CN104991983A - 设定转子上的风力涡轮机叶片的俯仰参考点的方法 - Google Patents

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Abstract

风力涡轮机叶片(22)从转子(20)的轴(50)悬伸出。在叶片的俯仰角范围内，对于重力(GF)相对于叶片的预定横线(CL，83)如弦线的向量分量(85，86)，通过产生叶片的重力弯曲应变幅度或弯矩幅度与叶片的俯仰角的函数(66，67，68，69)来定位叶片的俯仰参考方位(74)。可以在函数的特征点(70，71，72)如拐点处设定俯仰参考方位。在叶片位于相对两侧的两个相应位置处的情况下，可以产生两个这样的函数(67，69)。这些函数的交点(73)是补偿转子倾斜的俯仰参考点。

Description

设定转子上的风力涡轮机叶片的俯仰参考点的方法
技术领域
本发明涉及对风力涡轮机叶片的俯仰(pitch)控制，尤其涉及在安装之后确立风力涡轮机叶片的俯仰参考点。
背景技术
对于每种操作条件，现代风力涡轮机积极地优化叶片俯仰。对于每个叶片几何形状，基于叶片的所选空气动力学或结构特征，例如弦线或零升力线，必须确立俯仰参考位置。零俯仰通常意味着在前缘朝前的情况下，在叶片上给定径向位置(例如顶端)处，弦线与叶片的旋转平面对齐。俯仰控制系统必须知道叶片的准确俯仰方位作为参考，以精确地优化俯仰。在涡轮机的安装期间完成对俯仰参考点的设定。当前，没有快速且可靠的方式来做这些，并且可能发生误差。
附图说明
参考附图在下列描述中说明本发明，附图中：
图1是具有处于竖直位置的第一叶片的常规风力涡轮机的前视图，或压力侧视图，竖直位置被认作零转子方位。
图2是沿图5的线2-2截取的处于90°转子方位的水平叶片的截面图。
图3是叶片根部的示意性横截面示图，示出其中的悬伸(cantilever)力和力矩。
图4是在前缘朝下的情况下，处于90°转子方位位置的叶片的部分透视图。
图5是在前缘朝下的情况下，具有处于90°转子方位的叶片的风力涡轮机的前视图。
图6是在前缘朝上的情况下，具有定位在270°转子方位的叶片的风力涡轮机的前视图。
图7是在零转子倾斜的情况下，作为俯仰的函数的根部弯矩的图表。
图8是在6°转子倾斜且叶片重心偏离俯仰轴线的情况下，作为俯仰的函数的根部弯矩的图表。
具体实施方式
图1是风力涡轮机(WT)20的前视图，具有径向安装到毂28的三个叶片22、24、26，毂28安装在从短舱(nacelle)30延伸出的转子轴(不可见)上，短舱30通过偏航轴线承34安装在塔32上，偏航轴线承34提供短舱绕偏航轴线36的旋转。叶片、毂和轴构成绕水平转子轴轴线38旋转的转子。叶片在旋转平面39内旋转。示出了给定叶片上的径向距离r。每个叶片具有附接到毂的径向内侧或近端根部40以及径向外侧或远端顶部42。每个叶片绕相应的俯仰轴线44可控制地枢转。竖直叶片22显示为处在零转子方位位置。还示出了90°的转子方位位置46和270°的位置48。
图2是沿图5的线2-2截取的水平叶片22的截面图。该叶片径向安装在水平转子轴50上的毂28上，水平转子轴驱动短舱30中的发生器(未示出)。短舱30中的或其他位置的控制器31可以通过毂28中的俯仰致动器(未示出)控制叶片俯仰。它还可以控制其他转子功能，例如制动、转子方位定位和偏航定位。叶片在旋转平面39中旋转。该叶片绕俯仰轴线44枢转，俯仰轴线可以穿过叶片质心52。或者，俯仰轴线可以错过重心。通常，俯仰轴线定义为穿过叶片根部的中心并且在正交于根部表面平面的直线上延伸。在该附图中，翼面弦线CL与旋转平面39对齐。这示出了在给定径向位置相对于弦线的零俯仰的情况。尽管在本发明中并不要求，但是俯仰符号朝向顺流位置(feather position)(在这个视图中叶片顺时针旋转)规定为正向。
图3是叶片根部40的示意性横截面示图。它示出了与在弦线CL和旋转平面39之间测得的10°俯仰角P悬伸平衡的水平叶片的弯矩80的向量分解。尽管重力(重力加速度乘以叶片质量)是分布力，但是在叶片根部可以当作作用通过叶片重心的合力向量。弯矩80是根部中因以半径r作用的重力GF(图4)产生的内部应力偶的力矩。根部中因重力产生的内部应力偶在根部中限定出弯曲平面，当弯曲平面平行于弦线CL时，可以称为“沿边(edgewise)”，当弯曲平面正交于弦线时称为“沿面(flapwise)”。弯矩80分解为向量81和82，向量81和82表示弯矩80分别在垂直于或平行于弦线CL的弯曲平面中的相对幅度。尽管弯曲平面的概念是有用的，但是如在图3的根部横截面中观看的，弯矩向量80、81、82还可以简单的描述为由平行于叶片的所选横线或横向垂直于所选横线的重力GF导致。
