CN112796957A - 一种风机叶片的检测方法和装置以及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风机叶片的检测方法，所述方法包括：通过光纤光栅传感器获取风机叶片的振动信号数据，其中，所述光纤光栅传感器布设于风机叶片的大梁两端；通过转速传感器获取风机叶片的输出功率，其中，所述转速传感器设置于风机叶片上；当所述输出功率为第一阈值时，分析所述振动信号数据，得到基于风机叶片的变形量的变化曲线；判断所述变化曲线超出预设范围时，确定风机叶片发生形变，并获得风机叶片的缺陷信息。能够实现对风机叶片缺陷进行精确的检测、并且降低由于风机叶片的故障带来的经济损失，从而能够有效保护风机叶片、延长风机叶片的使用寿命，增加风机运行效率。

Description

一种风机叶片的检测方法和装置以及设备

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，尤其涉及一种风机叶片的检测方法和装置以及设备。

背景技术

风能是一种重要的可再生能源，随着我国风能市场的扩大，风机制造业逐渐进入高速发展期。当前风机的开发趋势正朝着更高功率、更低成本的兆瓦级机器发展。海上风场近期成为热门投资方向，其主要采用5MW以上大功率等级风电机组，当前国内设计制造的风轮直径最大接近200m，然而更大的扫掠面积和风轮直径在提高电力输送的同时，也提出了艰巨的设计挑战。

随着叶片规模不断增大，资本投入不断增长，对叶片的结构健康情况进行可靠性监测显得尤为重要。风力发电机的寿命和安全性影响着风电利用和发展的脚步，风机叶片是风力发电机的核心部件，其寿命和安全性直接影响着整个风电机组的寿命和安全状况。由于叶片故障导致的停机通常需要较长的维护时间，从而给风场带来巨大的经济损失，对叶片故障的维护检修会大幅增加风电场人力物力运维成本，从而不利于风电产业持续健康发展。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种风机叶片的检测方法和装置以及设备，能够实现对风机叶片缺陷进行精确的检测、并且降低由于风机叶片的故障带来的经济损失，从而能够有效保护风机叶片、延长风机叶片的使用寿命，增加风机运行效率。

