一种监测风力发电设备的叶片形变的系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种监测风力发电设备的叶片形变的系统，包括至少一条拉线、至少一个测量装置、信号采集装置以及信号处理装置，其中至少一条拉线沿叶片内表面轴向铺设，每条拉线的一端固定于叶片内表面近叶梢位置，另一端与至少一个测量装置中的一个通过弹性元件连接，拉线随叶片的形变带动弹性元件发生拉伸运动；至少一个测量装置均固定于叶片内表面近轮毂位置，适于根据其连接的一条拉线带动弹性元件发生的拉伸运动输出测量信号；信号采集装置分别与至少一个测量装置和信号处理装置连接，适于采集并传输至少一个测量装置输出的至少一个测量信号至信号处理装置；信号处理装置适于根据至少一个测量信号计算叶片的形变量。
【专利说明】
一种监测风力发电设备的叶片形变的系统
技术领域
[0001]本发明涉及叶片状态监测领域，尤其涉及一种监测风力发电设备的叶片形变的系统。
【背景技术】
[0002]风力发电作为一种重要的可再生新能源，受到广泛关注。而风力发电设备的叶片作为风力发电机组中捕获风能的关键部位，其健康状况直接影响到整个风电系统的运行。叶片的结构和受力相当复杂，由于叶片的工作环境十分恶劣，春夏秋冬、酷暑严寒、雷电、冰雹、雨雪、沙尘等随时都有可能对风机叶片产生损伤，因此叶片成为风力发电设备中最容易出现事故的位置。据统计，叶片损伤产生的事故约占风机总事故的三分之一。常见风机叶片在遭受损伤之后会出现裂纹、分层、空隙和脱粘等典型的疲劳缺陷，这些损伤随着叶片的运行而不断积累最终会导致叶片断裂。在叶片产生疲劳缺陷到断裂的过程中，叶片在运行时各部分会发生不同程度应变或形变。通常叶片发生损伤事故时必须停机维修，同时一旦叶片折断，则很有可能损坏塔筒，这必将导致高额的维修费用，也给风电场带来很大的经济损失。因此，若能有效监测叶片的健康状况，必能有效的减少风机叶片造成的停机故障，避免产生巨额经济损失。
[0003]目前，风力发电设备的叶片应变常见的监测手段有应变片应力监测法和光纤光栅监测法等。这些监测方法都有着其适用的缺陷类型与优缺点，其技术要求比较苛刻，监测过程受运行环境、天气状况以及其他因素的影响，而且通常需要借助复杂的检测仪器设备和专业的分析人员的介入才能做结果判定，极大的增加了监测成本和普及的困难程度。
[0004]因此需要一种新型的监测风力发电设备的叶片形变的方案。
【发明内容】
[0005]鉴于此，本发明提供了一种新的监测风力发电设备的叶片形变的方案，以力图解决或至少缓解上面存在的问题。
[0006]根据本发明的一个方面，提供了一种监测风力发电设备的叶片形变的系统，包括至少一条拉线、至少一个测量装置、信号采集装置以及信号处理装置，其中至少一条拉线沿叶片内表面轴向铺设，每条拉线的一端固定于叶片内表面近叶梢位置，另一端与至少一个测量装置中的一个通过弹性元件连接，拉线随叶片的形变带动弹性元件发生拉伸运动；至少一个测量装置均固定于叶片内表面近轮毂位置，适于根据其连接的一条拉线带动弹性元件发生的拉伸运动输出测量信号;信号采集装置分别与至少一个测量装置和信号处理装置连接，适于采集并传输至少一个测量装置输出的至少一个测量信号至信号处理装置;信号处理装置适于根据至少一个测量信号计算叶片的形变量。
[0007]可选地，在根据本发明的系统中，其中信号处理装置还适于判断叶片的形变量是否超过阈值，若是，则发出警报。
[0008]可选地，在根据本发明的系统中，还包括适于将拉线固定于叶片内表面的一个或多个固定装置。
[0009]可选地，在根据本发明的系统中，其中固定装置包括与至少一条拉线位置对应的至少一个通孔或开槽，至少一条拉线分别穿过对应的通孔或开槽。
[0010]可选地，在根据本发明的系统中，其中每条拉线的间距相等。
[0011 ]可选地，在根据本发明的系统中，其中拉线质量轻、强度高以及伸缩量小。
[0012]可选地，在根据本发明的系统中，其中各条拉线的长度相等。
[0013]可选地，在根据本发明的系统中，其中各条拉线的长度不相等。
[0014]可选地，在根据本发明的系统中，其中信号处理装置适于根据至少一个测量信号计算叶片不同段的形变量。
[0015]可选地，在根据本发明的系统中，其中测量装置为拉力传感器，测量信号指示拉线带动弹性元件拉伸产生的拉力。
[0016]可选地，在根据本发明的系统中，其中测量装置为位移传感器，测量信号指示拉线带动弹性元件拉伸产生的位移。
[0017]可选地，在根据本发明的系统中，其中测量装置为拉线式位移传感器，所述拉线为拉线式位移传感器的拉线。
[0018]根据本发明的监测风力发电设备的叶片形变的方案，通过沿叶片内表面轴向铺设的拉线，并通过拉线随叶片形变带动弹性元件的拉伸获取叶片的形变量，因而可以快速有效且实时地反映叶片各部分的损伤状况，同时极大地降低了监测的成本。
【附图说明】
[0019]为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。
[0020]图1示出了根据本发明一个示例性实施例的监测风力发电设备的叶片形变的系统100的结构示意图；
[0021]图2示出了根据本发明一个示例性实施例的叶片无形变时的拉线示意图；
