叶片偏转监测系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于风力涡轮机叶片的偏转的监测的系统和方法。
【背景技术】
[0002]为了提供风力涡轮机的可靠且受控的运行，当代的风力涡轮机设计试图结合多种叶片监测系统。这种监测系统可以包括叶片偏转监测系统，其用来提供涡轮机运行期间风力涡轮机叶片偏转或挠曲的指示。该信息能够用来监测风力涡轮机叶片将来撞击塔架的可能性，并且执行适当的控制器动作(例如，叶片俯仰或涡轮机制动)以避免这种预测的塔架撞击。
[0003]在美国专利N0.7，883，316中提供了这种偏转监测系统的示例，该美国专利描述了使用无线通信网络的偏转监测系统，其能够操作成检测沿着叶片的长度的多个点的位置以及根据该信息确定叶片弯曲。
[0004]然而，已经发现，这种无线监测系统容易受到降低监测系统的有效性的各种运行因素影响，这些因素例如为:来自反射或多路径效应的干涉，穿过不同材料的多个层导致的信号衰减，等等。传统地，这种监测系统安装在风力涡轮机叶片结构的内部，因此由于来自内部叶片层压体和叶片翼梁的信号反射而容易受到显著的干涉。
[0005]本发明的目的是提供一种受上述因素影响较小的改进的叶片偏转监测系统。
【发明内容】
[0006]因此，提供了一种风力涡轮机叶片，其包括具有压力侧和吸入侧以及前缘和后缘的翼面轮廓体，在前缘和后缘之间延伸有弦长，叶片具有顶端和根端，该风力涡轮机叶片还包括:
朝向所述顶端设置的至少一个顶端通信装置，
朝向所述根端设置的至少一个根端通信装置，所述至少一个根端通信装置与所述至少一个顶端通信装置通过无线通信路径无线地通信，以监测所述至少一个顶端通信装置与所述至少一个根端通信装置之间的距离，从而确定所述至少一个顶端通信装置相对于所述至少一个根端通信装置的移动，该移动指示叶片的偏转，其中，
所述至少一个根端通信装置设置在在所述根端从所述风力涡轮机叶片的外表面突出的至少一个支架上，其中所述根端通信装置与所述叶片的外表面间隔开，以使所述至少一个顶端通信装置与所述至少一个根端通信装置之间的通信路径中的路径损失最小化。
[0007]通过监测朝向叶片的根端和顶端设置的通信装置之间的距离的变化，相对容易确定风力涡轮机叶片的偏转。然后，该信息能够被用来提供改进的风力涡轮机控制，例如，在叶片偏转可能导致塔架撞击的情况下，可以实施风力涡轮机叶片的紧急俯仰调整。
[0008]通过将根端通信装置定位在叶片的外部上以及另外使通信路径与叶片表面间隔开，两个通信装置之间的通信路径较少地由于反射、多路径、信号衰减和/或信号吸收而受到路径损失的影响。这使得装置之间的通信链路的信号质量提高，因此提供了改进的叶片偏转检测系统。另外，根端装置和顶端装置在叶片自身上的定位确保了不管叶片俯仰或旋转或涡轮机摇摆运动如何，装置之间的通信路径都被保持。通过在同一个俯仰坐标系中设置装置，与第一装置安装于叶片而第二装置安装于转子毂或涡轮机舱体的替代系统相比，系统运行所需的计算大大简化。
[0009]优选地，所述至少一个支架从所述风力涡轮机叶片的外表面突出，所述至少一个根端通信装置位于所述至少一个支架的末端，风力涡轮机叶片具有用于风力涡轮机叶片的特征最大偏转形状，其中所述至少一个支架从风力涡轮机叶片的外表面突出的长度基于所述特征最大偏转形状选择，使得所述至少一个顶端通信装置与所述至少一个根端通信装置之间的通信路径的路径损失在预定的可接受路径损失水平以下。
[0010]由于任何风力涡轮机叶片都将具有对叶片容许的(certified)最大偏转水平，所以这可以被看作是最差情况的偏转情形。因此，通过使根端通信装置与叶片的表面间隔开特定的距离，能够对叶片的所有预测偏转水平确保可接受的信号通信水平。
