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用于涡轮机的叶片负载感测系统

阅读:256发布:2023-03-01

专利汇可以提供用于涡轮机的叶片负载感测系统专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种用于确定 风 力 涡轮 机 叶片 上的负载的方法,包括:通过 风力 涡轮机 叶片负载 传感器 的方式来测量所述叶片负载;估计所述叶片的 温度 ;基于所估计的温度和所测量的负载来确定所述风力涡轮机叶片上的所述负载的经温度校正的值。本 发明 还涉及一种用于风力涡轮机的 传感器系统 ,所述系统包括:负载传感器;处理单元,其与所述负载传感器 接口 连接并且被配置为提供经温度校正的负载参数作为输出,其中,所述处理单元包括:温度估计模 块 ,其基于至少一个风力涡轮机参数来确定所述负载传感器附近的叶片的估计温度;以及负载补偿模块,其基于所述估计温度和所述负载传感器的测量值来确定经温度校正的负载参数。,下面是用于涡轮机的叶片负载感测系统专利的具体信息内容。

1.一种用于涡轮叶片传感器系统,所述系统包括:
负载传感器,其提供负载测量值;
处理单元,其与所述负载传感器接口连接并且被配置为提供经温度校正的负载参数作为输出,其中,所述处理单元包括:
温度估计模,其基于至少一个风力涡轮机参数来确定所述负载传感器附近的所述叶片的估计温度;
负载补偿模块,其基于所述估计温度和所述负载传感器的所述负载测量值来确定所述经温度校正的负载参数。
2.根据权利要求1所述的传感器系统,其中,所述温度估计模块将所述负载传感器附近的所述叶片的估计温度与所述至少一个风力涡轮机参数的值直接相关。
3.根据权利要求2所述的传感器系统,其中,所述温度估计模块将所述负载传感器附近的所述叶片的估计温度与所述风力涡轮机的远离所述负载传感器的部件或区域的温度测量值相关。
4.根据权利要求3所述的传感器系统,其中,所述温度估计模块将所述负载传感器附近的所述叶片的估计温度与周围环境的温度相关。
5.根据权利要求2所述的传感器系统,其中,所述温度估计模块基于传递到所述叶片内部的净热能来对所述负载传感器附近的所述叶片的温度执行建模。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器系统,其中,应变传感器是光学应变仪。
7.一种风力涡轮机叶片,包括根据权利要求1至6中的任一项所述的传感器系统。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机叶片,其中,所述负载传感器被并入到所述风力涡轮机叶片的根端中。
9.一种用于确定风力涡轮机叶片上的负载的方法,包括:
通过风力涡轮机叶片负载传感器的方式来测量所述叶片负载;
估计所述叶片的温度;
基于所估计的温度和所测量的负载来确定所述风力涡轮机叶片上的所述负载的经温度校正的值。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,所述负载传感器附近的所述叶片的估计温度与至少一个风力涡轮机参数的值直接相关。
11.根据权利要求10所述的方法,其中,所述负载传感器附近的所述叶片的估计温度与所述风力涡轮机的远离所述负载传感器的部件或区域的温度测量值直接相关。
12.根据权利要求11所述的方法,其中,对所述负载传感器附近的所述叶片的温度的估计与周围环境的温度直接相关。
13.根据权利要求12所述的方法,其中,使用基于传递到所述叶片内部的净热能的模型来执行对所述负载传感器附近的所述叶片的温度的估计。
14.一种计算机程序产品,其能够从通信网络下载和/或存储在机器可读介质上,所述计算机程序产品包括用于实施根据权利要求9至13中的任一项所述的方法的程序代码指令。
15.一种机器可读介质,其具有存储于其上的根据权利要求14所述的计算机程序产品。

