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GEBIET DER ERFINDUNG
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Der vorliegende Erfindungsgegenstand betrifft allgemein Windkraftanlagenblätter und insbesondere Windkraftanlagen-Rotorblätter mit darin eingebauten Drucksensoren.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Messung des dynamischen Druckes der Luftströmung über einem Windkraftanlagenblatt ist aus verschiedenen Gründen nützlich, wie z. B. als eine Anzeige für das Blattleistungsverhalten, die Anstellwinkelsteuerung, Laststeuerung, Strömungsabrisserkennung usw. Die US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2010/0021296 beschreibt die Verwendung mehrerer auf der Saugseite und Druckseite eines Windkraftanlagenblattes angeordneter Drucksensoren, um den Angriffswinkel des auf das Blatt einwirkenden Windes zu ermitteln. Die Angriffswinkelmessung wird zur Einstellung des Anstellwinkels des Blattes zum Optimieren der Windkraftanlagenleistung verwendet.
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Herkömmliche mechanische Drucksensoren haben im allgemeinen Nachteile für die Verwendung auf Windkraftanlagenblättern. Beispielsweise erfordern Piezo/Dehnmessstreifenbasierte Drucksensoren, die eine Membrane zum Messen der druckinduzierten Spannung und Dehnung erfordern, im Wesentlichen ziemlich große Kanäle oder Durchdringungen in der Blattstruktur, um die Membranpackung aufzunehmen. Dieses verkompliziert den Blattaufbauvorgang. Außerdem muss bei derartigen Instrumenten der Druck typischerweise in die Sensormembrane durch eine Düse und ein Rohr eingeführt werden, was bewirkt, dass die Richtungsabhängigkeit der Druckmessung weiter eingeschränkt wird. Jede Struktur, die sich über der Außenoberfläche des Blattes erstreckt, hat auch die Tendenz, das aerodynamische Verhalten des Blattes nachteilig zu beeinflussen.
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Demzufolge besteht ein Bedarf nach einem vereinfachten Einbau eines zuverlässigen und aerodynamischen Drucksensors in Windkraftanlagenblättern, der die Integrität und das fluiddynamische Verhalten des Blattes nicht nachteilig beeinflusst.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aspekte und Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der nachstehenden Beschreibung dargestellt oder können aus der Beschreibung ersichtlich sein oder durch die praktische Ausführung der Erfindung erkannt werden.
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In einem Aspekt ist ein Windkraftanlagenblatt mit einem Saugseitenschalenelement und einem Druckseitenschalenelement geschaffen. Die Schalenelemente sind entlang einer Vorder- und Hinterkante von einem Fuß bis zu einer Spitze des Blattes verbunden und definieren einen Innenhohlraum des Blattes. Ein Drucksensor ist auf wenigstens einem von dem Saugseiten- und dem Druckseitenschalenelement eingerichtet. Drucksensoren können in jedem beliebigen Muster sowohl auf dem Druckals auch auf dem Saugseitenelement vorgesehen sein. Der Drucksensor enthält einen auf einer Innenoberfläche des entsprechenden Schalenelementes in dem Innenhohlraum montierten Körper. Der Drucksensor enthält ein Messelement mit einer ersten Seite, die durch einen Durchlass in dem entsprechenden Schalenelement einem Außenluftdruck ausgesetzt ist, und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, die einem stabilen Bezugsdruck ausgesetzt ist. Eine Steuerschaltung innerhalb des Körpers erzeugt ein variables Ausgangssignal in Abhängigkeit von einer von dem Messelement erfassten Druckdifferenz.
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In einer speziellen Ausführungsform enthält der Drucksensor ein rohrförmiges Element, das sich von dem Körper in den Durchlass in dem entsprechenden Schalenelement erstreckt. Der Durchlass kann in dem Schalenelement vorgeformt (z. B. spritzgeformt oder geschnitten) sein. Das rohrförmige Element hat ein über den Durchlass mit dem Außenluftdruck in Fluidverbindung stehendes offenes Ende. Das offene Ende kann sich so erstrecken, dass es zu der Außenoberfläche des Schalenelementes im Wesentlichen bündig ist. Das Messelement kann innerhalb des rohrförmigen Elementes angeordnet sein.
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Der Bezugsdruck kann dem Messelement mittels verschiedener Einrichtungen zugeführt werden. Beispielsweise kann der Drucksensor eine Bezugsdruckleitung haben, die sich von dem Körper aus erstreckt und mit der gegenüberliegenden zweiten Seite des Messelementes durch den Sensorkörper hindurch in Fluidverbindung steht. Die Bezugsdruckleitung kann mit der Umgebungsluft in dem Innenhohlraum in Fluidverbindung stehen, wodurch der Bezugsdruck die Umgebungsluft in dem Innenhohlraum ist. In einer speziellen Ausführungsform kann jeder einzelne Drucksensor eine Bezugsdruckleitung in der Form eines Rohres mit einem Ende haben, das zu dem Innenhohlraum hin offen ist. In einer alternativen Ausführungsform können Bezugsdruckleitungen von mehreren Differenzdrucksensoren mit einem gemeinsamen Sammler verbunden sein, der wiederum zu dem Innenhohlraum des Blattes hin offen ist.
