CN102953931A - 在风力发电机中调整轴的弯矩的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种用于在风力发电机中调整轴的弯矩的系统和方法。所述系统包括：轴台，其供所述轴穿过；传感器，其安装到所述轴台并测量所述轴台的变形；以及控制系统，其以可通信的方式连接到所述传感器。所述控制系统配置成响应于所述轴台的所述变形来调整转子叶片。所述方法包括：测量轴台的变形；以及响应于所述轴台的所述变形来调整转子叶片。所述轴台供所述轴穿过。

Description

在风力发电机中调整轴的弯矩的系统和方法
技术领域
本发明大体涉及风力发电机，确切地说，涉及用于在风力发电机中调整轴的弯矩的系统和方法。
背景技术
风能被认为是目前可用的最清洁、最环保的能源之一，在这一方面，风力发电机已获得广泛关注。现代风力发电机通常包括塔筒、发电机、齿轮箱、机舱以及一片或多片转子叶片。转子叶片使用已知的翼片原理来捕获风的动能。转子叶片以转动能的形式传输动能，以使轴转动，所述轴将转子叶片连接到齿轮箱，或者，如果未使用齿轮箱，则直接连接到发电机。之后，发电机将机械能转化成电能，从而输送到公用设施电网中。
在风力发电机运行过程中，风力发电机的各个部件会承受各种负载。具体而言，连接转子叶片与发电机的轴可承受各种负载，例如，轴向负载和弯曲负载。因此，在风力发电机运行过程中，轴可能经常会因这些负载而发生偏转。因此类负载而在轴上产生的弯矩是尤其关键的变量，而且在许多情况下，需要在风力发电机运行过程中减少所述弯矩。
然而，当前已知的用于测量轴偏转，例如弯矩，的系统和方法可能并不准确和/或可能设置不当。例如，接近度探针可安装到轴上的法兰，以监测位移。然而，此类探针必须位于相对较小、难以接近的区域，从而使其难以进行安装和维修。这可导致不准确性和较差可靠性。另一实例涉及安装到轴本身的传感器。但此安装要求相对昂贵且不可靠的遥测系统，以用于获取和传输数据。另外，当前已知的系统和方法可导致各种类型的偏转混淆，例如，扭矩与弯矩混淆。
因此，需要一种用于在风力发电机中调整轴的弯矩的改良系统和方法。例如，一种提供更准确且可靠的测量和调整的系统和方法将十分有利。
发明内容
以下说明书将部分阐明本发明的各方面和优点，或者，这些方面和优点在说明书中可能是显而易见的，或者通过实践本发明能够推导出。
在一项实施例中，本发明揭示一种用于在风力发电机中调整轴的弯矩的系统。所述系统包括：轴台（pillow block），其供所述轴穿过；传感器，其安装到所述轴台并测量所述轴台的变形；以及控制系统，其以可通信的方式连接到所述传感器。所述控制系统配置成响应于所述轴台的所述变形来调整转子叶片。
所述在风力发电机中调整轴的弯矩的系统进一步包括多个传感器。
进一步地，所述传感器测量因所述轴围绕偏航轴弯曲而导致的变形。
进一步地，所述传感器测量因所述轴围绕倾斜轴弯曲而导致的变形。
其中所述传感器为应变计。
其中所述传感器测量所述轴台的应变。
其中所述传感器在最大变形位置安装到所述轴台。
其中所述轴台进一步设有安装平台，且其中所述传感器在所述安装平台上安装到所述轴台。
其中所述安装平台在最大变形位置处设在所述轴台中。
其中所述控制系统配置成响应于所述轴台的所述变形来调整所述转子叶片的桨距。
在另一实施例中，本发明还揭示了一种风力发电机。该风力发电机包括：轴；轴台，其供所述轴穿过；传感器，其安装到所述轴台且测量所述轴台的变形；以及控制系统，其以可通信的方式连接到所述传感器，所述控制系统配置成响应于所述轴台的所述变形来调整转子叶片。
其中所述传感器测量所述轴台的应变。
其中所述传感器在最大变形位置安装到所述轴台。
其中所述轴台进一步设有安装平台，且其中所述传感器在所述安装平台上安装到所述轴台。
其中所述控制系统配置成响应于所述轴台的所述变形来调整所述转子叶片的桨距。