[0011]作为补充或替代，所述至少一个支架从所述风力涡轮机叶片的外表面突出，所述至少一个根端通信装置位于所述至少一个支架的末端，其中所述至少一个顶端通信装置设置在风力涡轮机叶片的外表面上，风力涡轮机叶片具有一定范围的容许偏转形状，其中，
所述至少一个支架从风力涡轮机叶片的外表面突出的长度被选择成使得对于所述叶片的所述一定范围的容许偏转形状，在所述至少一个顶端通信装置与所述至少一个根端通信装置之间保持了视线通信路径。
[0012]通过将根端通信装置设置在相对较长的支架上，能够对风力涡轮机叶片的所有预测偏转形状保持顶端装置与根端装置之间的视线连接，从而对装置之间的通信路径产生极佳的信号质量。
[0013]然而，将理解的是，顶端通信装置可以设置在叶片本体的内部，例如设置在内部叶片梁、腹板或翼梁上。
[0014]可替代地，所述顶端通信装置可以设置在叶片本体的外部。例如，顶端通信装置可以安装于叶片的外表面，或者位于限定在叶片的外表面上的槽、通道或孔内，使得所述顶端通信装置的至少一部分暴露于叶片的外部。通过将顶端通信装置定位在叶片本体的外部，保存了通信装置之间的信号强度的质量，并且波形具有减小的失真，因为信号不需要在装置之间穿过叶片本体的壁。对于安装在外部的顶端装置，优选地，装置成形为减小声学噪声和/或叶片还包括噪声减小特征，以减轻由安装在外部的装置产生的任何运行噪声的影响。
[0015]优选地，系统构造成使得通信信号沿着叶片的前缘或后缘传播，并且叶片在拍打方向上的弯曲导致信号传播时间的最大变化。
[0016]优选地，所述至少一个根端通信装置朝向所述风力涡轮机叶片的前缘或后缘设置。优选地，所述至少一个顶端通信装置朝向所述风力涡轮机叶片的前缘或后缘设置。在本发明的一个方面，所述至少一个根端通信装置和所述至少一个顶端通信装置朝向所述风力涡轮机叶片的同一侧设置。
[0017]通过将通信装置定位在叶片的前缘或后缘处或者定位在前缘或后缘附近，这提供了根端装置与顶端装置之间的通信路径的改进的信号质量。首先，由于叶片的外表面在前缘和后缘处的相对较高的曲率，与来自相对平坦的表面的类似的反射相比，来自该弯曲表面的任何信号反射都将散射在较宽的区域内。结果，将减小对装置之间的通信路径的任何反射干扰。其次，由于与在拍打方向上的叶片偏转相比的风力涡轮机叶片的相对较小的沿边缘的偏转，支架高度能够保持相对较小，以保持装置之间的视线连接，或者至少保持具有低路径损失的通信路径。
[0018]另外，由于与叶片的其他部分处的厚度相比，叶片层压体在叶片前缘和后缘处的厚度相对较薄，例如在层压体由于结构原因较厚的情况下，如果根端装置与顶端装置之间的通信路径必须穿过叶片本体的一部分，那么通信路径的信号质量由于需要穿过的层压体部分较薄而受到较少的影响。
[0019]将理解的是，装置可以设置在叶片的前缘或后缘处，或者邻近前缘或后缘。
[0020]优选地，风力涡轮机叶片包括设置在第一支架上的第一根端通信装置和设置在第二支架上的第二根端通信装置，第一根端通信装置和第二根端通信装置朝向前缘或后缘设置，其中所述第一根端通信装置位于所述前缘或后缘的压力侧上，而所述第二根端通信装置位于所述前缘或后缘的吸入侧上。
[0021]通过将根端装置布置在前缘或后缘中的任一侧上，根端装置能够设置在允许三边测量和/或三角测量距离或位置测量的可限定位置。
[0022]优选地，风力涡轮机叶片包括朝向叶片的顶端设置在沿着风力涡轮机叶片的长度的第一位置处的第一顶端通信装置和朝向叶片的顶端设置在沿着风力涡轮机叶片的长度的第二位置处的第二顶端通信装置，其中所述第一位置与所述第二位置间隔开，所述第二位置位于所述第一位置与所述顶端之间。
