專利名稱：用于檢測和控制轉子葉片偏轉的系統及方法
技術領域：
本主題主要涉及風力渦輪機，并且具體涉及轉子葉片的偏轉。更具體而言，本主題涉及一種用于在風力渦輪機操作期間檢測和控制轉子葉片偏轉的系統及方法。
背景技術：
風力被認為是目前可用的最清潔、對環境最為友好的能源之一，而鑒于此，風力渦輪機獲得了日益增加的關注。現代的風力渦輪機通常包括塔架、發電機、齒輪箱、機艙以及一個或多個轉子葉片。轉子葉片使用公知的翼片原理從風中捕集動能，且通過旋轉能來傳遞動能以使軸轉動，該軸將轉子葉片聯接到齒輪箱上，或如果未使用齒輪箱則將轉子葉片直接聯接到發電機上。發電機然后將機械能轉換成可調度到公用電網的電能。為了確保風力仍為可行的能源，已經做出了一些努力以通過改變風力渦輪機的尺寸和能力來增大能量輸出。一種這樣的改變為增大轉子葉片的長度。然而，轉子葉片的偏轉幅度通常隨著葉片長度以及風速、渦輪操作狀態和葉片剛度的變化而改變。因此，較長的轉子葉片通常會受到增大的偏轉力和負載，尤其是在風力渦輪機于高速風況下操作時。這種增大的負載不但在轉子葉片和其它風力渦輪機構件上產生疲勞，而且還會增大轉子葉片撞擊塔架的風險。塔架撞擊可顯著地破壞轉子葉片和塔架，且在一些情況下，甚至可使整個風力渦輪機坍塌。因此，塔架撞擊可導致相當長的停機時間以修理或更換受損的構件。因此，需要一種用于檢測和控制轉子葉片偏轉的系統及方法。
發明內容
本發明的方面和優點將在以下說明中部分地闡述，或可根據該說明而變得清楚， 或可通過實施本發明而懂得。一方面，本主題包括一種用于檢測聯接到風力渦輪機轉子槳轂上的轉子葉片的偏轉的系統。一般而言，該系統包括大致鄰近轉子葉片末梢至少部分地延伸的線纜。線纜可包括固定到轉子葉片或槳轂上的第一端部以及聯接到張緊裝置上的第二端部。線纜還可在其第一端部與第二端部之間附接到轉子葉片的至少一個內壁上，以便線纜在葉片偏轉時相對于轉子葉片移位。張緊裝置也可緊固到轉子葉片或槳轂上，且可構造成用以在線纜內保持預定的張力。此外，傳感器可聯接到線纜或張緊裝置中的至少一個上，且可構造成用以測量線纜的位移。另一方面，本主題包括一種用于檢測和控制風力渦輪機轉子葉片的偏轉的方法。 該方法可大體包括在轉子葉片偏轉時測量可動地附接到轉子葉片內壁上的至少一條線纜的位移、分析位移測量結果用以確定轉子葉片的操作參數，以及當轉子葉片的操作參數超過預定的基準點時執行校正動作。參照以下說明和所附權利要求，本發明的這些及其它特征、方面和優點將會得到更好理解。并入本說明書且構成其一部分的附圖示出了本發明的實施例，且結合說明一起用于闡述本發明的原理。
在參照附圖的說明書中，針對本領域的普通技術人員闡明了本發明包括其最佳模式的完整和能夠實現的公開內容，在附圖中圖1示出了風力渦輪機的透視圖；圖2示出了轉子葉片的透視圖；圖3示出了轉子葉片的截面邊視圖，具體地示出了轉子葉片處于中性狀態或非偏轉狀態下，該轉子葉片具有根據本主題的方面的安裝于其中的用于檢測轉子葉片偏轉的系統的實施例；圖4示出了包括圖3中所繪的系統的實施例的轉子葉片的截面邊視圖，具體地示出了轉子葉片處于偏轉狀態下；圖5示出了轉子葉片的截面邊視圖，具體地示出了轉子葉片處于偏轉狀態下，該轉子葉片具有根據本主題的方面的安裝于其中的用于檢測轉子葉片偏轉的系統的另一實施例；圖6示出了轉子葉片的截面邊視圖，具體地示出了轉子葉片處于偏轉狀態下，該轉子葉片具有根據本主題的方面的安裝于其中的用于檢測轉子葉片偏轉的系統的又一實施例；圖7示出了根據本主題的方面的包括附接到其上的多條線纜的轉子葉片的截面視圖；以及，圖8示出了根據本主題的方面的用于檢測和控制轉子葉片偏轉的方法的一個實施例的流程圖。
具體實施例方式現將詳細地參照本發明的實施例，其中的一個或多個實例在附圖中示出。各實例均通過描述本發明的方式提供，而并非限制本發明。實際上，本領域的技術人員將清楚的是，在不脫離本發明的范圍或精神的情況下，可在本發明中進行各種修改和變型。例如，示為或描述為一個實施例的一部分的特征可結合另一實施例來使用，以產生又一實施例。因此，期望的是，本發明涵蓋歸入所附權利要求及其等同物的范圍內的這些修改和變型。參看附圖，圖1示出了風力渦輪機10的透視圖。如圖所示，風力渦輪機10為水平軸式風力渦輪機。然而，應當認識到的是，風力渦輪機10可為垂直軸式風力渦輪機。在所示的實施例中，風力渦輪機10包括從支承表面14延伸的塔架12、安裝在塔架12上的機艙 16，以及聯接到機艙16上的轉子18。轉子18包括可旋轉的槳轂20，以及聯接到槳轂20上且從槳轂20向外延伸的至少一個轉子葉片22。如圖所示，轉子18包括三個轉子葉片22。 然而，在備選實施例中，轉子18可包括多于或少于三個的轉子葉片22。此外，在所示的實施例中，塔架12由管狀鋼制成，以便在支承表面14與機艙16之間限定腔體(未示出)。在備選實施例中，塔架12可為具有任何適合高度的任何適合類型的塔架。轉子葉片22通常可具有使風力渦輪機10能夠起到如本文所述的作用的任何適合的長度。例如，在一個實施例中，轉子葉片22可具有范圍從大約15米(m)至大約91m的長度。