CN101849104A - 风轮机桨叶频率的监测 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，均具有内置测力传感器(LC，未示出)的一个或多个螺栓测量计(6)位于桨叶螺栓和/或轴承螺栓上并处于变浆轴承与螺母之间且通过风轮机的轮毂的内侧或外侧的螺母被固紧。然后，当风轮机的轮毂旋转时，螺栓测量计输出信号，所述信号源于螺栓/螺母连接的固紧力和当桨叶由于风力和桨叶旋转而振动时桨叶的固紧力。进一步地，由于将每个桨叶频率与其它桨叶频率比较，由此监测每个桨叶频率的剧烈或警戒变化，当达到给定水平时启动警报和/或使风轮机停机。

Description

风轮机桨叶频率的监测
技术领域
本发明涉及用于监测风轮机桨叶频率的方法和用于执行所述方法的监测系统。
背景技术
已知的是，监测风轮机的桨叶频率，以监测每个桨叶的频率是否由于例如桨叶材料失效、雷击或其它影响而改变。通常通过在每个风轮机桨叶中设置一个或多个快速响应传感器(例如加速计)进行监测，如WO 99/57435A1中所述。这种方式由于需要许多昂贵的传感器而成为一种昂贵的解决方式。
在现有的未在桨叶中内置所述传感器以监测桨叶频率的风轮机上，此后进行传感器内置是非常困难和昂贵的，这是因为必须在每个桨叶中设置传感器。
发明内容
这样，本发明的目的在于，提供一种监测风轮机桨叶频率的方法和一种用于执行所述方法的监测系统，所述监测系统更易于内置于现有风轮机中且更便宜。
这一目的通过如权利要求1所述的用于监测风轮机桨叶频率的方法得到的方法和通过如权利要求10所述的监测系统得以实现。从属权利要求包含本发明的进一步的优选方案。
在本发明的用于监测风轮机桨叶频率的方法中，所述风轮机包括：塔架；机舱；旋转轮毂，其具有一个或多个变浆轴承(pitch bearing)，所述变浆轴承具有内环和外环。所述外环通过轴承螺栓和紧固机构或螺母连接到所述轮毂，所述内环通过所述内环中的多个通孔连接到一个或多个旋转桨叶，所述多个通孔配合于多个桨叶螺栓并通过多个螺母或其它紧固机构被固紧。所述风轮机包括具有内置测力传感器的一个或多个螺栓测量计，每个所述螺栓测量计位于所述桨叶螺栓和/或轴承螺栓上并处于所述变浆轴承与所述螺母或其它紧固机构之间且通过所述螺母或其它紧固机构被固紧。建立电信号，所述电信号源于和根据所述螺栓测量计和所述内置测力传感器上的载荷或压力，使用来自所述螺栓测量计的所述电信号测量由于作用在所述风轮机上的风力所致的所述桨叶的振动和频率。所述螺栓测量计可输出源于和根据所述螺栓测量计和所述内置测力传感器上的载荷或压力的电信号。
根据本发明，都具有内置测力传感器(LC，未示出)的一个或多个螺栓测量计6位于变浆轴承与螺母之间的桨叶螺栓上并通过风轮机的轮毂的内侧或外侧的螺母固紧。然后，当风轮机的轮毂旋转时，螺栓测量计输出信号，所述信号源于螺栓/螺母连接的固紧力和当桨叶由于风力和桨叶旋转而振动时桨叶的固紧力。
如果要监测特定类型的桨叶振动，例如挥舞方向(flap-wise)的振动，则螺栓测量计位于桨叶螺栓上，穿过螺栓中心和桨叶中心的平面基本垂直于也被称为桨叶的背风侧或迎风侧的上和/或下表面。应注意，这样的平面也可被认为大致垂直于桨叶的弦线。如果要监测摆振方向(edge-wise)的振动或频率，则螺栓测量计位于移置90度的桨叶螺栓上，穿过螺栓的中心和桨叶的中心的平面基本平行于桨叶的上和/或下表面。应注意，这样的平面也可被认为大致平行于桨叶的弦。可替代地，摆振方向和挥舞方向的螺栓测量计均位于如前所述的桨叶螺栓上，并由此同时监测摆振方向和挥舞方向的振动或频率。