ES2902330T3 - Perno del sensor - Google Patents

Abstract

Perno (1) de sensor con un eje (2), en el que se fija una disposición (7) de sensor, y un canal (5) axial en el eje (2), caracterizado porque el canal (5) axial desemboca en un orificio (6) alargado que se extiende transversalmente al canal (5) axial, teniendo el orificio (6) alargado dos extremos (14, 15) en la dirección axial, al menos uno de los cuales es arqueado con una curvatura cambiante.

Description

DESCRIPCIÓN

Perno del sensor

La invención se refiere a un perno del sensor, en particular para conectar una pala de rotor de una instalación de energía eólica a un soporte, con un eje al que se une una disposición de sensor y un canal axial en el eje.

Un perno del sensor de este tipo se conoce, por ejemplo, del documento US 7293466 B2.

Dicho perno del sensor se utiliza para conectar una pala de rotor a la brida del cubo o al cojinete de paso de una instalación de energía eólica. La disposición del sensor puede usarse para determinar determinadas condiciones físicas, por ejemplo, la carga de viento que actúa sobre la pala del rotor. De esta manera, por ejemplo, se puede obtener información que se puede utilizar para el control del paso de las palas del rotor o el control del paso individual de las palas del rotor.

Una forma generalizada de obtener los parámetros deseados consiste en unir sensores directamente a la pala del rotor, por ejemplo, pegándolos. Sin embargo, dado que las instalaciones de energía eólica se erigen a menudo en un entorno relativamente hostil, tanto el montaje como la reparación o sustitución de dichos sensores es difícil.

Si la disposición del sensor se prevé en un canal axial en el eje del perno del sensor, entonces la disposición del sensor está realmente protegida y se puede cambiar fácilmente reemplazando el perno del sensor. Sin embargo, aquí solo se dispone de un espacio de instalación limitado, que también es de difícil acceso.

El documento US 5 783 751 A muestra un sensor de fuerza de corte en forma de perno roscado con cabeza, una sección roscada y una sección de medición en el lado de la sección roscada opuesto a la cabeza. La sección de medición está diseñada con cuatro lados planos y presenta un orificio alargado que conecta dos lados opuestos. Los sensores están dispuestos en los otros dos lados planos de la sección de medición. Los sensores están conectados a una línea a través de cables, en donde los cables se guían a través de un orificio en forma de T que se fusiona en un orificio axial en el perno.

El documento US 3411 361 A muestra un sensor de varilla encapsulado con una varilla cuadrada que presenta un orificio alargado en el que se disponen los sensores. Los sensores están conectados a líneas que se dirigen al exterior a través de un canal axial que se abre hacia el orificio alargado. El orificio alargado presenta dos extremos que se extienden en sección transversal a lo largo de una línea circular.

El documento US 2003/000314 A1 muestra un sistema y un procedimiento para medir los momentos flectores en un elemento de pasador. El elemento de pasador presenta una cabeza, una sección roscada y, en el medio, una zona de flexión en la que se forma una ranura circunferencial. Los sensores están dispuestos en la ranura. Las líneas de los sensores pasan a través de una ranura axial y salen a través de una ranura en la cabeza.

El documento US 2015/0063941 A1 muestra un tornillo electrónico con un cuerpo y un elemento sensor de par. El cuerpo presenta una cabeza y un eje que está parcialmente provisto de una porción roscada. El resto del eje está diseñado como una sección de cuello. Un rebajo se superpone a la sección roscada y la sección del cuello. El elemento sensor está dispuesto en el rebajo. En el rebajo, se halla un orificio radial que está conectado a un orificio axial.

Liu Fengrui et al.: “An interpretation of the load distributions in highly torqued single-lap composite bolted joints with bolt-hole clearances” muestra un perno que presenta cuatro rebajos en su superficie en un área entre una cabeza y una sección roscada que básicamente forman los cuatro lados de un cuadrado. En cada uno de estos rebajos, están dispuestos dos sensores que, por ejemplo, pueden estar configurados como sensores de deformación o de tensión. Los rebajos están diseñados en forma de ranura alargada, cuyos extremos presentan una curvatura que, evidentemente, se pretende que sea constante en toda su longitud.

La invención se basa en el objeto de proporcionar un perno de sensor en el que la disposición del sensor sea fácilmente accesible.

Este objetivo se consigue con un perno de sensor del tipo mencionado al principio, en el que el canal axial desemboca en un orificio alargado que se extiende transversalmente al canal axial, en donde el orificio alargado presenta dos extremos en la dirección axial, al menos uno de los cuales es arqueado con una curvatura cambiante.

