负荷确定系统及其组装方法 技术领域 本公开内容的领域一般地涉及负荷确定， 并且更特别地， 涉及负荷确定系统及其 组装方法。
背景技术 许多已知的风力涡轮机包括塔架和经由外罩 (nacelle) 安装在塔架上的转子。转 子具有自其延伸的多个叶片以便于将风能转换成旋转能。 转子经由转子轴通过齿轮箱驱动 发电机， 并且齿轮箱提高转子轴的固有低转速， 使得发电机可将机械能转换成电能。
由于许多已知的风力涡轮机向公用电网提供电力， 所以至少一些风力涡轮机具有 便于供给更大量电力的较大构件 ( 例如， 直径超过三十米的转子 )。然而， 较大构件常常承 受由风切变、 偏航失调和 / 或湍流所致的增加的负荷 ( 例如， 不对称的负荷 )， 并且已知该增 加的负荷有助于风力涡轮机的转子叶片和 / 或其它构件上的重大疲劳周期。因此， 将有用 的是提供这样一种系统， 其便于确定风力涡轮机的构件如转子叶片和 / 或转子上的负荷， 以便可减少负荷。
发明内容 在一方面， 提供一种确定风力涡轮机上的负荷的方法。该方法包括通过至少一个 加速度传感器感测转子在多个维度上的加速度， 并且将指示感测到的加速度的信号从该加 速度传感器传输到控制系统。 该方法还包括在控制系统处接收从加速度传感器传来的信号 并且通过控制系统基于收到的信号确定风力涡轮机上的负荷。
在另一方面， 提供一种将负荷确定系统组装到风力涡轮机上的方法。该风力涡轮 机具有转子， 该转子包括可旋转的轮毂和联接在该轮毂上的多个转子叶片。该方法包括将 至少一个加速度传感器联接在转子上并且将该加速度传感器与控制系统通信地联接。 该加 速度传感器配置成感测转子在三个维度上的加速度并且将指示感测到的加速度的信号传 输到控制系统。 该控制系统配置成接收来自加速度传感器的信号并且基于收到的信号确定 风力涡轮机上的负荷。
在另一方面， 提供一种用于包括转子的风力涡轮机的负荷确定系统。该负荷确定 系统包括控制系统和可安装在转子上并且与控制系统通信地联接的至少一个加速度传感 器。 该加速度传感器配置成感测转子在三个维度上的加速度并且将指示感测到的加速度的 信号传输到控制系统。 该控制系统配置成接收来自加速度传感器的信号并且基于收到的信 号确定风力涡轮机上的负荷。
附图说明
图 1 是风力涡轮机的侧立面图 ；
图 2 是图 1 中所示的风力涡轮机的外罩的放大透视图 ；
图 3 是图 1 中所示的风力涡轮机的控制系统的框图 ；图 4 是图 1 中所示的风力涡轮机的轮毂的截面示意图 ；
图 5 是联接到图 4 中所示的轮毂上的叶片的加速度图形的图形表示 ； 以及
图 6 是确定图 1 所示的风力涡轮机上的负荷的方法的流程图。
部件清单
100 风力涡轮机 ； 102 塔架 ； 104 外罩 ； 108 转子 ； 110 轮毂 ； 112 转子叶片 ； 114 叶片 ； 116 叶片 ； 118 叶片 ； 202 齿轮箱 ； 204 转子轴 ； 206 高速轴 ； 208 发电机 ； 210 偏航驱动器 ； 212 偏航平台 (yawdeck) ； 214 桨距驱动器 ； 300 控制系统 ； 302 控制器 ； 304 存储器 ； 306 通信模 块； 308 传感器接口 ； 400 加速度传感器 ； 402 加速度传感器 ； 404 加速度传感器 ； 406 加速度 传感器 ； 410 轴线盒 ； 500 正弦加速度图形 ； 502 加速度曲线 ； 600 方法 ； 602 感测 ； 604 传输 ； 606 接收 ； 608 确定 具体实施方式
以下具体实施方式通过示例而非通过限制说明负荷确定系统。 该具体实施方式使 本领域普通技术人员能够制造并使用本公开内容， 并且该具体实施方式描述了本公开内容 的若干实施例， 包括目前认为是实施本公开内容的最佳模式的实施例。本公开内容在本文 中被描述为应用于示例性实施例， 即用于风力涡轮机的负荷确定系统。 然而， 可以预期此公 开内容对于宽范围的系统和非风力涡轮机的各种应用中的负荷确定具有一般性的应用。 图 1 是示例性风力涡轮机 100 的侧立面图。 在示例性实施例中， 风力涡轮机 100 为 水平轴线风力涡轮机。备选地， 风力涡轮机 100 可为竖直轴线风力涡轮机。