[发明专利]一种基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测方法及系统

权利要求书

1.一种基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于，步骤为：

S1：检测和采集风力机叶片的振动加速度信号；

S2：利用采集的叶片振动加速度信号，计算叶片的实际低阶模态频率；

S3：计算出实际叶片低阶模态频率的平方与新机组投运时同一运行工况下的模态频率的平方差；

S4：利用模态频率的平方差的相对变化量得出叶片挥舞方向的模态刚度相对变化量；

S5：利用叶片挥舞方向模态刚度的相对变化量得出叶片材料的寿命损耗率。

2.根据权利要求1所述的基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于：所述叶片振动加速度信号包括每个叶片的翼展方向上若干个振动加速度传感器的信号。

3.根据权利要求1所述的基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于：所述步骤S1中采集到的叶片振动加速度信号x(t)经由信号放大和滤波的前置处理后再进行处理。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于：所述步骤S2的具体步骤为：

S201：利用采集到的叶片振动加速度信号x(t)，根据下式(1)计算各点振动信号的自相关函数：

其中，R_x(τ)-自相关函数；t-时间；τ-延迟时间；

S202：利用各点振动信号的自相关函数，根据下式(2)计算振动信号的功率谱：

其中，S_x(f)-振动信号的功率谱，即频谱函数；f-振动信号的频率；

S203：利用各点振动信号的功率谱，选择靠近叶尖位置的传感器信号为参考信号，根据下式(3)计算其余各点信号的互功率谱：

其中，S_pq(f)-p、q两点振动信号的互功率谱；S_xp(f)-点p振动信号的功率谱；S_xq(f)-参考点q振动信号的功率谱；

S204：利用各点信号的互功率谱中，通过下述方法获得叶片的自振频率：对于互功率谱上的峰值点，若某一频率处的互功率谱相位在0°或者150°～210°，且相干函数值保持在0.95以上，那么此处频率就是叶片的真实固有频率，即叶片的实际低阶模态频率。

5.根据权利要求4所述的基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于：在所述步骤S3中，利用得到的叶片低阶模态频率，并按照下式(4)计算叶片某阶模态频率的变化量：

其中，f_0i-叶片i阶模态频率；f_i-i阶实测频率；ε-i阶模态频率的相对变化量。

6.根据权利要求5所述的基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于：在所述步骤S4中，利用所述步骤S3计算出来的叶片某阶模态频率的变化量，按照下式(5)计算叶片某阶模态刚度的变化量：

其中，λ-叶片模态刚度的变化量；E-材料的弹性模量；ΔE-弹性模量变化值。

7.根据权利要求5所述的基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于：在所述步骤S5中，所述步骤S4计算出来的叶片某阶模态刚度的变化量，按照下式(6)计算叶片材料寿命的损耗量：

η＝f(λ)α+βλ+γλ²

(6)

其中，η-叶片材料的寿命损耗量；f(λ)-与叶片材料弹性模量变化相关的函数；α、β、γ-分别是多项式的各项系数。

8.根据权利要求1或2或3所述的基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测方法，其特征在于：在上述步骤中，小型风力机每根叶片安装2～3个振动测点，中型风力机每根叶片安装3～5个振动测点，大型风力机每根叶片安装5～7个振动测点。

9.一种基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，其特征在于，包括：

第一模块，用来检测和采集风力机叶片的振动加速度信号；

第二模块，用来利用采集的叶片振动加速度信号，计算叶片的实际低阶模态频率；

第三模块，用来计算出实际叶片低阶模态频率的平方与新机组投运时同一运行工况下的模态频率的平方差；

第四模块，用来利用模态频率的平方差的相对变化量得出叶片挥舞方向的模态刚度相对变化量；

第五模块，用来利用叶片挥舞方向模态刚度的相对变化量得出叶片材料的寿命损耗率。