CN112682267A - 用于风力涡轮机的叶片根部的非接触式位移测量的系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于测量风力涡轮机的转子叶片的叶片根部的位移的系统。该系统包括毂、通过变桨轴承耦接到毂的转子叶片。该系统还包括参考平面和至少一个位移传感器。参考平面被配置成当转子叶片相对于毂移动时与转子叶片一起移动，而位移传感器被固定到毂，并且位移传感器被配置成在没有物理接触的情况下检测参考平面相对于毂的位移。替代地，参考平面相对于毂具有固定位置，而位移传感器固定到转子叶片，并且位移传感器配置成在没有物理接触的情况下检测参考平面相对于转子叶片的位移。

Description

用于风力涡轮机的叶片根部的非接触式位移测量的系统

技术领域

本主题总体上涉及风力涡轮机，并且更具体而言，涉及用于测量风力涡轮机的转子叶片的叶片根部的位移的系统和方法。

背景技术

风力被认为是目前可用的最清洁、最环境友好的能源之一，并且风力涡轮机在这方面已经获得了越来越多的关注。现代风力涡轮机通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼片原理从风中捕获动能，并且通过转动能传递动能以使将转子叶片耦接到齿轮箱的轴转动，或者如果不使用齿轮箱，则直接耦接到发电机。发电机然后将机械能转换成可以部署到公用电网的电能。

风力涡轮机暴露于作用在风力涡轮机的不同部件上的各种波动的风载荷。为了控制或限制由风产生的能量，现代风力涡轮机通常包括可围绕其纵向轴线（变桨轴线）旋转的转子叶片。通过调节转子叶片的桨距角，流入条件以及因此作用在转子叶片上的风载荷可以受到影响，以便提高风力涡轮机的效率或在强阵风中使风力涡轮机减速。

这种桨距调节需要关于作用在转子叶片上的风载荷的信息。例如由于风的随机分布、系统本身的动态特性以及系统的不同部件之间的载荷传递，难以获得该信息。动态模拟可以提供估计值，但是监测允许可靠地估计风载荷的实际参数将是有利的。

因此，本公开涉及允许监测作用于转子叶片上的风载荷的系统和方法。

发明内容

本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践而获知。

在一个方面，本公开涉及一种用于测量风力涡轮机的转子叶片的叶片根部的位移的系统。该系统包括毂、通过变桨轴承耦接到毂的转子叶片、参考平面和配置成在没有物理接触的情况下检测参考平面的位移的至少一个位移传感器。

在一个实施例中，参考平面配置成当转子叶片相对于毂移动而位移传感器固定到毂时与转子叶片一起移动。根据一个方面，位移传感器被配置为在没有物理接触的情况下检测参考平面相对于毂的位移。特别地，位移传感器可以被配置为检测参考平面相对于毂的径向、轴向和/或倾斜位移。

在另一实施例中，参考平面相对于毂具有固定位置，而位移传感器固定到转子叶片。根据一个方面，位移传感器被配置成当转子叶片相对于毂移动时与转子叶片一起移动，同时毂包括参考平面。根据一个方面，位移传感器被配置为检测参考平面相对于转子叶片的位移，特别是相对于转子叶片的叶片根部的位移。特别地，位移传感器可以被配置为检测参考平面相对于叶片根部的径向、轴向和/或倾斜位移。

在一个实施例中，该系统还可以包括通信地耦接到位移传感器的控制器。控制器可以配置成基于从位移传感器接收的信号确定施加在转子叶片的一部分（例如，转子叶片的叶片根部）上的弯曲力矩。

在另外的实施例中，该系统可以包括与控制器通信地耦接的桨距调节机构。桨距调节机构可以配置成通过使转子叶片围绕转子叶片的纵向轴线（变桨轴线）旋转来调节转子叶片的桨距角。桨距调节机构可以允许控制器根据从位移传感器接收的（处理过的）数据，例如施加在转子叶片的叶片根部上的确定的弯曲力矩，来调节转子叶片的桨距角。这允许控制器控制来自作用于转子叶片上的风的载荷和/或力。

在另外的实施例中，该系统还可以包括通信路径，该通信路径被配置为将从位移传感器接收的信号传送到控制器。具体地，对于其中位移传感器固定到毂的实施例，通信路径可以配置成将信号从位移传感器传送到控制器，而不将信号从转子叶片传送到毂或正好相反。根据一个方面，转子叶片包括参考平面。

根据一个方面，位移传感器安装在毂的内部。例如，参考平面可以是面向毂的中心的表面。

根据另一方面，位移传感器安装在毂的外部上。然后，参考平面也可以在毂的外部上。例如，参考平面可以是面向毂的中心的表面。

在一些实施例中，该系统包括多个位移传感器。特别地，该系统可以包括至少两个位移传感器。在一些实施例中，该系统包括至少三个位移传感器。在另外实施例中，该系统包括至少四个位移传感器。例如，该系统可以包括正好四个位移传感器。

