CN110621959A - 用于监测风力涡轮机叶片偏转的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于监测包括塔架的风力涡轮机的涡轮叶片偏转的系统。该系统包括安装在风力涡轮机上的位置检测装置，所述位置检测装置包括位置检测组件，每个位置检测组件检测涡轮叶片的相应一个区段的存在或不存在；和偏转控制器，所述偏转控制器被设置为接收存在或不存在检测和使用存在或不存在检测来确定涡轮叶片各区段相对于塔架的距离，由此涡轮机叶片各区段相对于塔架的的距离代表涡轮机叶片的偏转。

Description

用于监测风力涡轮机叶片偏转的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年12月16日提交的美国专利临时申请62/435,189的优先权，其说明书通过引用整体并入本文。
背景
(a)领域
本发明涉及一种用于监测物体的偏转或弯曲的装置，优选地用于监测风力涡轮机叶片的偏转或弯曲。
(b)相关现有技术
现代风力涡轮机的叶片很长；其长度可达88米甚至更长。因此，为了通过调整叶片节距角来优化其气动外形，需要对其形状和特征进行检测，特别是为了防止负载突然变化导致风力涡轮机运行时达到临界偏转或撞击塔架而损坏一个或多个叶片。
更具体地，需要知道叶片尖端附近的偏转或弯曲以防止这些损坏。
众所周知，在叶片表面安装应变计。这些应变计主要用于测试目的，以便在叶片受到压力时收集有关叶片的某些知识。
仪表的安装和所需的电缆的安装是昂贵的，尤其是在运行中的风力涡轮机旁边。设备(尤其是电缆)暴露在雷击中，因此仪表主要用于限时测试目的。
如美国专利9,000,970B2中所述，还已知使用包括设置在第一位置的反射器和设置在第二位置的天线系统的系统。天线系统包含发射天线和接收天线，而反射器和天线系统通过无线电信号耦合。无线电信号通过反射器从发射天线发送到接收天线。接收天线与评估单元连接，评估单元准备基于接收的无线电信号测量物体的第一端和物体的第二端之间的偏转。
如美国专利公开2011/0135466A1中所述，还已知使用包括被动位置检测装置和控制器的系统。被动位置检测装置被配置为获取和传输与至少一个涡轮机叶片的位置直接相关的数据。控制器被设置为从被动位置检测装置接收数据并将这些数据与已知的位置参照进行比较以确定涡轮机叶片偏转。
其它文献，例如欧洲专利公开EP2339173，美国专利7,246,991和US7,059,822，以及美国专利公开US2011/0134366也旨在解决相同的问题，但成功率有限。
由于系统组件的位置，检测方法的特性以及例如检测位置等其它因素，这些系统仅可以测量某一特定的叶片偏转。其中它们的大多数，只有叶片顶端的偏转可以近似。大多数还需要叶片上的组件。它们对天气很敏感。因此，这些解决方案都没有提供所需的精度水平，也没有提供面对风力涡轮机的所有运行条件的可靠性。
因此，需要改进风力涡轮机领域，更确切地说，需要改进风力涡轮机叶片的偏转监测领域。
发明内容
根据一个实施方式，公开了一种用于监测包括塔架的风力涡轮机的涡轮机叶片偏转的系统，其中涡轮机叶片包括沿着涡轮机叶片长度的区段，该系统包括：安装在风力涡轮机上的位置检测装置，位置检测装置包括位置检测组件，每个位置检测组件检测涡轮机叶片的相应一个区段的存在或不存在；和偏转控制器，被设置为接收存在或不存在检测和使用存在或不存在检测来确定涡轮机叶片的每个区段相对于塔架的距离，由此涡轮机叶片的每个区段相对于塔架的距离代表涡轮机叶片的偏转。
根据一个方面，位置检测组件包括脉冲激光源和传感器。
根据一个方面，在相对于水平面的不同角度设置每个位置检测组件。
根据一个方面，每个位置检测组件与不同的通道相关联，从而产生多个共线通道。
根据一个方面，第一个位置检测组件相关的功率与第二个位置检测组件相关的功率的功率比高约5比1。
根据一个方面，每个位置检测组件被设置为扩展角，其中与第一个位置检测组件相关的扩展角不同于与第二个位置相关的扩展角。
根据一个方面，与第一个位置检测组件相关的扩展角与与第二个位置检测组件相关的扩展角的扩展角比高约2比1。
根据一个方面，风力涡轮机还包括机舱，其中位置检测装置安装在机舱下方。
根据一个方面，该系统还包括测斜仪和加速度计中的至少一个；其中测斜仪和加速度计中的至少一个提供关于塔架的弯曲或机舱的倾斜的数据。
根据一个方面，该系统还包括校正系统，其中偏转控制器在检测到涡轮机叶片的偏转超出可接受范围时触发由校正系统执行的动作。
根据一个方面，风力涡轮机包括安装到塔架的机舱，安装到机舱的轮毂，涡轮机叶片安装到轮毂上，其中校正系统适于执行以下中的至少一个：改变至少一个涡轮机叶片的节距；通过改变轮毂上的扭矩需求来改变叶片负载；改变机舱的偏航；在轮毂上施加间歇。
根据一个方面，位置检测装置还包括多个相邻检测组件，每个相邻检测组件收集关于不同的横向相邻检测区域的数据，每个横向相邻检测区域对应于涡轮机叶片的旋转周期的不同区段，由此每个相邻检测组件监测涡轮机叶片的叶片尖端的通道，所述涡轮机叶片的叶片尖端在涡轮机叶片的旋转周期的不同阶段行进通过相关的不同的横向相邻检测区域。
