CN210396977U - 一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构，包括垂直于地面(40)的塔筒(20)，塔筒(20)的顶部设置有机舱(10)；机舱(10)的底部前端，安装有第一激光测距传感器(1)；第一激光测距传感器(1)位于机舱(10)的中轴线上。本实用新型公开的风电机组叶片与塔筒净空的测量结构，能够不受风电机组的叶轮朝向发生改变的影响，准确、可靠地对风电机组叶片叶尖与塔筒之间的危险净空距离进行测量，从而有利于进一步调整对风电机组的叶片，以对风电机组的叶尖与塔筒之间的净空距离进行调节控制，降低风电机组的运行风险。

Description

一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构

技术领域

本实用新型涉及风力发电机技术领域，特别是涉及一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构。

背景技术

目前，随着风电机组单机功率的不断增大，叶片的长度不断增加，风电机组叶片叶尖与塔筒的净空越来越难保证(该净空是指风力发电机的轮毂转动时，叶片扫过塔筒时，叶尖部位距离塔筒壁的最小几何距离)。这时候，一旦高速旋转的叶片的叶尖与塔筒发生碰撞，将面临机毁塔倒的风险，造成巨大的财产损失，还有可能危及生命安全。

德国船级社(GL)风电机组设计认证规范规定：风电机组叶尖与塔筒壁的最小距离(即净空)，相对于叶片不变形的状态下的距离，在机组运行状态下，不得小于30％，在机组顺桨停机状态下，不得小于5％。

在风电机组接近额定风速，但还没有开始变桨的运行工况下，叶片受到的推力最大，在这种情况下，叶片向机组后方产生的弯曲变形最大，同时机舱出现最大的水平向后位移，机舱还会出现最大的向前低头的角度，这三个因素的影响相互相叠加，会使叶片的叶尖距离塔筒的距离最小。通过控制叶片向90°方向收桨(即将叶片调整到与风轮旋转面成90度桨距角)，可以有效的降低叶片前后方向的柔性，降低叶片的变形量，提高叶片的叶尖到塔筒壁之间的距离。

但是，为了测量风电机组叶片叶尖与塔筒之间的净空距离，对于现有的风电机组，其通常在塔筒的外壁安装红外激光传感器，来对风电机组叶片叶尖与塔筒之间的净空距离(即容易发生危险的净空距离，简称危险净空距离)，这种测量方式，只能对一定范围内的叶片叶尖进行测量，当风电机组中的叶轮(即装有叶片的轮盘)在转动后，其朝向与红外激光传感器的安装方向背离时(即正好相反，位于传感器的180度方向时)，红外激光传感器无法正常朝向风电机组的叶片叶尖的方向进行测量，从而无法正常对风电机组叶片叶尖与塔筒之间的危险净空距离进行测量，不利于进一步调整对风电机组的叶片，以对风电机组的叶尖与塔筒之间的净空距离进行调节控制。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构，其能够不受风电机组的叶轮朝向发生改变的影响，准确、可靠地对风电机组叶片叶尖与塔筒之间的危险净空距离进行测量，从而有利于进一步调整对风电机组的叶片，以对风电机组的叶尖与塔筒之间的净空距离进行调节控制，降低风电机组的运行风险，具有重大的实践意义。

为此，本实用新型提供了一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构，包括垂直于地面的塔筒，塔筒的顶部设置有机舱；

机舱的底部前端，安装有第一激光测距传感器；

第一激光测距传感器位于机舱的中轴线上。

其中，还包括第二激光测距传感器，第二激光测距传感器安装在机舱的中轴线上；

第二激光测距传感器比第一激光测距传感器，更加靠近塔筒的筒壁。

其中，第一激光测距传感器，用于风电机组运行中，对激光测距传感器与外部障碍物之间的距离进行测量；

第二激光测距传感器，用于风电机组处于停机状态下，对激光测距传感器与外部障碍物之间的距离进行测量。

其中，机舱的前面安装有叶轮的轮毂，叶轮的轮毂上安装有三个间隔分布的叶片；

叶轮的轮毂的中心点，位于机舱的中轴线上；

第一激光测距传感器和叶轮的轮毂的中心点，位于同一直线上。

其中，第一激光测距传感器与塔筒的筒壁之间的距离，小于毫米。

其中，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器，与风电机组中的数据采集器或者主控制器，通过信号线相连接；

