CN113958465A - 一种叶片表面应力监测系统及工作方法 - Google Patents

一种叶片表面应力监测系统及工作方法 Download PDF

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沙德生
李芊
邹歆
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D17/00—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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Abstract

本发明公开了一种叶片表面应力监测系统及工作方法，监测系统包括变形信号采集模块，无线传输模块，测风模块和数据分析模块，所述变形信号采集模块和测风模块分别与无线传输模块连接，所述无线传输模块与数据分析模块连接。本发明实现了监测和判别一体化，通过建立不同风速下变形量异常的报警值函数f1和相同风速下不同叶片变形量之间的差异值报警函数f2，进行不同风速下叶片运行状态与其标准正常运行状态之间的纵向比较，以及相同风速下不同叶片变形量的横向比较，可以有效地避免因外界其他因素变化或温度补偿器失效而导致的误报警，提高了监测的准确度与预警能力，提前预知叶片可能的失效形式，避免安全事故及经济损失。

Description

一种叶片表面应力监测系统及工作方法
技术领域
本发明涉及风机运行状态监测技术领域，特别涉及一种叶片表面应力监测系统及工作方法。
背景技术
近年来，风力发电行业快速发展，风电装机容量的快速提高也带来了越来越多的叶片损毁导致的安全事件，如何准确的监测叶片的运行状态，进而在叶片失效早期提前发现问题，避免更大的损失也成为了行业内的热点问题。目前，有相关专利提出了通过光学玻璃纤维监测叶片应力、通过图像识别判断叶片裂纹状态等叶片状态监测技术。但是，这些技术大多专注于设备优化及测点布置，对于叶片运行状态正常与否的判别技术改进较少，特别是仍缺乏集先进化检测设备及灵活准确的判别方法为一体的系统性的叶片表面应力检测系统。此外，现有技术存在受外界因素，如温度、湿度变化的影响，或温度补偿器失效而导致的误报警，因此，亟需一种提高监测准确度与预警能力的监测系统。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供了一种叶片表面应力监测系统及工作方法，提高了风电机组运行状态监测准确度与先进性，实现了先进的检测和判别一体化，可以系统性的应用于在运及新建的风电机组。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种叶片表面应力监测系统，包括变形信号采集模块、无线传输模块、测风模块和数据分析模块，所述变形信号采集模块和测风模块分别与无线传输模块连接，所述无线传输模块与数据分析模块连接；
所述变形信号采集模块用于采集叶片变形信号；
所述测风模块用于测量获取风速信号；
所述数据分析模块用于接收叶片变形信号和风速信号数据，并对所述叶片变形信号数据与所述风速信号数据下对应的叶片变形阈值进行比较；当叶片变形信号数据超出所述风速信号数据下对应的叶片变形阈值时，输出监测预警信号。
进一步的，所述风速信号数据下对应的叶片变形阈值通过数据分析模块对叶片变形信号和风速信号数据分析和拟合，建立报警函数获得。
进一步的，所述监测系统还包括温度补偿模块，所述温度补偿模块安装在叶片上，用于补偿温度变化带来的叶片表面应力变化。
进一步的，所述变形信号采集模块和温度补偿模块安装在叶片的背弧面。
进一步的，所述变形信号采集模块和温度补偿模块在新建机组采用在叶片背弧面埋入的设置方式。
进一步的，所述变形信号采集模块和温度补偿模块在在运机组采用玻璃钢环氧树脂贴入叶片背弧处的设置方式。
进一步的，所述变形信号采集模块为光纤光栅变形传感器。
进一步的，所述测风模块采用机舱风速计、测风塔或激光雷达。
作为本发明的又一目的，本发明提出了一种叶片表面应力监测系统的工作方法，包括以下步骤：
S1、采集不同时刻叶片变形信号和风速；
S2、将步骤S1中采集到的变形信号转换为叶片变形量模型；
S3、将不同时刻的叶片变形量模型与相应时刻的风速建立对应，利用大数据分析算法，获取风速与变形量的对应关系；
