CN110720029A

CN110720029A - 用于风力涡轮机转子叶片的称重装置

Info

Publication number: CN110720029A
Application number: CN201880039212.7A
Authority: CN
Inventors: D.S.派德尔森; L.E.波尔森
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2020-01-21
Anticipated expiration: 2038-01-09
Also published as: DK3593100T3; PT3593100T; EP3593100A1; US20200116131A1; US11333129B2; DE102017206349B4; CN110720029B; EP3593100B1; DE102017206349A1; ES2912337T3; WO2018188820A1

Abstract

本发明涉及一种用于确定风力涡轮机（40）的转子叶片（20）的性质的称重装置。所述称重装置包括：第一座（11），其用于在转子叶片（20）的第一径向位置（r₁）处接收转子叶片（20）；第二座（111），其用于在转子叶片（20）的第二径向位置（r₂）处接收转子叶片（20）；第一称重单元（12），其用于量化作用在第一称重单元（12）上的第一重量（311）；第二称重单元（121），其用于量化作用在第二称重单元（121）上的第二重量（312）；以及第一配重（13），其被构造成减轻第一重量（311）。值得注意的是，当由称重装置的第一座（11）接收转子叶片（20）时，第一配重（13）从地面（32）抬起。此外，本发明涉及一种确定风力涡轮机（40）的转子叶片（20）的重量（31）、质量或转矩的方法。

Description

用于风力涡轮机转子叶片的称重装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定风力涡轮机的转子叶片的性质（诸如，转子叶片的重量、质量或转矩）的称重装置。本发明还涉及此类称重装置的使用以及一种确定风力涡轮机转子叶片的所提到的性质中的一者的方法。

背景技术

当向风力涡轮机提供转子叶片时，重要的是所有转子叶片均具有类似的转矩。所有转子叶片的转矩是类似的避免了由于不同转矩所引起的转子不平衡。这避免了在风力涡轮机的操作期间（即，在风力涡轮机的转子旋转期间）的有问题的振动。关于转矩差异，即使转子叶片的相应转矩的很小偏差也会导致这些振动。一般地，应避免一个单一转子叶片的转矩偏差大于百分之一，特别是大于百分之0.5。

因此，需要在制造后确定转子叶片的转矩期间实现高精度。

常规地，用于转子叶片的称重装置包括称重单元，该称重单元可以例如设计有弹簧或类似的器件以用于量化由于转子叶片的质量所引起且作用于该称重单元上的重量。称重单元经常在市场上有售。然而，常规的称重单元关于精度有一定的限制。

当前，所接受的是，对转子叶片重量的确定的精度严重地受到所使用的称重装置的称重单元的精度的影响。

发明内容

本发明特别地旨在提供一种改善当前状况的概念。一般地，本发明旨在提供一种能够以高精度确定风力涡轮机的转子叶片的性质的装置。

在独立权利要求中公开了此类概念。在从属权利要求中公开了有利的修改和变化。

提供了一种用于确定风力涡轮机的转子叶片的性质的称重装置。所述称重装置包括：第一座，其用于在转子叶片的第一径向位置处接收转子叶片；第二座，其用于在转子叶片的第二径向位置处接收转子叶片；第一称重单元，其用于量化作用在第一称重单元上的第一重量；第二称重单元，其用于量化作用在第二称重单元上的第二重量；以及第一配重，其被构造成减轻第一重量。值得注意的是，当由称重装置的第一座接收转子叶片时，第一配重从地面抬起。

称重装置也称为称重秤（scale）或简单地秤。称重装置被称为能够确定物体重量的装置。在这种情况下，称重装置被指定用于确定转子叶片的性质，其中，转子叶片适合在风力涡轮机处使用。注意到，原则上，本发明可以用于确定任何物体的质量，特别是特征为具有例如高于一吨的质量的重物体。在某种程度上与风力涡轮机转子叶片类似并且可由本装置评估的物体的示例是例如海流涡轮机（marine current turbine）的转子叶片。

