CN107810321B - 测量风力涡轮机上的载荷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量风力涡轮机上的载荷的方法以及一种用于这种载荷测量的风力涡轮机。风力涡轮机包括至少一个转子叶片和与转子叶片相关联的至少一个载荷传感器。至少一个载荷传感器位于转子叶片远离转子叶片的翼弯矩轴线和边缘弯矩轴线的位置处。在该位置处，转子叶片上的载荷的襟翼弯矩分量和边缘弯矩分量是可测量的。从载荷传感器测量载荷值，并且测量的载荷值被用于确定载荷的襟翼弯矩分量和载荷的边缘弯矩分量，并且可选地或附加地确定载荷的轴向力分量。

Description

测量风力涡轮机上的载荷的方法

技术领域

本发明涉及一种测量风力涡轮机上的载荷的方法，以及一种用于这种载荷测量的风力涡轮机。

背景技术

仔细控制风力涡轮机的部件的载荷，以最大限度地提高效率，并尽量减少磨损和损坏。载荷传感器通常安装在风力涡轮机上，典型地安装在转子叶片上。这些传感器需要提供对涡轮机上载荷的精确测量，并且传感器还需要定期校准，以便确定和追踪由传感器测量的值与涡轮机部件上的实际载荷之间的任何偏移。

在先前考虑的用于测量风力涡轮机上的载荷的系统中，在每个转子叶片上存在单一传感器。其只测量沿“襟翼”或“襟翼方向”的弯矩。

在另一个以前的系统中，存在四个传感器可以测量沿襟翼方向和边缘方向两者的弯矩。传感器安装在叶片的根部，并与主弯矩轴线、“襟翼”和“边缘”对齐，如图3所示，转子叶片组件的根部处的横截面。转子叶片组件(300)具有由虚线304表示的外侧叶片部分和具有圆周302的叶片根部。四个传感器(306)安装在叶片根部的圆周上。第一对传感器安装成与边缘弯矩轴线(308)(穿过叶片的前后边缘的轴线)对齐并位于其相反两端处。第二对被安装成与襟翼轴线(310)(正交于边缘轴线)对齐并位于其相反两端处。

每一个轴线具有两个传感器允许用于抵消轴向力(即重力和离心力)并提供更纯粹弯矩的差动测量。

叶片设计在沿主轴线安装传感器(例如，带有内部腹板的结构性外壳叶片)时产生了问题。也可能有其他硬件，或典型的避雷导体阻碍传感器对齐。先前的用于叶片载荷传感器的校准和操作的实施方式要求传感器沿主弯矩轴线放置，以便提供精确的测量和校准。因此，它们结合有不准确性，对未来开发而言不够灵活。由于所需的传感器数量多，以及安装和维修的复杂性，它们也可能是昂贵的。

其他先前的系统已经在不同位置使用了成对传感器，例如每一个传感器位于边缘轴线和襟翼轴线上的成对传感器，或者一对传感器与一个轴线对齐而单一传感器与另一个轴线对齐。然而，这些要求传感器与主轴线对齐，或者至少与轴线平行配对，因为它们将力分别沿边缘方向或襟翼方向分解。

本发明旨在解决这些问题，并对已知的装置和方法进行改进。

发明内容

在所附权利要求中阐述了本发明的各方面和实施方式。

总的来说，本发明的第一方面的实施方式可以提供一种测量风力涡轮机上的载荷的方法，风力涡轮机包括至少一个转子叶片和与转子叶片相关联的至少一个载荷传感器，其中所述至少一个载荷传感器定位在转子叶片上的远离转子叶片的襟翼弯矩轴线和边缘弯矩轴线的位置处，于是转子叶片上的载荷的襟翼弯矩分量和边缘弯矩分量是可测量的，所述方法包括：测量来自载荷传感器的载荷值；并且使用测量出的载荷值来确定：载荷的襟翼弯矩分量；和载荷的边缘弯矩分量。

使用相同传感器测量襟翼和边缘分量允许使用离轴的传感器，所述传感器不需要与边缘或襟翼轴线中的一个对齐。传感器可能处于距一个或多个轴线的偏离位置，或者显著地或基本上离轴，或者不与一个或另一个轴线对齐。传感器也可能不是差分对传感器的一部分。

