風力發電機葉片智能化監測裝置的製作方法

2023-08-07 17:24:16 2

專利名稱：風力發電機葉片智能化監測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種風力發電機葉片監測，尤其是一種風力發電機葉片智能化監測裝置。
背景技術：
1. 5兆瓦風力發電機的塔架高度為60米以上，而葉輪的直徑為77米，也就是說葉輪的中心距地面61米高，葉片的最高點98. 5米(最低點也在23. 5米高)，葉片在這麼高的部位運行，一旦出現開裂，被雷電擊壞，表面結冰等是我們無法用肉眼及時發現的。小毛病不能被及時發現處理，最終將導致整支葉片斷裂。風輪在額定轉速運行下，葉尖的線速度為70米/秒(這相當於一輛時速252公裡的超高速行駛的小轎車的速度)，葉片的斷裂不能被及時發現，一旦斷裂，葉片會與塔架相撞擊，將對風機的某些部件造成傷害。整個風輪(三支葉片和輪轂)重30多噸，產生的慣力和撞擊力是很大的。風力發電機的葉片使用壽命為20年，部件是完全暴露在光天化日之下，要經受住風、霜、雨、雷電、高溫以及嚴寒和颶風的考驗，葉片的損壞是不可避免的。目前葉片在風機的運行中發生損壞直至停機或者造成嚴重後果時才被發現，造成的損失是可想而知的。風機越做越大，葉片隨之而加長(45M/2MW、54M/3MW、61M/5MW)，大尺寸葉片柔性大大增加使葉片經常處於大攻角運行，失速現象嚴重，引發葉片疲勞振動，並降低發電效率。

發明內容
本發明的目的是提供一種風力發電機葉片智能化監測裝置，用於解決上述現有技術中存在的問題。本發明的風力發電機葉片智能化監測裝置包括多個葉片本體，安裝在輪轂上；發電機，經由齒輪箱及主軸連接所述輪轂或者直接連接所述輪轂；設置在所述多個葉片本體上的多個光纖光柵傳感器；光纖光柵信號分析儀，通過光纖和光纖耦合器連接所述多個光纖光柵傳感器；其中，光纖光柵信號分析儀通過分別測量每個光纖光柵傳感器經由光纖傳送的光信號幅值變化及頻率關係，獲得葉片本體震動、動平衡、疲勞、變形、載荷、損壞信息。其中，所述的光纖光柵傳感器通過粘接膠固定在葉片本體的內壁或預埋在葉片本體內。其中，光纖光柵傳感器設置在葉片本體上的位置包括葉片翼型剖面下表面、葉片前緣、葉片翼型剖面上表面和葉片後緣之一或其組合。其中，所述葉片本體通過變槳法蘭總成安裝在輪轂上，主軸的一端與輪轂相連另一端與齒輪箱主軸相連，電滑環的一端與齒輪箱主軸相連另一端與光滑環相連，發電機與齒輪箱相連並分別固定在機座上，機座通過偏航法蘭固定在塔筒上。
其中，光纖分為兩段，一段穿過主軸、齒輪箱主軸和電滑環的內孔與光滑環的轉子端相連，另一段經由光滑環的定子端與光纖光柵信號分析儀相連。所述光纖光柵信號分析儀包括光信號處理單元、光電轉換單元、模擬/數字轉換單元、數字處理單元和通信接口，並完成對每個光纖光柵傳感器波長的檢測或通過光延遲將信號在時間上錯開，通過先後順序及不同的時隙來區分每個光纖光柵傳感器的反射信號，並根據光纖光柵傳感器對應的溫度、震動和應變量的幅值和頻率光纖，獲得葉片本體的震動、動平衡、疲勞、變形、載荷、損壞信息；其中，所述的光纖光柵分析儀的採樣頻率為0. OlHz至500Hz。其中，葉片本體通過變漿法蘭總成與輪轂相連，輪轂與發電機軸相連，發電機軸安裝在發電機上，發電機固定在機座上，電滑環通過螺栓與發電機軸相連，光滑環通過螺栓與電滑環相連，機座通過偏航法蘭與塔筒相連，塔筒固定在塔基座上。其中，所述光纖分為兩段，一段穿過發電機軸的內孔和電滑環的內孔與光滑環的轉子端相連，另一段經由光滑環的定子端與光纖光柵信號分析儀相連。