CN113614364A - 具有塔台偏转检测的风力涡轮机 - Google Patents

具有塔台偏转检测的风力涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机，包括塔台（1）和塔台偏转检测设备。塔台偏转检测设备包括：发射机（2），被配置成发射第一电磁信号（100）；漏泄馈线（3），具有多个孔；接收机（4），连接到第一漏泄馈线（3）且被配置成从第一漏泄馈线（3）接收第二电磁信号（200），第二电磁信号（200）是当第一电磁信号（100）撞击塔台（1）的反射部分时从塔台（1）的反射部分反射且通过所述多个孔中的至少一个进入到漏泄馈线（3）中的信号；以及处理单元，连接到接收机（4）且被配置成从接收机（4）接收第二电磁信号（200），分析所接收到的第二电磁信号（200），以及基于所分析的第二电磁信号（200）来确定塔台（1）的偏转量。

Description

具有塔台偏转检测的风力涡轮机
技术领域
本发明涉及风力涡轮机的技术领域。特别地，本发明涉及包括塔台和塔台偏转检测设备的风力涡轮机。
背景技术
在上面定义的技术领域中，EP 2 864 632 A1公开了基于多普勒效应测量叶片位置的雷达系统。存在利用机舱和/或塔台中的加速度传感器或其他位置传感器检测塔台偏转的一些其他努力。并且，经由来自外部的激光测量，作出了另外的其他努力。然而，这些测量有时是繁重且不够准确的。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有塔台偏转检测设备的风力涡轮机和一种检测风力涡轮机的塔台的偏转的方法，其中可以通过简单措施来改进准确度。该目的由根据独立权利要求的主题实现。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。
根据本发明的第一方面，一种风力涡轮机包括塔台和塔台偏转检测设备。所述塔台偏转检测设备包括：发射机，被配置成发射第一电磁信号；第一漏泄馈线，具有多个孔；接收机，连接到所述第一漏泄馈线且被配置成从所述第一漏泄馈线接收第二电磁信号，所述第二电磁信号是当所述第一电磁信号撞击所述塔台的反射部分时从所述塔台的反射部分反射且通过所述多个孔中的至少一个进入到漏泄馈线中的信号；以及处理单元，连接到所述接收机且被配置成从所述接收机接收所述第二电磁信号，分析所接收到的第二电磁信号，以及基于所分析的第二电磁信号来确定所述塔台的偏转量。有利地，塔台偏转检测设备可以被容易地安装且甚至被适配用于翻新。此外，塔台偏转检测设备是鲁棒的、灵敏的且便宜的。例如，漏泄馈线可以由漏泄馈线电缆制成，该漏泄馈线电缆是商业可得的电缆且容易处置和安装。不存在易于污染的光学部分。此外，塔台偏转的监视可以具有针对风力涡轮机的闭环控制的某种积极影响。
优选地，所述发射机被布置在所述塔台的壳体内部，其中所述壳体起所述第一电磁信号的波导和所述塔台的反射部分的作用。可替换地，所述发射机被布置在所述塔台外部，并且至少一个反射部分连接到所述塔台且被布置在所述塔台外部。
优选地，所述第一漏泄馈线是包括被配置成接收所述第二电磁信号的所述多个孔的电缆，每个孔具有距所述接收机的预定距离，并且所述处理单元被配置成计算每个孔与所述接收机之间的所述第二电磁信号的运行时间，并基于所计算的运行时间来确定所述塔台的偏转量。从而，可以准确地确定塔台偏转。
优选地，所述处理单元被配置成：通过考虑每个孔与所述接收机之间的所述第一漏泄馈线内的信号阻尼，来分析所述第二电磁信号。从而，可以准确地确定塔台偏转，并且可以容易地识别第二电磁信号的最大值和最小值。
优选地，所述发射机和/或所述接收机集成在所述处理单元中，使得紧致且鲁棒的设备被获得。
优选地，所述风力涡轮机进一步包括：第二漏泄馈线，连接到所述发射机且被配置成经由所述发射机来发射所述第一电磁信号。
