CN114060233A - 风力发电机组的叶片扫塔预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组的叶片扫塔预警系统，涉及风力发电技术领域，所述包括固定在塔筒内壁的安装架、毫米波雷达以及控制器，所述安装架的内侧板上部边沿处平行设置有两个滑轨，所述滑轨内部水平滑动连接有直线电机，所述直线电机的动子上活动连接有安装板，所述安装板的底部开设有长圆孔，所述直线电机的动子顶面固定连接有与长圆孔滑动配合的推杆，所述安装板的顶面转动连接有支架，所述支架的顶端两侧面固定连接有顶杆。本发明，通过直线电机与伺服缸的配合设置，在使用装置的过程中，可以调节毫米波雷达的角度，确保毫米波雷达与塔筒处于垂直状态，使测量的叶片与塔筒之间的数据更加的精准，提高安全性能。

Description

风力发电机组的叶片扫塔预警系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，更具体的是涉及一种风力发电机组的叶片扫塔预警系统。

背景技术

风力发电机组是一种在高空无人值守且持续运行的超大型复杂机械装备，塔架中的塔筒作为风力发电机组关键的部件，不仅为风力发电机组发电量输出提供关键通道，同时也为风力发电机组的安全运行提供有力支撑。叶片是整个风力发电机组吸收风能的主要部件，是风力发电机组的最重要的前端输入，其叶片通常为三片，叶片结构具有长且柔的特性，在大湍流、阵风、负剪切等极端工况下，叶片会靠近塔筒甚至打到塔筒，造成叶片损坏甚至倒塔的危险，如果没有及时响应的预警系统，就会发生扫塔事故，从而可使风力发电机组损坏。因此，为了提高风力发电机组的安全性，需要一种能实时监测叶片与塔筒之间的距离并适时报警的预警系统。

因此，提出一种风力发电机组的叶片扫塔预警系统来解决上述问题很有必要。

发明内容

（一）解决的技术问题

本发明的目的在于：为了解决在大湍流、阵风、负剪切等极端工况下，叶片会靠近塔筒甚至打到塔筒，造成叶片损坏甚至倒塔的危险，如果没有及时响应的预警系统，就会发生扫塔事故，从而可使风力发电机组损的问题，本发明提供一种风力发电机组的叶片扫塔预警系统。

（二）技术方案

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种风力发电机组的叶片扫塔预警系统，所述包括固定在塔筒内壁的安装架、毫米波雷达以及控制器，所述安装架的内侧板上部边沿处平行设置有两个滑轨，所述滑轨内部水平滑动连接有直线电机，所述直线电机的动子上活动连接有安装板，所述安装板的底部开设有长圆孔，所述直线电机的动子顶面固定连接有与长圆孔滑动配合的推杆，所述安装板的顶面转动连接有支架，所述支架的顶端两侧面固定连接有顶杆，所述安装架的上方设有固定架，所述固定架的底面两侧固定连接有与顶杆滑动配合的拉环，所述固定架的顶面设有用于固定毫米波雷达的夹板，所述夹板与固定架的铰接处设置有扭簧，所述扭簧的两端分别抵接在固定架的顶面与夹板的外侧板上，所述滑轨的底端固定连接有横板，所述横板的底部中心处固定连接有伺服缸，所述伺服缸的活塞杆端固定连接在直线电机的定子底面上，所述安装架的底部内侧固定连接有固定板，所述控制器固定连接在固定板上，所述固定架的底面上固定连接有姿态传感器，所述姿态传感器与直线电机和伺服缸电连接，所述毫米波雷达位于塔筒内的一端固定连接有球形节。

优选的，所述控制包括主控模块、接收模块、天线收发开关以及接收模块、DSP信号处理器，所述毫米波雷达的输出端与天线收发开关电连接，所述天线收发开关用于发射信号和接收回波，所述天线接收开关以及姿态传感器的输出端与接收模块电连接，所述接收模块用于接收天线接收开关的回波数据和角度数据，所述主控模块的输出端分别与天线收发开关以及姿态传感器电连接，所述主控模块块负责天线接收开关和姿态传感器的开、关机指令，所述接收模块的输出端与DSP信号处理器电连接，所述DSP信号处理器用于处理回波信号。

