CN107061185B - 一种基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测方法及系统 - Google Patents

一种基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测方法及系统，该方法的步骤为：S1：检测和采集风力机叶片的振动加速度信号；S2：利用采集的叶片振动加速度信号，计算叶片的实际低阶模态频率；S3：计算出实际叶片低阶模态频率的平方与新机组投运时同一运行工况下的模态频率的平方差；S4：利用模态频率的平方差的相对变化量得出叶片挥舞方向的模态刚度相对变化量；S5：利用叶片挥舞方向模态刚度的相对变化量得出叶片材料的寿命损耗率。该系统用来实施该方法。本发明具有原理简单、易于实现、无损、动态、可实施实时监测等优点。

Description

一种基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测方 法及系统
技术领域
本发明主要涉及到风力发电设备领域，特指一种基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测方法及系统，主要是基于叶片模态频率变化来完成叶片材料寿命损耗的在线监测。
背景技术
风力发电机组单机容量不断发展，所以对其设备进行在线监测变得尤其重要。其中，叶片是整个风力发电机组最脆弱的地方，而成本约占风力发电机组总成本的15％-20％，所以对风力机叶片材料的寿命损耗及其剩余寿命的在线监测是非常有必要的。风力机叶片的材料大部分为树脂基复合材料，叶片一旦投入运行，在各种外界因素和载荷的影响、作用下，叶片材料会发生老化，叶片材料寿命发生损耗，剩余寿命逐渐缩短。在已有的检测叶片材料寿命损耗的方法中，要么需要停机对叶片材料进行检测，要么需要从叶片上切割部分材料做为试件返回实验室进行分析检测。这些方法的检测成本高，且可能造成叶片本身的损伤。工程中需要找到一种既不影响风力机组运行又不对叶片造成损伤的叶片材料寿命损耗在线监测方法，实时评价叶片材料的寿命损耗情况，对叶片的剩余寿命做出预测与评估的新方法。
已有研究成果表明，风力机叶片材料全部损耗的寿命中，先天因素、环境因素、运行因素和维护因素造成的寿命损耗均占一定的比例。研究复合材料寿命损耗的途径主要是通过探索疲劳损伤的微观机理，通过宏观表象来描述损伤。从唯象的角度考虑，剩余强度、剩余刚度和其他机械量的退化可以描述材料的寿命损伤。在循环应力作用下，随着循环次数的增加，材料的刚度会下降，强度降低。特别是，刚度随材料的损伤而单调下降，因此能够用刚度来描述材料的损伤状态。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、易于实现、无损、动态、可实施实时监测的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测方法及系统，主要是基于叶片模态频率变化来完成叶片材料寿命损耗的在线监测。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测方法，主要是基于叶片模态频率变化来完成叶片材料寿命损耗的在线监测，其步骤为：
S1：检测和采集风力机叶片的振动加速度信号；
S2：利用采集的叶片振动加速度信号，计算叶片的实际低阶模态频率；
S3：计算出实际叶片低阶模态频率的平方与新机组投运时同一运行工况下的模态频率的平方差；
S4：利用模态频率的平方差的相对变化量得出叶片挥舞方向的模态刚度相对变化量；
S5：利用叶片挥舞方向模态刚度的相对变化量得出叶片材料的寿命损耗率。
作为本发明的进一步改进：所述叶片振动加速度信号包括每个叶片的翼展方向上若干个振动加速度传感器的信号。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S1中采集到的叶片振动加速度信号x(t)经由信号放大和滤波的前置处理后再进行处理。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S2的具体步骤为：
