用于风力涡轮机中的载荷测量的方法和装置 【技术领域】
本公开涉及风力涡轮机，且尤其涉及减小由作用于风力涡轮机上的不同的力矩产生的载荷。特别地，本公开涉及包括具有多个转子叶片和主轴的转子以及毂的风力涡轮机，其中毂和主轴由毂螺栓连接。
背景技术
作为环境安全且较价廉的替代能源，风力涡轮机变得越来越重要。对改进的风力涡轮机性能的需求的增加引发了关于相对于施加在整个风力涡轮机上的最小载荷来对风力涡轮机的转子叶片进行最优调节的努力。转子叶片将风能转换成驱动一个或多个发电机的旋转扭矩或力，发电机通过变速箱旋转地联接到转子上。风力涡轮机转子上的载荷力矩是由竖直的和水平的风切变、偏转失调和湍流引起的。施加于整个风力涡轮机上的载荷可以以偏转力矩的形式提供，偏转力矩产生了绕风力涡轮机结构的竖直轴线的力。此外，涡轮机的风力转子的倾斜力矩可能包括进入转子的主轴中的弯曲力矩，从而使得转子叶片在其中旋转的平面绕垂直于风力涡轮机的竖直轴线的轴线倾斜。
大多数风力涡轮机提供对转子叶片的倾角的调节。倾角是翼型相对于进入气流的角度，其中绕翼型轴线对倾角进行调节。
【发明内容】
根据本公开的一方面，提供了一种连接装置，该连接装置适于连接风力涡轮机的毂和主轴，该连接装置包括：连接毂和主轴的至少一个传感器螺栓；包括安装在传感器螺栓内部的应力检测元件，该应力检测元件适于检测传感器螺栓的长度变化，且适于输出表示传感器螺栓的长度变化的传感器信号；以及用于输出表示施加于传感器螺栓的应力的传感器信号的信号输出装置。
根据本公开的另一方面，提供了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括具有主轴和至少一个转子叶片的转子，以及毂，所述风力涡轮机进一步包括：将主轴固定到毂上的多个毂螺栓，其中至少一个毂螺栓构造为传感器螺栓，该传感器螺栓适于检测沿其纵向轴线起作用的应变，且适于输出表示检测到的应力的传感器信号；以及信号处理单元，该信号处理单元处理传感器信号从而使得可确定施加于风力涡轮机上的载荷。
根据本公开的又一方面，提供了一种用于减小风力涡轮机中的载荷的方法，该风力涡轮机包括具有主轴和带有可调倾角的至少一个转子叶片的转子，其中该方法包括设定该至少一个转子叶片的倾角、检测作用于风力涡轮机的主轴上的弯曲力矩，以及基于检测到的弯曲力来调节该至少一个转子叶片地倾角，从而减小弯曲力矩。
根据从属权利要求、说明书和附图，本公开的其它方面、优点和特征显而易见。
【附图说明】
在说明书的剩余部分中，包括对附图的参照，更加具体地阐述了对本领域普通技术人员而言完整且能够实施的公开，包括最佳模式，在附图中：
图1显示了具有带有三个转子叶片的转子的风力涡轮机的示意性安装；
图2是风力涡轮机的机舱的典型零件的细节视图；
图3是从主轴侧观察得到的毂的截面图；
图4是具有两个螺纹尾部的毂螺栓的横截；
图5是根据一个实施例的、在其内部具有应变检测元件的传感器螺栓的截面视图；
图6是根据另一个实施例的、具有应变检测元件的传感器螺栓的截面视图；
图7是根据又一个实施例的、具有光学应变检测元件的传感器螺栓的截面视图；
图8是根据又一个实施例的、具有用于测量传感器螺栓的长度变化的信号收发和反射装置的传感器螺栓的截面视图；
图9作为一个实例而示意了在毂上的沿周边平均分布的位置处测得的三个不同的传感器螺栓的长度变化幅度；以及
图10是根据实施例其中之一的、描绘了用于使用传感器螺栓来减小风力涡轮机中的载荷的方法的流程图。
部件列表：
100 风力涡轮机
101 转子叶片
102 管状塔架
103 机舱
104 毂
105 风向
106 偏转力矩
107 竖直轴线
108 倾角
109 倾斜力矩
110 旋转传感器
111 变速箱
112 主轴
113 控制系统
114 信号处理单元
115 安装盘
200 毂螺栓
201 传感器螺栓
202 螺纹尾部
203 应力检测元件
204 传感器螺栓的内部空间
205 支承元件
