风力涡轮机塔架至桨叶末端测量系统技术方案

在一种风力涡轮机中，包括支撑机舱的塔架、可旋转地连接至机舱并具有桨叶末端部分的至少一个桨叶、用于测量风力涡轮机的塔架与桨叶末端部分之间的距离的系统，该系统包括在桨叶末端部分的表面上的指示器条、环绕塔架的指示器环、机舱中的相机，相机被定位为使得，当桨叶末端处于最接近塔架位置时，桨叶末端部分和指示器环位于相机视野内时，相机以数字方式记录其在此最接近位置的视场的图像，在该最接近位置，指示器环和相机之间的距离基本上等于指示器条与相机之间的距离，且该系统包括图像处理器和末端‑塔架间隙计算器单元，其接收数字记录的图像并使用数字记录的图像信息来计算指示器条与指示器环之间的物理间隔距离，物理间隔距离指示桨叶末端‑塔架间隙。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】风力涡轮机塔架至桨叶末端测量系统
本专利技术涉及一种具有塔架至桨叶末端间隙测量系统的风力涡轮机。此外，本专利技术涉及一种用于估计风力涡轮机中的桨叶末端至塔架距离的方法。现有技术中公知的末端-塔架间隙估计器对于商业应用而言太不精确，且太昂贵或不可靠。需要一个稳健且准确的系统。此外，还需要一种能够预先估计下一个“最接近位置”处的末端-塔架间隙值的系统，因为这种预先估计值可用于涡轮机控制逻辑中以采取纠正措施。例如，当末端-塔架间隙降至预定阈值以下时，采取涡轮机控制措施以提高操作安全性。这样的措施可以包括例如通过改变桨距角β或者降低旋转速度ω来减小桨叶100上的负荷。
技术介绍
现有技术中公知的末端-塔架间隙估计器对于商业应用而言太不精确，且太昂贵或不可靠。需要一个稳健且准确的系统。EP2402603A2，DE102006054667A1，DE102005048805523A1，US2004/0057828A1都采用了有源发射机，或者在桨叶末端处，或者围绕塔架沿周向放置，以测量末端-塔架间隙。公开的有源发射机包括发光系统，声学系统，雷达系统或电磁感应系统。然而，在本领域中众所周知，由于可能发生雷击事件，因此在现场不允许与涡轮机中的电气系统的其余部分电接触的位于桨叶末端的任何电气系统。因此，现有技术中唯一可接受的解决方案是使用桨叶末端处的无源系统的解决方案。所有可接受的现有技术系统都采用位于塔架上的一个或多个有源发射机。为了覆盖所有可能的风力涡轮机配置，随着改变偏航角以跟随风向，现有技术的系统采用围绕塔架的圆周在空间上间隔开的多个传感器。由于系统位于塔架外部，因此它们位于活跃的雷击区域中，必须加以保护以防雷击。此外，当前塔架的高度远高于100米，使得这些传感器在塔架上的位置难以到达和维修。因此，由于初始资本投资的高成本和维护的高成本，这些系统不是最佳的。所需要的是一种末端-塔架间隙系统，其中塔架和桨叶末端组件都是无源的，低成本的，无需维护，在恶劣的操作条件下稳健耐用，并且在雷击时稳健耐用。此外，现有技术的系统仅在桨叶通过时才测量末端-塔架间隙。还需要一种能够预先估计下一个“最接近位置”处的末端-塔架间隙值的系统，因为这样的预先估计可用于涡轮机控制逻辑中以采取纠正措施。例如，当末端-塔架间隙降至预定阈值以下时，采取涡轮机控制措施以提高操作安全性。这样的措施可以包括例如通过改变桨距角β或者降低旋转速度ω来减小桨叶100上的负荷。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括塔架、舱室、毂以及矩形地附接到毂的至少一个桨叶，该至少一个桨叶具有桨叶末端部分，毂绕着毂旋转轴线以旋转速度旋转，转子编码器提供相对于参考位置的绕所述毂旋转轴线的转子角位置的测量值，当所述至少一个桨叶指向地面并且平行于塔架时，转子角位置是检测位置，该风力涡轮机具有运行涡轮机控制逻辑的涡轮机控制系统，该风力涡轮机还包括：-指示器条，位于桨叶末端部分中并围绕或环绕桨叶末端部分，-指示器环，围