换句话说，本发明的方法可进一步包括以下步骤：通过使用一个或多个螺栓测量计测量所述桨叶的摆振方向和/或挥舞方向的振动和频率。在此步骤中，至少一个螺栓测量计可定位而使得所述螺栓在所述内环或外环的位置与相应环的中心处于大致平行于所述桨叶的弦而延伸的线上，以测量摆振方向振动和频率；和/或，至少一个螺栓测量计可定位成使得所述螺栓在所述内环或外环的位置与相应环的中心处于大致垂直于所述桨叶的弦而延伸的线上，以测量挥舞方向振动和频率。特别地，本发明的方法可包括以下步骤：通过使用两个螺栓测量计测量所述桨叶的摆振方向和挥舞方向的振动和频率，其中每个螺栓测量计均位于桨叶螺栓和/或轴承螺栓上，所述桨叶螺栓和/或轴承螺栓相对于另一桨叶螺栓和/或轴承螺栓移置90度。
在另一可替代方案中，将螺栓测量计定位在前述桨叶螺栓中的一个上，并将螺栓测量计定位在相对于另一桨叶螺栓移置180度的桨叶螺栓上。由此，监测在两个螺栓测量计之间的差异信号，从而提供改进信号。换句话说，本发明的方法可进一步包括以下步骤：通过使用一对或两对螺栓测量计测量所述桨叶的摆振方向和/或挥舞方向的振动和频率，其中，每对螺栓测量计位于桨叶螺栓和/或轴承螺栓上，每对中的螺栓测量计相对于彼此移置180度。这可特别地基于对每对螺栓测量计之间的差异信号的测量。
在本发明的方法的进一步的步骤中，来自所述螺栓测量计的电信号可通过放大器被放大并通过电线或通过无线方式被发送到主计算机或控制器。所述电信号可被存储或记录在所述主计算机或控制器中。进一步地，通过将每个桨叶频率与其它桨叶频率比较并且使用这种比较计算每个桨叶频率的变化，可计算每个桨叶的新频率。可替代地，计算每个桨叶的新频率可基于各桨叶频率之间的差异。此外，本发明的方法可包括以下步骤：当计算出的新频率达到特定水平时，启动警报和/或使所述风轮机停机。
根据本发明的另一方案，本发明的监测风轮机的桨叶频率的监测系统包括：塔架；机舱；和旋转轮毂，其具有一个或多个变浆轴承，所述变浆轴承具有内环和外环。所述外环通过轴承螺栓和紧固机构或螺母连接到所述轮毂，所述内环通过所述内环中的多个通孔连接到一个或多个旋转桨叶，所述多个通孔配合于多个桨叶螺栓并通过多个螺母或其它紧固机构被固紧。所述监测系统包括具有内置测力传感器的一个或多个螺栓测量计，每个所述螺栓测量计位于桨叶螺栓和/或轴承螺栓上并处于所述变浆轴承与所述螺母或其它紧固机构之间且通过所述螺母或其它紧固机构被固紧。所述螺栓测量计可输出源于和根据所述螺栓测量计和所述内置测力传感器上的载荷或压力的电信号，特别是通过电线输出。本发明的监测系统适于执行本发明的方法。
所述监测系统可包括两个螺栓测量计，每个所述螺栓测量计位于桨叶螺栓和/或轴承螺栓上，所述桨叶螺栓和/或轴承螺栓相对于另一桨叶螺栓和/或轴承螺栓移置90度，以测量所述桨叶摆振方向和挥舞方向的振动和频率。换句话说，所述监测系统可包括两个螺栓测量计，每个所述螺栓测量计位于桨叶螺栓和/或轴承螺栓上，其中所述两个螺栓测量计中的第一螺栓测量计的桨叶螺栓或轴承螺栓相对于所述两个螺栓测量计中的第二螺栓测量计的桨叶螺栓或轴承螺栓移置90度，以允许测量所述桨叶摆振方向和挥舞方向的振动和频率。
所述监测系统可进一步包括至少一对螺栓测量计，其中，所述一对的螺栓测量计位于一对的桨叶螺栓和/或轴承螺栓上。所述一对桨叶螺栓或轴承螺栓中的一个相对于所述一对桨叶螺栓或轴承螺栓中的另一个移置180度，以允许通过所述一对螺栓测量计测量表示所述桨叶摆振方向和/或挥舞方向的振动和频率的差异信号。