优选地，所述风力涡轮机进一步包括多个漏泄馈线，每个漏泄馈线连接到所述发射机或包括被配置成发射所述第一电磁信号的个体发射机，并且每个漏泄馈线连接到所述接收机或被配置成接收所述第二电磁信号的个体接收机，其中所述漏泄馈线中的至少一个漏泄馈线充当发射漏泄馈线，并且所述漏泄馈线中的至少另一个漏泄馈线充当接收漏泄馈线。从而，甚至可以更准确地确定塔台偏转。
优选地，所述至少一个漏泄馈线在所述塔台的纵轴中延伸或者作为围绕所述塔台的圆周的弧而延伸。
优选地，所述第一电磁信号和所述第二电磁信号是雷达信号或超声信号。
优选地，所述至少一个漏泄馈线是同轴漏泄电缆或漏泄波导。
根据本发明的第二方面，一种检测风力涡轮机的塔台的偏转的方法包括以下步骤：发射第一电磁信号；从所述塔台的反射部分反射所述第一电磁信号，以获得第二电磁信号；使所述第二电磁信号进入具有多个孔的第一漏泄馈线中；分析进入了所述第一漏泄馈线的所述第二电磁信号；以及基于所分析的第二电磁信号来确定所述塔台的偏转量。
附图说明
本发明的上面定义的方面和进一步的方面从下文中要描述的实施例的示例中变得明显，且参考实施例的示例加以解释。下文中将参考本发明不限于的实施例的示例来更详细地描述本发明。
图1示出了根据本发明实施例的风力涡轮机的塔台的侧视图。
图2示出了解释根据本发明实施例的漏泄馈线的原理的示意图。
图3示出了根据本发明实施例的漏泄馈线和处理单元的配置。
图4示出了根据本发明实施例的处理单元的细节。
图5解释了根据本发明实施例的漏泄馈线内的电磁信号的运行时间的计算。
图6示出了根据本发明实施例的基于漏泄馈线内的电磁信号而对塔台的偏转量的确定中使用的原理。
图7示出了根据本发明实施例的塔台的横截面视图。
图8示出了根据图7的实施例的塔台的纵截面视图。
图9示出了根据本发明实施例的塔台的纵截面视图。
图10示出了根据本发明实施例的塔台的纵截面视图。
图11示出了根据本发明实施例的塔台的纵截面视图。
图12示出了根据图11的实施例的塔台的顶部横截面视图。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的。应当注意，在不同图中，给类似或相同元素提供相同附图标记。
图1示出了根据本发明实施例的风力涡轮机的塔台1的侧视图。风力涡轮机进一步包括具有至少一个可旋转叶片（未示出）和塔台偏转检测设备的机舱（未示出）。
塔台偏转检测设备包括：发射机2，被配置成发射具有某个频率的第一电磁信号100；第一漏泄馈线3，具有多个孔A1、A2、A3、A4；以及接收机4，连接到第一漏泄馈线3。发射机2可以被放置在塔台1的径向中心处，并且第一漏泄馈线3可以是相对于塔台1的径向中心而偏心放置的。优选地，第一漏泄馈线3是邻近于塔台1的壳体6且在塔台1的壳体6内部布置的。在图1的实施例中，发射机2和第一漏泄馈线3两者都处于塔台1的壳体6内部。发射机2可以在塔台1的纵方向上被放置在塔台1的底部、顶部或中心处。第一电磁信号100可以电磁驻波或电磁定波100。在图1中，圆形指示电磁定波100的最大值。
接收机4被配置成从第一漏泄馈线3接收第二电磁信号200。可作为电磁波的第二电磁信号200是下述信号：当第一电磁信号100撞击塔台1的反射部分时，该信号已经从塔台1的反射部分反射；并且该信号已经通过多个孔A1、A2、A3、A4中的至少一个孔而进入到漏泄馈线3中。
在图1的实施例中，发射机2被布置在塔台1的壳体6内部，其中壳体6起第一电磁信号100的波导和塔台1的反射部分的作用。
图2示出了解释根据本发明实施例的漏泄馈线的原理的示意图。发射机2包括发射机控制单元21和天线22，在发射机控制单元21的控制下通过天线22发射第一电磁信号100。第一漏泄馈线3可以是细长部件，其接收电磁波或泄漏沿该部件发射的电磁波。漏泄馈线3可以由漏泄同轴电缆或漏泄波导或漏泄带状线构成。
第一漏泄馈线3的孔A1、A2、A3、A4可以被形成为狭缝，根据可能的实施例，该狭缝是沿第一漏泄馈线3的长度而规则地分布的。根据本发明的其他可能的实施例，第一漏泄馈线3是具有外部导体（网状物或狭缝/孔）的低光学覆盖范围的正常同轴电缆，其也接收或泄漏电磁波。
