用于风力涡轮机的叶片振动抑制系统及相关联的方法

摘要

本发明涉及用于风力涡轮机的叶片振动抑制系统及相关联的方法。本发明涉及用于包括多个叶片的风力涡轮机的振动抑制系统和方法。该系统针对每个叶片包括稳定系统，该稳定系统包括陀螺仪，该陀螺仪具有在第一方向上延伸的控制轴线、在不同于第一方向的第二方向上延伸的第一刚性主体控制轴线、在不同于第一和第二方向的第三方向上延伸的第二刚性主体控制轴线以及相对于控制轴线可旋转且相对于刚性主体控制轴线中的至少一个自由运动的飞轮。稳定系统包括在陀螺仪上施加转矩的致动器和探测每个叶片的运动的相应传感器。抑制系统包括控制装置，以用于根据所述探测控制致动器的致动，以便抑制叶片的不希望的运动。

说明书

技术领域

本发明涉及用于风力涡轮机的叶片振动抑制系统及相关联的方法，其被用于抑制、至少部分地抑制风力涡轮机的叶片的运动。

背景技术

风力涡轮机包括：毂；限定内部保护空间的毂罩（spinner），毂以受保护方式被布置在其中；被附接到毂的多个叶片（通常相对于中央轴线均匀布置的三个叶片）；面向毂罩的机舱；被布置在机舱中的发电机；将发电机连接到毂的发电机轴；以及支撑其它元件且被固定到例如地面或平台的塔（桅杆）。当叶片和毂由于风的作用相对于中央轴线转动时，这个转动通过发电机轴被传递给发电机，并且发电机将这个转动（机械能）转变成电能。

已知风力涡轮机的叶片经历由于不同环境诸如外部负载（例如风和重力）而导致的振动（不希望的运动），特别是当它们在其共振附近受激时，并且所述振动能够导致叶片的寿命缩短或损坏。因此，期望至少部分地消除或者补偿所述振动，以便增加叶片的寿命。

已知不同方法来解决这个缺陷，即主动方法和被动方法。被动方法是基于在结构定制，其不需要外部能量输入或者主动控制器，如EP2808541A2中所公开的方法。相比之下，如US2010014971A所公开的主动方法需要外部能量和/或主动控制器。后一文件中公开的方法包括风力涡轮机的桨距控制并且修改桨距控制来解决上述缺陷。然而，这种修改将导致能量生产的效率的降低。

发明内容

本发明的目标是提供如权利要求中所限定的用于风力涡轮机的叶片振动抑制系统、包括此类叶片抑制系统的风力涡轮机以及用于至少部分地抑制风力涡轮机的叶片的振动的方法。

风力涡轮机包括多个叶片。作用在风力涡轮机的叶片上的风和/或重力（和/或其它外部因素）可以导致叶片的不希望的运动或转矩，这会损坏所述叶片并将导致所述叶片的寿命缩短，如之前描述的。

本发明的一方面涉及用于风力涡轮机的叶片振动抑制系统，其被用于避免或者用于降低风力涡轮机的叶片被损坏或被导致寿命缩短的风险。本发明的另一方面涉及包括此类叶片振动抑制系统的风力涡轮机。

叶片振动抑制系统适于风力涡轮机。风力涡轮机包括多个叶片，优选地三个，并且叶片振动抑制系统针对每个叶片包括至少一个主动受控陀螺稳定系统。

每个陀螺稳定系统包括：

- 陀螺仪，其具有在第一方向上延伸的旋转控制轴线、在不同于第一方向的第二方向上延伸的第一刚性主体控制轴线、在不同于第一和第二方向的第三方向上延伸的第二刚性主体控制轴线以及相对于旋转控制轴线可旋转且相对于刚性主体控制轴线中的至少一个自由运动的飞轮；

- 至少一个飞轮驱动致动器，其被配置成在陀螺仪上施加受控转矩；和

- 被布置在对应叶片上且被配置成探测所述叶片的运动（振动）的至少一个传感器。

优选地，第二方向垂直于第一方向并且第三方向垂直于第一方向和第二方向。

叶片振动抑制系统进一步包括与陀螺稳定系统的传感器和飞轮驱动致动器通信的至少一个控制装置。控制装置被配置成用于从相应传感器接收代表叶片的运动的信号，以及用于根据所述相应的接收到的信号来控制飞轮驱动致动器的致动以便作用在相应陀螺仪上并在所述陀螺仪上（且因而在对应叶片上）产生对抗或抵消叶片的探测到的运动（因而至少部分地抑制所述运动）的反作用转矩。因此，通过在对应陀螺稳定系统上的是适当致动，每个叶片的运动能够至少部分地被补偿或抑制，并且所述运动导致的负面效果能够被容易地消除或至少极大程度地被减少，甚至不会影响能量生产的效率。