[0022]图3示出了根据本发明一个示例性实施例的叶片形变时的拉线示意图；以及
[0023]图4示出了根据本发明一个示例性实施例的固定装置150的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0025]叶片作为风力发电机组中捕获风能的关键部位，其健康状况直接影响到整个风电系统的运行。风力发电设备的叶片一般很长，运转过程中，在风力作用下各个部位都会发生不同程度的形变。并且随着叶片运行时间的增长，叶片的疲劳损伤会逐渐增多，这些疲劳的积累会降低叶片运行的可靠性，严重的则会导致风机出现故障。因此，叶片在运行时的形变量的大小能够有效的反映叶片整体的健康状况。
[0026]图1示出了根据本发明一个示例性实施例的监测风力发电设备的叶片形变的系统100的结构示意图。如图1所示，监测风力发电设备的叶片形变的系统100包括至少一条拉线110、至少一个测量装置120、信号采集装置130以及信号处理装置140。
[0027]拉线110通常为质量轻，强度高，伸缩量小的线材，并沿叶片内表面轴向铺设，其中每条拉线的间距可以相等。每条拉线110的一端固定于叶片内表面近叶梢位置，该位置一般是叶片易发生形变的位置。拉线110的另一端则与一个对应的测量装置120通过弹性元件连接，例如通过弹簧连接，测量装置120则固定于叶片内表面近轮毂位置。
[0028]图2和图3分别示出了叶片正常运行时以及叶片发生形变时的拉线的状态示意图。显然地，当叶片发生形变时，轴向铺设的拉线110也会随之带动其连接的弹性元件发生拉伸运动，与拉线通过弹性元件相连的测量装置120根据该条拉线带动弹性元件发生的拉伸运动输出测量信号。可以理解地，拉线带动弹性元件发生的拉伸与叶片形变程度存在直接关系，因此，可以通过监测拉线带动弹性元件发生的拉伸来实现对叶片形变程度的监测。
[0029]在实际实施中，测量拉伸的测量装置120通常为传感器，例如拉力传感器、位移传感器等等，本发明对此不做限制。
[0030]根据本发明的一个实施例，测量装置120为拉力传感器，当叶片发生形变时，拉线带动弹性元件拉伸产生拉力，触动与该条拉线连接的拉力传感器，此时拉力传感器输出的测量信号指示拉线带动弹性元件拉伸产生的拉力。
[0031]根据本发明的另一个实施例，测量装置120为位移传感器，当叶片发生形变时，拉线带动弹性元件拉伸产生位移，触动与该条拉线连接的拉力传感器，此时拉力传感器输出的测量信号指示拉线带动弹性元件拉伸产生的位移。
[0032]其中，测量装置120还可以为拉线式位移传感器，相应铺设在叶片内表面的拉线则为该拉线式位移传感器自身的拉线。
[0033]信号采集装置130则分别与至少一个测量装置120和信号处理装置140连接，适于采集并传输至少一个测量装置输出的至少一个测量信号至信号处理装置140。信号处理装置140根据信号采集装置130采集的至少一个测量信号计算叶片的形变量。
[0034]根据本发明的一个实施例，沿叶片内表面轴向铺设一条拉线，此时拉线110的与叶片内表面的固定端通常位于叶梢位置，以便信号处理装置140根据信号采集装置130采集的测量信号计算出的叶片的形变量能够表征叶片整体的健康程度。
[0035]根据本发明的另一个实施例，沿叶片内表面轴向铺设多条拉线，多条拉线的长度可以相同，即所有拉线与叶片内表面的固定端位于同一截面圆周上。此时信号处理装置140可以根据信号采集装置130采集的多个测量信号计算出多个叶片的形变量，提高了结果的准确度。
[0036]根据本发明的另一个实施例，铺设的多条拉线的长度可以不同，即所有拉线与叶片内表面的固定端分别位于不同的截面圆周上，如图1所示。此时信号处理装置140可以根据信号采集装置130采集的多个测量信号计算出叶片不同段的形变量，分别表征叶片不同段的健康程度。
[0037]进一步地，信号处理装置140还可以判断叶片的形变量是否超过阈值，若是，则发出警报，指示风力发电设备停止运行的同时通知工作人员设备异常。这里的阈值可以根据叶片在正常运行时发生的形变量的正常变化范围、以及拉线在随叶片运转时发生的不可避免的摆动而引起的系统误差来设置。
[0038]下面以位移传感器为例具体描述计算叶片形变量的原理。
[0039]位移传感器输出测量信号X，信号采集装置130采集该信号并传输至信号处理装置140，其中X即拉线末端的位移量。信号处理装置140通过映射关系:Y = AX(其中A为修正系数，Y表示叶片形变量)，将传输出来的信号转换为叶片的形变量信号，从而达到对叶片形变量的在线监测。
[0040]进一步地，如图1所示，铺设的拉线长度不一，因而可以实现叶片部分段的形变量。例如，采集得到图1中拉线D固定位置到传感器固定位置之间的叶片形变量数据Yd，以及拉线C固定位置到传感器固定位置之间的叶片形变量数据Yc。通过Z = B(Ya-Yb)(其中B为修正系数，Ya和Yb分别表示不同传感器监测的叶片的形变量)的映射关系，信号处理装置140可以根据形变量数据Yd和Yc计算得到叶片上拉线D固定位置与拉线C固定位置之间部分的形变量Zc_d。