风力涡轮机 100 包括从基础 ( 未示出 ) 竖立的塔架 102、 安装在塔架 102 上的外罩 104 和联接在外罩 104 上 的转子 108。转子 108 包括可旋转的轮毂 110 和联接在轮毂 110 上并自其向外伸出的多个 转子叶片 112。 在示例性实施例中， 转子叶片 112 包括第一转子叶片 114、 第二转子叶片 116 和第三转子叶片 118。在其它实施例中， 转子 108 可包括任何合适数量的转子叶片 112。在 示例性实施例中， 转子叶片 112 围绕轮毂 110 等距地隔开， 以便于将风的动能转换成旋转能 并随后转换成电能。备选地， 转子叶片 112 可围绕轮毂 110 隔开任何合适的距离。
图 2 是外罩 104 的放大透视图。在示例性实施例中， 外罩 104 包括齿轮箱 202、 转 子轴 204、 高速轴 206 和发电机 208。具有纵向轴线 L 的转子轴 204 将轮毂 110 可旋转地 联接在齿轮箱 202 上， 并且高速轴 206 将齿轮箱 202 可旋转地联接在发电机 208 上。外罩 104 还包括 ： 偏航驱动器 210 和偏航平台 212， 其便于调节风力涡轮机 100 的偏航 ； 与各叶 片 114、 116、 118 相关的桨距驱动器 214， 其便于独立地调节各叶片 114、 116、 118 的桨距 ； 以 及控制系统 300， 其便于控制风力涡轮机 100 的操作 ( 例如， 控制桨距驱动器 214、 偏航驱动 器 210 等的操作 )。在备选实施例中， 控制系统 300 可安装在风力涡轮机 100 上使控制系统 300 能够如文中所述起作用的任何合适的位置。
图 3 是示例性控制系统 300 的框图。在该示例性实施例中， 控制系统 300 包括控 制器 302、 存储器 304 和通信模块 306。备选地， 控制系统 300 可包括使控制系统 300 能够 如文中所述起作用的任何合适的装置。在该示例性实施例中， 通信模块 306 包括传感器接 口 308， 其便于使控制器 302 能够与安装在风力涡轮机 100 上任何合适的位置的至少一个传 感器通信。在一个实施例中， 传感器接口 308 包括模数转换器， 其将传感器所产生的模拟电 压信号转换成可由控制器 302 使用的多位数字信号。在其它实施例中， 通信模块 306 可包
括任何合适的有线和 / 或无线通信装置， 其便于将信号传输到位于风力涡轮机 100 上和 / 或远离风力涡轮机 100 的任何装置， 和 / 或从该装置接收信号。在该示例性实施例中， 存储 器 304 可包括任何合适的存储装置， 包括但不限于闪存、 电可擦除可编程存储器、 只读存储 器 (ROM)、 可移动介质和 / 或其它易失性和非易失性存储装置。在一个实施例中， 可执行的 指令 ( 即， 软件指令 ) 储存在存储器 304 中以由控制器 302 在控制风力涡轮机 100( 例如， 桨距驱动器 214) 中使用， 如以下所述。
在该示例性实施例中， 控制器 302 为实时控制器， 其包括任何合适的基于处理器 或基于微处理器的系统， 例如计算机系统， 其包括微控制器、 精简指令集电路 (RISC)、 专用 集成电路 (ASIC)、 逻辑电路和 / 或任何其它能够执行文中所述功能的电路或处理器。在一 个实施例中， 控制器 302 可为包括只读存储器 (ROM) 和 / 或随机存取存储器 (RAM) 的微处 理器， 例如带 2Mbit ROM 和 64Kbit RAM 的 32 位微计算机。如文中所用， 用语 “实时” 是指 输出发生在影响输出的输入改变之后相当短的时间段内， 且该时间段为可基于输出的重要 性和 / 或处理输入以产生输出的系统的性能而选择的设计参数。如文中所用， 用语 “处理 器” 并不局限于本领域中称为处理器的集成电路， 而是宽泛地指计算机、 微控制器、 微计算 机、 可编程逻辑控制器、 专用集成电路和任何其它可编程电路。
