CN112253405A - 基于das的风力发电机桨叶结构状态监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于DAS的风力发电机桨叶结构状态监测方法，以风力发电机一侧的桨叶外侧板作为光纤铺设的起始端，按S型迂回的方式，将传感光纤按照依次经过桨叶外侧板、中部支撑板、中部支撑板至桨叶外侧板的布设顺序进行布设，在传感光纤的进出光口处和光纤连接处形成一个光纤环，在桨叶的光纤布设区域涂覆环氧树脂胶，在涂覆了环氧树脂胶的区域粘贴一层玻璃钢纤维胶带，将DAS解调主机安装在桨叶叶身靠近密封门的内圆柱面上，通过桨叶密封门上的孔洞连接传感光纤，当桨叶结构出现损伤或即将出现损伤时，布设在桨叶处的传感光纤将携带有异常位置处振动信息的传感信号传递到DAS解调主机中，使DAS解调主机对桨叶的异常位置进行监测。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于DAS的风力发电机桨叶结构状态监测方法。
背景技术
风力发电机是一种将风能转换为机械能，机械能转换为电能的电力装置，承担着风力发电的重任。由于风力发电机依靠可再生的风能进行发电，因此其具有清洁环保的优点。此外，其基建时间短暂，在陆地以及海上均可建设，并且装机规模灵活，运行成本低。因此，风力发电机的建设受到了国家的大力支持。
但是风力发电机常处于气候多变、复杂的环境中，由于风力状况的不稳定引起风力发电机的振动。在长期的运作当中，其部件极易出现材料老化、结构疲劳损伤的问题。风机桨叶，作为风力发电机的核心部件之一，约占风力发电机总成本的15％-20％，它的结构好坏将直接关系到风机的性能以及效益。但是在桨叶旋转工作的过程中，由于受力的不断变化，加上外界恶劣环境等原因，使得桨叶成为风力发电机最易出现故障问题的部件之一，这也严重影响了风机的发电效率。因此，对桨叶的结构进行健康监测显得尤为重要。
由于桨叶形状、安装位置以及工作方式的特殊性，传统的人工巡检以及超声检测方式不能够及时准确地发现桨叶损伤，也不能对损伤进行预警，这使得一旦出现桨叶损坏，既影响了发电效率，又耽误了维修时间。分布式声波传感(DAS)技术利用光纤作为传输和传感介质，能够通过光纤性质的改变，来对光纤沿线发生的振动事件进行监测，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、质量轻、体积小等优点，适合对风力发电机的桨片进行结构健康或者状态监测。当桨叶出现结构损伤或即将出现结构损伤时，其异常位置处产生的振动波会影响到周围布置的传感光纤，利用解调主机对光纤中返回的背向瑞利散射光进行解相，获得光纤沿线的振动信息，便可及时发现问题所在。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种基于DAS的风力发电机桨叶结构状态监测方法，在桨叶内部布设传感光纤，通过与解调主机的配合，实现对桨叶结构的健康监测。
为实现本发明的目的，提供一种基于DAS的风力发电机桨叶结构状态监测方法，包括如下步骤：
S20，以风力发电机一侧的桨叶外侧板作为光纤铺设的起始端，按照S型迂回的方式，将传感光纤按照依次经过桨叶外侧板、中部支撑板、中部支撑板至桨叶外侧板的布设顺序进行布设，在传感光纤的进出光口处和光纤连接处形成一个光纤环；
S30，在桨叶的光纤布设区域涂覆环氧树脂胶，在涂覆了环氧树脂胶的区域粘贴一层玻璃钢纤维胶带；
S40，将DAS解调主机安装在桨叶叶身的根部内圆柱面上，通过桨叶的密封门上的孔洞连接传感光纤和电源；其中，安装DAS解调主机的桨叶叶身根部为的密封门一侧的桨叶叶身根部；
S50，当桨叶结构出现损伤或即将出现损伤时，布设在桨叶处的传感光纤将携带有异常位置处振动信息的传感信号传递到DAS解调主机中，使DAS解调主机对桨叶的异常位置进行监测。
在一个实施例中，在步骤S20之前，还包括：
S10，在风力发电机桨叶的内部进行铺设区域的清洁，所述铺设区域包括各个桨叶外侧板区域以及各个桨叶的中部支撑板区域。
