CN1707262B - 转子叶片上冰的检测的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种检测风力涡轮机(100)上的冰(112)的方法，该风力涡轮机具有转子(106)以及一个或多个转子叶片(108)，每个叶片具有叶片根(114)，所述方法包括监控(402)与结冰条件相关的气象条件，以及监控(404、406、408)运转中的风力涡轮机的一个或多个物理特性，这些物理特性根据一个或多个转子叶片的质量或转子叶片之间的质量不平衡中的至少一个而改变。该方法还包括：使用一个或多个监控的物理特性来确定(418、426)是否存在叶片质量异常，确定(420、428)是否监控的气象条件与叶片结冰相符；以及当确定存在叶片质量异常并且确定监控的气象条件与结冰相符时，发出(422、430)与结冰相关的叶片质量异常的信号。

Description

转子叶片上冰的检测的方法和设备
关于联邦资助的研究和开发的声明
美国政府具有本发明的付清许可、以及在限定情况下要求专利所有者以合理的条款特许其他人的权利，如由能源局(DOE)授予、并通过国家可再生能源实验室(NREL)管理的No.ZAM-7-13320-26：“下一代涡轮(NGT)开发合同”的内容所提供的条款。
技术领域
本发明整体涉及风力涡轮机，更具体地说，涉及风力涡轮机的转子叶片上冰的检测。
背景技术
最近，风力涡轮机作为对环境安全和相对便宜的可替代能源而受到越来越多的关注。随着该增长的兴趣，投入了相当大的努力来发展可靠而有效的风力涡轮机。
通常，风力涡轮机包括具有多叶片的转子。转子安装在位于构架或管状塔架顶部的壳体或机舱内。可用风力涡轮机(即，设计用来给公用电网提供电源的风力涡轮机)可具有大的转子(例如直径为30米或更大)。这些转子的叶片将风能转换成驱动一个或多个发电机的转动力矩或力，发电机通过变速箱旋转地连接到转子上。变速箱提升涡轮转子固有的低旋转速度，从而使发电机有效地将机械能转换成供给到公用电网的电能。
在一些大气条件下，转子叶片被冰覆盖。通常冰集结出现在翼面前沿，并且导致提升能力的减小。当冰层变得越来越厚的时候，翼面的重量增加，所以改变了提升翼面表面。对于风力涡轮机，此改动可导致空气动力转子叶片性能的下降。下降的性能可直接导致系统负载的增加和/或输出功率的损失。
发明内容
因此，本发明的一些构造为检测风力涡轮机上的冰提供了一种方法，该风力涡轮机具有转子和一个或多个转子叶片，每一个叶片具有叶片根。该方法包括监控和结冰条件相关的气象条件，以及监控运转中的风力涡轮机的一个或多个物理特性，这些物理特性根据一个或多个转子叶片的质量或转子叶片之间的质量不平衡中的至少一个而改变。该方法同时包括使用一个或多个监控的物理特性来确定是否叶片质量出现异常，确定是否监控的气象条件与叶片结冰相符；以及当确定有异常叶片质量存在并且确定监控的气象条件与结冰相符时，发出与结冰相关的叶片质量异常的信号。
另一方面，本发明的一些构造为检测风力涡轮机上的冰提供了一种方法，该风力涡轮机具有转子和一个或多个转子叶片，每一个叶片具有叶片根。该方法包括监控和结冰条件相关的气象条件，以及监控运转中的风力涡轮机的一个或多个物理特性，这些物理特性根据一个或多个转子叶片的质量或转子叶片之间的质量不平衡中的至少一个而改变。在此方面，物理特性至少包括叶片根弯曲力矩。此方法还包括使用一个或多个监控的物理特性来确定是否叶片质量出现异常，确定是否监控的气象条件与叶片结冰相符；以及当确定有异常叶片质量存在并且确定监控的气象条件与结冰相符时，发出与结冰相关的叶片质量异常的信号。
另一方面，本发明的一些构造提供了一种风力涡轮机，其包括具有一个或多个转子叶片的转子，构造为监控与结冰有关的气象条件的一个或多个气象传感器，以及构造为监控运转中的风力涡轮机的一个或多个物理特性的一个或多个物理特性传感器，这些物理特性根据所述一个或多个转子叶片的质量或转子叶片之间的质量不平衡中的至少一个而改变。风力涡轮机还包括可操作地连接到一个或多个气象传感器和一个或多个物理特性传感器上的处理器。构造该处理器，以确定是否监控的气象条件与叶片结冰相符，使用一个或多个监控的物理特性来确定是否叶片质量出现异常，以及当确定有异常叶片质量存在并且确定监控的气象条件与结冰相符时，产生指示与结冰相关的叶片异常的信号。
