專利名稱：具有用于使負(fù)載最小化的裝置的風(fēng)力機(jī)的制作方法
具有用于使負(fù)載最小化的裝置的風(fēng)力機(jī)本發(fā)明涉及一種風(fēng)力機(jī)，該風(fēng)力機(jī)包括塔架、設(shè)置在塔架上的能量轉(zhuǎn)換單元、連接到能量轉(zhuǎn)換單元并具有固定到輪轂的兩個(gè)風(fēng)輪葉片的風(fēng)輪、設(shè)置在輪轂中并用于測(cè)量輪轂的機(jī)械變形的測(cè)量裝置以及用于設(shè)定風(fēng)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(fēng)力機(jī)的部件的機(jī)械負(fù)載。構(gòu)成本申請(qǐng)的權(quán)利要求1的前序部分的這種類型的風(fēng)力機(jī)已由EP 1 243790B1已知。它提供了用于探測(cè)僅在風(fēng)力機(jī)的一部分上局部存在的瞬時(shí)應(yīng)力的測(cè)量裝置，作用于對(duì)承載至少一個(gè)葉片的風(fēng)輪的風(fēng)輪葉片進(jìn)行單葉片調(diào)節(jié)的裝置的控制單元設(shè)定成避免在風(fēng)輪葉片、輪轂、軸驅(qū)動(dòng)裝置和所用的軸承的負(fù)載中的局部峰值。在已知的風(fēng)力機(jī)的情況下所用的測(cè)量裝置是應(yīng)變儀，這些應(yīng)變儀附連于風(fēng)輪葉片、風(fēng)輪葉片內(nèi)部、風(fēng)輪輪轂上或風(fēng)輪輪轂內(nèi)部、樞軸(Achszapfen)上或樞軸內(nèi)部、驅(qū)動(dòng)軸上或驅(qū)動(dòng)軸內(nèi)部或軸承上。特別是，附連于風(fēng)輪輪轂的應(yīng)變儀設(shè)置在風(fēng)輪葉片平面上并與其齊平。使用應(yīng)變儀的缺點(diǎn)是較高的組裝和維修費(fèi)用、由于相當(dāng)慢的測(cè)量和高負(fù)載循環(huán)的測(cè)量不精確以及這種類型的測(cè)量裝置的相對(duì)較快的磨損。應(yīng)變儀對(duì)機(jī)械負(fù)載，特別是對(duì)過度拉伸敏感，并可在高循環(huán)負(fù)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(fēng)輪葉片內(nèi)布設(shè)光導(dǎo)并通過比較進(jìn)入和離開的光量來確定作用于風(fēng)輪葉片上的機(jī)械負(fù)載，設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)的設(shè)備控制系統(tǒng)以減小風(fēng)輪葉片的負(fù)載。然而，這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是在生產(chǎn)風(fēng)輪葉片過程中布設(shè)光導(dǎo)所涉及的工作量。此外， 光導(dǎo)像應(yīng)變儀那樣對(duì)機(jī)械負(fù)載敏感，并且本質(zhì)上由于受機(jī)械負(fù)載損壞的風(fēng)險(xiǎn)，光導(dǎo)是在風(fēng)力機(jī)的部件的確定負(fù)載的范圍內(nèi)低可靠性的測(cè)量裝置。因此，最近已知用于確定作用于風(fēng)輪葉片上的負(fù)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(cè)量裝置，其設(shè)置在風(fēng)力機(jī)的輪轂內(nèi)并將光發(fā)射到風(fēng)輪葉片，可以通過激光束與設(shè)置在葉片內(nèi)的參考點(diǎn)的偏差或借助于反射光的偏差探測(cè)到風(fēng)輪葉片的偏轉(zhuǎn)并且可以通過合適的控制機(jī)構(gòu)來避免發(fā)生在葉片上的過載。缺點(diǎn)又是當(dāng)建立測(cè)量系統(tǒng)時(shí)較大的工作量，特別是在生產(chǎn)風(fēng)輪葉片時(shí)所涉及到的工作量。為較高的使用強(qiáng)度負(fù)載而設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)的部件的生產(chǎn)相應(yīng)地復(fù)雜、運(yùn)輸復(fù)雜以及建立復(fù)雜。