CN113217300A - 一种基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法 - Google Patents

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杨世凯
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Abstract

本发明提供了一种基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法，在风电机组的各叶片的腔体内部布置多头激光发射器和反光装置，利用多头激光发射器实时监测叶片变形角度并发送至上位机，上位机计算得到叶片净空距离。从而判断叶片转动是否有扫塔风险，以保证机组运行安全。本发明提供的一种基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法将多头激光测量装置安装于叶片的腔体内部，通过数据拟合实时获得风机叶片净空值，安装、调试方便可靠，不受环境影响，测试结果精准，适应各种恶劣环境条件，稳定性高，测试结果精准，在叶尖部分不含任何电气部件和金属件，无雷电侵袭风险。

Description

一种基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法
技术领域
本发明涉及一种基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法，属于风力发电机组监测技术领域。
背景技术
风力发电机组叶片净空一直是大叶轮风力发电机、长柔叶片开发面临的重大难题，尤其在极端风况下，存在叶片塔架碰撞的风险；而一旦发生叶片塔架碰撞，轻则叶片损坏掉落，重则整个风力发电机损毁倒塌，不仅造成极大的资产损失，还有极大的安全隐患。
目前叶片净空监测主要采用以下几种方式实现：
一、利用安装于机舱尾部的底部的视频监测设备，获取风力发电机组在运行过程中的图像，图像包括风力发电机组的叶片的尖端以及塔筒；从获取的图像中确定所述风力发电机组的叶片的尖端的位置；且从获取的图像中识别所述塔筒的边缘；根据图像中确定的叶片尖端的位置和识别的塔筒的边缘，计算叶片的尖端到塔筒的边缘的距离以获得塔架净空，根据实时监测的塔架净空，从而避免叶片扫塔情况的发生。
二、利用安装于机舱尾部的的底部的毫米波雷达传感器，雷达FOV方向指向固定空域，当叶片旋转至该区域时，对反射波进行数据采集，经过雷达信号处理相关算法，并结合机组仿真信息计算实时的“净空值”，并评估叶片“扫塔”风险。
三、通过叶尖安装的红外线发射装置，发射出特定红外信号，并在风力发电机组的机舱处安装特制的红外摄像头，所述红外摄像头能够过滤无用信号并接收红外线发射装置发出的特定红外信号，并对焦在叶尖扫过塔筒时高度所在的平面和在感光元件上成像记录，通过已知的对焦平面距离和成像夹角，得出各像素点距离成像中心对应的实际距离，并通过几何关系计算出叶尖距离塔筒壁的距离，既净空距离，从而保障风力发电机组安全高效运行。
上述几种方式均通过非接触的间接方式进行监测，首先，受环境影响较大，当监测环境存在持续大雾、大雨等恶劣天气时，难以实现有效监测。其次，上述检测设备体积较大，安装工艺复杂，稳定性差，尤其在叶尖安装信号发射装置的监测技术应用范围具有较高局限性，安全系数低，当有雷电天气时，叶尖转动到高于风机机舱上部避雷装置时，设备易引雷电，甚至损坏叶片。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法，将多头激光测量装置安装于叶片的腔体内部，通过数据拟合实时获得风机叶片净空值，不受环境影响，测试结果精准，适应各种恶劣环境条件，稳定性高。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法，包括以下步骤：
S1、在风电机组的各叶片的叶根处分别布置多头激光发射器，在叶片腔体内部固定与多头激光发射器配套的反光装置；
S2、当叶片受到风力载荷发生形变时，叶片长度方向整体发生弯曲，多头激光发射器实时监测到反光装置由于叶片变形导致的变形角度θ；
S3、多头激光发射器将变形角度θ发送至上位机，上位机根据以下公式计算得到叶片净空距离L：
L＝L0-X×sinθ×Y×sinβ
其中，L0为叶片不受到风力载荷时的净空距离，X为叶片有效长度，β为叶片变桨角，Y为叶尖的变形量与反光装置所处位置变形量的线性系数比。
步骤S1中，多头激光发射器分别安装于叶根盖板处，多头激光发射器的激光发射方向朝向叶尖。
步骤S1中，反光装置与叶根的距离不超过叶片长度的2/3。
步骤S1中，反光装置安装于固定在叶片腔体内部的隔板上。
步骤S2中，反光装置由于叶片变形导致的变形角度θ通过以下过程测得：
S2.1、当叶片不受到风力载荷时，多头激光发射器向反光装置发出3束激光，反光装置接收到激光的位置分别为A0、B0和C0；
S2.2、当叶片受到风力载荷发生形变时，反光装置接收到激光的位置分别为A1、B1和C1；
S2.3、计算平面A0B0C0和平面A1B1C1的夹角，即为反光装置由于叶片变形导致的变形角度θ。
步骤S3中，线性系数比Y的范围为1.15～1.6。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明提供的一种基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法，安装于叶片内部的多头激光测量装置检测每个叶片的实时变形角度，再根据变形角度计算实际叶片净空值，多头激光位于叶片内部，可直接测量获取数据，不受环境影响，测试结果精准，能够适应各种恶劣环境条件；
(2)本发明提供的一种基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法中，多头激光发射器和反光装置安装于叶片内部叶根和中部，风电机组的叶尖部位不会包含任何电气部件和金属件，无雷电侵袭风险，安全可靠。
附图说明
图1是多头激光测量装置安装位置示意图。
图2是多头激光测量原理示意图。
图3是多头激光发射器和反光装置安装示意图。
图4是多头激光发射器安装示意图。
图5是变形角度计算原理示意图。
图6是净空值计算原理示意图。
图7是叶片净空系统示意图。
图中：1-叶片，2-轮毂，3-多头激光发射器，4-反光装置，5-叶根盖板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法，参照图1至图7，包括以下步骤：
S1、在风电机组的各安装于轮毂2的叶片1叶根处分别布置多头激光发射器3，在叶片腔体内部固定与多头激光发射器配套的反光装置4，多头激光发射器分别安装于叶根盖板5处，多头激光发射器的激光发射方向朝向叶尖，反光装置可通过固定在叶片腔体内部的隔板进行安装。
S2、当叶片受到风力载荷发生形变时，叶片长度方向整体发生弯曲，多头激光发射器实时监测到反光装置由于叶片变形导致的变形角度θ；反光装置由于叶片变形导致的变形角度θ通过以下过程测得：
S2.1、当叶片不受到风力载荷时，多头激光发射器向反光装置发出3束激光，反光装置接收到激光的位置分别为A0、B0和C0；
S2.2、当叶片受到风力载荷发生形变时，反光装置接收到激光的位置分别为A1、B1和C1；
S2.3、计算平面A0B0C0和平面A1B1C1的夹角，即为反光装置由于叶片变形导致的变形角度θ。
S3、每个叶片上布置的多头激光发射器分别将叶片的变形角度θ传输至数据采集模块，数据采集模块将数据打包无线发送至无线接收模块，最后通过无线网关将数据发送至上位机系统，上位机根据以下公式计算得到叶片净空距离L，从而判断叶片转动是否有扫塔风险，以保证机组运行安全：
L＝L0-X×sinθ×Y×sinβ
其中，L0为叶片不受到风力载荷时的净空距离，X为叶片有效长度，β为叶片变桨角，Y为叶尖的变形量与反光装置所处位置变形量的线性系数比。
以将反光装置安装于叶根长度方向1/2处的情况为例，叶片净空距离L计算推导过程为：
假定叶片有效长度为X，变桨角为β。当叶片受风载转动时，叶片在风载的作用力下发生形变，变形方向与叶片变桨方向垂直。多头激光发射器实时监测到反光装置由于受叶片变形导致的变形角度θ，则叶根长度方向1/2处与变桨角垂直方向的变形量为：ΔH＝X/2×sinθ。经过三维模拟、有限元受力分析，叶尖的变形量与叶根长度方向1/2处的变形量为一定线性关系，线性系数为2Y，即叶尖处的变形量为Lx＝ΔH×2Y＝X/2×sinθ×2Y＝X×sinθ×Y。根据变桨角β计算叶尖变形量Lx在变桨方向上的投影距离，即实际发生的叶片净空距离变化量ΔL＝Lx×sinβ＝X×sinθ×Y×sinβ。根据理论设计的初始净空距离为L0(叶片不受风载荷时的净空距离)，即可得到叶片的实时净空距离L＝L0-ΔL＝L0-X×sinθ×Y×sinβ。
Y值范围为：1.15～1.6。不同长度和叶片结构的叶片，线性系数Y的值也不同。线性系数Y的测试方法为：将叶片净空监测系统装在叶片测试台上，保证反光装置距离多头激光发射器的距离为叶根长度的1/2处，在不同的变桨角β状况下，测试叶片在不同的风载下的叶片净空距离L。根据实时监测的叶根长度方向1/2处的变形角度为θ，计算得出线性系数Y的值。
反光装置不含金属物质，不存在引雷电的风险。为避免叶片受载荷变形角度过大时，反光装置超过激光反射点，反光装置与叶根的距离不超过叶片长度的2/3。
本发明提供了一种基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法，将多头激光测量装置安装于叶片的腔体内部，通过数据拟合实时获得风机叶片净空值，安装、调试方便可靠，不受环境影响，测试结果精准，适应各种恶劣环境条件，稳定性高，测试结果精准，在叶尖部分不含任何电气部件和金属件，无雷电侵袭风险。

Claims (6)

1.一种基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、在风电机组的各叶片的叶根处分别布置多头激光发射器，在叶片腔体内部固定与多头激光发射器配套的反光装置；
S2、当叶片受到风力载荷发生形变时，叶片长度方向整体发生弯曲，多头激光发射器实时监测到反光装置由于叶片变形导致的变形角度θ；
S3、多头激光发射器将变形角度θ发送至上位机，上位机根据以下公式计算得到叶片净空距离L：
L＝L0-X×sinθ×Y×sinβ
其中，L0为叶片不受到风力载荷时的净空距离，X为叶片有效长度，β为叶片变桨角，Y为叶尖的变形量与反光装置所处位置变形量的线性系数比。
2.根据权利要求1所述的基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法，其特征在于：步骤S1中，多头激光发射器分别安装于叶根盖板处，多头激光发射器的激光发射方向朝向叶尖。
3.根据权利要求1所述的基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法，其特征在于：步骤S1中，反光装置与叶根的距离不超过叶片长度的2/3。
4.根据权利要求1所述的基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法，其特征在于：步骤S1中，反光装置安装于固定在叶片腔体内部的隔板上。
5.根据权利要求1所述的基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法，其特征在于：步骤S2中，反光装置由于叶片变形导致的变形角度θ通过以下过程测得：
S2.1、当叶片不受到风力载荷时，多头激光发射器向反光装置发出3束激光，反光装置接收到激光的位置分别为A0、B0和C0；
S2.2、当叶片受到风力载荷发生形变时，反光装置接收到激光的位置分别为A1、B1和C1；
S2.3、计算平面A0B0C0和平面A1B1C1的夹角，即为反光装置由于叶片变形导致的变形角度θ。
6.根据权利要求1所述的基于多头激光测量的风机叶片净空值监测方法，其特征在于：步骤S3中，线性系数比Y的范围为1.15～1.6。
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