一种风机叶片断裂检测预警装置及预警方法与流程

1.本发明涉及风力发电设备预警领域，具体涉及一种风机叶片断裂检测预警装置及预警方法。


背景技术：

2.近年来随着风电行业的迅猛发展，风电机组的单机容量逐步攀升；风机叶片作为风力发电机组关键零部件之一，其长度由早期的15m，逐步增长到148m；随着风机发电机组叶片长度的增长，随着而来的就是叶片断裂故障不断发生，叶片断裂不急影响风机发电机组的主机正常运行，还存在倒塔的潜在风险；
3.现有技术中采用的是在风机发电机组的叶片内腔部位布置振动传感器来监测叶片运行状况，采用的叶片振动传感器选用双轴型压电式传感器，用于监测叶片挥舞和摆振方面的振动情况，布置在叶片长度1/3的位置，叶片振动传感器信号通过线缆连接至数据采集装置。数据采集装置安装在轮毂，随叶轮转动。轮毂与机舱之间采用2.4g无线通信，数据通过机组自有网络进入光纤环网，上传至升压站服务器。针对采集到的风机叶片振动数据，分析叶片的受力情况，通过后台数据比对和算法支持，实现叶片断裂的预警监测；
4.但是上述对风机发电机组的叶片的监测系统中数据的采集无法自动触发，处于数据的持续采集方式，采集到的大量数据中无法提炼出可用数据，使得数据的有效利用率低，无法通过对有效数据的分析精准区分叶片的工况，无法进行叶片故障预警，进而使得上述系统的误报率高。


