專利名稱：檢測風力渦輪機轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)葉片槳距角失衡的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測風カ渦輪機的轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)(全稱為轉(zhuǎn)子葉片系統(tǒng))的葉片槳距角失衡(或稱不平衡)的方法和裝置，其中轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。特別地，本發(fā)明涉及用于檢測風カ渦輪機的轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的葉片槳距角失衡的方法和裝置，其能夠減少在風カ渦輪機塔頂、基架、主軸處和在轉(zhuǎn)子葉片處的疲勞和不必要的負載。
背景技術(shù)：
風カ渦輪機可包括風カ渦輪機塔、安裝在風カ渦輪機塔之上的吊艙，其中吊艙支撐安裝有一個或更多轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸。進ー步地，為了根據(jù)瞬時風向?qū)D(zhuǎn)子葉片進行定向，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線，即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸可環(huán)繞或圍繞偏航軸線轉(zhuǎn)動，偏航軸線可為橫向干，特別是垂直于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線，特別是沿著風カ渦輪機塔的縱向軸線延伸。特別地，容納或支撐轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的吊艙可相對于風力渦輪機塔圍繞偏航軸線轉(zhuǎn)動或旋轉(zhuǎn)，以使轉(zhuǎn)子葉片朝著風定向。 在傳統(tǒng)的風カ渦輪機系統(tǒng)中，連接到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的一個或更多轉(zhuǎn)子葉片的槳距角可使用某種零位標記設(shè)置。進ー步地，可通過不同的方法，例如安裝葉片模板、使用光學方法等測量槳距角。然而，已觀察到，在風カ渦輪機運行期間，風カ渦輪機旋轉(zhuǎn)軸的空氣動力學失衡造成風カ渦輪機頂部、基架、主旋轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子葉片處的過度疲勞和極限負載。因此，可妨礙，特別地減少風カ渦輪機的可靠性和耐久性?？赡苄枰糜跈z測風カ渦輪機的轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的葉片槳距角失衡的方法和裝置，其中包括在轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角失衡可被檢測，特別地在風カ渦輪機運行期間被檢測。特別地，可能需要節(jié)省成本的、可靠的和不需昂貴的測量設(shè)備就能以簡單的方式形成的用于檢測葉片槳距角失衡的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
這種需求可通過根據(jù)各獨立權(quán)利要求的主題滿足。本發(fā)明的優(yōu)選實施例通過各從屬權(quán)利要求描述。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了ー種用于檢測(特別是用于識別葉片槳距角失衡，特別是用于確定葉片槳距角失衡的度數(shù))風カ渦輪機的轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)(包括安裝于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個或更多個轉(zhuǎn)子葉片)的葉片槳距角失衡(特別是對于轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)所包括的至少兩個轉(zhuǎn)子葉片具有不同葉片槳距角的情形，其中葉片槳距角可限定相應(yīng)轉(zhuǎn)子葉片在轉(zhuǎn)子葉片沿轉(zhuǎn)子葉片的縱向軸線旋轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)位置)的方法，轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。因此，該方法包括使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線(特別地以及支撐轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸且圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的吊艙)圍繞橫向于特別地垂直于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線(從而使得，特別地，偏航軸線不平行于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線)的偏航軸線偏航(特別是轉(zhuǎn)動或旋轉(zhuǎn)或樞轉(zhuǎn))；獲得(特別是獲得電信號；特別是測量；特別是計算)表示因偏航(特別是為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線，偏航需要運用カ和/或扭矩和/或功率，其中負載信號可為從其中可獲得カ矩、力和/或?