CN201187411Y - 主动控制风力发电机桨叶动平衡的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种主动控制风力发电机桨叶动平衡的装置，其特征在于：它包括安装在每一桨叶内腔尖部的一储液箱(1)、设于发电机叶轮桨毂(7)内的对应单向泵，连接储液箱(1)和单向泵的管道(2)，以及设置在同一风力发电机上、能检测风力发电机叶轮桨毂(7)的轴承座振动和根据振动的大小和相位控制相应泵(3)工作的动平衡检测控制器(4)；所述的单向泵(3)通过多个三通接管互相串接在一起，并同时经另一连接管与设于风力发电机桨叶内腔尖部中的储液箱(1)相连通。从而使处于动态不平衡状态下的风力发电机桨叶达到动态平衡，为保持风力发电机的正常、安全运行提供技术支持。

Description

主动控制风力发电机桨叶动平衡的装置

技术领域

本实用新型涉及一种风力发动机平衡运转技术，特别是一种主动控制风力发电机浆叶动平衡的装置，属于故障诊断与安全自动控制装置范畴。适用于对风力发电机桨叶叶轮的动平衡控制，以防止由于桨叶动态不平衡引起风力发电机强烈振动造成的疲劳、短寿甚至迅速破坏等事故及重大经济损失现象的产生。

背景技术

目前普遍使用的风力发电机的桨叶一般在制造时进行了静态平衡修正，其措施是：控制每片桨叶的总质量(M)；控制每片桨叶的质量中心距离叶跟的距离(L)，以期达到每片叶片相对于其主轴拥有相同或相近的静矩J＝LM，期望均布、安装在同一浆榖上的各片叶片在旋转时，对浆榖有相同的离心力，从而保障桨榖和其(与叶片垂直的)主轴不承受除静力以外的横向力和不发生振动或只有很小的振动。

然而，由桨叶所构成的叶轮与桨毂、主轴系统却不仅因为各片桨叶的静态不平衡而发生振动，而且主要还因为叶片的动态形变不平衡和气动不平衡而发生振动，而这不是仅仅采用对叶片的静平衡检测、修正就能解决的。其原因在于：现有风力发电机，即使是大型风力发电机，也都没有操控风叶动平衡主动控制系统。

例如：叶片质量m＝1000kg，转速N＝12r/min，叶片长度L＝50m，质量中心位於离轴心20m处。则该叶片运转时的离心加速度为：

A＝v²/r＝(2πrf)²/r＝(2πf)²r＝(2πn/60)²·r

＝(2π·12/60)²·20＝31.5827[m/s²]

离心力F＝MA＝31582.7[kgm/s²]＝31582.7N＝3219kgf

设该叶类叶片具有1％的质量偏差，m’＝10kg，则折算到45m处调节时最大调节质量m”＝m’/45*20＝4.44kg。

正是普遍存在的上述技术现状，因此据发明人在对风力发电机运行中状态故障的充分分析后认为：现有风力发电机的相当一部份运行故障的形成和发生均与风力发电机运行环境中受到的动态形变不平衡和气动不平衡相关。

实用新型内容

本实用新型发明的目的：旨在提出一种主动控制风力发电机浆叶动平衡的装置，通过自动检测叶轮的不平衡振动、以及反馈和控制各桨叶的静矩J＝LM，实现叶轮的动平衡，从而大幅度地减小风力发电机因受到的动态形变不平衡和气动不平衡而产生的振动，使风力发电机保持正常、安全运行工作状态。

这种主动控制风力发电机浆叶动平衡的装置，它包括安装在每一桨叶内腔尖部的一储液箱1、设于发电机叶轮桨毂7内的对应单向泵3，连接储液箱1和单向泵的管道2，以及设置在同一风力发电机上、能检测风力发电机叶轮桨毂7的轴承座振动和根据振动的大小和相位控制相应泵3工作的动平衡检测控制器4；所述的单向泵3通过多个三通管接头8互相串接在一起，并同时与设于风力发电机中的储液箱1相连通。