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In einer alternativen Ausführungsform steht die Bezugsdruckleitung mit dem Außenluftdruck an dem gegenüberliegenden Schalenelement dergestalt in Fluidverbindung, dass der Bezugsdruck der auf das gegenüberliegende Schalenelement einwirkende Außenluftdruck ist.
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Die Drucksensoren können mit einer Steuerung über irgendeine geeignete drahtgebundene oder drahtlose Einrichtung in Verbindung stehen, wobei die Steuerung das Ausgangssignal zur Steuerung oder Messung eines Windkraftanlagen-Parameters, wie z. B. zu einer Laststeuerung, Anstellwinkelsteuerung, Strömungsabrisserkennung usw., verwendet. In einer Ausführungsform, in welcher das Blatt mehrere Drucksensoren enthält, kann ein Datenakquisitionsterminal in das Blatt eingebaut werden und zum Sammeln/Verarbeiten der Signale aus den Sensoren und zum Übertragen der Signale an die Windkraftanlagensteuerung verwendet werden.
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Mehrere Drucksensoren können in einem vorbestimmten Muster auf nur einem oder sowohl auf dem Saugseitenals auch dem Druckseitenschalenelement angeordnet sein. Dieses Muster kann theoretisch abgeleitet, berechnet oder empirisch bestimmt werden, um optimale Drucksignale und Steuerparameter zu erzeugen. Beispielsweise können die Drucksensoren in mehreren (in der Längsrichtung des Blattes) beabstandeten vollen Sehnenspannen von dem Fuß bis zu der Spitze des Blattes auf jedem von den Saugseiten- und Druckseitenschalenelementen angeordnet sein. Alternativ können die Sensoren in mehreren beabstandeten vollen Sehnenspannen eingerichtet sein, die über einen von einem 1/3-Axialabschnitt, einem mittigen 1/3-Axialabschnitt und einem äußeren 1/3-Axialabschnitt des Blattes (einschließlich eines Spitzenabschnittes) verteilt sind.
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In noch weiteren Ausführungsformen können die Drucksensoren in mehreren beabstandeten Teilsehnenspannen entlang des Blattes angeordnet sein. Beispielsweise können die Teilsehnenspannen an entweder der Hinterkante oder der Vorderkante eines einzelnen entsprechenden Blattelementes, an entweder der Hinterkante oder der Vorderkante beider entsprechender Schalenelemente oder an der Hinterkante und der Vorderkante beider entsprechender Schalenelemente eingerichtet sein.
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Die Erfindung umfasst auch eine Windkraftanlage mit einem oder mehreren Windkraftanlagenblättern, die mit Drucksensoren, wie hierin beschrieben, eingerichtet sind.
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Die Erfindung umfasst auch verschiedene Verfahrensausführungsformen zum Messen des Druckes von über ein Windkraftanlagenblatt strömender Luft. Spezielle Verfahrensausführungsformen beinhalten ein Definieren eines Durchlasses durch ein Saugseiten- oder Druckseitenschalenelement und Anordnen eines Drucksensors in Fluidverbindung mit dem Durchlass, so dass sich kein Teil des Drucksensors auf eine Außenoberfläche des Schalenelementes erstreckt. Eine erste Seite eines Messelementes des Drucksensors ist über den Durchlass einem Außenluftdruck ausgesetzt und eine zweite gegenüberliegende Seite des Messelementes ist einem Bezugsdruck ausgesetzt, welcher stationäre Luft in einem Innenhohlraum des Blattes oder der auf das gegenüberliegende Schalenelement einwirkende Außenluftdruck sein kann. Ein Ausgangssignal wird von dem Drucksensor erzeugt, das den Außenluftdruck anzeigt.
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In speziellen Verfahrensausführungsformen wird ein Körper des Drucksensors auf einer Innenoberfläche des Schalenelementes über dem Durchlass montiert und das Messelement innerhalb des Durchlasses angeordnet. Beispielsweise kann das Messelement innerhalb eines Rohres eingerichtet sein, das sich in den Durchlass hinein erstreckt.
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Die Verfahrensausführungsformen können ferner ein Anordnen mehrerer der Drucksensoren in einem definierten Muster auf nur einer oder sowohl auf der Saugseite als auch der Druckseite des Blattes abhängig von den speziellen Bereichen des wunschgemäß zu überwachenden Blattes beinhalten.