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動需要的能量的任何信號)引起的負載(特別是功率或扭矩)的負載信號(例如電負載信號和/或光負載信號)；關(guān)于負載信號(其中負載信號可由多個不同頻率分量組成，其中負載信號被特別地關(guān)于特殊的頻率分量進行分析，特別是為了確定頻率分量的存在、頻率分量的量值和/或頻率分量的相位)的頻率分量(特別是預(yù)定的頻率分量，特別是動態(tài)確定的頻率分量)分析(特別是分析關(guān)于暫時的行為或關(guān)于轉(zhuǎn)子方位角的負載信號，其中轉(zhuǎn)子方位角描述轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)在圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)時的角位置)負載信號(或特別是從負載信號引出的任何值)；并且基于分析的負載信號(特別是如果頻率分量的量值和/或相位滿足ー個或多個標準)檢測葉片槳距角失衡。可在制造風カ渦輪機期間或之后、在風カ渦輪機維修期間、在監(jiān)控風力渦輪機期間和/或在風カ渦輪機運行期間執(zhí)行本方法。特別地，本方法可作為用于檢測葉片槳距角失衡的實時的方法被執(zhí)行，如將在下面進ー步詳細地解釋，基于本方法檢測的葉片槳距角失衡可動態(tài)減少。
特別地，本方法可利用在傳統(tǒng)風力渦輪機系統(tǒng)中可利用的值和/或信號，例如用于對偏航致動器進行致動的功率信號和轉(zhuǎn)子方位角信號。特別地，為了關(guān)于風向正確地對準，風カ渦輪機可頻繁地向左右偏航。在偏航移動期間(即，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線圍繞偏航軸線旋轉(zhuǎn))，用于驅(qū)動偏航致動器的功率，例如電機可為用于獲得負載信號的有效的指示器。特別地，使用用于偏航致動器的功率可適于檢測轉(zhuǎn)子葉片槳距失衡，其表示安裝在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子葉片的ー個或多個的槳距角需要校準。特別地，當應(yīng)用本方法時，可確定ー個或多個葉片的靜態(tài)槳距角校準錯誤。因此，可使用一個或多個偏航致動器的功率測量信號，例如電氣和/或液壓致動電機、轉(zhuǎn)子方位角(例如通過加速計或編碼器獲得)和/或風速信號(例如通過使用風速計測量獲得)。當葉片槳距角失衡，例如葉片槳距角校準錯誤通過分析存儲的或連續(xù)獲得的負載信號被檢測時，對于那些具有校準錯誤的葉片，槳距角可被徹底地或連續(xù)地修正。負載信號的數(shù)據(jù)處理可以幾種方式進行。根據(jù)ー個實施例，在偏航受影響的多個時間間隔(其特別地不是彼此鄰近)期間，負載信號被存儲。特別地，為了舉ー些例子，偏航受到影響所在的時間間隔可跨度10到30秒。獲得的負載信號可存儲用于以后處理。特別地，偏航致動器信號、方位角信號和風速信號(和來自風カ渦輪機的其它信號或測量)的存儲數(shù)據(jù)可通過因特網(wǎng)連接、調(diào)制解調(diào)器和/或任何ー種網(wǎng)絡(luò)連接，例如像以太網(wǎng)或類似的連接容易取得。根據(jù)另ー個實施例，在風カ渦輪機運行期間(即在電能的產(chǎn)生和向電網(wǎng)供應(yīng)電能期間)獲得負載信號。特別地，可連續(xù)地執(zhí)行檢測葉片槳距角失衡，特別地在獲得足夠數(shù)量的負載信號的數(shù)據(jù)之后。無論如何，關(guān)于負載信號的數(shù)據(jù)可存儲用于以后處理。特別地，可能需要在轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的整個旋轉(zhuǎn)(或甚至幾個旋轉(zhuǎn))范圍內(nèi)，即在從0°到360°的轉(zhuǎn)子方位角范圍內(nèi)獲得負載信號。根據(jù)ー個實施例，分析負載信號包括確定頻率分量的量值(或稱大小)。特別地，頻率分量的量值可表示這個頻率分量的重要性，特別是與包括在負載信號中的其它的頻率分量的ー個或多個重要性相比。特別地，該量值也可被稱為頻率分量的振幅。特別地，當將負載信號分解成一連串的或完整的多個頻率分量時，多個頻率分量中的每ー個可通過振幅和相位表示其特征。通過確定頻率分量的振幅或量值，可容易地檢測葉片槳距角失衡。因此，本方法可被簡化并可被容易地執(zhí)行。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，獲得負載信號包括獲得用于多個時間點的負載信號。特別地，可在由恒定時間間隔隔開的多個時間點采樣負載信號。進ー步地，為了減少在負載信號中的錯誤，獲得負載信號可包括對負載信號進行濾波、平均或處理。進ー步地，低通濾波或/和帶通濾波可被應(yīng)用到負載信號。因此，可改進用于檢測葉片槳距角失衡的方法。