CN221299376U - 一种基于光纤传感的光纤载荷与振动的风机结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于光纤传感的光纤载荷与振动的风机结构，包括：支撑柱、设置在支撑柱上的机舱柜、设置在机舱柜头部的轮毂、安装在轮毂上的多个叶片、设置在每一叶片上的四光纤载荷传感器和一振动传感器、光纤线缆接线盒；所述四个光纤载荷传感器均匀布置在距离叶片的叶根一段距离的截面上；所述振动传感器设置在叶片中部，用于监测叶片Y轴和Z轴方向的振动量；所述光纤线缆接线盒设置在轮毂与叶片的连接处。本实用新型采用光纤载荷传感器和光纤振动传感器可以实现对叶片载荷的监测、叶片振动监测，通过这些传感器对风机叶片运行的实时载荷状态、结构形态、损伤情况以及故障风险等监测，为海上风机的智慧运维提供了保障。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤传感器技术领域，特别涉及一种基于光纤传感的光纤载荷与振动的风机结构。
背景技术
光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating，简称FBG)是一种新型的光无源器件，利用光纤材料的光敏特性在光纤的纤芯上建立了一种空间周期性折射率分布，可以改变或控制光在该区域的传播行为方式，相当于一个窄带的带通滤波器，仅反射特定波长的窄带光，其余的光透射如图3所示。
光纤光栅传感技术，实质上是利用FBG的光栅效应来感应外界温度、应变、位移等物理量的一种新型传感技术。当FBG传感器周围的温度、应变、液位、应力或其它待测物理量发生变化时，会导致光栅周期或者纤芯折射率变化，从而产生中心波长偏移。通过测量中心波长的偏移量，建立偏移量与待测量的关系，就可以获得温度、液位、应变等待测物理量的变化量(如图4)；
光纤振动监测是将光纤光栅固定在钢片上，当传感器外部有加速度时，钢片会发生形变从而引起光纤光栅的形变，当光纤光栅发生形变时，光纤光栅的光栅常数会发生改变，导致其输出波长发生变化，通过测量光纤光栅输出波长的漂移量，即可得到加速度。
根据光纤光栅波长与应变变化关系式和弹性系统中加速度与应变的关系：
可得到：
其中上式中Pε＝0.22是光纤的弹光系数，E为钢片的弹性模量。上式为光纤光栅波长改变量与加速度的线性变化关系。
早期叶片监测的技术路线一直是采用电传感器，由于叶片体积大，又是运动部件，布置电传感器有两个难题：一是传感器的供电难度大，电源的可靠性很难保证；二是叶片上的输电线容易引雷，产生很大的电磁干扰，导致传感器的有效寿命很短。
之前的技术方案是在叶片根部安装加速度传感器，通过测叶片的振动和噪音发现叶片的损伤。但在叶片根部安装加速度传感器很难早期发现叶片主要部位的损伤，必须在叶片中部乃至叶尖安装加速度传感器才可以确定叶片损伤的位置和大小。而电传感器无法在叶片中部布置(风机叶片上是不允许有金属导线的，否则会存在引雷隐患)，这也是风机叶片的振动监测一直做不好的原因。
现在，光纤传感器很好的解决了这个问题。光纤传感器属于无源传感器，它不需要外接电源，可以很方便在叶片上布置；而且，光纤是非金属产品，雷击等电磁干扰对光纤传输没有任何影响，不仅系统可靠性高，而且寿命长。光传感器为实现风机叶片的运行状态在线监测提供了最佳技术手段。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种基于光纤传感的光纤载荷与振动的风机结构。
为了实现上述目的，本实用新型技术方案如下：
本实用新型提供一种基于光纤传感的光纤载荷与振动的风机结构，包括：支撑柱、设置在支撑柱上的机舱柜、设置在机舱柜头部的轮毂、安装在轮毂上的多个叶片、设置在每一叶片上的四光纤载荷传感器和一振动传感器、光纤线缆接线盒；
所述四个光纤载荷传感器均匀布置在距离叶片的叶根一段距离的截面上；
所述振动传感器设置在叶片中部，用于监测叶片Y轴和Z轴方向的振动量；
所述光纤线缆接线盒设置在轮毂与叶片的连接处；所述光纤线缆接线盒上的光纤线缆对应与四光纤载荷传感器、振动传感器连接。
优选的，所述机舱柜内还设有导电滑环或WIFI模块。
优选的，所述轮毂内还设有光纤传感解调仪，该光纤传感解调仪对应端与光纤线缆接线盒对应端电性连接。
优选的，所述机舱柜内的控制柜经导电滑环与光纤传感解调仪进行有线连接，或，通过WIFI模块与光纤传感解调仪进行无线连接。
