CN101387266B - 风力涡轮机的细长构件及带有该构件的转子叶片和塔架 - Google Patents

风力涡轮机的细长构件及带有该构件的转子叶片和塔架 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风力涡轮机的细长构件及带有该构件的转子叶片和塔架。风力涡轮机的细长构件潜在地经历应变，且包括传感器单元用于测定在第一点(16)和第二点(17)之间的细长构件的挠曲和/或应变，第一点和第二点设定在构件同一侧(11、12)，传感器单元包括近程传感器(4)用于测定第二点(17)和第三点(18)之间的距离，该第三点(18)通过不可挠支承件(5)连接至第一点(16)，第一点(16)和第三点(18)之间的距离比第二点(17)和第三点(18)之间的距离大很多，其中传感器单元包括可压缩和/或可拉伸元件(3)，位于第二点(17)和第三点(18)之间。而且，本发明的风力涡轮机转子叶片(1)和风力涡轮机塔架，每个都包括前述细长构件。

Description

风力涡轮机的细长构件及带有该构件的转子叶片和塔架
技术领域
本发明涉及一种装置，用于细长风力涡轮机元件等的挠曲(deflection)和/或应变测量，所述元件例如是风力涡轮机转子叶片和风力涡轮机塔架。本发明的挠曲和/或应变测量可用于反馈至周期桨距控制器。
背景技术
在许多方面，风力涡轮机的细长构件(elongated member)受到应力，引起应变。例如，风力涡轮机塔架以及风力涡轮机转子叶片会暴露在强风下，该强风在塔架和转子叶片上造成应变。转子叶片和/或塔架上的载荷会通过叶片的桨距的变化而减小。这通常可通过独立的桨距控制器或通过周期桨距控制器来实现。
一种有效的桨距控制，例如用于减小作用在转子上的载荷，需要关于作用在叶片根部上的载荷的信息，该信息可以从转子叶片挠曲的测定提取。叶片中的光纤是用于对转子载荷进行可靠且长期测量的典型传感器。这种系统非常昂贵。
在US7,059,822B2中，披露了一种用于测定转子叶片挠曲的方法，其中，转子叶片与轮毂联接。转子叶片包括梁，该梁的第一端联接至转子叶片内的导流板，而梁的第二端靠近轮毂定位且用于通过位于轮毂中的至少一个传感器对梁的挠曲进行测量。该梁位于转子叶片的中心线附近。基于与叶片挠曲关联的梁的运动来测定叶片挠曲。
在WO03/029750A1中，披露了一种用于对构造元件的弯曲进行测量的传感器构造。其包括定位为相对于待测弯曲的变形中性线/表面偏移的杆元件。所述杆元件的第一端牢固地连接至构造元件且所述杆元件的第二端连接至该构造元件。第二端连接提供了沿杆元件轴向方向的可移动性。通过测量杆元件第二端相对于构造元件的位置来执行测量。
在US2006/0000269A1中，披露了一种用于测定转子叶片挠曲的方法，其中，转子叶片联接至轮毂。梁的第一端联接至转子叶片。梁的第二端靠近轮毂定位。梁的挠曲通过使用至少一个传感器来测量。叶片的挠曲基于梁的挠曲来测定。
在US2006/0201257A1中，披露了一种用于定性评估涡轮机叶片疲劳寿命的气体涡轮机叶片疲劳寿命评估方法。如果沿涡轮机叶片纵向方向的蠕变伸长应变小于初始长度的0.5％，则该气体涡轮机叶片处于其疲劳寿命内。而且，气体涡轮机叶片蠕变伸长应变测量设备包括第一固定端、第二固定端和刻度盘。沿纵向方向的尺寸标记在涡轮机叶片的表面上。
发明内容
本发明的目的是提供一种有优点的风力涡轮机细长构件。本发明的另一目的是提供一种有优点的风力涡轮机转子叶片。本发明的最后目的是提供一种有优点的风力涡轮机塔架。
本发明的风力涡轮机细长构件潜在地受到应变。其包括用于测定第一点和第二点之间的细长构件的挠曲和/或应变的传感器单元，这两个点设定在细长构件的同一侧。传感器单元包括近程传感器，用于测定第二点和第三点之间的距离。第三点通过不可挠或刚性支承件连接至第一点。第一点和第三点之间的距离比第二点和第三点之间的距离大很多。
传感器单元可包括可压缩和/或可拉伸元件，位于第二点和第三点之间。
本发明基于的观点是，在风力涡轮机细长构件受到应变作用时，该细长构件挠曲。由于挠曲，被作用的细长构件的两个远点之间的距离也改变。改变的距离可用作挠曲的量度和/或用作应变的量度。