而且，所述监测系统可包括至少两对螺栓测量计。每对螺栓测量计位于一对桨叶螺栓和/或轴承螺栓上，其中，成对的桨叶螺栓或轴承螺栓相对于彼此移置180度。不同对的螺栓测量计的桨叶螺栓和/或轴承螺栓相对于彼此移置90度。
而且，本发明的监测系统可包括：一个或多个放大器，其通过电线和滑环或通过无线方式连接到所述螺栓测量计并连接到主计算机或控制器。在所述主计算机或控制器中可包括：存储或记录单元，用于存储或记录来自所述螺栓测量计的信号。
此外，本发明的监测系统可进一步包括：在所述主计算机或控制器中的警报单元，当一个或多个桨叶频率与其它桨叶频率相比的变化达到特定水平时，所述警报单元启动警报和/或使所述风轮机停机。
应注意，上述螺栓测量计可特别地位于桨叶螺栓上。不过，另一可替代方案是上述螺栓测量计位于轴承螺栓上或同时位于轴承螺栓和桨叶螺栓上。轴承螺栓的主要功能是将变浆轴承的外环紧固到风轮机的轮毂，其中，变浆轴承的内环通过桨叶螺栓承载桨叶。
来自螺栓测量计的源于每个测力传感器(LC)的信号在正常情况下通过连接到滑环的电线以电方式被发送到主计算机或控制器(MC)并通过放大器被放大。测力传感器信号也可通过无线方式被发送到MC并直接通过螺栓测量计被放大。
如前所述，每个桨叶振动或频率由此通过MC被监测并且被存储或记录。进一步地，由于将每个桨叶频率与其它桨叶频率比较，则可监测每个桨叶频率的剧烈和警戒变化，当达到给定水平时启动警报和/或使风轮机停机。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本发明，其中：
图1显示出根据本发明的风轮机。
图2显示出根据本发明的风轮机的截面图，其中显示出桨叶安装有就位的螺栓测量计。
图3显示出位于桨叶螺栓上的螺栓测量计的截面图。
图4显示出在每个螺栓测量计与主计算机或控制器(MC)之间的电连接。
图5显示出来自两个螺栓测量计的测力传感器(LC)信号，所述两个螺栓测量计位于桨叶螺栓上并彼此移置180度。
图6显示出图5所示的两个LC信号之间的差异信号。
图7显示出桨叶C的摆振方向频率比其它桨叶的频率降低更多且警报启动的示例。
图8显示出位于轴承螺栓上的螺栓测量计的截面图。
具体实施方式
如图1、2和3中所示的内置于风轮机1中的监测系统包括：塔架2；机舱3；具有变浆轴承10的轮毂4和一个或多个旋转桨叶5(5A、5B(未示出)、5C或更多桨叶)，每个桨叶5通过变浆轴承中的多个通孔连接到具有内环12和外环11的变浆轴承10，所述多个通孔配合于多个桨叶螺栓8并通过多个螺母9固紧，如图2中所示。通孔位于变浆轴承的内环12中。而且，如图2中所示，每个桨叶螺栓8和螺母9在x-y平面中连接到变浆轴承10，桨叶5从x-y平面沿径向沿z方向(大致平行于桨叶延伸方向)延伸，其中桨叶的上和/或下表面20基本平行于x方向。监测系统包括一个或多个螺栓测量计6或由一个或多个螺栓测量计6构成，每个螺栓测量计6具有内置测力传感器(LC，未示出)，螺栓测量计6位于在变浆轴承10与螺母9之间的桨叶螺栓8上，且通过在轮毂4内侧或外侧的螺母9固紧。优选地，如图3中所示，衬垫14被置于桨叶螺栓8上的螺栓测量计6的两侧上。然后，当风轮机1的轮毂4旋转时，螺栓测量计6输出信号，所述信号源于螺栓/螺母连接的固紧力和当桨叶5由于风力和桨叶5旋转而振动时桨叶5的固紧力。
如果要监测特定类型的桨叶振动，例如挥舞方向的振动，即，沿y方向(垂直于上和/或下桨叶表面20并由此也大致垂直于桨叶的弦线，即，连接桨叶前摆振方向与桨叶后摆振方向的线)的振动，则螺栓测量计6位于桨叶螺栓8上，且穿过螺栓中心和桨叶中心的平面基本垂直于也被称为桨叶5的背风侧或迎风侧的上和/或下表面20。换句话说，桨叶螺栓8在内环12上的位置和内环12的中心处于大致平行于x方向并由此大致平行于桨叶的弦而延伸的线上。在本实施例中，所述线与x方向重合。
