涉及风力涡轮机的改进的制作方法

本发明总体上涉及风力涡轮机并且更具体地涉及一种用于在风力涡轮机的使用期间确定风力涡轮机叶片的形状的方法和系统。

背景技术：

现代实用级(utility-scale)风力涡轮机具有转子，该转子包括非常长且纤细的叶片。图1示出典型的风力涡轮机叶片10，该风力涡轮机叶片从相对较宽的根端12朝向相对较窄的梢端14纵向地渐缩。还示出当叶片10为基本上笔直时穿过根端12和梢端14两者的纵向轴线l(如图1中所示)。叶片10的根端12的横截面为圆形。从根部向外，叶片10的横截面具有翼形轮廓16。还在图1中示出穿过叶片10的前缘18和后缘20的翼弦(chord-wise)轴线c。

叶片10的根部12一般经由变桨机构连接到转子的轮毂，该变桨机构使叶片围绕纵向变桨轴线l转动以便改变叶片的桨距。纵向轴线l总体上垂直于转子的旋转轴线。改变叶片的桨距使其相对于风的迎角改变。这用于控制叶片的能量捕获，并且由此控制转子速度，以使得其在风速变化时维持在操作限度内。在低至中等的风中，特别重要的是控制叶片的桨距以便使其能量捕获最大化，并且使风力涡轮机的生产率最大化。

风力涡轮机叶片的能量捕获总体上随着从根部朝向梢部移动而增加。由此，叶片10的内侧或根部部分12倾向于捕获最少的能量，而叶片10的外侧或梢部部分14倾向于捕获最多的能量。因此期望对于叶片的外侧部分的桨距角进行准确控制以便使风力涡轮机的输出最大化。

现代风力涡轮机叶片一般具有50-80米的长度，并且不断地有动力开发更长的叶片以从风中捕获更多的能量。这些叶片总体上由复合材料、诸如玻璃纤维增强塑料(gfrp)制成。叶片因此为相对柔性的并且在操作期间不可避免地弯曲和扭转到一定程度。叶片的相对较窄的外侧部分特别容易受到扭转和弯曲影响。

虽然变桨机构允许对于叶片的根部的角度进行准确控制，但这不一定反映出叶片上的其它点的角度，特别是更接近于如上文所述更容易受到弯曲和扭转影响的梢部的角度。在极端的情况下，叶片的弯曲可能导致叶片梢部与风力涡轮机的塔架区段碰撞。因此期望提供一种用于确定叶片的形状(或行为)的方法和装置，从而使得可以确定例如梢部的方位或叶片上的总载荷。当前的系统包括光学和应变传感器的结合，该光学和应变传感器既昂贵又容易在风力涡轮机叶片通常经受的极端天气条件下损坏。

与此背景技术相对的是，本发明旨在提供一种用于确定叶片的形状或行为的可选的解决方案，该解决方案与在上文中提及的现有技术解决方案相比相对便宜并且更加稳健。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面提供一种在风力涡轮机的操作期间确定风力涡轮机叶片的至少一部分的形状的方法，该方法包括测量在叶片上的一个或多个位置处的第一和第二加速度值，第一和第二加速度值沿基本上互相垂直的方向。该方法还包括基于测量出的在一个或多个位置处的第一和第二加速度值的相对大小确定叶片的形状参数。

本发明提供一种便宜且稳健的方法用于以高准确度确定由风载荷在叶片的一个或多个点处引起的弯曲程度。

形状参数可以是叶片弯曲角和/或叶片上的一个或多个位置的方位(position)。叶片弯曲角可以是风力涡轮机的转子轴线与在一个或多个位置处的第一加速度值的方向之间的夹角。这有利地允许确定叶片的当前状态，或预测叶片的未来状态，以使得可以利用恰当的控制策略。

确定形状参数可以包括基于测量出的第一和第二加速度值计算在叶片的一个或多个位置处的向心加速度和/或离心加速度。在叶片上的一个或多个位置处的向心力和/或离心力可以接下来基于计算出的向心加速度和/或离心加速度来计算。