使用不可挠支承件具有的优点是，在第一点和第二点之间的距离改变时，仅需测量第二点和第三点之间相对较小的距离，因为由于不可挠支承件，第三点具有相对于第一点来说的固定且已知的关系。待测的相对较小的距离增加了挠曲和/或应变的测定的准确性和鲁棒性(robustness)。
第二点和第三点之间的距离的测量或测定可特别地通过声、磁、电磁、电容或感应测量来实现。优选的是，第二点和第三点之间的距离通过激光测距传感器测定。
为了进一步增加风力涡轮机细长构件的挠曲和/或应变的测定中的准确性，该方法可在细长构件的至少两个侧边执行。该侧边可以彼此垂直或平行和/或相对。随后，设定在细长构件同一侧的第二点和第三点之间的距离可针对每一侧分别地测定。
例如，在经历弯曲的细长构件的平行且相对的两侧处的距离的测定提供两种不同的结果，代表了压缩和拉伸。在一侧处，设定在该侧处的两个远点——即第一点和第二点——之间的距离，与这些点之间的距离在细长构件不经历弯曲时相比减小。减小的距离是由于这一侧的压缩造成的。因为第一点和第三点之间的不可挠或刚性支承件，减小的距离可以在第二点和第三点之间以高准确性来测量。在第二侧处，设定在该侧的两个远点——即第一点和第二点——之间的距离由于该侧的拉伸而增加。该增加的距离可在设定在该侧的第二点和第三点之间被测量。
此外，可以在彼此垂直的侧边处测定距离。这提供了关于沿垂直方向挠曲的信息。当然，为了增加准确性，可以测量在被作用细长构件的两个或更多平行侧处的距离以及在两个或更多的相对侧处的距离，以测定沿每个方向的挠曲和/或应变。
优选地，所述方法可应用于风力涡轮机转子叶片或风力涡轮机塔架。在应用于风力涡轮机转子叶片的情况下，关于作用在转子叶片上的挠曲和应变的结果通常可用作对独立桨距控制的反馈或用作对周期桨距控制的反馈。独立桨距控制是指叶片或多或少彼此独立地改变桨距的桨距控制。桨距控制方案通常用于使作用在叶片上的载荷和因而导致的挠曲和应变减小。
传感器可位于第二点处或第三点处。而且，可压缩和/或可拉伸元件可包括从第二点延伸至第三点的中空空间。这使得可以在中空空间内测量距离，这减少了环境的影响。可压缩和/或可拉伸元件例如可以是橡胶支承件或伸缩单元。如果支承件被设计成伸缩的，则在伸缩结构具有低的摩擦性时这是很有利的。
近程传感器例如可以是声传感器、磁传感器、电磁传感器、电容式传感器、或感应场效应传感器。优选的是，近程传感器可以是激光测距传感器。
本发明的风力涡轮机转子叶片包括如前所述的本发明的细长构件。有利的是，细长构件可包括至少两个传感器单元。该至少两个传感器单元可布置为使得它们的不可挠支承件在细长构件的不同侧处彼此平行地延伸。替换地或额外地，传感器单元也可布置为使得它们的不可挠支承件垂直于彼此延伸。转子叶片可包括叶片根部和肩状部，且传感器单元优选地位于叶片根部和肩状部之间。传感器单元定位在叶片根部附近是有利的，因为由于弯曲带来的力矩主要作用在叶片根部附近的转子叶片上。
传感器单元通常与周期桨距控制结合地应用且用于独立桨距控制器。独立桨距控制是指叶片或多或少彼此独立地改变桨距的桨距控制。而且，对叶片根部引发的挠曲和/或应变的测定可提供在叶片根部侧向方向力矩信号中的准确性，这使得可以基于升力/阻力计算(lift/drag calculation)进行失速(stall)检测。
本发明的风力涡轮机塔架包括如前所述的本发明的细长构件。优选地，本发明的具有传感器单元的风力涡轮机细长构件位于塔架底部附近或塔架顶部附近。关于风力涡轮机叶片中的两个或更多传感器单元的不可挠支承构件的平行延伸和垂直延伸的描述也可应用于风力涡轮机塔架。
由于挠曲和/或应变通过本发明任意装置测定，所获得的结果具有以下低特性，测量结果就局部几何(local geometry)而言明显更具鲁棒性。此外，由于近程测量的大动态范围，测量结果更具鲁棒性。
附图说明
本发明的其它特征、性能和优点将结合附图，根据实施例的以下描述而变得更加清晰可见。
图1在截面图中示意性地示出了风力涡轮机未挠曲的细长构件。
图2在截面图中示意性地示出了风力涡轮机转子叶片的一部分。
图3示意性地示出了传感器单元。
图4示意性地示出了沿图3中的IV-IV方向的视图。
具体实施方式
现将参考图1至4描述本发明的实施例。首先，将参考图1来解释本发明的总的原理或构思。图1在截面图中示意性地示出了风力涡轮机未挠曲的细长构件15。细长构件15包括两个距离的点，第一点16和第二点17。其进一步包括第三点18，该第三点通过细长的不可挠或刚性支承件5连接至第一点16，该支承件例如是刚性杆。在图1中，不可挠支承件5平行于细长构件15延伸。而且，第三点18位于第一点16和第二点17之间。第一点16和第三点18之间的距离比第二点17和第三点18之间的距离大很多。