因此，本發(fā)明的目的是為風(fēng)力機(jī)創(chuàng)造一種簡(jiǎn)單、快速反應(yīng)和易于安裝的測(cè)量系統(tǒng)， 風(fēng)力機(jī)借助于該測(cè)量系統(tǒng)能如此操作，即，使用強(qiáng)度負(fù)載最小，且因此可設(shè)計(jì)更輕質(zhì)和節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的目的由一種具有權(quán)利要求1所述特征的風(fēng)力機(jī)來實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求表現(xiàn)了本發(fā)明的有利設(shè)計(jì)方式。本發(fā)明的基本思想是借助于發(fā)生在輪轂處的變形來探測(cè)兩葉片風(fēng)輪的彼此相對(duì)的風(fēng)輪葉片處的不均勻的負(fù)載分布，并改變?nèi)~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(fù)載分布例如由湍流引起并導(dǎo)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(shè)計(jì)的示例性實(shí)施例來詳細(xì)解釋本發(fā)明。在附圖中

圖1示出具有兩葉片風(fēng)輪的風(fēng)力機(jī)的立體圖；圖加是圖1的風(fēng)力機(jī)的前視圖，并標(biāo)記了在與風(fēng)輪共同轉(zhuǎn)動(dòng)的R坐標(biāo)系中的X和 Y軸以及力矩Myk和Mxk;圖3a是圖1的風(fēng)力機(jī)的前視圖，并標(biāo)記了在固定的N坐標(biāo)系中的X和Y軸以及力
矩 Myr 和 MXK ；圖4示出發(fā)生在輪轂處的變形；圖5 (a)是根據(jù)示例性實(shí)施例的圖1的風(fēng)力機(jī)的輪轂的剖切側(cè)視圖，而(b)是根據(jù)另一示例性實(shí)施例的圖1的風(fēng)力機(jī)的輪轂的剖切側(cè)視圖；圖6是在與風(fēng)輪共同轉(zhuǎn)動(dòng)的R坐標(biāo)系三葉片風(fēng)輪中發(fā)生在未調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的輪轂處的彎曲力矩MXK(a)和MYK(b)的時(shí)間曲線；圖7是在固定的N坐標(biāo)系三葉片風(fēng)輪中發(fā)生在未調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的輪轂處的彎曲力矩 Mxn (a)和MYN(b)的時(shí)間曲線；圖8是在與風(fēng)輪共同轉(zhuǎn)動(dòng)的R坐標(biāo)系兩葉片風(fēng)輪中發(fā)生在風(fēng)力機(jī)的輪轂處的彎曲力矩Mxe (a)和Mye (b)的時(shí)間曲線;圖9是在固定的N坐標(biāo)系兩葉片風(fēng)輪中發(fā)生在風(fēng)力機(jī)的輪轂處的彎曲力矩MXN(a) 和MYN(b)的時(shí)間曲線。圖1以立體圖示出適于實(shí)施本發(fā)明的風(fēng)力機(jī)。風(fēng)力機(jī)10由塔架20、設(shè)置在塔架上的項(xiàng)部承載件(KopftrSger)或者機(jī)艙(無(wú)附圖標(biāo)記)，以及與能量轉(zhuǎn)換單元連接的風(fēng)輪，該風(fēng)輪具有附連于輪轂40的兩個(gè)風(fēng)輪葉片30a、30b，而能量轉(zhuǎn)換單元設(shè)置在頂部承載件或機(jī)艙內(nèi)。圖2闡明了在與風(fēng)輪R共同轉(zhuǎn)動(dòng)的R坐標(biāo)系中沿葉片軸線X和圍繞風(fēng)輪軸線共同轉(zhuǎn)動(dòng)的軸線Y發(fā)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(biāo)系中沿垂直的軸線X和水平軸線Y發(fā)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(tài)下和受負(fù)載變形狀態(tài)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(dǎo)致輪轂沿Z軸線的可測(cè)量的長(zhǎng)度變化。沿Z軸線方向的這種長(zhǎng)度變化可用作改變?nèi)~片槳距角的輸入量，以減小力矩Μγκ。 對(duì)此，圖5ajb示出分別在根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力機(jī)10的(與風(fēng)輪共同轉(zhuǎn)動(dòng)的R坐標(biāo)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(nèi)部相對(duì)的限定位置較佳地定位有多個(gè)測(cè)量裝置50a、60a、50b、60b，這些測(cè)量裝置可用于探測(cè)限定位置相對(duì)于彼此的距離或者由于導(dǎo)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(duì)位移。