特別地，對于多個時間點可獲得負載信號，從而覆蓋轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的ー個或多個完整的旋轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，用于檢測葉片槳距角失衡的方法進ー步包括獲得表示轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的方位角(表示轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的角位置，即轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的量)的轉(zhuǎn)子方位角信號，其中檢測葉片槳距失衡進一歩基于轉(zhuǎn)子方位角信號。特別地，在特定點及時獲得的負載信號可與在同一點獲得的轉(zhuǎn)子方位角信號關(guān)聯(lián)。特別地，可為已經(jīng)獲得負載信號的多個時間點獲得轉(zhuǎn)子方位角信號。進ー步地，在多個時間點獲得的負載信號可與在相應(yīng)的多個時間點獲得的轉(zhuǎn)子方位角信號關(guān)聯(lián)。從而，可獨立于轉(zhuǎn)子方位信號獲得負載信號。特別地，在特定點及時獲得的每個負載信號可與在同一點及時獲得的特定方位角關(guān)聯(lián)。因此，分析負載信號和檢測葉片槳距角失衡可被簡化。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，頻率分量對應(yīng)于轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)頻率。特別地，轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)頻率和從而頻率分量的頻率可隨時間改變，例如由于改變風速而改變。例如，如果轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)頻率為O. 25Hz，可關(guān)于具有O. 25Hz的頻率的頻率分量的量值和/或相位分析負載信號。對于根據(jù)實施例的檢測方法，可忽略其它頻率分量。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述分析進ー步包括確定另ー頻率分量(具有的頻率不同于所述頻率分量的頻率)的另ー量值，所述另ー頻率分量對應(yīng)于所述旋轉(zhuǎn)頻率乘以轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)所包括的轉(zhuǎn)子葉片數(shù)。例如，頻率分量的頻率可為O. 75Hz，則頻率分量的頻率或轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)頻率為O. 25Hz并且轉(zhuǎn)子葉片數(shù)為三。特別地，轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)所包括的轉(zhuǎn)子葉片數(shù)可 為兩個、三個、四個、五個、六個、七個或更多個。根據(jù)實施例，關(guān)于頻率分量和另ー頻率分量分析負載信號，但是可忽略其它頻率分量。因此，本方法可被簡化和加速。根據(jù)實施例，用于檢測葉片槳距角失衡的方法包括將所述量值和ー閾值相比較、和/或?qū)⑺隽愆`量值與另ー閾值相比較、和/或?qū)⑺隽恐蹬c所述另ー量值之差與一差異閾值相比較、和/或?qū)⑺隽恐蹬c所述另ー量值之比與一比率閾值相比較。特別地，該量值和另一量值的差異可通過從該量值減去另ー量值獲得。特別地，該量值和另ー量值的比率可通過另ー量值除該量值獲得。比較值和相應(yīng)的閾值可簡化本方法。根據(jù)本發(fā)明的實施例，如果所述量值超過所述閾值、和/或所述另ー量值降到所述另ー閾值之下、和/或所述量值與所述另ー量值之差超過所述差異閾值、和/或所述量值與所述另ー量值之比超過所述比率閾值，則所述葉片槳距失衡被檢測到。根據(jù)其它實施例，其它標準可被應(yīng)用于確定是否存在葉片槳距角失衡。根據(jù)實施例，所述檢測進ー步基于引起轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)的風速(其例如可被測量)。因此，本方法可進ー步被改進。特別地，當對應(yīng)于轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)頻率的頻率分量的量值或振幅特別高吋，特別是高于ー閾值時，可表示確實存在葉片槳距角失衡。相反，當對應(yīng)于轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)頻率的頻率分量的量值或振幅相對較小吋，特別是小于另ー閾值時，可表示沒有或僅有較小的葉片槳距角失衡。進一歩地，與所述頻率分量的量值或振幅相比，所述另ー頻率分量的量值或振幅越大，所述葉片槳距角就可能被平衡得越好。根據(jù)實施例，本方法包括在分析步驟中計算負載信號關(guān)于時間(就是在其中將負載信號描述為依賴于時間)的傅里葉變換(特別地使用快速傅里葉變換FFT)、和/或在多個轉(zhuǎn)子方位角級(rotor azimuthal angle bins)(為給出一些示例性實施例,例如跨度為10°、20°、30°或45°角度范圍的級)中，執(zhí)行負載信號關(guān)于轉(zhuǎn)子方位角的分級(binning)。