风力发电机组叶片净空监测装置、系统及发电机组的制作方法

1.本发明涉及风力发电机组的监测技术领域，具体涉及一种风力发电机组叶片净空监测装置、系统及发电机组。


背景技术：

2.叶片形变跟叶片结构安全强相关，过大的叶片形变不仅会造成叶片本体结构上的疲劳寿命减少或直接破坏，还可能导致净空不足进一步跟塔架发生碰撞，造成风电机组整体结构安全隐患。所以叶片形变监测在大型风力发电机组中显得尤为重要。目前叶片形变监测大多采用在叶片轴线不同截面布置应变片的方式，该方案由于造价偏高，对施工工艺要求高，一般只用在样机测试中，也不能实现叶片全生命周期监测。其次，还有采用雷达或视频的方式对叶片外形或尖部进行监测，主要用于在极端工况下叶片净空保护，但布置在叶片外部对设备的环境适应性性要求很高，目前雷达和视频方案都不能实现全天候的监测。
3.专利cn105822508a公布了一种在叶片内部布置拉线的方法测量叶片形变的方法，该方法只能监测叶片在轴线方向发生了伸缩变化，对于叶片延展曲率发生变化却不敏感。叶片尖部扁平细长，在发生形变时造成的伸缩量小，曲率变化大。虽然叶片生产定型后，伸缩变化量和曲率变化量是强相关的，但单一的测量伸缩量的变化显然灵敏度较低，该专利公布的方法在实际使用时会存在一定的局限性。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明提出一种风力发电机组叶片净空监测装置、系统及发电机组，可以监测叶片的伸缩变化和曲率变化。具体技术方案如下：
5.第一方面，提供了一种风力发电机组叶片净空监测装置，包括：
6.柔性管；
7.多块正极板、多块负极板，均沿轴向设置于所述柔性管内，且正极板和负极板沿所述柔性管的中轴线依次间隔设置；
8.正极导线、负极导线，均沿所述柔性管设置，且分别与所述正极板和负极板电连接。
9.结合第一方面，在第一方面的第一种可实现方式中，所述柔性管包括外层管和内层管，所述正极板和负极板固定在所述内层管内。
10.结合第一方面，在第一方面的第二种可实现方式中，所述柔性管的弹性模量小于风力发电机组叶片的弹性模量。
11.结合第一方面，在第一方面的第三种可实现方式中，相邻所述正极板和负极板之间间隔2毫米。
12.结合第一方面，在第一方面的第四种可实现方式中，所述正极导线和负极导线沿所述柔性管呈s形布置。
13.结合第一方面，在第一方面的第五种可实现方式中，所述正极导线和负极导线在所述柔性管的管线截面上呈180度对称分布。
14.第二方面，提供了一种风力发电机组叶片净空监测系统，包括：
15.第一方面、第一方面的第一至五种可实现方式中的任意一种所述的风力发电机组叶片净空监测装置；
16.电荷测量装置，与所述正极导线和负极导线电连接，配置为测量所述风力发电机组叶片净空监测装置的电荷量数据；
17.数据处理终端，与所述电荷测量装置信号连接，配置为根据所述电荷量数据确定风力发电机组的叶片净空值。
18.结合第二方面，在第二方面的第一种可实现方式中，所述数据处理终端包括：
19.数据获取模块，配置为获取大量的实验数据和电荷测量装置测得的电荷量数据，所述实验数据包括电荷量实验数据和叶片尖部的离地距离数据；
20.曲线拟合模块，配置为根据大量的实验数据进行曲线拟合，得到电荷量与离地距离之间的曲线拟合方程；
21.数据计算模块，配置为基于所述曲线拟合模块得到的曲线拟合方程，根据所述电荷量数据和叶片安装锥角和主轴仰角，计算得到所述叶片净空值。
22.第三方面，提供了一种风力发电机组，包括：
23.如第二方面提供的所述的风力发电机组叶片净空监测系统，所述柔性管设置在风力发电机组叶片内部的ps面上，且沿叶片从叶片的叶根延伸至叶片尖部。
24.结合第三方面，在第三方面的第一种可实现方式中，所述柔性管采用多点固定的方式固定在所述叶片上。