根据一个实施例，公开了一种用于监测涡轮机叶片偏转的系统，每个涡轮机叶片具有风力涡轮机叶片尖端，该系统包括：安装在与涡轮机叶片远离的风力涡轮机上的检测装置，所述检测装置包括多个相邻检测组件，每个相邻检测组件收集关于不同的横向相邻检测区域的数据，每个相邻检测区域对应于涡轮机叶片的旋转周期的不同区段，由此每个相邻检测组件监测涡轮机叶片的叶片尖端的通道，当涡轮叶片具有超过预定水平的偏转水平时，所述涡轮机叶片的叶片尖端在涡轮机叶片的旋转周期的不同阶段行进通过相关的不同的横向相邻检测区域；偏转控制器，其被设置成接收所收集的数据并相应地确定涡轮机叶片的偏转状态。
根据一个方面，相邻检测组件包括脉冲激光源和传感器。
根据一个方面，不同的横向相邻检测区域对应于相对于垂直平面以不同角度设置的相邻检测组件的可视区域。
根据一个实施例，公开了一种监测涡轮机叶片和风力涡轮机塔架之间的间隙的方法，其中涡轮机叶片包括沿着涡轮机叶片长度的区段，所述的方法包括：使用安装在与涡轮机叶片远离的风力涡轮机上的位置检测装置检测涡轮叶片的相应一个区段的存在或不存在；和对检测到的存在或不存在检测进行处理确定涡轮机叶片的各个区段相对于塔架的距离，由此涡轮机叶片的各个区段相对于塔架的距离代表涡轮机叶片的间隙。
根据一个方面，所述方法还包括以下中的至少一个：检测涡轮机叶片的角位置；将检测到的存在或不存在与特定的一个涡轮机叶片相关联；和检测与涡轮机叶片之一相对于塔架相关的异常。
根据一个方面，所述方法还包括检测倾斜数据和适当的加速度数据中的至少一个，其中处理步骤还包括处理倾斜数据和适当的加速度数据中的至少一个。
根据一个方面，所述方法还包括接收风力涡轮机的外部数据，其中处理步骤还包括至少基于外部数据建立参数。
根据一个方面，所述处理步骤还包括将间隙与参数进行比较，和其中所述的方法还包括：基于间隙与参数的比较来识别故障状况；和触发校正动作以防止涡轮机叶片撞击塔架。
根据一个方面，实施可以包括以下特征中的一个或多个。
附图的简要说明
通过以下结合附图的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中：
图1为根据一实施方式的风力涡轮机的侧视图；
图2为根据一实施方式的风力涡轮机的透视图，示出了与位置检测装置相关的检测区域；
图3示出由位置检测装置根据三个偏转水平收集的数据处理得到的叶片间隙数据的图表；
图4A至4C是根据三个偏转水平的风力涡轮机和风力叶片偏转的示意性侧视图；
图5A至5C是根据一实施方式的风力涡轮机和检测区域的示意性前视图以及涡轮机叶片穿过检测区域时与检测区域的相互作用；
图6A至6C是根据一实施方式的风力涡轮机在风力涡轮机的机舱的不同倾斜条件下的示意性侧视图；和
图7是提供根据系统的实施方式执行的步骤的流程图。
应注意，在所有附图中，相同的特征由相同的参照数字标记。
详细说明
现在将详细参考本发明的实施方式，其一个或多个实施例在附图中示出。每个实施例用于解释，不限制本发明的范围。实际上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种改变和变化。例如，作为一实施方式的一部分示出或描述的特征可以与另一实施方式一起使用，以产生另一实施方式。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的那些改变和变化。
图1示出了风力涡轮机10的透视图。如图所示，风力涡轮机10为一水平轴风力涡轮机。风力涡轮机10包括从基座14延伸的塔架12(或柱)，安装在塔架12上的机舱16和连接到机舱16的转子18。转子18包括一可旋转的毂20和通常至少三个与轮毂20耦合并从轮毂20向外延伸的涡轮机叶片22。如图所示，转子18包括三个涡轮机叶片22。然而，在另一实施方式中，转子18可包括多于(或少于)三个涡轮机叶片22。另外，在所示实施方式中，塔架12由管状钢制成，以限定基座14和机舱16之间的纵向空腔(未示出)。在另一个实施方式中，塔架12可以是具有任何合适高度的任何合适类型的塔架。
涡轮机叶片22通常可具有从其安装部件毂20延伸到叶片尖端35的任何合适长度，从而使风力涡轮机10能够如本文所述运行。例如，在一个实施方式中，涡轮机叶片22可具有约15米至约88米的长度。然而，叶片长度的其它非限制性示例可包括10米或更小，20米，37米或大于88米的长度。出于教导目的，本文所描述的风力涡轮机10的示例是37米的涡轮机叶片22。
另外，涡轮机叶片22可围绕轮毂20间隔开，以便于旋转转子18，从而使动能能够从风转换为可用的机械能，然后转换为电能。具体地，轮毂20可以可旋转地连接到位于机舱16内的发电机(未示出)，从而产生电能。此外，通过在多个负载转移区域26处将叶片根部24连接到轮毂20，涡轮叶片22可与轮毂20匹配。因此，通过负载转移区域26将引入到涡轮叶片22的任何负载转移到轮毂20。
如图示实施方式中所示，风力涡轮机10还可包括位于机舱16内或塔架12内的涡轮机控制系统或涡轮机控制器36。然而，应当理解，涡轮机控制器36可以设置在风力涡轮机10上或内的任何位置、基座14上的任何位置或通常在与风力涡轮机10通信连接的任何其他位置处。涡轮机控制器36还可以分成在多个位置之间划分的多个组件，涡轮机控制器36的组件通过通信连接和确保风力涡轮机10的运行。涡轮机控制器36可以设置成控制风力涡轮机10的各种操作模式(例如，启动和关闭条件和顺序)。另外，涡轮机控制器36可以设置成控制每个涡轮机叶片22相对于风向28的节距角或叶片节距，以通过调整至少一个涡轮叶片22相对于风的角度位置来控制风力涡轮机10产生的载荷和功率。例如，涡轮机控制器36可以通过向适于实施运行的节距调节系统32发送信号来单独地或同时地控制涡轮机叶片22的叶片节距。示出了用于涡轮机叶片22的俯仰轴34。此外，随着风向28改变，涡轮机控制器36可以被设置成控制机舱16绕偏航轴38的偏航方向，以相对于风向28定位涡轮机叶片22。例如，涡轮机控制器36可以向机舱16的偏航驱动机构(未示出)送发信号，以使后者围绕偏航轴线38旋转机舱16。