此外，能够在不需要重新设计支持所提出的叶片振动抑制系统的风力涡轮机和/或风力涡轮机的叶片的情况下获得所述优点，这是因为在任何现有的风力涡轮机和/或叶片设计中能够应用和操作所述叶片振动抑制系统的要素。

本发明的另一方面涉及用于抑制包括多个叶片的风力涡轮机的叶片振动的方法。该方法借助于针对每个叶片包括至少一个主动受控陀螺稳定系统的叶片振动抑制系统来实施，其中每个陀螺稳定系统包括：陀螺仪，其具有在第一方向上延伸的旋转控制轴线、在不同于第一方向的第二方向上延伸的第一刚性主体控制轴线、在不同于第一和第二方向的第三方向上延伸的第二刚性主体控制轴线以及相对于旋转控制轴线可旋转且相对于刚性主体控制轴线中的至少一个自由运动的飞轮；以及至少一个飞轮驱动致动器，其被配置成在陀螺仪上施加转矩。优选地，第二方向垂直于第一方向并且第三方向垂直于第一方向和第二方向。

在该方法中，针对每个叶片，对应叶片的运动被测量或探测，并且根据所述测量，借助于对应飞轮驱动致动器来施加对应陀螺仪上的受控转矩，以便在所述陀螺仪上（且然后在对应叶片）上产生对抗或抵消对应叶片的探测到的运动（至少部分抑制所述运动）的反作用转矩。针对本发明的其它方面所描述的优点也通过该方法获得。

鉴于附图和本发明的详细描述，本发明的这些和其它优点和特征将变得明显。

附图说明

图1是包括叶片振动抑制系统的实施例的风力涡轮机的示意图。

图2是主动受控陀螺稳定系统的陀螺仪的示意图。

图3是根据叶片振动抑制系统的优选实施例的控制装置的通信的示意图。

具体实施方式

如图1中所示，风力涡轮机1包括多个叶片1.0，通常是相对于风力涡轮机1的中央轴线1.9均匀布置的三个叶片1.0，每个叶片1.0均包括纵向轴线1.0L。叶片1.0被支撑在桅杆1.8上。

作用在风力涡轮机1的叶片1.0上的风和/或重力（和/或其它外部因素）可以导致叶片1.0的不希望的运动或转矩（振动），其可以损坏所述叶片1.0，如之前描述的。

本发明的一方面涉及用于风力涡轮机1的叶片振动抑制系统，其被用于避免或者用于降低风力涡轮机1的叶片1.0被损坏或被导致寿命缩短的风险。本发明的另一方面涉及包括此类叶片振动抑制系统的风力涡轮机1。

叶片振动抑制系统包括与每个叶片1.0相关联的至少一个主动受控陀螺稳定系统，以便在叶片1.0上产生与会损坏叶片1.0的不希望的转矩（运动、振动）相反的转矩，并且叶片振动抑制系统包括至少一个控制装置200，其与所有的主动受控陀螺稳定系统通信，以便主动地控制由陀螺稳定系统产生的所述转矩。因此，通过对应的陀螺稳定系统在叶片1.0上提供受控致动，以便至少部分地抑制所述叶片1.0的不希望的运动。优选地，叶片振动抑制系统包括与每个叶片1.0相关联的仅一个主动受控陀螺稳定系统，不过其也可以包括与每个叶片1.0相关联的多个主动受控陀螺稳定系统。替代性地，其也可以针对不同的叶片1.0提供不同数量的主动受控陀螺稳定系统。

每个陀螺稳定系统包括陀螺仪109，其是基于角动量守恒原理用于测量或维持取向的装置。陀螺仪109基本上是围绕旋转控制轴线101回转的飞轮106，该旋转控制轴线101在第一方向上延伸，该第一方向优选地（但不限于）与对应叶片1.0的纵向轴线1.0L重合，并且陀螺仪109进一步包括在与第一方向不同的第二方向上延伸的第一刚性主体控制轴线102以及在与第一和第二方向不同的第三方向上延伸的第二刚性主体控制轴线103，如图2中所示。优选地，第二方向垂直于第一方向并且第三方向垂直于第一方向和第二方向（如图2中所示）。