25.有益效果：采用本发明的风力发电机组叶片净空监测装置、系统及发电机组，在风里发电机组叶片发生伸缩变化或曲率变化时，均会导致叶片上设置的监测装置的电容值发生变化，通过电荷测量装置测量监测装置的电荷量就可以确定叶片因伸缩变化或曲率变化引起的叶片尖部相对叶片根部的叶片形变，实现叶片净空值的实时监测。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
27.图1为本发明一实施例提供的风力发电机组叶片净空监测装置的结构示意图；
28.图2为本发明一实施例提供的风力发电机组叶片净空监测系统的结构示意图；
29.图3为风力发电机组叶片的安装锥角和主轴的结构示意图；
30.附图标记：
31.1-柔性管，2-正极板，3-负极板，4-正极导线，5-负极导线，6-电荷测量装置，7-数据处理终端。
具体实施方式
32.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范
围。
33.如图1所示的风力发电机组叶片净空监测装置的结构示意图，该监测装置包括：
34.柔性管1；
35.多块正极板2、多块负极板3，均沿轴向设置于所述柔性管1内，且正极板2和负极板3沿所述柔性管1的中轴线依次间隔设置；
36.正极导线4、负极导线5，均沿所述柔性管1设置，且分别与所述正极板2和负极板3电连接。
37.具体而言，监测装置是由柔性管1、多个正极板2、多个负极板3、正极导线4和负极导线5组成。其中，所有正极板2和负极板3沿轴向分布在柔性管1内，且板面与柔性管1的中轴线垂直。正极板2和负极板3沿柔性管1依次间隔设置在柔性管1内，并分别与正极导线4和负极导线5电连接，正极导线4和负极导线5沿柔性管1设置。
38.整个柔性管1可以安装在风力发电机组叶片内部ps面，即迎风面，并从叶片的叶根至叶片尖部0.5米处。正、负极导线5可以从叶片根部引出连接恒压源，在恒压源和正负极导线5之间可以串接上电荷测量装置6，如电荷量表。
39.如此，叶片的伸缩变化和曲率变化均可以传递到柔性管1上，使得柔性管1发生伸缩或弯曲，从而引起监测装置的电容发生变化，进而引起电荷量表测得的电荷量发生变化。通过实验标定的方法可以确定电荷量与叶片的伸缩变化和曲率变化的相关性曲线，结合测量得到的电荷量和实验标定的相关性曲线可以确定叶片尖部相对叶片根部的叶片形变量，通过叶片形变量计算叶片净空值，从而实现叶片净空值的实时监测。
40.在本实施例中，可选的，所述柔性管1包括外层管和内层管，所述正极板2和负极板3固定在所述内层管内。外层管可以起到保护和绝缘的作用，内层管可以用于固定正、负极板3，正、负极导线5可以设置在内层管和外层管之间。
41.在本实施例中，可选的，所述柔性管1的弹性模量小于风力发电机组叶片的弹性模量。具体的，内、外层管均可以采用相同的弹性材料制成，该弹性材料的弹性模量需要远小于风力发电机组叶片所采用的材料的弹性模量，如此，将测量装置布置在风力发电机组叶片上也不会改变叶片本体的刚度，不会对叶片运行造成较大影响。
42.在本实施例中，可选的，考虑到监测需求的灵敏度和成本控制平衡，将相邻所述正极板2和负极板3之间间隔2毫米。应理解，本实施例仅以正极板2和负极板3间隔2毫米进行举例说明，但本发明的并不仅限于此，正极板2和负极板3之间的间距还可以是其他数值。
43.在本实施例中，可选的，所述正极导线4和负极导线5沿所述柔性管1呈s形布置。具体的，正极导线4和负极导线5在内、外管之间是的走线呈s形，如此可以预留一定的伸缩余量，确保叶片发生弯曲或伸缩时，导线不会被绷断。
44.在本实施例中，可选的，由于导线呈s型分布，正极导线4和负极导线5布置在同侧容易重叠造成短路，所以所述正极导线4和负极导线5在所述柔性管1的管线截面上呈180度对称分布，如此，正极导线4和负极导线5之间就保留了较大空间，避免正极导线4和负极导线5发生重叠。
45.如图2所示的风力发电机组叶片净空监测系统的示意图，该监测系统包括：
46.上述的风力发电机组叶片净空监测装置；
47.电荷测量装置6，与所述正极导线4和负极导线5电连接，配置为测量所述风力发电
机组叶片净空监测装置的电荷量数据；