在风力涡轮机10的运行期间，风从风向28撞击涡轮机叶片22，这使得转子18围绕旋转轴线30旋转和限定虚拟旋转盘(参见图4A-C)：涡轮机叶片22旋转时占据的空间。当涡轮机叶片22旋转并受到离心力时，涡轮机叶片22也受到各种力和弯矩。这样，涡轮机叶片22和旋转盘可以从中性或非偏转位置偏转，从而从平坦的旋转盘偏转到偏转位置，因此是圆顶旋转盘。未偏转的叶片间隙表示在塔架12前面时涡轮机叶片22(因此是旋转盘内表面的一部分)和当涡轮机叶片22处于非偏转位置时塔架12之间的距离。然而，作用在涡轮机叶片22上的力和弯矩可以使涡轮机叶片22朝向塔架12偏转，从而减小整个叶片间隙，尤其是靠近涡轮机叶片22的尖端。随着空气动力载荷增加，过大的力和弯矩会导致旋转盘的变形，从而导致涡轮机叶片22的一个或多个部分(尤其是尖端)的变形，和导致一个或多个涡轮机叶片22撞击塔架12，导致严重损坏和停机。
图2示出了用于监测风力涡轮机10的涡轮机叶片22的叶片偏转的系统的实施方式，该系统安装到机舱16下方的风力涡轮机10上。该系统包括位置检测装置40和偏转控制器44(此处示出其安装在机舱16中的某处)。位置检测装置40被设置为在检测区域50中获取包括多个距离的数据，该数据直接与在塔架12前方相对前进的涡轮机叶片22的位置相关，和将数据传输到偏转控制器44。偏转控制器44被设置成从位置检测装置40接收数据并处理数据以确定涡轮机叶片22的偏转，从而确定旋转盘的偏转和叶片间隙，这将在下面更详细地描述。如上所述，位置检测装置40被设置成当涡轮机叶片22位于相对于塔架12前方的检测区域中时，获取涡轮机叶片22的数据，即距离和/或存在。
应该容易理解的是，位置检测装置40不需要涡轮机叶片22中或上的任何组件，因此可以安装在现有的风力涡轮机10上。位置检测装置40通过该现有风力涡轮机10获取与涡轮叶片22位置直接相关的数据，而不需要改变风力涡轮机10的涡轮机叶片22。此外，如本文将讨论的，位置检测装置40适于在各种天气条件下(包括雨、雪、雾、云等)高效可靠地运行。
回到图2，风力涡轮机10包括位置检测装置40，所述的位置检测装置40包括多个位置检测组件42(参见图3)，所述的位置检测组件42至少部分地指向旋转盘的一部分，更具体地，指向基本上在塔架12前面的部分。
更具体地，每个位置检测组件42都包括适用于监测的LiDAR(光检测和测距)组件，从而检测沿着精确方向的不同检测范围内的物体(即涡轮叶片22)的存在和距离，并收集距离。因此，LiDAR必须被理解为测量或扫描方法和/或装置，其通过用脉冲激光照射目标和用传感器测量反射脉冲来测量到目标的距离。因此，LiDAR装置包括光源(照射目标的组件)和传感器(测量反射脉冲)。
在本例中，17个这样的LiDAR作为不同的位置检测组件42安装在一起，和以不同的角度朝向旋转盘，以收集距离数据。如图2所示，选择角度以检测沿着涡轮机叶片22的长度的区段与相对靠近可旋转轮毂20的位置之间的距离(例如，靠近轮毂20涡轮叶片长度三分之二的位置)到这样一个角度，其中仅当涡轮机叶片22出现至少一个预定的偏转水平时才会出现涡轮叶片22尖端的距离/存在的读数。可以限定角度以便产生相对于水平面从第一角度延伸到第二角度的相对连续的垂直扩展检测区域。根据一个实施方式，所述区段是不同的和彼此分开。
在另一个实施方式中，基于上述多通道LiDAR的使用，位置检测装置40在叶片尖端35通过其观察区域或检测区域时不会提供足够的测程能力。这可能是由分布在大面积或观察区域或检测区域的检测装置40的光源功率造成的。在这种情况下，不同的位置检测装置40，或具有不同观察区域(也称为检测区域)的LiDAR被组合在一起。因此，第一单组分位置检测装置40，即单通道LiDAR，用于检测在相对于塔架12的距离的特定位置处的叶片尖端35最小偏转水平。该第一单组分位置检测装置40优选地具有较小的观察区域和更强大的光源，以进行更远距离的涡轮机叶片22的位置的测量。然后，使用具有一个或多个检测组件42的另一个位置检测装置40，例如单通道LiDAR或多通道LiDAR，来评估在从其它角度读取的测量的距离的叶片尖端35的最大偏转和提供沿其长度更靠近轮毂20的涡轮机叶片22的位置。叶片尖端35相对于塔架12的位置是根据沿涡轮叶片22在不同点测量的涡轮叶片22形状外推得到的。另一个位置检测装置40，即其它位置检测组件42，检测涡轮机叶片22的位置，在比第一单组件位置检测装置更短的距离或多个距离处。因此，即使光源分布在比第一单组件位置检测装置40覆盖的区域更大的区域上，也可以获得该距离或这些距离。
应注意，LiDAR的通道17的角度更接近水平面，和LiDAR的通道1更接近垂直平面。此外，根据一实施方式，通道1至17是共线的。
将第一位置检测装置40的位置检测组件42和其它位置检测装置42测量的距离一起处理，以更好地评估叶片尖端35的位置，从而更好地评估叶片尖端35相对于塔架12的距离。
