專利名稱：風(fēng)輪機(jī)及控制風(fēng)輪機(jī)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)輪機(jī)。具體地，本發(fā)明涉及一種包括用于控制風(fēng)輪機(jī)的控制系統(tǒng)的風(fēng)輪機(jī)，并涉及一種用于控制風(fēng)輪機(jī)的方法。
背景技術(shù)：
通常，風(fēng)輪機(jī)包括豎直支撐結(jié)構(gòu)；位于該支撐結(jié)構(gòu)頂部的機(jī)艙(nacelle);旋轉(zhuǎn)地裝配至機(jī)艙的轉(zhuǎn)子，并且，該轉(zhuǎn)子包括輪軸(hub)、旋轉(zhuǎn)地裝配至輪軸的多個(gè)葉片、以及用于調(diào)節(jié)葉片的螺旋角(pitch angle，槳距角)的多個(gè)螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通常，根據(jù)基于一個(gè)或多個(gè)測(cè)量控制參數(shù)(例如風(fēng)速、風(fēng)向等)的控制策略來控制風(fēng)輪機(jī)。因此，用于控制風(fēng)輪機(jī)的操作的控制系統(tǒng)通常連接至一個(gè)或多個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器被布置為測(cè)量特定的周圍條件，例如風(fēng)速。然而，物理參數(shù)(例如風(fēng)速)的測(cè)量常常受到風(fēng)輪機(jī)的干擾，并且僅在一定程度上是可靠的。例如，風(fēng)速傳感器通常位于機(jī)艙上并受到轉(zhuǎn)子的干擾，并且，風(fēng)速傳感器不能沿 著轉(zhuǎn)子掃過的區(qū)域檢測(cè)差異。通過傳統(tǒng)傳感器取得(retrieve)的信息的通常較差的可靠性會(huì)損害風(fēng)輪機(jī)的良好控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種可簡(jiǎn)單且良好地控制的風(fēng)輪機(jī)。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種風(fēng)輪機(jī)，其包括轉(zhuǎn)子，可圍繞轉(zhuǎn)子軸線旋轉(zhuǎn)，且具有圍繞葉片軸線旋轉(zhuǎn)地裝配至輪軸的多個(gè)葉片和用于調(diào)節(jié)葉片的螺旋角的多個(gè)螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)；制動(dòng)器，由制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，用于停止轉(zhuǎn)子；旋轉(zhuǎn)電機(jī)，連接至轉(zhuǎn)子；換流器(inverter)，用于控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)；以及控制系統(tǒng)，其包括被構(gòu)造為檢測(cè)每個(gè)葉片的變形的多個(gè)圖像反射測(cè)量裝置，并且該控制系統(tǒng)被構(gòu)造為，根據(jù)通過多個(gè)圖像反射測(cè)量裝置取得的變形，發(fā)射用于選擇性地控制螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和換流器中的至少一個(gè)的控制信號(hào)。由圖像反射測(cè)量裝置取得的與轉(zhuǎn)子的所有葉片相關(guān)的可靠信息允許取得與轉(zhuǎn)子相關(guān)的幾種操作參數(shù)。此信息變得非常有價(jià)值，以便良好地控制風(fēng)輪機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，每個(gè)圖像反射測(cè)量裝置位于一葉片內(nèi)，并包括光源、至少兩個(gè)沿著葉片軸線隔開以反射光的反光鏡、以及用于檢測(cè)圖像的照相機(jī)。對(duì)于每個(gè)葉片，這種布置允許取得與每個(gè)葉片的至少兩個(gè)部分有關(guān)的相關(guān)信息。有利地，反光鏡沿著葉片軸線隔開，并位于離轉(zhuǎn)子軸線給定距離處；在每個(gè)葉片中，反光鏡以相同的間隔和離轉(zhuǎn)子軸線相同的距離分布。因此，每個(gè)葉片的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變形可以與其他葉片的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變形進(jìn)行明顯比較。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，每個(gè)葉片包括根部、中間部分和頂部，頂部具有被構(gòu)造為當(dāng)與葉片軸線成橫向地對(duì)頂部加載時(shí)有利于頂部相對(duì)于中間部分扭曲的結(jié)構(gòu)；葉片在中間部分中設(shè)置有至少一個(gè)反光鏡并在頂部中設(shè)置有至少一個(gè)反光鏡。
