CN102141015A

CN102141015A - 将负载传感器附接到转子叶片的表面的方法和转子叶片

Info

Publication number: CN102141015A
Application number: CN2011100311083A
Authority: CN
Inventors: O·J·D·克里斯滕森; S·O·林德; J·A·米克尔森; S·M·佩德森
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: JP2011158472A; NZ590717A; DK2354543T3; CN102141015B; US20110217168A1; CA2729397A1; EP2354543A1; EP2354543B1

Abstract

本发明涉及将负载传感器附接到转子叶片的表面的方法和转子叶片，其中所述负载传感器包括具有在转子叶片（1）的表面（3）上的多个应变计的支承件。根据本发明的附接负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e）的方法包括以下步骤：制造一组孔（7），在所述孔（7）之间具有预定间距（d）；在所述孔（7）中提供螺纹插入件（9）；将螺栓（13）穿过所述负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e）插入所述螺纹插入件（9）。本发明还涉及一种具有负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e）的转子叶片（1）。

Description

将负载传感器附接到转子叶片的表面的方法和转子叶片

技术领域

本发明涉及一种将负载传感器附接到转子叶片的表面的方法，所述负载传感器包括支承件，所述支承件带有多个应变计和具有预定间距的一组固定孔。本发明还涉及一种转子叶片，其具有这种附接到所述转子叶片的表面的负载传感器。

背景技术

转子叶片，更具体而言风力是涡轮机中的转子叶片，需要对那些使叶片承受应力的力进行监视。目的在于能够控制转子叶片的静态和/或动态振动负载，以在该负载或动态负载总和变得太大时发现是否出现了未必会发生的的事件即转子叶片（或其一部分）由于磨损而必须更换的情况下采取措施，或者优选连续控制风力涡轮机的转子叶片，以避免更换转子叶片或风力涡轮机的任何其他部件例如齿轮箱、变浆轴承、主轴承或类似物。

为了测量负载，即，由作用在这种叶片上的压力或压缩力造成的叶片的偏转，所谓的负载传感器或应变测量变换器被使用，如在例如美国专利3,853,000中所述。电阻应变计在此被安装在板形支承件的薄条带上。

这种负载传感器可通过小型刺针定位在表面上，所述刺针可戳入所述表面。负载传感器通过穿过传感器中的孔的螺栓被牢固地固定到表面，所述螺栓被焊接到所述表面的结构。然而，考虑到将螺栓焊接到转子叶片的表面使该表面的结构弱化，并且由于表面与螺栓的材料的不兼容性因而也并不总是可行的。例如，很难或甚至不可能焊接玻璃纤维或类似的非金属材料。而且，当螺栓的螺母被旋紧时，负载传感器的刺针或销可能损坏表面的结构。

将负载传感器固定在转子叶片上的另一可能性是通过粘合，例如通过胶水或其他种类的压敏粘合剂。然而，这种粘合方法不但耗时，而且意味着表面必须被预备好。表面必须被抛光和酸腐，但经常依然难以确保负载传感器被适当地附接。另外，一旦负载传感器已被牢固地粘附到表面，再次改变负载传感器是耗时且昂贵的，并可导致对表面的损伤。

因此综上所述，附接上述原理以及任何其他测量原理的负载传感器的当前可用方案仍然存在不足，特别是针对例如风力涡轮机的转子叶片的应用而言尤其如此。这种转子叶片的表面由特殊材料制成，且叶片可能受到损坏，以致操作前或操作中可能出现缺陷。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种改进的将负载传感器附接到转子叶片表面的可能性。本发明的另一目的在于提供具有采用这种改进方式附接的负载传感器的转子叶片。

根据本发明，该目的通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求12所述的转子叶片实现。

因此，上述方法包括以下步骤：

a）制造一组孔，所述孔之间的预定间距实质上等于固定孔的预定间距；

b）在所述孔中提供螺纹插入件；

c）将螺栓穿过所述负载传感器插入所述螺纹插入件。

所述一组孔被设置为呈预定间距，该预定间距与负载传感器的支承件中的固定孔的间距对应。由此，负载传感器中的固定孔可在其来自制造商时即存在于工件中，或者可在根据本发明的方法的过程中被钻制于工件中。

采用该方式，负载传感器被牢固地连接到转子叶片的表面，同时根据需要其也可出于更换的目的而易于移除。通过不只制造孔而是通过额外地为这些孔提供螺纹插入件，可获得非常精确的设置和对准，从而确保根据希望准确地定位和对准螺栓。同时，对转子叶片的损伤不会施加不必要的可能导致转子叶片损坏使其丧失功能的力。

