CN114593023A - 一种风电机组叶片裂纹监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风电机组叶片裂纹监测系统，包括数据采集装置、上位机和主控模块；所述数据采集装置包括声音传感器和传感器支撑，声音传感器通过传感器支撑固定在风力发电机的塔筒上，用于采集叶片扫风产生的声音信号；所述上位机与声音传感器连接，用于对采集的数据进行处理，判断叶片是否存在裂纹损伤；所述主控模块与上位机连接，用于接收叶片损伤判断结果，当接收到叶片存在损伤结果时发送叶片损伤报警信号，对叶片进行控制。本发明通过比对三支叶片扫风声音的不同来识别叶片裂纹损伤，判断精度高；仅需在塔筒外壁安装声音传感器，系统简单可靠，安装维护成本较低。

Description

一种风电机组叶片裂纹监测系统及方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风电机组叶片裂纹监测系统及方法。

背景技术

作为风力发电机的关键部件，叶片长期挥舞、摆振和扭转，而且作用在叶片上的长期载荷具有交变性和随机性，叶片极易产生疲劳破坏，一般运行多年后会出现不同区域、不同程度的裂纹损伤。另外，叶片还受到沙粒冲刷、紫外线照射、大气氧化与腐蚀或者海洋潮湿空气腐蚀等各种因素影响，进一步影响叶片性能寿命。因此开展叶片裂纹损伤的探测对于风力发电机组的安全高效运行至关重要。

目前，一般通过目视法、锤击法、超声波检测、激光检测、热成像检测和声发射检测等方法检测叶片的裂纹损伤。但是，上述方法普遍存在着诸如测量精度、环境要求、成本控制等方面的问题，且常规的声发射检测等方法需要在叶片上额外加装声音采集装置，存在安装维护成本较高、信号传输系统复杂且易受干扰等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风电机组叶片裂纹监测系统及方法，解决了常规监测方法中在叶片上设置声音采集装置所导致的安装维护成本较高、信号传输系统复杂且易受干扰等问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种风电机组叶片裂纹监测系统，包括数据采集装置、上位机和主控模块；