在其他另一实施例中，本发明揭示一种用于在风力发电机中调整轴的弯矩的方法。所述方法包括：测量轴台的变形；以及响应于所述轴台的所述变形来调整转子叶片。所述轴台供所述轴穿过。
其中测量步骤包括测量因所述轴围绕偏航轴弯曲而导致的变形。
其中所述测量步骤包括测量因所述轴围绕倾斜轴弯曲而导致的变形。
其中所述变形为应变。
其中在所述轴台上的最大变形位置测量所述变形。
参考以下具体实施方式和所附权利要求书可以更好地理解本发明的这些以及其他特征、方面和优点。附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，说明了本发明的各实施例，并与具体实施方式一起解释本发明的原理。
附图说明
本说明书参考附图，针对所属领域的一般技术人员，完整且可实现地详细揭示了本发明，包括其最佳模式，其中：
图1为根据本发明的一项实施例的风力发电机的透视图；
图2为根据本发明的一项实施例的系统的透视图；
图3为根据本发明的一项实施例的包括安装到轴台的多个传感器的系统的透视图；以及
图4为根据本发明的另一项实施例的包括安装到轴台的多个传感器的系统的局部透视图。
  标号   部件   标号   部件
  10   风力发电机   12   塔筒
  14   支撑表面   16   机舱
  18   转子   20   可旋转轮毂
  22   转子叶片   24   叶根部分
  26   负载转移区   28   风向
  30   旋转轴   32   桨距角调整系统
  34   变桨轴   36   控制系统
  38   偏航轴   40   处理器
  50   轴   52   毂缘
  54   底板   60   轴台组件
  62   前轴台组件   64   后轴台组件
  66   轴台   68   轴架
  72   倾斜轴   100   系统
  102   传感器   104   最大变形位置
  106   安装平台
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各实施例，附图中将图示本发明实施例的一个或多个实例。各个实例用以解释本发明而非限制本发明。事实上，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，所属领域的技术人员可轻易对本发明做出各种修改和变化。例如，作为一项实施例的一部分说明或描述的特征可用于其他实施例中，从而得到另一项实施例。因此，本发明应涵盖所有基于所附权利要求书及其等效物的范围内的修改和变化。
图1为示例性风力发电机10的透视图。在示例性性实施例中，风力发电机10为水平轴风力发电机。或者，风力发电机10也可为垂直轴风力发电机。在示例性实施例中，风力发电机10包括从支撑表面14延伸的塔筒12、安装在塔筒12上的机舱16，以及连接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转轮毂20以及连接到轮毂20并从所述轮毂向外延伸的至少一片转子叶片22。在示例性实施例中，转子18具有三片转子叶片22。在替代实施例中，转子18包括三片以上或以下转子叶片22。在示例性实施例中，塔筒12由钢管制成，以在支撑表面14和机舱16之间形成腔（图1中未图示）。在替代实施例中，塔筒12可为高度合适的任意合适类型的塔筒。
转子叶片22围绕轮毂20隔开，以促使转子18旋转，从而将风的动能转化成可用的机械能，随后转化成电能。转子叶片22通过在多个负载转移区26处将叶根部分24连接到轮毂20来与轮毂20进行配合。负载转移区26具有轮毂负载转移区和叶片负载转移区（图1中均未图示）。转子叶片22上引起的负载通过负载转移区26转移到轮毂20。在一项实施例中，转子叶片22的长度在约15米（m）到约91m的范围内。或者，转子叶片22可具有能够让风力发电机10如本专利申请文件所述那样运行的任意合适的长度。例如，叶片长度的其他非限制性实例包括10m或以下、20m、37m，或大于91m的长度。