在细长构件15挠曲的情况下，第一点16和第二点17之间的距离改变且因此第二点17和第三点18之间的距离也改变。为了测定挠曲，可测量或测定第二点17和第三点18之间的距离，优选地通过激光测距传感器或任何其它的近程(proximity)仪器。所使用的近程传感器可位于第二点17处或第三点18处。通过本发明，仅需测定第二点17和第三点18之间的相对较小的距离，这可增加测量的准确性。
图2在截面图中示意性地示出了风力涡轮机转子叶片1的一部分。转子叶片1包括叶片根部8、前缘11、后缘12和肩状部10，该肩状部是叶片最宽的地方。叶片1通常在叶片根部8处安装至转子轮毂。转子叶片1的中心线13(也叫跨度)从叶片根部8的中心延伸至未在图2中示出的叶片末梢。所谓的弦长(chord)14是叶片1垂直于中心线13的宽度。弦长14到达其最大值的区域被称为叶片1的肩状部10，即叶片最大宽度的位置。后缘12经由肩状部10将叶片根部8连接至叶片1的末梢。前缘11是将叶片根部8连接至末梢的侧边，且如所示那样沿弦向方向与后缘12相对地延伸。
风力涡轮机叶片1内部是中空的。风力涡轮机叶片1进一步包括在叶片中空本体内的两个传感器单元，用于测定叶片1的挠曲。一个传感器单元用在叶片根部8附近沿前缘11延伸的刚性支承件5安装，而另一个传感器单元用在叶片根部8附近沿后缘12延伸的刚性支承件5安装。
用于测定叶片根部8附近的挠曲的每个传感器单元包括不可挠或刚性支承件5、近程传感器4、可压缩元件3和参考装配件2。参考装配件2包括第二点17。不可挠支承件5的一端通过固定件6固定至叶片根部8，该固定件6上定位有第一点16。近程传感器4安装至不可挠支承件5的另一端并设置有第三点18。近程传感器4还经由可压缩和/或可拉伸元件3连接至参考装配件2，该元件3在本实施例中是橡胶套形式的橡胶支承件。替换地，近程传感器4可安装至参考装配件2且可设置有第二点17。第三点18随后可通过不可挠支承件5的松弛端设置。
在本实施例中，传感器4为近程仪器，例如激光测距传感器。通常，近程测量可以基于声、磁、电磁、电容或感应场效应。本实施例中的近程传感器4测量或测定限定第三点18的近程传感器4和限定第二点17的参考装配件2之间的距离。
结合长度已知的不可挠支承件5，所测量的近程传感器4和参考装配件2之间的距离可用于提供一种对第二点17和第一点16之间的距离的测量或测定，该第二点17和第一点16之间的距离对应于参考装配件2和将不可挠支承件5固定至叶片根部8的固定件6之间的差。这意味着，两个远点——即第一点16和第二点17之间的距离被测定并提供关于这两点之间细长构件挠曲的信息。
当没有挠曲发生时，两个传感器单元中的一个传感器单元的不可挠支承件5平行于前缘11，且两个传感器单元中的另一传感器单元的不可挠支承件5平行于后缘12。在本实施例中，前缘11和后缘12在叶片根部8附近彼此平行。在涡轮机叶片挠曲的情况下，前缘11和后缘12挠曲。这造成各个传感器单元的参考装配件2和固定件6之间距离的改变。例如，当转子叶片朝向后缘挠曲时，平行于前缘11的传感器单元的第一点16和第二点17之间的距离增大，而平行于后缘12的传感器单元的第一点16和第二点17之间的距离减小。
由于近程传感器4和固定件6之间的距离——即第三点18和第一点16之间的距离——因为不可挠支承件5的不可挠性而不能改变，所以固定件6和参考装配件2之间所改变的距离作为近程传感器4和参考装配件2之间的距离变化——即第二点17和第三点18之间的距离变化而发生。这种改变的距离被近程传感器4测量且可用于测定转子叶片1的挠曲和/或作用在转子叶片1上的应变。
图3示意性地示出了其中一个传感器单元。该传感器单元包括两个安装支架7、27、不可挠支承件5、传感器4和作为可压缩和/或可拉伸元件3的橡胶套。图3中的左侧安装支架7可用于将传感器单元固定至参考装配件2并设置第二点17。图3中的右侧安装支架27可用于将传感器单元安装至固定件6并设置第一点16。替换地，右侧安装支架27可被固定至参考装配件2且左侧安装支架被固定至固定件6，这可以将传感器4定位在叶片根部8附近。
