[發(fā)明專利]風(fēng)電葉片結(jié)冰監(jiān)測與自適應(yīng)除冰一體化的系統(tǒng)與方法

在審

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• 申請日: 2017-10-12
• 公開（公告）號(hào): CN107829887A
• 公開（公告）日: 2018-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐志峰;呂福在;李碩
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): F03D80/40
• 分類號(hào): F03D80/40
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司33200
• 代理人: 林超

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源產(chǎn)業(yè)中超聲導(dǎo)波無損檢測及功率導(dǎo)波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種風(fēng)電葉片結(jié)冰監(jiān)測與自適應(yīng)除冰一體化的系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)

我國風(fēng)能儲(chǔ)備豐富，但風(fēng)資源主要分布在寒冷的北方、高海拔和沿海地區(qū)，據(jù)統(tǒng)計(jì)在1000米海拔高度以上每增加100米風(fēng)速增大約0.1m/s，在高海拔和寒冷地區(qū)，結(jié)冰成為影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率和安全的最大問題。風(fēng)電葉片結(jié)冰會(huì)改變?nèi)~片的外部形狀和氣動(dòng)性能，增大葉片阻力，減小升力，影響全機(jī)操縱性和穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率降低，葉片覆冰導(dǎo)致機(jī)組不平衡、負(fù)載增大容易過載；結(jié)冰嚴(yán)重時(shí)，機(jī)組不得不脫網(wǎng)停機(jī)，否則可能造成葉片斷裂，引發(fā)機(jī)組自燃甚至坍塌等嚴(yán)重的安全事故。當(dāng)前，對風(fēng)電葉片結(jié)冰進(jìn)行監(jiān)測并自適應(yīng)進(jìn)行除冰具有很大的意義。

對于風(fēng)電葉片結(jié)冰進(jìn)行監(jiān)測常用的方法有光學(xué)成像法、電熱法、電容法等。上述基于單個(gè)傳感器的檢測技術(shù)對于風(fēng)電葉片存在明顯不足，首先由于風(fēng)電葉片結(jié)冰的不均勻和傳感器安裝數(shù)量的有限，因此存在大范圍的探測盲區(qū)；其次由于某些位置，很多傳感器需安裝在外表面直接接觸冰層，這會(huì)影響結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力學(xué)性能。對于風(fēng)電葉片除冰常用的方法有冰點(diǎn)抑制法、熱融法和表面變形法等。這些方法都存在各自的不足，可能對風(fēng)電葉片造成損傷或者對環(huán)境造成污染等等。因此研發(fā)一種簡單高效、低成本、能夠?qū)崿F(xiàn)對風(fēng)電葉片進(jìn)行結(jié)冰監(jiān)測與自適應(yīng)除冰一體化方法與系統(tǒng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

導(dǎo)波以其傳播距離遠(yuǎn)、對缺陷敏感、單點(diǎn)激勵(lì)、衰減小、能量大等優(yōu)點(diǎn)使其適合風(fēng)電葉片的結(jié)冰監(jiān)測和除冰工作。然而目前我國對于風(fēng)電葉片超聲導(dǎo)波無損檢測技術(shù)的研究較少。專利公開號(hào)CN104458910A的發(fā)明專利《一種風(fēng)力機(jī)葉片殼體與腹板粘接缺陷的無損檢測方法》提出使用超聲導(dǎo)波對風(fēng)力機(jī)葉片殼體與腹板粘接過程中存在的缺膠缺陷進(jìn)行檢測。然而由于結(jié)冰監(jiān)測和缺陷檢測并不相同，缺陷檢測的能量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)除冰的目的，因此這種方法并不適合結(jié)冰監(jiān)測和除冰一體化。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王鵬等人在《基于超聲導(dǎo)波方法的風(fēng)機(jī)葉片覆冰檢測》中提出了一種使用lamb波對于風(fēng)電葉片覆冰進(jìn)行檢測的方法，然而Lamb波存在頻散，檢測信號(hào)存在失真。在復(fù)合材料中中Lamb波能量泄漏嚴(yán)重，傳播距離不長，并不適用于風(fēng)電葉片大范圍的結(jié)冰檢測，而且，僅僅提出了對結(jié)冰進(jìn)行檢測的方法，對除冰工作沒有進(jìn)行深入的研究。現(xiàn)有的技術(shù)對于風(fēng)電葉片結(jié)冰監(jiān)測和除冰工作，尚無一種快速高效、定位準(zhǔn)確、快速成像并且可以實(shí)現(xiàn)結(jié)冰監(jiān)測和除冰一體化的檢測方法與系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明意為克服風(fēng)電葉片超聲導(dǎo)波檢測領(lǐng)域的不足，提出了一種風(fēng)電葉片結(jié)冰監(jiān)測與自適應(yīng)除冰一體化的系統(tǒng)與方法，快速高效、定位準(zhǔn)確、快速成像，利用磁致伸縮相控陣SH導(dǎo)波實(shí)現(xiàn)了結(jié)冰監(jiān)測和除冰一體化。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一、一種風(fēng)電葉片結(jié)冰監(jiān)測與自適應(yīng)除冰一體化的系統(tǒng)：

系統(tǒng)包括上位機(jī)、功率放大模塊、監(jiān)測換能器陣列、除冰換能器陣列、風(fēng)電葉片、前置放大模塊和多通道信號(hào)控制與處理模塊，多通道信號(hào)控制與處理模塊包括多通道激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、多通道回波信號(hào)處理單元和時(shí)序控制單元；

在風(fēng)電葉片上布置有監(jiān)測換能器陣列和除冰換能器陣列，上位機(jī)與多通道信號(hào)控制與處理模塊相連，多通道信號(hào)控制與處理模塊中的多通道激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元與功率放大模塊相連，功率放大模塊分別與布置在風(fēng)電葉片上的監(jiān)測換能器陣列、除冰換能器陣列的輸入端相連；監(jiān)測換能器陣列、除冰換能器陣列的輸出端與前置放大模塊相連，前置放大模塊與多通道信號(hào)控制與處理模塊中的多通道回波信號(hào)處理單元相連，多通道回波處理單元與上位機(jī)相連，時(shí)序控制單元分別與多通道激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元和多通道回波信號(hào)處理單元連接。

所述的多通道激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元發(fā)出激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大模塊放大后輸入到監(jiān)測換能器陣列和除冰換能器陣列中，分別控制監(jiān)測換能器陣列和除冰換能器陣列向風(fēng)電葉片產(chǎn)生超聲導(dǎo)波，經(jīng)風(fēng)電葉片的回波信號(hào)再被監(jiān)測換能器陣列和除冰換能器陣列接收經(jīng)前置放大模塊處理后發(fā)送到多通道回波處理單元，再發(fā)送到上位機(jī)；所述的時(shí)序控制單元對多通道激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)和多通道回波處理單元接收的回波信號(hào)進(jìn)行時(shí)序調(diào)整。

所述的超聲導(dǎo)波是磁致伸縮相控陣SH導(dǎo)波。

所述的監(jiān)測換能器陣列和除冰換能器陣列均布置在風(fēng)電葉片蒙皮層的內(nèi)側(cè)或者風(fēng)電葉片內(nèi)腔的上下表面或者兩者的結(jié)合：風(fēng)電葉片沿自身長度方向分為多段區(qū)域，每段區(qū)域中，緊挨風(fēng)電葉片的肋板沿肋板方向間隔布置除冰換能器陣列，形成除冰換能器陣列，并且在每段區(qū)域的邊緣布置一圈監(jiān)測換能器，形成監(jiān)測換能器陣列。