СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ЛОПАСТЕЙ ВЕТРОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК
METHOD AND DEVICE FOR MONITORING OF VANES CONDITION IN WIND-POWERED PLANTS

Изобретение относится к способу и устройству для контроля состояния лопастей ветросиловых установок, причем измеряют корпусной шум, по меньшей мере, одной лопасти посредством одного или нескольких установленных, по меньшей мере, на одной лопасти датчиков движения, выходные сигналы которых передают беспроводным путем на блок обработки, который включает в себя центральный вычислительный блок и блоки памяти и в котором по сигналам с помощью подходящих методов определяют частотный спектр, сравнивают его с хранящимися в блоке обработки соответствующими определенным поврежденным и особым состояниям и параметрированными эталонными спектрами и на основе этого определяют состояние лопасти.
Лопасти относятся к наиболее нагруженным компонентам ветросиловой установки. Они должны выдерживать в течение нескольких лет непрерывной работы огромные центробежные силы, воздушные потоки, турбулентности, солнечное излучение, самые разные температуры и обледенение, чтобы обеспечить рентабельную эксплуатацию ветросиловой установки. По этой причине необходимо раннее обнаружение повреждений как аэродинамической оболочки лопасти, так и несущих деталей внутри лопасти. Ряд повреждений, в частности трещины в оболочке, отслоения, отделение пояса и поперечных ребер, а также сколы, могут быть устранены до возникновения во всей установке больших повреждений или даже полных разрушений.
Различные системы контроля используют устройство для регистрации нагрузок лопастей за счет расположения датчиков или тензометров в различных сильно нагруженных местах ветросиловой установки, чтобы констатировать вредные вибрации или растяжения вследствие слишком больших или неравномерных усилий. Так, например, в WO 99/57435 описана ветросиловая установка, на лопастях которой расположено по одному триаксиальному измерителю ускорений, которые указывают такие ускорения аэродинамических оболочек лопастей, которые происходят от вибраций лопастей и кромок. С помощью вычислительного блока по сигналам датчиков можно определить также собственные частоты лопастей.
Однако и это устройство констатирует лишь чрезмерные нагрузки при ускорениях в процессе вращательного движения или при турбулентностях, а также воздействия крупных повреждений на лопасть как единое целое или резкие сильные изменения собственных частот без возможности определения вида повреждения или проведения локализации. Это, однако, требуется для обеспечения профилактического и, прежде всего, также опережающего ремонта, например в периоды безветрия, чтобы достичь более высокой готовности к работе и тем самым более высокой эффективности ветросиловых установок.
Отсутствие определения вида повреждения, однако, является особенно негативным фактором для выявления невидимых повреждений и долговременных изменений, например охрупчиваний лопасти, поскольку требуемый ремонт невозможен.
Определение вида повреждения описано в контроле лопастей в DE 10065314 А1. Здесь на основе определения резонансных и собственных частот, создаваемых в лопастях посредством возбуждения колебаний, и их сравнения с имеющимися, характеризующими определенные поврежденные состояния эталонными спектрами определяют повреждения отдельных лопастей. Однако оказалось, что микроколебания корпусного шума накладываются на случайные события и помехи таким образом, что несмотря на явное возбуждение колебаний можно констатировать лишь значительные повреждения. Также корректировка собственных частот помех за счет измерения вызванного помехами корпусного шума, как это описано в WO 02/053910 А1, не привела к воспроизводимым определению и оценке начинающихся и тем самым еще устранимых повреждений лопастей.
Таким образом, в основе изобретения лежит задача создания способа и устройства для текущего и индивидуального контроля лопастей ветросиловых установок. Техническим результатом является заблаговременное обнаружение и оценка возникающих локальных внутренних и внешних повреждений и вызывающие их особые состояния лопастей, чтобы можно было преимущественно автоматически оказать влияние на работу установки.
Технический результат достигается в способе контроля состояния лопастей ветросиловых установок посредством измерения корпусного шума, по меньшей мере, одной лопасти с помощью, по меньшей мере, одного закрепленного на лопасти датчика, соединенного с блоком беспроводной передачи выходных сигналов датчиков на блок обработки, включающий в себя центральный вычислительный блок и блоки памяти, причем выходные сигналы датчика передают беспроводным путем на блок обработки, в котором по сигналам подходящими методами определяют частотный спектр, сравнивают его с хранящимися в блоке обработки соответствующими определенным поврежденным и особым состояниям и параметрированными эталонными спектрами и на основе этого определяют состояние лопасти, тем, что измерение корпусного шума осуществляют на основе последовательности нескольких, проводимых непосредственно друг за другом единичных измерений (измерительный период), каждое из этих измерений осуществляется датчиком, вращающимся с лопастью, причем запуск каждого из этих единичных измерений осуществляют по единому углу (14) вращения лопасти (1), отнесенному к оси вращения ротора, аккумулируют все полученные частотные спектры каждого единичного измерения, и частотный спектр, определенный из аккумулированных индивидуальных частотных спектров, сравнивают с эталонными спектрами.