一个或多个传感器是离轴的意味着涡轮机系统可以更容忍传感器的放置，因为传感器可以放置在阻碍与轴线对齐的障碍物周围。这继而减少了维修访问以重新安装传感器。较少的竞争/阻碍部件也可能导致更长的部件和传感器寿命。

载荷的襟翼和边缘分量是可测量的，可能意味着它们是可估算的或足够重要以便可测量/被测量。载荷的襟翼和边缘分量的大小可以相当，这可能意味着它们的大小可以进行比较，或者可实行以进行比较，或者足够重要以进行比较。例如，各分量可以具有相似的数量级。离轴距离将会确定在给定位置处的两个分量的次级或更小的量级。传感器离轴的位置可以由沿辅助方向或轴线的最小载荷限定。

在实施方式中，使用测量出的载荷值的步骤包括使用仅来自所述传感器的载荷值来确定襟翼和边缘弯矩分量两者，或两个分量的一个估值(仅使用该传感器)。

适当地，所述至少一个载荷传感器定位在转子叶片上的距转子叶片的襟翼弯矩轴线和边缘弯矩轴线的交点最小径向角度的位置处。例如，由从传感器绘制到轴线交点的线朝向的角度可以是最小角度，例如10度。

在实施方式中，使用测量出的载荷值的步骤包括使用测量出的载荷值来确定转子叶片上的载荷的轴向分量。因此轴向、边缘和襟翼分量都是使用来自(单一)传感器的载荷值确定的。

可选地，风力涡轮机包括与转子叶片相关联的至少三个载荷传感器。由于每个传感器提供(至少)边缘和襟翼分量的测量，因此不再需要使用四个传感器，并且在实施方式中，仅需要三个载荷传感器来计算各分量。这通过去除典型的第四传感器来降低成本和复杂性。

在其它实施方式中，每个转子叶片可以有五个或更多个传感器。虽然这可能不提供额外的经济性，但是五个或更多的离轴传感器可以提供更准确的结果或额外的感测选项。

在一个实施方式中，所述方法包括：测量来自所述至少三个载荷传感器中的每一个的载荷值；并且使用来自所述至少三个载荷传感器中的全部的测量出的载荷值来计算所述至少一个转子叶片的载荷。

稍后详细描述的这个和其他实施方式通过使用三个离轴传感器、使用来自每一个的载荷值以提供载荷的至少襟翼和边缘分量、并且使用所有这些数据以计算载荷估值来提供很大改进的传感器校准和系统精度，以及产品优化。例如，拥有三个信息来源可以解决描述的模型中的三个未知数。

适当地，所述至少三个载荷传感器定位在围绕转子叶片周边的等距位置处。替代地，传感器可以处于周边的任何点上，没有特别规定的间隔，尽管至少一个是离轴的。在实施方式中，各传感器将处于同一平面内，例如占据穿过叶片根部、与叶片轴线正交的截面的平面。在各实施方式中，所述至少一个传感器定位在转子叶片的叶片根部处。叶片的定位外围可以是叶片根部的圆周。一个或多个传感器也可以或替代地沿转子叶片的长度布置。

本发明的第二方面的一个实施方式可以提供一种测量风力涡轮机上的载荷的方法，风力涡轮机包括至少一个转子叶片和与转子叶片相关联的至少三个载荷传感器，其中所述至少三个载荷传感器定位在转子叶片上的远离襟翼弯矩轴线和边缘弯矩轴线两者的位置处，所述方法包括：测量来自载荷传感器的载荷值；并且对于所述至少三个载荷传感器中的每一个而言，使用测量出的载荷值来确定转子叶片上的载荷的轴向力分量、襟翼弯矩分量和边缘弯矩分量。

