CN117685177A - 一种降低叶片雨蚀的方法及监测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低叶片雨蚀的方法，包括以下步骤：步骤1、传感器实时监测雨滴对叶片表面的冲击力；步骤2、建立冲击力‑损伤的数据库，同时依据当地风场设计寿命内的降雨天数，制定单元控制损伤值；步骤3、结合单元控制损伤值和当前损伤值，控制风轮转速；步骤4、数据采集器统计当前叶片的累计损伤，当累计损伤到总损伤时，进行叶片雨蚀的故障预警。一种降低叶片雨蚀的监测设备，包括设于叶片前缘的压电式冲击传感器，所述压电式冲击传感器通过数据采集器连接有主控系统，所述主控系统连接有变流器以及监控系统。可以精准地控制风轮转速降低雨蚀的破坏，同时能最大程度不损失过多的发电量，为后续大型风电叶片前缘保护提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机技术领域，尤其是一种降低叶片雨蚀的方法及监测设备。
背景技术
雨蚀是目前风电叶片前缘发生腐蚀的最重要因素，尤其是在海上风场，湿度大，降雨量大，雨蚀的影响程度更加明显。雨蚀是指雨滴对高速运行的叶片前缘产生撞击所导致的腐蚀现象。而叶尖部位在整个叶片上的线速度最大，叶片前缘又是风电叶片转动时与空气和雨水接触的主要部位，所以叶尖部分前缘的腐蚀状况最严重。
目前的风电叶片叶尖线速度已达到100m/s甚至更高，在这种高速运行的状态下，雨滴撞击到叶片表面会产生非常大的冲击力，破坏叶片表面的防护涂层；然后雨水将被破坏的涂层冲走后，下面未受冲击的部分又暴露出来继续遭到破坏。叶片前缘腐蚀会对气动性能产生不利影响，轻微的前缘腐蚀可造成年发电量降低5％，严重的可导致年发电量损失更多。因此，如何有效降低风电机组叶片雨蚀程度成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种降低叶片雨蚀的方法及监测设备，可以精准地控制风轮转速降低雨蚀的破坏，同时能最大程度不损失过多的发电量，为后续大型风电叶片前缘保护提供技术支撑。
本发明采用的技术方案如下：
一种降低叶片雨蚀的方法，包括以下步骤：
步骤1、传感器实时监测雨滴对叶片表面的冲击力；
步骤2、建立冲击力Pi-损伤Di的数据库，同时依据当地风场设计寿命内的降雨天数，制定单元控制损伤值；
步骤3、结合单元控制损伤值和当前损伤值，控制风轮转速；
步骤4、数据采集器统计当前叶片的累计损伤，当累计损伤到总损伤时，进行叶片雨蚀的故障预警。
可供选择的，所述传感器为压电式冲击传感器。
可供选择的，对传感器监测数据进行标定，排除转速、风速因素对传感器影响。
可供选择的，所述步骤1中，对叶片前缘进行监测。
可供选择的，所述步骤2中，采用有限元方法建立雨滴冲击力与叶片前缘保护膜或漆疲劳损伤的关系，并形成冲击力Pi-损伤Di的数据库。
可供选择的，基于雨蚀试验的测试数据，作为衡量叶片前缘雨蚀破坏的标准，通过数据库插值建立总损伤Dtotal＝1；
根据当地风场目标设计寿命内降雨总小时数n，将总损伤分配到1小时控制单元D1，作为初始损伤：
其中,D1为初始控制单元目标损伤值，n为降雨总小时数。
可供选择的，所述目标设计寿命为25年。
可供选择的，基于压电式冲击传感器采集叶片前缘的冲击力，利用冲击力Pi-损伤Di数据库实时插值得到损伤，并借助数据采集器累计此刻前的所有损伤，以小时为单元进行归集Dj，根据当前损伤重新定义单元中的损伤值：
其中，Dk为当前控制单元目标损伤值，Pj为第j个降雨小时内的损伤值，j为当前累计降雨小时数。
可供选择的，所述步骤3中，根据重新定义的Dk为控制目标，查看冲击力Pi-损伤Di数据库，动态降低风速转速保证当前损伤值不超过Dk，从而实现机组的实时控制。
一种降低叶片雨蚀的监测设备，包括设于叶片前缘的压电式冲击传感器，所述压电式冲击传感器通过数据采集器连接有主控系统，所述主控系统连接有变流器以及监控系统。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明所提供的一种降低叶片雨蚀的方法及监测设备，能够减少雨滴对风电叶片的冲击，进而提高风电机组的运行性能、延长叶片的使用寿命以及降低维护成本。
2、本发明所提供的一种降低叶片雨蚀的方法及监测设备，通过压电式冲击传感器测试叶片尖部雨滴的冲击，根据冲击力Pi-损伤Di数据库查表得到此刻损伤，如果超过了控制单元损伤值，将对风轮转速进行调整，降低风轮转速将损伤小于控制单元损伤值，从而更加精准确的实现雨蚀损伤控制。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