绕或环绕塔架，指示器环位于塔架上，距毂的距离基本上等于指示器条至毂的距离，-相机或第一相机，具有图像平面或第一图像平面，当转子角位置等于检测位置时，该相机或第一相机被取向为将指示器条和指示器环放置在图像平面或第一图像平面内，当转子角位置等于检测位置时，相机或第一相机将图像数字记录在图像平面或第一图像平面上，相机或第一相机存储数字记录的图像信息以进行进一步处理，和-图像处理器和末端-塔架间隙计算器单元，其接收数字记录的图像信息并使用数字记录的图像信息来计算指示器条和指示器环之间的物理间隔距离，该物理间隔距离指示桨叶末端至塔架间隙。根据一个实施例，物理间隔距离被传输到涡轮机控制系统以用于涡轮机控制逻辑中。根据另一个实施例，舱室可旋转地安装到塔架的顶部，以允许绕塔架轴线的偏航运动。特别地，所述偏航运动的特征在于偏航角。偏航角也称为涡轮偏航角。优选地，相机或第一相机位于舱室内部。特别地，指示器环具有材料厚度，以便增加或有效地增加塔架的直径，指示器环的材料厚度允许指示器环在所有偏航角时对于相机或第一相机保持可见。优选地，指示器环提供相对于相机观察轴线的法线表面，以增加指示器环在相机的观察图像中的可见性。优选地，所述至少一个桨叶具有纵向轴线。根据又一实施例，所述至少一个桨叶旋转地附接到毂，以允许绕所述纵向轴线的俯仰运动，所述俯仰运动的特征在于桨距角。根据本专利技术的第二方面，提供了一种用于估计风力涡轮机中的桨叶末端到塔架距离的方法，该风力涡轮机包括塔架、舱室、毂以及矩形地附接到毂的至少一个桨叶，该至少一个桨叶具有桨叶末端部分和纵向轴线，毂绕着毂旋转轴线以旋转速度旋转，转子编码器提供相对于参考位置的绕所述毂旋转轴线的转子角位置的测量值，当所述至少一个桨叶指向地面并且平行于塔架时，转子角位置是检测位置，每次转子角位置等于检测位置时产生同步脉冲，风力涡轮机具有运行涡轮机控制逻辑的涡轮机控制系统，当所述至少一个桨叶处于最接近塔架位置时，测量系统产生指示桨叶末端到塔架距离的末端-塔架间隙信号。桨叶挠度测量系统提供指示瞬时桨叶形状的至少一个桨叶挠度信号，该桨叶挠度信号在转子角位置等于检测位置时存在，且在转子角位置等于感测位置时存在。优选地，感测位置被定义为不同于检测位置的转子角位置。特别地，感测位置被定义为不同于检测位置的转子角位置。此外，计算单元接收桨叶挠度信号、末端-塔架间隙信号和同步脉冲，该计算单元在同步脉冲到达时建立数据向量，从而末端-塔架间隙信号和桨叶挠度信号都表示基本上在同一时刻出现的值，在涡轮机操作期间产生的数据向量的集合被收集在表格中，表格的长度随时间增加。此外，当转子角位置等于感测位置时，计算单元接收桨叶挠度信号，该计算单元使用表格来定义桨叶挠度信号和末端-塔架间隙估计之间的函数关系，该函数关系随着更多数据被添加到数据向量中而进行更新，以使函数关系提高准确性并捕获桨叶结构的变化。另外，末端-塔架间隙估计值被传送到涡轮机控制系统。根据一个实施例，所述至少一个桨叶可旋转地附接到毂以允许绕所述纵向轴线的俯仰运动，所述俯仰运动的特征在于桨距角，计算单元接收指示桨距角的信号并且将桨距角的值包括在数据向量中。根据另一实施例，计算单元接收指示旋转速度的信号，并将旋转速度的值包括在数据向量中。根据又一实施例，所述至少一个桨叶具有沿纵向轴线延伸的内部空腔，桨叶挠度测量系统包括位于空腔内部的相机或第二相机，该相机或第二相机具有图像平面，该系统还包括至少一个反射器，该至少一个反射器在空腔内部并且固定地定位到界定空腔的桨叶材料，该至少一个反射器在相机或第二相机的图像平面中可见，该相机或第二相机使用所述至少一个反射器在图像平面中的位置来计算桨叶挠度信号。根据本专利技术的第一方面和本专利技术的第二方面，风力涡轮机优选地包括转子，该转子包括毂和至少一个桨叶。特别地，毂旋转轴线也被称为转子轴线或转子旋转轴线。优选地，转子角位置也被称为毂角位置。特别地，转子旋转速度也称为毂旋转速度。...