说明书全文

用于涡轮机的叶片负载感测系统

技术领域

[0001] 本发明涉及用于确定由风力涡轮机叶片经受的负载的系统和方法。

背景技术

[0002] 由于空气动力、重力和惯性力的原因,风力涡轮机的叶片在工作期间会经受负载。过大的负载可能会损坏叶片以及风力涡轮机的其它部件,并且因此重要的是确保叶片经受的负载保持在可接受极限之内。为了监测这一负载,现代风力涡轮机通常设有叶片负载传感器系统。这样的系统一般包括每个叶片中提供的负载传感器,以测量该叶片经受的负载。
负载传感器通常以应变仪的形式提供,并且更具体而言提供为光学应变仪,例如类似于EP1230531中描述的那种。
[0003] 由于所测量的物体(即,叶片)的热膨胀被应变仪检测为应变,或者由于传感器封装自身上的直接温度效应,所有的应变仪都对温度非常敏感。为了解决这个问题,已知有包括温度传感器的传感器封装,从而可以使用来自温度传感器的数据针对温度效应补偿负载信号
[0004] 然而,这样的负载传感器封装可能是昂贵的、难以安装的并且还对于在风力涡轮机的使用寿命期间维持而言是有问题的,因此期望提供对这样的负载传感器封装的替代方案,而不会牺牲可利用温度补偿(使用整合温度传感器)实现的精确度。

发明内容

[0005] 针对这一背景,本发明在第一方面中提供了一种用于风力涡轮机叶片的传感器系统,所述系统包括:负载传感器;处理单元,其与所述负载传感器接口连接并且被配置为提供经温度校正的负载参数作为输出,其中,所述处理单元包括:温度估计模,其基于至少一个风力涡轮机参数来确定所述负载传感器附近的叶片的估计温度;以及负载补偿模块,其基于所述估计温度和所述负载传感器的所述负载测量值来确定经温度校正的负载参数。
[0006] 在第二方面,本发明还扩展到并因此涵盖了一种用于确定风力涡轮机叶片上的负载的方法,其包括:通过风力涡轮机叶片负载传感器的方式来测量所述叶片负载;估计所述叶片的温度;基于所估计的温度和所测量的负载来确定所述风力涡轮机叶片上的所述负载的经温度校正的值。
[0007] 本发明的实施例提供了避免针对温度补偿对叶片中的附加传感器的安装需要的益处。因此,可以使用没有温度传感器的传感器封装,其通过示例的方式提高了传感器封装的可维护性,因为不需要温度校准;传感器封装的成本由于更加简单的传感器封装而是可行的;以及由于较小的传感器封装可行的定位的灵活性。
[0008] 此外,更加灵活的温度补偿能力可以被提供到现有的传感器硬件,由于实施例可以在标准的处理硬件中实施。
[0009] 负载传感器可以是光学应变仪。
[0010] 在一个实施例中,所述温度估计模块将所述负载传感器附近的所述叶片的估计温度与所述至少一个风力涡轮机参数的值直接相关。根据实施方式的观点这是相对简单的解决方案,并且可以提供一些应用的可接受的精确温度信息。在这样的情况下,所述温度估计模块将所述负载传感器附近的所述叶片的估计温度与所述风力涡轮机的远离所述负载传感器的部件或区域的温度测量值相关。替代的实施例可以涉及将所述负载传感器附近的所述叶片的估计温度与周围环境的温度相关的温度估计模块。
[0011] 在另外的替代实施例中,所述温度估计模块可以基于传递到所述叶片内部的净热能来对所述负载传感器附近的所述叶片的温度执行建模。
[0012] 本发明还扩展到:如下文限定的风力涡轮机叶片,其包括传感器系统;计算机程序产品,其能够从通信网络下载和/或存储在机器可读介质上,所述计算机程序产品包括用于实施如上限定的方法的程序代码指令;以及具有这样的计算机程序产品存储于其上的机器可读介质。附图说明
[0013] 为了可以更容易地理解本发明,现在将参考附图描述本发明的示例,在附图中:
[0014] 图1是风力涡轮机的前视图;
[0015] 图2是根据本发明的实施例的叶片负载传感器系统;
[0016] 图3是更详细地示出系统的特征的方框图;以及
[0017] 图4是示出可以由图3的系统执行的方法的步骤的流程图

