标值表示的翼型廓线5的轨迹变化与激光测距系统到叶片表面的测量距离变化是一致的。也就是说翼型廓线5的轨迹可以真实地代表叶片翼型剖面在迎风侧的轨迹，图中以实线表示，虚线5′则代表叶片背面的翼型廓线轨迹。图中L1表示风机塔筒相对激光测距系统的距离，其距离变化值代表了风机塔筒的振幅。L2、L3则分别表示了翼型前、后缘到塔筒的距离。L4为叶片前缘与塔筒间的间隙，L4的大小为L4＝L2×cosα，其中α为测量仰角。

图3为单个叶片指定位置处的桨距角及相对扭转角示意图。为了简化描述并具有代表性，这里的指定位置选定为叶根和叶尖处，选取叶根位于叶片全长15％的位置，叶尖位于叶片全长85％的位置。根据图一所示的测量方法，把测量所得到的叶根翼型廓线和叶尖翼型廓线叠放在同一个平面坐标系中，通过连接叶根、叶尖翼型廓线的前、后缘，可得翼型几何弦L5、L6。几何弦L5、L6与风轮回转平面的夹角θ1、θ2即为单个叶片选定叶根和叶尖处的桨距角。桨距角θ1、θ2的差值则反映了指定叶片叶根-叶尖处的相对扭转角。通过选取不同的叶片测量位置，可得到其它任意指定位置处的桨距角及相对扭转角。

图4是单个叶片指定位置处的相对挥舞示意图。为了简化描述并具有代表性，这里的指定位置选定为叶根和叶尖处，选取叶根位于叶片全长15％的位置，叶尖位于叶片全长85％的位置。本发明采用相对值测量法，把测量所得到的叶根处翼型廓线5a和叶尖处翼型廓线5b投影在同一个平面坐标系中，如图中ZX平面，通过计算不同时刻叶片翼型在垂直风轮回转平面外振动的相对位移，可得到相对挥舞幅值的大小。这里以叶尖相对叶根挥舞为例，图中叶根处翼型廓线5a前缘点与叶尖处翼型廓线5b后缘点间相对距离的变化值，见图中L7、L8，表示了叶片挥舞幅值的大小。通过选取不同的叶片测量位置，可得到其它任意指定位置处的相对挥舞幅值。

图5是单个叶片指定位置处的相对摆振示意图。为了简化描述并具有代表性，这里的指定位置选定为叶根和叶尖处，选取叶根位于叶片全长15％的位置，叶尖位于叶片全长85％的位置。本发明采用相对值测量法，可把测量所得到的叶根处翼型廓线5a和叶尖翼型处廓线5b投影在同一个平面坐标系中，如图中ZX平面，通过计算不同时刻叶片翼型在风轮回转平面内振动的相对位移，可得到摆振幅值的大小。这里以叶尖相对叶根摆振为例，由于叶尖和叶根摆振都保持在风轮回转平面内，可以仅考虑叶尖的变化。图中叶尖处翼型廓线5b后缘点a与另一时刻廓线后缘点b在风轮回转平面相对距离的变化值，见图中L9，即表示了叶片指定位置处的相对摆振幅值。通过选取不同的叶片测量位置，可得到其它任意指定位置处的相对摆振幅值。

图6a是以三叶片风机为例示意的风机三个叶片的桨距角。按照图3所述的计算叶片桨距角的方法，图6a中Φ1，Φ2，Φ3分别表示了三个叶片在相同指定位置处相对风轮回转平面的桨距角，Φ为叶片初始安装叶角。图6b中给出了计算三个叶片间相对桨距角偏差的示意图。由于多个叶片初始安装叶角之间本身可能存在一定偏差，以叶片初始安装叶角为零点采用绝对值法比较不同叶片的桨距角存在一定的不确定性，本发明采用相对值比较法。图中Φ13表示了以Φ3为假设“0”点，叶片1与叶片3之间的相对桨距角偏差，Φ23则表示了以Φ3为假设“0”点，叶片2与叶片3之间的相对桨距角偏差，据此可得到风机三个叶片间的相对桨距角偏差。通过选取不同的叶片测量位置，可得到其它任意指定位置处的相对桨距角偏差。以上偏差比较法对于其它叶片数的风机也同样适用。