LiDAR技术，更具体地，多通道LiDARs，具有在本文中使用的有利特征。由于涡轮机叶片22正在旋转，涡轮机叶片22的截面速度随着相对于旋转轴30的涡轮机叶片22的区段的距离的增加而增加。具有50赫兹和100赫兹之间的数据收集频率的LiDAR能够从靠近旋转轴30的涡轮机叶片22的区段和从靠近叶片尖端35的区段收集数据。此外，由于与LiDAR相关的检测区域的表面随着被监测物体的距离的增加而增加，所以穿过涡轮机叶片22的尖端的检测区域比穿过更靠近可旋转轮毂20的涡轮机叶片22的另一区段的检测区域更宽。因此，涡轮机叶片22具有较长的行程行进以完全穿过叶片尖端35处的检测区域，这允许在叶片尖端35较高速度下进行正确检测。
根据一实施方式，该系统包括至少一个位置检测装置40，其安装在靠近可旋转轮毂20的涡轮机叶片22上。安装在涡轮机叶片的位置检测装置40的位置检测组件42至少部分地且大致朝向塔架12和地面，以能够检测在其上安装位置检测装置40的涡轮机叶片22的涡轮机叶片22的叶片尖端35的偏转。通过根据位置检测组件42测量/检测塔架12和/或涡轮机叶片22的叶片尖端35来进行这种测量。根据一实施方式，该系统包括每个涡轮机叶片22的位置检测装置40。
关于图3，曲线图示出了由包括一个或多个位置检测装置40的安装在机舱16下方的实施方式的不同位置检测组件42收集的数据计算的叶片间隙。参考1到17与不同的位置检测组件42相关联。顶线61表示当涡轮机叶片22不发生偏转时，基于由位置检测组件42读取的距离计算的叶片间隙。中间线62表示当涡轮机叶片22在可接受的范围内进行偏转时基于位置检测组件42读取的距离计算的叶片间隙。底线63表示当涡轮机叶片22经历偏转超过可接受范围(即，临界)时由位置检测组件42读取的距离计算的叶片间隙。
必须注意的是，与参考1至5相关的位置检测组件42在无偏转条件下没有读取距离(没有顶线61)。随着叶片偏转增加，相关参考17至6的位置检测组件42读取的距离减小。渐渐地，当涡轮机叶片22偏转和出现在这些位置检测组件42的观察区域，相关检测区域中时，相关的参考5至3的位置检测组件42变得能够捕获涡轮机叶片22的区段的距离数据。必须注意的是，图3中提供的数据不是由位置检测组件42读取的距离数据，而是计算的涡轮机叶片22的相应区段与塔架12之间的叶片间隙，基于由位置检测组件42收集的距离数据和基于角度的公式，相应的检测区域段和塔段的已知位置。
在图4A-C中进一步示出了处于不同条件的旋转盘70。为了说明，图3-线61-63和图4A示出了参考17至6的位置检测组件42，其在任何条件下提供数据，即当旋转盘70没有变形时(区域71)，当旋转盘70示出了在可接受的变形范围(区域72)内的变形以及当旋转盘70显示出超出可接受的变形范围(区域73)的变形时。图3-线62-63和图4B示出了另外的位置检测组件42，仅在旋转盘70显示在可接受的变形范围内的变形(已进入区域72的旋转盘70)时提供数据。图3-线63和图4C示出了另外的位置检测组件42，当涡轮机叶片22的偏转导致旋转盘70显示出在可接受的变形范围之上的变形(具有进入区域73的旋转盘70)时提供数据，因此涡轮机叶片22处于危险状态。
因此，如关于与图3中的参考1至5相关的位置检测组件42所解释的，根据实施方式，位置检测组件42收集布尔数据，即检测区域的一部分是否被涡轮机叶片22的一部分(叶片尖端35或靠近叶片尖端35)穿过。根据该实施方式，基于提供正数据的不同位置检测组件42的识别和角度，偏转控制器44能够确定涡轮机叶片22的偏转水平，即旋转盘70的变形水平。根据一个实施例，由位置检测组件42收集的数据的比较允许建立所收集的数据的有效性并确定涡轮机叶片22的实际偏转范围。
根据一个实施方式，如图5A-C所示，位置检测组件42除了相对于垂直平面以不同的垂直角展开之外，还水平展开以覆盖更宽的角度，例如约3度。因此，在该实施方式中，涡轮机叶片22花费更长的时间来完全穿过3度检测区域，从而为一个或多个位置检测组件42提供更多时间来收集距离数据。因此，该配置确保位置检测组件42的至少一部分具有与其相关的靠近叶片尖端35的检测区域段将能够在涡轮机叶片22的每个通道处收集距离数据，且不管叶尖35穿过检测区域的速度。
根据一个实施方式，多个位置检测组件42水平地分布在多个通道中，从而具有在涡轮机塔架12前面对齐的一个通道，而另一个通道指向涡轮机叶片22尚未在涡轮机塔架12前面的位置，和/或另一个通道指向涡轮机叶片22已经通过塔架12的位置。因此，该配置提供了关于当涡轮机叶片22在塔架12前方通过时可能发生的一些局部偏转效应的信息。已知这种效果发生在空气的空气动力学加速时，该空气动力学加速在通过塔架12时偏离并加速。可以通过将涡轮机叶片22在塔架12前方通过时测量的距离与当涡轮机叶片22的位置不在塔架12前方时测量的距离进行比较来测量补充偏转效果。
此外，在上述实施方式中描述的这种配置可以与其它配置组合，以便获得涡轮机叶片22在塔架12前面的整体偏转形状的信息，以及在塔架12附近发生的动态或时间性的叶片偏转变化的信息。
根据一实施方式，执行每个涡轮机叶片22的叶片偏转测量和以处理方式单独地与涡轮机叶片22相关联。根据一实施方式，风力涡轮机10包括叶片位置检测装置，例如用于测量可旋转轮毂20的角度的装置，其具有与每个涡轮机叶片22单独相关的设定角度，单独测量涡轮机叶片22的方向。近场或光学检测装置组合地包括检测器和位于涡轮机叶片22上的识别组件，其中当涡轮机叶片22在检测器前通过时，检测器检测并识别涡轮机叶片22，由此的涡轮机叶片位置。叶片位置检测装置可通信地连接到偏转控制器44，以发信号通知涡轮机叶片22的位置和/或识别以与偏转收集数据相关联。偏转控制器44进一步分别地确定每个涡轮机叶片22的偏转，和可以基于它们各自的相关收集数据分别地触发每个涡轮机叶片22的校正(例如，改变叶片节距)。它可用于识别特定涡轮机叶片22的结构缺陷。此外，该实施方式提供了通过将位置检测装置40的叶片检测数据与预期数据进行比较检测系统故障的解决方案(例如，当一个涡轮机叶片22在检测区域中通过时，因此意图通过位置检测装置40获取数据时)。