重力向量GF可以分解为与所选横线(比如弦线CL)对齐或平行的第一分量85和处于横向垂直方向的第二向量分量86。一个或多个应变仪60-63可以安装在叶片或根部中或者叶片或根部上，以便直接感测相对于期望横线的向量应变幅度，或者应变向量和得到的弯矩向量可从位于其它位置的现有应变仪中计算出。在所示示例性构造中，位于根部后缘TE侧的拉伸应变仪61可以提供沿弦线CL的向量85的相对幅度，而应变仪62可以提供平行于线83的向量86的相对幅度。当如稍后说明的那样使前缘向上倾斜时，另外的应变仪60、63可以提供对应的拉伸应变表示。除了悬伸中轴，这种应变仪可以位于沿期望横线的任何位置。例如，它们可以在所选横线CL的一端或两端和/或垂直横线83的一端或两端位于根部表面上或根部表面中。然而，应变仪可以位于任何位置，只要已知它们关于期望横线的俯仰方位关系即可。有很多不同类型的应变仪，本发明不限于特定种类。
本文的附图示出关于弦线对称的翼面剖面和穿过叶片重心的俯仰轴线。为了清楚，这些都是简化示图，并不是本发明的要求。如稍后所述，任何横线或根部的弯曲平面都可以选择用于向量分析。叶片可以是弧形的、前掠的或后掠的，其重心可以与俯仰轴线偏移，转子轴可以倾斜，和/或叶片可以呈锥形(俯仰轴线不垂直于所述轴)。在任何构造中，横线或根部的弯曲平面可以选作俯仰参考点，例如通过将应变仪安置在根部的一侧或两侧，在横线或平面上的位置。所选线不必与弦线对齐或垂直。其可以是任何横线，例如叶片的零升力线或最大刚性线。在扭曲叶片的情况下，在所有径向位置的弦线不在同一平面内。然而，可以选择在给定径向位置的弦线，例如叶片顶端或叶片重心处的弦线。
图4是在前缘LE向下的情况下，如图2和5所示的处于90°转子方位的悬伸位置的叶片22的局部透视图。示出了叶片的示例性横截面翼面轮廓S1、S2、S3和S4。根部40可以具有所示的柱形形状。俯仰轴线44可以与根部40的圆柱轴线重合，并穿过叶片的质心52，但是这并不是必须的。重力的作用可以看作是作用穿过叶片重心52的合力向量GF，从而在根部40产生具有臂r的弯矩。
在叶片俯仰角范围内，对于重力相对于叶片所选横线的向量分量，叶片的重力弯矩幅度与叶片俯仰角可以产生函数。在俯仰角的一个或多个范围内产生这种弯矩会提供相对于所选横向的作为俯仰函数的弯矩，这可用于确定相对于弦线CL或任何其它选择横线的精确俯仰方位，比如零俯仰。
图5示出在叶片前缘朝下的情况下，具有以90°转子方位定位的叶片22的风力涡轮机。如果该叶片俯仰通过360°的俯仰方位，则可以相对于任何所选横线产生根部弯曲幅度。发明人意识到，叶片上的应变传感器构造可以提供相对于叶片的所选横线的应变或弯矩曲线，因此可以用于校准叶片结构的俯仰控制器。
图6示出涡轮机转子20旋转使得叶片22以270°转子方位定位，后缘朝下。发明人意识到，在图5的90°转子方位位置处使俯仰旋转通过比如180°的范围，随后使俯仰旋转通过图6位置中的相同的俯仰范围优于仅在单个转子位置使俯仰旋转通过360°，原因如稍后解释。
图7示出在180°俯仰(-90°至+90°)内在两个垂直的横向方向上产生的根部弯矩作为俯仰的函数的图表，如下：
66-转子方位90°，在弦向俯仰方位上的相对弯曲幅度
67-转子方位90°，在正交于弦向的俯仰方位上的相对幅度
68-转子方位270°，在弦向俯仰方位上的相对弯曲幅度
69-转子方位270°，在正交于弦向的俯仰方位上的相对幅度
可以通过一个或多个曲线66-69的一个或多个特征来确定俯仰参考点74。例如，在该示例中，在曲线66的最大点70，或曲线68的最小点71，或曲线67或69的拐点72，或曲线67和69的交点73处可以相对于弦线确立零俯仰参考点。该图表示了与穿过质心的俯仰轴线对称的翼面，但是这不是对本发明所有实施例的要求。在该构造中，曲线67和69的拐点72与它们的交点73重合，曲线66的最大点70和曲线68的最小点71在相同俯仰角74处出现。该俯仰角74是要由这些曲线确定的未知角。在该示例中，在使用处于90°或270°转子方位的水平叶片时，可以使用函数曲线上的上述特性的一个或多个在控制器中设定零俯仰角值，如所示。因此，仅需要曲线66、67、68、69中的一个。然而，有利地，考虑至少两条曲线，特别是曲线67和69，以如下所述得补偿转子倾斜。
