带有应变检测机构的风轮机叶片、风轮机、块状传感器单元及其使用 【技术领域】
本发明涉及带有应变检测机构的风轮机叶片、风轮机、块状传感器单元及其使用。
背景技术
经常具有相当大的尺寸和重量的现代风轮机转子叶片要求采取保护措施，以便在风轮机正常使用期间保护叶片免予过载和疲劳破坏。
因此，风轮机叶片装备有不同的传感器机构，以用于检测叶片中的应变。已经提出了不同的传感器解决方案，以便达到必要的精度，所述解决方案包括应变仪和光学应变传感器。
一般，光学传感器解决方案不包括架设电缆，架设电缆被认为在防止叶片被雷击和静电损坏方面是个优点。
一种公知解决方案包括将光学传感器埋置在内叶片表面中，以便得到必要的传感器精度，但把传感器安装限于叶片制造的时间，并且传感器不容易在需要时改装。
另一种公知解决方案包括把光学传感器作为单元例如用托架固定在内叶片表面上几个点中。固定能使传感器起作用而同时将其保持在合适位置。例如由于各点的精度要求，该解决方案的准确度可能略低于例如埋设式传感器。
本发明的目的是提供用于风轮机中光学传感器的解决方案而没有上述缺点。
【发明内容】
本发明提供了一种带有应变检测机构的风轮机叶片，所述叶片包括：
表面结构，
块状传感器单元，该块状传感器单元包括光学传感器机构和中间连接板，该光学传感器机构用于检测叶片中的应变，该中间连接板位于所述光学传感器机构和表面结构之间，
其中，所述中间连接板胶粘地连接到所述表面结构上以及连接到光学传感器机构上，以及其中，所述中间连接板的弹性模量类似于或小于表面结构的弹性模量。
因此得到一种带有改进的应变检测的风轮机叶片，且没有现有技术的缺点。尤其是块状传感器单元，在中间连接板作为与内叶片表面相连的一个大连接区域的情况下，使制造风轮机叶片更容易，而仍实现来自该单元的精确应变检测。
在本发明的一方面，所述中间连接板的弹性模量在5至15GPa(十亿帕斯卡)之间，例如约为11GPa。因此，通过使制造中间连接板的材料的弹性适应于它粘附于其上的表面结构的材料而得到本发明的有利实施例。
在本发明的一方面，所述中间连接板由玻璃增强的塑料材料制成。通常，现代风轮机叶片由玻璃纤维增强的环氧树脂或例如加有碳纤维的聚酯材料或具有类似弹性模量的材料的混合物例如碳/木材/环氧树脂等制成。
在本发明的一方面，所述中间连接板制成为在板的边界处具有锥形形状。因此减少了沿着边界区的应力集中。
在本发明的一方面，所述中间连接板制成为在一侧上具有平面区，以用于与光学传感器机构连接。因此使中间连接板的应变传递特征更统一。
在本发明的一方面，所述中间连接板制成为在一侧上具有凹入区，以用于与光学传感器机构连接。因此中间连接板适合于光学传感器机构的形状。
在本发明的一方面，所述中间连接板用胶粘剂机构粘附到叶片表面结构上，该胶粘剂机构包括的弹性模量类似或小于所述中间连接板的弹性模量，其例如为双组分环氧树脂。因此保证刚度足以将应变从叶片传递到中间连接板和光学传感器机构，且仍保持足够的柔性以保证粘接连接不中断。
在本发明的另一方面，所述光学传感器机构包括光发射机构和光接收机构，二者可相对于彼此移位。
本发明还涉及一种风轮机，该风轮机包括至少两个按照权利要求1-8之一所述的叶片。
本发明还涉及一种块状传感器单元，该块状传感器单元用于安装在风轮机叶片中，所述单元包括：
中间连接板，
用于检测风轮机叶片中的应变的光学传感器机构，以及优选地，保护传感器机构的保护盖，
其中，所述中间连接板在一侧上包括用于与叶片表面结构连接的区域，在另一侧上包括用于与光学传感器机构连接的区域，以及
其中，所述中间连接板的弹性模量类似于或小于表面结构的弹性模量。
因此，能形成一很容易用高精度安装的块状传感器单元。另外，块状传感器单元在安装和正常使用期间足够保护很精致的光学传感器机构。