另一方面，本发明的一些构造提供了一种风力涡轮机，其包括带有一个或多个转子叶片的转子，构造为监控与结冰相关的气象条件的一个或多个气象传感器，以及构造为监控运转中的风力涡轮机的一个或多个物理特性的一个或多个物理特性传感器，这些物理特性根据一个或多个转子叶片的质量或转子叶片之间的质量不平衡中的至少一个而改变。在此方面，物理特性传感器包括至少一个监控叶片根弯曲力矩的传感器。风力涡轮机还包括可操作地连接到一个或多个气象传感器和一个或多个物理特性传感器上的处理器。构造处理器，以确定是否监控的气象条件与叶片结冰相符，使用一个或多个监控的物理特性来确定是否叶片质量出现异常，以及当确定有异常叶片质量存在并且确定监控的气象条件与结冰相符时，产生指示与结冰相关的叶片异常的信号。
另一方面，提供了一种风力涡轮机，其具有至少带有一个叶片的转子、机舱以及偏转控制系统。构造风力涡轮机来偏转机舱，并且当机舱偏转时，在检测到变化的回转负载时，发出叶片质量不平衡的信号。
另一方面，提供一种用于检测叶片质量不平衡的方法。此方法包括偏转风力涡轮机的机舱，并且当机舱偏转时，在检测到变化的回转负载时，发出叶片质量不平衡的信号。
另一方面，提供了一种风力涡轮机，其包括带有至少一个叶片的转子、倾斜(pitch)系统、涡轮控制器、以及构造为测量风速的气象装置。构造该控制器，对于测定的风速，当叶片倾斜位于预定的标准范围之外时，发出叶片质量异常的信号。
另一个方面，提供了一种检测风力涡轮机的叶片质量异常的方法。风力涡轮机包括至少一个叶片，倾斜系统，以及构造为测量风速的气象装置。此方法包括使用气象装置来测量风速，将叶片倾斜与预定的对于测定的风速确定的标准范围比较，当叶片倾斜位于预定的对于测定的风速确定的标准范围之外时，发出叶片质量异常的信号。
因此可以理解：本发明的构造允许检测并且发出与结冰相关的叶片质量异常的信号，该异常能够降低风力涡轮发电机的性能，如果必要，允许采取校正的行动。
附图说明
图1是风力涡轮机典型构造的视图。
图2是代表本发明各种构造的风力涡轮机转子叶片和轮毂的部分剖视的透视图。
图3是图1中所示的风力涡轮机的轮毂和机舱的部分剖视的透视图。
图4是本发明一些构造中使用的主转子轴和传感器的一部分的透视图。
图5是第一构造中具有四个传感器的主轴的端视图。
图6是第二构造中具有四个传感器的主轴的透视图。
图7是第三构造中具有四个传感器的主轴的透视图。
图8是涡轮控制器的一个实施例的框图。
图9是代表用于检测叶片质量不平衡和/或叶片质量变化的方法的一些构造的流程图。
具体实施方式
如在此所使用的，当使用传感器确定其当前值时，“监控”了物理或气象参数。使用广义术语“监控”而不是狭义术语“测量”，以强调传感器可以但不是必须提供被监控参数的直接测量。例如，用来作为气象传感器的风速计可以产生与现有风速有关的模拟信号，但模拟信号不是真实的风速测量。然而，此信号或信号的数字表示可用来确定风速，或者形成设计选择，以使用该信号、其数字表示、或其带有进一步处理的作为风速代表的表示。
同时如在此所使用的，术语“气象传感器”指的是气象条件的传感器。例如，气象条件的非完全列表包括气压、风速和风向、湿度、温度，以及降水量和降水量类型。实例的气象条件全部是涉及结冰的气象条件。最通常使用的一些气象传感器的非完全列表包括温度和湿度传感器，这些气象传感器监控涉及结冰的气象条件。
同时如在此所使用的，术语“构造为监控运转中的风力涡轮机的一个或多个根据一个或多个转子叶片的质量或转子叶片之间的质量不平衡中的至少一个而改变的物理特性的物理特性传感器”指的是这样的传感器：其产生一个信号，该信号根据所述的质量改变或质量不平衡中的至少一个而变化。这样的物理特性的非完全列表包括叶片根弯曲力矩、轴、轮毂、或轮缘表面的轴向位移或弯曲位移、叶片转速以及方位角位置、叶片升程、输出功率变化、空气动力效率以及系统负载。
此外，如在此使用的，术语“叶片根”或“叶片根部分”指的是转子叶片的内侧部分。
如在此进一步所解释的，本发明的各种构造监控涉及结冰条件的气象条件、以及运转中的风力涡轮机的一个或多个物理特性，这些物理特性根据一个或多个转子叶片的质量或转子叶片之间的质量不平衡中的至少一个而改变。使用一个或多个监控的物理特性来确定是否叶片质量出现异常，以及使用监控的气象条件来确定是否该气象条件与叶片结冰相符。当确定有异常叶片质量存在，以及确定监控的气象条件与结冰相符时，发出与结冰有关的叶片质量异常的信号。
