CN111173687A - 一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测装置及方法，装置包括：数据采集装置，设置在风电风机叶片上，采集叶片的X、Y、Z三个方向的加速度值；无线信号接收模块，接收数据采集装置采集的数据，并发送给数据处理模块；数据处理模块，对采集的数据进行处理，判断叶片是否存在裂纹损伤；主控***，接收叶片损伤判断结果，并发送叶片损伤报警信号；对风电风机叶片进行控制。本发明采用阶比分析，根据风机叶片的转速不同，采用不同的采样频率进行采样，获取到的风机叶片的振动波形进行对比会更加准确，实现了风电风机叶片裂纹损伤的在线监测。

Description

一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测装置及方法，属于发电***技术领域。

背景技术

国内风力发电在15年内得到了***式的发展，伴随着风电机组的国产化、大功率化的快速推进，风电机组的设备故障率居高不下，风电倒塔、着火、飞车等严重事故层出不穷，每年国家能源局都要通报一批严重风电事故，据统计2012-2016年风电事故理赔案件数总计1526笔。

叶片是风力发电机组最关键的部件之一，承受离心力、流体动力、振动、温差、介质等的综合作用，它的安全运行直接关系到整个风力发电机组的安全。一般风力发电机组在运行两到三年后叶片表面就会出现裂纹。风力发电机组的每次自振、停车都会使裂纹加深加长，裂纹在扩张的同时空气中的污垢、风沙也会乘虚而入，使得裂纹加深加宽。裂纹的扩展可导致叶片断裂，严重威胁叶片的安全。因此，叶片裂纹情况的监测是非常重要的。

现有的叶片裂纹诊断方法，不论是基于声发射技术还是依靠对获取到的振动信号进行频谱分析，只能诊断出叶片是否存在裂纹，而不能具体的检测到裂纹发生的位置，不能有效避免叶片裂纹带来的经济损失，同时也加大了设备维护的难度。

发明内容

针对以上方法存在的不足，本发明提出了一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测装置及方法，其能够

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

一方面，本发明实施例提供的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测装置，包括：

数据采集装置，设置在风电风机叶片上，采集叶片的X、Y、Z三个方向的加速度值；

无线信号接收模块，接收数据采集装置采集的数据，并发送给数据处理模块；

数据处理模块，对采集的数据进行处理，判断叶片是否存在裂纹损伤；

主控***，接收叶片损伤判断结果，并发送叶片损伤报警信号；对风电风机叶片进行控制。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述数据采集装置包括三轴加速度传感器、电荷放大模块、A/D转换模块和无线发射模块，所述三轴加速度传感器叶片的X、Y、Z三个方向的加速度值，并经过电荷放大模块、A/D转换模块处理后，通过无线发射模块发送给无线信号接收模块。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述三轴加速度传感器采用MEMS三轴加速度传感器，所述MEMS三轴加速度传感器安装在风电风机叶片内侧，X轴平行于叶片指向叶尖方向，Z轴垂直于叶片安装。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述数据处理模块包括滤波去噪模块、数据库和信号比较模块，滤波去噪模块对采集的叶片数据进行滤波、去噪处理；数据库存储风电风机的叶片数据；信号比较模块对处理后的叶片数据进行进行对比处理，并判断叶片是否存在裂纹损伤。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述数据处理模块还包括转速计算模块，转速计算模块根据叶片Z方向的加速度值计算叶片的转速。

另一方面，本发明实施例提供的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测方法，包括以下步骤：

采集风机叶片X、Y、Z三个方向的加速度值；

对风机叶片的加速度值进行分析处理；

根据风机叶片X方向的加速度值计算叶片的转速；

根据风机转速调整采样频率；

采用阶比取样法对Z方向的加速度值进行取样分析，获取到Z轴的波形数据；

对Z轴的波形数据进行滤波、去噪处理，并将经过滤波处理后的时域振动信号进行快速傅里叶变换转换为频域信号；

根据处理后的Z轴的波形数据判断叶片是否存在裂纹损伤；

当叶片出现损伤时进行报警。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述根据处理后的Z轴的波形数据判断叶片是否存在裂纹损伤的过程为：

通过阶比取样法获取到三个叶片的振动波形，将同一时间段内三个风机叶片的振动波形放于同一图中做对比，当三个叶片的振动波形的相似度低于阈值时，判定风机叶片出现损伤。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述根据处理后的Z轴的波形数据判断叶片是否存在裂纹损伤的过程为：

将获取到的波形数据与风机转速放在同一时域图中进行对比，观察振动波形的振幅与风机转速的关系，当振幅与转速成平缓的正相关关系时，风机叶片无损伤；当成非正相关关系或急剧变化的正相关关系且整体数值变大时，判定风机叶片出现损伤。

作为本实施例一种可能的实现方式，在采集风机叶片X、Y、Z三个方向的加速度值过程中，将MEMS三轴加速度传感器安装在风电风机叶片内侧，X轴平行于叶片指向叶尖方向，Z轴垂直于叶片安装。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述根据风机叶片X方向的加速度值和叶片旋转圈数计算叶片的转速过程为：

记录三轴加速度传感器测量叶片指向叶尖方向的X轴的加速度值；

叶片从最高点旋转到最低点再旋转到最高点时，如此循环一次记为一圈，并记录循环一圈所用平均时间，即叶片旋转周期；

根据风机叶片X方向的加速度值计算叶片的转速。

本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：

本发明实施例的技术方案采用阶比分析，根据风机叶片的转速不同，采用不同的采样频率进行采样，获取到的风机叶片的振动波形进行对比会更加准确，实现了风电风机叶片裂纹损伤的在线监测。

本发明实施例的技术方案根据风机转速对风机叶片的振动波形进行取样，获取到的波形图更加准确，并通过时域图比较和三个叶片的振动波形重合率比较两种方式对Z轴的波形数据判断叶片是否存在裂纹损伤，确保了风电风机叶片裂纹损伤在线监测的准确性。

附图说明：

图1是根据一示例性实施例示出的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测装置的结构图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

图1是根据一示例性实施例示出的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测装置的结构图。如图1所述，本发明实施例提供的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测装置，包括：

数据采集装置，设置在风电风机叶片上，采集叶片的X、Y、Z三个方向的加速度值；

无线信号接收模块，接收数据采集装置采集的数据，并发送给数据处理模块；

数据处理模块，对采集的数据进行处理，判断叶片是否存在裂纹损伤；

主控***，接收叶片损伤判断结果，并发送叶片损伤报警信号；对风电风机叶片进行控制。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述数据采集装置包括三轴加速度传感器、电荷放大模块、A/D转换模块和无线发射模块，所述三轴加速度传感器叶片的X、Y、Z三个方向的加速度值，并经过电荷放大模块、A/D转换模块处理后，通过无线发射模块发送给无线信号接收模块。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述三轴加速度传感器采用MEMS三轴加速度传感器，所述MEMS三轴加速度传感器安装在风电风机叶片内侧，X轴平行于叶片指向叶尖方向，Z轴垂直于叶片安装。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述数据处理模块包括滤波去噪模块、数据库和信号比较模块，滤波去噪模块对采集的叶片数据进行滤波、去噪处理；数据库存储风电风机的叶片数据；信号比较模块对处理后的叶片数据进行进行对比处理，并判断叶片是否存在裂纹损伤。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述数据处理模块还包括转速计算模块，转速计算模块根据叶片Z方向的加速度值计算叶片的转速。

图2是根据一示例性实施例示出的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测方法的流程图。如图2所述，本发明实施例提供的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测方法，包括以下步骤：

采集风机叶片X、Y、Z三个方向的加速度值；

对风机叶片的加速度值进行分析处理；

根据风机叶片X方向的加速度值计算叶片的转速；

根据风机转速调整采样频率；

采用阶比取样法对Z方向的加速度值进行取样分析，获取到Z轴的波形数据；

对Z轴的波形数据进行滤波、去噪处理，并将经过滤波处理后的时域振动信号进行快速傅里叶变换转换为频域信号；

根据处理后的Z轴的波形数据判断叶片是否存在裂纹损伤；

当叶片出现损伤时进行报警。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述根据处理后的Z轴的波形数据判断叶片是否存在裂纹损伤的过程为：

将获取到的波形数据与风机转速放在同一时域图中进行对比，观察振动波形的振幅与风机转速的关系，当振幅与转速成平缓的正相关关系时，风机叶片无损伤；当成非正相关关系或急剧变化的正相关关系且整体数值变大时，判定风机叶片出现损伤。

在该实现方式中，本发明对风电风机叶片裂纹损伤在线监测的具体过程如下：

S1：在风机叶片内测安装MEMS三轴加速度传感器，安装方式为X轴平行于叶片指向叶尖，Z轴垂直于叶片安装。

S2:MEMS三轴加速度传感器获得风机叶片X、Y、Z三个方向的加速度值，并通过所述无线发射模块将信号输送至所述无线信号接收模块。

S3:信号处理模块将接受到的加速度的值进行分析处理。传感器X轴方向所测的数值会根据叶片旋转一周发生有规律的变化，在叶片旋转到最高点时，测值最小，叶片旋转到最低点时，测值最大，如此循环一次，为一圈。此时信号处理模块的计数器加一。由此可以算出风机叶片此时的转速。

S4：将风机转速通过无线信号模块发送给叶片传感器模块，MEMS传感器将根据风机转速调整采样频率。采用阶比取样法对传感器Z轴进行取样分析，获取到MEMS传感器Z轴的波形数据。并通过所述无线发射模块将信号输送至所述无线信号接收模块。

S5:所述数据处理模块将来自所述无线信号接收模块之信息进行滤波、去噪。

S6:将获取到的频谱图与风机转速放在同一图中进行对比，观察频谱图与风机转速的关系。当成平缓的正相关关系时，风机叶片并无损伤；当成非正相关关系或急剧变化的正相关关系但整体数值变大时，判断该风机叶片出现损伤。

S7:当叶片出现损伤，将报警信号通过设备所接的光纤传送给后台人员。

将获取到的振动波形图和风机转速进行对比，在某个时间段内，要连续取N次转速。原理转速越高，振动波形的幅值就会越大，并且是成平缓的正相关关系。因此若是幅值与转速成非正相关关系或急剧变化的正相关关系且整体数值变大时，判定风机叶片出现损伤。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述根据处理后的Z轴的波形数据判断叶片是否存在裂纹损伤的过程为：

通过阶比取样法获取到三个叶片的振动波形，将三个叶片的振动波形放于同一图中做对比，当三个叶片的振动波形的相似度低于阈值时，认为该风机的叶片出现损坏。

在该实现方式中，本发明对风电风机叶片裂纹损伤在线监测的具体过程如下。

S1：在风机叶片内测安装MEMS三轴加速度传感器，安装方式为X轴平行于叶片指向叶尖，Z轴垂直于叶片安装。

S2:MEMS三轴加速度传感器获得风机叶片X、Y、Z三个方向的加速度值，并通过所述无线发射模块将信号输送至所述无线信号接收模块。

S3:信号处理模块将接受到的加速度的值进行分析处理。传感器X轴方向所测的数值会根据叶片旋转一周发生有规律的变化，在叶片旋转到最高点时，测值最小，叶片旋转到最低点时，测值最大，如此循环一次，为一圈。此时信号处理模块的计数器加一。由此可以算出风机叶片此时的转速。

S4：将风机转速通过无线信号模块发送给叶片传感器模块，MEMS传感器将根据风机转速调整采样频率。采用阶比取样法对传感器Z轴进行取样分析，获取到MEMS传感器Z轴的波形数据。并通过所述无线发射模块将信号输送至所述无线信号接收模块。

S5:所述数据处理模块将来自所述无线信号接收模块之信息进行滤波、去噪。

S6:通过阶比取样法获取到三个叶片的振动波形，将三个叶片的振动波形放于同一图中做对比，当三个叶片的振动波形的相似度低于阈值时，认为该风机的叶片出现损坏。

S7:当叶片出现损伤，将报警信号通过设备所接的光纤传送给后台人员。

根据阶比取样法获取到三个叶片的振动波形，将三个叶片的振动波形放于同一图中做对比，原理三个叶片的振动波形应当是一致的。本申请认为三个叶片同时损坏的概率非常低，所以忽略不计，因此，当三个叶片的振动波形的相似度低于某个阈值时，认为该风机的叶片出现损坏。