根据一个方面，该系统包括多个位移传感器，其围绕转子叶片的纵向轴线（变桨轴线）安装。例如，位移传感器可以围绕转子叶片的纵向轴线以彼此相距一致的距离安装，例如，在6点钟和12点钟处的两个传感器；在2、6和10点钟处的三个传感器；在3、6、9和12点钟处的四个传感器。替代地，位移传感器可以围绕转子叶片的纵向轴线安装成彼此成90度的角度。

在另一方面，本公开涉及一种用于测量风力涡轮机的转子叶片的叶片根部的位移的方法。该方法包括非接触式测量参考平面相对于位移传感器的位移。参考平面的位移的非接触式测量可以是相对于毂的。这种非接触式测量可以利用固定到毂的至少一个位移传感器来执行。在这种情况下，参考平面可以配置成随着转子叶片相对于毂移动而与耦接到毂的转子叶片一起移动。替代地，参考平面的位移的非接触式测量可以是相对于转子叶片的。然后，可以利用相反的布置，即利用固定到转子叶片的至少一个位移传感器，同时参考平面相对于毂具有固定位置，来执行非接触式测量。

在一些实施例中，该方法还可以包括：将信号从位移传感器传送到控制器。这种传送可以利用通信路径来实现。

在一些实施例中，该方法还可以包括：利用控制器从位移传感器接收信号。

在一些实施例中，该方法还可以包括：利用控制器基于从位移传感器接收的信号确定施加在转子叶片的叶片根部上的弯曲力矩。

在一些实施例中，该方法还可以包括：通过使转子叶片围绕转子叶片的纵向轴线旋转而调节转子叶片的桨距角。这种调节可以用桨距调节机构来实现。桨距调节机构可以由控制器控制。

本发明还包括以下技术方案：

技术方案1. 一种用于测量风力涡轮机的转子叶片（22）的叶片根部（24）的位移的系统（100），所述系统包括：

毂（20），

转子叶片（22），其通过变桨轴承（40）耦接到所述毂，

参考平面（110）和

至少一个位移传感器（120），

其中，所述位移传感器被配置为在没有物理接触的情况下检测所述参考平面相对于所述毂的位移（122），

其中，所述参考平面被配置成当所述转子叶片相对于所述毂移动并且所述位移传感器被固定到所述毂时与所述转子叶片一起移动。

技术方案2. 一种用于测量风力涡轮机的转子叶片（22）的叶片根部（24）的位移的系统（100），所述系统包括：

毂（20），

转子叶片（22），其通过变桨轴承（40）耦接到所述毂，

参考平面（110）和

至少一个位移传感器（120），

其中，所述位移传感器被配置为在没有物理接触的情况下检测所述参考平面相对于所述转子叶片的位移（122），

其中，所述参考平面相对于所述毂具有固定位置，并且所述位移传感器固定到所述转子叶片。

技术方案3. 根据技术方案1或2所述的系统，还包括：

控制器（26），其通信地耦接到所述位移传感器，其中所述控制器配置成基于从所述位移传感器接收的信号来确定施加在所述转子叶片的叶片根部（24）上的弯曲力矩。

技术方案4. 根据技术方案3所述的系统，还包括：

桨距调节机构（32），其与所述控制器通信地耦接，并且配置成通过使所述转子叶片围绕所述转子叶片的纵向轴线（28）旋转来调节所述转子叶片的桨距角，

其中，所述控制器被配置为利用所述桨距调节机构根据所确定的弯曲力矩来调节所述转子叶片的所述桨距角，以控制来自作用于所述转子叶片上的风的载荷和/或力。

技术方案5. 根据技术方案3或4所述的系统，还包括：

通信路径（130），其被配置成将从所述位移传感器接收的所述信号传送到所述控制器，而不将所述信号从所述转子叶片传送到所述毂或正好相反。

技术方案6. 根据前述技术方案中的任一项所述的系统，其中，所述位移传感器被配置成检测所述参考平面的径向、轴向和/或倾斜位移。

技术方案7. 根据前述技术方案中的任一项所述的系统，其中，所述系统包括至少两个位移传感器，优选的至少三个位移传感器，更优选的四个位移传感器。

技术方案8. 根据前述技术方案中的任一项所述的系统，其中，所述系统包括多个位移传感器，所述多个位移传感器围绕所述转子叶片的纵向轴线（28）安装，特别地，所述多个位移传感器围绕所述转子叶片的纵向轴线以距离彼此一致的距离安装，或者所述多个位移传感器彼此成90度角度安装。

技术方案9. 根据前述技术方案中的任一项所述的系统，其中，所述位移传感器安装在所述毂的内部，并且其中，所述参考平面是面向所述毂的内部的表面，特别地，其中，所述参考平面是面向所述毂的中心的表面。

技术方案10. 一种用于测量风力涡轮机（10）的转子叶片（22）的叶片根部（24）的位移的方法，所述方法包括：

-利用固定到毂的至少一个位移传感器非接触式测量参考平面相对于所述毂的位移，其中所述参考平面被配置成在转子叶片相对于所述毂移动时与耦接到所述毂的所述转子叶片一起移动。

