CN106501280B - 基于激光测距的风机叶片在线检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测距的风机叶片在线检测装置及其检测方法，包含三维激光测距传感器、风速传感器和数据处理及控制单元，风速传感器和三维激光测距传感器均固定在风电机组机箱上，风速传感器和三维激光测距传感器均与数据处理及控制单元连接，数据处理及控制单元通过风速传感器的风速信号控制三维激光测距传感器工作，并处理分析三维激光测距传感器的数据。本发明采用三维激光测距传感器，进行非接触式的检测技术，适合用于风电机组叶片摆幅检测，不需要对叶片进行改造，并且通过对叶片的摆幅进行统计分析，能够有效监测叶片的情况，及时发现故障。

Description

基于激光测距的风机叶片在线检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种在线检测装置及其检测方法，特别是一种基于激光测距的风机叶片在线检测装置及其检测方法。

背景技术

风力发电作为清洁能源，近年来得到了世界各国大力研究和开发。大型风力发电机组因地处宽阔边远地域，如近海和戈壁滩、草原等边远地区，受其恶劣的自然环境，以及风电机叶片复合材料及制作工艺等因素影响，风力发电机叶片很容易遭破坏，影响电力生产。

在风力发电机组运行时，风电叶片复合材料难免会产生纤维断裂、基体开裂等细观结构缺陷，这些缺陷在实际静/动载荷、疲劳等条件作用下，将加剧风电叶片结构损伤的产生、扩展与积累，最终导致其失稳破坏。为此，准确诊断其初期裂纹故障，是监测风电机组叶片健康状态的关键问题。风机叶片检测可避免叶片在运行过程中可能出现的故障，降低由于突发事故产生的不必要损失及停机维护检修带来的发电损失，减少叶片维修维护成本，直接影响着机组的整体可靠稳定与综合效益。

目前针对风力发电机叶片的状态检测方法分为结构损伤检测与运行工况诊断，其中叶片结构损伤检测方法包括复型法、电位法、显微镜直接观测法以及各种无损检测方法等；叶片运行工况诊断主要是通过检测风力发电机组运行时产生的震动、冲击和噪声信号，用机组的各种动力学性能参数来进行描述，从中提取故障信息，并将其作为诊断依据，确定故障类型、位置以及原因等。相比复位法、电位法以及显微镜直接观测法等其他传统检测手段，无损检测手段无需使机组停运，检测成本较低，便于工程运用。而无损检测方法有声发射检测、红外检测、光纤光栅检测、超声波检测、电阻应变检测、激光超声检测等手段。

现有的风电机组叶片检测技术，通常采用在叶片上嵌入各种传感器，如加速度传感器、光纤传感器等进行检测，这些检测技术需要对叶片进行改造，在叶片上安装传感器，属于接触式检测技术。由于叶片工作时处于高速运动状态，这些接触式检测技术应用受到极大的限制。

国内对风电机组监测技术研究刚刚开始，尚不成熟，已成为国内风电发展的一个“瓶颈”。就一般性的性能检测而言，各风电企业自备了一些检测设备，但还没有形成风电机组测试标准。对于风电机组运行状态和叶片的在线监测与诊断还是空白，因此建立和完善国内风电监测具有自主知识产权的监测与诊断装备体系和标准势在必行，迫在眉睫。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于激光测距的风机叶片在线检测装置及其检测方法，它无需对叶片进行改造并且能够实时监测叶片状态。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于激光测距的风机叶片在线检测装置，其特征在于：包含三维激光测距传感器、风速传感器和数据处理及控制单元，风速传感器和三维激光测距传感器均固定在风电机组机箱上，风速传感器和三维激光测距传感器均与数据处理及控制单元连接，数据处理及控制单元通过风速传感器的风速信号控制三维激光测距传感器工作，并处理分析三维激光测距传感器的数据。

进一步地，所述三维激光测距传感器为连续激光测距传感器或脉冲激光测距传感器。

进一步地，所述脉冲激光测距传感器的激光脉冲频率远远大于风机叶片旋转频率。

一种基于激光测距的风机叶片在线检测装置的检测方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：风速传感器保持对风速的在线监测，当风速达到叶片满载并网风速时，数据处理及控制单元控制三维激光测距传感器启动对叶片进行扫描；

