专利名称：用于检测风力涡轮叶片与塔架壁之间的接近性的系统的制作方法
技术领域：
本 主题大体涉及风力涡轮，更具体地涉及用于检测涡轮叶片相对于塔架壁的接近性以便防止塔架撞击的系统。
背景技术：
风力被认为是目前可利用的最清洁、最环保的能源之一，并且风力涡轮在这方面获得增加的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、变速箱、机舱以及一个或更多个涡轮叶片。涡轮叶片使用已知的箔原理从风中捕获动能并且通过旋转能传输动能以转动轴，轴将转子叶片联接到变速箱，或者如果不使用变速箱，则直接联接到发电机。发电机然后将机械能转化成可被配置到电网的电能。为了确保风力保持为可行的能源，做出努力以通过改变风力涡轮的尺寸和容量来提高能量输出。一种这样的改变是增加涡轮叶片的长度。然而，如众所周知的，涡轮叶片的偏转是叶片长度连同风速、涡轮操作状态以及涡轮刚度的函数。因此，更长的涡轮叶片经受增加的偏转力，特别是当风力涡轮在高风速条件下操作时。这些增加的偏转力不仅在涡轮叶片和其它风力涡轮构件上产生疲劳，而且也可能增加涡轮叶片撞击塔架的风险。塔架撞击可显著地损坏涡轮叶片和塔架，且在一些情形下可能甚至使整个风力涡轮垮掉。已知使用各种类型的有源或机械传感器来检测涡轮叶片偏转的装置和系统。美国专利No. 6，619，918描述了在涡轮叶片上使用光纤应变仪来测量叶片上的负荷和根据所测量的负荷推导出顶端间隙。美国专利No. 7，059，822描述了一种系统，其中梁联接到叶片且叶片的偏转根据梁的偏转的量来确定。美国专利No. 7，246，991描述了一种用于避免塔架撞击的控制系统，其使用来自测量涡轮叶片的偏转的传感器的信号。描述了几种可能的传感器类型，包括应变仪、安装在叶片中的加速度计和有源雷达装置。传统的传感器和相关联的系统相对复杂和昂贵，且校准这些传感器可能相当复杂和耗时。而且，传感器通常限于检测在塔架上的单一周向位置处叶片的存在。然而，机舱实际上可处于相对于塔架的任何旋转位置，其可导致叶片在安装在塔架上的传感器(即，接收器或发射器构件)的相对侧经过塔架。因此，需要一种叶片偏转传感器系统，其在机械上简单、结实并且围绕塔架的整个圆周提供叶片的可靠检测。
发明内容
本主题的方面和优点将在下文的描述中部分地提出，或者可从该描述中显而易见，或者可通过实践本发明而习得。在一个方面中，提供一种独特的传感器系统用于监控任何形式的风力涡轮的涡轮叶片的偏转，风力涡轮包括至少一个叶片，其安装到由在塔架顶部的机舱支撑的转子轮毂。 该系统包括第一构件，其构造在涡轮叶片中的每一个上；和第二构件，其构造在塔架上一定高度处以便在叶片旋转经过塔架时检测第一构件的存在。第二构件生成对应的参数或值，诸如电压或电流，其指示叶片与塔架之间的距离。第二构件基本上完全地围绕塔架的圆周设置以便在机舱相对于塔架的任何旋转位置检测叶片。本发明可利用有源或无源检测系统。例如，第一构件可以是与相应的单独的叶片构造在一起的任何形式的有源发射器，而第二构件包括围绕塔架设置的环形阵列或接收器。替代地，第二构件可为有源构件，而第一构件可为无源接收器。在本发明的范围和精神内可构造任何形式的有源系统以提供围绕塔架的圆周的完全的检测覆盖。
在一个尤其独特的实施例中，该传感器系统是完全无源的。希望地，动力无需供应给第一构件或第二构件中的任一个。例如，该系统可为无源感应系统，其中通过在离第二构件的限定距离内第一构件的存在而在第二构件中感应出可测量的参数或值(例如，电流、 电压或其它电性质)。在该实施例中，第一构件可为附连到涡轮叶片中的每一个的磁源(例如，嵌入于叶片顶端中的磁体)，而第二构件可为围绕塔架形成的检测器线圈。当磁源在限定距离内经过检测器线圈时，磁源在检测器线圈中感应出电流，其中电流的幅度提供叶片与塔架之间的距离的指示。在又一实施例中，控制器可与检测器线圈相关联并且构造成当叶片与塔架之间的距离到达设定值时生成控制信号以采取行动以避免叶片撞击。在另一方面中，本发明可包括一种风力涡轮，其包括塔架、可旋转地安装在塔架顶部上的机舱以及联接到机舱的转子，转子包括轮毂和从轮毂向外延伸的至少一个涡轮叶片。风力涡轮可包括上文所讨论的和下文更详细描述的任何形式的叶片偏转传感器系统。参考下文的描述和所附权利要求，本主题的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。合并于本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出本主题的实施例并且与描述一起用于解释本主题的原理。