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verständlich. Die beigefügten Zeichnungen, welche in dieser Offenbarung enthalten sind und einen Teil davon bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine umfassende und befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich ihrer besten Ausführungsart, die an den Fachmann gerichtet ist, ist nachstehend in der Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren dargelegt, in welchen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage mit einem oder mehreren Blättern gemäß Aspekten der Erfindung darstellt;
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2 eine schematische Ansicht der Saug- und Druckseiten eines exemplarischen Windkraftanlagenblattes zeigt, die die Platzierung von Drucksensoren veranschaulicht;
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3–6 verschiedene Platzierungsausführungsformen von Sehnenspannen von Drucksensoren auf Windkraftanlagenblättern veranschaulichen;
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7 eine weggeschnittene Seitenansicht eines Windkraftanlagenblattes mit Drucksensoren in einem Strömungsabrisszustand zeigt;
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8 und 9 Seitenschnittansichten von Ausführungsformen von Teilsehnenspannen von Drucksensoren auf Windkraftanlagenblättern zeigen;
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10 eine perspektivische Ansicht von Ausführungsformen von Differenzdrucksensoren zeigt;
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11 eine weggeschnittene Seitenansicht eines in einem Schalenelement montierten Differenzdrucksensors zeigt;
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12 eine Seitenschnittansicht eines Windkraftanlagenblattes mit gemeinsamen Bezugsdrucksammlern für die Differenzdrucksensoren zeigt;
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13 eine Seitenschnittansicht eines Windkraftanlagenblattes mit einer alternativen Ausführungsform von gemeinsamen Bezugsdrucksammlern für die Differenzdrucksensoren zeigt;
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14 eine Seitenschnittansicht eines Windkraftanlagenblattes mit individuellen Bezugsdruckleitungen für die jeweiligen Differenzdrucksensoren zeigt;
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15 eine Seitenschnittansicht einer alternativen Ausführungsform eines Windkraftanlagenblattes mit entsprechenden Differenzdrucksensoren auf der Druck- und der Saugseite zeigt, die einen Bezugsdruck von der gegenüberliegenden Blattseite aufnehmen; und
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16 eine Seitenschnittansicht einer Ausführungsform ähnlich der von 15 zeigt, wobei sich die Differenzdrucksensoren einen gemeinsamen Sammler teilen, der mit der gegenüberliegenden äußeren Blattseite in Fluidverbindung steht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wird nun im Detail auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, wovon ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen dargestellt sind. Jedes Beispiel wird im Rahmen einer Erläuterung der Erfindung und nicht einer Einschränkung der Erfindung gegeben. Tatsächlich wird es für den Fachmann ersichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Varianten an der vorliegenden Erfindung ohne Abweichung von dem Schutzumfang oder Erfindungsgedanken der Erfindung vorgenommen werden können. Beispielsweise können als Teil einer Ausführungsform dargestellte oder beschriebene Merkmale bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung zu ergeben. Somit soll die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Varianten umfassen, soweit sie in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren äquivalente fallen.
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Bezugnehmend auf die Zeichnungen stellt 1 eine perspektivische Ansicht einer Horizontalachsen-Windkraftanlage 10 dar. Es dürfte erkennbar sein, dass die Windkraftanlage 100 eine Vertikalachsen- Windkraftanlage sein kann. Die Windkraftanlage 10 enthält einen Turm 12, eine auf dem Turm 12 montierte Gondel 14 und eine Rotornabe 18, die mit einem Generator in der Gondel 14 über eine Antriebswelle und ein Getriebe verbunden ist. Der Turm 12 kann aus einem Stahlrohr oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein. Die Rotornabe 18 enthält ein oder mehrere damit verbundene und sich radial von Nabe 18 weg erstreckende Blätter 16. Die Blätter 16 können im Wesentlichen jede geeignete axiale Länge haben, die die Funktion der Windkraftanlage gemäß den Auslegungskriterien ermöglicht. Beispielsweise können die Blätter eine Länge in dem Bereich von ca. 15 Metern (m) bis ca. 91 m haben. Die Blätter bringen die Rotornabe 18 zum Drehen, um die Umsetzung kinetischer Energie aus dem Wind in nutzbare mechanische Energie und anschließend in elektrische Energie zu ermöglichen.
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Bezugnehmend auf 2 enthält jedes von den Blättern 16 Schalenelemente 22, 26, die an einer Vorderkante 28 und einer Hinterkante 30 miteinander verbunden sind. Die Schalenelemente 22, 26 definieren einen Innenhohlraum 40 (7) des Blattes. Das Schalenelement 22 definiert die Saugseite 20 des Blattes 16, und das Schalenelement 26 definiert die Druckseite 24. Jedes Blatt 16 enthält eine Längsachse 104, die sich zwischen einem Fußabschnitt 32 und einem Spitzenabschnitt 34 erstreckt. Irgendeine Art einer inneren Stützstruktur, wie z. B. ein Holmsteg 36 und Holmgurte 38 (12), befindet sich innerhalb des Innenhohlraums 40 des Blattes 16.
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Gemäß Darstellung in 1 kann die Windkraftanlage 10 ferner eine Windkraftanlagensteuerung oder ein Steuerungssystem 78 enthalten, die bzw. das in der Gondel 14 oder an irgendeiner beliebigen Stelle an oder in der Windkraftanlage 10 oder im Wesentlichen an einem beliebigen anderen geeigneten Ort angeordnet sein kann. Die Steuerung 78 kann geeignete Prozessoren und/oder eine andere Verarbeitungsfunktionalität enthalten, die dafür eingerichtet ist, irgendeine Art von Steuerungs- und Überwachungsfunktion in Verbindung mit der Windkraftanlage 10 auszuführen. Beispielsweise kann die Steuerung 78 als ein Computer oder eine andere zentrale Verarbeitungseinheit mit verschiedenen Eingangs-/Ausgangskanälen und/oder Vorrichtungen für die Entgegennahme von Eingangssignalen von Sensoren (insbesondere den hierin beschriebenen Drucksensoren) und anderen Messvorrichtungen und zum Senden von Steuersignale an verschiedene Komponenten der Windkraftanlage konfiguriert sein. Durch Ausführen von Steuerungsbefehlen kann die Steuerung 78 dafür eingerichtet sein, die verschiedenen Betriebsmodi der Windkraftanlage 10 (z. B. Anfahr- oder Herunterfahr-Sequenzen) zu steuern. Die Steuerung 78 kann auch dafür eingerichtet sein, die Blattanstellung oder den Anstellwinkel von jedem der Blätter 16 zu steuern, um die Last und die von der Windkraftanlage 10 erzeugte Leistung durch Übertragen geeigneter Steuersignale an einen Anstellantrieb oder ein Anstellwinkeleinstellsystem innerhalb der Gondel 14 zu steuern. Ferner kann, wenn sich die Windrichtung ändert, die Steuerung 78 dafür eingerichtet sein, die Position der Gondel 14 in Bezug auf eine Gierachse über einen Gierachsen-Antriebsmechanismus in der Gondel 14 zu steuern, um die Rotorblätter 16 in Bezug auf die Windrichtung zu positionieren.
