專利名稱：現(xiàn)場校準(zhǔn)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的負(fù)載傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種現(xiàn)場校準(zhǔn)水平軸線式風(fēng)カ渦輪機(jī)的負(fù)載傳感器的方法，該風(fēng)カ渦輪機(jī)包括轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子包括槳轂和一定數(shù)目的風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片，葉片從槳轂沿徑向延伸，槳轂連接到包括發(fā)電機(jī)的傳動系上，發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成電能，其中所述ー定數(shù)目的葉片至少包括第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片，第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片設(shè)有定位在第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的第一截面中的一定數(shù)目的第一負(fù)載傳感器。新風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片越來越常設(shè)有用于控制目的和/或監(jiān) 測的負(fù)載傳感器。
背景技術(shù)：
來自于相同專利族的W008135789和EP2112375公開了ー種檢測風(fēng)カ渦輪機(jī)的葉片上的冰的形成的方法，其中葉片設(shè)有用于測量風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的機(jī)械應(yīng)變的纖維應(yīng)變傳感器。這些文獻(xiàn)描述了可通過使用単獨的校準(zhǔn)程序來校準(zhǔn)纖維應(yīng)變傳感器，其中定位槳距角以便葉片重量的最大分量分別作用在擺振方向傳感器和沿邊方向傳感器上。然后，風(fēng)カ渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子以恒定的速度旋轉(zhuǎn)，以便最大限度地減小空氣動カ和離心力，且在風(fēng)カ渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)上沒有電負(fù)載。針對風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的若干次回轉(zhuǎn)，在葉片處于固定槳距位置的情況下執(zhí)行校準(zhǔn)程序?？墒褂面i定至風(fēng)カ渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率的帶通過濾器來從數(shù)據(jù)中提取出正弦信號。W008020239和W008020240描述了ー種制造帶有設(shè)有光纖布拉格光柵傳感器的一定數(shù)目的風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)的方法。W009056869描述了ー種監(jiān)測風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片上的應(yīng)變的方法，其中至少三個應(yīng)變傳感器在其橫向平面中置于風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的ー個結(jié)構(gòu)部件中，其中將來自于應(yīng)變傳感器的應(yīng)變信號解析為沿兩個正交方向的應(yīng)變測量結(jié)果。DE102006036157公開了ー種校準(zhǔn)風(fēng)カ渦輪機(jī)的傳感器的方法。一旦發(fā)送起始信號，則在單獨的過程中執(zhí)行校準(zhǔn)。通過將轉(zhuǎn)子定位在制動位置而葉片處于水平位置且使葉片貫穿槳距循環(huán)來執(zhí)行校準(zhǔn)，此后分析來自于傳感器的數(shù)據(jù)信號。作為備選，將葉片保持在固定槳距角處，同時針對轉(zhuǎn)子的若干次旋轉(zhuǎn)收集數(shù)據(jù)。為了獲得可靠的測量結(jié)果，必須校準(zhǔn)負(fù)載傳感器。這可在エ廠中完成，但相對昂貴。如果出于ー些原因負(fù)載傳感器需要在對渦輪機(jī)的ー些操作之后再校準(zhǔn)，則拆卸葉片和將葉片運送至エ廠來進(jìn)行校準(zhǔn)將會非常昂貴，這對于離岸風(fēng)カ渦輪機(jī)尤其明顯。因此，就需要現(xiàn)場校準(zhǔn)傳感器的可能性，且優(yōu)選地在葉片安裝到風(fēng)カ渦輪機(jī)上時進(jìn)行，且更優(yōu)選地在風(fēng)カ渦輪機(jī)的正常操作期間進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于獲得ー種新方法，該方法克服或改進(jìn)了現(xiàn)有技術(shù)的至少ー個缺點，或該方法提供了有用的備選方案。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，通過本方法達(dá)到目的，該方法包括以下步驟a)確定轉(zhuǎn)子方位角山)確定第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的槳距角；c)使用第一負(fù)載傳感器測量所述第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的第一截面中的負(fù)載；d)至少基于在步驟a)和步驟b)中確定的所述轉(zhuǎn)子方位角和所述葉片的槳距角來計算理論負(fù)載；e)將步驟c)中測量的負(fù)載與步驟d)中計算出的理論負(fù)載相比較；以及f)基于步驟e)的比較來校準(zhǔn)所述第一負(fù)載傳感器，其中所述校準(zhǔn)僅基于切斷發(fā)電機(jī)時執(zhí)行的測量，以及其中為各個樣本重復(fù)地采樣和計算步驟a)至步驟d)中收集的值。