专利名称：具有用于使负载最小化的装置的风力机的制作方法
具有用于使负载最小化的装置的风力机本发明涉及一种风力机，该风力机包括塔架、设置在塔架上的能量转换单元、连接到能量转换单元并具有固定到轮毂的两个风轮叶片的风轮、设置在轮毂中并用于测量轮毂的机械变形的测量装置以及用于设定风轮叶片的叶片桨距角(Blatteinstellwinkel)的单叶片控制器，该单叶片控制器用于减小风力机的部件的机械负载。构成本申请的权利要求1的前序部分的这种类型的风力机已由EP 1 243790B1已知。它提供了用于探测仅在风力机的一部分上局部存在的瞬时应力的测量装置，作用于对承载至少一个叶片的风轮的风轮叶片进行单叶片调节的装置的控制单元设定成避免在风轮叶片、轮毂、轴驱动装置和所用的轴承的负载中的局部峰值。在已知的风力机的情况下所用的测量装置是应变仪，这些应变仪附连于风轮叶片、风轮叶片内部、风轮轮毂上或风轮轮毂内部、枢轴(Achszapfen)上或枢轴内部、驱动轴上或驱动轴内部或轴承上。特别是，附连于风轮轮毂的应变仪设置在风轮叶片平面上并与其齐平。使用应变仪的缺点是较高的组装和维修费用、由于相当慢的测量和高负载循环的测量不精确以及这种类型的测量装置的相对较快的磨损。应变仪对机械负载，特别是对过度拉伸敏感，并可在高循环负载的情况下与支承体分离。因此，替代地从DE 101 60 360 B4中已知在风轮叶片内布设光导并通过比较进入和离开的光量来确定作用于风轮叶片上的机械负载，设置自动调节的设备控制系统以减小风轮叶片的负载。然而，这种设计的缺点是在生产风轮叶片过程中布设光导所涉及的工作量。此外， 光导像应变仪那样对机械负载敏感，并且本质上由于受机械负载损坏的风险，光导是在风力机的部件的确定负载的范围内低可靠性的测量装置。因此，最近已知用于确定作用于风轮叶片上的负载的其它装置，例如DE 202007 008 066 Ul和DE 10 2006 002 708 B4。它们提供激光测量装置，其设置在风力机的轮毂内并将光发射到风轮叶片，可以通过激光束与设置在叶片内的参考点的偏差或借助于反射光的偏差探测到风轮叶片的偏转并且可以通过合适的控制机构来避免发生在叶片上的过载。缺点又是当建立测量系统时较大的工作量，特别是在生产风轮叶片时所涉及到的工作量。为较高的使用强度负载而设计的传统风力机多半由于较大的材料消耗量而具有较大的重量，而较大的材料消耗量致使风力机的部件的生产相应地复杂、运输复杂以及建立复杂。因此，本发明的目的是为风力机创造一种简单、快速反应和易于安装的测量系统， 风力机借助于该测量系统能如此操作，即，使用强度负载最小，且因此可设计更轻质和节省材料的结构。本发明的目的由一种具有权利要求1所述特征的风力机来实现。从属权利要求表现了本发明的有利设计方式。本发明的基本思想是借助于发生在轮毂处的变形来探测两叶片风轮的彼此相对的风轮叶片处的不均勻的负载分布，并改变叶片的叶片桨距角，以使叶片连接力矩积累成尽可能小的力矩差，其中，这种不均勻的负载分布例如由湍流引起并导致横向于叶片轴线方向的弯曲力矩Μγκ。使用附图中所示的特别较佳的设计的示例性实施例来详细解释本发明。在附图中
图1示出具有两叶片风轮的风力机的立体图；图加是图1的风力机的前视图，并标记了在与风轮共同转动的R坐标系中的X和 Y轴以及力矩Myk和Mxk;图3a是图1的风力机的前视图，并标记了在固定的N坐标系中的X和Y轴以及力
矩 Myr 和 MXK ；图4示出发生在轮毂处的变形；图5 (a)是根据示例性实施例的图1的风力机的轮毂的剖切侧视图，而(b)是根据另一示例性实施例的图1的风力机的轮毂的剖切侧视图；图6是在与风轮共同转动的R坐标系三叶片风轮中发生在未调节风力机的轮毂处的弯曲力矩MXK(a)和MYK(b)的时间曲线；图7是在固定的N坐标系三叶片风轮中发生在未调节风力机的轮毂处的弯曲力矩 Mxn (a)和MYN(b)的时间曲线；图8是在与风轮共同转动的R坐标系两叶片风轮中发生在风力机的轮毂处的弯曲力矩Mxe (a)和Mye (b)的时间曲线;图9是在固定的N坐标系两叶片风轮中发生在风力机的轮毂处的弯曲力矩MXN(a) 和MYN(b)的时间曲线。图1以立体图示出适于实施本发明的风力机。风力机10由塔架20、设置在塔架上的项部承载件(KopftrSger)或者机舱(无附图标记)，以及与能量转换单元连接的风轮，该风轮具有附连于轮毂40的两个风轮叶片30a、30b，而能量转换单元设置在顶部承载件或机舱内。图2阐明了在与风轮R共同转动的R坐标系中沿叶片轴线X和围绕风轮轴线共同转动的轴线Y发生的、作用于轮毂40的弯曲力矩Mxk和Myk的位置。