CN110869608A - 用于监测转子叶片的应变和振动测量系统 - Google Patents

用于监测转子叶片的应变和振动测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于风力涡轮机的监测和/或控制的组件。用于风力涡轮机的监测和/或控制的组件包括：两个应变传感器(特别是三个应变传感器)的布置、第一光纤振动传感器以及至少一个第二光纤振动传感器，所述两个应变传感器检测风力涡轮机的转子叶片在至少两个不同空间方向上的叶片弯矩；所述第一光纤振动传感器用于检测转子叶片在第一空间方向上的振动；所述至少一个第二光纤振动传感器用于检测转子在第二空间方向上的振动，所述第二空间方向不同于第一空间方向。

Description

用于监测转子叶片的应变和振动测量系统
技术领域
本发明的实施例通常涉及控制和/或调节或监测风力涡轮机的运行。实施例尤其涉及包括应变和振动测量系统的装置和方法。
背景技术
风力涡轮机受到可能例如改变运行条件所需要的复杂控制或调节。此外，测量对于监测风力涡轮机的状态是必要的。由于与风力涡轮机的运行相关的条件，例如温度变化、天气和气象条件，特别是剧烈变化的风力条件以及法律规定的大量安全措施，监测和监测所需的传感器受到许多限制。
转子叶片可以配备有应变传感器、加速度传感器或其他传感器，以便检测叶片载荷、加速度或其他物理测量参数。文献US2009/0246019描述了在叶片根部中由四个应变传感器组成的一种测量系统，用于结冰检测。文献WO2017/000960A1描述了一种测量风力涡轮机和风力发电厂的载荷的方法，用于这种载荷测量。载荷传感器被配置为测量叶片的根端的机械变形。载荷传感器可以是光学应变仪，例如，光纤布拉格光栅。在WO1999/057435中描述了用于叶片状态监测的三轴加速度传感器。
在监测风力涡轮机的运行状态时，使用多个传感器。例如，可以测量用于测量转子叶片的弯曲的应变测量值、用于测量转子叶片加速度的加速度测量值或其他参数。光纤传感器似乎是有望在更多应用中取得成功的一组传感器。因此，期望进一步改善用于利用光纤传感器监测风力涡轮机的测量。
总体上，因此期望能够实现在用于风力涡轮机的转子叶片的传感器中，用于风力涡轮机的转子叶片中以及在风力涡轮机自身中的控制和监测方面的改进。
发明内容
根据一个实施例，提供了一种用于风力涡轮机的监测和/或控制的组件。用于风力涡轮机的监测和/或控制的组件包括至少两个应变传感器(特别是三个应变传感器)的布置、第一光纤振动传感器以及至少一个第二光纤振动传感器，所述至少两个应变传感器检测风力涡轮机的转子叶片在至少两个不同的空间方向上的叶片弯矩；所述第一光纤振动传感器用于检测转子叶片在第一空间方向上的振动；所述至少一个第二光纤振动传感器用于检测转子在第二空间方向上的振动，所述第二空间方向不同于第一空间方向。
根据另一实施例，提供了一种用于风力涡轮机的监测和/或控制的方法。该方法包括测量风力涡轮机的转子叶片在两个不同空间方向上的振动，其中，通过至少两个光纤振动传感器来执行振动的测量；测量风力涡轮机的转子叶片在至少两个不同的空间方向上的弯矩；基于振动测量的两个不同空间方向上的振动以及弯矩测量的至少两个不同空间方向上的弯矩来监测和/或控制风力涡轮机。
附图说明
示例性实施例在附图中示出并在下面的描述中更详细地解释。在附图中：
图1示例性地示出了根据本文描述的实施例的具有传感器的风力涡轮机的转子叶片；
图2示意性地示出了根据本文描述的实施例的具有转子叶片和传感器的风力涡轮机的一部分；
图3示例性地示出了根据本文描述的其他实施例的具有传感器的风力涡轮机的一部分；
图4A示例性地示出了具有应变传感器的风力涡轮机的转子叶片的横截面；
图4B示意性地示出了根据本文描述的实施例的具有传感器的风力涡轮机的转子叶片；
图5示意性地示出了根据本文描述的实施例的用于振动传感器的具有光纤布拉格光栅的光纤；
图6示意性地示出了根据本文描述的实施例的用于光纤振动传感器或根据本文描述的实施例的用于监测和/或控制和/或调节的方法的测量设置；和
图7示出了根据本文描述的实施例的用于监测和/或控制和/或调节风力涡轮机的方法的流程图。
