CN105051364A - 用于计算和校正风力涡轮机发电场中的迎角的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量和校正风力涡轮机发电场(11)中的迎角的方法，藉此，初始测量风力发电场的每个风力涡轮机(11)的产量，以能够限定模型风力涡轮机，其为产生最大功率的那个风力涡轮机。针对风力涡轮机(10)的每个叶片(15)创建坐标轴允许计算所述模型风力涡轮机(10)的叶片(15)的迎角以及定义参考值，以将相同的参考值复制到剩余的风力涡轮机(11)的每个叶片(15)，这样针对风力发电场的每个风力涡轮机获得最佳功率比。

Description

用于计算和校正风力涡轮机发电场中的迎角的方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量和调节发电场的风力涡轮机的叶片上的风的入射角(其已知为迎角)的方法。迎角对于风力涡轮机的产量特别重要，因此在安装风力发电场的风力涡轮机时的调节方法是至关重要的。
本发明特别应用于可再生能源产业的领域。
背景技术
当借助风力涡轮机安装用于产生风能的发电场时，初始问题是采用建造设计和作业条件中定义的适当的参考迎角安装风力涡轮机中的叶片。换言之，例如，当风力涡轮机的控制系统指示0°时，必须确保其中已经实际定义了0°的叶片的截面具有该迎角。
用作叶片的参考的这个角经常与风力涡轮机被设计成的、并且通过其获得最优产量的设计角不同。由于处理具有这样巨大尺寸和吨位的部件比较困难，当在风力涡轮机中安装叶片时安装它们需要难以实现的精确度。这些调节借助叶片和轮轴上各自的标记是工厂预置的。
轮轴中存在某些机械元件，允许叶片的入射角随风变化，所述角也称为迎角或桨距角。最后，这些系统使叶片围绕其自身的纵轴旋转。
在现有技术中，桨距控制系统(pitchcontrolsystem)主要使用两种技术：液压技术和电子技术。在风力涡轮机中通常使用液压桨距。而电动桨距则越来越多地用于大功率风力涡轮机设施，因为其在调节和控制方面比液压系统提供更好的特征。
电动控制系统允许持续地调节叶片的迎角，但是电动控制系统不指示如下值：其必须位于该值处以优化其位置。
桨距控制系统通常用于在风力超过特定设计水平时限制风力涡轮机的额定功率。为了防止叶片、甚至风力涡轮机自身被损坏，主要借助两个系统限制该接收的功率。这样方法中的一种方法是通过修改桨距使得叶片相对于风的方向的迎角被减小，甚至对于极端风速情况为零，叶片在这种情况下被放置在标记位置(flagposition)。其他系统通过对于叶片的旋转使用制动器。尽管开始时成本更高，但是该方法具有允许风力涡轮机操作的优点，即使在极端风情况下，因为叶片以这样的速度旋转：通过制动器将叶片限制在该速度。该方法用在其中叶片被固定并且桨距不能被调节的装置中。
可以提及以下两个专利文件作为最接近本发明的现有技术。
专利文件AU2011201621A1公开了一种叶片可以围绕其轴旋转的风力涡轮机。因此，通过改变叶片相对于风的方向的角度，可以获得用于使使产生的功率最大化的最有利的位置。
专利文件ES2381094A1公开了一种用于监控风力涡轮机的产量的方法，在该风力涡轮机中，叶片也可以根据相对于依赖风速的发电机的速度的功率曲线围绕其轴旋转。
在这两个专利文件中，可以通过针对不同桨距角进行测试知道叶片必须被放置的最佳值。
然而，在这样情形中，安装期间调节风力涡轮机中的叶片的方式以及一旦叶片被安装叶片所保持的位置是基于预设标记，但是不进行确保叶片在正确位置的最终校准测量。因此，如果以彼此之间具有不同角度的方式安装叶片或者以与风力涡轮机的初始安装中的最佳桨距不对应的值安装叶片，这种情况将持续贯穿风力涡轮机的寿命，并且对桨距进行的任何随后的监控或调节将被不正确地参考。