优选的，所述机舱柜内的控制柜还能与外部的风场控制平台对应端电性连接。
优选的，所述四个光纤载荷传感器均匀布置在距离叶片的叶根1.5-1.8m的截面上。
优选的，所述振动传感器设置在叶片中部30m位置处。
优选的，所述叶片的数量设为3个，对应的，光纤载荷传感器的数量为12个，振动传感器数量为3个。
采用本实用新型的技术方案，具有以下有益效果：
本实用新型采用光纤载荷传感器和光纤振动传感器可以实现对叶片载荷的监测、叶片振动监测，通过这些传感器对风机叶片运行的实时载荷状态、结构形态、损伤情况以及故障风险等监测，为海上风机的智慧运维提供了保障，其中光纤载荷传感器对桨叶根部应力状态进行监测，根据桨叶根部载荷波动的变化，有效诊断定位桨叶故障隐患，预测桨叶故障隐患发展趋势，实现桨叶故障预警报警；对叶片平衡、覆冰和裂纹等故障进行早期预警与预测，为变桨或独立变桨提供精确的桨叶受力反馈；光纤桨叶振动传感器将光纤光栅正确封装后的加速度变化传递给光纤光栅，结合快速光纤光栅解调技术，高分辨率和宽频响范围，通过测量光纤光栅的波长偏移来计算加速度。可监测叶片Y和Z方向(振动、挥舞)的振动量，传感器壳体为塑料材质壳体，能有效预防直击雷，具备良好的抗盐雾腐蚀特性，传感器安装于叶片中部30米的位置。
本实用新型可对风机叶片损伤评估，通过对叶片平衡、覆冰和裂纹等故障进行早期预警与预测，降低安全隐患，降低综合维护成本。
本实用新型风机变桨反馈：为变桨提供精确的叶片受力数据，为精确控制气动转矩提供反馈，降低安全隐患，降低综合维护成本。为精确独立变桨提供最直接的受力监测数据，提升效能。
本实用新型桨叶寿命评估：通过对叶片实时受力监测所做的疲劳载荷数据，做较精确的桨叶寿命评估，降低安全隐患。
本实用新型通过叶片受力的周期性变化，实现低频的高精度振动分析，为CMS系统增加基于应力反馈的奖叶和轴承振动监测，为CMS系统提供比振动传感器精度高数倍的叶片失速振动监测。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型图1A处的放大示意图；
图3为现有光纤光栅原理示意；
图4为光纤光栅传感原理示意图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之
“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参照图1至图2，本实用新型提供一种基于光纤传感的光纤载荷与振动的风机结构，包括：支撑柱1、设置在支撑柱1上的机舱柜2、设置在机舱柜2头部的轮毂3、安装在轮毂3上的多个叶片4、设置在每一叶片4上的四光纤载荷传感器5和一振动传感器6、光纤线缆接线盒10；
所述四个光纤载荷传感器5均匀布置在距离叶片4的叶根一段距离的截面上，所述四个光纤载荷传感器5均匀布置在距离叶片4的叶根1.5-1.8m的截面上，可对叶片整个根部的机械损伤进行检测，提高监测范围和精度；
所述振动传感器6设置在叶片中30m位置处，用于监测叶片Y轴和Z轴方向的振动量；光纤振动传感器将光纤光栅正确封装后的加速度变化传递给光纤光栅，结合快速光纤光栅解调技术，高分辨率和宽频响范围，通过测量光纤光栅的波长偏移来计算加速度；其中光纤载荷传感器和振动传感器的壳体为塑料材质壳体，能有效预防直击雷，具备良好的抗盐雾腐蚀特性；所述光纤线缆接线盒10设置在轮毂3与叶片4的连接处；所述光纤线缆接线盒10上的光纤线缆对应与四光纤载荷传感器5、振动传感器6连接；所述叶片4的数量设为3个，对应的，光纤载荷传感器5的数量为12个，振动传感器数6量为3个。
进一步的，所述机舱柜2内还设有导电滑环或WIFI模块7，所述轮毂3内还设有光纤传感解调仪8，该光纤传感解调仪8对应端与光纤线缆接线盒10对应端电性连接。所述机舱柜2内的控制柜经导电滑环与光纤传感解调仪8进行有线连接，其中有线连接可以提供RS458数据线或者CAN总线进行连接，或，通过WIFI模块与光纤传感解调仪8进行无线连接。本实施例中所述机舱柜2内的控制柜还能与外部的风场控制平台对应端电性连接，光纤光栅传感器5安装于风机桨叶片处，感知各结构件的载荷与振动变化，光纤线缆将携带应力信息的光信号传递到光纤传感解调仪8进行信号解调，输出应力、振动加速度变化值，传送给风场控制室的监测平台系统，经过数据分析，实现对叶片平衡、覆冰和裂纹等故障进行早期预警与预测；同时结合主机厂家叶片疲劳模型，实现对叶片疲劳分析及寿命预测；结合风机机组SCADA系统及独立变桨系统，实现最大发电效率优化。