为实现上述目的，本发明提供一种风机叶片的检测方法，所述方法包括：

通过光纤光栅传感器获取风机叶片的振动信号数据，其中，所述光纤光栅传感器布设于风机叶片的大梁两端；

通过转速传感器获取风机叶片的输出功率，其中，所述转速传感器设置于风机叶片上；

当所述输出功率为第一阈值时，分析所述振动信号数据，得到基于风机叶片的变形量的变化曲线；

判断所述变化曲线超出预设范围时，确定风机叶片发生形变，并获得风机叶片的缺陷信息。

优选的，所述当所述输出功率为第一阈值时，分析所述振动信号数据，得到基于风机叶片的变形量的变化曲线的步骤包括：

当所述输出功率为第一阈值时，对每一所述光纤光栅传感器所在位置获取的所述振动信号数据进行分析，得到在同一位置基于不同时间的风机叶片的变形量的变化曲线。

优选的，所述当所述输出功率为第一阈值时，分析所述振动信号数据，得到基于风机叶片的变形量的变化曲线的步骤包括：

当所述输出功率为第一阈值时，在同一时间对多个所述光纤光栅传感器获取的多个位置的所述振动信号数据进行分析，得到在同一时间基于不同位置的风机叶片的变形量的变化曲线。

优选的，所述通过所述光纤光栅传感器获取风机叶片的振动信号数据的步骤包括：

利用光纤光栅解调仪对所述光纤光栅传感器谐振波长的测量，并进行应变转换以得到所述振动信号数据。

为实现上述目的，本发明还提供一种风机叶片的检测装置，所述装置包括：

第一获取单元，用于通过光纤光栅传感器获取风机叶片的振动信号数据，其中，所述光纤光栅传感器布设于风机叶片的大梁两端；

第二获取单元，用于通过转速传感器获取风机叶片的输出功率，其中，所述转速传感器设置于风机叶片上；

分析单元，用于当所述输出功率为第一阈值时，分析所述振动信号数据，得到基于风机叶片的变形量的变化曲线；

检测单元，用于判断所述变化曲线超出预设范围时，确定风机叶片发生形变，并获得风机叶片的缺陷信息。

优选的，所述分析单元进一步用于：

当所述输出功率为第一阈值时，对每一所述光纤光栅传感器所在位置获取的所述振动信号数据进行分析，得到在同一位置基于不同时间的风机叶片的变形量的变化曲线。

优选的，所述分析单元进一步用于：

当所述输出功率为第一阈值时，在同一时间对多个所述光纤光栅传感器获取的多个位置的所述振动信号数据进行分析，得到在同一时间基于不同位置的风机叶片的变形量的变化曲线。

优选的，所述第一获取单元进一步用于：

利用光纤光栅解调仪对所述光纤光栅传感器谐振波长的测量，并进行应变转换以得到所述振动信号数据。

为实现上述目的，本发明还提供一种风机叶片的检测设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如上述实施例所述的一种风机叶片的检测方法。

有益效果：

以上方案，能够精确的监测出该风机叶片上变形量的改变，能够实现对风机叶片的缺陷进行精确的检测，以此进一步分析风机叶片的缺陷类型和缺陷位置以及发生时机，从而能够分析评估当前风机叶片的健康状态，并及时告知运营商提前处理、提前防范以提高风机维修的计划性、减少风机停工时间。

以上方案，通过在风机叶片的大梁两端安装光纤光栅传感器，实时监测风机叶片的状态，以获取风机叶片的振动信号数据，通过利用上述传感器由于传输损耗小，能够便于实现对风机叶片的远程监测；另外，通过将光纤光栅传感器设置在大梁两端，能够提高光纤光栅传感器取风机叶片的振动信号数据的精确度。

以上方案，当输出功率为一定值时，对获取的振动信号数据进行分析，可以排除其他因素的影响，从而能够提高对风机叶片判断是否发生形变进行精确的检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种风机叶片的检测方法的流程示意图。

图2为本发明一实施例提供的光纤光栅传感器布设在风机叶片的C型梁两端的剖面结构示意图。

图3为本发明一实施例提供的一种风机叶片的检测装置的结构示意图。

发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以下结合实施例详细阐述本发明的内容。为了便于本领域人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构/方法作进一步详细描述。

本发明提供一种风机叶片的检测方法，能够实现对风机叶片缺陷进行精确的检测、并且降低由于风机叶片的故障带来的经济损失，从而能够有效保护风机叶片、延长风机叶片的使用寿命，增加风机运行效率。

参照图1所示为本发明一实施例提供的一种风机叶片的检测方法的流程示意图。

本实施例中，该方法包括：

S11，通过光纤光栅传感器获取风机叶片的振动信号数据，其中，所述光纤光栅传感器布设于风机叶片的大梁两端。

在本实施例中，通过将光纤光栅传感器布设于风机叶片的大梁两端可以更精准的获得风机叶片的振动情况，以便后续实现对风机叶片状态进行有效的检测。由于水平轴风力发电机组风机叶片的结构主要为大梁和壳体结构，二者共同提供风机叶片的强度和刚度，而大梁常用D型、O型、矩形和C/I型等型式。如图2所示为光纤光栅传感器布设在风机叶片的C型梁两端的剖面结构示意图。具体的，C型梁用玻璃纤维夹芯结构，使其承受拉力和弯曲力矩达到最佳，叶片上、下壳体主要以单向增强材料为主，并适当铺设±45°层来承受扭矩，再用结构胶将叶片壳体和大梁牢固的粘接在一起。在该结构中，大梁和壳体的变形是一致的。经过收缩，夹芯结构作为支撑，两半叶片牢固的粘接在一起。在有扭曲变形时，粘接部分不会产生剪切损坏。

