對安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子進行平衡的方法

2023-06-03 04:51:11

專利名稱：對安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子進行平衡的方法
技術領域：
本發明涉及平衡諸如風力渦輪機的發電設備的技術領域。具體地，本發明涉及以轉子被安裝在輪轂上時實現平衡的方式對安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子進行平衡的方法和系統。此外，本發明涉及適於執行上述平衡方法的風力渦輪機、電腦程式和計算機可讀介質。
背景技術：
當風力渦輪機的轉子被安裝在輪轂上時，轉子可能在風力渦輪機裝置上不平衡。 這種不平衡可能是由葉片重量差異導致的，或者更準確地說，可能是由重力引起的葉片根部彎矩導致的。當與不平衡的轉子一起工作時，風力渦輪機將承受比與平衡的轉子一起工作時更高的結構荷載。消除不平衡的常見方法是在將葉片安裝在輪轂上之前分別對葉片進行稱重。通過在葉片中放置重塊解決重量差異問題，從而使得轉子上三個葉片的根部彎矩相等。需要提供靈活的平衡過程來平衡已經安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子，該過程要能考慮不同輸入參數，以便相對於轉子葉片的空間質量分布實現有效的平衡操作。

發明內容
通過獨立權利要求所述的主題可以滿足此需要。從屬權利要求描述了本發明的優選實施例。根據本發明的第一方面，提供了一種用於對安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子進行平衡的方法。所提供的方法包括在所述風力渦輪機運轉期間，測量表示所述風力渦輪機的所述轉子和/或發電機旋轉頻率分量的參數的參數值；基於所述參數的參數值計算所述轉子的空間質量分布變化，該變化是平衡所述轉子所需的；以及根據所計算的空間質量分布變化，通過使用可附接到所述轉子的至少一個葉片的至少一個平衡重量元件來平衡所述轉子的空間質量分布。所描述的方法是基於安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子葉片可能不平衡的理念。假設不平衡與葉片式樣、葉片位置、塔頻率或葉片序列號無關或僅稍微相關。當轉子葉片的空間質量分布對於安裝在轉子上的每個轉子葉片而言不同時，或者對於包括轉子葉片的整個系統而言，空間質量分布未被平衡時，可能會產生不平衡。通過使用平衡重量元件，可以以使得轉子平衡的方式調節空間質量分布。為了計算平衡轉子所需的空間質量分布變化，可以測量參數值，其中所述參數值表示轉子和/或發電機的旋轉頻率分量。該測量可以在風力渦輪機運轉期間進行。可以計算每個相關葉片的空間質量分布變化。然後使用相應的平衡重量元件或重塊。可以在架設渦輪機之後使用所述方法。這意味著，由於某種原因(例如維修)改變了葉片重量時，能夠平衡該渦輪機。如果一個葉片被替換了，也可以使用該方法來平衡轉子。根據本發明的實施例，使用至少一個平衡重量元件包括以下至少一種將至少一個平衡重量元件添加到所述轉子的至少一個葉片，改變至少一個平衡重量元件的位置，或從所述轉子的至少一個葉片移除至少一個平衡重量元件。平衡重量元件或重塊可以放置在每個葉片內、與輪轂中心相距選定距離處。也可改變與輪轂中心相關的這個位置。根據本發明的另一實施例，測量所述參數的參數值包括確定轉子和/或發電機速度的旋轉頻率的第一諧波值。IP水平或值是轉子或發電機旋轉頻率的第一諧波。在例如發電機速度中的IP水平可以具有量值和相對於葉片位置的相位角。因此參數值可以是包括相位角和量值的一對參數值。根據本發明的另一實施例，參數值是預定時間段內第一諧波的值的平均值。可以測量例如10分鐘上的參數值，或者將參數值作為平均值的函數測量。小值可以具有更長的過濾時間。隨後，可以計算參數的平均值，其中，該參數值可以是帶有相對於轉子方位的相位角和量值的複合值(或稱復值，complex value).根據本發明的另一實施例，基於所述參數的參數值計算所述轉子的空間質量分布變化包括模擬該質量分布的變化；測量模擬的表示所述風力渦輪機的所述轉子和/或發電機旋轉頻率的另一參數值；計算所述參數值的函數值和所述另一參數值的函數值之差； 以及基於所計算的差計算所述轉子的空間質量分布變化。也可通過現場試驗來獲取質量分布變化。在這種情形中，現場試驗期間可完成對另一參數值的測量。通過測量參數值，可以測量複合IP值，隨後可過濾該IP值，並且例如計算10分鐘平均值。接著，可以使用下述方法找到平衡風力渦輪機轉子所需的重量元件