然而，葉片長度的其它非限制性實例可包括IOm或更短、20m、37m，或大于91m的長度。此外，轉子葉片22可圍繞槳轂20間隔開以促進旋轉轉子18，使得來自風中的動能能夠轉化成可用的機械能，且隨后轉化成電能。具體而言，槳轂20可旋轉地聯接到位于機艙16內的發電機(未示出)上，以容許產生電能。此外，轉子葉片22可通過在多個負載傳遞區域沈處將葉片根部M聯接到槳轂20上而與槳轂20配合。因此，對轉子葉片22造成的任何負載均經由負載傳遞區域沈傳遞至槳轂20。如在示出的實施例中所示，風力渦輪機還可包括集中在機艙16內的渦輪控制系統或渦輪控制器36。然而，應當認識到的是，控制器36可設置在風力渦輪機10上或風力渦輪機10中的任何位置處，支承表面14上的任何位置處，或大致在任何其它位置處。控制器36可包括構造成用以執行本文所述的方法、步驟、操作、計算等的適合的處理器和/ 或其它處理功能性。例如，在一個實施例中，控制器36可構造為計算機或其它中央處理單元。然而，應當認識到的是，如本文所用，用語"處理器"不必限于本領域中認作是包括在計算機中的集成電路，而是廣泛地指代控制器、微控制器、微型計算機、可編程序邏輯控制器(PLC)、專用集成電路，以及其它可編程電路。應理解的是，渦輪控制器36還可包括存儲器，該存儲器包括但不限于計算機可讀介質(例如，隨機存取存儲器(RAM))、計算機可讀非易失性介質(例如，閃速存儲器)、軟盤、光盤只讀存儲器(CD-ROM)、磁光盤(MOD)、數字多功能光盤(DVD)和/或其它適合的存儲元件。這些存儲器可構造成用以儲存適合的計算機可讀指令，這些指令在由控制器的處理器執行時，配置控制器用以執行各種不同的計算和分析，和/或配置控制器用以執行風力渦輪機的控制命令，如校正動作等。此外，控制器36還可包括各種輸入/輸出通道和/或裝置，用于從傳感器和其它測量裝置接收輸入以及用于將控制信號發送給風力渦輪機的各種構件。通過執行風力渦輪機控制命令，控制器36通常可構造成用以控制風力渦輪機10 的各種操作模式(例如，啟動或停機序列)。控制器36還可構造成用以控制各轉子葉片22 的葉片槳距或槳距角(即，確定轉子葉片22相對于風向觀的投影的角)，以便通過調整至少一個轉子葉片22相對風的角位置來控制由風力渦輪機10產生的負載和功率。例如，控制器36可通過將適合的控制信號傳輸至槳距驅動件或槳距調整系統32來單獨地或同時地控制轉子葉片22的槳距角。具體而言，轉子葉片22可通過一個或多個槳距軸承(未示出) 可旋轉地安裝到槳轂20上，以便可通過使用槳距調整系統32使轉子葉片22沿其縱軸線34 旋轉來調整槳距角。此外，當風向觀變化時，控制器36可構造成用以圍繞偏航軸線38控制機艙16的偏航方向，以便相對于風向觀來定位轉子葉片22。例如，控制器36可構造成用以將控制信號傳輸至機艙16的偏航驅動機構(未示出)，使得機艙16可圍繞偏航軸線 38旋轉。在風力渦輪機10操作期間，風從方向觀撞擊轉子葉片22，這導致轉子18圍繞旋轉軸線30旋轉。當轉子葉片22旋轉且經受離心力時，轉子葉片22還經受各種力和彎曲力矩。因此，轉子葉片22可從中性位置或非偏轉位置偏轉至偏轉位置。例如，如圖1中所示， 當葉片22處于非偏轉位置時，非偏轉葉片間隙40代表轉子葉片22與塔架12之間的距離。 然而，作用在轉子葉片22上的力和彎曲力矩可導致葉片22朝向塔架12偏轉，從而減小了總體葉片間隙40。當空氣動力負載增大時，過大的力和彎曲力矩可導致一個或多個轉子葉片22撞擊塔架12，從而導致明顯的破壞和停機時間。然而，即使沒有塔架撞擊，過大的負載和彎曲力矩也可導致轉子葉片22和其它風力渦輪機構件上的顯著疲勞。
現參看圖2，示出了轉子葉片22的透視圖。如圖所示，轉子葉片22包括用于將轉子葉片22安裝到槳轂20 (圖1)上的根部M。轉子葉片22還包括設置成與根部M相對的葉片末梢42。葉片本體或殼體44大致沿縱軸線46在根部M與葉片末梢42之間延伸，且限定轉子葉片22的前緣48和后緣50。此外，如通常理解到的那樣，轉子葉片22可包括迎風側或高壓力側52，以及背風側或低吸入側M。現參看圖3至圖7，根據本主題的方面示出了用于檢測轉子葉片的葉片偏轉的系統的各種實施例。一般而言，該系統可包括至少一條線纜，該線纜在轉子葉片內至少部分地延伸，且具有直接或間接地緊固到風力渦輪機轉子的一部分(如槳轂的一部分或轉子葉片的一部分)上的端部。該系統還可包括緊固到風力渦輪機轉子的一部分上的張緊裝置。張緊裝置通常可構造成用以在線纜內保持預定的張力。此外，該系統還可包括傳感器，該傳感器構造成用以在轉子葉片偏轉時測量線纜的位移。具體參看圖3和圖4，示出了用于檢測安裝到風力渦輪機轉子18(圖1)的槳轂20 上的轉子葉片22的偏轉的系統300的一個實施例。具體而言，圖3示出了在系統300安裝于其中的情況下處于中性狀態或非偏轉狀態的轉子葉片22的截面邊視圖。類似的是，圖4 示出了在系統300安裝于其中的情況下處于偏轉狀態的轉子葉片22的截面邊視圖。如圖3和圖4中所示，在一個實施例中，所示的系統300可包括設置在轉子葉片22 的壓力側52上的第一線纜302，以及設置在轉子葉片22的吸入側M上的第二線纜304。