图8示出了转子轴倾斜6°的效果，即转子轴不水平。在该示例中，当与图7相比时，处于90°转子方位的叶片的函数曲线66、67向左偏移，处于270°转子方位的叶片曲线68、69向右偏移。这些偏移导致曲线67和69的交点73不位于零矩线76上，也不位于它们的拐点72处。然而，由于曲线67、69取自转子的相对两侧，所以它们的相反偏移在它们的交点73处相互补偿，使得交点73沿与图7的未倾斜转子相同的俯仰参考线74出现，从而补偿倾斜。为此，在一些实施例中，有利地，对于90°和270°转子方位的叶片位置，产生至少曲线67和69，无论转子是否预期倾斜。
图7和8可以交替地表示在叶片俯仰角范围内，对于与叶片的预定横线对齐或平行的重力向量分量，叶片的弯曲应变幅度与叶片俯仰角的关系。应变不必转化为用于本文校准方法的力矩。
如果叶片质心从俯仰轴线偏移，则产生扭矩78、79。然而，对交点73的俯仰点74的效果可以忽略。如果叶片呈锥形(俯仰轴线不垂直于转子轴)并且所述轴倾斜，那么叶片在90°和270°转子方位处不是完全水平的。在这种情况下，如果需要，可以选择除90°和270°之外的转子方位来提供在倾斜或锥形转子上的水平叶片位置。然而，对于正确校准，叶片不必完全水平。校准对叶片从水平的细小(±3°)变化是不敏感的，并且当使用函数67、69的交点时，由倾斜导致的变化在转子的相对两侧相互抵消。如果应变传感器构造同样地位于转子的每个叶片上，那么叶片会具有恒定的俯仰参考点。
参考点或方位线74可以是任何俯仰方位，只要俯仰控制器相应地进行编程即可。例如，可以在图7的曲线66或68的零矩点处或者在图7或8的这些曲线的交点处确立90°俯仰方位。或者，取决于应变传感器构造，这些点可以表示任何期望的参考俯仰，从中可以容易地确定零俯仰点。这允许十分灵活地将应变传感器放置在叶片上。尽管叶片根部可以用于应变仪和用于向量分解函数的方便位置，但是应变仪可以位于叶片上的其它位置。例如，如果应变仪位于中跨，则它们可以提供用于叶片的径向外半部的弯曲应变和力矩向量，其可以用于本校准方法。
在产生曲线67之后替代旋转涡轮机转子轴来产生曲线69，在彼此偏移180度(例如，前缘朝下然后后缘朝下)的两个叶片俯仰角范围内，对于相对于预定叶片横线的重力向量分量，本发明的实施例打算产生叶片重力弯矩幅度与叶片俯仰角的两个函数(曲线)。然后，可以在这两个函数的交点处设定叶片的俯仰参考角。期望的是，对于后缘朝下函数，函数在零值附近的一阶导数远低于(即，更平的曲线)前缘朝下函数情况下的一阶导数，从而表明可以更容易地定义用于前缘朝下实施例的参考值。
本方法可以完全编码在控制器31中的程序逻辑中，在转子组装和安装在塔上之后，该程序逻辑随后自动地执行所有自动方法步骤例如作为第一转子操作之一。因此，控制器可以针对安装的叶片自我校准。
虽然本文已经示出和描述了本发明的各种实施例，但是明显的是，这些实施方式仅以示例的方式给出。在不脱离本发明的情况下，可以做出各种变化、改变和替换。相应地，本发明仅由所附权利要求的精神和范围限定。

Claims (20)

1.一种用于设定安装在风力涡轮机转子上的风力涡轮机叶片的俯仰参考点的方法，包括：
将所述叶片布置在第一悬伸位置，其中，所述叶片的根部附接到所述转子的轴；
在所述叶片的第一俯仰角范围内，对于重力相对于所述叶片的预定横线的向量分量，产生所述叶片的重力弯矩幅度与所述叶片的俯仰角的第一函数；以及
在所述第一函数的特征点处设定所述叶片的俯仰参考角。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述特征点是所述第一函数的最大点、最小点或拐点。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：
将所述叶片布置在与所述第一悬伸位置不同的位于所述转子的相对侧上的第二悬伸位置；
在所述叶片的第一俯仰角范围内，对于重力相对于所述叶片的预定横线的向量分量，产生所述叶片的重力弯矩幅度与所述叶片的俯仰角的第二函数；以及