[0023]将两个顶端装置沿叶片的长度间隔开允许对于沿着叶片的长度的两个截然不同的点计算叶片偏转。因此，能够提供叶片偏转的更精确的估测，并且系统还允许叶片力矩的测量和叶片模式形状的监测。这能够通过叶片有源装置、致动器等的适当控制带来叶片模式激励的精确控制。
[0024]优选地，所述至少一个根端通信装置可操作成利用三边测量法确定所述至少一个顶端通信装置的位置。作为补充或替代，所述至少一个根端通信装置可操作成利用三角测量法确定所述至少一个顶端通信装置的位置。
[0025]优选地，所述至少一个顶端通信装置和所述至少一个根端通信装置是超宽带(UffB)位置追踪和/或通信装置，并且其中，所述通信路径是UWB信号通信路径。
[0026]UWB通信允许在低功率应用中在发射器与接收器装置之间执行范围或距离测量，从而使外部干扰的影响最小化。
[0027]将理解的是，所述至少一个顶端通信装置和/或所述至少一个根端通信装置选自以下装置中的一个:接收器、发射器、接收器-发射器电路或收发器。还将理解的是，所述至少一个顶端通信装置可以包括:朝向所述顶端设置的天线；联接于接收器、发射器、接收器-发射器电路的天线；或者设置在单独的位置、例如朝向叶片根端设置的收发器装置。
[0028]这种设置将允许接收器、发射器、接收器-发射器或收发器电路的相对复杂的电子元件定位在相对容易维护的位置，例如叶片根端。可以在与顶端相邻的位置设置天线，并且该天线通过信号线缆或其他适当的连接联接于电子元件。这种线缆可以设置成联接于内部叶片部件，例如内部闪电引下导体线缆。
[0029]优选地，风力涡轮机叶片包括通信地联接至所述通信装置中的至少一个通信装置的至少一个处理器部件，其中所述至少一个处理器部件布置在位于风力涡轮机叶片的根端处或邻近根端处的控制器壳体中，其中所述至少一个处理器部件选自以下装置中的至少一个:接收器、发射器、接收器-发射器电路、收发器、控制器。
[0030]在本实施方式中，用来发射、接收和/或至少部分地处理无线通信信号的相对敏感的有源电子器件能够容纳在安全的环境中，该环境可以被密封以防止湿气的进入和/或被电屏蔽，以防止外部电磁干涉和/或闪电雷击影响容纳的部件。例如，所述壳体可以联接至风力涡轮机的雷击保护系统，从而为壳体上的任何闪电雷击提供接地路径。这种控制器壳体因此能够位于相对容易维护的位置，以允许在需要时维护和/或修理部件，例如位于叶片的根端或者位于风力涡轮机毂部或舱体中。
[0031]优选地，风力涡轮机叶片包括联接于所述至少一个顶端通信装置的至少一个叶片模块，其中所述至少一个顶端通信装置和所述至少一个根端通信装置可操作为利用所述至少一个顶端通信装置与所述至少一个根端通信装置之间的所述通信路径向所述至少一个叶片模块发射数据或者从所述至少一个叶片模块发射数据。
[0032]在这种情况下，根端装置与顶端装置之间的通信路径能够执行提供范围或距离测量的双重用途，即用于确定叶片偏转以及叶片的根端与顶端之间的数据传输。将理解的是，可以通过所述数据调制经由通信路径发射的距离计算信号。
[0033]将理解的是，所述至少一个叶片模块可以包括叶片传感器装置，例如加速度计、应变传感器、振动传感器等等，其中所述顶端通信装置可操作为经由所述至少一个根端通信装置从所述叶片传感器装置向控制器发射传感器数据。
[0034]作为补充或替代，所述至少一个叶片模块可以包括叶片有源升力装置，例如翼片、压电表面模块、扰流器、凸片、流体注射装置等，其中所述根端通信装置可操作为经由所述至少一个顶端通信装置向所述叶片有源升力装