El orificio alargado penetra en el perno del sensor y se extiende en una dirección paralela al canal axial, que es mayor que el espesor del orificio alargado, es decir, su extensión perpendicular a la dirección axial. Esto crea más opciones de acceso al interior del perno del sensor, en particular al canal axial. Sin embargo, el uso de un orificio alargado no debilita indebidamente el perno del sensor. En particular, el área de la sección transversal del perno del sensor se reduce de hecho porque la sección transversal del orificio alargado debe restarse aquí. Sin embargo, esta reducción es aceptable y significativamente menor que en el caso de un orificio de cilindro con la misma área de sección transversal que el orificio alargado. Por lo tanto, la curvatura al final del orificio alargado no es circular, sino que se desvía de una línea circular. Esto permite optimizar la geometría del extremo del orificio alargado con respecto a una distribución de tensiones favorable.

Preferiblemente, la disposición del sensor está conectada a un conector dispuesto en una cabeza de perno del sensor a través de una disposición de cable guiada a través del orificio ranurado y el canal axial. El canal axial se utiliza principal o exclusivamente para guiar la disposición del cable desde la disposición del sensor hasta el conector. El conector, que puede diseñarse como un enchufe o conector, por ejemplo, se puede integrar en la cabeza del perno del sensor o se puede conectar a la cabeza del perno del sensor de alguna otra manera. Una unidad electrónica, que evalúa o convierte señales de la disposición del sensor, puede estar dispuesta en el conector o integrarse en él.

Preferiblemente, el canal axial termina en el orificio alargado. El debilitamiento del perno del sensor por el canal axial se limita así a una distancia entre el orificio alargado y el extremo del perno del sensor al que se dirige la disposición de cable.

Se prefiere aquí que el extremo presente un área de vértice y la curvatura aumente hacia el área de vértice. Un aumento de la curvatura significa que el radio de curvatura local se vuelve más pequeño. Sin embargo, el aumento de la curvatura no tiene por qué ser continuo. La pared del orificio alargado también puede presentar tramos rectos unidos entre sí mediante redondeos, lo que puede ser ventajoso por motivos de fabricación. Sin embargo, las secciones rectas no forman una secuencia de tangentes a una línea circular, sino más bien, por ejemplo, una secuencia de tangentes a una línea con curvatura creciente. La longitud de las secciones rectas es pequeña. Es menos del 8% de la mayor distancia entre los lados más largos del orificio alargado. De este modo, se puede conseguir una ranura optimizada en términos de forma de muesca. El área del vértice es el área del extremo en el que el orificio alargado presenta su mayor extensión en la dirección axial.

Preferiblemente, ambos extremos están diseñados para ser opuestos de la misma manera. La optimización con respecto a la distribución de tensiones se puede llevar a cabo en ambos extremos del orificio alargado.

El orificio alargado presenta preferiblemente una sección plana entre los dos extremos. Esto facilita la fabricación.

Preferiblemente, la disposición del sensor está dispuesta en el orificio alargado. En esta realización, la disposición del sensor está protegida en el orificio alargado, en particular de la acción mecánica externa.

Se prefiere, en este caso, que la disposición de sensor presente dos sensores que estén dispuestos uno frente al otro en la pared del orificio alargado. El orificio alargado está dispuesto simétricamente al eje longitudinal del perno del sensor. Si los dos sensores están dispuestos en paredes opuestas del orificio alargado, también pueden, por así decirlo, detectar cargas simétricamente para compensar las influencias de flexión o para poder determinarlas con la interconexión adecuada. A continuación, la disposición de cable se puede guiar fuera del interior del orificio alargado a través del canal axial.

Alternativa o adicionalmente, se puede prever que el eje presente zonas aplanadas en la zona del orificio alargado y que los sensores estén dispuestos en las zonas aplanadas. En este caso, el cable de los sensores se lleva a través del orificio alargado al canal axial.

Preferiblemente, dos zonas aplanadas están dispuestas paralelas entre sí. Si los sensores están dispuestos, a su vez, en estas dos zonas aplanadas, estarán uno frente al otro para poder compensar las influencias de flexión.

Se prefiere en este caso que las zonas aplanadas estén alineadas perpendicularmente a la pared del orificio alargado. Las zonas aplanadas pueden provocar un ligero debilitamiento del perno del sensor.

Las zonas aplanadas están preferiblemente a una distancia de un plano central imaginario entre las zonas aplanadas que es menor que una distancia entre los bordes del orificio alargado y el plano central. Por lo tanto, el orificio alargado tiene una mayor extensión en una dirección perpendicular al plano central que una distancia entre las zonas aplanadas.

