一种基于毫米波的叶片净空监测系统的制作方法

1.本发明涉及风力发电机组叶片监测技术领域，尤其涉及一种基于毫米波的叶片净空监测系统。


背景技术：

2.风力发电机组作为新能源的重要部分，其发展速度迅速，尤其随着低风区的风资源应用、海上风电机组的快速发展以及机组单机容量不断增加，叶轮直径不断增加，叶片也不断加长，叶片本身所存在的隐患也随之增加。在不同风载情况下，叶片存在摆振以及扭转情况，同时随叶片尺寸增加其变形量也随之增加，即旋转曲面在风载作用下的变化量更大。在叶片生产过程中通过工艺及设计过程中锥角设置来理论上规避该问题，但鉴于不同风况的变化，其与设计及仿真计算都存在偏差，一旦出现扫塔现象(叶尖与塔筒干涉)，尤其在载荷较大情况下出现扫塔现象，易造成倒塌现象，造成重大经济损失及安全事故。相关认证规范规定：在机组运行状态下，叶尖与塔筒壁面的最小距离相对于叶片不变形状态下的距离不得小于30％；在机组顺桨停机状态下，则不得小于5％，其中最小距离称之为叶尖塔筒净空。对于净空的有效监测从而将有效数据反馈给主控，从而实现对机组状态及边桨状态的有效控制，对于机组的安全运行具有重要意义。
3.目前对于净空的监测往往通过基于高速摄影和图像后处理分析来计算叶片塔筒净空，或者通过在机舱罩内布置激光进行叶尖位置的定位，或者通过塔筒外壁安装多个红外激光传感器或雷达实现对净空的监测。但是这些监测方法易受到雨雾、沙尘等恶劣工况的影响。另外，鉴于不同容量、不同塔筒高度、不同叶片尺寸等因素限制，在实际安装现场，各种监测净空的传感器的安装角度都需要进行调整，其角度的调整直接影响到测试的准确性，角度调整的有效性及便利性，对于现场施工及调试有着重要意义。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于毫米波的叶片净空监测系统，该叶片净空监测系统基于毫米波实现对叶片净空的动态实时容错监测，其不受雨雾、沙尘等恶劣工况的影响，具有可靠性高、精度高的优点。
5.实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
6.一种基于毫米波的叶片净空监测系统，至少包括毫米波传感器、安装支架、动力及信号线缆、智能控制器和主控机，其中毫米波传感器安装于安装支架上并通过安装支架固定于风力发电机组上，智能控制器通过动力及信号线缆与毫米波传感器连接并接收净空信号，智能控制器与主控机连接并实现主控参数双向传递，所述安装支架包括固定罩以及位于固定罩内的调节板和固定板，固定罩的后面固定连接有后罩板，所述调节板由相互垂直的第一调节板和第二调节板组成，两者固定连接为一体，第一调节板与后罩板安装连接使第二调节板立起，毫米波传感器通过固定板与第二调节板连接并从固定罩底部伸出，所述第一调节板和第二调节板上均设置有圆孔和弧形孔，圆孔和弧形孔采用同圆心设置，第一
调节板和第二调节板上的弧形孔沿不同方向设置，所述圆孔上连接有固定紧固件，弧形孔上连接有调整紧固件，第一调节板与后罩板之间以及固定板与第二调节板之间均通过固定紧固件和调整紧固件连接，并通过调整紧固件在弧形孔中的安装位置来调节毫米波传感器的安装方位，所述安装支架固定于风力发电机组的机舱罩上和/或通过滑轨安装于塔筒上，智能控制器对应安装于机舱罩内和/或塔筒底部；
7.所述机舱罩上固定有用于捕捉最小净空阈值的横向的毫米波传感器，以及用于实时捕捉叶尖与塔筒距离的纵向的毫米波传感器，实现传感设备容错互备；毫米波传感器均通过安装支架安装固定，安装支架的固定罩安装于机舱罩内，并使毫米波传感器从机舱罩上设置的安装孔内伸出；所述滑轨沿塔筒连接设置有一圈，滑轨上配套设置有滑块，安装支架固定于滑块上并使毫米波传感器朝向叶片，安装支架的侧面连接有驱动电机，通过驱动电机驱动安装支架和滑块沿滑轨移动，毫米波传感器的安装高度与叶片理论变形量达到最小净空值时的高度一致，所述驱动电机与智能控制器连接，实现驱动电机的驱动角度及运行速度的控制。
8.所述滑轨上设置有用于动力及信号线缆导向的导轨，动力及信号线缆上连接有自重块，用于偏航角度减小时动力及信号线缆的回收。
