CN101576051A - 用于感测旋转叶片的参数的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于感测旋转叶片的参数的方法和装置。本发明提供了被配置为安装在转子(108)上的叶片(112)。该叶片(112)包括可操作地耦合到也在叶片之上的数据获取设备(302)的至少一个传感器(300)，所述至少一个传感器被配置为将叶片加速度数据传输到数据获取设备，该数据获取设备被配置为生成表示从至少一个传感器接收到的数据的信号，并将该信号发射到控制系统(500)，该控制系统被配置为使用该信号来控制叶片荷载。

Description

用于感测旋转叶片的参数的方法和装置
技术领域
本发明一般涉及数据传输，并且尤其涉及从旋转叶片上的传感器到控制系统的数据传输。
背景技术
增加风轮机的尺寸和容量以满足增加的电能需求。为了增加能量输出，已经增加了已知的转子叶片长度，而减小了已知的转子叶片的重量。因为增加了叶片长度并减小了叶片重量，所以转子叶片可以承受更大的偏转力，并因此可以具有更大的叶片失速、机械疲劳和/或叶片碰撞的风险。
此外，叶片应力是温度和压力的函数。叶片碰撞是灾难性故障，其有时会发生在风轮机上。遭受叶片碰撞的叶片事实上会碎裂并从风轮机脱落。这样，为了增加对潜在的叶片问题的了解，希望在叶片正在旋转时测量所述叶片的参数。例如，已知的风轮机包括用于检测转子叶片偏转的传感器。该传感器通常安装在转子叶片上。传感器能够连线到叶片，但是由于叶片正在旋转，所以通过有线连接来检索数据一般是困难的。必须穿过转子叶片的纵摇轴来提供通信信号和/或电力电缆。这样，已知的风轮机利用例如滑环方法将通信或电力电缆从转子叶片带到轮毂(hub)。然而，该技术增加了装配和维护时间，并且增加了实时收集温度、张力和/或压力数据的复杂度。
发明内容
在一个方面中，提供了一种用于监控旋转叶片的操作参数的方法。所述叶片包括在其上的至少一个传感器，该传感器可操作地耦合到数据获取设备。该方法包括将数据从所述传感器传输到所述数据获取设备，所述数据涉及叶片加速度测量；将表示所传输的数据的信号从所述数据获取设备发射到控制系统；以及使用所发射的信号来控制叶片荷载。
在另一个方面中，提供了一种被配置为安装于转子上的叶片。该叶片包括至少一个传感器，其可操作地耦合到也在所述叶片上的数据获取设备。所述至少一个传感器被配置成将叶片加速度数据传输到所述数据获取设备。所述数据获取设备被配置成生成表示从所述至少一个传感器接收到的数据的信号，并且被配置成将所述信号发射到控制系统，所述控制系统被配置成使用所述信号来控制叶片荷载。
在又一个方面中，提供了一种风轮机。该风轮机包括至少一个叶片，所述叶片包括可操作地耦合到安装于所述叶片上的至少一个数据获取设备的至少一个传感器。所述至少一个传感器被配置成将叶片加速度数据传输到所述至少一个数据获取设备。所述风轮机还包括至少一个实时或近似实时的控制系统。所述数据获取设备被配置成生成表示所述传感器数据的信号，并且被配置成将所述信号发射到所述至少一个控制系统，所述控制系统被配置成控制叶片荷载。
附图说明
图1是示例性风轮机的侧视图；
图2示出了与图1中所示的风轮机一起使用的示例性风轮机叶片的视图；
图3是图2中所示的风轮机叶片的横截面视图；
图4到图6是图2中所示的风轮机叶片的可替换实施例的横截面视图；
图7是图2中所示的风轮机叶片的可替换实施例的一部分的透视图；
图8是用于传送涉及图2中所示的风轮机叶片的数据的示例性系统的示意性框图；
图9是说明与图1中所示的风轮机一起使用的控制系统的框图；
图10是示例性风力发电厂的图示示意图；
图11是示例性多个风力发电厂实施例的图示示意图；以及
图12是说明传输来自于旋转的风轮机的数据的示例性方法的流程图。
具体实施方式
当结合附图阅读时，将更好地理解本发明的前述描述。附图尽可能图解说明各种实施例的功能块的图表，该功能块并不一定指示硬件电路之间的划分。因此，例如，一个或多个功能块(例如处理器或存储器)可以在单一的硬件块(例如，通用信号处理器或块存储器或随机存取存储器、硬盘等)中实现。这样，程序可以是独立程序，可以被作为子程序并入操作系统中，可以是已安装的软件包中的函数等等。应该理解的是，各实施例并不限于图中所示的布置和工具。
作为此处所使用的，以单数叙述且前面有字母“一”或“一个”的元件或步骤应被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确声明该排除。此外，本发明的“一个实施例”的涵义并不意味着被解释为排除也包含所叙述的特征的另外的实施例的存在。此外，除非明确地声明与此相反，否则实施例“包括”或“具有”具有特定性质的一个元件或多个元件可包括不具有该性质的另外的该元件。