在一个实施例中，在步骤S20中，铺设的传感光纤利用胶带进行固定，进出口处的光纤环通过在桨叶入口密封门开凿的两个孔洞，利用塑料绳将其固定在密封门上。
在一个实施例中，步骤S40中，DAS解调主机安装在桨叶叶身的内圆柱面上，通过支撑机架与内圆柱面进行固定，使DAS解调主机随桨叶一起缓慢转动；各个桨叶的传感光纤通过桨叶入口密封门上的孔洞引出，并串联连接，最后与DAS解调主机相连
在一个实施例中，步骤S50中，布设在桨叶内部的传感光纤向DAS解调主机传输背向散射信号，DAS解调主机通过解调背向散射信号的相位变化得到光纤沿线的振动信息，分析振动信息以实现对桨叶损伤进行健康监测；
具体地，所述DAS解调主机与地面终端进行无线通讯，以实时汇报桨叶结构的异常位置。
上述基于DAS的风力发电机桨叶结构状态监测方法具有如下技术效果：
(1)利用DAS解调主机对风力发电机的桨叶结构进行健康监测，通过在三片桨叶内部每个板上以S型迂回方式布设传感光纤，能够增强传感信号的强度。三片桨叶内的传感光纤通过桨叶入口密封门上的孔洞引出，并进行串联连接，由此将传感范围同时覆盖到三片桨叶。
(2)利用胶带、环氧树脂胶和玻璃钢纤维胶带来固定传感光纤，不但不会影响桨叶本身的结构，也不会增加过多额外的重量来给桨叶的运行造成困扰，反而会起到耐潮湿、耐高温、不易脱落的目的。
(3)在桨叶叶身靠近密封门的内圆柱面上放置DAS解调主机，通过解调传感光纤传递给解调主机的背向散射信号的相位，获得振动信息，进而实现对振动的实时监测。解调主机与地面终端进行无线通讯，能够及时反馈桨叶结构的状态等健康状况。
(4)可以根据桨叶结构监测的需求，例如振动、温度、应变等，置换固定在桨叶叶身靠近密封门的内圆柱面上的解调主机类型，不需要再额外布设光纤便可达到不同的监测目的。
附图说明
图1是一个实施例的基于DAS的风力发电机桨叶结构状态监测方法流程图；
图2是一个实施例中待布设光纤区域的清洁范围示意图；
图3是一个实施例的光纤布设轨道确定示意图；
图4是一个实施例的光纤布设轨道示意图；
图5是一个实施例的光纤弯曲部分胶带固定示意图；
图6为一个实施例的光纤直线部分胶带固定示意图；
图7是一个实施例的进出光口光纤环固定示意图；
图8是一个实施例的解调主机固定示意图；
图9是一个实施例中环氧树脂胶和玻璃钢纤维胶带固定示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参考图1所示，图1为一个实施例的基于DAS(分布式声波传感)的风力发电机桨叶结构的状态检测方法流程图，包括如下步骤：
S20，以风力发电机一侧的桨叶外侧板作为光纤铺设的起始端，按照S型迂回的方式，将传感光纤按照依次经过桨叶外侧板、中部支撑板、中部支撑板至桨叶外侧板的布设顺序进行布设，在传感光纤的进出光口处和光纤连接处形成一个光纤环。
上述步骤采用S型迂回的布设方式，能够将传感光纤的利用率尽可能达到最大，尽可能地增大各区域的传感光纤长度，提高传感精度。在板和板的光纤连接处形成光纤环，能够提高对布设不到光纤的地方的探测能力。布设的光纤利用胶带来固定，一是方便固定，二是不会改变桨叶的自身结构。桨叶入口密封板开凿的两个孔既可以用来固定进出光口的光纤环，又可以用来将桨叶内部传感光纤和外部电源与DAS解调主机相连。
S30，在桨叶的光纤布设区域涂覆环氧树脂胶，在涂覆了环氧树脂胶的区域粘贴一层玻璃钢纤维胶带。
具体地，用胶带固定好的传感光纤区域涂覆上环氧树脂胶，使得固定好的光纤能够耐潮湿和高温，不易脱落，并可以增加振动的耦合效果。
S40，将DAS解调主机安装在桨叶叶身的根部内圆柱面上，通过桨叶的密封门上的孔洞连接传感光纤和电源；其中，安装DAS解调主机的桨叶叶身根部为的靠近密封门一侧的桨叶叶身根部。比如可以将DAS解调主机安装在任一片桨叶叶身靠近密封门的内圆柱面上，通过桨叶密封门上的孔洞连接剩余两片桨叶内部的传感光纤。