在本发明的一方面，所述单元，或者至少所述中间连接板、用于检测风轮机叶片中应变的光学传感器机构和保护传感器机构的保护盖由非导电材料制成。因此保证高水平的雷电防护，尤其是防止风轮机叶片内各部件之间的飞弧(闪燃)以及由此建立闪电电流的不受控制和不可预期的路线。
在本发明地另一方面，所述单元和优选地中间连接板包括多个贯通的螺钉孔。因此通过在表面结构中旋拧少量螺钉来保证在胶粘剂机构的固化期间使该单元停留在合适位置。当使用双组分环氧树脂时，固化时期可以是数小时或甚至数天，并且风轮机叶片的相关表面可能在连接过程中竖直放置。
在本发明的另一方面，所述中间连接板包括一个或多个中间线标记。因此能在附装到叶片上期间对准板。
在本发明的又一方面，所述中间连接板包括至少两组附装平台，每组附装平台都能保持光学传感器机构的附装板。因此可通过拆开包括两个附装板或组平台的一个旧的光学检测机构来容易改装成新的光学检测机构。新的光学检测机构附装到余下一组中的两个附装平台上。
在本发明的再一方面，所述中间连接板和光学传感器机构例如通过将传感器附装板粘附到板附装平台上而以应变传递的方式连接。
本发明还涉及安装到风轮机叶片中的块状传感器单元的使用，其用于检测叶片中的翼状(翼向)弯曲应变，或者作为安装在风轮机叶片中的辅助(补充)单元。能在现有风轮机叶片中辅助安装块状传感器单元尤其有利，因为例如由于可检测翼状弯曲应变而升级或改善了叶片中的应变检测。
【附图说明】
下面参照附图说明本发明，在附图中：
图1示出大型现代风轮机的前视图，
图2示意性示出光学传感器机构在风轮机叶片的内表面上的定位，
图3示出根据本发明优选实施例的光学传感器的不同元件的分解图，
图4a-4d示出本发明的中间连接板当从不同的位置看时的透视图，和
图5a和5b示出设置在风轮机叶片的内表面上的本发明的中间连接板。
【具体实施方式】
图1示出现代风轮机1的前视图，该风轮机具有设置在基座8上的塔架(塔筒)2。塔架的顶部上设有风轮机机舱3和轮毂4。
风轮机轮毂4上通过变桨机构7连接有风轮机转子6，该风轮机转子6包括至少一个叶片，例如两个或如图1所示的三个叶片5。每个变桨机构都包括叶片轴承和变桨致动机构，该变桨致动机构能使叶片变桨(俯仰，pitch)。
图2示意性示出光学传感器12在风轮机叶片内部的位置。
放大的剖视图示出光学传感器位于叶片根部附近和第一内表面结构9上。该传感器还位于距叶片前缘和尾缘11一定距离处，例如位于它们的中心，以便检测翼状弯曲应变。
传感器通过光缆13连接到外部接收机构例如风轮机中或用于风电场或公用电网的遥控中心中的控制与监视系统上。
图3以分解图示出本发明优选实施例中的光学传感器的不同元件。
所述不同元件建立一块状传感器单元26，该传感器单元包括光学传感器机构14、光缆15、中间连接板16、底部盖板17和保护盖18。中间连接板、底板和保护盖建立一外壳(容腔)，该外壳完全封闭传感器机构，该传感器机构包括延伸到连接板16的两侧外面的回路。
所示的传感器机构包括三个光纤，该三个光纤形成三个回路，其中每个回路光纤都进入光学传感器机构14的连接框架中。一个回路的光纤进入框架的一端，而另外两个回路的光纤进入框架的另一端，在此处两个光纤水平对准并靠近设置。一附装板从框架的每侧的下部朝相反方向延伸。
所述单个光纤的端部在过渡区中面对所述两个对置的光纤的端部。传感器机构14包括光发射机构(该单个光纤端部)和光接收机构(所述两个对置的光纤的端部)。
连接框架分成两个可移置的部分，这些部分包括光发射机构或光接收机构。这两个部分可通过来自两侧的力，例如从附装板31传递的应变而在过渡区相对于彼此移位。
当应变在附装板31中拉和/或拖时，光发射机构相对于光接收机构的两个光纤端部移位。因此所述两个光纤的每个端部接收的光量将改变，即，如果应变未改变则是一个光量的比值改变，如果应变改变则是一个端部的光量增加而另一个端部的光量减少。