根据所述的实施方式，图4A-C可示出在相同旋转周期期间相同风力涡轮机10的三个涡轮机叶片22的偏转水平。例如，基于实际设置(例如节距角)和结构缺陷，所述三个涡轮机叶片22可呈现不同的偏转水平，包括如图所示使它们处于旋转盘70的不同偏转水平71,72,73中，因此在三种不同的当前运行条件下。
根据一实施方式，位置检测装置40安装在机舱16下方，通过机舱16对其进行保护或部分屏蔽，使其免受恶劣天气(雪，雨等)的影响。检测位置设备进一步安装到机舱16上，靠近塔架12(因此远离涡轮机叶片22)，以获得涡轮机叶片22的最佳视角，并因此延伸检测角度。根据其它实施方式，位置检测装置40安装在机舱16上，或者安装在机舱16的顶部或侧面。
根据实施方式，嵌入位置检测装置40或机舱16中的系统包括提供倾斜数据的测斜仪82(参见图6A-C)和提供适当加速度数据的加速度计84(参见图6A-C)。
所提出的一些实施方式旨在获得关于叶片尖端35相对于涡轮机塔架12的相对位置信息，以防止它们之间的碰撞，从而避免相关成本。在这些情况下使用安装在轮毂20或机舱16上的位置检测装置40的设置不仅需要测量涡轮机叶片22的偏转，而且还需要考虑轮毂20或机舱16相对于塔架12的可能倾斜度。众所周知，塔架12被设计成在高风速下弯曲(来源：尼科尔森，约翰科贝特。“风力发电机塔架和基础系统的设计：优化方法。Nicholson,John Corbett.风力涡轮机塔架和构建系统的设计：优化方法(Design of wind turbinetower and foundation systems:optimization approach)爱荷华大学理科硕士)论文("MS(Master of Science)thesis,University of Iowa,).2011.http://ir.uiowa.edu/etd/1042))以防止机械疲劳或避免防止这种弯曲所需的超大基础设施。在这种情况下，可以在位置检测装置40附近使用测斜仪82和加速度计84来评估塔架12的弯曲程度以及机舱16或轮毂20相对于塔架12位置的相对位移，叶片尖端35可以撞击塔架12。然后，加速度计84和测斜仪82提供的信息可以通过使用塔架弯曲的一些模型用于评估从叶片尖端35到塔架12的距离。机舱16的倾斜对叶片尖端35和塔架12之间的间隙的影响的实例示于图6A-C，其中图6A示出了机舱16处于其标称倾斜水平，即零度角。在这种情况下，当涡轮机叶片22偏转时，叶片尖端35不与塔架12接触。图6B示出了机舱16向前倾斜，即朝向塔架12倾斜，和显示了将撞击塔架12的涡轮机叶片22。最后，图6C示出了机舱16向后倾斜，从而在涡轮机叶片尖端35和塔架12之间具有更大的间隙。这些示意性表示不反映实际实物，因为没有示出塔架12的弯曲，但是它们示出了机舱16倾斜对涡轮机叶片尖端35和塔架12之间的间隙的影响。
关于位置检测装置40的检测方向，根据实施方式，位置检测装置40安装在如上所述的涡轮机叶片22、可旋转轮毂20或塔架12上。位置检测组件42根据位置检测装置40的安装位置以合适的方式定向，以使涡轮机叶片22或塔架12指向其。
根据实施方式，位置检测装置40通过容纳它的防风雨外壳(未示出)保护其免受恶劣天气条件的影响。防风雨外壳以适当的方式安装，并为位置检测组件42提供合适的窗口，以便以适当的操作方式进行定向。
根据一实施方式，偏转控制器44安装在机舱16内，偏转控制器44和位置检测装置40与其通信连接。偏转控制器44的安装设置保护偏转控制器44免受恶劣天气条件的影响，同时确保与位置检测装置40的通信。
根据实施方式，测斜仪82和/或加速度计84被安装在在位置检测装置40、机舱16和/或轮毂20上。一个或多个测斜仪82以可操作的方式安装，以提供以下中的至少一个：位置检测装置40的倾斜、机舱16的倾斜和轮毂20的倾斜。一个或多个加速度计84以可操作的方式安装，以提供以下中的至少一个：与塔架12相关的适当加速度数据，与机舱16的相关的适当加速度数据，与轮毂20相关的适当加速度数据，和与涡轮机叶片22相关的适当加速度数据。一个或多个测斜仪82和/或一个或多个加速度计84与偏转控制器44通信连接。
根据一实施方式，与每个位置检测组件42相关的功率水平是不均匀的。更准确地说，分配给检测靠近可旋转轮毂20的区段的位置检测组件42的功率水平低于分配给与在任何偏转状态或一偏转状态下靠近叶片尖端35、或涡轮机叶片22的叶片尖端35的检测区域区段相关的位置检测组件42(参考5比1)的功率水平。根据一实施方式，要分配的功率水平的设置涉及不同数量的LED(发光二极管)或激光二极管，为不同的位置检测组件42供电。根据一实施方式，两个位置检测组件42之间的功率比将高于约5比1。根据一实施方式，两个位置检测组件42之间的功率比将高于约10比1。根据另一实施方式，两个位置检测组件42之间的功率比将高于约20比1。根据另一实施方式，两个位置检测组件42之间的功率比将高于约30比1。