所述的动平衡检测控制器4含有安装在风力发电机的不转动平台上进行检测、分析、运算且带有微处理器的动平衡测控仪41、安装在转动桨毂中心带微处理器的控制器42、安装在主轴轴箱5和主轴6上传输电源与控制信号的引电器43、安装在主轴轴箱5上的主轴转速相位检测传感器44以及检测叶轮垂直、水平振动检测传感器45C、45S；其中转速相位检测传感器44检测的转速相位脉冲和叶轮垂直、水平振动检测传感器45C、45S检测的振动信号连接到动平衡测控仪41的输入端，动平衡测控仪41将两条电源线接到引电器43的固定电刷，通过电刷，将电源以滑动接触方式传到安装在主轴上的滑环，与滑环匹配的从滑环以固定导线将电源送到安装在桨毂7轮毂中心控制器42，动平衡测控仪41的微处理器还通过无线电发送控制代码给控制器42的微处理器，控制器42的微处理器再根据控制代码的指令对单向泵进行控制。

对于具有桨角自动控制系统从而已经将电源传输到桨毂的风力发电机，可以直接应用该电源而省去引电器43。

根据以上技术方案提出的这种主动控制风力发电机浆叶动平衡的方法，通过在发电机桨叶内腔设置的可控储浆液装置，并通过含有动平衡测控仪、桨毂中心的控制器、传输电源与控制信号的引电器、主轴转速相位检测传感器以及叶轮垂直、水平振动检测传感器的组合式动平衡检测控制器，实现对设于风力发电机每一桨叶内储液箱之间流体的可控调剂。从而使处于动态不平衡状态下的风力发电机桨叶达到动态平衡，为保持风力发电机的正常、安全运行提供技术支持。

附图说明

图1本实用新型的结构示意图(两桨叶)；

图2为三桨叶型的本实用新型结构示意图；

图3-1为波纹管式储液箱伸缩结构示意图；

图3-2为弹性可变容积式储液箱结构示意图；

图3-3为弹性可变容积式储液箱结构示意图；

图4为动平衡检测器安装布局示意图(1)；

图5为动平衡检测器安装布局示意图(2)；

图6-1为自动启动3AB泵、关闭3BA泵控制两叶风力发动机振动的示意图；

图6-2为自动启动3BA泵、关闭3AB泵控制两叶风力发动机振动的示意图；

图7为三叶片风力发电机控制方式图；

图8为用非标准安装的振动传感器信号分解X、Y振动。

图中：1-储液箱  2-管道  3-泵  4-动平衡检测控制器  41-动平衡测控仪42-轮毂中心控制器  43-引电器  44-主轴转速相位检测传感器  45c-叶轮垂直振动检测传感器  45s-叶轮水平振动检测传感器  6-主轴  7-叶轮桨毂  8-三通管接头  A、B、C-桨叶。

具体实施方式

实施例1：两叶片或三叶片式风力发电机的桨叶动平衡主动控制方法

本发明方法借鉴风力发电机对桨叶进行静态平衡的处理方法，通过安装在每一桨叶内腔尖部的一储液箱1、设于发电机叶轮桨毂7内的对应单向泵，连接储液箱1和单向泵的管道2，以及设置在同一风力发电机上、能检测风力发电机叶轮桨毂7的轴承座振动和根据振动的大小和相位控制相应泵3工作的动平衡检测控制器4；所述的单向泵3通过一多个三通管接头8互相串接在一起，并同时与设于风力发电机桨叶中的储液箱1相连通。

所述的动平衡检测控制器4含有安装在风力发电机的不转动的平台上进行检测、分析、运算的动平衡测控仪41、安装在转动的桨毂中心的控制器42、安装在主轴轴箱5和主轴6上传输电源与控制信号的引电器43、安装在主轴轴箱5上的主轴转速相位检测传感器44以及叶轮垂直、水平振动检测传感器45C、45S；其中转速相位检测传感器44检测的转速相位脉冲和叶轮垂直、水平振动检测传感器45C、45S检测的振动信号连接到动平衡测控仪41的输入端，动平衡测控仪41将两条电源线接到引电器43的固定电刷，通过电刷，将电源以滑动接触方式传到安装在主轴上的滑环，从滑环以固定导线将电源送到安装在桨毂7中心的控制器42，动平衡测控仪41的微处理器还通过无线电发送控制代码给控制器42的微处理器，控制器42的微处理器再根据控制代码的指令对单向泵进行控制。