線纜302，304通常可包括構造成起到如本文所述的作用的本領域中公知的任何適合的線纜、 繩束和/或線材。例如，在一個實施例中，線纜302，304可包括多種不同金屬線纜中的一種， 如不銹鋼線纜或包覆鋼線纜(例如，包覆有尼龍的不銹鋼線纜)。作為備選，線纜302，304 可包括聚合物線纜或熱塑性線纜。在甚至還有的實施例中，線纜302，304可包括纖維增強的線纜，如碳增強的聚合物線纜。線纜302，304中的各個均可包括第一端部306，307和第二端部308，309。各線纜 302,304的第一端部306，307通常可在大致鄰近葉片22末梢42的位置處固定或緊固到轉子葉片22上。因此，當葉片末梢42關于轉子葉片22的非偏轉的縱軸線46偏轉時，端部 306，307可對應地移位。因此，如圖3和圖4中所示，各線纜302，304的第一端部306，307 可大致鄰近葉片末梢42而緊固到轉子葉片22內壁310，312上。應認識到的是，盡管端部 306，307示為在不同位置(例如，在壓力側52的內壁310和吸入側M的內壁312上)處緊固到轉子葉片22上，但第一端部306，307也可在大致相同的位置(如直接在末梢4 處緊固到轉子葉片22上。此外，在備選實施例中，線纜302，304可在大致鄰近末梢42的一個或多個位置處延伸穿過轉子葉片22，以便端部306，307可緊固到轉子葉片22的外部上。此種實施例可能是期望的，用以容許從轉子葉片22外側的位置上調整線纜302，304中的各個的張力。此外，應認識到的是，第一端部306，307可使用任何適合的方式緊固到轉子葉片22 上，如通過使用夾緊機構、卡夾或本領域中普遍公知的任何其它緊固件。仍參看圖3和圖4，線纜302，304的第二端部308，309通常可聯接到張緊裝置314 上，該張緊裝置314構造成用以當轉子葉片22在風力渦輪機操作期間偏轉時，在線纜302， 304內保持大致相同量的張力。一般而言，張緊裝置314可緊固到風力渦輪機轉子18(圖 1)的任何部分上。例如，如圖3和圖4中所示，各張緊裝置314均可在大致鄰近葉片22根部M如大致鄰近槳距軸承(未示出)的位置處緊固到轉子葉片22上。作為備選，如圖5中所示，張緊裝置508可緊固到槳轂20的一部分上，如葉片進入門(未示出)上或鄰近葉片進入門，或在槳轂20內的任何其它適合的位置處。一般而言，張緊裝置314可包括本領域中所公知的構造成用以在線纜、線材、繩束或任何其它伸長的張力傳遞部件的端部之間保持預定張力的任何適合的裝置。在一個實施例中，張緊裝置314可構造成用以在線纜302，304內保持預定的最小張力，使得線纜的位移可提供對轉子葉片偏轉的準確表現。在各種實施例中，張緊裝置314可包括利用拉線機械或類似技術的裝置或機構，以便在所附接的線纜內保持張力。因此，適合的張緊裝置314 可包括拉線裝置、彈簧加載的線纜張緊器，以及本領域中公知的任何其它自動卷繞機構。例如，在具體的實施例中，各張緊裝置314均可包括彈簧加載的卷筒(drum)或卷軸(spool)， 各線纜302，304的第二端部308，309可圍繞該卷筒或卷軸卷繞。因此，當轉子葉片22末梢42的偏轉引起各線纜302，304的第一端部306，307關于張緊裝置314移位時，張緊裝置 314可構造成使得各線纜302，304的一部分圍繞彈簧加載的卷筒或卷軸卷繞或從彈簧加載的卷筒或卷軸上展開，以便在線纜302，304內保持張力。因此，張緊裝置314通常可容許各線纜302，304的在第一端部306，307與張緊裝置314之間延伸的部分當轉子葉片22偏轉時延長/縮短或以其它方式移位。線纜302，304還可在第一端部306，307與第二端部308，309之間附接成大致鄰近轉子葉片22的內壁310，312，使得線纜302，304可動或可關于轉子葉片22以其它方式移位。因此，如圖3和圖4中所示，第一線纜302可動地附接到轉子葉片22的壓力側52的內壁310上，而第二線纜304可動地附接到轉子葉片22的吸入側M的內壁312上。應認識到的是，通過大致鄰近內壁310，312可動地附接線纜302，304，線纜302，304的位移通常可構成在風力渦輪機操作期間發生的轉子葉片22的葉片偏轉程度的相對準確的表現。為了容許線纜302，304的這種附接，應認識到的是，本主題的系統可包括用于將線纜302，304附接到轉子葉片22的內壁310，312上的器件。一般而言，用于附接線纜302， 304的器件可包括在轉子葉片22偏轉時容許線纜302，304關于轉子葉片22滑動、移動和/ 或以其它方式移位的任何公知的安裝裝置和/或安裝構造。因此，如在圖3和圖4中示出的實施例中所示，用于附接線纜302，304的器件可包括緊固到內壁310，312上的多個引導支承件316，這些引導支承件316構造成用以在沿壁310，312的各個位置處支承線纜302， 304。例如，適合的引導支承件316可包括引導環、滑輪、孔環、掛鉤、支架以及構造成用以沿內壁310，312支承線纜302，304且還容許線纜302，304關于轉子葉片22移位的任何其它適合的安裝裝置。