根据一实施方式，检测区域的宽度，因此位置检测组件42的检测扩展角将是不均匀的。更确切地说，定位成检测靠近可旋转轮毂20的涡轮机叶片22的区段的位置检测组件42的检测扩展角将具有比下述位置检测组件42(参考5比1)的检测扩展角更低的值，该位置检测组件42被定向成用于在任何偏转条件或一偏转条件下检测更靠近叶片尖端35或涡轮叶片22的叶片尖端35的区段。根据一个实施方式，两个位置检测组件42之间的检测扩展角比将高于约2比1。根据另一实施方式，两个位置检测组件42之间的检测扩展角比将高于约5比1。根据又一实施方式，两个位置检测组件42之间的检测扩展角比将高于约10比1。
作为实现的一个实施方式如图5A-C所示，长度为37米涡轮机叶片22以每分钟20转的速度旋转，在大约18到24毫秒的时间内，在叶片尖端35处穿过一个约2米宽的设定检测区域(设定水平检测角度约为3度)。LiDAR(50至100赫兹)的收集频率将每隔约10至20毫秒收集数据。因此，参数，尤其是设定的水平检测角度，将确保位置检测组件42能够在风力涡轮机10的每次旋转时收集距离数据。
在其它实施方式中，水平检测角度可以设置得更宽或更窄，对设置到位置检测组件42的功率水平和在每次通过时检测涡轮机叶片22的概率产生影响。
在一实施方式中，通过在大约并排的水平检测角度处设置与邻近检测区域段(也称为检测区域)相关的“相邻”位置检测组件42，限定了覆盖涡轮叶片22旋转周期的多个区段的更宽检测区域，确保“相邻”位置检测组件42中的至少一个检测并收集涡轮机叶片22的高速叶片尖端35的一段(或接近)在其通过相邻检测区域的每一通道的距离数据。图5a-c示出了与多个“相邻”位置检测组件42(图中未示出)相关的检测区域的宽度，从而覆盖了涡轮机叶片22的旋转周期的不同区段，即弧度。“相邻”位置检测组件42在不同时间检测涡轮机叶片22的叶片尖端35，从而在涡轮叶片22旋转的不同阶段检测涡轮叶片22的叶片尖端35。
在非常恶劣的天气条件会降低可见度，例如雾、雪、大雨和云，与可旋转轮毂20附近的涡轮机叶片22的区段相比，在涡轮机叶片22的叶片尖端35处，距离或偏转测量的准确度受到更大的影响。因此，在良好能见度条件下，在所有角度获得的偏转测量值可以用作校准偏转的一种方法。此外，全波形LiDAR具有提供测量期间普遍存在的天气条件的信息的优点。由于光散射颗粒(水滴或雪花)的存在而降低的能见度也将出现在机舱16下方的LiDAR模块和涡轮机叶片22之间的距离处的LiDAR信号上。因此，高于某个阈值的信号出现可以触发偏转控制器44中的模式，该模式将考虑恶劣能见度条件的影响。在这种情况下，可利用在良好能见度条件下进行的校准，从靠近可旋转轮毂20的角度进行的测量，推断出在恶劣能见度条件下涡轮叶片22的叶尖35处产生的偏转。这样，偏转控制器44将提供相关信息，否则受恶劣的天气条件影响。
必须注意的是，尽管相机系统(甚至标准的主动成像系统，例如监视视频系统)在例如雨，雪，雾，云等恶劣能见度条件下受到严重影响，但全波形LiDARs在操作方面更加稳健。这是因为随着时间的推移，完整的LiDAR信号可以增强处理的可能性。这样可以将例如涡轮机叶片22的固体目标返回的光与例如雾和云的更加漫射的“污染”目标区分开。
虽然上述实施方式使用LiDAR技术，但是可以使用其它类似技术，例如RADAR和LEDDARTM(例如基于发光二极管的LiDAR)。
用于监测风力涡轮机10的涡轮机叶片22偏转的系统的实际应用可包括集成在校正系统90和/或安全系统(未示出)中。
根据一实施方式，用于监测涡轮机叶片22偏转的系统被设置成触发来自校正系统90的校正动作，以降低或停止叶片偏转。例如，偏转控制器44可以通信连接到系统，该系统被设置成预防性地执行校正动作，例如通过进行一次性参数改变，以预测可能会增加塔撞击可能性的操作条件。或者，偏转控制器44可以被设置被动地触发校正动作反应以响应一个或多个超过预定叶片偏转阈值的涡轮叶片22的叶片偏转。无论如何，校正动作可以允许风力涡轮机10适应于变化的运行条件，否则可能导致涡轮机叶片22上的显著空气动力载荷。因此，偏转控制器44可以设置成触发校正动作以防范由于过度的涡轮机叶片偏转而导致塔架撞击或其它叶片损坏的风险。
用于触发校正动作的偏转控制器44所需的叶片偏转的范围或大小可以根据风力涡轮机和风力涡轮机的不同而变化。例如，预定的叶片偏转阈值可取决于风力涡轮机10的运行条件、涡轮机叶片22的厚度、涡轮机叶片22的长度以及许多其它因素。例如，预定的涡轮机叶片22的叶片的偏转阈值可以等于未偏转叶片间隙的预定百分比。在偏转控制器44确定涡轮机叶片偏转超过该阈值的情况下，它可以触发校正动作以防止塔架撞击。作为另一个实施方式，可能还有另一个阈值与叶片偏转随时间的变化有关，这意味着强风爆发，这可能会妨碍在瞬间基础上对叶片偏转以在足够快的时间内实施校正动作从而防止塔架撞击。在偏转控制器44确定涡轮叶片偏转随时间的变化超过该另一个阈值的情况下，它可以触发校正动作以防止塔架撞击。在另一实施方式中，偏转控制器44使用不同叶片之间的测量偏转的差异作为阈值以触发对特定叶片结构缺陷的可能诊断和操作风力涡轮机10，具有防止有缺陷的涡轮机叶片22撞击塔架12或叶片结构缺陷恶化的操作参数。
由偏转控制器44触发的校正动作可以采用许多形式。
在一实施方式中，触发的校正动作包括改变一个或多个涡轮机叶片22的叶片节距以用于转子18的部分或全部旋转。如上所述，这可以通过向节距调节系统32发送信号来实施。通常，改变涡轮机叶片22的叶片节距通过增加平面外刚度来减小叶片偏转。