技术实现要素：

5.本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种风机叶片断裂检测预警装置及预警方法。
6.本发明的技术方案：一种风机叶片断裂检测预警装置，包括
7.振动传感器，用于安装在风机叶片的重心位置，振动传感器与风机叶片一一对应；
8.数据采集发送装置，数据采集发送装置通信连接振动传感器，用于装设在风机发电机组的轮毂上并随风机叶片转动；
9.转速传感器，用于采集风机发电机组的风机叶片转速信号和风机叶片变桨信号；转速传感器装设在风机发电机组的机舱内；
10.数据采集器，数据采集器分别通信连接数据采集发送装置和转速传感器，用于采集数据采集发送装置和转速传感器的信号，并对转速信号进行处理根据处理结果判断是否给数据采集发送装置下发数据采集指令；数据采集器装设在风机发电机组的机舱内，并与后台服务器终端通讯连接，用于将采集到的数据发送至后台服务器终端。
11.优选的，数据采集器采用无线传输的方式与数据采集发送装置建立通讯连接。
12.优选的，还包括交换机，交换机通信连接数据采集器，用于将数据采集器采集到的数据采用有线传输的方式发送至后台服务器终端。
13.优选的，给数据采集发送装置下发数据采集指令的方法，包括以下具体步骤：
14.s110、数据采集器实时采集转速传感器监测到的风机叶片的转速信号；
15.s111、判断风机叶片的转速是否大于等于设定阙值；
16.若是，则执行s112；
17.若否，则执行s113；
18.s112、数据采集器向数据采集发送装置下发以采集模块进行数据采集的指示，同时执行s110；
19.s113、数据采集器向数据采集发送装置下发以中断模块进行数据采集的指示，同时执行s110。
20.优选的，采集模块进行数据采集的方法为：
21.在采样频率为1280hz工况下，连续对数据进行采集，得到多组数据a；每组数据a进行数据采集的时间均为120s。
22.优选的，中断模块进行数据采集的方法为：
23.在采样频率为50hz工况下，对数据进行间隔采集，得到多组数据b；每组数据b进行数据采集的时间均为60s，相邻两组数据b之间的时间间隔为10min。
24.优选的，振动传感器选用双轴振动加速度传感器。
25.一种采用上述的风机叶片断裂检测预警装置的预警方法，具体包括以下步骤：
26.s210、获取风机叶轮的历史振动数据和挥舞数据，将采集得到的风机叶轮的转速信息通过带通滤波器剔除挥舞数据和振动数据中的风机叶轮转速频率，得到数据组c；
27.s211、以时间为x轴，挥舞方向上的振动有效值为y轴，摆振方向上的振动有效值为z轴，以数据组c构建风机叶片振动二维空间模型；
28.s212、构建风机叶片振动二维空间模型的轨迹临界面：
29.取挥舞方向上的振动有效值的0.5倍和1.2倍的数值和摆振方向上的振动有效值的0.5倍和1.2倍的数值，构建叶片振动轨迹环形区域，标记为正常区域，该区域以外的区域，标记为振动轨迹超限区域；
30.s213、根据获取的变桨信号，标记不同变桨角度下的风机叶片振动轨迹环形区域，划分为九种区域：
31.0.0
°
～20.0
°
、20.1
°
～30.0
°
、30.1
°
～35.0
°
、35.1
°
～40.0
°
、40.1
°
～45.0
°
、45.1
°
～50.0
°
、50.1
°
～60.0
°
、60.1
°
～70.0
°
以及70.1
°
～90.0
°
；
32.s214、实时获取风机叶片的挥舞数据和摆振数据，在剔除风机叶片转速频率后，其运行轨迹落在构建的叶片振动轨迹环形区域内即为正常，反之则为不正常，触发预警。
33.优选的，将运行轨迹落在构建的叶片振动轨迹环形区域的数据纳入历史数据，以得到的历史数据不断修正风机叶片振动二维空间模型。
34.与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
35.本发明能对风机叶片监测过程中根据设定的条件自动控制对风机叶片的相关数据进行实时获取，以获得供风机叶片预警分析的有效数据，进而能对数据进行有效的管理，通过得到的风机叶片振动二维空间模型对风机叶片是否存在断裂风险进行精准预测，以便及时更换存在安全隐患的风机叶片，提供风力发电机组的使用寿命和发电效率。
附图说明
36.图1为本发明提出的一种实施例的原理框图。
37.图2为本发明提出的一种实施例的流程图。
具体实施方式
38.实施例一
39.如图1所示，本发明提出的一种风机叶片断裂检测预警装置，包括振动传感器、数据采集发送装置、转速传感器和数据采集器；
40.振动传感器安装在风机叶片的重心位置，振动传感器与风机叶片一一对应，振动传感器选用无源有线的双轴振动加速度传感器，用于采集风机叶片挥舞和摆振两个方向的振动信号；
41.根据振动力学分析结果，单点激振系统对风机叶片的最大激振振幅为：
42.其中，m为偏向块质量，e为偏心轮悬臂长度，k为激振位置，c为阻尼系数，m为风机叶片与激振系统的固定质量；
43.数据采集发送装置通信连接振动传感器，数据采集发送装置装设在风机发电机组的轮毂上并随风机叶片转动，数据采集发送装置用于在接收到数据采集指令后采集振动传感器实时监测到的数据信号；
44.转速传感器装设在风机发电机组的机舱内，相对风机叶片静止；转速传感器用于采集风机发电机组的风机叶片转速信号和风机叶片变桨信号；
