专利名称：叶片应变计的温度校准方法和包含应变计的风力转子叶片的制作方法
技术领域：
本公开涉及风力涡轮机。具体而言，本公开涉及适于执行应变传感器的温度校准的风力涡轮机转子叶片，以及用于布置在风力涡轮机的转子叶片处的应变传感器的温度校准的方法。
背景技术：
虽然目前水平轴风力涡轮机发展良好，但是仍然有大量的工程工作在进行，以便进一步改进它们的总效率、功率发生容量和稳健性。现代风力涡轮机设计成以便在特定的地理区域产生最大量的能量。因此，风力涡轮机运行而使得运行风速范围增大。这增大了风力涡轮机的几乎所有部件-尤其是典型地由重量轻的材料(如玻璃或碳纤维)生产的转子叶片-上的载荷。过量的载荷将导致转子叶片的疲劳故障。因为应当最大程度地增加功率发生量，所以风力涡轮机转子叶片越来越靠近它们的疲劳极限来运行。因为应当避免转子叶片的疲劳故障，所以存在确切地知道将在何时发生那些疲劳故障的需要。典型地，疲劳故障将在明确定义的应力下发生在转子叶片的材料内。因为用来制造转子叶片的材料的材料常数是已知的，所以人们可预先确定材料会断裂时所处的压力。
发明内容
鉴于以上所述，提供了一种转子叶片，其包括布置在该转子叶片的表面处的第一应变传感器，以及布置成邻近该第一应变传感器的第一温度传感器。根据本公开的另一方面，提供了一种用于布置在风力涡轮机的转子叶片处的应变传感器的温度校准的方法。该方法包括在其中转子叶片基本不会由于风而发生弯曲的模式中运行风力涡轮机；针对在应变传感器的位置处测量的多个温度，反复地测量转子叶片的重力引起的弯曲力矩；根据所述测量的数据来确定应变传感器的温度依赖性；基于应变传感器的所确定的温度依赖性来校准应变传感器，使得应变传感器的温度依赖性被补偿。根据本公开的又一方面，提供了另一种用于布置在风力涡轮机的转子叶片处的应变传感器的温度校准的方法。该方法包括控制转子叶片的所述应变传感器位于其中的部分的温度；使用应变传感器来测量应变；测量应变传感器的位置处的温度；改变受控温度以及在不同的温度下重复应变和温度的测量；根据所述测量的数据来确定应变传感器的温度依赖性；以及基于应变传感器的所确定的温度依赖性来校准该应变传感器，使得该应变传感器的温度依赖性被补偿。根据从属权利要求、说明书和附图，本发明的另外的方面、优点和特征是显而易见的。
在说明书的剩余部分中(包括对附图的参照)更具体地阐述了对本领域普通技术人员而言完整和能够实施的公开，包括其最佳模式，说明书对附图进行了参照，在附图中图1是具有根据本文所述的实施例的转子叶片的风力涡轮机的示意性侧视图。图2是在本文所述的实施例中使用的惠斯通电桥电路的示意图。图3是示出了彼此电气连接以形成在本文所述的实施例中使用的惠斯通电桥电路的四个应变计的示意图。图4、5、6和7是根据本文所述的实施例的风力涡轮机转子叶片的示意性纵截面图。图8示出了根据本文所述的实施例的用于布置在风力涡轮机的转子叶片处的应变传感器的温度校准的方法。图9示出了测量的叶片力矩曲线和在本文所述的实施例中使用的参数跨度比和偏移差之间的关系。图10示出了根据本文所述的实施例的另一种用于布置在风力涡轮机的转子叶片处的应变传感器的温度校准的方法。图11是根据本文所述的实施例的风力涡轮机的转子叶根的示意性纵截面图。图12是根据本文所述的实施例的风力涡轮机的转子叶根的示意性纵截面图。图13是根据本文所述的实施例的风力涡轮机的转子叶根的示意性透视图。图14是根据本文所述的实施例的风力涡轮机的转子叶根的示意性纵截面图。图15是根据本文所述的实施例的风力涡轮机的转子叶根的示意性透视图。图16示出了根据本文所述的实施例的另外又一种用于布置在风力涡轮机的转子叶片处的应变传感器的温度校准的方法。部件列表
100风力涡轮机
110转子叶片
111吸力侧
112压力侧
113前缘
114后缘
115翼型部分
120转子轮毂
130机舱
140塔架
150转子叶根
160应变传感器
170温度传感器
180应变计
181--184惠斯通电桥电阻器
190惠斯通电桥电路
191--194惠斯通电桥触头
200 加热器210 加热垫300-350 方法步骤400-440 方法步骤500-550 方法步骤