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Es dürfte erkennbar sein, dass die Erfindung auf keinerlei spezielle Anwendung der Funktionalität in Verbindung mit den durch die Drucksensoren 52 erzeugten Signale beschränkt ist. Beispielsweise kann jede Art eines Aktuators einer aerodynamische Steuerfläche, einschließlich eines Spoilers, eines Winglets, anwendbaren Wirbelgeneratoren, betätigbarer Öffnungen in der Blattoberfläche usw., in Abhängigkeit von den Signalen aus den Drucksensoren 52 gesteuert werden.
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Weiterhin bezugnehmend auf 1 enthält jedes der Blätter 16 mehrere (nachstehend detaillierter beschriebene) Drucksensoren 52, die in einem vorbestimmten Muster darauf eingerichtet sind. Die Drucksensoren 52 können funktionell auf entweder der Saugseite 20 oder der Druckseite 24 (2) des Blattes 16 oder sowohl auf der Saug- als auch auf der Druckseite 20, 24 angeordnet sein. Alternativ können weniger als alle Blätter 16 mit den Drucksensoren 52 eingerichtet sein. Die Drucksensoren 52 liefern entsprechende Signale, die den über die Oberfläche des Blattes in der Nähe des Sensors 52 strömenden Außenluftdruck anzeigen. Beispielsweise ist, bezugnehmend auf 7, ein Blatt 16 in einem einfallenden Luftstrom 90 dargestellt, der auf die Vorderkante 28 des Blattes auftrifft und um die Saugseite 20 und die Druckseite 24 des Blattes herum strömt. Das Blatt 16 ist unter einem beträchtlichen Angriffswinkel (AOA) in Bezug auf den einfallenden Luftstrom 90 angeordnet, so dass sich das Blatt 16 in einem Strömungsabrisszustand befindet. Eine glatte Luftströmung 92 strömt entlang der Druckseite 24, aber eine Strömungsablösung 94 wird in der Luftströmung über der Saugseite 20 erzeugt, was eine turbulente Wirbelschleppe 96 hervorruft. Mehrere Drucksensoren 52 sind in einer Sehnenspanne auf der Saug- 20 bzw. Druckseite 24 angeordnet. Druckmesswerte von den Sensoren 52 können durch die Steuerung 78 verwendet werden, um den Strömungsabrisszustand zu diagnostizieren oder um das Blatt zur Verhinderung eines Strömungsabrisszustandes oder für irgendeine andere Art von Steuerungsfunktion im Zusammenhang mit dem aerodynamischen Verhalten des Blattes 18 zu steuern, beispielsweise um die Last zu reduzieren oder sogar um den Rotor 18 zu bremsen.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 1 können die mehreren Drucksensoren 52 mit der Steuerung 78 über jede geeignete drahtgebundene oder drahtlose Übertragungseinrichtung in Kommunikationsverbindung stehen. In den dargestellten Ausführungsformen haben die Sensoren 52 individuelle Signalleiter 80, die eine Verbindung zu jedem geeigneten Leiter 82 in, auf, oder an dem Blatt 16 angebracht herstellen. Beispielsweise kann in Ausführungsformen, in welchen die Drucksensoren 52 faseroptische Dehnungssensoren sind, der Leiter 82 ein Bündel von Sensorkabeln sein, die in dem Blatt oder in einem an dem Blatt angebrachten Einsatz, wie beispielsweise einem Hinterkanteneinsatz, angeordnet sind. Die Signalleiter 80 können durch Drähte (einschließlich faseroptischer Kabel) definiert sein, die auf der Blattoberfläche verlegt oder in dem Blatt eingebettet sind, wobei die Drähte (z. B. mit einzelnen Adern) mit dem Leiter 82 entlang der Hinterkante 30 verbunden sind. Alternativ können die einzelnen Leiter 80 von den mehreren Sensoren 52 in einem Drahtbündel kombiniert sein, das in Längsrichtung innerhalb des Blattes verläuft.