45.数据采集器用于采集数据采集发送装置和转速传感器的信号，并对转速信号进行处理根据处理结果判断是否给数据采集发送装置下发数据采集指令；
46.在一个可选的实施例中，数据采集器采用无线传输的方式与数据采集发送装置建立通讯连接；无线传输的方式选用但不限于采用2.4g无线通信模块、5g通信模块或4g通信模块实现数据采集器和数据采集的通讯连接；
47.数据采集器分别通信连接数据采集发送装置和转速传感器，数据采集器装设在风机发电机组的机舱内，并与后台服务器终端通讯连接，用于将采集到的数据发送至后台服务器终端；后台服务器终端用于对数据进行存储以及分析，构建风机叶片振动二维空间模型即在后台服务器终端中完成。
48.实施例二
49.如图1所示，本发明提出的一种风机叶片断裂检测预警装置，相较于实施例一，本实施例还包括交换机，交换机通信连接数据采集器，用于将数据采集器采集到的数据采用有线传输的方式发送至后台服务器终端；
50.交换机是实现将无线接入有线环网的转换装置。
51.实施例三
52.本发明提出的一种风机叶片断裂检测预警装置，相较于实施例一，本实施例中，给数据采集发送装置下发数据采集指令的方法，包括以下具体步骤：
53.s110、数据采集器实时采集转速传感器监测到的风机叶片的转速信号；
54.s111、判断风机叶片的转速是否大于等于设定阙值；其中，上述阙值在风机叶片断
裂预警中根据风机叶片的长度进行设定，本发明的一个可选的实施例中上述阙值设定但不限于为8rpm/min；
55.若是，则执行s112；
56.若否，则执行s113；
57.s112、数据采集器向数据采集发送装置下发以采集模块进行数据采集的指示，同时执行s110；
58.s113、数据采集器向数据采集发送装置下发以中断模块进行数据采集的指示，同时执行s110。
59.实施例四
60.本发明提出的一种风机叶片断裂检测预警装置，相较于实施例三，本实施例中，采集模块进行数据采集的方法为：
61.在采样频率为1280hz工况下，连续对数据进行采集，得到多组数据a；每组数据a进行数据采集的时间均为120s，其中，对采集不满120s的数据a进行舍弃，即当风机叶片的转速小于阙值时，此组数据a的数据采集时间不足120s，则对当前数据a进行舍弃；
62.对采集得到的数据采用无线传输的方式发送给数据采集器；数据采集器以时间为标签进行数据收集，该模式下采集的数据，是后续进行数据分析的有效数据，是避免了无风或者小风天气下的叶片振动无效数据的采集。
63.实施例五
64.本发明提出的一种风机叶片断裂检测预警装置，相较于实施例三，本实施例中，中断模块进行数据采集的方法为：
65.在采样频率为50hz工况下，对数据进行间隔采集，得到多组数据b；每组数据b进行数据采集的时间均为60s，相邻两组数据b之间的时间间隔为10min；
66.其中，对采集不满60s的数据b进行舍弃，即当风机叶片的转速大于等于阙值时，此组数据b的数据采集时间不足60s，则对当前数据b进行舍弃；
67.对采集得到的数据采用无线传输的方式发送给数据采集器；数据采集器以时间为标签进行数据收集，该模式下采集的数据，是风机发电机组的心跳数据，随时检测风机发电机组自身工作正常。
68.实施例六
69.如图2所示，一种采用实施例1-5任一项所述的风机叶片断裂检测预警装置的预警方法，具体包括以下步骤：
70.s210、获取风机叶轮的历史振动数据和挥舞数据，将采集得到的风机叶轮的转速信息通过带通滤波器剔除挥舞数据和振动数据中的风机叶轮转速频率，得到数据组c；
71.s211、以时间为x轴，挥舞方向上的振动有效值为y轴，摆振方向上的振动有效值为z轴，以数据组c构建风机叶片振动二维空间模型；
72.s212、构建风机叶片振动二维空间模型的轨迹临界面：
73.取挥舞方向上的振动有效值的0.5倍和1.2倍的数值和摆振方向上的振动有效值的0.5倍和1.2倍的数值，构建叶片振动轨迹环形区域，标记为正常区域，该区域以外的区域，标记为振动轨迹超限区域；
74.s213、根据获取的变桨信号，标记不同变桨角度下的风机叶片振动轨迹环形区域，
划分为九种区域：
75.0.0
°
～20.0
°
、20.1
°
～30.0
°
、30.1
°
～35.0
°
、35.1
°
～40.0
°
、40.1
°
～45.0
°
、45.1
°
～50.0
°
、50.1
°
～60.0
°
、60.1
°
～70.0
°
以及70.1
°
～90.0
°
；
76.s214、实时获取风机叶片的挥舞数据和摆振数据，在剔除风机叶片转速频率后，其运行轨迹落在构建的叶片振动轨迹环形区域内即为正常，反之则为不正常，触发预警；其中，将运行轨迹落在构建的叶片振动轨迹环形区域的数据纳入历史数据，以得到的历史数据不断修正风机叶片振动二维空间模型。
77.综上，本发明能对风机叶片监测过程中根据设定的条件自动控制对风机叶片的相关数据进行实时获取，以获得供风机叶片预警分析的有效数据，进而能对数据进行有效的管理，通过得到的风机叶片振动二维空间模型对风机叶片是否存在断裂风险进行精准预测，以便及时更换存在安全隐患的风机叶片，提供风力发电机组的使用寿命和发电效率。
78.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。