这样使用来自所有三个传感器的多分量数据来计算估值提供了改进的校准和系统准确度。

适当地，所述方法进一步包括估计以下中的至少一个：载荷的襟翼弯矩分量；载荷的边缘弯矩分量；和载荷的轴向力分量。

因此，在转子叶片上只有一个或两个传感器可用的实施方式中，估算这三个因素中的至少一个可能是必要的或适当的，因为来自一个或两个传感器的测量出的值可能不能令人满意地完成载荷计算。例如，如果在载荷计算模型中有三个未知数，并且两个传感器提供两个测量输入，则估值可以用于第三个未知数。

本发明的第三方面的一个实施方式可以提供一种计算机程序，或包括计算机程序代码的计算机可读介质，当被加载到计算机或处理器中或者在计算机或处理器上运行时，所述计算机程序代码适于使计算机或处理器执行根据上述方面和实施方式中的任何一个的方法。

本发明的第四方面的一个实施方式可以提供一种风力涡轮机，其包括：至少一个转子叶片；与转子叶片相关联的至少一个载荷传感器，其中，所述至少一个载荷传感器定位在转子叶片上的远离转子叶片的襟翼弯矩轴线和边缘弯矩轴线的位置处，于是转子叶片上的载荷的襟翼弯矩分量和边缘弯矩分量是可测量的；以及控制器，其被配置为：测量来自载荷传感器的载荷值；并且使用测量出的载荷值来确定：载荷的襟翼弯矩分量；和载荷的边缘弯矩分量。

可选地，所述至少一个载荷传感器定位在转子叶片上的距转子叶片的襟翼弯矩轴线和边缘弯矩轴线的交点最小径向角度的位置处。适当地，风力涡轮机包括与转子叶片相关联的至少三个载荷传感器。可选地，所述至少三个载荷传感器定位在围绕转子叶片的周边的等距位置处。

本发明的第五方面的一个实施方式可以提供一种测量风力涡轮机上的载荷的方法，风力涡轮机包括至少一个转子叶片和与转子叶片相关联的至少一个载荷传感器，其中所述至少一个载荷传感器定位在叶片上的非襟翼弯矩轴线或边缘弯矩轴线上的位置处，所述方法包括：测量来自载荷传感器的载荷值；并且使用测量出的载荷值来确定：转子叶片上的载荷的襟翼弯矩分量；和载荷的边缘弯矩分量。

本发明的第六方面的一个实施方式可以提供一种测量风力涡轮机上的载荷的方法，风力涡轮机包括至少一个转子叶片和与转子叶片相关联的至少一个载荷传感器，其中所述至少一个载荷传感器是定位在转子叶片上的远离转子叶片的襟翼弯矩轴线和边缘弯矩轴线的位置处，所述方法包括：测量来自载荷传感器的载荷值；并且使用测量出的载荷值来确定以下中的至少两个：载荷的襟翼弯矩分量；载荷的边缘弯矩分量；和载荷的轴向力分量。

以上各方面和实施方式可以组合以提供本发明的其他方面和实施方式。

附图说明

现在将参考附图以实施例的方式描述本发明，其中：

图1是根据本发明实施方式的风力涡轮机的示意图；

图2是图1所示的风力涡轮机的转子叶片的示意图；

图3是示出根据先前考虑的系统的涡轮机转子叶片的横截面的图；和

图4是示出根据本发明实施方式的涡轮机转子叶片的横截面的图。

具体实施方式

本发明的实施方式包括使用沿叶片安装在任何位置而不限于与叶片的主轴线对齐的一个或多个叶片载荷传感器。本发明的实施方式集中于“离轴”定位的三个传感器的应用。

所描述的实施方式提供允许(一个或多个)传感器定位在叶片内部的任何位置的解决方案。三个传感器解决方案可以提供襟翼和边缘弯矩以及轴向力。

这些实施方式解决了将传感器偏离主轴线安装以及去除冗余传感器(仅需要三个而不是四个传感器)的问题。与这些实施方式相关联的数学模型还改善了使用一个和四个传感器的现有系统的校准和操作。另外，利用一些叶片设计，最优的传感器位置在任何情况下都不沿主轴线——本发明的实施方式允许/提供这一点。

发明人已经认识到有影响应变测量的三个重要因素；转子叶片上的载荷的襟翼弯矩分量、边缘弯矩分量和轴向力分量。在先前考虑的布置中，如果传感器精确地放置在襟翼轴线上，则载荷计算可以假定边缘分量可以被忽略(反之亦然)。对于剩余的轴向分量，成对传感器已经被用来试图抵消这个因素。