本主题的完整的且可实施的公开，包括其最佳实施方式，参考附图在说明书中向本领域技术人员提出，在附图中图1提供风力涡轮的透视图；图2提供根据本发明的一个实施例的风力涡轮的侧视图；以及，图3提供根据本发明的另一个实施例的风力涡轮的侧视图。附图标记构件10风力涡轮12塔架14支撑系统16机舱18转子20轮毂22叶片24叶根26负荷转移区28风向
30旋转轴线32桨距调整系统34变桨轴线
36控制器38偏航轴线40偏航驱动机构42叶片间隙距离43高度44场控制器(park controller)46有源信号50传感器系统52第一构件54发射器56磁体58第二构件60接收器62绕组/线圈64控制器
具体实施例方式现将详细地参考本主题的实施例，其中的一个或更多个示例在附图中示出。通过解释本主题而不是限制本主题来提供每个示例。实际上，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不偏离本主题的范围或精神的情况下在本主题中可做出各种改变和变更。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可与另一个实施例一起使用以产生又一实施例。 因此，意图是本主题覆盖属于所附权利要求及其等同物的范围内的这种改变和变更。图1示出水平轴线式风力涡轮10的透视图。然而应理解的是风力涡轮10可为竖直轴线式风力涡轮。风力涡轮10包括从支撑系统14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16以及联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转的轮毂20和联接到轮毂20且从轮毂20向外延伸的一个或更多个涡轮叶片22。塔架12由管状金属、混凝土或任何其它合适的材料制成并且构造在支撑结构14上。涡轮叶片22通常可具有使风力涡轮10能够如所设计的起作用的任何合适的长度。例如，涡轮叶片22可具有范围从大约15米(m)至大约91m的长度。涡轮叶片22围绕轮毂20间隔开以有助于使转子18旋转以使动能能够从风中转化成可用的机械能并且随后转化成电能。具体而言，轮毂20可以可旋转地联接到定位在机舱16内的发电机(未示出) 以允许产生电能。另外，通过将叶根部分24在多个负荷转移区26联接到轮毂20，涡轮叶片22可与轮毂20配合。因此，引起到涡轮叶片22的任何负荷经由负荷转移区26转移到轮毂20。如在示出的实施例中所示，风力涡轮还可包括在机舱16内或在风力涡轮10或支撑系统14上或中的任何位置的涡轮控制系统或涡轮控制器36。控制器36可构造成控制风力涡轮10的各种操作模式(例如，起动或停机顺序)。此外，控制器36可构造成经由桨距调整系统32控制涡轮叶片中的每一个相对于变桨轴线34的桨距角或叶片桨距以通过调整至少一个涡轮叶片22相对于风的角位置来控制由风力涡轮10所产生的负荷和动力。另夕卜，当风向28变化时，控制器36可构造成控制机舱16围绕偏航轴线38的偏航方向以相对于风向28定位涡轮叶片22。例如，控制器36可控制机舱16的偏航驱动机构40 (图2和图 3)以便使机舱16围绕偏航轴线38旋转。 在风力涡轮10的操作期间，风从方向28撞击涡轮叶片22，这引起转子18围绕旋转轴线30旋转。当涡轮叶片22旋转且经受离心力时，它们也经受各种力和弯曲力矩。因此，涡轮叶片22可从中性的或非偏转的位置偏转到偏转位置。例如，非偏转的叶片间隙距离42 (图1)代表当叶片22处于非偏转的位置时涡轮叶片22与塔架12之间的距离。然而， 作用在涡轮叶片22上的力和弯曲力矩可引起叶片22朝向塔架12偏转，减小总的叶片间隙 42。随着空气动力学负荷增加，过度的力和弯曲力矩可造成涡轮叶片22中的一个或更多个撞击塔架12，导致显著的损坏和停机时间。