具体地，桨叶入口密封门上开凿有两个过线孔，进出口处的光纤环通过这两个过线孔被塑料绳固定在密封门上，同时该孔洞可作为光纤和电源线引出孔，用于将桨叶内部传感光纤引出，将三片桨叶的内部传感光纤串联连接。解调主机安装在桨叶叶身靠近密封门的内圆柱面上，通过支撑机架与内圆柱面进行固定，并随桨叶一起缓慢转动。各个桨叶的传感光纤通过桨叶入口密封门上的孔洞引出，并串联连接，最后与DAS解调主机相连，由此实现对桨叶的实时健康监测，也不会对桨叶的结构造成影响。
上述步骤可以将DAS解调主机安装在桨叶叶身靠近密封门的内圆柱面上，通过密封门上的孔洞连接传感光纤，接入轮毂内的电源。此时解调主机安装在桨叶根部内圆柱面上，通过支撑机架与内圆柱面固定，并连接电源。
上述传感光纤为能够检测振动的分布式声波传感(DAS)系统，当光纤外部有异常的扰动事件即振动时，光纤会出现变形，对光纤内部传输的信号造成影响，使其相位发生变化，所以通过利用解调主机将光纤中散射回的信号进行处理，解调相位，就能够实现振动位置测量，并对异常位置进行定位。
DAS是对声波的振动进行传感，实际检测过程中，在光纤没有异常的时候也会传感振动。但是正常光纤的振动是规律的，若光纤某处出现异常振动即故障，则DAS解调主机解调出来的信号在此处将有相位以及振幅的异常变化。
S50，当桨叶结构出现损伤或即将出现损伤时，布设在桨叶处的传感光纤将携带有异常位置处振动信息的传感信号传递到DAS解调主机中，使DAS解调主机对桨叶的异常位置进行监测。
本实施例将单条传感光纤按照S型迂回方式布设在风力发电机的各个桨叶内部，可以利用多种固定方式(如用胶带、环氧树脂胶和玻璃钢纤维胶等方式)将其牢牢固定，将三片桨叶内部的传感光纤串联连接，最后与DAS解调主机相连，同时实现三片桨叶结构的实时健康监测，能够对风力发电机桨叶的结构损伤等问题进行排查和预警。
在一个示例中，可以将将传感光纤布设在风力发电机三片桨叶内部，每片桨叶包括两个桨叶外侧板和两个中部支撑板，传感光纤将振动信号传递给DAS解调主机，实现对风力发电机桨叶结构的健康监测。首先，将桨叶内部需要铺设光纤的区域进行清洁，保证光纤良好的铺设环境；其次，将光纤铺设在桨叶内部并用胶带固定，桨叶进出口处的光纤环由塑料绳固定在桨叶密封门上；再者，将环氧树脂胶涂覆在由胶带固定的光纤区域内；最后，在环氧树脂胶外侧粘贴玻璃钢纤维胶带。
上述基于DAS的风力发电机桨叶结构状态监测方法，以风力发电机一侧的桨叶外侧板作为光纤铺设的起始端，按照S型迂回的方式，将传感光纤按照依次经过桨叶外侧板、中部支撑板、中部支撑板至桨叶外侧板的布设顺序进行布设，在传感光纤的进出光口处和光纤连接处形成一个光纤环，在桨叶的光纤布设区域涂覆环氧树脂胶，在涂覆了环氧树脂胶的区域粘贴一层玻璃钢纤维胶带，将DAS解调主机安装在桨叶叶身靠近密封门的内圆柱面上，通过桨叶的密封门上的孔洞连接传感光纤和接入电源，当桨叶结构出现损伤或即将出现损伤时，布设在桨叶处的传感光纤将携带有异常位置处振动信息的传感信号传递到DAS解调主机中，使DAS解调主机对桨叶的异常位置进行监测，能够实现对风力发电机桨叶结构的状态等健康情况的实时监测，具有较高的监测效果。
在一个实施例中，在步骤S20之前，还包括：
S10，在风力发电机桨叶的内部进行铺设区域的清洁，所述铺设区域包括各个桨叶外侧板区域以及各个桨叶的中部支撑板区域。
本实施例对桨叶内部光纤布设区域进行清洁，有助于后续使传感光纤更加牢固地固定在桨叶内部结构上。
在一个实施例中，在步骤S20中，铺设的传感光纤利用胶带进行固定，进出口处的光纤环通过在桨叶入口密封门开凿的两个孔洞，利用塑料绳将其固定在密封门上。
在一个实施例中，步骤S40中，DAS解调主机安装在桨叶叶身的内圆柱面上(如桨叶叶身靠近密封门的内圆柱面上)，通过支撑机架与内圆柱面进行固定，使DAS解调主机随桨叶一起缓慢转动；各个桨叶的传感光纤通过桨叶入口密封门上的孔洞引出，并串联连接，最后与DAS解调主机相连。
在一个实施例中，步骤S50中，布设在桨叶内部的传感光纤向DAS解调主机传输背向散射信号，DAS解调主机通过解调背向散射信号的相位变化得到光纤沿线的振动信息，分析振动信息以实现对桨叶损伤进行健康监测。