所述数据采集装置包括声音传感器和传感器支撑，声音传感器通过传感器支撑固定在风力发电机的塔筒上，用于采集叶片扫风产生的声音信号；

所述上位机与声音传感器连接，用于对采集的数据进行处理，判断叶片是否存在裂纹损伤；

所述主控模块与上位机连接，用于接收叶片损伤判断结果，当接收到叶片存在损伤结果时发送叶片损伤报警信号，对叶片进行控制。

进一步，所述上位机内集成有依次连接的信号接收模块、信号放大模块、滤波去噪模块、波形显示模块和判断模块；

信号接收模块，用于接收声音传感器采集的叶片扫风产生的声音信号；

信号放大模块，用于对声音信号进行放大；

滤波去噪模块，用于对放大后的声音信号进行滤波处理，将经过滤波处理后的时域振动信号进行快速傅里叶变换转换为频域信号；

波形显示模块，用于显示三支叶片扫风声音频域信号的波形；

判断模块，用于当其中一支叶片的声音波形明显区别于另外两支叶片扫风的声音波形时，判断该叶片存在裂纹损伤。

进一步，信号放大模块采用LM358芯片；

滤波去噪模块采用FIR滤波器。

进一步，在塔筒外设有环形轨道，传感器支撑下方设有滑块，传感器支撑通过滑块设置在环形轨道上；

滑块连接有驱动电机，驱动电机与风力发电机的主控系统连接。

进一步，环形轨道分为对称的左半轨道和右半轨道，左半轨道和右半轨道卡箍在塔筒外壁上，在左半轨道和右半轨道连接处设有凸耳。

进一步，传感器支撑下方设有伸缩杆。

本发明还公开了所述风电机组叶片裂纹监测系统的监测方法，包括如下步骤：

S1、风电机组运行过程中，当叶片叶尖掠过塔筒时，声音传感器采集叶片扫风产生的声音信号；

S2、声音信号传输给上位机，上位机将采集到的声音信号进行滤波、去噪处理，并将经过滤波处理后的时域振动信号进行快速傅里叶变换转换为频域信号；

通过比对三支叶片扫风声音频域信号的波形，当其中一支叶片的声音波形明显区别于另外两支叶片扫风的声音波形时，判断该叶片存在裂纹损伤；

S3、主控模块接收叶片损伤判断结果，发送叶片损伤报警信号，并对叶片进行安全控制。

进一步，在塔筒外设有环形轨道，传感器支撑下方设有滑块，传感器支撑通过滑块设置在环形轨道上；滑块连接有驱动电机，驱动电机与风力发电机的主控系统连接；

S1具体为：风电机组运行过程中，当风力发电机的风向仪检测到风向变化，风力发电机的主控系统对偏航系统进行控制实现偏航、对风，主控系统给偏航系统发送信号的同时给驱动电机发送信号，驱动电机带动传感器支撑围绕塔筒实现360度环向运动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种风电机组叶片裂纹监测系统，包括声音传感器、传感器支撑、上位机和主控模块，声音传感器与传感器支撑固定，不需要设置在叶片上，安装维护成本较低，信号传输系统简单且不易受干扰；叶片正常扫风时会有声音，声音传感器就可以监测到声音的波形，上位机通过比对3支叶片扫风声音波形的异同，如果有1支叶片的波形明显区别于另外2支，就可以判断这支叶片出现了裂纹，主控模块在接收叶片损伤判断结果后，发送叶片损伤报警信号，对叶片进行控制。本发明通过比对三支叶片扫风声音的不同来识别叶片裂纹损伤，判断精度高；仅需在塔筒外壁安装声音传感器，系统简单可靠，安装维护成本较低。

进一步，传感器支撑在固定于塔筒外壁的环形轨道上，传感器支撑可围绕塔筒实现360度环向运动，保证传感器与机舱同步偏航以及同方向对风。

附图说明

图1为本发明的一种风电机组叶片裂纹监测系统的整体结构示意图；

图2为本发明的环形轨道与传感器支撑固定的结构示意图。

其中：1、声音传感器；2、传感器支撑；3、塔筒；4、叶片叶尖；5、环形轨道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性唠叨的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种风电机组叶片裂纹监测系统，包括数据采集装置、上位机和主控模块。

所述数据采集装置包括声音传感器1和传感器支撑2，通过传感器支撑2固定在风力发电机塔筒3上，采集叶片扫风产生的声音信号。所述声音传感器1可以监测叶片裂纹产生的高频信号。

所述上位机，用于对采集的数据进行处理，判断叶片是否存在裂纹损伤。

所述主控模块，用于接收叶片损伤判断结果，发送叶片损伤报警信号，对叶片进行降速、变桨或停机控制。

所述上位机具有信号传输、信号放大、滤波去噪、信号比较等功能，将数据采集装置得到的声音信号进行转化处理，在线实时显示与比较其波形。

所述上位机内集成有依次连接的信号接收模块、信号放大模块、滤波去噪模块和波形显示模块和判断模块；

信号接收模块，用于接收声音传感器1采集的叶片扫风产生的声音信号；

信号放大模块，用于对声音信号进行放大；

滤波去噪模块，用于对放大后的声音信号进行滤波处理，将经过滤波处理后的时域振动信号进行快速傅里叶变换转换为频域信号；

波形显示模块，用于显示三支叶片扫风声音频域信号的波形；

判断模块，用于当其中一支叶片的声音波形明显区别于另外两支叶片扫风的声音波形时，判断该叶片存在裂纹损伤。

具体地，信号放大模块采用LM358芯片；

滤波去噪模块采用FIR滤波器。

叶片正常扫风时会有声音，就可以监测到声音的波形。正常情况下，3支叶片同时出现裂纹的概率很小。通过比对3支叶片扫风声音波形的异同，如果有1支叶片的波形明显区别于另外2支，就可以判断这支叶片出现了裂纹。

在塔筒3外设有环形轨道5，传感器支撑2下方设有滑块，所述传感器支撑2在固定于塔筒3外壁类似于铁轨的环形轨道5上，滑块连接有驱动电机，声音传感器1围绕塔筒3实现360度环向运动。驱动电机与风力发电机的主控系统连接，风力发电机上都安装有风向仪，风向仪检测到风向变化，风力发电机的主控系统会自动对偏航系统进行控制实现偏航、对风，主控系统给偏航系统发送信号的同时也给驱动电机发送，保证传感器与机舱同步偏航以及同方向对风。

更优地，环形轨道5分为对称的左半轨道和右半轨道，左半轨道和右半轨道卡箍在塔筒3外壁上，在左半轨道和右半轨道连接处设有凸耳。当把左半轨道和右半轨道卡接在塔筒3外后，凸耳通过螺栓固定连接。