技术方案11. 一种用于测量风力涡轮机（10）的转子叶片（22）的叶片根部（24）的位移的方法，所述方法包括：

利用固定到所述转子叶片的至少一个位移传感器来非接触式测量参考平面相对于所述转子叶片的位移，其中所述参考平面相对于所述毂具有固定位置。

技术方案12. 根据技术方案10或11所述的方法，还包括：

-利用通信路径将信号从所述位移传感器传送到控制器，

-利用所述控制器从所述位移传感器接收所述信号，以及

利用所述控制器基于从所述位移传感器接收的信号来确定施加在所述转子叶片的叶片根部上的弯曲力矩。

技术方案13. 根据技术方案10或12所述的方法，其中，从所述位移传感器接收的信号被传送到所述控制器，而不将所述信号从所述转子叶片传送到所述毂或正好相反。

技术方案14. 根据技术方案10至13中的任一项所述的方法，还包括：

-通过使所述转子叶片围绕所述转子叶片的纵向轴线旋转，利用桨距调节机构调节所述转子叶片的桨距角。

技术方案15. 根据技术方案10至14中的任一项所述的方法，还包括校准步骤，其中，所述校准步骤包括以下可互换的步骤：

a）调节所述毂的静态位置，使得所述转子叶片具有某一取向，

b）通过使所述转子叶片在第一方向上围绕纵向轴线旋转至少360度来改变所述转子叶片在所述静态位置处的桨距角，同时测量所述参考平面的无载荷位移，

c）可选地，通过在测量所述参考平面的无载荷位移的同时使所述转子叶片围绕所述纵向轴线沿第二方向旋转至少360度来改变所述转子叶片在所述静态位置处的所述桨距角，其中所述第二方向与所述第一方向相反，

d）重复步骤a）至c）至少三次，使得所述转子叶片的取向对于所述毂的每个静态位置是不同的，

e）从作为所述桨距角和转子叶片取向的函数的所述无载荷位移确定所述参考平面的无载荷状态。

应当理解的是，该方法还可以包括如本文所述的任何附加步骤和/或特征。

本发明的这些和其它特征、方面和优点将参考以下描述和所附权利要求进一步得到支持和描述。被并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

附图说明

在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整和能够实现的公开，包括其最佳模式，所述说明书参考了附图，在附图中：

图1示出了根据本公开的风力涡轮机的一个实施例的透视图；

图2示出了根据本公开的风力涡轮机的机舱的一个实施例的简化内部视图，特别示出了正常操作期间的机舱；

图3示出了由于作用在附接到轴承部件上的转子叶片上的力和力矩而引起的轴承部件的位移；

图4至图9示出了根据本公开的用于测量叶片根部的位移的系统的示例性实施例；

图10示出了根据本公开的固定到毂的四个位移传感器的示例性布置；

图11示出了根据本公开的用于测量叶片根部的位移的方法的一个实施例的流程图

图12示出了根据本公开的用于测量叶片根部的位移的方法的校准步骤的一个实施例的流程图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，在附图中示出了本发明的一个或多个示例。每个示例是作为本发明的解释而提供的，而不是对本发明的限制。实际上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不背离本发明的范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用，以产生又一实施例。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这些修改和变型。

现在参考附图，图1示出了根据本公开的示例性风力涡轮机10的一个实施例的透视图。如图所示，风力涡轮机10通常包括从支撑表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16和耦接到机舱16上的转子18。转子18包括可旋转的毂20和耦接到毂20上并从其向外延伸的至少一个转子叶片22。例如，在所示的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在替代实施例中，转子18可以包括多于或少于三个转子叶片22。转子叶片22可以通过将相应转子叶片的叶片根部24 （参见图4）耦接到毂20上而与毂20配合。每个转子叶片22可以围绕毂20间隔开，以便于使转子18旋转，从而使得动能能够从风中转换成可用的机械能，并且随后转换成电能。如图2中所示，定位在机舱16内且可旋转地耦接到毂20上的发电机24可以从转子18的转动能产生电能。

风力涡轮机10还可以包括集中在机舱16内的风力涡轮机控制器26。然而，在其它实施例中，控制器26可以位于风力涡轮机10的任何其它部件内或位于风力涡轮机10外部的位置处。此外，控制器26可以通信地耦接到风力涡轮机10的任何数量的部件，以便控制部件。这样，控制器26可以包括计算机或其它合适的处理单元。因此，在若干实施例中，控制器26可以包括合适的计算机可读指令，其在实施时将控制器26配置成执行各种不同的功能，诸如接收、传递和/或执行风力涡轮机控制信号。

现在参考图2，示出了图1中所示的风力涡轮机10的机舱16的一个实施例的简化内部视图，特别地示出了其传动系部件。发电机24可以耦接到转子18，以便从由转子18产生的转动能中产生电能。转子18可以耦接到主轴34，该主轴可经由主轴承（未示出）旋转。主轴34又可以通过齿轮箱30可旋转地耦接到发电机24的齿轮箱输出轴36。齿轮箱30可以包括齿轮箱壳体38，其通过一个或多个扭矩臂48连接到底板46上。更具体而言，在某些实施例中，底板46可以为锻造部件，主轴承（未示出）安置在所述锻造部件中且主轴34延伸穿过所述锻造部件。如通常理解的那样，主轴34响应于转子叶片22和毂20的旋转而向齿轮箱30提供低速高扭矩输入。因此，齿轮箱30因此将低速高扭矩输入转换成高速低扭矩输出，以驱动齿轮箱输出轴36，且因此驱动发电机24。

风力涡轮机10可以包括通信地耦接到控制器26的一个或多个偏航驱动机构42。偏航驱动机构42可以配置成例如通过接合风力涡轮机10的偏航轴承44来改变机舱16相对于风向的角度。

此外，控制器26可以通信地耦接到一个或多个桨距调节机构32。具体来说，每个转子叶片22可以包括桨距调节机构32，其配置成经由变桨轴承40使每个转子叶片22绕其纵向轴线（变桨轴线）28旋转。所述纵向轴线从转子叶片的末端穿过转子叶片到达叶片根部24。具体来说，所述纵向轴线可以是直线、无限长、无限细且在两个方向上都不受限制。转子叶片22的桨距角描述确定转子叶片22相对于风向的透视。桨距角可以由桨距调节系统32改变，以通过调节至少一个转子叶片22相对于风矢量的角位置来控制由风力涡轮机10产生的载荷和功率。在风力涡轮机10的操作期间，变桨系统32可以改变转子叶片22的桨距，使得转子叶片22移动到顺桨位置，使得至少一个转子叶片22相对于风矢量的透视提供转子叶片22的朝向风矢量取向的最小表面积，这有助于降低转子18的旋转速度和/或有助于转子18的失速。在一个示例性实施例中，每个转子叶片22的桨距角由控制器26单独控制。替代地，所有转子叶片22的桨距角可以由控制器26同时控制。

风力涡轮机可能暴露于尤其是作用在风力涡轮机的转子叶片上的随机风载荷。作用于转子叶片22上的交替的风载荷也被传递到风力涡轮机的其它部件。特别地，载荷可以从转子叶片22的叶片根部24传递到变桨轴承40，从而导致例如作用于变桨轴承40上的轴向和径向力以及倾斜力矩。

转子叶片22可以包括变桨轴承40的旋转部件40a，或者更具体地，叶片根部24可以包括变桨轴承40的旋转部件40a。毂可以包括变桨轴承40的对应的非旋转部件40b。旋转部件40a以及非旋转部件40b可以分别为环。例如，旋转部件40a可以是被作为非旋转部件40b的一部分的外环围绕的内环。旋转部件40a还可以是围绕作为非旋转部件40b的一部分的内环的外环。

图3示出了由于作用在附接到旋转部件40a的转子叶片22的叶片根部24上的力和力矩而引起的旋转部件40a的位移。在图3中，旋转部件40a设置为内环，而非旋转部件40b设置为外环。假定非旋转部件40b是固定的，而旋转部件40a由于外部载荷而移位。这种位移可伴随有变桨轴承40的滚动元件（例如滚珠、滚柱）的变形。叶片根部24的位移可以由参考平面110的位移122反映。在图3中，参考平面110配置成在转子叶片22的叶片根部24相对于毂移动时与转子叶片22的叶片根部24一起移动。

图4至图9示出了根据本公开的用于测量风力涡轮机的转子叶片22的叶片根部24的位移的系统100。叶片根部24 （包括旋转部件40a）的位移可以反映作用于叶片根部24上的力矩，且因此反映作用于转子叶片22上的载荷。因此，对转子叶片22的叶片根部24的位移的测量可以用于确定或至少估计作用于转子叶片22上的风载荷。如图所示，系统100包括毂20和转子叶片22，其中转子叶片22通过如上所述的变桨轴承40耦接到毂20。在下文中，应当理解的是，转子叶片22包括叶片根部24、旋转部件40a以及任何其它部件，所述任何其它部件附接到转子叶片22，使得当转子叶片22相对于毂20旋转时，该部件与转子叶片22一起旋转。

系统100还包括参考平面110。在图4至图8中，参考平面110配置成当转子叶片相对于毂20移动时与转子叶片22一起移动。根据一个方面，转子叶片包括参考平面110。例如，参考平面110可以为叶片根部24的表面，如例如图4中所示。在另一实施例中，参考平面110可以为附接到转子叶片22的凸缘或支架的表面，如例如图7中所示。

在若干实施例中，变桨轴承40包括例如参照图3所述的旋转部件40a和非旋转部件40b。非旋转部件40b可以附接到毂20，而旋转部件40a可以附接到转子叶片22。非旋转部件40b以及旋转部件40a可以包括螺栓170a，其例如分别提供到毂20和转子叶片22的附接。根据一个方面，参考平面110可以附接到变桨轴承的旋转部件40a，或者可以是变桨轴承的旋转部件40a的一部分。在一个实施例中，参考平面110可以是变桨轴承40的表面，特别是变桨轴承40的旋转部件40a的表面，如例如图5中所示。例如，参考平面110可以是旋转部件40a的底表面的一部分，其中底表面可以是指向毂的内部或中心的表面。螺栓170a也可以提供参考平面110，如例如图6中所示。