本原理的優(yōu)點在于，有可能在葉片安裝在渦輪機(jī)上吋，S卩，不需要從渦輪機(jī)拆下葉片，現(xiàn)場校準(zhǔn)傳感器。在渦輪機(jī)運轉(zhuǎn)且連接到電網(wǎng)上時可執(zhí)行校準(zhǔn)。系統(tǒng)連續(xù)地記錄相關(guān)數(shù)據(jù)(渦輪機(jī)操作狀況和傳感器測量結(jié)果)，且一段時間之后，系統(tǒng)收集到足夠的數(shù)據(jù)而能夠完成傳感器的可靠校準(zhǔn)。校準(zhǔn)是全自動完成的。沒有特別的校準(zhǔn)程序，即，不需要人員交互或不需要對渦輪機(jī)執(zhí)行特別的策略。所有數(shù)據(jù)都是在渦輪機(jī)正常操作期間收集的。然而， 大部分有用的數(shù)據(jù)將主要在渦輪機(jī)在低風(fēng)速下空轉(zhuǎn)和在渦輪機(jī)啟動期間的情形中收集的。這些操作情形相對頻繁地出現(xiàn)，所以在系統(tǒng)收集到足夠的數(shù)據(jù)來完成校準(zhǔn)之前僅是時間問題。當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)地再校準(zhǔn)傳感器時，有可能檢測到校準(zhǔn)值中的突然變化，這可指出抗彎剛度中的變化。這可掲示葉片的老化或可能的損壞。通過基于轉(zhuǎn)子方位角和葉片的槳距角兩者來計算各個樣本的理論負(fù)載，就減輕了對保持兩個參數(shù)中的一個參數(shù)固定的需求，且兩個參數(shù)都可在樣本之間變化。例如，相比于EP2112375和DE 102006036157，這意味著可連續(xù)地執(zhí)行傳感器的校準(zhǔn)，且傳感器的校準(zhǔn)不必經(jīng)歷特別的校準(zhǔn)過程。當(dāng)風(fēng)カ渦輪機(jī)狀況在給定參數(shù)內(nèi)時，可改為自動地收集校準(zhǔn)樣本。另外，由于將各個樣本與単獨地計算的理論負(fù)載相比較，故可更為精確地執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的自動校準(zhǔn)方法，其中可考慮若干參數(shù)。相反地，現(xiàn)有技術(shù)的校準(zhǔn)方法則依靠可從間距循環(huán)或轉(zhuǎn)子循環(huán)中提取正弦數(shù)據(jù)的簡化狀況。實際上，此種數(shù)據(jù)將很少是真正的正弦曲線。用語“切斷”意思是發(fā)電機(jī)未連接到電網(wǎng)上，且因此不將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成電，S卩，主軸轉(zhuǎn)矩大約為零。這進(jìn)ー步暗示了也未觸動緊急制動。根據(jù)有利的實施例，僅有在風(fēng)カ渦輪機(jī)空轉(zhuǎn)時和/或在渦輪機(jī)啟動期間執(zhí)行的測量才用于校準(zhǔn)負(fù)載傳感器。換言之，從校準(zhǔn)過程中丟棄其余測量數(shù)據(jù)。根據(jù)另一有利的實施例，風(fēng)カ渦輪機(jī)包括兩個或三個風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片?？舍槍Ω鱾€風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片執(zhí)行校準(zhǔn)過程。根據(jù)又一有利的實施例，重復(fù)地采樣步驟a)至d)中和可選的步驟e)中確定的值，且其中在預(yù)定時間周期之后或在記錄了預(yù)定數(shù)目的不同樣本之后，或者是一定數(shù)目的不同樣本超過最小閾值，執(zhí)行步驟f)，通過取決于數(shù)據(jù)的分布和采樣頻率的函數(shù)來確定最小閾值。在一個實施例中，風(fēng)カ渦輪機(jī)還包括用于使轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)制動的制動器，且其中僅有未接合制動器時執(zhí)行的測量才用于校準(zhǔn)負(fù)載傳感器。即，如果接合制動器，則從校準(zhǔn)過程丟棄測量數(shù)據(jù)。在ー個有利的實施例中，第一截面包括至少兩個負(fù)載傳感器。因此，即使兩個傳感器未置于準(zhǔn)確的彎曲軸線上，也有可能通過疊加來減除擺振方向的彎矩和沿邊方向的彎矩。至少兩個負(fù)載傳感器可包括置于第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的后緣附近的第一負(fù)載傳感器，以及置于第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的吸入側(cè)或壓力側(cè)處的第一風(fēng)カ渦輪機(jī)的前緣與后緣之間的第二負(fù)載傳感器。這提供了有利的實施例，其中第一負(fù)載傳感器和第二負(fù)載傳感器分別置于葉片的第一主要彎曲軸線和第二主要彎曲軸線附近。根據(jù)另ー實施例，至少兩個負(fù)載傳感器中的ー個或兩個置于葉片的主要彎曲軸線上。根據(jù)另ー實施例，第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片還設(shè)有定位在第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的第二截面中的一定數(shù)目的第二負(fù)載傳感器。為第一負(fù)載傳感器的校準(zhǔn)執(zhí)行的相同校準(zhǔn)步驟應(yīng)當(dāng)也為第二負(fù)載傳感器的校準(zhǔn)執(zhí)行。第一風(fēng)カ渦輪機(jī)可包括僅在I個至5個不同截面中，有利地僅在I個至4個不同截面中，且更有利地僅在I個至3個不同截面中的負(fù)載傳感器。第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片甚至可包括僅在I個至2個不同截面中的負(fù)載傳感器。因此，僅為少數(shù)負(fù)載傳感器執(zhí)行測量和校準(zhǔn)，這總體上降低了系統(tǒng)的計算復(fù)雜性。根據(jù)ー個有利的實施例，步驟d)的計算基于來自于第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的自身重量的重力和/或重力矩?？苫谝韵聟?shù)中的一個或多個通過坐標(biāo)變換來有利地執(zhí)行計算傳動系的主軸承的傾斜度、轉(zhuǎn)子方位角、第一葉片的槳距角和第一葉片的錐角。此外，可使用基于葉片坐標(biāo)系與主要彎曲軸線之間的角的坐標(biāo)變換。