本發明的風力發電機葉片智能化監測裝置還包括設置在發電機或齒輪箱或軸承箱或機座或偏航法蘭或塔筒或塔基座上的其他光纖光柵傳感器，這些光纖光柵傳感器通過光纖與光纖光柵信號分析儀相連，以實現對風力發電機的多部位監測。其中，所述的智能化監測裝置可以對整個風力發電場的風力發電機葉片進行集中監測，也可以對單颱風力發電機葉片進行單元式監測，採用GPRS無線傳輸可以實現遠程監測，乙太網接口與乙太網相連可實現多地、多機位網絡數據傳輸。本發明的特點是通過光纖光柵傳感器採集的信號傳輸給光纖光柵信號分析儀， 光纖光柵信號分析儀將接收到的光信號分析整理、數據處理後傳輸給工控機，並通過專用軟體在顯示器上顯示葉片的運行狀況(如動平衡、超負荷運轉等)。將採集到的信號經過進一步分析、計算、判斷可獲知葉片的健康狀況(如葉片的損壞，前後緣開裂，材料老化等)。顯然，上述結構的風力發電機葉片智能化監測裝置具有結構簡單、可對葉片健康實時在線監測、安全可靠的特點。本發明具有以下技術效果1、本發明的風力發電機葉片智能化監測裝置，其在製造葉片的過程中把光纖光柵傳感器埋在葉片本體內或葉片製做好後粘貼在葉片表面，當葉片安裝在輪轂上時，把每個光纖光柵傳感器通過光纖與光纖光柵信號分析儀相連，每個傳感器相當於人體的神經，光纖光柵信號分析儀相當於人體的大腦，根據傳感器輸出的數據，光纖光柵信號分析儀會自動分析處理，顯示葉片健康狀況，隱患等。通過有線或無線的方式及時準確的傳遞給風場控制中心的值機人員，避免葉片帶病工作，以減少事故的發生和損失。2、風力發電機葉片智能化監測裝置有數據輸出接口，能傳輸給風機主控制系統可實現自動化控制，或修改變漿機構的變漿參數使葉片最大程度捕捉風能。葉片製造商或主機製造商與各風場控制中心聯網，可獲悉各地風場每支葉片的運行情況和健康狀況，再經過仔細的分析還可以預知葉片未來的使用壽命。3、依託風力發電機葉片智能化監測裝置會有效地控制葉片及整機的載荷，以降低齒輪箱，轉子和其他零部件的額外載荷，減少維護和提高風機可靠性。4、風力發電機葉片智能化監測裝置採用光纖光柵傳感器和光纖傳輸，抗電池幹擾、防爆、防腐、防雷擊、高絕緣性、耐高溫、體積小、重量輕、壽命長。5、可以對單個風機葉片進行單元式監測，也可以對整個風力發電場風機葉片進行集中監測、與網絡相連實現多地多機位網絡數據傳輸或採用GPRS無線傳輸，實現遠距離監測，靈活、便捷、可靠。下面結合附圖對本發明進行詳細說明。


圖Ia是本發明的風力發電機葉片智能化監測裝置的第一實施例示意圖；圖Ib是圖Ia中A-A指示部位的剖視圖；圖2是本發明的風力發電機葉片智能化監測裝置的第二實施例示意圖；圖3是顯示本發明的光纖光柵傳感器安裝示意圖；圖4是本發明的風力發電機葉片智能化監測裝置的第三實施例示意圖。附圖標記說明葉片本體1、葉片翼型剖面下表面1A、葉片前緣1B、葉片翼型剖面上表面1C、葉片後緣1D、光纖光柵傳感器2、光纖3、變漿驅動系統4、光纖耦合器5、變漿法蘭總成6、輪轂7、軸承箱8、主軸9、齒輪箱10、齒輪箱主軸11、螺栓12、電滑環13、螺栓14、 光滑環15、光滑環定子連杆16、發電機17、螺栓18、機座19、偏航法蘭20、塔筒21、塔基座 22、光纖光柵信號分析儀23、乙太網接口 24、連接線25、工控機沈、顯示器27、發電機軸28、 粘接膠四。