称重装置包括用于接收转子叶片的器件。换句话说，它包括用于容纳和放置待称重的物体的器件，在这方面，它包括用于放置转子叶片的器件。

此外，称重装置包括用于量化作用在其上的力的器件。因此，使用了可以设计成像弹簧（例如，金属弹簧）一样的称重单元，其中，该称重单元可以通过作用在其上的力被压缩。

如本领域技术人员所公知的，物体的重量被定义为由于重力作用而作用在物体上的力。重量通常以牛顿为单位进行描述和引用。重量与（当地）重力加速度g之比被定义为物体的质量。物体的质量是与物体所处位置无关的参数或特性。因此，称重单元能够量化作用在其上的重量，且因此间接地量化物体的质量。

本发明的关键方面是，与其中称重单元承受转子叶片的整个重量（在若干个称重单元的情况下，由若干个称重单元承受转子叶片的整个重量）的现有技术不同，在称重装置的本发明的概念中，提供了一种配重，选择该配重使得它消除了作用在称重单元上的重量的一部分，使得称重单元只需要在“受限（limited）”尺度下作用。

举一个具体的示例，称重装置可包括：第一单元，其放置在密切靠近转子叶片的根部的地方；以及第二单元，其放置在如从根部测量的叶片长度的三分之二处。示例性地，转子叶片的长度为六十米，并且转子叶片的质量为二十吨。质量乘以9.81 m/s²的重力加速度得到转子叶片的重量为大约196千牛顿。此外，假设在转子叶片的安装状态下，根部到转子中心（轴线）的距离为2米。

假设应确定转子叶片的转矩，其中，为简单起见，转子叶片的转矩被定义为以下两者之和：（i）第一重量与第一单元到转子中心的距离的乘积；以及（ii）第二重量与第二单元到转子中心的距离的乘积。

因此，示例性地，如果将第一单元放置在远离根部0.5米处并且第一称重单元测量到150千牛顿的第一重量，同时将第二单元放置在远离根部40米处且测量到46千牛顿，则转子叶片的转矩将总计为2.5 * 150千牛顿*米 + 42 * 46千牛顿*米 =2307千牛顿*米。

常规地，需要第一称重单元支承150千牛顿的重量，并且需要第二称重单元支承46千牛顿的重量。

本发明的称重装置的益处将是增加了配重。配重可被添加到第一单元，且因此被称为第一配重。例如，如果第一配重的质量为14吨（相当于大约137千牛顿），则第一称重单元将只需要支承13千牛顿的重量。这导致借助于第一称重单元实施的重量测量的精度得到显著改善。

因此，有利的是，对转子叶片的质量作粗略的估计，并基于该估计，从预期质量推导出一定的安全裕度，使得配重的质量安全地低于待测量的转子叶片的实际质量。在实践中，正确地估计转子叶片的近似质量是现实的，因为预期实际质量与目标质量相比的偏差仅大到一定程度。配重的质量与转子叶片的质量之间的差异可以在小于转子叶片的质量的10％、特别地小于5％的范围内。

注意到，当由称重装置的第一座接收转子叶片时，第一配重从地面抬起。

换句话说，当将转子叶片放置在称重装置上时，第一配重从地面完全抬起，并且然后由第一称重单元来量化仍作用在第一称重单元上的附加重量。

尽管称重装置的座原则上可具有与待测量的转子叶片的总长度类似的纵长延伸部，但是有利的是选择座的小于且有利地远小于转子叶片的总长度的纵向（即，纵长）延伸部。一般来说，只需要安全地定位和固定转子叶片即可。对这方面，通常只需要小于转子叶片的总长度的百分之几的长度。

在本发明的另一个实施例中，包括前缘区段和后缘区段的转子叶片被如此放置到称重装置的座中，以至于转子叶片的前缘区段面向称重装置的座。

这是有利的，因为通常转子叶片的前缘区段是相对圆形的，而后缘区段可以是特征为具有尖锐边缘并且会被小心谨慎地处理。特别地，一般不期望精巧的后缘支撑转子叶片的总重量。

在本发明的另一个实施例中，称重装置被构造成使得其被设计为一个整体系统，从而使得配重被集成并直接连接到座。替代地，座和配重可被设计成彼此分开。在后一种情况下，优点是，可以使用具有称重单元的常规座并且只对其添加配重部分。注意到，如果该实施例被实现，则称重单元本身可被替换，因为称重单元需要加以确定的重量是不同的。