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Der Leiter 82 kann wiederum mit einem Datenakquisitionsterminal (DAT) 84 in Verbindung stehen, das permanent in dem Blatt 16 montiert sein kann. Das DAT 84 kann die Signale drahtlos (in jeder geeigneten Signalform) an die Steuerung 78 oder über eine drahtgebundene Übertragung durch einen Leiter 86 und eine Schleifringkonstruktion oder irgendeinem anderen geeigneten leitenden Übertragungspfad übertragen. Das DAT kann die Signale von den Drucksensoren 52 vor der Übertragung an die Steuerung 78 verarbeiten und kann Daten zum späteren Herunterladen zu der Steuerung 78 oder für ein Test/Diagnose-Gerät speichern.
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10 und 11 veranschaulichen eine spezielle Ausführungsform eines Drucksensors 52, der in dem Windkraftanlagenblatt 16 gemäß Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann. In dieser Ausführungsform sind die Drucksensoren 52 Differenzdrucksensoren, die einen Körper 54 enthalten, in welchem jede Kombination der Funktions- und Steuerungskomponenten des Sensors 52 untergebracht sind. Das Gehäuse ist nur für Darstellungszwecke als ein zylindrisches Element dargestellt. Der Körper 54 kann zur Befestigung an einer Innenoberfläche 46 in dem Innenhohlraum 40 des Blattes 16 des Saug- oder Druckseitenschalenelementes 22, 26 mittels jeder geeigneten Befestigungseinrichtung, einschließlich einer geeigneten Kleberverbindung oder eines anderen Materials 42, eingerichtet sein. Der Sensor 52 enthält ein Differenzdruckmesselement 56 mit einer ersten Seite 58, die einem Außenluftdruck ausgesetzt ist, und einer zweiten Seite 60, die einem stabilen Bezugsdruck ausgesetzt ist. In der dargestellten Ausführungsform ist die erste Seite 58 über einen durch das Schalenelement 22, 26 definierten Durchlass 50 dem Außenluftdruck ausgesetzt. Beispielsweise kann das Messelement 56 funktionell in einem rohrförmigen Element 68 angeordnet sein, das in den Durchlass 50 eingeführt ist. In einer speziellen Ausführungsform hat das rohrförmige Element 68 eine axiale Länge mit einem offenen Ende 70, so dass es sich im Wesentlichen vollständig durch das Schalenelement 22, 26 erstreckt, wobei das offene Ende 70 zu der Außenoberfläche 48 des Schalenelementes 22, 26 im Wesentlichen bündig abschließt. Jede Art von geeignetem Kleberverbund- oder Füllmaterial 42 kann dazu genutzt werden, eine Abdichtung um das rohrförmige Element 68 herum an der Außenoberfläche 48 oder entlang der gesamten axialen Länge des rohrförmigen Elementes 68 innerhalb des Durchlasses 50 zu schaffen. Gemäß Darstellung in 11 hat der ankommende Luftstrom 90, der über die Außenoberfläche 48 des Schalenelementes 22, 26 strömt, einen Luftdruck, der gegen die erste Seite 58 des Messelementes 56, wie durch den Pfeil 91 in 11 dargestellt, wirkt.
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Der Durchlass 50 kann auch mit einem witterungsbeständigen Material gefüllt sein, um das Druckmesselement 56 zu schützen. Dieses Material würde ein im Wesentlichen nicht komprimierbares Druckübertragungsmedium, wie z. B. ein Silikonbasiertes Material, sein.
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Die zweite Seite 60 des Messelementes 56 ist einem stabilen Bezugsdruck ausgesetzt. In der dargestellten Ausführungsform steht die zweite Seite 60 über eine Bezugsdruckleitung 72 mit der Umgebungsluft in dem Innenhohlraum 40 des Blattes in Fluidverbindung. In der dargestellten Ausführungsform kann diese Leitung 72 durch ein Rohr 74 definiert sein, das sich von dem Körper 54 aus erstreckt und ein Ende hat, das zu dem Innenhohlraum 40 hin offen ist. Das Rohr 74 hat ein gegenüberliegendes Ende, das zu dem Körper 54 hin so offen ist, dass sich der Innenhohlraum des Körpers 54 unter dem Umgebungsluftdruck in dem Innenhohlraum 40 befindet, wie in 11 dargestellt. Das gegenüberliegende Ende 71 des rohrförmigen Elementes 68 steht auch mit dem Innenraum des Körpers 54 in Fluidverbindung, und somit ist die zweite Seite 60 des Messelementes 56 demselben Umgebungsluftdruck ausgesetzt.
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Es dürfte leicht erkennbar sein, dass die in den 10 und 11 dargestellte Ausgestaltung nur eine von einer beliebigen Anzahl geeigneter Ausgestaltungen ist, die dazu genutzt werden können, einen stabilen Bezugsdruck zu dem Messelement 56 zu liefern, während gleichzeitig das Messelement 56 dem Außenluftdruck ausgesetzt ist. Die Erfindung ist nicht auf die in den 10 und 11 dargestellte spezielle Ausgestaltung des Drucksensors 52 beschränkt.