Способ, согласно изобретению, принципиально основан на определении собственных колебаний и соответствующих высших гармоник пространственно удлиненного тела лопасти, которые характеризуют это тело в соответствии с его конкретной формой и специфическими механическими свойствами. Эти собственные колебания образуют для любого тела особый типичный спектр. Если тело изменяется за счет внутренних и/или внешних повреждений или изменений, таких как отслоения или трещины, то спектр изменяется таким образом, что определенные формы колебаний больше не возникают или возникают в измененном виде. Точно так же спектр изменяется, если свойства материала, например модуль упругости или плотность, изменяются вследствие предельных нагрузок, старения или выветривания. При этом возникает, в частности, сдвиг типичных частот.
Состояние лопасти определяют за счет проведения ряда единичных измерений, которые объединяют в измерительный период. Единичные измерения могут осуществляться как за счет последовательных измерений посредством только одного датчика, нескольких синхронных датчиков или комбинации обоих вариантов. По полученным в результате единичных измерений сигналам определяют отдельные спектры и аккумулируют их с применением подходящих методов нормирования и взвешивания. Аккумулирование требует, в свою очередь, чтобы каждое единичное измерение начиналось по произвольному, однако постоянному для каждого измерительного периода углу вращения ротора.
Аккумулирование синхронно полученных отдельных спектров приводит к спектру состояния с большим отношением сигнал/шум и тем самым к возможности определения состояния лопасти по спектру состояния с требуемой воспроизводимостью. Число единичных измерений для измерения состояния зависит от самых разных факторов, определяющих отношение сигнал/шум. Они могут быть измерительно-технического типа или же зависеть от имеющихся в распоряжении эталонных спектров или известного до сих пор состояния лопасти.
Необходимое возбуждение колебаний осуществляют при измерениях в текущем режиме (измерения «он-лайн»), как правило, за счет самой эксплуатации или воздействующего при этом на лопасть ветра.
С помощью датчика измеряют, согласно изобретению, корпусной шум тех деталей, на которых закреплен датчик. Независимо от этого могут, однако, измеряться также движения и ускорения лопасти как единого целого, причем в последнем случае можно наблюдать лишь превышение предварительно установленных предельных значений. Измерения колебаний отдельных лопастей обеспечивает в то же время известный контроль резонанса и турбулентности, когда контролируют рост амплитуд определенных частот, а при превышении порогового значения делают вывод об особом состоянии. Преимущественно для этого контролируют амплитуды колебательных и ударных частот лопастей. Измерения для контроля лопастей осуществляют непрерывно или же в виде периодически повторяющихся единичных измерений находящейся в эксплуатации ветросиловой установки. Они могут осуществляться также на неподвижных лопастях (измерения «оф-лайн»).
Предпочтительным оказывается также, если измерение корпусного шума лопасти осуществляют многомерно несколькими датчиками, которые ориентированы преимущественно по-разному и синхронизированы. Это выполнение позволяет рассмотреть различные направления колебаний определенного колебательного состояния и тем самым сделать более точным определение состояния. При этом измерение несколькими датчиками на одной лопасти требует, однако, только описанной синхронизации в отношении угла вращения лопасти, если измерения должны или могут проводиться не одновременно, а со сдвигом по времени. При нескольких и/или трехмерных датчиках на каждую лопасть определяют несколько одно- или многомерных спектров, причем в этом случае определение отдельных спектров, например посредством преобразования Фурье, осуществляют в специальных системах координат и отсчета, которые обеспечивают оптимальное описание и связь различных многомерных колебательных состояний. Так, один предпочтительный вариант способа предусматривает, что колебательную характеристику осуществляют в подходящей системе координат, преимущественно в системе сферических координат.
Предпочтительным является то, что запуск каждого единичного измерения одного измерительного периода осуществляют по единому углу (14) вращения посредством дополнительного датчика (5), который выполнен с возможностью передачи актуальной информации об угле вращения на регулирующий измерение блок (11) питания датчиков и предварительной обработки измеренных значений.
Также предпочтительным является запуск каждого единичного измерения одного измерительного периода, который осуществляют по единому углу (14) вращения со стороны программного обеспечения в блоке (12) обработки за счет того, что каждое единичное измерение селектируют посредством отнесенных к периодичности критериев запуска из больших измерительных диапазонов одного или нескольких измерений.
Целесообразным является то, что параметрирование эталонных спектров осуществляют посредством метеорологических и/или специфических для соответствующей установки данных.
Также целесообразным является то, что параметры эталонных спектров параллельно измерению корпусного шума актуально определяют посредством дополнительных измерений и передают на блок (12) обработки.