形状参数可以利用三角法和/或查找表来确定。

在某些实施方式中，叶片的梢部的位置基于确定出的形状参数来确定。这对于评估例如叶片是否弯曲到可能撞击风力涡轮机的塔架的程度而言是重要的。

可选地或附加地，该方法可以包括基于确定出的形状参数近似获得(approximating)叶片的总体形状和/或叶片上的载荷。叶片的总体形状还可以基于叶片的根端的方位。根端的方位基本上不受外部载荷(诸如风)影响并且由此当确定其它叶片特性时提供良好的参照点。

该方法可以包括将控制信号发送到风力涡轮机的至少一个部件，控制信号基于确定出的形状参数、梢部的位置、叶片的总体形状以及确定出的叶片上的载荷中的至少一个。这允许最大化能量捕获和/或最小化风力涡轮机叶片损坏的可能性。

在某些实施方式中，该方法包括测量在叶片上的多个位置处的第一和第二加速度值，第一和第二加速度值沿基本上互相垂直的方向，并且所述多个位置沿叶片的至少一部分的长度互相间隔开。增加沿叶片测量加速度的位置的数量使随后近似获得的叶片特性的准确性增加。

根据本发明的另一个方面提供一种用于在风力涡轮机的操作期间确定风力涡轮机叶片的至少一部分的形状的系统，该系统包括定位在叶片上的第一位置处的加速度计，加速度计配置成测量在叶片上的第一位置处的沿基本上互相垂直的方向的第一和第二加速度值。该系统还包括处理器，该处理器配置成基于测量出的在第一位置处的第一和第二加速度值的相对大小确定叶片的形状参数。

系统可以包括沿叶片的至少一部分的长度互相间隔开的多个加速度计，每个加速度计配置成测量在相应的加速度计的位置处的沿基本上互相垂直的方向的第一和第二加速度值，并且处理器配置成基于测量出的在一个或多个相应位置处的第一和第二加速度值的相对大小确定叶片的形状参数。

该或每个加速度计可以是双轴线加速度计。这提供测量沿两个基本上互相垂直的方向的加速度的实际方式；然而，两个单轴线加速度计可以设置成提供相同的功能。

在某些实施方式中，处理器配置成基于如由该加速度计测量的测量出的第一和第二加速度值的相对大小计算叶片弯曲角和/或在相应的加速度计的位置处的叶片的方位。

该或每个加速度计可以是安全评级的加速度计。测量出的加速度值可以接下来经由安全评级的通信构件(诸如光纤或其它类型的线缆)通信到安全控制系统。安全控制系统可以包括配置成确定叶片的形状参数的处理器，或可以包括单独的安全处理器。

处理器和/或单独的安全处理器可以定位在风力涡轮机的机舱中。附加地或可选地，该系统可以包括控制器，该控制器用于在确定出的形状参数、确定出的叶片的梢部的位置、确定出的叶片的总体形状以及确定出的叶片上的载荷中的至少一个的基础上控制风力涡轮机的至少一个部件。该至少一个部件可以是变桨机构，该变桨机构将风力涡轮机的转子轮毂连接到叶片以便改变叶片的桨距。控制器可以是安全控制器或该系统可以附加地包括单独的安全控制器。在系统包括单独的安全控制器的情况下，如果风力涡轮机叶片的操作被认为是不安全的(例如，如果叶片梢部可能撞击风力涡轮机的塔架或如果叶片上的载荷大于阈值)，则安全控制器可以覆盖来自控制器的控制信号。这样的覆盖可以包括安全控制器控制叶片桨距。安全控制器的包括允许叶片被设计成使得例如其不那么坚硬和/或其更长。这两个设计特征都增加叶片弯曲的敏感性；然而，安全系统的存在意味着可以避免由任何潜在严重的叶片弯曲引起的损坏。

