CN102257271A - 风力涡轮机塔架监测装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种风力涡轮机设备监测装置，用于监测风力涡轮机设备的两个相邻部件之间的相对运动。所述装置包括可变形构件和紧固机构。所述紧固机构构造成使所述装置在使用中能够连接到风力涡轮机设备。所述可变形构件定位成横跨风力涡轮机设备的相邻部件之间的界面。此外，所述探测机构设置并且构造成探测所述可变形构件的偏转并且藉此探测所述两个部件之间的相对运动。

Description

风力涡轮机塔架监测装置
技术领域
本发明涉及风力涡轮机塔架领域，并且具体地涉及监测这种塔架或者其子部件在正常运转中所承受的载荷。
背景技术
风力涡轮机塔架或塔通常支撑机舱，在机舱上连接一个或多个涡轮机叶片。涡轮机叶片或者每个涡轮机叶片相对于所述机舱的纵轴旋转。由于这种旋转运动，机舱和涡轮机塔架受到的载荷实质上是动态载荷。因为涡轮机叶片以不同速率旋转(这取决于任何特定时间的风力强度)，载荷的大小也是一种动态现象。因此，每当风力涡轮机旋转时，整个风力涡轮机塔架都受到波动载荷。
风力涡轮机叶片的每个叶片一般都超过50米，因此支撑这些叶片的风力涡轮机塔架的高度可以超过100米并且是一种重要结构。这种塔架通常大体上是圆筒形状的且经常具有稍微的坡度，并因此包括多个连续地彼此叠加的截头圆锥区段。在每区段的每个末端设有凸缘并且相应的凸缘彼此螺接。所述凸缘和螺栓也受到上述由所述涡轮机叶片施加并且沿着所述风力涡轮机塔架向下传递的动态载荷。
动态载荷可以导致螺栓疲劳并且极端地，螺栓发生蠕变。为了避免所述螺栓失效、以及塔架随后的潜在损害或者甚至是倒塌，必须对所述螺栓进行频繁检查、维护和/或更换。这样的维护计划麻烦并且特别是费时的，从而导致减少的功率生成时间。
期望减少维护计划的负担同时保持所述风力涡轮机塔架的安全性以及整体性以致能够提高功率生成。
发明内容
根据本发明，提供一种风力涡轮机设备监测装置，用于探测风力涡轮机设备的两个相邻部件之间的相对运动，所述装置包括：
可变形构件；
紧固机构，其构造成使所述装置在使用中能够连接到风力涡轮机设备上，使得所述可变形构件定位于横跨所述风力涡轮机设备的相邻部件之间的界面；和
探测机构，构造成探测所述可变形构件的变形并且因此探测所述两个部件之间的相对运动。
通过设置在横跨所述风力涡轮机设备的相邻部件界面上延伸的测量装置，能够探测每一部件相对于另一个部件的相对运动。这种运动与用于将部件彼此紧固的螺栓所受到的局部载荷直接相关。因此，能够检测随着时间的推移施加到螺栓或者每一螺栓上的载荷并且能够因此构建所受到的应变的历史。这样，能够更精确地预测螺栓当前状态的评估并且可以探测螺栓或者每一螺栓的任何意外失效。
所述风力涡轮机设备的相邻部件的每个可以设有凸缘并且所述装置可以构造成定位于横跨两个凸缘之间的界面上并且紧固到各自凸缘上以便探测所述凸缘之间的相对运动。所述部件可以是所述风力涡轮机设备的风力涡轮机的区段。
根据本发明的第二方面，提供一种风力涡轮机塔架监测装置，用于探测所述塔架的相邻区段的凸缘之间的相对运动，所述装置包括：
可变形构件；
紧固机构，构造成使所述装置在使用中能够连接到风力涡轮机塔架，使得所述可变形构件定位于横跨所述风力涡轮机塔架的相邻凸缘之间的界面；和
探测机构，构造成探测所述可变形构件的变形并且因此探测所述两个凸缘之间的相对运动。
通过提供可设置成连接横跨相邻凸缘的界面的监测装置，能够探测其间的局部相对运动。紧固所述风力涡轮机塔架的一个区段到相邻区段的螺栓通常定位成贯穿该凸缘，并且因此所述凸缘之间的任何相对运动与将两个凸缘连接到一起的螺栓所受到的载荷密切相关。因此，能够确定螺栓所经受的载荷的确切历史。