对于例如具有桨角自动控制系统，从而已经将电源传输到桨毂的风力发电机，可以直接应用该电源而省去引电器43。

所述储液箱1安装在叶尖的内部。

为了对增减材料实现自动控制，所述的材料显然以液体为好，这就是本发明要在叶尖内部设置储液箱1在容纳液体材料的目的。

为了实现储液箱中液体的增减操作，必须有令储液箱中的液体流入流出的通道，这就是设置管道2的理由。不能容许各储液箱中的液体无序自由流动，其增减必须由操作机构控制，这就是在储液箱、管道之间设置泵的理由。为了防止泵、管道、储液箱中存在空气而影响液压系统正常工作，除了泵以外，管道和储液箱设计为柔性的器件，储液箱可以是橡皮囊、金属波纹管，管道至少有长度恰当的一段是波纹管或可弯曲的软管，以便在储液箱中储液量变化而使其长度变化时能够进行长度缓冲。

上述技术方案的技术原理在于：叶轮出现因为叶片气动变形或经久使用后材料变形而出现新的不平衡量静矩J＝LM后，将在叶片转动时产生离心力，该离心力随着叶轮转动而周而复始地改变作用于桨毂轴承的作用力方向，使轴承座出现振动。检测该振动和叶轮转动的相位，经计算，就可以得出叶轮动态不平衡矩(J＝ML)发生在叶片A、B、C...中的相对位置和大小。然后将动不平衡矩分解到相应的叶片A、B、C....，在已知不平衡矩的半径L为叶片中储液箱距离桨毂中心(轴心)的距离后，可以计算出各片叶片所需增减的液体质量M，最终通过操作对应的单向泵3，实现泵入泵出液体的操作。由于检测系统也在操作的同时检测着系统的振动，因此无需对泵进行转速、时间、流量的精确控制，而只需建立PID控制模型，根据控制效果随时改变控制方式。

(1)，对于只有两片叶片的叶轮风机(如图1所示)，在其两片叶片A、B中离轴心距离为L处，各安装一个储液箱1A、1B，并各有一条柔性管道2A、2B通向桨毂中心的三通管接头，2个位于桨毂中心的单向泵3AB、3BA通过三通管接头反向并联，单向泵的两端分别与柔性管道2A、2B连接，3AB泵的进口A端与3BA泵的出口A端连接并接到管道2A，3AB泵的出与口B端3BA泵的进口B端连接并接到管道2B；动平衡检测控制器4连接到单向泵3AB和3BA上。

这种两片叶片型的风力发电机(参考图1)动平衡控制装置，其工作原理是：当动平衡检测控制器4检测发现A叶片离心力大于B叶片离心力时，启动3AB泵，将A叶片中的储液箱1A中的部分液体泵向B叶片中的储液箱1B，直至A、B叶片动态离心力平衡并使振动下降到允许的程度；当动平衡检测控制器4检测发现A叶片离心力小于B叶片离心力时，启动3BA泵，将B叶片中的储液箱1B中的部分液体泵向A叶片中的储液箱1A，直至A、B叶片动态离心力平衡并使振动下降到允许的程度。

对于具有四片叶片的风力发电机，其可以分解为2组正交的2叶风力发电机系统进行控制。控制方式形同两组两片叶片的风力发电机的控制方式。

两叶片风力发电机动平衡控制过程如下：当动平衡测控仪41检测发现转速相位标记脉冲总是与水平振动传感器45S的最大正位移值同时出现，即表明A叶片离心力大于B叶片离心力时，启动3AB泵，将A叶片中的储液箱1A中的部分液体泵向B叶片中的储液箱1B，直至A、B叶片平衡，振动减小到允许范围，如图6-1所示；当动平衡测控仪41检测发现转速相位标记脉冲总是与水平振动传感器45S的最大负位移值同时出现，即表明A叶片离心力小于B叶片离心力时，启动3BA泵，将B叶片中的储液箱1B中的部分液体泵向A叶片中的储液箱1A，直至A、B叶片平衡，振动减小到允许范围，如图6-2所示；在此2叶片风力发电机和上述传感器安装条件下，垂直振动检测传感器45C是冗余的。本控制方案只能够克服由桨叶因素引起的不平衡，而不能克服与桨叶垂直的不平衡。

(2)、对于所需控制三片叶片的风力发电机(如图2所示)，在其三片叶片A、B、C中离轴心距离为L处，各安装一个储液箱1A、1B、1C，并各有一条柔性管道2A、2B、2C通向桨毂中心对应的三通管接头，三个位于桨毂中心的单向泵3AB、3BC、3CA通过三通管接头依次反向联接，即3AB泵的出口B与3BC泵的进口B连接，3BC泵的出口C与3CA泵的进口C连接，3CA泵的出口与3AB泵的进口A连接；上述单向泵3AB、3CA的A口接接管道2A的另一端，3AB、3BC的B口与管道道2B的另一端连接，3BC、3CA的C口与管道2C的另一端连接；动平衡检测控制器4的控制器的控制线分别连接到单向泵3AB、3BC、3CA上。