根据本发明的又一个方面提供一种包括任何上文公开的系统的风力涡轮机。

附图说明

已通过本发明的背景技术的方式在上文中描述图1，该图是示例性风力涡轮机叶片的立体图，该风力涡轮机叶片在根部处具有圆形的横截面，并且从根部向外具有翼形横截面轮廓。

为了使本发明可以被更容易地理解，现在将会参照以下附图通过非限制性实施例的方式描述本发明的实施方式，其中：

图2a是示例性风力涡轮机前视图，风力涡轮机包括定位成靠近每个风力涡轮机叶片的梢部的双轴线加速度计；

图2b是在图2a中示出的风力涡轮机的侧视图，进一步示出定位在风力涡轮机的机舱中的控制单元；

图3a是在风力涡轮机叶片为基本上笔直的情况下，在图2a和2b中示出的其中一个叶片的横截面相对于风力涡轮机塔架的示意图；

图3b示出在风力涡轮机叶片弯曲的情况下，图3a的风力涡轮机叶片的横截面图；

图4是流程图，其展示根据本发明的实施方式的过程，该过程用于在由定位在叶片上的双轴线加速度计测量的值的基础上确定在图3a和3b中示出的叶片的特性；以及

图5a和5b分别示出图3a和3b的叶片配置，并且进一步示出与所述配置相关联的不同尺寸。

具体实施方式

图2a和2b分别示出水平轴线风力涡轮机30的一个实施方式的前视图和侧视图，该水平轴线风力涡轮机包括塔架32和机舱34。如图2a中最佳所示，风力涡轮机30还包括转子-轮毂组件，该转子-轮毂组件包括经由相应的变桨机构(未示出)固定到中心轮毂38的三个涡轮机叶片36a，36b，36c。叶片36a，36b，36c具有如图1中所示的横截面轮廓16，并且设置成当风沿基本上垂直于并且进入页面平面中的方向入射在叶片36a，36b，36c上时引起转子-轮毂的逆时针旋转，如由方向箭头40指示出的那样。

转子-轮毂组件的每个叶片36a，36b，36c配置有定位成靠近叶片梢部44a，44b，44c的相应的双轴线加速度计42a，42b，42c。这在下文中更详细地讨论。如图2b中所示，定位在机舱34中的是总体上水平的主轴48，该主轴在前端处连接到中心轮毂38并且在后端出连接到变速箱50，该变速箱继而连接到发电机52。控制单元54定位成相邻于发电机52。

控制单元54包括处理器54a，该处理器用于在由加速度计42a，42b，42c测量的值的基础上确定指示出叶片36a，36b，36c的某些特性的值。控制单元54还包括控制器54b，该控制器用于在所述确定出的特性的基础上将控制信号发送到风力涡轮机30的不同部件。这也在下文中更详细地讨论。

还在图2a和2b中示出的是与每个叶片36a，36b，36b相关联的纵向轴线l，如图1中所示。图2b示出穿过相应的前缘56a，56b(56c未示出)和后缘58a，58b(58c未示出)的翼弦线c，还如图1中所示。

叶片弯曲一般当风力涡轮机叶片遭受总体上垂直于叶片的纵向轴线l的大的外部载荷时发生。这能够引起叶片弯曲，这可能导致叶片梢部从笔直纵向轴线l的显著位移。叶片弯曲在此参照图3a和3b最佳地限定。

图3a是叶片36a(如图2b中所示)的横截面侧视图的示意图。在这种情况下，叶片36a为基本上笔直的，并且叶片梢部44a基本上竖直地处于叶片根部46a下方。图3b示出弯曲时的叶片36a；即，在叶片的外侧部分遭受风载荷的情况下，如上文所述。当叶片36a为基本上笔直时，l轴穿过梢端44a和在叶片36a的根端46a处的点p两者。当叶片36a弯曲时，l轴维持基本上垂直于中心轮毂38的旋转轴线，仍然穿过p但不穿过叶片梢部44a。还应当强调的是，叶片36a是长且纤细的；即，其沿由l轴限定的方向的长度远大于沿从前缘56a到后缘58a的基本上垂直于l轴的方向的长度。

如上文所述，双轴线加速度计42a定位在叶片梢部44a附近并且定位成使得l轴穿过该双轴线加速度计；然而，在其它实施方式中，双轴线加速度计42a可以定位在叶片36a上的任何点处。两个轴线加速度计42a可以定位在叶片36a的表面上或内部并且包括两个基本上互相垂直的在本领域中已知的任何类型的单轴线加速度计(例如，memsic2125双轴线加速度计)并且被封装为单一单元。在其它实施方式中，两个单轴线加速度计无需被封装为单一单元并且可以定位成基本上相邻于彼此的两个单独的单元。