1.測量IP平均水平(相對於轉子方位的相位和量值)
a.將數據繪製為轉子速度的函數
b.找到規格化函數以獲得相同量值和相位的所有數據
c.計算複合平均值U_0
2.將重塊或元件放置在試驗風力渦輪機的葉片中或通過模擬 a.計算葉片M_1上的複合重量變化
3.測量新的重塊配置的IP平均水平
a.使用與Ib中相同的規格化函數
b.計算複合平均值[1
4.計算不平衡差
a. Udiff= U_1 - U_0
5.計算從不平衡到重量變化的轉換函數 a. T = M_l/ Udiff
6.現在可以使用該轉換函數計算平衡轉子所需的重量變化
a.Mbal= U_l* T
b.利用逆克拉克變換計算各個葉片的重塊
7.現在可以將其它類似渦輪機的重塊作為它們的複合規格化IP水平和轉換函數的函數計算。
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當已經計算了每個相關葉片的重量改變時，相應的重塊可以放置在每個葉片內、 與輪轂中心相距選定距離處。根據本發明的另一實施例，所述方法還包括將參數值存儲在風力渦輪機的控制器中，其中在所述控制器中執行計算空間質量分布變化。還可以將所測量的參數值存儲在用於完成風力渦輪機組的控制器中，該風力渦輪機組包括多個風力渦輪機。通過存儲所述參數值，當已完成葉片變化時，可以容易地重用所測量的值。根據本發明的另一實施例，通過戈澤爾算法或快速傅立葉變換確定所述轉子和/ 或發電機速度的旋轉頻率的第一諧波值。戈澤爾算法可以輸出每個轉子旋轉的第一諧波(IP)水平或值作為帶有相對於轉子方位的相位角的複合值。通過利用快速傅立葉變換，還可以找到其它諧波nP，其中η>=1。根據本發明的另一方面，提供了一種用於對安裝到風力渦輪機輪轂上的轉子進行平衡的系統。所提供的系統包括測量單元，用於在所述風力渦輪機運轉期間，測量表示所述風力渦輪機的所述轉子和/或發電機旋轉頻率分量的參數的參數值；計算單元，基於所述參數的參數值計算所述轉子的空間質量分布變化，該變化是平衡所述轉子所需的；以及平衡單元，根據所計算的空間質量分布變化通過使用可附接到所述轉子的至少一個葉片的至少一個平衡重量元件來平衡所述轉子的空間質量分布。所描述的系統基於安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子葉片可能不平衡以及在操作期間可以測量到這種不平衡的理念。隨後，通過利用平衡重量元件可以消除這種不平衡。根據本發明的另一方面，提供了一種風力渦輪機，其包括如上所述的用於對安裝在該風力渦輪機輪轂上的轉子進行平衡的系統。風力渦輪機可以包括例如在控制器或計算機中的系統。因此，為了進一步平衡，可以重用所存儲的值。根據本發明的另一方面，提供了一種用於對安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子進行平衡的電腦程式。當數據處理器運行該電腦程式時，該電腦程式適於控制上述用於對安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子進行平衡的方法。如本文所使用的，對電腦程式的介紹應等同於介紹了程序元件，其包含有用於控制計算機系統以協調上述方法執行的指令。電腦程式可以任何適當的程式語言(諸如JAVA、C++)實現為計算機可讀指令代碼，並且可以儲存在計算機可讀介質(移動硬碟、易失或非易失性內存、嵌入式內存/處理器等)上。指令代碼可操作，以使計算機或任意其它可編程設備執行所需功能。可以從網絡上獲得電腦程式，網絡可以是諸如可下載電腦程式的全球資訊網。可以通過電腦程式相應軟體實現本發明。然而，也可以通過一個或多個特定電路相應硬體實現本發明。此外，本發明還可以實現為混合形式，即，實現為軟體模塊和硬體模塊的結合。根據本發明的另一方面，提供了一種計算機可讀介質(例如CD、DVD、U盤、軟盤或硬碟)，其中儲存有用於對安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子進行平衡的電腦程式，當處理器運行該電腦程式時，該電腦程式適於控制用於對安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子進行平衡的方法。
