基于葉片上測量的負(fù)荷和加速度的風(fēng)力渦輪機(jī)的操作方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)以及一種操作風(fēng)力渦輪機(jī)以防止過度負(fù)荷作用在轉(zhuǎn)子葉片上的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片承受著顯著水平的動力載荷。在某種程度上，這種動力載荷由風(fēng)施加，并且特別地，湍流或陣風(fēng)，即短時期非常強(qiáng)的風(fēng)，可以導(dǎo)致過度的瞬時負(fù)荷。風(fēng)載荷可能導(dǎo)致葉片極度偏轉(zhuǎn)并且可能導(dǎo)致葉片中的危險(xiǎn)應(yīng)力。在風(fēng)力渦輪機(jī)的使用期中(可能20年或更長)，周期應(yīng)力可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片因材料疲勞而損壞。
[0003]轉(zhuǎn)子葉片必須是強(qiáng)壯和可靠的，以便在風(fēng)力渦輪機(jī)的使用期中減少潛在的維護(hù)時間和費(fèi)用。因此，現(xiàn)代的風(fēng)力渦輪機(jī)包括若干例如應(yīng)變儀之類的負(fù)荷傳感器，它們用于測量轉(zhuǎn)子葉片上的應(yīng)變。通過與轉(zhuǎn)子葉片的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)的預(yù)定應(yīng)力應(yīng)變特性，轉(zhuǎn)子葉片上測得的應(yīng)變可以用于確定轉(zhuǎn)子葉片承受的應(yīng)力。為了防止高應(yīng)力，可以調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片的槳距或改變轉(zhuǎn)子葉片的橫截面(例如，使用副翼)。這些保護(hù)措施意在減小轉(zhuǎn)子葉片上的風(fēng)載荷，從而減小轉(zhuǎn)子葉片中的應(yīng)力。
[0004]通常，應(yīng)變儀設(shè)置在轉(zhuǎn)子葉片的根端處，即靠近轉(zhuǎn)子葉片安裝到風(fēng)力渦輪機(jī)的轂的地方。最大應(yīng)變極限通常被采用，以便當(dāng)測得的應(yīng)變到達(dá)所述極限時，采用保護(hù)措施(例如改變轉(zhuǎn)子葉片的槳距或曲弧度)以減少轉(zhuǎn)子葉片上的疲勞并延長其壽命。但是，這樣也會具有在大風(fēng)期間降低風(fēng)力渦輪機(jī)總能量獲取的不利后果。
[0005]為了避免由過度負(fù)荷引起的葉片損壞，一些風(fēng)力渦輪機(jī)工作在所謂的“安全應(yīng)變界限”之下，所述安全應(yīng)變界限顯著地低于葉片在沒有損壞的情況下可以忍受的最大應(yīng)變極限。在這種情況下，當(dāng)達(dá)到安全應(yīng)變界限時(即，在達(dá)到最大應(yīng)變極限之前)，采用保護(hù)措施以減小葉片上的負(fù)荷。因此，所述安全應(yīng)變界限提供了一個安全界限，在其中，風(fēng)力渦輪機(jī)可以在葉片沒有被損壞可能性的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，如果葉片暴露在沒有陣風(fēng)或湍流的穩(wěn)定大風(fēng)中，即使穩(wěn)定的風(fēng)負(fù)荷不會導(dǎo)致葉片超過它們的最大應(yīng)變極限，所述安全應(yīng)變界限也可能被超過且保護(hù)措施得以實(shí)施。在這種情況下，不存在損壞發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，但所述安全措施不可避免地導(dǎo)致了能量獲取降低。
[0006]增加風(fēng)力渦輪機(jī)的尺寸和效率是一種持續(xù)不斷的沖動。隨著轉(zhuǎn)子葉片變得更大，它們也變得更加容易彎曲且暴露在更大的風(fēng)力中。因此，有必要開發(fā)用于風(fēng)力渦輪機(jī)的更加復(fù)雜的負(fù)載檢測和控制系統(tǒng)，其能夠防止葉片發(fā)生損壞，同時使得從風(fēng)中獲取的能量最大化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)意識到，現(xiàn)有的負(fù)載檢測系統(tǒng)存在的一個缺陷在于，當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片的尖端附近承受由湍流或強(qiáng)陣風(fēng)引起的高瞬時負(fù)荷時，誘導(dǎo)應(yīng)力將花費(fèi)一定時間傳遞到轉(zhuǎn)子葉片的根端處被負(fù)荷傳感器檢測到。