206 光学输入纤维
207 光学输出纤维
208 输入光
209 信号收发器件
210 信号反射器件
211 传感器螺栓轴线
212 输出光
213 第一传感器束
214 第二传感器束
215 距离
216 距离变化
300 长度变化图表
301 以pi表示的旋转位置
302 相应的单元中的长度变化的幅度
303 第一传感器螺栓的输出信号
304 第二传感器螺栓的输出信号
305 第三传感器螺栓的输出信号
【具体实施方式】
现在将详细地参照各实施例，各实施例中的一个或多个实例在附图中示出。各个实例作为对本公开的解释而提供，且不意图作为限制。例如，作为一个实施例的一部分而示意或描述的特征可用于其它实施例上，或结合其它实施例使用，以产生另外的实施例。意图的是本公开包括这种修改和变型。
图1示意性地显示了包括具有主轴112和多个转子叶片101的转子与毂104的风力涡轮机100。通常，风力涡轮机包括三个转子叶片，但是本领域技术人员将理解，本公开也适用于具有任何其它数量的转子叶片，特别是仅包括一个或两个转子叶片的风力涡轮机。风力涡轮机100进一步包括用于将主轴112固定到毂104上的多个毂螺栓。旋转传感器110连接到主轴112上。机舱103可旋转地设置在管状塔架102的顶部上，从而可根据进入风向105来调节机舱。毂104是具有三个转子叶片101的转子的中心部分。虽然图1所示意的风力涡轮机100包括三个转子叶片101，但是可提供任何数量的转子叶片101。在一些构造中，各构件容纳在风力涡轮机100的管状塔架102顶部的机舱104中。
图2是风力涡轮机100的机舱103的典型部分的放大视图。如图2所示，控制系统113为可变的转子叶片倾斜驱动器提供倾斜控制信号，以便控制一个或多个转子叶片101的倾角108。旋转传感器110连接到转子的主轴112上，从而可确定转子叶片101的旋转位置。提供变速箱111，以便使主轴112的rpm(每分钟转数)值增大到适于驱动发电机(未示出)的值。旋转传感器110的输出信号可用于通过包括信号处理单元114的控制系统113来控制倾角108的调节。通常，除了倾斜马达之外或者代替倾斜马达且不包括倾斜马达，信号还可用于控制发电机。发电机控制可由控制系统113和/或由其它控制系统(未示出)来进行。
在运行时，载荷由于进入的风105的力(见图1)而施加于整个风力涡轮机100。施加于整个风力涡轮机100的第一载荷为偏转力矩106，即试图使机舱103绕管状塔架102的竖直轴线107旋转的力矩。可根据改变的进入风向105来调节偏转角。
另外，例如由风切变造成的倾斜力矩109施加于风力涡轮机，从而使得整个风力涡轮机100，尤其是风力转子，被倾斜力矩109偏斜。
为了减小构件上的载荷，本公开有利地利用了涡轮机的调节单个转子叶片的倾角108的能力。为了调节倾角108，必须提供倾斜控制信号，该倾斜控制信号源自检测元件(例如在转子的运动的零件处提供的角传感器和扭矩传感器)测得的各传感器信号。根据一个实施例，直接在毂104和转子的主轴之间的连接点处提供用于应力测量的传感器装置。
图3是从主轴侧观察得到的毂104的截面表示。主轴112借助于安装盘115安装在毂104处。提供了多个毂螺栓200，以便通过安装盘115将主轴112固定到毂104上。至少一个毂螺栓201a、201b、201c构造为传感器螺栓。传感器螺栓包括安装在该传感器螺栓内部的应力检测元件，从而形成用于应力测量的传感器装置。
如图3所描绘的，三个单独的毂螺栓由传感器螺栓201a、201b、201c代替。在图3所示的实施例中，三个传感器螺栓201沿周边以平均间隔分布在安装盘115周围。虽然显示了三个传感器螺栓201a、201b、201c而不是毂螺栓200安装在毂104处，但安装在毂200处的传感器螺栓201的数量并不受本公开限制。
另外，可行的是在不同的角位置处提供不同的传感器螺栓，其中不同的传感器螺栓表现出不同的测量敏感度。