如果监测摆振方向的振动或频率，即沿x方向(平行于上和/或下表面20并由此也大致平行于桨叶的弦线)的频率，则螺栓测量计6位于移置90度的桨叶螺栓8上，穿过螺栓8的中心和桨叶5的中心的平面基本平行于桨叶5的上和/或下表面20。换句话说，桨叶螺栓8在内环12上的位置和内环12的中心处于大致平行于y方向并由此大致垂直于桨叶的弦而延伸的线上。在本实施例中，所述线与y方向重合。
可替代地，摆振方向和挥舞方向的螺栓测量计6均位于如前所述的桨叶螺栓8上，并由此同时监测摆振方向和挥舞方向的振动或频率，如图2中所示。
在另一可替代方案中，将螺栓测量计6定位在前述桨叶螺栓8中的一个上，并将螺栓测量计6定位在沿内环12的圆周相对于另一桨叶螺栓8移置180度的桨叶螺栓8上。由此，监测在两个螺栓测量计6之间的差异信号，从而提供改进信号，如图5和6中所示。图5显示出两个挥舞方向频率信号，其中，上面的信号源于载荷放松时螺栓测量计6的测力传感器(LC)，而下面的信号源于载荷增大时相对于另一螺栓测量计6移置180度的螺栓测量计6的测力传感器，其中负信号指示螺栓测量计6上的压力较大。在尺寸对应于2，3MW功率产出的典型大型风轮机中，螺栓测量计以400kN的固紧力安装，所述力于是成为螺栓测量计6的测力传感器的静态载荷或压力，测力传感器例如能够测量最高至750kN，这取决于螺栓测量计6和测力传感器的尺寸。
在又一可替代方案中，将前述螺栓测量计6定位在轴承螺栓13上(如图8中所示)，或同时定位在轴承螺栓13和桨叶螺栓8上。轴承螺栓13的主要功能是将变浆轴承10的外环11紧固到风轮机1的轮毂4，其中变浆轴承10的内环12通过桨叶螺栓8承载桨叶5。
可使用其它紧固机构，例如夹具或胶与夹具的组合，以替代所述螺母9。
在正常情况下，来自螺栓测量计6的源于每个测力传感器(LC)的信号以电方式通过连接到滑环15的电线7被发送到主计算机或控制器(MC)17，并通过放大器16被放大，如图4中所示。测力传感器信号也可通过无线方式被发送到MC 17并且直接通过螺栓测量计6被放大。如前所述，每个桨叶振动或频率由此被监测，并通过MC 17中的存储或记录单元(未示出)被存储或记录。进一步地，由于将每个桨叶频率与其它桨叶频率进行比较，因此通过MC 17中的警报单元(未示出)监测每个桨叶频率的剧烈和警戒变化，当达到给定水平时通过警报单元启动警报和/或使风轮机1停机。
桨叶5的挥舞方向频率、特别是摆振方向频率将随桨叶5温度的变化而变化。桨叶频率还将存在一些初始差异，例如由于质量分布不同所致的差异。因此，对一个桨叶5的频率变化的检测不得不相对于其它桨叶5进行。一种用于检测桨叶频率的相对变化的方法在以下公式中描述。桨叶(例如桨叶5A)的频率(fA)减去其它桨叶(FB和FC)的平均值。减去初始差异(dfA init)以消除初始偏差。这可通过计算出例如一天的平均值而得到。
df A = f A - F B + F C 2 - df A _ init
df B = f B - F A + F C 2 - df B _ init
df C = f C - F A + F B 2 - df C _ init
对减去允许差异(dfallowed)的所述差异的绝对值(dfA..C)进行积分，所得的信号在存在较大差异时快速增大并在具有较小偏差时缓慢增大。当DiffLevA(对DiffLevB和DiffLevC同样类推)达到给定水平时，应启动警报且风轮机应停机。
