CN109372706B - 低风速风电机组轴向力动态监测装置及其监测方法和机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低风速风电机组轴向力动态监测装置及其监测方法和机组，属于风电机组领域，监测装置包括应变片组、数据采集仪、数据传输装置和服务器；应变片组包括两组，两组应变片组分别安装在靠近叶片根部不同距离的圆柱段前缘内腔上并沿叶片轴向方向设置，每组应变片组包括两个用于分别安装在前缘内腔两侧的上下相对的应变片；数据采集仪用于采集应变片组的测量数据信息；数据传输装置用于将采集信息传输到服务器；服务器用于对采集信息进行分析判断并根据计算结果与预设的报警值进行比对给出是否报警的指示。本发明利用该监测装置可以对风电机组轴向力进行有效监测，同时，还可监测叶片的运行状态，还可通过与预设报警值对比发出报警指示。

Description

低风速风电机组轴向力动态监测装置及其监测方法和机组

技术领域

本发明涉及风电机组领域，特别是涉及一种低风速风电机组轴向力动态监测装置及其监测方法和机组。

背景技术

在风力发电机组中，机组依靠叶片吸收风能，将风能转化为机械能，进而再将机械能转化为电能通过电网输送出去。机组的整个运行过程中，叶片是主要的受力部件，而叶片旋转平面上的力最后都要转化为轴向力作用在机组上。因此，对轴向力进行实时监测，有助于监测机组运行状态，确保机组在正常的载荷状态下运行。

在现有技术中，并没有对风电机组轴向力进行实时监测的技术，只是单独对叶片或者主轴进行相关监测或者可靠性计算。实用新型专利《一种风电用叶片实时监测装置》提出了一种采用多个模块对叶片进行实时监测的系统。论文《极限工况下风力机主轴强度的可靠性分析》对满足静强度要求的主轴进行可靠性分析，为整机的可靠性设计方法研究打下了基础。但上述方法均是将叶片和主轴割裂开来进行分析，并没有将两者结合起来，在整机的轴向力监测上，两者是密不可分的。

因此，如何创设一种针对风电机组轴向力的监测方法，能够经济有效的监测机组受力情况，保障机组在正常载荷范围内运行，成为本技术领域人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种有效监测机组受力情况保障机组在正常载荷范围内运行的低风速风电机组轴向力动态监测装置及其监测方法和机组。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种低风速风电机组轴向力动态监测装置，所述风电机组包括叶片，所述监测装置包括应变片组、数据采集仪、数据传输装置和服务器；

所述应变片组包括两组，用于监测叶片的应变，两组应变片组分别安装在靠近叶片根部不同距离的圆柱段前缘内腔上并沿叶片轴向方向设置，每组应变片组包括两个用于分别安装在前缘内腔两侧的上下相对的应变片，分别位于叶片的迎风面和背风面；

所述数据采集仪用于采集应变片组的测量数据信息；

所述数据传输装置用于将采集信息传输到服务器；

所述服务器用于对采集信息进行分析判断并根据计算结果与预设的报警值进行比对给出是否报警的指示。

进一步地，所述数据传输装置包括机组网线、塔底控制柜、风场环网、环网交换机、核心交换机。

进一步地，所述服务器为风场监控中心服务器。

进一步地，所述应变片为T型应变片。

再一方面，提供一种低风速风电机组，包括所述的低风速风电机组轴向力动态监测装置。

进一步地，两组应变片组分别安装在靠近叶片根部不同距离的圆柱段前缘内腔上并沿叶片轴向设置，每组应变片组的两个应变片分别安装在前缘内腔两侧的上下相对的位置，所述数据采集仪安装在轮毂里。

再一方面，提供一种低风速风电机组轴向力动态监测方法，包括如下步骤：

S1：数据采集仪采集应变片组的测量数据信息并传输到服务器，在叶片的靠近根部不同距离的圆柱段前缘内腔上的两组应变片组，两组应变片组为沿叶片轴向方向设置的第一应变片组和第二应变片组，其中第一应变片组更靠近叶片根部，每组应变片组的两个应变片分别安装在叶片前缘内腔上下相对的两侧，分别位于叶片的迎风面和背风面；