图1是示例性风轮机100的侧视图，该风轮机100诸如是水平轴风轮机之类的风轮机。风轮机100包括：从支撑表面104延伸的塔102；被安装在塔102上的发动机舱(nacelle)106；以及耦合到发动机舱106的转子108。转子108包括轮毂110和多个耦合到轮毂110的转子叶片112。在示例性的实施例中，转子108包括三个转子叶片112。在可替换的实施例中，转子108包括多于或少于三个的转子叶片112。在示例性实施例中，塔102由钢制成并包括在支撑表面104和发动机舱106之间延伸的空腔(未示出)。可替换地，塔102可以是，例如格架塔(latticetower)。然而，应该理解的是，本发明的益处和优点可以发生在诸如风轮机100之类的各种结构中，其具有诸如转子108之类的转子和诸如转子叶片112之类的转子叶片。这样，虽然就风轮机100而描述和说明了本发明，但是本发明并不意味着被局限于此。应该清楚的是，本发明能用在多种系统中，并用于多种应用，诸如飞机、直升机等上的其他类型的涡轮、发电机、发动机、机翼(wing)或螺旋桨。
在使用过程中，叶片112位于转子轮毂110附近从而有助于旋转的转子108将来自于风的动能转化为可用的机械能。当风冲击叶片112时，叶片112旋转且受到离心力和各种弯矩的作用。这样，叶片112从中间的或不偏转(non-deflected)的位置偏转和/或旋转到偏转的位置。此外，叶片112的纵摇角(pitch angle)可以由纵摇机构(pitching mechanism)(图1中未示出)来改变，该纵摇机构有助于增大或减小叶片112的速度，并有助于降低塔102的冲击。
图2和图3说明示例性的叶片112。叶片112从邻近于转子轮毂110(在图1中示出)的叶片根部212以基本垂直于转子108(在图1中示出)的轴的方向延伸到叶片尖端214。为了加固该叶片实施例，提供了加强杆(spar)220(见图3)，其包括连接板(web)226和两个加强杆凸缘222和224，该加强杆凸缘222和224以基本上平行于转子叶片112的外围216和218的方向延伸。在示例性实施例中，加强杆220具有I的外形。应该理解的是，本发明的实施例并不限于此处所描述的实施例中使用的转子叶片112的特定构造。
在操作过程中，转子叶片112上的被称作轴荷载(pivot load)的荷载可在转子叶片112的平面中出现，如双箭头A所示。此外，垂直于所述转子平面的被称作冲击荷载(shock load)的荷载可如箭头B所指示的那样出现。可以例如通过附着于叶片112上或从叶片112脱落的冰来在沿着转子叶片112的任意地方感应温度差。
在示例性实施例中，如图4到图7中所示，在每个转子叶片112上提供传感器元件300。如图4、5和6中所示，为每个叶片114提供两个传感器元件300。特别地，在图4中，传感器元件300被耦合在叶片112的相对侧面216和218上，从而能够精确地感测到转子叶片112上的冲击荷载。在图5中，因为传感器元件300被耦合在转子叶片112的尖部和末梢边的部分中，所以能够感测到转子叶片112上的轴荷载。在图6中，传感器元件300被直接并置于加强杆凸缘的区域中。在图7中，传感器元件300沿着基本上平行于转子叶片112的纵轴延伸的线而被耦合。特别地，传感器元件300的空间间隔有助于降低由力、闪电或其他破坏性力造成的两个传感器元件300同时损坏的风险。
叶片112上的传感器元件300的位置和每个叶片112的传感器元件300的数量均不被限制。但是，可以预期的是，在可替换的实施例中，转子叶片112将包括凡所需的，或者期望最优化的，或者至少有助于检测叶片112的异常的应力、张力、温度和/或其他状态的很多传感器元件300。
此外，在示例性实施例中，如图4到图7中所示，每个传感器元件300均被诸如电耦合那样可操作地耦合到数据获取设备302。每个传感器元件300将传感器数据传输到数据获取设备302。在可替换的实施例中，数据获取设备302在预定的间隔查询相关的传感器元件300的数据。每个数据获取设备302由在叶片112处生成的能量供电。可替换地，每个数据获取设备302由在轮毂110处生成的能量供电。例如，在一个实施例中，叶片摆动产生的能量被收集并被调节以供数据获取设备302使用。在可替换的实施例中，穿过每个叶片112的压力的变量(delta)产生的能量被收集并被调节以供数据获取设备302使用。在又一个可替换地实施例中，能量由太阳电池板(未示出)收集并且被调节以供数据获取设备302使用。应该理解，本发明的实施例并不限于此处所述的实施例中的为数据获取设备302提供能量的特定方法。