步骤二：三维激光测距传感器对叶片进行扫描，测量出叶片不同位置到三维激光测距传感器的距离，并将距离数据输送至数据处理及控制单元；

步骤三：数据处理及控制单元对距离数据进行分析，三维激光测距传感器相对于水平位置角度为α_i，叶片距离为L_i；

步骤四：数据处理及控制单元对某一时间段内的叶片距离L_i进行对比计算，得到这一时段内的最大距离L_{i max}和最小距离L_{i min}；

步骤五：根据角度α_i和最大距离L_{i max}和最小距离L_{i min}绘制一天内叶片满载并网风速时摆动幅度最大时的叶片边缘轮廓曲线图，并通过曲线图分析叶片故障损伤情况。

进一步地，所述步骤一中叶片满载并网风速具体为叶片满载的额定风速的±10％。

进一步地，所述步骤四中某一时间段为某一次风速达到叶片满载并网风速开始直至达不到叶片满载并网风速的时间段。

进一步地，所述叶片边缘轮廓曲线图包含最大距离L_{i max}和最小距离L_{i min}的两幅曲线图。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：采用三维激光测距传感器，进行非接触式的检测技术，适合用于风电机组叶片摆幅检测，不需要对叶片进行改造，并且通过对叶片的摆幅进行统计分析，能够有效监测叶片的情况，及时发现故障。

附图说明

图1是本发明的三维激光测距传感器的扫描图。

图2是本发明的叶片最大距离L_{i max}的示意图。

图3是本发明的叶片最小距离L_{i min}的示意图。

图4是本发明的叶片对应角度最大距离曲线图。

图5是本发明的叶片对应角度最小距离曲线图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图所示，本发明一种基于激光测距的风机叶片在线检测装置，包含三维激光测距传感器、风速传感器和数据处理及控制单元，风速传感器和三维激光测距传感器均固定在风电机组机箱上，风速传感器和三维激光测距传感器均与数据处理及控制单元连接，数据处理及控制单元通过风速传感器的风速信号控制三维激光测距传感器工作，并处理分析三维激光测距传感器的数据。如图1所示，在线检测装置1固定在风电机组机箱2上侧，三维激光测距传感器对叶片3进行扫描，图1中阴影部分4为扫描区域。

三维激光测距传感器为连续激光测距传感器或脉冲激光测距传感器。脉冲激光测距传感器的激光脉冲频率远远大于风机叶片旋转频率。

一种基于激光测距的风机叶片在线检测装置的检测方法，包含以下步骤：

步骤一：风速传感器保持对风速的在线监测，当风速达到叶片满载并网风速时，数据处理及控制单元控制三维激光测距传感器启动对叶片进行扫描；其中叶片满载并网风速具体为叶片满载的额定风速的±10％；

步骤二：三维激光测距传感器对叶片进行扫描，测量出叶片不同位置到三维激光测距传感器的距离，并将距离数据输送至数据处理及控制单元；

步骤三：数据处理及控制单元对距离数据进行分析，三维激光测距传感器相对于水平位置角度为α_i，叶片距离为L_i；

步骤四：数据处理及控制单元对某一时间段内的叶片距离L_i进行对比计算，得到这一时段内的最大距离L_{i max}和最小距离L_{i min}；其中某一时间段为某一次风速达到叶片满载并网风速开始直至达不到叶片满载并网风速的时间段；

步骤五：根据角度α_i和最大距离L_{i max}和最小距离L_{i min}绘制一天内叶片满载并网风速时摆动幅度最大时的叶片边缘轮廓曲线图，并通过曲线图分析叶片故障损伤情况。