陀螺仪109在对应叶片1.0上被布置（优选地附接）在所述叶片1.0的任何纵向位置处，因为待补偿运动的性质是使用在叶片1.0的任何纵向位置中的陀螺仪109同等地补偿的。因为陀螺仪109被定位在叶片1.0上，所以其也受到导致叶片1.0上的不希望的运动的外部因素的影响。以同样方式，被施加到陀螺仪109的外部转矩也反映在其被附接到的主体（在这种情况下是叶片1.0）中。因此，在陀螺仪109上致动以在所述陀螺仪109上产生反作用转矩会导致在叶片1.0上的反作用转矩，并且控制所述致动会导致在叶片1.0上产生所需反作用转矩从而至少部分地抑制所述叶片1.0的不希望的运动。

由于陀螺仪109的性质（已知效果），绕陀螺仪109的轴线施加受控转矩可以产生绕陀螺仪109的另一轴线的反作用转矩，并且在对应叶片1.0内也会导致所述反作用转矩，如已经解释过的。因此，如所描述地借助于施加受控转矩在所述陀螺仪109上进行致动，能够迫使对应叶片1.0顺利地运动（反作用转矩），并且所述转矩能够被施加成使得产生至少部分抵抗或抵消叶片1.0的不希望的运动的反作用转矩。

每个陀螺稳定系统进一步包括用于探测每个叶片1.0的运动的至少一个相应传感器1.S1、1.S2和1.S3以及至少一个相应的飞轮驱动致动器，该飞轮驱动致动器被配置成向对应陀螺仪109施加转矩以便导致在叶片1.0上的反转矩（反作用转矩）。飞轮驱动致动器能够包括马达或能够在陀螺仪109上施加转矩的其它已知装置。

每个传感器1.S1、1.S2和1.S3优选地被附接到对应叶片1.0并且能够是能够探测旋转运动的任何类型，例如诸如是方位角位置传感器、应变仪、加速度计或者旋转编码器。由于传感器1.S1、1.S2和1.S3的原因，能够已知每个叶片1.0的运动（振幅和方向），并且之后也能够已知要产生的反作用转矩。

控制装置200与风力涡轮机1的陀螺稳定系统的传感器1.S1、1.S2和1.S3和飞轮驱动致动器独立地通信，并且其被配置成从所有传感器1.S1、1.S2和1.S3接收信号。每个信号代表对应叶片1.0的运动，以致控制装置200能够得知每个叶片1.0的运动特性和在叶片1.0上必须产生以抑制不希望的运动的反作用转矩。因此，控制装置200也被配置成用于根据所述接收到的信号来控制飞轮驱动致动器的致动，根据来自与对应叶片1.0相关联的传感器1.S1、1.S2和1.S3的信号来选择性地控制每个飞轮驱动致动器的选择性致动，以便在对应陀螺仪109上施加所需的受控转矩来产生所需反作用转矩。一个（多个）致动器能够是气动、液压或电动的且具有必要的技术特性，以产生飞轮106绕对应轴线102和103的所需经调节转矩。

因此，由于传感器1.S1、1.S2和1.S3和控制装置200的原因，处于期望方向上的受控转矩能够被施加到陀螺仪109以导致在叶片1.0上的所需反作用转矩来抑制叶片1.0的不希望的运动。控制装置200能够包括控制单元，该控制单元接收来自传感器1.S1、1.S2和1.S3的所有信号并且执行在所有飞轮驱动致动器上的所有致动，或者替代性地，控制装置200例如能够针对每个叶片1.0包括一个控制单元。控制单元能够是微处理器、处理器、FPGA、控制器或能够执行所述功能的其它种类的装置。

陀螺仪109以它们的反作用是已知的方式被选择。因此，也已知在其上要被施加以产生所需反作用转矩的转矩。这个信息能够被预装载在存储器（图中未示出）中，该存储能够被集成或没有被集成在控制装置中。

