CN104653408B - 用于检测风电设备的转子叶片变形的设备和相应转子叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测风电设备的转子叶片的变形的设备和相应的转子叶片，包括角度测量装置(1)，其具有第一和第二构件组(1.1，1.2)，其中，这两个构件组布置为能相对彼此地摆动的。第二构件组(1.2)具有固定位置(1.23)，其能够与转子叶片(3)相连。此外，该设备具有臂(2)，该臂具有连接位置(2.1)，从而臂(2)在连接位置处能够与转子叶片(3)相连。连接位置(2.1)以相对于固定位置(1.23)有间距(X)地布置。臂(2)以径向间距(R)机械地与第一构件组(1.1)联接，从而在间距(X)改变时能够产生在第一和第二构件组(1.1，1.2)之间的相对的摆动运动。此外，本发明涉及一种具有该设备的转子叶片。

Description

用于检测风电设备的转子叶片变形的设备和相应转子叶片
技术领域
本发明涉及一种用于检测风电设备的转子叶片的变形的设备以及一种相应设计的转子叶片。
背景技术
风电设备的转子叶片承受了种类最多的力，这些力自然导致了转子叶片的变形，并且其可能引发振动。仅仅旋转的转子叶片的重力就产生了所涉及的转子叶片的周期性变形。这种变形叠加了其他的变形，其他变形另外由空气动力学的载荷而产生。空气动力学的载荷，例如与结合风暴或风涡流的风速的高度分布相关。同样在每次旋转时，由于塔前风阻(Turmvorstau)使脉动的力导入到转子叶片中。风电设备的转子叶片的变形的大小在任何情况下都是难以预测的，因此使用应力，其作为实际值来检测。
在预测疲劳损伤方面，有利的是，基于所测量的变形或载荷能够在期望的时间点上产生关于转子叶片所积累的载荷的回顾性信息。因此，这种载荷值的可用性对于短时最大载荷或应期待的材料疲劳损伤有重要意义。此外，借助识别实际变形或实际载荷能够例如通过调节桨距(Pitch)来优化对风电设备的控制。
由DE 19847982 A1公知了一种用于检测风电设备的转子叶片的振动的设备，通过该设备借助作为线性元件的距离传感器能够确定转子叶片的变形。
发明内容
本发明的目的在于，实现一种用于检测风电设备的转子叶片的变形的设备，其是稳固的并且可靠地以高精度工作。同样，通过本发明实现一种转子叶片，其变形能够稳固地且可靠地以高的精度来确定。
因此，用于检测风电设备的转子叶片的变形的设备包括角度测量装置，该角度测量装置具有第一和第二构件组以及臂。第一构件组能围绕轴线相对于第二构件组摆动地布置，其中，通过角度测量装置能够测量在第一构件组和第二构件组之间的相对角位置。角度测量装置的第二构件组设计为，使得第二构件组能够与转子叶片不能滑动地相连。臂具有(第一)连接位置，如下地设计连接位置，使得臂在该连接位置处能够与转子叶片相连。此外，连接位置布置为到第二构件组的固定位置有间距的，其中，间距定向成与轴线正交的。臂以到轴线的径向间距机械地与第一构件组联接，从而在连接位置和固定位置之间的间距改变时，在第一和第二构件组之间能够产生相对的摆动运动。
即使当在连接位置和固定位置之间的连接线不严格地与轴线成正交地延伸时，尽管如此，只要在连接位置和固定位置之间的连接线不是正好平行于轴线地延伸的，那么能够确定与轴线正交的间距。因此，这种间距正交于轴线的措辞应理解为，即在连接位置和固定位置之间的连接线具有方向分量(等于垂直于轴线方向的间距)，该方向分量定向成与轴线正交的。
有利地，臂由包括塑料的材料制成。塑料能够特别是纤维强化地，例如通过玻璃和/或碳纤维的。
在本发明的其他设计方案中，第一构件组能铰接地与臂相连，特别是通过易弯曲的构件相连，该构件能够设计为固体铰链或者构造为一体式铰链。
此外，臂的(第一)连接位置能够设计为粘合面。