图4至图6示出了作为底表面的参考平面110。底表面基本上面向毂的中心。底表面可以基本上垂直于变桨轴线28。然而，参考平面110也可以是不面向毂中心的表面。例如，参考平面110可以面向毂的侧壁，如例如图7中所示。

在图4至图7中，参考平面110位于毂20的内部。然而，参考平面110也可以位于毂的外部。例如，后者对于转子叶片22附接到变桨轴承40的外部部件的布置可能是有利的，例如，其中变桨轴承40的旋转部件40a为如图8中所示的外环。类似于图4至图7和以上描述，参考平面110可以为转子叶片22的任何部件的表面，所述任何部件是例如叶片根部24、旋转部件40a或随着转子叶片22相对于毂20旋转而旋转的任何其它部件。参考平面110可以是底表面，如图8中所示，或者可以是另一表面，例如面向毂的表面。

参考平面110的材料可以被选择成使得如下所述的位移传感器可以检测参考表面相对于毂的位移。参考平面110的合适材料可以是金属，诸如钢、铜、铝。

此外，系统100包括至少一个位移传感器120。在图4至图8中，位移传感器120固定到毂20。在这些实施例中，位移传感器120配置成在没有物理接触的情况下检测参考平面110相对于毂20的位移122。例如，位移传感器120可以安装成使得位移传感器120面向转子叶片22。例如，位移传感器120可以安装成与参考平面110相对，使得位移传感器120面向参考平面110。根据一个方面，位移传感器120被配置为检测参考平面110相对于毂的径向、轴向和/或倾斜位移。

位移传感器120可以直接固定到毂20，如例如图7中所示，或者间接固定到毂20，例如使用安装在毂20上的凸缘或支架160，如例如图4、图5、图6和图8中所示。位移传感器120也可以安装在变桨轴承40的非旋转部件40b上。位移传感器120可以安装在毂的内部中，如例如图4至图7中所示。位移传感器120在毂20的内部中的这种安装提供了如下优点：位移传感器120较少暴露于环境影响。尤其是海上风力涡轮机会受到极端环境影响，这会导致损坏，尤其是对附接到风力涡轮机10外部的那些部件造成损坏。然而，位移传感器120也可以安装在毂外部，如例如图8中所示。特别地，这种安装对于其中转子叶片22附接到变桨轴承40的外部部件的布置可能是有利的。

作为图4至图8中的布置的替代方案，相反的布置是可能的。在相反的布置中，位移传感器120固定到转子叶片22，而参考平面110相对于毂20具有固定位置。根据一个方面，毂包括参考平面110。例如，参考平面110可以是毂20的一部分，或者可以是牢固地固定到毂的部件的一部分。位移传感器120可以固定到转子叶片22，特别是固定到叶片根部24，或者固定到附接到转子叶片22的凸缘或支架的表面。位移传感器120也可以固定到变桨轴承40，特别是固定到变桨轴承40的旋转部件40a，或者固定到螺栓170a。图9中示出了一个示例性的相反布置，其示出了固定到叶片根部24的底表面的位移传感器120，同时安装在毂20上的凸缘160包括参考平面110。

位移传感器120可以是发射诸如电磁场的场并检测场的变化的传感器。根据一个方面，位移传感器120是接近度传感器。接近度传感器是能够在没有物理接触的情况下检测附近物体的存在的传感器。例如，接近度传感器可以是电容、电感、磁或光学传感器。在参考平面由金属制成的情况下，电感式传感器可能是有利的。

在一些实施例中，系统100仅包括一个位移传感器120。一个位移传感器120已经可以提供宽范围的有用信息，从而允许对作用在转子叶片22上的风载荷和力矩进行有意义的估计。省略多个传感器进一步有助于节省材料以及构造和维护的成本。例如，位移传感器120安装成，使得位移传感器120检测暴露于相对大位移的这种参考平面110的位移。这种位置可以由本领域技术人员基于主风载荷方向得出。例如，位移传感器120可以围绕转子叶片的纵向轴线安装，类似于刻度盘上的数字。如果在这种刻度盘的12点钟和6点钟之间的虚拟矢量将反映主风载荷方向（主导方向），则位移传感器120可以安装在6点钟或12点钟处。

在一些实施例中，系统100包括多个位移传感器120。在这种情况下，每个位移传感器120可以具有其自己的参考平面110，使得系统还包括多个参考平面110。例如，参考平面110可以分别是不同螺栓170a的表面。替代地，多个位移传感器120可以使用与参考平面110相同的连续表面，例如变桨轴承40的旋转部件40a的底表面。这种表面可以被认为是连续表面实际上被分成的多个参考平面110。

多个位移传感器增加测量数据的数量。特别地，这使得能够更精确地估计作用于转子叶片22上的风载荷。多于一个的位移传感器120也可以提供如下所述的自验证系统。根据一个方面，多个位移传感器120围绕转子叶片的纵向轴线安装，类似于刻度盘上的数字。

例如，系统100可以包括两个位移传感器120。在一些实施例中，两个位移传感器120可以围绕转子叶片的纵向轴线以距离彼此一致的距离安装，即，在6点钟和12点钟处。两个位移传感器120可以被安装成使得它们之间的矢量反映主风载荷方向（主导方向）。两个相对的位移传感器120，诸如在6点钟和12点钟的位移传感器，可以检测对应的参考平面110的基本上相同的位移（具有相反的符号/方向）。然而，这种布置允许测量值相互验证，使得系统自己检查并且数据变得更准确。

两个位移传感器120还可以安装成使得它们通过检测对应的参考平面110的位移来特别地监测转子叶片22的拍打方向（flapwise）或沿边方向（edgewise）的运动。在一些实施例中，两个位移传感器120可以围绕转子叶片的纵向轴线以彼此成90度的角度安装，即，安装在9点钟和12点钟处。这样，两个位移传感器120可以同时监测转子叶片的拍打方向运动和沿边方向运动。例如，一个位移传感器120可以特别地监测转子叶片的沿边运动，而另一个位移传感器特别地监测转子叶片的拍打方向运动。在位移传感器120固定到毂的情况下，位移传感器可以布置成使得它们在转子叶片22处于其全功率位置时监测转子叶片22的拍打方向或沿边方向的运动。例如，一个位移传感器120可以沿反映主导方向的虚拟矢量安装，而另一个位移传感器120可以沿反映对应垂直方向的虚拟矢量安装。在位移传感器120安装在转子叶片22上的情况下，位移传感器与转子叶片22一起旋转，并且因此，它们可以容易地布置成使得它们总是测量拍打方向力矩和沿边方向力矩。对于后者，确定沿边和拍打方向载荷可以省去从固定参考系到旋转参考系的坐标变换。

在一些实施例中，系统100可以包括三个位移传感器120。三个位移传感器120可以围绕转子叶片的纵向轴线以彼此相距一致的距离安装，即，安装在2点、6点和10点钟处。替代地，三个位移传感器120可以围绕转子叶片的纵向轴线彼此成90度的角度安装，即安装在6、9和12点钟处。例如，安装在6点钟和12点钟处的位移传感器120安装成使得它们之间的矢量反映主导方向（主风载荷的方向）。安装在9点钟处的位移传感器120可以安装在反映非主导方向的虚拟线上。安装在6点钟和12点钟处的位移传感器120可以检测受到与安装在9点钟处的位移传感器120的参考平面110的位移相比相对较大位移的这种参考平面110的位移。

在其它实施例中，系统100可以包括四个位移传感器120。例如，四个位移传感器120可以围绕转子叶片的纵向轴线安装在3、6、9和12点钟处，如例如图10中所示。四个位移传感器120中的两个，例如在3和9点钟处的位移传感器，可以被配置为通过检测对应参考平面110的位移来监测特别是转子叶片的拍打方向运动。另外两个位移传感器120，例如在6点钟和12点钟处的位移传感器，可以配置成通过检测对应的参考平面110的位移来监测特别是转子叶片的沿边运动。利用这种配置，每个位移传感器120的测量数据由其他位移传感器120中的一者验证，使得可以评估数据的准确度并且可以相应地解释和处理数据。

在其它实施例中，系统100可以包括多于四个的位移传感器120。

（一个或多个） 位移传感器120可以通信耦接到控制器26。因此，控制器26可以提供有实际测量的数据，其允许确定或有意义地估计作用于转子叶片22上的力矩。控制器26可以处理从（一个或多个）位移传感器 120接收的数据。例如，控制器26可以配置成确定施加在转子叶片22的一部分上的弯曲力矩。特别地，控制器26可以配置成基于从位移传感器120接收的信号确定施加在转子叶片22的叶片根部24上的弯曲力矩。转子叶片弯曲力矩允许估计作用在转子叶片上的风载荷。被提供有实际测量数据的控制器26可以确定弯曲力矩，而不是使用由算法提供的估计值。因此，根据本发明的一个方面，系统100是用于确定转子叶片22的叶片根部24的弯曲力矩的系统。

利用由（一个或多个）位移传感器120测量的数据，控制器26还可以确定或估计关于转子叶片22的其它影响和/或变化。例如，积冰或结垢可以影响转子叶片22的重量，并且因此可以影响参考平面110的位移。因此，控制器26可以配置成基于从（一个或多个）位移传感器120接收的信号来确定转子叶片的积冰或结垢。

在另外的实施例中，系统100还可以包括通信路径130。通信路径130可以被配置成将从（一个或多个）位移传感器120接收的数据传送到控制器26。通信路径130可以包括电缆。通信路径130可以配置成将信号从位移传感器120传送到控制器26，而不将信号从转子叶片22传送到毂20。后者与其中位移传感器120固定到毂的布置特别相关。控制器26不位于转子叶片22中。此外，如果每个位移传感器120固定到毂20，则位移传感器120也不位于转子叶片22中。因此，不需要从转子叶片22或向其传送从（一个或多个）位移传感器120接收的数据，这避免了对允许数据在两个部件之间传送的复杂且潜在地易损坏的装置的需要，其中一个部件相对于另一个部件旋转。例如，利用这种通信路径130，不需要将电缆从毂20传送到相对于毂20旋转的转子叶片22。例如，当利用应变仪或光纤布拉格仪（fiber Bragggauge）测量叶片根部的弯曲力矩时，这种通信路径是必需的。