Предпочтительным является то, что частотные спектры единичных измерений лопасти (1) очищают от помех, передаваемых установкой на лопасть (1), за счет того, что измерение корпусного шума осуществляют посредством одного или нескольких одно- или многомерных датчиков (5) преимущественно в окружении источника помех и на этой основе определяют частотные спектры помех.
Также предпочтительным является то, что осуществляют преимущественно синхронизированные измерения всех лопастей (1) ветросиловой установки и изменение состояния одной лопасти (1) определяют на основе разности между аккумулированными частотными спектрами всех лопастей (1) и сравнения разностного спектра с эталонными спектрами.
Причем эталонные спектры подразделены, по меньшей мере, на две группы состояний и посредством сравнения спектров состояние лопасти (1) относят к одной из групп состояний.
Целесообразным является то, что определяют высшие гармоники в аккумулированном частотном спектре.
Также целесообразным является то, что определяют высшие гармоники частоты вращения лопастей в аккумулированном спектре.
Предпочтительным вариантом является то, что в определенных состояниях лопасти (1) в блоке (12) обработки создают сообщение о состоянии, передают его на систему (28) управления ветросиловой установкой и оказывают, таким образом, влияние на работу последней.
Также предпочтительным вариантом является то, что посредством возбудителя колебаний активно возбуждают лопасть (1).
Причем возбуждение осуществляют за счет непрерывного прохождения возбудителя колебаний через релевантный частотный диапазон ((режим „Sweep", т.е. в режиме периодического сигнала, который в течение определенного времени изменяет свою частоту от первоначального значения до конечного значения).
Предпочтительным является то, что сравнение измеренных частотных спектров с эталонными спектрами осуществляют методами распознавания образов.
Предпочтительным вариантом является то, что присваивание измеренных частотных спектров эталонным спектрам осуществляют статистическими методами.
Также предпочтительным вариантом является то, что что измеренные частотные спектры подвергают спектральному анализу и полученные значения собственных частот, а также их амплитуды представляют в виде векторов или матриц.
Целесообразным является то, что эталонные спектры определяют по статистически оцененным и подвергнутым рассмотрению эквивалентности частотным спектрам предшествующих измерений корпусного шума релевантной лопасти (1).
Также целесообразным является то, что беспроводную передачу обработанных дальше и предварительно обработанных измерительных сигналов датчика (5) осуществляют посредством передачи по радио.
Технический результат достигается в устройстве для контроля состояния лопастей ветросиловых установок тем, что датчик или датчики, выполненные с возможностью измерения корпусного шума лопастей внутри и снаружи лопасти, прочно закреплен/закреплены на поверхности аэродинамической оболочки и/или на внутренних деталях лопасти), и дополнительный датчик устанавливается на роторе в качестве триггерного датчика, пригодного для измерений угла вращения.
Целесообразным является то, что датчики представляют собой датчики ускорения.
Также целесообразным является то, что предусмотрен, по меньшей мере, один одномерный датчик (5).
Предпочтительным вариантом является то, что предусмотрен, по меньшей мере, один многомерный датчик (5).
Причем направление движения датчика (5) ориентировано, в основном, перпендикулярно поверхности, на которой закреплен датчик (5).
Предпочтительным вариантом является то, что датчик (5) закреплен в нижней, обращенной к хвостовику (6) лопасти трети лопасти (1) на поверхности ее аэродинамической оболочки (6).
Предпочтительным вариантом является также то, что датчик (5) закреплен на несущих деталях (9) внутри лопасти (1).
Причем на лопасти (1) закреплен температурный датчик для измерения температуры лопасти.
Целесообразным является то, что на лопасти (1) закреплен датчик пути для измерения угла установки лопасти.
Предпочтительным вариантом является то, что в блоке (12) обработки хранится банк данных в виде библиотеки (19) спектров с эталонными спектрами лопастей (1) в лишенных повреждений и определенных поврежденных и особых состояниях, которая обеспечивает преимущественно быстрый селективный доступ.
Причем блок (12) обработки соединен с децентрализованным, установленным на удалении резервным сервером (26).
Целесообразным является то, что блок (12) обработки включает блок (27) вывода, преимущественно с двоичным выходным модулем, который выполнен защищенным от посторонних помех и самозащищенным, а также с возможностью подачи редундантных сигналов.
При этом выходные сигналы нескольких ветросиловых установок передают на общий блок (12) обработки и обрабатывают в нем.
Предпочтительным вариантом является то, что на ветросиловой установке расположены дополнительные датчики для измерения метеорологических и/или специфических для соответствующей установки измеряемых значений, и/или специфических для соответствующей установки колебательных состояний.
Целесообразным является то, что внутри и/или снаружи лопасти (1) в разных релевантных в отношении колебаний местах расположены держатели (7) для размещения датчиков (5).
Предпочтительным вариантом является то, что на аэродинамической оболочке (6) или на внутренней детали лопасти (1) расположен, по меньшей мере, один одно- или многомерный возбудитель колебаний (исполнительное устройство).