【技术保护点】
1.一种风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机包括塔架(10)、舱室(20)、毂(110)以及矩形地附接到所述毂的至少一个桨叶(100)，所述至少一个桨叶具有桨叶末端部分，所述毂绕着毂旋转轴线以旋转速度(ω)旋转，转子编码器(40)提供相对于参考位置的绕所述毂旋转轴线的转子角位置(Ω)的测量值，当所述至少一个桨叶指向地面并且平行于塔架时，转子角位置是检测位置(Ω

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171204 EP 17001973.11.一种风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机包括塔架(10)、舱室(20)、毂(110)以及矩形地附接到所述毂的至少一个桨叶(100)，所述至少一个桨叶具有桨叶末端部分，所述毂绕着毂旋转轴线以旋转速度(ω)旋转，转子编码器(40)提供相对于参考位置的绕所述毂旋转轴线的转子角位置(Ω)的测量值，当所述至少一个桨叶指向地面并且平行于塔架时，转子角位置是检测位置(Ω0)，所述风力涡轮机具有运行涡轮机控制逻辑的涡轮机控制系统，
其特征在于：
指示器条(220)，位于所述桨叶末端部分中并围绕或环绕所述桨叶末端部分，
指示器环(230)，围绕或环绕所述塔架，所述指示器环位于所述塔架上，距所述毂的距离基本上等于所述指示器条至所述毂的距离，
相机(200)，具有图像平面，当转子角位置等于所述检测位置(Ω0)时，所述相机被取向为将所述指示器条和所述指示器环放置在所述图像平面内，当转子角位置等于检测位置(Ω0)时，相机将图像数字记录在图像平面上，相机存储数字记录的图像信息以进行进一步处理，
图像处理器和末端-塔架间隙计算器单元，其接收数字记录的图像信息并使用数字记录的图像信息来计算所述指示器条和所述指示器环之间的物理间隔距离，所述物理间隔距离指示桨叶末端至塔架间隙。


2.根据权利要求1所述的涡轮机，还包括将物理间隔距离传输到涡轮机控制系统以用于涡轮机控制逻辑中。


3.根据权利要求1或2所述的涡轮机，其中，
所述舱室(20)可旋转地安装到所述塔架(10)的顶部，以允许绕塔架轴线的偏航运动，所述偏航运动的特征在于偏航角，
所述相机(200)位于所述舱室(20)内部，和
所述指示器环(230)具有材料厚度，以便有效地增加所述塔架(10)的直径，所述指示器环(230)的材料厚度允许所述指示器环(230)在所有偏航角时对于所述相机(200)保持可见。


4.一种用于估计风力涡轮机(1)中的桨叶末端到塔架距离的方法，所述风力涡轮机包括塔架(10)、舱室(20)、毂(110)以及矩形地附接到所述毂的至少一个桨叶(100)，所述至少一个桨叶具有桨叶末端部分和纵向轴线，所述毂绕着毂旋转轴线以旋转速度(ω)旋转，转子编码器(40)提供相对于参考位置的绕所述毂旋转轴线的转子角...

【专利技术属性】
技术研发人员：F伯托洛蒂，
申请(专利权)人：日本电产SSB风系统有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE