具有用于使負載最小化的裝置的風力機的制作方法

專利名稱：具有用于使負載最小化的裝置的風力機的制作方法
具有用于使負載最小化的裝置的風力機本發明涉及一種風力機，該風力機包括塔架、設置在塔架上的能量轉換單元、連接到能量轉換單元并具有固定到輪轂的兩個風輪葉片的風輪、設置在輪轂中并用于測量輪轂的機械變形的測量裝置以及用于設定風輪葉片的葉片槳距角(Blatteinstellwinkel)的單葉片控制器，該單葉片控制器用于減小風力機的部件的機械負載。構成本申請的權利要求1的前序部分的這種類型的風力機已由EP 1 243790B1已知。它提供了用于探測僅在風力機的一部分上局部存在的瞬時應力的測量裝置，作用于對承載至少一個葉片的風輪的風輪葉片進行單葉片調節的裝置的控制單元設定成避免在風輪葉片、輪轂、軸驅動裝置和所用的軸承的負載中的局部峰值。在已知的風力機的情況下所用的測量裝置是應變儀，這些應變儀附連于風輪葉片、風輪葉片內部、風輪輪轂上或風輪輪轂內部、樞軸(Achszapfen)上或樞軸內部、驅動軸上或驅動軸內部或軸承上。特別是，附連于風輪輪轂的應變儀設置在風輪葉片平面上并與其齊平。使用應變儀的缺點是較高的組裝和維修費用、由于相當慢的測量和高負載循環的測量不精確以及這種類型的測量裝置的相對較快的磨損。應變儀對機械負載，特別是對過度拉伸敏感，并可在高循環負載的情況下與支承體分離。因此，替代地從DE 101 60 360 B4中已知在風輪葉片內布設光導并通過比較進入和離開的光量來確定作用于風輪葉片上的機械負載，設置自動調節的設備控制系統以減小風輪葉片的負載。然而，這種設計的缺點是在生產風輪葉片過程中布設光導所涉及的工作量。此外， 光導像應變儀那樣對機械負載敏感，并且本質上由于受機械負載損壞的風險，光導是在風力機的部件的確定負載的范圍內低可靠性的測量裝置。因此，最近已知用于確定作用于風輪葉片上的負載的其它裝置，例如DE 202007 008 066 Ul和DE 10 2006 002 708 B4。它們提供激光測量裝置，其設置在風力機的輪轂內并將光發射到風輪葉片，可以通過激光束與設置在葉片內的參考點的偏差或借助于反射光的偏差探測到風輪葉片的偏轉并且可以通過合適的控制機構來避免發生在葉片上的過載。缺點又是當建立測量系統時較大的工作量，特別是在生產風輪葉片時所涉及到的工作量。為較高的使用強度負載而設計的傳統風力機多半由于較大的材料消耗量而具有較大的重量，而較大的材料消耗量致使風力機的部件的生產相應地復雜、運輸復雜以及建立復雜。因此，本發明的目的是為風力機創造一種簡單、快速反應和易于安裝的測量系統， 風力機借助于該測量系統能如此操作，即，使用強度負載最小，且因此可設計更輕質和節省材料的結構。本發明的目的由一種具有權利要求1所述特征的風力機來實現。從屬權利要求表現了本發明的有利設計方式。本發明的基本思想是借助于發生在輪轂處的變形來探測兩葉片風輪的彼此相對的風輪葉片處的不均勻的負載分布，并改變葉片的葉片槳距角，以使葉片連接力矩積累成盡可能小的力矩差，其中，這種不均勻的負載分布例如由湍流引起并導致橫向于葉片軸線方向的彎曲力矩Μγκ。使用附圖中所示的特別較佳的設計的示例性實施例來詳細解釋本發明。在附圖中

圖1示出具有兩葉片風輪的風力機的立體圖；圖加是圖1的風力機的前視圖，并標記了在與風輪共同轉動的R坐標系中的X和 Y軸以及力矩Myk和Mxk;圖3a是圖1的風力機的前視圖，并標記了在固定的N坐標系中的X和Y軸以及力