另外，还可以通过设置在风机叶片上的应变片传感器获取风机叶片的振动信号数据。在本实施例中，优选为在风机叶片安装光纤光栅传感器实时监测风机叶片的状态，由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰能力强、绝缘性好，光纤的材料为石英、质量轻，体积小，能够利用波分时分复用技术实现分布式测量，且传输损耗小、可以多路传输信号、便于实现远程监测。因此用于叶片载荷、叶片结构损坏、叶片雷击失效、叶片结冰预警等风机监测任务。通过在风机叶片安装光纤光栅传感器，实时监测叶片振动状态。

进一步的，所述通过所述光纤光栅传感器获取风机叶片的振动信号数据的步骤包括：

利用光纤光栅解调仪对所述光纤光栅传感器谐振波长的测量，并进行应变转换以得到所述振动信号数据。

在本实施例中，将光纤光栅解调仪设置于光纤配件箱内，以达到防水和防冲击的功能，可通过滑环方式(包括CAN/以太网/Modbus)实现光纤光栅解调仪与检测***的通讯。信号采集后，通过风电场光纤环网独立组网，实时存储至数据库中。

具体的，由于光纤光栅(FBG)只能对某个波长进行反射，反射波长的变化需要通过光纤光栅解调仪来测量，一般需要对多个光栅传感器进行测量，也即是说要进行波分复用，将多个光纤光栅(FBG)串接，每个光纤光栅对应一个中心波长，在保证测量的动态范围内，各个光栅的波长不产生重叠，这样通过光纤光栅解调仪就能实现对不同光纤光栅传感器反射波长的测量，进而转换成应力、应变、温度、加速度等数据。

当光纤光栅受应变和周围的温度发生变化时，将导致光栅周期Λ和有效纤芯折射率η发生变化，从而产生光栅信号的波长漂移，通过监测光栅波长的变化情况，即可获得测点上光纤光栅的应变和周围温度的变化情况。

因而，当风机叶片受到外界载荷(弯矩，振动，温度等)作用时，风机叶片就会产生响应，进而改变光栅的谐振波长，通过测出谐振波长变化量，并对其进行温度补偿，从而得到每个风机叶片所产生的应变，最后将应变量转换成风机叶片承受的弯矩、应力、温度和加速度等。

S12，通过转速传感器获取风机叶片的输出功率，其中，所述转速传感器设置于风机叶片上。

在具体实施时，还可以通过安装在风机叶片上的电机获取风机叶片的输出功率。由于风速一直在变化，作用在风机叶片外力不同，一般情况下随着风速的增大，其风机叶片的输出功率越大。因此，获取风机叶片的输出功率可作为后续实现对风机叶片状态进行有效的检测提供依据。

S13，当所述输出功率为第一阈值时，分析所述振动信号数据，得到基于风机叶片的变形量的变化曲线。

在本实施例中，当风机输出功率相同，说明作用在其上的风力相同，从而可以排除其他振动因素的影响。因此，取相同的输出功率以分析所获取的振动信号数据，从而实现对风机叶片状态的有效检测。

其中，所述当所述输出功率为第一阈值时，分析所述振动信号数据，得到基于风机叶片的变形量的变化曲线的步骤包括：

当所述输出功率为第一阈值时，对每一所述光纤光栅传感器所在位置获取的所述振动信号数据进行分析，得到在同一位置基于不同时间的风机叶片的变形量的变化曲线。

其中，所述当所述输出功率为第一阈值时，分析所述振动信号数据，得到基于风机叶片的变形量的变化曲线的步骤包括：

当所述输出功率为第一阈值时，在同一时间对多个所述光纤光栅传感器获取的多个位置的所述振动信号数据进行分析，得到在同一时间基于不同位置的风机叶片的变形量的变化曲线。

S14，判断所述变化曲线超出预设范围时，确定风机叶片发生形变，并获得风机叶片的缺陷信息。

在本实施例中，进一步还通过将所获取振动信号数据进行模态参数的处理，并与预先构建的悬臂梁模型进行比对，获得风机叶片的缺陷位置和缺陷类型。其中，风机叶片的缺陷类型至少包括叶片表面结冰、砂眼、外部开裂、内部开裂等。具体实现步骤包括：

(1)将预先获取的振动信号数据转化为模态数据。

(2)利用ansys将模态数据进行模型构建，得到悬臂梁模型；其中，利用ansys将模态数据进行模型构建，在模型添加正交各向异性的材料本构关系和板壳理论的几何特征，得到悬臂梁模型。

(3)对悬臂梁模型进行载荷分析，计算悬臂梁模型的变形量；其中，根据控制方程：{F}＝[K]·{u}计算悬臂梁模型的变形量，其中，F表示风机叶片的载荷，K表示刚度矩阵，u表示变形量。

其中，对悬臂梁模型进行载荷分析，计算悬臂梁模型的变形量，还包括通过在静态载荷下和动态载荷下对悬臂梁模型进行校验。

其中，在静态载荷下对悬臂梁模型进行校验的步骤包括：

(a)建立挠度曲线方程并积分：

其中，弯矩方程M(x)＝F(L-x)，

(b)在固定端，根据梁截面的挠度和转角等于0确定边界条件，即：

y(0)＝0，θ(0)＝0，C＝0，D＝0，则

其中，E表示弹性模量、E＝2.1e11pa，I表示惯性矩、

d表示风机叶片内环直径，D表示风机叶片外环直径，F表示风机叶片的载荷，L表示受力距离，0≥x≥L。

其中，在动态载荷下对所述悬臂梁模型进行校验的步骤包括：

将风机叶片调整为不同的方位角和桨距角，设置在停机状态下风机叶片只承受重力载荷，按照不同方位角和桨距角的组合进行测试。

在本实施例中，测试时要求其中一只风机叶片调整为不同的方位角和桨距角并保持，停机状态下叶片只承受重力载荷，按照不同方位角和桨距角的组合来进行测试，记录下不同桨距角和方位角组合下的传感器数据。具体包括：

a)确定第一个叶片的风轮方位角；

b)确定第一个叶片的桨距角；

c)利用第一个光纤光栅传感器测量第一个叶片的第一个截面的摆振方向载荷；

d)计算步骤a)和b)中确定的方位角和桨距角下的理论载荷；

e)比较步骤c)中测量的载荷和步骤d)中计算的理论载荷，其中，步骤c)是基于电机关闭情况下执行的测量，步骤d)的计算基于来自叶片的自重的重力或重力矩。

(4)通过悬臂梁模型的变形量与待检测叶片中所采集的振动信号处理得到的模态参数进行比对，确定风机叶片的缺陷位置和缺陷类型。

本发明还提供一种风机叶片的检测装置，能够实现对风机叶片缺陷进行精确的检测、并且降低由于风机叶片的故障带来的经济损失，从而能够有效保护风机叶片、延长风机叶片的使用寿命，增加风机运行效率。

本实施例中，该装置30包括：

第一获取单元31，用于通过光纤光栅传感器获取风机叶片的振动信号数据，其中，所述光纤光栅传感器布设于风机叶片的大梁两端。

其中，所述第一获取单元31进一步用于：

利用光纤光栅解调仪对所述光纤光栅传感器谐振波长的测量，并进行应变转换以得到所述振动信号数据。

第二获取单元32，用于通过转速传感器获取风机叶片的输出功率，其中，所述转速传感器设置于风机叶片上。

分析单元33，用于当所述输出功率为第一阈值时，分析所述振动信号数据，得到基于风机叶片的变形量的变化曲线。

其中，所述分析单元33进一步用于：

当所述输出功率为第一阈值时，对每一所述光纤光栅传感器所在位置获取的所述振动信号数据进行分析，得到在同一位置基于不同时间的风机叶片的变形量的变化曲线。

其中，所述分析单元33进一步用于：

当所述输出功率为第一阈值时，在同一时间对多个所述光纤光栅传感器获取的多个位置的所述振动信号数据进行分析，得到在同一时间基于不同位置的风机叶片的变形量的变化曲线。

检测单元34，用于判断所述变化曲线超出预设范围时，确定风机叶片发生形变，并获得风机叶片的缺陷信息。

该装置30的各个单元模块可分别执行上述方法实施例中对应步骤，故在此不对各单元模块进行赘述，详细请参见以上对应步骤的说明。

本发明实施例还提供一种风机叶片的检测设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如上述实施例所述的风机叶片的检测方法。