有利地，角度测量装置具有用于能相对于第二构件组摆动地支承第一构件组的滚动轴承。这种轴承随后还能够用于对于臂的引导。替代地，滑动轴承或固体铰链也用于能相对于第二构件组摆动地支承第一构件组。
角度测量装置的第二构件组以有利的方式具有固定位置，固定位置如下地设计为，即特别是在转子叶片的底部的区域中，该固定位置能够与转子叶片的内侧面不能滑动地相连。
根据本发明的改进方案，角度测量装置具有整体量具和用于扫描整体量具的元件。整体量具能够设计为环形，并且随后在几何学上观察其是具有环绕的外周面的空心柱体。外周面能够具有很小的高度，从而设计为环形盘的整体量具具有环形的彼此平行地取向的端面，端面还能称为基面或盖面。角度刻度或角度编码能够安装在端面中的一个上。
恰好当整体量具设计为，使得外周面具有差不多大小的高度时，也就是说在圆筒状的整体量具时，角度刻度能够安装在外周面上。然而，整体量具还能够设计为带尺，其例如在柱体的外周面处固定在其外侧面或内侧面处。
此外，整体量具能够设计为，使得整体量具仅在限定的角度范围上具有刻度，也就是说不是在360°上延伸，而是仅仅具有作为测量区域的角度区段。整体量具的按角度的延伸能够与最大测量区域或摆动角度相匹配。
有利地，用于扫描整体量具的元件设计为光敏的或感光的。因此，也就是说这种扫描基于光学的原理。
替代地，扫描能够基于电感或磁性的原理。
此外，本发明包括一种风电设备的具有用于检测变形的设备的转子叶片。这种设备在其自身处包括角度测量装置和臂。在此，角度测量装置具有第一和第二构件组。第一构件组能围绕轴线相对于第二构件组摆动地布置，其中，通过角度测量装置能够测量在第一和第二构件组之间的相对角位置。第二构件组具有固定位置，该固定位置能够与转子叶片相连。臂在其自身处具有(第一)连接位置，连接位置与转子叶片相连，其中，连接位置布置为到第二构件组的固定位置有间距的，其中，间距定向成与轴线正交的。臂以径向间距机械地与第一构件组联接，从而在连接位置和固定位置之间的间距改变时，在第一构件组和第二构件组之间能够产生相对的摆动运动。
在转子叶片的其他的设计方案中，臂定向在在转子叶片的纵向方向上，其中，转子叶片(至少在其底部区域中)具有中心的在纵向方向上延伸的纵向轴线。角度测量装置的(摆动)轴线取向成基本与转子叶片的纵向方向正交的。在此，角度测量装置能够如下地布置，使得轴线定向成基本平行于转子内壁的，或者如下地布置，使得轴线定向成基本与转子内壁正交的。因此，臂定向在转子叶片的纵向方向上，并且角度测量装置的(摆动)轴线相对于转子叶片的纵向轴线成切向或径向地取向。
切向的或径向的取向特别地与以下圆弧有关，其中心点位于转子叶片的纵向轴线上。
角度测量方向特别地能够提供数字的位置信号和/或位置信号的根据时间一次或多次求微分来产生的信号。所涉及的信号的传输能够完全数字式地且连续进行，从而实现了比较简单的信号处理，例如用于以高动态的控制进行相互连接。
有利地，角度测量装置具有带绝对编码的整体量具，从而(与增量式测量相比)通过角度测量装置能够测量作为绝对数值的在第一和第二构件组之间的相对角位置。以这种方式能够在任意的时间点测量转子叶片的绝对变形。这对于检验转子叶片的结构中的安置过程是特别有利的。对于这种检验，相关的转子叶片在不进行实际运行时移动到水平位置中。接着在该位置中测量变形。当此时使用绝对工作的角度测量装置时，绝对测量值能够直接与先前的(同样绝对的)测量相比较。
此外，用于检测变形的设备安装在转子叶片的底部、即在转子叶片接口的附近安装在风电设备的轮毂上。因此，第二构件组能够在叶片接口的区域中固定在轮毂处。替代地，固定位置能够布置在所涉及的风电设备的轮毂的内侧面处。
在本发明的其他设计方案中，臂或者说制造臂的材料，与转子叶片或其材料具有相同的热膨胀系数。