图4是根据一个实施例的毂螺栓200的截面。毂螺栓包括分别用于固定毂104和主轴的左螺纹尾部和右螺纹尾部202。如与图4所示的毂螺栓200相比，图5示意了传感器螺栓201，其外部构造成类似于图4所示的毂螺栓200。根据第一实施例，传感器螺栓201包括应力检测元件203布置在其中的内部空间204。这个应力检测元件203用于检测传感器螺栓关于其中心纵向轴线211的长度变化。因此，可通过传感器螺栓来检测应力和弯曲力矩。在下文中，对与应变测量有关的实施例进行了描述。换句话说，由传感器螺栓检测到的应力是应变。但是，将理解，应变仅是可由传感器螺栓检测到的许多不同种类的应力中的一种。例如，还可检测作用于传感器螺栓201上的弯曲力矩、倾斜力矩或扭转力矩。因此，以下实例中对应变测量的参照不应理解为是对本公开的范围的限制，而应理解为是可测量的应力的实例。
图6展示了根据另一个实施例的用于应变测量的传感器装置。类似图5中所示的传感器装置，图6所示的传感器装置包括应变检测元件203，在这种情况下，该应变检测元件203位于传感器螺栓201的纵向轴线211上。为了将应变检测元件203定位在传感器螺栓201的纵向轴线211上而提供了支承元件205，从而使得传感器螺栓201整体的长度变化被传送到应变检测元件203。例如，支承元件205被提供为固定到应变检测元件和传感器螺栓201的内壁两者上的套圈。
注意，关于图5和6而描述的应变检测元件203是提供表示长度变化的阻力变化的应变仪传感器。通常，这样的传感器的阻力变化是应力的函数。如技术人员所已知的，可通过使用桥接电路来检测这样的阻力变化。通过在一个单独的传感器螺栓中提供不止一个应变仪，且通过使并非所有的应变仪都受长度变化的影响，在传感器装置上提供温度补偿是可行的。如果至少一个基准应变仪显示出仅由温度变化导致的长度变化，且如果至少一个检测应变仪显示出由所述温度变化及传感器螺栓的长度变化而导致的长度变化，则可实现温度补偿。因此可除去仅由温度变化导致的所述长度变化，且可从传感器螺栓获得经温度补偿的输出信号。
另外，注意，图6所示的传感器螺栓201的内部中的支承元件205也可应用于图5和6所示的传感器螺栓。
根据一个实施例，应变检测元件是附连到传感器螺栓的内表面上的电阻应变仪(resistive strain gauge)，从而使得传感器信号为电信号。
图7示意了另一个实施例。在这种情况下的应变检测元件203被提供为附连到螺栓的内表面上的纤维光学Bragg光栅，从而使得传感器信号为光信号。Bragg光栅是写入光纤中的反射性索引结构，其中当提供光纤的长度变化时，该结构被修改。由于光纤连接到传感器螺栓201上，因此使用纤维光学Bragg光栅来测量传感器螺栓的长度变化是可行的。纤维光学Bragg光栅内的结构变化表示已经被引入光纤中的力和力矩。纤维光学Bragg光栅传感器进一步包括光学输入纤维206和光学输出纤维207。
将例如激光的光辐射208引导通过光纤，且根据传感器螺栓201和应变检测元件203的长度变化，输出光212关于其频率分布被修改。由于普通技术人员熟悉纤维光学Bragg光栅及其功能，所以这里省略了对基于纤维光学Bragg光栅的测量效果的详细描述。
图8显示了根据一个实施例的传感器装置的另一个实施例。在图8所示的装置中，提供了传感器螺栓201的内部空间204，在该内部空间204中测量束可在传感器螺栓的两个内端面之间传输。根据图8所示的传感器螺栓201的该实施例，应变检测元件是适于在传感器螺栓的纵向方向上测量传感器螺栓内的基准元件之间的距离的距离测量单元。根据一个实施例，提供了信号收发装置209和信号反射装置210。本领域技术人员将理解，信号反射装置210可由螺栓自身的端部部分形成。这些装置209、210可充当传感器螺栓201内的用于检测传感器螺栓201的长度变化的基准元件。