本发明的基于激光测距的风机叶片在线检测装置及其检测方法的工作原理：当风速较低时，叶片吸收的能量会被阻尼消耗而不发生颤振，而当气流速度大于颤振速度时，叶片晃动会越来越明显，这会对叶片结构造成破坏甚至会折断叶片。当叶片满载并网风速运行时，风速和桨距角基本保持恒定。因此，判断叶片扭转颤振强弱的一个较好的依据是知道叶片满载并网风速即最佳切入风速时在垂直于旋转平面的摆动幅度。目前随着三维激光扫描技术不断成熟，市场上已经能购买到高精度的中长距离(100m内)三维激光测距传感器。我们首先可以通过三维激光测距传感器来得知风电场上电机的叶片是否完整。如果叶片完整，但处于颤振状态，我们可以利用三维激光测距传感器测得激光发射角度不同时，叶片对应部位与三维激光测距传感器之间的距离。如图3-1所示，三维激光扫描区域为机箱上方竖直区域，具体的区域大小要经过多次实验再确认。当扫描到叶片时，扫描仪会自动测量叶片到测点的距离，假设某一时刻t₁，叶片距离测站最远，如图2所示，叶片向左摆动幅度最大；直到另一时刻t₂，叶片距离测站最近，如图3所示，叶片向右摆动幅度最大。记录下一天内叶片在最佳切入风速v工作时，激光测速仪发射的激光相对水平位置α_i角度时的距离L_i并通过软件计算出最大距离L_{i max}和最小距离L_{i min}，根据角度α_i和最大距离L_{i max}和最小距离L_{i min}绘制一天内叶片最佳切入风速时摆动幅度最大时的叶片边缘轮廓曲线图。

如图4和图5所示，叶片边缘轮廓曲线图包含最大距离L_{i max}和最小距离L_{i min}的两幅曲线图。横坐标为激光测距仪测量时偏转的角度，纵坐标为对应的距离。对比3月1日和4月1日的数据可以看出，4月1日叶片在最佳切入风速下摆动的最小距离比3月1号更小，摆动的最大距离比3月更大，即叶片摆动幅度比3月1日更大了，而且是在大约15°处开始出现偏折，那很可能在叶片根部处出现了裂缝和损伤。当叶片折断时对应的50°到60°附近将会测不到距离，监测装置就可以发出信号。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于激光测距的风机叶片在线检测装置的检测方法，基于激光测距的风机叶片在线检测装置包含三维激光测距传感器、风速传感器和数据处理及控制单元，风速传感器和三维激光测距传感器均固定在风电机组机箱上，风速传感器和三维激光测距传感器均与数据处理及控制单元连接，数据处理及控制单元通过风速传感器的风速信号控制三维激光测距传感器工作，并处理分析三维激光测距传感器的数据；三维激光测距传感器为连续激光测距传感器或脉冲激光测距传感器；脉冲激光测距传感器的激光脉冲频率远远大于风机叶片旋转频率；其特征在于包含以下步骤：

步骤一：风速传感器保持对风速的在线监测，当风速达到叶片满载并网风速时，数据处理及控制单元控制三维激光测距传感器启动对叶片进行扫描；

步骤二：三维激光测距传感器对叶片进行扫描，测量出叶片不同位置到三维激光测距传感器的距离，并将距离数据输送至数据处理及控制单元；

步骤三：数据处理及控制单元对距离数据进行分析，三维激光测距传感器相对于水平位置角度为α_i，叶片距离为L_i；

步骤四：数据处理及控制单元对某一时间段内的叶片距离L_i进行对比计算，得到这一时段内的最大距离L_imax和最小距离L_imin；

步骤五：根据角度α_i和最大距离L_imax和最小距离L_imin绘制一天内叶片满载并网风速时摆动幅度最大时的叶片边缘轮廓曲线图，并通过曲线图分析叶片故障损伤情况，叶片边缘轮廓曲线图包含最大距离L_imax和最小距离L_imin的两幅曲线图。

2.按照权利要求1所述的基于激光测距的风机叶片在线检测装置的检测方法，其特征在于：所述步骤一中叶片满载并网风速具体为叶片满载的额定风速的±10％。

3.按照权利要求1所述的基于激光测距的风机叶片在线检测装置的检测方法，其特征在于：所述步骤四中某一时间段为某一次风速达到叶片满载并网风速开始直至达不到叶片满载并网风速的时间段。