图2示出传感器系统50的一个实施例，其可与风力涡轮10构造在一起用于在叶片旋转经过塔架12时检测叶片22相对于塔架12的相对位置。在该实施例中，传感器系统 50包括构造在至少一个涡轮叶片22上的第一构件52。第二构件58构造在塔架12上一定高度43处以便在叶片22特别是叶片22的顶端旋转经过塔架时12检测第一构件52的存在。第二构件58生成可测量的参数或值，诸如电压、电流或指示叶片22与塔架12之间的间隙距离42的其它电性质。第二构件58基本上完全地包围塔架12的圆周且能围绕第二构件的整个周边检测叶片(经由第一构件52)以便在机舱16相对于塔架12的任何旋转位置检测叶片22。第二构件58具有一定检测范围以便适应叶片22可撞击塔架的不同高度。该撞击高度可取决于任意数目的因素包括叶片桨距、偏航、负荷等而变化。传感器系统50可根据各种检测原理进行操作。例如，系统50可为有源系统，其中第一构件52或第二构件58中的一个为有源发射器，而另一个相应构件为无源接收器。在图2所示的实施例中，第一构件52被描绘为有源装置54，其传输信号(由箭头46所示)， 该信号由接收器60接收用于处理。这种类型的有源系统可为发光系统、声系统、雷达系统寸。在又一实施例中，传感器系统50可为无源系统。换言之，在第二构件58的位置检测叶片不取决于第一构件52与第二构件58之间信号的有源传输和接收。希望地，无源系统无需供应动力到构件52、58中的任一个，这显著地简化了系统50和降低了系统50的成本。图3示出尤其独特的无源传感器系统50，其根据电磁感应原理进行操作。通过在离塔架12的限定距离42内第一构件52的存在而在第二构件58中感应出可测量的性质。 基于法拉第感应定律的电磁感应系统是这种原理的众所周知的示例。根据该原理，变化的磁场将在线圈(通常被称作“探测线圈”)中感应出与线圈中变化的磁场成比例的电压。该感应电压形成与场的变化率成比例的电流。探测线圈的敏感性取决于芯的磁导性和线圈匝的面积和数量。因为探测线圈仅当它们处于变化的磁场中时工作，所以探测线圈通常在静止的或缓慢变化的磁场中没有用。然而，它们特别好地适合于本风力涡轮实施例，其中叶片相对于塔架(特别是叶片顶端)的速度相当大。此外，该装置并不昂贵且容易与风力涡轮构件构造在一起。再次参考图3，感应传感器系统50可包括附连到涡轮叶片22中的每一个的磁源。 例如，单独的磁体56可以通常在叶片的顶端附近嵌入每个叶片22中。检测器线圈6围绕塔架12在一定高度处形成，在此处叶片顶端在叶片撞击中将接触塔架12。磁体56可足够强力以确保无论叶片桨距如何，它由线圈62检测。替代地，多个磁体56可围绕叶片设置以确保在任何相对方向检测叶片22。线圈62可为围绕塔架12缠绕的多个铜线，或者可包括并入了线圈且安装到塔架12上的预制套筒或其它装置。当磁体56经过线圈62时，在线圈 62中感应的电压产 生较短但可检测且可测量的电流尖峰。电流尖峰的幅度指示叶片22与塔架12之间的距离42且因此可用在控制系统或电路系统中，控制系统或电路系统监控叶片间隙42且在距离42接近危险限度的情况下采取校正行动。例如，图3示意性地描绘了与线圈62通信的控制器64。控制器64将由线圈 62产生的电流转变为可被传递到涡轮控制器36的控制信号，涡轮控制器36可作用于信号以执行预防的校正行动来避免塔架撞击。替代地，控制器36可构造成响应于超过预定的叶片偏转阈值的一个或更多个涡轮叶片22的叶片偏转来反应性地执行校正行动。无论如何， 校正行动可允许风力涡轮10能够适应变化的操作条件，变化的操作条件原本可能导致涡轮叶片22上显著的空气动力学负荷。控制器36反应性地执行校正行动所需的叶片偏转的程度或幅度在风力涡轮之间可能不同。例如，预定的叶片偏转阈值可取决于风力涡轮10的操作条件、涡轮叶片22的厚度、涡轮叶片22的长度以及许多其它因素。在一个实施例中，涡轮叶片22的预定的叶片偏转阈值可等于非偏转的叶片间隙42的70%。在控制器36确定涡轮叶片偏转已超过该阈值的情况下，它可执行校正行动以防止塔架撞击。由控制器36执行的校正行动可采取许多形式。