在一实施方式中，触发的校正动作包括通过增加或减小位于机舱16内的发电机(未示出)上的扭矩需求来改变风力涡轮机10上的叶片负载。这种负载需求的改变将导致涡轮机叶片22的旋转速度的改变，从而改变和可能如预期的那样减小作用在涡轮机叶片22的表面上的空气动力载荷。
在一实施方式中，触发的校正动作包括使机舱16偏航以改变机舱16相对于风向28的角度(参见图1)。偏航驱动机构(未示出)通常用于改变机舱16的角度，使得涡轮机叶片22与盛行风适当地成角度。例如，将涡轮叶片22的前缘指向逆风方向可以减少涡轮叶片22通过塔架12时的负载。
在一实施方式中，触发的校正动作包括向可旋转轮毂20施加机械断裂以停止涡轮机叶片22的旋转；该方案仅在特殊条件下选择。这种纠正措施通常(如果不是总是)与上述其他校正动作之一相关联。
然而，应该容易理解的是，偏转控制器44需要直接或间接地与能够执行上述校正动作的一个此类系统进行通信连接，且通常可以触发旨在减少叶片偏转的任何校正动作。另外，偏转控制器44可以被设置成同时或依次触发多个校正动作，其可以包括上述校正动作中的一个或多个。
此外，偏转控制器44可以被设置成为响应风力涡轮机10的某些运行条件和/或运行状态而触发特定的校正动作。因此，在一实施方式中，偏转控制器44可以被设置成根据固有参数(涡轮机叶片偏转数据)和由其它组件和/或系统传输的外部参数(风速、涡轮机叶片速度、电流负载等)选择性地触发特定的校正动作。例如，在某些风力条件下，通过改变涡轮机叶片22的叶片节距可以最有效地减小涡轮机叶片偏转。因此，在这样的条件期间，偏转控制器44可以被设置为接收外部参数(风速数据)以基于这些参数确定最佳响应，和当确定的叶片偏转超过预定阈值(例如未偏转的叶片间隙的预定百分比)时触发一个或多个涡轮机叶片22的叶片节距的改变。然而，在叶片偏转低于该预定阈值的情况下，通过偏转控制器44的数据处理可能会导致触发不同的校正动作。例如，当其它的校正动作可以充分地减少叶片偏转同时对风力涡轮机10产生的功率量产生较小的影响时，这是可期望的。因此，这种设置可以通过确保所执行的校正动作与叶片偏转的严重性成比例关系来提高风力涡轮机10的效率。
参考图7，运行方法包括以下步骤：
在步骤S102，系统被设置成当涡轮机叶片通过检测区域时检测偏转数据，和将偏转数据传输到偏转控制器。
在步骤S104，系统可以被设置成检测在检测区域中通过的涡轮机叶片的位置、存在和/或识别。当存在这些组件时，数据实时地或接近实时地传输到偏转控制器。因此，后者可以将涡轮机叶片识别与偏转数据相关联。
在步骤S106，系统可以被设置成收集倾斜数据和/或适当的加速度数据，所述的数据提供关于机舱或轮毂的倾斜、机舱或轮毂的移动和塔架的弯曲或移动的至少一个信息。当存在这些组件时，数据实时地或接近实时地传输到偏转控制器。因此，后者可以处理固有环境条件(涡轮机叶片的锚定角度，组件中的振动和塔架的弯曲)的变化，以便在处理涡轮叶片和塔架之间的间隙时考虑这些固有环境条件。
在步骤S108，系统可以被设置成接收外部数据，例如风速数据，以利用在步骤S102、S104和S106传输的识别数据进行处理。
在步骤S112，系统处理接收的数据和基于a)接收的数据和与涡轮机叶片的特定偏转水平相关的特定数据的存在，和/或b)处理接收的数据和将接收的数据与参数进行比较来确定当前运行条件。
在本步骤中确定当前运行条件是指确定风力涡轮机是否当前或基于偏转控制器接收到的最后数据处于在可接受的运行条件下，也就是说旋转盘和涡轮机叶片是否在可接受的变形范围内。当前操作条件的确定用于确定是否、何时以及何种校正动作必须触发。
处理某些数据的存在可以包括确定与某些检测装置相关的故障，因此缺少信号，或检测与至少预定百分比的涡轮叶片偏转相关的偏转信号，如图3和图4A-C和图6A-C中所示。
处理所接收的数据可以包括将偏转数据与叶片位置数据进行比较，以找出涡轮机叶片缺陷，将不同涡轮机叶片的偏转数据进行比较以监测旋转盘变形，和比较涡轮机叶片在多个周期内的偏转数据，以检测可能由于例如振动引起的数据变化。
处理所接收的数据并将所接收的数据与参数进行比较可以包括，如图3，图4A-C和图6A-C所示，将接收数据或基于接收数据确定的间隙与预设操作参数(例如偏转百分比)进行比较。
在步骤S122，所述方法可以包括，基于所收集的数据的处理结果，对特定于所识别的涡轮机叶片的状况例如偏转的百分比进行识别。
在步骤S124，所述方法可以包括，基于所收集的数据的处理结果识别状况，例如a)检测器的故障，b)防止系统充分运行的天气条件，具体到系统的一个组件，和c)例如系统组件之间的通信问题。
在步骤S126，所述方法可以包括，基于所收集的数据的处理结果，识别应用于旋转盘因而应用于涡轮机叶片的状况，例如一般水平的偏转。
在步骤S128，所述方法可以包括，基于所收集的数据的处理结果，确定风力涡轮机在可接受的条件下运行。该结论可定期记录以供维护。
在步骤S132，所述方法可以包括触发上面讨论的可用校正动作之一。确定要触发的校正动作是基于校正算法，其考虑了一系列参数，例如确定的当前运行条件、所识别的当前操作条件的严重性、风力涡轮机的尺寸和设置、系统的组件、风力涡轮机的组件、校正历史、原始数据，从其确定当前的运行条件等。这样的校正动作可以包括运行动作(例如节距角的变化)和非运行行为(例如传输到维护中心的信号)。