S2：服务器根据第一应变片组和第二应变片组的有效测量结果，将第一应变片组和第二应变片组测得的应变分别为ε₁、ε₂，为方便计算，将作用在叶片上的均布载荷简化为力F，则叶片的受力F的计算公式为：

式(1)中，ε₁、ε₂分别为第一应变片组和第二应变片组测得的应变，E为叶片材料的弹性模量，W为抗弯截面系数，a为第一应变片组和第二应变片组之间的力臂；

S3：则，由此计算得到风电机组的总轴向力F₀：

F₀＝3*F (2)

每支叶片根部的弯矩M₀的计算公式为：

M₀＝F*(L+a+b) (3)

式(3)中，(L+a+b)为力F的力臂，其中b为第一应变片到叶片根部的力臂，a为第一应变片组和第二应变片组之间的力臂，L为第二应变片到力F受力点的力臂，叶片受力情况F与悬臂梁的受力一致，根据悬臂梁的计算方法得到力臂L；

S4：服务器根据F₀和M₀的数值分别与其设计值对比，并设定预警值，服务器将比对分析结果反馈到风场监控系统，风场监控系统根据分析结果给出是否报警的指示。

进一步地，所述步骤S4中，预警值包括：当F0超过设计值5％时或M0超过设计值5％时，则进行报警。

进一步地，预警值还包括：当两支叶片的M0的偏差超过5％时，则进行报警。

进一步地，所述步骤S2中，将叶片上的力看成均布载荷并简化为力F，叶片受力情况与悬臂梁的受力一致，根据悬臂梁的计算方法得到F和L，计算过程为：

1)根据第一应变片组和第二应变片组测得的应变ε₁、ε₂分别计算得到应力：

σ₁＝E*ε₁ (3)

σ₂＝E*ε₂ (4)

其中，式(3)、式(4)中，σ₁、σ₂分别为第一应变片组和第二应变片组计算得到的应力，ε₁、ε₂分别为第一应变片组和第二应变片组测得的应变，E为叶片材料的弹性模量；

2)根据计算得到的应力值σ₁、σ₂，再由梁的弯曲特性计算第一应变片组和第二应变片组两处的弯矩，如下：

3)由此得到弯矩M₁、M₂，根据叶片受力情况，计算叶片的受力F，计算如下：

4)根据式(3)～式(7)得到式(1)计算得到力F，根据力F计算力臂L。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

1)本发明利用该监测装置可以对风电机组轴向力进行有效监测，同时，还可以监测叶片的运行状态，还可以通过与预设报警值对比发出报警指示。

2)本发明的监测方法结合叶片的受力模型，利用材料受力弯曲的特点，进而推出叶片所受的力，从而计算得到机组所受的轴向力，创造性的提出了一种简单有效的监测风电机组轴向力的方法，为以后进行风电机组轴向力和叶片状态监测诊断提供了一种新思路。

3)本发明的监测方法通过实时监测的轴向力与设计值进行比对，当机组所受的轴向力超过设计值，或者叶片受力不均超过报警值时，机组会发出报警的指示，保障机组的安全运行。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的应变片在低风速风电机组叶片的安装位置的截面结构示意图；

图2是本发明的两组应变片组在叶片内腔同侧的沿叶片轴向方向的安装结构示意图；

图3是本发明的低风速风电机组的结构示意图；

图4是本发明的低风速风电机组叶片的受力简图；

图5是本发明的低风速风电机组轴向力动态监测方法的逻辑结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明提供一种低风速风电机组轴向力动态监测装置的实施例，如图1至图5所示，风电机组包括叶片2，叶片有前缘21和后缘22，监测装置包括应变片组1、数据采集仪3、数据传输装置和服务器8；应变片组1包括两组，用于监测叶片的应变，两组应变片组分别安装在靠近叶片根部不同距离的圆柱段前缘21内腔上并沿叶片2轴向方向设置，记为第一应变片组合第二应变片组，位于同侧的应变片则分别对应为第一应变片11和第二应变片12，每组应变片组包括两个用于分别安装在叶片2前缘21内腔两侧的上下相对的应变片；数据采集仪3用于采集应变片组的测量数据信息；数据传输装置用于将采集信息传输到服务器；服务器8用于对采集信息进行分析判断并根据计算结果与预设的报警值进行比对给出是否报警的指示。