有利地，转子叶片具有多个用于检测变形的设备。通过各个设备如上所产生的信号，根据对相应信号的结合或计算，能够确定转子叶片的空间上的变形。
附图说明
在下面根据附图对实施例的说明中，本发明的其他特征和优点会清楚。
图1是用于检测转子叶片的变形的设备的侧视图，
图2是用于检测转子叶片的变形的设备的透视图，
图3是用于检测转子叶片的变形的设备的剖面图，
图4是用于检测转子叶片的变形的设备的后视图，
图5是具有用于检测变形的设备的转子叶片的示意图。
具体实施方式
在图1和2中示出用于检测风电设备的转子叶片3的变形的设备。相应的转子叶片3在介绍的实施例中是风电设备的具有水平轴线的组成部分，风电设备特别地总共具有三个转子叶片3。所涉及的用于检测转子叶片3的变形的设备包括角度测量装置1和臂2。
在图3和4中特别示出的角度测量装置1包括第一构件组1.1和第二构件组1.2。第一构件组1.1具有带凸肩的轴1.11，整体量具1.14例如通过粘贴固定在该凸肩处，并且整体量具仅仅以关于轴线A的中央的微小容许偏差相连。轴线A在y方向上延伸。在所介绍的实施例中，整体量具1.14由玻璃构成并且设计为环形。当然，整体量具具有两个端面，其中在端面的一个上施加有角度刻度。角度刻度例如能够设计为具有定向在径向上的刻度线的增量式分度，然而其中还能够附加地或替代地设置绝对的编码。
卡接件(Mitnehmer)1.12(也见图1和2)扭转止动地夹紧固定在轴1.11上，从而在卡接件1.12运动时能够产生轴1.11的摆动运动。卡接件1.12能够附属于第一构件组1.1并且具有处理了的平面和内螺纹，从而组件1.13可以准确地固定在卡接件上。组件1.13起到固体铰链的作用并且相应地设计为易弯曲的。特别地，组件1.13能够设计为薄壁的短钢板。
根据图3，轴1.11由两个滚动轴承1.3能旋转地支承在主体1.25的内部，主体附属于第二构件组1.2。此外，还附属于第二构件组1.2的是图中未示出的光源，光源例如包括LED和准直透镜，从而通过光源发射准直光线。该光线贯穿过整体量具1.14或其角度刻度，并且该光线根据在第一构件组1.1和第二构件组1.2之间或者说在轴1.11和主体1.25之间的角度位置来调制。
所调制的光由固定在主体1.25上的扫描装置1.26扫描。相应的感光的或光敏的探测器位于设计为装配式电路板的扫描装置1.26上。此外，扫描装置1.26也包括用于对由探测器传递的扫描信号进行信号整形、例如用于放大和数字化的电子组件。
壳体1.21围绕扫描装置1.26来安装，从而另外还针对环境的影响防护了光源、整体量具1.14和扫描装置1.26。在主体1.25上固定了保持件1.22。保持件1.22具有作为固定位置1.23的连接面、在此为粘合面。
通过图中未示出的与插口1.24连接的连接线缆建立了在角度测量装置1和后续电子器件之间的电连接，从而能够在后续电子器件和角度测量装置1之间传输电信号和电能。
因此，通过角度测量装置1能够确定在第一构件组1.1和第二构件组1.2之间或者说在轴1.11和主体1.25之间的相对角位置。这种角度测量装置1通常也称为旋转编码器。
除了角度测量装置1，用于检测变形的设备包括臂2。在所介绍的实施例中，臂由玻璃纤维强化的塑料制造并且具有第一连接位置2.1和第二连接位置2.2。
臂2的第一连接位置2.1设计为面，从而所述面能够与转子叶片3粘接。转子叶片3与臂2一样由玻璃纤维强化的塑料制造。
在实施例中，第二连接位置2.2是止挡面，组件1.13例如通过螺栓连接安装到该止挡面处。