9.所述固定罩和第二调节板上分别固定连接有第一调整支撑块和第二调整支撑块，第一调整支撑块和第二调整支撑块均设置有螺纹通孔，螺纹通孔上连接有调整螺钉，调整螺钉穿过第一调整支撑块并顶置于第一调节板上且顶推第一调节板，实现第一调节板在后罩板上的位置调节；调整螺钉穿过第二调整支撑块并顶置于固定板上且顶推固定板，实现固定板在第二调节板上的位置调节。
10.所述固定罩在调整螺钉的对应位置处均设置有操作孔。
11.所述第一调整支撑块与固定罩以及第二调整支撑块与第二调节板均通过焊接相连接。
12.所述毫米波传感器固定于机舱罩的底部或靠近顶部的侧面上。
13.所述固定板呈倒“t”字型，所述毫米波传感器连接于固定板的底部，固定板与第二调节板连接，使毫米波传感器从固定罩的底部伸出。
14.所述固定板上的直角处连接固定有支撑板。
15.所述固定罩整体呈“几”字型，固定罩与机舱罩或驱动电机通过固定螺钉相连接。
16.所述固定紧固件施加有预紧力。
17.与现有技术相比，本发明提供的技术方案有以下优点：1、本发明提供的叶片净空监测系统通过在机舱罩上横向纵向布置毫米波传感器，并通过安装支架的初始调试，一方面可监测叶片的净空值，另一方面可实现单向阈值触发，快速进行安全链动作，二者容错布置实现机组更加可靠运行。
18.2、本发明提供的叶片净空监测系统在塔筒上布置时，在塔筒上设置滑轨及驱动电机，通过驱动电机带动毫米波传感器移动，以满足机组偏航时对净空的有效监测；同时驱动电机和智能控制器连接，通过接收主控机的偏航控制信息，对驱动电机的运行速度和角度进行控制，实现毫米波传感器角度、角速度的调节，从而在偏航工况时实现对叶片净空的有效监测，实现与偏航角度联动动态调整监测叶片净空变化。
19.3、本发明提供的叶片净空监测系统中毫米波传感器在机舱罩上容错布置和安装，
再通过东台移动实现塔筒上的布置，能够快速判定机组净空及叶片运行健康状态，有效确保机组的安全运行，同时还能够实现监测的容错。
20.4、本发明提供的安装支架能够实现毫米波传感器的多向调节，满足机舱罩或者塔筒上布置的毫米波传感器的调试需要，确保目标值的准确性，从而保证叶片净空数据捕捉的有效性；也能够满足不同叶轮直径、不同容量及不同场合对净空传感器的安装角度的需求；同时结合变桨角度可有效捕捉三个叶片实际运行过程中状态差异及不同载荷情况下净空变化规律，指导后续设计优化。
21.5、本发明提供的叶片净空监测系统布置于塔筒上时，滑轨上设置有导轨，实现驱动电机和毫米波传感器上连接的动力及信号线缆随着驱动电机和毫米波传感器相应行走，最终满足驱动电机及毫米波传感器对偏航角度的响应；同时，通过在动力及信号线缆上连接自重块，满足偏航角度减小情况下动力及信号线缆能够沿着导轨回收，从而避免动力及信号线缆出现卡滞。
22.6、本发明提供的叶片净空监测系统通过毫米波技术应用，可有效提高净空监控设备的环境适应性，在雨雪、大雾、沙尘工况下正常运行而避免环境因素造成监测失效。
附图说明
23.图1为本发明提供的基于毫米波的叶片净空监测系统的安装示意图；
24.图2为本发明中安装支架的轴视图；
25.图3为本发明中安装支架的主视图；
26.图4为本发明中固定罩的结构示意图；
27.其中(a)为立体图，(b)为主视图；
28.图5为本发明中调节板的结构示意图；
29.其中(a)为整体结构立体图，(b)为第二调节板的主视图，(c)为第一调节板的主视图；
30.图6为本发明中固定板与毫米波传感器的连接示意图；
31.图7为本发明中毫米波传感器在机舱罩上容错布置示意图；
32.图8为本发明中横向的毫米波传感器的扇形区示意图；
33.图9为本发明中横向的毫米波传感器的工作原理示意图；
34.图10为图1中a-a方向上毫米波传感器在塔筒上的布置示意图；
35.图11为图1中区域b的局部放大图；