作为本实施例一种可能的实现方式，在采集风机叶片X、Y、Z三个方向的加速度值过程中，将MEMS三轴加速度传感器安装在风电风机叶片内侧，X轴平行于叶片指向叶尖方向，Z轴垂直于叶片安装。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述根据风机叶片X方向的加速度值和叶片旋转圈数计算叶片的转速过程为：

记录三轴加速度传感器测量叶片指向叶尖方向的X轴的加速度值；

叶片从最高点旋转到最低点再旋转到最高点时，如此循环一次记为一圈，并记录循环一圈所用平均时间，即叶片旋转周期；

根据风机叶片X方向的加速度值计算叶片的转速。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测装置，其特征是，包括：

数据采集装置，设置在风电风机叶片上，采集叶片的X、Y、Z三个方向的加速度值；

无线信号接收模块，接收数据采集装置采集的数据，并发送给数据处理模块；

数据处理模块，对采集的数据进行处理，判断叶片是否存在裂纹损伤；

主控***，接收叶片损伤判断结果，并发送叶片损伤报警信号；对风电风机叶片进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测装置，其特征是，所述数据采集装置包括三轴加速度传感器、电荷放大模块、A/D转换模块和无线发射模块，所述三轴加速度传感器叶片的X、Y、Z三个方向的加速度值，并经过电荷放大模块、A/D转换模块处理后，通过无线发射模块发送给无线信号接收模块。

3.根据权利要求2所述的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测装置，其特征是，所述三轴加速度传感器采用MEMS三轴加速度传感器，所述MEMS三轴加速度传感器安装在风电风机叶片内侧，X轴平行于叶片指向叶尖方向，Z轴垂直于叶片安装。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测装置，其特征是，所述数据处理模块包括滤波去噪模块、数据库和信号比较模块，滤波去噪模块对采集的叶片数据进行滤波、去噪处理；数据库存储风电风机的叶片数据；信号比较模块对处理后的叶片数据进行进行对比处理，并判断叶片是否存在裂纹损伤。

5.根据权利要求5所述的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测装置，其特征是，所述数据处理模块还包括转速计算模块，转速计算模块根据叶片Z方向的加速度值计算叶片的转速。

6.一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测方法，其特征是，包括以下步骤：

采集风机叶片X、Y、Z三个方向的加速度值；

对风机叶片的加速度值进行分析处理；

根据风机叶片X方向的加速度值计算叶片的转速；

根据风机转速调整采样频率；

采用阶比取样法对Z方向的加速度值进行取样分析，获取到Z轴的波形数据；

对Z轴的波形数据进行滤波、去噪处理；

根据处理后的Z轴的波形数据判断叶片是否存在裂纹损伤；

当叶片出现损伤时进行报警。

7.根据权利要求6所述的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测方法，其特征是，所述根据处理后的Z轴的波形数据判断叶片是否存在裂纹损伤的过程为：

通过阶比取样法获取到三个叶片的振动波形，将同一时间段内三个风机叶片的振动波形放于同一图中做对比，当三个叶片的振动波形的相似度低于阈值时，判定风机叶片出现损伤。

8.根据权利要求6所述的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测方法，其特征是，所述根据处理后的Z轴的波形数据判断叶片是否存在裂纹损伤的过程为：

将获取到的波形数据与风机转速放在同一图中进行对比，观察振动波形的振幅与风机转速的关系，当振幅与转速成平缓的正相关关系时，风机叶片无损伤；当成非正相关关系或急剧变化的正相关关系且整体数值变大时，判定风机叶片出现损伤。

9.根据权利要求6-8任意一项所述的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测方法，其特征是，在采集风机叶片X、Y、Z三个方向的加速度值过程中，将MEMS三轴加速度传感器安装在风电风机叶片内侧，X轴平行于叶片指向叶尖方向，Z轴垂直于叶片安装。

10.根据权利要求6-8任意一项所述的一种风电风机叶片裂纹损伤在线监测方法，其特征是，所述根据风机叶片X方向的加速度值和叶片旋转圈数计算叶片的转速过程为：

记录三轴加速度传感器测量叶片指向叶尖方向的X轴的加速度值；

叶片从最高点旋转到最低点再旋转到最高点时，如此循环一次记为一圈，并记录循环一圈所用平均时间，即叶片旋转周期；

根据风机叶片X方向的加速度值计算叶片的转速。

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