葉片應變計的溫度校準方法和包含應變計的風力轉子葉片的製作方法

2023-09-17 03:21:00 1

專利名稱：葉片應變計的溫度校準方法和包含應變計的風力轉子葉片的製作方法
技術領域：
本公開涉及風力渦輪機。具體而言，本公開涉及適於執行應變傳感器的溫度校準的風力渦輪機轉子葉片，以及用於布置在風力渦輪機的轉子葉片處的應變傳感器的溫度校準的方法。
背景技術：
雖然目前水平軸風力渦輪機發展良好，但是仍然有大量的工程工作在進行，以便進一步改進它們的總效率、功率發生容量和穩健性。現代風力渦輪機設計成以便在特定的地理區域產生最大量的能量。因此，風力渦輪機運行而使得運行風速範圍增大。這增大了風力渦輪機的幾乎所有部件-尤其是典型地由重量輕的材料(如玻璃或碳纖維)生產的轉子葉片-上的載荷。過量的載荷將導致轉子葉片的疲勞故障。因為應當最大程度地增加功率發生量，所以風力渦輪機轉子葉片越來越靠近它們的疲勞極限來運行。因為應當避免轉子葉片的疲勞故障，所以存在確切地知道將在何時發生那些疲勞故障的需要。典型地，疲勞故障將在明確定義的應力下發生在轉子葉片的材料內。因為用來製造轉子葉片的材料的材料常數是已知的，所以人們可預先確定材料會斷裂時所處的壓力。

發明內容
鑑於以上所述，提供了一種轉子葉片，其包括布置在該轉子葉片的表面處的第一應變傳感器，以及布置成鄰近該第一應變傳感器的第一溫度傳感器。根據本公開的另一方面，提供了一種用於布置在風力渦輪機的轉子葉片處的應變傳感器的溫度校準的方法。該方法包括在其中轉子葉片基本不會由於風而發生彎曲的模式中運行風力渦輪機；針對在應變傳感器的位置處測量的多個溫度，反覆地測量轉子葉片的重力引起的彎曲力矩；根據所述測量的數據來確定應變傳感器的溫度依賴性；基於應變傳感器的所確定的溫度依賴性來校準應變傳感器，使得應變傳感器的溫度依賴性被補償。根據本公開的又一方面，提供了另一種用於布置在風力渦輪機的轉子葉片處的應變傳感器的溫度校準的方法。該方法包括控制轉子葉片的所述應變傳感器位於其中的部分的溫度；使用應變傳感器來測量應變；測量應變傳感器的位置處的溫度；改變受控溫度以及在不同的溫度下重複應變和溫度的測量；根據所述測量的數據來確定應變傳感器的溫度依賴性；以及基於應變傳感器的所確定的溫度依賴性來校準該應變傳感器，使得該應變傳感器的溫度依賴性被補償。根據從屬權利要求、說明書和附圖，本發明的另外的方面、優點和特徵是顯而易見的。


在說明書的剩餘部分中(包括對附圖的參照)更具體地闡述了對本領域普通技術人員而言完整和能夠實施的公開，包括其最佳模式，說明書對附圖進行了參照，在附圖中圖1是具有根據本文所述的實施例的轉子葉片的風力渦輪機的示意性側視圖。圖2是在本文所述的實施例中使用的惠斯通電橋電路的示意圖。圖3是示出了彼此電氣連接以形成在本文所述的實施例中使用的惠斯通電橋電路的四個應變計的示意圖。圖4、5、6和7是根據本文所述的實施例的風力渦輪機轉子葉片的示意性縱截面圖。圖8示出了根據本文所述的實施例的用於布置在風力渦輪機的轉子葉片處的應變傳感器的溫度校準的方法。圖9示出了測量的葉片力矩曲線和在本文所述的實施例中使用的參數跨度比和偏移差之間的關係。圖10示出了根據本文所述的實施例的另一種用於布置在風力渦輪機的轉子葉片處的應變傳感器的溫度校準的方法。圖11是根據本文所述的實施例的風力渦輪機的轉子葉根的示意性縱截面圖。圖12是根據本文所述的實施例的風力渦輪機的轉子葉根的示意性縱截面圖。圖13是根據本文所述的實施例的風力渦輪機的轉子葉根的示意性透視圖。圖14是根據本文所述的實施例的風力渦輪機的轉子葉根的示意性縱截面圖。圖15是根據本文所述的實施例的風力渦輪機的轉子葉根的示意性透視圖。圖16示出了根據本文所述的實施例的另外又一種用於布置在風力渦輪機的轉子葉片處的應變傳感器的溫度校準的方法。部件列表
100風力渦輪機
110轉子葉片
111吸力側
112壓力側
113前緣
114後緣
115翼型部分
120轉子輪轂
130機艙
140塔架
150轉子葉根
160應變傳感器
170溫度傳感器
180應變計
181--184惠斯通電橋電阻器
190惠斯通電橋電路
191--194惠斯通電橋觸頭
200 加熱器210 加熱墊300-350 方法步驟400-440 方法步驟500-550 方法步驟