具体实施例方式现在将对多个实施例作出详细参照，实施例的一个或多个实例在各图中示出。各个实例以说明的方式来提供，且它们不意在作为限制。例如，作为一个实施例的一部分而示出或描述的特征可在其它实施例上使用或与其它实施例结合使用，以产生又一个实施例。 意图的是，本公开包括这种修改和变型。图1是风力涡轮机100的示意性侧视图。风力涡轮机100包括三个转子叶片110， 但是根据其它实施例，可具有更多或更少的叶片110。转子叶片110安装在转子轮毂120上， 转子轮毂120连接到机舱130上。机舱130固定在塔架140的顶部上。转子叶片110包括适于测量转子叶片110的弯曲力矩的应变传感器。风力涡轮机的转子叶片会由于风载荷、重力和离心力而经受相当大的力和力矩。 这种叶片力矩典型地与转子叶片的拉伸或弯曲成比例，该拉伸或弯曲可由应变传感器测量。典型的应变传感器是应变计，其可实现为平的电阻器。那些平的电阻器的电阻根据传感器的长度变动而线性地变化。典型地，那些应变计结合或粘合到被测试的转子叶片的表面上。应变计可测量微小的相对长度变动，小到10_6。应变计的基本参数是它对应变的灵敏度，在数量上表示为应变计系数(GF)。应变计系数定义为电阻的相对变化(ΔΚ/R)与应变的比，该应变是长度的相对变化(Δ ν )对于金属箔应变计，应变计系数典型地为约2。典型地，应变测量很少涉及大于10_3的应变。因此，典型地，将测量小于1 Ω的电阻变化。为了测量这种小的电阻变化，应变计典型地以包括电压激励源的惠斯通电桥构造来使用。典型地，电阻应变计结合到转子叶片的表面上，以便检测表面中的应变。但是，应变计会展现出温度依赖性，并且因此应当运行而使得由于温度变化引起的不准确性得到补偿或至少减小。这不仅是由于在结合的电阻应变计细丝中使用的大多数导电材料的电阻会随温度而变化，而且还因为应变计细丝的热膨胀系数(CTE)通常不同于它结合到其上的结构的CTE，以及由于热膨胀所导致的对应变的灵敏度或对应变的测量是不希望的且会导致测量不准确。因此，即使应变计的细丝不是直接温度敏感的，因为其电阻随温度变化而变化，它仍然将经受关于温度的错误的应变指示，除非它具有与它结合到其上的表面的CTE 匹配的热膨胀系数。这种匹配是困难且昂贵的，因为如果结合到铝或一些其它材料上，与钢匹配的应变计很可能出错，反之亦然。温度变动会在应变计中造成多种影响。测量目标由于热膨胀而在大小上有变化，这作为应变来检测。应变计的电阻和连接导线的电阻将变化。应变计的电阻变化与长度变化在相同幅度上。典型地，它们均在10_6的级上。为了测量这种小的电阻变化，应变计典型地以具有电压激励源的惠斯通电桥布置来使用。因为温度变动也导致(应变)计细丝的电阻变动，所以应当采用一些手段来消除这些温度变化对应变测量的影响。伴随着温度变动的电阻变动不仅由导线细丝的电阻率的热系数所导致，而且还由导线和测试结构的线性CTE的差异所导致。因此，特定(应变)计的温度灵敏度将根据它固定到其上的材料而改变，并且对于各种各样的测试材料，任何补偿系统都必须是可使用的。这种温度灵敏度通常是作为“明显的应变”而非电阻的变动而经历的，因为最终的误差计算必须与实际应变测量相关。用于应变计的使用最广泛的温度补偿装置，即上面提到的惠斯通电桥，利用了它们电气连接到其上的电气系统，并且还利用了它们固定到其上的机械系统。可使用惠斯通电桥电路来将不期望的温度影响补偿至良好的程度。但是，由于应变传感器和下面的材料的不同的CTE而引起的差异可能不会完全被补偿。这可通过严格的温度校准来实现，其中，应变传感器测量转子叶片的多个位置处的应变，同时测量那些应变传感器处的温度。图2显示了惠斯通电桥电路190(其将用于本文所公开的实施例中)的示意图。惠斯通电桥电路190包括四个电阻器181、182、183和184，它们彼此连接，以形成如图2中所描绘的那样布置的四个电阻器181、182、183和184的闭环。在电阻器181、182、183和184 的结点处提供了四个惠斯通电桥触头191、192、193和194。典型地，在惠斯通电桥触头191 和194之间施加激励电压VB，并且在触头192和193之间测量电桥电压V。电桥电压V等于
权利要求
1.一种转子叶片(110)，包括:布置在所述转子叶片(110)的表面处的第一应变传感器(160)；以及， 布置成邻近所述第一应变传感器(160)的第一温度传感器(170)。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(110)，其特征在于，所述转子叶片(110)进一步包括布置在所述转子叶片(110)的所述表面处、沿周向与所述第一应变传感器(160)相对的第二应变传感器(160)；以及，布置成邻近所述第二应变传感器(160)的第二温度传感器(170)。
3.根据权利1或2所述的转子叶片(110)，其特征在于，所述第一应变传感器(160)布置在所述转子叶片(110)的前缘(113)处；以及， 所述第二应变传感器(160)布置在所述转子叶片(110)的后缘(114)处；或所述第一应变传感器(160)布置在所述转子叶片(110)的吸力侧(111)处；以及， 所述第二应变传感器(160)布置在所述转子叶片(110)的压力侧(11 处。