本发明在使用时，将两组应变片组沿叶片根部不同的距离分别安装在圆柱段前缘内腔上，每组应变片包括两个分别安装在前缘内腔两侧的上下相对的应变片，使每侧叶片内腔上形成沿轴向安装的第一应变片组和第二应变片组，每组应变片组的两个应变片分别位于叶片的迎风面和背风面，其中一面的应变片测量的数据为有效数据，另一面的应变片测量的数据作为补偿使用，这是由应变片所在的叶片侧面为受压面还是受拉面决定的，第一应变片组靠近叶片根部，在圆柱段的前缘部分，通过每组沿轴向上的两个应变片监测并计算简化的力F，风作用在叶片的力可以看做均布载荷，为了方便计算，简化为力F，叶片受力情况与悬梁臂的受力一致，根据前后两个应变片的力臂和F的力臂计算叶片轴向力，从而计算风电机组总轴向力，达到实时监测机组总轴向力的目的，从而可以监测叶片的运行状态，还可以通过与预设报警值发出报警指示。

进一步地，数据传输装置包括机组网线4、塔底控制柜5、风场环网、环网交换机6、核心交换机7。

进一步地，服务器8为风场监控中心服务器。

进一步地，应变片1为T型应变片。

再一方面，如图3所示，提供一种低风速风电机组，包括所述的低风速风电机组轴向力动态监测装置。

进一步地，两组应变片组分别安装在距离叶片根部不同距离的圆柱段前缘内腔上，每组应变片组的两个应变片分别安装在叶片的前缘内腔上下相对的位置，同一应变片组的两个应变片优选安装在叶片的同横截面内，数据采集仪安装在轮毂里。

再一方面，通过上述实施例中的监测装置进行低风速风电机组轴向力动态监测方法，逻辑关系如图5所示，监测方法包括如下步骤：

S1：数据采集仪采集应变片组的测量数据信息并传输到服务器，在叶片的靠近根部不同距离的圆柱段前缘内腔上的两组应变片组，两组应变片组为沿叶片轴向方向设置的第一应变片组和第二应变片组，如图2所示其中一侧的第一应变片组合第二应变片组，其中第一应变片组更靠近叶片根部，每组应变片组的两个应变片分别安装在叶片前缘内腔上下相对的两侧，分别位于叶片的迎风面和背风面；每组应变片组的两个应变片分别位于叶片的迎风面和背风面，其中一面的应变片测量的数据为有效数据，另一面的应变片测量的数据作为补偿使用，这是由应变片所在的叶片侧面为受压面还是受拉面决定的；

S2：服务器根据第一应变片组和第二应变片组的有效测量结果，将第一应变片组和第二应变片组测得的应变分别为ε₁、ε₂，为方便计算，将作用在叶片上的均布载荷简化为力F，则叶片的受力F的计算公式为：

式(1)中，ε₁、ε₂分别为第一应变片组和第二应变片组测得的应变，E为叶片材料的弹性模量，W为抗弯截面系数，a为第一应变片组和第二应变片组之间的力臂，叶片的受力情况如图4所示；

该步骤中，将叶片上的力看成均布载荷并简化为力F，叶片受力情况与悬臂梁的受力一致，根据悬臂梁的计算方法得到F和L，计算过程为：

1)根据第一应变片组和第二应变片组测得的应变ε₁、ε₂分别计算得到应力：

σ₁＝E*ε₁ (3)

σ₂＝E*ε₂ (4)

其中，式(3)、式(4)中，σ₁、σ₂分别为第一应变片组和第二应变片组计算得到的应力，ε₁、ε₂分别为第一应变片组和第二应变片组测得的应变，E为叶片材料的弹性模量；