技术特征：
1.一种风机叶片断裂检测预警装置，其特征在于，包括振动传感器，用于安装在风机叶片的重心位置，振动传感器与风机叶片一一对应；数据采集发送装置，数据采集发送装置通信连接振动传感器，用于装设在风机发电机组的轮毂上并随风机叶片转动；转速传感器，用于采集风机发电机组的风机叶片转速信号和风机叶片变桨信号；转速传感器装设在风机发电机组的机舱内；数据采集器，数据采集器分别通信连接数据采集发送装置和转速传感器，用于采集数据采集发送装置和转速传感器的信号，并对转速信号进行处理根据处理结果判断是否给数据采集发送装置下发数据采集指令；数据采集器装设在风机发电机组的机舱内，并与后台服务器终端通讯连接，用于将采集到的数据发送至后台服务器终端。2.根据权利要求1所述的一种风机叶片断裂检测预警装置，其特征在于，数据采集器采用无线传输的方式与数据采集发送装置建立通讯连接。3.根据权利要求1所述的一种风机叶片断裂检测预警装置，其特征在于，还包括交换机，交换机通信连接数据采集器，用于将数据采集器采集到的数据采用有线传输的方式发送至后台服务器终端。4.根据权利要求1所述的一种风机叶片断裂检测预警装置，其特征在于，给数据采集发送装置下发数据采集指令的方法，包括以下具体步骤：s110、数据采集器实时采集转速传感器监测到的风机叶片的转速信号；s111、判断风机叶片的转速是否大于等于设定阙值；若是，则执行s112；若否，则执行s113；s112、数据采集器向数据采集发送装置下发以采集模块进行数据采集的指示，同时执行s110；s113、数据采集器向数据采集发送装置下发以中断模块进行数据采集的指示，同时执行s110。5.根据权利要求4所述的一种风机叶片断裂检测预警装置，其特征在于，采集模块进行数据采集的方法为：在采样频率为1280hz工况下，连续对数据进行采集，得到多组数据a；每组数据a进行数据采集的时间均为120s。6.根据权利要求4所述的一种风机叶片断裂检测预警装置，其特征在于，中断模块进行数据采集的方法为：在采样频率为50hz工况下，对数据进行间隔采集，得到多组数据b；每组数据b进行数据采集的时间均为60s，相邻两组数据b之间的时间间隔为10min。7.根据权利要求1所述的一种风机叶片断裂检测预警装置，其特征在于，振动传感器选用双轴振动加速度传感器。8.一种采用权利要求1-7任一项所述的风机叶片断裂检测预警装置的预警方法，其特征在于，具体包括以下步骤：s210、获取风机叶轮的历史振动数据和挥舞数据，将采集得到的风机叶轮的转速信息通过带通滤波器剔除挥舞数据和振动数据中的风机叶轮转速频率，得到数据组c；
s211、以时间为x轴，挥舞方向上的振动有效值为y轴，摆振方向上的振动有效值为z轴，以数据组c构建风机叶片振动二维空间模型；s212、构建风机叶片振动二维空间模型的轨迹临界面：取挥舞方向上的振动有效值的0.5倍和1.2倍的数值和摆振方向上的振动有效值的0.5倍和1.2倍的数值，构建叶片振动轨迹环形区域，标记为正常区域，该区域以外的区域，标记为振动轨迹超限区域；s213、根据获取的变桨信号，标记不同变桨角度下的风机叶片振动轨迹环形区域，划分为九种区域：0.0
°
～20.0
°
、20.1
°
～30.0
°
、30.1
°
～35.0
°
、35.1
°
～40.0
°
、40.1
°
～45.0
°
、45.1
°
～50.0
°
、50.1
°
～60.0
°
、60.1
°
～70.0
°
以及70.1
°
～90.0
°
；s214、实时获取风机叶片的挥舞数据和摆振数据，在剔除风机叶片转速频率后，其运行轨迹落在构建的叶片振动轨迹环形区域内即为正常，反之则为不正常，触发预警。9.根据权利要求8所述的一种风机叶片断裂检测预警方法，其特征在于，将运行轨迹落在构建的叶片振动轨迹环形区域的数据纳入历史数据，以得到的历史数据不断修正风机叶片振动二维空间模型。

技术总结
本发明涉及风力发电设备预警领域，具体为一种风机叶片断裂检测预警装置，包括安装在风机叶片的重心位置的振动传感器、与振动传感器通信连接的数据采集发送装置、用于采集风机叶片转速信号和风机叶片变桨信号的转速传感器以及数据采集器；数据采集器用于采集数据采集发送装置和转速传感器的信号，并对转速信号进行处理根据处理结果判断是否给数据采集发送装置下发数据采集指令；数据采集器装设在风机发电机组的机舱内，并与后台服务器终端通讯连接，用于将采集到的数据发送至后台服务器终端。本发明还公开了风机叶片断裂检测预警方法。本发明能在触发设定条件下对数据进行采集实现数据的有效性管理并能对风机叶轮是否存在断裂风险进行预警。在断裂风险进行预警。在断裂风险进行预警。


技术研发人员：吴仕明 张云峰 陆江 任锦胜 严则峰
受保护的技术使用者：北京英华达电力电子工程科技有限公司
技术研发日：2023.02.24
技术公布日：2023/5/24