数据采集器或者主控制器，用于采集第一激光测距传感器和第二激光测距传感器所输出的检测信号。

其中，假设风电机组的叶片在自由不受外力的状态下，叶尖与塔筒的净空为L，第一激光测距传感器发出的激光检测光束在叶尖所在的水平高度上与塔筒壁的距离为d1，第二激光测距传感器发出的激光检测光束在叶尖所在的水平高度上与塔筒壁的距离为d2。

在出现最小净空的工况下，机舱向后的水平位移与机舱低头角造成的激光检测光束向后水平移动的距离之和D≤5％L，则d1＝30％L，d2＝5％L+D/2。

而在出现最小净空的工况下，D>5％L，则d1＝30％L+D/2。d2＝5％L+D/2。

由以上本实用新型提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本实用新型提供了一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构，其能够不受风电机组的叶轮朝向发生改变的影响，准确、可靠地对风电机组叶片叶尖与塔筒之间的危险净空距离进行测量，从而有利于进一步调整对风电机组的叶片，以对风电机组的叶尖与塔筒之间的净空距离进行调节控制，降低风电机组的运行风险，具有重大的实践意义。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构中，第一激光测距传感器在风电机组上的安装位置示意简图；

图2为本实用新型提供的一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构的仰视结构示意图；

图3为本实用新型提供的一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构的一种实施例的仰视结构示意图；

图4为本实用新型提供的一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构的实施例中，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器在风电机组上的安装位置示意简图；

图5为本实用新型提供的一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构中，第一激光测距传感器或第二激光测距传感器，和一个可编程逻辑控制器PLC 的连接示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

参见图1至图5，本实用新型提供了一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构，其应用于一个风电机组中，包括垂直于地面40的塔筒20，塔筒20 的顶部设置有机舱10；

机舱10的底部前端(具体为机舱罩的底面前端)，安装有第一激光测距传感器1；

第一激光测距传感器1位于机舱10的中轴线A上。

在本实用新型中，具体实现上，第一激光测距传感器1与塔筒20的筒壁之间的距离，小于200毫米。

在本实用新型中，具体实现上，参见图2所示，还包括第二激光测距传感器2，第二激光测距传感器安装在机舱10的中轴线A上；

第二激光测距传感器2比第一激光测距传感器1，更加靠近塔筒20的筒壁。

需要说明的是，所述风电机组的机舱正面(即迎风面)安装有风轮(即叶轮)，风轮(即叶轮)是风力发电的关键部件，用于在风的吹动下，带动风机内的发电机组进行发电。叶轮指装有叶片的轮盘。

在本实用新型中，具体实现上，机舱10的前面安装有叶轮的轮毂30，叶轮的轮毂30上安装有三个间隔分布的叶片50(叶片在图2、图3中略)。叶轮的轮毂30的中心点，位于机舱10的中轴线A上；

第一激光测距传感器1和叶轮的轮毂30的中心点，位于同一直线上。

需要说明的是，对于本实用新型，将第一激光测距传感器1和第二激光测距传感器2这两个激光测距传感器，安装于机舱罩的底面前端，尽量靠近塔筒的方向，使激光束向前倾斜的角度最大，是为了避免风电机组顺桨时，激光测距传感器的激光束碰到叶片后缘。两个激光测距传感器的安装方式如图3、图4所示，两个激光测距传感器发出的激光束的投射角度如图4所示。

在本实用新型中，具体实现上，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器优选是检测距离涵盖叶片长度(35～100m)，光斑较小，位置检测精确度在1米以内的激光测距传感器。

在本实用新型中，需要说明的是，第一激光测距传感器1，用于风电机组运行中，对激光测距传感器与外部障碍物(例如叶片叶尖)之间的距离进行测量，从而进一步能够让风电机组上自身具有的控制系统(其内设置PLC 模块，如为现有风电机组上安装的机舱控制柜)判断在叶片受力变形向后弯曲后，叶尖是否进入警戒区域(即激光测距传感器与外部障碍物之间的距离是否位于预设有效检测距离范围)。

第二激光测距传感器2，用于风电机组处于停机状态下，对激光测距传感器与外部障碍物(例如叶片叶尖)之间的距离进行测量，从而进一步能够让用户判断叶片的叶尖是否进入警戒区域(即激光测距传感器与外部障碍物之间的距离是否位于预设有效检测距离范围)。