所述孔可按如下精确方式制造，即使得在转子叶片的操作过程中不会形成不必要的和不可控制的应力。而且，负载（即，将由负载传感器测量的静态和/或动态振动负载）被直接施加到来自位于待被控制的表面的限定位置处的一些螺栓的传感器上。因此，不同于现有技术，力或负载不会从多个销或者甚至不会从未限定的粘合区域被施加。根据本发明的方案采取更为可靠和更为精确的测量。另外，螺纹插入件的材料和结构可根据其被插入的表面的结构的特殊要求而选定。它们可被螺栓连接或捶打至表面的孔中。

本发明环境中的“螺栓”优选为至少部分地沿其纵向延伸部分具有外部螺纹的螺栓。因此，“螺栓连接”在该环境中强调通过沿螺栓纵向延伸部分限定的轴线来旋转螺栓将这种螺栓旋入内部具有螺纹的孔中的动作。

上述种类的转子叶片包括：

a）在所述表面中的一组孔，所述孔之间的预定间距等于固定孔的预定间距；

b）所述孔内的螺纹插入件；

c）螺栓，穿过所述负载传感器的固定孔通到每个孔（7）和螺纹插入件中，并由此将所述负载传感器与所述转子叶片连接。

在这种转子叶片中，负载传感器优选被连接到涡轮机负载控制系统。这种负载控制系统从由负载传感器测量到的负载值获得控制命令，所述控制命令用于减小在放置有负载传感器的转子叶片和/或转子的所有转子叶片上承受的负载。例如，负载控制系统可被编程为取得控制命令，以开始减小旋转速度（例如，向制动机构发送信号）和/或改变转子叶片的斜度和/或启动另外的用于减小负载的设备。

负载控制系统也可随时间累计来自负载传感器的负载值，一旦这些累计的值达到特定阈值，则对使用者生成警报信号和/或生成控制命令，以停止转子的操作，从而便于检查和/或更换转子或其部件。

为了将负载传感器与负载控制系统连接，使用光纤进行传输是特别有利的，这是因为光纤不会受雷击影响。在本发明的环境中，任何其他的信号传输连接也是可以的。

本发明特别优选的实施例和特征由从属权利要求给出，这在以下描述中揭示。由此，在该方法的上下文中揭示的特征也可在转子叶片和其他相关方式的上下文中实现。

关于用于容纳螺栓的螺纹插入件，必须满足涉及精确性和机械稳定性的高标准。根据第一实施例，至少一个螺纹插入件为螺旋插入件。这种螺旋插入件的已知产品商标为“Heli-coil”，且由卷绕的金属线制成。它们通常尺寸过大，从而使得它们能够将自身锚定在它们被施加的孔中。在本发明的环境中，它们在提供稳定性的同时提供了柔性。

在第二实施例中（对于第一实施例而言，可替代性地或额外地使用第二实施例），至少一个螺纹插入件为衬套，衬套内侧包括螺纹。这种衬套的稳定性甚至可高于螺旋插入件的稳定性，首次测试已经证实第二实施例特别优选。

优选地，在它们的一个纵向端包括梁托的螺纹插入件被以如下方式放置到孔中，即：使得所述梁托与所述叶片的表面形成直接或间接接触。这种梁托如同止挡件一样作用，其指示当螺纹插入件已到达其在孔中的最终位置。在这种最终位置，插入件被牢固地连接到孔并填充孔直到螺栓获得充分的稳定性。使用具有梁托的螺纹插入件还保证了：插入件不会比所希望的更进一步插入转子叶片的表面中，由此确保孔不会被插入件延扩，而孔被插入件延扩的话可能会导致叶片表面损坏。梁托与表面的间接接触可例如通过牢固地定位在梁托与表面之间的垫圈或类似的间距构件来实现。

所述孔之间的预定间距例如通过简单地测量和标记转子叶片的表面上的间距，然后在标记指示的这些位置处制孔来实现。为了增加预定间距的精确性以及可能的增加孔的定位角度的精确性，优选使用具有相同预定间距的模板孔的制孔模板，该模板被放置到所述表面上。制孔工具（例如钻孔机）穿过所述模板孔被引导到所述表面上。

这种模板优选由具有孔的板材或平板制成，这些孔可由从该板材的平面伸出的圆柱形管优选沿至少一个方向以直角延展。采用该方式，钻头可由所述管引导，这确保孔以正确角度被制造。

因此，在本发明方法的环境中，本发明还包括制孔模板，用于在转子叶片的表面上制造孔之间呈预定间距的一组孔。所述制孔模板包括具有孔的板材，所述孔被设置为具有与将在所述转子叶片上制造的一组孔之间的间距相同的预定间距。