图3阐明了在固定的N坐标系中沿垂直的轴线X和水平轴线Y发生的、作用于轮毂40或N的弯曲力矩Mxk和Myk的位置。图4以通过增大300倍的叠置图来示出处于正常状态下和受负载变形状态下的轮毂的变形图。该图示出由于y弯曲力矩，轮毂沿X轴线方向的变形也导致轮毂沿Z轴线的可测量的长度变化。沿Z轴线方向的这种长度变化可用作改变叶片桨距角的输入量，以减小力矩Μγκ。 对此，图5ajb示出分别在根据本发明的风力机10的(与风轮共同转动的R坐标系的)X/ Z平面中剖过轮毂40的剖视图。在轮毂40中，在轮毂内部相对的限定位置较佳地定位有多个测量装置50a、60a、50b、60b，这些测量装置可用于探测限定位置相对于彼此的距离或者由于导致轮毂40变形的弯曲力矩所造成的距离变化或限定位置之间的相对位移。为此，例如可使用激光测量装置，特别是激光测距仪，其中，例如发送/接收装置 50a、50b与反射器或探测器60a、60b相对设置。只要能确保对轮毂变形的探测，就可设想替代的方案，例如借助于支撑于轮毂内部并可改变它们位置的元件的超音速或感应式测量。 测量系统较佳地具有在百分之一毫米范围内的分辨率，因而，可以进行对应于即使较小变形的负载减小反馈控制。较佳地，测量装置50a、60a、50b、60b如所示设置在风轮叶片30a、30b(未在图fe、 恥中示出)的平面中，测量装置50a、60a、50b、60b例如设置在限定位置，这些限定位置在轮毂40中沿纵向彼此相对(参照图如)。这样，例如如图如中所示可通过彼此相对的测量装置50a/60a、50b/60b的距离变化，或者如图恥中所示可通过探测在设计成探测器的测量装置60a、60b处沿X轴线方向的彼此相对的参考点的移位来探测到轮毂沿Z轴线方向的变形。例如，设计成(CCD)相机的测量装置60a、60b可在上述最后一种情况下使用，该测量装置探测构造成发光二极管的测量装置50a、50b，轮毂40的变形，即，轮毂沿Z方向的局部长度变化引发相机沿X方向的移位，因而，发光二极管50a、50b的光落到相机传感器的在轮毂的未变形状态下未光照到的区域并且轮毂沿Z方向的长度变化可从该移位中推断出。现在一般如此设立单叶片控制器，S卩，根据用测量装置探测到的限定位置之间的距离或探测到的限定位置相对彼此的距离变化来调节一个或两个风轮叶片30a、30b的桨距角，因此作用于轮毂40的各叶片连接力矩的差值较佳地呈现为平均到时间上尽可能小的值。因而，例如，风轮叶片30a、30b的具有高弯曲力矩的一个叶片被带入使一个风轮叶片所导致的弯曲力矩减小的位置，和/或另一叶片被带入使另一风轮叶片所导致的弯曲力矩增大的位置，并具有这样的标准，即，两风轮叶片的弯曲力矩的差值产生尽可能小的风轮俯仰(桨距)力矩(pitch torque)Myro特别较佳地，考虑由风轮叶片呈现的角度差来调节风轮叶片30a、30b的叶片桨距角，例如可以预先确定不允许超过的一定的角度差。特别是，规定对于高风速仅可发生较小的角度差，而对于低风速可发生较大的角度差。在该过程中，特别地总是具有较高负载的风轮叶片首先调节成尽可能小的风轮俯仰力矩，并且也是较小的负载本身出现在已调节的叶片处。叶片桨距角较佳地借助于液压装置来调节，该液压装置可特别与较佳设计成激光测量系统的测量装置结合来对短时出现的峰值负载非常快速地作出反应。与由于安装部件的质量惯性而不可实现快速反馈控制的电子调节装置相反，当储存器相应地进行设计时， 液压控制不仅实现叶片桨距角控制的较高速度而且还实现较大的加速度。为了说明作为本发明基础的初步考虑，图6和图7示出在与风轮共同转动的R坐标系中根据现有技术的传统未调节风力机的三叶片风轮的轮毂处发生的弯曲力矩Mxk (图 6a)和Myk(图6b)的时间曲线以及在固定N坐标系中的弯曲力矩Mxn(图7a)和Myn(图7b) 的时间曲线。特别是，图6示出在弯曲力矩Mxk的情况下和在弯曲力矩Myr的情况下，大于 2. OOOkNm的高负载峰值会短时出现，这些峰值根据现有技术要求风力机部件为这种高使用强度负载而设计。考虑到在几个方向上发生的负载，图7在此示出作用于轮毂上的弯曲力矩Mxn(图7a)和Myn(图7b)的不均勻时间曲线，而转动R坐标系的图6中所示的近似相同的弯曲力矩Μχκ(图6a)和Μγκ(图6b)对于弯曲力矩Mxn(图7a)和图7b)的较强波动有直接影响。