當(dāng)施加至頂部的負(fù)載超過給定值時(shí)，每個(gè)葉片的頂部可自動(dòng)地扭曲。頂部中的反光鏡可發(fā)現(xiàn)此事件的出現(xiàn)以及相對(duì)于中間部分和相對(duì)于根部的扭曲程度，以允許評(píng)估葉片的螺旋角的進(jìn)一步調(diào)節(jié)。根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施方式，轉(zhuǎn)子的每個(gè)葉片設(shè)置有至少一個(gè)致動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)表面，例如樞轉(zhuǎn)地連接至葉片的結(jié)構(gòu)并沿著頂部的后緣延伸的副翼。致動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)表面的調(diào)節(jié)允許改變負(fù)載沿著葉片的分布。特別地,致動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)表面被積極地(positively)致動(dòng)，并且，與圖像反射測(cè)量裝置的另一反光鏡相關(guān)，以允許控制致動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)表面的位置。根據(jù)一個(gè)變型，在葉片結(jié)構(gòu)上安裝附加的反光鏡，使得加強(qiáng)桿離致動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)表面非常近，以便取得通過致動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)表面的致動(dòng)產(chǎn)生的效果。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，控制系統(tǒng)包括多個(gè)圖像處理單元，其發(fā)射一組 與葉片中的反光鏡的位置相關(guān)的位置信號(hào)；以及信號(hào)處理單元，被構(gòu)造為運(yùn)行處理整組位置信號(hào)或這組位置信號(hào)的子集的多個(gè)程序并發(fā)射所述控制信號(hào)。特別地，將控制系統(tǒng)被構(gòu)造為獲得其他信號(hào)，例如與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相關(guān)的速度信號(hào)；所述程序包括轉(zhuǎn)子不平衡檢測(cè)程序，該不平衡檢測(cè)程序被構(gòu)造為在從這組位置信號(hào)和速度信號(hào)得到的振蕩信號(hào)的基礎(chǔ)上檢測(cè)轉(zhuǎn)子軸線相對(duì)于轉(zhuǎn)子軸線的標(biāo)稱位置的偏移。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于控制風(fēng)輪機(jī)的操作的控制方法。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于控制風(fēng)輪機(jī)的操作參數(shù)的控制方法，其中，風(fēng)輪機(jī)包括轉(zhuǎn)子，可圍繞轉(zhuǎn)子軸線旋轉(zhuǎn)，且具有圍繞葉片軸線旋轉(zhuǎn)地裝配至輪軸的多個(gè)葉片和用于調(diào)節(jié)葉片的螺旋角的多個(gè)螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)；制動(dòng)器，由制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，用于停止轉(zhuǎn)子;旋轉(zhuǎn)電機(jī)，連接至轉(zhuǎn)子；換流器，用于控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)；以及控制系統(tǒng)，其包括被構(gòu)造為檢測(cè)每個(gè)葉片的變形的多個(gè)圖像反射測(cè)量裝置；該方法包括以下步驟取得多個(gè)葉片的變形；以及根據(jù)通過多個(gè)圖像反射測(cè)量裝置取得的變形來發(fā)射控制信號(hào)；以及通過控制信號(hào)選擇性地控制螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和換流器中的至少一個(gè)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，該方法進(jìn)一步包括以下步驟通過多個(gè)圖像處理單元發(fā)射一組與位于多個(gè)葉片中的每個(gè)葉片內(nèi)的至少兩個(gè)反光鏡的位置相關(guān)的位置信號(hào)；以及通過多個(gè)程序處理這組位置信號(hào)或這組位置信號(hào)的子集，以計(jì)算并發(fā)射所述控制信號(hào)。僅選擇那些對(duì)于在控制下給定的操作控制參數(shù)重要的位置信號(hào)，以便減少所需操作的數(shù)量。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，該方法包括以下步驟將與一個(gè)葉片的變形相關(guān)的位置信號(hào)與閾值進(jìn)行比較；以及當(dāng)其中一個(gè)位置信號(hào)超過相關(guān)閾值時(shí)發(fā)射用于控制所述葉片的螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)或用于停止風(fēng)輪機(jī)的控制信號(hào)。此控制允許保持葉片的完整性，并優(yōu)選地對(duì)轉(zhuǎn)子的每個(gè)葉片運(yùn)行此控制。根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施方式，該方法包括以下步驟隨著時(shí)間處理每個(gè)葉片的位置信號(hào)的子集，以便取得葉片的振蕩并確定每次振蕩的頻率和振幅；將振蕩頻率與參考值進(jìn)行比較，以避免臨界振蕩頻率；以及發(fā)射用于控制螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)，以便當(dāng)振蕩頻率落在臨界范圍內(nèi)時(shí)改變?nèi)~片的振蕩頻率。而且，此實(shí)施方式旨在保持葉片并減小葉片的臨界應(yīng)力。