双轴线加速度计42a配置成测量叶片36a的特定点的加速度，该双轴线加速度计定位在该特定点处。双轴线加速度计42a定位成使得当叶片36a为基本上笔直时(如图3a中所示)，沿第一‘y’轴方向测量出的加速度与纵向轴线l的方向重合。双轴线加速度计42a还测量沿基本上垂直于y轴的第二‘x’轴的加速度。以其它方式表达，当叶片36a为基本上笔直时，x轴基本上平行于中心轮毂38和主轴48的旋转轴线，而y轴基本上垂直于所述旋转轴线。

当叶片36a弯曲时(如图3b中所示)，双轴线加速度计42a移位，从而使得x轴不再基本上平行于旋转轴线并且y轴不再基本上平行于l轴。然而，x轴和y轴维持基本上互相垂直。应注意到的是，在图3a和3b中示出的正向x和y的方向仅用于展示目的并且可以根据偏好而适应。还应注意到的是，双轴线加速度计42a可以设置在叶片36a上，从而使得对于基本上笔直的叶片，x轴并非基本上平行于旋转轴线并且y轴并非基本上平行于l轴。

在叶片36a上的双轴线加速度计42a的位置处的叶片弯曲角θ(0≤θ≤π/2)定义为x轴与中心轮毂和主轴48的旋转轴线之间的夹角。等同地，在双轴线加速度计42a的位置处的叶片弯曲角θ可以定义为y轴与l轴方向之间的夹角。在本发明的后续讨论中，将会应用叶片弯曲角的这种定义。然而，应认识到的是，弯曲角可以定义为相对于任何其它恰当的任意参考轴线，并且由此不应将这种定义解释为过度限制本发明的范围。例如，叶片弯曲角可以替代地定义为y轴与旋转轴线之间的夹角，即，根据图3b的几何形状采用π/2-θ值的角。

在叶片36a旋转时，双轴线加速度计42a具有朝向其遵循的圆形路径的中心定向的向心加速度ac。等同地，向心加速度ac沿基本上垂直于中心轮毂38的旋转轴线的方向，即，沿由纵向轴线l限定的方向。应注意到的是，这意味着在当前描述出的实施方式中，θ可以定义为y轴与叶片36a的在双轴线加速度计42a的位置处的向心加速度的方向之间的夹角。在叶片36a为基本上笔直的情况下(如图3a中所示)，y方向对应于由l轴限定的方向，以使得由ay表示的沿y方向的加速度等于向心加速度ac，并且由ax表示的沿x方向的加速度为0。然而，当叶片36a弯曲时(如图3b中所示)，向心加速度的分量沿x方向，从而使得ax≠0并且ay<ac。

对于给定的叶片轮廓，弯曲角θ取决于双轴线加速度计42a沿叶片的长度的位置而不同，并且因此将双轴线加速度计42a定位成基本上在叶片梢部44a附近确保确定出的叶片弯曲角θ是叶片梢部44a的状态的准确反映，该叶片梢部可以是叶片36a中最有吸引力的部分。然而，双轴线加速度计42a可以定位在沿的叶片的长度的任何位置处。

图4展示根据本发明的当前描述出的实施方式的过程，该过程用于在由定位在所述叶片36a上的双轴线加速度计42a测量的值的基础上确定在图3a和3b中示出的叶片36a的特性。特别地，在步骤60处，分别沿x方向和y方向的加速度ax和ay由双轴线加速度计42a测量。这些测量出的加速度值接下来在步骤62处被通信到控制单元54。光纤可以用于将指示出测量出的加速度值的信号从加速度计42a，42b，42c传递到控制单元54。这样的光纤(未在图中示出)纵向地延伸穿过叶片36a，36b，36c，并且光纤的使用有利地避免叶片36a，36b，36c内存在导电装置，该导电装置在恶劣天气情况下可能吸引雷电。可选地，其它类型的线缆可以用于将信号传递到控制单元54。