在优选实施例中，飞轮106至少一个陀螺稳定系统相对于两个刚性主体控制轴线102和103均自由运动以便容易地抑制不希望的运动。在所述实施例中，陀螺稳定系统包括导致飞轮106绕第一刚性主体控制轴线102的转矩的第一飞轮驱动致动器2.1和导致飞轮106绕第二刚性主体控制轴线102的转矩的第二飞轮驱动致动器2.2，以致能够补偿对应叶片1.0的所有可能的不希望运动。替代性地，根据需要，陀螺稳定系统的飞轮106仅在刚性主体控制轴线102和103中的一个轴线上自由运动，飞轮106相对于另一个刚性主体控制轴线102或103被固定。在后一情况下，陀螺稳定系统能够包括仅一个飞轮驱动致动器。

在优选实施例中，如图3中所示，所有陀螺稳定系统的飞轮106相对于两个刚性主体控制轴线102和103自由运动，并且陀螺稳定系统包括导致飞轮106绕第一刚性主体控制轴线102的转矩的第一飞轮驱动致动器2.1和导致飞轮106绕第二刚性主体控制轴线102的转矩的第二飞轮驱动致动器2.2。替代性地，其它配置也能够是可能的，诸如使所有飞轮106均相对于第一刚性主体控制轴线102被固定，或者所有飞轮106相对于第二刚性主体控制轴线103被固定，或者提到的不同可能配置的组合。

在一些配置中，每个陀螺稳定系统也能够包括图中未示出的附加飞轮驱动致动器，其被配置成主动控制对应飞轮106相对于旋转控制轴线101的旋转速度。飞轮106包括在旋转控制轴线101的方向上纵向延伸的轴106.1，并且所述附加飞轮驱动致动器能够是其转子被附接到例如所述轴106.1的马达。在一种配置中，所述致动器能够包括同步马达以便控制旋转速度（以便例如根据需要维持其恒定）。由于所述旋转控制的原因，能够产生飞轮106的更精确的转矩，从而更精确地补偿叶片1.0的不希望的运动。致动器能够是气动、液压或电动的且具有必要的技术特性，以产生飞轮106绕旋转控制轴线101的所需经调节转矩。

在一些配置中，陀螺稳定系统也能够包括附加传感器来探测对应飞轮106相对于旋转控制轴线101的旋转速度。在这些配置中，控制装置200也与一个（多个）附加传感器通信，并且因此其根据从所述一个（多个）传感器接收的信号来导致附加飞轮驱动致动器的致动从而根据需要控制旋转速度。一个（多个）附加传感器能够例如被附接到飞轮106的轴106.1，不过也能够使用其它替代方案来探测旋转速度。

本发明的另一方面涉及用于抑制包括多个叶片1.0的风力涡轮机1的叶片振动的方法。该方法借助于针对每个叶片包括至少一个主动受控陀螺稳定系统的叶片振动抑制系统来实施。

每个陀螺稳定系统包括陀螺仪109，其具有在第一方向上延伸的旋转控制轴线101、在不同于第一方向的第二方向上延伸的第一刚性主体控制轴线102、在不同于第一和第二方向的第三方向上延伸的第二刚性主体控制轴线103以及相对于旋转控制轴线101可旋转且相对于刚性主体控制轴线102和103中的至少一个自由运动的飞轮106。陀螺稳定系统进一步包括被配置成向陀螺仪109施加受控转矩的至少一个飞轮驱动致动器。优选地，第二方向垂直于第一方向并且第三方向垂直于第一方向和第二方向。

在该方法的任何实施例或者配置中，针对每个叶片1.0，对应叶片1.0的运动被测量或探测，并且根据所述测量，受控转矩借助于对应飞轮驱动致动器被施加在对应陀螺仪109上，以在所述陀螺仪109上且因此在对应叶片1.0上产生所需反作用转矩，从而至少部分地抑制所述测量的运动。

该方法借助于针对本发明的其它方面在之前描述的叶片振动抑制系统来实施。那么该方法包括不同配置或实施例，每一个均适于本发明的其它方面的每个相应配置或实施例。

因此，该方法适于相对于陀螺稳定系统的两个刚性主体轴线102和103在陀螺仪109上施加相应受控转矩，其中飞轮106相对于两个刚性主体控制轴线102和103自由运动，并且其中所述陀螺稳定系统包括与第一刚性主体控制轴线102相关联的第一飞轮驱动致动器2.1和与第二刚性主体控制轴线103相关联的第二飞轮驱动致动器2.2；并且该方法适于相对于陀螺稳定系统的刚性主体轴线102或103在飞轮106上施加受控转矩，其中飞轮106相对于所述刚性主体控制轴线102或103而不相对于另一个刚性主体轴线102或103自由运动。