更具体地说，参考图1，在一些构造中，风力涡轮机100包括容纳发电机(图1中未示)的机舱102。机舱102安装在高塔104顶上，在图1中仅显示塔的一部分。风力涡轮机100同时包括转子106，该转子包括一个或多个接附在旋转轮毂110上的转子叶片108。虽然在图1中显示的风力涡轮机100包括三个转子叶片108，但在本发明所需的转子叶片108的数量上没有特定的限制。在一些大气条件下，可出现叶片结冰，冰112形成在叶片108上。
例如，形成冰的条件可导致冰112在每一个叶片108上形成相同的层，但对于不同的叶片，并不保证每一个叶片上的结冰一定均匀或相同。因此，叶片结冰112可引起转子106中出现质量不平衡或质量改变(或两者都有)。由于一个或多个叶片108比另一个叶片108积累了更多的冰112，可发生叶片质量不平衡。由于所有叶片108积累了相同的叶片结冰质量载荷，可发生叶片质量改变。叶片质量不平衡和叶片质量改变在此通常被称为“叶片质量异常”。通过监控系统负载和/或损失的功率输出，本发明的一些构造检测与冰有关的叶片质量异常，系统负载和低功率输出是由叶片结冰造成的空气动力性能下降引起的。
参考图2，在一些构造中，在接近零的偏转误差条件下，使用监控的叶片根114的弯曲力矩来检测转子106的叶片质量不平衡。在本发明的各种构造中，可使用多种技术和传感器对叶片根114的弯曲力矩进行监控，一些构造利用了技术和/或传感器的组合。例如，在一些构造中，一个或多个应变仪116(例如荷兰Overijssel的Aerpac B.V.提供的固态传感器)嵌入和/或结合在转子叶片108上。应变仪116产生一个或多个发送到电脑或处理器(图2中未示)的信号，电脑或处理器从这些信号中确定叶片根114的弯曲力矩。在一些构造中，电脑或处理器是涡轮控制器，其同时为风力涡轮机100提供了额外功能。
参考图3、4和5，在一些构造中，用于测量叶片根114的弯曲力矩的其他技术和传感器包括：测量主轴118或轴轮缘145在其到轮毂110的连接处上或附近处的转子轮毂110的挠度和/或应变水平。当测量轮毂挠度的时候，如果叶片质量不平衡，将观测到旋转轨道。在本发明的一些构造中，使用三个或更多个传感器来感测轮缘表面的轴向和/或径向和/或弯曲位移或者是轴118的挠度，并且产生发送到用于分析的电脑或信号处理器的信号。注意与预期应变量(或任何其他监控的参数)的偏差，其指示了叶片质量异常(可以是叶片质量不平衡或叶片质量改变)。
例如，参考图5，本发明的一些构造使用至少两个正交安装的近程式探针120来监控主轴118的径向位移。使用此径向位移来确定是否存在表现出叶片质量不平衡的偏差。例如，测量主轴118的位移的传感器或探针120能利用一个或多个技术，例如声学、光学、磁、涡电流、电容或感应场或其他技术。虽然使用至少两个传感器来监控径向位移，为了冗余度、传感器诊断效果或其他原因，在一些构造中使用的传感器的数量多于两个。例如，图6说明了具有四个传感器120的构造，四个传感器围绕主转子轴118的周向相隔90度放置。在另一个构造中，参考图7，四个传感器120成对放置，围绕主轴118彼此间隔90度。在一些构造中，参考图3，传感器120(在图3中未示出)尽可能远离变速箱122放置。在其他构造中，传感器120大概放置在变速箱122和主轴承124之间的中间位置。
在一些构造中，参考图4，在本发明的一些构造中监控轴向位移。利用传感器143，例如近程式传感器，来监控轴轮缘145的位移。在一些构造中，每一个传感器143安装在传感器托架147上，该托架接附在主轴承124或台板(图中未示)上。来自传感器143的信号显示监控到的位移或力矩。在一些构造中，使用至少三个传感器143来测量风力涡轮机100的主轴轮缘145的位移，这些位移由不对称负载引起，例如由于结冰造成的叶片质量不平衡。传感器143是近程式传感器，其测量主轴轮缘145相对于非挠曲参考系，例如主轴承124的位移。一些构造利用具有大约90度间隔的四个传感器来测量轴轮缘145的位移。