在本发明的另一个实施例中，第一径向位置位于转子叶片的根部和如从根部测量的叶片长度的百分之二十之间。

有利的是，由于若干原因，第一径向位置紧紧靠近转子叶片的根部。首先，转子叶片的横截面在根部处典型地是圆形的，因此转子叶片可以齐整地放置到称重装置的第一座中。第二，与转子叶片的更外侧相比，可以在根部处更容易地实施提供对应的支撑机构以对准并支撑转子叶片到第一座中的放置。

关于第二径向位置（即，称重装置的第二单元所放置的位置），已证明：如从转子叶片的根部测量，在叶片长度的百分之六十和百分之八十之间的位置是有利的。这是由于以下事实所引起的：如果第二单元过多地放置在外侧（例如，在转子叶片的尖端区段处），则存在转子叶片垂下并接触地面而不是由第二座安全可靠地接收的风险。在这方面注意到，对于许多典型的转子叶片，重心在如从叶片的根部测量的叶片长度的四分之一和二分之一之间。

在本发明的另一个实施例中，选择第一配重的质量，使得第一配重的质量与重力加速度的乘积小于作用在第一称重单元上的第一重量的预期值。

有利地，称重装置包括第二配重，该第二配重被构造成减轻第二重量。

注意到，通过仅给一个称重单元（例如，第一称重单元）配备配重，就已经可以获得有利的和相关的效果。然而，通过还为第二称重单元提供配重（即，第二配重），可以获得重量测量的精度的甚至进一步提高。显然，第二配重的质量需要关于第二称重单元的预期“负载”（即，预期作用在第二称重单元上的重量）进行适配。

换句话说，选择第二配重的质量，使得第二配重的质量与重力加速度的乘积小于作用在第二称重单元上的第二重量的预期值。

在又一实施例中，第一配重的质量小于第二配重的质量，特别地小于第二配重的质量的百分之三十。

一般来说，上文所描述的称重装置适合于确定转子叶片的“性质”（即，特性或参数或测量量）。合适参数的示例是转子叶片的重量、质量或转矩。

假设称重单元（即，第一称重单元和第二称重单元）以牛顿为单位来分别测量作用在它们上的重量。

然后，通过简单地将作用在第一称重单元上的重量（即，第一重量）与作用在第二称重单元上的重量（即，第二重量）相加来确定转子叶片的重量。

转子叶片的质量也以简单且直接的方式被确定：要么，首先根据以上程序确定整个叶片的重量，且随后将计算出的重量除以重力加速度；要么，将第一重量除以重力加速度以便确定第一质量、将第二重量除以重力加速度以便确定第二质量，且随后将第一质量和第二质量相加在一起。

最后，本称重装置还可用于确定转子叶片的转矩。

如本领域技术人员所知，不能将转矩指派给像这样的转子叶片。转矩（也被称为矩或力矩）是旋转力，其可以通过物体的重量与其远离转动点的距离的（叉乘）乘积来表达。在风力涡轮机的转子叶片的情况下，将转矩指派给转子叶片是有意义的，因为转子叶片被指定安装到轮毂并且被指定绕旋转转子轴线旋转。

以简化的方式，确定在第一径向位置处的重量以及在第二径向位置处的重量。因此，为了借助于本发明的称重装置来确定风力涡轮机叶片的转矩，第一称重单元需要测量作用在其上的第一重量，第二称重单元需要测量第二重量，且随后两个重量需要乘以至风力涡轮机转子的（假定的）中心的相应距离。

有利地，将转子叶片以高精度（即，以关于其预定位置仅接受小于转子叶片的总长度的百分之0.1偏差的精度）放置到称重装置的第一座中。这意味着，在100米长的转子叶片的情况下，在转子叶片的定位期间的偏差有利地小于10厘米。

附图说明

现在借助附图仅通过示例来描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了目前技术水平的称重装置；

图2示出了根据目前技术水平的指定用于转子叶片的根部区段的座的详细视图；

图3示出了本发明的第一实施例中的称重装置；

图4示出了根据本发明的第二实施例的称重装置；以及

图5图示了风力涡轮机的前视图。

注意到，附图呈示意性形式。此外，类似或相同的元件可由相同的附图标记引用。

具体实施方式

在图1中，图示了根据目前技术水平的称重装置，其包括两个单元：第一径向位置r₁处的第一单元101和第二径向位置r₂处的第二单元102。称重装置被布置并准备以用于确定转子叶片20的重量。转子叶片20包括具有根部211的根部区段21和具有尖端221的尖端区段22。转子叶片20具有例如六十米的总长度R。此外，转子叶片20包括后缘区段23和前缘区段24。称重装置放置在地面32上。地面32可以是工厂大厅的地板，或者地面可以是室外，要么在制造转子叶片的现场，要么在任何其他地点处。