根據(jù)另一有利的實施例，步驟d)的計算還基于來自于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)的慣性カ和/或慣性矩。此種附加因素給校準(zhǔn)過程增加進(jìn)ー步的精度。慣性カ可有利地基于離心力和/或科里奧利力和/或由轉(zhuǎn)子加速度造成的力。此外，有可能將由風(fēng)力渦輪機(jī)的偏航造成的慣性力加至計算中。這給校準(zhǔn)過程增加甚至進(jìn)一歩的精度。根據(jù)又ー實施例，步驟d)的計算還基于來自于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)和/或來自于沖擊第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的風(fēng)的空氣動カ和/或空氣動カカ矩。此種カ趨于加速轉(zhuǎn)子。另外，此種因素給該校準(zhǔn)方法增加甚至進(jìn)ー步的精度。此外，步驟d)的計算還可有利地基于第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的總體性質(zhì)和置于第一截面外側(cè)的第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的一部分的總體性質(zhì)。因此，外側(cè)部分包括置于第一截面與葉片末梢之間的葉片的部分。總體性質(zhì)可基于以下參數(shù)中的ー個或多個質(zhì)量、質(zhì)量矩、慣性矩和慣性積。一旦計算出這些總體性質(zhì)，則可線性地執(zhí)行其余的計算，且其余的計算耗時很少，因為避免了經(jīng)過所有葉片截面的迭代。該創(chuàng)新方法實現(xiàn)了實時計算而不需要過大的計算能力。這意味著可在各個樣本之后立即處理測量結(jié)果，且校準(zhǔn)可連續(xù)地(即，實時地)運行。在一個實施例中，步驟d)的校準(zhǔn)還基于來自于傳動系的摩擦損失。另外，此種考慮因素給校準(zhǔn)過程增加甚至進(jìn)一歩的精度。根據(jù)有利的實施例，將根據(jù)以下方案中的ー個或多個來過濾測量數(shù)據(jù)。例如，有可能從校準(zhǔn)過程丟棄在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子速度超過發(fā)電機(jī)接入速度時獲得的測量數(shù)據(jù)，或者，在發(fā)電機(jī)接入和/或轉(zhuǎn)子速度超過轉(zhuǎn)子速度閾值吋，閾值可用于過濾數(shù)據(jù)，以避免由空氣動カ造成的不確定性。因此，可忽略高于該閾值的轉(zhuǎn)子速度下獲得的測量結(jié)果。還可從校準(zhǔn)過程丟棄在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子減速度超過轉(zhuǎn)子減速度閾值時獲得的測量數(shù)據(jù)。此外，可從校準(zhǔn)過程丟棄在轉(zhuǎn)子的絕對轉(zhuǎn)子速度低于最低轉(zhuǎn)子速度閾值時獲得的測量數(shù)據(jù)。另外，可從校準(zhǔn)過程丟棄在第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的槳距高于最大槳距閾值時獲得的測量數(shù)據(jù)。此外，可從校準(zhǔn)過程丟棄在第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的槳距低于最小槳距閾值時獲得的測量數(shù)據(jù)。很難構(gòu)造出保留所有可靠數(shù)據(jù)且丟棄所有不可靠數(shù)據(jù)的完美過濾器。實際上，將總是存在ー些重疊。用前述過濾技術(shù)，可能丟棄ー些可靠數(shù)據(jù)，但更重要的是丟棄了所有不可靠的數(shù)據(jù)。然而，仍保留了足量的數(shù)據(jù)來執(zhí)行可靠且準(zhǔn)確的校準(zhǔn)。例如，校準(zhǔn)過程可基于例如通過最小二乗法的數(shù)據(jù)擬合，如曲線擬合或平面擬合。例如，可在包括前述力和/或力矩的三個空間分量的三維圖中執(zhí)行平面擬合。負(fù)載傳感器可為任何適合的傳感器，例如但不限于電阻應(yīng)變計、壓電應(yīng)變計或纖維布拉格光柵或其它纖維傳感器。通常從風(fēng)カ渦輪機(jī)的操作狀況中獲知轉(zhuǎn)子方位角、葉片槳距角和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。然而，原則上可以通過使用例如加速計或其它適合的測量裝置來推導(dǎo)出這些參數(shù)。原則上，在發(fā)電機(jī)接入時校準(zhǔn)傳感器也是可行的，但這給計算增加復(fù)雜性，因為可能需要主軸轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確測量。在此情形中，該方法僅包括步驟a)至f)。因 此，校準(zhǔn)例如可僅基于在風(fēng)速低于預(yù)定風(fēng)速閾值和/或轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于預(yù)定轉(zhuǎn)子速度閾值時獲得的測量結(jié)果和/或任何前述實施例和過濾方法。然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，如果轉(zhuǎn)子速度相對較高，和/或槳距角相對較低(這一般是在發(fā)電機(jī)接入時的情況)，則葉片上的空氣動カ可將不確定性的主要元素引入理論計算中。在特別的情形中，有可能使校準(zhǔn)基于發(fā)電機(jī)在較低轉(zhuǎn)子速度下接入且槳距角相對較高時的數(shù)據(jù)。然而，這是風(fēng)カ渦輪機(jī)的不正常的操作狀況。