DiffLevA＝DiffLevA+|dfA|-dfallowed@DiffLevA≥0
图7显示出桨叶C的摆振方向频率减小且桨叶A和桨叶B的频率更稳定的示例。当达到允许差异(fdC)时，差异水平(DiffLevC)开始增大并当其达到0.2时触发或启动警报。
频率差异也可通过考虑频率比而不是绝对差异来计算得出。
df BA = F B F A - df BA _ init
df CA = F C F A - df CA _ init
频率差异水平检测：
1.如果所述差异作为例如在没有桨叶损坏时发生器在正常操作下的速度的函数而变化，则差异dfA..C应通过多个积分器进行积分，所述积分器应以给定速度间隔执行所述积分。
2.当达到给定最大偏差时，可启动警报，而不使用积分方法。
与相关现有技术相比，本发明提供一种监测桨叶频率的便宜的可能方案，这是因为螺栓测量计6比在相关现有技术中所使用的三轴线加速计便宜得多，而且因为与将加速计安装到现有风轮机的现有桨叶中相比，更容易将螺栓测量计6安装在现有桨叶螺栓8或现有轴承螺栓13上。

Claims (15)

1.一种用于监测风轮机(1)的桨叶频率的方法，所述风轮机(1)包括塔架(2)；机舱(3)；旋转轮毂(4)，其具有一个或多个变浆轴承(10)，所述变浆轴承(10)具有内环(12)和外环(11)，其中，所述外环(11)通过轴承螺栓(13)和紧固机构(9)连接到所述轮毂(4)，所述内环(12)通过所述内环(12)中的多个通孔连接到一个或多个旋转桨叶(5A，5C)，所述多个通孔配合于多个桨叶螺栓(8)并通过多个紧固机构(9)固紧；还包括具有内置测力传感器的一个或多个螺栓测量计(6)，每个所述螺栓测量计(6)位于所述桨叶螺栓(8)和/或轴承螺栓(13)上并处于所述变浆轴承(10)和所述紧固机构(9)之间且通过所述紧固机构(9)被固紧；
在所述方法中，建立电信号，所述电信号源于和根据所述螺栓测量计(6)和所述内置测力传感器上的载荷或压力；以及使用来自所述螺栓测量计(6)的所述电信号测量由于作用在所述风轮机(1)上的风力所致的所述桨叶(5A，5C)的振动和/或频率。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
通过使用一个或多个螺栓测量计(6)测量所述桨叶(5A，5C)的摆振方向和/或挥舞方向的振动和频率，其中，至少一个螺栓测量计(6)定位成使得所述螺栓在所述内环(12)或外环(11)的位置与相应的环(11，12)的中心处于大致平行于所述桨叶的弦而延伸的线上，以测量摆振方向振动和频率；和/或至少一个螺栓测量计(6)定位成使得所述螺栓在所述内环(12)或外环(11)的位置与相应的环(11，12)的中心处于大致垂直于所述桨叶的弦而延伸的线上，以测量挥舞方向振动和频率。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括以下步骤：
通过使用一对或两对螺栓测量计(6)测量所述桨叶(5A，5C)的摆振方向和/或挥舞方向的振动和频率，其中，每对螺栓测量计(6)位于桨叶螺栓(8)和/或轴承螺栓(13)上，并且其中每对中的所述螺栓测量计相对于彼此移置180度。
4.如权利要求3所述的方法，进一步包括以下步骤：
测量在每对螺栓测量计(6)之间的差异信号。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤：
