CN101603970A - 风力涡轮机传感器组件及其组装方法 - Google Patents

风力涡轮机传感器组件及其组装方法 Download PDF

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Abstract

提供了风力涡轮机传感器组件及其组装方法。提供一种用于风力涡轮机转子叶片(112)的传感器组件(200)，该转子叶片包括前缘(204)。该传感器组件(200)包括：空气数据探头(224)，其包括基轴(252)、尖端(256)以及延伸在尖端和基轴之间的杆(250)，该杆由复合材料制成；以及收容件(222)，其配置成联接在转子叶片的前缘内以收容基轴于其中，使得当基轴收容在收容件内时，尖端自前缘向外延伸一段距离。

Description

风力涡轮机传感器组件及其组装方法
技术领域
本发明领域一般地涉及风力涡轮机，尤其涉及安装于叶片的传感器组件。
背景技术
至少一些已知的风力涡轮机包括多个用来将来自迎面风的动能转化为用来产生电力的机械能的叶片。以湍流、风切变、偏转误差运行、塔影和/或伴流影响形式的动态载荷可在旋转期间在叶片上引起变化的空气动力，随着时间该空气动力可引起部件过早地疲劳。
某些已知的风力涡轮机已经装备有安装于叶片的传感器，即风速计，该安装于叶片的传感器能使环绕各叶片的空气动力学状态能够在运行期间被确定，以便可以优化电力生产和减少作用在风力涡轮机叶片上的不期望的载荷。然而，已知的***固定安装在叶片翼型件中，使得基本上避免了移除后测试(removal following testing)而不破坏传感器。此外，已知的传感器由金属基材料制造，这就增加了传感器的重量并可在测试期间引起振动。这种振动降低了测试结果的准确性。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于风力涡轮机转子叶片的传感器组件。该传感器组件包括空气数据探头(probe)，该空气数据探头包括基轴、尖端以及在基轴和尖端中间延伸的杆部，其中杆部由复合材料制造。传感器组件包括收容件，该收容件可配置成联接在涡轮机叶片前缘内以收容基轴于其中，以便当基轴收容在收容件内时，尖端自涡轮机叶片前缘延伸一段距离。
在另一个方面，提供了一种包括转子叶片和至少一个传感器组件的风力涡轮机。该传感器组件包括空气数据探头，该空气数据探头包括基轴、尖端以及在尖端和基轴之间延伸的杆部，其中杆部由复合材料制造；收容件配置成联接在涡轮机叶片前缘内以收容基轴，以便当基轴收容在收容件内时，尖端自涡轮机叶片前缘延伸一段距离。
在再一个方面，提供了一种组装风力涡轮机的方法。该方法包括：将收容件固定联接在涡轮机叶片前缘内，其中，收容件包括第一端和对立的第二端；制造空气数据探头，该探头包括基轴、尖端以及在尖端和基轴之间延伸的杆部，其中，该杆由复合材料制造；以及收容该探头于收容件内，以便当基轴收容在收容件内时，尖端自涡轮机叶片前缘延伸一段距离。
附图说明
图1是示例性风力涡轮机的侧视图；
图2是包括可用于图1所示的风力涡轮机的示例性传感器组件的风力涡轮机叶片的示意图；
图3是可用于图2所示的传感器组件的示例性探头的透视图；
图4是可用于图2所示的传感器组件的示例性收容件的透视图；
图5是图2所示的传感器组件的透视图；
图6是组装后的传感器组件的透视图；
图7是图2所示的截面7的分解图，该截面移除了传感器组件并安装了示例性插塞。
部件列表
100    风力涡轮机    122    载荷转移区
102    塔            124    方向
104    支撑表面      200    传感器组件
106 舱                202 翼型件
108 转子              204 叶片前缘
110 轮毂              206 后缘
112 叶片              208 低压侧
114 旋转轴线          210 高压侧
118 俯仰轴线          212 弦线
120 叶片根部          214 抗剪腹板
218 翼梁端            216 翼梁端
219 压力扫描器        228 收容件第二端
220 孔                250 支撑杆
222 收容件            252 基轴部分
224 探头              254 杆近端
226 收容件第一端      256 尖端部分
260 端                258 杆远端
262 界面              274 出管
264 凸缘              278 配合面
266 外表面            280 多个螺纹
270 第一对准凸缘      282 螺母
