[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

说明书

本发明公开了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，该方法的步骤为：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。该系统用来实施该方法。本发明具有原理简单、易于实现、无损、动态、可实施实时监测等优点。

技术领域

本发明主要涉及到风力发电设备领域，特指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，主要是基于叶片模态频率变化来完成叶片材料寿命损耗的在线监测。

背景技术

风力发电机组单机容量不断发展，所以对其设备进行在线监测变得尤其重要。其中，叶片是整个风力发电机组最脆弱的地方，而成本约占风力发电机组总成本的15％-20％，所以对风力机叶片材料的寿命损耗及其剩余寿命的在线监测是非常有必要的。风力机叶片的材料大部分为树脂基复合材料，叶片一旦投入运行，在各种外界因素和载荷的影响、作用下，叶片材料会发生老化，叶片材料寿命发生损耗，剩余寿命逐渐缩短。在已有的检测叶片材料寿命损耗的方法中，要么需要停机对叶片材料进行检测，要么需要从叶片上切割部分材料做为试件返回实验室进行分析检测。这些方法的检测成本高，且可能造成叶片本身的损伤。工程中需要找到一种既不影响风力机组运行又不对叶片造成损伤的叶片材料寿命损耗在线监测方法，实时评价叶片材料的寿命损耗情况，对叶片的剩余寿命做出预测与评估的新方法。

已有研究成果表明，风力机叶片材料全部损耗的寿命中，先天因素、环境因素、运行因素和维护因素造成的寿命损耗均占一定的比例。研究复合材料寿命损耗的途径主要是通过探索疲劳损伤的微观机理，通过宏观表象来描述损伤。从唯象的角度考虑，剩余强度、剩余刚度和其他机械量的退化可以描述材料的寿命损伤。在循环应力作用下，随着循环次数的增加，材料的刚度会下降，强度降低。特别是，刚度随材料的损伤而单调下降，因此能够用刚度来描述材料的损伤状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、易于实现、无损、动态、可实施实时监测的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，主要是基于叶片模态频率变化来完成叶片材料寿命损耗的在线监测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

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，主要是基于叶片模态频率变化来完成叶片材料寿命损耗的在线监测，其步骤为：

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。

作为本发明的进一步改进：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。

作为本发明的进一步改进：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。

作为本发明的进一步改进：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：