風力發電機葉尖塔筒凈空的測量方法
【專利摘要】本發明涉及一種風力發電機葉尖塔筒凈空的測量方法，在塔筒外壁上安裝2D激光掃描儀，高度位于葉片掃過塔筒時葉尖最低點往上1米的位置。2D激光掃描儀旋轉掃描獲取與葉片之間的距離及角度，采集的數據通過數據線送入數據采集器，數據采集器根據采集的2D激光掃描儀與葉片距離以及激光掃描儀掃描方位角計算出葉片和塔筒間的凈空距離，實現在風機所有運行工況下風輪掃過塔筒時葉尖距離塔筒凈空距離的實時動態測量，并跟風機運行數據進行同步存儲，進行實時的數據后處理。該測量方法中系統應用方便，可以滿足在各種復雜地形下風機上的安裝，并在風機各種運行工況下進行葉尖塔筒凈空數據測量。
【專利說明】
風力發電機葉尖塔筒凈空的測量方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種測試技術，特別涉及一種風力發電機葉尖塔筒凈空的測量方法。
【背景技術】
[0002]葉尖塔筒凈空是指風力發電機輪轂轉動時葉片掃過塔筒時葉尖部位距離塔筒的最小幾何距離；葉片迎風受力旋轉所形成的旋轉曲面形狀往往會隨風力載荷的變化而變化，為了避免葉片與塔筒間的運動干涉，在設計時需要通過仿真計算出各種工況下的葉尖塔筒凈空距離，確保風機的運行安全。
[0003]葉尖塔筒凈空測量系統的設計目的是為了實時地直接測量計算出各種風況下的葉尖塔筒凈空，并實現跟風機運行數據的同步，實現跟設計仿真的閉環驗證，特別是對復雜山地地形下的凈空距離驗證。
[0004]當前市場上的產品主要是基于高速攝影和圖像后處理分析來計算葉片塔筒凈空，主要存在以下缺陷:需要復雜的數據后處理分析，無法實時計算出凈空測量值;凈空距離通過圖像處理得到，測量不確定度受拍攝機位跟被測風機的相對角度影響很大;風機運行過程中，需要根據不同的偏航位置不斷的調整拍攝位置，難以保證數據一致性;惡劣天氣和夜間無法測量數據;跟風機數據同步困難。
【發明內容】
[0005]本發明是針對風機在運行過程中不同偏航位置、風輪高速旋轉下凈空測量困難的問題，提出了一種風力發電機葉尖塔筒凈空的測量方法，實現了風機所有工況下的實時動態測量。
[0006]本發明的技術方案為:一種風力發電機葉尖塔筒凈空的測量方法，風力發電機固定在作為豎直支架的塔筒頂端，風力發電機前端為旋轉葉片，在塔筒外壁上安裝2D激光掃描儀，2D激光掃描儀安裝高度位于旋轉葉片掃過塔筒時葉尖最低點以上I米的位置，2D激光掃描儀在同一高度旋轉掃描，2D激光掃描儀旋轉掃描獲取與葉片之間的距離，采集的數據通過數據線送入數據采集器，數據采集器根據采集的2D激光掃描儀與葉片掃過最小距離計算出最小凈空距離。
[0007]當葉片掃過時，2D激光掃描儀通過獲取激光反射信息，通過反射信息得到葉尖掃過平面與2D激光掃描儀的距離，葉尖掃過平面與2D激光掃描儀之間的方向向量與2D激光掃描儀坐標系的夾角，通過不斷掃描與計算距離，最小值為葉片通過最低點時與激光掃描儀的距離Lmin，Lmin與激光掃描儀和塔筒軸心連線夾角為Φ，最小凈空距離S=Lmin+R( cos Φ -1)，R為2D激光掃描儀安裝高度對應的塔筒半徑。
[0008]所述2D激光掃描儀有三個，在塔筒同一高度切面圓三等份點上各安裝一個，實現360度全方位測試。
[0009]本發明的有益效果在于:本發明風力發電機葉尖塔筒凈空的測量方法，實現了風機所有工況下的動態自動測量;直接測量出風機風輪掃過塔筒時葉尖距離塔筒的凈空距離，不需要復雜的后數據處理，實現跟風機運行數據的實時同步存儲;安裝方便，可以滿足在各種復雜地形下風機上的安裝，從而實現在各種復雜地形下風機運行的葉片塔筒凈空數據測量。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明風力發電機葉尖塔筒凈空的測量結構示意圖；
圖2為本發明風力發電機葉尖塔筒凈空的測量算法示意圖；
圖3為本發明3個2D激光掃描儀實現360度全方位測量示意圖。
【具體實施方式】