在附图中，相同的附图标记表示相同或功能上等同的部件或步骤。
具体实施方式
在下文中，更详细参照本发明的各种实施例，附图中示出了一个或更多个示例。
能够通过转子叶片中的测量技术系统进行监控和调节风力涡轮机。因此，可以实现以下应用中的一个或更多个：转子叶片的单独桨距控制、转子叶片的浮力优化、转子叶片或风力涡轮机的载荷调节、转子叶片或风力涡轮机上的载荷测量、确定风力涡轮机部件的状态(例如，确定转子叶片的状态)、结冰检测、估计风力发电机部件(例如，转子叶片)的寿命、基于风场的调节、基于转子的尾随效应(trailing effect)的调节、基于载荷的调节、相对于相邻风力涡轮机对风力涡轮机的调节、预测性维护、塔架间隙测量、峰值载荷关闭以及不平衡检测。
本发明的实施例涉及风力涡轮机的转子叶片中的应变传感器和振动传感器的组合。在此，可以获得关于风力涡轮机的转子叶片的叶片载荷和振动的完整图像，其中能够实现部件的冗余度和材料使用之间的优化关系(CoO＝拥有成本)。此外，还有用于优化风力涡轮机的新应用选项。
图1示出了风力涡轮机的转子叶片100。转子叶片100具有沿其纵向延伸部的轴线101。转子叶片的长度105从叶片法兰102或叶片根部到达叶片尖端104。根据本文所述的实施例，在轴向或径向区域中，即沿轴线101的区域中，定位有振动传感器110和振动传感器112。振动传感器110(即第一振动传感器)检测第一空间方向上的振动，振动传感器112(即第二振动传感器)检测第二空间方向上的振动，该第二空间方向不同于第一空间方向。能够例如出于冗余的目的设置另外的振动传感器，用于在第一和/或第二空间方向上进行测量。第一空间方向可以是例如转子叶片的摆动方向，即，从叶片前边缘到叶片后边缘的方向。第二空间方向可以是转子叶片的拍打方向，即垂直于摆动方向的方向。根据本文描述的实施例，第一空间方向和第二空间方向能够围成70°至90°的角度。
根据其他实施例，振动传感器可以优选地布置在径向向外(即朝向叶片尖端)的区域中。振动传感器能够例如设置在风力涡轮机的转子叶片的半径的外侧80％至外侧60％的区域中的径向位置处，如图1中的区域107所示。
根据本文描述的实施例，特别地，通过使用光纤传感器(例如光纤振动传感器)使得传感器在面向叶片尖端的区域中的布置成为可能。能够设置不带电气部件的光纤传感器。这样可以避免雷击直接发生在电子部件和/或用于电子部件的电缆或信号电缆中。即使在通过避雷针进行雷击的情况下，即在地电势下受控地进行的情况下，也能够防止由感应产生的电流对电缆或信号电缆造成损坏。根据本文描述的实施例，优选地使用光纤振动传感器，如将参考图3更详细地解释的。
图1还示出了应变传感器或应变仪的布置120。布置120包括第一应变传感器142、第二应变传感器124和第三应变传感器126。根据一些实施例，第三应变传感器可以被视为可选的。该布置将参照图3和图4更详细描述。三个应变传感器的布置能够检测两个不同的空间方向。通过沿方位角放置三个应变传感器，在两个空间方向(例如拍打方向和边缘方向)上检测叶片弯曲或叶片弯矩。根据典型实施例，三个应变传感器可以在转子叶片的坐标系中沿着转子叶片的纵向延伸设置在不同的角度坐标处。三个不同空间方向中的一个或更多个可以与振动传感器的第一空间方向或振动传感器的第二空间方向之一不同，或者可以与振动传感器的第一空间方向或第二空间方向之一一致。
图2示出了风力涡轮机200。风力涡轮机200包括塔架40和机舱42。转子附接到机舱42。转子包括轮毂44，转子叶片100附接到所述轮毂。根据典型实施例，转子具有至少两个转子叶片，特别是三个转子叶片。在风力涡轮机运行时，转子(即轮毂和转子叶片一起)绕轴线转动。在这种情况下，发电机被驱动以产生电力。如图2所示，两个振动传感器设置在转子叶片100中。借助于一条信号线或多条信号线，振动传感器连接到评估单元114。此外，转子叶片包括应变传感器的布置120。评估单元114将信号传送到风力涡轮机200的控制器和/或调节单元50。