根據(jù)第二方面，本發(fā)明還提供了ー種風(fēng)カ渦輪機(jī)，其包括轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子包括槳轂和一定數(shù)目的風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片，所述葉片從槳轂沿徑向延伸，所述槳轂連接到包括發(fā)電機(jī)的傳動系上，所述發(fā)電機(jī)將所述轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成電能，其中所述一定數(shù)目的葉片至少包括第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片，所述第一風(fēng)渦輪機(jī)葉片設(shè)有一定數(shù)目的第一負(fù)載傳感器，所述第一負(fù)載傳感器至少包括定位在所述第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的第一截面中的主負(fù)載傳感器和副負(fù)載傳感器。所述風(fēng)カ渦輪機(jī)還設(shè)有用于校準(zhǔn)第一負(fù)載傳感器的校準(zhǔn)系統(tǒng)，所述校準(zhǔn)系統(tǒng)包括提取裝置，其用于確定所述風(fēng)カ渦輪機(jī)的操作參數(shù)且至少確定轉(zhuǎn)子方位角和所述第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的槳距角，優(yōu)選地還確定所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子速度；記錄裝置，其連續(xù)地記錄樣本，所述樣本包括從所述第一負(fù)載傳感器獲得的負(fù)載測量結(jié)果和所述風(fēng)カ渦輪機(jī)的操作參數(shù)；用于基于所述樣本計算理論負(fù)載的計算裝置；用于比較所述理論負(fù)載和負(fù)載測量結(jié)果的比較裝置；以及用于基于從所述比較裝置獲得的值來校準(zhǔn)所述第一負(fù)載傳感器的校準(zhǔn)裝置。所述風(fēng)カ渦輪機(jī)可適于執(zhí)行任何前述方法實施例。


本發(fā)明在下文中參照附圖所示的實施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，在附圖中
圖I示出風(fēng)カ渦輪機(jī)；
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)有負(fù)載傳感器的風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片；
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的在校準(zhǔn)方法中使用的轉(zhuǎn)子方位角；
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的在校準(zhǔn)方法中使用的機(jī)艙坐標(biāo)系；
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的在校準(zhǔn)方法中使用的主軸承坐標(biāo)系；
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的在校準(zhǔn)方法中使用的葉片軸承坐標(biāo)系；
圖7示出根據(jù)本發(fā)明的在校準(zhǔn)方法中使用的葉片坐標(biāo)系和輪廓坐標(biāo)系；
圖8進(jìn)ー步示出根據(jù)本發(fā)明的在校準(zhǔn)方法中使用的風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的總體性質(zhì)；
圖9示出來自于風(fēng)カ渦輪機(jī)啟動模擬的數(shù)據(jù)；
圖10示出隨時間變化的模擬的重力和慣性負(fù)載；圖11示出基于根據(jù)本發(fā)明的校準(zhǔn)方法的隨時間變化的計算的重力和慣性負(fù)載；
圖12示出計算的與模擬的重力和慣性負(fù)載之間的差異；
圖13示出隨時間變化的模擬的空氣動カ負(fù)載；
圖14示出基于根據(jù)本發(fā)明的校準(zhǔn)方法的隨時間變化的計算的空氣動カ負(fù)載；
圖15示出計算的與模擬的空氣動カ負(fù)載之間的差異； 圖16a-c示出在沒有數(shù)據(jù)過濾的情況下的計算的負(fù)載對模擬的負(fù)載；以及 圖17a-c示出在數(shù)據(jù)過濾之后的計算的負(fù)載對模擬的負(fù)載。
具體實施例方式I.介紹
新風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片越來越常設(shè)有用于控制目的和/或監(jiān)測的負(fù)載傳感器。為了獲得可靠的測量結(jié)果，必須校準(zhǔn)負(fù)載傳感器。這可在エ廠中完成，但相對昂貴。如果出于ー些原因負(fù)載傳感器需要在對渦輪機(jī)的ー些操作之后再校準(zhǔn)，則拆卸葉片和將葉片運送至エ廠來進(jìn)行校準(zhǔn)將會非常昂貴。因此，就需要現(xiàn)場校準(zhǔn)傳感器的可能性，且優(yōu)選地在葉片安裝到渦輪機(jī)上時進(jìn)行。該文獻(xiàn)描述了ー種用于在渦輪機(jī)運轉(zhuǎn)且連接到電網(wǎng)上時在現(xiàn)場全自動校準(zhǔn)傳感器的原理。描述了方法和思路，且提出了用于自動校準(zhǔn)裝置的軟件中執(zhí)行所需的方程式。圖I示出根據(jù)所謂“丹麥原理”的常規(guī)現(xiàn)代逆風(fēng)風(fēng)カ渦輪機(jī)，其具有塔架4、機(jī)艙6和具有大致水平的轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子包括槳轂8和從槳轂8沿徑向延伸的三個葉片10，各個葉片10分別具有最接近槳轂的葉片根部16和最遠(yuǎn)離槳轂8的葉片末梢14。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片10的第一實施例的示意圖。