优选的，所述安装架为与塔筒内圆面贴合的弧形。

优选的，所述塔筒上周向均匀分布有四组毫米波雷达，所述毫米波雷达与叶片最低处的距离为5米。

优选的，所述毫米波雷达与固定架平行设置，所述推杆的直径小于长圆孔的长度，所述顶杆的直径小于拉环的直径。

本发明还涉及一种上述的风力发电机组的叶片扫塔预警系统的安装方法，包括下列步骤：

（1）孔位开设：在风力发电机组的塔筒第二层指定的位置使用磁力钻周向钻出个4通孔。

（2）装置固定：使用定制的吊装工具将需要安装的组件提升至孔位处，之后工作人员利用塔筒内现有爬架爬升至孔位处将安装架固定在塔筒内壁，并将毫米波雷达安装在通孔内。

（3）平台布线：占用一个塔筒平台220Vac电源插头，将毫米波雷达以及安装架上的调节设备接入电网中，对装置进行供电。

（4）控制接入：将装置接入风机安全链或者控制，实现基于叶片状态的反馈闭环控制，达到控制叶片的目的。

（5）数据分析：在正式使用前，使其经历各种风速和全功率范围运行的工况,收集个月以上的数据，对数据分析及拟合叶尖净空指，确保在投入使用时可以平稳、高效运行。

（三）有益效果

本发明的有益效果如下：

1、本发明，通过直线电机与伺服缸的配合设置，在使用装置的过程中，可以调节毫米波雷达的角度，确保毫米波雷达与塔筒处于垂直状态，使测量的叶片与塔筒之间的数据更加的精准，提高安全性能。

2、本发明，通过在塔筒内壁设置多个毫米波雷达，在使用装置的过程中，可以全方位对风机组进行持续监控，并且在恶劣环境下也能正常工作，提高对叶片检测的可靠性。

附图说明

图1为本发明结构的安装示意图；

图2为本发明结构的完整示意图；

图3为本发明方位调节结构的轴测示意图；

图4为本发明毫米波雷达结构的安装示意图；

图5为本发明安装板结构的仰视示意图；

图6为本发明预警系统结构框架示意图；

图7为叶片的摆动范围意图；

图8为本发明结构的安装位置示意图；

图9为平台打孔位置俯视剖面示意图。

附图标记：1、塔筒；2、毫米波雷达；3、伺服缸；4、控制器；41、天线收发开关；42、接收模块；43、DSP信号处理器；44、主控模块；5、固定板；6、安装架；7、横板；8、滑轨；9、直线电机；10、夹板；11、球形节；12、扭簧；13、姿态传感器；14、固定架；15、顶杆；16、安装板；17、支架；18、拉环；19、长圆孔；20、推杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，一种风力发电机组的叶片扫塔预警系统，包括固定在塔筒1内壁的安装架6、毫米波雷达2以及控制器4，因为雷达探头具有耐候强，抗环境干扰强的特点，可以在雨、雾、沙尘、大风等恶劣天气下正常工作，所以可以使叶片的净空监测系统可靠性更高，能充分适应风电恶劣的运行环境，成本较低，数据采集监测模块在原有监测模块的基础上开发完成，软件平台实现了兼容，降低成本，安装架6的内侧板上部边沿处平行设置有两个滑轨8，滑轨8内部水平滑动连接有直线电机9，直线电机9的动子上活动连接有安装板16，安装板16的底部开设有长圆孔19，直线电机9的动子顶面固定连接有与长圆孔19滑动配合的推杆20，安装板16的顶面转动连接有支架17，支架17的顶端两侧面固定连接有顶杆15，安装架6的上方设有固定架14，固定架14的底面两侧固定连接有与顶杆15滑动配合的拉环18，固定架14的顶面设有用于固定毫米波雷达2的夹板10，夹板10与固定架14的铰接处设置有扭簧12，扭簧12的两端分别抵接在固定架14的顶面与夹板10的外侧板上，滑轨8的底端固定连接有横板7，横板7的底部中心处固定连接有伺服缸3，伺服缸3的活塞杆端固定连接在直线电机9的定子底面上，安装架6的底部内侧固定连接有固定板5，控制器4固定连接在固定板5上，固定架14的底面上固定连接有姿态传感器13，姿态传感器13与直线电机9和伺服缸3电连接，毫米波雷达2位于塔筒1内的一端固定连接有球形节11。