图7是以三叶片风机为例说明的多个叶片间的分区示意图。如果三叶片在几何上呈对称分布，则由三叶片划分的三个分区均应是120°。根据本发明采用的激光脉冲飞行时间测距法，在相对稳定的风机转速下，每个120°分区的测量时间间隔应该是相同的，即从本次被测叶片的翼型前缘开始进入测量到下一个叶片翼型前缘开始进入测量的时刻为止持续的时间间隔应该是相同的。比较这些时间间隔，如图中t1、t2、t3，就可反推得到多个叶片间的分区角度偏差。以上偏差比较法对于其它叶片数的风机也同样适用。

为得到较为满意的测量结果，以上测量值都需满足一定的测量周期，并采用统计均值作为最终测量值。根据本发明描述的测量方法得到的几何特征参数为风机状态监测和性能优化提供了依据。如对于风机不平衡载荷影响最大的多个叶片间的桨距角偏差，通过多次测量值的比较，可得出一个较为可靠的桨距角偏差，这个桨距角偏差可直接作为风机桨距角调整的误差信号，通过调整控制系统的设定值，可逐步控制风机多个叶片间的相对桨距角偏差在合理的范围内，最终解决风力发电机组载荷不平衡问题。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种间接式风机转子几何参数测量及性能优化的方法，其特征在于：在选定的测量距离处，采用激光测距系统对风力发电机组转子叶片上不同翼型处的多条翼型廓线进行动态扫描，通过对测得的廓线进行几何分析可确定转子叶片及风机塔筒的几何特性参数，在此基础上通过调节叶片桨距角达到风机性能优化。

2.根据权利要求1所述的测量及性能优化方法，其特征在于：激光测距系统采用居于激光脉冲的飞行时间测距法。

3.根据权利要求1所述的测量及性能优化方法，其特征在于：激光测距系统采用单一激光源，多廓线同时扫描的方式。

4.根据权利要求1所述的测量及性能优化方法，其特征在于：激光测距系统采用至少两个激光源，多廓线同时扫描的方式。

5.根据前述任何一条权利要求所述的测量及性能优化方法，其特征在于：通过测得的风力发电机组转子叶片上不同翼型处的多条廓线，可确定单个叶片任意指定位置处的桨距角。

6.根据前述任何一条权利要求所述的测量及性能优化方法，其特征在于：通过测得的风力发电机组转子叶片上不同翼型处的多条廓线，可确定单个叶片任意指定两个翼型间的相对扭转角。

7.根据前述任何一条权利要求所述的测量及性能优化方法，其特征在于：通过测得的风力发电机组转子叶片上不同翼型处的多条廓线，可确定叶片的相对摆振和挥舞的幅值。

8.根据前述任何一条权利要求所述的测量及性能优化方法，其特征在于：通过测得的风力发电机组转子叶片上不同翼型处的多条廓线，可确定风机多个叶片间的相对桨距角偏差。

9.根据前述任何一条权利要求所述的测量及性能优化方法，其特征在于：通过测得的风力发电机组转子叶片上不同翼型处的多条廓线，可确定风机多个叶片间的分区偏差。

10.根据前述任何一条权利要求所述的测量及性能优化方法，其特征在于：通过测得的风力发电机组转子叶片上不同翼型处的多条廓线，可确定叶片与塔筒间的间隙以及风机塔筒的振幅。

11.根据前述任何一条权利要求所述的测量及性能优化方法，其特征在于：通过合理调节风力发电机组的相对叶片桨距角偏差在合理的范围内，可解决风力发电机组载荷不平衡问题。