在步骤64处，控制单元54利用毕达哥拉斯定理、利用以下关系式确定向心加速度ac：

并且接下来在步骤66处利用简单三角法确定叶片弯曲角θ，给出以下关系式：

在图3a和3b中限定的几何形状中，如果sgn(ax)＝sgn(ac)，则叶片36a朝向塔架32‘向内’弯曲(如图3b中所示)，并且如果sgn(ax)≠sgn(ac)，则叶片36a远离塔架32‘向外’弯曲。向心力可以利用计算出的向心加速度来容易地确定。应注意到的是，在ac的值本身不被关注的情况下，可以跳过步骤64并且可以利用ax和ay的值直接地确定θ。还应注意到的是，用于计算θ的以上关系式可以由本领域技术人员根据弯曲角的特定定义和选择出的特定任意参考轴线而容易地适用。在其它实施方式中，本领域技术人员可以选择以等同方式计算离心加速度(和离心力)以替代或附加于向心加速度(和向心力)。

一旦已确定θ，则控制单元54可以在步骤68处近似获得叶片36a的形状。可以可选地在不首先确定弯曲角θ的情况下近似获得叶片36a的形状。现在参照图5a和5b描述近似获得该形状的一个方法。

图5a示出叶片36a处于与在图3a中相同的布置。特别地，图5a示出对于基本上笔直的叶片，加速度计42a距叶片根部46a处的点p的距离是已知的恒定距离dacc1，并且叶片梢部44a距叶片根部46a处的点p的距离是已知的恒定距离dtip。图5b示出叶片36a处于与在图3b中相同的布置。特别地，图5b示出加速度计42a距叶片根部46a处的点p的距离是相对于旋转轴线(基本上垂直于l)成角度θ1的距离d1。应注意到的是，d1随着θ1改变，即，d1＝d1(θ1)。双轴线加速度计42距点p的位移是沿l方向的距离l1和沿旋转轴线方向的距离δ1。

对于叶片36a的相对较小的弯曲程度，则可以获得近似关系θ1≈θ和d1≈dacc1(其中θ在上文中参照图3b定义)。叶片36a的形状接下来可以被近似获得为具有穿过点p的倾斜度tanθ的直线。

描述出的实施方式包括叶片36a，36b，36c每个具有单一双轴线加速度计42a，42b，42c；然而，这当然可以延伸，以使得叶片包括沿其长度间隔开的多个双轴线加速度计。更多数量的双轴线加速度计将会允许更准确地近似获得叶片的形状(并且，特别地，不限制到直线近似)。包括两个加速度计沿叶片36a的长度定位在不同点处的布置将会允许叶片的形状通过例如牛顿差值来近似获得为二阶多项式(利用两个加速度计中的每个的位置和叶片根部46a处的点p的计算出的方位)。在这种情况下，并且参照图5b，可以利用已知值dacc1和θ通过简单三角法近似获得双轴线加速度计42a沿l轴方向的位移l1和沿旋转轴线方向的位移δ1，以给出：

l1≈dacc1sinθ和δ1≈dacc1cosθ。

第二双轴线加速度计的位置(未在图5b中绘出，但在沿l方向和沿旋转轴线方向分别定位在距p的距离l2和δ2处)可以类似地利用点p与第二双轴线加速度计之间的已知距离dacc2和在该位置利用测量出的加速度值来确定的值θ(其中确定出的值θ在不同双轴线加速度计的位置处有所不同)一起确定。叶片36a的形状可以接下来被近似获得为穿过点p、(l1,δ1)和(l2,δ2)的曲线。这可以容易地延伸到在叶片36a上包括n个双轴线加速度计的布置。

一旦已近似获得叶片36a的形状，则可以在步骤70处确定叶片梢部44a的位置和叶片上的疲劳载荷。如上文所述，对于基本上笔直的叶片36a，叶片根部46a与叶片梢部44a之间的距离是已知的恒定值dtip(如图5a中所示)。例如，在当前描述的在叶片36a上具有单一双轴线加速度计42a的实施方式中，叶片梢部44a相对于叶片根部46a处的点p的方位可以容易地被近似获得为沿l方向的距离dtipsinθ和沿旋转轴线方向的距离dtipcosθ。