需要说明的是，预设有效检测距离范围，优选为(R-2)～(R+1)米，因为叶尖只有可能出现在这个范围，如果在其他距离范围内检测到障碍物，则直接滤除；

其中，R为风电机组叶片的长度，单位：米。

也就是说，假设叶片的长度为R米，如果传感器检测到距离前方物体在 (R-2)～(R+1)米范围内，则可以进一步判断叶尖进入警戒距离(即有效检测距离)，其他检测距离内的信号直接滤除。

因此，对于本实用新型，当第一激光测距传感器或第二激光测距传感器与外部障碍物之间的距离，位于预设有效检测距离范围内时，可以用来判断是风电机组叶片的叶尖因变形而进入了警戒范围(该范围又称为有效范围)，触发执行预设的控制操作(具体由风电机组的控制系统来执行，例如让风电机组控制叶片，向90°方向顺桨，来增加叶片叶尖与塔筒的净空)。

还需要说明的是，对于本实用新型，因为适用于不用风区，不同功率的风电机组叶片的长度范围比较宽(35～100m)，叶片还有预弯，叶片柔性变形的方式也不固定，所以，具体实现上，设置一个比较宽的预设有效检测距离范围：(R-2)～(R+1)米，以有效进行安全防护，避免叶片的叶尖和塔筒发生碰触的危险。

在本实用新型中，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器，与风电机组中的数据采集器(即数据采集设备)或者主控制器，通过信号线相连接；

数据采集器或者主控制器，用于采集第一激光测距传感器和第二激光测距传感器所输出的检测信号。

参见图1、图4所示，对于本实用新型，为了进一步确定两个激光测距传感器的安装方式，对两个激光测距传感器的激光检测光束(具体由激光测距传感器中的激光二极管发出)的投射位置，进行了要求。具体如下：

假设风电机组的叶片在自由不受外力的状态下，叶尖与塔筒的净空为L，第一激光测距传感器1的激光检测光束在叶尖所在的水平高度上与塔筒壁的距离为d1，第二激光测距传感器2的激光检测光束在叶尖所在的水平高度上与塔筒壁的距离为d2。

需要说明的是，d1和d2两个值，参照了德国船级社(GL)风电机组设计认证规范的规定，结合仿真计算的结果和整个系统的柔性来确定。首先，根据机组的全工况仿真计算结果，找到出现最小净空的工况。

需要说明的是，在风电机组设计过程中，是会按照IEC(国际电工委员会)标准IEC61400-1的要求，对风电机组的载荷进行全工况的模拟计算的，计算完成后可以对任何一个量的最大值和最小值及出现的工况进行搜索，包括净空，也就是说，可以对净空的最小值和最大值及出现的工况进行搜索。目前，可以完成这个任务的仿真软件有很多，用的最多的是风机设计软件 BLADED。BLADED软件是一个用于风机性能和载荷计算的综合软件，是业界广泛运用的风机仿真运行软件。在此，需要说明的是，由于根据机组的全工况仿真计算结果，找到出现最小净空的工况，此为现有技术，在此不展开描述。

具体为：如果在出现最小净空的工况下，机舱向后的水平位移与机舱低头角造成的激光检测光束向后水平移动的距离之和(定义为D)D≤5％L，则d1＝30％L，d2＝5％L+D/2。

而如果在出现最小净空的工况下，D>5％L，则说明整个风电机组系统柔性较强，则d1＝30％L+D/2。d2＝5％L+D/2。

需要说明的是，风电机组在运行中，叶轮受到风的推力，会推动整个机舱产生向后的位移，同时还会使机舱产生一个微小的低头角，而塔筒会产生向后的弯曲变形，这都会使光束的投射方向发生改变。上述措施是为了保证在塔筒变形量最大时，光束投射到叶尖位置的路径也不会被遮挡。

在本实用新型中，具体实现上，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器，可以自带后处理系统，能够计算出其检测区域内，外部障碍物距离传感器的距离，通过与风电机组的主控系统用串口进行通信，直接接入到风电机组的控制系统(机舱控制柜)PLC模块的串口，如图5所示。当叶片的叶尖遮挡住第一激光测距传感器或第二激光测距传感器的检测激光光束，即进入对应测距传感器的检测范围，本实用新型可以只对(R-2)～(R+1)米的检测范围做出响应。