因此，如图8所示，数据获取设备302包括电力变换器304。在示例性实施例中，电力变换器304也为相关的传感器元件300供电。此外，在示例性实施例中，数据获取设备302包括模数转换器(ADC)306，其被配置成将由传感器元件300产生的模拟信号转换为表示传感器数据的数字信号。在可替换的实施例中，ADC 306从数据获取设备302分离，并且可操作地耦合到传感器元件300和数据获取设备302。在示例性实施例中，数据获取设备302也包括收发机308，所述收发机308有助于从传感器元件300和/或ADC 306接收传感器数据，并且将表示所述传感器数据的信号发射到诸如将在下面详细描述的控制系统500之类的收集设备。在可替换的实施例中，数据获取设备302包括分离的接收机和发射机，而不是收发机308。在一个实施例中，传感器元件300可以包括一个或多个射频识别(RFID)传感器标签以发射传感器数据。射频识别(RFID)是一种自动识别方法，其依赖于使用被称为RFID传感器的设备来存储并远程地检索数据。耦合到叶片112的RFID传感器可以收集叶片数据；临时存储所述数据；以及将所述数据无线地发射到数据获取设备302和/或RFID读取器(未示出)。无源RFID标签不需要内部电源。这样，无源RFID标签可以被形成在小的数据包(package)中。此外，不管该标签被用作温度传感器、张力传感器还是压力传感器，每个无源RFID标签的成本都很低。这样，可以将多个RFID标签安置在每个叶片112上以记录、存储以及发射每个叶片112的物理状态和/或操作状态。RFID读取器可以可移动的或可以被安置在塔102中。
在示例性实施例中，传感器元件300和数据获取设备302被制造得足够薄以能够附着于叶片112的表面301(如图4到图7所示)。在可替换的实施例中，传感器元件300和数据获取设备302可以由足够平且光滑的薄层覆盖，从而有助于保留叶片112的空气动力性能。在又一个可替换的实施例中，传感器300和数据获取设备302被单独地形成在一个物件(piece)中。
在操作过程中，以上述的方式为每个数据获取设备302供电。而数据获取设备302又为一个或多个相关的传感器元件300供电。当叶片112受到应力和/或荷载时，每个传感器元件300收集数据并将所述数据传输到相关的数据获取设备302。可替换地，每个传感器元件300收集并临时存储数据。数据获取设备302周期地查询相关的传感器元件300的数据。所述数据被调节，例如由ADC 306从模拟信号转换为数字信号。然后，收发机308将表示所述传感器数据的数字信号发射控制系统500。
图9是说明与风轮机100(图1中所示)一起使用的示例性控制系统500的框图。在示例性实施例中，控制系统500位于发动机舱106(图1中所示)内部并包括总线502或其他通信设备以使控制系统500能够在内部传送信息。控制系统500还包括一个或多个电耦合到总线502的处理器504。处理器504被配置成处理诸如从数据获取设备302发射到控制系统500的信号，但不限于所述信号。此外，控制系统500还包括诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器510和/或一个或多个存储设备508之类的存储器506。RAM 506、ROM 510和/或存储设备508被耦合到总线502并被配置成存储和/或传输信息以及由处理器504执行的指令。可替换地，RAM 506、ROM 510和/或存储设备508被配置成在处理器504执行指令期间存储临时变量和/或其他信息。控制系统500还包括一个或多个输入/输出(I/O)设备512，所述设备512可以包括能够使控制系统500为风轮机100提供输出信号的任何设备，以控制左右摇摆(yaw)、纵摇、叶片温度、叶片制动和/或任何其他信号，从而改善叶片112上的异常状态。此外，控制系统500输出信号到一个或多个计算机400(如图8所示)，以控制多个风轮机100。
图10是示例性风力发电厂402的图示示意图。风力发电厂402可以包括一个或多个计算机400以局部控制构成风力发电厂402的一个或多个风轮机100。风力发电厂402中的每个风轮机100的控制系统500可通信地耦合到诸如有线网络或无线网络之类的网络。此外，一个或多个计算机400可通信地耦合到所述网络。计算机400被配置成在中心位置处通过通信和/或预编程性的(programmatically)指向每个控制系统500来控制和/或监控每个风轮机100。此外，如图11中所示，中央服务器404可通信地耦合到多个计算机400，从而有助于监控和控制多个风力发电厂402。