4.根据权利2或3所述的转子叶片(110)，其特征在于，各个应变传感器(160)包括两个应变计，各个应变计适于测量沿着从叶根(150)到叶尖的方向的弯曲力矩；以及，所述第一应变传感器和第二应变传感器(160)的四个应变计彼此电气连接，以形成全惠斯通电桥电路(190)。
5.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的转子叶片(110)，其特征在于，所述转子叶片(110)进一步包括布置在所述转子叶片(110)的所述表面处的第三应变传感器和第四应变传感器 (160)，所述第三应变传感器(160)布置成沿周向与所述第四应变传感器(160)相对且相对于所述第一应变传感器(160)沿周向偏移约90° ；第三温度传感器和第四温度传感器(170)，所述第三温度传感器(170)布置成邻近所述第三应变传感器(160)，而所述第四温度传感器(170)布置成邻近所述第四应变传感器 (160)。
6.一种用于布置在风力涡轮机(100)的转子叶片(110)处的应变传感器(160)的温度校准的方法，所述方法包括在所述转子叶片(110)基本不会由于风而发生弯曲的模式中运行所述风力涡轮机 (100)；针对在所述应变传感器(160)的位置处测量的多个温度，反复地测量所述转子叶片 (110)的重力引起的弯曲力矩；根据所述测量的数据来确定所述应变传感器(160)的温度依赖性； 基于所述应变传感器(160)的所确定的温度依赖性来校准所述应变传感器(160)，使得所述应变传感器(160)的温度依赖性被补偿。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，测量所述转子叶片(110)的重力引起的弯曲力矩包括针对所述转子叶片(110)的多个方位角位置和所述转子叶片(110)的多个桨距角，测量所述转子叶片(110)的弯曲力矩；以及，所述方法进一步包括基于所述转子叶片(110)的物理属性和转子方位角位置来计算所述转子叶片(110)的重力引起的弯曲力矩；针对所述转子方位角位置，比较所述转子叶片(110)的计算的弯曲力矩与测量的弯曲力矩；通过设定修正值从而使所述测量的弯曲力矩等于所述计算的弯曲力矩来校准所述应变传感器(160)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括通过回归分析来确定所述应变传感器(160)测量的弯曲力矩对温度的函数依赖性。
9.一种用于布置在风力涡轮机(100)的转子叶片(110)处的应变传感器(160)的温度校准的方法，所述方法包括控制所述应变传感器(160)位于其中的转子叶片(110)的部分的温度； 使用所述应变传感器(160)来测量应变； 测量所述应变传感器(160)的位置处的温度； 改变受控温度以及在不同的温度下重复应变和温度的测量； 根据所述测量的数据来确定所述应变传感器(160)的温度依赖性；以及， 基于所述应变传感器(160)的所确定的温度依赖性来校准所述应变传感器(160)，使得所述应变传感器(160)的温度依赖性被补偿。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以逐步的方式使所述转子叶片(110)的一部分的温度从初始温度升高到最终温度； 在每个步骤中，使用所述应变传感器(160)来测量所述转子叶片(110)的弯曲力矩； 在每个步骤中，测量所述应变传感器(160)的位置处的温度； 确定所述弯曲力矩和测量的温度之间的函数依赖性。
全文摘要
本发明涉及叶片应变计的温度校准方法和包含应变计的风力转子叶片。提供了一种用于风力涡轮机(100)的转子叶片(110)的应变传感器(160)的温度校准的方法，该方法包括在其中转子叶片(110)基本不会由于风而发生弯曲的模式中运行风力涡轮机(100)；针对在应变传感器(160)的位置处测量的多个温度，反复地测量转子叶片(110)的重力引起的弯曲力矩；确定应变传感器(160)对温度的温度依赖性；基于应变传感器(160)的所确定的温度依赖性来校准应变传感器(160)，使得应变传感器(160)的温度依赖性被补偿。
文档编号G01B7/16GK102235299SQ20111011958
公开日2011年11月9日 申请日期2011年4月29日 优先权日2010年4月29日
发明者M·图尔克, R·阿谢尔曼, T·霍内坎普 申请人:通用电气公司