所述风机叶片的检测设备可包括但不仅限于处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述示意图仅仅是风机叶片的检测设备的示例，并不构成对风机叶片的检测设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述风机叶片的检测设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述风机叶片的检测设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个风机叶片的检测设备的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述风机叶片的检测设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作***、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

其中，所述风机叶片的检测设备集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种风机叶片的检测方法，其特征在于，所述方法包括：

通过光纤光栅传感器获取风机叶片的振动信号数据，其中，所述光纤光栅传感器布设于风机叶片的大梁两端；

通过转速传感器获取风机叶片的输出功率，其中，所述转速传感器设置于风机叶片上；

当所述输出功率为第一阈值时，分析所述振动信号数据，得到基于风机叶片的变形量的变化曲线；

判断所述变化曲线超出预设范围时，确定风机叶片发生形变，并获得风机叶片的缺陷信息。

2.根据权利要求1所述的一种风机叶片的检测方法，其特征在于，所述当所述输出功率为第一阈值时，分析所述振动信号数据，得到基于风机叶片的变形量的变化曲线的步骤包括：

当所述输出功率为第一阈值时，对每一所述光纤光栅传感器所在位置获取的所述振动信号数据进行分析，得到在同一位置基于不同时间的风机叶片的变形量的变化曲线。

3.根据权利要求1所述的一种风机叶片的检测方法，其特征在于，所述当所述输出功率为第一阈值时，分析所述振动信号数据，得到基于风机叶片的变形量的变化曲线的步骤包括：

当所述输出功率为第一阈值时，在同一时间对多个所述光纤光栅传感器获取的多个位置的所述振动信号数据进行分析，得到在同一时间基于不同位置的风机叶片的变形量的变化曲线。

4.根据权利要求1所述的一种风机叶片的检测方法，其特征在于，所述通过所述光纤光栅传感器获取风机叶片的振动信号数据的步骤包括：

利用光纤光栅解调仪对所述光纤光栅传感器谐振波长的测量，并进行应变转换以得到所述振动信号数据。

5.一种风机叶片的检测装置，其特征在于，所述装置包括：

第一获取单元，用于通过光纤光栅传感器获取风机叶片的振动信号数据，其中，所述光纤光栅传感器布设于风机叶片的大梁两端；

第二获取单元，用于通过转速传感器获取风机叶片的输出功率，其中，所述转速传感器设置于风机叶片上；

分析单元，用于当所述输出功率为第一阈值时，分析所述振动信号数据，得到基于风机叶片的变形量的变化曲线；

检测单元，用于判断所述变化曲线超出预设范围时，确定风机叶片发生形变，并获得风机叶片的缺陷信息。

6.根据权利要求5所述的一种风机叶片的检测装置，其特征在于，所述分析单元进一步用于：

当所述输出功率为第一阈值时，对每一所述光纤光栅传感器所在位置获取的所述振动信号数据进行分析，得到在同一位置基于不同时间的风机叶片的变形量的变化曲线。

7.根据权利要求5所述的一种风机叶片的检测装置，其特征在于，所述分析单元进一步用于：

当所述输出功率为第一阈值时，在同一时间对多个所述光纤光栅传感器获取的多个位置的所述振动信号数据进行分析，得到在同一时间基于不同位置的风机叶片的变形量的变化曲线。

8.根据权利要求5所述的一种风机叶片的检测装置，其特征在于，所述第一获取单元进一步用于：

利用光纤光栅解调仪对所述光纤光栅传感器谐振波长的测量，并进行应变转换以得到所述振动信号数据。

9.一种风机叶片的检测设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如权利要求1至4任意一项所述的一种风机叶片的检测方法。

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