对于具有三片叶片的风力发电机，则仅需对均布的三片各相隔120度的叶片进行控制，参考图2。

三叶片式风力发电机动平衡控制过程如下：

在主轴上与叶片A相同的方向，贴上主轴转速相位检测传感器44的测速标记(见附图4、5)，转速传感器44安装在主轴轴箱的水平方向，每当桨叶A转到水平坐标X轴正方向时，转速传感器44发出一个相位0脉冲；在主轴每转一圈，相位检测器44发出相位0脉冲时，敏感轴指向X方向的45S传感器检测的、或者由敏感轴不指向X、Y轴正方向的45S、45C传感器信号S、C分离得到的水平振动为X，由敏感轴指向Y方向的45C传感器检测的、或者由敏感轴不指向X、Y轴正方向的传感器45S、45C信号S、C分离得到的垂直振动为Y，如附图8所示为传感器45S、45C分别指向X轴、Y轴正方向时的情况，则轴心振动偏心方向为：

Q＝tg^-1(Y/X)

轴心振动的量值为：

P＝(X²+Y²)^0.5

如果振动量值P大于限制值，则分解该值P到A、B、C三片叶片上：

PA＝PcosQ

PB＝Pcos(120°-Q)

PC＝Pcos(240°-Q)

对PA、PB、PC按照大小排序，求出最大值和最小值；如果最大值小于限制值，则关闭所有的泵，不然则控制如下：

如果PA为最大值，则关闭3CA泵，如果PB为最小值，则开启3AB泵，关闭3BC泵；

如果PA为最大值，则关闭3CA泵，如果PC为最小值，则开启3AB泵，开启3BC泵；

如果PB为最大值，则关闭3AB泵，如果PC为最小值，则开启3BC泵，关闭3CA泵；

如果PB为最大值，则关闭3AB泵，如果PA为最小值，则开启3BC泵，开启3CA泵；

如果PC为最大值，则关闭3BC泵，如果PA为最小值，则开启3CA泵，关闭3BC泵；

如果PC为最大值，则关闭3BC泵，如果PB为最小值，则开启3CA泵，开启3BC泵。

如下表所示。

振动X、Y的量值可以由敏感轴并不指向X、Y方向的互成一定角度安装的传感器45S、45C检测得到的量值经过运算得到，如附图9，设45S传感器的敏感轴与X轴的夹角为QX，测量结果为S，45C传感器的敏感轴与Y轴的夹角是QY，测量结果为C，则振动的X、Y轴量值公式是：

X＝ScosQX-CsinQY

Y＝SsinQX+CcosQY

如果主轴转速低于临界转速，振动值直接使用加速度值，则上述控制输出取反；

如果主轴转速高于临界转速，振动值直接使用加速度值，则上述控制输出取同；

如果主轴转速低于临界转速，振动值使用振幅值，则上述控制输出取同；

如果主轴转速高于临界转速，振动值直接使用振幅值，则上述控制输出取反；

采用上述技术方案的这种主动控制风力发电机浆叶动平衡的装置，其中采用的储液箱1是一种将远端固定在风力发电机叶片内部尖端、而近端与可伸缩管2道连接的弹性容积的波纹管式式器件，当储液量增加时，波纹管波距增大，容积增加；当储液量减少时，波纹管波距减小，容积减少，如图4-1。

采用上述技术方案的这种主动控制风力发电机浆叶动平衡的装置，其中采用的储液箱1，是一种将两端固定在风力发电机叶片内部尖端而近端与固定管2道连接的弹性容积的胶囊式器件(见图3-2、图3-3)，当储液量增加时，胶囊截面变成圆形(见图3-2)，容积增加；当储液量减少时，胶囊截面变成椭圆甚至一条线，容积减少如图3-3；随着单向泵工作，将液体注入或吸出，所有储液器以及在单向泵和管道中的液体容积不改变总量，却可以把液体转移、集中到某一个需要增加质量叶片的储液箱，而其它储液箱的容积下降，保障液力系统中既不出现真空，也不存在空气。