需要注意的是，已描述了關於不同主題的本發明實施例。具體地，已描述關於方法權利要求的一些實施例，而且還描述了關於設備權利要求的其它實施例。然而，根據上文以及下文的描述，本領域技術人員可以概括出，除非另行指明，否則，除了可任意結合屬於一類主題的特徵之外，還可在涉及不同主題的特徵之間進行任意結合，具體地，是在方法權利要求的特徵與設備權利要求的特徵之間進行任意結合，這些組合都應視為被本文件公開。根據下文將要描述的實施例，本發明以上限定的各個方面和其它方面將變得明了，並且將會參照實施例對其進行說明。下文將會參照實施例更加詳細地描述本發明，但是本發明並不受限於這些實施例。


圖1示出了根據本發明實施例的系統；
圖2A和2B示出了在所有葉片上放置有38. 5kg重塊的IP水平； 圖3A示出了 IP水平的平均值的圖表； 圖3B示出了正常操作和帶有重塊的操作之間的平均值差異； 圖3C示出了放置在葉片中的重塊與發電機速度的IP水平之間的關係。
具體實施例方式附圖中的圖示是示意性的。注意，在不同的附圖中，相似或相同的元件具有相同的附圖標記或僅第一位數與相應的附圖標記不同的附圖標記。在風力渦輪機裝置中，風力渦輪機轉子可能不平衡。這種不平衡可能是由葉片重量差異(更準確地說，重力引起的葉片根部彎矩)造成的。當與不平衡的轉子一起工作時，風力渦輪機將承受比與平衡的轉子一起工作時更高的結構荷載。圖1示出了根據本發明的一個示例性實施例。系統100包括測量單元101、計算單元102和平衡單元103。利用戈澤爾算法將在測量單元中測量的發電機或轉子速度的IP水平錄入風力渦輪機的控制器或計算機中。此外，可以利用快速傅立葉變換(FFT)，由此可以找到nP水平，其中η>=1，如果這應該被視作相關的話。戈澤爾算法輸出每個轉子旋轉的IP 水平作為複合值以及相對於轉子方位的相位角。然後，過濾所述複合IP值並且在控制器或計算機中計算和存儲例如10分鐘平均值。可以在風力渦輪機中不同的控制器或計算機中和/或在風力渦輪機組的計算機/伺服器中進行此計算和數據存儲過程。然後使用下述方法找到所需重物，以平衡風力渦輪機的轉子
1.測量IP平均水平(相對於轉子方位的相位和量值)
a.將數據繪製為轉子速度的函數
b.找到規格化函數以獲得相同量值和相位的所有數據
c.計算複合平均值U_0
2.將重塊或元件放置在試驗風力渦輪機的葉片中或通過模擬進行 a.計算葉片M_1上的複合重量變化
3.測量新的重塊配置的IP平均水平
a.使用與Ib相同的規格化函數
b.計算複合平均值[14.計算不平衡差
a. Udiff= U_1 - U_0
5.計算從不平衡到重量變化的轉換函數 a. T = M_l/ Udiff
6.現在可以使用該轉換函數計算平衡轉子所需的重量變化
a.Mbal= U_l* T
b.利用逆克拉克變換計算各個葉片的重塊
7.現在可以將其它類似渦輪機的重塊計算為它們的複合規格化IP水平和轉換函數的函數。當已經計算了每個相關葉片的重量改變時，相應的重塊可以放置在每個葉片內、 與輪轂中心相距選定距離處。利用此方法或系統，通過測量發電機或轉子速度的IP分量和計算平衡轉子所需的重量變化來平衡風力渦輪機的轉子。可以再架設風力渦輪機之後使用該方法。這意味著當由於某種原因(例如維修)而改變了葉片的重量時，可以平衡該渦輪機。如果一個葉片被替換了，也可以使用該方法來平衡轉子。下面，描述在試驗風力渦輪機組位置的實例。這涉及試驗風力渦輪機和試驗風力渦輪機組的轉子不平衡分析。介紹了測量不平衡的方法，並且描述了示例性試驗風力渦輪機組的示例性轉子不平衡的不同圖表和統計數據。基於在風力渦輪機上的三個實驗和來自整個試驗風力渦輪機組一個月的數據來計算轉子不平衡。基於此分析的數據，可以總結出不平衡與葉片樣式及葉片位置(A、B、C)無關。並且不平衡與塔頻率及葉片序列號也無關或稍微相關。現在，描述測量轉子質量不平衡的方法。利用戈澤爾算法將發電機速度的IP水平錄入輪轂計算機中。戈澤爾算法輸出每個轉子旋轉的IP水平作為複合值以及相對於轉子方位的相位角。在主控制器中過濾所述複合IP值，然後通過rtox計算10分鐘平均值，並且將上述平均值存儲在風力渦輪機組伺服器的系統資料庫中。實驗發現，低風速時IP發電機速度與轉子質量不平衡之間的關係，該實驗採用一次在一個葉片中放置38. 5kg來測量發電機速度中IP變化的風力渦輪機。圖2A和2B示出了將38. 5kg重塊放置在所有葉片上(一次一個)的IP水平。圖2A 示出了原始數據。圖2B示出了規格化數據。此規格化函數用於規格化數據，從而使得整個渦輪機組更加獨立於不同風速。圖3A示出了 IP水平的平均值的圖表。圖:3B示出了在正常操作和與重塊一起操作之間的平均值差異。該圖表示出了當重塊從一個葉片移動到另一個葉片並且相位角改變 120度時，IP水平變化相同。因此可以總結出質量不平衡與發電機速率的規格化IP水平之間存在清晰的線性關係。圖3C示出了被放置在葉片中的重塊和發電機速率的IP水平之間的關係。顯然， 三個不同重塊結構的關係很一致。這些關係的平均值用於計算整個位置的質量不平衡。下面涉及在試驗風力渦輪機組位置的轉子不平衡的不同統計數據。在下表中，示出了不同風力渦輪機的不平衡的示例性概述。