本发明的实施方式改为使用利用全部三个分量(而不是假定一个为零，或者抵消一个分量)的(通用)载荷模型。因此不再需要考虑传感器在轴线上的位置，以便执行这样的归零或配对抵消。在各实施方式中，本发明使用利用全部三个分量、具有三个未知数的载荷计算模型，在一个实施方式中，所述三个未知数可以使用来自处于叶片周围间隔开的任何位置的(至少)三个传感器的值解决。在替代方案中，可以对三个因素中的一个或两个使用估值，使得仅使用两个或一个传感器。

图1是根据本发明实施方式的风力涡轮机的示意图。风力涡轮机10包括支撑机舱14的塔架12。转子16安装到机舱14的前部。转子16包括轮毂18，三个等距间隔的转子叶片20a，20b，20c安装在所述轮毂上。转子16包括能够例如使用电动或液压叶片变桨驱动器独立地改变每个转子叶片20a，20b，20c的桨距的叶片变桨系统。

转子叶片20a，20b，20c包括限定大致中空内部的外壳。每个叶片都具有基本上坚固的尖端区域，所述尖端区域包括叶片的最外面的1-2米。外壳主要由玻璃纤维增强复合材料构成。转子叶片20a，20b，20c在它们的根部端22处各自具有基本上柱形的横截面。横截面平滑地过渡到沿线A-A所示的最大翼弦位置处的翼型轮廓。翼弦然后朝向转子叶片20a，20b，20c的尖端24逐渐减小。转子叶片20a，20b，20c也沿其长度从根部22向尖端24逐渐减小厚度。

载荷感测系统26定位在转子叶片20a的根部端22附近。

图2是图1所示的风力涡轮机的转子叶片的示意图，其更详细地示出了转子叶片20a。载荷感测系统26包括一个或多个载荷传感器30。载荷传感器30围绕转子叶片20a的根部端24周向间隔开，并且安装在转子叶片外壳的内表面上以保护它们免受环境影响。在其他实施方式中，载荷传感器30可以安装在外壳的外表面上或嵌入外壳内。

在替代实施方式中，一个或多个载荷传感器可以安装在转子叶片上的远离根部的不同位置处，例如沿叶片长度。通常选择位置来测量叶片那个部分的机械变形。传感器当然可以安装在两个或更多的位置处。

载荷传感器30被配置为测量叶片的根部端的机械变形。在这个实施方式中，载荷传感器30是光学应变仪，例如在不同应变水平下反射不同波长光的光纤布拉格光栅(FBG)，其包括光纤芯部中的等距的反射点。其他常规类型的载荷传感器和应变仪也可以使用。

由于风力涡轮机是非常高的结构，它们容易遭受可能导致风力涡轮机10损坏的雷击。光学载荷传感器的使用消除了转子的暴露部分中的金属或导电部件，从而降低了转子叶片20a对于雷击的脆弱性。

光电套件32远离转子叶片20a定位，例如定位在风力涡轮机10的机舱14或轮毂18中。光电套件32和风力涡轮机的叶片变桨系统连接至控制器33。

载荷传感器30如本领域常规的那样通过光纤38与光电套件32串联连接。光电套件32进一步包括连接到载荷传感器或串联的第一个载荷传感器的光源以及连接到载荷传感器或串联的最后一个载荷传感器的光检测器。

控制器33包括存储控制软件的存储器和运行控制软件的处理器。控制软件管理载荷传感器30和叶片变桨系统的操作。如稍后将更详细地描述的那样，控制软件例如控制测量来自载荷传感器的载荷值；并且使用测量出的载荷值来确定：载荷的襟翼弯矩分量；和载荷的边缘弯矩分量；和载荷的轴向力分量。

已经开发了数学模型和校准方法，允许利用相同涡轮机软件使用和校准单一和多个传感器系统。模型比以前考虑的方法更通用，包含更多的自由度。它独立地对待各传感器，这能够实现具有一个、两个、三个、四个(或更多)传感器的解决方案，尽管对于参照图4描述的特定实施方式而言仅需三个。通过独立地对待各传感器，它们可以如图4所示放置在沿叶片圆周的任何地方。