虽然上面已经描述了优选的实施方式并在附图中进行了说明，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在不偏离本公开内容的情况下进行改变。这些改变被视为包含在本公开范围内的可能变体。

Claims (20)

1.一种用于监测包括塔架的风力涡轮机的涡轮机叶片偏转的系统，其中涡轮机叶片包括沿着涡轮机叶片的长度的区段，该系统包括：
安装在风力涡轮机上的位置检测装置，所述位置检测装置包括位置检测组件，每个位置检测组件检测涡轮叶片的相应一个区段的存在或不存在；和
偏转控制器，被设置为接收存在或不存在检测和使用存在或不存在检测来确定涡轮机叶片的每个区段相对于塔架的距离，由此涡轮机叶片的每个区段相对于塔架的距离代表涡轮机叶片的偏转。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述位置检测组件包括脉冲激光源和传感器。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，在相对于水平面的不同角度设置每个位置检测组件。
4.如权利要求1-3任一所述的系统，其特征在于，每个位置检测组件与不同的通道相关联，从而产生多个共线通道。
5.如权利要求1-4中任一所述的系统，其特征在于，第一个位置检测组件相关的功率与第二个位置检测组件相关的功率的功率比高约5比1。
6.如权利要求1-5中任一所述的系统，其特征在于，每个位置检测组件被设置为扩展角，其中，第一个位置检测组件相关的扩展角不同于与第二个位置检测组件相关的扩展角。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，与所述第一个位置检测组件相关的扩展角与与所述第二个位置检测组件相关的扩展角的扩展角比大于约2比1。
8.如权利要求1-7中任一项所述的系统，其特征在于，所述风力涡轮机还包括机舱，其中所述位置检测装置安装在所述机舱下方。
9.如权利要求8所述的系统，还包括测斜仪和加速计中的至少一个；其中倾斜仪和加速度计中的至少一个提供关于塔架的弯曲或机舱的倾斜的数据。
10.如权利要求1-9中任一项所述的系统，还包括校正系统，其中所述偏转控制器在检测到所述涡轮叶片的偏转超出可接受范围时触发由所述校正系统执行的动作。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述风力涡轮机包括安装到所述塔架的机舱，安装到所述机舱的轮毂，所述涡轮机叶片安装到所述轮毂上，其中所述校正系统适于执行以下中的至少一个：
改变至少一个涡轮叶片的节距；
通过改变轮毂上的扭矩需求来改变叶片负载；
改变机舱的偏航；和
在轮毂上施加间歇。
12.如权利要求1-11中任一项所述的系统，其特征在于，所述位置检测装置还包括多个相邻检测组件，每个相邻检测组件收集关于不同的横向相邻检测区域的数据，每个横向相邻检测区域对应于所述涡轮机叶片的旋转周期的不同区段，由此每个相邻检测组件监测涡轮机叶片的叶片尖端的通道，所述涡轮机叶片的叶片尖端在涡轮机叶片的旋转周期的不同阶段行进通过相关的不同横向相邻检测区域。
13.一种用于监测涡轮机叶片的偏转的系统，每个涡轮机叶片具有风力涡轮机的叶片尖端，所述的系统包括：
安装在远离涡轮机叶片的风力涡轮机上的检测装置，所述检测装置包括多个相邻检测组件，每个相邻检测组件收集关于不同的横向相邻检测区域的数据，每个相邻的检测区域对应于涡轮机叶片的旋转周期的不同区段，由此每个相邻检测组件监测涡轮机叶片的叶片尖端的通道，当涡轮机叶片具有超过预定水平的偏转水平时，所述涡轮机叶片的叶片尖端在涡轮机叶片的旋转周期的不同阶段处行进通过相关的不同的横向相邻检测区域；和
偏转控制器，其被设置成接收所收集的数据并相应地确定涡轮叶片的偏转状态。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述相邻检测组件包括脉冲激光源和传感器。
15.如权利要求13或14所述的系统，其特征在于，不同的横向相邻检测区域对应于相对于垂直平面以不同角度设置的相邻检测组件的可视区域。
16.一种监测涡轮机叶片和风力涡轮机塔架之间的间隙的方法，其中所述涡轮机叶片包括沿涡轮机叶片长度的区段，所述的方法包括：
使用安装在远离涡轮机叶片的风力涡轮机上的位置检测装置检测涡轮叶片的相应一个区段的存在或不存在；和
对检测到的存在或不存在检测进行处理确定涡轮机叶片的各个区段相对于塔架的距离，由此涡轮机叶片的各个区段相对于塔架的距离代表涡轮机叶片的间隙。
17.如权利要求16所述的方法，还包括以下中的至少一个：
检测所述涡轮机叶片的角位置；
将检测到的存在或不存在与特定的一个涡轮叶片相关联；和
检测与涡轮机叶片之一相对于塔架相关的异常。
18.如权利要求16或17所述的方法，还包括检测倾斜数据和适当的加速度数据中的至少一个，其中所述处理步骤还包括处理倾斜数据和适当的加速度数据中的至少一个。
19.如权利要求16至18中任一项所述的方法，还包括接收所述风力涡轮机的外部数据，其中所述处理步骤还包括至少基于所述外部数据建立参数。
20.如权利要求16至19中任一项所述的方法，其特征在于，所述处理步骤还包括将所述间隙与参数进行比较，和其中所述方法还包括：
基于间隙与参数的比较来识别故障状况；和
触发校正动作以防止涡轮叶片撞击塔架。
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