优选地，所述模板包括从所述板材的接触表面突出出来的至少三个定位支腿。在该情况下，已证实最优选的是使用恰好具有三个这种支腿的模板，这是因为这保证了模板可被非常精确地定位在表面上，即使其略微弯曲（对于转子叶片而言经常出现这种情况）亦是如此。

优选地，所述支腿被实施为空心管，诸如销或类似物等的固定装置可被引导通过该空心管。该构造可以经由表面上的这些固定装置预先固定模板，以确保模板不会在其应用期间意外改变其位置。

模板可进一步包括所述模板的定向的指示物，其间接地指示了所述负载传感器在后来被附接到所述表面时的定向。该指示物优选包括所述模板的三角形形状，由此有利的是，负载传感器的定位，即，测量负载力的方向由三角形的一个角指示。

根据本发明的一个特别优选的实施例，负载传感器被附接在所述叶片的内表面。风力涡轮机的转子叶片（不同于直升飞机叶片）通常为空心的，并因而包括外表面和内表面。将负载传感器附接在内表面上意味着传感器至少在较高的程度上防风和防湿。负责的工作人员还可以更容易从涡轮机的内表面通过塔部、吊舱和转毂够到传感器。当从转子叶片的内侧操作时，工作人员比他们在外侧的脚手架上工作时受到更好的保护，因为这实质上消除了从转子掉落的危险。

单一的负载传感器已经能够提供对在转子叶片上造成的负载的深入洞察，特别是在本发明的环境中其由于负载力的精确传输而输送更可靠的测量值。然而，已经证实如果多个负载传感器被安装在叶片的表面上是更为可靠的。这样，负载传感器可沿超过一个方向定向，由此测量来自不同角度的负载力。另外，负载传感器可被定位在沿转子叶片的纵向延伸部分的多个位置，因而可给出转子叶片沿其长度所受到的负载的更多写照（picture）。

最接近转子转毂的转子叶片的部分是受损坏最危险的部分。在该区域，负载力最高，所有的力在被引到转子的转轴之前积聚。因此，该区域特别易于被超过特定最大阈值的负载损坏。因此，为了密切监控该区域，负载传感器优选被安装为紧邻叶片与转子转毂之间的交界面。紧邻被视为到达转子叶片的相对于转毂的最接近的三分之一、特别是最接近的五分之一、更特别是最接近的十分之一内。

尽管使用根据现有技术的方法已经很难将负载传感器附接在全新的转子叶片上，但当对已经在操作中的叶片进行重新装备时这些困难甚至更大。因此，根据本发明的方法在负载传感器被附接到已经处于操作服务中的叶片的情况甚至更为有利。既不需要将任何螺栓焊接到这种叶片的表面，也不需要预备好表面——由于叶片的磨损以及由于其因操作造成的缺陷，在此情况下对表面进行预备处理更加难以执行。因此，根据本发明的方法提供了更为简单的可行方案来首次对现有的风力涡轮机装备负载传感器系统或更换旧的负载传感器。

为了保护负载传感器免受外界影响（例如可能对其造成损坏或影响测量的力，例如污物和湿度），优选的是保护负载传感器的壳体被附接到叶片的表面。该壳体可包括盖，该盖可简单地被放置在负载传感器上并固定到表面。除了简单地覆盖负载传感器，壳体也可被制造得防水或甚至防湿，以避免负载传感器受到侵蚀。

优选地，负载传感器经由缆线（其为光学的或电的）或以无线方式连接到负载控制器。该控制器可被定位在壳体内以免受其环境的影响。在控制器与负载传感器之间，还可存在发射器，其将信号从负载传感器发送到控制器，且还可从多个负载传感器收集信号。

更进一步优选的是，制造通到叶片的表面中的孔，使得孔的主延伸部分与表面之间的角度实质上为直角。表面的主延伸部分可被视为表示例如曲形表面情况下该表面的平均延伸部分的平面。该角度在其从90^o变化+/-10%时依然被视为实质上为直角。该受限角度可被视为对螺栓如何定向的良好参照。另外，当针对螺栓使用实质上为直角的定向时，负载力的传输不会有较大损失，这是因为否则一部分力可能被沿其他方向引导，而不是沿由负载传感器覆盖的方向引导。

另外，出于使测量清楚的目的，优选的是，用恰好两个螺栓来附接负载传感器。这还意味着仅两个孔必须被制造且仅两个螺纹插入件放置到这些孔中。首先，这意味着对该表面产生最小可能的损坏。第二，该附接方法不仅更为充分地附接负载传感器，而且保证尽可能没有其他影响将有害于测量的准确性。例如，如果负载传感器经由多于两个的螺栓被附接，则张力可能起到额外的作用并损坏测量结构。