Причем исполнительное устройство представляет собой шейкер с усилителем мощности.
Запуск единичных измерений одного измерительного периода по единому углу вращения может происходить, согласно изобретению, как со стороны аппаратного, так и со стороны программного обеспечения. Аппаратный запуск происходит преимущественно посредством дополнительного датчика, который передает актуальную информацию об угле вращения на регулирующий измерение блок питания датчиков и предварительной обработки измеренных значений, так что запуск всех единичных измерений по времени связан непосредственно с вращательным движением ротора.
Программный запуск, напротив, использует лишь фрагмент большего, произвольно выбираемого диапазона измерений, включающего в себя, по меньшей мере, число оборотов, которое соответствует числу выбранных единичных измерений. Собственно запуск каждого единичного измерения одного измерительного периода по единому углу вращения происходит, таким образом, в блоке обработки за счет того, что каждое единичное измерение посредством отнесенных к периодичности критериев запуска выбирают из больших диапазонов одного или нескольких измерений. Можно также заменить синхронизацию другими подходящими аппаратными или программными мерами.
В соответствии с ограничительной частью п.1 определение состояния лопасти осуществляют за счет того, что полученный из аккумулированных отдельных спектров спектр состояния сравнивают с хранящимися в блоке обработки эталонными спектрами, которые параметрированы и характеризуют определенные поврежденные и особые состояния специальной лопасти или, по меньшей мере, типа лопасти. Поскольку параметры материала, определяющие собственные частоты лопасти, также очень сильно зависят от метеорологических данных и характеристик установки, оказывается особенно предпочтительным, если параметрирование эталонных спектров происходит за счет метеорологических и/или специфических для соответствующей установки данных и для этой цели на ветросиловой установке расположены дополнительные датчики для измерения метеорологических и/или специфических для соответствующей установки измеряемых значений, и/или специфических для соответствующей установки колебательных состояний. Если ведется контроль нескольких соседних ветросиловых установок, то, само собой, метеорологические измеренные значения одной соответственно оснащенной ветросиловой установки могут быть заодно использованы и для других.
Для сравнения спектров в другом варианте способа предусмотрено, что параметры эталонных спектров определяют параллельно измерению корпусного шума посредством дополнительных измерений и передают их на блок обработки. Таким образом, сравнение может быть ограничено спектрами с аналогичными актуальными эталонными параметрами, что, в частности, имеет значение в тех случаях, когда из-за отсутствия эталонных спектров специальных типов лопастей спектры состояний необходимо подвергнуть статистической оценке или рассмотрению эквивалентности.
Кроме того, могут осуществляться сравнение измеренных спектров состояний с эталонными спектрами посредством подходящих методов распознавания образов и, тем самым, их автоматическая классификация, как это известно из информатики. Предпочтительным может быть также применение подходящих статистических методов для присвоения измеренных частотных спектров эталонным спектрам, поскольку точного совпадения сравниваемых спектров практически не произойдет. В частности, для распознавания образов и для непосредственного сравнения спектров другой вариант осуществления изобретения предусматривает, что полученные из анализа спектров значения собственных частот и их амплитуды изображают в виде векторов или матриц.
Особое преимущество для воспроизводимого определения состояния лопасти возникает тогда, когда частотные спектры единичных измерений лопасти очищают от помех, передаваемых установкой на лопасть, а именно, когда помехи, например привода, учитываются в качестве частотного спектра. Для этой цели измерение корпусного шума осуществляют посредством одного или нескольких одно- или многомерных датчиков преимущественно в окружении источника помех и на этой основе определяют частотные спектры помех, передаваемых источником помех на лопасти. С помощью этих спектров помех изменения спектров на основе измерений на лопастях корректируют подходящими математическими методами, так что они не могут быть отнесены к изменениям на лопастях.
Сигналы помех могут быть определены при установлении поврежденного состояния лопасти также за счет сравнительного спектрального анализа спектров состояний, измеренных преимущественно синхронно на всех трех лопастях, и использованы для корректировки, поскольку ввод помех в противоположность изменению состояния одной лопасти происходит равномерно во все три лопасти и приводит к одинаковому изменению всех трех спектров состояний. Для этого, согласно другому варианту осуществления изобретения, осуществляют синхронизированные измерения всех лопастей ветросиловой установки, и изменение состояния лопасти определяют по разности между аккумулированными частотными спектрами всех лопастей и сравнению разностного спектра с эталонными спектрами.
С помощью различных измерений помех непрерывно определяют так называемую базовую линию, которая представляет собой свойственные системе влияния на спектры состояний и посредством которой можно непрерывно корректировать измеренные спектры состояний.