随着风从方向28击打转子叶片22，转子18围绕旋转轴30旋转。随着转子叶片22旋转并受到离心力的作用，转子叶片22也受到各种力和力矩的作用。因此，转子叶片22可能会从一个中性位置或非偏转位置偏转和/或旋转到偏转位置。此外，转子叶片22的桨距角或叶片桨距，即决定转子叶片22相对于风向28的角度的角，可通过桨距角调整系统32进行更改，以通过调整至少一片转子叶片22相对于风矢量的角位置来控制风力发电机10产生的负载和电力。图示了转子叶片22的变桨轴34。在风力发电机10运行过程中，桨距角调整系统32可改变转子叶片22的叶片桨距，从而使转子叶片22移动到顺桨位置（feathered position），这样，至少一片转子叶片22相对于风矢量的角度可以让朝向风矢量的转子叶片22的表面区域最小，从而促使转子18的转速减小和/或促使转子18失速。
在示例性实施例中，每片转子叶片22的叶片桨距（blade pitch）由控制系统36单独控制。或者，所有转子叶片22的叶片桨距可由控制系统36同时控制。此外，在示例性实施例中，当方向28改变时，可围绕偏航轴38控制机舱16的偏航方向，以相对于方向28放置转子叶片22。
在示例性实施例中，所示的控制系统36处于机舱16中的中心，但是，控制系统36可为分布式系统，分布于风力发电机10各处、支撑表面14上、风场内和/或远程控制中心处。控制系统36包括配置成执行本专利申请文件所述方法和/或步骤的处理器40。此外，本专利申请文件所述的许多其他部件包括处理器。本专利申请文件所用术语“处理器”并不限于在所属领域中称为计算机的集成电路，而是广泛地指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器（PLC）、专用集成电路以及其他可编程电路，且本专利申请文件所用的这些术语可互换。应了解，处理器和/或控制系统还可包括存储器、输入通道和/或输出通道。
图2所示为根据本发明的轴50的一项实施例。轴50包括用于将轮毂安装于其上的毂缘52。轴50进一步延伸到机舱16中且可操作地连接到发电机（未图示）。在一些实施例中，轴50可为直接驱动轴50。在这些实施例中，轴50直接连接到发电机。或者，齿轮箱（未图示）可设置在轴50与发电机之间，且可使轴50与发电机可操作连接。转子叶片22的旋转通过轮毂20传输到轴50，并从轴50传输到发电机。
可提供底板54来支撑轴50，如图所示。通常，底板54为设置在机舱16中的框架。在一些实施例中，底板54还为风力发电机10的其他部件提供支撑，例如，发电机和/或如果存在的话，齿轮箱。
如图2所示，根据本发明的底板54可包括用于容纳并支撑轴50的一个轴台组件60或多个轴台组件60。在如图2所示的一项实施例中，底板54包括前轴台组件62和后轴台组件64。前轴台组件62为与轮毂20相邻的轴台组件，且后轴台组件64为远离轮毂20的轴台组件。但应理解，本发明并不限于前轴台组件62和后轴台组件64。事实上，任意数目或形式的轴台组件60均在本发明的范围和精神内。
轴台组件60中的每个组件可包括，例如，轴台66以及可选的轴架68。轴台66可供轴50穿过并与轴50相互作用。例如，轴台66中可包括轴承，例如，定位轴承或浮动轴承，用于支撑轴50。轴架68可支撑轴台66并使轴台66与轴50对准。轴台组件60的各个部件可为与底板54分开的元件或者可与底板54构成整体。
在风力发电机10运行过程中，轴20可承受各种负载，例如，轴向负载和弯曲负载，如图2所示。各种这些负载可使轴50受到弯矩作用。弯矩可存在于任意合适的方向上。例如，弯矩可围绕偏航轴38或围绕倾斜轴（tilt axis）72。此弯矩可能并未转换成可用的机械能，而可能会对风力发电机10的其他各部件，例如传动系统，产生不利影响。因此，此弯矩必须要准确测量，例如，以准确地用作输入，从而调整风力发电机10的其他部件以便减少所述弯矩。此改良的控制输入能力可减少风力发电机10的各部件上的负载，并确保风力发电机10的性能更佳。