在操作的过程中，信号被经由网络从计算机400发射到控制系统500。作为响应，该控制系统500调整风轮机100的操作。所述调整是实时的或近似实时的。在此处使用的实时指的是在影响例如计算机的计算结果的结果的输入改变之后的一个相当短的周期内就出现了结果。所述周期可以是在规律重复的作业的每次迭代之间的一段时间。这些重复的作业被称作周期性作业。时间周期是基于结果的重要性和/或该系统对生成结果的输入实行处理的能力而选择的实时系统的设计参数。此外，实时出现的事件在出现时基本没有有意的延迟。相比之下，在此处使用的近似实时指的是在影响结果的输入改变之后的某一延迟内出现了结果。所述延迟可以是有意的，例如由定时器引起；或者所述延迟可以是无意的，例如由网络中的等待时间引起。因此，在一个实施例中，分析传感器数据以确定是否有必要操作风轮机100的特性。在示例性实施例中，控制系统500一接收到来自数据获取设备302的传感器数据信号就分析所述数据并且确定是否有必要调整。在可替换的实施例中，控制系统500将所述传感器数据信号发送到计算机400。在又一个可替换的实施例中，每个计算机400还将传感器数据发射到中央服务器404，所述中央服务器404收集和/或分析来自多个风力发电厂402的传感器数据。
图12是说明监控来自具有多个风轮机叶片112(在图1中示出)的风轮机100(在图1中示出)的操作数据的示例性方法900的流程图。每个叶片112包括可操作的耦合到一个或多个数据获取设备302的一个或多个传感器元件300(两者都在图7中示出)。在示例性实施例中，所述传感器数据有助于测量叶片加速度，从而计算呈现在叶片112中的荷载。在可替换的实施例中，所述传感器数据包括由耦合到风轮机100的每个叶片112的至少一个传感器元件300采集902的叶片112的异常应力、张力、温度和/或其他状态中的至少一者。然后，将所述传感器数据从传感器元件300传输904到相关的数据获取设备302。在一个实施例中，数据自动地传输904到数据获取设备302。在可替换的实施例中，数据获取设备302周期地查询传感器元件300的传感器数据，并且传感器元件300响应于所述查询而传输904传感器数据。
在示例性实施例中，之后，数据获取设备302生成906表示所述传感器数据的信号，并且将所述信号发射908到控制系统500。在一个实施例中，使用射频(RF)传输例如但不限于通过无线网络来将所述信号发射908到控制系统500。在可替换的实施例中，数据获取设备302使用能够实现在此描述的系统和方法的功能性的任何RF传输技术来将信号发射908到控制系统。在又一个可替换的实施例中，使用数据获取设备302和控制系统500之间的光纤连接来将所述信号发射908到控制系统500。在另一个可替换的实施例中，使用数据获取设备302和控制系统500之间的强闪电抑制金属线来将所述信号发射908到控制系统500。在再一个可替换的实施例中，控制系统500将所述信号发射到计算机400。
在示例性实施例中，分析910表示传感器数据的所述信号以确定是否需要调整风轮机100的操作特性。特别地，在一个实施例中，分析叶片加速度数据以确定呈现在叶片112中的荷载。在示例性实施例中，控制系统500分析910关于风轮机100的所述信号。在可替换的实施例中，计算机400分析910关于构成风力发电厂402的多个风轮机100的所述信号。在另一个可替换的实施例中，中央服务器404分析910关于多个风力发电厂402的所述信号。可以通过调整912风轮机100的操作特性来改变在叶片112上的荷载。
在可替换的实施例中，控制系统500、计算机400和/或中央服务器404的中至少一者存储表示传感器数据的所述传感器数据和/或所述信号。可以分析910所存储的数据以确定有必要在何时对个别的风轮机100、风力发电厂402的多个风轮机100以及/或者扩散到多个风力发电厂402的多个风轮机100进行维护。
在又一个可替换的实施例中，可以由控制系统500、计算机400和/或中央服务器404中的至少一者来执行有限元分析(FEA)。所述FEA使用由数据获取设备302发射的所述传感器数据和/或所述表示信号中的至少一者，以有助于确定传感器300的位置，从而检测叶片112中的张力的大变化。在根据所述FEA的输出定位传感器300之后，通过收集并分析如上所述的传感器数据来观察叶片112中的张力。如果在风轮机100的操作过程中，特定传感器300提供的张力读取不同于所期望的张力读取，那么控制系统500、计算机400和/或中央服务器404使用户和/或维护人员提高警惕。