矩 Myr 和 MXK ；圖4示出發生在輪轂處的變形；圖5 (a)是根據示例性實施例的圖1的風力機的輪轂的剖切側視圖，而(b)是根據另一示例性實施例的圖1的風力機的輪轂的剖切側視圖；圖6是在與風輪共同轉動的R坐標系三葉片風輪中發生在未調節風力機的輪轂處的彎曲力矩MXK(a)和MYK(b)的時間曲線；圖7是在固定的N坐標系三葉片風輪中發生在未調節風力機的輪轂處的彎曲力矩 Mxn (a)和MYN(b)的時間曲線；圖8是在與風輪共同轉動的R坐標系兩葉片風輪中發生在風力機的輪轂處的彎曲力矩Mxe (a)和Mye (b)的時間曲線;圖9是在固定的N坐標系兩葉片風輪中發生在風力機的輪轂處的彎曲力矩MXN(a) 和MYN(b)的時間曲線。圖1以立體圖示出適于實施本發明的風力機。風力機10由塔架20、設置在塔架上的項部承載件(KopftrSger)或者機艙(無附圖標記)，以及與能量轉換單元連接的風輪，該風輪具有附連于輪轂40的兩個風輪葉片30a、30b，而能量轉換單元設置在頂部承載件或機艙內。圖2闡明了在與風輪R共同轉動的R坐標系中沿葉片軸線X和圍繞風輪軸線共同轉動的軸線Y發生的、作用于輪轂40的彎曲力矩Mxk和Myk的位置。圖3闡明了在固定的N坐標系中沿垂直的軸線X和水平軸線Y發生的、作用于輪轂40或N的彎曲力矩Mxk和Myk的位置。圖4以通過增大300倍的疊置圖來示出處于正常狀態下和受負載變形狀態下的輪轂的變形圖。該圖示出由于y彎曲力矩，輪轂沿X軸線方向的變形也導致輪轂沿Z軸線的可測量的長度變化。沿Z軸線方向的這種長度變化可用作改變葉片槳距角的輸入量，以減小力矩Μγκ。 對此，圖5ajb示出分別在根據本發明的風力機10的(與風輪共同轉動的R坐標系的)X/ Z平面中剖過輪轂40的剖視圖。在輪轂40中，在輪轂內部相對的限定位置較佳地定位有多個測量裝置50a、60a、50b、60b，這些測量裝置可用于探測限定位置相對于彼此的距離或者由于導致輪轂40變形的彎曲力矩所造成的距離變化或限定位置之間的相對位移。為此，例如可使用激光測量裝置，特別是激光測距儀，其中，例如發送/接收裝置 50a、50b與反射器或探測器60a、60b相對設置。只要能確保對輪轂變形的探測，就可設想替代的方案，例如借助于支撐于輪轂內部并可改變它們位置的元件的超音速或感應式測量。 測量系統較佳地具有在百分之一毫米范圍內的分辨率，因而，可以進行對應于即使較小變形的負載減小反饋控制。較佳地，測量裝置50a、60a、50b、60b如所示設置在風輪葉片30a、30b(未在圖fe、 恥中示出)的平面中，測量裝置50a、60a、50b、60b例如設置在限定位置，這些限定位置在輪轂40中沿縱向彼此相對(參照圖如)。這樣，例如如圖如中所示可通過彼此相對的測量裝置50a/60a、50b/60b的距離變化，或者如圖恥中所示可通過探測在設計成探測器的測量裝置60a、60b處沿X軸線方向的彼此相對的參考點的移位來探測到輪轂沿Z軸線方向的變形。例如，設計成(CCD)相機的測量裝置60a、60b可在上述最后一種情況下使用，該測量裝置探測構造成發光二極管的測量裝置50a、50b，輪轂40的變形，即，輪轂沿Z方向的局部長度變化引發相機沿X方向的移位，因而，發光二極管50a、50b的光落到相機傳感器的在輪轂的未變形狀態下未光照到的區域并且輪轂沿Z方向的長度變化可從該移位中推斷出。現在一般如此設立單葉片控制器，S卩，根據用測量裝置探測到的限定位置之間的距離或探測到的限定位置相對彼此的距離變化來調節一個或兩個風輪葉片30a、30b的槳距角，因此作用于輪轂40的各葉片連接力矩的差值較佳地呈現為平均到時間上盡可能小的值。因而，例如，風輪葉片30a、30b的具有高彎曲力矩的一個葉片被帶入使一個風輪葉片所導致的彎曲力矩減小的位置，和/或另一葉片被帶入使另一風輪葉片所導致的彎曲力矩增大的位置，并具有這樣的標準，即，兩風輪葉片的彎曲力矩的差值產生盡可能小的風輪俯仰(槳距)力矩(pitch torque)Myro特別較佳地，考慮由風輪葉片呈現的角度差來調節風輪葉片30a、30b的葉片槳距角，例如可以預先確定不允許超過的一定的角度差。特別是，規定對于高風速僅可發生較小的角度差，而對于低風速可發生較大的角度差。在該過程中，特別地總是具有較高負載的風輪葉片首先調節成盡可能小的風輪俯仰力矩，并且也是較小的負載本身出現在已調節的葉片處。葉片槳距角較佳地借助于液壓裝置來調節，該液壓裝置可特別與較佳設計成激光測量系統的測量裝置結合來對短時出現的峰值負載非常快速地作出反應。與由于安裝部件的質量慣性而不可實現快速反饋控制的電子調節裝置相反，當儲存器相應地進行設計時， 液壓控制不僅實現葉片槳距角控制的較高速度而且還實現較大的加速度。為了說明作為本發明基礎的初步考慮，圖6和圖7示出在與風輪共同轉動的R坐標系中根據現有技術的傳統未調節風力機的三葉片風輪的輪轂處發生的彎曲力矩Mxk (圖 6a)和Myk(圖6b)的時間曲線以及在固定N坐標系中的彎曲力矩Mxn(圖7a)和Myn(圖7b) 的時間曲線。特別是，圖6示出在彎曲力矩Mxk的情況下和在彎曲力矩Myr的情況下，大于 2. OOOkNm的高負載峰值會短時出現，這些峰值根據現有技術要求風力機部件為這種高使用強度負載而設計。考慮到在幾個方向上發生的負載，圖7在此示出作用于輪轂上的彎曲力矩Mxn(圖7a)和Myn(圖7b)的不均勻時間曲線，而轉動R坐標系的圖6中所示的近似相同的彎曲力矩Μχκ(圖6a)和Μγκ(圖6b)對于彎曲力矩Mxn(圖7a)和圖7b)的較強波動有直接影響。
與此相對，可以更清楚、簡單和有效地改變由現有技術已知的傳統的兩葉片風輪的負載條件，這是因為基本上只出現垂直于葉片軸線的力矩，而圍繞葉片軸線的力矩(Mxk) 比三葉片設備要小大約為10-20倍。因此，改變兩葉片設備基本上僅是一維問題；與此相對，三葉片設備是二維問題(幾乎不能變化或不太能變化)。特別是，從在轉動R坐標系(參見圖8a)中作用于輪轂并相對于三葉片風輪減小10-20倍的力矩Mxk中得到如圖9a中所示在固定N坐標系中作用于輪轂并且平均到時間上大大減小的力矩M 。使用根據本發明建議的針對兩葉片風輪的負載減小反饋控制特別作為本發明的優點得出，與部件尺寸相關的彎曲負載可由于大幅節省材料及由此的成本在生產高應力的風力機部件(例如風輪輪轂、風輪軸、軸承、軸承殼體和主框架)時長期減小。為了確保操作安全性，最后提供測得負載譜(Lastkollektive)，還可以測量峰值。 為了監測本發明的負載減小反饋控制的作用及由此負載減小反饋控制本身的功能，附加地規定以一定時間段，以預定間隔和/或在預定的環境條件(例如一定風速)下切斷控制，而發生在輪轂處的變形繼續被測量。切斷控制的預先確定的時間段與啟用控制的等長時間段的比較揭示了設備的控制有效性和操作安全性(如果控制例如由于故障已失效的話)。