風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片10具有常規(guī)風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的形狀，且包括最接近槳轂的根部區(qū)30、最遠(yuǎn)離槳轂的成型區(qū)或翼型區(qū)34、以及根部區(qū)30與翼型區(qū)34之間的過渡區(qū)32。葉片10包括在葉片安裝到槳轂上時面對葉片10的旋轉(zhuǎn)方向的前緣18、以及面對前緣18的相反方向的后緣20。翼型區(qū)34 (也稱為成型區(qū))具有相對于產(chǎn)生升力理想的或近乎理想的葉片形狀，而根部區(qū)30由于結(jié)構(gòu)考慮而具有大致圓形或橢圓形的截面，例如，這使得將葉片10安裝至槳轂更容易和更安全。根部區(qū)30的直徑(或翼弦)通常沿整個根部區(qū)30是恒定的。過渡區(qū)32具有從根部區(qū)30的圓形或橢圓形狀40逐漸變成翼型區(qū)34的翼型輪廓的過渡輪廓。過渡區(qū)32的寬度通常隨離槳轂的距離增大而大致線性地増大。翼型區(qū)34具有帶翼弦的翼型輪廓，翼弦在葉片10的前緣18與后緣20之間延伸。翼弦的寬度隨離槳轂的距離增大而減小。應(yīng)當(dāng)注意的是，葉片不同截面的翼弦一般不會處于公共平面內(nèi)，因為葉片可能是扭曲的和/或彎曲的(即，預(yù)彎曲的)，因而給翼弦平面提供了對應(yīng)的扭曲和/或彎曲路線，這是最普遍的情況，以便補償取決于從槳轂的半徑的葉片局部速度。根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片10設(shè)有置于葉片10的第一截面42中的第一負(fù)載傳感器(第一擺振傳感器)21和另ー負(fù)載傳感器(第一邊緣傳感器)22，以及置于葉片的第二截面43中的第二擺振傳感器23和第二邊緣傳感器24。用于校準(zhǔn)過程的計算基于第15段中包含的和在圖3至圖7中示出的參數(shù)。圖3示出帶有包括三個風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的轉(zhuǎn)子的風(fēng)カ渦輪機(jī)，風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片包括第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片10’。當(dāng)葉片10’沿風(fēng)カ渦輪機(jī)的塔架的縱軸線50指向下時，將第ー風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片10’的轉(zhuǎn)子方位角V限定為O度。因此，轉(zhuǎn)子方位角V設(shè)定為塔架的縱軸線50與第一葉片10’的縱軸線52之間的角。為了計算，第二和第三風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的轉(zhuǎn)子方位角分別從第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片10’的轉(zhuǎn)子方位角V轉(zhuǎn)移120度和-120度。圖4至圖6示出了示出根據(jù)本發(fā)明的在校準(zhǔn)方法中使用的其它參數(shù)的風(fēng)カ渦輪機(jī)的簡化模型。該模型示出塔架的縱軸線50、風(fēng)カ渦輪機(jī)的傳動系的主軸承的縱軸線51、以及第ー風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片10’的縱軸線52。圖4還示出在校準(zhǔn)過程中使用的機(jī)艙坐標(biāo)系，其中X軸線定向在風(fēng)カ渦輪機(jī)的順風(fēng)方向上，z軸線定向為沿塔架的縱軸線50向下，而y軸線垂直于X軸線和z軸線。圖5示出固定主軸承坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系，其中在第一葉片10’指向下，轉(zhuǎn)子方位角V等于O度的情況下繪出模型。X軸線定向在沿主軸承的縱軸線51的風(fēng)カ渦輪機(jī) 的順風(fēng)方向上，y軸線定向在與機(jī)艙坐標(biāo)系的I軸線相同的方向上，而z軸線垂直X軸線和y軸線。轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系圍繞X軸線旋轉(zhuǎn)，且機(jī)艙坐標(biāo)系的坐標(biāo)可經(jīng)由傾角r變換成固定主軸承坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系，傾角丁限定為主軸承的縱軸線51與水平面之間的角。圖6示出葉片軸承坐標(biāo)系和葉片坐標(biāo)系，其中在第一葉片的槳距角β等于O度的情況下繪出模型。ζ軸線定向為沿第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的縱軸線52向上，X軸線定向在與機(jī)艙坐標(biāo)系的y軸線相同的方向上，而y軸線定向在垂直于X軸線和ζ軸線的順風(fēng)方向上，且因此還垂直于第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的縱軸線52。葉片軸承坐標(biāo)系繞轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，且葉片坐標(biāo)系基于葉片槳距〃相對于葉片軸承坐標(biāo)系圍繞ζ軸線旋轉(zhuǎn)。經(jīng)由第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的槳距角β和限定為第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的縱軸線52與垂直于主軸承的縱軸線51的平面之間的角的錐角r，可以將固定主軸承坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換成葉片軸承坐標(biāo)系和葉片坐標(biāo)系。圖7示出第一風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片的第一截面42的輪廓，且示出葉片坐標(biāo)系28與輪廓坐標(biāo)系29之間的關(guān)系。葉片輪廓包括在葉片輪廓的彈性中心27中彼此交叉的第一主要彎曲軸線25和第二主要彎曲軸線26。輪廓坐標(biāo)系29具有其在弾性中心27中的原點，且x軸線和I軸線分別與第一主要彎曲軸線25和第二主要彎曲軸線26對準(zhǔn)，而ζ軸線定向為垂直于X軸線和I軸線。經(jīng)由角f可將葉片坐標(biāo)系28變換成輪廓坐標(biāo)系29，角f限定為葉片坐標(biāo)系28與主要彎曲軸線25、26之間的角?？吹降氖?，第一擺振傳感器21置于第一主要彎曲軸線25附近的后緣處，而第一邊緣傳感器22置于第二主要彎曲軸線26附近的葉片輪廓的吸入側(cè)處。2.原理的描述