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式這樣設(shè)計(jì)處理所有葉片的整組位置信號(hào)；在相對(duì)于所有葉片的中間位置值的偏離的基礎(chǔ)上計(jì)算轉(zhuǎn)子的總變形；將轉(zhuǎn)子的總變形與參考閾值進(jìn)行比較；以及當(dāng)轉(zhuǎn)子的總變形超過該參考閾值時(shí)發(fā)射用于致動(dòng)所有葉片的螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)。以上優(yōu)選實(shí)施方式旨在避免渦輪機(jī)的整個(gè)結(jié)構(gòu)上的過大應(yīng)力，例如豎直結(jié)構(gòu)、機(jī)艙、軸承等。本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方式這樣設(shè)計(jì)處理至少一個(gè)葉片的位置信號(hào)的子集，以計(jì)算葉片的振蕩頻率；獲得旋轉(zhuǎn)電機(jī)的能量輸出；將所述能量輸出處的計(jì)算的振蕩頻率與沒有冰時(shí)的相同能量輸出處的所述葉片的自然振蕩頻率進(jìn)行比較；以及當(dāng)所計(jì)算的頻率與自然頻率之間的差異超過給定閾值時(shí)發(fā)射用于停止風(fēng)輪機(jī)和/或啟動(dòng)除冰程序的控制信號(hào)。有利地，自然振蕩頻率與在相同操作條件下取得的頻率之間的比較給出了與葉片 上存在冰相關(guān)的信息。本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方式包括以下步驟處理位置信號(hào)的子集，以便計(jì)算至少一個(gè)葉片的振蕩(振幅和頻率)；以及當(dāng)振蕩(振幅和頻率)隨著時(shí)間的差異超過給定范圍且轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)射用于調(diào)節(jié)換流器和/或一個(gè)或多個(gè)葉片的螺旋角的控制信號(hào)。這種控制允許檢測(cè)轉(zhuǎn)子不平衡并校正轉(zhuǎn)子不平衡。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，該方法包括以下步驟將與所述兩個(gè)反光鏡相關(guān)的位置信號(hào)進(jìn)行比較，以計(jì)算一個(gè)葉片的頂部相對(duì)于中間部分的扭曲；以及當(dāng)扭曲在給定范圍之外時(shí)發(fā)射用于控制所述葉片的螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)并調(diào)節(jié)所述葉片的螺旋角的控制信號(hào)。扭曲監(jiān)測(cè)與葉片的控制相關(guān)，否則，由葉片上的負(fù)載確定的自動(dòng)扭曲將不受控制。根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方式，該方法包括以下步驟獲得所述空氣動(dòng)力學(xué)致動(dòng)表面的位置及其對(duì)葉片負(fù)載的作用。


現(xiàn)在將參考附圖所示的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)一步詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖中圖I是根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)輪機(jī)的側(cè)視圖，為了清楚起見，去除了某些部分；圖2是圖I中的風(fēng)輪機(jī)的葉片的側(cè)視圖，為了清楚起見，去除了某些部分；圖3是圖2中的葉片的放大橫截面圖，為了清楚起見，去除了某些部分；圖4和圖5是圖2中的葉片的兩個(gè)相應(yīng)截面的放大透視圖，為了清楚起見，去除了某些部分；圖6是圖I中的風(fēng)輪機(jī)的控制系統(tǒng)的示意圖；圖7是圖2中的葉片的一個(gè)變型的透視圖(部分是橫截面)，為了清楚起見，去除了某些部分；以及圖8是圖7中的葉片的橫截面圖，為了清楚起見，去除了某些部分。
具體實(shí)施例方式參考圖1，數(shù)字I表示風(fēng)輪機(jī)，特別是用于產(chǎn)生電能的風(fēng)輪機(jī)。風(fēng)輪機(jī)I包括豎直結(jié)構(gòu)2 ;位于豎直結(jié)構(gòu)2頂部的機(jī)艙3 ;圍繞軸線A旋轉(zhuǎn)地裝配至機(jī)艙3的轉(zhuǎn)子4 ；以及部分裝配至轉(zhuǎn)子4且部分裝配至機(jī)艙3的旋轉(zhuǎn)電機(jī)5。轉(zhuǎn)子4包括輪軸6和多個(gè)葉片7，在所示實(shí)例中是三個(gè)葉片，所述葉片圍繞從軸線A徑向延伸的軸線B旋轉(zhuǎn)地安裝至輪軸6;以及用于選擇性地使每個(gè)葉片7圍繞軸線B旋轉(zhuǎn)并調(diào)節(jié)所述葉片的螺旋角的多個(gè)螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)
8。風(fēng)輪機(jī)I包括制動(dòng)器9，由制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)10選擇性地控制以便相對(duì)于機(jī)艙3鎖定轉(zhuǎn)子4 ;以及換流器11，用于控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)5。風(fēng)輪機(jī)I包括用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)速的速度傳感器12。圖I的風(fēng)輪機(jī)I為具有支撐整個(gè)轉(zhuǎn)子4的單個(gè)軸承13和管狀形狀的旋轉(zhuǎn)電機(jī)5的類型的。參考圖2，每個(gè)葉片7具有根部14、中間部分15和頂部16 ;并包括沿著軸線B從根部14延伸至頂部16的縱向加強(qiáng)桿17 ;以及布置在加強(qiáng)桿17周圍并由加強(qiáng)桿17支撐的機(jī)翼形狀的結(jié)構(gòu)18。