48.数据处理终端7，与所述电荷测量装置6信号连接，配置为根据所述电荷量数据确定风力发电机组的叶片净空值。
49.具体而言，监测系统是由上述的监测装置、电荷测量装置6和数据处理终端7组成。其中，监测装置的柔性管1可以安装在风力发电机组叶片内部ps面，即迎风面，并从叶片的叶根至叶片尖部0.5米处。正、负极导线5可以从叶片根部引出连接电荷测量装置6，电荷测量装置6包括恒压源和电荷量表，正、负极导线5引出柔性管1后可以分别连接恒压源的正极和负极，在恒压源的正极和负极之间可以接入电荷量表，通过电荷量表可以测量监测装置的电容的电荷量。
50.由于叶片的伸缩变化和曲率变化均可以传递到柔性管1上，使得柔性管1发生伸缩或弯曲，从而引起监测装置的电容发生变化，进而引起电荷量表测得的电荷量发生变化。电荷量表可以将测得的电荷量发送给数据处理终端7，数据处理终端7中可以预先存储通过实验标定的方法可以确定电荷量与叶片的伸缩变化和曲率变化的相关性曲线。数据处理终端7结合收到的电荷量数据和实验标定的相关性曲线可以确定叶片尖部相对叶片根部的叶片形变量，通过叶片形变量计算叶片净空值，从而实现叶片净空值的实时监测。
51.在本实施例中，可选的，所述数据处理终端7包括：
52.数据获取模块，配置为获取大量的实验数据和电荷测量装置6测得的电荷量数据，所述实验数据包括电荷量实验数据和叶片尖部的离地距离数据；
53.曲线拟合模块，配置为根据大量的实验数据进行曲线拟合，得到电荷量与离地距离之间的曲线拟合方程；
54.数据计算模块，配置为基于所述曲线拟合模块得到的曲线拟合方程，根据所述电荷量数据和叶片安装锥角和主轴仰角，计算得到所述叶片净空值。
55.具体而言，数据处理终端7是由数据获取模块、曲线拟合模块和数据计算模块组成。其中，数据获取模块可以获取多次实验测得的实验数据和电荷量表实时测量得到的电荷数据。实验数据包括通过对叶片进行加载实验获得的电荷量实验数据和离地距离数据。
56.在叶片做加载实验时，叶片是ps朝上水平放置的，加载越大，叶片形变越大，叶片尖部就离地越近，所以通过叶片尖部的离地距离能很好的反应叶片形变。在整个实验过程中可以记录电荷量表测得的电荷量数据与叶片尖部的离地距离数据。结合实验时叶片根部在实验台固定点的离地高度数据，即可计算出叶片尖部相对叶片根部的叶片形变量。
57.为了避免复杂的数据计算，可以通过曲线拟合模块对大量的实验数据进行曲线拟合，即可得出电荷量与离地距离之间的曲线拟合方程。数据计算模块结合实时测得的电荷量数据和曲线拟合方程，即可计算出叶片尖部相对叶片根部的叶片形变量。再结合叶片安装到机组后的叶片安装锥角和主轴仰角，即可将叶片形变量转换成叶片尖部距离塔筒的距离，即叶片净空值。
58.具体计算如下：
59.如图3所示，设叶片长度为l1，叶片安装锥角为α，主轴仰角为β，叶片根部离塔筒水平距离为l2(叶片尖部塔筒高度处)，叶片形变量d1，则叶片净空d2可用下式计算。
60.d2＝l1*sin(α+β)+l2-d1。
61.一种风力发电机组，包括：
62.上述的风力发电机组叶片净空监测系统，所述柔性管1设置在风力发电机组叶片内部的ps面上，且沿叶片从叶片的叶根延伸至叶片尖部。
63.具体而言，风力发电机组设置有上述的监测系统。其中，监测装置的柔性管1可以安装在风力发电机组叶片内部ps面，即迎风面，并从叶片的叶根至叶片尖部0.5米处。正、负极导线5可以从叶片根部引出连接电荷测量装置6，电荷测量装置6包括恒压源和电荷量表，正、负极导线5引出柔性管1后可以分别连接恒压源的正极和负极，在恒压源的正极和负极之间可以接入电荷量表，通过电荷量表可以测量监测装置的电荷量。
64.由于叶片的伸缩变化和曲率变化均可以传递到柔性管1上，使得柔性管1发生伸缩或弯曲，从而引起监测装置的电容发生变化，进而引起电荷量表测得的电荷量发生变化。电荷量表可以将测得的电荷量发送给数据处理终端7，数据处理终端7中可以预先存储通过实验标定的方法可以确定电荷量与叶片的伸缩变化和曲率变化的相关性曲线。数据处理终端7结合收到的电荷量数据和实验标定的相关性曲线可以确定叶片尖部相对叶片根部的叶片形变，实现叶片净空值的实时监测。