称重装置10放置在地面32上。第一单元101包括第一座11，并且第二单元102包括第二座111。第一座11的纵向延伸部33是小的，特别地显著小于转子叶片20的总长度R。座11的纵向延伸部R有利地仅仅长达确保在对转子叶片20进行称重期间由称重装置安全地接收转子叶片20并且转子叶片20的前缘区段24没有发生损坏。此外，称重装置10包括第一称重单元和第二称重单元，为清楚起见，图1中未示出这两个称重单元。这两个称重单元承载转子叶片20的全部重量，并量化作用在它们上的重量。基于测量到的重量，可例如计算转子叶片的质量或转矩。

最后，图1在转子叶片的重心COG中用符号表示作用在转子叶片上的（总）重量31，并且用符号表示作用在第一单元101上的第一重量311和作用在第二单元102上的第二重量312。

图2示出了图1的称重装置的各部分中的一个（即，第一单元101）的详细视图。它位于转子叶片20的根部区段21处，并且包括具有两个称重单元12的第一座11。第一座11被成形为具有一曲率，该曲率对应于转子叶片的叶片壳在相应的展向（纵长）位置处（即，在转子叶片20的根部区段21处）的曲率。在第一座11的两个边沿或边缘处，布置了一个第一称重单元12，并且然后每个第一称重单元12通过合适的构造连接到地面32。

图3示出了本发明的称重装置的第一实施例。其原理和抽象构造经初步观察与图1和图2中所示的现有技术的称重装置类似。称重装置还包括第一座11，该第一座被布置并准备以接收转子叶片20的前缘区段24。它甚至被布置并准备以用于接收转子叶片20的根部区段21。第一座11还连接并链接到第一称重单元12，该第一称重单元能够测量和量化作用在其上的第一重量311。

然而，附加地，具有三个铰链151、152、153的梁14以及第一配重13也连接到第一座11和第一称重单元12。第一铰链151（也被称为配重铰链151）将第一配重13连接到梁14。第二铰链152（被称为倾翻点铰链152）能够提供梁14相对于地面32的旋转运动。最后，第三铰链153（即，叶片铰链153）将第一座11与梁14连接。

在转子叶片20未被放置到第一座11中的情况下，第一配重13立在地面32上。选择第一配重13的质量，使得其代表如下的转矩，所述转矩安全地小于在将转子叶片20放置到第一座11中的情况下作用在第一座11上且特别地作用在第一称重单元12上的力或转矩。当然，这需要对转子叶片的预期质量和转矩有一定的了解。在实践中，对待测量的转子叶片的预期质量进行合理估计应是可行的，不存在重大问题。当转子叶片20被放置到第一座11中时，第一配重13从地面32抬起，并且然后剩余重量作用在第一称重单元12上。这允许显著提高第一称重单元12的精度。

如图4中示例性地所示的本发明的第二实施例呈现为：通过使用第一配重13来减轻作用在第一称重单元12上的第一重量31这一构思也可以通过使用完全分开的部分来实现。这具有如下优点：可在与所使用的现有技术的称重装置相比不作任何修正的情况下取用具有第一称重单元12的部分。同样，必须仔细选择第一配重13的第一质量，并且也需要仔细选择将转子叶片放置到第一座11中的位置。

最后，图5呈现了风力涡轮机40上的前视图，以便图示风力涡轮机的转子叶片所赋予的转矩。

风力涡轮机40包括塔架41。塔架41确保风力涡轮机40通过一端安全地且牢固地与地面32连接。塔架通过另一端与机舱（图5中不可见）连接。此外，风力涡轮机40包括带转子43的轮毂42。转子的旋转轴线基本上水平地对准（不过大多数风力涡轮机具有倾斜的转子，该转子在轮毂所位于的一端处稍微向上倾斜）。三个转子叶片20安装到轮毂42。每个转子叶片20具有长度R。因此，可以将安装到轮毂42的转子叶片20的转矩看作转子叶片20的重量分布的积分，其中，积分法是从转子中心到转子叶片的尖端进行的。