本文獻(xiàn)中描述的現(xiàn)場自動校準(zhǔn)原理的基礎(chǔ)為帶配備有纖維傳感器系統(tǒng)(如纖維布拉格光柵傳感器系統(tǒng))的LM61. 5P2葉片的RE-power 5M渦輪機(jī)，纖維傳感器系統(tǒng)由置于Z=-8.12 m處的兩個傳感器21、22 (如圖2和圖7中所示的一個擺振傳感器和ー個邊緣傳感器)、以及在ζ = -23.12 m處的兩個傳感器23、24構(gòu)成，每個葉片總共四個傳感器。參看圖6，應(yīng)注意的是，由于ζ軸線指向遠(yuǎn)離末梢，故截面置于ζ的負(fù)值處。傳感器21-24在它們所安裝的位置處測量葉片中的應(yīng)變。擺振傳感器21、23和邊緣傳感器22、24不必準(zhǔn)確地安裝到主要彎曲軸線25、26上，但有可能通過疊加的原理，使用ー個葉片截面中的兩個傳感器測量結(jié)果的組合來計算擺振方向和沿邊方向的彎矩。
本原理的優(yōu)點在于，有可能在葉片安裝在渦輪機(jī)上時，在現(xiàn)場校準(zhǔn)傳感器21-24。不需要從渦輪機(jī)拆下葉片。在渦輪機(jī)運轉(zhuǎn)且連接到電網(wǎng)上時執(zhí)行校準(zhǔn)。系統(tǒng)連續(xù)地記錄相關(guān)數(shù)據(jù)(渦輪機(jī)操作狀況和傳感器測量結(jié)果)，且一段時間之后，系統(tǒng)收集到足夠的數(shù)據(jù)而能夠完成傳感器的可Φ校準(zhǔn)。校準(zhǔn)是全自動完成的。沒有特別的校準(zhǔn)程序，即，不需要人員交互或不需要對渦輪機(jī)做出特別的策略。所有數(shù)據(jù)都是在渦輪機(jī)的正常操作期間收集的。然而，大部分有用的數(shù)據(jù)將主要是在渦輪機(jī)在低風(fēng)速下空轉(zhuǎn)和在渦輪機(jī)啟動期間的情形中收集的。這些操作情形相對頻繁地出現(xiàn)，所以在系統(tǒng)收集到足夠的數(shù)據(jù)來完成校準(zhǔn)之前僅是時間問題。當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)地再校準(zhǔn)傳感器吋，有可能檢測到校準(zhǔn)值中的突然變化，這可指出抗彎剛度中的變化。這可掲示葉片的老化或可能的損壞。
3.方法
在下文中，描述了使得有可能使現(xiàn)場校準(zhǔn)成為可能的簡單構(gòu)想。為了完成校準(zhǔn)，在葉片受到已知的負(fù)載吋，就需要來自于傳感器21-24的測量結(jié)果。負(fù)載在傳感器位置處導(dǎo)致了葉片中的應(yīng)變。如果負(fù)載是已知的，則有可能計算出理論應(yīng)變水平。如果傳感器測量結(jié)果未示出該值，則應(yīng)當(dāng)對應(yīng)地校準(zhǔn)傳感器來示出正確的值。通過轉(zhuǎn)子為非旋轉(zhuǎn)的且定位在90°方位角處(即，葉片懸置在水平位置上)的情況，可將已知負(fù)載施加到葉片上。當(dāng)葉片自身重量カ矩已知時，有可能計算出靜應(yīng)變水平。通過使葉片在0°和90°處變槳，就可分別在沿邊方向和擺振方向的方向上施加自身重量負(fù)載，從而實現(xiàn)了兩個傳感器21至24的校準(zhǔn)。為所有三個葉片重復(fù)該程序。上述構(gòu)想需要渦輪機(jī)在校準(zhǔn)期間做出特別的策略。為了將此避免，使用根據(jù)本發(fā)明的更為復(fù)雜的方法。不管方位角Ψ和槳距角〃，有可能使用一些坐標(biāo)變換來計算葉片上的自身重量負(fù)載。如果渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)和/或葉片變槳，則動カ(離心力和科里奧利力)作用在葉片上。如果旋轉(zhuǎn)加速，則慣性力也作用在葉片上。理論上可計算所有這些力。該方法在本自動校準(zhǔn)原理中使用。此外，如果存在一些風(fēng)或旋轉(zhuǎn)，則空氣動カ將作用在葉片上。這些カ將趨于加速轉(zhuǎn)子，且基于轉(zhuǎn)子加速率，増加了簡化的空氣動カ模型以考慮到這一點。還增加了傳動系中的摩擦損失的模型以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。可通過將葉片分成若干截面，且逐級穿過所有葉片截面來總計負(fù)載而計算出負(fù)載。為各個時間樣本完成這些迭代計算需要大量的計算能力。因此，發(fā)明出了較好的方法。代替總計葉片截面的負(fù)載，可使用整個葉片和葉片的一部分的ー些總體性質(zhì)，例如質(zhì)量、質(zhì)量矩、力矩和慣性積等來計算負(fù)載，葉片的該部分為傳感器的截面的外面或外側(cè)。一旦計算出這些總體性質(zhì)，則可線性地執(zhí)行其余的計算，且其余的計算耗時很少，因為避免了通過所有葉片截面的迭代。該創(chuàng)新方法實現(xiàn)了實時計算而不需要過大的計算能力。這意味著可在各個樣本之后立即處理測量結(jié)果，且校準(zhǔn)可連續(xù)地運行。由于ー些模型的不確定性和局限性，故不是所有樣本都可用于校準(zhǔn)，所以必須過濾收集到的數(shù)據(jù)。最后，當(dāng)收集到足夠的數(shù)據(jù)時，可在三維圖中相對于測量的應(yīng)變水平繪出理論上計算出的負(fù)載。結(jié)果應(yīng)當(dāng)為其中大多數(shù)數(shù)據(jù)點定位成接近平面的圖。對于校準(zhǔn)，函數(shù)描述了測量的應(yīng)變水平至理論上計算的負(fù)載的映射。例如，使用最小二乗法找出最佳擬ロ O4.用于渦輪機(jī)和葉片數(shù)據(jù)的通用方程式