2)根据计算得到的应力值σ₁、σ₂，再由梁的弯曲特性计算第一应变片组和第二应变片组两处的弯矩，如下：

3)由此得到弯矩M₁、M₂，根据叶片受力情况，计算叶片的受力F，计算如下：

4)根据式(3)～式(7)得到式(1)计算得到力F，根据力F计算力臂L。

S3：则，由此计算得到风电机组的总轴向力F₀：

F₀＝3*F (2)

每支叶片根部的弯矩M₀的计算公式为：

M₀＝F*(L+a+b) (3)

式(3)中，(L+a+b)为力F的力臂，其中b为第一应变片到叶片根部的力臂，a为第一应变片组和第二应变片组之间的力臂，L为第二应变片到力F受力点的力臂，叶片受力情况F与悬臂梁的受力一致，根据悬臂梁的计算方法得到力臂L；

S4：服务器根据F₀和M₀的数值分别与其设计值对比，并设定预警值，服务器将比对分析结果反馈到风场监控系统，风场监控系统根据分析结果给出是否报警的指示。将算法得到的结果反馈到风场监控系统，如有报警，采取相应的处理措施。具体地，F₀的设计值、M₀的设计值指的是机组在设计的时候允许的最大受力和弯矩。

进一步地，步骤S4中，预警值包括：当F₀超过设计值5％时或M0超过设计值5％时，则进行报警。

进一步地，预警值还包括：当两支叶片的M₀的偏差超过5％时，则进行报警。

本发明可以对机组轴向力进行实时计算监测，并监测叶片运行状态。通过在机组叶片布置应变片传感器、数据采集仪、数据传输装置和服务器等模块，建立风电机组轴向力监测系统。利用应变片传感器测得的叶片应变数据计算其所承受的弯矩，进而计算叶片所受的力，最后计算出机组承受的轴向力。本发明一方面实时监测机组承受的轴向力，确保载荷在在正常范围内，另一方面可以监测叶片的工作状态，保障机组安全稳定运行

本发明通过在叶片上布置应变片传感器，通过计算得到叶片所受的外力，进而得到机组所受的轴向力，不仅可以监测叶片的运行状态，还可以实时监测机组所受轴向力，确保机组载荷在正常范围内，保障机组安全稳定运行。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种低风速风电机组轴向力动态监测装置，所述风电机组包括叶片，其特征在于，所述监测装置包括应变片组、数据采集仪、数据传输装置和服务器；

所述应变片组包括两组，用于监测叶片的应变，两组应变片组分别安装在靠近叶片根部不同距离的圆柱段前缘内腔上并沿叶片轴向方向设置，分别为第一应变片组和第二应变片组，其中第一应变片组更靠近叶片根部，每组应变片组包括两个用于分别安装在前缘内腔两侧的上下相对的应变片，分别位于叶片的迎风面和背风面；

所述数据采集仪用于采集应变片组的测量数据信息；

所述数据传输装置用于将采集信息传输到服务器；

所述服务器用于对采集信息进行分析判断并根据计算结果与预设的报警值进行比对给出是否报警的指示，包括：

服务器根据第一应变片组和第二应变片组的有效测量结果，将第一应变片组和第二应变片组测得的应变分别为ε₁、ε₂，为方便计算，将作用在叶片上的均布载荷简化为力F，则叶片的受力F的计算公式为：

式(1)中，ε₁、ε₂分别为第一应变片组和第二应变片组测得的应变，E为叶片材料的弹性模量，W为抗弯截面系数，a为第一应变片组和第二应变片组之间的力臂；

则，由此计算得到风电机组的总轴向力F₀：

F₀＝3*F (2)

每支叶片根部的弯矩M₀的计算公式为：

M₀＝F*(L+a+b) (3)

式(3)中，(L+a+b)为力F的力臂，其中b为第一应变片到叶片根部的力臂，a为第一应变片组和第二应变片组之间的力臂，L为第二应变片到力F受力点的力臂，叶片受力情况F与悬臂梁的受力一致，根据悬臂梁的计算方法得到力臂L；