具体实施方式

[0018] 参考图1,风力涡轮机10被示为包括安装于塔架14顶部的机舱12,其自身以通常方式被固定到地基16中。机舱12容纳风力涡轮机10的各种发电部件,并且支撑包括轮毂18和三个叶片20的转子。图1中所示的风力涡轮机设施是平轴风力涡轮机(HAWT)设施,这是一种常见类型的系统,但存在本发明也适用的其它类型。如所周知的,作用于叶片20上的风流使转子旋转,转子驱动机舱12中容纳的发电设备。
[0019] 如上所述,在风力涡轮机10工作期间,由于空气动力、重力和惯性力的原因,叶片20经受负载。为了监测这些负载,根据本发明的实施例,风力涡轮机10设有叶片负载传感器系统,现在将参考图2描述其特征。
[0020] 应该指出的是,在这个阶段,附图是示意性的并出于清晰的目的被简化,并且避免不必要的细节使本发明的原理形式难以理解。当然,在实践中,风力涡轮机10会包括更多部件。本领域的技术人员将认识到,风力涡轮机的实际实施方式中可以存在额外的常规部件,因此暗示它们是存在的。
[0021] 在图2中,叶片20被示为具有由限定基本中空内部26的外壳24提供的翼形轮廓22。叶轮20的翼形轮廓22在其根端28混合成基本圆柱形截面,在此叶片20耦合到轮毂18。
[0022] 叶片20包括位于叶片20的根端28附近的负载传感器封装30,并且负载传感器30接口连接到处理单元32,在该实施例中其被示出为容纳在机舱12中,虽然这不需要是可以位于风力涡轮机中的其它地方的情况。处理单元32的功能在于从负载传感器30接收负载信号并且输出经温度校正的负载参数,如将解释的。在图2中,处理单元32被示出为连接到数据总线34,使得连接到该数据总线34的任何子系统可以从其采集叶片负载参数。然而,处理单元32可以替代地被配置为向任何相关子系统直接输出负载参数。
[0023] 此时,应当指出,图2中仅示出了单个叶片20,并且在实践中,处理单元32可以从其它叶片上的负载传感器接收数据输入。替代地,专用处理单元可以针对彼此提供。此外,尽管仅示出了单个负载传感器30,但应当理解每个叶片可以被配置有多于一个负载传感器,这取决于应用。
[0024] 负载传感器30被配置为测量叶片20的机械变形。尽管在该实施例中传感器30位于根端28处或附近,但应当注意在原则上传感器30可以安装在叶片20内的其它位置中。负载传感器30可以接合到叶片20的内部表面,或替代地,传感器30可以嵌入在外壳24的结构内或接合到外部结构。适合负载传感器的示例是可选的应变计(例如光纤布拉格光栅),其包括在可选光纤的核心中的在不同应变水平下的反射光波长差异的等间距反射点。
[0025] 如上所述,处理单元32与负载传感器30接口连接,以便从负载传感器30接收原始负载信号并且被配置为执行温度校正功能,使得从处理单元32输出的负载参数具有提高的精确度。这样做,处理单元32被布置为监测(即,接收与之相关的数据信号)一个或多个风力涡轮机参数。一个或多个风力涡轮机参数可以包括但不限于:机舱温度和环境温度。出于此目的,风力涡轮机10设有向处理单元32提供数据信号的各种传感器。视情况而定,技术人员将理解传感器可以经由有线或无线连接向处理单元32提供信号。
[0026] 在图2中可以看出,机舱12包括内部温度传感器36以测量机舱12内部的温度。内部温度传感器36可以是机舱温度控制系统的部分,其将机舱12内部的温度维持在可接受工作极限之内,以防止机舱12内部的发电设备过热
[0027] 机舱12还包括环境温度传感器38以测量风力涡轮机10附近的环境空气温度。在图2中,环境温度传感器38被示为安装到机舱的气象系统(或“接触拴柱(met mast)”)的部分,但环境温度传感器38可以被简单提供为安装于风力涡轮机10的任何适当部件上或从风力涡轮机10远程提供的温度感测封装。替代地,设想处理单元32可以从外部气象信息源接收关于环境空气温度的信息,该气象信息源可以例如经由常规无线连接而被访问
[0028] 已经描述了叶片负载传感器系统的部件的一般布置,现在将参考图3描述本发明实施例的其它细节。