為了準(zhǔn)備將為各個時間樣本完成的計算，首先必須完成ー些一般一勞永逸的計算。在下文中，將葉片認(rèn)作是剛形本體，且將忽略渦輪機(jī)的彈性變形。還參看圖8，通過方程式4. I計算從轉(zhuǎn)子中心到第一傳感器21、22所在的第一截面的徑向距離。如果存在ー個以上帶有傳感器的截面(例如，每個葉片兩個截面)，則必須単獨地計算各個截面的距離。
權(quán)利要求
1.一種現(xiàn)場校準(zhǔn)水平軸線式風(fēng)力渦輪機(jī)的負(fù)載傳感器的方法，所述風(fēng)力渦輪機(jī)包括 轉(zhuǎn)子，其包括槳轂和一定數(shù)目的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，所述葉片從所述槳轂沿徑向延伸，所述槳轂連接到包括發(fā)電機(jī)的傳動系上，所述發(fā)電機(jī)將所述轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成電能，其中 所述一定數(shù)目的葉片至少包括第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片設(shè)有定位在所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的第一截面中的一定數(shù)目的第一負(fù)載傳感器，以及其中 所述方法包括以下步驟 a)確定所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的轉(zhuǎn)子方位角； b)確定所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的槳距角； c)使用所述第一負(fù)載傳感器測量所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的第一截面中的負(fù)載； d)至少基于在步驟a)和步驟b)中確定的所述轉(zhuǎn)子方位角和所述葉片的槳距角來計算理論負(fù)載； e)將步驟c)中測量的所述負(fù)載與步驟d)中計算出的所述理論負(fù)載相比較；以及 f)基于步驟e)的比較來校準(zhǔn)所述第一負(fù)載傳感器，其中 所述校準(zhǔn)僅基于切斷所述發(fā)電機(jī)時執(zhí)行的測量，以及其中為各個樣本重復(fù)地采樣和計算步驟a)至步驟d)中收集的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，重復(fù)地采樣步驟a)至步驟d)中和可選的步驟e)中確定的值，以及其中在預(yù)定時間周期之后或記錄了預(yù)定數(shù)目的不同樣本之后，或者是一定數(shù)目的不同樣本超過最小閾值之后，執(zhí)行步驟f)，通過取決于數(shù)據(jù)的分布和采樣頻率的函數(shù)來確定最小閾值。
3.根據(jù)權(quán)利要求I和2所述的方法，其中，所述風(fēng)力渦輪機(jī)還包括用于使所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)制動的制動器，以及其中僅有未接合所述制動器時執(zhí)行的測量才用于校準(zhǔn)所述負(fù)載傳感器。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述第一截面包括至少兩個負(fù)載傳感器，所述至少兩個負(fù)載傳感器包括第一負(fù)載傳感器和第二負(fù)載傳感器，有利的是所述第一負(fù)載傳感器置于所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的后緣附近，以及所述第二負(fù)載傳感器置于所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的吸入側(cè)或壓力側(cè)處的所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)的前緣與所述后緣之間。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片還設(shè)有定位在所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的第二截面中的一定數(shù)目的第二負(fù)載傳感器。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，步驟d)的所述計算基于來自于所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的自身重量的重力和/或重力矩。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，步驟d)的所述計算還基于來自于所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)的慣性力和/或慣性矩。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，步驟d)的所述計算還基于來自于所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)和/或來自于沖擊所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的風(fēng)的空氣動力和/或空氣動力力矩。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，步驟d)的所述計算還基于所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的總體性質(zhì)和置于所述第一截面外側(cè)處的所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的一部分的總體性質(zhì)，其中所述總體性質(zhì)基于以下參數(shù)中的一個或多個質(zhì)量、質(zhì)量矩、慣性矩和慣性積。