Поскольку способом, согласно изобретению, могут быть установлены также такие поврежденные состояния, которые позволяют продолжить эксплуатацию ветросиловой установки в течение определенного времени без ухудшения ее состояния, оказывается благоприятным, что эталонные спектры подразделены, по меньшей мере, на две группы состояний и посредством сравнения спектров состояние лопасти относят к одной из групп состояний. Обе основные группы состояний могут быть, например, «значительными» и «незначительными» отклонениями от нормального состояния, причем только значительные отклонения требуют немедленного ремонта или даже прекращения эксплуатации. Напротив, незначительные отклонения позволяют продолжить эксплуатацию и, при необходимости, обеспечивают более короткие испытательные циклы или включение ремонта в ближайший, например безветренный, период. Для этих вариантов решений могут быть, кроме того, предприняты дополнительные подразделения отклонений, например в соответствии с местом изменений в несущей или аэродинамической системе или в соответствии с различными особыми состояниями - обледенением или резонансом.
Одним очень критическим особым состоянием является обледенение лопастей: с одной стороны, из-за резко возрастающей нагрузки за счет неравномерного веса льда, а, с другой стороны, из-за напряжений, передаваемых слоем льда на аэродинамическую оболочку лопасти. Ослабление льда, а подчас также локальный отрыв слоя льда с оболочки лопасти могут быть установлены за счет стохастических импульсных звуковых событий, частично воспринимаемых как трески в слышимом частотном диапазоне. Поскольку эти звуковые события в частотных спектрах лопастей отражаются за счет множества высших гармоник в низкочастотном диапазоне, эти высшие гармоники, согласно особому варианту осуществления изобретения, определяют в аккумулированном частотном спектре и, в частности, высшие гармоники частоты вращения лопастей определяют в аккумулированном спектре. Корреляция звуковых событий с частотой вращения объясняется тем, что, в частности, в процессе вращательного движения возникают циклы изменения нагрузки и связанные с этим процессы возникновения трещин и толчков во льду, в результате чего возникает установленная характерная картина высших гармоник.
Для непосредственной реакции на полученные состояния лопасти другой благоприятный вариант способа предусматривает, что в определенных состояниях лопасти в блоке обработки, который в соответствии с одним благоприятным выполнением устройства для контроля лопастей включает в себя блок вывода, преимущественно с двоичным выходным модулем, создают сообщение о состоянии, передают его на систему управления ветросиловой установкой и оказывают, таким образом, влияние на работу последней. Сообщения о состоянии имеют преимущественно форму самозащищенных и защищенных от посторонних помех, двоичных и редундантных сигналов состояния, которые могут передаваться на систему управления, чтобы оказать непосредственное влияние на принцип работы ветросиловой установки, когда определены соответствующие поврежденные состояния. Оказание влияния происходит в зависимости от полученного поврежденного или особого состояния, например в виде регулирования угла установки лопасти или остановки установки по окончании обледенения.
Помимо описанного определения состояния посредством возбуждения колебаний во время текущей эксплуатации может быть также предпочтительным активное возбуждение лопасти посредством возбудителя колебаний. Это рассматривается, в частности, в случае измерений «оф-лайн», однако может применяться и для измерений «он-лайн», чтобы, например, проверить известную из предшествующих измерений собственную частоту. Активное возбуждение соответствующей детали для измерений «оф-лайн» происходит с помощью, по меньшей мере, одного одно- или многомерного возбудителя колебаний (исполнительное устройство), который подходит для размещения на лопасти или внутренней детали лопасти. Исполнительное устройство представляет собой так называемый шейкер с усилителем мощности, который возбуждает лопасть в релевантном частотном диапазоне, проходя через него (режим „Sweep"). Управление возбуждением колебаний происходит оптимальным образом посредством центрального вычислительного блока. Чтобы не демпфировать микроколебания лопасти, чтобы на них не накладывались мешающие влияния или чтобы имитировать смонтированное состояние, при единичных измерениях отдельной лопасти ее зажимают или подвешивают. Подобные единичные измерения проводят вслед за изготовлением для проверки качества и для получения характерных для лопасти эталонных спектров, однако они служат также для контроля после транспортировки или на различных этапах монтажа ветросиловой установки.
Если библиотека спектров не содержит для определенного типа лопастей ни одного эталонного спектра или по другим причинам ни один из имеющихся эталонных спектров не может быть привлечен для сравнения, можно также определить эталонные спектры по статистически оцененным и подвергнутым рассмотрению эквивалентности частотным спектрам предшествующих измерений корпусного шума релевантной лопасти. Полученный таким образом спектр состояния подвергают спектральному анализу и получают числовые значения содержащихся в спектре собственных частот, при необходимости, основных и высших гармоник и их амплитуд, которые изображают затем, например, в виде векторов или матрицы. Эти полученные в начале использования лопасти спектры сопоставляют в центральном вычислительном блоке.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, беспроводная передача обработанных дальше и предварительно обработанных измерительных сигналов датчика происходит посредством передачи по радио. Таким образом, для владельца ветросиловой установки возникают самые различные возможности расположения блока обработки в зависимости от места, доступности, привязки к обрабатывающей дальше системе или других критериев. Так, блок обработки или, по меньшей мере, его части могут быть установлены, например, в гондоле, в подножии башни или пространственно отдельно от ветросиловой установки в соответствии с особым выполнением устройства в виде центрального, контролирующего несколько ветросиловых установок блока обработки, причем вид используемой передачи по радио зависит также от расстояния между партнерами по связи, а именно блоком обработки и блоком питания датчиков и предварительной обработки измеренных значений. Учесть следует также, что частично речь идет о критических по времени параметрах процесса, например при контроле резонанса или подтверждении обледенения.