在严重过度结冰条件是可能的情况下，可以给第一漏泄馈线3提供加热系统（未示出）。可以通过在导体中与导体外之间流动的空气或者通过在第一漏泄馈线3的内导体或外导体中运行的电流，来提供加热。
根据可能的实施例，第一电磁信号100可以是雷达信号或超声信号。在第一电磁信号100是雷达信号或超声信号的情况下，第一漏泄馈线3优选地被配置为同轴漏泄电缆。根据其他实施例，特别是在第一电磁信号100属于更高频率的情况下，第一漏泄馈线3优选地被配置为漏泄波导。一般地，根据本发明的不同实施例，第一电磁信号100可以属于任何频率，只要它可以被发射到反射部分且被反射部分反射即可。
当第一电磁信号100撞击反射部分时，向着第一漏泄馈线3发射所反射的第二电磁信号200。第一漏泄馈线3的多个孔A1、A2、A3、A4允许第二电磁信号200向着接收机4进入第一漏泄馈线3。
塔台偏转检测设备进一步包括：处理单元5，被配置成分析所接收到的第二电磁信号200，并基于所分析的第二电磁信号200来确定塔台1的偏转或弯曲量。
图3示出了根据本发明实施例的漏泄馈线3和处理单元5的配置。接收机4体现为模数转换器（A/D）4。如果高速模数转换器（A/D）4被使用，则附加传统RF模块不是必要的，并且附加滤波可以减少。然而，它不排除雷达系统的传统拓扑。从漏泄馈线3接收模拟第二电磁信号200，并且由A/D转换器4将模拟第二电磁信号200转换成数字信号。数字信号被传输到中央处理单元（CPU）52。CPU 52实际上分析所接收到的第二电磁信号200，并基于所分析的第二电磁信号200来确定塔台1的偏转或弯曲量。CPU 52进一步连接到储存装置，诸如RAM51和硬盘（HDD）53。CPU 52进一步连接到通信单元54，可以通过通信单元54将所确定的偏转或弯曲量传输到控制和/或监视系统（未示出）。此外，发射机控制单元21可以由处理单元5通过信号线51来控制（例如，基于所确定的偏转或弯曲量）。优选地，通信单元54经由光纤或无线电缆进行通信。
图4示出了根据本发明另一实施例的处理单元5的细节。CPU 52包括：滤波器521，其对来自AD转换器4的数字信号进行滤波；以及快速傅里叶变换单元（FFT单元）522，其执行经滤波的信号的例如一个或两个快速傅里叶变换操作。CPU 52进一步连接到通信单元54和储存装置55。
实现软件定义的雷达或软件定义的信号生成器在所有实施例中是可能的，其中雷达模块（除了其他以外，发射机2）是可软件配置的。
除FFT单元522外或作为FFT单元522的可替换方案而实现信号处理单元以用于频域和/或时域分析在所有实施例中是进一步可能的。
图5解释了根据本发明实施例的第一漏泄馈线3内的第二电磁信号200的运行时间的计算。孔A1、A2、A3、A4到接收机4之间的距离分别是l1、l2、l3、l4，其中l1 < l2 < l3 < l4。第一漏泄馈线3内的第二电磁信号200的运行时间tn可以被计算为tn = ln / (c0 · vf)，n =1……4，其中c0是光速并且vf是通常处于0.66与0.88之间的范围内的速度因子。运行时间tn可以是例如第二电磁信号200的最大值或最小值在漏泄馈线3中从孔An传播到接收机4所需的时间长度。处理单元5被配置成计算每个孔A1、A2、A3、A4与接收机4之间的第二电磁信号200的运行时间，并基于所计算的运行时间tn来确定塔台的偏转量。
处理单元5可以进一步被配置成：通过考虑每个孔A1、A2、A3、A4与接收机4之间的第一漏泄馈线3内的信号阻尼，来分析第二电磁信号200。阻尼或衰减aln可以被计算为aln =ln·acable，n = 1……4，其中ln是孔An与接收机4之间的距离并且acable是具体电缆阻尼常数。
图6示出了根据本发明实施例的基于第一漏泄馈线3内的第二电磁信号200而对塔台1的弯曲量的确定中使用的原理。发射机2被布置在塔台1的壳体6内部，其中壳体6起第一电磁信号100的波导和塔台1的反射部分的作用。第一电磁信号100可以具有电磁驻波或电磁定波100的形状。在图6中，圆形指示电磁定波100的最大值。