一种降低叶片雨蚀的方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、传感器实时监测雨滴对叶片表面的冲击力；
步骤2、根据叶片前缘保护方式建立冲击力Pi-损伤Di的数据库，同时依据当地风场设计寿命内的降雨天数，制定单元控制损伤值；
步骤3、结合单元控制损伤值和当前损伤值，控制风轮转速；
步骤4、通过数据采集器统计当前叶片的累计损伤，提前进行叶片雨蚀的故障预警。
具体的，雨滴在下落过程中具有动能，当它们以一定速度撞击叶片表面时，当撞击在旋转的叶片上时，会对叶片造成物理冲击。这种冲击力可能会在叶片表面形成凹痕、裂纹或其他形式的损伤。还会产生摩擦力、剪切力等力学作用。这些力可能会导致叶片表面的涂层、粘结剂或其他保护层脱落，暴露出叶片的基材，从而加速材料的磨损和腐蚀。此外，雨滴中的酸性物质、盐分等化学成分，与叶片材料接触后可能发生化学反应，如腐蚀、水解等，长期作用会削弱叶片的结构和性能。然而，叶片的转速与风力发电机的发电效率有直接关系。转速过低会导致发电机的输出功率下降，发电量减少，影响风电场的经济性。因此，在降低转速以减少雨滴冲击的同时，需要确保转速不会降低到影响发电效率的程度，需要在保护叶片和维持发电效率之间找到一个平衡点。而本方法通过建立冲击力Pi-损伤Di的数据库，并根据单元控制损伤值和当前损伤值，将叶片转速控制在目标范围，可以降低叶片尖部速度，减少雨滴撞击叶片时的速度，从而减少冲击力，从而降低前缘的腐蚀速率，延长叶片的使用寿命。并且可以确保叶片维持最佳的气动性能，从而在较低的风速下也能捕获较多的风能，维持高效的能量转换。此外，通过数据采集器对传感器在先的数据进行收集，能够得到准确的损伤值，可以及时发现并处理雨蚀问题，从而延长叶片的使用寿命，减少更换叶片的频率和成本。并且有助于确保叶片在最佳状态下运行，维持高效的发电效率，防止风力发电机的发电效率降低，导致能源损失和收益下降。
作为另一具体的实施方式，所述传感器为压电式冲击传感器。压电式冲击传感器具有高灵敏度，可以检测到微小的冲击力变化，从而精确地监测雨滴的大小、形状和速度等信息。
作为另一具体的实施方式，对传感器监测数据进行标定，排除转速、风速因素对传感器影响。在监测雨滴冲击力时，转速和风速因素会对雨滴的实际冲击力产生影响。通过排除转速和风速的影响，可以确保传感器监测结果的准确性和稳定性，更准确地评估雨滴对叶片的潜在损害，并采取适当的保护措施。
作为另一具体的实施方式，所述步骤1中，对叶片前缘进行监测。叶片在旋转过程中，叶尖的线速度最高，这意味着雨滴在撞击叶尖时会具有较大的动能，从而增加了雨蚀的潜在损害。此外，叶片前缘通常设计为尖锐或具有特定的几何形状，以优化空气动力学性能。这种设计使得雨滴在撞击前缘时会产生较大的冲击力，尤其是在叶尖附近。使得叶片前缘在遭受雨蚀时比其他部位更容易受损，因此需要特别关注并进行有效的保护和监测。
作为另一具体的实施方式，所述步骤2中，采用有限元方法建立雨滴冲击力与叶片前缘保护膜或漆疲劳损伤的关系，并形成冲击力Pi-损伤Di的数据库。有限元方法可以模拟各种物理现象和工程行为，包括机械结构的应力、应变、刚度等。因此，采用有限元方法来分析冲击力Pi-损伤Di的数据库，可以考虑多种力学作用，得到冲击力Pi-损伤Di的实验数据，为建立数据库提供原始数据来源。
作为另一具体的实施方式，基于雨蚀试验的测试数据，作为衡量叶片前缘雨蚀破坏的标准，通过数据库插值建立总损伤Dtotal＝1；
根据当地风场目标设计寿命内降雨总小时数n，将总损伤分配到1小时控制单元D1，作为初始损伤：
其中,D1为初始控制单元目标损伤值，n为降雨总小时数。
将总损伤分解为每小时损伤，可以更加准确地描述损伤情况。再根据该损伤量进行转速的控制，保证实际损伤量小于该损伤值，以保证叶片能够达到预期的使用寿命。
作为另一具体的实施方式，所述目标设计寿命为25年。
作为另一具体的实施方式，基于压电式冲击传感器采集叶片前缘的冲击力，利用冲击力Pi-损伤Di数据库实时插值得到损伤，并借助数据采集器累计此刻前的所有损伤，以小时为单元进行归集Dj，根据当前损伤重新定义单元中的损伤值：
其中，Dk为当前控制单元目标损伤值，Dj为第j个降雨小时内的损伤值，j为当前累计降雨小时数。