特別地，當偏航僅在有限的角度范圍被執(zhí)行并且在有限的時間跨度，例如10秒到40秒之內(nèi)被獲得時，分級方法可適用，其中傅里葉變換的計算可能不以準確的方式執(zhí)行。根據(jù)實施例，分析負載信號進ー步包括確定頻率分量的轉(zhuǎn)子方位角相位(特別地包括使正弦或余弦函數(shù)適于關(guān)于轉(zhuǎn)子方位角描述的負載信號)，其中檢測葉片槳距角失衡特別地進ー步包括基于所確定的轉(zhuǎn)子方位角相位來識別轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)包括的至少ー個轉(zhuǎn)子葉片，其中所述至少ー個轉(zhuǎn)子葉片具有不同于轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)包括的至少ー個其它轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角。頻率分量的轉(zhuǎn)子方位角相位可表示擬合的正弦或余弦函數(shù)的位置。特別地，使用頻率分量的轉(zhuǎn)子方位角相位，可識別關(guān)于其它轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角具有最大葉片槳距角差異的轉(zhuǎn)子葉片。進ー步地，基于頻率分量和/或另ー頻率分量的量值和/或相位，可確定或計算被識別的轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角相對于其它轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角的偏差的標記和/或量值。因此，減少葉片槳距角失衡可被簡化。根據(jù)本發(fā)明的實施例，獲得負載信號包括獲得由致動偏航的偏航致動器所消耗的功率、和/或獲得偏航的扭矩動量(a momentum of a torque)。因此,可不提供任何額外的設(shè)備而以簡單的方式獲得負載信號。根據(jù)實施例，提供一種用于減少風力渦輪機的轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的葉片槳距角失衡的方法，其中轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。因此，本方法包括根據(jù)如上所述的用于檢測葉片槳距角失衡的系統(tǒng)的實施例檢測葉片槳距角失衡和基于檢測的葉片槳距角失衡改變包括在轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)中的至少ー個轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角，從而減少檢測的葉片槳距角失衡。在安裝、配置、維修和/或運行風カ渦輪機期間，可手工地或自動地執(zhí)行改變?nèi)~片槳距角。通過分析負載信號的結(jié)果，特別是通過考慮頻率分量和/或另ー頻率分量的振幅和/或相位，可獲得至少ー個轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角的ー種改變。進ー步地，可以迭代的方式執(zhí)行改變?nèi)~片槳距角，其中在檢測葉片槳距角失衡時，第一個補償被應(yīng)用于葉片槳距角，在其之后再次檢測葉片槳距角失衡。于是，可應(yīng)用第二個葉片槳距角補償，可再次檢測葉片槳距角失衡，直到不再檢測到葉片槳距角失衡。進一歩地，可從包括負載信號的數(shù)據(jù)集和在檢測葉片槳距角失衡時應(yīng)用的葉片槳距角補償?shù)臄?shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)訓練中獲悉葉片槳距角改變的方向和/或量。用于減少葉片槳距角失衡的方法可增加風力渦輪機的預(yù)期壽命、耐久性和可靠性。進一步地，可提聞生廣效率。應(yīng)該理解的是，對于用于檢測葉片槳距角失衡的方法或用于減少葉片槳距角失衡的方法所公開、描述、應(yīng)用、采用的任何特征(単獨或以任ー組合)也可應(yīng)用(単獨或以任ー 組合)于用于檢測葉片槳距角失衡的裝置，反之亦然。根據(jù)實施例，提供一種用于檢測風力渦輪機的轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的葉片槳距角失衡的裝置，轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，該裝置包括用于獲得表示負載的負載信號的輸入端子，該負載是由使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線圍繞橫向于特別是垂直于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線的偏航軸線進行偏航而引起的；處理器，其被配置成用于關(guān)于負載信號的頻率分量來分析負載信號，并且用于基于所分析的負載信號來檢測葉片槳距角失衡。特別地，用于檢測葉片槳距角失衡的裝置可適于執(zhí)行如上所述的用于檢測葉片槳距角失衡的方法。