如圖3中更好地示出的，加強(qiáng)桿17具有矩形橫截面，使葉片7具有所需剛度，并將負(fù)載從機(jī)翼形狀的結(jié)構(gòu)18傳遞至輪軸6 (圖I)。加強(qiáng)桿17和機(jī)翼形狀的結(jié) 構(gòu)18由纖維增強(qiáng)的聚合物制成，以便足夠承受在風(fēng)輪機(jī)I的正常使用過程中由通常出現(xiàn)的葉片7的變形確定的牽引和壓縮應(yīng)力。當(dāng)前趨勢(shì)是增加轉(zhuǎn)子4的半徑長(zhǎng)度，以便增加傳遞至旋轉(zhuǎn)電機(jī)5的功率。由于這個(gè)原因，葉片7可能甚至長(zhǎng)于100米。因此，葉片7的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是彈性的和堅(jiān)固的。加強(qiáng)桿17中的纖維的布置和數(shù)量對(duì)于確定葉片7沿著軸線B的彈性變形具有相關(guān)的影響。通常，纖維在幾個(gè)方向上分層布置，從而形成具有統(tǒng)一圖案的纖維墊。參考圖4，葉片7的截面表明，加強(qiáng)桿17的纖維19根據(jù)圖案20布置，其中，纖維19主要平行于軸線B，而在圖5中，纖維19根據(jù)圖案21布置，其中，纖維19主要相對(duì)于軸線B傾斜。圖4的圖案20對(duì)牽引應(yīng)力提供阻力，該阻力響應(yīng)于垂直于軸線B施加的負(fù)載而轉(zhuǎn)變成葉片7的彎曲阻力。圖5的圖案21有利于葉片7的扭曲，作為對(duì)垂直于軸線B施加的負(fù)載的反應(yīng)。在使用中，圖4的圖案20和圖5的圖案21允許葉片7的彈性變形，但是，當(dāng)與軸線B橫向地加載時(shí)，導(dǎo)致葉片7承受不同類型的彈性變形。參考圖2，加強(qiáng)桿17設(shè)置有沿著根部14和中間部分15根據(jù)圖案20布置的纖維以及沿著頂部16根據(jù)圖案21布置的纖維。當(dāng)較大的彎曲力矩作用于葉片7上時(shí)，圖案20和21的這種組合允許頂部16相對(duì)于中間部分15扭曲。這種布置確定了 當(dāng)葉片7受到垂直于軸線B的負(fù)載時(shí)，中間部分15經(jīng)歷彈性彎曲，而頂部16除了偏轉(zhuǎn)以外還經(jīng)歷彈性扭曲變形。參考圖6，風(fēng)輪機(jī)I包括用于在多個(gè)操作參數(shù)的基礎(chǔ)上控制風(fēng)輪機(jī)I的控制系統(tǒng)22?？刂葡到y(tǒng)22包括信號(hào)處理單元23 ;位于每個(gè)葉片7內(nèi)的至少一個(gè)圖像反射測(cè)量裝置24 ;以及用于每個(gè)圖像反射測(cè)量裝置24的圖像處理單元25。信號(hào)處理單元23與螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)8、制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)10、換流器11、速度傳感器12和圖像處理單元25交換信號(hào)。參考圖2，每個(gè)圖像反射測(cè)量裝置24包括光源26，例如被構(gòu)造為在葉片7內(nèi)產(chǎn)生漫射光的燈；多個(gè)反光鏡27和28 ；以及一個(gè)照相機(jī)29，光(特別是反光鏡27和28所反射的光)撞擊于照相機(jī)上。光源26照亮葉片7內(nèi)的空間，特別是加強(qiáng)桿17內(nèi)的空間。光主要由在照相機(jī)29的圖像中的灰色背景上看起來像是光點(diǎn)的反光鏡27和28反射。從反光鏡反射的光撞擊在照相機(jī)29的可感知區(qū)域上，該區(qū)域發(fā)射與圖像相關(guān)的信號(hào)。反光鏡27和28優(yōu)選地位于沿著軸線B由空心加強(qiáng)桿17形成的腔體中。反光鏡27沿著中間部分15位于離軸線A為距離Zl的位置,而反光鏡28沿著頂部16位于離軸線A為距離Z2的位置,其中，Z2大于Z1。換句話說，反光鏡27和28沿著軸線B隔開。還方便的是，反光鏡27和28相對(duì)于軸線B在徑向上錯(cuò)開。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，反光鏡27在所有的葉片7中位于離軸線A相同的距離Zl處，且反光鏡28在所有的葉片7中位于相同的距離Z2處，使得每個(gè)葉片7的變形可以與其他葉片7的變形相比進(jìn)行明顯比較。參考圖6，每個(gè)圖像反射測(cè)量裝置24發(fā)射與取得的圖像相關(guān)的信號(hào)，或者，換句話說，圖像信號(hào)。每個(gè)圖像處理單元25處理由相應(yīng)的圖像反射測(cè)量裝置24發(fā)射的圖像信號(hào)，并發(fā)射與相應(yīng)葉片7中的每個(gè)反光鏡27和28的位置相關(guān)的位置信號(hào)。換句話說，圖像處理單元25發(fā)射與反光鏡27的位置相關(guān)的位置信號(hào)Z1、X1 (t)、Y1 (t)以及與反光鏡28的位置相關(guān)的位置信號(hào)Z2、X2 (t)、Y2 (t)。圖像處理單元25整體上發(fā)射一組待由信號(hào)處理單元23處理的位置信號(hào)，以便取得與風(fēng)輪機(jī)I的操作參數(shù)相關(guān)的信息。 信號(hào)處理單元23被構(gòu)造為處理整組位置信號(hào)、部分位置信號(hào)、以及由螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)8、換流器11和速度傳感器12發(fā)射的可能的信號(hào)。更詳細(xì)地，信號(hào)處理單元23被構(gòu)造為運(yùn)行多個(gè)程序，每個(gè)程序?qū)ｉT用于在這組位置信號(hào)中的至少一些信號(hào)以及可能通過換流器11和/或速度傳感器12獲得的附加信號(hào)的基礎(chǔ)上評(píng)估操作參數(shù)。