通过放大器(16)放大来自所述螺栓测量计(6)的电信号，并通过电线(7)或通过无线方式将所述电信号发送到主计算机或控制器(17)，且将所述信号存储或记录在所述主计算机或控制器(17)中。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤：
通过将每个桨叶频率与其它桨叶频率比较并且使用这种比较计算每个桨叶频率的变化，来计算每个桨叶(5A，5C)的新频率。
7.如权利要求1至5中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤：
基于每个桨叶频率的差异，来计算每个桨叶(5A，5C)的新频率。
8.如权利要求6或7所述的方法，进一步包括以下步骤：
当计算出的新频率达到特定水平时，启动警报和/或使所述风轮机(1)停机。
9.一种监测风轮机(1)的桨叶频率的监测系统，包括：
塔架(2)；
机舱(3)；
旋转轮毂(4)，其具有一个或多个变浆轴承(10)，所述变浆轴承(10)具有内环(12)和外环(11)，其中，所述外环(11)通过轴承螺栓(13)和紧固机构(9)连接到所述轮毂(4)，所述内环(12)通过所述内环(12)中的多个通孔连接到一个或多个旋转桨叶(5A，5C)，所述多个通孔配合于多个桨叶螺栓(8)并通过多个紧固机构(9)固紧；
还包括具有内置测力传感器的一个或多个螺栓测量计(6)，每个所述螺栓测量计(6)位于桨叶螺栓(8)和/或轴承螺栓(13)上并处于所述变浆轴承(10)与所述紧固机构(9)之间且通过所述紧固机构(9)被固紧。
10.如权利要求9所述的监测系统，包括两个螺栓测量计(6)，每个所述螺栓测量计位于桨叶螺栓(8)和/或轴承螺栓(13)上，其中，所述两个螺栓测量计中的第一螺栓测量计的桨叶螺栓(8)或轴承螺栓(13)相对于所述两个螺栓测量计中的第二螺栓测量计的桨叶螺栓(8)或轴承螺栓(13)移置90度，以允许测量所述桨叶(5A，5C)的摆振方向和挥舞方向的振动和频率。
11.如权利要求9或10所述的监测系统，包括至少一对螺栓测量计(6)，其中，所述一对螺栓测量计(6)位于一对桨叶螺栓(8)和/或轴承螺栓(13)上，其中，所述一对的桨叶螺栓(8)或轴承螺栓(13)中的一个相对于所述一对的桨叶螺栓(8)或轴承螺栓(13)中的另一个移置180度，以允许测量表示所述桨叶(5A，5C)的摆振方向和/或挥舞方向的振动和频率的差异信号。
12.如权利要求11所述的监测系统，包括至少两对螺栓测量计(6)，每对螺栓测量计(6)的螺栓测量计位于一对桨叶螺栓(8)和/或轴承螺栓(13)上，其中，所述一对的桨叶螺栓(8)或轴承螺栓(13)相对于彼此移置180度，不同对的螺栓测量计(6)的桨叶螺栓(8)和/或轴承螺栓(13)相对于彼此移置90度。
13.如权利要求9至12中的任一项所述的监测系统，进一步包括：一个或多个放大器，其通过电线(7)和滑环(15)或通过无线方式连接到所述螺栓测量计(6)，然后连接到主计算机或控制器(17)。
14.如权利要求13所述的监测系统，进一步包括：在所述主计算机或控制器(17)中的存储或记录单元，用于存储或记录来自所述螺栓测量计(6)的信号。
15.如权利要求13或14所述的监测系统，进一步包括：在所述主计算机或控制器(17)中的警报单元，当与其它桨叶频率相比一个或多个桨叶频率的变化达到特定水平时，所述警报单元启动警报和/或使所述风轮机(1)停机。
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