服务器根据F₀和M₀的数值与设计值对比，并设定预警值，服务器将比对分析结果反馈到风场监控系统，风场监控系统根据分析结果给出是否报警的指示。

2.根据权利要求1所述的低风速风电机组轴向力动态监测装置，其特征在于，所述数据传输装置包括机组网线、塔底控制柜、风场环网、环网交换机、核心交换机。

3.根据权利要求1或2所述的低风速风电机组轴向力动态监测装置，其特征在于，所述服务器为风场监控中心服务器。

4.根据权利要求1或2所述的低风速风电机组轴向力动态监测装置，其特征在于，所述应变片为T型应变片。

5.一种低风速风电机组，其特征在于，包括权利要求1至4任一所述的低风速风电机组轴向力动态监测装置。

6.根据权利要求5所述的低风速风电机组，其特征在于，两组应变片组分别安装在靠近叶片根部不同距离的圆柱段前缘内腔上并沿叶片轴向设置，每组应变片组的两个应变片分别安装在前缘内腔两侧的上下相对的位置，所述数据采集仪安装在轮毂里。

7.一种低风速风电机组轴向力动态监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：数据采集仪采集应变片组的测量数据信息并传输到服务器，在叶片的靠近根部不同距离的圆柱段前缘内腔上的两组应变片组，两组应变片组为沿叶片轴向方向设置的第一应变片组和第二应变片组，其中第一应变片组更靠近叶片根部，每组应变片组的两个应变片分别安装在叶片前缘内腔上下相对的两侧，分别位于叶片的迎风面和背风面；

S2：服务器根据第一应变片组和第二应变片组的有效测量结果，将第一应变片组和第二应变片组测得的应变分别为ε₁、ε₂，为方便计算，将作用在叶片上的均布载荷简化为力F，则叶片的受力F的计算公式为：

式(1)中，ε₁、ε₂分别为第一应变片组和第二应变片组测得的应变，E为叶片材料的弹性模量，W为抗弯截面系数，a为第一应变片组和第二应变片组之间的力臂；

S3：则，由此计算得到风电机组的总轴向力F₀：

F₀＝3*F (2)

每支叶片根部的弯矩M₀的计算公式为：

M₀＝F*(L+a+b) (3)

式(3)中，(L+a+b)为力F的力臂，其中b为第一应变片到叶片根部的力臂，a为第一应变片组和第二应变片组之间的力臂，L为第二应变片到力F受力点的力臂，叶片受力情况F与悬臂梁的受力一致，根据悬臂梁的计算方法得到力臂L；

S4：服务器根据F₀和M₀的数值与设计值对比，并设定预警值，服务器将比对分析结果反馈到风场监控系统，风场监控系统根据分析结果给出是否报警的指示。

8.根据权利要求7所述的低风速风电机组轴向力动态监测方法，其特征在于，所述步骤S4中，预警值包括：当F₀超过设计值5％时或M₀超过设计值5％时，则进行报警。

9.根据权利要求7或8所述的低风速风电机组轴向力动态监测方法，其特征在于，预警值还包括：当两支叶片的M₀的偏差超过5％时，则进行报警。

10.根据权利要求7或8所述的低风速风电机组轴向力动态监测方法，其特征在于，所述步骤S2中，将叶片上的力看成均布载荷并简化为力F，叶片受力情况与悬臂梁的受力一致，根据悬臂梁的计算方法得到F和L，计算过程为：

1)根据第一应变片组和第二应变片组测得的应变ε₁、ε₂分别计算得到应力：

σ₁＝E*ε₁ (3)

σ₂＝E*ε₂ (4)

其中，式(3)、式(4)中，σ₁、σ₂分别为第一应变片组和第二应变片组计算得到的应力，ε₁、ε₂分别为第一应变片组和第二应变片组测得的应变，E为叶片材料的弹性模量；

2)根据计算得到的应力值σ₁、σ₂，再由梁的弯曲特性计算第一应变片组和第二应变片组两处的弯矩，如下：

3)由此得到弯矩M₁、M₂，根据叶片受力情况，计算叶片的受力F，计算如下：

4)根据式(3)～式(7)得到式(1)计算得到力F，根据力F计算力臂L。