存儲(chǔ)在信號(hào)處理單元中的程序包括以下程序-葉片應(yīng)力評(píng)估程序；-葉片疲勞評(píng)估程序；-負(fù)載計(jì)算程序；-冰檢測(cè)程序；-轉(zhuǎn)子不平衡檢測(cè)程序；-扭曲-彎曲耦合監(jiān)測(cè)和控制程序；-致動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)表面監(jiān)測(cè)和控制程序。在圖6中，葉片應(yīng)力評(píng)估程序用方塊30表示，并且，其旨在評(píng)估每個(gè)葉片7是否受到會(huì)損害葉片7的結(jié)構(gòu)的完整性的應(yīng)力。因此，將與每個(gè)葉片7的變形相關(guān)的位置信號(hào)與閾值進(jìn)行比較，以便對(duì)葉片7驗(yàn)證臨界操作條件的出現(xiàn)。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，這些變形相當(dāng)于反光鏡27和28中的一個(gè)的坐標(biāo)X、Y從中間位置參考點(diǎn)的位移。當(dāng)位置信號(hào)X、Y中的一個(gè)超過第一閾值時(shí)，信號(hào)處理單元23發(fā)射用于控制葉片7的螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)8的控制信號(hào)，以便減小該葉片7上的負(fù)載。當(dāng)位置信號(hào)X、Y中的一個(gè)超過第二閾值時(shí)，信號(hào)處理單元23發(fā)射用于停止風(fēng)輪機(jī)I的控制信號(hào)，更確切地，用于致動(dòng)所有的螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)8、制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)10和換流器11的控制信號(hào)。換句話說，葉片應(yīng)力評(píng)估程序?qū)τ诿總€(gè)葉片7循環(huán)地運(yùn)行，并且，可轉(zhuǎn)變成葉片7的螺旋角的調(diào)節(jié)。葉片應(yīng)力評(píng)估程序旨在保持葉片7的完整性并避免每個(gè)葉片7上的過大負(fù)載。在圖6中，葉片疲勞評(píng)估程序用方塊31表示，并且，被構(gòu)造為隨著時(shí)間處理每個(gè)葉片7的位置信號(hào)的子集，以便取得葉片7的振蕩并確定每次振蕩的頻率和振幅。將所取得的信息與參考值進(jìn)行比較，以便避免臨界振蕩頻率。如果振蕩頻率落在臨界范圍內(nèi)，那么信號(hào)處理單元23發(fā)射用于控制螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)8的控制信號(hào)，以便更改振蕩頻率。特別地，疲勞評(píng)估程序被構(gòu)造為，計(jì)算葉片在某一時(shí)期過程中的疲勞負(fù)載并將這些負(fù)載與通過計(jì)算取得的預(yù)期負(fù)載進(jìn)行比較。從測(cè)量數(shù)據(jù)與預(yù)期數(shù)據(jù)的比較中，可進(jìn)行對(duì)控制系統(tǒng)的更改。對(duì)于每個(gè)葉片7，葉片疲勞評(píng)估程序31單獨(dú)地運(yùn)行。在圖6中，負(fù)載計(jì)算程序用方塊32表示，并且，被構(gòu)造為處理所有葉片7的整組位置信號(hào)，并且，其包括在相對(duì)于所有葉片7的反光鏡27和28的中間位置的偏離的基礎(chǔ)上計(jì)算總變形的步驟。總變形越大，施加至轉(zhuǎn)子4的負(fù)載越大?？稍诳傋冃闻c參考閾值之間進(jìn)行比較，以便在此參考閾值之下運(yùn)行風(fēng)輪機(jī)I。在這種情況中，可致動(dòng)所有葉片7的螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)8，以便調(diào)節(jié)螺旋角，從而通過信號(hào)處理單元23所發(fā)射的控制信號(hào)來減小總負(fù)載。在圖6中，冰檢測(cè)程序用方塊33表示，并且，被構(gòu)造為將葉片7的總變形和旋轉(zhuǎn)電機(jī)5的能量輸出與參考系統(tǒng)進(jìn)行比較。該檢測(cè)基于這樣的原理，根據(jù)該原理，葉片7上的冰 改變沒有冰時(shí)施加至轉(zhuǎn)子的負(fù)載與自然頻率之間的關(guān)系。然而，施加至轉(zhuǎn)子的負(fù)載與旋轉(zhuǎn)電機(jī)5的能量輸出緊密相關(guān)。因此，冰檢測(cè)程序相對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)5的能量輸出和葉片7的自然頻率的頻譜來評(píng)估葉片7的振蕩頻率。當(dāng)葉片7的振蕩頻率相對(duì)于轉(zhuǎn)子4上的相同負(fù)載時(shí)的葉片7的自然振蕩頻率的變化明顯時(shí)(超過給定閾值)，這種變化可僅歸因于由沿著葉片7形成結(jié)冰而導(dǎo)致的葉片7的重量的不同分布。當(dāng)冰檢測(cè)程序33根據(jù)以上識(shí)別的參數(shù)并參考能量輸出檢測(cè)到比預(yù)期小的變形時(shí)，信號(hào)處理單元23發(fā)射用于停止風(fēng)輪機(jī)I和/或啟動(dòng)除冰程序的控制信號(hào)。在圖6中，轉(zhuǎn)子不平衡程序用方塊34表示，并且，其旨在發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子4的旋轉(zhuǎn)軸線A相對(duì)于其標(biāo)稱位置(圖I)是否傾斜。這種異常操作條件可能出現(xiàn)，并可檢測(cè)到且進(jìn)行校正。