光纤振动传感器技术参数如下表1：
表1
| 序号 | 参数名称 | 技术要求 |
| 技术原理 | 光纤光栅 | |
| 测量方向 | 双轴(Y和Z方向) | |
| 测量范围 | ±5g | |
| 频率范围 | 0.1Hz～100Hz | |
| 灵敏度系数 | 100pm/g | |
| 中心波长 | 1525nm～1565nm | |
| 光学接口 | LC/APC或SC/APC | |
| 工作温度 | -40℃-85℃ | |
| 安装方式 | 胶粘 | |
| 外形尺寸 | 70mm*65mm*50mm | |
| 重量 | 600g |
本实用新型采用光纤载荷传感器和光纤振动传感器可以实现对叶片载荷的监测、叶片振动监测，通过这些传感器对风机叶片运行的实时载荷状态、结构形态、损伤情况以及故障风险等监测，为海上风机的智慧运维提供了保障，其中光纤载荷传感器对桨叶根部应力状态进行监测，根据桨叶根部载荷波动的变化，有效诊断定位桨叶故障隐患，预测桨叶故障隐患发展趋势，实现桨叶故障预警报警；对叶片平衡、覆冰和裂纹等故障进行早期预警与预测，为变桨或独立变桨提供精确的桨叶受力反馈；光纤桨叶振动传感器将光纤光栅正确封装后的加速度变化传递给光纤光栅，结合快速光纤光栅解调技术，高分辨率和宽频响范围，通过测量光纤光栅的波长偏移来计算加速度。可监测叶片Y和Z方向(振动、挥舞)的振动量，传感器壳体为塑料材质壳体，能有效预防直击雷，具备良好的抗盐雾腐蚀特性，传感器安装于叶片中部30米的位置。
本实用新型可对风机叶片损伤评估，通过对叶片平衡、覆冰和裂纹等故障进行早期预警与预测，降低安全隐患，降低综合维护成本。
本实用新型风机变桨反馈：为变桨提供精确的叶片受力数据，为精确控制气动转矩提供反馈，降低安全隐患，降低综合维护成本。为精确独立变桨提供最直接的受力监测数据，提升效能。
本实用新型桨叶寿命评估：通过对叶片实时受力监测所做的疲劳载荷数据，做较精确的桨叶寿命评估，降低安全隐患。
本实用新型通过叶片受力的周期性变化，实现低频的高精度振动分析，为CMS系统增加基于应力反馈的奖叶和轴承振动监测，为CMS系统提供比振动传感器精度高数倍的叶片失速振动监测。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于光纤传感的光纤载荷与振动的风机结构，其特征在于，包括：支撑柱、设置在支撑柱上的机舱柜、设置在机舱柜头部的轮毂、安装在轮毂上的多个叶片、设置在每一叶片上的四光纤载荷传感器和一振动传感器、光纤线缆接线盒；
所述四个光纤载荷传感器均匀布置在距离叶片的叶根一段距离的截面上；
所述振动传感器设置在叶片中部，用于监测叶片Y轴和Z轴方向的振动量；
所述光纤线缆接线盒设置在轮毂与叶片的连接处；所述光纤线缆接线盒上的光纤线缆对应与四光纤载荷传感器、振动传感器连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的光纤载荷与振动的风机结构，其特征在于，所述机舱柜内还设有导电滑环或WIFI模块。
3.根据权利要求2所述的基于光纤传感的光纤载荷与振动的风机结构，其特征在于，所述轮毂内还设有光纤传感解调仪，该光纤传感解调仪对应端与光纤线缆接线盒对应端电性连接。
4.根据权利要求3所述的基于光纤传感的光纤载荷与振动的风机结构，其特征在于，所述机舱柜内的控制柜经导电滑环与光纤传感解调仪进行有线连接，或，通过WIFI模块与光纤传感解调仪进行无线连接。
5.根据权利要求4所述的基于光纤传感的光纤载荷与振动的风机结构，其特征在于，所述机舱柜内的控制柜还能与外部的风场控制平台对应端电性连接。
6.根据权利要求1所述的基于光纤传感的光纤载荷与振动的风机结构，其特征在于，所述四个光纤载荷传感器均匀布置在距离叶片的叶根1.5-1.8m的截面上。
7.根据权利要求6所述的基于光纤传感的光纤载荷与振动的风机结构，其特征在于，所述振动传感器设置在叶片中部30m位置处。
8.根据权利要求7所述的基于光纤传感的光纤载荷与振动的风机结构，其特征在于，所述叶片的数量设为3个，对应的，光纤载荷传感器的数量为12个，振动传感器数量为3个。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant |