CN105392986B

CN105392986B - 涉及风力涡轮机的改进

Info

Publication number: CN105392986B
Application number: CN201480029592.8A
Authority: CN
Inventors: I·S·奥勒森
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2018-12-28
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: WO2014187463A1; EP2999881A1; US20160131111A1; ES2691025T3; EP2999881B1; CN105392986A; US10094359B2

Abstract

本发明涉及一种用于在转子的旋转期间确定风力涡轮机转子的叶片的尖端角度的方法及风力涡轮机。该方法包括：(a)从风力涡轮机转子的第一叶片朝向该转子的第二叶片发出光信号；(b)在该转子的第二叶片处接收该光信号；(c)基于接收到的光信号的特性计算该第一叶片或第二叶片的尖端角度。

Description

涉及风力涡轮机的改进

背景技术

现代实用规模的风力涡轮机具有包括多个非常长的细长叶片的转子。图1示出了典型的风力涡轮机叶片10，该叶片10在纵向上从相对宽的根端12朝向相对窄的尖端14逐渐变细。图1中还示出了该叶片的纵向轴线L。叶片的根端12在横截面中为圆形。从该根部向外，该叶片在横截面中具有翼剖面16。叶片的根部通常经由桨距机构连接于该转子的轮毂，该桨距机构使得叶片围绕纵向桨距轴线L转动以便改变该叶片的桨距。

改变叶片的桨距改变了其迎风角。这用来控制叶片的能量捕获，并且因此控制转子速度，使得它随着风速变化而保持在运行极限内。在低度风至中度风中，尤其重要的是要控制叶片的桨距，以便使叶片的能量捕获最大化并且使风力涡轮机的生产率最大化。

风力涡轮机叶片的能量捕获通常从根部朝向尖端增大。由此，叶片10的内侧或根部部分12倾向于捕获最少的能量，而叶片的外侧或尖端部分14倾向于捕获最多的能量。因此，对于叶片的外侧的桨距角的精确控制是合乎要求的，以便使涡轮机的输出功率最大化。

现代风力涡轮机叶片其高度通常为50-80米，或者在一些情况下更长，并且通常由诸如玻璃纤维加强塑料(GFRP)之类的复合材料制成。这些叶片因此是相对柔性的，并且在操作期间不可避免地在一定程度上弯曲和扭曲。叶片的相对窄的外侧部分尤其容易扭曲和弯曲。

虽然该桨距机构能够精确控制叶片根部的角度，但是这并不必然反映叶片尖端的角度，而叶片的尖端如上所述更容易受到弯曲和扭曲的影响。本发明提供了一种用于精确测量叶片尖端的角度的方法和设备，使得在控制策略中可以采用该信息。例如，在桨距控制策略中可以采用尖端角度的精确测量值，从而能够精确控制叶片的外侧部分的迎角，能够使叶片的能量捕获最大化。这些测量值可以同样用在叶片载荷计算和控制策略中，用于保护叶片使其免受极限载荷的影响。

如现在将参照图2a和图2b作为示例描述的那样，叶片的尖端角度在本文中被定义为叶片在尖端处的弦线与处于与叶片的纵向轴线L垂直的平面中的参考轴线之间的角度。该弦线为连接叶片的前缘18和叶片10的后缘20的直线D。

图2a和2b图示出了风力涡轮机叶片10的尖端的处于与纵向轴线L垂直的并且沿着图1中的线A-A获取的平面中的横截面。在图2a中，叶片10具有第一尖端角度，而在图2b中，叶片10具有第二尖端角度。该尖端角度在图2a和图2b中被标记为θ。纵向轴线L垂直于图2a和图2b中的页面。L-y平面限定了转子叶片的旋转平面，并且x轴线垂直于该平面。叶片10围绕转子轴线的旋转方向在图2a和图2b中以R表示，这在使该叶片转过2π弧度的角度时，在L-y平面中描绘出圆形。风向在图2a和图2b中被表示为W。在图2a和图2b中，风向被图示为垂直于L-y平面，尽管实际上，风相对于L-y平面的方向是变化的，并且可以以不同的角度入射。在图2a中，叶片尖端角度θ被定义为在弦线D平行于该x轴线并且因此垂直于L-y平面时为0弧度。

图2b图示了相对于x轴线转过角度θ的叶片尖端。

在随后对于本发明的讨论中，将运用叶片尖端角度的上述定义。换句话说，该叶片尖端角度θ被相对于垂直于叶片的旋转平面(图2a和2b的L-y平面)形成的轴线(图2a和2b的x轴线)限定。但是，将理解的是，该尖端角度可以被相对于另一任意基准定义，并且使得该定义不应被视为是对本发明的范围进行的不适当的限制。

现代风力涡轮机是非常高的结构，并且叶片尤其容易受到雷击的影响。因此，大多数的风力涡轮机叶片结合有防雷系统，用于将来自雷击的电能安全地引导至地面。本发明的目的在于避免在风力涡轮机叶片上使用金属部件或电气部件，因为这些会优先于该叶片上的雷电接收器吸引雷击，这会导致损坏该叶片。

发明内容

在这个背景下，本发明的第一方面提供了一种在转子的旋转期间确定风力涡轮机转子的叶片的尖端角度的方法。该方法包括下列步骤：

(a)从该风力涡轮机转子的第一叶片朝向该转子的第二叶片发送光信号；

(b)在该转子的第二叶片处接收该光信号；

(c)基于接收到的光信号的特性计算第一叶片或第二叶片的尖端角度。

光信号的使用能够以高精度水平来确定叶片的尖端角度。

步骤(a)可包括从位于第一叶片的尖端附近的发送器发出光信号，从而提高了所确定的叶片尖端角度的精度。

步骤(b)可包括在位于第二叶片的尖端附近的接收器处接收该光信号。该配置提高了所确定的叶片尖端角度的精度。

优选地，经由沿着第一叶片纵向地延伸的第一光纤将光从远程设置的光源传送至发送器。

在某些实施例中，经由沿着第二叶片纵向地延伸的第二光纤将接收到的光信号传送到远程设置的检测器。光源和检测器可以被方便地设置在轮毂中或远离叶片的任何地方。光纤的使用避免了叶片内的设备导电，这会在不利的天气条件下吸引雷电。

在一些实施例中，步骤(a)包括分别从第一发送器和第二发送器发出出基本上相同的第一光信号和第二光信号，该第一发送器和该第二发送器位于第一叶片的尖端附近，并且被沿着第一叶片的弦向方向间隔开；并且步骤(c)包括计算第一叶片的尖端角度。在当前的上下文内，基本上相同的光信号涉及相干的并且基本上为单色的光信号。

步骤(b)可包括在第一接收器和第二接收器处接收发出的光信号，该第一接收器和该第二接收器位于第二叶片的尖端附近，并且被沿着第二叶片的弦向方向间隔开；并且步骤(c)包括计算第二叶片的尖端角度。优选地，将接收到的光信号转换成基本上相同的第一光信号和第二光信号。

步骤(c)可包括确定第一光信号与第二光信号之间的光程差，并且使用该光程差来计算该尖端角度。在第一信号与第二信号之间呈现出的光程差将导致干涉信号，通过该干涉信号可以计算叶片尖端角度。

步骤(a)可包括将发出的光信号的频率从第一频率连续地改变成第二频率；并且步骤(b)可包括检测当使频率在第一频率与第二频率之间变化时在第一光信号与第二光信号之间出现的相长和相消干涉所引起的闪烁的干涉信号。随后，基于在步骤(b)中检测到的干涉信号的特性，在步骤(c)中计算该叶片尖端角度。

步骤(c)可包括统计当使频率从第一频率转变成第二频率时在干涉信号中出现的闪烁的次数，并且基于统计出的闪烁次数计算叶片尖端角度。每次闪烁均与干涉信号的幅度波峰相关联。因此，能够确定与使频率从第一频率改变成第二频率相关联的波周期数的变化，通过该变化可以确定总光程差。这能够计算出该叶片尖端角度。

作为选择，步骤(c)可包括确定干涉信号的闪烁频率，并且基于该闪烁频率计算该叶片尖端角度。

在某些实施例中，步骤(a)包括从第一叶片朝向第二叶片发出光谱；步骤(b)包括在第二叶片处接收光谱的一个或多个频率；以及步骤(c)包括基于检测到的光的频率计算该尖端角度。相应的频率以从第一叶片朝向第二叶片空间移动的方式传播开。优选地，光处于可见范围中，并且不同的频率为不同颜色的可见光。叶片之间的间隔距离越大，则频率的空间辨析度越高，这导致了更加精确的测量。这改善了对于不同光谱分量频率和/或颜色的检测。

步骤(a)可还包括通过采用棱镜使得白色光折射来形成光谱。由于白色光的每个分量均被折射不同的量，因此能够基于检测到的光的颜色来确定该叶片尖端角度，这是因为这与该尖端角度成比例。

在某些实施例中，该方法还包括：从被沿着第一叶片的长度间隔开的多个发送器发出光；在第二叶片上的一个或多个接收器处接收来自这多个发送器的光；并且基于接收到的光的特性来确定沿着第一叶片的扭曲和/或载荷。多个间隔开的发送器和/或接收器的存在能够根据叶片的长度确定叶片的桨距角。由于该桨距角会受到叶片扭曲和/或载荷的影响，因此这使得叶片的扭曲和/或载荷在它沿着叶片的长度变化时被确定。该特征可被用于诊断目的，并且用来确保该叶片在最佳载荷条件下操作，从而降低了结构破裂的可能性。

来自每个发送器的光均由同一接收器或不同的接收器接收。

优选地，在来自多个发送器的光均由同一接收器接收的情况下，每个发送器均发出具有不同于由其它发送器发出的频率的独特的频率或独特的频率范围的光；和/或每个发送器均可以发出具有不同于由其它发送器发出的光的偏振的独特的偏振的光。这提供了一种用于在由沿着该叶片位于不同长度处的不同发送器发出的光之间进行区分的手段，从而便于计算在沿着叶片的长度的特定位置处的叶片尖端角度。

本发明的第二方面提供了一种风力涡轮机，其包括：具有多个叶片的转子；光源；设置在转子的第一叶片上的发送器，该发送器被布置成从光源朝向转子的第二叶片发出光信号；设置在第二叶片上的接收器，该接收器被布置成接收从第一叶片发出的光信号；用于检测接收到的光信号的检测器；以及处理器，该处理器与检测器通信并且被布置成基于检测到的光信号的特性或从检测到的光信号获得的参数计算第一叶片或第二叶片的尖端角度。

该发送器可包括用于将光信号朝向接收器引导的一个或多个透镜，并且该接收器可包括用于接收该光信号的一个或多个透镜。

光源可被远离该发送器设置，例如设置在轮毂内，并且风力涡轮机可包括在光源与发送器之间沿着第一叶片纵向地延伸的第一光纤。叶片内没有导电材料使得叶片更不容易受到雷击的影响。

检测器优选地被远离接收器设置，例如设置在轮毂中，并且风力涡轮机可还包括在检测器与接收器之间沿着第二叶片纵向地延伸的第二光纤。

风力涡轮机可包括设置在第一叶片的尖端附近并且被沿着第一叶片的弦向方向间隔开的第一发送器和第二发送器，该第一发送器和该第二发送器被分别布置成朝向第二叶片上的接收器发出基本上相同的第一光信号和第二光信号，其中，第一光信号和第二光信号相互作用以形成干涉信号。干涉信号的特性将取决于在第一光信号与第二光信号之间呈现出的任意光程差的存在和特性。

第一发送器可大致位于该叶片的前缘处，并且第二发送器可大致位于该叶片的后缘处。这提高了所确定的叶片尖端角度的精度。

第一光纤可分叉成分别与第一发送器和第二发送器相关联的第一辅助光纤和第二辅助光纤。光纤的该配置将单个初始光信号分成两个基本上相同的信号，这些信号随后由第一光发送器和第二光发送器发出。这有助于保持所发出的第一光信号和第二光信号中的相干性和单色性。

第一光纤可以在靠近第一叶片的尖端的位置处分叉，以便使得由第一光信号与第二光信号之间的分叉引起光程差的可能性最小化。

该风力涡轮机可包括位于第二叶片的尖端附近并且被沿着第二叶片的弦向方向间隔开的第一接收器和第二接收器。优选地，第一接收器大致位于该叶片的前缘处，并且第二接收器大致位于该叶片的后缘处。这提高了第二叶片的尖端角度的计算精度。

第一接收器和第二接收器优选地被布置成将接收到的光信号转换成第一光信号和第二光信号，该第一光信号和该第二光信号相互作用以形成干涉信号。

优选地，由光源发出的光的频率可在第一频率与第二频率之间变化。当频率变化时，干涉信号的特性也发生变化，通过该干扰信号的特性可以计算该叶片尖端角度。

干涉信号可以包括由当使发出的光信号的频率从第一频率改变成第二频率时在第一光信号与第二光信号之间出现的相长和相消干涉所引起的一系列闪烁。

处理器优选地被配置成基于第一信号与第二信号之间的确定的光程差来确定该叶片尖端角度。

处理器可以被配置成当使发出的光的频率从第一频率改变成第二频率时基于与该干涉信号相关联的统计出的闪烁数量来确定该叶片尖端角度。作为选择，处理器可以被配置成当使发出的光的频率从第一频率改变成第二频率时基于在该干涉信号中出现的闪烁的频率来确定该叶片尖端角度。每个闪烁均与干涉信号的幅度波峰相关联。因此，能够确定与使频率从第一频率改变成第二频率相关联的波周期数量的变化，由此可以计算总光程差。这能够计算该叶片尖端角度。

在某些实施例中，该风力涡轮机包括被布置成从第一叶片朝向第二叶片发出光谱的发送器；该接收器被布置成在第二叶片处接收该光谱的一个或多个频率/颜色；该检测器被布置成检测接收到的光的频率/颜色；并且该处理器被配置成基于检测到的光的频率/颜色来计算该尖端角度。

该发送器可以被配置成致使相应的频率/颜色以从第一叶片朝向第二叶片空间移动的方式传播开，以便于在第二叶片处检测不同的频率/颜色。

光源可以为白色光源，并且该发送器可包括用于折射该白色光的棱镜以产生呈彩虹形式的光谱。

该风力涡轮机可包括被沿着第一叶片的长度间隔开的多个发送器，以便能够在沿着该叶片的长度的不同位置处确定该叶片的桨距角。

每个发送器均可以被配置成发出具有不同于由其它发送器发出的频率的独特的频率或独特的频率范围的光。每个发送器均可以被配置成发出具有不同于由其它发送器发出的光的偏振的独特的偏振的光。这使得接收器能够区分由不同发送器发出的光。

附图说明

已经作为本发明的背景技术描述了图1、图2a和图2b，其中：

图1为示例性风力涡轮机叶片的透视图，该示例性风力涡轮机叶片在根部处具有圆形横截面并且从该根部向外具有翼型横截面轮廓；并且

图2a为图1的叶片的具有0弧度的叶片尖端角度的尖端的横截面的示意图；而图2b图示了>0弧度的叶片尖端角度θ。

现在将参照下列附图仅作为非限定示例对本发明的多个实施例进行描述，附图中：

图3为根据本发明的实施例构造的用在水平轴风力涡轮机中的转子-轮毂组件的透视正视示意图；

图4为图3的该转子-轮毂组件的透视侧视示意图；

图5a和图5b为由图3的转子-轮毂组件用于确定叶片尖端角度的光学干涉原理的示意图；图5a图示了相长干涉所需的条件，而图5b图示了相消干涉所需的条件；

图6a和图6b为示意图，示出了在图3和图4的第一叶片尖端相对于x轴线旋转时，如何相对于被定位在第二叶片上的光接收器引入光程差；图6b示出了在作出某些特定近似时，点A-B-B’如何形成直角三角形；

图7a、图7b和图7c图示了被在直径等于被定位在图3或图4的第一叶片上的两个光发送器的物理间隔距离的圆内呈现出的图6b的直角三角形A-B-B’，并且图示出了叶片尖端角度如何通过正弦三角函数而与该光程差相关联；图7a图示了在该叶片尖端角度位于0<θ<π/2弧度的范围内时形成的直角三角形A-B-B’；图7b图示了在该叶片尖端角度为0弧度时形成的水平弦A-B；并且图7c示出了在该叶片尖端角度为π/2弧度时形成的竖向弦A-B；以及

图8为替代实施例的示意图，示出了如何使用白光的衍射来确定第一叶片的叶片尖端角度。

具体实施方式

图3示意性地图示了如在水平轴风力涡轮机中所形成的转子-轮毂组件22。所图示的转子-轮毂组件22包括经由桨距机构(未示出)固定于中央轮毂26的三个涡轮叶片24a、24b、24c。这些叶片24a、24b、24c具有如在图1中所图示的横截面轮廓16，并且被布置成在风沿着垂直进入页面中的大致平面的方向入射在这些叶片24a、24b、24c上时，致使该转子-轮毂组件如由方向箭头28所示的那样逆时针旋转。

图4为图3的转子-轮毂组件22的侧视图。

该转子-轮毂组件22的每个叶片24a、24b、24c均被构造成具有至少两个光发送器30a、30b(也被标示为‘A’和/或‘B’)以及至少一个光接收器32(也被标示为‘C’)。光发送器中的第一光发送器30a被布置在叶片24a、24b、24c的前缘15上，而光发送器中的第二光发送器30b被布置在后缘17上。第一光发送器30a和第二光发送器30b被沿着叶片24a、24b、24c的基本上垂直于该叶片的纵向轴线L的弦向方向分隔开。光发送器30a、30b被基本上定位在叶片24a、24b、24c的尖端附近，以便能够精确地确定该叶片尖端的桨距角θ。

位于第一叶片24a上的至少两个光发送器30a、30b均被构造成发出光信号34a、34b，该光信号34a、34b随后被位于第二相邻叶片24b上的光接收器32(‘C’)所接收。这些光信号34a、34b是能表现出干涉性的并且是单色的，使得这两个发出信号34a、34b相长和/或相消干涉，从而导致形成在光接收器32(‘C’)处的干涉信号。如现在将参照其余附图所要详细地说明的那样，基于所检测到的干涉信号的特征，计算第一叶片24a相对于第二叶片24b的尖端角度。

图5a和图5b为用来确定第一叶片的尖端角度θ的光学干涉原理的示意图。当这两个发出信号34a、34b之间的光程差d为发出信号34a、34b的波长的整数倍时，这两个发出信号34a、34b相长干涉，

即

d＝nλ/2；n＝2、4、6… 公式1.0

式中，λ为这两个单色信号34a、34b的波长。

换句话说，在这些信号同相时，这些信号相长干涉。相长干涉的位置与在所检测到的干涉信号中的强度幅度波峰或最大值相关联。这些强度波峰等同于在光学干涉图案中呈现出的亮条纹，并且在随后的描述中将被可互换地这样称谓。

同样，这两个发出信号34a、34b在这两个信号之间的光程差d为波长的半整数倍时相消干涉，即

d＝nλ/2；n＝1、3、5… 公式1.1

式中，λ为两个单色信号34a、34b的波长。

换句话说，这些信号在它们正好异相时相消干涉。相消干涉的位置与在所检测到的干涉信号中的强度幅度波谷或最小值相关联，并且等同于在光学干涉图案中呈现出的暗条纹。

如在图5a中所图示的那样，在该干涉信号的幅度波峰的位置与光接收器32的位置重合时，通过光接收器32来测量光强最大值。如在图5b中所图示的那样，在幅度波谷与光接收器32的位置重合时，通过光接收器32来测量光强最小值。

幅度波峰和波谷相对于该光接收器32形成的这些位置随着两个发出信号34a、34b之间的光程差的变化而改变。该光程差取决于随着该尖端角度θ而变化的两个光发送器30a、30b与该光接收器32的距离差。

图6a为示意图，示出了当第一叶片尖端相对于x轴线旋转时，如何引入光程差。这两个光接收器30a、30b的位置被相对于光接收器32的位置图示出。光程差由线段B-B’表示。这两个光发送器30a、30b之间的真实间隔距离由线段A-B表示。线段A-C和B’-C的长度相等(即A-C＝B’-C)。光程差B-B’为从第二光发送器30b发出的第二信号34b相对于从第一光接收器34a发出的第一信号34a行进到该光接收器32的附加距离。当该光程差为发出波长的整数倍时，如在公式1.0中所示，在该光接收器32处形成幅度波峰。在该光程差为该波长的半整数倍时，如在公式1.1中所示，在该光接收器32处形成幅度波谷。

由于线段A-C和B’-C明显大于线段A-B，因此能够假设，这些线段A-C和B’-C在取向上是基本平行的，这是因为这两条线段的发散角γ是非常小的。图6b图示了在取向上是基本平行的线段A-C和B’-C。基于该假设，线段A-B-B’形成了相对于x轴线具有发散角θ的直角三角形。

图7a、7b和7c图示了针对不同的叶片尖端角度θ的数值绘制在直径等于线A-B(该直径等于光发送器之间的物理间隔距离)的圆上的直角三角形A-B-B’。

图7a图示了针对位于0<θ<π/2的范围内的叶片尖端角度形成的直角三角形。光程差B-B’则由下列公式给出：

光程差＝ABsin(θ) 公式2.0

式中，AB为光发送器30a、30b的间隔距离。

实际上，叶片尖端角度θ可能被限制在0≤θ≤π/2的范围内。这引起了分别在图7b和图7c中图示出的两种极端情况。

图7b图示了其中该叶片尖端角度为0的情况，在该情况下，采用公式2.0确定的光程差为零，并且A和B两者均与该光接收器C距离相等。

图7c图示了其中该叶片尖端角度为π/2的情况，在该情况下，该光程差等于A和B的物理间隔距离。

公式2.0可以重新如下表示：

相对于旋转方向R限定的尖端角度θ由光程差与光发送器之间的真实物理间隔距离的比率的反正弦给出：

沿着叶片24a、24b、24c在弦向方向上介于光发送器之间的物理间隔距离AB是恒定的，并且在将发送器安装在该叶片上时被精确地测量到。

如现在将说明的那样，通过分析在光接收器32处测量到的干涉信号的特性，利用光发送器30a、30b和光接收器32以经验为主地确定该光程差。在第一实施例中，第一叶片24a被相对于第二叶片24b布置，使得在第一光发送器30a与第二光发送器30b之间存在光程差(例如，如在图7a中所图示的那样)。随后使第一发送出的相干光信号34a和第二发送出的相干光信号34b的波长和/或频率改变已知量。改变该波长和/或频率致使干涉条纹相对于光接收器32的位置发生移位。例如，第一发送出的相干光信号34a和第二发送出的相干光信号34b的频率可以从第一已知频率改变为与第一频率不同的第二已知频率。假设在改变波长和/或频率时，光程差是恒定的，则所统计出的移位的亮或暗干涉条纹的总数与频率的变化成比例。这在仅出于例举说明的目的而给出的下列示例中被更为详细地阐明。将要指出的是，由于频率和波长是成比例的，因此频率变化将导致波长的成反比的变化。换句话说，频率提高1％导致波长缩短1％，反之亦然。

假设两个信号之间的光程差为100mm，并且发送出的相干光信号的波长为1μm，则在光程差的范围内存在100,000个波周期(例如，100mm/1μm＝100,000个波周期)，其中，每个波周期均涉及超过2π的幅度振荡。换句话说，与位于第一发送器30a与光接收器32之间的波周期数相比，位于第二发送器30b与光接收器32之间存在100,000个附加周期。因此，第一发出信号34a和第二发出信号34b的波长的1/100,000(10ppm)缩短导致在光程差中呈现出的一个附加波周期。同样，第一发出信号34a和第二发出信号34b的波长的1/100000(10ppm)增加导致在该光程差中呈现的一个减少的波周期。

同样，发出的第一信号34a和第二信号34b的频率的1％(10,000ppm)变化导致了位于第一光发送器30a与第二光发送器30b之间的1000个波周期的变化。例如，如果频率提高1％(对应于波长缩短1％)，则在该光程差内将存在附加的1,000个波周期，而如果频率降低1％(对应于波长增大1％)，则这将导致在该光程差内呈现出的减少的1,000个波周期。总之，并且假设该光接收器32被构造成用于测量光强(例如，光辐照度)，则1,000条亮条纹将在该光接收器32上移位。这自身表示为“闪光的”或“闪烁的”干涉信号，该信号会随着该频率被从第一频率改变为第二频率而闪光和/或闪烁1,000次。所测量到的幅度波峰(即，亮干涉条纹)的数量与频率的变化(或等同于波长的变化)成比例。

通过获知所发出的单色光的波长和/或频率、该频率/波长变化的量、以及由此引起的波周期的数量变化，可以确定在该光程差内呈现出的波周期的总数。如果频率的1％变化导致了1,000个波周期的变化，则在光程距离中的原始存在的波周期的数量为100,000个。随后可通过获知该波长—尤其是通过用波周期的总数除该波长来确定该光程差。

总之，通过使频率(以及因此使波长)可控地改变已知量，并且在所接收到的干涉信号中观察在改变发出信号的频率时出现的闪光和/或闪烁的次数，来确定该光程差。这在发出信号30a、30b的特性与所观察的亮干涉条纹的数量之间提供了可量化的联系，从中计算出该光程差。

一旦已经确定该光程差，则可以采用公式2.2计算该叶片尖端角度θ。

实际上，该叶片尖端角度θ可以被在转子处于使用中或固定不同的同时确定。由于在第一叶片24a与第二叶片24b之间不存在任何相对运动，因此并未观察到多普勒效应，并且为此可以将它忽略掉。通过分别从第一光发送器30a和第二光发送器30b发出单色光信号，使所发出的光信号的频率/波长可控地改变已知量，并且统计出在光接收器32处测量到的亮条纹的数量，以便如上所述确定该光程差，来确定该第一叶片24a的叶片尖端角度θ。随后采用公式2.2确定该尖端角度θ。

在使用中，光发送器30a、30b可被构造成连续地发出单色光信号34a、34b，以便连续地测量该叶片尖端角度θ；或者作为选择，光发送器30a、30b可以在需要进行精确的叶片尖端测量时被致动。

为了避免使得叶片24a、24b、24c内存在的材料导电，使用光纤从位于轮毂内的相干光源将光信号传送给大致位于该叶片尖端附近的光发送器30a、30b。

例如，如在图3和4中所图示的那样，每个叶片24a、24b、24c均设有在与纵向轴线L基本上平行的方向上沿着该叶片纵向延伸的光纤36。该光纤在一个端部处操作性地联接于被定位在轮毂26中的相干单色光源38。在光发送器30a、30b的附近，该光纤被布置成分成两个单独的分量光纤36a、36b，并且每个分量光纤均将相干光信号传输给光发送器30a、30b中的不同的一个。分叉点被布置成，使得两个单独的光纤部件36a、36b并不引入光程差。这确保了从每个光发送器30a、30b发出的两个光信号34a、34b是相干的并且是同相的。随着转子转动，在光接收器32处观察到的任何相位差因此均是由因光发送器30a、30b与光接收器32的相对距离差异而造成的光程差所导致的。

位于每个叶片24a、24b、24c上的光接收器32同样操作性地联接于光纤40，使得所接收到的光信号(该信号将是第一信号34a和第二信号34b的叠加)被传送到远离该光接收器32定位的光传感器42。如前面所提及的那样，光纤的使用避免使得位于叶片24a、24b、24c中的材料导电，否则这会在不利的天气条件下容易受到雷击的影响。远程设置的光传感器42在该示例中被定位在轮毂26内，并且被构造成用于测量光辐照度(即，光强)。光传感器42被连接于被布置成用于统计干涉条纹的处理器，以便能够如前所述确定该光程距离。

作为选择，该处理器可以被布置成计算快速傅里叶变换(FFT)，以便确定闪烁频率，该闪烁频率被定义为在单位时间内出现的所统计的亮干涉条纹的数量。随后可以使用该闪烁频率来确定与光程变化相关联的闪烁的总数。随后可如前所述计算该叶片尖端角度。FFT的使用对于测量从光发送器发出的微弱的和/或嘈杂的信号来说是尤为有利的。

为了清楚起见，图4图示了包括光发送器30a、30b和相关联的光纤36、36a、36b在内的第一叶片24a；并且第二叶片24b被图示为仅包括光接收器32及其相关联的光纤40。然而，将会理解的是，并且如图3中所图示的与，在该示例中的每个叶片24a、24b、24c均包括两个光发送器30a、30b和相关联的光纤36、36a、36b；和光接收器32以及相关联的光纤40。

在另一个实施例中，每个叶片24a、24b、24c均设有不止一对光发送器，每对光发送器均被沿着叶片24a、24b、24c的纵向轴线L定位于不同的位置处。

例如，图3图示了包括两对光发送器30a、30b、44a、44b在内的第一叶片24a。第二对光发送器44a、44b被沿着第一叶片24a的纵向轴线L相对于第一对光发送器30a、30b定位于不同位置处。光发送器的该配置能够在不同的纵向位置处确定该第一叶片24a的桨距。这在第一叶片24a的桨距沿着其纵向轴线L变化时是有利的。这会在第一叶片24a受到高应力的影响时出现，在该情况下，桨距或叶片尖端角度会沿着叶片的纵向轴线L而变化。

可以采用不同的方法在从第一对光发送器30a、30b发出的光信号34a、34b与从第二对光发送器44a、44b发出的光信号46a、46b之间进行区分。例如，可以采用偏振效应在这两对光信号34a、34b与46a、46b之间进行区分。每对发出的光信号34a、34b和46a、46b被偏振不同的量，并且基于它们的偏振来区分所发出的信号。例如，第一对发出的光信号34a、34b可被沿着竖向方向线性偏振，而第二对发出的光信号46a、46b可以被沿着水平方向线性偏振。使用被定位于光接收器32或光传感器42处的偏振滤光器在从每个不同对的接收到的光信号34a、34b、46a、46b中得到的干涉信号之间进行区分。

作为选择，可以使用波片在这两对发出的光信号34a、34b、46a、46b之间引入相对相位差。该相对相位差被保持在所得到的接收到的干涉信号中，并且用于在从第一对发出的光信号34a、34b和第二对发出的光信号46a、46b中得到的干涉信号之间进行区分。波片的使用是有利的，这是因为它并不降低发出的光信号的强度。

作为选择，每个叶片24a、24b、24c均可设有多个不同的光接收器，每个不同的接收器均被布置成用于测量由不同对的光发送器产生的干涉信号。例如，每个不同的接收器均设有偏振滤光器，从而能够在过滤掉其它干涉信号的同时测量所需的干涉信号。

根据另一个变型，每个叶片24a、24b、24c均设有单个光发送器和两个光接收器。该变型可以被参照图3和图4设想出，在该变型中，光发送器和光接收器的位置被互换。光发送器30a、30b的位置现在与第一光接收器和第二光接收器相关联；并且光接收器32的位置现在与光发送器的位置相关联。从单个光发送器中发出单个信号。该信号由第一光接收器和第二光接收器两者接收，从而分别在第一光接收器30a和第二光接收器30b处产生第一测量信号和第二测量信号。第一测量信号和第二测量信号在该示例中与信号34a、34b相关联。如果在这些接收器30a、30b之间相对于发送器32不存在光程差，则这些测量信号将是同相的，在该情况下，两个测量信号是相同的。在这两个测量信号34a、34b在第一光纤部件36a和第二光纤部件36b的接合部处被叠加时，第一测量信号34a和第二测量信号34a将相长干涉。相反，如果在第一光接收器11a和第二光接收器11b之间相对于光发送器32存在光程差，则在第一测量信号34a和第二测量信号34b之间将存在相对相位差，这在这两个信号在第一光纤部件36a和第二光纤部件36b的接合部处被叠加时根据这两个信号之间的相对相位差将导致相长或相消干涉。在光学传感器42处测量所得到的干涉信号。以与如前所述的方式相同的方式计算该叶片尖端角度。

根据另一变型，采用折射原理来确定第一叶片相对于第二叶片的叶片尖端角度。图8为该实施例的示意图。图示了在垂直于这些叶片的纵向轴线L的平面中获取的贯穿叶片尖端的横截面。第一叶片24a的光发送器48被配置有光学折射元件(例如棱镜)，该光学折射元件被布置成使得具有不同波长和/或频率的光相对于第二叶片24b折射不同的角度。在通过该光发送器48发送基本上为白色的光时，该折射元件使入射的白色光的不同波长和/或频率分量相对于第二叶片24b折射不同的角度，使得从该光发送器48发出不同颜色的光(每种不同的波长和/或频率分量将表现为不同颜色的光)的光谱(即彩虹)。通过由位于第二叶片24b上的光接收器32测量的光信号的波长和/或频率确定该第一叶片24a的叶片尖端角度θ。

当第一叶片24a的取向相对于第二叶片24b变化并且引入了叶片尖端角度θ时，光发送器48’相对于光接收器32的位置改变。由于位置的该相对变化，导致由光接收器32接收到的该信号的波长和/或频率改变。

对第一叶片24a和第二叶片24b之间的位置关系进行校准以限定相对于其限定随后的叶片尖端角度计算的基准信号。例如，在第一叶片24a的叶片尖端角度为0弧度时，第二叶片24b测量特定颜色的光，它用来限定相对于其确定所有随后的叶片尖端角度的基准信号。当叶片尖端角度θ改变时，光发送器48’相对于光接收器32的位置也改变。因此，光接收器32测量作为该叶片尖端角度θ的函数的发出的光的不同波长和/或频率分量。由于衍射元件的衍射特性是已知的，因此相对于该基准信号确定所测量的波长分量的角度衍射。随后，该叶片尖端角度与同所测量的波长分量相关联的衍射角成正比。

本文中所描述的实施例可被用在桨距控制策略中和/或用来控制叶片上的应力载荷。

将会理解的是，公式2.0、2.1和2.2适用于直角三角形。这些公式的采用提供了用于叶片尖端角度的近似值，其中。三角形A-B-B’可以被近似为直角三角形。当线段C-B与C-B’之间的发散角非常小时，该近似并不在计算出的叶片尖端角度中引入过大的误差。这在两个相邻的涡轮叶片24a、24b之间的间隔距离比分别设置在A和B处的光发送器之间的物理间隔距离大得多的情况下出现。实际上，如可从图6a中看出的那样，三角形A-B-B’并不是直角三角形。

即使在并未保持基于公式2.0、2.1和2.2的近似的情况下，仍可将当前方法用于确定叶片尖端角度。在这些情况下，可以采用适用于非直角三角形的已知三角关系。例如，可以采用正弦定律、余弦定律、正切定律、和余切定律中的任意一种或多种来确定该叶片尖端角度，或者可以采用适用于非直角三角形的任意其它已知的三角公式。由于上述三角定律在本领域中是众所周知的，因此在这里不必对其进行详细讨论。

当前方法可以被用于计算用于包括任意数量的涡轮叶片的风力涡轮机的叶片尖端角度。虽然在本文中所描述的实施例涉及包括三个叶片的风力涡轮机，但这并不是非限制性，而是仅出于例举说明的目的。

本文中提供的所有实施例均仅出于例举说明的目的，并且不应被理解为对本发明进行限制。将要理解的是，可以设想出包括前述实施例的特征的适当组合在内的多种替代实施例，并且这种替代实施例落入在本发明的范围内。

Claims

1.一种在风力涡轮机转子的旋转期间确定风力涡轮机转子的叶片的尖端角度的方法，所述方法包括：

(a)从所述风力涡轮机转子的第一叶片朝向所述转子的第二叶片发送光信号；

(b)在所述转子的所述第二叶片处接收所述光信号；以及

(c)基于接收到的光信号的特性计算所述第一叶片或所述第二叶片的所述尖端角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)包括从位于所述第一叶片的尖端附近的发送器发出光信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述方法还包括经由沿着所述第一叶片纵向地延伸的第一光纤将光从远程定位的光源传送到所述发送器。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)包括在位于所述第二叶片的尖端附近的接收器处接收所述光信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括经由沿着所述第二叶片纵向地延伸的第二光纤将所述接收到的光信号传送至远程定位的检测器。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：

步骤(a)包括分别从第一发送器和第二发送器发出基本上相同的第一光信号和第二光信号，所述第一发送器和所述第二发送器位于所述第一叶片的尖端附近并且被沿着所述第一叶片的弦向方向间隔开；以及

步骤(c)包括计算所述第一叶片的所述尖端角度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中：

步骤(b)包括在第一接收器和第二接收器处接收所发出的光信号，所述第一接收器和所述第二接收器位于所述第二叶片的尖端附近并且被沿着所述第二叶片的弦向方向间隔开；以及

步骤(c)包括计算所述第二叶片的所述尖端角度。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述方法还包括将所述接收到的光信号转换成基本上相同的第一光信号和第二光信号。

9.根据权利要求6或8所述的方法，其中，步骤(c)包括确定所述第一光信号与所述第二光信号之间的光程差，并且使用所述光程差来计算所述尖端角度。

10.根据权利要求6或8所述的方法，其中：

步骤(a)包括将所述发出的光信号的频率从第一频率连续地改变成第二频率；

步骤(b)包括当使所述频率在所述第一频率与所述第二频率之间变化时，检测由在所述第一光信号与所述第二光信号之间出现的相长和相消干涉所引起的闪烁的干涉信号；以及

步骤(c)包括基于在步骤(b)中检测到的所述干涉信号的特性计算叶片尖端角度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，步骤(c)包括统计在使所述频率从所述第一频率改变成所述第二频率时出现在所述干涉信号中的闪烁的次数，并且基于统计出的闪烁的次数计算所述叶片尖端角度。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，步骤(c)包括确定所述干涉信号的闪烁频率，并且基于所述闪烁频率计算所述叶片尖端角度。

13.根据权利要求1所述的方法，其中：

步骤(a)包括从所述第一叶片朝向所述第二叶片发送光谱；

步骤(b)包括在所述第二叶片处接收所述光谱中的一个或多个频率；以及

步骤(c)包括基于检测到的光的频率计算所述尖端角度。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，相应的频率以从所述第一叶片朝向所述第二叶片空间移动的方式传播开。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，步骤(a)还包括通过采用折射装置使白色光折射来形成所述光谱。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述折射装置为棱镜。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：

从沿着所述第一叶片的长度间隔开的多个发送器发出光和/或在沿着所述第二叶片的长度间隔开的多个接收器处接收发出的光；并且基于所接收到的光的特性确定沿着所述第一叶片的扭曲和/或载荷。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，来自每个发送器的光都由同一接收器接收。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，每个发送器都发送具有不同于由其它发送器发送的频率的独特的频率或独特的频率范围的光。

20.如权利要求17或18所述的方法，其中，每个发送器都发送具有不同于由其它发送器发送的光的偏振的独特的偏振的光。

21.一种风力涡轮机，包括：

具有多个叶片的转子；

光源；

设置在所述转子的第一叶片上的发送器，所述发送器被布置成从所述光源朝向所述转子的第二叶片发出光信号；

设置在所述第二叶片上的接收器，所述接收器被布置成接收从所述第一叶片发出的所述光信号；

用于检测接收到的光信号的检测器；以及

处理器，所述处理器与所述检测器通信并且被布置成基于检测到的光信号的特性计算所述第一叶片或所述第二叶片的尖端角度。

22.根据权利要求21所述的风力涡轮机，其中，所述发送器包括用于将所述光信号朝向所述接收器引导的一个或多个透镜，并且所述接收器包括用于接收所述光信号的一个或多个透镜。

23.根据权利要求21或22所述的风力涡轮机，其中，所述光源被远离所述发送器设置，并且所述风力涡轮机还包括在所述光源与所述发送器之间沿着所述第一叶片纵向地延伸的第一光纤。

24.根据权利要求23所述的风力涡轮机，其中，所述检测器被远离所述接收器设置，并且所述风力涡轮机还包括在所述检测器与所述接收器之间沿着所述第二叶片纵向地延伸的第二光纤。

25.根据权利要求24所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机还包括被设置在所述第一叶片的尖端附近并且被沿着所述第一叶片的弦向方向间隔开的第一发送器和第二发送器，所述第一发送器和所述第二发送器被分别布置成朝向所述第二叶片上的所述接收器发出基本上相同的第一光信号和第二光信号，所述第一光信号和所述第二光信号相互作用以形成干涉信号。

26.根据权利要求25所述的风力涡轮机，其中，所述第一发送器大致位于所述叶片的前缘处，并且所述第二发送器大致位于所述叶片的后缘处。

27.根据权利要求25或26所述的风力涡轮机，其中，第一光纤分叉成分别与所述第一发送器和所述第二发送器相关联的第一辅助光纤和第二辅助光纤。

28.根据权利要求27所述的风力涡轮机，其中，所述第一光纤在靠近所述第一叶片的尖端的位置处分叉。

29.根据权利要求21或22所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机包括位于所述第二叶片的尖端附近并且被沿着所述第二叶片的弦向方向间隔开的第一接收器和第二接收器。

30.根据权利要求29所述的风力涡轮机，其中，所述第一接收器大致位于所述叶片的前缘处，并且所述第二接收器大致位于所述叶片的后缘处。

31.根据权利要求29所述的风力涡轮机，其中，所述第一接收器和所述第二接收器被布置成将接收到的光信号转换成第一光信号和第二光信号，所述第一光信号和所述第二光信号相互作用以形成干涉信号。

32.根据权利要求25或31所述的风力涡轮机，其中，由所述光源发出的光的频率能够在第一频率与第二频率之间变化。

33.根据权利要求32所述的风力涡轮机，其中，所述干涉信号包括由当将发出的光信号的频率从第一频率改变成第二频率时在所述第一光信号与所述第二光信号之间出现的相长和相消干涉所引起的一系列闪烁。

34.根据权利要求33所述的风力涡轮机，其中，所述处理器被配置成基于在所述第一光信号与所述第二光信号之间的确定的光程差确定叶片尖端角度。

35.根据权利要求33或34所述的风力涡轮机，其中，所述处理器被配置成在将发出的光的频率从所述第一频率改变成所述第二频率时基于与所述干涉信号相关联的统计出的闪烁的数量确定叶片尖端角度。

36.根据权利要求33或34所述的风力涡轮机，其中，所述处理器被配置成在将发出的光的频率从所述第一频率改变成所述第二频率时基于与所述干涉信号相关联的闪烁的频率确定叶片尖端角度。

37.根据权利要求21或22所述的风力涡轮机，其中：

所述发送器被布置成从所述第一叶片朝向所述第二叶片发送光谱；

所述接收器被布置成在所述第二叶片处接收所述光谱的一个或多个频率；

所述检测器被布置成检测接收到的光的频率；以及

所述处理器被配置成基于检测到的光的频率计算叶片尖端角度。

38.根据权利要求37所述的风力涡轮机，其中，所述发送器被配置成致使相应的频率以从所述第一叶片朝向所述第二叶片空间移动的方式传播开。

39.根据权利要求37所述的风力涡轮机，其中，所述光源为白色光源，并且所述发送器包括用于折射白光以产生所述光谱的棱镜。

40.根据权利要求21或22所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机还包括被沿着所述第一叶片的长度间隔开的多个发送器。

41.根据权利要求40所述的风力涡轮机，其中，每个发送器都发出具有不同于由其它发送器发出的频率的独特的频率或独特的频率范围的光。

42.根据权利要求40所述的风力涡轮机，其中，每个发送器都发出具有不同于由其它发送器发出的光的偏振的独特的偏振的光。