风力涡轮机叶片频率的监控制造技术

本发明专利技术涉及一种用于监控风力涡轮机叶片频率的方法以及一种用于执行该方法的监控系统。通过本发明专利技术，加速度计被附接在风力涡轮机的旋转轮毂的中心，由此测量该轮毂的振动。为了提取源自每个叶片的振动信号，将这些振动信号与来自方位角传感器的测量信号（旋转角度）组合在一起，方位角传感器通常用在桨距控制中。替代地，通过使用在两个方向上测量的并且代表该轮毂在这些方向上的离心力和振动力的加速度并且将这些信号馈送到锁相环（ＰＬＬ）单元中而找到方位角，锁相环（ＰＬＬ）单元建立起代表方位角的旋转轮毂的相位。为了进一步提取每个叶片的频率，将快速傅里叶变换（ＦＦＴ）用在来自加速度计的信号上。为了进一步监控每个叶片频率中剧烈且使人警惕的变化，将每个叶片频率与其它叶片频率进行比较，如果达到给定水平，则设定警报，并且使风力涡轮机停止。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于监控风力涡轮机的叶片频率的方法以及一种用于实施该方法的监控系统。
技术介绍
公知的是监控风力涡轮机的叶片频率从而监控每个叶片的频率是否因为例如叶 片中的材料缺陷、雷击、或其它影响的缘故而发生变化。通常通过将一个或多个快速响应的 传感器(如，加速度计)像文献W099/57435A1中所描述以及本说明书的附图1中所示出的 那样放置在风力涡轮机的每个叶片中来进行该种监控。由于需要许多昂贵的传感器，所以 这是一种昂贵的解决方案。 在叶片中没有内置监控叶片频率的上述传感器的现有风力涡轮机上，想要事后内 置这些传感器是非常困难和昂贵的，因为这些传感器必须放置在每个叶片中。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种用于监控风力涡轮机叶片频率的方法以及一种用 于实施该方法的监控系统，该监控系统既更加容易内置到现有的风力涡轮机中，又更加廉 价。 通过根据权利要求1所述的用于监控风力涡轮机叶片频率的方法，以及通过如权 利要求11所述的监控系统，该目的得以达到。从属权利要求包含了本专利技术的进一步发展。 通过本专利技术，加速度计被附接在风力涡轮机的旋转的轮毂的中心，并由此测量该 轮毂的振动。为了提取源自每个叶片的振动信号，这些振动信号通过将这些振动信号与来 自方位角传感器的测量信号(旋转角度)组合而得到调制，该方位角传感器通常被用在桨 距控制中。为了进一步提取每个叶片的频率，将快速傅里叶变换(FFT)或者锁相环(PLL) 单元用于来自加速度计的调制信号上。 对振动信号进行调制可以采用考虑了旋转轮毂或叶片的方位角的函数，特别地， 可以基于旋转轮毂或叶片的方位角的余弦，或者可以基于轮毂或叶片的方位角的余弦和常 数的和。 为了进一步监控每个叶片频率中剧烈且使人警惕的变化，将每个叶片频率与其它 叶片频率进行比较，如果达到给定水平，则设定警报。 通过本专利技术，可替代地通过使用代表轮毂的离心力和振动力的两个方向上的测量 加速度并且将这些信号馈送到锁相环(PLL)单元中来找到方位角，其中锁相环(PLL)单元 建立起代表旋转方位角的旋转轮毂的相位。由此，无需上面提到的方位角传感器，并且监控 系统还被集成到一个单元中。附图说明将参照附图对本专利技术进行更加详细的描述，附图中 图1示出了根据现有技术的风力涡轮机； 图2以侧视图示出了根据本专利技术的风力涡轮机； 图3以正视图示出了根据本专利技术的风力涡轮机； 图4示出了每个叶片边缘的频谱中被测量和调制的峰值； 图5分别示出了总的测量频谱以及每个叶片的调制频谱； 图6示出了在短时期内每个叶片的计算频率的示例，并且示出了这些叶片之一的 频率中的变化是如何被清楚展示并触发警报的； 图7以框图的形式示出了一种用于实施根据本专利技术的方法的系统； 图8以框图的形式示出了一种用于实施本专利技术的替代性系统； 图9示出了被测量的作用在位于风力涡轮机旋转轮毂内的加速度计上的旋转的 作用力； 图10以框图的形式示出了一种用于建立旋转方位角的装置。 具体实施例方式监控系统被内置到如图2和图3所示的风力涡轮机1中，所述风力涡轮机1包括 塔筒2、外罩3、轮毂4、以及一个或多个旋转叶片5。监控系统包括有带内置式控制器或计 算器(未示出)的加速度计6，加速度计6附接到轮毂4的中心以便检测轮毂4的振动，所 述轮毂4的振动源于每个旋转叶片5的振动。该加速度计检测三个方向上的振动，即横向 于该轮毂的方向(彼此正交的Xr。