与此相对，可以更清楚、简单和有效地改变由现有技术已知的传统的两叶片风轮的负载条件，这是因为基本上只出现垂直于叶片轴线的力矩，而围绕叶片轴线的力矩(Mxk) 比三叶片设备要小大约为10-20倍。因此，改变两叶片设备基本上仅是一维问题；与此相对，三叶片设备是二维问题(几乎不能变化或不太能变化)。特别是，从在转动R坐标系(参见图8a)中作用于轮毂并相对于三叶片风轮减小10-20倍的力矩Mxk中得到如图9a中所示在固定N坐标系中作用于轮毂并且平均到时间上大大减小的力矩M 。使用根据本发明建议的针对两叶片风轮的负载减小反馈控制特别作为本发明的优点得出，与部件尺寸相关的弯曲负载可由于大幅节省材料及由此的成本在生产高应力的风力机部件(例如风轮轮毂、风轮轴、轴承、轴承壳体和主框架)时长期减小。为了确保操作安全性，最后提供测得负载谱(Lastkollektive)，还可以测量峰值。 为了监测本发明的负载减小反馈控制的作用及由此负载减小反馈控制本身的功能，附加地规定以一定时间段，以预定间隔和/或在预定的环境条件(例如一定风速)下切断控制，而发生在轮毂处的变形继续被测量。切断控制的预先确定的时间段与启用控制的等长时间段的比较揭示了设备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话)。间隔重复的这种检查适合于作为本发明的负载减小反馈控制进行适当运转的证明，在发生在轮毂处不同时间段的负载之间无差值的情况下，风力机被断开或者它的功率受到限制，这是因为要强制避免设备实际经受比风力机未设计的那些最大负载更高的负载的情况。在任何情况下，必须向监测该设备的设施发出警告报告。通过记录负载谱并与风力机的设计相比较，最后可以确定由操作安全性预先确定的设备的最大操作时间，可以根据实际产生的负载来缩短或延长设备的实际操作时间。在任何情况下，由于这种监测所以可以更好地使用材料。
权利要求
1.一种风力机(10)，包括 -塔架(20)，-设置在所述塔架00)上的能量转换单元，-风轮，所述风轮连接到所述能量转换单元并具有固定到轮毂GO)的两个风轮叶片 (30a,30b)，-测量装置，所述测量装置设置在所述轮毂GO)内并用于测量所述轮毂GO)的机械变形，以及-单叶片控制器，所述控制器用于设定所述风轮叶片(30a，30b)的叶片桨距角， 其特征在于，所述测量装置(50a，60a，50b，60b)设计成探测在所述轮毂00)中彼此相对的两个限定位置之间的距离，以及所述单叶片控制器设计成在所述限定位置之间测量的距离或者所述限定位置之间测量的距离变化的基础上设定两个风轮叶片的叶片桨距角，因而，得到最小的风轮俯仰力矩Myro
2.如权利要求1所述的风力机(10)，其特征在于，彼此相对的所述限定位置设置在由风轮叶片(30a，30b)和风轮轴线构成的平面上。
3.如前述权利要求中任一项所述的风力机(10)，其特征在于，所述限定位置设置在所述轮毂GO)中、与所述风轮轴线平行。
4.如前述权利要求中任一项所述的风力机(10)，其特征在于，所述限定位置是在所述轮毂GO)中对角相对的位置。
5.如前述权利要求中任一项所述的风力机(10)，其特征在于，所述测量装置(50a， 60a, 50b, 60b)是激光测量装置。
6.如权利要求1至5中任一项所述的风力机(10)，其特征在于，所述测量装置(50a， 60a, 50b, 60b)具有发光体和探测所述发光体的位置的相机。
7.如前述权利要求中任一项所述的风力机(10)，其特征在于，所述单叶片控制器设计成考虑所述风轮叶片(30a，30b)的角度差实现最小风轮俯仰力矩Μγκ。
8.如权利要求7所述的风力机(10)，其特征在于，根据风速来控制所述风轮叶片(30a， 30b)的所述角度差。
全文摘要
本发明涉及一种风力机(10)，该风力机包括塔架(20)、设置在塔架(20)上的能量转换单元、连接到能量转换单元并具有固定到轮毂(40)的两个风轮叶片(30a，30b)、设置在轮毂(40)中并用于测量轮毂(40)的机械变形的测量装置，以及用于设定风轮叶片(30a，30b)的叶片桨距角的单叶片控制器，其特征在于，测量装置(50a，60a，50b，60b)设置成探测在轮毂(40)内相对的两个限定位置之间的距离，且单叶片控制器设置成根据限定位置之间测得的距离或限定位置之间测得的距离变化来设定两个风轮叶片的叶片桨距角，因而，得到最小的风轮俯仰力矩MYR。
文档编号F03D7/02GK102472245SQ201080026189
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月29日 优先权日2009年8月7日
发明者S·西格弗里德森 申请人:爱罗丁工程有限公司