CN105804954A - 一种风力机旋转叶片动态信号遥测方法及试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力机旋转叶片动态信号遥测方法及试验装置，主要涉及风力发电机组监测试验领域。包括安装在发电机机轴上的遥测主机和叶片，遥测主机自头端至尾端设有依次连接的遥测信号发射天线、信号采集主机和电池，信号采集主机的周侧安装有激光触发器和通讯数据接口，叶片上设有传感器，还包括数据采集控制模块，数据采集控制模块包括数据分析计算机、电能质量测试仪、负载箱、无线路由器、激光发射器。本发明的有益效果在于：它采用旋转叶片动态信号有线采集与无线传输相结合的方式进行测试，可进行不同来流风速下，不同转速、尖速比的控制，实现多工况、多参数采集与分析的功能。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机组监测试验领域，具体是一种风力机旋转叶片动态信号遥测方法及试验装置。
背景技术
风力发电机从风中汲取动能，通过叶片的旋转，进而将机械能转化为电能。叶片作为风力机的主要承载部件，几乎所有的力都要通过叶片传递出去，叶片必然产生振动，承受交变动应力的作用，使叶片成为风力机上最容易破坏的部件，叶片断裂现象频现。因此，获得风力机旋转叶片动态参数的实时状态，保证风力机叶片在严酷的环境中安全、稳定、耐久的运行，成为了风电企业发展壮大的一项重要需求。
风力发电机组一般由风轮、发电机舱、调速调向机构以及塔架等组成。风力机运行过程中通过转轴将旋转风轮与发电机体的动静结合体承接。叶片状态参数试验过程中，叶片的静态参数测量的信号，可通过接触式引线方式进行；由于旋转叶片与连接的发电机体受到动静部件的空间限制，动态参数的接触式测量信号的引出是其发展的瓶颈问题。
旋转叶片动态信号的获取，常见的方式为滑环引电法。滑环引电装置是采用了物理接触将信号引出,需要动静接触环面的接触摩擦,对滑环的材料及加工精度要求很高，由于采用动静结合面将信号导出，信号传输容易受干扰，且很难做到高转速长寿命的滑环。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力机旋转叶片动态信号遥测方法及试验装置，它采用旋转叶片动态信号有线采集与无线传输相结合的方式进行测试，并对测试点实现锁相定位，有效解决了部件空间限制的瓶颈，数据传输稳定不易受干扰，真实的检测旋转叶片运行状态参数，可进行不同来流风速下，不同转速、尖速比的控制，实现多工况、多参数采集与分析的功能。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种风力机旋转叶片动态信号试验装置，包括风力发电机组和动态信号采集装置，所述风力发电机组包括底部用于支撑的塔架、发电机及风轮，所述发电机内设有与风轮连接并通过风轮驱动发电的机轴，所述风轮包括叶片和轮毂法兰，所述叶片通过螺栓安装在轮毂法兰上，所述叶片上设有传感器，所述轮毂法兰安装在机轴上，
所述动态信号采集装置包括遥测主机和数据采集控制模块，所述遥测主机设置于机轴的首端，所述遥测主机自首端至尾端设有依次连接的遥测信号发射天线、信号采集主机和电池，所述信号采集主机的周侧安装有激光触发器和通讯数据接口，叶片上的所述传感器与通讯数据接口通过信号导线连接，
所述数据采集控制模块包括数据分析计算机、电能质量测试仪、负载箱、无线路由器、激光发射器，所述发电机、负载箱、电能质量测试仪和数据分析计算机依次通过导线连接，所述激光发射器对激光触发器触发，所述遥测信号发射天线通过无线路由器提供的无线信号与数据分析计算机数据连接。
所述电池为锂电池，所述电池上中心对称的设有四个第一螺孔，所述信号采集主机上对应第一螺孔位置设有第二螺孔，所述第一螺孔和第二螺孔通过螺钉螺纹固定。