根据能够与其他实施例结合的一些实施例，应变传感器(110/112)是光纤振动传感器。对于光纤加速度传感器，光信号通过光导212(例如，光纤)传输到评估单元114。在光纤振动传感器中，传感器元件本身能够设置在光纤外部。作为替代，实际的传感器元件能够例如在光纤振动传感器中例如以光纤布拉格光栅的形式设置在光纤内部。这将参照图5和图6进行详细描述。
可以通过转子叶片中的应变传感器和振动传感器的组合来实现上述实施例和应用。根据本文所描述的实施例，如图3所示，使用了三个应变传感器和两个振动传感器。为了确定叶片载荷，使用应变传感器，该应变传感器布置成使得拍打方向和摆动方向上的叶片弯矩被最佳地再现。
三个应变传感器的使用允许冗余并且因此实现了提高的抗故障安全性。此外，根据本文描述的实施例，可以使用温度补偿的应变传感器，特别是温度补偿的光纤应变传感器。使用温度补偿的应变传感器可以将温度对确定叶片弯矩的影响最小化。此外，由于光纤应变传感器具有高的峰值负载电阻和稳定的负载电阻，因此能够确保叶片弯矩确定的高度可靠性。
转子叶片中的振动传感器允许确定转子叶片的振动，并因此实现例如用于叶片状态监测或结冰检测的应用。无源光纤传感器的使用使得能够可靠测量叶片振动而不受电磁场或高电流(如，雷电闪烁)的影响。
图3示出了风力涡轮机的一部分，其中示出了三个转子叶片100的截面。第一应变传感器122、第二应变传感器124和第三应变传感器126的布置分别设置在转子叶片中。根据本文描述的实施例，设置了第一应变传感器110和第二应变传感器112。传感器的信号例如经由传输单元314被提供给评估单元114。
测量转子叶片中的应变和振动的组合实现了上述应用。此外，信号的组合允许获得关于风力涡轮机的状态和操作的更广泛的视野，由此可以导致进一步的应用。能够提供关于风力涡轮机的转子叶片的叶片载荷和振动的完整视图。结果将成为用于优化风力涡轮机的新应用选项。本发明的实施例涉及风力涡轮机的转子叶片中的应变传感器和振动传感器在本文示出的组合。两个振动传感器和三个应变传感器的使用允许在材料消耗和冗余之间提供有利的关系。
根据本文描述的一些实施例，振动传感器(特别是光纤振动传感器)可以被配置为测量振动的频移。例如，振动传感器可能不涉及频率范围内的绝对加速度或测量值。例如，这可以在评估范围内或通过对光纤振动传感器的光纤的相应分析来进行。根据其他实施例，振动传感器可以覆盖从0.1Hz到更高频率的频率范围。例如，可以使用高通滤波器，以便从信号中过滤由于转子的转动而发生的绝对加速度。
根据能够与其他实施例组合的本文描述的一些实施例，光纤振动传感器和/或应变传感器使得能够进行测量以用于检测本文描述的应用。此外，光纤传感器可以减小雷击时的风险，并且光传输能够减少维护费用。
图4A示出了转子叶片100和三个应变传感器的布置的横截面，其中例如，应变传感器可以附接在叶片根部中或叶片根部附近。根据本文描述的一些实施例，所述三个应变传感器可以以约120°的角度光栅被附接，其中±20°的偏差，特别是±10°的偏差是可能的。理想地，使用120°的方位角度布局(grid)来覆盖叶片坐标系。方位角度可以与叶片根部中的坐标有关，例如，与平行于转子叶片的长度的中心点轴线有关。这意味着方位角度与转子叶片的坐标系有关。
通常，叶片弯矩能够例如在拍打方向和摆动方向上由两个应变传感器确定。根据IEC61400-13标准，通过四个应变传感器来确定叶片应变。如果从统计学角度考虑应变传感器的生存概率，则与具有两个应变传感器的系统相比，三个应变传感器将导致整个系统的生存概率显着增加。然而，通过四个传感器对整个系统的生存概率的进一步增加相应地较少。因此，用于确定风力涡轮机的转子叶片的叶片弯矩的三个应变传感器的布置120以减少的材料消耗以及因此降低的CoO提供了用于确定叶片弯矩的整个系统的类似的高生存概率。同时，三个应变传感器可以补偿向心力和温度效应的恒定分量。根据典型实施例，应变传感器可以是光纤应变传感器。此外，可以使用温度补偿的光纤传感器。
能够通过应变传感器和振动传感器的组合来实现上述实施例和应用。根据本文描述的一些实施例，如图4B所示，也能够使用两个应变传感器。为了确定叶片载荷，使用应变传感器，该应变传感器布置成使得拍打方向和摆动方向上的叶片弯矩被最佳地再现。