Se prefiere en este caso que los bordes del orificio alargado presenten cada uno una depresión en una transición a las zonas aplanadas. Esto asegura que la disposición del cable, cuando es guiada desde las zonas aplanadas al canal axial y tiene que entrar en el orificio alargado para este propósito, no sobresalga más allá de la circunferencia exterior del perno del sensor.

La disposición de sensor presenta preferiblemente sensores en forma de sensores de deformación, por ejemplo, galgas extensométricas. Con sensores de deformación, por ejemplo, se pueden determinar las fuerzas axiales que actúan sobre el perno del sensor. Cuando se utilizan tres o más de estos pernos de sensor para conectar la pala del rotor a la brida del cubo o al cojinete de paso de una instalación de energía eólica, el momento de flexión de la raíz de la pala se puede determinar en tiempo real, por ejemplo, para su uso en el control del paso de las palas del rotor, el paso individual de las palas de rotor o la supervisión de la carga de la pala.

La disposición de sensor presenta preferiblemente al menos un sensor de temperatura.

El perno del sensor generalmente conecta componentes hechos de diferentes materiales, a saber, una pala de rotor hecha de plástico reforzado con fibra y un soporte de metal. Ambos materiales tienen diferentes coeficientes de expansión térmica, lo que puede generar señales de sensor que dependen de la temperatura. Con la ayuda del sensor de temperatura, ahora se puede lograr la compensación de temperatura, al menos dentro de ciertos límites. Para ello, se puede proceder, por ejemplo, a que las señales de los sensores se determinen en una situación de carga específica de la pala del rotor a dos temperaturas diferentes y, en el caso más simple, se determine una línea recta u otra función a partir de una relación entre las señales o una variable derivada de las mismas y las temperaturas asociadas, con cuya ayuda se puede derivar una variable de corrección para las señales del sensor.

También se prefiere si la electrónica está integrada en el eje o en un conector dispuesto en o sobre el eje. De este modo, la electrónica se puede colocar cerca del perno, es decir, también fuera del perno del sensor, pero cerca del conector. El procesamiento o incluso la evaluación de las señales del sensor se pueden realizar directamente en el sitio, de modo que el riesgo de interferencia que se puede ingresar en una ruta de transmisión se puede mantener pequeño.

La invención se refiere en particular a un perno de sensor en una instalación de energía eólica que conecta una pala de rotor a su soporte.

La invención se describe a continuación utilizando ejemplos de realización preferidos junto con el dibujo. En ellos:

Fig. 1 muestra una vista parcial en perspectiva de un perno del sensor,

Fig. 2 muestra una sección de 1/4 a través del perno del sensor según la Fig. 1,

Fig. 3 muestra una representación esquemática de un perno del sensor de una segunda realización con sensores de deformación en forma de galgas extensométricas,

Fig. 4 muestra una vista frontal del perno del sensor según la Fig. 3 con un conector,

Fig. 5 muestra una representación esquemática de un detalle de un extremo del perno del sensor en sección y

Fig. 6 muestra una vista en planta del extremo de la Fig. 5.

La Fig. 1 muestra esquemáticamente un perno 1 de sensor que se puede usar para conectar una pala de rotor de una instalación de energía eólica a un soporte, por ejemplo, con la brida del cubo o el cojinete de paso de la instalación de energía eólica. En este caso, se trata de un perno de sensor de una conexión entre una pala de rotor de una instalación de energía eólica y un soporte. La pala del rotor generalmente está conectada al soporte a través de una gran cantidad de pernos, varios de los cuales están diseñados como pernos de sensor.

El perno 1 de sensor presenta un eje 2 que presenta dos secciones 3, 4 roscadas. Las secciones 3, 4 roscadas son ejemplos de secciones de fijación o montaje. Las secciones de fijación o montaje también se pueden implementar de otras formas.

El perno 1 de sensor presenta un canal 5 axial que se abre en un orificio 6 alargado que penetra en el perno 1 de sensor. En la realización según las Fig. 1 y 2, dos sensores 7 (solo uno es visible en la Fig. 2) están dispuestos en el orificio 6 alargado, más precisamente, unidos a una pared 8 del orificio 6 alargado. El orificio 6 alargado está dispuesto simétricamente a un eje longitudinal del perno 1 de sensor y, por lo tanto, simétricamente a un eje longitudinal del eje 2. Los dos sensores 7 juntos forman una disposición de sensor y están en condiciones de determinar la fuerza axial en el perno del sensor, por lo que pueden compensar las influencias de flexión. También es posible disponer el orificio 6 alargado asimétricamente al eje longitudinal del eje 2. En este caso, por ejemplo, se puede aplicar un sensor de deformación en la fase neutra.