[0011]如圖1所示風力發電機葉尖塔筒凈空的測量結構示意圖，測量系統包括2D激光掃描儀4和數據采集器6，風力發電機2固定在作為豎直支架的塔筒3頂端，風力發電機2前端為三個旋轉葉片I，在塔筒3外壁上安裝2D激光掃描儀4，高度位于旋轉葉片I掃過塔筒3時葉尖最低點以上約I米的位置，2D激光掃描儀4通過數據線5將采集數據送入數據采集器6。示意圖中的虛線表示測量范圍，在安裝時應注意使激光掃描儀安裝高度對著的塔筒軸心與激光掃描儀連線與當地主風向相同。
[0012]測量所選用的2D激光掃描儀4，具有在平面內捕獲物體距離和所在角度的功能。2D激光掃描儀4進行360°的高速(最高50Hz)順時針，旋轉掃描，掃面儀在掃面平面360°上進行逐點的距離測量，同時測得被測量點跟掃描儀之間的角度信號，根據測得的距離和角度計算出葉尖跟塔筒的凈空距離。當葉片掃過時，2D激光掃描儀4通過獲取激光反射信息，得到葉尖掃過平面上的若干散點，這些散點的信息包含散點到2D激光掃描儀4的距離，以及散點與2D激光掃描儀4之間的方向向量與2D激光掃描儀4坐標系的夾角。
[0013]根據測得的距離和角度計算出葉尖跟塔筒的凈空距離，如圖2所示，圖中圓為2D激光掃描儀4所在高度塔筒的截面圖，通過不斷掃描，可以獲得葉片在位置與掃描儀的距離，通過數理統計可得出其最小值，即葉片通過最低點時與激光掃描儀的距離(Lmin)，Lmin與激光掃描儀和塔筒軸心連線夾角為?，Lmin與激光掃描儀安裝點(K點)在塔筒外圓切平面的夾角Θ，因為Φ+θ=90°，所以Φ=90°-θ。又因塔筒軸心到葉片掃過平面的距離與所測得最小距離Lmin平行，所以可得塔筒軸心與K點連線和塔筒軸心到葉片掃過平面的距離的夾角也為Φ。如圖2所示可以得到如下等式:
S+R=d+RcosΦ=Lmin+RcosΦ即 S=Lmin+R(cosΦ-1)
式中R為塔筒半徑，S即為最小凈空距離。
[0014]一個2D激光掃描儀能實現120度偏航角度上凈空距離的測量，基本滿足主風向上凈空測量的需求;如果使用3個2D激光掃描儀可以實現360度全方位偏航角度下的葉片塔筒凈空測量，其示意圖如圖3所示，4a、4b、4c為3個2D激光掃描儀安裝點，在塔筒切面圓三等份點上各安裝一個。
[0015]該測量系統可以實現全天候24小時的測量，晚上的測量效果優于白天，該葉片塔筒凈空測量系統在非雨雪天氣下運行最佳，激光掃面頻率為50Hz，采樣頻率250K Hz,能保證葉片每掃過塔筒時都能采集到5個數據。
【主權項】
1.一種風力發電機葉尖塔筒凈空的測量方法，風力發電機固定在作為豎直支架的塔筒頂端，風力發電機前端為旋轉葉片，其特征在于，在塔筒外壁上安裝2D激光掃描儀，2D激光掃描儀安裝高度位于旋轉葉片掃過塔筒時葉尖最低點以上I米的位置，2D激光掃描儀在同一高度旋轉掃描，2D激光掃描儀旋轉掃描獲取與葉片之間的距離，采集的數據通過數據線送入數據采集器，數據采集器根據采集的2D激光掃描儀與葉片掃過最小距離計算出最小凈空距離。2.根據權利要求1所述風力發電機葉尖塔筒凈空的測量方法，其特征在于，當葉片掃過時，2D激光掃描儀通過獲取激光反射信息，通過反射信息得到葉尖掃過平面與2D激光掃描儀的距離，葉尖掃過平面與2D激光掃描儀之間的方向向量與2D激光掃描儀坐標系的夾角，通過不斷掃描與計算距離，最小值為葉片通過最低點時與激光掃描儀的距離Lmin，Lmin與激光掃描儀和塔筒軸心連線夾角為Φ，最小凈空距離S=Lmin+R(COs Φ -1)，R為2D激光掃描儀安裝高度對應的塔筒半徑。3.根據權利要求1所述風力發電機葉尖塔筒凈空的測量方法，其特征在于，所述2D激光掃描儀有三個，在塔筒同一高度切面圓三等份點上各安裝一個，實現360度全方位測試。
【文檔編號】G01B11/02GK106091941SQ201610450183
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月21日
【發明人】周鋒, 王際洲, 王峰
【申請人】遠景能源（江蘇）有限公司