具體實施例方式現在將對多個實施例作出詳細參照，實施例的一個或多個實例在各圖中示出。各個實例以說明的方式來提供，且它們不意在作為限制。例如，作為一個實施例的一部分而示出或描述的特徵可在其它實施例上使用或與其它實施例結合使用，以產生又一個實施例。 意圖的是，本公開包括這種修改和變型。圖1是風力渦輪機100的示意性側視圖。風力渦輪機100包括三個轉子葉片110， 但是根據其它實施例，可具有更多或更少的葉片110。轉子葉片110安裝在轉子輪轂120上， 轉子輪轂120連接到機艙130上。機艙130固定在塔架140的頂部上。轉子葉片110包括適於測量轉子葉片110的彎曲力矩的應變傳感器。風力渦輪機的轉子葉片會由於風載荷、重力和離心力而經受相當大的力和力矩。 這種葉片力矩典型地與轉子葉片的拉伸或彎曲成比例，該拉伸或彎曲可由應變傳感器測量。典型的應變傳感器是應變計，其可實現為平的電阻器。那些平的電阻器的電阻根據傳感器的長度變動而線性地變化。典型地，那些應變計結合或粘合到被測試的轉子葉片的表面上。應變計可測量微小的相對長度變動，小到10_6。應變計的基本參數是它對應變的靈敏度，在數量上表示為應變計係數(GF)。應變計係數定義為電阻的相對變化(ΔΚ/R)與應變的比，該應變是長度的相對變化(Δ ν )對於金屬箔應變計，應變計係數典型地為約2。典型地，應變測量很少涉及大於10_3的應變。因此，典型地，將測量小於1 Ω的電阻變化。為了測量這種小的電阻變化，應變計典型地以包括電壓激勵源的惠斯通電橋構造來使用。典型地，電阻應變計結合到轉子葉片的表面上，以便檢測表面中的應變。但是，應變計會展現出溫度依賴性，並且因此應當運行而使得由於溫度變化引起的不準確性得到補償或至少減小。這不僅是由於在結合的電阻應變計細絲中使用的大多數導電材料的電阻會隨溫度而變化，而且還因為應變計細絲的熱膨脹係數(CTE)通常不同於它結合到其上的結構的CTE，以及由於熱膨脹所導致的對應變的靈敏度或對應變的測量是不希望的且會導致測量不準確。因此，即使應變計的細絲不是直接溫度敏感的，因為其電阻隨溫度變化而變化，它仍然將經受關於溫度的錯誤的應變指示，除非它具有與它結合到其上的表面的CTE 匹配的熱膨脹係數。這種匹配是困難且昂貴的，因為如果結合到鋁或一些其它材料上，與鋼匹配的應變計很可能出錯，反之亦然。溫度變動會在應變計中造成多種影響。測量目標由於熱膨脹而在大小上有變化，這作為應變來檢測。應變計的電阻和連接導線的電阻將變化。應變計的電阻變化與長度變化在相同幅度上。典型地，它們均在10_6的級上。為了測量這種小的電阻變化，應變計典型地以具有電壓激勵源的惠斯通電橋布置來使用。因為溫度變動也導致(應變)計細絲的電阻變動，所以應當採用一些手段來消除這些溫度變化對應變測量的影響。伴隨著溫度變動的電阻變動不僅由導線細絲的電阻率的熱係數所導致，而且還由導線和測試結構的線性CTE的差異所導致。因此，特定(應變)計的溫度靈敏度將根據它固定到其上的材料而改變，並且對於各種各樣的測試材料，任何補償系統都必須是可使用的。這種溫度靈敏度通常是作為「明顯的應變」而非電阻的變動而經歷的，因為最終的誤差計算必須與實際應變測量相關。用於應變計的使用最廣泛的溫度補償裝置，即上面提到的惠斯通電橋，利用了它們電氣連接到其上的電氣系統，並且還利用了它們固定到其上的機械系統。可使用惠斯通電橋電路來將不期望的溫度影響補償至良好的程度。但是，由於應變傳感器和下面的材料的不同的CTE而引起的差異可能不會完全被補償。這可通過嚴格的溫度校準來實現，其中，應變傳感器測量轉子葉片的多個位置處的應變，同時測量那些應變傳感器處的溫度。圖2顯示了惠斯通電橋電路190(其將用於本文所公開的實施例中)的示意圖。惠斯通電橋電路190包括四個電阻器181、182、183和184，它們彼此連接，以形成如圖2中所描繪的那樣布置的四個電阻器181、182、183和184的閉環。在電阻器181、182、183和184 的結點處提供了四個惠斯通電橋觸頭191、192、193和194。典型地，在惠斯通電橋觸頭191 和194之間施加激勵電壓VB，並且在觸頭192和193之間測量電橋電壓V。電橋電壓V等於
權利要求
1.一種轉子葉片(110)，包括:布置在所述轉子葉片(110)的表面處的第一應變傳感器(160)；以及， 布置成鄰近所述第一應變傳感器(160)的第一溫度傳感器(170)。
2.根據權利要求1所述的轉子葉片(110)，其特徵在於，所述轉子葉片(110)進一步包括布置在所述轉子葉片(110)的所述表面處、沿周向與所述第一應變傳感器(160)相對的第二應變傳感器(160)；以及，布置成鄰近所述第二應變傳感器(160)的第二溫度傳感器(170)。
3.根據權利1或2所述的轉子葉片(110)，其特徵在於，所述第一應變傳感器(160)布置在所述轉子葉片(110)的前緣(113)處；以及， 所述第二應變傳感器(160)布置在所述轉子葉片(110)的後緣(114)處；或所述第一應變傳感器(160)布置在所述轉子葉片(110)的吸力側(111)處；以及， 所述第二應變傳感器(160)布置在所述轉子葉片(110)的壓力側(11 處。