作為備選，用于附接線纜302，304的器件可包括構造成大致鄰近內壁 310,312沿特定長度支承線纜302，304的一個或多個伸長的線纜支承件510 (圖5)。此種伸長的線纜支承件510通常可包括具有線纜302，304可插入其中且可動地支承于其中的沿縱向限定的開口、通道、凹口或類似開孔的任何伸長部件。例如，在多個實施例中，適合的伸長線纜支承件510可包括沿內壁310，312長度緊固的管子、導管和/或線纜引導件。在另一實施例中，用于附接線纜302，304的器件可包括限定在轉子葉片22自身中的一個或多個通道，線纜302，304可插入該通道中且可動地支承于其中。本領域普通技術人員應當清楚可用來將線纜302，304可動地附接到轉子葉片22內壁310，312上的各種其它適合的安裝裝置和/或構造。仍參看圖3和圖4，系統300還可包括一個或多個傳感器318，該傳感器318構造成用以在轉子葉片22偏轉時測量各線纜302，304的位移。傳感器318通常可包括本領域中公知的用于直接或間接地測量目標的線性位移的長度計或任何其它傳感器。因此，在多個實施例中，在本主題的范圍內使用的適合的傳感器318可包括位移計、線性編碼器、弦線電位(string pot)傳感器、拉線傳感器、yoyo電位(yoyo pot)傳感器、線性電位計以及線性長度傳感器。所公開的傳感器318還可構造成用以將引入的任何測量結果轉換成電子信號，該電子信號可通過任何適合的有線或無線連接傳輸至風力渦輪機的控制器36(圖1) 上，使得可分析該測量結果以便確定轉子葉片偏轉，這將在下文中更為詳細地描述。為了便于測量線纜的位移，應認識到的是，在多個實施例中，傳感器318可聯接到線纜302，304和/或張緊裝置314上。例如，如圖3和圖4中所示，在張緊裝置314構造為拉線裝置或任何其它自動卷繞機構的實施例中，傳感器318可直接地聯接到各張緊裝置 314上，以便在線纜302，304卷繞在其上或從其上展開時，通過檢測或以其它方式感測張緊裝置314的旋轉來測量各線纜302，304的線性位移。因此，應認識到的是，傳感器318通常可構造為本領域中所公知的任何拉線傳感器或類似的傳感器。作為備選，如圖6中所示，傳感器614可連接到各線纜602，604上，如通過輔助線纜或其它適合的連接性部件616，以便可測量線纜602，604的線性位移。更具體地參看圖4，將大體地描述所公開的系統300的操作。當轉子葉片22在風力渦輪機操作期間偏轉時，葉片22的末梢42相對于其典型的非偏轉的縱軸線46移位偏轉距離320。例如，常出現的情況為轉子葉片22朝風力渦輪機的塔架12 (圖1)的方向(也即沿轉子葉片22的吸入側M的方向)偏轉。因此，在其第一端部306，307處大致鄰近末梢 42緊固的第一線纜302和第二線纜304關于轉子葉片22的總偏轉移位相應距離322，324。 具體而言，當葉片22沿吸入側M的方向偏轉時，附接到轉子葉片22的壓力側52上的第一線纜302可伸長或拉動遠離張緊裝置314 —定的位移距離322。例如，在一個實施例中，當線纜302響應于偏轉而移位時，一部分線纜302可從張緊裝置314上展開。類似的是，當轉子葉片22偏轉時，設置在轉子葉片22的吸入側52上的第二線纜304可縮短或拉入張緊裝置314中一定的位移距離324。因此，在圖3和圖4的具體實施例中，一部分線纜304可由于轉子葉片22偏轉而圍繞張緊裝置314卷繞。當然，應認識到的是，取決于轉子葉片22的構造以及線纜302，304和張緊裝置314的相對定位，第一線纜302的位移距離322可等于或可不同于第二線纜302的位移距離324。仍參看圖4，當線纜302，304中的各個移位時，傳感器318測量其線性位移(即， 距離322，324)，以便這些測量結果然后可用于估計和/或計算偏轉距離320。例如，傳感器 318可構造成用以將位移測量結果經由有線或無線連接傳輸至渦輪控制器36 (圖1)，以便可通過控制器36來分析該測量結果。因此，在一個實施例中，渦輪控制器36可設有適合的計算機可讀指令，當執行時，這些計算機可讀指令使控制器36能夠使用儲存在控制器存儲器內的任何適合的數學表達式和/或模型來使位移測量結果與偏轉距離320相關聯。研發這種數學表達式和/或模型是在本領域技術人員的能力之內，且因此文中將不會論述任何細節。然而，一般而言，應認識到的是，數學表達式和/或模型可考慮多個不同因素中的一個或多個，包括但不限于葉片末梢42與張緊裝置314和/或傳感器318之間的距離，線纜 302,304的中心線與轉子葉片22內壁310,312之間的距離，轉子葉片22的總長度，以及線纜302，304的總長度。在備選實施例中，渦輪控制器36可編程寫入有使位移測量結果關聯于轉子葉片22的偏轉距離320的一個或多個查找表。應認識到的是，盡管系統300在上文中大體描述為包括具有大致鄰近葉片末梢42 緊固的第一端部306，307的線纜302，304以及在根部M區域中緊固的張緊裝置314，但這些構件的定位是可顛倒的。因此，在備選實施例中，張緊裝置314可設置成大致鄰近末梢 42。