应变仪或光纤布拉格仪测量装置是非常敏感的设备，而使用（一个或多个）位移传感器120的系统100是非常稳定和可靠的系统。特别地，具有固定到毂的位移传感器120的系统100不依赖于转子叶片和毂之间的附加连接（靠近经由轴承的连接），这例如通过位移传感器120的非接触式测量和通过如上所述的通信路径130是有利的。

在另外的实施例中，系统100可以包括如上所述的桨距调节机构32。利用桨距调节机构32，控制器26可以根据所确定的施加在转子叶片22的叶片根部24上的弯曲力矩来调节转子叶片22的桨距角。桨距角的调节允许所述系统100控制来自作用于转子叶片22上的风的载荷和/或力。

在另一方面，本公开涉及一种安装在塔架12顶部的风力涡轮机10的机舱组件。该机舱组件包括机舱16、毂20和多个转子叶片22。根据一个方面，转子叶片的数量为三个。转子叶片22可以通过多个变桨轴承40耦接到毂20。另外，机舱组件包括多个参考平面110，如参照系统100所述的参考平面。每个参考平面110可以配置成在转子叶片22相对于毂20移动时与多个转子叶片中的一个转子叶片22一起移动。特别地，转子叶片22可以包括参考平面110。机舱组件还可以包括固定到毂20的多个位移传感器120。每个位移传感器120可以被配置为在没有物理接触的情况下检测多个参考平面中的一个参考平面110相对于毂20的位移。替代地，多个参考平面中的每个参考平面110可以具有相对于毂20的固定位置，而多个位移传感器中的每个位移传感器120固定到多个转子叶片中的转子叶片22。在这种情况下，每个位移传感器120可以配置成在没有物理接触的情况下检测多个参考平面中的一个参考平面110相对于相应转子叶片22的叶片根部24的位移，位移传感器120固定到所述转子叶片。多个位移传感器120和参考平面110可以形成多个传感器平面对，其中，每对传感器平面对分别分配给一个转子叶片22。特别地，每个转子叶片22可以归属于相同数量的传感器平面对。例如，每个转子叶片22可以归属于四个传感器平面对。多个位移传感器120可以通信地耦接到控制器26，如参考系统100所描述的。控制器26可以配置成基于从位移传感器120接收的信号来确定施加在转子叶片22的叶片根部24上的弯曲力矩。

现在参考参考图11，示出了用于测量风力涡轮机的转子叶片的叶片根部的位移的方法200的一个实施例的流程图，风力涡轮机诸如为图1的风力涡轮机10。可以用系统100执行方法200。如204处所示，方法200包括利用至少一个位移传感器120执行的非接触式测量。非接触式测量包括测量参考平面110的位移122。参考平面110可以配置成在转子叶片22相对于毂20移动而位移传感器120固定到毂20时随着耦接到毂20的转子叶片22一起移动。例如，转子叶片22可以包括参考平面110。替代地，参考平面110可以具有相对于毂20的固定位置，而位移传感器120固定到转子叶片22。

该方法还可以包括：将信号从（一个或多个）位移传感器120传送到控制器26，如206处所示。这种传送可以用如上所述的通信路径130来实现。如208处所示，该方法还可以包括：利用控制器26接收来自位移传感器120的信号。

在一些实施例中，该方法还可以包括确定步骤210，其确定施加在转子叶片22的叶片根部24上的弯曲力矩。该确定可以基于从（一个或多个）位移传感器120接收的信号。步骤210可以用控制器26执行。控制器26还可以与桨距调节机构通信，以便通过使转子叶片围绕转子叶片22的纵向轴线28旋转来调节转子叶片的桨距角（步骤212）。桨距角的调节控制由风力涡轮机10产生的风载荷和功率。根据一个方面，确定步骤210包括：确定拍打方向弯曲力矩和沿边方向弯曲力矩。