所述紧固机构可以包括夹紧机构、磁性机构和/或粘合机构。优选地，所述紧固机构是非破坏性的，从而紧固于其上的所述装置的结构整体性不受损害。
所述探测机构可以包括传感器，例如应变仪或者光学传感器。可替代地，所述探测机构可以包括限位开关和/或触点开关。所述探测机构可以连接到所述可变形构件的表面。所述可变形构件可以包括铰链。
所述探测机构可以包括用于向分析和/或存储机构发射信号的发射机构，所述信号表示与探测到的相对运动相关的参数。所述发射装置可以包括无线射频识别(RFID)元件。可以设置确定机构，所述确定机构用于接收来自所述测量机构的信号并且确定相对运动的度，以及因此确定将一个区段连接到另一区段的螺栓在使用中的状态。
所述紧固机构可以是非破坏性的，使得风力涡轮机塔架在安装时不需要重新装配，在使用中所述装置连接到风力涡轮机塔架上。
使用非破坏性的紧固机构是尤其有利的，换句话说，为了有效安装所述装置，不需要重新装配塔架。特别是，装置的安装速度或者更换因此提高并且禁止任何用户引发的损害。此外，避免任何机械紧固构件干涉以及保持了所述塔架/凸缘的强度和结构的整体性。
根据第三方面，本发明提供的一种风力涡轮机塔架，包括：
第一大致圆柱形区段；
第二大致圆柱形区段，构造成组装到所述第一区段的邻近，所述第一区段和所述第二区段的每个在其上都形成有凸缘，所述凸缘构造成在组装塔架时彼此邻近，所述区段用一个或多个螺栓彼此紧固，每个螺栓定位在形成在各自凸缘上的贯穿配合孔中；以及
上述类型的监测装置，定位于横跨所述凸缘之间的界面并且在此连接到其上使得能够探测所述凸缘之间的任何相对运动。
所述监测装置可以安装在螺栓附近。这种紧邻监测位置能够获得螺栓所受载荷的精确评估。
根据第四方面，本发明提供一种用于确定安装在风力涡轮机设备的两个部件之间的螺栓的状态的方法，所述方法包括步骤：
监测所述螺栓随着时间的推移受到的载荷；
核对所述螺栓随着时间变化的载荷特征；
评估所述螺栓的状态；以及
如果评估步骤表明所述螺栓失效，发出警报。
通过提供一种用于确定的螺栓状态的方法，由此，能够得到螺栓所受到的载荷的精确表示。这样如果接近预定的疲劳极限只需替换所述螺栓。可替代地，可以确定所述螺栓在无法预知的时间以意外的方式正在经受诸如蠕变或者甚至断裂的失效。在这种情况下，所述螺栓可以在最早的时间被更换并且能够阻止对所述风力涡轮机塔架更进一步的潜在损害。
所述评估步骤可以确定所述螺栓的当前状态和/或可以确定所述螺栓的预测未来状态。
所述检测步骤可以包括探测表明两个凸缘的相对位移的参数并且发送表明探测到参数的信号给监测机构，所述两个凸缘通过螺栓连接在一起。
所述评估步骤可以包括对比载荷特征与阈值特征并且如果超过阈值特征可以发出警报。
附图说明
现在将结合附图仅以示例的方式描述本发明的优选特征，在附图中：
图1表示监测装置；
图2例示了安装在风力涡轮机塔架上的图1的装置；
图3例示了在载荷作用下的图1的装置；
图4例示了图1的装置的潜在安装位置；以及
图5例示了使用在图1的装置中的测量机构的实施例。
具体实施方式
图1例示了一种监测装置10，监测装置10包括大致二维的主要构件15，其具有表面20。在每一末端，主要构件15连接到各自的紧固表面25。每一紧固表面25布置成大致垂直于主要构件15地安置。在本实施例中，每一紧固表面25包括两个用来在其中容纳各自螺钉35(如图2所示)的螺纹孔30。
在本实施例中，装置10用诸如低碳钢、碳素钢、或铁合金的可变形金属材料制成。在替代实施例中，如图1a所示，装置10’在主要构件15’的中央区域装有铰链18以致在此提供两个部分15a、15b。通过探测机构40探测两个部分15a、15b之间的相对位移。
用于探测主要构件15的变形(弹性或塑性变形)的探测机构40设置成与表面20配合。在一个实施例中，探测机构40被提供为粘合到主要构件15的表面20的应变仪传感器，然而，能够用光学传感器取代应变仪。可替代地，可以使用触点开关或限位开关。用于这种开关的触点安装在如图1a所示的装置10’上，由此，第一触点连接到主要构件的第一部分15a并且第二触点连接到主要构件的第二部分15b。当这两个部分15a、15b分离时，触点断裂，探测到主要构件15’的变形。
图2例示了风力涡轮机塔架的第一区段50的部分和风力涡轮机塔架的第二区段60的部分，其中第一区段50具有形成于其上的凸缘55，第二区段60具有形成于其上的凸缘56。所述风力涡轮机塔架的第一区段和第二区段50、60在风力涡轮机塔架组装时用若干螺栓70彼此联结，这些螺栓70围绕所述塔架的圆周均匀地分布。
如图所示，监测装置10放置在凸缘55、65的界面上，使得主要构件15和所述凸缘的全厚度方向一致。螺钉35被拧紧以将装置10紧固就位。在替代实施例中，装置10通过粘合机构或磁性机构直接紧固到凸缘55、65上。在任一实施例中，主要部件15被以非损伤方法与凸缘的全厚度方向一致地紧固。通过将装置10连接到凸缘55、65而不对其形成任何损伤，因此并不影响塔架75的结构整体性。
图3中例示了风力涡轮机塔架75的三个区段50、60、80。区段50、60、80中的每个是大致圆柱形的。在本实施例中，截面是圆形的，然而，但也可以使用其它截面(例如，矩形或八边形的)。塔架75在纵向方向稍微逐渐变细以致每个区段在结构上都有效地构造成截头圆锥形。在本实施例中，三个监测装置10定位于各个区段之间的界面上，然而，视情况可以安装更多或更少的监测装置。优选地，如图示，监测装置10的位置绕着风力涡轮机塔架75的圆周大致等距离间隔分布。
机舱一般安装在风力涡轮机塔架75的顶部。一个或多个涡轮机叶片(未显示)连接到所述机舱并且构造成绕其中心纵轴旋转。所述机舱的中心纵轴通常大致垂直于风力涡轮机塔架75的纵轴。
在所述风力涡轮机运行中，所述涡轮机叶片绕着旋转轴旋转。当所述风力涡轮机叶片的块体绕中心轴移动时，载荷的转移导致波动载荷被施加到风力涡轮机塔架75。因此，风力涡轮机塔架75的第一和第二区段50、60受到交替的压缩载荷和拉伸载荷。在对应每个各自的螺栓70的区域局部中的凸缘55、65相对彼此少量地移动(如图4所示)以致相应的交变压缩载荷和拉伸载荷模式施加到每一螺栓70上。
这种动态载荷模式随着时间的推移使得螺栓疲劳并且发生蠕变(即，形成螺栓的材料伸长)。一旦发生蠕变，风力涡轮机塔架75的第一和第二区段50、60不再那么紧固地保持在一起，因而承受的位移加剧。这种增加的位移进一步增加施加到凸缘上的载荷并且螺栓70将进一步恶化。
然而，在就位的监测装置10优选邻近螺栓70时，能够监测凸缘55、56的位移和螺栓70的伸长或蠕变。通过安装在在凸缘55、65上或者与凸缘55、65配合的探测机构40探测凸缘55、65相对彼此的任何位移。能够监测载荷循环数量以及凸缘的任何相对位移的大小以构建螺栓承受的随着时间变化的载荷特征。这种精确的监测允许确定恰当的维修间隔并且安排替换螺栓。因此，维修间隔能够普遍增加，因为能够抛弃使用预定常规维修间隔的传统方法。
探测机构40设设置成与远程定位的控制机构90进行通讯。探测机构40可以硬布线到控制装置90，或者可替代地，可以使用无线通讯，其中探测机构40包括发射机构。特别是，所述发射机构可以包括无线射频识别(RFID)元件。控制机构90包括分析机构和/或存储机构，并且构造成接收来自探测机构40的信号。信号表示与施加到螺栓70上的载荷的有关参数，例如主要构件15的表面20承受的应变。这种信号由控制装置90随时间记录以构建随着时间变化的载荷特征。
而且，如果发生任何无法预测的螺栓失效(例如，由于螺栓70的材料内的缺陷)，控制机构90还能够探测这种不稳定的行为并且产生警报。这种警报可以简单地表示在特定的时间段内需要进行维护。可替代地，能够启动所述风力涡轮设备的自动关闭以防止更多部件的灾难性失效，而更多部件的灾难性失效继而导致整个风力涡轮机塔架75倒塌。因而，提高设备的操作安全性。
图5显示了探测一个凸缘55相对于另一凸缘65的相对位移的机构的一个实施例。探测机构40通过固定到主要构件15上的应变仪提供。如图5所示，所述应变仪的输出提供给标准电桥装置。激励电压Vex与输出电压Vo的比率表明应变仪受到的应变。根据这个比率能够确定一个凸缘55相对于另一凸缘65的相对位移。
在替代实施例中，能够使用线性可变差动变换器(LVDT)单元来探测风力涡轮机塔架75的相邻区段50、60之间的相对位移。所述LVDT的基础单元连接到第一区段50或者与第一区段50配合，例如，通过被连接到主要构件15’的部分15a实现。所述LVDT的致动构件连接到风力涡轮机塔架75的第二区段60或者与风力涡轮机塔架75的第二区段60配合，例如通过被连接到主要构件15’的部分15b实现。两个区段50、60之间的相对位移导致所述基础单元与所述致动构件之间的相对位移。与LVDT配合的电路类似于所述电桥装置，因为位移与输出电压Vo成正比例。
总之，由于与入射风的风力强度和风速联接的涡轮机叶片运动的动态本质，风力涡轮机塔架的结构载荷是不可预期的。传统上，这种风力涡轮机塔架的维修计划是特别需要的。然而，通过主动地监测所述塔架内部件(例如凸缘和螺栓)、轮毂或旋转叶片所部分地承受的实际载荷，维修计划能够更轻松并且因此能够提高功率生成。通过改进遥测装置，实现对部件、特别是螺栓70的状态的更详细和精确的评估。
此外，如果发生诸如螺栓70的蠕变(或者甚至断裂)的实质性失效，这能够快速探测到并且能够更换受损部件。在极端情况时，能够启动风力涡轮机设备的关闭。
已经参考特定的例子和具体实施例对本发明进行了描述。但是，应当理解，本发明并不限于在此公开的具体实施例，而是可以在根据本发明权利要求所保护的范围内设计和修改。

Claims (23)

1.一种风力涡轮机设备监测装置，用于探测风力涡轮机设备的两个相邻部件之间的相对运动，所述装置包括：
可变形构件；
紧固机构，构造成能够使所述装置在使用中可连接到风力涡轮机设备上，使得所述可变形构件定位成横跨所述风力涡轮机设备的相邻部件之间的界面；和
探测机构，构造成探测所述可变形构件的变形并且由此探测所述两个部件之间的相对运动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述风力涡轮机设备的相邻部件每个都设有凸缘，并且所述装置构造成定位成横跨两个凸缘之间的界面并且紧固到各自的凸缘上以便探测所述两个凸缘之间的相对运动。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述部件是所述风力涡轮机设备的风力涡轮机塔架的区段。
4.一种风力涡轮机塔架监测装置，用于探测所述塔架的相邻区段的凸缘之间的相对运动，所述装置包括：
可变形构件；
紧固机构，构造成能够使所述装置在使用中连接到风力涡轮机塔架上，使得所述可变形构件定位成横跨所述风力涡轮机塔架的相邻凸缘之间的界面；和
探测机构，构造成探测所述可变形构件的变形并且因此探测所述两个凸缘之间的相对运动。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述紧固机构包括夹持机构、磁性机构和/或粘合机构的组中的一个。
6.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述探测机构包括传感器。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述传感器是应变仪和光学传感器的组中的一个。
8.根据权利要求1到5中的任何一项所述的装置，其特征在于，所述探测机构包括限位开关和触点开关的组中的一个。
9.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述探测机构连接到所述可变形构件的表面。
10.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述可变形构件包括铰链。
11.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述探测机构包括用于将信号发射到分析或存储机构的发射机构，所述信号指示与探测的相对运动相关的参数。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述发射机构包括无线射频识别(RFID)元件。
13.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于接收来自所述探测机构的信号并且确定相对运动的度的确定机构。
14.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述紧固机构是非破坏性的，使得在使用中连接所述装置的风力涡轮机塔架在安装时不需要重新装配。
15.一种风力涡轮机设备，其包括：
塔架；
安装在所述塔架顶部上的轮毂；和
连接到所述轮毂上的转子叶片，其中，所述设备的两个相邻部件通过螺栓彼此连接，所述设备包括根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，所述装置定位成横跨所述相邻部件之间的界面以探测所述两个部件之间的相对运动。
16.一种风力涡轮机塔架，其包括：
第一大致圆柱形区段；
第二大致圆柱形区段，构造成组装到相邻所述第一区段，所述第一区段和所述第二区段中的每个具有在其上形成的凸缘，所述凸缘构造成在组装所述塔架时定位成彼此相邻，所述区段用一个或多个螺栓彼此紧固，且每个螺栓定位于形成在各自凸缘上的贯穿配合孔内；以及
根据前述权利要求中的任意一项所述的监测装置，所述监测装置定位成横跨所述凸缘之间的界面并且连接到其上，使得能够探测所述凸缘之间的任何相对运动。
17.根据权利要求16所述的塔架，其特征在于，所述监测装置安装到螺栓附近。
18.一种风力涡轮机设备，包括根据权利要求16或17所述的塔架。
19.一种用于确定安装在风力涡轮机设备的两个部件之间的螺栓状态的方法，所述方法包括如下步骤：
监测所述螺栓随着时间的推移所承受的载荷；
核对所述螺栓的随着时间变化的载荷特征；
评估所述螺栓的状态；以及
如果所述评估步骤指示螺栓失效，发出警报。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述评估步骤确定螺栓的当前状态。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于，所述评估步骤确定螺栓的预期未来状态。
22.根据权利要求19到21中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述监测步骤包括步骤：
探测指示所述螺栓连接的两个凸缘之间相对位移的参数；以及
向监测机构发送指示所探测参数的信号。
23.根据权利要求19到22中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述评估步骤包括比较载荷特征与阈值特征，并且如果超过阈值特征，发出警报。
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