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In verschiedenen Ausführungsformen arbeitet der Drucksensor
52 als ein Differenzdruckdehnungsdetektor, wobei die auf das Messelement
56 induzierte Dehnung als eine Folge der Druckdifferenz zwischen dem Außendruck und dem stabilen Innendruck detektiert und dazu genutzt wird, ein entsprechendes Signal zu erzeugen, das den Außenluftdruck anzeigt. In einer speziellen Ausführungsform kann der Sensor
52 ein faseroptischer Dehnspannungsdetektor sein. Die Verwendung von optischen Fasern zum Detektieren der Dehnspannung in Elementen aufgrund eines an das Element angelegten Druckes ist im Fachgebiet bekannt und braucht hierin nicht im Detail beschrieben zu werden. Es wird auf die
US-Patentschrift Nr. 7,159,468 für eine Beschreibung verschiedener Ausführungsformen eines faseroptischen Differenzdrucksensors Bezug genommen, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
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In weiteren alternativen Ausführungsformen kann der Drucksensor 52 einen piezo-resistiven Druckwandler enthalten, wobei das Messelement 56 ein piezo-resistives Siliziumelement ist, das in dem rohrförmigen Element 68 befestigt und dichtend eingeschlossen ist. Eine Leitung 64 verbindet die piezo-resistive Messkomponente 56 mit einer Steuerschaltung 62 in dem Körper 54. Das Messelement 56 kann eine elektrische Wheatstone-Brückenschaltung enthalten, die ein resistives Signal über die Leitung 64 an die Steuerschaltung 62 in Abhängigkeit von der auf das Messelement 56 als eine Folge der Differenzdrücke zwischen dem Außenluftdruck und dem stabilen Bezugsdruck auf der gegenüberliegenden Seite des Messelementes 56 hervorgerufenen Dehnung erzeugt und überträgt. Die Steuerschaltung 62 erzeugt ein Ausgangssignal, das über den Signalleiter 80 übertragen wird, wie vorstehend erläutert.
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Piezo-resistive Dehnungsdetektoren, die in einem Drucksensor 52 gemäß den vorstehend erläuterten Aspekten verwendet werden können, sind von Kunshan Shuanggiao Sensor Measurement Controlling Co., Ltd. aus China erhältlich.
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In alternativen Ausführungsformen kann der Differenzdrucksensor 52 ein Thermo-Anemometer-Mikroströmungssensor sein. Diese Typen von Vorrichtungen werden im Allgemeinen für eine genaue Messung niedriger Differenzdrücke verwendet. Beispiele dieser Typen von Sensoren sind im Handel von Microbridge Technologies Canada, Inc. erhältlich.
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Es dürfte erkennbar sein, dass die Drucksensoren 52 gemäß Aspekten der Erfindung auf keinerlei spezielles Betriebsprinzip beschränkt sind. Die Sensoren 52 sind in bestimmten Ausführungsformen Differenzdrucksensoren mit einem Detektionsbereich und einer Genauigkeit, die für eine Windkraftanlagen-Außenluftdruckmessung, wie hierin erläutert, geeignet ist. Andere Arten von Messprinzipien, einschließlich Strömungssensoren, LVDT-(linearer variabler Differentialtransformator)-Detektoren, elektromagnetischer Sensoren usw., können ebenfalls verwendet werden.
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Wie vorstehend erläutert, kann ein Windkraftanlagenblatt 16 gemäß Aspekten der Erfindung mehrere Drucksensoren 52 enthalten, die in einem vorbestimmten Muster auf nur einer oder beiden von der Saugseite 20 und der Druckseite 24 des Blattes angeordnet sind. In 2 sind die Saugseite 20 und die Druckseite 24 eines Blattes für ein Blatt 16 dargestellt, das eine durch die teilungsmarkierte Bezugslinie 98 angezeigte Gesamtlänge aufweist. In dieser speziellen Ausführungsform ist eine volle Sehnenspanne 100 der Drucksensoren 52 an vier verschiedenen Stellen entlang der Längsachse 104 des Blattes angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist eine erste Sehnenspanne 104 bei 14 Metern (m) von dem Fuß 32 angeordnet. Die nächste Sehnenspanne 100 ist bei 21 m angeordnet. Die dritte Sehnenspanne 100 ist bei 28 m angeordnet. Die letzte Sehnenspanne 100 ist bei 33 m von dem Fuß 32 angeordnet. Jede von den Sehnenspannen 100 ist in einem Winkelversatz in Bezug auf die Sehnenachse 102 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform beträgt dieser Versatz in etwa 15 Grad, wie in 2 dargestellt. Es dürfte leicht erkennbar sein, dass die Lage der Sehnenspannen 100 entlang der Längsachse 104 abhängig von der Blattgröße, der Ausgestaltung, dem aerodynamischen Profil und dergleichen variieren kann. Die Sehnenspannen 100 können an verschiedenen Positionen oder Stellen auf dem Blatt 16 angeordnet sein, die von speziellem Interesse für die Außendrucküberwachung sind. Es dürfte auch erkennbar sein, dass die Sehnenspannen 100 auf keine spezielle Anordnung oder kein spezielles Muster von Sensoren 52 in der entsprechenden Spanne beschränkt sind.
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In der Ausführungsform nach 2 werden die Sehnenspannen 100 insofern als ”voll” betrachtet, als jede Spanne 100 mehrere von den Drucksensoren enthält, die so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen den Druck von der Vorderkante 28 zu der Hinterkante 30 der entsprechenden Blattoberfläche 20, 24 überwachen. Die Vollsehnenspannen 100 können über definierte Abschnitte des Blattes 16 verteilt sein. Beispielsweise sind in der Ausführungsform nach 3 die Sehnenspannen 100 entlang eines Längsabschnitts 106 im Abstand angeordnet, der dem äußeren (an die Spitze 34 angrenzenden) Drittel-Axialabschnitt des Blattes 16 entspricht. In der Ausführungsform nach 4 ist der Längsabschnitt 106 hauptsächlich an der Spitze 34 des Blattes konzentriert.