再参考图2，在一些构造中，使用至少一个具有一个或多个布拉格光栅128的嵌入光纤126来监控每一个转子叶片根114的应变，以确定是否存在指示叶片质量不平衡的应变偏差。使用一个或多个激光器(图中未示)照亮光纤126，激光器可以位于轮毂110中。在一些构造中使用电子界面(在图中也未示出)来将由监控转子叶片根应变产生的信号转换成能够由电脑或处理器识别和使用的数字信号。再参考图3，在一些构造中，若干仪表装配用的T形螺栓将转子叶片108接附在轮毂110上。这些T形螺栓配备有应变仪，应变仪用来给电脑或信号处理器提供应变信息。例如，在一些构造中，仪表装配用的T形螺栓安装在转子叶片内，并且随后接附在倾斜轴承上，如图3中由典型的接附点132的图解所显示的。同样在一些构造中，应变仪134直接焊接到转子轮毂铸件110上。一些构造使用齿圈近程式传感器136来监控变速箱122在垂直和水平平面内的运动，近程式传感器136位于四个象限中(例如45度、135度、225度和315度)，在此仅显示了其中一个。将变速箱122运动解析到一个矢量上，从而确定是否存在转子叶片质量不平衡。(如在此使用的，术语“传感器”和“探针”是同义的)。
在各种构造中，使用近程式传感器和/或轴编码器来监控叶片方位角位置和转速。当相应于特定转子叶片方位角位置的标志片转到传感器下方时，面向主轴118的近程式探针137提供数字脉冲。作为替代物，可使用编码器139，其通过联结器(图中未示)接附在低速轴141上。在单个实施例中同时使用替代物和/或附加的传感器或编码器是允许的，并且能够用来提供冗余度，以增加可靠性。来自传感器137和/或编码器139的信号发送到电脑或信号处理器，并且用来确定叶片方位角位置和转速。
本发明的构造利用一个或多个上述的传感器构造，以及使用电脑或信号处理器从所监控的参数来识别轮毂110在大小或方向(或两者)的旋转矢量变化、和/或转子叶片根114内的应变差。在识别时，这些矢量变化和/或应变差是指示叶片质量不平衡的偏差。可通过电脑或信号处理器来利用已知的质量、运动和动量物理定律对这样的不平衡发出警告。这些偏差(也就是，轨道运动)也需要单个叶片的位置信息。使用近程式传感器和/或轴编码器提供的信号可确定这些位置。
在一些构造中，也使用一个或多个标准气象传感器来监控空气条件(例如，温度变化、压力变化、湿度)，从而确定是否气象条件有助于结冰。气象传感器140可位于风力涡轮机100的叶片108附近，例如，在塔104或机舱102上(如图3所示)，从而更精确地反映在转子叶片108的高度处的条件。在本发明的一些构造中，为了防止错误的结冰警告，如果来自气象传感器140的监控气象参数信号显示不大可能结冰(也就是湿度太低或温度太高)，就禁止结冰的检测逻辑和/或结冰警告逻辑。然而，叶片质量不平衡可由其他未知条件引起。因此，当气象传感器140显示不大可能结冰，但显示叶片质量异常时，对于本发明的构造来说，提供与结冰无关的异常警告是允许的，但并不是必要的。
偏转也能引起叶片不平衡。所以，为了避免由于由偏转引起的叶片不平衡增加错误的结冰条件警告，本发明的一些构造使用任何已知方法来监控偏转误差条件来实现。在这些构造中，除非当监控到接近零的偏转误差的条件，禁止电脑或信号处理器提供叶片不平衡结冰警告。当转子106面向风时，存在“接近零”的偏转，这样相对于本发明构造合理检测出的许多结冰引起的应变和不平衡来说，使得偏转引起的叶片根应变和其他不平衡充分降低。在可检测到的结冰数量和能被接受的偏转量之间存在一种平衡，使得在“接近零”的偏转条件内的偏转最大量作为一种设计选择，在懂得了本发明的操作原则后，该设计选择可留给本领域的普通技术人员来决定。
在本发明的该构造中，即，在接近零的偏转误差的条件下，通过测量叶片根14的弯曲力矩来检测叶片质量不平衡，由于风的剪力而出现的短期平均信号，被从监控的叶片根弯曲力矩信号中过滤掉。在使用叶片空气动力性能来确定叶片质量不平衡的构造中，在一些构造中，使用监控的叶片转速和用气象仪器140监控到的平均顺风速来确定叶片空气动力性能。在一个精确度范围内，已知的风力条件(外力函数)产生已知的动态响应。通过直接或间接测量叶片根弯曲力矩的负载传感器来监控这些动态响应。如果发生不平衡，当环境条件不支持结冰条件(例如温度太高)时，和基准操作条件进行对比，将在动态响应中观察到异常。更具体说，使用Parks DQ转换来使旋转结构(轮缘表面和叶片方位角复位标号)适应固定结构(近程式传感器)，其可以被看做水平或垂直矢量或旋转矢量。此矢量表示监控的部件的挠度。此挠度与叶片根弯曲力矩相关。叶片提升的降低也可归因于结冰条件。叶片提升在翼片平面内产生弯曲力矩，并且在一些构造中，通过监控叶片弯曲正弦信号，并且将这些信号与先前记录和存贮的叶片在类似风力条件下的已知非结冰负载情况下操作的信号进行比较，来监控叶片的提升。
在很多构造中，沿接近翼片方向的叶片根弯曲轴线(也就是，垂直于弦线方向，一根从前沿到后沿的直线)来监控叶片根弯曲力矩。然而，在接近边缘方向的叶片根弯曲轴线处也可以监控叶片根弯曲力矩。