S4、通过步骤S3中得到的对应关系，建立不同风速下的变形量异常的报警值函数f1；
S5、建立不同叶片变形量横向比较规则，分析相同风速下的不同叶片变形量之间的差异性关系，设置差异值报警函数f2；
S6、分析测得的叶片变形量是否超过相应风速下报警值函数f1对应的阈值或不同叶片变形量的差异值是否超过差异值报警函数f2对应的阈值，若叶片变形量超过相应风速下报警值函数f1对应的阈值或不同叶片变形量的差异值超过差异值报警函数f2对应的阈值，向运行监控人员和设备故障诊断人员提供预警。
进一步的，所述步骤S1中，叶片的变形信号在叶片内部或表面采集。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的一种叶片表面应力监测系统，通过采用将变形信号采集模块和测风模块分别与无线传输模块连接，无线传输模块与数据分析模块连接的设计方式，实现了先进的检测和判别一体化，可以系统性的应用于在运及新建的风电机组。该系统结构简单，造价低，便于实现。
进一步的，通过设置温度补偿模块，用于补偿温度变化带来的应力变化，从而可以防止监测结果受温度影响误差较大。
进一步的，变形信号采集模块和温度补偿模块在新建机组采用在叶片背弧面埋入的设置方式，可以提高对叶片内潜在缺陷监测的灵敏度。
进一步的，变形信号采集模块和温度补偿模块在在运机组采用玻璃钢环氧树脂贴入叶片背弧处的设置方式，可以减少来流风的压力影响，提高监测的准确性。
本发明公开一种叶片表面应力监测系统的工作方法，该方法通过建立不同风速下变形量异常的报警值函数f1和相同风速下不同叶片变形量之间的差异值报警函数f2，进行不同风速下叶片运行状态与其标准正常运行状态之间的纵向比较，以及相同风速下不同叶片变形量的横向比较，可以有效地避免因外界其他因素(温度、湿度等)变化或温度补偿器失效而导致的误报警，提高了监测的准确度与预警能力，提前预知叶片可能的失效形式，避免安全事故及经济损失。
附图说明
图1为本发明的叶片表面应力监测系统的监测流程图；
图2为在运机组的叶片表面应力监测系统的示意框图；
图3为新建机组的叶片表面应力监测系统的示意框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，本发明的一种叶片表面应力监测系统，包括变形信号采集模块、无线传输模块、测风模块和数据分析模块，所述变形信号采集模块和测风模块分别与无线传输模块连接，所述无线传输模块与数据分析模块连接；
所述变形信号采集模块用于采集叶片变形信号；
所述测风模块用于测量获取风速信号，所述测风模块采用机舱风速计、测风塔或激光雷达。
所述数据分析模块用于接收叶片变形信号和风速信号数据，并对所述叶片变形信号数据与所述风速信号数据下对应的叶片变形阈值进行比较；当叶片变形信号数据超出所述风速信号数据下对应的叶片变形阈值时，输出监测预警信号。该系统实现了检测和判别一体化，可以系统性的应用于在运及新建的风电机组。该系统结构简单，造价低，便于实现。
在本发明的一个实施例中，所述风速信号数据下对应的叶片变形阈值通过数据分析模块对叶片变形信号和风速信号数据分析和拟合，建立报警函数获得。
在本发明的一个实施例中，叶片表面应力监测系统还包括温度补偿模块，所述温度补偿模块安装在叶片上，用于补偿温度变化带来的叶片表面应力变化，从而可以防止监测结果受温度影响误差较大。
在本发明的一个实施例中，变形信号采集模块和温度补偿模块安装在叶片的背弧面。
在本发明的一个实施例中，在新建机组，如图3所示，变形信号采集模块和温度补偿模块采用在叶片背弧面埋入的设置方式，可以提高对叶片内潜在缺陷监测的灵敏度；优选的，变形信号采集模块采用光纤光栅变形传感器。
在本发明的一个实施例中，在在运机组，如图2所示，变形信号采集模块和温度补偿模块采用玻璃钢环氧树脂贴入叶片背弧处的设置方式，可以减少来流风的压力影响，提高监测的准确性。优选的，变形信号采集模块采用光纤光栅变形传感器。
一种叶片表面应力监测系统的工作方法，包括以下步骤：
S1、采集不同时刻叶片变形信号和风速；
S2、将步骤S1中采集到的变形信号转换为叶片变形量模型；
S3、将不同时刻的叶片变形量模型与相应时刻的风速建立对应，利用大数据分析算法，获取风速与变形量的对应关系；
S4、通过步骤S3中得到的对应关系，建立不同风速下的变形量异常的报警值函数f1；