图 4 是沿线 4-4( 在图 2 中示出 ) 截取的轮毂 110 的截面示意图， 且叶片 114、 116、 118 联接在轮毂 110 上。在该示例性实施例中， 三条互相垂直的轴线 X、 Y 和 Z 穿过轮毂 110 延伸以相对于轮毂 110 的中心 C 限定三维笛卡尔坐标系。在该示例性实施例中， Z 轴线与 转子轴 204 的纵向轴线 L 同轴。在其它实施例中， Z 轴线可相对于转子轴 204 定向在任何 合适的方向上。
在该示例性实施例中， 多个加速度传感器 400 安装在轮毂 110 内以便于感测转子 108 在 X、 Y 和 / 或 Z 维度上的加速度。具体而言， 在一个实施例中， 加速度传感器 400 包括 关于 ( 例如， 邻近 ) 第一叶片 114 安装的第一加速度传感器 402， 以便于感测转子 108 在 X 维度上的第一加速度矢量 AX1、 转子 108 在 Y 维度上的第一加速度矢量 AY1 和转子 108 在 Z 维度上的第一加速度矢量 AZ1。第二加速度传感器 404 关于 ( 例如， 邻近 ) 第二叶片 116 安 装， 以便于感测转子 108 在 X 维度上的第二加速度矢量 AX2、 转子 108 在 Y 维度上的第二加速 度矢量 AY2 和转子 108 在 Z 维度上的第二加速度矢量 AZ2。第三加速度传感器 406 关于 ( 例 如， 邻近 ) 第三叶片 118 安装， 以便于感测转子 108 在 X 维度上的第三加速度矢量 AX3、 转子 108 在 Y 维度上的第三加速度矢量 AY3 和转子 108 在 Z 维度上的第三加速度矢量 AZ3。在风 力涡轮机 100 的运行期间， 感测到的加速度矢量 AX1、 AX2、 AX3、 AY1、 AY2、 AY3、 AZ1、 AZ2 和 AZ3 可具 有任何大小和 / 或任何方向， 并且图 4 中所示的大小和方向的意图是示例性的且并非意在 限制本发明的范围。在备选实施例中， 加速度传感器 400 可安装在风力涡轮机 100 上使控 制系统 300 能够如文中所述起作用的任何合适的位置。
在该示例性实施例中， 加速度传感器 402、 404、 406 互相隔开第一距离 D’ ( 即， 按照 叶片 114、 116、 118 的间距基本上等距离地彼此隔开 ) 并且与中心 C 隔开第二距离 D” ( 即， 与中心 C 基本上等距并且与转子轴 204 隔开 )。 在一个实施例中， 各加速度传感器 402、 404、 406 可安装在轮毂 110 上或邻近其安装 ( 例如， 各加速度传感器 402、 404、 406 可安装在与各 叶片 114、 116、 118 相关的单独的轴线盒 410 内 )。备选地， 任何合适数量的加速度传感器 400 可安装在轮毂 110 内和 / 或轮毂 110 外使控制系统 300 能够如文中所述起作用的任何合适位置。
在该示例性实施例中， 加速度传感器 402、 404、 406 通过通信模块 306 的传感器接 口 308 跨越任何合适的有线和 / 或无线通信介质与控制器 302 通信地联接， 以便于使加速 度传感器 402、 404、 406 能够将信号传输到控制器 302 和 / 或接收来自控制器 302 的信号。 在该示例性实施例中， 各加速度传感器 402、 404、 406 连续地感测转子 108 在所有三个维度 X、 Y 和 Z 上的加速度， 并且各加速度传感器 402、 404、 406 实时将指示感测到的加速度矢量 AX1、 AX2、 AX3、 AY1、 AY2、 AY3、 AZ1、 AZ2 和 / 或 AZ3 的信号连续地传输到控制器 302。在一个实施例 中， 可对控制器 302 编程以连续地接收和监控由加速度传感器 402、 404、 406 传输的信号。 在 另一实施例中， 控制器 302 可能不连续接收和 / 或监控由加速度传感器 402、 404、 406 传输 的信号， 而是可被编程从而以预定的时间间隔反复请求来自加速度传感器 402、 404、 406 的 信号。在一些实施例中， 控制器 302 和 / 或加速度传感器 402、 404、 406 可以以任何合适的 时间间隔互相传输信号和 / 或互相接收信号。在其它实施例中， 加速度传感器 402、 404 和 / 或 406 可在任何合适数量的维度上感测加速度。