具体的，将目标使用年数内总损伤划分为每小时损伤只是一种初步的框架和假设，实际情况中，每小时损伤值并不一定相同。因此，需要通过实际累计损伤重新修正控制单元目标损伤值，可以精确统计实际损伤细节，并提高寿命预测结果的准确性。
作为另一具体的实施方式，所述步骤3中，根据重新定义的Dk为控制目标，查看冲击力Pi-损伤Di数据库，动态降低风速转速保证当前损伤值不超过Dk，从而实现机组的实时控制。通过降低风电叶片的转速能够使雨滴与叶片接触时的相对速度减小，因此雨滴对叶片的冲击力也会相应减小。此外，较低的速度可以减少雨滴撞击叶片时产生的剪切力和摩擦力，从而降低整体冲击力。并且，通过实时计算以及反馈能够保证控制目标的准确性，进而保证实际寿命。进一步的，所述转速的控制可以根据压电式冲击传感器的实时监测进行调整。
一种降低叶片雨蚀的监测设备，包括设于叶片前缘的压电式冲击传感器，所述压电式冲击传感器通过数据采集器连接有主控系统，所述主控系统连接有变流器以及监控系统。具体的，上述连接均为通信连接。所述压电式冲击传感器连接数据采集器，再接入主控系统，所述主控系统通过变流器控制风轮转速，或通过监控系统进行故障预警。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种降低叶片雨蚀的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、传感器实时监测雨滴对叶片表面的冲击力；
步骤2、建立冲击力Pi-损伤Di的数据库，同时依据当地风场设计寿命内的降雨天数，制定单元控制损伤值；
步骤3、结合单元控制损伤值和当前损伤值，控制风轮转速；
步骤4、数据采集器统计当前叶片的累计损伤，当累计损伤到总损伤时，进行叶片雨蚀的故障预警。
2.如权利要求1所述的降低叶片雨蚀的方法，其特征在于：所述传感器为压电式冲击传感器。
3.如权利要求1所述的降低叶片雨蚀的方法，其特征在于：对传感器监测数据进行标定，排除转速、风速因素对传感器影响。
4.如权利要求1所述的降低叶片雨蚀的方法，其特征在于：所述步骤1中，对叶片前缘进行监测。
5.如权利要求1所述的降低叶片雨蚀的方法，其特征在于：所述步骤2中，采用有限元方法建立雨滴冲击力与叶片前缘保护膜或漆疲劳损伤的关系，并形成冲击力Pi-损伤Di的数据库。
6.如权利要求5所述的降低叶片雨蚀的方法，其特征在于：基于雨蚀试验的测试数据，作为衡量叶片前缘雨蚀破坏的标准，通过数据库插值建立总损伤Dtotal＝1；
根据当地风场目标设计寿命内降雨总小时数n，将总损伤分配到1小时控制单元D1，作为初始损伤：
其中，D1为初始控制单元目标损伤值，n为降雨总小时数。
7.如权利要求6所述的降低叶片雨蚀的方法，其特征在于：所述目标设计寿命为25年。
8.如权利要求6所述的降低叶片雨蚀的方法，其特征在于：基于压电式冲击传感器采集叶片前缘的冲击力，利用冲击力Pi-损伤Di数据库实时插值得到损伤，并借助数据采集器累计此刻前的所有损伤，以小时为单元进行归集Dj，根据当前损伤重新定义单元中的损伤值：
其中，Dk为当前控制单元目标损伤值，Dj为第j个降雨小时内的损伤值，j为当前累计降雨小时数。
9.如权利要求8所述的降低叶片雨蚀的方法，其特征在于：所述步骤3中，根据重新定义的Dk为控制目标，查看冲击力Pi-损伤Di数据库，动态降低风速转速保证当前损伤值不超过Dk，从而实现机组的实时控制。
10.一种降低叶片雨蚀的监测设备，其特征在于：包括设于叶片前缘的压电式冲击传感器，所述压电式冲击传感器通过数据采集器连接有主控系统，所述主控系统连接有变流器以及监控系统。
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| CN117993229A (zh) * | 2024-04-03 | 2024-05-07 | 中国电器科学研究院股份有限公司 | 一种基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法 |
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2023
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| CN117993229A (zh) * | 2024-04-03 | 2024-05-07 | 中国电器科学研究院股份有限公司 | 一种基于雨蚀疲劳损伤的风电叶片前缘涂层寿命预测方法 |
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