本发明所述风电机组叶片裂纹监测方法，具体步骤如下：

S1、风电机组运行过程中，当叶片叶尖4掠过塔筒3时，通过声音传感器1采集叶片扫风产生的声音信号；

S2、上位机将采集到的声音波形数据进行滤波、去噪处理，并将经过滤波处理后的时域振动信号进行快速傅里叶变换转换为频域信号；通过比对三支叶片扫风声音频域信号的波形，当其中一支叶片的声音波形明显区别于另外两支叶片扫风的声音波形时，判断该叶片存在裂纹损伤；

S3、主控模块接收叶片损伤判断结果，发送叶片损伤报警信号，并对叶片进行必要的安全控制。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种风电机组叶片裂纹监测系统，其特征在于，包括数据采集装置、上位机和主控模块；

所述数据采集装置包括声音传感器(1)和传感器支撑(2)，声音传感器(1)通过传感器支撑(2)固定在风力发电机的塔筒(3)上，用于采集叶片扫风产生的声音信号；

所述上位机与声音传感器(1)连接，用于对采集的数据进行处理，判断叶片是否存在裂纹损伤；

所述主控模块与上位机连接，用于接收叶片损伤判断结果，当接收到叶片存在损伤结果时发送叶片损伤报警信号，对叶片进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种风电机组叶片裂纹监测系统，其特征在于，所述上位机内集成有依次连接的信号接收模块、信号放大模块、滤波去噪模块、波形显示模块和判断模块；

信号接收模块，用于接收声音传感器(1)采集的叶片扫风产生的声音信号；

信号放大模块，用于对声音信号进行放大；

滤波去噪模块，用于对放大后的声音信号进行滤波处理，将经过滤波处理后的时域振动信号进行快速傅里叶变换转换为频域信号；

波形显示模块，用于显示三支叶片扫风声音频域信号的波形；

判断模块，用于当其中一支叶片的声音波形明显区别于另外两支叶片扫风的声音波形时，判断该叶片存在裂纹损伤。

3.根据权利要求2所述的一种风电机组叶片裂纹监测系统，其特征在于，信号放大模块采用LM358芯片；

滤波去噪模块采用FIR滤波器。

4.根据权利要求1所述的一种风电机组叶片裂纹监测系统，其特征在于，在塔筒(3)外设有环形轨道(5)，传感器支撑(2)下方设有滑块，传感器支撑(2)通过滑块设置在环形轨道(5)上；

滑块连接有驱动电机，驱动电机与风力发电机的主控系统连接。

5.根据权利要求4所述的一种风电机组叶片裂纹监测系统，其特征在于，环形轨道(5)分为对称的左半轨道和右半轨道，左半轨道和右半轨道卡箍在塔筒(3)外壁上，在左半轨道和右半轨道连接处设有凸耳。

6.根据权利要求1所述的一种风电机组叶片裂纹监测系统，其特征在于，传感器支撑(2)下方设有伸缩杆。

7.权利要求1-6任意一项所述风电机组叶片裂纹监测系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、风电机组运行过程中，当叶片叶尖(4)掠过塔筒(3)时，声音传感器(1)采集叶片扫风产生的声音信号；

S2、声音信号传输给上位机，上位机将采集到的声音信号进行滤波、去噪处理，并将经过滤波处理后的时域振动信号进行快速傅里叶变换转换为频域信号；

通过比对三支叶片扫风声音频域信号的波形，当其中一支叶片的声音波形明显区别于另外两支叶片扫风的声音波形时，判断该叶片存在裂纹损伤；

S3、主控模块接收叶片损伤判断结果，发送叶片损伤报警信号，并对叶片进行安全控制。

8.根据权利要求7所述风电机组叶片裂纹监测系统的监测方法，其特征在于，在塔筒(3)外设有环形轨道(5)，传感器支撑(2)下方设有滑块，传感器支撑(2)通过滑块设置在环形轨道(5)上；滑块连接有驱动电机，驱动电机与风力发电机的主控系统连接；

S1具体为：风电机组运行过程中，当风力发电机的风向仪检测到风向变化，风力发电机的主控系统对偏航系统进行控制实现偏航、对风，主控系统给偏航系统发送信号的同时给驱动电机发送信号，驱动电机带动传感器支撑(2)围绕塔筒(3)实现360度环向运动。

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