动平衡检测控制器4的动平衡测控仪41内部测控计算机系统是以下述方式实施控制的：

图5所示为自动控制系统传感器安装定置附图，这是最方便和最利于简化控制系统信息处理的方式。如果不按照这种方式安装，就需要以此为标准对传感器安装的偏角加以角度修正。建立以主轴轴心为圆点的直角坐标系，系统的转速相位检测传感器44安装位置设计为直角坐标系X轴的正方向的轴承座上，而该转速相位检测传感器44的“转速相位标记”在主轴上的位置选择在与叶片A同一方向，即叶片A转动到直角坐标的X轴正方向时，转速相位检测传感器44发出一个脉冲。检测垂直振动的传感器45C安装在轴承座Y轴的正向，即轴承座的上方，检测水平振动的传感器45S安装在轴承座X轴的正向，即与转速相位检测传感器44在同一方向。

加速度到振幅的变换由计算机完成，实际所需关注的是振动的位移，基于所测量对象的振动是甚低速运转的风力发电机叶轮不平衡引起的振动，是转速远低于该主轴临界转速下的振动，振动位移相对于引起振动的力或者不平衡量几乎没有相位差，振动位移的指向就是叶轮不平衡力的指向。若所检测的振动为加速度，则不平衡量的指向相对振动加速度的指向反相180度；因为其位移相位相对于加速度相位仅仅相差180度，因此可以对加速度信号反相作为振幅的相位来实现快速运算。而量值x则可以根据下述数学公式，通过加速度A计算得出：

若振动加速度为：a＝Asinωt

则振动速度为： $v=\∫\mathrm{adt}=A\∫\sin \mathrm{\ωtdt}=-\frac{A}{\mathrm{\ω}}\cos \mathrm{\ωt}$

则振动振幅为： $x=\∫\mathrm{vdt}=-\frac{A}{{\mathrm{\ω}}^2}\sin \mathrm{\ωt}$

式中，ω＝2πn/60。

Claims (4)

1、一种主动控制风力发电机浆叶动平衡的装置，其特征在于：它包括安装在每一桨叶内腔尖部的一储液箱(1)、设于发电机叶轮桨毂(7)内的对应单向泵，连接储液箱(1)和单向泵的管道(2)，以及设置在同一风力发电机上、能检测风力发电机叶轮桨毂(7)的轴承座振动和根据振动的大小和相位控制相应泵(3)工作的动平衡检测控制器(4)；所述的单向泵(3)通过多个三通接管(8)互相串接在一起，并同时经另一连接管与设于风力发电机浆叶内腔尖部中的储液箱(1)相连通。

2、如权利要求1所述的一种主动控制风力发电机浆叶动平衡的装置，其特征在于：所述的动平衡检测控制器(4)含有安装在风力发电机的不转动平台上进行检测、分析、运算且带有微处理器的动平衡测控仪(41)、安装在转动桨毂中心带微处理器的控制器(42)、安装在主轴轴箱(5)和主轴(6)上传输电源与控制信号的引电器(43)、安装在主轴轴箱(5)上的主轴转速相位检测传感器(44)以及检测叶轮垂直、水平振动检测传感器(45C、45S)；其中转速相位检测传感器(44)检测的转速相位脉冲和叶轮垂直、水平振动检测传感器(45C、45S)检测的振动信号连接到动平衡测控仪(41)的输入端，动平衡测控仪(41)将两条电源线接到引电器(43)的固定电刷，通过电刷，将电源以滑动接触方式传到安装在主轴上的滑环，与滑环匹配的从滑环以固定导线将电源送到安装在桨毂(7)中心的控制器(42)，动平衡测控仪(41)的微处理器还通过无线电发送控制代码给控制器(42)的微处理器，控制器(42)的微处理器再根据控制代码的指令对单向泵进行控制。

3、如权利要求1所述的一种主动控制风力发电机浆叶动平衡的装置，其特征在于：所述的储液箱(1)是一种将远端固定在风力发电机叶片内部尖端、而近端与可伸缩管道(2)连接的弹性容积的波纹管式式器件。

4、如权利要求1所述的一种主动控制风力发电机浆叶动平衡的装置，其特征在于：所述的储液箱(1)是一种将远端固定在风力发电机叶片内部尖端、而近端与固定管道(2)连接的弹性容积的胶囊式器件。

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