根据一些实施例，并且如图4A所示，例如，另外的应变传感器可以设置在转子叶片中。三个应变传感器的使用允许冗余并且因此实现了提高的抗故障安全性。此外，根据本文描述的实施例，可以使用温度补偿的应变传感器，特别是温度补偿的光纤应变传感器。使用温度补偿的应变传感器可以将温度对确定叶片弯矩的影响最小化。此外，由于光纤应变传感器具有高的峰值负载电阻和稳定的负载电阻，因此能够确保叶片弯矩确定的高度可靠性。
根据一些实施例，并且如图4B示例性所示，两个应变传感器安装在叶片根部102中，用于确定拍打方向和摆动方向上的叶片弯矩。第一应变传感器122能够测量X方向上的弯矩。第二应变传感器124能够测量Y方向上的弯矩。应变传感器会布置成使其在理想情况下的在方位上相互正交，从而以最佳方式覆盖转子叶片在拍打方向和摆动方向上的坐标系。
图5示出了集成到光波导中并具有光纤布拉格光栅506的传感器或光纤传感器510。尽管在图5中仅示出了单个光纤布拉格光栅506，但是，应当理解，本发明不限于从单个光纤布拉格光栅506获取数据，而是能够沿着光导212、传输光纤、传感器光纤或光纤布置多个光纤布拉格光栅506。
因此，图5仅示出被形成为传感器纤维、光纤或光导体212的光波导体的一部分，其中该传感器纤维对纤维应变敏感(参见箭头508)。这里应当指出，术语“光学”或“光”是指电磁波谱中的波长范围，其能够从紫外光谱范围延伸经由可见光谱范围直到红外光谱范围。通过以下公式来获得光纤布拉格光栅506的平均波长，即所谓的布拉格波长λB：
λB＝2·nk·Λ。
在这种情况下，nk是光纤芯基本模式的有效折射率，而Λ是光纤布拉格光栅506的空间光栅周期(调制周期)。
由反射响应的半峰全宽给出的光谱宽度取决于沿着传感器光纤的光纤布拉格光栅506的伸长。由于光纤布拉格光栅506的作用，传感器纤维或光导212内的光传播因此取决于例如施加到传感器纤维(即光纤、特别是传感器光纤内的光纤布拉格光栅506)的力、力矩和机械张力以及温度。
如图5所示，电磁辐射14或基色光从左侧进入光纤或光导112，其中电磁辐射14的一部分作为透射光16以与电磁辐射14相比改变的波长序列离开。此外，也可以在纤维的输入端处(即，在该端处，电磁辐射14也被馈入)接收反射光15，其中反射光15同样呈现出改变的波长分布。根据本文描述的实施例，用于检测和评估的光信号可以由反射光、透射光以及它们的组合提供。
在电磁辐射14或基色光在宽光谱范围内馈入的情况下，透射最小值将在布拉格波长的位置处产生透射光16。在反射光中，反射最大值将产生在该位置。检测和评估透射最小值或反射最大值的强度或相应波长范围内的强度将产生如下信号，该信号能够相对于光纤或光导112的长度变化来评估，并且因此表示力或振动。
图6示出了根据本文描述的实施例的通过用于检测振动的装置来检测振动的典型测量系统。该系统包括一个或更多个加速度传感器110/112。该系统具有电磁辐射源602，例如基色光源。该源用于提供光辐射，通过该光辐射能够照射振动传感器的至少一个光纤传感器元件。为此，在第一光纤耦合器604和主光源602之间设置光传输光纤或光导603。光纤耦合器604将基色光耦合到光纤或光导112中。例如，源602可以是宽带光源、激光器、LED(发光二极管)、SLD(超发光二极管)、ASE光源(放大的自发发射源)或SOA(半导体光放大器)。相同或不同类型的几个源(参见上文)也可以用于本文所述的实施例。
光纤布拉格光栅(FBG)或光学谐振器之类的光纤传感器元件610被集成到传感器光纤中或者光耦合到传感器纤维。由光纤传感器元件反射的光转而经由光纤耦合器604被引导，光纤耦合器604将光经由传输光纤605引导到分束器606。分束器606将反射的光分开以通过第一检测器607和第二检测器608来进行检测。在这种情况下，在第二检测器608上检测到的信号首先通过光边缘滤光器609来进行过滤。
边缘滤光器609允许检测在FBG处的布拉格波长的偏移或者由于待检测光学谐振器引起的波长变化。通常，可以在没有分束器606或检测器607的情况下设置如图6所示的测量系统。然而，检测器607使得振动传感器的测量信号能够相对于其他强度波动(例如光源602的强度波动、各个光导之间的界面反射引起的波动或其他强度波动)进行标准化。这种标准化提高了测量精度，并且减小了测量系统对设置在评估单元和光纤传感器之间的光导的长度的依赖性。