轉(zhuǎn)子不平衡程序34處理位置信號(hào)的子集，以便確定至少一個(gè)葉片7相對(duì)于轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)速的振蕩(振幅和頻率)。信號(hào)處理單元23被構(gòu)造為，當(dāng)振蕩(振幅和頻率)隨著時(shí)間的差異超過給定范圍且轉(zhuǎn)子4以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)送旨在通過換流器11和/或調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)葉片7的螺旋角來校正不平衡的控制信號(hào)。在圖6中，扭曲-彎曲耦合監(jiān)測(cè)和控制程序用方塊35表示，并且，其旨在控制每個(gè)葉片7的頂部16的扭曲。扭曲-彎曲耦合監(jiān)測(cè)和控制程序35將與反光鏡27相關(guān)的位置信號(hào)和與反光鏡28相關(guān)的位置信號(hào)進(jìn)行比較，以便識(shí)別頂部16相對(duì)于中間部分15的旋轉(zhuǎn)實(shí)體(entity)。如果取得的扭曲不滿足設(shè)定的操作條件，那么信號(hào)處理單元23發(fā)射用于控制螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)8并調(diào)節(jié)該葉片7的螺旋角的控制信號(hào)。扭曲-彎曲耦合監(jiān)測(cè)和控制程序35對(duì)于每個(gè)葉片7都運(yùn)行。這樣，可以簡(jiǎn)單且可靠的方式執(zhí)行風(fēng)輪機(jī)I的多種控制和調(diào)節(jié)。程序30、31、32、33、34、35可有利地包括將每個(gè)葉片7的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變形與其他葉片7的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變形進(jìn)行比較的重要過程。參考圖7所示的實(shí)施方式，參考數(shù)字36表示具有與葉片7基本上相似的結(jié)構(gòu)的葉片，其中，用與參考葉片7所采用的相同的參考數(shù)字來表示相似的元件。實(shí)際上，葉片36是葉片7的一個(gè)變型，其中，頂部16包括致動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)表面，例如沿著葉片36的后緣設(shè)置且可被積極地控制的副翼37和38。參考圖8，副翼37和38樞轉(zhuǎn)地連接至頂部16，并設(shè)置有在葉片36內(nèi)延伸且由位于葉片36內(nèi)的相應(yīng)副翼執(zhí)行機(jī)構(gòu)41和42致動(dòng)的相應(yīng)的臂部39和40。
參考圖7，副翼37和38可被致動(dòng)，以便有利于頂部16相對(duì)于中間部分15的扭曲。除了反光鏡27和28以外，圖像反射測(cè)量裝置24包括分別位于臂部39和40上的其他反光鏡43和44，以便確定副翼37和38的位置與頂部16上的扭曲效果之間的關(guān)系。反光鏡43和44允許對(duì)副翼37和38的位置進(jìn)行閉環(huán)控制，以便改進(jìn)副翼37和38的定位精度。在圖6中，對(duì)信號(hào)處理單元23提供空氣動(dòng)力學(xué)表面致動(dòng)和控制程序45，以便良好地控制副翼37和38并監(jiān)測(cè)對(duì)葉片36的頂部16的扭曲的反應(yīng)。
本發(fā)明還明顯地?cái)U(kuò)展至未在以上詳細(xì)描述中描述的實(shí)施方式，并擴(kuò)展至落在所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)的等同實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)輪機(jī)(1)，包括轉(zhuǎn)子(4)，能夠圍繞轉(zhuǎn)子軸線(A)旋轉(zhuǎn)，且具有圍繞葉片軸線(B)可旋轉(zhuǎn)地裝配至輪軸(6)的多個(gè)葉片(7)和用于調(diào)節(jié)所述葉片(7)的螺旋角的多個(gè)螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)(8);制動(dòng)器(9)，由制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(10)控制，用于停止所述轉(zhuǎn)子(4);旋轉(zhuǎn)電機(jī)(5)，直接連接至所述轉(zhuǎn)子(4);換流器(11)，用于控制所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)(5);以及控制系統(tǒng)(22)，其包括被構(gòu)造為檢測(cè)每個(gè)葉片(7)的變形的多個(gè)圖像反射測(cè)量裝置(24)，并且所述控制系統(tǒng)被構(gòu)造為，根據(jù)通過所述多個(gè)圖像反射測(cè)量裝置(24)取得的變形，發(fā)射用于選擇性地控制所述螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)(8)、所述制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(10)和所述換流器(11)中至少一個(gè)的控制信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)輪機(jī)，其中，每個(gè)圖像反射測(cè)量裝置(24)位于一葉片(7；36)內(nèi)，并包括光源(26)、至少兩個(gè)沿著所述葉片軸線(B)隔開以反射光束的反光鏡(27，28;27，28，43，44)、以及用于接收反射光并發(fā)射與所取得的圖像相關(guān)的信號(hào)的照相機(jī)(29)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)輪機(jī)，其中，所述反光鏡(27，28;27，28，43，44)沿著所述葉片軸線(B)隔開，并位于離所述轉(zhuǎn)子軸線(A)給定距離處；在每個(gè)葉片(7;36)中，所述反光鏡(27, 