附图说明

根据下文的详细描述并结合附图考虑，本发明的其他目的和特征将变得明显。然而，应理解的是，附图仅仅出于例示的目的而设计，并不作为限制本发明的限定。

图1示出了根据本发明方法的一个实施例的转子叶片的表面的剖视图，

图2示出了根据本发明的一个实施例完成的转子叶片的相同视图，

图3示出了风力涡轮机的转子的部件的内部的示意图，

图4示出了根据本发明方法的一个实施例的步骤的示意性框图，

图5示出了根据本发明的一个实施例的模板的俯视图，

图6示出了与图5中的模板相同的模板的侧视图。

附图中，相似的附图标记始终表示相似的对象。图中的对象不一定是按比例绘制的。

具体实施方式

图1示出了转子叶片1的表面3，其为转子叶片1的内表面。为了附接负载传感器（例如在如美国专利3,853,000中所示的负载传感器的原理下工作的负载传感器），一组孔7以与负载传感器中的固定孔8的间距d₁（参照图2）对应的间距d₂钻制在表面3中。这些孔7配备有螺纹插入件9。螺纹插入件9被实施为衬套，该衬套在其内侧11具有螺纹且在其顶部纵向端包括梁托10。

在左手侧可以看到正被插入孔7的衬套9，而在右手侧为已被定位在孔7中但尚未在其最终位置的衬套9。该最终位置将在梁托与表面3接触时到达。

该情况可在图2中看到，其中两个衬套9均处于它们在转子叶片1的表面3内的最终位置。另外，负载传感器5通过螺栓13被固定到表面3，螺栓13已被螺栓连接或旋入到衬套9的内侧11中。负载传感器5包括带有两个固定孔8的板形支承件6。其位于衬套的梁托10上，在此被螺栓13穿过。正好两个螺栓13是必须的且足以将负载传感器5固定到表面3。

在图3中，负载传感器5a、5b、5c、5d、5e的位置按照原理被示出。在风力涡轮机的转子上，转毂15具有三个交界面21，转子叶片1连接于这些交界面，在该图中可看到一个转子叶片1。转子叶片1具有1.6米的直径和超过40米的长度，这对于当前生产的风力涡轮机的转子叶片而言是典型的。负载传感器5a、5b、5c、5d、5e被定位在转子叶片1的最接近交界面21的纵向延伸部分的十分之一内，即，在转子叶片1的距转毂15的第一个4米内。采用该方式，确保了在最易于因过加载而损坏的区域以及损坏可最有害于风力涡轮机周围区域中的人或物体的位置测量负载。

与定位得较接近转毂15且定向沿转子叶片1的纵向延伸部分的其他四个负载传感器5b、5c、5d、5e相比，最外侧的负载传感器5a具有倾斜定向。因此，后面的负载传感器5b、5c、5d、5e将全部测量转子叶片1的纵向方向的负载力，而首先提到的负载传感器5a测量沿相对于纵向方向的倾斜方向的力。这些测量方向由每个负载传感器5a、5b、5c、5d、5e侧的箭头指示。

来自负载传感器5a、5b、5c、5d、5e的信号经由无线传输连接4（图中用线条来表示）被传送到位于转子叶片1的突入转毂15的端部处的发射器17。发射器17经由光缆33将组合信号进一步传送到涡轮机负载控制系统的控制器19，其根据需要生成命令以减少转子叶片1上的负载以及其他转子叶片上的可能性。

图4示出了根据本发明方法一个实施例的示意性流程图。现参照先前的附图来说明该图。

在第一步骤A，一组孔7在预定间距d处被钻制形成在转子叶片1的表面3中。在第二步骤B，衬套9被插入孔7中。在第三步骤C，螺栓13被螺栓连接到衬套，由此将负载传感器5固定到表面。

图5和图6示出了根据本发明的钻制模板23的一个实施例。

由上可知，模板23为三角形形状，因而指示了负载传感器5在沿利用模板23制造的孔7对准时是如何定向的。模板23包括具有孔27a、27b的板材或平板29。这些孔27a、27b彼此相距间距d₃与图1和图2所示的间距（即，通到表面3中的孔7的间距d₂以及固定孔8的间距d₁）相同。另外，最佳由图6的侧视图可以看出，模板23包括三个支腿25a、25b、25c，其被实施为从板材29的接触表面31伸出的管，所述板材29在模板23被使用时被导向成朝向转子叶片1的表面3。通过支腿25a、25b、25c的管，钉子或销可被推入，这有助于将模板临时固定在表面3上的特定位置。