图4是示出根据本发明实施方式的涡轮机转子叶片的横截面的图。许多部件类似于图3中所示的部件。转子叶片组件400同样具有外侧转子叶片部分，其横截面由虚线404表示。图4中的横截面取自叶片根部，具有圆周402。传感器406同样安装在叶片根部的圆周上。但是，这里只有三个载荷传感器，而不是四个。而且，在这种情况下，所有传感器都安装在不与边缘弯矩轴线408(穿过叶片的前后边缘的轴线)或与边缘轴线正交的襟翼轴线410对齐的位置处。传感器每个至少以最小距离或径向角度远离与一个或另一个轴线对齐的位置。实际上，这意味着它们避开了存在于可能会影响定位和安装的那些区域中的障碍物。在功能上，这意味着各传感器可以测量至少另一个弯矩分量的最小值，从而每个传感器可以(至少)用于襟翼和边缘力矩载荷数据。例如，图4中的传感器1(406)安装在襟翼轴线(410)附近，但不与所述襟翼轴线对齐。这意味着这个传感器的大部分增益都是沿襟翼方向，但是沿边缘方向也会存在分量。

传感器因此不再是专门的“襟翼”或“边缘”传感器，或者被视为差分对。如下所述，每个传感器被简单地认为是测量来自轴向力和弯矩的总应变的应变传感器。

图4中的传感器围绕叶片根部的圆周等距。但是，情况不必如此，在其他实施方式中，传感器离轴但是不规则地放置——类似的方法仍然可以用于组合它们的输出并找到载荷分量。类似地，传感器可能不需要全部是离轴的——如果至少两个是离轴的，则第三个可以对准，尽管这可能需要对第三个载荷分量进行估算(参见下文关于更少传感器的部分)。在各实施方式中，可能有必要将传感器不放置得过于靠近彼此，即，将它们围绕叶片圆周散开以确保良好的数学解决方案。如果两个传感器彼此相邻放置，则它们可能实际上成为用于载荷计算模型的一个传感器，并且因此解决方案可能高度敏感且不太准确。

应该注意的是，也可能存在扭转或“扭曲”分量，但是对于沿叶片方向安装的传感器而言，扭转分量应当可以忽略不计。

应变传感器模型基于以下等式：

应变＝K_传感器传感器+O_传感器

应变＝K_轴向F_轴向+K_襟翼M_襟翼+K_边缘M_边缘

其中：K_传感器是从载荷传感器值到应变的换算系数(已知)；O_传感器是传感器偏移量；F_轴向是由重力和叶片旋转引起的轴向力(离心/向心力)；M_襟翼是襟翼弯矩；M_边缘是边缘弯矩；K_轴向是沿轴向的叶片刚度“增益”；K_襟翼是沿襟翼方向的叶片刚度增益；K_边缘是沿边缘方向的叶片刚度增益。

传感器分开校准，然后组合起来计算载荷。安装的传感器数量通常决定了可以计算的载荷类型。传感器使用叶片载荷估算器进行校准，所述估算器提供估算出的轴向力和襟翼/边缘弯矩。使用估算理论，通过找到最小误差解来解决未知状态变量。

在校准期间：

K_传感器传感器

＝K_轴向F_{轴向，估算}+K_襟翼M_{襟翼，估算}+K_边缘M_{边缘，估算}-O_传感器

传感器的校准超出了本专利申请的范围，因此在此不再进一步描述。然而，为了完整性，应该注意的是，本领域技术人员将意识到可以使用标准校准技术来校准传感器。

在主轴上具有传感器的系统中，“襟翼”传感器应该具有较低的边缘增益，而“边缘”传感器应该具有较低的襟翼增益。从理论上讲，襟翼传感器将会具有零边缘增益，但由于传感器不对齐性，通常会在这种系统中出现一些“交叉耦合”，如果忽略所述“交叉耦合”，会导致不准确。