在塔台弯曲或偏转的情况下，尽管塔台1作为针对第一电磁信号100的波导而工作，但第二电磁信号200的两个最小值或两个最大值之间的距离也改变。这导致由接收机4接收到的第二电磁信号200的变化。对第二电磁信号200的该变化进行分析，以确定塔台1的偏转或弯曲量。在图6的示例中，塔台1向右弯曲，使得右手侧处的壳体6被压缩，而左手侧处的壳体6被扩展。在塔台1的横截面视图中，第一漏泄馈线3被偏心布置在图6中的塔台1的右手侧处。因此，第二电磁信号200的最大值和最小值相对于第一漏泄馈线3的孔A1、A2、A3、A4移位。
图7示出了根据本发明实施例的塔台1的横截面视图，并且图8示出了根据本发明实施例的塔台1的纵截面视图。塔台1被提供有三个漏泄馈线3。每个漏泄馈线3连接到个体接收机4。漏泄馈线3中的仅一个（图8中的右侧漏泄馈线）被提供有发射机2。右手侧处的该漏泄馈线3还可以被指定为第二漏泄馈线8，第二漏泄馈线8连接到发射机2且被配置成经由发射机2来发射第一电磁信号100。发射机2和/或接收机4可以集成在处理单元5中。
可替换地，可以提供多个漏泄馈线3、8，每个漏泄馈线3、8连接到发射机2或包括被配置成发射第一电磁信号100的个体发射机2，并且每个漏泄馈线3、8连接到接收机4或被配置成接收第二电磁信号200的个体接收机4。至少一个漏泄馈线3、8充当发射漏泄馈线8，并且至少另一个漏泄馈线3、8充当接收漏泄馈线3。可以在该多个漏泄馈线3、8之间改变发射漏泄馈线8和接收漏泄馈线3的角色。例如，可以周期性地改变发射和接收漏泄馈线3之间的角色。
图9示出了根据本发明实施例的塔台1的纵截面视图。漏泄馈线3不是沿塔台1的整个长度而放置的，而是在沿塔台1的整个长度的段中放置的。
图10示出了根据本发明实施例的塔台的纵截面视图。第一和第二漏泄馈线3、8作为围绕塔台1的圆周的弧而延伸。相比而言，前述实施例中（例如，图8中）的实施例的漏泄馈线3、8在塔台1的纵轴中延伸。
图11示出了根据本发明实施例的塔台的纵截面视图，并且图12示出了根据图11的实施例的塔台的顶部横截面视图。发射机2和接收机4集成在单个漏泄馈线2、4中。漏泄馈线2、4被布置在塔台1外部，并且至少一个反射部分7连接到塔台1且被布置在塔台1外部。如果塔台1不是弯曲的或偏转的，则从漏泄馈线2、4发送的第一电磁信号100撞击塔台1的反射部分7，且作为第二电磁信号200完全或几乎完全反射回到漏泄馈线2、4。
然而，在塔台弯曲或偏转的情况下，从漏泄馈线2、4发送的第一电磁信号100不撞击塔台1的反射部分7中的至少一些，且不作为第二电磁信号200或不完全作为第二电磁信号200反射到漏泄馈线2、4。基于该变化，处理单元能够分析所接收到的第二电磁信号200，并基于所分析的第二电磁信号200来确定塔台1的偏转量。
可以分析第二电磁信号200的幅度或相位信息。如果一个或多个反射部分7被移出信号路径，则可以横向分析相对幅度，以便确定塔台1在其上弯曲的方向。例如在图12中，图12的顶部处的反射部分7被移出信号路径。因此，可以确定塔台1在向图12的顶部的方向上弯曲。
应当注意，术语“包括”不排除其他元素或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。而且，可以组合与不同实施例相关联地描述的元素。还应当注意，权利要求书中的附图标记不应当被理解为限制权利要求书的范围。

Claims (12)

1.一种风力涡轮机，包括塔台（1）和塔台偏转检测设备，所述塔台偏转检测设备包括：
- 发射机（2），被配置成发射第一电磁信号（100）；
- 第一漏泄馈线（3），具有多个孔（A1、A2、A3、A4）；
- 接收机（4），连接到所述第一漏泄馈线（3）且被配置成从所述第一漏泄馈线（3）接收第二电磁信号（200），所述第二电磁信号（200）是当所述第一电磁信号（100）撞击所述塔台（1）的反射部分时从所述塔台（1）的反射部分反射且通过所述多个孔（A1、A2、A3、A4）中的至少一个进入到漏泄馈线（3）中的信号；以及
