CN114119860A - 一种风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法及系统，包括以下步骤：1)将安装于风力发电机组的三支叶片呈Y字型分布，且三支叶片呈顺桨状态，将风力发电机组在刹车作用下保持停机不转动状态；2)沿风力发电机组周向一圈选择并确定放置测量设备的若干测量位置；3)分别在各测量位置处，通过测量设备对叶片进行测量，得叶片的点云数据；4)对不同测量位置处获取的点云数据进行融合；6)剔除融合后点云数据中不相关联物体的点云数据；7)结合风力发电机组叶片的特征参数，采用函数关系，将步骤6)得到的点云数据拟合成叶片三维气动外形曲面，该方法及系统能够对风力发电机组叶片三维气动外形进行扫描建模。

Description

一种风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法及系统

技术领域

本发明属于风力发电机组叶片设计领域，涉及一种风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法及系统。

背景技术

全球风电行业发展历史已超过40年，其技术和产业起源于欧洲。在中国国内风电行业发展也已经超过20多年，运行时间超过10年的风力发电机组容量已经超过比比皆是。经过多年的发展，这些早年安装运行的机组的大部件很多都已经不再生产，尤其是很多部件设计和制造技术都源自于外国部件厂商。在当今风电市场上因缺乏原始的设计和制造资料，所以已往往无法找到满足其技术和制造要求的部件来替换该原始部件，而这些早期安装机组的原始部件仅能通过维修的方式来解决其部分失效或者故障问题。

为了解决此问题，针对早期安装的机组关键大部件因损坏无法再修复且根据技术要求进行重新再设计和制造来替换老旧部件是必要的。叶片作为风力发电机组的关键大部件，其气动外形与风力发电机组受力密切相关，还原风力发电机组叶片气动外形就成为了一个重要的技术问题。基于已有运行风力发电机组原配的叶片，对其外形进行三维气动扫描建模是还原其外形一个最为直接的方法，目前一般是将叶片放置在地面的支架上对其进行三维扫描来获取其气动外形的方法。这样测量方法缺点有二：一、由于我们在测量前不清楚了解叶片的沿叶片高度方向上的倾角布置，所以在地面支架上不能按照叶片自然状态正确摆放其位置，通过测量得到的叶片外形尺寸不准确；二是就已经投入运行风力发电机组其叶片一直安装在机组上，如果需要测量需要使用吊车将其从轮毂上拆下来，这样不但需要花费吊车的费用而且还要耽误该机组在停机期间的发电量，其主要原因在于不能对风力发电机组叶片的三维气动外形进行扫描建模。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法及系统，该方法及系统能够对风力发电机组叶片三维气动外形进行扫描建模。

为达到上述目的，本发明所述的风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法包括以下步骤：

1)将安装于风力发电机组的三支叶片呈Y字型分布，且三支叶片呈顺桨状态，将风力发电机组在刹车作用下保持停机不转动状态；

2)沿风力发电机组周向一圈选择并确定放置测量设备的若干测量位置；

3)分别在各测量位置处，通过测量设备对叶片进行测量，得叶片的点云数据；

4)确定不同测量位置之间的空间相对位置以及方向；

5)根据不同测量位置之间的空间相对位置以及方向对不同测量位置处获取的点云数据进行融合；

6)剔除融合后点云数据中不相关联物体的点云数据；

7)结合风力发电机组叶片的特征参数，采用函数关系，将步骤6)得到的点云数据拟合成叶片三维气动外形曲面，完成风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模。