在此種實施例中，線纜302，304的第一端部306，307可固定到轉子葉片22的根部M 上，或可固定到槳轂20的一部分上。此外，如下文參照圖7更為詳細描述的那樣，所公開的系統300不必包括第一線纜302和第二線纜304兩者。例如，在一個實施例中，該系統可僅包括可動地附接在轉子葉片22內的單個壓力側線纜302或單個吸入側線纜304。作為備選， 所公開的系統可包括可動地附接到轉子葉片22的壓力側52和吸入側M上的多條線纜，如兩條或更多線纜。現在參看圖5，示出了轉子葉片22的截面邊視圖，該轉子葉片22包括用于檢測安裝到風力渦輪機轉子18 (圖1)的槳轂20上的轉子葉片22的偏轉的系統500的另一實施例。一般而言，系統500可包括與上文參照圖3和圖4描述的相同或相似的構件。然而，與上文所述實施例不同的是，系統500包括的線纜502所具有的第一端部504和第二端部506 兩者都與轉子葉片22的末梢42間隔開。具體而言，第一端部504和第二端部506可設置在轉子葉片22和/或槳轂20內的位置處，以便線纜502可動地附接到轉子葉片22的壓力側52和吸入側M兩者的內壁310，312上。例如，如圖5中所示，線纜502的第一端部504 和第二端部506 (通過張緊裝置508)可緊固到槳轂20的一部分上，以便線纜502可沿轉子葉片22的壓力側52和吸入側M兩者的內壁310，312環繞或以其它方式附接。在另一實施例中，線纜502的端部504，506可緊固到轉子葉片22的相對側52，M上，作為用以緊固在槳轂20內的備選方案。此外，在另外的實施例中，線纜502的第一端部504可緊固在槳轂20內，而第二端部506緊固到轉子葉片22的一部分上，反之亦然。系統500還可包括用于將線纜附接到轉子葉片22內壁310，312上以便線纜502關于轉子葉片22移位的器件。如上文所述，此類器件可包括各種不同的安裝裝置和/或構造 (例如，一個或多個引導支承件316和/或一個或多個伸長的線纜支承件510)。因此，如圖所示，多個引導支承件316 (例如，引導環、滑輪、孔環、掛鉤、支架等)可緊固到轉子葉片22 的內壁310，312上，且可構造成用以在沿轉子葉片22長度的各個位置處支承線纜502。例如，一個引導支承件316可設置成大致鄰近轉子葉片22的末梢42。因此，線纜502在末梢 42處可動地附接到轉子葉片22上，以便線纜502的位移可準確地反映轉子葉片22的總偏轉。系統500還包括安裝到轉子葉片22的內壁310，312上的伸長的線纜支承件510。如上文所指出的那樣，適合的伸長線纜支承件510可包括管子、導管、線纜引導件以及具有線纜 502可插入其中且可在其中沿轉子葉片22的長度可動地受到支承的沿縱向限定的開口、通道、凹口或類似開孔的任何其它適合的部件。應認識到的是，圖5中所示的系統500的操作大致類似于上文參照圖3和圖4所述的。因此，當轉子葉片22從其非偏轉的縱軸線偏轉一定的偏轉距離320時，線纜502對應地移位一定的位移距離512。具體而言，當轉子葉片22的末梢42朝葉片22吸入側M的方向偏轉時，使線纜502延伸或拉動遠離張緊裝置508。線纜502的該線性位移然后可由傳感器514測量，且由渦輪控制器36(圖1)用來估計轉子葉片末梢42的偏轉距離320。現在參看圖6，示出了轉子葉片22的截面邊視圖，該轉子葉片22包括用于檢測安裝到風力渦輪機轉子18(圖1)的槳轂20上的轉子葉片22的偏轉的系統600的又一實施例。一般而言，系統600可包括與上文參照圖3和圖4描述的相同或相似的構件。因此，系統600可包括第一線纜602和第二線纜604，其中，各線纜602，604均包括緊固到轉子葉片 22上大致鄰近末梢42的第一端部606，607以及聯接到張緊裝置610上的第二端部608， 609。然而，不同于圖3和圖4中的實施例，單個張緊裝置610聯接到線纜602，604兩者上。 具體而言，如圖所示，張緊裝置610可包括在一端處聯接到第一線纜602的第二端部608上而在相對端處聯接到第二線纜604的第二端部609上的彈簧，如任何適合的張緊或壓縮彈簧。因此，當轉子葉片22偏轉從而導致線纜602，604移位時，彈簧可根據需要而擴張和/ 或收縮，以便在線纜602，604內保持張力。此外，如圖6中所示，張緊裝置610可與根部M間隔開，使得其在距離轉子葉片22 和槳轂20的界面有預定長度612處緊固到轉子葉片22上。因此，線纜602，604可動地僅附接到(例如，使用一個或多個引導支承件316和/或伸長的線纜支承件510)轉子葉片22 的內壁310，312的一部分上。一般而言，應認識到的是，該預定長度612可對應于轉子葉片 22的總葉片長度的任何百分比。例如，在各種實施例中，長度612可等于總葉片長度的大約 10 %至大約50 %，如總葉片長度的大約15 %至大約40 %，或總葉片長度的大約20 %至大約 30%，以及其間的所有其它子范圍。然而，在備選實施例中，預定長度612可等于總葉片長度的大約10%以下，或總葉片長度的大約50%以上。此外，在具體的實施例中，預定長度612可對應于轉子葉片22的在風力渦輪機操作期間通常不經受較大偏轉的部分。例如，在各種轉子葉片構造中，轉子葉片22的從根部 M延伸的部分可設計成比轉子葉片22的剩余部分明顯更剛硬，且因此在操作期間可不經受偏轉。因此，預定長度612可選擇成使得張緊裝置610設置為大致鄰近在轉子葉片22上的于風力渦輪機操作期間通常在葉片22內開始偏轉的部位(point)處。當然，應認識到的是，葉片偏轉在轉子葉片22內最初發生的部位通常將會根據轉子葉片與轉子葉片之間而有所不同，且可能取決于多種因素，包括但不限于轉子葉片22的總長度、轉子葉片22的剛度，以及風力渦輪機的操作參數。還應認識到的是，圖6中所示的系統600的操作大致類似于上文參照圖3至圖5 所述的。然而，與先前的所述實施例不同，傳感器614示為聯接到線纜602，604上，而非聯接到張緊裝置610上。例如，附接到各傳感器614上的輔助線纜或其它適合的連接性部件 616可用于將傳感器614聯接到各線纜602，604的一部分上。因此，當線纜602，604由于葉片偏轉而移位時，傳感器614能夠通過感測或檢測輔助線纜或連接性部件614的位移來測量它們的位移距離618，620。此類測量結果然后可與偏轉距離320相關聯，以便確定轉子葉片22的總葉片偏轉。現在參看圖7，示出了根據本主題的方面的包括安裝在其中的所公開的系統700 的實施例的轉子葉片22的截面視圖，具體示出了本主題的線纜702可動地附接到轉子葉片 22內的多個不同位置中的一些。如圖所示，轉子葉片22通常包括前緣48、后緣50、壓力側 52和吸入側M。轉子葉片還包括位于頂部翼梁緣條和底部翼梁緣條58之間的抗剪腹板 56。如通常所公知，翼梁緣條58和抗剪腹板56可沿轉子葉片22從根部M到末梢22縱向地延伸(圖2)。如圖7中所示，多條線纜702沿轉子葉片22的壓力側52和吸入側M的內壁310，312可動地附接。例如，一對線纜702可大致鄰近轉子葉片22的前緣48安裝到壓力側52 和吸入側M的內壁310，312上。此外，一對線纜702可大致鄰近轉子葉片22的后緣50安裝到內壁310，312上。此外，一條或多條線纜702還可動地附接到翼梁緣條58的內部或抗剪腹板56的位置上。因此，如圖所示，一對線纜702可安裝到頂部翼梁緣條和底部翼梁緣條58的內壁704上。大致如上文所述，線纜702中的各個均可使用本領域中所公知的任何適合的安裝和/或附接機構(如，一個或多個引導支承件316和/或一個或多個伸長的線纜支承件510) 可動地附接到轉子葉片22內。如圖7中所示，此種引導支承件316和/或伸長的線纜支承件510通常可具有容許線纜702大致鄰近轉子葉片22的內壁/內表面而可動或可滑動地受到支承的任何截面。例如，適合的截面可包括三角形截面、圓形或橢圓形截面、鉤形或"J" 形截面、矩形或正方形截面等。仍參看圖7，應認識到的是，線纜702不必設置在示出的實施例中所示的精確位置處。確切而言，本主題的線纜702可在轉子葉片22內的任何適合的位置處可動地附接，該位置包括但不限于轉子葉片22內壁310，312上的任何位置、翼梁緣條58的內壁704上的任何位置，或沿抗剪腹板56的任何位置。此外，還應認識到的是，盡管所示的實施例中示出了六條線纜702，但本主題的系統700通常可包括安裝在轉子葉片22內的任意數目的線纜 702，如少于六條線纜或多于六條線纜。例如，在圖3和圖4中所示的實施例中，僅單個的壓力側線纜(例如，第一線纜302)可包括在系統300內。作為備選，圖3和圖4中的系統300 可包括多條壓力側線纜和吸入側線纜。一般而言，應認識到的是，上文所述的各種實施例不必孤立地觀察。確切而言，示為或描述為一個實施例的一部分的各種構件、安裝構造(包括構件的相對定位)和其它特征可結合另一實施例的一個或多個特征使用，以便產生不同的實施例。還應認識到的是，在本主題的備選實施例中，所公開的系統的線纜可包括鮑登線纜(Bowden cable)，或以其它方式可構造為推桿或類似機構。在這些實施例中，應清楚的是，可在不包括張緊裝置的情況下檢測和測量線纜的位移。現在參看圖8，示出了用于檢測和控制風力渦輪機10(圖1)的轉子葉片22的偏轉的方法的一個實施例的流程圖。如圖所示，該方法通常包括在轉子葉片偏轉時測量安裝到轉子葉片內壁上的至少一條線纜的位移802、分析該位移測量結果用以確定轉子葉片的操作參數804，以及在轉子葉片的操作參數超過預定基準點時執行校正動作806。具體而言， 如上文所指出的那樣，由所公開的傳感器318，514，614采集的線纜位移測量結果可傳輸至渦輪控制器36。此類位移測量結果然后可由渦輪控制器36分析，用以確定轉子葉片22的具體操作參數(例如，葉片偏轉、葉片負載和塔架間隙)，該操作參數然后可用作控制參數， 用于發出控制命令和/或執行設計成用以減小轉子葉片22內發生的葉片偏轉的校正動作。 例如，校正動作的性能可容許風力渦輪機10響應于不同操作狀態(如變化極大的風況)而是能適應的。因此，在一個實施例中，控制器36可構造成用以執行校正動作，作為安全措施避免塔架撞擊、構件疲勞和可能由于過大的葉片偏轉和/或轉子葉片22負載引起的各種其它問題的風險。