S201：利用采集到的叶片振动加速度信号x(t)，根据下式(1)计算各点振动信号的自相关函数：
其中，Rx(τ)-自相关函数；t-时间；τ-延迟时间；
S202：利用各点振动信号的自相关函数，根据下式(2)计算振动信号的功率谱：
其中，Sx(f)-振动信号的功率谱，即频谱函数；f-振动信号的频率；
S203：利用各点振动信号的功率谱，选择靠近叶尖位置的传感器信号为参考信号，根据下式(3)计算其余各点信号的互功率谱：
其中，Spq(f)-p、q两点振动信号的互功率谱；Sxp(f)-点p振动信号的功率谱；Sxq(f)-参考点q振动信号的功率谱；
S204：利用各点信号的互功率谱中，通过下述方法获得叶片的自振频率：对于互功率谱上的峰值点，若某一频率处的互功率谱相位在0°或者180°(士30°)附近，且相干函数值保持在0.95以上，那么此处频率就是叶片的真实固有频率，即叶片的实际低阶模态频率。
作为本发明的进一步改进：在所述步骤S3中，利用得到的叶片低阶模态频率，并按照下式(4)计算叶片某阶模态频率的变化量：
其中，f0i-叶片i阶模态频率；fi-i阶实测频率；ε-i阶模态频率的相对变化量。
作为本发明的进一步改进：在所述步骤S4中，利用所述步骤S3计算出来的叶片某阶模态频率的变化量，按照下式(5)计算叶片某阶模态刚度的变化量：
其中，λ-叶片模态刚度的变化量；E-材料的弹性模量；△E-弹性模量变化值。
作为本发明的进一步改进：在所述步骤S5中，所述步骤S4计算出来的叶片某阶模态刚度的变化量，按照下式(6)计算叶片材料寿命的损耗量：
η＝f(λ)α+βλ+γλ2
(6)
其中，η-叶片材料的寿命损耗量；f(λ)-与叶片材料弹性模量变化相关的函数；α、β、γ-分别是多项式的各项系数。
作为本发明的进一步改进：在上述步骤中，小型风力机每根叶片安装2～3个振动测点，中型风力机每根叶片安装3～5个振动测点，大型风力机每根叶片安装5～7个振动测点。
本发明进一步提供一种基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，其包括：
第一模块，用来检测和采集风力机叶片的振动加速度信号；
第二模块，用来利用采集的叶片振动加速度信号，计算叶片的实际低阶模态频率；
第三模块，用来计算出实际叶片低阶模态频率的平方与新机组投运时同一运行工况下的模态频率的平方差；
第四模块，用来利用模态频率的平方差的相对变化量得出叶片挥舞方向的模态刚度相对变化量；
第五模块，用来利用叶片挥舞方向模态刚度的相对变化量得出叶片材料的寿命损耗率。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测方法及系统，主要是基于叶片模态频率变化来完成叶片材料寿命损耗的在线监测，原理简单、易于实现，通过检测叶片模态参数的变化来反推叶片材料刚度的变化，通过叶片材料刚度的变化反推叶片材料寿命损耗量。
2、本发明的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测方法及系统，所需振动传感器测点数量少，成本低、易实现。
3、本发明的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测方法及系统，是一种无损、动态、实时监测方法，由于采用叶片的随机振动信号，因此无需测量风力机其它运行参数信号，也无需测量其它环境参数信号。同时，本发明可以实现风力机叶片寿命损耗的无损检测，不会对叶片造成新的损伤。
4、本发明的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测方法及系统，通过建立叶片结构模态参数变化量与叶片材料寿命损耗量之间的关系，借助材料技术、计算机技术、信号分析技术、网络技术，找到一种实时监测风力机叶片材料可靠性的方法与技术措施，实现实时监测风力机叶片材料的寿命损耗和剩余寿命的目的。