特別地，在本方法中使用的負載信號和任何其它信號的數(shù)據(jù)處理可離線完成或可通過用于檢測葉片槳距角失衡的裝置，特別地風カ渦輪機的控制器或計算機直接完成。特別地，用于檢測葉片槳距角失衡的方法可在計算機程序中實現(xiàn)，該計算機程序在風カ渦輪機的控制器中被執(zhí)行。在使用必需的存儲信號(偏航功率、轉(zhuǎn)子方位角、風速)安裝程序之后，程序可連續(xù)地運行或可以間隔，例如以風カ渦輪機的某ー啟動周期運行。風カ渦輪機的控制器或計算機然后可在本地和/或向中心的渦輪機監(jiān)控系統(tǒng)報告狀態(tài)和/或警報。由于報告和/或警報，如果有必要的話維修技術(shù)人員然后可檢查與風カ渦輪機維修相關(guān)的ー個 或多個轉(zhuǎn)子葉片的槳距校準。在偏航運動期間(即轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線)，當控制偏航致動器的控制器設(shè)法獲得恒定偏航速度時，偏航致動器功率消耗可作為偏航負載的函數(shù)波動。特別地，功率消耗可用作表示因偏航引起的負載的負載信號。如果包括在風カ渦輪機的轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)中的所有轉(zhuǎn)子葉片的槳距角被正確計算，偏航致動器信號(其可表示負載信號)將被3P含量(content)(當三個轉(zhuǎn)子葉片連接到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸時，表示與轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的三倍旋轉(zhuǎn)頻率一致的進ー步頻率分量)支配，然而槳距失衡將增加IP含量(表示與轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)頻率一致的負載信號的頻率分量的量值)。偏航負載的清晰表示可能需要一定量的風速。偏航致動器信號可根據(jù)在偏航順序期間可比較的風速分割。存儲選擇的數(shù)據(jù)，直到采集到足夠量的負載信號的數(shù)據(jù)。用于后處理的所需數(shù)據(jù)可包括偏航致動器信號(表示負載信號)、風速和轉(zhuǎn)子平面的方位角(表示轉(zhuǎn)子方位信號)。通過后處理或連續(xù)不斷地，可通過如在下面描述的FFT方法或通過分級方法確定IP和3P含量。需要注意的是，本發(fā)明的實施例已參考不同的主題描述。特別地，一些實施例已參考方法類型權(quán)利要求進行描述，而其它實施例已參考設(shè)備類型權(quán)利要求進行描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將根據(jù)以上和以下的描述獲悉，除非另有說明，除了屬于ー種類型主題的各特征的任一組合之外，另外，與不同主題有關(guān)的各特征之間的任ー組合，特別地方法類型權(quán)利要求的各特征和設(shè)備類型權(quán)利要求的各特征之間的任ー組合，被視為通過本申請而公開。本發(fā)明的以上限定的各方面和更多的各方面根據(jù)待在下文中描述的實施例的實例是明顯的并參考實施例的實例進行解釋。在下文中將參考實施例的實例更詳細地對本發(fā)明進行描述，但本發(fā)明并不限于實施例的實例。現(xiàn)參照附圖描述本發(fā)明的實施例。本發(fā)明不限于所描述的或所圖示的實施例。


圖I示出了在根據(jù)ー個實施例的用于檢測葉片槳距角失衡的方法中考慮的曲線圖；圖2示出了在根據(jù)ー個實施例的用于檢測葉片槳距角失衡的方法中考慮的曲線 圖3示出了一幅曲線圖，其顯示了按照ー實施例的用于檢測葉片槳距角失衡的方法獲得的負載信號的頻率分量；
圖4示出了一幅曲線圖，其顯示了按照ー實施例的用于檢測葉片槳距角失衡的方法獲得的負載信號的頻率分量；
圖5示出了負載信號的一曲線圖，負載信號依賴執(zhí)行根據(jù)實施例的用于檢測葉片槳距角失衡的方法時獲得的轉(zhuǎn)子方位角；以及
圖6示出了負載信號的一曲線圖，負載信號依賴執(zhí)行根據(jù)實施例的用于檢測葉片槳距角失衡的方法時獲得的轉(zhuǎn)子方位角。
具體實施方式
附圖中的圖示是示意性的。應(yīng)注意，在不同附圖中，類似或等同的元素被標以相同的附圖標記，或僅在第一位數(shù)字上與相應(yīng)附圖標記不同。圖I顯示了來自具有三個帶I度槳距失衡的轉(zhuǎn)子葉片的2. 3麗(標稱電カ輸出功率)風カ渦輪機的測量結(jié)果(對于三個葉片，實際的槳距角分支分別是O. O度、O. 7度和I. O度；因此最大的差異I度=槳距失衡)。圖I示出了涉及具有安裝在旋轉(zhuǎn)軸的三個轉(zhuǎn)子葉片的風力渦輪機的上圖、中圖和下圖，在它們的橫坐標上以秒(s)(在圖中時間軸線為mm: ss)顯示時間t。上圖在其縱坐標示出了偏航速度vy，其為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線圍繞垂直于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線的垂直軸線的轉(zhuǎn)動(旋轉(zhuǎn))速度。如根據(jù)圖I的上圖所見，在從開始點直到時間10分35秒的時間間隔內(nèi)偏航速度為O。在從10分35秒到大約11分3秒的時間間隔101內(nèi)偏航速度是大約-40，其表示特定的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動方向。