光学传感器机构14的附装板31在用于该附装板的三组附装平台29的其中一组处胶粘地连接到中间连接板16的第一和第二附装区。
所述板或平台例如在本发明的一个实施例中可以仅通过使用材料减少的区域或者以“翼”的形式附装到传感器或中间连接板上。
光学传感器机构14在光缆15中延续，该光缆15包括光缆保护套。
在优选实施例中，块状传感器单元26可以包括下列数据：
中间连接板16
材料 GRP(玻璃增强塑料)
长度 250-500毫米
宽度 100-200毫米
厚度 小于15毫米
弹性模量 约11GPa
胶粘剂机构27
材料 双组分环氧树脂
固化时间 20℃下12小时(以便准备使用)
图4a-4d示出本发明的中间连接板16从不同位置看时的透视图。
图4a示出从上面看的中间连接板16。该板的本实施例是具有四个边的板，其具有用于光学传感器机构的中心区和朝向板的边界成锥形的区域。该中心区包括用于光学传感器机构的第一和第二附装区19、21以及用于光学传感器机构的连接框架的凹入区20。另外，中心区在每个角部处包括贯通的安装孔24。可将所述孔以及旋拧入内叶片表面中的多个螺钉用于在将所述板用胶粘剂机构粘附到内叶片表面上之后，将该板保持就位。
图4b示出贯穿中间连接板16的线A-A所取的侧剖图。图4b还示出朝向板的边界的锥形形状，从而例如建立三角形并由此使该中间连接板具有平截头棱锥形形状。
图4c示出本发明的中间连接板的前视图。
图4c尤其示出中间连接板16的两个表面侧边：一个包括用于与叶片表面结构9连接的区域的表面侧边22b，和另一个包括用于与光学传感器机构14连接的区域的表面侧边22a。
图4d示出本发明的中间连接板16的透视图。
图5a和5b示出本发明的中间连接板16的优选实施例。该板在这两个图中都示出为位于风轮机叶片的内表面9上。
图5a示出在内表面9处贯穿中间连接板16和叶片的侧剖视图。该剖视图尤其示出用于光学传感器的第一和第二附装区19、21的形状和位置。第一和第二附装区19、21位于中间连接板16的凹入区20的两侧。另外，图5a示出胶粘剂机构27和安装螺钉28，该胶粘剂机构27将中间连接板16粘附到内叶片表面9上，该安装螺钉28在固化过程期间将板保持就位。
此外，双箭头示意性示出叶片的翼状弯曲运动，该弯曲运动随着应变在光学传感器机构的附装板中拉和/或拖而被传递到块状传感器单元上。
图5b示出本发明的中间连接板16的透视图，该中间连接板安放在内叶片表面9的一部分上。
上面已经参照中间连接板和光学传感器机构的具体例子举例说明了本发明。然而，应该理解，本发明不限于特定的实施例，而是可在如权利要求所限定的本发明范围内进行各种设计和改变，例如选择板材料或者不同类型的传感器，例如Bragg传感器(布拉格传感器)。
标号列表
在附图中，附图标记指示如下：
1、风轮机；
2、风轮机塔架；
3、风轮机机舱；
4、风轮机轮毂；
5、风轮机叶片；
6、具有至少一个叶片的风轮机转子；
7、叶片变桨机构；
8、风轮机基座；
9、第一内叶片表面结构；
10、第二内叶片表面；
11、叶片的尾缘或前缘；
12、用于检测叶片中载荷的光学传感器；
13、将传感器与外部接收机构连接的光缆；
14、光学传感器机构；
15、光缆；
16、中间连接板；
17、底部盖板；
18、保护盖；
19、用于光学传感器机构的第一附装区；
20、用于光学传感器机构的连接框架的凹入区；
21、用于光学传感器机构的第二附装区；
22a、中间连接板的传感器侧；
22b、中间连接板的叶片表面侧；
23、板的边界处的锥形形状；
24、安装孔；
25、板的边界；
26、用于安装在风轮机叶片中的块状传感器单元；
27、胶粘剂机构；
28、安装螺钉；
29、用于保持光学传感器机构的附装板的三组附装平台；
30、中间连接板上的中心线标记；
31、光学传感器机构的附装板。