所述测量设备为三维激光雷达。

步骤3)中，绕风力发电机组周边，按照顺时针或逆时针方向的顺序，分别在各测量位置处，通过测量设备对叶片进行测量，得叶片的点云数据。

步骤4)中还包括：测量设备在各测量位置处进行自动水平矫正。

步骤4)中，利用测量设备内置的惯性导航系统记录不同测量位置之间的空间相对位置以及方向。

步骤5)中，在同一坐标系下，根据不同测量位置之间的空间相对位置以及方向对不同测量位置处获取的点云数据进行融合，并形成统一的点云数据文件。

步骤6)中的不相关联物体包括塔筒、轮毂、机舱及机组周边的物体。

步骤6)中，采用人工手动或者自动剔除的方式，剔除融合后点云数据中不相关联物体的点云数据。

本发明所述的风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模系统包括：

预设模块，用于将安装于风力发电机组的三支叶片呈Y字型分布，且三支叶片呈顺桨状态，将风力发电机组在刹车作用下保持停机不转动状态；

选择模块，用于沿风力发电机组周向一圈选择并确定放置测量设备的若干测量位置；

测量模块，用于分别在各测量位置处，通过测量设备对叶片进行测量，得叶片的点云数据；

确定模块，用于确定不同测量位置之间的空间相对位置以及方向；

融合模块，用于根据不同测量位置之间的空间相对位置以及方向对不同测量位置处获取的点云数据进行融合；

剔除模块，用于剔除融合后点云数据中不相关联物体的点云数据；

拟合模块，用于结合风力发电机组叶片的特征参数，采用函数关系，将剔除模块输出的点云数据拟合成叶片三维气动外形曲面，完成风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法及系统在具体操作时，先沿风力发电机组周向一圈选择并确定放置测量设备的若干测量位置，再在各测量位置处，利用测量设备对叶片进行测量，得叶片的点云数据，然后对叶片的点云数据进行融合，并切除不相关联物体的点云数据，最后进行拟合，以得到叶片三维气动外形曲面，实现对风力发电机组叶片三维气动外形进行扫描建模。

附图说明

图1为叶片三维气动外形扫描的示意图；

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

参考图1及图2，本发明所述的风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法包括以下步骤：

1)将安装于风力发电机组的三支叶片呈Y字型分布，且三支叶片呈顺桨状态，将风力发电机组在刹车作用下保持停机不转动状态；

在实际操作时，风电场尤其是山地型风电场要选择机组周边为较平坦地面区域的风力发电机组机位为宜，以方便在机组周边都能够放置测量设备，防止因存在测量位置不适合放置测量设备而导致被测物体局部表面不能够被测量获取相应的点云数据。

在测量之前，先对正在运行的风力发电机组采取空气刹车制动，调整三支叶片角度到顺桨状态，顺桨状态情况下，三支叶片变桨角度大致范围在85°至95°之间，该角度是以该角度下整机所受的载荷较小为依据。三支叶片在顺桨状态下风力发电机组转速将逐渐降低，在转速接近为零时，且其中一支叶片接近相对垂直向下角度时，使得机组停止转动，最终保持三支叶片呈Y字型姿态不变，其中一支叶片呈现竖直向下自然状态，其它两支叶片在风轮叶片工作转动扫过平面内与该竖直向下叶片而言夹角分别为120°。

2)沿风力发电机组周向一圈选择并确定放置测量设备的若干测量位置；

具体的，在风力发电机组停止转动后，将一台测量设备布置在面对风轮及机舱的正面一个位置处对叶片进行测量，然后再沿风力发电机组周向按照顺时针或逆时针方向选择若干测量位置，各测量位置的选取要求为：测量设备在各测量位置处测量时都能够覆盖扫描三支叶片的边界，测量位置的数量以能够实现对三支叶片外形进行全方位无遗漏外形扫描为目标，例如，压力面、吸力面、前缘、尾缘、根部及叶尖。

3)分别在各测量位置处，通过测量设备对叶片进行测量，得叶片的点云数据；

具体的，在测量设备测量过程中，沿机组周向，按照顺时针或逆时针方向在不同测量位置处，从不同地理位置、方向及角度测量获取以三支叶片部件为主的点云数据；针对比较小的特征面及尺寸，可以通过提高获取点云数据的精度，实现对叶片外形的准确描述，例如，针对叶片外形一般大多位置处可采用厘米级为采集点的精度，但是针对前缘、尾缘及最大弦长等叶片明显特征位置处，则采用毫米级采集点的精度。

4)确定不同测量位置之间的空间相对位置以及方向；

具体的，在每一个测量位置处，测量设备都将自动水平矫正，且利用测量设备内置的惯性导航系统记录不同测量位置之间的空间相对位置及方向。

5)根据不同测量位置之间的空间相对位置以及方向对不同测量位置处获取的点云数据进行融合；

具体的，在统一坐标系下，根据不同测量位置之间的空间相对位置以及方向对不同测量位置处获取的点云数据进行融合。

6)剔除融合后点云数据中不相关联物体的点云数据；

具体的，在完成点云数据融合后，统一坐标下的点云数据将包括但不限于包括轮毂、塔筒、机舱及机组周边环境下的物体点云数据，此时，需要采用人工手动或者/和自动剔除的方法，将多余的、无用的点云数据剔除。例如，使用通用的三维CAD或CAE或辅助工具软件或编制的程序导入点云数据，采用人工手动方式，例如旋转、局部放大、选定等操作办法剔除其它物体的点云数据；或者，在将点云数据导入软件前，根据各物体空间坐标位置制定规则，将无相关联物体的点云数据直接剔除，针对与叶片在物理关系上直接连接的部件，如轮毂，则采用特征数据规则办法将其剔除掉。