Согласно особенно предпочтительному выполнению устройства для осуществления способа контроля датчик или датчики внутри и/или снаружи лопасти прочно закреплен/закреплены на поверхности аэродинамической оболочки и/или на внутренних деталях лопасти. Поскольку контроль происходит с помощью собственных частот, полученных из аккумулированных отдельных спектров, можно контролировать как аэродинамическую оболочку, так и поддерживающие ее внутренние несущие детали или другие конструкционные элементы. Для этого в зависимости от профиля нагрузки лопасти, в частности в критических местах несущего каркаса и оболочки, за счет прочного соединения с ее поверхностью могут быть установлены датчики. Так, в другом выполнении устройства предусмотрено, например, что, по меньшей мере, один датчик закреплен в нижней, обращенной к хвостовику лопасти трети лопасти на поверхности ее аэродинамической оболочки.
Закрепление может осуществляться самыми разными способами, пригодными, чтобы передавать колебания на датчик почти без затуханий и в то же время противостоять длительной нагрузке. В одном возможном выполнении устройства предусмотрено, например, что внутри и/или снаружи лопасти в разных, релевантных в отношении колебаний местах расположены держатели для размещения датчиков. Эти держатели могут быть без проблем закреплены в ходе монтажа лопасти, тогда как датчики могут быть индивидуально установлены позже в соответствии с требованиями и дополнительной измерительной техникой владельца установки, при необходимости, им самим. Кроме того, можно позднее заменить отдельные датчики или дооснастить лопасть ими.
Особенно предпочтительно оказывается далее, если датчики представляют собой датчики ускорения, поскольку эти датчики используются преимущественно для измерения колебаний, так что существуют самые различные выполнения для самых различных профилей требований. Само собой, могут использовать также и другие подходящие датчики колебаний.
Так, оказывается благоприятным, если использовать одномерный датчик, который имеет одно направление движения, ориентированное, в основном, перпендикулярно поверхности, на которой закреплен датчик. При таких расположении и ориентации датчика измеряют трансверсальные волны корпусного шума оболочки, которые обладают для последующего анализа корпусного шума наибольшим количеством информации, так что одномерное измерение в отношении затрат на обработку и издержек представляет собой оптимальный способ текущего контроля во время работы ветросиловой установки.
Например, для локализации уже возникших мелких повреждений лопасти можно одновременно или вместо этого отдельного, ориентированного перпендикулярно поверхности одномерного датчика использовать также двух- или более мерные датчики, которые могут иметь также другое направление движения.
При использовании нескольких датчиков, независимо от того, одномерные ли они или многомерные, измерение датчиками следует уже описанным образом преимущественно синхронизировать для определения состояния лопасти, например, за счет дополнительного, подходящего для измерений угла вращения триггерного датчика. Таким образом, можно рассматривать различные направления колебаний определенного колебательного состояния.
Благоприятным оказывается, кроме того, если посредством дополнительных датчиков определяют данные и параметры лопасти. Так, окружающая температура может отличаться от температуры лопасти, а при известных условиях температура передней стороны - от температуры задней стороны лопасти, так что предпочтительным образом измерение температуры лопасти может происходить независимо от измерений метеомодуля посредством одного или нескольких температурных датчиков на лопасти. У установок с регулированием угла установки лопастей может быть полезным его реальное измерение посредством закрепленного на лопасти датчика пути.
В другом варианте устройства контроля в блоке обработки хранится банк данных в виде библиотеки спектров с эталонными спектрами лопастей в лишенных повреждений и определенных поврежденных и особых состояниях, которая обеспечивает преимущественно быстрый селективный доступ. Эти эталонные спектры относятся к контролируемому типу лопасти, имеют структуру данных, как измеряемый спектр, параметрированы в отношении вышеназванных учитываемых метеорологических и машинно-отнесенных измеренных значений и расположены по поврежденным и особым состояниям. Одно особенно важное особое состояние представляет собой, например, обледенение лопасти. Параметрирование эталонных спектров возможно, кроме того, также по таким данным, которые могут быть созданы или сохранены текущему контролю актуально, например его углу установки лопасти по отношению к валу, возрасту лопасти, партии, другими технологическими отличиями или аналогичными релевантными физико-техническими параметрами. Эти эталонные спектры были определены, например, из измерений на ветросиловых установках, на которых возникли поврежденные состояния, посредством измерений «оф-лайн» на неповрежденных и поврежденных лопастях на земле или посредством рассмотрения эквивалентности.