因此，如图2到图4所示，揭示用于调整轴50的弯矩的系统100。本发明的发明人已经发现，通过将传感器安装到轴台66并测量轴台66的变形，此测量结果可与轴50的弯矩准确相关。有利的是，这可实现对此类弯矩进行准确、可靠且低廉的测量和调整，从而减少弯矩并使风力发电机10的性能更佳。
系统100包括轴台66以及安装到所述轴台66的至少一个传感器102。例如，传感器102可使用合适的粘合剂粘附到轴台66，或者可焊接或以其他方式粘附到轴台66，或者可使用合适的机械紧固件，例如，螺母和螺栓组合、钉子、螺钉、铆钉、托架，或其他合适的机械紧固件进行安装，或者可使用任意其他合适的安装装置或方法进行安装。每个传感器102测量轴台66的变形。例如，在如图所示的一些实施例中，传感器102可为应变计。作为补充或替代，传感器102可测量轴台66的应变。在其他实施例中，传感器102可为任意合适的传感器或计量器，用于测量任意合适的变形，例如，测量因所施加的力或者源于轴50的弯矩或其他方面的其他应力而导致的轴台66的形状、大小或其他物理性质的任意合适变化。
另外，根据本发明的传感器102可测量只在一个方向上或在多个方向上发生的变形。例如，在一些实施例中，传感器102可只测量因轴50围绕偏航轴38弯曲而导致的变形。在其他实施例中，传感器102可只测量因轴50围绕倾斜轴72弯曲而导致的变形。在其他实施例中，传感器102可测量因轴50围绕偏航轴38和倾斜轴72弯曲而导致的变形，和/或测量因轴50沿着或围绕任意合适的方向或轴弯曲而导致的变形。
在一些实施例中，安装到轴台66的传感器102可位于最大变形位置104。最大变形位置104为轴台66上的位置，该位置受到因轴50在至少一个方向上或围绕至少一个轴弯曲而导致的环绕轴台66上位置的相对较高变形。在设计或测试轴台66的过程中或在轴台66运行过程中，可针对特定轴台66确定最大变形位置104。另外，在一些实施例中，传感器102可位于变形梯度减少的区域中。这样便可实现重复且可预测的测量。
在一些实施例中，如图4所示，轴台66可设有至少一个安装平台106。安装平台106可是采用加工、铸造，或其他方式设计到轴台66的表面，且因此为传感器102提供安装位置。这样便允许将传感器102相对准确地放置在轴台66上。传感器102因而可在安装平台106上安装到轴台66，如图所示。
另外，在一些实施例中，安装平台106可设在最大变形位置104。因此，有助于将传感器102准确放置在此最大变形位置104。
系统100可进一步包括控制系统36。控制系统36可以可通信的方式连接到传感器102。此通信连接可通过物理连接实现，例如，通过电线或其他导线管或脐带式软线实现，或者可为无线连接，例如，基于红外频率、蜂窝频率、声频、光频或射频的连接。控制系统36可进一步配置成响应于轴台50的变形来调整一片或多片转子叶片22。例如，如上文所述，控制系统36可调整转子叶片22围绕变桨轴34的桨距，或围绕偏航轴38的偏航。因此，控制系统36可进一步配置成响应于轴台66的变形来作出此类调整。在一些实施例中，此类调整可包括减少轴50在至少一个方向上或围绕至少一个轴的弯矩。
应注意，在一些实施例中，轴台66可在调整转子叶片22之前便在一个或多个合适的方向上进行预定量的变形。在这些实施例中，一旦轴台66满足或超出一定的预定变形量或变形范围，控制系统36便调整转子叶片22。
为了响应于轴台60的变形来调整转子叶片22，控制系统36可包括合适的硬件和/或软件，用于将轴台60的变形与轴50的弯矩相关联，如上文所述。可响应于所测量的变形和所计算的弯矩来调整转子叶片22，这样便可根据需要或要求来减少或以其他方式改变弯矩。
在一些实施例中，控制系统36可配置成根据恒定的反馈回路来调整转子叶片22。因此，控制系统36可包括合适的软件和/或硬件，以持续实时监测变形和弯矩并使其相关联，并且根据要求调整转子叶片22，以便将此类弯矩维持在预定限度内，或者高于或低于预定的最小量或最大量。