36.图中：100-叶片，200-机舱罩，300-塔筒，1-智能控制器，2-动力及信号线缆，3-毫米波传感器，31-横向的毫米波传感器，32-纵向的毫米波传感器，4-安装支架，41-固定罩，411-操作孔，42-调节板，421-第一调节板，4211-圆孔a，4212-弧形孔a，4213-固定紧固件a，4214-调整紧固件a，422-第二调节板，4221-圆孔b，4222-弧形孔b，4223-固定紧固件b，4224-调整紧固件b，43-固定板，44-后罩板，45-支撑板，46-第一调整支撑块，461-调整螺钉a，47-第二调整支撑块，471-调整螺钉b，5-光纤，6-扇形区，7-滑轨，8-滑块，9-驱动电机，10-导轨，11-自重块。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。
38.实施例1
39.本实施例提供的基于毫米波的叶片净空监测系统如图1所示，至少包括毫米波传感器3、安装支架4、动力及信号线缆2、智能控制器1和主控机，其中毫米波传感器安装于安装支架上并通过安装支架固定于风力发电机组上，对叶片100的净空进行监测，毫米波传感器既可以固定于机舱罩200上，也可以固定于塔筒300上。智能控制器通过动力及信号线缆与毫米波传感器连接并接收净空信号，智能控制器通过光纤5与主控机连接，实现与主控关键参数的交互。具体地，主控机通过接收桨距角及风速、载荷传感器参数等对净空值统计并拓扑分析，实现各参数值与净空值的规律分析，通过智能控制器将监测结果反馈给主控机，有效的验证仿真计算净空值的准确性及叶片加工工艺的有效性，进而可进一步指导实际设计及制造工艺。
40.本实施例提供的安装支架4的结构如图2和图3所示，包括固定罩41以及位于固定罩内的调节板42和固定板43，固定罩的后面固定连接有后罩板44，固定罩用以承受整个安装支架的重量，并实现其固定，所述调节板由相互垂直的第一调节板421和第二调节板422组成，两者固定连接为一体，第一调节板与后罩板安装连接使第二调节板立起，本实施例中固定板呈倒“t”字型，所述毫米波传感器连接于固定板的底部，固定板与第二调节板连接，使毫米波传感器从固定罩的底部伸出。固定板上的直角处连接固定有支撑板45，确保连接稳固性。固定罩、调节板和固定板的结构分别如图4、5和6所示。
41.具体的，本实施例中第一调节板上设置有圆孔a4211和弧形孔a4212，圆孔a和弧形孔a采用同圆心设置，圆孔a上连接有固定紧固件a4213，弧形孔a上连接有调整紧固件a4214，第一调节板与后罩板之间通过固定紧固件a和调整紧固件a连接，所述固定紧固件施加有预紧力，通过调整紧固件a在弧形孔a中的安装位置来调节毫米波传感器的安装方位。本实施例中第二调节板上也设置有圆孔b4221和弧形孔b4222，圆孔b和弧形孔b采用同圆心设置，圆孔b上连接有固定紧固件b4223，弧形孔b上连接有调整紧固件b4224，固定板与第二调节板之间通过固定紧固件b和调整紧固件b连接，并通过调整紧固件b在弧形孔b中的安装位置来调节毫米波传感器的安装方位。第一调节板和第二调节板上的弧形孔沿不同方向设置，本实施例中第一调节板上的弧形孔a沿竖直方向设置，第二调节板上的弧形孔b沿前后方向设置，如图5所示，其中a度调整角和b度调整角根据毫米波传感器的需求设置，从而实现毫米波传感器在两个垂直面上的不同方位的安装角度调节。
42.为了方便安装角度的调节，进一步地本实施例中固定罩和第二调节板上分别焊接有第一调整支撑块46和第二调整支撑块47，第一调整支撑块和第二调整支撑块均设置有螺纹通孔，螺纹通孔上连接有调整螺钉，调整螺钉a461穿过第一调整支撑块并顶置于第一调节板上且顶推第一调节板，具体地，第一调整支撑块和调整螺钉a对应设置有两个，并分布后罩板上第一调节板远离第二调节板的一侧的上、下部，通过调节两个调整螺钉a在第一调整支撑块内的深度，控制调整螺钉a顶推第一调节板，使调整紧固件a在弧形孔a上调节位置，实现第一调节板位置的调节；调整螺钉b471穿过第二调整支撑块并顶置于固定板上且顶推固定板，具体地，第二调整支撑块和调整螺钉b也对应设置有两个，并分布在第二调节