具体地，所述DAS解调主机与地面终端进行无线通讯，以实时汇报桨叶结构的异常位置。
上述地面终端可以为服务器终端，能够读取DAS解调主机的数据，实时对风力发电机桨叶结构的状态检测进行检测。
本实施例中，布设在桨叶内部的传感光纤向解调主机传输背向散射信号，通过解调背向散射信号的相位变化来得到光纤沿线的振动信息，分析振动信息便可对桨叶损伤进行健康监测。解调主机与地面终端进行无线通讯，可以实时汇报桨叶结构的健康状态。
在一个实施例中，为了使传感光纤在较长时间内紧密贴附在桨叶内部结构的监测区域内，保证后续固定方式的有效性，首先对需要布设光纤的区域进行清洁，清洁范围为距布设光纤2cm内的区域，如图2所示。
为了提高传感信号的强度，在每片桨叶内部拟采用S型迂回布设的方法。S型布设轨迹的确定可以参考图3所示，图3中(a)表示桨叶的可布设长度示意图，(b)表示布设光纤所需标记点示意图，(c)表示光纤S型迂回布设示意图。如图3(a)所示，对于桨叶外侧板来说，在一侧铺设端的粘接线上取一点a，并用记号笔标记。在垂直于粘接线并距离a点50cm的地方取两点b、c，用记号笔标记。然后利用激光准直设备分别经a、b、c两点打出三条平行于粘接线的直线，标记直线上距离a为30cm的点a’、距离b为30m的点b’和距离c为30m的点c’。再次利用激光准直设备将b和b’相连，c和c’连接，在两者连接线上利用记号笔每隔25cm标记一个点，粘接线上不做标记，如图3(b)所示。对于中部支撑板来说，其没有粘接线，因此在起始端垂直线段上的合适位置，每隔50cm取一个点，共取三个点，然后确定其准直线上间距为50cm的另外三个点，准直线每隔25厘米标记一点即可。在做完标记点以后，将光纤按照标记点布设即可。以3m长光纤为例，如图3(c)所示，其布设起始段位于标记点c上，按照c→a→b→d→e→f→g的顺序S型迂回布设光纤，使得光纤每50cm处的点均位于标记点或记号线上，重复上述步骤，直至最后一个标记点。
最终传感光纤在桨叶内部的布设轨迹如图4所示。风力发电机桨叶的内部结构包括两个桨叶外侧板和两个中部支撑板，因此桨叶内部一共被分为3个舱室，但是由于两个中部支撑板之间的舱室(舱室2)十分狭小，使得光纤布设工作无法进行，因此光纤只布设在另外两个舱室(舱室1和舱室3)的桨叶板上。由于桨叶结构的特殊性，使得桨叶尖端部分无法布设光纤，因此光纤的布设也只是在桨叶板的部分区域，并在布设末端布设光纤环，以此来增大末端光纤的传感能力。桨叶的可布设长度为30m，每1m长桨叶上布设6m长的光纤，尾端光纤环长度为10m，中部支撑板、进出光口处各预留20m长的光纤，单个桨叶内部传感光纤的总长度为800m。
图5和图6分别为光纤弯曲部分和直线部分的胶带固定示意图。弯曲部分处的光纤需要用三个胶带分别固定弯曲起始部位、弯曲顶端和弯曲结束部位。直线部分的光纤需要每隔25cm的光纤长度固定一个胶带。
图7为进出光口光纤环的固定示意图。通过在桨叶入口的密封门上开凿两个直径不大于1cm的小孔，使用塑料绳将其固定在密封门上。同时，该孔洞可作为光纤和电源线引出孔，用于将桨叶内部传感光纤引出和接入轮毂内电源。该孔洞可以使用橡皮塞或密封胶泥对空余部位进行填充。
图8为解调主机固定示意图。其中图8(a)为从叶身看向叶根的解调主机固定主视图，图8(b)为解调主机固定侧视图。解调主机与支撑机架连接，被固定在桨叶叶身靠近密封门的内圆柱面上。三片桨叶内部的传感光纤通过桨叶入口密封门上开凿的孔洞引出并串联在一起，在串联的尾端与解调主机连接。解调主机跟着桨叶一起转动，在既不影响桨叶正常运作状态的情况下，实现对桨叶结构的实时健康监测。
图9为环氧树脂胶和玻璃钢纤维胶带固定示意图。环氧树脂胶被涂覆在胶带固定的光纤左右两侧各0.5cm的区域内，并在环氧树脂胶外侧粘贴玻璃钢纤维胶带。
本实施例具有如下技术效果：