因为结冰产生下降的空气动力性能和/或增加的叶片质量，一些构造利用来自监控用于调节叶片倾斜的倾斜马达的传感器的信号。(使用倾斜控制器149来调节叶片倾斜，如图3所示)。通过监控倾斜马达致动器响应的传感器来指示叶片质量异常，因为当发生结冰时，该响应可能变得更迟缓。
可通过声音检测转子叶片上的冰。因此，可使用附加传感器，例如振动传感器或麦克风(图中未示)来监控叶片108或塔104的声学特性，从而检测结冰。通过固有频率的下降，或者叶片108或塔104的声波特征的变化可指示叶片质量改变。不同叶片108的固有频率下降的差别可指示叶片质量不平衡。使用任何来自振动传感器或麦克风的信号分析来检测叶片质量异常的存在，该振动传感器或麦克风能检测到固有频率的下降或声波特征的变化。
在一些构造中，通过监控风力涡轮机100的输出功率的物理参数传感器来确定叶片质量不平衡。在一些构造中，通过使用记录电流变压器或功率表或经历一段时间后可从中推断出风力涡轮机100的输出功率的任何其他仪器，来监控此参数。在很多实例中，不平衡转子108将产生由这样的分析可检测到的振动(例如，在转子轮毂110的现有旋转频率的频率或谐波下振动)。在一些构造中，使用叶片方位角位置和转速传感器来为分析提供当前的旋转频率。当检测到显示叶片质量不平衡的振动时(在一些构造中，还以监控到的利于结冰的气象条件为条件)，提供结冰警告。同时，在一些构造中，使用监控的功率信号同样可检测并且量化下降的空气动力效率，。
在一些构造中，使用监控的系统负载来检测叶片质量变化，该监控的系统负载与先前监控的其他相同的风力涡轮机的系统负载进行对比，对于该其他相同的风力涡轮机，已知数量的附加质量以相同的数量加到每一个转子叶片108上。(如在此使用的，术语“其他相同”表示具有基本相同的空气动力和功率产生部件。如果不同的方面不涉及空气动力或功率产生特性，不要求相比较的风力涡轮机的所有方面均相同。仅举例来说，转子叶片108的尺寸、形状、重量以及数量应当相同，但颜色不需要相同。)这些构造当中的一些监控叶片根弯曲力矩，例如边缘方向的弯曲力矩。叶片质量的增加可能导致正弦边缘方向弯曲信号的变化，通过对比在相似风力条件下操作并且已知没有冰的具有可比性的叶片，能够检测该信号。本发明的构造监控边缘方向弯曲力矩信号的幅度或均方根(RMS)幅度中的任一个或两个都监控。幅度和均方根幅度中任一个的变化或两者的变化指示叶片质量的改变。
叶片质量不平衡条件和叶片质量变化条件之间的变化可以快速发生。使用本发明的构造，通过短期瞬时信号来检测出任何叶片结冰状况以及确定冰的脱落是可能的。同时，在本发明的一些构造中，使用来自位于沿转子叶片范围的众多位置上的传感器的弯曲力矩信号检测结冰位置。例如，但不作为限制，一些构造通过主轴轮缘传感器，通过其他方法提供位于转子叶片、轮毂、主轴上的应变仪。
参考图8，在一些构造中，涡轮控制器300包括总线302或其他通信设备，以传递信息。处理器304连接到总线302上，从而处理信息，信息包括来自各种传感器(比如传感器116、120、128和140)的信息，以确定是否存在由于结冰引起的叶片质量不平衡或叶片质量变化。涡轮控制器300还包括随机存取存储器(RAM)306和/或其他存贮设备308。RAM 306和存贮设备308连接到总线302上，从而存贮和传递信息和由处理器304执行的指令。在处理器304执行指令期间，RAM306(如果要求，还有存贮设备308)也可用于存贮临时变量或其他中间信息。涡轮控制器300也可包括只读存贮器(ROM)和/或其他静态存储器设备310，其连接在总线302上，以存贮并给处理器304提供静态(也就是，非变化)信息和指令。312上的输入设备可包括任何在此描述的或本领域已知的物理特性监控设备，以给涡轮控制器300提供输入数据。312上的输出设备可包括给操作者控制台(在图8中也未示出)或自动设备提供可视和/或可听指令的设备，该操作者控制台或自动设备对这些信息起作用或传递这些信息。通过给一个或多个电子存取的介质等提供访问的有线或无线的远程连接，将存贮设备中的指令提供给内存，存贮设备如磁盘、只读存贮器(ROM)集成电路、CD-ROM、DVD。在一些实施例中，使用硬件电路替代软件指令，或与软件指令结合。因此，指令执行的顺序不限于任何特定的硬件电路和软件指令的结合。