在這個時間間隔101期間，獲得負載信號y，其被顯示在圖I的中圖中，其中在縱坐標上表示偏航負載y。如根據(jù)圖I的中圖所見，偏航負載y波動，具有峰值103和谷值105。因此，峰值103和谷值105具有特定的周期Tl，其等于大約4秒。特別地，使轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)ー個完全旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)周期也與時間周期Tl 一致。因而，圖I的中圖所示的偏航負載以大體上與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率一致的頻率波動。如圖I的中圖所示的偏航負載的這種模式表示存在著包括三個轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的葉片槳距角失衡。圖I的下圖在其縱坐標上示出了有效風速W，其顯示在時間間隔101期間風速沒有顯著變化，在時間間隔101期間獲得中圖所示的偏航負載數(shù)據(jù)。圖2示出了在轉(zhuǎn)子已被空氣動力學地平衡至以使所有葉片上的槳距角相等之后相應(yīng)的信號I。在已經(jīng)基于圖I的中圖所示的偏航負載信號y到檢測葉片槳距角失衡之后，包括在轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)中的ー個或更多轉(zhuǎn)子葉片識別并且它們的葉片角度被調(diào)整。之后，如圖2所示的進ー步的測量被執(zhí)行。特別地，在偏航速度大于零的時間間隔201期間，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線圍繞垂直軸線轉(zhuǎn)動，如圖2的上圖所示。在時間間隔201期間獲得負載信號y，特別是偏航負載，其中偏航負載被示于圖2的中圖中。如圖2的中圖所示，偏航負載波動，其具有長度為T3的特定重復(fù)周期，長度T3為如根據(jù)圖I的中圖確定的重復(fù)周期Tl的三分之一。從而，在調(diào)整葉片槳距角之后，偏航負載以高達在葉片槳距角修正之前偏航負載波動所在頻率的三倍的頻率波動。進ー步地，具有重復(fù)周期Tl的頻率分量在圖2的中圖中圖示的偏航負載內(nèi)具有減少的振幅。這表示葉片槳距角失衡和在圖I中的情形相比已經(jīng)被減少。比較圖I和圖2，觀察到a)偏航信號y反映偏航カ矩里的IP和3Pカ矩，以及b)無需后加工即可容易地看見圖I中的IP的信號含量。在測量之前和之后的FFT被分別顯示在圖3和圖4中。 圖3示出了一曲線圖，其在其橫坐標上顯示以赫茲為單位的頻率f，并且在其縱坐標上顯示包括在圖I的中圖中圖示的偏航負載y中的頻率分量的振幅A。特別地，圖3示出了頻率分量頻譜307，該頻譜包括在圖I的中圖所示的偏航負載信號y中。頻譜307包括在大約O. 25Hz處的峰值309和在大約O. 75Hz的頻率處的較低的峰值311。峰值309的高度313表示具有重復(fù)周期Tl和具有頻率Π的頻率分量的振幅。頻率Π與轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率一致。峰值311的高度315表示具有與頻率f3 —致的重復(fù)周期T3的頻率分量的振幅。特別地，頻率f3為頻率f I的三倍。由于與頻率f I 一致的頻率分量的高度313比與頻率f3 —致的頻率分量的振幅315高，因而葉片槳距角失衡被表示。 圖4示出了圖2的中圖所示的偏航負載y的頻譜407，即在葉片槳距角修正之后的頻譜。頻譜407包括與頻率fl 一致的峰值409以及與頻率f3 —致的高得多的峰值411。峰值409的較低高度413和/或峰值411的較高高度415表示葉片槳距角失衡和在圖3中圖示的情形相比被減少。從而，用于檢測葉片槳距角失衡的方法和用于減少葉片槳距角失衡的方法的效率是明顯的。清楚可見，IP (O. 25Hz)級別在圖3中比在圖4中明顯大，其中存在槳距失衡，然而在槳距失衡被修正之后3P (O. 78Hz)級別是主要的并且IP級別幾乎沒有。在圖5和6所示的曲線圖中，橫坐標描述了以度為単位的轉(zhuǎn)子方位角Φ，并且縱坐標描述了分別在葉片槳距角失衡修正之前和之后的偏航負載信號y。ー種替代掉使用FFT的方法是用方位角分級偏航信號(并且在每個級之內(nèi)平均)。圖5在下面示出了帶有I度槳距失衡的結(jié)果(在13m/s條件下的模擬數(shù)據(jù))，圖6示出了在槳距修正之后的相應(yīng)分級曲線。這兩條曲線非常容易地被分解用于IP含量和3P含量。IP含量非常明顯地展現(xiàn)槳距失衡。圖5和圖6基于同樣的風輸入；唯一的區(qū)別是圖5的渦輪機樣式具有I度的槳距失衡。觀察到修正槳距失衡(圖6)使負載周期范圍從大約1200 kNm減少到大約500 kNm。假設(shè)3. 5的沃勒指數(shù)，偏航結(jié)構(gòu)部件消耗的使用期限被減少到大約14%。圖5示出了圖I的中圖所示的偏航負載信號y，在分級之后橫跨30°的轉(zhuǎn)子方位角范圍，其中方位角Φ被表示在橫坐標上。特別地,在分級之后獲得點521,通過點521擬合曲線。如從曲線523的形狀可以認識到，具有360°周期的正弦函數(shù)可被擬合成曲線523。從而，在圖I的中圖中表示的偏航負載y的變化頻率與方位角Φ的變化頻率一致。圖6示出了曲線圖623，其是在葉片槳距失衡修正之后以及在將圖2中圖所示的偏航負載信號I以類似于獲得圖5曲線圖所執(zhí)行的方式分級之后獲得的。如圖6所示，負載信號y以120°的周期波動，表示負載信號y比在圖5所示的曲線523變化快三倍。因而，在修正葉片槳距角失衡之后，圖6所示的合成曲線623表示葉片槳距角失衡已經(jīng)被減少。