為此，例如可使用激光測(cè)量裝置，特別是激光測(cè)距儀，其中，例如發(fā)送/接收裝置 50a、50b與反射器或探測(cè)器60a、60b相對(duì)設(shè)置。只要能確保對(duì)輪轂變形的探測(cè)，就可設(shè)想替代的方案，例如借助于支撐于輪轂內(nèi)部并可改變它們位置的元件的超音速或感應(yīng)式測(cè)量。 測(cè)量系統(tǒng)較佳地具有在百分之一毫米范圍內(nèi)的分辨率，因而，可以進(jìn)行對(duì)應(yīng)于即使較小變形的負(fù)載減小反饋控制。較佳地，測(cè)量裝置50a、60a、50b、60b如所示設(shè)置在風(fēng)輪葉片30a、30b(未在圖fe、 恥中示出)的平面中，測(cè)量裝置50a、60a、50b、60b例如設(shè)置在限定位置，這些限定位置在輪轂40中沿縱向彼此相對(duì)(參照?qǐng)D如)。這樣，例如如圖如中所示可通過彼此相對(duì)的測(cè)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(cè)在設(shè)計(jì)成探測(cè)器的測(cè)量裝置60a、60b處沿X軸線方向的彼此相對(duì)的參考點(diǎn)的移位來探測(cè)到輪轂沿Z軸線方向的變形。例如，設(shè)計(jì)成(CCD)相機(jī)的測(cè)量裝置60a、60b可在上述最后一種情況下使用，該測(cè)量裝置探測(cè)構(gòu)造成發(fā)光二極管的測(cè)量裝置50a、50b，輪轂40的變形，即，輪轂沿Z方向的局部長(zhǎng)度變化引發(fā)相機(jī)沿X方向的移位，因而，發(fā)光二極管50a、50b的光落到相機(jī)傳感器的在輪轂的未變形狀態(tài)下未光照到的區(qū)域并且輪轂沿Z方向的長(zhǎng)度變化可從該移位中推斷出?，F(xiàn)在一般如此設(shè)立單葉片控制器，S卩，根據(jù)用測(cè)量裝置探測(cè)到的限定位置之間的距離或探測(cè)到的限定位置相對(duì)彼此的距離變化來調(diào)節(jié)一個(gè)或兩個(gè)風(fēng)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(xiàn)為平均到時(shí)間上盡可能小的值。因而，例如，風(fēng)輪葉片30a、30b的具有高彎曲力矩的一個(gè)葉片被帶入使一個(gè)風(fēng)輪葉片所導(dǎo)致的彎曲力矩減小的位置，和/或另一葉片被帶入使另一風(fēng)輪葉片所導(dǎo)致的彎曲力矩增大的位置，并具有這樣的標(biāo)準(zhǔn)，即，兩風(fēng)輪葉片的彎曲力矩的差值產(chǎn)生盡可能小的風(fēng)輪俯仰(槳距)力矩(pitch torque)Myro特別較佳地，考慮由風(fēng)輪葉片呈現(xiàn)的角度差來調(diào)節(jié)風(fēng)輪葉片30a、30b的葉片槳距角，例如可以預(yù)先確定不允許超過的一定的角度差。特別是，規(guī)定對(duì)于高風(fēng)速僅可發(fā)生較小的角度差，而對(duì)于低風(fēng)速可發(fā)生較大的角度差。在該過程中，特別地總是具有較高負(fù)載的風(fēng)輪葉片首先調(diào)節(jié)成盡可能小的風(fēng)輪俯仰力矩，并且也是較小的負(fù)載本身出現(xiàn)在已調(diào)節(jié)的葉片處。葉片槳距角較佳地借助于液壓裝置來調(diào)節(jié)，該液壓裝置可特別與較佳設(shè)計(jì)成激光測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量裝置結(jié)合來對(duì)短時(shí)出現(xiàn)的峰值負(fù)載非?？焖俚刈鞒龇磻?yīng)。與由于安裝部件的質(zhì)量慣性而不可實(shí)現(xiàn)快速反饋控制的電子調(diào)節(jié)裝置相反，當(dāng)儲(chǔ)存器相應(yīng)地進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)， 液壓控制不僅實(shí)現(xiàn)葉片槳距角控制的較高速度而且還實(shí)現(xiàn)較大的加速度。