板上部的前、后侧且位于固定板的两侧，为了便于第二调节板的安装，固定板上部的两侧向内有缺口，如图6所示，通过调节两个调整螺钉b在第二调整支撑块内的深度，控制调整螺钉b顶推固定板，使调整紧固件b在弧形孔b上调节位置，实现固定板位置的调节，从而实现净空传感器安装角度的调节。另外，固定罩在调整螺钉的对应位置处均设置有操作孔411，如图4所示，便于工具从操作孔中对调整螺钉进行调整。通过调整螺钉实现角度的调整，另外还可以将调整螺钉的旋转深度换算成对应的调整角度，实现精准调节。若第一调节板上的弧形孔a沿左右方向设置，第二调节板上的弧形孔b沿竖直方向设置，对应地，两个第一调整支撑块分布于后罩板上位于第一调节板左右两侧的上部，调整螺钉a顶置于第一调节板上部的两侧；两个第二调整支撑块分布于第二调节板前侧的上下部或者后侧的上下部，使调整螺钉b顶置于固定板前侧的上下部或者后侧的上下部，对应地，此时固定板前侧的上下部或者后侧的上下部向内有缺口，固定罩在调整螺钉的对应位置处均设置有操作孔，此时也能够实现毫米波传感器安装角度的调节。
43.本实施例毫米波传感器在机舱罩上和塔筒上均有设置，此时智能控制器对应安装在机舱罩内和塔筒底部，如图1所示，毫米波传感器可以固定于机舱罩的底部或靠近顶部的侧面上。每个毫米波传感器均通过安装支架安装固定。本实施例中，安装支架的固定罩整体呈“几”字型，固定罩与机舱罩通过固定螺钉相连接。当安装于塔筒上时，固定罩的侧面与驱动电机相连接并通过固定螺钉固定。
44.本实施例中机舱罩的底部固定有横向的毫米波传感器31以及纵向的毫米波传感器32，毫米波传感器均从机舱罩上设置的安装孔内伸出并监测叶片净空。通过安装支架调节横向的毫米波传感器，使其用于捕捉最小净空阈值，若在横向的毫米波传感器监测的扇形区内出现叶片，就会触发安全链，主控机控制策略实现机组的安全保护；通过安装支架调节纵向的毫米波传感器，使其用于实时捕捉旋转过程中进入监测扇形区内的叶尖与塔筒间的距离，实现传感设备容错互备，如图7所示。当其中一组毫米波传感器出现故障后，另一组仍然可实现对净空安全的保证。横向的毫米波传感器的扇形区如图8所示，其扇形区与叶片形成近似平行的结构，一旦净空值过小，达到安全阀值，叶尖进入到扇区，即可捕捉到其行走轨迹，并由智能控制器进行有效的信息传递，从而实现主控机控制策略的下达，确保机组的安全运行。
45.横向的毫米波传感器的作用原理如图9所示，叶片在不受风载作用下，叶尖与塔筒的距离为l0，而实际在风载作用下，叶片会发生弯曲变形，其理论变形量达到最小叶片净空l’时，叶片的叶尖位置实际离地距离更高，通过其高度及最小净空值l’及横向的毫米波传感器在机舱罩内布置位置，从而确定其倾角位置，并通过其扇区延长到地面捕捉到距离塔筒壁面的距离ls，通过对该位置的捕捉最终完成横向的毫米波传感器的初始调试，毫米波传感器的初始调试(调试扇区和角度)通过安装支架的调整螺钉完成。同样地，纵向的毫米波传感器也需要通过调整螺钉进行初始调试，使其扇形区能够实时捕捉旋转过程中进入监测扇形区内的叶尖与塔筒间的距离。
46.当毫米波传感器布置于塔筒上时，机组实际运行过程中会出现偏航工况，如固定毫米波传感器的位置，随着偏航工况的发生，毫米波传感器将不能有效实现对净空的监测。因此本实施例中塔筒上的毫米波传感器通过滑轨7安装于塔筒上，如图10所示。毫米波传感器的安装高度与叶片理论变形量达到最小净空值l’时的高度一致，同时通过安装支架的调
整螺钉对毫米波传感器进行初始调试，从而可实时监测通过塔筒前后一段区域内的叶片轨迹变化，以此捕捉叶片与塔筒的间距，使毫米波传感器能够对叶片叶根尖部与塔筒间距离的捕捉，从而实现净空的有效监测及规律捕捉。滑轨沿塔筒连接设置有一圈，滑轨上配套设置有滑块8，滑块在滑轨上移动，安装支架固定于滑块上并使毫米波传感器朝向叶片，安装支架的侧面连接有驱动电机9，此时，安装支架的前面开口处朝下安装，通过驱动电机驱动安装支架和滑块沿滑轨移动，驱动电机与智能控制器连接，通过智能控制器接收主控机的偏航控制信息，从而对驱动电机实现相应的角度控制及运行速度控制，实现毫米波传感器始终能够对叶片叶根尖部与塔筒间距离的捕捉。
47.在驱动电机驱动过程中，动力及信号线缆也将进行相应的移动，因而实际配置过程中，需要足够的长度确保偏航最大角度的需求，为了能够有效的导向行走，在滑轨上设置有导轨10，实现对动力及信号线缆的导向，同时由于动力及信号线缆自重较小，当期长度及重量不能满足偏航小角度调整时沿导轨自动回收，因此在动力及信号线缆上连接设置自重块11，通过其自重实现偏航角度减小工况下动力及信号线缆的有效回收，如图11所示。