[0041]此外，基于拉线在随叶片运转时不可避免地会发生横向摆动的考虑，根据本发明的还有一个实施例，系统100还可以包括一个或多个固定装置150，该固定装置150可以将拉线固定于叶片内表面，使布置的拉线沿着固定的轴向轨道运动，避免拉线在随叶片运动时发生微弱摆动，以及铺设多条拉线时多条拉线之间发生缠绕，而且便于安装现场对不同拉线的识别。
[0042]图4示出了根据本发明一个示例性实施例的固定装置150的结构示意图。固定装置150可以用粘接剂或其他可靠固定手段固定在叶片内表面上，并包括与至少一条拉线位置对应的至少一个通孔。各条拉线分别穿过对应的通孔，沿着固定的轴向轨道运动。除此之夕卜，固定装置150还可以包括与至少一条拉线位置对应的至少一个开槽(与通孔类似)，也可以起到固定拉线运动轨道的效果，本发明同样对此不做限制。
[0043]综上所述，风电场一般地处风力资源丰富的野外，服役环境恶劣，受载复杂，零部件的保养维护和监控成本较高。而叶片作为风力发电设备中重要的部件，其可靠性直接影响到风力发电设备的正常运转。很多重大的风机事故都起源于叶片断裂，如果能对叶片断裂进行有效监控将能避免发生事故，极大的减少损失。本发明主要通过布置拉线直观、有效地检测叶片受力过程中发生的形变量，从而达到对叶片健康状况监测的目的。同时，本发明的系统简易、稳定、可靠，安装便捷，显著降低了叶片的应变在线监测成本。
[0044]在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0045]类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图:即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循【具体实施方式】的权利要求书由此明确地并入该【具体实施方式】，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
[0046]本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
[0047]本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
[0048]此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
[0049]本发明还包括:A5、如Al所述的系统，其中所述每条拉线的间距相等。A7、如Al_6中任一项所述的系统，其中各条拉线的长度相等。
[0050]此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子:该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。
[0051]如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
[0052]尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
【主权项】
1.一种监测风力发电设备的叶片形变的系统，包括至少一条拉线、至少一个测量装置、信号采集装置以及信号处理装置，其中 所述至少一条拉线沿叶片内表面轴向铺设，每条拉线的一端固定于所述叶片内表面近叶梢位置，另一端与所述至少一个测量装置中的一个通过弹性元件连接，所述拉线随叶片的形变带动所述弹性元件发生拉伸运动； 所述至少一个测量装置均固定于叶片内表面近轮毂位置，适于根据其连接的一条拉线带动弹性元件发生的拉伸运动输出测量信号； 所述信号采集装置分别与所述至少一个测量装置和所述信号处理装置连接，适于采集并传输所述至少一个测量装置输出的至少一个测量信号至所述信号处理装置； 所述信号处理装置适于根据所述至少一个测量信号计算所述叶片的形变量。2.如权利要求1所述的系统，其中所述信号处理装置还适于判断所述叶片的形变量是否超过阈值，若是，则发出警报。3.如权利要求1或2所述的系统，还包括适于将拉线固定于叶片内表面的一个或多个固定装置。4.如权利要求3所述的系统，其中所述固定装置包括与至少一条拉线位置对应的至少一个通孔或开槽，所述至少一条拉线分别穿过对应的通孔或开槽。5.如权利要求1所述的系统，其中所述拉线质量轻、强度高以及伸缩量小。6.如权利要求1-5中任一项所述的系统，其中各条拉线的长度不相等。7.如权利要求6所述的系统，其中所述信号处理装置适于根据所述至少一个测量信号计算叶片不同段的形变量。8.如权利要求1-7中任一项所述的系统，其中所述测量装置为拉力传感器，所述测量信号指示所述拉线带动弹性元件拉伸产生的拉力。9.如权利要求1-7中任一项所述的系统，其中所述测量装置为位移传感器，所述测量信号指示所述拉线带动弹性元件拉伸产生的位移。10.如权利要求9所述的系统，其中所述测量装置为拉线式位移传感器，所述拉线为拉线式位移传感器的拉线。
【文档编号】F03D17/00GK105822508SQ201610291233
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】宋海峰, 许凌波, 方亚林
【申请人】安徽容知日新信息技术有限公司