例如，校正行动可包括改变一个或更多个叶片22的叶片桨距用于转子18部分的或完全的回转。如上文所示，这可通过控制桨距调整系统32来实现。通常，改变涡轮叶片22的叶片桨距通过增加平面外刚度而减小叶片偏转。在另一实施例中，校正行动可包括通过增加定位于机舱16内的发电机(未示出) 上的扭矩要求而改变风力涡轮10上的叶片负荷。这减小了涡轮叶片22的旋转速度，从而潜在地减小了作用于叶片22的表面上的空气动力学负荷。替代地，校正行动可包括使机舱16偏航以改变机舱16相对于风向28(图1)的角度。偏航驱动机构40典型地用于改变机舱16的角度使得涡轮叶片22相对于盛行风恰当地成角度。例如，使涡轮叶片22的前缘逆风可以在它经过塔架12时减小叶片22上的负荷。然而，应容易理解的是控制器36无需执行上述校正行动之一而通常可执行设计成减小叶片偏转的任何校正行动。此外，控制器36可构造成同时执行多个校正行动，其可包括上述校正行动中的一个或更多个。而且，控制器36可构造成响应于风力涡轮10的某些操作条件和/或操作状态来执行特定的校正行动。因此，在一个实施例中，控制器36可构造成取决于涡轮叶片22的叶片偏转的幅度选择性地执行特定的校正行动。例如，在某些风力条件下，通过改变涡轮叶片 22的叶片桨距可最有效地减小涡轮叶片偏转。因此，在这些条件下，控制器36可构造成当确定的叶片偏转超过预定水平(诸如非偏转的叶片间隙的预定百分比)时改变一个或更多个涡轮叶片22的叶片桨距。然而，在叶片偏转小于该预定水平的情况下，可能希望控制器执行不同的校正行动。例如，当替代的校正行动可充分地减小叶片偏转而对由风力涡轮10 生产的发电量造成较小影响时，这可能是所希望的。因此，这种构造可通过确保所执行的校正行动与叶片偏转的严重性成比例而改进风力涡轮10的效率。还应理解的是上述的系统可安装在例如在风场中彼此非常靠近地定位的多个风力涡轮10中。在这种实施例中，每个风力涡轮10可通过任何合适的方式与场控制器44通信。例如，传输 线路(未示出)可用于将控制器36连接到场控制器44。场控制器44通常可构造成发布控制命令以超控(override)风场中的任何或所有涡轮控制器36的控制以便改变或变更任意数目的风力涡轮的操作模式。具体而言，场控制器44可构造成命令风场中的单个风力涡轮10、风力涡轮的特定组或者所有风力涡轮进入特定操作模式以便使(多个)风力涡轮适应变化的操作条件。换言之，场控制器44可改变 (多个)风力涡轮的操作模式以主动地对新操作条件(例如，过度的风偏差)做出反应以在保护涡轮的同时实现最大发电。还应理解的是本发明涵盖包括根据本文所述的方面的传感器系统50的任何形式的风力涡轮10。该文字描述使用示例以公开本主题，包括最佳实施方式，并且也使本领域技术人员能够实践本主题，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本主题的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于监控风力涡轮(10)的涡轮叶片(22)的偏转的传感器系统(50)，所述风力涡轮(10)包括安装到由在塔架(12)顶部的机舱(16)支撑的转子轮毂(20)的多个涡轮叶片，所述系统包括第一构件(52)，其构造在所述涡轮叶片中的每一个上；以及第二构件(58)，其构造在所述塔架一定高度上以便在所述叶片旋转经过所述塔架时检测所述第一构件的存在并生成对应的可测量的参数，所述第二构件基本上完全地围绕所述塔架的圆周设置以便在所述机舱相对于所述塔架的任何旋转位置检测所述第一构件。
2.根据权利要求1所述的传感器系统(50)，其特征在于，所述系统为有源系统，其中所述第一构件(52)或第二构件(58)中的一个包括有源发射器(54)而所述第一构件或第二构件中的另一个包括接收器(60)。
3.根据权利要求1所述的传感器系统(50)，其特征在于，所述系统为无源系统。
4.根据权利要求3所述的传感器系统(50)，其特征在于，所述系统为无源感应系统，其中通过在所述叶片(22)与所述塔架(12)之间的限定距离(42)内所述第一构件(52)的存在而在所述第二构件(58)中感应出所述可测量的参数。
5.根据权利要求4所述的传感器系统(50)，其特征在于，所述第一构件(52)包括附连到所述涡轮叶片(22)中的每一个的磁源(56)，而所述第二构件(58)包括围绕所述塔架 (12)形成的检测器线圈(62)，当所述磁源在所述叶片与所述塔架之间的限定距离(42)内经过所述检测器线圈时，所述磁源在所述检测器线圈中感应出可检测的电流。
6.根据权利要求5所述的传感器系统(50)，其特征在于，还包括与所述检测器线圈 (62)相关联的控制器(64)，以根据感应电流的幅度确定所述叶片(22)与塔架(12)之间的距离(42)。
7.根据权利要求6所述的传感器系统(50)，其特征在于，所述控制器(64)进一步构造成当所述叶片(22)与塔架(12)之间的所述距离(42)到达设定值时采取行动以避免叶片撞击。
8.根据权利要求5所述的传感器系统(50)，其特征在于，所述磁源(56)包括在某位置嵌入所述涡轮叶片顶端的每一个中的单独的磁体以便在所述叶片(22)的全负荷条件下面对所述塔架(12)。
9.根据权利要求5所述的传感器系统(50)，其特征在于，所述检测器线圈(62)包括围绕所述塔架(12)形成的线绕组。
10.一种风力涡轮(10)，其包括塔架(12)；在所述塔架顶部的机舱(16)，所述机舱能够相对于所述塔架旋转；多个涡轮叶片(22)，其安装到由所述机舱支撑的转子轮毂(20)；以及叶片偏转传感器系统(50)，包括第一构件(52)，其构造在所述涡轮叶片中的每一个上；以及第二构件(58)，其构造在所述塔架一定高度上以便在所述叶片旋转经过所述塔架时检测所述第一构件的存在并且生成对应的可测量的参数，所述第二构件基本上完全地围绕所述塔架的圆周设置以便在所述机舱相对于所述塔架的任何旋转位置检测所述第一构件。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮(10)，其特征在于，所述传感器系统(50)为无源感应系统，其不需要供应动力给所述第一构件(52)或第二构件(58)中的任一个，其中通过在离所述第二构件的限定距离(42)内所述第一构件的存在而在所述第二构件内感应出可测量的参数。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮(10)，其特征在于，所述第一构件(52)包括附连到所述涡轮叶片(22)中的每一个的磁源(56)，而所述第二构件(58)包括围绕所述塔架 (12)形成的检测器线圈(62)，当所述磁源在所述限定距离(42)内经过所述检测器线圈时， 所述磁源在所述检测器线圈中感应出可测量的电流。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮(10)，其特征在于，还包括与所述检测器线圈 (62)相关联的控制器(64)，以根据在所述检测器线圈中感应的电流的幅度确定所述涡轮叶片(22)与所述塔架(12)之间的距离(42)。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮(10)，其特征在于，所述控制器(64)进一步构造成当所述叶片(22)与所述塔架(12)之间的所述距离(42)到达设定值时采取行动以避免叶片撞击。
15.根据权利要求12所述的风力涡轮(10)，其特征在于，所述磁源(56)包括在某位置嵌入所述涡轮叶片中的每一个的顶端中的单独的磁体以便在所述叶片的全负荷条件下面对所述塔架(12)。
全文摘要
本发明涉及一种用于检测风力涡轮叶片与塔架壁之间的接近性的系统。一种传感器系统监控风力涡轮的涡轮叶片的偏转。该系统包括构造在涡轮叶片上的第一构件。第二构件构造在塔架一定高度上以便在叶片旋转经过塔架时检测第一构件的存在。第二构件生成指示叶片与塔架之间的距离的对应的可测量的参数或值。第二构件基本上完全地围绕塔架的圆周设置以便在涡轮机舱相对于塔架的任何旋转位置检测第一构件。
文档编号G01B7/14GK102384028SQ20111018990
公开日2012年3月21日 申请日期2011年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者U·诺伊曼 申请人:通用电气公司