5、本发明的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测方法及系统，该方法利用风力机叶片上已经安装的振动传感器输出的振动信号，通过理论计算模型和计算机软硬件系统共同组成的提取叶片前3阶模态参数，计算前3阶模态频率的变化量，推算出叶片的刚度变化量，然后推算出叶片材料寿命损耗量及叶片材料当前剩余寿命。本发明提出的方法，不仅传感器布置简单方便，而且可在风力发电机组运行过程中对其叶片的寿命损耗和剩余寿命进行实时监测与评估，能够及时准确地反映出叶片的运行可靠性情况，为风力发电机组的可靠运行提供有力保障。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图。
图2是本发明在具体应用时系统工作原理示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测方法，主要是基于叶片模态频率变化来完成叶片材料寿命损耗的在线监测，其步骤为：
S1：检测和采集风力机叶片的振动加速度信号；
S2：利用采集的叶片振动加速度信号，计算叶片的实际低阶模态频率；
S3：计算出实际叶片低阶模态频率的平方与新机组投运时同一运行工况下的模态频率的平方差；
S4：利用模态频率的平方差的相对变化量得出叶片挥舞方向的模态刚度相对变化量；
S5：利用叶片挥舞方向模态刚度的相对变化量得出叶片材料的寿命损耗率。
在具体应用实例中，所述叶片振动加速度信号包括每个叶片的翼展方向上若干个振动加速度传感器的信号。
在具体应用实例中，所述步骤S1中采集到的叶片振动加速度信号x(t)经由信号放大和滤波的前置处理后再进行处理。
在具体应用实例中，所述步骤S2的具体步骤为：
S201：利用采集到的叶片振动加速度信号x(t)，根据下式(1)计算各点振动信号的自相关函数：
S202：利用各点振动信号的自相关函数，根据下式(2)计算振动信号的功率谱：
S203：利用各点振动信号的功率谱，选择靠近叶尖位置的传感器信号为参考信号，根据下式(3)计算其余各点信号的互功率谱：
S204：利用各点信号的互功率谱中，通过下述方法获得叶片的自振频率：对于互功率谱上的峰值点，若某一频率处的互功率谱相位在0°或者180°(士30°)附近，且相干函数值保持在0.95以上，那么此处频率就是叶片的真实固有频率，即叶片的实际低阶模态频率。
在具体应用实例中，在所述步骤S3中，利用得到的叶片低阶模态频率，并按照下式(4)计算叶片某阶模态频率的变化量：
在具体应用实例中，在所述步骤S4中，利用所述步骤S3计算出来的叶片某阶模态频率的变化量，按照下式(5)计算叶片某阶模态刚度的变化量：
在具体应用实例中，在所述步骤S5中，所述步骤S4计算出来的叶片某阶模态刚度的变化量，按照下式(6)计算叶片材料寿命的损耗量：
η＝f(λ)α+βλ+γλ2
(6)。
本发明进一步提供一种基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，其包括：
第一模块，用来检测和采集风力机叶片的振动加速度信号；
第二模块，用来利用采集的叶片振动加速度信号，计算叶片的实际低阶模态频率；
第三模块，用来计算出实际叶片低阶模态频率的平方与新机组投运时同一运行工况下的模态频率的平方差；
第四模块，用来利用模态频率的平方差的相对变化量得出叶片挥舞方向的模态刚度相对变化量；
第五模块，用来利用叶片挥舞方向模态刚度的相对变化量得出叶片材料的寿命损耗率。
如图2所示，本发明系统在具体应用时的工作原理为：
(1)用户登陆：用户通过设定密码登入系统。
(2)帮助：系统中关于数据采集中各通道的采样参数该如何设置进行解释。
(3)显示：该功能模块主要是呈现各个后台分析模块的分析结果，包括：叶片当前各振动测点的振动时域波形、振动信号功率谱显示、振动信号趋势显示，等。
(4)操作：可以对数据采集的相关参数进行设置；对无线设备所采集的叶片振动数据进行存储。
(5)诊断：主要负责完成叶片寿命损耗率诊断分析，材料剩余寿命诊断分析，叶片当前风险评估。
本发明在实际应用时，其系统的动能实现是通过结合虚拟仪器labview进行程序设计而成，根据所需要采集的信号信息对采集参数进行设置，通过时域分析、功率谱分析、互功率谱分析等提取叶片模态参数及其变化量，再推算出叶片材料的刚度变化量，然后推算出叶片材料的寿命损耗量，通过历史数据分析对叶片的运行风险进行评估。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于，步骤为：
S1：检测和采集风力机叶片的振动加速度信号；
S2：利用采集的叶片振动加速度信号，计算叶片的实际低阶模态频率；
S3：计算出实际叶片低阶模态频率的平方与新机组投运时同一运行工况下的模态频率的平方差；
S4：利用模态频率的平方差的相对变化量得出叶片挥舞方向的模态刚度相对变化量；
S5：利用叶片挥舞方向模态刚度的相对变化量得出叶片材料的寿命损耗率。
2.根据权利要求1所述的基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于：所述叶片振动加速度信号包括每个叶片的翼展方向上若干个振动加速度传感器的信号。
3.根据权利要求1所述的基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于：所述步骤S1中采集到的叶片振动加速度信号x(t)经由信号放大和滤波的前置处理后再进行处理。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于：所述步骤S2的具体步骤为：
S201：利用采集到的叶片振动加速度信号x(t)，根据下式(1)计算各点振动信号的自相关函数：
其中，Rx(τ)-自相关函数；t-时间；τ-延迟时间；
S202：利用各点振动信号的自相关函数，根据下式(2)计算振动信号的功率谱：
其中，Sx(f)-振动信号的功率谱，即频谱函数；f-振动信号的频率；
S203：利用各点振动信号的功率谱，选择靠近叶尖位置的传感器信号为参考信号，根据下式(3)计算其余各点信号的互功率谱：
其中，Spq(f)-p、q两点振动信号的互功率谱；Sxp(f)-点p振动信号的功率谱；Sxq(f)-参考点q振动信号的功率谱；
S204：利用各点信号的互功率谱中，通过下述方法获得叶片的自振频率：对于互功率谱上的峰值点，若某一频率处的互功率谱相位在0°或者150°～210°，且相干函数值保持在0.95以上，那么此处频率就是叶片的真实固有频率，即叶片的实际低阶模态频率。
5.根据权利要求4所述的基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于：在所述步骤S3中，利用得到的叶片低阶模态频率，并按照下式(4)计算叶片某阶模态频率的变化量：
其中，f0i-叶片i阶模态频率；fi-i阶实测频率；ε-i阶模态频率的相对变化量。
6.根据权利要求5所述的基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于：在所述步骤S4中，利用所述步骤S3计算出来的叶片某阶模态频率的变化量，按照下式(5)计算叶片某阶模态刚度的变化量：
其中，λ-叶片模态刚度的变化量；E-材料的弹性模量；ΔE-弹性模量变化值。
7.根据权利要求5所述的基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于：在所述步骤S5中，所述步骤S4计算出来的叶片某阶模态刚度的变化量，按照下式(6)计算叶片材料寿命的损耗量：
η＝f(λ)α+βλ+γλ2
(6)
其中，η-叶片材料的寿命损耗量；f(λ)-与叶片材料弹性模量变化相关的函数；α、β、γ-分别是多项式的各项系数。
8.根据权利要求1或2或3所述的基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于：在上述步骤中，小型风力机每根叶片安装2～3个振动测点，中型风力机每根叶片安装3～5个振动测点，大型风力机每根叶片安装5～7个振动测点。
9.一种基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，其特征在于，包括：
第一模块，用来检测和采集风力机叶片的振动加速度信号；
第二模块，用来利用采集的叶片振动加速度信号，计算叶片的实际低阶模态频率；
第三模块，用来计算出实际叶片低阶模态频率的平方与新机组投运时同一运行工况下的模态频率的平方差；
第四模块，用来利用模态频率的平方差的相对变化量得出叶片挥舞方向的模态刚度相对变化量；
第五模块，用来利用叶片挥舞方向模态刚度的相对变化量得出叶片材料的寿命损耗率。
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