[0029] 如图3中所示,处理单元32包括温度估计模块40和负载补偿模块42,其在图3中被表示为功能块。尽管未在图3中具体示出,但应当理解处理单元32还包括其上存储适合软件存储器区域以及用于运行控制软件的执行环境。应当注意,在该阶段,功能块示出了处理单元32的特定功能,并且如此它们可以在硬件、软件或固件上实施,其处于相同的处理环境或在分布式处理架构上。即,图3中所示的架构并不旨在将本发明限制为特定硬件或软件架构、平台或处理环境。本文讨论的系统架构仅用作示出本发明的技术功能的示例并且本发明可以由具有不同特定架构的系统来实施。
[0030] 温度估计模块40在图3中被示出为从一个或多个传感器44接收数据输入信号。如图2中所示,这些数据输入信号可以对应于环境温度和机舱温度。
[0031] 温度估计模块40的功能在于基于输入信号输出叶片20(负载传感器附近)的估计温度。为了输出估计温度,温度估计模块40实施叶片温度模型。温度估计模块40可以通过执行算法来实施该模型或者在其它实施例中,该模型可以通过查询将输入信号的值与估计叶片温度相关的存储数据集(即“查找表”)来实施。
[0032] 负载补偿模块42在图3中被示出为接收两个数据输入信号。第一数据输入信号是温度估计模块40的输出,即叶片的估计温度。第二数据信号输入是来自安装在叶片上的负载传感器30的测量叶片负载数据。负载补偿模块42的功能在于基于以下两个数据输入信号来输出温度校正的负载参数:测量负载和估计叶片温度。
[0033] 在确定估计叶片温度时,温度估计模块40可以根据所需的温度估计的精确度来实施各种形式的温度模型。一些示例现在将通过例示的方式来描述。
[0034] 根据本发明的一个实施例,温度估计模块假设叶片温度等于叶片附近的环境温度,并且从而将估计温度与环境温度直接相关。因此,对于温度估计模块40仅存在一个数据输入信号,即来自环境温度传感器38的环境温度数据,使得温度估计模块40的输出与输入相同。在这样的实施例中,对于叶片负载传感器系统不必要包括机舱温度传感器,其实现了要提供的较简单且较便宜的负载传感器封装。此外,可以在现有的负载感测硬件上实施本发明,这节省了硬件成本以及人力资源和系统停机时间。现在将参考图4描述可以通过该叶片负载传感器系统实施的方法的细节,图4示出了例示该方法的步骤的流程图。
[0035] 在步骤50,环境温度传感器38对环境温度进行测量。环境温度传感器38将指示环境温度的信号输出到处理单元32的温度估计模块40。
[0036] 在步骤52,温度估计模块40实施叶片温度估计模块,并且在步骤54输出指示估计叶片温度的信号。估计叶片温度等于测量环境温度并且从而温度估计模块40被配置为提供等于输入信号的输出信号
[0037] 在步骤56,叶片负载传感器30对由叶片20经受的负载进行测量并且将指示该测量的值的信号输出到处理单元32的负载补偿模块42。可以执行该步骤同时估计叶片的温度;即同时进行步骤50、52和54。替代地,叶片负载传感器系统可以被配置为按顺序执行这些步骤。
[0038] 在步骤58,负载补偿模块42从温度估计模块接收估计温度数据信号并且从叶片负载传感器接收测量负载数据信号。负载补偿模块42以查找表的形式查询存储数据集,其将估计叶片温度的值和由叶片经受的测量负载与由风力涡轮机叶片20经受的负载的温度校正值相关。查找表的值可以提前计算出或者在存储在处理单元32的存储器区域中之前根据经验确定。例如,给定负载传感器的已知扩展系数,这样的数据集可以将负载读数与针对已知温度补偿的经调节的负载值相关。在其它实施例中,负载补偿模块42可以执行一个或多个算法以确定由叶片20经受的温度校正的负载。
[0039] 在步骤60,负载模块42输出指示查找表的值的信号,其对应于负载补偿模块输入的值。负载补偿单元42的输出然后可以按照需要提供到风力涡轮机10的各种系统。
[0040] 在其它实施例中,设想可以使用其它风力涡轮机参数(即其它温度测量值)作为估计叶片温度。例如,可以将来自相同叶片内的其它温度传感器之一的温度测量值用作估计温度,或者实际上,给定公共的周围环境,基于叶片温度应当大致相同的理解,将来自风力涡轮机的其它叶片之一中安装的传感器的温度测量值作为估计温度。再者,可以将另一风力涡轮机的温度测量值用于估计温度。
[0041] 测试表明,上述相对简单的叶片温度模型在实践中给出了良好结果。由叶片负载传感器系统提供的温度相关的负载值对多种应用而言是足够精确的。然而,对于需要温度相关的负载的甚至更加精确的值的环境而言,设想温度估计模块40会实施更复杂的叶片温度模型以给出叶片的温度的更精确估计。下文以举例的方式描述一个这样的模型。