為了說明作為本發(fā)明基礎(chǔ)的初步考慮，圖6和圖7示出在與風(fēng)輪共同轉(zhuǎn)動(dòng)的R坐標(biāo)系中根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)未調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的三葉片風(fēng)輪的輪轂處發(fā)生的彎曲力矩Mxk (圖 6a)和Myk(圖6b)的時(shí)間曲線以及在固定N坐標(biāo)系中的彎曲力矩Mxn(圖7a)和Myn(圖7b) 的時(shí)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(fù)載峰值會(huì)短時(shí)出現(xiàn)，這些峰值根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)要求風(fēng)力機(jī)部件為這種高使用強(qiáng)度負(fù)載而設(shè)計(jì)。考慮到在幾個(gè)方向上發(fā)生的負(fù)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(shí)間曲線，而轉(zhuǎn)動(dòng)R坐標(biāo)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(duì)于彎曲力矩Mxn(圖7a)和圖7b)的較強(qiáng)波動(dòng)有直接影響。
與此相對(duì)，可以更清楚、簡(jiǎn)單和有效地改變由現(xiàn)有技術(shù)已知的傳統(tǒng)的兩葉片風(fēng)輪的負(fù)載條件，這是因?yàn)榛旧现怀霈F(xiàn)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(shè)備要小大約為10-20倍。因此，改變兩葉片設(shè)備基本上僅是一維問題；與此相對(duì)，三葉片設(shè)備是二維問題(幾乎不能變化或不太能變化)。特別是，從在轉(zhuǎn)動(dòng)R坐標(biāo)系(參見圖8a)中作用于輪轂并相對(duì)于三葉片風(fēng)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(biāo)系中作用于輪轂并且平均到時(shí)間上大大減小的力矩M 。使用根據(jù)本發(fā)明建議的針對(duì)兩葉片風(fēng)輪的負(fù)載減小反饋控制特別作為本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)得出，與部件尺寸相關(guān)的彎曲負(fù)載可由于大幅節(jié)省材料及由此的成本在生產(chǎn)高應(yīng)力的風(fēng)力機(jī)部件(例如風(fēng)輪輪轂、風(fēng)輪軸、軸承、軸承殼體和主框架)時(shí)長(zhǎng)期減小。為了確保操作安全性，最后提供測(cè)得負(fù)載譜(Lastkollektive)，還可以測(cè)量峰值。 為了監(jiān)測(cè)本發(fā)明的負(fù)載減小反饋控制的作用及由此負(fù)載減小反饋控制本身的功能，附加地規(guī)定以一定時(shí)間段，以預(yù)定間隔和/或在預(yù)定的環(huán)境條件(例如一定風(fēng)速)下切斷控制，而發(fā)生在輪轂處的變形繼續(xù)被測(cè)量。切斷控制的預(yù)先確定的時(shí)間段與啟用控制的等長(zhǎng)時(shí)間段的比較揭示了設(shè)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(fù)的這種檢查適合于作為本發(fā)明的負(fù)載減小反饋控制進(jìn)行適當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)的證明，在發(fā)生在輪轂處不同時(shí)間段的負(fù)載之間無(wú)差值的情況下，風(fēng)力機(jī)被斷開或者它的功率受到限制，這是因?yàn)橐獜?qiáng)制避免設(shè)備實(shí)際經(jīng)受比風(fēng)力機(jī)未設(shè)計(jì)的那些最大負(fù)載更高的負(fù)載的情況。在任何情況下，必須向監(jiān)測(cè)該設(shè)備的設(shè)施發(fā)出警告報(bào)告。通過記錄負(fù)載譜并與風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)相比較，最后可以確定由操作安全性預(yù)先確定的設(shè)備的最大操作時(shí)間，可以根據(jù)實(shí)際產(chǎn)生的負(fù)載來縮短或延長(zhǎng)設(shè)備的實(shí)際操作時(shí)間。