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CN116906268A - 一种变桨抗涡效果检测风力发电机 - Google Patents

一种变桨抗涡效果检测风力发电机 Download PDF

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CN116906268A
CN116906268A CN202310930199.7A CN202310930199A CN116906268A CN 116906268 A CN116906268 A CN 116906268A CN 202310930199 A CN202310930199 A CN 202310930199A CN 116906268 A CN116906268 A CN 116906268A
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tower
controller
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赵海玉
孙浩
衣扬
段丛贵
李力坤
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Hebei Branch Of Huaneng New Energy Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种变桨抗涡效果检测风力发电机，涉及风力发电机领域，其中风力发电机组包括塔架、机舱、轮毂以及多个叶片，还包括控制器，控制器内设置有风向变桨抗涡效果检测装置；叶片上设置有多个振动传感器，机舱的上方安装有风速传感器和风向传感器，塔架与机舱之间安装有偏航系统，轮毂和叶片之间安装有变桨驱动系统，振动传感器、风速传感器、风向传感器、变桨驱动系统和偏航系统均与控制器电连接。本发明通过多个感应件的设计可以获取有效的数据，通过风向变桨抗涡效果检测装置获取振动衰减效果对比图，并将相应的数据反馈给控制器并发出指令，及时对叶片的位置和角度进行调整，提高工作中的安全性及电能转化输出的稳定性。

Description

一种变桨抗涡效果检测风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电机领域，尤其涉及一种变桨抗涡效果检测风力发电机。
背景技术
风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电机一般有风轮、发电机(包括装置)、调向器(尾翼)、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电。
风电机组工作时会产生涡振现象，具体的，涡振又称涡激振动，是在低风速下出现的一种风致振动现象。从流体的角度来分析，任何非流线型物体，在一定的恒定流速下，都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡。风力发电机(以下简称：风电机)通电运转时发生涡振的概率较小，如果发生，通过偏航对风即可缓解；对于断电情况下的风机，发生涡振的概率相对较大，并且无法偏航对风，将叶片调整至特定的桨距角来增大风机的气动阻尼，已成为一种抑制涡振的手段。此外，风电机组在停机状态下，其叶片和塔筒都有可能产生涡激，即风出国风电机组时，塔筒的尾流左右两侧产生成对的、交替排列的反对称旋涡，使塔筒产生涡激振动。随着风电技术的发展，塔筒高度增加的同时钢制塔筒刚度变柔，进一步的增加涡激振动。
因此，如何提供一种变桨抗涡效果检测风力发电机，能够自动对抗涡效果进行快速、准确地检测，并为变桨来抑制涡振的有效偏航范围提供数据支持，及时调整叶片的角度，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种变桨抗涡效果检测风力发电机，解决背景技术所列出的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种变桨抗涡效果检测风力发电机，包括风力发电机组，所述风力发电机组包括塔架、安装在塔架顶端的机舱、安装在机舱一端的轮毂以及安装于轮毂上的多个叶片，还包括安装在所述机舱内的控制器，所述控制器内设置有风向变桨抗涡效果检测装置；所述叶片上设置有多个振动传感器，所述机舱的上方安装有风速传感器和风向传感器，所述塔架与所述机舱之间安装有偏航系统，所述轮毂和所述叶片之间安装有变桨驱动系统，所述振动传感器、风速传感器、风向传感器、变桨驱动系统和偏航系统均与所述控制器电连接。
优选的，所述风向变桨抗涡效果检测装置包括数据仿真单元、数据建模单元和检测计算单元，
所述数据仿真单元用于对风力发电机的抗涡叶片的摆动瞬态过程进行流体动力学仿真计算，获取所述抗涡叶片在摆动方向上的气动阻力时序数据；
所述数据建模单元，用于对所述气动阻力时序数据进行多元回归分析，确定叶根摆幅和来流风速对所述抗涡叶片的气动阻力的交互影响，构建所述抗涡叶片的气动阻力数学模型；
所述检测计算单元，用于对所述气动阻力数学模型与所述风力发电机的等效动力学模型进行耦合，以用于计算所述抗涡叶片在加入气动阻力前后的振动衰减，形成振动衰减效果对比图；
所述控制器中包含抗涡检测处理器和存储器，所述存储器上存储有所述抗涡检测处理器上运行的程序或指令，所述检测计算单元形成的振动衰减效果对比图存储在所述存储器上，并通过所述控制器完成后序指令的下达。
优选的，所述控制器的后序指令包括发送给变桨驱动系统的变桨调整指令和发送给偏航系统的偏航调整指令。
优选的，所述塔架的顶端、所述机舱和所述轮毂上均设置有监测用的振动传感器。
优选的，所述塔架的中上段的塔筒外周设置有涡激振防护装置，所述涡激振防护装置包括扰流件、柔性绳和固定组件，所述固定组件连接在所述塔架的顶部和相邻两个塔架单体之间，所述柔性绳贯穿所述扰流件的中心后螺旋缠绕在所述塔架的外侧壁上，柔性绳的两端定位连接在所述固定组件上。
优选的，所述扰流件通过多个扰流块串联组成，所述扰流块的中心设置有连接通孔，所述柔性绳贯穿连接在所述连接通孔内。
优选的，所述扰流块的外周面上喷涂有反光防护层。
优选的，所述扰流块的截面设置为正三角形，所述正三角形的边设置为直边或内凹的弧形边。
优选的，所述扰流块通过两个正三角形的端板和中间的风扇式三棱体连接组成，所述连接通孔贯穿设置在所述端板和风扇式三棱体的中心上。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明一种变桨抗涡效果检测风力发电机，通过风向变桨抗涡效果检测装置的增加，通过对抗涡叶片的气动阻力进行建模，再与风力发电机的结构动力学模型进行耦合计算，能有效地针对风力发电机的变桨抗涡效果的进行预测，相较于现场测试和风洞模型试验的成本更低，但比工程算法更加准确，同时通过检测结果可以更好的反馈给控制器，发出对应的调整指令；
通过涡激振防护装置的设计，可以防止塔架中上部的塔筒产生涡激振动；柔性绳可以将扰流件固定在塔筒上，且不破坏塔筒的结构，确保塔筒的结构强度，便于施工。
本发明构思巧妙，布局合理，将多个感应部件合理的布置到风力发电机组的相应位置，获取有效的监测数据直接传输至控制器内，通过风向变桨抗涡效果检测装置计算得到振动衰减效果对比图，并将相应的数据反馈给控制器，针对不同的自然状态，发出指令及时对叶片的位置和角度进行调整，提高风力发电机组工作时的安全性及电能转化输出的稳定性。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明变桨抗涡效果检测风力发电机的控制系统图；
图2为本发明变桨抗涡效果检测风力发电机结构示意图；
图3为本发明风向变桨抗涡效果检测装置工作流程图；
图4为本发明涡激振防护装置结构示意图；
图5为本发明扰流块实施例一结构示意图；
图6为本发明扰流块实施例二结构示意图；
图7为本发明扰流块实施例三结构示意图；
图8为本发明扰流块、柔性绳和固定组件连接结构示意图；
附图标记说明：100、风力发电机组；101、塔架；101-1、连接法兰；102、机舱；103、轮毂；104、叶片；105、涡激振防护装置；106、变桨驱动系统；107、偏航系统；
105-1、扰流块；105-2、柔性绳；105-3、反光防护层；105-4、固定组件；
200、控制器；201、振动传感器；202、风速传感器；203、风向传感器；204、风向变桨抗涡效果检测装置。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-8所示，一种变桨抗涡效果检测风力发电机，包括风力发电机组100，所述风力发电机组100包括塔架101、安装在塔架101顶端的机舱102、安装在机舱102一端的轮毂103以及安装于轮毂103上的多个叶片104，还包括安装在所述机舱102内的控制器200，所述控制器200内设置有风向变桨抗涡效果检测装置204；所述叶片104上设置有多个振动传感器201，所述机舱102的上方安装有风速传感器202和风向传感器203，所述塔架101与所述机舱102之间安装有偏航系统107，所述轮毂103和所述叶片104之间安装有变桨驱动系统106，所述振动传感器201、风速传感器202、风向传感器203、变桨驱动系统106和偏航系统107均与所述控制器200电连接。