在所述第二函数的特征点处设定所述叶片的俯仰参考角。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述第一悬伸位置处于90度转子方位，而所述第二悬伸位置处于270度转子方位，其中，零度转子方位从所述轴竖直向上。
5.如权利要求3所述的方法，其中，所述预定横线是在叶片上的给定径向位置处的叶片的弦线或与其垂直的垂线，当在叶片根部的横截面中观看时，所述向量分量与所述预定横线对齐或平行。
6.如权利要求3所述的方法，其中，所述预定横线是叶片的最大刚性线或与其垂直的垂线，当在叶片根部的横截面中观看时，所述向量分量与所述预定横线对齐或平行。
7.如权利要求1所述的方法，还包括：
在所述叶片的与所述第一俯仰角范围偏移180度的第二俯仰角范围内，对于重力相对于所述叶片的预定横线的向量分量，产生所述叶片的重力弯矩幅度与所述叶片的俯仰角的第二函数；以及
在所述第一和第二函数的交点处设定所述叶片的俯仰参考角。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定横线是在叶片上的给定径向位置处的所述叶片的弦线或与其垂直的垂线，当在叶片根部的横截面中观看时，所述向量分量与所述预定横线对齐或平行。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定横线是所述叶片的零升力线或与其垂直的垂线，当在叶片根部的横截面中观看时，所述向量分量与所述预定横线对齐或平行。
10.如权利要求1所述的方法，还包括：
在所述叶片上设置应变传感器构造，当在根部的横截面中观看时，所述应变传感器构造提供对位于所述预定横线上的位置处的第一重力弯曲应变的表示，并从所述表示中得到用于所述第一函数的弯矩幅度。
11.如权利要求3所述的方法，还包括：
当在叶片根部的横截面中观看时，在所述预定横线的相对两端在根部上设置第一和第二应变传感器，并从来自所述第一和第二应变传感器的表示得到用于第一和第二函数的弯矩幅度。
12.一种用于设定安装在风力涡轮机转子上的风力涡轮机叶片的俯仰参考点的方法，包括：
将叶片布置在第一水平悬伸位置，其中，所述叶片的根部附接到所述转子的轴；
在所述叶片的第一俯仰方位范围内，对于重力的与所述叶片的预定横线对齐或平行的向量分量，产生所述叶片的重力弯曲应变幅度或弯矩幅度与所述叶片的俯仰角的第一函数；以及
在所述第一函数的特征点处设定所述叶片的俯仰参考方位。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述特征点是所述第一函数的最大点、最小点或拐点。
14.如权利要求12所述的方法，还包括：
将所述叶片布置在与第一悬伸位置不同的位于所述转子的相对侧上的第二水平悬伸位置；
在所述叶片的第一俯仰角范围内，对于重力相对于所述叶片的预定横线的向量分量，在第二通过中产生所述叶片的相应重力弯曲应变幅度或弯矩幅度与所述叶片的俯仰角的第二函数；以及
在所述第二函数的特征点处设定所述叶片的俯仰参考方位。
15.如权利要求12所述的方法，还包括：
在所述叶片的与所述第一俯仰角范围偏移180度的第二俯仰角范围内，对于重力相对于所述叶片的预定横线的向量分量，产生所述叶片的相应重力弯曲应变幅度或弯矩幅度与所述叶片的俯仰角的第二函数；以及
在第一和第二函数的交点处设定所述叶片的俯仰参考方位。
16.如权利要求12所述的方法，其中，所述预定横线是在所述叶片的给定径向位置处的所述叶片的弦线或与其垂直的垂线，当在叶片根部的横截面中观看时，所述向量分量与所述预定横线对齐或平行。
17.如权利要求14所述的方法，所述预定横线是在所述叶片的给定径向位置处的所述叶片的弦线或与其垂直的垂线，当在叶片根部的横截面中观看时，所述向量分量与所述预定横线对齐或平行。
18.如权利要求12所述的方法，还包括：
在所述叶片上设备应变传感器构造，当在根部的横截面中观看时，所述应变传感器构造提供对位于所述预定横线上的位置处的第一重力弯曲应变的表示。
19.一种用于设定安装在风力涡轮机转子上的风力涡轮机叶片的俯仰参考点的方法，包括：
产生重力弯曲与所述叶片的俯仰角的函数；以及
在所述函数的特征点处确立所述叶片的俯仰参考。
20.如权利要求19所述的方法，还包括在所述函数的最大点、最小点或拐点处设定所述俯仰参考。
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