本发明进一步涉及一种用于在风力发电机10中调整轴50的弯矩的方法。例如，所述方法可包括测量轴台66的变形的步骤，如上文所述。在一些实施例中，该测量步骤包括测量因轴50围绕偏航轴38和/或围绕倾斜轴72弯曲而导致的变形。所述方法可进一步包括响应于轴台66的变形来调整转子叶片22的步骤，如上文所述。
本说明书使用了各种实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (15)

1.一种在风力发电机(10)中调整轴(50)的弯矩的系统(100)，所述系统(100)包括：
轴台(66)，其供所述轴(50)穿过；
传感器(102)，其安装到所述轴台(66)且测量所述轴台(66)的变形；以及
控制系统(36)，其以可通信的方式连接到所述传感器(102)，所述控制系统(36)配置成响应于所述轴台(66)的所述变形来调整转子叶片(22)。
2.根据权利要求1所述的系统(100)，其进一步包括多个传感器(102)。
3.根据权利要求1至2中任一权利要求所述的系统(100)，其中所述传感器(102)测量因所述轴(50)围绕偏航轴(38)弯曲而导致的变形。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的系统(100)，其中所述传感器(102)测量因所述轴(50)围绕倾斜轴(72)弯曲而导致的变形。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的系统(100)，其中所述传感器(102)为应变计。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的系统(100)，其中所述传感器(102)测量所述轴台(66)的应变。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的系统(100)，其中所述传感器(102)在最大变形位置(104)安装到所述轴台(66)。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的系统(100)，其中所述轴台(66)进一步设有安装平台(106)，且其中所述传感器(102)在所述安装平台(106)上安装到所述轴台(66)。
9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的系统(100)，其中所述控制系统(36)配置成响应于所述轴台(66)的所述变形来调整所述转子叶片(22)的桨距。
10.一种风力发电机(10)，其包括：
轴(50)；
轴台(66)，其供所述轴(50)穿过；
传感器(102)，其安装到所述轴台(66)且测量所述轴台(66)的变形；以及
控制系统(36)，其以可通信的方式连接到所述传感器(102)，所述控制系统(36)配置成响应于所述轴台(66)的所述变形来调整转子叶片(22)。
11.一种在风力发电机(10)中调整轴(50)的弯矩的方法，所述方法包括：
测量轴台(66)的变形，所述轴台(66)供所述轴(50)穿过；以及
响应于所述轴台(66)的所述变形来调整转子叶片(22)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中测量步骤包括测量因所述轴(50)围绕偏航轴(38)弯曲而导致的变形。
13.根据权利要求11至12中任一权利要求所述的方法，其中所述测量步骤包括测量因所述轴(50)围绕倾斜轴(72)弯曲而导致的变形。
14.根据权利要求11至13中任一权利要求所述的方法，其中所述变形为应变。
15.根据权利要求11至14中任一权利要求所述的方法，其中在所述轴台(66)上的最大变形位置(104)测量所述变形。
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