在沿叶片的长度的两个或更多双轴线加速度计的情况下(即当近似获得出的形状并非直线时)，该计算可以恰当地改变。该计算出的叶片梢部方位可以用于确定例如叶片梢部36a是否处于与塔架32碰撞的危险中。在其它实施方式中，可以在不首先近似获得叶片形状的情况下确定叶片梢部44a的位置。

叶片的近似获得出的形状可以用于计算由叶片表面由于叶片弯曲而经受的应变，并且因此计算叶片上的总载荷或在叶片上的一个或多个位置处的载荷。

在步骤72处，控制单元54发送控制信号到以例如调节转子组件的桨距角，以使得避免叶片梢部36a与塔架32之间的潜在碰撞。

以上方法允许在给定的时刻确定给定的风力涡轮机叶片的各种特性(如局部叶片角、叶片形状、叶片梢部方位、载荷)。通过在多个连续时间点确定这些特性中的一个或多个，则可以对于例如叶片梢部在未来一段时间中可能遵循的路径进行预测。这允许在紧急情况(如过度叶片弯曲或叶片上的过大载荷)出现之前实施风力涡轮机的持续平稳操作所必需的控制策略。

上述实施方式主要考虑叶片36a上具有一个双轴线加速度计42a的布置。然而，如上所述，可以在风力涡轮机30的每个叶片上存在多个双轴线加速度计。例如，在根端46a与梢端44a之间沿叶片36a的长度间隔开的多个双轴线加速度计将会允许在沿叶片36a的多个位置处确定叶片弯曲角。

可选地，可以存在仅定位在风力涡轮机的一个叶片上的一个或多个双轴线加速度计。在这种情况下，可以假定其它叶片具有类似特性；即，叶片例如在叶片梢部处经受类似负载或弯曲度。该方法从成本角度来看是有利的，因为需要较少硬件；然而，这样的假设关于叶片之间的某些特性的类似性可能不总是恰当的。

当前描述出的实施方式可以延伸以通过利用一个或多个三轴加速度计测量在叶片上的一个或多个给定点处的沿三个基本上互相垂直的方向的加速度。这将会允许确定叶片沿一个以上方向的弯曲或确定给定点处的叶片扭转度。在这种情况下，对于叶片的形状的更复杂的近似(即额外维度的近似)将会成为可能。

为了便于理解，当前描述出的实施方式(如图2，3和5中所示)考虑旋转轴线垂直于重力方向的理想布置。实际上，风力涡轮机30的主轴48一般倾斜数度，从而使得由重力产生的加速度(小)分量沿x方向(如在图3a和3b中限定)；然而，鉴于由重力产生的加速度和主轴48的倾斜度将会是已知的恒定值，则该效果可以由本领域技术人员容易地并入到上述过程中。此外，在某些风力涡轮机上，叶片可以安装在转子轴线上，从而使得其梢部远离或朝向机舱数度(一般1至5度)指向。如上所述，这将会是已知的恒定值并且由此该效果还可以由本领域技术人员结合到上述方法中。

再者，该或每个风力涡轮机叶片可可能受到各种和/或其它类型的自然发生的运动影响，该运动可能影响来自该或每个加速度计的测量出的值。该方法可以容易地适配以通过利用简单的低通过滤或通过利用更高级的方法去除测量出的值中的这样的不期望的噪声。

可选地或附加地，上述方法可以结合测量出的加速度值使用一个或多个查找表以确定叶片的特性，诸如叶片弯曲角、叶片的一个或多个位置的方位、叶片的总体形状和叶片上的总载荷。

尽管在此描述出的实施方式涉及一种包括三个叶片的风力涡轮机，但这是非限制性的并且仅用于展示目的。对于包括任何数量的涡轮机叶片的风力涡轮机，当前的方法可以用于计算涉及叶片弯曲的特性。

在上文中的实施例中，叶片的形状能够从互相垂直的加速度的相对大小推断。可以执行离线校准测试以产生将加速度的相对大小与叶片的弯曲特性相关联的适当的查找表。因此，在使用中，叶片形状可以基于加速度的相对大小从查找表推断。这有利地避免对于在线执行计算的需求。

在此描述出的实施方式仅被提供用于展示目的并且不应被解释为限制在随后的权利要求中限定的本发明的范围。