在用于检测风电设备的转子叶片3的变形的设备的装配过程中，现在在转子叶片的底部区域中，臂2的第一连接位置2.1以及保持件1.22的固定位置1.23粘接到转子叶片3的壁的内侧面处。因此，在固定位置1.23或者在连接位置2.1和转子叶片3的内侧面之间的间隙以粘合剂4来填充。因此形成了在保持件1.22和转子叶片3之间以及在臂2和转子叶片3之间的不可滑动的连接。臂2在完成安装之后如下地定位，使得臂在x方向上延伸，其中x方向基本等于转子叶片3的纵向轴线ξ(图5)。因此也就是说，第一连接位置布置成到第二构件组1.2的固定位置1.23有间距X的，其中间距X定向成与轴线A正交的。臂2与轴线A相关地以径向间距R机械地、特别是能弯曲地与角度测量装置1联接。以这种方式通过改变间距X、例如通过转子叶片3的膨胀或收缩产生在第一和第二构件组1.1，1.2之间的相对的摆动运动。
通过将组件1.13设计为薄壁的短钢板能够中减少设备中的弯曲力矩，而不会不利地影响测量精度。组件1.13如下地确定尺寸，即其易弯曲性与角度测量装置的所需的转矩或阻力矩匹配。
为了能够对所有维度中的转子叶片3的变形作出论断，有利的是，在转子叶片3的底部中安装多个、例如四个这种用于检测变形的设备，如图5所示。四个用于检测变形的设备优选地布置在四个主弯曲方向上、在转子叶片3的底部圆周上分别错开90°。
在风电设备运行时，转子叶片3由于其自重并且由于空气动力学的载荷而变形。特别地，载荷导致了转子叶片3在x方向上的膨胀或收缩。相应地，在保持件1.22的固定位置1.23和臂2的第一连接位置2.1之间的间距发生了改变。当间距X大约为500mm时，保持件1.22的固定位置1.23和第一连接位置2.1之间的间距在通常的载荷下改变了大约0.5mm。在以大约为30mm的R确定尺寸时，这导致了在第一构件组1.1和第二构件组1.2之间的大约1°的摆动运动。上述根据精确的光学原理工作的角度测量装置1对于旋转(360°)具有例如25Bit的分辨率，这相应于对于在保持件1.22的固定位置1.23和臂2的第一连接位置2.1之间的间距X的纵向改变量的具有所谓的几何边界条件的5.6nm的分辨率。
当然，用于检测转子叶片3的变形的设备在风电设备中减轻了大量的温度波动。因此，在不利的环境条件下，也能够通过用于检测变形的上述设备实现极高的测量精度。这一方面在于，即由于检测了角度位置，整体量具1.14的热膨胀没有任何影响(刻度线之间的间距和刻度线的宽度随着温度而变化，但角度位置不改变)。另一方面，臂2和转子叶片2由相同的材料制造，从而二者具有相同的热膨胀特性。最后，通过罐状的导电壳体1.21能够确保防止例如雷雨时的过压的最优保护，特别是对于扫描装置1.26和其附属的电子件的最优保护。
能通过插口1.24输出的信号优选地是完全数字的，从而上述的后续电子件能够处理用于检测转子叶片变形的所有设备的信号，而不必进行继续的数字化。这一方面确保了针对外界干扰的可靠的信号传输，另一方面能够更简单地处理信号，从而所测量的变形在控制环路中例如能够用于对每个转子叶片3的桨距角(Pitch-Winkels)的(单独)控制。

Claims (16)

1.一种用于检测风电设备的转子叶片(3)的变形的设备，包括
角度测量装置(1)，具有第一构件组(1.1)和第二构件组(1.2)，其中，
所述第一构件组(1.1)布置为能围绕轴线(A)相对于所述第二构件组(1.2)摆动的，并且能够通过所述角度测量装置测量在所述第一构件组(1.1)和所述第二构件组(1.2)之间的相对的角位置，
所述第二构件组(1.2)具有固定位置(1.23)，所述固定位置设计为，使得所述固定位置能够与所述转子叶片(3)相连，以及
臂(2)，所述臂具有连接位置(2.1)，所述连接位置设计为，使得所述臂(2)在所述连接位置处能够与所述转子叶片(3)相连，所述连接位置(2.1)以相对于所述第二构件组(1.2)的所述固定位置(1.23)有间距(X)地布置，其中，所述间距(X)与所述轴线(A)正交的定向，并且
所述臂(2)以径向间距(R)机械地与所述第一构件组(1.1)联接，从而在所述间距(X)改变时，能够产生在所述第一构件组(1.1)和所述第二构件组(1.2)之间的相对的摆动运动。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述臂(2)由包括塑料的材料制造。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述塑料是纤维强化的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述第一构件组(1.1)铰接地与所述臂(2)相连。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述第一构件组(1.1)通过易弯曲的构件(1.13)铰接地与所述臂(2)相连。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述连接位置(2.1)设计为粘合面。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述角度测量装置具有用于能相对于所述第二构件组(1.2)摆动地支承所述第一构件组(1.1)的滚动轴承(1.3)。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述角度测量装置(1)具有整体量具和用于扫描所述整体量具的元件。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，用于扫描所述整体量具的所述元件是光敏的。
10.一种风电设备的、具有用于检测变形的设备的转子叶片(3)，其中，所述设备包括角度测量装置(1)和臂(2)，其中
所述角度测量装置(1)具有第一构件组(1.1)和第二构件组(1.2)，其中
所述第一构件组(1.1)能围绕轴线(A)相对于所述第二构件组(1.2)摆动地布置，并且通过所述角度测量装置能够测量在所述第一构件组(1.1)和所述第二构件组(1.2)之间的相对的角位置，
所述第二构件组(1.2)具有固定位置(1.23)，所述固定位置与所述转子叶片(3)相连，
所述臂(2)具有连接位置(2.1)，所述连接位置与所述转子叶片(3)相连，并且所述连接位置(2.1)以到所述第二构件组(1.2)的所述固定位置(1.23)有间距(X)地布置，其中，所述间距(X)与所述轴线(A)正交地定向，其中，
所述臂(2)以径向间距(R)机械地与所述第一构件组(1.1)联接，从而在所述间距(X)改变时，能够产生在所述第一构件组(1.1)和所述第二构件组(1.2)之间的相对的摆动运动。
11.根据权利要求10所述的转子叶片(3)，其中，所述臂(2)定向在在所述转子叶片(3)的纵向方向(x)上。
12.根据权利要求10或11所述的转子叶片(3)，其中，所述第二构件组(1.2)的所述固定位置(1.23)与所述转子叶片(3)的内侧面相连。
13.根据权利要求12所述的转子叶片(3)，其中，所述臂(2)定向在所述转子叶片(3)的纵向方向(x)上，并且所述轴线(A)相对于所述转子叶片(3)的纵向轴线(ξ)切向地或径向地取向。
14.根据权利要求10或11所述的转子叶片(3)，其中，所述设备为了检测变形安装在所述转子叶片(3)的底部。
15.根据权利要求10或11所述的转子叶片(3)，其中，所述臂(2)具有与所述转子叶片(3)相同的热膨胀系数。
16.根据权利要求10或11所述的转子叶片(3)，其中，所述转子叶片(3)具有多个用于检测变形的设备。
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