因此，应该理解的是，本发明的各个方面提供了在不使用内部电源的情况下将数据从旋转叶片发射到控制系统的传感器和数据获取设备。可以根据建模分析来将多个传感器放置在叶片上。例如，可以实时地映射应力分布并进行记录。可替换地，可以分析应力和/或加速度测量以确定是否有必要调整所述风轮机的操作特性，从而降低和/或平衡叶片荷载。
虽然根据各种特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该认识到，本发明可以在权利要求的精神和范围内进行修改。
用于感测旋转叶片的参数的方法和装置
部件列表
  100   风轮机
  102   塔
  104   支撑表面
  106   发动机舱
  108   转子
  110   转子轮毂
  112   叶片
  212   叶片根部
  214   叶片尖端
  216   外围或相对侧面
  218   外围或相对侧面
  220   加强杆
  222   加强杆凸缘
  224   加强杆凸缘
  226   连接板
  300   传感器元件
  301   表面
  302   数据获取设备
  304   电力变换器
  306   模数转换器
  308   收发机
  400   计算机
  402   风力发电厂
  404   中央服务器
  500   控制系统
  502   总线
  504   处理器
  506   随机存取存储器
  508   存储设备
  510   只读存储器
  512   设备
  900   示例性方法
  902   采集与叶片状态相关的数据
  904   将数据从传感器传输到数据获取设备
  906   生成表示传感器数据的信号
  908   将信号从数据获取设备发射到控制系统
  910   分析信号以确定是否需要对风轮机的操作特性进行调整
  912   调整风轮机的操作特性

Claims (10)

1.一种被配置为安装到转子(108)上的叶片(112)，所述叶片包括可操作地耦合到也在所述叶片之上的数据获取设备(302)的至少一个传感器(300)，所述至少一个传感器被配置为向所述数据获取设备传输叶片加速度数据，所述数据获取设备被配置为生成表示从所述至少一个传感器接收到的数据的信号，并将所述信号发射到控制系统(500)，所述控制系统被配置为使用所述信号来控制叶片荷载。
2.根据权利要求1所述的叶片(112)，其中所述叶片耦合到风轮机(100)的转子(108)。
3.根据权利要求1所述的叶片(112)，其中所述数据获取设备(302)由在所述叶片和轮毂(110)中的一者处生成的能量供电。
4.根据权利要求1所述的叶片(112)，其中所述数据获取设备(302)被配置为利用射频(RF)传输以及在所述数据获取设备与所述控制系统(500)之间的至少一条线中的一者来发射表示所述传感器数据的信号。
5.根据权利要求4所述的叶片(112)，其中所述至少一条线包括至少一条光纤线和至少一条金属线中的一者，所述至少一条金属线包括闪电抑制材料。
6.根据权利要求2所述的叶片(112)，其中所述控制系统(500)进一步被配置为通过分析由所述数据获取设备(302)传输的信号并对所述风轮机(100)的操作特性进行调整来控制叶片荷载。
7.一种风轮机(100)，包括：
至少一个叶片(112)，其包括可操作地耦合到被安装在所述叶片上的至少一个数据获取设备(302)的至少一个传感器(300)，所述至少一个传感器被配置为向所述至少一个数据获取设备传输叶片加速度数据；以及
至少一个实时或近似实时的控制系统(500)，所述数据获取设备被配置为生成表示所述传感器数据的信号，并将所述信号发射到所述至少一个控制系统，所述至少一个控制系统被配置为控制叶片荷载。
8.根据权利要求7所述的风轮机(100)，其中所述至少一个数据获取设备(302)由所述至少一个叶片(112)和轮毂(110)中的至少一者生成的能量供电。
9.根据权利要求7所述的风轮机(100)，其中所述至少一个控制系统(302)进一步被配置为控制所述风轮机以将操作特性维持在预定的限度之内。
10.根据权利要求7所述的风轮机(100)，其中所述至少一个数据获取设备(302)进一步被配置为利用射频(RF)传输和在所述至少一个数据获取设备与所述至少一个控制系统(500)之间的至少一条线中的一者来发射表示所述传感器数据的信号。
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