不可挠支承件5的一端固定至右侧安装支架27，该支架对应于第一点16。在本实施例中是激光测距传感器的近程传感器4被安装至不可挠支承件5的另一端并设置第三点18。在图3中，橡胶套3位于近程传感器4和左侧安装支架7之间，该支架对应于第二点17。替代橡胶套，也可使用其它橡胶支承件或具有低摩擦性的可伸缩单元。
沿图3中的IV-IV线方向所示的截面图示于图4中。图4示意性地显示了本实施例的橡胶套3的横截面。橡胶套3具有圆形横截面，在其中心具有中空空间9。在图4的背景中可进一步看到近程传感器4和相应的第三点18，该第三点示意性地由近程传感器4的表面表示。有利的是，近程测量在可压缩元件3的中空空间9内被执行。这允许通过避免环境影响而进行无干扰的测量。
通常，所使用的传感器单元的数量可依赖于应被测量的挠曲或应变的特征而改变。在本实施例中，传感器装置测量边缘方向(edge-wise)应变，这允许测定边缘方向的力矩。进而，通过转过90°的类似传感器单元，例如平行于弦长14，可测量拍打方向(flap-wise)的力矩。如果存在处于两个方位中的传感器单元，则可以提供用于测定关于两个轴线的力矩的机构。当然，还可以仅使用一个传感器单元来测定关于每个轴线的挠曲和/或应变和/或力矩。
所述传感器单元还可应用于风力涡轮机转子叶片的其它部件或风力涡轮机塔架，例如在塔架底部或塔架顶部。
与所引用的已有技术对比，本发明提供了一种经济地测定风力涡轮机细长构件挠曲和/或应变的可能性，因为所述传感器单元可容易地安装在每个所需位置。进而，本发明允许以非常高的准确性进行测量，因为与所引用已有技术相对地，挠曲或应变在挠曲或应变发生的地方被测定，即在经历应变的细长构件侧边附近测定，而不是如US7,059,822B2所提出的那样在细长构件的中空本体的中心线附近被测定。

Claims (12)

1.一种风力涡轮机的细长构件，该细长构件潜在地经历应变且该细长构件包括传感器单元，该传感器单元用于对在第一点(16)和第二点(17)之间的所述细长构件的挠曲和/或应变进行测定，所述第一点和第二点设定在所述细长构件的同一侧(11、12)，所述传感器单元包括近程传感器(4)，用于测定所述第二点(17)和第三点(18)之间的距离，该第三点(18)通过不可挠支承件(5)连接至所述第一点(16)，所述第一点(16)和所述第三点(18)之间的距离比所述第二点(17)和所述第三点(18)之间的距离大很多，其特征在于，
所述传感器单元包括可压缩和/或可拉伸元件(3)，其位于所述第二点(17)和所述第三点(18)之间，所述可压缩和/或可拉伸元件(3)包括从所述第二点(17)延伸至所述第三点(18)的中空空间(9)。
2.如权利要求1所述的细长构件，其特征在于，
所述近程传感器(4)位于所述第二点(17)处或所述第三点(18)处。
3.如权利要求1所述的细长构件，其特征在于，
所述可压缩和/或可拉伸元件(3)为橡胶支承件。
4.如权利要求1所述的细长构件，其特征在于，
所述可压缩和/或可拉伸元件(3)为可伸缩单元。
5.如权利要求1所述的细长构件，其特征在于，
所述近程传感器(4)为声传感器、磁传感器、电磁传感器、电容式传感器或感应场效应传感器。
6.如权利要求1所述的细长构件，其特征在于，
所述近程传感器(4)为激光测距传感器。
7.一种风力涡轮机转子叶片(1)，其特征在于，
该叶片包括如权利要求1至5中任一项所述的细长构件。
8.如权利要求7所述的风力涡轮机转子叶片(1)，其特征在于，
所述细长构件包括至少两个传感器单元。
9.如权利要求8所述的风力涡轮机转子叶片(1)，其特征在于，
两个传感器单元被布置以使得它们的不可挠支承件在所述细长构件的不同侧(11、12)处彼此平行地延伸。
10.如权利要求8所述的风力涡轮机转子叶片(1)，其特征在于，
两个传感器单元被布置以使得它们的不可挠支承件彼此垂直地延伸。
11.如权利要求8至10中任一项所述的风力涡轮机转子叶片(1)，其特征在于，
所述转子叶片(1)包括叶片根部(8)和肩状部(10)，且所述传感器单元位于所述叶片根部(8)和所述肩状部(10)之间。
12.一种风力涡轮机塔架，其特征在于，其包括如权利要求1至6中任一项所述的细长构件。
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