S5、建立不同叶片变形量横向比较规则，分析相同风速下的不同叶片变形量之间的差异性关系，设置差异值报警函数f2；
S6、分析测得的叶片变形量是否超过相应风速下报警值函数f1对应的阈值或不同叶片变形量的差异值是否超过差异值报警函数f2对应的阈值，若叶片变形量超过相应风速下报警值函数f1对应的阈值或不同叶片变形量的差异值超过差异值报警函数f2对应的阈值，向运行监控人员和设备故障诊断人员提供预警。
优选的，所述步骤S1中，叶片的变形信号在叶片内部或表面采集。
本发明监测系统的工作方法应用于风电场中多台风机时，同型号的风机可以共用步骤S3中得到的对应关系及步骤S4、步骤S5中得到的报警值函数f1、差异值报警函数f2。
本发明监测系统的工作方法通过建立不同风速下变形量异常的报警值函数f1和相同风速下不同叶片变形量之间的差异值报警函数f2，进行不同风速下叶片运行状态与其标准正常运行状态之间的纵向比较，以及相同风速下不同叶片变形量的横向比较，可以有效地避免因外界其他因素(温度、湿度等)变化或温度补偿器失效而导致的误报警，提高了监测的准确度与预警能力，提前预知叶片可能的失效形式，避免安全事故及经济损失。
然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种叶片表面应力监测系统，其特征在于：包括变形信号采集模块、无线传输模块、测风模块和数据分析模块，所述变形信号采集模块和测风模块分别与无线传输模块连接，所述无线传输模块与数据分析模块连接；
所述变形信号采集模块用于采集叶片变形信号；
所述测风模块用于测量获取风速信号；
所述数据分析模块用于接收叶片变形信号和风速信号数据，并对所述叶片变形信号数据与所述风速信号数据下对应的叶片变形阈值进行比较；当叶片变形信号数据超出所述风速信号数据下对应的叶片变形阈值时，输出监测预警信号。
2.根据权利要求1所述的叶片表面应力监测系统，其特征在于，所述风速信号数据下对应的叶片变形阈值通过数据分析模块对叶片变形信号和风速信号数据分析和拟合，建立报警函数获得。
3.根据权利要求1所述的叶片表面应力监测系统，其特征在于，所述监测系统还包括温度补偿模块，所述温度补偿模块安装在叶片上，用于补偿温度变化带来的叶片表面应力变化。
4.根据权利要求3所述的叶片表面应力监测系统，其特征在于，所述变形信号采集模块和温度补偿模块安装在叶片的背弧面。
5.根据权利要求3所述的叶片表面应力监测系统，其特征在于，所述变形信号采集模块和温度补偿模块在新建机组采用在叶片背弧面埋入的设置方式。
6.根据权利要求3所述的叶片表面应力监测系统，其特征在于，所述变形信号采集模块和温度补偿模块在在运机组采用玻璃钢环氧树脂贴入叶片背弧处的设置方式。
7.根据权利要求1所述的叶片表面应力监测系统，其特征在于，所述变形信号采集模块为光纤光栅变形传感器。
8.根据权利要求1所述的叶片表面应力监测系统，其特征在于，所述测风模块采用机舱风速计、测风塔或激光雷达。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的叶片表面应力监测系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集不同时刻叶片变形信号和风速；
S2、将步骤S1中采集到的变形信号转换为叶片变形量模型；
S3、将不同时刻的叶片变形量模型与相应时刻的风速建立对应，利用大数据分析算法，获取风速与变形量的对应关系；
S4、通过步骤S3中得到的对应关系，建立不同风速下的变形量异常的报警值函数f1；
S5、建立不同叶片变形量横向比较规则，分析相同风速下的不同叶片变形量之间的差异性关系，设置差异值报警函数f2；
S6、分析测得的叶片变形量是否超过相应风速下报警值函数f1对应的阈值或不同叶片变形量的差异值是否超过差异值报警函数f2对应的阈值，若叶片变形量超过相应风速下报警值函数f1对应的阈值或不同叶片变形量的差异值超过差异值报警函数f2对应的阈值，向运行监控人员和设备故障诊断人员提供预警。
10.根据权利要求9所述的叶片表面应力监测系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S1中，叶片的变形信号在叶片内部或表面采集。
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