需要说明的是，对于本实用新型，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器安装于机舱上，叶轮的朝向改变时，检测不受影响，即能够不受叶轮朝向发生改变的影响，准确、可靠地对风电机组叶片叶尖与塔筒之间的危险净空距离进行测量，在此基础上，还可以进一步结合风电机组的主控系统(例如PLC)，能够判断风电机组叶片叶尖与塔筒之间的净空距离是否进入危险区间(即是否进入了预设的有效检测距离范围)，从而有利于进一步调整对风电机组的叶片，以对风电机组的叶尖与塔筒之间的距离进行调节控制，降低风电机组的运行风险。

此外，传感器采用激光测距传感器，可以通过测到的障碍物的距离，结合预设的有效检测距离范围，直接滤除由于叶片的叶尖之外的物体进入测试范围而产生的干扰。测量结果直接传送给风电机组的主控系统(例如PLC)，主控系统可以根据检测结果，对机组的净空进行进一步的控制。

基于以上技术方案可知，对于本实用新型提供的一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构，不仅选择了用于净空检测的传感器类型，还设计了传感器的安装方式，从而能够对风电机组叶片叶尖与塔筒的净空进行有效的测量，有利于进一步对风电机组的叶尖与塔筒之间的净空距离进行调节控制，从而便于降低风电机组叶片叶尖与塔筒碰撞的风险。

与现有技术相比较，本实用新型提供的风电机组叶片与塔筒净空的测量结构，实施方案简单，成本低，检测不受风电机组偏航的影响(因为两个传感器安装在机舱上，偏航时随机舱一起转动)。可以对净空降至危险区域的工况进行快速测量，

综上所述，与现有技术相比较，本实用新型提供的一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构，其能够不受风电机组的叶轮朝向发生改变的影响，准确、可靠地对风电机组叶片叶尖与塔筒之间的危险净空距离进行测量，从而有利于进一步调整对风电机组的叶片，以对风电机组的叶尖与塔筒之间的净空距离进行调节控制，降低风电机组的运行风险，具有重大的实践意义。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种风电机组叶片与塔筒净空的测量结构，其特征在于，包括垂直于地面(40)的塔筒(20)，塔筒(20)的顶部设置有机舱(10)；

机舱(10)的底部前端，安装有第一激光测距传感器(1)；

第一激光测距传感器(1)位于机舱(10)的中轴线上；

还包括第二激光测距传感器(2)，第二激光测距传感器安装在机舱(10)的中轴线上；

第二激光测距传感器(2)在机舱(10)的底部前端，第二激光测距传感器(2)比第一激光测距传感器(1)，更加靠近塔筒(20)的筒壁；

第一激光测距传感器(1)，用于风电机组运行中，对激光测距传感器与外部障碍物之间的距离进行测量；

第二激光测距传感器(2)，用于风电机组处于停机状态下，对激光测距传感器与外部障碍物之间的距离进行测量。

2.如权利要求1所述的测量结构，其特征在于，机舱(10)的前面安装有叶轮的轮毂(30)，叶轮的轮毂(30)上安装有三个间隔分布的叶片(50)；

叶轮的轮毂(30)的中心点，位于机舱(10)的中轴线上；

第一激光测距传感器(1)和叶轮的轮毂(30)的中心点，位于同一直线上。

3.如权利要求1所述的测量结构，其特征在于，第一激光测距传感器(1)与塔筒(20)的筒壁之间的距离，小于200毫米。

4.如权利要求1至3中任一项所述的测量结构，其特征在于，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器，与风电机组中的数据采集器或者主控制器，通过信号线相连接；

数据采集器或者主控制器，用于采集第一激光测距传感器和第二激光测距传感器所输出的检测信号。

5.如权利要求1至3中任一项所述的测量结构，其特征在于，假设风电机组的叶片在自由不受外力的状态下，叶尖与塔筒的净空为L，第一激光测距传感器发出的激光检测光束在叶尖所在的水平高度上与塔筒壁的距离为d1，第二激光测距传感器发出的激光检测光束在叶尖所在的水平高度上与塔筒壁的距离为d2；

在出现最小净空的工况下，机舱向后的水平位移与机舱低头角造成的激光检测光束向后水平移动的距离之和D≤5％L，则d1＝30％L，d2＝5％L+D/2；

而在出现最小净空的工况下，D>5％L，则d1＝30％L+D/2，d2＝5％L+D/2。

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