传感器接口314是允许涡轮控制器300与风力涡轮机内的一个或多个传感器通讯的接口，该一个或多个传感器包括用于确定叶片质量不平衡和叶片质量变化的传感器。例如，传感器接口314可以是或者可以包括一个或多个模数转换器，其将模拟信号转换成处理器304可使用的数字信号。
参考图9的流程图400，在一些构造中，利用气象传感器140在402监控气象条件。同时监控运行中的风力涡轮机的各种物理特性，这些特性根据一个或多个转子叶片108的质量或转子叶片108之间的质量不平衡中的至少一个而变化。在流程图400显示的实施例中，这些物理条件的监控发生在步骤404、406、408中。因此，在一些监控叶片质量不平衡的构造中，在404中监控转子106速度和加速度(在一些构造中，监控加速度变化)。在一些监控叶片质量变化的构造中，在406中监控机械和/或电扭矩。在408中监控叶片根弯曲运动。一些构造不监控偏转误差，直接进行步骤414。然而，很多构造在410中监控偏转误差。如果在412中，监控到了偏转误差而且不接近零，一些构造包含了这样一种假设：404和408中监控的任何应力和转子速度效应不是由结冰导致的，而是由偏转条件引起的回转负载导致的。因此，不采取任何行动来发出叶片质量不平衡或叶片质量变化的信号。然而，偏转条件可发生改变或由风力涡轮机100对偏转条件进行纠正，如果构造风力涡轮机100构造为对此进行修正。因此，本发明的各种构造纠正偏转误差并且随后重复步骤402、404、406、408和410(以及或许412)，或者重复步骤402、404、406、408和410直到获得一组接近零偏转误差的信号。(除了执行流程图400内显示的步骤以外，在一些构造内，电脑、处理器、和/或涡轮控制器300也可以进行编程，来辅助纠正偏转误差。)
在本发明的所有构造中，不要求执行所有的步骤402、404、406、408和410。此外，虽然在一些构造中，在十分短暂的时间周期内执行这些步骤，以便可靠的确立他们彼此的关系，但执行步骤402、404、406、408和410的顺序并不重要。
使用一个或多个监控的物理特性来确定是否存在叶片质量异常。因此，如果412的偏转误差接近零，在监控叶片根弯曲力矩的构造中，在414从叶片根弯曲力矩中过滤掉由于风剪力引起的短期平均信号。接下来，在监控叶片质量不平衡的构造中，在416中处理过滤后的信号(对于在412中执行过滤的构造)和任何监控的信号，以确定与转子叶片108的质量平衡时的期望值的偏差。在监控叶片质量变化的构造中，对加速度、弯曲力矩和/或扭矩(机械的和/或电的)的突变进行检验。任何过滤的或监控的信号的偏差可用来确定在418是否存在叶片质量不平衡和/或在426是否存在叶片质量变化。
本发明的很多构造也确定监控的气象条件是否与叶片结冰相符。因此，在对叶片质量不平衡进行检验的构造中，如果发现指示418中叶片质量不平衡故障的偏差，在420中对气象传感器显示的大气条件进行分析，从而确定这些条件是否与叶片结冰相符。(如果存在利于结冰的当前气象条件，或者这些条件最近存在过，可能已形成的冰依旧存在在转子叶片108上，结冰被认为是可能的。)如果结冰是可能的(在例如，在一些构造中，这表示结冰的可能性超过了选定的阈值)，在422中发出由结冰条件引起的叶片质量不平衡的信号。如果在422中确定不可能结冰，一些构造在424中发出非结冰叶片质量不平衡的信号，虽然并非在本发明的每一个构造中都指示由除结冰外的状况导致的叶片质量不平衡。在一些构造中，在422产生的信号可用于自动开始校正动作(例如，如果确定结了冰，激活叶片108上的除冰装置，或者面向迎风的连接位置倾斜转子叶片108，以减小应力)。在一些构造中，在远程控制台上指示与结冰有关的叶片质量不平衡的信号，以警告操作者批准了矫正措施。在发出不是由结冰引起的叶片质量不平衡的信号的构造中，可以批准不同的校正动作。是否执行以及如何执行这些校正动作，不是本发明的本质部分。
如果在418中未发现指示叶片质量不平衡故障的偏差，或者在其他检验出叶片质量变化的构造中，如果在426中发现指示叶片质量变化故障的监控的偏差或加速度、弯曲力矩和/或扭矩的突变，在428中对气象传感器显示的大气条件进行分析，以确定是否可能结冰。如果结冰是可能的，在430中发出由结冰引起的叶片质量变化的信号。如果在428中确定不可能结冰，则一些构造在4 32中发出非结冰叶片质量变化的信号，虽然并非在本发明的每一个构造中都指示由除结冰外的状况导致的叶片质量变化。在一些构造中，在430产生的信号可用于自动开始校正动作(例如，如果确定结了冰，激活叶片108上的除冰装置，或者在迎风的正确角度倾斜转子叶片108，以减小应力)。在一些构造中，在远程控制台上指示与结冰有关的叶片质量变化的信号，以警告操作者批准了矫正措施。在发出不是由结冰引起的叶片质量变化的信号的构造中，可以批准不同的校正动作。是否执行以及如何执行这些校正动作，不是本发明的本质部分。