65.在本实施例中，可选的，所述柔性管1采用多点固定的方式固定在所述叶片上，以免影响到使用效果。
66.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

技术特征：
1.一种风力发电机组叶片净空监测装置，其特征在于，包括：柔性管；多块正极板、多块负极板，均沿轴向设置于所述柔性管内，且正极板和负极板沿所述柔性管的中轴线依次间隔设置；正极导线、负极导线，均沿所述柔性管设置，且分别与所述正极板和负极板电连接。2.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片净空监测装置，其特征在于，所述柔性管包括外层管和内层管，所述正极板和负极板固定在所述内层管内。3.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片净空监测装置，其特征在于，所述柔性管的弹性模量小于风力发电机组叶片的弹性模量。4.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片净空监测装置，其特征在于，相邻所述正极板和负极板之间间隔2毫米。5.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片净空监测装置，其特征在于，所述正极导线和负极导线沿所述柔性管呈s形布置。6.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片净空监测装置，其特征在于，所述正极导线和负极导线在所述柔性管的管线截面上呈180度对称分布。7.一种风力发电机组叶片净空监测系统，其特征在于，包括：如权利要求1-6任一所述的风力发电机组叶片净空监测装置；电荷测量装置，与所述正极导线和负极导线电连接，配置为测量所述风力发电机组叶片净空监测装置的电荷量数据；数据处理终端，与所述电荷测量装置信号连接，配置为根据所述电荷量数据确定风力发电机组的叶片净空值。8.根据权利要求7所述的风力发电机组叶片净空监测系统，其特征在于，所述数据处理终端包括：数据获取模块，配置为获取大量的实验数据和电荷测量装置测得的电荷量数据，所述实验数据包括电荷量实验数据和叶片尖部的离地距离数据；曲线拟合模块，配置为根据大量的实验数据进行曲线拟合，得到电荷量与离地距离之间的曲线拟合方程；数据计算模块，配置为基于所述曲线拟合模块得到的曲线拟合方程，根据所述电荷量数据和叶片安装锥角和主轴仰角，计算得到所述叶片净空值。9.一种风力发电机组，其特征在于，包括：如权利要求7所述的风力发电机组叶片净空监测系统，所述柔性管设置在风力发电机组叶片内部的ps面上，且沿叶片从叶片的叶根延伸至叶片尖部。10.根据权利要求9所述的风力发电机组，其特征在于，所述柔性管采用多点固定的方式固定在所述叶片上。

技术总结
本发明公开了一种风力发电机组叶片净空监测装置、系统及发电机组，发电机组设置有监测系统，该监测系统包括监测装置、电荷测量装置和数据处理终端，监测装置包括柔性管、多个正、负极板，正极板和负极板沿轴向分布在柔性管内，并分别与正极导线和负极导线电连接。柔性管安装在风力发电机组叶片内部PS面，并从叶片的叶根至叶片尖部处。正、负极导线连接电荷测量装置，通过电荷测量装置测量监测装置的电荷量。电荷测量装置将测得的电荷量发送给数据处理终端，数据处理终端根据电荷量数据确定叶片尖部相对叶片根部的叶片形变，实现叶片净空值的实时监测。值的实时监测。值的实时监测。


技术研发人员：代思维 谭笑佚 谢越 艾芯羽 李素红
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团海装风电股份有限公司
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/6/3