孔27a、27b还由沿远离接触表面31的方向伸出板材29的管35来延伸。管35为插入它们之中的钻孔工具提供了一定的导向作用，这保证钻头以预定角度（优选实质上90^o）插入转子叶片1的表面3，可能存在一点可容许的误差。

由于模板23具有正好三个支腿25a、25b、25c，因此模板23也能够被牢固地放置在曲形表面3上，甚至这样的表面相对于平面而言沿超过一个方向弯曲。在转子叶片应用中这种情况是常见的。

尽管已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是应该理解的是，在不背离本发明范围的情况下可以对其作出许多另外的修改和变化。尽管使用基于电阻测量的负载传感器被用作描述的基本形式，但是其他负载传感器系统也可在根据本发明的方法以及转子叶片的环境中获得良好的效果。而且，负载传感器在转子叶片内的定向纯粹作为示例示出，且可根据在其操作地点的相关需求而改变。此外，钻孔模板的使用不限于图5和图6所示模板的实施例。

出于清楚的目的，应理解的是，除另行声明外，否则，在整个申请中使用的“一”或“一个”并不排除多个，“包括”并不排除其他步骤或元件。用语“（复数个）间距”也包括单个间距。“单元”或“模块”可包括多个单元或模块。

Claims

1.一种将负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e）附接到转子叶片（1）的表面（3）的方法，所述负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e）包括支承件（6），所述支承件（6）带有多个应变计和具有预定间距（d₁）的一组固定孔（8），所述方法包括以下步骤：

a）制造一组孔（7），所述孔（7）之间的预定间距（d₂）实质上等于固定孔（8）的预定间距（d₁）；

b）在所述孔（7）中提供螺纹插入件（9）；

c）将螺栓（13）穿过所述负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e）插入所述螺纹插入件（9）中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一个螺纹插入件为螺旋插入件。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，至少一个螺纹插入件为衬套（9），所述衬套（9）在其内侧（11）包括螺纹。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在它们的一个纵向端包括梁托（10）的螺纹插入件（9）被以如下方式放置到所述孔（7）中，即：使得所述梁托（10）与所述叶片（1）的表面（3）形成直接或间接接触。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述孔（7）之间的预定间距（d₂）是通过使用具有相同预定间距（d₃）的模板孔（27a，27b）的制孔模板（23）来实现的，所述模板（23）被放置到所述表面（3）上，而且制孔工具穿过所述模板孔（27a，27b），被引导到所述表面（3）上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e）被附接在所述叶片（1）的内表面（3）上。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e）被安装为紧邻转子的所述叶片（1）与转毂（15）之间的交界面。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中保护所述负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e）的壳体被附接到所述叶片（1）的所述表面（3）。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e）经由缆线和/或以无线方式连接到负载控制器（19），（壳体中的控制器）。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述孔（7）被以如下方式制造在所述叶片（1）的所述表面（3）中，即使得所述孔（7）的主延伸部分与所述表面（3）之间的角度实质上为直角。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中两个螺栓（13）用于附接所述负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e）。

12.一种转子叶片（1），其具有附接到所述转子叶片（1）的表面（3）的负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e），所述负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e）包括支承件（6），所述支承件（6）带有多个应变计和具有预定间距（d₁）的一组固定孔（8），所述转子叶片包括：

a）所述表面（3）中的一组孔（7），所述孔（7）之间的预定间距（d₂）等于所述固定孔（8）的预定间距（d₁）；

b）所述孔（7）内的螺纹插入件（9）；

c）螺栓（13），其穿过所述负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e）的所述固定孔（8）进入每个孔（7）和螺纹插入件（9）中，并由此将所述负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e）与所述转子叶片（1）连接。

13.一种制孔模板（23），其用于在根据权利要求1至11中任一项所述方法的环境下在转子叶片（1）的表面（3）上制造一组孔（7），所述孔（7）之间具有预定间距（d₂），所述制孔模板包括带有孔（27a，27b）的板材（29），所述孔（27a，27b）被设置为具有与将在所述转子叶片（1）上制造的一组孔（7）之间的间距（d₂）相同的预定间距（d₃）。

14.根据权利要求13所述的制孔模板，其包括从所述板材（29）的接触表面（31）伸出的至少三个定位支腿（25a，25b，25c）。

15.根据权利要求13或14所述的制孔模板，其包括所述模板的定向的指示物，所述指示物间接地指示了在所述负载传感器（5，5a，5b，5c，5d，5e）后来被附接到所述表面（3）时的定向，所述指示物优选包括所述模板的三角形形状。