安装架6为与塔筒1内圆面贴合的弧形。

塔筒1上周向均匀分布有四组毫米波雷达2，毫米波雷达2与叶片最低处的距离为5米，在发电机组的叶片向内弯曲的过程中，叶尖的运行路径为弧形，不但距离会向塔筒1靠近，而且叶尖会上升，5米的距离可以使叶片上升的过程中，毫米波雷达2发射的毫米波始终会被叶片反射，在发电机组工作的过程中，风向会发生改变，发电机组会发生偏航，导致发电机组发生旋转，周向分布的毫米波雷达2，可以降低检测盲区，实现全方位、无死角地进行预警监测。

毫米波雷达2与固定架14平行设置，推杆20的直径小于长圆孔19的长度，顶杆15的直径小于拉环18的直径，可以留出一定的角度调节空间。

过直线电机9与伺服缸3的配合设置，在使用装置的过程中，为了保证在测量时的精准度，需要使毫米波雷达2的电磁波垂直与叶片发射，以获得最小的距离，由于在高处对塔筒1人孔进行钻孔，因此通孔的角度很难保证，在毫米波雷达2使用前，对其进行角度调节，在调节水平角的时候，运行直线电机9，直线电机9的动子带动安装板16水平移动，在球形节11的作用下，使支架17以球形节11的球形进行左右摆动，调节毫米波雷达2的水角度，根据钻孔的位置，可以预选设置需要调节的角度，在达到预定角度之后，毫米波雷达2与塔筒1的切线垂直，直线电机9停止运行，在调节仰角的时候，运行伺服缸3，推动直线电机9上升或者下降，使毫米波雷达2上下摆动，在姿态传感器13感应到毫米波雷达2水平之后，伺服缸3停止，使毫米波雷达2达到最佳工作状态，可以调节毫米波雷达2的角度，确保毫米波雷达2与塔筒1处于垂直状态，使测量的叶片与塔筒1之间的数据更加的精准，提高安全性能。

控制包括主控模块44、接收模块42、天线收发开关41以及DSP信号处理器43，毫米波雷达2的输出端与天线收发开关41电连接，天线收发开关41用于发射信号和接收回波，天线接收开关以及姿态传感器13的输出端与接收模块42电连接，接收模块42用于接收天线接收开关的回波数据和角度数据，主控模块44的输出端分别与天线收发开关41以及姿态传感器13电连接，主控模块44块负责天线接收开关和姿态传感器13的开、关机指令，接收模块42的输出端与DSP信号处理器43电连接，DSP信号处理器43用于处理回波信号

通过在塔筒1内壁设置多个毫米波雷达2，在使用装置的过程中，控制器4的主控模块44控制天线收发开关41运行，使毫米波雷达2向外发射电磁波，电磁波经由叶片反射被天线收发开关41接收，并传输至接收模块42，接收模块42将接收到的信号传输至DSP信号处理器43，DSP信号处理器43进行净空算法推演，当得出的数据大于设置的预警数值时，风机正常运行，当数值小于设置的预警数值时，使用风机安全链或者控制对风机进行紧急收浆停机，对三片桨叶进行控制，避免意外发生，可以全方位对风机组进行持续监控，并且在恶劣环境下也能正常工作，提高对叶片检测的可靠性。

一种风力发电机组的叶片扫塔预警系统的安装方法，包括下列步骤：

（1）孔位开设：在风力发电机组的塔筒1第二层指定的位置使用磁力钻周向钻出4个通孔。

（2）装置固定：使用定制的吊装工具将需要安装的组件提升至孔位处，之后工作人员利用塔筒1内现有爬架爬升至孔位处将安装架6固定在塔筒1内壁，并将毫米波雷达2安装在通孔内。