特別地，在圖5和6中，偏航致動器信號y被分成0-30、30-60、60-90、……、330-360度的方位級(azimuth bins),在此之后計算姆個級的平均。然后從單個的級平均里減去所有級的平均，從而排除偏差或DC含量。分級的偏航致動器信號I的振幅因而被確定為所有級的標準差的兩倍的平方根。計算在分級的偏航致動器信號和基于估計的振幅、IP頻率和相位補償值的正弦之間的平方的和。對于0、90、180、270度的相位補償值如此。四個總和然后被用于確定在轉(zhuǎn)子平面的x、y方向的偏航カ矩。當確定偏航負載的x、y分量后，利用三角法確定偏航負載分量的相位和量值。通過這個結(jié)果，本發(fā)明的實施例已建立IP含量的量以及因此槳距失衡的示值。使用這種后處理方法，每個包含偏航致動器信號、風測量設(shè)備和方位角信號的渦輪機可被分到正確地或不正確地校準的槳距角的組里。根據(jù)偏航負載分量確定單個槳距角是不可能的，然而，可以確定一組新的槳距角以獲得補償或中和偏航負載分量并在轉(zhuǎn)子平面重新建立槳距平衡。能夠以類似的方式確定3P偏航負載的相位和量值，并且通過幾種方法能優(yōu)化如 上所述的正弦擬合，以改進估計。本發(fā)明的實施例使用已經(jīng)可利用的存儲數(shù)據(jù)能夠自動地將渦輪機分類到具有和沒有槳距失衡的組中并且因此減少槳距失衡的手工檢查的成本。通過本發(fā)明的實施例，通過將ー個或多個葉片傾斜到檢測的槳距失衡消失所在的槳距角位置，檢測的槳距失衡可被直接修正。進ー步地，提供了替代性解決方案
-在檢測風力渦輪機的槳距失衡之后，每個葉片的槳距角可被維修技術(shù)人員手工校準。-風速信號可用于挑選偏航周期，其中風速是可比較的且不太低，例如在10-12m/s之內(nèi)或在8-10m/s之內(nèi)(典型地風速在例如+2m/s或類似的間隔之內(nèi)大于或等于5m/s)。由于偏航カ矩在低風速(由于偏航系統(tǒng)的摩擦和類似的原因，低風速不容易測量和補償)時對于測量可能不是非常清晰和有用的事實，這可能是必須的。-偏航速度參考信號可用于分割，以便指出風カ渦輪機的偏航系統(tǒng)起作用所在的特定周期。替代性解決方案包括
檢測算法可為FFT或方位角分級或其它類似的方法。偏航信號可從偏航執(zhí)行器功率之外的其它來源獲得。信號只是必須表示偏航カ矩。應(yīng)該注意，術(shù)語“包括”并不排除其他元件或步驟，表示英語不定冠詞的用語“一”并不排除多個。此外，可以結(jié)合那些聯(lián)系不同實施例描述的元件。還應(yīng)該注意，權(quán)利要求中的附圖標記不應(yīng)被理解成限制權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測風力渦輪機轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的葉片槳距角失衡的方法，所述轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，所述方法包括 使所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線繞橫向于特別是垂直于所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線的偏航軸線偏航； 獲得表示因所述偏航引起的負載的負載信號(y); 關(guān)于所述負載信號的頻率分量(Π)分析所述負載信號；并且 基于所分析的負載信號來檢測所述葉片槳距角失衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，分析所述負載信號包括確定所述頻率分量(fl)的量值(313，413)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，獲得所述負載信號(y)包括為多個時間點(101，105)獲得所述負載信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，進ー步包括 獲得表示所述轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的方位角(Φ )的轉(zhuǎn)子方位角信號，其中檢測所述葉片槳距角失衡進ー步基于所述轉(zhuǎn)子方位角信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，獲得所述轉(zhuǎn)子方位角信號包括為所述多個時間點(101,201)獲得所述轉(zhuǎn)子方位角信號。