以上传感器如以下方式操作。第一传感器束213从信号收发装置209中发射出，且朝向信号反射装置210而被引导。在信号反射装置210处，第一传感器束213被反射且转换成第二传感器束214，第二传感器束214传送通过传感器螺栓的内部空间204且朝向信号收发装置209传送。根据由第一传感器束213和第二传感器束214获得的相位变化或飞行时间持续时间，可分别检测到传感器螺栓201的绝对距离215和距离变化216。
根据另一个实施例，距离测量单元是激光距离测量单元。
根据又一个实施例，距离测量单元是超声距离测量单元。
根据又一个实施例，传感器螺栓201包括至少一个另外的检测元件，该检测元件受长度变化的影响，从而可获得用于传感器装置的温度补偿。将传感器装置的输出信号供应给信号处理单元(未示出)，以对传感器信号进行处理。
根据又一个实施例，风力涡轮机包括倾角调节单元，以根据经处理的传感器信号来调节风力涡轮机100的转子的至少一个转子叶片101的倾角108。
根据又一个实施例，可提供不同的传感器螺栓，以便获得不同的传感器敏感度，从而可加宽测量范围。可获得有效的测量范围，其是由单独的传感器螺栓201提供的测量范围的总和。
图9是示意了从三个不同的传感器螺栓获得的不同的传感器信号的图表300，这三个不同的传感器螺栓代替了图3所示的毂104的毂螺栓200。在图9所示的图表中，参考标号301表示以弧度为单位的转子旋转位置，其中参考标号302表示在相关的单元中的相应的传感器螺栓201a、201b和201c(见图3)的长度变化的幅度。
如图9所示，长度变化遵从毂的旋转，其中幅度重复地改变。参考标号303是第一传感器螺栓201a的输出信号，参考标号304表示第二传感器螺栓201b的输出信号，且参考标号305代表第三传感器螺栓201c的输出信号。
由于传感器螺栓在角度上间隔开120度，应变检测元件的输出信号也在角度上间隔开120度。当持续的扭矩-即偏转力矩106和/或倾斜力矩109施加于风力涡轮机100的转子的转子叶片101时，传感器螺栓(以及毂螺栓200)发生重复的拉长和收缩，从而获得正弦曲线，如图9所示。因此可根据传感器信号303、304和305的变化来确定倾斜力矩109和偏转力矩106。
图10是描绘了根据一个实施例的用于减小风力涡轮机中的载荷的方法的流程图。在步骤S1处，操作开始。然后，在步骤S2处，检测至少一个传感器螺栓101的长度变化。然后，操作继续到步骤S3，在步骤S3处，输出表示长度变化的传感器信号。在步骤S4处处理传感器信号，其中通过信号处理单元(未示出)进行信号处理。在步骤S5处，根据经处理的传感器信号来调节至少一个转子叶片101的倾角108。
然后在步骤S6处确定在以上步骤S2处检测到的长度变化是否在预定的长度变化以下。如果在步骤S6确定了该长度变化在预定的长度变化以上，则操作继续到以上所提到的步骤S5，且再次调节至少一个转子叶片的倾角，且再次测量至少一个传感器螺栓的长度变化(步骤S5a)。
另一方面，如果在步骤S6确定了长度变化在预定的长度变化以下(步骤S6处的“是”)，则操作在步骤S7处结束。
因此，通过将电信号转换成控制信号，计算主轴中的弯曲力矩是可行的。信号可用作用于对风力涡轮机100的主轴弯曲力矩进行闭环控制的输入。除此之外，传感器信号，即根据以上所述的图9获得的那些信号，可与通过关于图1而提到的旋转传感器110获得的旋转位置的测量相关。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够实施和使用本发明。虽然已经公开了多种特定的实施例，但是本领域技术人员将了解，可利用在权利要求书的精神和范围内的修改来实施本公开。特别地，以上所述的实施例的相互不排斥的特征可彼此结合。本公开的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有无异于权利要求书的字面语言的结构元件，或者如果这样的其它实例包括与权利要求书的字面语言没有实质性区别的等效结构元件，则这样的其它实例意图处于权利要求书的范围之内。