（3）平台布线：占用一个塔筒1平台220Vac电源插头，将毫米波雷达2以及安装架6上的调节设备接入电网中，对装置进行供电。

（4）控制接入：将装置接入风机安全链或者控制，实现基于叶片状态的反馈闭环控制，达到控制叶片的目的。

（5）数据分析：在正式使用前，使其经历各种风速和全功率范围运行的工况,收集1个月以上的数据，对数据分析及拟合叶尖净空指，确保在投入使用时可以平稳、高效运行。

装置的安装不影响风机正常发电量，利用现有设备进行安装，简便安装，耗时不超过6小时，效率高。

综上所述：本发明，可以调节毫米波雷达2的角度，确保毫米波雷达2与塔筒1处于垂直状态，使测量的叶片与塔筒1之间的数据更加的精准，提高安全性能，可以全方位对风机组进行持续监控，并且在恶劣环境下也能正常工作，提高对叶片检测的可靠性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种风力发电机组的叶片扫塔预警系统，其特征在于：所述包括固定在塔筒（1）内壁的安装架（6）、毫米波雷达（2）以及控制器（4），所述安装架（6）的内侧板上部边沿处平行设置有两个滑轨（8），所述滑轨（8）内部水平滑动连接有直线电机（9），所述直线电机（9）的动子上活动连接有安装板（16），所述安装板（16）的底部开设有长圆孔（19），所述直线电机（9）的动子顶面固定连接有与长圆孔（19）滑动配合的推杆（20），所述安装板（16）的顶面转动连接有支架（17），所述支架（17）的顶端两侧面固定连接有顶杆（15），所述安装架（6）的上方设有固定架（14），所述固定架（14）的底面两侧固定连接有与顶杆（15）滑动配合的拉环（18），所述固定架（14）的顶面设有用于固定毫米波雷达（2）的夹板（10），所述夹板（10）与固定架（14）的铰接处设置有扭簧（12），所述扭簧（12）的两端分别抵接在固定架（14）的顶面与夹板（10）的外侧板上，所述滑轨（8）的底端固定连接有横板（7），所述横板（7）的底部中心处固定连接有伺服缸（3），所述伺服缸（3）的活塞杆端固定连接在直线电机（9）的定子底面上，所述安装架（6）的底部内侧固定连接有固定板（5），所述控制器（4）固定连接在固定板（5）上，所述固定架（14）的底面上固定连接有姿态传感器（13），所述姿态传感器（13）与直线电机（9）和伺服缸（3）电连接，所述毫米波雷达（2）位于塔筒（1）内的一端固定连接有球形节（11）。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶片扫塔预警系统，其特征在于：所述控制包括主控模块（44）、接收模块（42）、天线收发开关（41）以及接收模块（42）、DSP信号处理器（43），所述毫米波雷达（2）的输出端与天线收发开关（41）电连接，所述天线收发开关（41）用于发射信号和接收回波，所述天线接收开关以及姿态传感器（13）的输出端与接收模块（42）电连接，所述接收模块（42）用于接收天线接收开关的回波数据和角度数据，所述主控模块（44）的输出端分别与天线收发开关（41）以及姿态传感器（13）电连接，所述主控模块（44）块负责天线接收开关和姿态传感器（13）的开、关机指令，所述接收模块（42）的输出端与DSP信号处理器（43）电连接，所述DSP信号处理器（43）用于处理回波信号。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶片扫塔预警系统，其特征在于：所述安装架（6）为与塔筒（1）内圆面贴合的弧形。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶片扫塔预警系统，其特征在于：所述塔筒（1）上周向均匀分布有四组毫米波雷达（2），所述毫米波雷达（2）与叶片最低处的距离为5米。

5.根据权利要求1所述的风力发电机组的叶片扫塔预警系统，其特征在于：所述毫米波雷达（2）与固定架（14）平行设置，所述推杆（20）的直径小于长圆孔（19）的长度，所述顶杆（15）的直径小于拉环（18）的直径。

6.一种权利要求1所述的风力发电机组的叶片扫塔预警系统的安装方法，其特征在于，包括下列步骤：

（1）孔位开设：在风力发电机组的塔筒（1）第二层指定的位置使用磁力钻周向钻出4个通孔。

（2）装置固定：使用定制的吊装工具将需要安装的组件提升至孔位处，之后工作人员利用塔筒（1）内现有爬架爬升至孔位处将安装架（6）固定在塔筒（1）内壁，并将毫米波雷达（2）安装在通孔内。

（3）平台布线：占用一个塔筒（1）平台220Vac电源插头，将毫米波雷达（2）以及安装架（6）上的调节设备接入电网中，对装置进行供电。

（4）控制接入：将装置接入风机安全链或者控制，实现基于叶片状态的反馈闭环控制，达到控制叶片的目的。

（5）数据分析：在正式使用前，使其经历各种风速和全功率范围运行的工况,收集1个月以上的数据，对数据分析及拟合叶尖净空指，确保在投入使用时可以平稳、高效运行。

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