28 ；27,28,43,44)以相同的間隔和尚所述轉(zhuǎn)子軸線(A)相同的距尚分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)輪機(jī)，其中，每個(gè)葉片(7;36)包括根部(14)、中間部分(15)和頂部(16)，所述頂部(16)具有被構(gòu)造為當(dāng)與所述葉片軸線(B)成橫向地對(duì)所述葉片(7 ;36)加載時(shí)有利于所述頂部(16)相對(duì)于所述中間部分(15)扭曲的結(jié)構(gòu)；所述葉片(7 ；36)在所述中間部分(15)中設(shè)置有至少一個(gè)反光鏡(27)并在所述頂部(16)中設(shè)置有至少一個(gè)反光鏡(28)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)輪機(jī)，其中，所述葉片(36)設(shè)置有至少一個(gè)致動(dòng)表面，例如樞轉(zhuǎn)地連接至所述葉片(36)并沿著所述頂部(16)的后緣延伸的至少一個(gè)副翼(37，38)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)輪機(jī)，其中，所述副翼(37，38)被積極地致動(dòng)，并且，與所述圖像反射測(cè)量裝置(24)的另一反光鏡(43，44)相關(guān)，以允許控制所述副翼(37，38)的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)輪機(jī)，其中，所述控制系統(tǒng)(22)包括 多個(gè)圖像處理單元(25)，其發(fā)射一組與所述葉片(7 ；36)中的所述反光鏡(27，28 ;27，28,43,44)的位置相關(guān)的位置信號(hào)；以及信號(hào)處理單元(23)，被構(gòu)造為運(yùn)行處理整組位置信號(hào)或這組位置信號(hào)的子集的多個(gè)程序(30 ；31,32,33,34,35,45)并發(fā)射所述控制信號(hào)。
8.一種用于控制風(fēng)輪機(jī)的方法，其中，所述風(fēng)輪機(jī)包括轉(zhuǎn)子(4)，能夠圍繞轉(zhuǎn)子軸線(A)旋轉(zhuǎn)，且具有圍繞葉片軸線(B)可旋轉(zhuǎn)地裝配至輪軸(6)的多個(gè)葉片(7 ；36)和用于調(diào)節(jié)所述葉片(7)的螺旋角的多個(gè)螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)(8);制動(dòng)器(9)，由制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(10)控制，用于停止所述轉(zhuǎn)子(4);旋轉(zhuǎn)電機(jī)(5)，連接至所述轉(zhuǎn)子(4);換流器(11)，用于控制所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)(5);以及控制系統(tǒng)(22)，其包括被構(gòu)造為檢測(cè)每個(gè)葉片(7)的變形的多個(gè)圖像反射測(cè)量裝置(24);所述方法包括以下步驟取得所述多個(gè)葉片(7 ；27)的變形；以及根據(jù)通過所述多個(gè)圖像反射測(cè)量裝置(24)取得的變形發(fā)射與所取得的圖像相關(guān)的控制信號(hào)；以及通過所述控制信號(hào)選擇性地控制所述螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)(8)、所述制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(10)和所述換流器(11)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟通過多個(gè)圖像處理單元(25)發(fā)射一組與位于所述多個(gè)葉片(7 ；36)中的每個(gè)葉片(7 ；36)內(nèi)的至少兩個(gè)反光鏡(27，28 ；.27,28,43,44)的位置相關(guān)的位置信號(hào)；以及通過多個(gè)程序(30 ;31，32，33，34，35，45)處理這組位置信號(hào)或這組位置信號(hào)的子集，以計(jì)算并發(fā)射所述控制信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟將與每個(gè)葉片(7)的變形相關(guān)的位置信號(hào)與閾值進(jìn)行比較；以及當(dāng)其中一個(gè)所述位置信號(hào)超過相關(guān)閾值時(shí)發(fā)射用于控制所述葉片(7)的螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)(8)或用于停止所述風(fēng)輪機(jī)(I)的控制信號(hào)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟隨著時(shí)間處理每個(gè)葉片(7)的位置信號(hào)的子集，以便取得所述葉片(7)的振蕩并確定每次振蕩的頻率和振幅；將振蕩頻率與參考值進(jìn)行比較，以避免臨界振蕩頻率；發(fā)射用于控制所述螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)(8)的控制信號(hào)，以便當(dāng)所述振蕩頻率落在臨界范圍內(nèi)時(shí)改變所述葉片(7)的振蕩頻率。