В частности, для текущей актуализации библиотеки спектров, например по непрерывно получаемым измеренным значениям, для общей защиты данных или для обмена информацией между сообща контролируемыми ветросиловыми установками, а также между установками и их владельцами оказывается благоприятным, что блок обработки соединен с децентрализованным, установленным на удалении резервным сервером. В резервном сервере хранятся, в том числе, коммуникационные данные владельцев и операторов ветросиловых установок. В случае наступления события резервный сервер может передавать также информацию этой группе лиц.
Способ и устройство поясняются на примере выполнения ветросиловой установки с тремя лопастями. На прилагаемых чертежах изображают:
фиг.1 - схематичный общий вид ветросиловой установки;
фиг.2 - схематичный вид лопасти;
фиг.3 - схематичный разрез лопасти;
фиг.4 - блок-схему устройства.
На фиг.1 изображен общий вид ветросиловой установки с тремя лопастями 1, закрепленными на ступице 2. Ступица 2 переходит, в свою очередь, в горизонтально установленный вал. Вал заканчивается в гондоле 3, которая включает в себя машинную технику (не показана) и установлена на верхнем конце башни 4 с возможностью вращения вокруг вертикальной оси.
В изображенном примере на фиг.2 на внутренней поверхности имеющей большую площадь свободной аэродинамической оболочки 6 лопасти 1 на ее нижней, обращенной к хвостовику 16 лопасти трети, закреплен одномерный датчик 5 ускорения. Он прочно соединен с аэродинамической оболочкой 6 лопасти 1 за счет ввинчивания в прочно приклеенную к оболочке 6 удерживающую пластину 7. Датчик 5 проходящим внутри лопасти 1 кабелем 10 соединен с блоком 11 питания датчиков и предварительной обработки измеренных значений, находящимся в ступице 2. В данном примере кабель 10, как и датчик 5, защищен защитной оболочкой от механических повреждений и экраном от электрических полей, которые могут исходить, например, от громоотводов. Обе другие лопасти ветросиловой установки снабжены дополнительным датчиком ускорения каждая и соединены дополнительным кабелем каждая с блоком 11 питания датчиков и предварительной обработки измеренных значений.
Блок 11 питания датчиков и предварительной обработки измеренных значений посредством беспроводной передачи, например посредством передачи по радио, связан с блоком 12 обработки (на фиг.2 не показан), который находится в гондоле 3 или в подножии башни 4 и, как правило, через интерфейс 15 связан с другими вычислительными машинами 26. Устройство включает в себя модуль 18 эксплуатационных данных и метеомодуль 18, которые также не показаны и находятся в гондоле 3, в башне 4 или в другом месте, подходящем для регистрации этих данных.
Как показано на фиг.3, аэродинамическая оболочка 6 поддерживается внутренними несущими деталями 9. Датчик 5 ускорения закреплен на внутренней поверхности аэродинамической оболочки 6 посредством удерживающей пластины 7 таким образом, что направление ускорения датчика 5 ориентировано перпендикулярно удерживающей пластине 7 и тем самым поверхности аэродинамической оболочки 6.
Ниже описано измерение состояния лопасти 1 находящейся в эксплуатации ветросиловой установки (измерение «он-лайн»), причем обработка измерительных сигналов, сравнение с эталонными спектрами и оценка состояния лопасти 1 для них и для измерений не находящихся в эксплуатации установок или отдельных несмонтированных лопастей (измерение «оф-лайн») сопоставимы.
Необходимое возбуждение колебаний происходит при измерениях «он-лайн», как правило, за счет самой эксплуатации и за счет воздействующего при этом на лопасть 1 ветра. Закрепленный в аэродинамической оболочке 6 лопасти 1 датчик 5 вырабатывает вследствие этого непрерывного возбуждения колебаний электрические аналоговые сигналы в виде отнесенных ко времени сигналов амплитуды, которые по кабелю 10 направляют блоку 11 питания датчиков и предварительной обработки измеренных значений.
В блоке 11 питания датчиков и предварительной обработки измеренных значений, служащем одновременно для питания датчиков, происходят оцифровывание сигналов, передача по радио к блоку 12 обработки, содержащему центральный вычислительный блок 13 (фиг.4), и активный контроль для обеспечения надежного управления независимо от передачи по радио между блоком 11 питания датчиков и предварительной обработки измеренных значений и центральным вычислительным блоком 13. Для измерения состояния последовательно осуществляют несколько, например 20, единичных измерений, а сигналы подают к блоку 12 обработки. Каждое единичное измерение запускают посредством блока 11 питания датчиков и предварительной обработки измеренных значений по произвольному, однако единому для измерительного периода углу 14 вращения. Запуск происходит в данном примере дополнительным датчиком (не показан), который передает информацию об угле вращения для временного управления на блок 11 питания датчиков и предварительной обработки измеренных значений.