t方向和Zr。t方向)以及沿着该轮毂的方向(y方向)，并 且该加速度计还与该轮毂和叶片一起旋转。因为带内置式控制器或计算器的加速度计6在 塔筒2顶部上的外罩3的延伸部中被附接到轮毂4，所以明显的是该加速度计通过塔筒2的 振动检测所有叶片的频率。 替代地，如果不需要沿着轮毂4测量y方向上的振动，那么加速度计6将只检测上 面提到的另外两个方向上的振动。这就允许使用更加简单且便宜的双路加速度计6。 为了提取每个叶片的频率，监控系统使用旋转叶片的旋转角度(方位角)①。通过 使用通常用于桨距控制的传感器(未示出)能够检测该旋转方位角①，这是风力涡轮机的 一种常见的控制系统。 替代地，如图9和图10所示，通过使用两个正交方向(X t方向和Z t方向)上的 测量加速度并且将这些信号馈送到锁相环(PLL)单元7中，可以找到旋转方位角O，其中 该测量加速度代表作用在轮毂上的旋转且正交的作用力F,和F,，锁相环(PLL)单元7则建 立了代表旋转方位角①的旋转轮毂相位信号以及轮毂4的旋转速度/角频率"。旋转速 度o对于风力涡轮机1的控制是有用的。所测量的作用在轮毂上的旋转且正交的作用力 Fx和Fz在最大值与最小值之间振荡，其中该最大值是当作用力Fx和Fz指向与重力Fg相同 方向时的值，该最小值是当作用力Fx和Fz指向与重力Fg相反的方向时的值。因而，加速度 计6测量Fx和Fz的振荡值，这些信号然后被如上所述那样用于找到旋转方位角①和轮毂 4的旋转速度"。 因此，通过本专利技术可以仅使用一个放置在风力涡轮机1的轮毂4中的加速度计6 来监控每个叶片的频率。如上所述，这也是通过使用叶片5(A、B和C)的旋转角度位置(方 位角)①并且通过将方位角①的余弦值与由轮毂4中的加速度计6监控的x方向上的频率相乘(调制)来实现的。通过主要使用方位角①的余弦值，从而监控每个叶片在x方向 上的振动(也被称为边缘方向的振动)。这是基于这样的理论来实现的，即叶片边缘的频率(在x方向上)在叶片5处于竖直位置时对带有加速度计6的轮毂4具有最大影响，而 在叶片5处于水平位置时则对带有加速度计6的轮毂4几乎没有影响。通过使用对应于0 度、120度和240度的叶片5 (在典型的三叶片风力涡轮机中)的位移的频率，并且将快速傅 里叶变换(FFT)应用到被调制的加速度计信号上，每个叶片5的频率都被监控。 替代地，使用来自加速度计6的在y方向上(沿着轮毂4)的测量频率来计算每个 叶片的频率。这样，所测量的是叶片5的襟翼方向(fl即wise)的振动。因为在整个360度 旋转期间叶片都在y方向上振动，所以使用方位角①的余弦值已不再合适。但是，因为塔筒 的力矩负载在叶片的竖直顶部位置中比在叶片的竖直底部位置中的大，所以将检测到的频 率与模拟了这些情况的函数相乘将会比较合适，例如，该函数可以是将常数(例如数字1) 与方位角①的余弦值相加，然后将相加的和再除以数值2((l+cos(方位角①))/2)。该函 数在0度到360度范围内给出了位于1和0之间的数，并由此提取每个叶片频率，如上面进 一步描述的。 具有来自方位角①和加速度计6的检测信号的输入的控制器或计算单元包括 对检测信号进行调制的调制单元，从调制信号中提取每个叶片频率的快速傅里叶变换(FFT 或DFFT)单元或锁相环振荡(PLL)单元，以及当每个叶片频率的变化达到确定水平时设定 警报和/或使风力涡轮机停止的警报单元。替代地，基于来自加速度计的信号输出方位角 ①和角频率"的锁相环(PLL)单元7还可以是控制器或计算单元的集成部件。控制器内 的所有这些单元都未示出。 仅考虑由于边缘方向谐振频率所致的振动，每个叶片(A、 B和C)的叶片边缘方向 的加速度可以被描述为下列公式 aA(t) = k cos本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于监控风力涡轮的叶片频率的方法，所述风力涡轮机包括塔筒、外罩、轮毂和一个或多个旋转叶片、附接到所述轮毂的加速度计，所述加速度计检测所述轮毂在两个或更多方向上的振动，所述方法包括以下步骤：－使用旋转轮毂或叶片的方位角信号调制来自所述加速度计的检测信号或振动，－从被调制的加速度计信号中提取所述叶片频率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：P埃格达尔，H斯蒂斯达尔，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]