通常，所述傳遞時間大約為幾百毫秒，而風(fēng)力渦輪機(jī)調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)以減輕風(fēng)載荷要花費(fèi)幾秒時間。因此，等到所述負(fù)荷檢測系統(tǒng)檢測到偏轉(zhuǎn)及相應(yīng)的應(yīng)力時，轉(zhuǎn)子葉片可能已經(jīng)在它的最大應(yīng)變極限之上工作了一段時間，并且在葉片上的負(fù)荷通過保護(hù)措施被減小之前，葉片可能已經(jīng)產(chǎn)生了損壞。
[0008]在這樣的背景下，本發(fā)明提供了一種用于操作風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，所述風(fēng)力渦輪機(jī)包括至少一個轉(zhuǎn)子葉片，所述方法包括:測量所述轉(zhuǎn)子葉片的根端處的負(fù)荷；測量所述轉(zhuǎn)子葉片上所述根端外側(cè)處的加速度，所述加速度由作用在所述轉(zhuǎn)子葉片上的瞬時負(fù)荷引起；以及基于測得的負(fù)荷和測得的加速度，控制所述風(fēng)力渦輪機(jī)以維持所述轉(zhuǎn)子葉片上的負(fù)荷低于預(yù)定閾值水平。
[0009]所述操作風(fēng)力渦輪機(jī)的方法允許風(fēng)力渦輪機(jī)在普遍條件下(例如，穩(wěn)定風(fēng)或陣風(fēng))采用最合適的配置，在考慮到風(fēng)、湍流和陣風(fēng)負(fù)荷以防止或減少疲勞的同時，使得轉(zhuǎn)子葉片的能量獲取最大化。
[0010]加速度計(jì)提供了葉片外側(cè)部分的運(yùn)動的接近瞬時的顯示，該運(yùn)動由陣風(fēng)和湍流引起的瞬時負(fù)荷所導(dǎo)致。利用該信息，與現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)相比，所述風(fēng)力渦輪機(jī)可以對這種風(fēng)力條件作出更快的反應(yīng)，而在現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)中，在葉片外側(cè)部分上的負(fù)荷被葉片根端處的負(fù)荷傳感器記錄之前，存在明顯的延遲。因此，本方法使得風(fēng)力渦輪機(jī)能夠在接近于預(yù)定負(fù)荷閾值水平的情況下安全運(yùn)轉(zhuǎn)，從而在一系列風(fēng)力條件下使得能量獲取最大化。
[0011]優(yōu)選地，所述方法包括另一步驟，即確定由所述加速度引起的所述轉(zhuǎn)子葉片上的瞬時負(fù)荷。這允許處理來自所述加速度計(jì)的測量結(jié)果，使之直接與測得的負(fù)荷相比較和/或與測得的負(fù)荷相結(jié)合。
[0012]優(yōu)選地，所述方法包括另一步驟，S卩，通過結(jié)合所述轉(zhuǎn)子葉片根端處測得的負(fù)荷和所述瞬時負(fù)荷，確定所述轉(zhuǎn)子葉片上的預(yù)測負(fù)荷。由此，可以基于所述預(yù)測負(fù)荷控制風(fēng)力渦輪機(jī)。所述預(yù)測負(fù)荷是根端處測得的負(fù)荷的預(yù)測值，考慮到所述瞬時負(fù)荷，所述測得的負(fù)荷是轉(zhuǎn)子葉片將要承受的。
[0013]考慮到所述預(yù)測負(fù)荷，可以控制風(fēng)力渦輪機(jī)以防止由于轉(zhuǎn)子葉片上的過度負(fù)荷引起的損壞和/或使得轉(zhuǎn)子葉片的能量獲取最大化。如果所述轉(zhuǎn)子葉片上的所述預(yù)測負(fù)荷高于所述預(yù)定閾值水平，控制所述風(fēng)力渦輪機(jī)以減小所述轉(zhuǎn)子葉片上的負(fù)荷。附加地或者可選地，如果所述轉(zhuǎn)子葉片上的所述預(yù)測負(fù)荷低于所述預(yù)定閾值水平，控制所述風(fēng)力渦輪機(jī)以增加所述轉(zhuǎn)子葉片的能量獲取。
[0014]優(yōu)選地，測量所述加速度的大小和方向。測得的加速度的方向可以用于預(yù)測所述瞬時負(fù)荷是否將增大或減小在所述轉(zhuǎn)子葉片的根端處測得的負(fù)荷。例如，如果由陣風(fēng)或湍流引起的瞬時負(fù)荷作用在與當(dāng)前穩(wěn)定風(fēng)向相反的方向上時，那么它實(shí)際上可能暫時減小轉(zhuǎn)子葉片上的部分負(fù)荷。
[0015]在一個實(shí)施例中，所述方法還包括基于測得的加速度確定所述葉片的運(yùn)動的步驟。所述運(yùn)動可能沿著直線或沿著更復(fù)雜的軌跡。特別地，可以確定葉片的扭曲，并且也可以確定所述扭曲的大小。通過確定扭曲的存在，可以采用更復(fù)雜的控制措施來減小葉片承受的負(fù)荷。在葉片沒有扭曲的情況下，實(shí)際迎角會不同于葉片產(chǎn)生扭曲的情況。這可以用于根據(jù)特定的負(fù)荷情況確定更好的槳距。
[0016]如果預(yù)測所述瞬時負(fù)荷將減小在所述轉(zhuǎn)子葉片的根端處測得的負(fù)荷，可以控制風(fēng)力渦輪機(jī)以增加所述轉(zhuǎn)子葉片的能量獲取。額外地或可選地，如果預(yù)測所述瞬時負(fù)荷將增大在所述轉(zhuǎn)子葉片的根端處測得的負(fù)荷，可以控制風(fēng)力渦輪機(jī)以減小所述轉(zhuǎn)子葉片上的負(fù)荷。僅當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)工作在接近于預(yù)定閾值水平的情況下，通常才需要采取減小葉片上負(fù)荷的措施。
[0017]優(yōu)選地，通過調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)子葉片的槳距角，控制所述風(fēng)力渦輪機(jī)以增加所述轉(zhuǎn)子葉片的能量獲取和/或減小所述轉(zhuǎn)子葉片上的負(fù)荷。額外地或可選地，通過改變所述轉(zhuǎn)子葉片的形狀和/或驅(qū)動所述轉(zhuǎn)子葉片上的副翼，可以控制風(fēng)力渦輪機(jī)達(dá)到期望的能量獲取和轉(zhuǎn)子葉片上的負(fù)荷。
[0018]本發(fā)明還提供了一種風(fēng)力渦輪機(jī)，包括:至少一個轉(zhuǎn)子葉片；位于所述轉(zhuǎn)子葉片的根端處的負(fù)荷傳感器；位于所述轉(zhuǎn)子葉片上所述根端外側(cè)處的加速度計(jì)；以及控制器，配置為基于測得的負(fù)荷和測得的加速度，控制所述風(fēng)力渦輪機(jī)以維持所述轉(zhuǎn)子葉片上的負(fù)荷低于預(yù)定閾值水平。
[0019]優(yōu)選地，所述加速度計(jì)位于所述轉(zhuǎn)子葉片的尖端附近。由于轉(zhuǎn)子葉片容易彎曲，轉(zhuǎn)子葉片的尖端將因瞬時負(fù)荷而產(chǎn)生最大的偏轉(zhuǎn)，從而具有最大的加速度。由此，將加速度計(jì)放置在尖端附近是有利的，因?yàn)檫@會增大加速度計(jì)的輸出范圍。這也會增大在瞬時負(fù)荷引起的加速度被測量和瞬時負(fù)荷傳遞到轉(zhuǎn)子葉片根端之間的時間間隔。
[0020]在一個優(yōu)選實(shí)施例中，所述加速度計(jì)位于所述轉(zhuǎn)子葉片的內(nèi)部，以避免環(huán)境對加速度計(jì)的影響并防止加速度計(jì)的退化。加速度計(jì)可以附著在轉(zhuǎn)子葉片外殼的內(nèi)表面上，或者附著在內(nèi)部結(jié)構(gòu)件(例如，轉(zhuǎn)子葉片的桁或肋)的表面上，或者嵌入在轉(zhuǎn)子葉片的外殼中。
[0021]優(yōu)選地，所述加速度計(jì)是光學(xué)加速度計(jì)，例如包括光學(xué)快門調(diào)制器或接合至光纖布拉格光柵的力學(xué)質(zhì)量。附加地或可選地，所述加速度計(jì)通過一根或多根沿著所述轉(zhuǎn)子葉片的長度延伸的光纖連接至所述控制器。所述控制器可以位于遠(yuǎn)離所述轉(zhuǎn)子葉片的地方，例如位于所述風(fēng)力渦輪機(jī)的轂、機(jī)艙或者塔中。所述加速度計(jì)和控制器之間的連接可以是直接的，或者通過光源和/或光探測器。所述光源可以包括一個或多個LED、激光、鹵素、金屬鹵化物光源或其他任何光源。
[0022]采用光學(xué)加速度計(jì)和/或與遠(yuǎn)程布置的控制器之間的光纖連接是有利的，因?yàn)樗鼈兣懦藖碜赞D(zhuǎn)子葉片的金屬構(gòu)件，并由此降低了轉(zhuǎn)子葉片遭受雷擊的可能性。
[0023]在實(shí)施例中，所述加速度計(jì)是加速度計(jì)系統(tǒng)，其包括空間上隔開的多個子加速度計(jì)。例如，可以采用兩個加速度計(jì)來檢測葉片外側(cè)部分的扭曲，即，一個加速度計(jì)安裝在葉片的前緣附近，一個加速度計(jì)安裝在葉片的后緣附近?；趤碜运鰞蓚€加速度計(jì)的信