Una disposición 9 de cable se extiende desde los sensores 7 de la disposición de sensor hasta un conector 10 (Fig. 5) que está dispuesto en una cabeza 11 del perno 1 de sensor (no mostrado en las Fig. 1 a 4). El conector 10 puede estar configurado, por ejemplo, como un enchufe o un conector de enchufe al que se dirigen las señales de los sensores 7 de la disposición de sensor. Los sensores 7 pueden diseñarse, por ejemplo, como galgas extensométricas. La disposición de sensor también puede presentar adicionalmente un sensor 21 de temperatura (solo mostrado en la Fig. 3).

En el caso de las señales, se puede tratar de una transmisión de señal analógica a analógica, por ejemplo, una señal de corriente de 4...20 mA, lo que da como resultado una transmisión de señal relativamente robusta. Alternativamente, también puede ser una conversión analógica-digital. El conector 10 presenta, por ejemplo, una disposición 12 de enchufe con la que se transmiten las señales correspondientes a una línea que continúa. Además, se puede realizar una conversión de protocolo, por ejemplo, a un bus de campo o ProfiNet.

Las señales del sensor convertidas de esta manera se pueden enviar en tiempo real al control de la instalación de energía eólica para su uso en el control de paso de las palas del rotor o el control de paso individual de las palas del rotor (IPC, Individual Pitch Control).

También es posible integrar una protección contra sobretensiones en el conector 10 para aumentar la robustez en caso de caída de rayo en la pala del rotor u otras sobretensiones.

Además, la electrónica 13 también se puede integrar en el conector 10 para procesar las señales que se originan en los sensores 7 en el conector 10. La electrónica también se puede colocar en una posición diferente en el perno 1 de sensor.

El canal 5 axial termina en el orificio 6 alargado, es decir, solo desde la cabeza 11 del perno de sensor hasta el orificio 6 alargado se tiene que quitar algo de material del eje del perno 1 de sensor para formar el canal 5 axial.

El orificio 6 alargado tiene una geometría optimizada con respecto a la distribución de tensiones en su entorno. En términos simples, se trata de un perfil optimizado con forma de muesca. Para ello, el orificio 6 alargado presenta dos extremos 14, 15 en la dirección axial del perno 1 de sensor, de los cuales al menos uno, pero preferiblemente ambos, está arqueado con una curvatura cambiante. La curvatura en los extremos 14, 15 del orificio 6 alargado, por lo tanto, no sigue una línea circular. Más bien, la curvatura de los extremos aumenta hacia su vértice. El vértice se encuentra en cada caso en la posición en la que el orificio 6 alargado tiene su mayor extensión en la dirección axial.

El orificio 6 alargado presenta una longitud I que es mayor que un espesor d. Básicamente, el espesor d solo tiene que ser tan grande que los sensores 7 puedan acomodarse en el orificio alargado y fijarse a la pared 8.

El orificio 6 alargado presenta una sección plana en el área de la pared 8. Esto facilita la fijación de los sensores 7. La sección transversal del perno 1 de sensor solo se ve afectada en muy pequeña medida por el orificio 6 alargado. Dado que el espesor d es significativamente menor que la longitud I, la sección transversal del perno 1 de sujeción se retiene esencialmente, incluso si el orificio 6 alargado puede presentar una pared con un área relativamente grande.

La curvatura no tiene que aumentar necesariamente de manera continua o constante. Por motivos de fabricación, puede resultar ventajoso que los extremos 14, 15 del orificio alargado estén formados por una secuencia de secciones planas o rectas que estén unidas entre sí mediante porciones redondeadas. Sin embargo, las secciones son relativamente cortas y tienen una longitud máxima del 8% del espesor d.

En la realización según las Fig. 1 y 2, la disposición de sensor con los dos sensores 7 (también pueden estar previstos más o menos sensores) está alojada en el interior del perno 1 de sensor y, por lo tanto, está protegida de los efectos mecánicos.

Una opción de instalación algo más sencilla da como resultado una realización del perno 1 de sensor, que se muestra en las Fig. 3 y 4. Los mismos elementos se proveen de los mismos símbolos de referencia.

En este caso, el eje 2 presenta zonas 16, 17 aplanadas en la zona del orificio 6 alargado, sobre las que están dispuestos los sensores 7. Las dos zonas 16, 17 aplanadas están dispuestas paralelas entre sí. Como puede verse en particular en la Fig. 3, las zonas 16, 17 aplanadas están alineadas perpendicularmente a la pared 8 del orificio 6 alargado.