使用包括襟翼和边缘增益两者的通用传感器模型允许传感器离轴放置，并且校准将根据它们的位置找到适当的增益。可以通过组合或“融合”来自三个(或更多)传感器的载荷数据来计算载荷。首先，通过上面定义的等式来计算应变。然后，为了利用三个或更多个传感器计算载荷，这些由以下给出：

因此，本发明的实施方式的方法与一些方法的不同之处在于计算分两个阶段。首先，利用校准，使用原始载荷传感器数据来查找应变值。其次，应变值用于计算轴向力和弯矩分量，如上式所示。

从上面的等式可以看出，如果存在优选少于三个传感器或只能有少于三个传感器的系统，则可以使用相同的系统和方法来查找某些分量而不是必须以其他方式估算的其他分量。例如，在具有两个传感器的系统中，可以使用应变值来查找襟翼和边缘力矩，并且可以通过其他方式估算轴向分量，或者可以忽略轴向分量，或者根据固定比率或列表方法定值。

本领域技术人员将会理解，本发明仅通过实施例的方式进行了描述，并且在不脱离如所附权利要求限定的本发明的范围的情况下可以采用各种替代方法。

Claims (12)

1.一种测量风力涡轮机上的载荷的方法，风力涡轮机包括至少一个转子叶片和与转子叶片相关联的至少一个载荷传感器，

其中所述至少一个载荷传感器定位在转子叶片上的远离转子叶片的襟翼弯矩轴线和边缘弯矩轴线两者的位置处，在所述位置处，能够测量转子叶片上的载荷的襟翼弯矩分量和边缘弯矩分量，

所述方法包括：

测量来自载荷传感器的载荷值；以及

使用测量出的载荷值以确定：

载荷的襟翼弯矩分量；

载荷的边缘弯矩分量，以及

转子叶片上的载荷的轴向分量，

所述方法的特征在于，其还包括：

使用叶片载荷估算器分开校准至少一个载荷传感器中的每一个，所述叶片载荷估算器提供估算出的轴向力和襟翼/边缘弯矩以便获得叶片刚度增益(K_轴向，K_襟翼，K_边缘)，以及

使用测量出的载荷值和所获得的叶片刚度增益(K_轴向，K_襟翼，K_边缘)来确定载荷分量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个载荷传感器定位在转子叶片上的距与转子叶片的襟翼弯矩轴线或边缘弯矩轴线对齐的位置最小距离处。

3.根据权利要求1或2所述的方法，风力涡轮机包括与转子叶片相关联的至少三个载荷传感器。

4.根据权利要求3所述的方法，所述方法包括：

测量来自所述至少三个载荷传感器中的每一个的载荷值；以及

使用来自所述至少三个载荷传感器中的全部的测量出的载荷值以计算用于所述至少一个转子叶片的载荷。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述至少三个载荷传感器定位在围绕转子叶片的外周的等距位置处。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个传感器定位在转子叶片的叶片根部处。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括估算以下中的至少一个：载荷的襟翼弯矩分量；载荷的边缘弯矩分量；以及载荷的轴向力分量。

8.一种计算机可读取介质，包括计算机程序代码，所述计算机程序代码当加载到或在计算机或处理器上运行时适于使得计算机或处理器执行根据在前权利要求中任一项所述的方法的步骤。

9.一种风力涡轮机包括：

至少一个转子叶片；

与转子叶片相关联的至少一个载荷传感器，

其中至少一个载荷传感器定位在转子叶片上的远离转子叶片的襟翼弯矩轴线和边缘弯矩轴线两者的位置处，在所述位置处，能够测量转子叶片上的载荷的襟翼弯矩分量和边缘弯矩分量；以及

控制器，其被配置成执行根据在前权利要求中任一项所述的方法。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮机，其中所述至少一个载荷传感器定位在转子叶片上的距与转子叶片的襟翼弯矩轴线或边缘弯矩轴线对齐的位置最小距离处。

11.根据权利要求9或10所述的风力涡轮机，风力涡轮机包括与转子叶片相关联的至少三个载荷传感器。

12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其中所述至少三个载荷传感器定位在围绕转子叶片的外周的等距位置处。

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