7)结合风力发电机组叶片的特征参数，例如，最大弦长及位置、前缘及尾缘厚度等特征参数，采用函数关系，例如，非均匀B样条函数，将步骤6)得到的点云数据拟合成叶片三维气动外形曲面，完成风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模。

本发明所述的风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模系统包括：

预设模块，用于将安装于风力发电机组的三支叶片呈Y字型分布，且三支叶片呈顺桨状态，将风力发电机组在刹车作用下保持停机不转动状态；

选择模块，用于沿风力发电机组周向一圈选择并确定放置测量设备的若干测量位置；

测量模块，用于分别在各测量位置处，通过测量设备对叶片进行测量，得叶片的点云数据；

确定模块，用于确定不同测量位置之间的空间相对位置以及方向；

融合模块，用于根据不同测量位置之间的空间相对位置以及方向对不同测量位置处获取的点云数据进行融合；

剔除模块，用于剔除融合后点云数据中不相关联物体的点云数据；

拟合模块，用于结合风力发电机组叶片的特征参数，采用函数关系，将剔除模块输出的点云数据拟合成叶片三维气动外形曲面，完成风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将安装于风力发电机组的三支叶片呈Y字型分布，且三支叶片呈顺桨状态，将风力发电机组在刹车作用下保持停机不转动状态；

2)沿风力发电机组周向一圈选择并确定放置测量设备的若干测量位置；

3)分别在各测量位置处，通过测量设备对叶片进行测量，得叶片的点云数据；

4)确定不同测量位置之间的空间相对位置以及方向；

5)根据不同测量位置之间的空间相对位置以及方向对不同测量位置处获取的点云数据进行融合；

6)剔除融合后点云数据中不相关联物体的点云数据；

7)结合风力发电机组叶片的特征参数，采用函数关系，将步骤6)得到的点云数据拟合成叶片三维气动外形曲面，完成风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法，其特征在于，所述测量设备为三维激光雷达。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法，其特征在于，步骤3)中，绕风力发电机组周边，按照顺时针或逆时针方向的顺序，分别在各测量位置处，通过测量设备对叶片进行测量，得叶片的点云数据。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法，其特征在于，步骤4)中还包括：测量设备在各测量位置处进行自动水平矫正。

5.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法，其特征在于，步骤4)中，利用测量设备内置的惯性导航系统记录不同测量位置之间的空间相对位置以及方向。

6.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法，其特征在于，步骤5)中，在同一坐标系下，根据不同测量位置之间的空间相对位置以及方向对不同测量位置处获取的点云数据进行融合，并形成统一的点云数据文件。

7.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法，其特征在于，步骤6)中的不相关联物体包括塔筒、轮毂、机舱及机组周边的物体。

8.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模方法，其特征在于，步骤6)中，采用人工手动或者自动剔除的方式，剔除融合后点云数据中不相关联物体的点云数据。

9.一种风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模系统，其特征在于，包括：

预设模块，用于将安装于风力发电机组的三支叶片呈Y字型分布，且三支叶片呈顺桨状态，将风力发电机组在刹车作用下保持停机不转动状态；

选择模块，用于沿风力发电机组周向一圈选择并确定放置测量设备的若干测量位置；

测量模块，用于分别在各测量位置处，通过测量设备对叶片进行测量，得叶片的点云数据；

确定模块，用于确定不同测量位置之间的空间相对位置以及方向；

融合模块，用于根据不同测量位置之间的空间相对位置以及方向对不同测量位置处获取的点云数据进行融合；

剔除模块，用于剔除融合后点云数据中不相关联物体的点云数据；

拟合模块，用于结合风力发电机组叶片的特征参数，采用函数关系，将剔除模块输出的点云数据拟合成叶片三维气动外形曲面，完成风力发电机组叶片三维气动外形扫描建模。

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