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，所述頻率分量對應(yīng)于所述轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)頻率(H)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2到6其中之一所述的方法，其中，所述分析進ー步包括確定與所述旋轉(zhuǎn)頻率乘以所述轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)所包括的轉(zhuǎn)子葉片數(shù)相對應(yīng)的另ー頻率分量(f3)的另ー量值(315,415)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，所述檢測包括將所述量值與ー閾值相比較、和/或?qū)⑺隽愆`量值和另一閾值相比較、和/或?qū)⑺隽恐蹬c所述另ー量值之差與一差異閾值相比較、和/或?qū)⑺隽恐蹬c所述另ー量值之比與一比率閾值相比較。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，如果所述量值超過所述閾值、和/或所述另ー量值降到所述另ー閾值之下、和/或所述量值與所述另ー量值之差超過所述差異閾值、和/或所述量值與所述另ー量值之比超過所述比率閾值，則所述葉片槳距失衡被檢測到。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，所述檢測進ー步基于引起所述轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的風速(VW)。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，所述分析進ー步包括計算所述負載信號(y)關(guān)于時間(t)的傅里葉變換、和/或在多個轉(zhuǎn)子方位角級中，執(zhí)行所述負載信號(y)關(guān)于所述轉(zhuǎn)子方位角(Φ )的分級。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，所述分析進ー步包括確定所述頻率分量(309，fl)的轉(zhuǎn)子方位角相位， 其中檢測所述葉片槳距角失衡特別地進ー步包括基于所確定的轉(zhuǎn)子方位角相位來識別所述轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)包括的至少ー個轉(zhuǎn)子葉片，其中所述至少ー個轉(zhuǎn)子葉片具有不同于所述轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)包括的至少ー個其它轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，獲得所述負載信號(y)包括獲得由致動偏航的偏航致動器所消耗的功率、和/或獲得所述偏航的扭矩動量。
14.一種用于減少風力渦輪機的轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的葉片槳距角失衡的方法，所述轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，所述方法包括 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法檢測所述葉片槳距角失衡；以及 基于所檢測的葉片槳距角失衡改變所述轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)包括的至少ー個轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角，從而減少所檢測的葉片槳距角失衡。
15.一種用于檢測風力渦輪機的轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)的葉片槳距角失衡的裝置，所述轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，所述裝置包括 用于獲得表示負載的負載信號(y)的輸入端子，所述負載是由使所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線圍繞橫向于特別是垂直于所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線的偏航軸線進行偏航而引起的； 處理器，其被配置成用干 關(guān)于所述負載信號(y)的頻率分量(Π)來分析所述負載信號；以及 基于所分析的負載信號來檢測所述葉片槳距角失衡。
全文摘要
本發(fā)明描述了用于檢測風力渦輪機轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)葉片槳距角失衡的方法和裝置，其中所述轉(zhuǎn)葉系統(tǒng)圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，所述方法包括使所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線圍繞橫向于，特別是垂直于所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線的偏航軸線偏航；獲得表示因所述偏航引起的負載的負載信號(y)；關(guān)于所述負載信號的頻率分量(f1)分析所述負載信號；和基于所述分析的負載信號檢測所述葉片槳距角失衡。
文檔編號F03D7/04GK102678453SQ20121006098
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者I.弗里登達爾, J.里珀 申請人:西門子公司