在任何情況下，由于這種監(jiān)測(cè)所以可以更好地使用材料。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力機(jī)(10)，包括 -塔架(20)，-設(shè)置在所述塔架00)上的能量轉(zhuǎn)換單元，-風(fēng)輪，所述風(fēng)輪連接到所述能量轉(zhuǎn)換單元并具有固定到輪轂GO)的兩個(gè)風(fēng)輪葉片 (30a,30b)，-測(cè)量裝置，所述測(cè)量裝置設(shè)置在所述輪轂GO)內(nèi)并用于測(cè)量所述輪轂GO)的機(jī)械變形，以及-單葉片控制器，所述控制器用于設(shè)定所述風(fēng)輪葉片(30a，30b)的葉片槳距角， 其特征在于，所述測(cè)量裝置(50a，60a，50b，60b)設(shè)計(jì)成探測(cè)在所述輪轂00)中彼此相對(duì)的兩個(gè)限定位置之間的距離，以及所述單葉片控制器設(shè)計(jì)成在所述限定位置之間測(cè)量的距離或者所述限定位置之間測(cè)量的距離變化的基礎(chǔ)上設(shè)定兩個(gè)風(fēng)輪葉片的葉片槳距角，因而，得到最小的風(fēng)輪俯仰力矩Myro
2.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力機(jī)(10)，其特征在于，彼此相對(duì)的所述限定位置設(shè)置在由風(fēng)輪葉片(30a，30b)和風(fēng)輪軸線構(gòu)成的平面上。
3.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的風(fēng)力機(jī)(10)，其特征在于，所述限定位置設(shè)置在所述輪轂GO)中、與所述風(fēng)輪軸線平行。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的風(fēng)力機(jī)(10)，其特征在于，所述限定位置是在所述輪轂GO)中對(duì)角相對(duì)的位置。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的風(fēng)力機(jī)(10)，其特征在于，所述測(cè)量裝置(50a， 60a, 50b, 60b)是激光測(cè)量裝置。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的風(fēng)力機(jī)(10)，其特征在于，所述測(cè)量裝置(50a， 60a, 50b, 60b)具有發(fā)光體和探測(cè)所述發(fā)光體的位置的相機(jī)。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的風(fēng)力機(jī)(10)，其特征在于，所述單葉片控制器設(shè)計(jì)成考慮所述風(fēng)輪葉片(30a，30b)的角度差實(shí)現(xiàn)最小風(fēng)輪俯仰力矩Μγκ。
8.如權(quán)利要求7所述的風(fēng)力機(jī)(10)，其特征在于，根據(jù)風(fēng)速來控制所述風(fēng)輪葉片(30a， 30b)的所述角度差。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力機(jī)(10)，該風(fēng)力機(jī)包括塔架(20)、設(shè)置在塔架(20)上的能量轉(zhuǎn)換單元、連接到能量轉(zhuǎn)換單元并具有固定到輪轂(40)的兩個(gè)風(fēng)輪葉片(30a，30b)、設(shè)置在輪轂(40)中并用于測(cè)量輪轂(40)的機(jī)械變形的測(cè)量裝置，以及用于設(shè)定風(fēng)輪葉片(30a，30b)的葉片槳距角的單葉片控制器，其特征在于，測(cè)量裝置(50a，60a，50b，60b)設(shè)置成探測(cè)在輪轂(40)內(nèi)相對(duì)的兩個(gè)限定位置之間的距離，且單葉片控制器設(shè)置成根據(jù)限定位置之間測(cè)得的距離或限定位置之間測(cè)得的距離變化來設(shè)定兩個(gè)風(fēng)輪葉片的葉片槳距角，因而，得到最小的風(fēng)輪俯仰力矩MYR。
文檔編號(hào)F03D7/02GK102472245SQ201080026189
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月7日
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