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，步驟d)的所述計算還基于來自于所述傳動系的摩擦損失。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，從所述校準(zhǔn)過程丟棄在所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子速度超過發(fā)電機(jī)接入速度時獲得的測量數(shù)據(jù)，和/或從所述校準(zhǔn)過程丟棄所述轉(zhuǎn)子的絕對轉(zhuǎn)子速度低于最低轉(zhuǎn)子速度閾值時獲得的測量數(shù)據(jù)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，從所述校準(zhǔn)過程丟棄在所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子減速度超過轉(zhuǎn)子減速度閾值時獲得的測量數(shù)據(jù)。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，從所述校準(zhǔn)過程丟棄在所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的槳距高于最大槳距閾值時獲得的測量數(shù)據(jù)，和/或從所述校準(zhǔn)過程丟棄在所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的槳距低于最小槳距閾值時獲得的測量數(shù)據(jù)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述校準(zhǔn)過程基于例如通過最小二乘法的數(shù)據(jù)擬合，如曲線擬合或平面擬合。
15.一種風(fēng)力潤輪機(jī),包括 轉(zhuǎn)子，其包括槳轂和一定數(shù)目的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，所述葉片從所述槳轂沿徑向延伸，所述槳轂連接到包括發(fā)電機(jī)的傳動系上，所述發(fā)電機(jī)將所述轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成電能，其中 所述一定數(shù)目的葉片至少包括設(shè)有一定數(shù)目的第一負(fù)載傳感器的第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，所述第一負(fù)載傳感器至少包括定位在所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的第一截面中的主負(fù)載傳感器和副負(fù)載傳感器，其特征在于，所述風(fēng)力渦輪機(jī)還設(shè)有用于校準(zhǔn)所述第一負(fù)載傳感器的校準(zhǔn)系統(tǒng)，所述校準(zhǔn)系統(tǒng)包括 提取裝置，其用于確定所述風(fēng)力渦輪機(jī)的操作參數(shù)且至少確定轉(zhuǎn)子方位角和所述第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的槳距角，優(yōu)選地還確定所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子速度； 記錄裝置，其連續(xù)地記錄包括從所述第一負(fù)載傳感器獲得的負(fù)載測量結(jié)果的樣本，以及所述風(fēng)力渦輪機(jī)的操作參數(shù)； 計算裝置，其用于基于所述樣本來計算各個樣本的理論負(fù)載； 比較裝置，其用于比較所述理論負(fù)載和負(fù)載測量結(jié)果；以及 校準(zhǔn)裝置，其用于基于從所述比較裝置獲得的值來校準(zhǔn)所述第一負(fù)載傳感器。
全文摘要
描述了一種現(xiàn)場校準(zhǔn)水平軸線式風(fēng)力渦輪機(jī)的負(fù)載傳感器的方法。風(fēng)力渦輪機(jī)包括轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子包括槳轂和一定數(shù)目的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，葉片從槳轂沿徑向延伸，槳轂連接到包括發(fā)電機(jī)的傳動系上，發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成電能，其中所述一定數(shù)目的葉片至少包括設(shè)有一定數(shù)目的第一負(fù)載傳感器的第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，第一負(fù)載傳感器定位在第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的第一截面中。該方法包括以下步驟a)確定第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的轉(zhuǎn)子方位角；b)確定第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的槳距角；c)使用第一負(fù)載傳感器測量第一風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的第一截面中的負(fù)載；d)至少基于在步驟a)和步驟b)中確定的轉(zhuǎn)子方位角和葉片的槳距角來計算理論負(fù)載；e)將步驟c)中測量的負(fù)載與步驟d)中計算出的理論負(fù)載相比較；以及f)基于步驟e)的比較來校準(zhǔn)第一負(fù)載傳感器，其中校準(zhǔn)僅基于切斷發(fā)電機(jī)時執(zhí)行的測量。
文檔編號F03D7/02GK102713263SQ201180008008
公開日2012年10月3日 申請日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月1日
發(fā)明者M.O.斯洛特 申請人:Lm 玻璃纖維制品有限公司