所述遥测主机通过主机固定盘固定在机轴的头部一端，所述主机固定盘为圆盘形且居中的设有圆柱形凹槽，所述主机固定盘的边缘处设有与第一螺孔位置相对应的第三螺孔，所述第二螺孔、第一螺孔和第三螺孔通过主机螺钉固定，所述凹槽内设有螺栓，所述主机固定盘通过螺栓固定在发电机的转轴一端。
所述轮毂法兰居中的设有与机轴相适应的锥孔，所述锥孔固定安装在机轴上，所述轮毂法兰上中心对称的设有多组固定孔，所述叶片通过螺栓与固定孔的装配固定在轮毂法兰上。
所述传感器包括温度传感器、应变传感器、加速度传感器中的一种或几种。
使用一种风力机旋转叶片动态信号试验装置所进行的一种风力机旋转叶片动态信号遥测方法：
1)所述风轮叶片在风洞或自然风场环境下被风力驱动旋转，通过机轴带动发电机发电；
2)所述信号采集主机上的激光触发器接收自激光发射器所发出的激光信号，遥测主机随机轴旋转，所述激光触发器每旋转一周被激光发射器进行一次信号触发，所获得的信号触发数据通过遥测信号发射天线以无线信号的形式传输至数据分析计算机进行记录和分析，在运行稳定的工况下，通过转速平均法近似计算被测风轮叶片的空间位置，实现叶片的锁相定位；
3)所述传感器测得风轮叶片在旋转中的温度、应变、加速度的动态数据，并将上述数据，通过有线方式传输至信号采集主机，采集主机获得的动态参数通过遥测信号发射天线以无线传输方式发送到数据分析计算机进行记录和分析；
4)通过负载箱改变发电机的负载，从而调节风轮叶片的运行工况，进而获得风轮叶片在不同风速、转速及尖速比工况下的测试条件。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、采用旋转叶片动态信号有线采集与无线传输相结合的方式进行测试，有效解决了叶片与连接的发电机体受到动静部件空间限制的瓶颈。将动态信号传感器(温度、应变、加速度等)布置于被测叶片相应测点，依据传感器测试桥路具体要求，通过信号导线将传感器与遥测主机连接，实现动态信号的采集功能；由遥测信号发射天线通过wifi的形式将动态信号无线传输至数据采集控制模块，克服了传统滑环引电法信号传输容易受干扰，且很难做到高转速长寿命的滑环等问题。
2、通过遥测主机机体激光触发器的设置，配套相应的固定激光光源信号触发，实现被测叶片空间位置的锁相定位功能。
3、采用同步协调测量的旋转叶片动态信号遥测方法，将动态信号的采集测量前移至叶片实体，真实的检测旋转叶片运行状态参数。可进行不同来流风速下，不同转速、尖速比的控制，实现多工况、多参数采集与分析的功能。
4、主机固定盘、轮毂法兰与机轴的同轴心对中装配设计，遥测主机的圆柱体结构设计，有效减小装配组件偏心引起的离心力载荷，增强旋转遥测***测试的稳定性。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图。
附图2是本发明遥测主机的示意图。
附图3是本发明轮毂法兰的示意图。
附图4是本发明轮毂法兰的剖面图。
附图5是本发明主机固定盘的示意图。
附图6是本发明主机固定盘的剖面图。
附图中所示标号：
1、塔架；2、发电机；3、机轴；4、叶片；5、轮毂法兰；6、传感器；7、遥测信号发射天线；8、信号采集主机；9、电池；10、激光触发器；11、通讯数据接口；12、数据分析计算机；13、电能质量测试仪；14、负载箱；15、无线路由器；16、激光发射器；17、主机固定盘；18、凹槽；19、锥孔；20、固定孔；21、第三螺孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明所述是一种风力机旋转叶片动态信号试验装置，主体结构包括风力发电机组和动态信号采集装置，所述风力发电机组包括底部用于支撑的塔架1、发电机2及风轮，所述发电机2内设有与风轮连接并通过风轮驱动发电的机轴3，所述风轮包括叶片4和轮毂法兰5，所述叶片4通过螺栓安装在轮毂法兰5上，所述叶片4上设有传感器6，所述轮毂法兰5安装在机轴3上，所述动态信号采集装置包括遥测主机和数据采集控制模块，所述遥测主机设置于机轴3的首端，所述遥测主机自首端至尾端设有依次连接的遥测信号发射天线7、信号采集主机8和电池9，所述信号采集主机8的周侧安装有激光触发器10和通讯数据接口11，叶片4上的所述传感器6与通讯数据接口11通过信号导线连接，