当前用于尝试解决(总是在事后)使所有叶片处于相同的相对位置并且具有与被设计的角度一致的绝对角度的问题的方法是使用基于借助照片的测量的方法(主要用于当问题是视觉上明显的或者风力涡轮机产量有严重问题时，总是在事后)。因此，借助这些照片中看到的不同叶片的位置确定风力涡轮机的不同叶片的相对位置。叶片的设计和所述设计中指示的叶片的最大弦节距与照片中看到的进行比较并且确定叶片的绝对偏差。除了对离岸风电场完全无用之外，该方法相当不成熟并且提供非常小的测量精度，在离岸风电场中，必须在浮动平台上进行拍摄，这在位置和移动方面进一步缺乏精度。
本发明解决了这些问题，公开了一种用于测量和校正最佳桨距的处理，用于对新的风力发电场的安装中或者风力涡轮机中叶片的后期检查中对风力涡轮机的叶片进行定向。
发明内容
本发明公开了一种用于测量和校正包括塔、机舱、轮轴和叶片的风力涡轮机发电场中的迎角的方法，其中，测量由发电场的每个风力涡轮机产生的功率，使得将模型风力涡轮机定义为产生最大功率的风力涡轮机。在模型风力涡轮机的第一叶片中创建由X轴、Y轴、Z轴和原点G定义的坐标系GXYZ。随后计算Y轴与叶片的两个已知点形成的直线之间形成的角度，以获得参考角(α)。将迎角计算为该参考角的余角。
根据下面列出的步骤产生参考坐标系GXYZ：
-测量机舱附接到轮轴处的、所述机舱的正面的至少三个点，以定义AB平面；
-测量所述第一叶片与轮轴的附接的圆周轮廓的至少三个点，以定义圆形部分，该圆形部分的中心G为该第一叶片的坐标系的原点；
-将X轴定义为垂直于圆形部分并且通过原点G的轴；
-将Y轴定义为垂直于X轴、平行于AB平面并且通过所述原点G的轴；
-将第三Z轴定义为垂直于先前定义的X轴和Y轴并且通过所述原点G的轴。
随后在模型风力涡轮机的剩余的叶片中创建参考坐标系GXYZ，使得在模型风力涡轮机的每个叶片中定义坐标系。
在模型风力涡轮机的第一叶片中、在X轴方向上距离原点G任一距离处对用于定义第一叶片的横截面的一系列点进行测量，从而获得第一叶片的两个点的位置，连接这两个点的直线是参考直线。
存在这样的情形，在风力涡轮机的叶片的设计中提供第一叶片的X轴上距离原点G的任何距离，在该任何距离处布置有其中参考角(α)的值是已知的横截面。
在这种情况下，如果第一叶片的横截面是对称的，则两个点是叶片的前缘的中点和叶片的后缘，连接这两个点的直线是弦，其与叶片的对称轴重合。如果第一叶片的横截面是非对称的，但是弦通过风力涡轮机的设计是已知的，则通过在第一叶片的截面上绘制中心在所述后缘(22)中并且具有半径的圆周的弧来获得所述弦，在设计中示出了该弦的值，得到的弦是从该中心到圆周的弧与前缘的圆周的切点的直线。
如果没有特别关于角度或弦的值的可用信息，在第一叶片的横截面是非对称的情况下，测量离横截面中在第一叶片的X轴上距离原点G的任何一个距离处的两个已知点以计算参考直线。这些点是第一叶片的横截面中的前缘的圆周的中心，该截面的属于X轴的点，或者换言之，原点G在该截面中的投影。
在所有上述情形中，已经考虑，风力涡轮机的叶片描述了前缘中的完美附接，其通过圆形曲线被定义在横截面中，基于该圆形曲线，定义了在搜索可以一起工作的参考时所涉及的所有参数。
然而，还没有考虑从两个纵向附接的壳创建叶片的制造情形。在这些情形中，形成叶片的两个壳的附接借助非圆的曲线、沿前缘被界定在叶片的横截面中。
在这种情况下，考虑叶片的横截面是非对称的最普遍情况，测量横截面中的第一叶片的X轴上距离原点G任何一个距离处的两个点以计算参考直线。这些点是第一叶片的横截面中属于X轴的点，或者换言之，原点G在该截面中的投影、以及以先前点为中心的绘制的圆周与叶片的前缘的切点。该参考直线从而定义了与Y轴的参考角，参考角的余角是第一叶片的迎角。
一旦确定第一叶片中的参考角的值，测量模型风力涡轮机的剩余叶片中的参考角。在模型风力涡轮机的所有叶片具有不同于参考角的值的情况下，考虑由针对模型风力涡轮机的所有叶片计算的参考角的算术平均值给出的模型参考角。当模型风力涡轮机的至少两个叶片具有与参考角相同的值时，该值被认为是模型参考角。
一旦确定模型参考角的值，则在新的风力涡轮机的每个叶片中、在沿X轴方向上距离原点G相同距离处测量参考角，并且在所有叶片中调节参考角直到被布置为具有模型参考角的相同的值。
最后，测量并且调节风力发电场的其余风力涡轮机的所有叶片的参考角的值，直到被布置为具有模型参考角的相同的值。
附图说明
为了完成所描述的发明并且出于有助于更好理解所描述方法的特征的目的，附上一组图，其中，以说明性而非限制性的特征描述以下附图：
图1描述了风力涡轮机的侧视图；
图2描述了风力涡轮机的正视图；
图3描述了附接到机舱的轮轴的透视图；
图4描述了风力涡轮机的对称叶片的截面图；
图5描述了风力涡轮机的非对称叶片的截面图；
图6描述了由两个纵向附接的壳形成的风力涡轮机的非对称叶片的截面图。
下面提供附图中使用的附图标记的列表：
1-X轴
2-Y轴
3-Z轴
4-圆形截面
5-AB平面
6-前缘的圆周
7-弦
G-每个叶片的坐标系的原点
D-沿叶片的X轴与原点G相距的任何距离
α-参考角
αm-模型参考角
10-模型风力涡轮机，产生最大功率的风力涡轮机
11-正常风力涡轮机
12-塔
13-机舱
14-轮轴
15-叶片
21-前缘
22-后缘
23-前缘的圆周的中心
24-X轴与叶片截面的交叉点
25-叶片的参考直线
26-叶片的前缘中的切点
27-属于前缘的点
具体实施方式
本发明涉及一种用于测量和调节风力涡轮机中的桨距的方法。为了说明本发明，选择具有三个叶片(15)的类型的风力涡轮机(11)，虽然这不应被解释为限制，但它是提供清楚描述的描述本发明的简单方法。
为了简化并且使描述更容易理解，在任一附图中均未描述风力发电场，因为可以理解其不有助于清楚描述。然而，在风力发电场中区分两种类型的风力涡轮机。一种是正常风力涡轮机(11)，另一种是模型风力涡轮机(10)，其由风力发电场中产生最大功率的风力涡轮机表示。两种风力涡轮机除了它们叶片(15)的相对位置之外是一致的，叶片的相对位置使它们产生更多或更少的功率。
图1中示出了具有三个叶片(15)的风力涡轮机(11)以及风力涡轮机(11)最具代表性的组件。
图2示出了模型风力涡轮机(10)的正视图，其中叶片(15)的两个位置中的叶片(15)的截面具有不同的角度(α，αm)。模型风力涡轮机(10)是发电场中的所有风力涡轮机(11)中产生最大功率的风力涡轮机并且与其他风力涡轮机一致。
该图示出了风力涡轮机(10，11)的叶片如何整体上用附图标记15表示，针对风力涡轮机(11)可以具有的所有叶片(15)，附图标记15a、15b、15c等具体指的是第一叶片、第二叶片、第三叶片等。
已经描绘了叶片的两个位置中的距离(D)处的叶片(15)的截面，这两个位置之间的角度对于典型位置表示为α，对于模型位置表示为αm。
图3中可以看到轮轴，图3中示出了机舱(13)附接到轮轴(14)的区域以及其中附接叶片(15)的轮轴(14)的表面，示出了针对每个叶片(15)创建的参考坐标轴系统。
图4描绘了对称叶片(15)的横截面，其中，可以看到相对于通过前缘(21)的叶片(15)的边缘而在内部正切产生的圆周或前缘的圆周(6)。
图5描绘了非对称叶片(15)的横截面，其中，也可以看到叶片的截面中相对于通过前缘(21)的叶片(15)的边缘的内部中的正切圆周或前缘的圆周(6)，圆周(6)的中心(23)是已知的点，圆周弧的半径为弦(7)的长度(这从风力涡轮机(11)的设计中是已知的)并且中心在叶片(15)的后缘(22)中。同样描绘了X轴与叶片(15)的截面的交点(24)以及连接它们的参考直线(25)。
图6描绘了由两个纵向附接的壳形成的叶片(15)的横截面，其中，可以看到相对于叶片(15)的前缘的正切圆周，该圆周的中心在X轴与叶片(15)的截面的交点(24)处，或者换言之，是原点G在叶片(15)的截面上的投影。
为了测量和校正叶片(15)的桨距角，针对风力发电场的所有风力涡轮机(10，11)的每个叶片(15)初始定义了坐标系。
采用连接到电子数据处理系统的激光设备进行测量。
开始，使用机舱(13)附接到轮轴(14)处的、机舱(13)的前端面的至少三个点。从而定义AB平面(5)。
X轴(1)被定义为垂直于圆形截面(4)并且通过原点G的轴，所述轴与叶片的纵轴重合。
Y轴(2)被定义为垂直于X轴(1)、通过原点G并且平行于AB平面(5)的轴。
Z轴(3)被定义为垂直于前面的X轴和Y轴(1，2)并且通过原点G的轴。
从而完全定义了该叶片(15)的坐标系GXYZ。
为了使风力涡轮机(11)的叶片(15)的位置具有绝对参考，所述叶片(15)以已知的控制迎角电子地布置。这在测量之前针对所有的风力涡轮机(11)的叶片(15)完成，无论它们所处的位置怎样。为此，用电子控制器以已知的控制迎角初始地布置模型风力涡轮机(10)的叶片(15)。其为风力涡轮机(10)的叶片(15)的初始位置。该值随后被传递到发电场中的剩余的风力涡轮机(11)，使得在开始测量之前用相同的控制迎角初始地布置所有的风力涡轮机(11)。
随后测量沿叶片(15)的X轴(1)与原点G相距任何一个距离(D)处的叶片(15)的迎角。可以有两种用于进行该测量的情形：
1.-第一种情况，其中，以已知迎角布置叶片(15)的截面的距离(D)从叶片(15)的制造设计中是已知的。随后沿叶片(15)在该距离(D)处进行点的测量，使得获得其中已知迎角被布置的叶片(15)的截面。一旦获得叶片(15)的截面，叶片(15)的前缘(21)和后缘(22)是特别感兴趣的。
此外，可以有两种用于找到叶片(15)的弦(7)的情况：叶片(15)是对称的或非对称的。
1.1-如果叶片(15)是对称的，则弦(7)连接前缘(21)的点(27)与后缘(22)并且与该截面的对称轴重合。
1.2-如果叶片(15)是非对称的，则通过在叶片(15)的截面上绘制中心在后缘中并且半径等于风力涡轮机(11)的设计中标记的弦(7)的长度的圆周的弧而获得弦(7)。弦(7)是从该中心到提及的圆周弧与前缘的圆周(6)的切点的直线。
2.-第二种情况出现在如下情形中，其中，迎角已知的叶片(15)的截面不是已知的，或者没有可以找到该信息的可用的设计。随后在叶片(15)的弦(7)具有最大长度的距离(D)处进行测量，从而提高测量精度。在叶片(15)的截面中在该距离(D)处计算弦(7)或参考直线(25)。
2.1-在计算弦(7)的情况下，如果叶片(15)是对称的，则可以进行该方法。在这种情况下，弦(7)是叶片(15)的对称轴，从而由此定义弦(7)。如果叶片(15)是非对称的，则不能够通过测量计算弦(7)，并且根据以下点中描述的计算参考直线(25)的情况进行该方法。以相同的方式在所有叶片(15)中获得该参考直线(25)。
2.2-在计算参考直线(25)的情况下，使用叶片(15)的截面的两个已知的点。这些点(24)中的第一个点是X轴(1)与叶片(15)的截面相交的点，或者换言之，是原点G在叶片(15)的截面中的投影。
可以有两种情况计算第二个点。
2.2.1-对于第一种情形，其中，前缘(21)是圆形线，另一点(23)是前缘的圆周(6)的中心。对前缘(21)的至少三个点进行测量以获得该中心(23)，使得定义该圆周(6)。
2.2.2.-当叶片(15)借助两个壳的纵向附接而制造时出现第二种情形。对于这种情形，因为前缘(21)是非圆形线，所以第二个点(26)是从前面的点(24)绘制的圆周与叶片(15)的前缘(21)的切点。
因此，一旦定义这两个点(24，23，26)，就在叶片(15)的截面中完全定义了参考直线(25)。
一旦根据X轴(1)在与原点G相距距离(D)处、在叶片(15)的截面中定义了弦(7)或参考直线(25)，就确定了与Y轴(2)形成的角度。其为用作参考以布置经过改进的每个风力涡轮机(11)的所有叶片(15)的角度(α)，基于角度(α)获得迎角。通过这些测量可以知道每个叶片(15)相对于相同风力涡轮机(11)中其他叶片的相对偏差。
为了确定经过改进的叶片(15)的参考角(α)必须调节到的值，在产生最大功率并且被定义为模型风力涡轮机的风力涡轮机(10)中进行相同的测量。确定该模型风力涡轮机(10)的每个叶片(15)中的参考角(α)的值。在该模型风力涡轮机(10)的两个叶片(15)具有与参考角(α)相同的值的情况下，所述参考角(α)被定义为模型参考角(αm)的值。在所有叶片(15)的参考角(α)不同的情况下，所有它们的算术平均值被定义为模型参考角(αm)的值。
该模型参考角(αm)的值随后被传递到作为改进目标的剩余叶片(15)。每个叶片(15)围绕其纵轴即X轴(1)旋转，用于将参考角(α)的值改变到前述模型参考角(αm)的值。
从而将风力涡轮机(11)的所有叶片(15)放置在相同的相对位置中，或者换言之，它们具有相同的迎角值，其与产生最大功率的模型风力涡轮机(10)的迎角值相同。
一旦布置风力涡轮机(11)的叶片(15)，对于发电场中的剩余风力涡轮机(11)采用相同的方法，只要它们是相同的类型。从而可以确保每个风力涡轮机(11)的所有叶片(15)被放置在与以最大产量工作的模型风力涡轮机(10)的相对位置一致的、相同的相对位置。

Claims (16)

1.一种用于计算和校正风力涡轮机发电场(11)中的迎角的方法，所述风力涡轮机发电场(11)包括：
塔(12)，
机舱(13)，
轮轴(14)，
叶片(15)，
其特征在于：
将模型风力涡轮机(10)定义为所述发电场的所有风力涡轮机(11)中产生最大功率的风力涡轮机，
在所述模型风力涡轮机(10)的第一叶片(15a)中创建由X轴(1)、Y轴(2)、Z轴(3)和原点G定义的坐标系GXYZ，
计算由所述第一叶片(15a)的两个已知点(22，23，24，26，27)形成的直线与所述Y轴(2)之间形成的角度，以获得参考角(α),
将所述第一叶片(15a)的迎角计算为所述参考角(α)的余角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考坐标系GXYZ包括导致其创建的以下步骤：
测量机舱(13)附接到轮轴(14)处的、所述机舱(13)的正面的至少三个点，以定义AB平面(5)；
测量所述第一叶片(15a)与所述轮轴(14)的附接的圆周轮廓的至少三个点，以定义圆形部分(4)，该圆形部分(4)的中心G为该第一叶片(15a)的坐标系的原点；
将X轴(1)定义为垂直于所述圆形部分(4)并且通过所述原点G的轴；
将Y轴(2)定义为垂直于X轴(1)、平行于AB平面(5)并且通过所述原点G的轴；
将第三Z轴(3)定义为垂直于先前定义的X轴(1)和Y轴(2)并且通过所述原点G的轴。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述模型风力涡轮机(10)的剩余的叶片(15b，15c)中创建参考坐标系GXYZ，使得在所述模型风力涡轮机(10)的每个叶片(15)中定义坐标系。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述模型风力涡轮机(10)的第一叶片(15a)中、在X轴(1)方向上距离原点G任一距离(D)处对用于定义第一叶片(15a)的横截面的一系列点进行测量，从而获得所述第一叶片(15a)的两个点(22，23，24，26，27)的位置，连接这两个点(22，23，24，26，27)的直线是参考直线(25)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述风力涡轮机(11)的设计中提供所述第一叶片(15a)的X轴(1)上距离原点G的任何距离(D)，在该任何距离(D)处布置有其中参考角(α)的值是已知的横截面。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，如果所述第一叶片(15a)的横截面是对称的，则两个点(22，23，24，26，27)是属于叶片(15a)的前缘(21)的点(27)和叶片(15a)的后缘(22)，连接这两个点(22，27)的直线是弦(7)，所述弦(7)与所述叶片(15a)的对称轴重合。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，如果所述第一叶片(15a)的横截面是非对称的，则通过在所述第一叶片(15a)的截面上绘制中心在所述后缘(22)中并且具有已知半径的圆周的弧来获得所述弦(7)，得到的弦(7)是从该中心(22)到所述圆周的弧与所述前缘的圆周(6)的切点的直线。
8.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，如果所述第一叶片(15a)的横截面是非对称的，则测量横截面中在所述第一叶片(15a)的X轴(1)上与原点G相距任何距离(D)处的两个已知点(23，24)以计算参考直线(25)，并且所述点是：
所述第一叶片(15a)的横截面中、所述前缘的圆周(6)的中心(23)，以及
该截面的属于X轴(1)的点(24)，或该截面中原点G的投影，
以使得所述参考直线定义与Y轴(2)的参考角(α)，所述参考角(α)的余角是所述第一叶片(15)的迎角。
9.根据权利要求4或5所述的方法，对于借助两个壳的纵向附接形成叶片(15)的情况，其特征在于，在叶片(15)的横截面中获得与原点G相距距离(D)处的参考直线(25)，其由以下定义：
所述横截面的属于X轴(1)的点(24)，或者换言之，原点G在该截面中的投影，以及
根据前面的点(24)绘制的圆形与叶片(15)的前缘的切点(26)，
以使得所述参考直线(25)定义与Y轴(2)的参考角(α)，所述参考角(α)的余角是所述第一叶片(15)的迎角。
10.根据权利要求1至9的任一项所述的方法，其特征在于：
在模型风力涡轮机(10)的剩余的叶片(15)中测量参考角(α)，
当模型风力涡轮机(10)的所有叶片(15)具有不同于参考角(α)的值时，认为模型参考角(αm)由针对模型风力涡轮机(10)的所有叶片(15)计算的参考角(α)的算术值平均给出，
11.根据权利要求1至9的任一项所述的方法，其特征在于：
在模型风力涡轮机(10)的剩余的叶片(15)中测量参考角(α)，
当模型风力涡轮机(10)的至少两个叶片(15)具有与参考角(α)相同的值时，认为该值是模型参考角(αm)。
12.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在新的风力涡轮机(11)的第一叶片(15a)中、在沿该第一叶片(15a)的X轴(1)的方向上与原点G相距相同距离(D)处测量所述参考角(α)。
13.根据权利要求12以及权利要求10或11所述的方法，其特征在于，调节所述新的风力涡轮机(11)的第一叶片(15a)的参考角(α)的值直到被布置为具有与针对模型风力涡轮机(10)获得的模型参考角(αm)相同的值。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述新的风力涡轮机(11)的剩余的叶片(15b，15c)中、在沿剩余的叶片(15b，15c)中每个的X轴(1)的方向上与所述原点G相距相同距离(D)处测量所述参考角(α)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，调节新的风力涡轮机(11)的剩余的叶片(15b，15c)的参考角(α)的值直到被布置为具有与针对所述模型风力涡轮机(10)获得的模型参考角(αm)相同的值。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，测量和调节所述风力发电场的剩余风力涡轮机(11)的所有叶片(15)的参考角(α)的值直到被布置为具有与针对模型风力涡轮机(10)获得的模型参考角(αm)相同的值。
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