在该示例性实施例中， 当风力涡轮机 100 基本上卸载时 ( 即， 在风力涡轮机 100 的 非运行状态期间 )， 对控制器 302 编程以进行校准。在特定实施例中， 对控制器 302 编程以 将转子 108 的卸载位置 ( 即， 转子 108 在所有三个维度 X、 Y 和 X 上的位置 ) 储存在存储器 304 中并且将卸载位置确定为转子 108 的 “零” 位置。 在确定转子 108 的 “零” 位置后以及风力涡轮机 100 的运行期间， 对控制器 302 编 程以处理从加速度传感器 402、 404、 406 接收的信号， 以便于计算转子 108 在所有三个维度 X、 Y 和 Z 上从 “零” 位置的位移。在该示例性实施例中， 对控制器 302 编程， 以接收来自第 一加速度传感器 402 的与感测到的加速度矢量 AX1、 AY1 和 / 或 AZ1 对应的信号， 接收来自第 二加速度传感器 404 的与感测到的加速度矢量 AX2、 AY2 和 / 或 AZ2 对应的信号， 接收来自第 三加速度传感器 406 的与感测到的加速度矢量 AX3、 AY3 和 / 或 AZ3 对应的信号， 并且对控制 器 302 编程以将加速度值 ( 即， 指示各加速度矢量的大小和 / 或方向的值 ) 与各收到的信 号关联。
在将加速度值与各收到的信号关联后， 对控制器 302 编程以使用与感测到的加速 度矢量 AX1、 AX2、 AX3、 AY1、 AY2 和 / 或 AY3 关联的加速度值中至少一个确定转子 108 在旋转方向 R 上的转速和 / 或转子 108 在 X 维度和 Y 维度上的旋转次序 ( 即， 各叶片 114、 116、 118 在 轴线 X 和 Y 所限定的平面中的位置 )。在一个实施例中， 可对控制器 302 编程， 以将与感测 到的加速度矢量 AX1、 AX2、 AX3、 AY1、 AY2 和 / 或 AY3 相关的加速度值连续地输入到第一数学模型 中， 该第一数学模型便于确定由作用在转子 108 上的重力部分引起的转子 108 的正弦加速 度图形 ( 即， 图形化地表示为正弦加速度曲线 ) 并且确定各叶片 114、 116、 118 与该加速度 图形中的特定点 ( 例如， 正弦加速度曲线上的特定点 ) 对应的位置。 例如， 在一个实施例中， 可对控制器 302 编程以使用指示感测到的加速度 AY1 的信号来确定用于叶片 114 的正弦加 速度图形 500( 图 5 中图形化地表示为加速度曲线 502)， 并且还可对控制器 302 编程以确 定， 在加速度曲线 502 上的点 A 处， 叶片 114 定向在由轴线 X 和 Y 限定的平面中的 0°角处 ( 即， 叶片 114 指向正上方 )， 并且在加速度曲线 502 上的点 B， 叶片 114 定向在由轴线 X 和 Y 限定的平面中的 180°角处 ( 即， 叶片 114 指向正下方 )。在其它实施例中， 可对控制器 302 编程以确定任何合适数量的叶片的加速度图形并且判断叶片在该加速度图形中任何合
适的点的位置。
在确定转子 108 在 X 维度和 Y 维度上的旋转次序后， 对控制器 302 编程以使用与加 速度矢量 AZ1、 AZ2 和 / 或 AZ3 相关的加速度值计算转子 108 从 “零” 位置的位移。在该示例性 实施例中， 对控制器 302 编程以产生指示加速度矢量 AZ1、 AZ2 和 / 或 AZ3 及转子 108 的旋转次 序的至少一个加速度函数。对控制器 302 编程以随后积分该加速度函数， 以将加速度函数 表达为对应的速度函数， 并且随后积分该速度函数， 以将速度函数表达为对应的位移函数。 使用该位移函数， 对控制器 302 编程以随后计算转子 108 从 “零” 位置的位移， 以便于在任 何时间点确定风力涡轮机 100 上的负荷 ( 例如， 转子 108、 外罩 104 和 / 或塔架 102 上的负 荷 )。 备选地， 可对控制器 302 编程以通过任何合适的数学模型处理与任何合适数量的感测 到的加速度矢量相关的任何合适数量的信号， 以便于确定风力涡轮机 100 上的负荷。