信号采集主机8：接受传感器6采集传输的被测叶片4动态参数信号；
叶片4：安装和设置监测点；
遥测信号发射天线7：将被测动态参数通过无线电的方式传输，进而实现遥测功能；
电池9：为信号采集主机8供电；
激光触发器10：以接收固定光源发出的激光信号，机体随叶片4旋转一周进行一次信号触发，在运行稳定的工况下，通过转速平均法可近似计算被测叶片4空间位置，实现叶片4的锁相定位功能；
通讯数据接口11：将传感***采集的被测叶片4动态参数信号通过有线的方式传输，具有可靠的数据传输功能；
传感器6：采用同步协调测量的旋转叶片动态信号遥测方法，将动态信号的采集测量前移至叶片4实体，真实的检测旋转叶片4运行状态参数。可进行不同来流风速下，不同转速、尖速比的控制，实现多工况、多参数采集与分析的功能。
所述数据采集控制模块包括数据分析计算机12、电能质量测试仪13、负载箱14、无线路由器15、激光发射器16，所述发电机2、负载箱14、电能质量测试仪13和数据分析计算机12依次通过导线连接，所述激光发射器16对激光触发器10触发，所述遥测信号发射天线7通过无线路由器15提供的无线信号与数据分析计算机12数据连接。可实现相应的旋转叶片4温度、应力、加速度等参数信号测量，获得运行中旋转叶片4的动态参数的实时状态，进而掌握其结构动态性能的变化规律及调控机理。
数据分析计算机12：配套软件，进行数据采集处理及分析；
电能质量测试仪13：可实现风力发电***的电流、电压等电能质量评估；
负载箱14：用来改变发电机的负载，从而调节叶片4的转速，进而获得叶片4在不同风速、转速及尖速比工况下的测试条件；
无线路由器15：接受遥测信号发射天线7的测试信号，进行测试参数信号的无线传输；
激光发射器16：发射激光信号，与遥测主机的激光触发器10配套使用，旋转一周触发一次，实现叶片4空间锁向定位功能；
所述电池9为锂电池9，所述电池9上中心对称的设有四个第一螺孔，所述信号采集主机8上对应第一螺孔位置设有第二螺孔，所述第一螺孔和第二螺孔通过螺钉螺纹固定。固定效果好，易于拆装。
所述遥测主机为圆柱形且通过主机固定盘17固定在机轴3的头部一端，圆柱体的设计有助于减小旋转过程中气流阻力。所述主机固定盘17为圆盘形且居中的设有圆柱形凹槽18，所述主机固定盘17的边缘处设有与第一螺孔位置相对应的第三螺孔21，所述第二螺孔、第一螺孔和第三螺孔21通过主机螺钉固定，所述凹槽18内设有螺栓，螺栓面嵌入主机固定盘17的凹槽18内，防止螺栓头部凸起影响装配效果。所述主机固定盘17通过螺栓固定在发电机2的转轴一端。对中装配设计有效减小装配组件偏心引起的离心力载荷，增强稳定性。
所述轮毂法兰5居中的设有与机轴3相适应的锥孔19，所述锥孔19固定安装在机轴3上，实现与机转轴连接的紧密性。所述轮毂法兰5上中心对称的设有多组固定孔20，所述叶片4通过螺栓与固定孔20的装配固定在轮毂法兰5上。对中装配设计有效减小装配组件偏心引起的离心力载荷，增强稳定性。
所述传感器6包括温度传感器6、应变传感器6、加速度传感器6中的一种或几种。用以实现对被测叶片4动态参数信号(温度、应变、加速度等)的测试。
本发明所述是使用一种风力机旋转叶片动态信号试验装置所进行的遥测方法：
1)所述风轮叶片4在风洞或自然风场环境下被风力驱动旋转，通过机轴3带动发电机2发电；
2)所述信号采集主机8上的激光触发器10接收自激光发射器16所发出的激光信号，遥测主机随机轴3旋转，所述激光触发器10每旋转一周被激光发射器16进行一次信号触发，所获得的信号触发数据通过遥测信号发射天线7以无线信号的形式传输至数据分析计算机12进行记录和分析，在运行稳定的工况下，通过转速平均法近似计算被测风轮叶片4的空间位置，实现叶片4的锁相定位；