權利要求
1.一種用於對安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子進行平衡的方法，該方法包括在所述風力渦輪機運轉期間，測量表示所述風力渦輪機的所述轉子和/或發電機旋轉頻率分量的參數的參數值；基於所述參數的參數值計算所述轉子的空間質量分布變化，該變化是平衡所述轉子所需的；以及根據所計算的空間質量分布變化，通過使用可附接到所述轉子的至少一個葉片的至少一個平衡重量元件來平衡所述轉子的空間質量分布。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，使用至少一個平衡重量元件包括以下至少之一將至少一個平衡重量元件添加到所述轉子的至少一個葉片，改變至少一個平衡重量元件的位置，或從所述轉子的至少一個葉片移除至少一個平衡重量元件。
3.根據前述權利要求之一所述的方法，其中測量所述參數的參數值包括確定所述轉子和/或發電機速度的旋轉頻率的第一諧波值。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述參數是在預定時間段內所述第一諧波的值的平均值。
5.根據前述權利要求之一所述的方法，其中，基於所述參數的參數值計算所述轉子的空間質量分布變化包括模擬該質量分布的變化；測量表示用於模擬的的所述風力渦輪機的所述轉子和/或發電機的旋轉頻率的另一參數值；計算所述參數值的函數值和所述另一參數值的函數值之差；以及基於所計算的差計算所述轉子的空間質量分布變化。
6.根據前述權利要求之一所述的方法，還包括將所述參數值存儲在所述風力渦輪機的控制器中，其中，在所述控制器中執行對所述空間質量分布的變化的計算。
7.根據權利要求3所述的方法，其中通過戈澤爾算法或快速傅立葉變換確定所述轉子和/或發電機速度的旋轉頻率的第一諧波值。
8.一種用於對安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子進行平衡的系統，該系統包括測量單元，用於在所述風力渦輪機運轉期間，測量表示所述風力渦輪機的所述轉子和/ 或發電機的旋轉頻率分量的參數的參數值；計算單元，基於所述參數的參數值計算所述轉子的空間質量分布的變化，該變化是平衡所述轉子所需的；以及平衡單元，其根據所計算的空間質量分布變化，通過使用可附接到所述轉子的至少一個葉片的至少一個平衡重量元件來平衡所述轉子的空間質量分布。
9.一種風力渦輪機，包括權利要求8所述的用於對安裝在所述風力渦輪機的輪轂上的轉子進行平衡的系統。
10.一種用於對安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子進行平衡的電腦程式，當數據處理器運行所述電腦程式時，所述電腦程式適於控制權利要求1至7之一所述的方法。
11. 一種計算機可讀介質，其中存儲有用於對安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子進行平衡的電腦程式，當數據處理器運行所述電腦程式時，所述電腦程式適於控制權利要求1至7之一所述的方法。
全文摘要
本發明描述了一種用於對安裝在風力渦輪機輪轂上的轉子進行平衡的方法。所述方法包括在所述風力渦輪機運轉期間，測量表示所述風力渦輪機的所述轉子和/或發電機旋轉頻率分量的參數的參數值；基於所述參數的參數值計算所述轉子的空間質量分布變化，該變化是平衡所述轉子所需的；以及根據所計算的空間質量分布變化，通過使用可附接到所述轉子的至少一個葉片的至少一個平衡重量元件來平衡所述轉子的空間質量分布。本發明還描述了適於執行上述平衡方法的用於平衡轉子的系統、風力渦輪機、電腦程式和計算機可讀介質。
文檔編號F03D7/00GK102483037SQ200980161560
公開日2012年5月30日 申請日期2009年9月21日 優先權日2009年9月21日
發明者埃格達爾 P. 申請人:西門子公司