В центральном вычислительном блоке 13 посредством преобразования Фурье по принятым временным сигналам единичных измерений на каждую лопасть 1 получают одномерный спектр. Отдельные спектры Фурье-преобразованных отображений единичных измерений затем аккумулируют, причем к отдельным спектрам применяют известные методы нормирования и взвешивания.
Параллельно измерениям корпусного шума лопастей 1 сопоставимым образом с помощью одного или преимущественно нескольких одно- или многомерных датчиков 5 определяют и обрабатывают сигналы корпусного шума, передаваемые кинематической цепью ветросиловой установки на лопасти 1. С помощью этих спектров помех корректируют изменения спектров от измерений на лопастях 1.
Полученный таким образом спектр состояния подвергают спектральному анализу и получают числовые значения содержащихся в спектре собственных частот, при необходимости, основных и высших гармоник и их амплитуд, которые изображают затем, например, в виде векторов или матрицы.
Кроме того, во время измерения состояния лопасти 1 посредством самой системы, метеомодуля 17 и модуля 18 эксплуатационных данных на центральный вычислительный блок 13 передают актуальные измеренные значения, например температуру лопасти 1, мощность ветросиловой установки или в качестве замены скорость ветра и продолжительность эксплуатации соответствующей лопасти 1.
В библиотеке 19 спектров, являющейся частью блока 12 обработки, в банке данных, обеспечивающем быстрый селективный доступ, хранятся отнесенные к типу лопасти эталонные спектры, которые имеют структуру данных, как измеренный спектр, в примере выполнения в виде вектора или матрицы, параметрированы в отношении вышеназванных учитываемых измеренных значений и расположены по поврежденным и особым состояниям. Эти эталонные спектры были определены для измерений на ветросиловых установках, на которых возникли поврежденные состояния, посредством измерений «оф-лайн» на неповрежденных и поврежденных лопастях 1 на земле или посредством рассмотрения эквивалентности.
С помощью подходящего математически-статистического метода, работающего, например, с определенными доверительными интервалами и другими статистическими параметрами, такими как мера определенности, соответственно измеренный «он-лайн» квазинепрерывно спектр состояния сортируют в отношении полученных метеомодулем 17 и модулем 18 эксплуатационных данных, известных технико-физических параметров, сравнивают с хранящимися в банке данных с тем же параметрированием эталонными спектрами и устанавливают актуальное состояние соответствующей лопасти 1 - либо нормальное состояние 21, либо поврежденное или особое состояние 20. Если установлено поврежденное или особое состояние 20, то могут быть определены другие подчиненные состояния, такие как значительные 22 и незначительные 23 отклонения состояния лопасти от нормального состояния. Это или другое подразделение поврежденных или особых состояний, учитывающее другие отклонения 24, происходит в соответствии с параметрированием библиотеки 19 спектров. Неприсваиваемые спектры состояний, в частности по причинам безопасности, классифицируются как искаженные и могут быть, при необходимости, интерпретированы экспертом.
Каждое полученное состояние 21-24 передают на модуль 25 принятия решения об эксплуатации и создают соответствующее сообщение о состоянии. Сообщение о состоянии, в свою очередь, передают на блок 27 ввода-вывода, который является частью блока 12 обработки и включает в себя, например, двоичный выходной модуль, через который сообщения о состояниях могут передаваться на систему 28 управления установкой редундантно, защищенными от посторонних помех и самозащищенными. Визуализацию измеренных, хранящихся и отнесенных к событиям данных также реализуют через блок 27 ввода-вывода или резервный сервер 26, доступ к которому имеющий разрешение на это, пользователь может иметь через веб-браузер.
Непрерывно получаемые данные измерительных циклов центрального вычислительного блока 13 с определенными постоянными интервалами и при наступлении событий непосредственно и с помощью дистанционной передачи данных сохраняют через подходящий интерфейс 15 в независимом от центрального вычислительного блока 13 резервном сервере 26, который, в свою очередь, интегрирован в устройство защиты данных.
Перечень ссылочных позиций
1 - лопасть
2 - ступица
3 - гондола
4 - башня
5 - датчик, датчик ускорения
6 - аэродинамическая оболочка
7 - удерживающая пластина, держатель
8 - направление движения
9 - несущие детали
10 - кабель
11 - блок питания датчиков и предварительной обработки измеренных значений
12 - блок обработки
13 - центральный вычислительный блок
14 - угол вращения
15 - интерфейс
16 - хвостовик лопасти
17 - метеомодуль
18 - модуль эксплуатационных данных
19 - библиотека спектров
20 - установление поврежденного или особого состояния
21 - установление нормального состояния
22 - значительное отклонение
23 - незначительное отклонение
24 - другие отклонения
25 - модуль принятия решения об эксплуатации
26 - другие вычислительные машины, резервный сервер
27 - блок ввода-вывода
28 - система управления установкой