具体的，所述风向变桨抗涡效果检测装置204包括数据仿真单元、数据建模单元和检测计算单元，所述数据仿真单元用于对风力发电机的抗涡叶片的摆动瞬态过程进行流体动力学仿真计算，获取所述抗涡叶片在摆动方向上的气动阻力时序数据；所述数据建模单元，用于对所述气动阻力时序数据进行多元回归分析，确定叶根摆幅和来流风速对所述抗涡叶片的气动阻力的交互影响，构建所述抗涡叶片的气动阻力数学模型；所述检测计算单元，用于对所述气动阻力数学模型与所述风力发电机的等效动力学模型进行耦合，以用于计算所述抗涡叶片在加入气动阻力前后的振动衰减，形成振动衰减效果对比图；所述控制器200中包含抗涡检测处理器和存储器，所述存储器上存储有所述抗涡检测处理器上运行的程序或指令，所述检测计算单元形成的振动衰减效果对比图存储在所述存储器上，并通过所述控制器200完成后序指令的下达。
通过该实施例提供的变桨抗涡效果检测装置，在具体运行时，可以执行一种变桨抗涡效果检测方法：
步骤一：对风力发电机的抗涡叶片的摆动瞬态过程进行流体动力学仿真计算，获取所述抗涡叶片在摆动方向上的气动阻力时序数据。本发明采用CFD仿真分析的方法，模拟风力发电机的抗涡叶片(以下简称叶片)的摆动过程，从而获取到抗涡叶片在摆动方向上的，在时序上所承受到的气动阻力(也可以理解成气动载荷)并记录成气动阻力时序数据。其中，采用CFD仿真分析的方法，模拟风力发电机的抗涡叶片(以下简称叶片)的摆动过程，主要是建立整个叶片的CFD流场模型，通过模拟实验设计方案中的不同工况，对叶片在各个摆动时间点上的气动阻力进行计算。该变桨抗涡效果检测方法，主要是针对配置有抗涡叶片的风力发电机。其中，抗涡叶片是指可通过调整桨距角，以提供足够的气动阻力来抑制涡振的叶片，是目前风力发电机的主流选择。
步骤二：对所述气动阻力时序数据进行多元回归分析，确定叶根摆幅和来流风速对所述抗涡叶片的气动阻力的交互影响，构建所述抗涡叶片的气动阻力数学模型。具体的，通过对气动阻力时序数据这一仿真结果进行多元回归分析，综合确定出叶片的摆动幅度以及来流风速等因素对整个叶片所受到的气动阻力的综合影响(也称交互影响)，以建立整个叶片的气动阻力数学模型。
步骤三：对所述气动阻力数学模型与所述风力发电机的等效动力学模型进行耦合，以用于计算所述抗涡叶片在加入气动阻力前后的振动衰减，形成振动衰减效果对比图。
本发明的叶片104采用变桨叶片，所述控制器200的后序指令包括发送给变桨驱动系统106的变桨调整指令和发送给偏航系统107的偏航调整指令。通过计算结果，针对不同的自然状态及时对叶片的位置和角度进行调整，以保证风力发电机组100的安全性及电能转化输出的稳定性。
具体的，所述塔架101的顶端、所述机舱102和所述轮毂103上均设置有监测用的振动传感器201，以保证计算所需要相关数据的输入。
此外，如图4-8所示，所述塔架101的中上段的塔筒外周设置有涡激振防护装置105，所述涡激振防护装置105包括扰流件、柔性绳105-2和固定组件105-4，所述固定组件连接在所述塔架101的顶部和相邻两个塔架单体之间，所述柔性绳105-2贯穿所述扰流件的中心后螺旋缠绕在所述塔架101的外侧壁上，柔性绳105-2的两端定位连接在所述固定组件上。
具体的，如图8所示，所述固定组件105-4包括固定板、安装板和安装吊耳，其中，固定板上设置有固定孔，其用于供紧固件(如螺栓或螺钉等)穿过，以将固定组件安在塔架101的连接法兰101-1上。优选地，固定孔设有两个，且为斜腰形孔，以便于调节位置，方便安装；安装板固定设置在固定板上，且与固定板之间具有夹角。安装板可以通过焊接、铆接等方式与固定板固定连接，其与固定板的夹角的范围可以大于0°并小于180°，优选为90°；为了提高固定组件的结构强度，确保连接可靠，在安装板和固定板之间连接有加强筋，所述柔性绳105-2的两端通过安装吊耳与所述安装板上的通孔连接在一起。
具体的，所述扰流件通过多个扰流块105-1串联组成，所述扰流块105-1的中心设置有连接通孔，所述柔性绳105-2贯穿连接在所述连接通孔内。
具体的，所述扰流块105-1的外周面上喷涂有反光防护层105-3，可以提高表面光洁度，达到很好的扰流抗振效果，同时提高其反光性，延长扰流块的使用寿命。将扰流块105-1设置为正多边形，可以更好的确保将扰流块固定在塔筒上，提高其防止涡激振动的效果。