在一些实施例中，该方法还可以包括校准步骤202。校准步骤202在图11中进一步示出。方法200的校准可以在系统100的安装之后进行。为了校准方法200，可以执行若干个变桨滚动，即，通过在毂20处于若干个位置中的情况下使转子叶片22围绕纵向轴线旋转至少360度来改变转子叶片22的桨距角。转子叶片22的取向对于毂20的每个静态位置可以是不同的。根据一个方面，选择毂20的静态位置，使得转子叶片22在每个位置中经历不同的重力影响。在发生变桨滚动的同时测量参考平面110的无载荷位移，其中，无载荷位移描述没有风载荷作用在转子叶片22上的位移122。使用测量的无载荷位移以及考虑转子叶片22的静力矩可以允许根据转子叶片22的桨距角和取向确定无载荷状态（步骤222）。如214处所示，可以调节毂20的静态位置。在毂20的该位置处的变桨滚动可以在第一方向上执行（步骤216）。可选地，在第二方向上执行在毂20的相同位置处的另一变桨滚动，其中第二方向与第一方向相反（步骤218）。步骤214、216和可选的步骤218可以重复至少三次（步骤220）。根据转子叶片22的取向，毂20的不同位置可以导致不同的力和力矩作用在转子叶片22上。根据一个方面，校准步骤包括毂20的四个静态位置，其中转子叶片22一次向上指向、一次指向右边、一次向下指向和一次指向左边。例如，在第一静态位置处，转子叶片22可以向下指向，即转子叶片22特别地垂直于地面。在该位置中，没有弯曲力矩施加在叶片根部24上，并且仅叶片质量确定了无载荷位移。在第二静态位置中，转子叶片22可以向上指向，其中，也没有弯曲力矩施加在叶片根部24上，并且仅叶片质量确定无载荷位移。在第一和第二静态位置中，叶片质量的重力相对于毂中的（一个或多个）位移传感器120沿相反方向作用。在第一和第二静态位置处的测量允许确定无载荷的“零点”。在第三和第四静态位置中，叶片根部22可以分别指向左边和右边，即，转子叶片特别地平行于地面。在第三和第四位置中，由于叶片质量，弯曲力矩施加在叶片根部24上。在第三和第四静态位置处的测量用作校准载荷。应当理解的是，术语第一、第二等不反映步骤的顺序。例如，在第三位置处的测量可以在第一位置处的测量之前发生。

也有可能在转子叶片安装到毂之前进行“零点”映射。作为生产线末端功能性测试的一部分，每个变桨轴承40的旋转部件40a可以旋转至少360度，同时测量旋转部件40a的无载荷位移。通过该校准步骤，可以消除上述4个校准位置中的3个，因为将仅需要一个校准载荷，即，转子叶片22指向左侧或右侧的一个静态位置。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利权的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其它示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则这些其它示例旨在处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于测量风力涡轮机的转子叶片（22）的叶片根部（24）的位移的系统（100），所述系统包括：

毂（20），

转子叶片（22），其通过变桨轴承（40）耦接到所述毂，

参考平面（110）和

至少一个位移传感器（120），

其中，所述位移传感器被配置为在没有物理接触的情况下检测所述参考平面相对于所述毂的位移（122），

其中，所述参考平面被配置成当所述转子叶片相对于所述毂移动并且所述位移传感器被固定到所述毂时与所述转子叶片一起移动。

2.一种用于测量风力涡轮机的转子叶片（22）的叶片根部（24）的位移的系统（100），所述系统包括：

毂（20），

转子叶片（22），其通过变桨轴承（40）耦接到所述毂，

参考平面（110）和

至少一个位移传感器（120），

其中，所述位移传感器被配置为在没有物理接触的情况下检测所述参考平面相对于所述转子叶片的位移（122），

其中，所述参考平面相对于所述毂具有固定位置，并且所述位移传感器固定到所述转子叶片。

3.根据权利要求1或2所述的系统，还包括：

控制器（26），其通信地耦接到所述位移传感器，其中所述控制器配置成基于从所述位移传感器接收的信号来确定施加在所述转子叶片的叶片根部（24）上的弯曲力矩。

4.根据权利要求3所述的系统，还包括：

桨距调节机构（32），其与所述控制器通信地耦接，并且配置成通过使所述转子叶片围绕所述转子叶片的纵向轴线（28）旋转来调节所述转子叶片的桨距角，

其中，所述控制器被配置为利用所述桨距调节机构根据所确定的弯曲力矩来调节所述转子叶片的所述桨距角，以控制来自作用于所述转子叶片上的风的载荷和/或力。

5.根据权利要求3或4所述的系统，还包括：

通信路径（130），其被配置成将从所述位移传感器接收的所述信号传送到所述控制器，而不将所述信号从所述转子叶片传送到所述毂或正好相反。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述位移传感器被配置成检测所述参考平面的径向、轴向和/或倾斜位移。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述系统包括至少两个位移传感器，优选的至少三个位移传感器，更优选的四个位移传感器。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述系统包括多个位移传感器，所述多个位移传感器围绕所述转子叶片的纵向轴线（28）安装，特别地，所述多个位移传感器围绕所述转子叶片的纵向轴线以距离彼此一致的距离安装，或者所述多个位移传感器彼此成90度角度安装。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述位移传感器安装在所述毂的内部，并且其中，所述参考平面是面向所述毂的内部的表面，特别地，其中，所述参考平面是面向所述毂的中心的表面。

10.一种用于测量风力涡轮机（10）的转子叶片（22）的叶片根部（24）的位移的方法，所述方法包括：

-利用固定到毂的至少一个位移传感器非接触式测量参考平面相对于所述毂的位移，其中所述参考平面被配置成在转子叶片相对于所述毂移动时与耦接到所述毂的所述转子叶片一起移动。

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