如上文所述，適合的數學表達式和/或查找表可儲存在渦輪控制器36內，用于使線纜位移測量結果與轉子葉片22的葉片偏轉(即，偏轉距離320)相關聯。此外，控制器36還可設有對應于數學表達式和/或查找表的適合的計算機可讀指令，用于使線纜位移測量結果和/或葉片偏轉與轉子葉片22的各種其它操作參數相關聯。例如，在一個實施例中， 所確定的葉片偏轉可用于估計作用在轉子葉片22上的葉片負載或風負載。具體而言，如本領域的普通技術人員應理解到的那樣，作用在轉子葉片22上的總負載可使用梁理論來估計或估算，如通過使用具有變量(包括但不限于所確定的葉片偏轉、轉子葉片22的彈性模量、轉子葉片22的慣性矩和長度)的公知的動力梁方程，或使用任何其它適合的數學模型。 作為另一實例，所確定的葉片偏轉可用于計算風力渦輪機10的轉子葉片22與塔架12(圖 1)之間的距離或間隙。具體而言，由于非偏轉的葉片間隙40(圖1)可為公知的，故可通過從非偏轉的葉片間隙40中減去所確定的葉片偏轉而計算出塔架間隙。本領域的普通技術人員應認識到的是，可使用渦輪控制器36，通過利用適合的數學模型和/或查找表使線纜位移測量結果和/或葉片偏轉與此類操作參數相關聯來估計和/或估算轉子葉片22的各種其它操作參數。如上文所指出的那樣，除構造成用以確定轉子葉片22的葉片偏轉和其它操作參數以外，控制器36還可構造成用以將控制命令發送給風力渦輪機10的構件或以其它方式執行校正動作，以便基于所確定的操作參數與預定的基準點或控制點相比較來減小或防止葉片偏轉。例如，在一個實施例中，控制器36可構造成用以響應于超過預定葉片偏轉閾值的一個或多個轉子葉片22的所確定的葉片偏轉來執行校正動作。作為備選，控制器36可構造成用以響應于超過預定負載閾值的一個或多個轉子葉片22的葉片負載來執行校正動作。如本領域的普通技術人員應當容易清楚的那樣，具有對應的基準點和/或閾值的各種其它操作參數也可用作控制參數以便在風力渦輪機10上執行校正動作。一般而言，在可能期望控制器36執行校正動作之前所需的葉片偏轉和/或葉片負載的程度或幅度可根據風力渦輪機與風力渦輪機之間而有所變化。例如，預定的葉片偏轉閾值和預定的負載閾值可取決于許多因素而變化，這些因素包括但不限于風力渦輪機10 的操作狀態、轉子葉片22的剛度、轉子葉片22的長度以及非偏轉的葉片間隙40。因此，應認識到的是，具體的基準點或閾值必須取決于使用本主題的系統和方法的具體應用來選擇。還應認識到的是，由控制器36執行的具體校正動作可采用許多形式。例如，校正動作可包括改變一個或多個轉子葉片22的槳距角以使轉子18部分或完全回轉。如上文所指出的那樣，這可通過控制槳距調整系統32來實現。如通常理解到的那樣，改變轉子葉片 22的槳距角可通過增大平面外剛度(out-of-plane stiffness)來減小葉片的偏轉。在另一實施例中，校正動作可包括使機艙16偏航以改變機艙16相對于風向觀(圖1)的角度。偏航驅動機構(未示出)通常用于改變機艙16的角度，使得轉子葉片 22相對于盛行風適當地成角。例如，使轉子葉片22的前緣48指向迎風可在其經過塔架12 時減小葉片12上的負載。作為備選，校正動作可包括通過增大位于機艙16內的發電機(未示出)上的轉矩需求而改變風力渦輪機10上的葉片負載。這減小了轉子葉片22的旋轉速度，從而潛在地減小作用于葉片22表面上的空氣動力負載。然而，應當容易認識到的是，控制器36不必執行上述校正動作中的一種，且通常可執行設計成用以減小葉片偏轉的任何校正動作。此外，控制器36可構造成用以同時地執行可包括上述校正動作中的一個或多個的多種校正動作。
本書面說明使用了包括最佳模式的實例來公開本發明，且還使本領域的技術人員能夠實施本發明，包括制作和使用任何裝置或系統以及執行任何所結合的方法。本發明可取得專利的范圍由權利要求限定，并且可包括本領域的技術人員所構思的其它實例。如果這些其它實例具有與權利要求的書面語言并無不同的結構元件，或者如果這些其它實例包括與權利要求的書面語言無實質差異的同等結構元件，則認為這些實例處在權利要求的范圍之內。
權利要求
1.一種用于檢測聯接到風力渦輪機轉子的槳轂上的轉子葉片的偏轉的系統，所述系統包括線纜，其大致鄰近所述轉子葉片的末梢至少部分地延伸且包括第一端部和第二端部， 所述第一端部固定到所述轉子葉片和所述槳轂中的一個上；緊固到所述轉子葉片和所述槳轂中的一個上的張緊裝置，所述張緊裝置聯接到所述線纜的第二端部上，且構造成用以在所述線纜內于所述第一端部與所述第二端部之間保持預定張力；以及，聯接到所述線纜和所述張緊裝置中的至少一個上的傳感器，所述傳感器構造成用以測量所述線纜的位移，其中，所述線纜在所述第一端部與所述第二端部之間附接到所述轉子葉片的至少一個內壁上，以便所述線纜在所述轉子葉片偏轉時相對于所述轉子葉片移位。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述線纜的第一端部大致鄰近所述轉子葉片的末梢緊固到所述轉子葉片上。