其中一个实施例中，所述扰流块105-1的截面设置为正三角形，所述正三角形的边设置为直边或内凹的弧形边，其中弧形边的设计可以更好的贴敷在所述塔架101的外周面上，具体的，该正三角形的扰流块上设置有三个减重孔，三个减重孔均布在中心位置所述连接通孔的外周，可以有效的减轻扰流块的重量并降低制作成本。
另一个实施例中，所述扰流块105-1通过两个正三角形的端板和中间的风扇式三棱体连接组成，所述连接通孔贯穿设置在所述端板和风扇式三棱体的中心上。这样既可以确保扰流效果，防止塔筒产生涡激振动，又可以减轻扰流块的重量，降低生产成本。
通过涡激振防护装置的设计，可以防止塔架中上部的塔筒产生涡激振动；柔性绳可以将扰流件固定在塔筒上，且不破坏塔筒的结构，确保塔筒的结构强度，便于施工。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种变桨抗涡效果检测风力发电机，包括风力发电机组(100)，所述风力发电机组(100)包括塔架(101)、安装在塔架(101)顶端的机舱(102)、安装在机舱(102)一端的轮毂(103)以及安装于轮毂(103)上的多个叶片(104)，其特征在于：还包括安装在所述机舱(102)内的控制器(200)，所述控制器(200)内设置有风向变桨抗涡效果检测装置(204)；所述叶片(104)上设置有多个振动传感器(201)，所述机舱(102)的上方安装有风速传感器(202)和风向传感器(203)，所述塔架(101)与所述机舱(102)之间安装有偏航系统(107)，所述轮毂(103)和所述叶片(104)之间安装有变桨驱动系统(106)，所述振动传感器(201)、风速传感器(202)、风向传感器(203)、变桨驱动系统(106)和偏航系统(107)均与所述控制器(200)电连接。
2.根据权利要求1所述的变桨抗涡效果检测风力发电机，其特征在于：所述风向变桨抗涡效果检测装置(204)包括数据仿真单元、数据建模单元和检测计算单元，
所述数据仿真单元用于对风力发电机的抗涡叶片的摆动瞬态过程进行流体动力学仿真计算，获取所述抗涡叶片在摆动方向上的气动阻力时序数据；
所述数据建模单元，用于对所述气动阻力时序数据进行多元回归分析，确定叶根摆幅和来流风速对所述抗涡叶片的气动阻力的交互影响，构建所述抗涡叶片的气动阻力数学模型；
所述检测计算单元，用于对所述气动阻力数学模型与所述风力发电机的等效动力学模型进行耦合，以用于计算所述抗涡叶片在加入气动阻力前后的振动衰减，形成振动衰减效果对比图；
所述控制器(200)中包含抗涡检测处理器和存储器，所述存储器上存储有所述抗涡检测处理器上运行的程序或指令，所述检测计算单元形成的振动衰减效果对比图存储在所述存储器上，并通过所述控制器(200)完成后序指令的下达。
3.根据权利要求2所述的变桨抗涡效果检测风力发电机，其特征在于：所述控制器(200)的后序指令包括发送给变桨驱动系统(106)的变桨调整指令和发送给偏航系统(107)的偏航调整指令。
4.根据权利要求1所述的变桨抗涡效果检测风力发电机，其特征在于：所述塔架(101)的顶端、所述机舱(102)和所述轮毂(103)上均设置有监测用的振动传感器(201)。
5.根据权利要求1所述的变桨抗涡效果检测风力发电机，其特征在于：所述塔架(101)的中上段的塔筒外周设置有涡激振防护装置(105)，所述涡激振防护装置(105)包括扰流件、柔性绳(105-2)和固定组件，所述固定组件连接在所述塔架(101)的顶部和相邻两个塔架单体之间，所述柔性绳(105-2)贯穿所述扰流件的中心后螺旋缠绕在所述塔架(101)的外侧壁上，柔性绳(105-2)的两端定位连接在所述固定组件上。
6.根据权利要求5所述的变桨抗涡效果检测风力发电机，其特征在于：所述扰流件通过多个扰流块(105-1)串联组成，所述扰流块(105-1)的中心设置有连接通孔，所述柔性绳(105-2)贯穿连接在所述连接通孔内。
7.根据权利要求6所述的变桨抗涡效果检测风力发电机，其特征在于：所述扰流块(105-1)的外周面上喷涂有反光防护层(105-3)。
8.根据权利要求7所述的变桨抗涡效果检测风力发电机，其特征在于：所述扰流块(105-1)的截面设置为正三角形，所述正三角形的边设置为直边或内凹的弧形边。
9.根据权利要求7所述的变桨抗涡效果检测风力发电机，其特征在于：所
述扰流块(105-1)通过两个正三角形的端板和中间的风扇式三棱体连接组成，
所述连接通孔贯穿设置在所述端板和风扇式三棱体的中心上。
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