風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖塔筒凈空的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(diǎn)往上1米的位置。2D激光掃描儀旋轉(zhuǎn)掃描獲取與葉片之間的距離及角度，采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線送入數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器根據(jù)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(jì)算出葉片和塔筒間的凈空距離，實(shí)現(xiàn)在風(fēng)機(jī)所有運(yùn)行工況下風(fēng)輪掃過塔筒時葉尖距離塔筒凈空距離的實(shí)時動態(tài)測量，并跟風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行同步存儲，進(jìn)行實(shí)時的數(shù)據(jù)后處理。該測量方法中系統(tǒng)應(yīng)用方便，可以滿足在各種復(fù)雜地形下風(fēng)機(jī)上的安裝，并在風(fēng)機(jī)各種運(yùn)行工況下進(jìn)行葉尖塔筒凈空數(shù)據(jù)測量。
【專利說明】
風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖塔筒凈空的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種測試技術(shù)，特別涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖塔筒凈空的測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]葉尖塔筒凈空是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂轉(zhuǎn)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(fēng)受力旋轉(zhuǎn)所形成的旋轉(zhuǎn)曲面形狀往往會隨風(fēng)力載荷的變化而變化，為了避免葉片與塔筒間的運(yùn)動干涉，在設(shè)計(jì)時需要通過仿真計(jì)算出各種工況下的葉尖塔筒凈空距離，確保風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全。
[0003]葉尖塔筒凈空測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為了實(shí)時地直接測量計(jì)算出各種風(fēng)況下的葉尖塔筒凈空，并實(shí)現(xiàn)跟風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的同步，實(shí)現(xiàn)跟設(shè)計(jì)仿真的閉環(huán)驗(yàn)證，特別是對復(fù)雜山地地形下的凈空距離驗(yàn)證。
[0004]當(dāng)前市場上的產(chǎn)品主要是基于高速攝影和圖像后處理分析來計(jì)算葉片塔筒凈空，主要存在以下缺陷:需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)后處理分析，無法實(shí)時計(jì)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(jī)位跟被測風(fēng)機(jī)的相對角度影響很大;風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中，需要根據(jù)不同的偏航位置不斷的調(diào)整拍攝位置，難以保證數(shù)據(jù)一致性;惡劣天氣和夜間無法測量數(shù)據(jù);跟風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)同步困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是針對風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中不同偏航位置、風(fēng)輪高速旋轉(zhuǎn)下凈空測量困難的問題，提出了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖塔筒凈空的測量方法，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)所有工況下的實(shí)時動態(tài)測量。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖塔筒凈空的測量方法，風(fēng)力發(fā)電機(jī)固定在作為豎直支架的塔筒頂端，風(fēng)力發(fā)電機(jī)前端為旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)葉片掃過塔筒時葉尖最低點(diǎn)以上I米的位置，2D激光掃描儀在同一高度旋轉(zhuǎn)掃描，2D激光掃描儀旋轉(zhuǎn)掃描獲取與葉片之間的距離，采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線送入數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器根據(jù)采集的2D激光掃描儀與葉片掃過最小距離計(jì)算出最小凈空距離。
[0007]當(dāng)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(biāo)系的夾角，通過不斷掃描與計(jì)算距離，最小值為葉片通過最低點(diǎn)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(yīng)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(diǎn)上各安裝一個，實(shí)現(xiàn)360度全方位測試。
[0009]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖塔筒凈空的測量方法，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)所有工況下的動態(tài)自動測量;直接測量出風(fēng)機(jī)風(fēng)輪掃過塔筒時葉尖距離塔筒的凈空距離，不需要復(fù)雜的后數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)跟風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時同步存儲;安裝方便，可以滿足在各種復(fù)雜地形下風(fēng)機(jī)上的安裝，從而實(shí)現(xiàn)在各種復(fù)雜地形下風(fēng)機(jī)運(yùn)行的葉片塔筒凈空數(shù)據(jù)測量。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖塔筒凈空的測量結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖塔筒凈空的測量算法示意圖；
圖3為本發(fā)明3個2D激光掃描儀實(shí)現(xiàn)360度全方位測量示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]如圖1所示風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖塔筒凈空的測量結(jié)構(gòu)示意圖，測量系統(tǒng)包括2D激光掃描儀4和數(shù)據(jù)采集器6，風(fēng)力發(fā)電機(jī)2固定在作為豎直支架的塔筒3頂端，風(fēng)力發(fā)電機(jī)2前端為三個旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)葉片I掃過塔筒3時葉尖最低點(diǎn)以上約I米的位置，2D激光掃描儀4通過數(shù)據(jù)線5將采集數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)采集器6。示意圖中的虛線表示測量范圍，在安裝時應(yīng)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(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向相同。
[0012]測量所選用的2D激光掃描儀4，具有在平面內(nèi)捕獲物體距離和所在角度的功能。2D激光掃描儀4進(jìn)行360°的高速(最高50Hz)順時針，旋轉(zhuǎn)掃描，掃面儀在掃面平面360°上進(jìn)行逐點(diǎn)的距離測量，同時測得被測量點(diǎn)跟掃描儀之間的角度信號，根據(jù)測得的距離和角度計(jì)算出葉尖跟塔筒的凈空距離。當(dāng)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(diǎn)，這些散點(diǎn)的信息包含散點(diǎn)到2D激光掃描儀4的距離，以及散點(diǎn)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(biāo)系的夾角。
[0013]根據(jù)測得的距離和角度計(jì)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(shù)理統(tǒng)計(jì)可得出其最小值，即葉片通過最低點(diǎn)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(diǎn)(K點(diǎn))在塔筒外圓切平面的夾角Θ，因?yàn)棣?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(diǎn)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(shí)現(xiàn)120度偏航角度上凈空距離的測量，基本滿足主風(fēng)向上凈空測量的需求;如果使用3個2D激光掃描儀可以實(shí)現(xiàn)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(diǎn)，在塔筒切面圓三等份點(diǎn)上各安裝一個。
[0015]該測量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全天候24小時的測量，晚上的測量效果優(yōu)于白天，該葉片塔筒凈空測量系統(tǒng)在非雨雪天氣下運(yùn)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(shù)據(jù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖塔筒凈空的測量方法，風(fēng)力發(fā)電機(jī)固定在作為豎直支架的塔筒頂端，風(fēng)力發(fā)電機(jī)前端為旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)葉片掃過塔筒時葉尖最低點(diǎn)以上I米的位置，2D激光掃描儀在同一高度旋轉(zhuǎn)掃描，2D激光掃描儀旋轉(zhuǎn)掃描獲取與葉片之間的距離，采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線送入數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器根據(jù)采集的2D激光掃描儀與葉片掃過最小距離計(jì)算出最小凈空距離。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖塔筒凈空的測量方法，其特征在于，當(dāng)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(biāo)系的夾角，通過不斷掃描與計(jì)算距離，最小值為葉片通過最低點(diǎn)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(yīng)的塔筒半徑。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(diǎn)上各安裝一個，實(shí)現(xiàn)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(fā)明人】周鋒, 王際洲, 王峰
【申請人】遠(yuǎn)景能源（江蘇）有限公司