当确定存在叶片质量异常并且监控的气象条件被确定为与结冰相符时，发出与结冰有关的叶片质量异常的信号，并不一定要求提供指示“结冰”或“未结冰”二元信号。在一些构造中，提供的信号可以指示推测的结冰可能性。在这样的实例中，“当确定存在叶片质量异常时，发出与结冰有关的叶片质量异常的信号”可表示：当确定监控的气象条件与结冰不相符时，发出低或零结冰可能性的信号，而当确定存在叶片质量异常并且确定监控的气象条件与结冰相符时，发出较高的结冰可能性的信号。
如果在426中未发现指示叶片质量变化的偏差(或者在不检验叶片质量变化的构造中，如果在416中未发现指示叶片质量不平衡的偏差)，可重复步骤402、404、406、408和410，继续进行流程图400显示的过程。
虽然在此描述的很多构造要求非零偏转误差，以利用叶片根弯曲力矩来确定叶片根弯曲力矩是否指示叶片质量异常，但在本发明的所有构造中，非零偏转误差不是必要条件。例如，如果监控到偏转误差或另外已知偏转误差，在一些构造中的电脑、处理器、和/或涡轮控制器300能够确定转子106的回转负载。随后，在确定是否发出风力涡轮机100的物理特性中的干扰是由于叶片质量异常引起的信号时，电脑、处理器和/或涡轮控制器300可为所确定的回转负载提供适当的纠正和/或适应该回转负载。
在一些构造中，通过故意偏转机舱102来检测叶片质量异常。当偏转机舱102时，由此引入的回转负载将为常量，除非出现叶片质量不平衡。因此，能够检测到变化的回转负载的存在，并且用来发出叶片质量不平衡的信号。
作为缓慢形成非常均匀分布的冰的结果，可导致叶片质量异常。在一些实例中，传感器的分辨率可能不足以检测这样的冰。然而，如果生成的冰不均匀地脱落，例如突然从一个叶片断下，将出现可检测到的突然质量不平衡。
另一个可用来检测叶片质量异常的物理参数是转子叶片108的冲角。当此冲角超出了对于测定的风速的预期限制范围时，下降的空气动力特性很可能是由结冰导致的。因此，当倾斜系统149将转子叶片108倾斜到对于由气象传感器140测定的风速而预定的标准范围之外时，在一些构造中，对电脑、传感器和/或涡轮控制器300进行编程，以发出叶片质量异常的信号。
因此可以理解：本发明的构造允许检测和发出与结冰相关的叶片质量异常的信号，这些异常可降低风力涡轮机发电机的性能，或导致对系统负载状况的潜在破坏，如果必要，允许采取校正措施。
虽然根据各种特定实施例对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员将认识到：在权利要求书的精神和范围内，能够对本发明进行改动。
部件列表
    100 风力涡轮机
    102 机舱
    104 塔
    106 转子
    108 转子叶片
    110 转子轮毂
    112 叶片结冰
    114 转子叶片根
    116 传感器或应变仪
    118 主转子轴
    120 传感器或探针
    122 变速箱
    124 主轴承
    126 光纤
    128 传感器或探针
    132 接附点
    134 应变仪
    136 近程式传感器
    137 近程式传感器
    139 编码器
    140 气象传感器或气象仪器
    141 低速轴
    143 传感器
    145 轴轮缘
    147 传感器托架
    149 倾斜控制系统
    300 涡轮控制器
    302 总线
    304 处理器
    306 RAM(随机存取存储器)
    308 设备
    310 静态存储器设备
    312 输出设备
    314 传感器接口
    400 流程图
    402 监控气象条件
    404 监控转子速度和加速度
    406 监控机械和/或电扭矩
    408 监控叶片根弯曲运动
    410 监控偏转误差
    412 确定是否偏转误差接近零