4.根據權利2或3所述的轉子葉片(110)，其特徵在於，各個應變傳感器(160)包括兩個應變計，各個應變計適於測量沿著從葉根(150)到葉尖的方向的彎曲力矩；以及，所述第一應變傳感器和第二應變傳感器(160)的四個應變計彼此電氣連接，以形成全惠斯通電橋電路(190)。
5.根據前述權利要求中任一項權利要求所述的轉子葉片(110)，其特徵在於，所述轉子葉片(110)進一步包括布置在所述轉子葉片(110)的所述表面處的第三應變傳感器和第四應變傳感器 (160)，所述第三應變傳感器(160)布置成沿周向與所述第四應變傳感器(160)相對且相對於所述第一應變傳感器(160)沿周向偏移約90° ；第三溫度傳感器和第四溫度傳感器(170)，所述第三溫度傳感器(170)布置成鄰近所述第三應變傳感器(160)，而所述第四溫度傳感器(170)布置成鄰近所述第四應變傳感器 (160)。
6.一種用於布置在風力渦輪機(100)的轉子葉片(110)處的應變傳感器(160)的溫度校準的方法，所述方法包括在所述轉子葉片(110)基本不會由於風而發生彎曲的模式中運行所述風力渦輪機 (100)；針對在所述應變傳感器(160)的位置處測量的多個溫度，反覆地測量所述轉子葉片 (110)的重力引起的彎曲力矩；根據所述測量的數據來確定所述應變傳感器(160)的溫度依賴性； 基於所述應變傳感器(160)的所確定的溫度依賴性來校準所述應變傳感器(160)，使得所述應變傳感器(160)的溫度依賴性被補償。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，測量所述轉子葉片(110)的重力引起的彎曲力矩包括針對所述轉子葉片(110)的多個方位角位置和所述轉子葉片(110)的多個槳距角，測量所述轉子葉片(110)的彎曲力矩；以及，所述方法進一步包括基於所述轉子葉片(110)的物理屬性和轉子方位角位置來計算所述轉子葉片(110)的重力引起的彎曲力矩；針對所述轉子方位角位置，比較所述轉子葉片(110)的計算的彎曲力矩與測量的彎曲力矩；通過設定修正值從而使所述測量的彎曲力矩等於所述計算的彎曲力矩來校準所述應變傳感器(160)。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其特徵在於，所述方法進一步包括通過回歸分析來確定所述應變傳感器(160)測量的彎曲力矩對溫度的函數依賴性。
9.一種用於布置在風力渦輪機(100)的轉子葉片(110)處的應變傳感器(160)的溫度校準的方法，所述方法包括控制所述應變傳感器(160)位於其中的轉子葉片(110)的部分的溫度； 使用所述應變傳感器(160)來測量應變； 測量所述應變傳感器(160)的位置處的溫度； 改變受控溫度以及在不同的溫度下重複應變和溫度的測量； 根據所述測量的數據來確定所述應變傳感器(160)的溫度依賴性；以及， 基於所述應變傳感器(160)的所確定的溫度依賴性來校準所述應變傳感器(160)，使得所述應變傳感器(160)的溫度依賴性被補償。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述方法進一步包括以逐步的方式使所述轉子葉片(110)的一部分的溫度從初始溫度升高到最終溫度； 在每個步驟中，使用所述應變傳感器(160)來測量所述轉子葉片(110)的彎曲力矩； 在每個步驟中，測量所述應變傳感器(160)的位置處的溫度； 確定所述彎曲力矩和測量的溫度之間的函數依賴性。
全文摘要
本發明涉及葉片應變計的溫度校準方法和包含應變計的風力轉子葉片。提供了一種用於風力渦輪機(100)的轉子葉片(110)的應變傳感器(160)的溫度校準的方法，該方法包括在其中轉子葉片(110)基本不會由於風而發生彎曲的模式中運行風力渦輪機(100)；針對在應變傳感器(160)的位置處測量的多個溫度，反覆地測量轉子葉片(110)的重力引起的彎曲力矩；確定應變傳感器(160)對溫度的溫度依賴性；基於應變傳感器(160)的所確定的溫度依賴性來校準應變傳感器(160)，使得應變傳感器(160)的溫度依賴性被補償。
文檔編號G01B7/16GK102235299SQ20111011958
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月29日 優先權日2010年4月29日
發明者M·圖爾克, R·阿謝爾曼, T·霍內坎普 申請人:通用電氣公司