在一些实施例中， 可对控制器 302 编程以使用加速度传感器 400 的第一预定组的 感测到的加速度矢量计算转子 108 的位移并且确定加速度传感器 400 的第二预定组的感测 到的加速度矢量为冗余。在该示例性实施例中， 可对控制器 302 编程以仅使用从第一加速 度传感器 402 和第二加速度传感器 404 接收的信号 ( 即， 仅使用加速度矢量 AX1、 AY1、 AZ1、 AX2、 AY2 和 AZ2) 计算位移。同样， 从第三加速度传感器 406 接收的信号可被控制器 302 确定为冗 余并且可由控制器 302 在第一加速度传感器 402 和 / 或第二加速度传感器 404 不运行或失 效的情况下使用。在其它实施例中， 可对控制器 302 编程以使用来自任何合适数量的加速 度传感器 400 的感测到的加速度矢量计算转子 108 的位移并且确定从任何合适数量的加速 度传感器 400 接收的信号为冗余。 在该示例性实施例中， 进一步对控制器 302 编程以响应所确定的风力涡轮机 100 上的负荷控制风力涡轮机 100 的至少一个装置， 以便于降低风力涡轮机 100 上的负荷。在 一个实施例中， 控制器 302 可配置成响应于所确定的风力涡轮机 100 上的负荷控制桨距驱 动器 214( 即， 改变第一叶片 114、 第二叶片 116 和 / 或第三叶片 118 的桨距 ) ； 响应于所确 定的风力涡轮机 100 上的负荷减慢轮毂 110 和 / 或转子轴 204 的旋转 ； 和 / 或响应于所确 定的风力涡轮机 100 上的负荷减慢高速轴 206 的旋转。在其它实施例中， 可对控制器 302 编程以控制风力涡轮机 100 的任何合适的装置， 以便于降低风力涡轮机 100 上的负荷 ( 例 如， 将被控制器 302 确定为不对称的负荷转换成被控制器 302 确定为大致对称的负荷 )。
图 6 是确定风力涡轮机 100 上的负荷的方法 600 的流程图。 在该示例性实施例中， 方法 600 包括通过至少一个加速度传感器 400 感测转子 108 在多个维度上的加速度的步骤 602 ； 将指示感测到的加速度的信号从加速度传感器 400 传输到控制系统 300 的步骤 604 ； 在控制器 300 接收从加速度传感器 400 传来的信号的步骤 606 ； 以及通过控制系统 300 基 于收到的信号确定风力涡轮机 100 上的负荷的步骤 608。 在其它实施例中， 方法 600 可包括 与便于如文中所述的风力涡轮机 100 上的负荷的确定相关的任何合适的步骤。在一些实施 例中， 提供与便于风力涡轮机 100 上的负荷的确定相关的各种其它合适的方法 ( 例如， 将负 荷确定系统组装在风力涡轮机 100 上的方法 )。
本文所述的方法和系统便于使用加速度传感器确定风力涡轮机的构件上的负荷 ( 例如， 推力 / 弯曲负荷 )。更具体而言， 本文所述的方法和系统便于通过感测转子在三个 维度上的加速度确定转子上的负荷。因此， 本文所述的方法和系统便于最小化用来确定转 子上的动态负荷的设备， 从而降低与制造风力涡轮机相关的制造成本， 同时增加风力涡轮
机的可靠性并延长风力涡轮机的使用寿命。
以上详细描述了负荷确定系统的示例性实施例。 文中所述的方法和系统并不局限 于文中所述的特定实施例， 相反， 这些方法和系统的构件可与文中所述的其它构件独立且 分离地利用。例如， 文中所述的方法和系统可具有不局限于如文中所述以风力涡轮机实施 的其它应用。相反， 文中所述的方法和系统可结合各种其它行业实现和利用。
此书面描述使用了包括最佳模式在内的示例来公开本发明， 并且还使本领域的任 何技术人员能够实施本发明， 包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方 法。本发明可取得专利的范围由权利要求书限定， 并且可包括本领域技术人员所想到的其 它实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件， 或者它们 包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件， 则认为此类其它实例包含在权 利要求的保护范围内。