Claims

1.一种用于确定风力涡轮机（40）的转子叶片（20）的性质的称重装置，所述称重装置包括：

- 第一座（11），其用于在所述转子叶片（20）的第一径向位置（r₁）处接收所述转子叶片（20）；

- 第二座（111），其用于在所述转子叶片（20）的第二径向位置（r₂）处接收所述转子叶片（20），

- 第一称重单元（12），其用于量化作用在所述第一称重单元（12）上的第一重量（311），

- 第二称重单元（121），其用于量化作用在所述第二称重单元（121）上的第二重量（312），以及

- 第一配重（13），其被构造成减轻所述第一重量（311），

其中

- 当由所述称重装置的第一座（11）接收所述转子叶片（20）时，所述第一配重（13）从地面（32）抬起。

2.根据前述权利要求中任一项所述的称重装置，其中

- 所述转子叶片（20）包括前缘区段（24）和后缘区段（23），并且

- 所述转子叶片（20）被如此放置到所述称重装置的第一座（11）中，以至于所述转子叶片（20）的前缘区段（24）面向所述称重装置的第一座（11）。

3.根据前述权利要求中任一项所述的称重装置，其中，所述称重装置的第一座（11）的纵向延伸部（33）小于所述转子叶片（20）的长度（R）的百分之十，特别地小于所述转子叶片（20）的长度（R）的百分之五。

4.根据前述权利要求中任一项所述的称重装置，其中，所述第一径向位置（r₁）位于所述转子叶片（20）的根部（211）和如从所述根部（211）测量的所述叶片长度（R）的百分之二十之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的称重装置，其中，所述第二径向位置（r₂）位于如从所述转子叶片（20）的根部（211）测量的所述叶片长度（R）的百分之六十和百分之八十之间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的称重装置，其中

- 选择所述第一配重（13）的质量，使得所述第一配重（13）的质量与重力加速度的乘积小于作用在所述第一称重单元（12）上的所述第一重量（311）的预期值。

7.根据前述权利要求中任一项所述的称重装置，其中，所述称重装置包括第二配重（131），所述第二配重被构造成减轻所述第二重量（312）。

8.根据权利要求7所述的称重装置，

其中

- 选择所述第二配重（131）的质量，使得所述第二配重（131）的质量与重力加速度的乘积小于作用在所述第二称重单元（121）上的所述第二重量（312）的预期值。

9.根据权利要求7或8中任一项所述的称重装置，其中，所述第一配重（13）的质量小于所述第二配重（131）的质量，特别地小于所述第二配重（131）的质量的百分之三十。

10.一种借助于根据前述权利要求中任一项所述的称重装置来确定风力涡轮机（40）的转子叶片（20）的重量（31）的方法，其中，通过将测量到的第一重量（311）与测量到的第二重量（312）相加来确定所述转子叶片（20）的所述重量（31）。

11.一种借助于根据权利要求1至9中任一项所述的称重装置来确定风力涡轮机（40）的转子叶片（20）的质量的方法，其中

- 根据权利要求10来确定所述转子叶片（20）的重量（31），且随后将所述重量（31）除以重力加速度，或者

- 将所述第一重量（311）除以重力加速度以确定第一质量、将所述第二重量（312）除以重力加速度以确定第二质量，且随后将所述第一质量和所述第二质量相加在一起。

12.一种确定风力涡轮机（40）的转子叶片（20）在所述转子叶片（20）经由所述转子叶片（20）的根部（211）可旋转地安装到所述风力涡轮机（40）的转子的情况下的转矩的方法，其中，通过将以下两者相加来确定所述转子叶片（20）的转矩：

- 所述第一重量（311）与所述第一径向位置（r₁）到所述转子的中心的距离的乘积，与

- 所述第二重量（312）与所述第二径向位置（r₂）到所述转子的中心的距离的乘积。

13.根据权利要求12所述的确定转矩的方法，其中，在第一步骤中，所述转子叶片（20）在预定位置处被放置到所述称重装置的第一座（11）中。

14.根据权利要求13所述的方法，

其中，所述转子叶片（20）在所述称重装置的第一座（11）中的实际位置从所述转子叶片（20）的预定位置沿纵长方向偏离小于所述转子叶片（20）的长度（R）的百分之0.5，特别地小于所述转子叶片（20）的长度（R）的百分之0.1。