3)所述传感器6测得风轮叶片4在旋转中的温度、应变、加速度的动态数据，并将上述数据，通过有线方式传输至信号采集主机8，采集主机获得的动态参数通过遥测信号发射天线7以无线传输方式发送到数据分析计算机12进行记录和分析；
4)通过负载箱14改变发电机的负载，从而调节风轮叶片4的运行工况，进而获得风轮叶片4在不同风速、转速及尖速比工况下的测试条件。
本发明采用旋转叶片4动态信号有线采集与无线传输相结合的方式进行测试，有效解决了叶片4与连接的发电机2体受到动静部件空间限制的瓶颈。将动态信号传感器6(温度、应变、加速度等)布置于被测叶片4相应测点，依据传感器6测试桥路具体要求，通过导线将传感器6与遥测主机连接，实现动态信号的采集功能；由遥测信号发射天线7通过wifi的形式将动态信号无线传输至数据采集控制模块，克服了传统滑环引电法信号传输容易受干扰，且很难做到高转速长寿命的滑环等问题。
实施例1：本发明所述是一种风力机旋转叶片动态信号试验装置，主体结构包括风力发电机组和动态信号采集装置，所述风力发电机组包括底部用于支撑的塔架1、发电机2及风轮，所述发电机2内设有与风轮连接并通过风轮驱动发电的机轴3，所述风轮包括叶片4和轮毂法兰5，所述轮毂法兰5居中的设有与机轴3相适应的锥孔19，所述锥孔19固定安装在机轴3上，所述轮毂法兰5上中心对称的设有多组固定孔20，所述叶片4通过螺栓与固定孔20的装配固定在轮毂法兰5上。所述叶片4上设有传感器6，所述传感器6包括温度传感器6、应变传感器6和加速度传感器6。通过通讯线与通讯数据接口11连接，根据被测风力机叶片4动态参数信号(温度、应变、加速度等)具体形式，进行相应通讯线及适合的测试桥路的选用，实现信号采集与传输功能。所述发电机22的尾部还设有尾舵，通过旋转风轮带动机转轴旋转实现线圈发电功能。
所述动态信号采集装置包括遥测主机和数据采集控制模块，所述遥测主机设置于机轴3的首端，且通过主机固定盘17固定在机轴3的头部一端，所述主机固定盘17为圆盘形且居中的设有圆柱形凹槽18，所述主机固定盘17的边缘处设有与第一螺孔位置相对应的第三螺孔21，所述第二螺孔、第一螺孔和第三螺孔21通过主机螺钉固定，所述凹槽18内设有螺栓，所述主机固定盘17通过螺栓固定在发电机2的转轴一端。
所述遥测主机自首端至尾端设有依次连接的遥测信号发射天线7、信号采集主机8和电池9，所述信号采集主机8的周侧安装有激光触发器10和通讯数据接口11，叶片4上的所述传感器6与通讯数据接口11通过信号导线连接，所述电池9为锂电池9，所述电池9上中心对称的设有四个第一螺孔，所述信号采集主机8上对应第一螺孔位置设有第二螺孔，所述第一螺孔和第二螺孔通过螺钉螺纹固定。
所述数据采集控制模块包括数据分析计算机12、电能质量测试仪13、负载箱14、无线路由器15、激光发射器16，所述发电机2、负载箱14、电能质量测试仪13和数据分析计算机12依次通过导线连接，所述激光发射器16对激光触发器10触发，所述遥测信号发射天线7通过无线路由器15提供的无线信号与数据分析计算机12数据连接。
实施例2：本发明所述是使用一种风力机旋转叶片动态信号试验装置所进行的遥测方法：
1)所述风轮叶片4在风洞或自然风场环境下被风力驱动旋转，通过机轴3带动发电机2发电；
2)所述信号采集主机8上的激光触发器10接收自激光发射器16所发出的激光信号，遥测主机随机轴3旋转，所述激光触发器10每旋转一周被激光发射器16进行一次信号触发，所获得的信号触发数据通过遥测信号发射天线7以无线信号的形式传输至数据分析计算机12进行记录和分析，在运行稳定的工况下，通过转速平均法近似计算被测风轮叶片4的空间位置，实现叶片4的锁相定位；
3)所述传感器6测得风轮叶片4在旋转中的温度、应变、加速度的动态数据，并将上述数据，通过有线方式传输至信号采集主机8，采集主机获得的动态参数通过遥测信号发射天线7以无线传输方式发送到数据分析计算机12进行记录和分析；
4)通过负载箱14改变发电机的负载，从而调节风轮叶片4的运行工况，进而获得风轮叶片4在不同风速、转速及尖速比工况下的测试条件。