En la Fig. 4, se muestra esquemáticamente un plano 18 central imaginario. La distancia a entre las zonas 16, 17 aplanadas y el plano 18 central imaginario es menor que la distancia entre los bordes 19 del orificio 6 alargado y el plano 18 central.

Como puede verse en la Fig. 3, el borde 19 del orificio 6 alargado presenta en cada caso una depresión 20 en la región de las zonas 16 aplanadas. De esta manera, es posible guiar la disposición 9 de cable desde las zonas 16, 17 aplanadas al orificio 6 alargado sin tener que llevar la disposición 9 de cable más allá de la circunferencia exterior del perno 1 de sensor.

El sensor 21 de temperatura mencionado con anterioridad se puede colocar en la misma zona que los sensores 7. También es posible disponer los sensores 7 y el sensor 21 de temperatura en diferentes zonas. Por ejemplo, se pueden colocar los sensores 7 en las zonas aplanadas y el sensor 21 de temperatura en el orificio 6 alargado o los sensores en el orificio 6 alargado y el sensor 21 de temperatura en las zonas aplanadas.

El sensor 21 de temperatura es particularmente ventajoso si el perno del sensor se utiliza para conectar componentes hechos de diferentes materiales, como suele ser el caso, por ejemplo, en una instalación de energía eólica. Una pala de rotor hecha de plástico reforzado con fibra tiene una expansión térmica diferente a la de un cubo u otro soporte de pala de rotor hecho de metal. Por lo tanto, existe el riesgo de que el perno del sensor genere diferentes señales para la misma situación de carga en la pala del rotor a diferentes temperaturas. Esto se puede compensar con la ayuda del sensor 21 de temperatura. Una posibilidad simple consiste en determinar las señales de salida del perno del sensor en un paso de calibración en la misma situación de carga de la pala del rotor a dos o más temperaturas diferentes. Esto da como resultado dos o más pares de datos, cada uno de los cuales contiene una temperatura y una señal de sensor o una variable derivada de ella. A continuación, se puede determinar una función a partir de los pares de datos (se puede representar mediante una línea recta en el caso de dos pares de datos).

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Perno (1) de sensor con un eje (2), en el que se fija una disposición (7) de sensor, y un canal (5) axial en el eje (2), caracterizado porque el canal (5) axial desemboca en un orificio (6) alargado que se extiende transversalmente al canal (5) axial, teniendo el orificio (6) alargado dos extremos (14, 15) en la dirección axial, al menos uno de los cuales es arqueado con una curvatura cambiante.

2. Perno de sensor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la disposición (7) de sensor está conectada mediante una disposición (9) de cable guiada a través del orificio (6) alargado y el canal (5) axial con un conector (10) que está dispuesto en una cabeza (11 ) de perno.

3. Perno de sensor de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el canal (5) axial desemboca en el orificio (6) alargado.

4. Perno de sensor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el extremo (14, 15) presenta una zona de vértice y la curvatura aumenta hacia la zona de vértice.

5. Perno de sensor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el orificio (6) alargado entre los dos extremos (14, 15) presenta una sección plana (8).

6. Perno de sensor de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque la disposición (7) de sensor está dispuesta en el orificio (6) alargado.

7. Perno de sensor de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque la disposición del sensor presenta dos sensores (7) dispuestos uno frente al otro en la pared del orificio (6) alargado.

8. Perno de sensor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el eje (2) en la zona del orificio (6) alargado presenta zonas (16, 17) aplanadas y los sensores (7) están dispuestos en las zonas (16, 17) aplanadas, las cuales en particular están preferiblemente alineadas en forma perpendicular a la pared del orificio (6) alargado.

9. Perno de sensor de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque dos zonas (16, 17) aplanadas están dispuestas paralelas entre sí.

10. Perno de sensor de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque las zonas aplanadas están alineadas perpendicularmente a la pared del orificio (6) alargado.

11. Perno de sensor de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque las zonas (16, 17) aplanadas presentan una distancia de un plano (18) central imaginario entre las zonas (16, 17) aplanadas que es menor que una distancia de los bordes (19) del orificio (6) alargado al plano (18) central.

12. Perno de sensor de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque el borde (19) del orificio (6) alargado presenta cada uno una depresión (20) en una transición a las zonas (16, 17) aplanadas.

13. Perno de sensor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque la disposición de sensor presenta sensores (7) en forma de sensores de deformación.

14. Perno de sensor de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque la disposición de sensor presenta al menos un sensor de temperatura.

15. Perno de sensor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque la electrónica está integrada en el eje (2) o en un conector (10) dispuesto en o sobre el eje (2).