- 处理单元（5），连接到所述接收机（4）且被配置成从所述接收机（4）接收所述第二电磁信号（200），分析所接收到的第二电磁信号（200），以及基于所分析的第二电磁信号（200）来确定所述塔台（1）的偏转量。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中
所述发射机（2）被布置在所述塔台（1）的壳体（6）内部，其中所述壳体（6）起所述第一电磁信号（100）的波导和所述塔台（1）的反射部分的作用。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中
所述发射机（2）被布置在所述塔台（1）外部，并且至少一个反射部分（7）连接到所述塔台（1）且被布置在所述塔台（1）外部。
4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中
所述第一漏泄馈线（3）是包括被配置成接收所述第二电磁信号（200）的所述多个孔（A1、A2、A3、A4）的电缆，每个孔（A1、A2、A3、A4）具有距所述接收机（4）的预定距离（l1、l2、l3、l4）；并且
所述处理单元（5）被配置成计算每个孔（A1、A2、A3、A4）与所述接收机（4）之间的所述第二电磁信号（200）的运行时间（tn），并基于所计算的运行时间（tn）来确定所述塔台（1）的偏转量。
5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中
所述处理单元（5）被配置成：通过考虑每个孔（A1、A2、A3、A4）与所述接收机（4）之间的所述第一漏泄馈线（3）内的信号阻尼（an），来分析所述第二电磁信号（200）。
6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中
所述发射机（2）和/或所述接收机（4）集成在所述处理单元（5）中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，进一步包括：
第二漏泄馈线（8），连接到所述发射机（2）且被配置成经由所述发射机（2）来发射所述第一电磁信号（100）。
8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，包括：
多个漏泄馈线（3、8），每个漏泄馈线（3、8）连接到所述发射机（2）或包括被配置成发射所述第一电磁信号（100）的个体发射机（2），并且每个漏泄馈线（3、8）连接到所述接收机（4）或被配置成接收所述第二电磁信号（200）的个体接收机（4），其中
所述漏泄馈线（3、8）中的至少一个漏泄馈线充当发射漏泄馈线（8），并且所述漏泄馈线（3、8）中的至少另一个漏泄馈线充当接收漏泄馈线（3）。
9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中所述至少一个漏泄馈线（3、8）在所述塔台（1）的纵轴中延伸或者作为围绕所述塔台（1）的圆周的弧而延伸。
10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中所述第一电磁信号（100）和所述第二电磁信号（200）是雷达信号或超声信号。
11.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中所述至少一个漏泄馈线（3、8）是同轴漏泄电缆或漏泄波导。
12.一种检测风力涡轮机的塔台（1）的偏转的方法，所述方法包括以下步骤：
- 发射第一电磁信号（100）；
- 从所述塔台（1）的反射部分反射所述第一电磁信号（100），以获得第二电磁信号（200）；
- 使所述第二电磁信号（200）进入具有多个孔（A1、A2、A3、A4）的第一漏泄馈线（3）中；以及
- 分析已进入所述第一漏泄馈线（3）的所述第二电磁信号（200），以及基于所分析的第二电磁信号（200）来确定所述塔台（1）的偏转量。
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