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In der Ausführungsform nach 5 ist der Längsabschnitt 106 der Sehnenspannen über dem inneren Drittel-Axialabschnitt des Blattes 16 verteilt.
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In der Ausführungsform nach 6 ist der Längsabschnitt 106 der Sehnenspannen 100 über dem mittigen Drittel-Axialabschnitt des Blattes 16 verteilt. Es dürfte erkennbar sein, dass ein Längsabschnitt 106 jede beliebige Verteilung von Sehnenspannen 100 in dem Abschnitt enthält. Beispielsweise ist ein innerer Viertel-Axialabschnitt des Blattes von dem Drittel-Axialabschnitt umfasst. Ebenso ist der in 4 dargestellte Blattspitzenlängsabschnitt 106 in dem äußeren Drittel-Axialabschnitt von 3 eingeschossen.
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Die Drucksensoren 52 können auch auf der Blattoberfläche in weniger als vollen Sehnenspannen 100 verteilt sein. Beispielsweise sind, bezugnehmend auf 8 und 9, teilweise Sehnenspannen 100 dargestellt. In der Ausführungsform nach 8 ist eine Teilsehnenspanne an der Vorderkante 28 des Saugseitenschalenelementes 22 eingerichtet. Eine zusätzliche Teilsehnenspanne 100 ist an der Hinterkante 30 des Druckseitenschalenelementes 26 eingerichtet. Es dürfte erkennbar sein, dass die Teilsehnenspannen verschiedentlich positioniert sein können. Beispielsweise könnte die Anordnung in 8 so umgekehrt sein, dass die Vorderkanten-Teilsehnenspanne auf dem Druckseitenschalenelement 26 eingerichtet ist, während die Hinterkantenspanne 100 auf dem Saugseitenschalenelement 22 eingerichtet ist. Ebenso können, bezugnehmend auf 9, die Vorderkanten-Teilsehnenspannen 100 an der Vorderkante 28 beider Schalenelemente 22, 26 und an der Hinterkante 30 beider Schalenelemente eingerichtet sein.
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12–14 stellen verschiedene Ausgestaltungen zur Zuführung des stabilen Bezugsdruckes zu den einzelnen Drucksensoren 52 dar. In der Ausführungsform nach 12 teilen sich die an der Vorderkante des Schalenelementes 22 angeordneten Drucksensoren 52 eine gemeinsame Sammelleitung 16, die zu dem Innenhohlraum 40 hin offen ist. Ebenso teilen sich die Drucksensoren 52 auf dem Schalenelement 22 näher an der Hinterkante eine andere gemeinsame Bezugssammelleitung 76. Die Sensoren 52 entlang des gegenüberliegenden Schalenelementes 26 haben ebenfalls andere unterschiedliche jeweilige gemeinsame Bezugssammelleitungen 76. Die gemeinsamen Bezugssammler 76 führen aus strukturellen und Fertigungsüberlegungen heraus nicht durch den Holmsteg 36 hindurch.
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In der Ausführungsform nach 13 teilen sich alle von den Drucksensoren 52 auf einer Seite des Holmstegs 36 einen gemeinsamen Bezugssammler 76, während sich alle Drucksensoren 52 auf der gegenüberliegenden Seite des Holmstegs 36 eine anderen entsprechenden gemeinsamen Sammler 76 teilen.
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In der Ausführungsform nach 14 enthält jeder von den einzelnen Drucksensoren 52 eine individuelle Bezugsdruckleitung 72, die, wie vorstehend erläutert, ein rohrförmiges Element sein kann, das ein offenes Ende zu dem Innenhohlraum 40 hin und dann ein gegenüberliegendes und mit dem Sensorkörper in Verbindung stehendes aufweist.
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15 und 16 veranschaulichen eine alternative Ausführungsform eines Windkraftanlagenblattes 16, wobei die Differenzdrucksensoren 52 den Außenluftdruck an der gegenüberliegenden Seite des Blattes 16 als einen Bezugsdruck verwenden. Bezugnehmend auf 15 enthalten die auf dem Saugseitenschalenelement 22 angeordneten Sensoren 52 eine Bezugsdruckleitung 72, die sich durch den Innenhohlraum 40 des Blattes erstreckt und mit der Außenseite des gegenüberliegenden Druckseitenschalenelementes 26 beispielsweise über einen Durchlass in dem Schalenelement 26 in Verbindung steht. Beispielsweise kann das Ende der Leitung 72 mit einem (nicht dargestellten) Verbinder in Verbindung stehen, der an einem Durchlass (z. B. einer Öffnung, einem Rohr, Kanal oder dergleichen) angeordnet ist, der durch das Schalenelement 26 hindurch definiert ist. Alternativ kann sich die Leitung 72 durch einen derartigen Durchlass erstrecken. Ebenso haben die auf dem Druckseitenschalenelement 26 angeordneten Drucksensoren 52 Bezugsdruckleitungen 72, die mit der Außenseite auf dem gegenüberliegenden Saugseitenschalenelement 22 in Fluidverbindung stehen. Die Lage der Bezugsdruckleitungen 72 auf dem gegenüberliegenden Schalenelement kann stark variieren und kann eine Funktion eines gewünschten Differenzdruckprofils sein. Beispielsweise kann die Lage der Bezugsdruckleitung 72 berechnet oder empirisch ermittelt werden, um einen speziellen, optimalen Bezugsdruck unter speziellen Betriebsbedingungen des Blattes zu erzeugen.