Claims (6)
1.一种风力机旋转叶片动态信号试验装置，其特征在于：包括风力发电机组和动态信号采集装置，所述风力发电机组包括底部用于支撑的塔架(1)、发电机(2)及风轮，所述发电机(2)内设有与风轮连接并通过风轮驱动发电的机轴(3)，所述风轮包括叶片(4)和轮毂法兰(5)，所述叶片(4)通过螺栓安装在轮毂法兰(5)上，所述叶片(4)上设有传感器(6)，所述轮毂法兰(5)安装在机轴(3)上，
所述动态信号采集装置包括遥测主机和数据采集控制模块，所述遥测主机设置于机轴(3)的首端，所述遥测主机自首端至尾端设有依次连接的遥测信号发射天线(7)、信号采集主机(8)和电池(9)，所述信号采集主机(8)的周侧安装有激光触发器(10)和通讯数据接口(11)，叶片(4)上的所述传感器(6)与通讯数据接口(11)通过信号导线连接，
所述数据采集控制模块包括数据分析计算机(12)、电能质量测试仪(13)、负载箱(14)、无线路由器(15)、激光发射器(16)，所述发电机(2)、负载箱(14)、电能质量测试仪(13)和数据分析计算机(12)依次通过导线连接，所述激光发射器(16)对激光触发器(10)触发，所述遥测信号发射天线(7)通过无线路由器(15)提供的无线信号与数据分析计算机(12)数据连接。
2.根据权利要求1所述一种风力机旋转叶片动态信号试验装置，其特征在于：所述电池(9)为锂电池，所述电池(9)上中心对称的设有四个第一螺孔，所述信号采集主机(8)上对应第一螺孔位置设有第二螺孔，所述第一螺孔和第二螺孔通过螺钉螺纹固定。
3.根据权利要求2所述一种风力机旋转叶片动态信号试验装置，其特征在于：所述遥测主机通过主机固定盘(17)固定在机轴(3)的头部一端，所述主机固定盘(17)为圆盘形且居中的设有圆柱形凹槽(18)，所述主机固定盘(17)的边缘处设有与第一螺孔位置相对应的第三螺孔(21)，所述第二螺孔、第一螺孔和第三螺孔(21)通过主机螺钉固定，所述凹槽(18)内设有螺栓，所述主机固定盘(17)通过螺栓固定在发电机(2)的转轴一端。
4.根据权利要求1所述一种风力机旋转叶片动态信号试验装置，其特征在于：所述轮毂法兰(5)居中的设有与机轴(3)相适应的锥孔(19)，所述锥孔(19)固定安装在机轴(3)上，所述轮毂法兰(5)上中心对称的设有多组固定孔(20)，所述叶片(4)通过螺栓与固定孔(20)的装配固定在轮毂法兰(5)上。
5.根据权利要求1所述一种风力机旋转叶片动态信号试验装置，其特征在于：所述传感器(6)包括温度传感器(6)、应变传感器(6)、加速度传感器(6)中的一种或几种。
6.使用如权利要求1～5任一项所述一种风力机旋转叶片动态信号试验装置所进行的一种风力机旋转叶片动态信号遥测方法，其特征在于：
1)所述风轮叶片(4)在风洞或自然风场环境下被风力驱动旋转，通过机轴(3)带动发电机(2)发电；
2)所述信号采集主机(8)上的激光触发器(10)接收自激光发射器(16)所发出的激光信号，遥测主机随机轴(3)旋转，所述激光触发器(10)每旋转一周被激光发射器(16)进行一次信号触发，所获得的信号触发数据通过遥测信号发射天线(7)以无线信号的形式传输至数据分析计算机(12)进行记录和分析，在运行稳定的工况下，通过转速平均法近似计算被测风轮叶片(4)的空间位置，实现叶片(4)的锁相定位；
3)所述传感器(6)测得风轮叶片(4)在旋转中的温度、应变、加速度的动态数据，并将上述数据，通过有线方式传输至信号采集主机(8)，采集主机获得的动态参数通过遥测信号发射天线(7)以无线传输方式发送到数据分析计算机(12)进行记录和分析；
4)通过负载箱(14)改变发电机的负载，从而调节风轮叶片(4)的运行工况，进而获得风轮叶片(4)在不同风速、转速及尖速比工况下的测试条件。
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