[0042] 本文描述的模型估计叶片20的中空内部26中的温度。对于负载传感器30接合到叶片20的内表面的实施例而言,这给出了负载传感器封装30附近的叶片20的温度的良好估计。然而,这个模型还适用于在叶片20中的其它地方提供负载传感器30的实施例,因为叶片腔体26和叶片外壳24处于良好热接触,并且因此具有类似温度。
[0043] 在该替代的实施例中,基于传递到叶片腔体26的净热量构造叶片温度模型。如果确定了净热量传递,则可以根据特定热关系来计算叶片20的温度:
[0044] Q净=cm(Tb-Ti)
[0045] 其中:Q净为传递到叶片腔体的净热量;c为标准温度和压力下空气的热容量;m为叶片腔体26内空气的质量;Tb为叶片腔体26的温度;并且Ti为叶片腔体26的初始温度。
[0046] 为了确定传递到叶片腔体26的热量,必须考虑热量如何往返于叶片20传递。在这种模型中,假设叶片20仅与周围环境和机舱12热接触。通常,热量从机舱12通过叶片20的根部28附近叶片隔板中的孔传递到叶片20,并从叶片20经由叶片外壳24的材料传递到周围。
[0047] 顿冷却定律允许确定往返于叶片20传递的热量的量。牛顿冷却定律指出:
[0048]
[0049] 其中:Q为从第一主体传递到第二主体的热量;h为热传递系数;A为热传递表面积;T1和T2分别为第一和第二主体的温度。
[0050] 利用这一关系,并随时间整合,由下式给出传递到叶片腔体26的热量:
[0051] Q净=Q机舱→叶片-叶片→环境
[0052] =∫hnAn(Tn-Tb)dt-∫hbAb(Tb-Ta)dt
[0053] 其中:hn和hb分别为机舱12与叶片20之间以及叶片20与周围之间的热传递系数;An为叶片20通往轮毂18的根端28处孔的组合面积;Ab为叶片20的翼形轮廓22的表面积;并且Tn、Tb和Ta分别为机舱、叶片和环境温度。
[0054] 将以上等式与具体热关系组合并包括时间演进因素,本领域技术人员将认识到,由下式给出叶片腔体26的温度:
[0055]
[0056] 因此,提供了一种叶片温度模型,其将负载传感器30附近的叶片20的温度与(环境温度传感器38测量的)环境温度和(机舱温度传感器36测量的)机舱温度相关。
[0057] 如上所述,温度估计模块40可以通过执行一种或多种算法以计算针对估计叶片温度的值来实施以上模型。可以在处理单元32的存储器区域中存储相关常数的值。例如,热系数实际上可以由系统识别来确定,其涉及配备具有适合传感器的测试叶片并且得到测量的空气温度到内部叶片温度之间的映射。替代地,可以提前针对一定范围的环境和机舱温度计算估计叶片温度并存储于处理单元32的存储器区域中作为查找表。温度估计模块40然后可以查询该查找表以基于在该时刻测量的环境和机舱温度来确定估计的叶片温度。
[0058] 温度估计模块40输出指示估计叶片温度的信号,其由负载补偿模块42接收并且用于确定温度相关的负载值,类似于以上关于图4所述的方法。
[0059] 将理解的是,可以做出对以上示例的很多修改而不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围。可以设想在本发明的其它实施例中,温度估计模块40将实施其它叶片温度模块。这些模块可以包括影响叶片20的温度的任何其它因素的效果,因为对于风力涡轮机10的配置和温度相关的负载值的所需精确度而言是适当的。
[0060] 例如,根据本发明实施例的叶片传感器系统可以安装于包括防冻系统的叶片中,如图2中虚线框所示并利用附图标记100指出。防冰冻系统100通过在需要时使热空气在叶片腔体26周围循环而防止叶片外壳24表面上结冰。设想该温度模块将实施考虑防冰冻系统100对传递到叶片腔体26的热量影响的叶片温度模型。为此,防冰冻系统100可以包括状态指示器,其向处理单元32提供信号,指示防冰冻系统100向叶片腔体26传递的热量。
[0061] 还设想在本发明的其它实施例中,完全或部分根据经验构造该叶片温度模型。可以从工作的风力涡轮机就地获取或从实验室或车间进行的受控试验获取必要的试验数据。
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