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In der Ausführungsform nach 16 sind gemeinsame Bezugsdrucksammelleitungen 76 für die Drucksensoren 52 auf dem Saugseitenschalenelement 22 vorgesehen, wobei die Sammelleitungen 76 mit der Außenseite des gegenüberliegenden Druckseitenschalenelementes 26 in Fluidverbindung stehen. Ebenso sind gemeinsame Bezugsdrucksammelleitungen 76 für die Drucksensoren 52 auf dem Druckseitenschalenelement 26 vorgesehen, wobei derartige Sammelleitungen 76 mit der Außenseite des gegenüberliegenden Saugseitenschalenelementes 22 in Fluidverbindung stehen. Es dürfte erkennbar sein, dass verschiedene Konfigurationen von Bezugsdrucksammlern 76 vorsehbar sind.
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Bei der Ausführungsform nach 15 erzeugen die Drucksensoren 52 Signale, die den Differenzdruck zwischen gegenüberliegenden Seiten des Blattes 16 an im Wesentlichen dergleichen relativen Sehnenposition an dem Blatt kennzeichnen. Wie vorstehend erläutert, müssen die Differenzdrücke nicht auf die gleiche relative Sehnenposition beschränkt sein, und es kann jede gewünschte Bezugsdruckstelle auf dem gegenüberliegenden Saugseitenelement verwendet werden. In der Ausführungsform nach 16 wird der Bezugsdruck an dem Verbindungspunkt zwischen dem Bezugssammler 76 und dem gegenüberliegenden Seitenschalenelement aufgenommen, welcher nicht notwendigerweise an derselben relativen Sehnenposition wie jeder von den Sensoren liegt. Diese Konfiguration kann nützliche Differenzdruckmessungen für bestimmte Steuerungs-, Überwachungs- und Prüffunktionen bereitstellen.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch jede Ausgestaltungsform einer Windkraftanlage 10 (1), bei der wenigstens eines von den Blättern 16 mit den einzigartigen Vorteilen der Erfindung, wie vorstehend erläutert, eingerichtt ist.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch verschiedene Verfahrensausführungsformen zum Messen eines Luftdrucks einer Luft, die über die Saugseite oder Druckseite (oder sowohl über die Saug- als auch die Druckseite) eines Windkraftanlagenblattes 16 strömt. Das Verfahren beinhaltet ein Definieren eines Durchlasses 50 durch ein Schalenelement 22, 26, das die entsprechende Saugseite 20 oder Druckseite 24 (oder beide Seiten) definiert. Dieser Durchlass 50 kann während des Fertigungsschrittes für die Schalenelemente definiert werden, wobei der Durchlass in die Schalenelemente eingeformt wird. In alternativen Ausführungsformen kann der Durchlass 50 in die Schalenelemente in einem Prozess nach der Fertigung eingeformt werden, wobei der Durchlass 50 beispielsweise durch das Schalenelement gebohrt wird.
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Das Verfahren beinhaltet ein Anordnen eines Differenzdrucksensors 52 in Fluidverbindung mit dem Durchlass 50 dergestalt, dass sich kein Teil des Drucksensors 52 auf eine Außenoberfläche 48 des Schalenelementes 22, 26 erstreckt. Beispielsweise kann der Drucksensor 52 auf einer Innenoberfläche 46 des entsprechenden Schalenelementes dergestalt montiert werden, dass ein bei dem Drucksensor 52 eingerichtetes Messelement 56 über den Durchlass 50 einem Außenluftdruck ausgesetzt wird. In einer speziellen Ausführungsform wird das Messelement 56 in dem Durchlass 56, beispielsweise innerhalb eines Rohrelement 68 des Drucksensors 52, das in den Durchlass 50 eingeführt ist, angeordnet.
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Das Verfahren beinhaltet, dass dafür gesorgt wird, dass eine zweite gegenüberliegende Seite 60 des Messelementes 56 einem stabilen Bezugsdruck ausgesetzt wird, der dem Luftdruck in dem Innenhohlraum 40 des Blattes 16 entspricht. Der Differenzdrucksensor 52 wird zum Erzeugen eines Ausgangssignals verwendet, das den Außenluftdruck kennzeichnet.
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Das Verfahren kann ferner ein Anordnen mehrerer Differenzdrucksensoren 52 in einem definierten Muster auf jeder einzelnen von oder sowohl auf der Saugseite 20 als auch auf der Druckseite 22 des Blattes 16 enthalten, wie vorstehend im Detail erläutert.
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Diese schriftliche Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung, einschließlich ihrer besten Ausführungsart, zu offenbaren und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Vorrichtungen und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortsinn der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden zu dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