具體實施例方式根據圖Ia和圖2所示的實施例，本發明的風力發電機葉片智能化監測裝置包括葉片本體1，安裝在輪轂7上；發電機17，經由齒輪箱10及主軸9連接所述輪轂7或者直接連接所述輪轂7 ；設置在葉片本體1上的多個光纖光柵傳感器2 ；光纖光柵信號分析儀23，通過光纖3和光纖耦合器5連接所述多個光纖光柵傳感器2 ；所述的光纖光柵傳感器2受到溫度或受力變化時，光纖光柵的柵格周期以及光纖芯層的折射率就會發生變化，使得光纖光柵的反射光波長隨之改變。光纖光柵信號分析儀23 通過對反射光波長的數位化精確測量，並根據輸入的溫度、應變量的幅值及頻率關係，可獲得葉片本體1的震動、動平衡、疲勞、變形、載荷、損壞等信息，通過人機界面輸出，以便風場值機人員得到葉片的健康狀況，及時發現事故隱患的損傷部位，及時排除故障，提高發電效率。本發明利用設置在各個葉片本體1不同部位上的光纖光柵傳感器2對葉片本體1 不同部位進行實時監測，因而可以及時發現葉片本體的問題，及時進行檢修，從而可以避免風力發電機出現損壞等嚴重後果。另外，本發明的光纖光柵傳感器2通過粘接膠四固定在葉片本體1的內壁或預埋在葉片本體1內，如圖3所示。此外，光纖光柵傳感器2設置在葉片本體1上的位置包括葉片翼型剖面下表面 1A、葉片前緣1B、葉片翼型剖面上表面IC和葉片後緣ID之一或其組合，如圖Ib所示。下面結合三個具體實施例，對本發明進行詳細說明。
圖Ia顯示了本發明的風力發電機葉片智能化監測裝置的第一實施例，其中風力發電機為齒輪箱式風力發電機。如圖1所示，所述葉片本體1通過變槳法蘭總成6安裝在輪轂7上，主軸9的一端與輪轂7相連，另一端與齒輪箱主軸11相連(例如，通過插接或螺栓連接在一起)，並通過軸承箱8固定在機座19上，電滑環13的一端通過螺栓12與齒輪箱主軸11的輸出端相連， 另一端通過螺栓14與光滑環15相連，光滑環定子連杆16通過螺栓18與電滑環13相連， 變槳驅動系統4與變槳法蘭總成6和輪轂7相連，發電機17與齒輪箱10相連，發電機17 和齒輪箱10分別固定在機座19上，機座19通過偏航法蘭20固定在塔筒21上，而塔筒21 固定在塔基座22上，所述的葉片本體1上設有若干個光纖光柵傳感器2，光纖光柵傳感器2 與光纖3相連，光纖耦合器5通過光纖3將各組光纖光柵傳感器2連接在一起，經過主軸9 和齒輪箱10段的光纖3其一端通過光纖耦合器5和光纖3與光纖光柵傳感器2相連，另一端穿過主軸9、齒輪箱主軸11、電滑環13的內孔與光滑環15相連，光纖光柵信號分析儀23 的輸入端通過光纖3與光滑環15相連，而輸出端通過連接線25與工控機沈相連，顯示器 27與工控機沈相連。光纖光柵分析儀23主要由光信號處理單元、光電轉換單元、模擬/數字轉換單元、 數字處理單元和通信接口所組成，由於它們屬於本領域公知技術，故省略對其詳細說明。光信號處理單元首先發出光信號，經過光纖到達光纖光柵傳感器2，光纖光柵傳感器2反射回的光信號中攜帶了測點的溫度、震動和應變量信息，沿原路返回到達光信號處理單元，完成每支光纖光柵傳感器2信號的波長解調；光電轉換單元將經過波長解調後的光信號轉換成電信號，輸入到模擬/數字轉換單元，實現對光信號的數字採樣；數位訊號處理單元對已數位化的傳感信號進行信號處理，完成對每支光纖光柵傳感器2波長的檢測或通過光延遲將信號在時間上錯開，通過先後順序及不同的時隙來區分每支光纖光柵傳感器2的反射信號，並根據光纖光柵傳感器2對應的溫度、震動和應變量的幅值及頻率關係，可獲得葉片本體1的震動、動平衡、疲勞、變形、載荷、損壞信息，同時根據預設的報警閥值可判斷是否發出超限報警信息；通信接口將所有信息通過連接線25發送到工控機沈並通過專用軟體處理，在顯示器27上顯示監測軟體界面。光纖光柵傳感器2通過粘接膠四固定在葉片本體1的內壁，或預埋在葉片本體1 內，參見圖3。圖Ib顯示了光纖光柵傳感器2的葉片本體1上安裝部位，其中光纖光柵傳感器2 可根據需要置放在葉片本體1的葉片翼型剖面下表面1A，葉片前緣1B、葉片翼型剖面上表面IC和葉片後緣1D，數量可根據需要而訂，縱向置放的數量也可根據需要而定。圖2顯示了本發明的風力發電機葉片智能化監測裝置的第二實施例，其中，該風力發電機為直驅式風力發電機。如圖2所示，葉片本體1通過變槳法蘭總成6與輪轂7相連，發電機軸觀置於發電機17內，其一端與輪轂7相連，另一端通過螺栓12與電滑環13相連，光滑環15通過螺栓14與電滑環13相連，光滑環定子連杆16的一端與光滑環15相連，另一端通過螺栓18 與電滑環13相連，發電機17固定在機座19上，塔筒21的上端通過偏航法蘭20與機座19 相連，下端固定在塔基座22上，所述經過發電機17段的光纖3其一端通過光纖耦合器5和光纖3與光纖光柵傳感器2相連，另一端穿過發電機軸28和電滑環13的內孔與光滑環15相連，光纖光柵信號分析儀23的輸入端通過光纖3與光滑環15相連，而輸出端通過連接線 25與工控機沈相連，顯示器27與工控機沈相連。此外，光纖光柵傳感器2通過粘接膠四固定在葉片本體1的內壁，或預埋在葉片本體1內，參見圖3。如第二實施例，光纖光柵傳感器2也可根據需要置放在葉片本體1的葉片翼型剖面下表面1A，葉片前緣1B、葉片翼型剖面上表面IC和葉片後緣1D，數量可根據需要而訂，縱向置放的數量也可根據需要而定。圖4顯示了本發明的風力發電機葉片智能化監測裝置的第三實施例，第三實施例通過對風力發電機多部件、多部位進行監測，實現對風力發電機的全面監測。如圖4所示，第三實施例與第一實施例或第二實施例的區別僅僅在於光纖光柵傳感器2根據需要置放在發電機17、或齒輪箱10、或軸承箱8、或機座19、或偏航法蘭20、或塔筒21、或塔基座22上，以上部位的光纖光柵傳感器2通過光纖3和光纖耦合器5與光纖光柵信號分析儀23相連，以實現對齒輪箱10和發電機17以及軸承箱8的溫度，振動等故障監測，監測機座19和偏航法蘭20的振動、疲勞、變形、監測塔筒21的振動、變形、傾斜、監測塔基座22的鬆動等。所述的風力發電機葉片智能化監測裝置既可以對整個風力發電場的風力發電機葉片及各部件進行集中監測，也可以對單颱風力發電機葉片及各部件進行單元式監測，採用GPRS無線傳輸可實現遠程監測，乙太網接口 M與乙太網相連可實現多地多機位網絡數據傳輸。風力發電機葉片智能化裝置，所述光纖光柵信號分析儀23與風力發電機組的主控制系統相連，並根據風作用在葉片上的載荷情況，將採集並處理後的數據傳輸給主控制系統以便葉片及時調整變槳角度，並修改變槳機構的變槳參數，以便最大程度捕捉風能，同時還可以根據風的情況有效地控制葉片及整機的載荷，以降低齒輪箱10、轉子和其它部件的額外載荷，減少維護和提高風機的可靠性。儘管上文對本發明做了詳盡說明，但本發明不限於此，本技術領域的技術人員可以根據本發明的原理進行修改，因此，凡按照本發明原理進行各種修改都應當理解為落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種風力發電機葉片智能化監測裝置，包括葉片本體(1)，安裝在輪轂(7)上；發電機(17)，經由齒輪箱(10)及主軸(9)連接所述輪轂(7)或者直接連接所述輪轂(7)；設置在所述葉片本體(1)上的多個光纖光柵傳感器O)；光纖光柵信號分析儀(23)，通過光纖C3)和光纖耦合器( 連接所述多個光纖光柵傳感器(2)。
2.根據權利要求1所述的風力發電機葉片智能化監測裝置，其特徵在於所述的光纖光柵傳感器( 通過粘接膠0 固定在葉片本體(1)的內壁或預埋在葉片本體(1)內。
3.根據權利要求2所述的風力發電機葉片智能化監測裝置，其特徵在於，光纖光柵傳感器⑵設置在葉片本體⑴上的位置包括葉片翼型剖面下表面(IA)、葉片前緣(IB)、葉片翼型剖面上表面(IC)和葉片後緣(ID)之一或其組合。