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟處理所有葉片(7)的整組位置信號(hào)；在相對(duì)于所有葉片(7)的中間位置值的偏離的基礎(chǔ)上計(jì)算所述轉(zhuǎn)子(4)的總變形；將所述轉(zhuǎn)子(4)的總變形與參考閾值進(jìn)行比較；以及當(dāng)所述轉(zhuǎn)子(4)的總變形超過該參考閾值時(shí)發(fā)射用于致動(dòng)所有葉片(7)的螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)(8)的控制信號(hào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟處理至少一個(gè)葉片(7)的位置信號(hào)的子集，以計(jì)算所述葉片(7)的振蕩頻率；獲得所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)(5)的能量輸出；將所述能量輸出處的計(jì)算的振蕩頻率與沒有冰時(shí)的相同能量輸出處的自然振蕩頻率進(jìn)行比較；以及當(dāng)所計(jì)算的頻率與自然頻率之間的差異超過給定閾值時(shí)發(fā)射用于停止所述風(fēng)輪機(jī)(I)和/或啟動(dòng)除冰程序的控制信號(hào)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟處理位置信號(hào)的子集，以便計(jì)算至少一個(gè)葉片(7)的振蕩(振幅和頻率)；以及當(dāng)振蕩(振幅和頻率)隨著時(shí)間的差異超過給定范圍且所述轉(zhuǎn)子(4)以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)射用于調(diào)節(jié)所述換流器(11)和/或一個(gè)或多個(gè)葉片(7)的螺旋角的控制信號(hào)。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，每個(gè)葉片(7;36)包括根部(14)、中間部分(15)和頂部(16)，所述頂部具有被構(gòu)造為當(dāng)與所述葉片軸線(B)成橫向地對(duì)所述葉片(7 ;36)加載時(shí)有利于所述頂部(16)相對(duì)于所述中間部分(15)扭曲的結(jié)構(gòu)；所述葉片(7 ;36)在所述中間部分(15)中設(shè)置有至少一個(gè)反光鏡(27)并在所述頂部(16)中設(shè)置有至少一個(gè)反光鏡(28);所述方法進(jìn)一步包括以下步驟將與所述反光鏡(27，28)相關(guān)的位置信號(hào)進(jìn)行比較，以計(jì)算一個(gè)葉片(7)的所述頂部(16)相對(duì)于所述中間部分(15)的扭曲；以及當(dāng)所述扭曲在給定范圍之外時(shí)發(fā)射用于控制所述葉片(7)的螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)(8)并調(diào)節(jié)所述葉片(7)的螺旋角的控制信號(hào)。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，每個(gè)葉片(36)設(shè)置有至少一個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)致動(dòng)表面，例如樞轉(zhuǎn)地連接至所述葉片(36)并沿著所述頂部(16)的后緣延伸的至少一個(gè)副翼(37，38)，所述空氣動(dòng)力學(xué)致動(dòng)表面連接至至少一個(gè)其他反光鏡(43，44);所述方法包括獲得所述空氣動(dòng)力學(xué)致動(dòng)表面的位置的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，包括以下步驟將每個(gè)葉片(7；36)的變形與所述轉(zhuǎn)子(4)的其他葉片(7 ；36)的變形進(jìn)行比較。
全文摘要
本發(fā)明涉及風(fēng)輪機(jī)及控制風(fēng)輪機(jī)的控制方法，該風(fēng)輪機(jī)(1)設(shè)置有轉(zhuǎn)子(4)，可圍繞轉(zhuǎn)子軸線(A)旋轉(zhuǎn)，且具有圍繞葉片軸線(B)旋轉(zhuǎn)地裝配至輪軸(6)的多個(gè)葉片(7)和用于調(diào)節(jié)葉片(7)的螺旋角的多個(gè)螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)(8)；制動(dòng)器(9)，由制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(10)控制，用于停止轉(zhuǎn)子(4)；旋轉(zhuǎn)電機(jī)(5)，連接至轉(zhuǎn)子(4)；換流器(11)，用于控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)(5)；以及控制系統(tǒng)(22)，其被構(gòu)造為，根據(jù)通過被構(gòu)造為檢測(cè)每個(gè)葉片(7)的變形的多個(gè)圖像反射測(cè)量裝置(24)取得的變形，發(fā)射用于選擇性地控制螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)(8)、制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(10)和換流器(11)中至少一個(gè)的控制信號(hào)。
文檔編號(hào)F03D11/00GK102808722SQ201210182318
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者馬特奧·卡薩扎, 阿默代奧·薩巴汀, 京特·斯托克納 申請(qǐng)人:威力克有限公司