(1)利用DAS解调主机对风力发电机的桨叶结构进行健康监测，通过在三片桨叶内部每个板上以S型迂回方式布设传感光纤，能够增强传感信号的强度。三片桨叶内的传感光纤通过桨叶入口密封门上的孔洞引出，并进行串联连接，由此将传感范围同时覆盖到三片桨叶。
(2)利用胶带、环氧树脂胶和玻璃钢纤维胶带来固定传感光纤，不但不会影响桨叶本身的结构，也不会增加过多额外的重量来给桨叶的运行造成困扰，反而会起到耐潮湿、耐高温、不易脱落的目的。
(3)在桨叶叶身靠近密封门一侧的内圆柱面上放置DAS解调主机，通过解调传感光纤传递给解调主机的背向散射信号的相位，获得振动信息，进而实现对振动的实时监测。解调主机与地面终端进行无线通讯，能够及时反馈桨叶结构的状态等健康状况。
(4)可以根据桨叶结构监测的需求，例如振动、温度、应变等，置换固定在桨叶叶身靠近密封门一侧的内圆柱面上的解调主机类型，不需要再额外布设光纤便可达到不同的监测目的。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种基于DAS的风力发电机桨叶结构状态监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S20，以风力发电机一侧的桨叶外侧板作为光纤铺设的起始端，按照S型迂回的方式，将传感光纤按照依次经过桨叶外侧板、中部支撑板、中部支撑板至桨叶外侧板的布设顺序进行布设，在传感光纤的进出光口处和光纤连接处形成一个光纤环；
S30，在桨叶的光纤布设区域涂覆环氧树脂胶，在涂覆了环氧树脂胶的区域粘贴一层玻璃钢纤维胶带；
S40，将DAS解调主机安装在桨叶叶身的根部内圆柱面上，通过桨叶的密封门上的孔洞连接传感光纤和电源；其中，安装DAS解调主机的桨叶叶身根部为的密封门一侧的桨叶叶身根部；
S50，当桨叶结构出现损伤或即将出现损伤时，布设在桨叶处的传感光纤将携带有异常位置处振动信息的传感信号传递到DAS解调主机中，使DAS解调主机对桨叶的异常位置进行监测。
2.根据权利要求1所述的基于DAS的风力发电机桨叶结构状态监测方法，其特征在于，在步骤S20之前，还包括：
S10，在风力发电机桨叶的内部进行铺设区域的清洁，所述铺设区域包括各个桨叶外侧板区域以及各个桨叶的中部支撑板区域。
3.根据权利要求1所述的基于DAS的风力发电机桨叶结构状态监测方法，其特征在于，在步骤S20中，铺设的传感光纤利用胶带进行固定，进出口处的光纤环通过在桨叶入口密封门开凿的两个孔洞，利用塑料绳将其固定在密封门上。
4.根据权利要求1所述的基于DAS的风力发电机桨叶结构状态监测方法，其特征在于，步骤S40中，DAS解调主机安装在桨叶叶身的内圆柱面上，通过支撑机架与内圆柱面进行固定，使DAS解调主机随桨叶一起缓慢转动；各个桨叶的传感光纤通过桨叶入口密封门上的孔洞引出，并串联连接，最后与DAS解调主机相连。
5.根据权利要求1所述的基于DAS的风力发电机桨叶结构状态监测方法，其特征在于，步骤S50中，布设在桨叶内部的传感光纤向DAS解调主机传输背向散射信号，DAS解调主机通过解调背向散射信号的相位变化得到光纤沿线的振动信息，分析振动信息以实现对桨叶损伤进行健康监测。
6.根据权利要求5所述的基于DAS的风力发电机桨叶结构状态监测方法，其特征在于，所述DAS解调主机与地面终端进行无线通讯，以实时汇报桨叶结构的异常位置。
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| CN114682750A (zh) * | 2022-04-01 | 2022-07-01 | 燕山大学 | 一种管材铸造的方法及装置 |
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2020
- 2020-11-25 CN CN202011336864.2A patent/CN112253405B/zh active Active
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