間隔重復的這種檢查適合于作為本發明的負載減小反饋控制進行適當運轉的證明，在發生在輪轂處不同時間段的負載之間無差值的情況下，風力機被斷開或者它的功率受到限制，這是因為要強制避免設備實際經受比風力機未設計的那些最大負載更高的負載的情況。在任何情況下，必須向監測該設備的設施發出警告報告。通過記錄負載譜并與風力機的設計相比較，最后可以確定由操作安全性預先確定的設備的最大操作時間，可以根據實際產生的負載來縮短或延長設備的實際操作時間。在任何情況下，由于這種監測所以可以更好地使用材料。
權利要求
1.一種風力機(10)，包括 -塔架(20)，-設置在所述塔架00)上的能量轉換單元，-風輪，所述風輪連接到所述能量轉換單元并具有固定到輪轂GO)的兩個風輪葉片 (30a,30b)，-測量裝置，所述測量裝置設置在所述輪轂GO)內并用于測量所述輪轂GO)的機械變形，以及-單葉片控制器，所述控制器用于設定所述風輪葉片(30a，30b)的葉片槳距角， 其特征在于，所述測量裝置(50a，60a，50b，60b)設計成探測在所述輪轂00)中彼此相對的兩個限定位置之間的距離，以及所述單葉片控制器設計成在所述限定位置之間測量的距離或者所述限定位置之間測量的距離變化的基礎上設定兩個風輪葉片的葉片槳距角，因而，得到最小的風輪俯仰力矩Myro
2.如權利要求1所述的風力機(10)，其特征在于，彼此相對的所述限定位置設置在由風輪葉片(30a，30b)和風輪軸線構成的平面上。
3.如前述權利要求中任一項所述的風力機(10)，其特征在于，所述限定位置設置在所述輪轂GO)中、與所述風輪軸線平行。
4.如前述權利要求中任一項所述的風力機(10)，其特征在于，所述限定位置是在所述輪轂GO)中對角相對的位置。
5.如前述權利要求中任一項所述的風力機(10)，其特征在于，所述測量裝置(50a， 60a, 50b, 60b)是激光測量裝置。
6.如權利要求1至5中任一項所述的風力機(10)，其特征在于，所述測量裝置(50a， 60a, 50b, 60b)具有發光體和探測所述發光體的位置的相機。
7.如前述權利要求中任一項所述的風力機(10)，其特征在于，所述單葉片控制器設計成考慮所述風輪葉片(30a，30b)的角度差實現最小風輪俯仰力矩Μγκ。
8.如權利要求7所述的風力機(10)，其特征在于，根據風速來控制所述風輪葉片(30a， 30b)的所述角度差。
全文摘要
本發明涉及一種風力機(10)，該風力機包括塔架(20)、設置在塔架(20)上的能量轉換單元、連接到能量轉換單元并具有固定到輪轂(40)的兩個風輪葉片(30a，30b)、設置在輪轂(40)中并用于測量輪轂(40)的機械變形的測量裝置，以及用于設定風輪葉片(30a，30b)的葉片槳距角的單葉片控制器，其特征在于，測量裝置(50a，60a，50b，60b)設置成探測在輪轂(40)內相對的兩個限定位置之間的距離，且單葉片控制器設置成根據限定位置之間測得的距離或限定位置之間測得的距離變化來設定兩個風輪葉片的葉片槳距角，因而，得到最小的風輪俯仰力矩MYR。
文檔編號F03D7/02GK102472245SQ201080026189
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月29日 優先權日2009年8月7日
發明者S·西格弗里德森 申請人:愛羅丁工程有限公司