    414 从叶片根弯曲力矩中过滤掉由于风剪力引起的短期平均信号
    416 处理过滤过和监控的信号以确定期望值的偏差
    418 确定是否存在叶片质量不平衡
    420 对气象传感器显示的大气条件进行分析，从而确定这些条件是否与叶片结冰相符
    422 发出由于结冰条件引起的叶片质量不平衡信号
    424 发出非结冰叶片质量不平衡的信号
    426 确定是否存在叶片质量变化
    428 对气象传感器显示的大气条件进行分析，以确定是否可能结冰
    430 发出由结冰条件引起的叶片质量变化的信号
    432 发出非结冰叶片质量变化的信号

Claims (10)

1.一种检测风力涡轮机(100)上的冰(112)的方法，该风力涡轮机具有转子(106)以及一个或多个转子叶片(108)，每个转子叶片具有叶片根(114)，所述方法包括：
监控(402)与结冰条件相关的气象条件；
监控(404、406、408)运转中的风力涡轮机的一个或多个物理特性，这些物理特性根据一个或多个转子叶片的质量或转子叶片之间的质量不平衡中的至少一个而改变；
使用该一个或多个监控的物理特性来确定(418、426)是否存在叶片质量异常；
确定(420、428)是否监控的气象条件与叶片结冰相符；以及
当确定存在叶片质量异常并且确定所监控的气象条件与结冰相符时，发出(422、430)与结冰相关的叶片质量异常的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，转子(106)具有若干叶片(108)，并且叶片质量异常指叶片质量不平衡。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物理特性至少包括叶片根弯曲力矩。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述监控一个或多个物理特性包括监控来自应变感测设备(116)的信号，该应变感测设备固定或嵌入转子叶片(108)内。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括偏转风力涡轮机(100)的机舱(102)，以及当机舱偏转时，在检测到变动的回转负载时，发出所述转子叶片之间的质量不平衡的信号。
6.根据权利要求1所述的方法，该风力涡轮机包括倾斜系统(149)和构造用来测量风速的气象传感器(140)，所述使用该一个或多个监控的物理特性来确定(418、426)是否存在叶片质量异常的步骤包括：将叶片倾斜与对于测定的风速的预定标准范围相比较，当叶片倾斜到对于测定的风速的预定标准范围之外时，确定存在叶片质量异常。
7.一种风力涡轮机(100)，其包括：
具有一个或多个转子叶片(108)的转子(106)；
构造用来监控(402)与结冰(112)相关的气象条件的一个或多个气象传感器(140)；
构造用来监控(404、406、408)运转中的风力涡轮机的一个或多个物理特性的一个或多个物理特性传感器，这些物理特性根据所述一个或多个转子叶片的质量或所述转子叶片之间的质量不平衡中的至少一个而改变；以及
可操作地连接到所述的一个或多个气象传感器和所述的一个或多个物理特性传感器上的处理器，所述处理器构造为：
确定(420、428)是否监控的气象条件与叶片结冰相符；
使用该一个或多个监控的物理特性来确定(418、426)是否存在叶片质量异常；以及
当确定存在叶片质量异常并且确定监控的气象条件与结冰相符时，产生(422、430)指示与结冰相关的叶片质量异常的信号。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述的物理特性传感器包括至少一个监控叶片根弯曲力矩的传感器。
9.根据权利要求7所述的风力涡轮机(100)，还包括机舱(102)以及偏转控制系统，所述风力涡轮机构造为偏转机舱，以及当机舱偏转时，在检测到变动的回转负载时，发出所述转子叶片之间的质量不平衡的信号。
10.根据权利要求7所述的风力涡轮机(100)，还包括倾斜系统(149)，所述控制器是涡轮控制器(300)，其中，所述气象传感器(140)构造用来测量风速，所述涡轮控制器构造为当所述叶片倾斜到对于测定的风速的预定标准范围之外时，确定存在叶片质量异常。
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