4.根據權利要求1或3所述的風力發電機葉片智能化監測裝置，其特徵在於，所述葉片本體⑴通過變槳法蘭總成(6)安裝在輪轂(7)上，主軸(9)的一端與輪轂(7)相連另一端與齒輪箱主軸(11)相連，電滑環(1 的一端與齒輪箱主軸(11)相連另一端與光滑環 (15)相連，發電機(17)與齒輪箱(10)相連並分別固定在機座(19)上，機座(19)通過偏航法蘭00)固定在塔筒上。
5.根據權利要求4所述的風力發電機葉片智能化監測裝置，其特徵在於，所述光纖(3) 分為兩段，一段穿過主軸(9)，齒輪箱主軸(11)和電滑環(1 的內孔與光滑環(1 的轉子端相連，另一段經由光滑環(1 的定子端與光纖光柵信號分析儀相連。
6.根據權利要求1所述的風力發電機葉片智能化監測裝置，其特徵在於，所述的光纖光柵信號分析儀包括光信號處理單元、光電轉換單元、模擬/數字轉換單元、數字處理單元和通信接口，並完成對每個光纖光柵傳感器( 波長的檢測或通過光延遲將信號在時間上錯開，通過先後順序及不同的時隙來區分每個光纖光柵傳感器O)的反射信號，並根據光纖光柵傳感器( 對應的溫度、震動和應變量的幅值和頻率關係，獲得葉片本體(1)的震動、動平衡、疲勞、變形、載荷、損壞信息；其中，所述的光纖光柵分析儀03)的採樣頻率為0.01Hz——500Hz。
7.根據權利要求1或3所述的風力發電機葉片智能化監測裝置，其特徵在於，所述的葉片本體⑴通過變漿法蘭總成(6)與輪轂(7)相連，輪轂(7)與發電機軸08)相連，發電機軸08)安裝在發電機(17)上，發電機(17)固定在機座(19)上，電滑環(1 通過螺栓 (12)與發電機軸08)相連，光滑環(15)通過螺栓(14)與電滑環(13)相連，機座(19)通過偏航法蘭00)與塔筒相連，塔筒固定在塔基座0 上。
8.根據權利要求7所述的風力發電機葉片智能化監測裝置，其特徵在於，所述光纖(3) 分為兩段，一段穿過發電機軸08)的內孔和電滑環(1 的內孔與光滑環(1 的轉子端相連，另一段經由光滑環(1 的定子端與光纖光柵信號分析儀相連。
9.根據權利要求2所述的風力發電機葉片智能化監測裝置，其特徵在於還包括設置在發電機(17)或齒輪箱(10)或軸承箱(8)或機座(19)或偏航法蘭00)或塔筒或塔基座0 上的其他光纖光柵傳感器O)，這些光纖光柵傳感器( 通過光纖C3)與光纖光柵信號分析儀相連，以實現對風力發電機的多部位監測。
10.根據權利要求1所述的風力發電機葉片智能化監測裝置，其特徵在於所述的智能化監測裝置可以對整個風力發電場的風力發電機葉片進行集中監測，也可以對單颱風力發電機葉片進行單元式監測，採用GPRS無線傳輸可以實現遠程監測，乙太網接口 04)與乙太網相連可實現多地、多機位網絡數據傳輸。
全文摘要
本發明公開了一種風力發電機葉片智能化監測裝置，包括安裝在輪轂上的葉片本體；經由齒輪箱及主軸連接所述輪轂或者直接連接所述輪轂的發電機；設置在葉片本體上的多個光纖光柵傳感器；通過光纖和光纖耦合器連接所述多個光纖光柵傳感器的光纖光柵信號分析儀；其中，設置在葉片本體上的每支光纖光柵傳感器具有不同於其他光纖光柵傳感器的波長，光纖光柵信號分析儀通過測量不同波長的光信號對應的溫度、震動和應變量的幅值和頻率關係，可獲得葉片本體震動、動平衡、疲勞、變形、載荷、損壞信息，以便對事故的及時處理。
文檔編號G01N21/88GK102588213SQ20111000983
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月17日 優先權日2011年1月17日
發明者孫首泉 申請人:孫首泉