特别地，当使用几个FBG时，可以设置附加的滤光装置(未示出)来过滤光信号或次级光。滤光装置609或附加的滤光装置可以包括选自以下的滤光器：薄膜滤光器、光纤布拉格光栅、LPG、阵列波导光栅(AWG)、中阶梯光栅、光栅阵列、棱镜、干涉仪及其任何组合。
能够与本文所描述的其他实施例和方面结合但是也独立于其他实施例、方面和细节而设置的监测风力涡轮机的另一方面在于，通过振动传感器和应变传感器(特别是光纤振动传感器和光纤应变传感器)来监测和控制和/或调节风力涡轮机的改进方法。可以实现以下应用中的一个或更多个：转子叶片的单独桨距控制、转子叶片的浮力优化、转子叶片或风力涡轮机的载荷调节、转子叶片或风力涡轮机上的载荷测量、确定风力涡轮机部件的状态(例如，确定转子叶片的状态)、结冰检测、估计风力发电机部件(例如，转子叶片)的寿命、基于风场的调节、基于转子的尾随效应的调节、基于载荷对风力涡轮机的调节、相对于相邻风力涡轮机对风力涡轮机的调节、预测性维护、塔架间隙测量、峰值载荷关闭以及不平衡检测。根据这样的方面或这样的实施例，提供了一种用于监测或控制和/或调节风力涡轮机的方法。用于监测风力涡轮机的方法包括：使用两个振动传感器在两个空间方向上测量振动，以及在至少两个不同空间方向(例如，三个不同空间方向)上测量弯矩(参见图7中的附图标记702)。特别地，振动的测量可以包括测量振动的频移。此外，尤其可以配置振动的测量，使得对于与调节或控制和/或状态监测有关的信号，不执行绝对加速度的测量和/或在频率范围内的测量。为了调节或控制和/或确定风力涡轮机的状态，仅基于振动传感器确定频移。根据本文描述的实施例，使用用于监测或调节的信号，特别是用于上述应用之一的信号，如附图标记704所示。
尽管以上基于典型实施例描述了本发明，但是本发明并不限于此，而是能够以多种方式进行修改。本发明也不限于所提及的应用选项。

Claims (9)

1.一种用于风力涡轮机的监测和/或控制的组件，包括：
至少两个应变传感器(122、124、126)的布置(120)，所述布置检测风力涡轮机的转子叶片(100)在至少两个不同空间方向上的叶片弯矩；
第一光纤振动传感器(110)，其用于检测转子叶片在第一空间方向上的振动；和
至少一个第二光纤振动传感器(112)，其用于检测转子叶片在第二空间方向上的振动，所述第二空间方向不同于第一空间方向。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述第一空间方向和第二空间方向围成70°至110°的角度。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的组件，其中，设置有三个应变传感器，并且所述三个应变传感器布置在约120°的方位角度布局中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其中，所述至少两个应变传感器是光纤应变传感器。
5.一种风力涡轮机的转子叶片，包括：
根据权利要求1至4中任一项所述的组件。
6.根据权利要求5所述的转子叶片，其中，选自第一振动传感器和第二振动传感器的至少一个振动传感器设置在风力涡轮机的转子叶片的半径的外侧80％区域中的径向位置处。
7.根据权利要求5至6中任一项所述的转子叶片，其中，所述至少两个应变传感器布置在转子叶片的叶片根部的区域中。
8.一种用于风力涡轮机的监测和/或控制的方法，包括：
测量风力涡轮机的转子叶片在两个不同空间方向上的振动，其中，通过至少两个光纤振动传感器来执行所述振动的测量；
测量风力涡轮机的转子叶片在至少两个不同空间方向上的弯矩；和
基于振动测量的两个不同空间方向上的振动以及弯矩测量的至少两个不同空间方向上的弯矩来进行风力涡轮机的监测和/或控制。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述振动的测量包括测量振动的频移。
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