3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述張緊裝置大致鄰近所述轉子葉片的根部緊固到所述轉子葉片上。
4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述線纜包括第一線纜和第二線纜，所述第一線纜附接到所述轉子葉片的壓力側的內壁上，所述第二線纜附接到所述轉子葉片的吸入側的內壁上。
5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述第一線纜和所述第二線纜分別包括第一端部和第二端部，所述第一線纜和所述第二線纜的第一端部大致鄰近所述轉子葉片的末梢緊固到所述轉子葉片上，所述第一線纜和所述第二線纜的第二端部聯接到單個的張緊裝置或單獨的張緊裝置上。
6.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述線纜的第一端部和所述張緊裝置緊固到所述轉子葉片或所述槳轂上，以便所述線纜附接到所述轉子葉片的壓力側的內壁和所述轉子葉片的吸入側的內壁上。
7.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述線纜包括在所述第一端部與所述第二端部之間附接到所述轉子葉片的至少一個內壁上的多條線纜，使得所述多條線纜在所述轉子葉片偏轉時相對于所述轉子葉片移位。
8.根據權利要求7所述的系統，其特征在于，所述多條線纜中的至少一條線纜附接到所述轉子葉片的壓力側的內壁上，以及所述多條線纜中的至少一條其它線纜附接到所述轉子葉片的吸入側的內壁上。
9.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述張緊裝置包括拉線裝置或彈簧。
10.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統還包括用于將所述線纜附接到所述轉子葉片的內壁上使得所述線纜在所述轉子葉片偏轉時相對于所述轉子葉片移位的器件。
11.根據權利要求11所述的系統，其特征在于，用于將所述線纜附接到所述轉子葉片的內壁上的所述器件包括至少一個引導支承件。
12.根據權利要求11所述的系統，其特征在于，用于將所述線纜附接到所述轉子葉片的內壁上的所述器件包括至少一個伸長的線纜支承件。
13.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述傳感器包括位移計、線性編碼器、弦線電位傳感器、拉線傳感器、yoyo電位傳感器、線性電位計、長度計或線性長度傳感器中的至少一個。
14.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統還包括渦輪控制器，所述渦輪控制器構造成用以在所述轉子葉片偏轉時執行校正動作，以便控制所述轉子葉片上的負載或防止塔架撞擊。
15.一種用于檢測和控制風力渦輪機的轉子葉片的偏轉的方法，所述方法包括 在所述轉子葉片偏轉時測量可動地附接到所述轉子葉片的內壁上的至少一條線纜的位移；分析所述位移的測量結果用以確定所述轉子葉片的操作參數；以及， 當所述轉子葉片的操作參數超過預定的基準點時執行校正動作。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述操作參數包括葉片負載，以及所述預定的基準點包括預定的負載閾值。
17.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述操作參數包括葉片偏轉，以及所述預定的基準點包括預定的葉片偏轉閾值。
18.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述校正動作包括改變所述轉子葉片的槳距角。
19.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述校正動作包括使所述風力渦輪機的機艙偏航。
20.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述校正動作包括改變所述轉子葉片的葉片負載。
全文摘要
本發明涉及用于檢測和控制轉子葉片偏轉的系統及方法。具體而言，公開了一種用于檢測聯接到風力渦輪機轉子槳轂上的轉子葉片的偏轉的系統。一般而言，該系統包括大致鄰近轉子葉片的末梢至少部分地延伸的線纜。線纜可包括緊固到轉子葉片或槳轂上的第一端部和聯接到張緊裝置上的第二端部。線纜還可在其端部之間附接到轉子葉片的至少一個內壁上，以便線纜在葉片偏轉時相對于轉子葉片移位。張緊裝置可緊固到轉子葉片或槳轂上，且可構造成用以在線纜內保持預定張力。此外，傳感器可聯接到線纜或張緊裝置中的至少一個上，且可構造成用以測量線纜的位移。
文檔編號F03D1/06GK102445339SQ201010514710
公開日2012年5月9日 申請日期2010年9月30日 優先權日2010年9月30日
發明者J·張, R·范德博斯, X·黃, 熊偉, 鄭大年 申請人:通用電氣公司