272 第二对准凸缘      284 孔
286 外表面            292 内部分
290 示例性插塞        294 缘边
具体实施方式
图1是示例性风力涡轮机100的侧视图。在示例性实施例中，风力涡轮机100差不多是水平轴线的风力涡轮机。在另一个实施例中，风力涡轮机100可具有在大约1°到大约15°范围内变化的上倾角(未示出)。可备选地，风力涡轮机100可以是垂直轴线的风力涡轮机。在示例性实施例中，风力涡轮机100包括自支撑面104延伸的塔102、安装在塔102上的舱106和与舱106联接的转子108。转子108包括可旋转的轮毂110和多个转子叶片112，该转子叶片112联接到轮毂110并自轮毂110向外延伸。在示例性实施例中，转子108具有三个转子叶片112。在备选实施例中，转子108包括多于或小于三个的转子叶片112。在示例性实施例中，塔102由钢管制造以便腔(在图1中未示出)被限定在支撑面104和舱106之间。在备选实施例中，塔102是格子塔。塔102的高度是基于本领域已知的因素和条件来选择。
叶片112绕转子轮毂110间隔，以便旋转转子108能将来自风的动能转化为可用的机械能和后来的电能。叶片112通过将叶片根部120联接到轮毂110多个载荷转移区122处与轮毂110配合。载荷转移区122具有轮毂载荷转移区和叶片载荷转移区(两者在图1中都未示出)。引入叶片112的载荷经载荷转移区122转移到轮毂110。
在示例性实施例中，叶片112具有范围为大约50英尺(ft)(大约15米(m))至大约300ft(大约91m)的长度。可备选地，叶片112可具有使风力涡轮机100能够起本文描述作用的任何长度。例如，其它非限制性示例的叶片长度包括10米或更少、20米和37米。当风从方向124袭击叶片112时，转子108绕旋转轴线114旋转。当叶片112旋转且受地心引力时，叶片112也受不同的弯曲力矩和其它操作应力。如此一来，叶片112可从中性或非偏转位置偏转和/或旋转到偏转的位置，并且在叶片112中可引致相关的应力或载荷。此外，叶片112的俯仰角(即确定叶片112相对于风向的透视图的角)，可通过俯仰调节机构(在图1中未示出)来改变，该俯仰调节机构可通过调节暴露在风力矢量下的叶片112的表面积方便地增加或降低叶片112速度。图示了用于叶片112的俯仰轴线118。在示例性实施例中，各叶片的俯仰被单独控制。可备选地，所有叶片的叶片俯仰可同时被控制。
图2是风力涡轮机叶片112的示意图，该风力涡轮机叶片112包括可用于图1所示的风力涡轮机100的示例性传感器组件200。将100增加至图2。叶片112包括延伸在前缘204和后缘206之间的翼型202。叶片还包括各自在前缘204和后缘206之间延伸的低压侧208和高压侧210。低压侧208和高压侧210之间的距离限定了叶片112的厚度T，并且前缘204和后缘206之间的距离沿弦线(chord line)212限定了叶片112的弦宽(chord width)W。在示例性实施例中，弦宽W和厚度T沿叶片112的长度(未示出)方向是可变的。叶片112包括在承受载荷的翼梁端(spar cap)216和218之间延伸的抗剪腹板214，其可配置成在运行期间承受施加在叶片112上的空气动力剪切载荷。传感器组件包括置于叶片112内的扫描器219，以接收用于确定叶片112周围不同流体流动属性的压力数据，这将在本文得到更详细地描述。
传感器组件200包括收容件222，该收容件222联接在叶片112内，并且其大小和取向确定为用以收容自叶片前缘204向外延伸通过孔220的探头224。更具体地是，收容件222包括第一端226，该第一端226延伸通过孔220并取向为用以收容探头224于其中。更具体地是，将孔220定位，使得收容件第一端226自叶片前缘204以从弦线212与叶片高压侧210之间的a角度延伸。在示例性实施例中，角度a大约为6°。可备选地，收容件第一端226自叶片112以任何使传感器组件200起本文描述作用的角度a延伸。抗剪腹板214包括限定在其内的孔(未示出)，其大小和取向确定为用以收容收容件第二端228。更具体地是，在示例性实施例中，收容件第二端228收容在抗剪腹板孔内，并且使用玻璃纤维制品和树脂固定联接其中。可备选地，收容件第二端228可使用任何使传感器组件200起本文所描述功能的粘合剂或其它已知的固定机构固定联接到抗剪腹板214。收容件第二端228通过多个管(未示出)与压力扫描器219流体连通，其传送自叶片112周围收集的关于流体流动属性的数据，这将在本文得到详细地描述。
图3是可用于图2所示的传感器组件200的探头224的透视图。在示例性实施例中，探头224是空气型压力测量仪器，即皮托管。可备选地，探头224可以是任何使传感器组件200能够起本文所描述功能的压力测量仪器。在示例性实施例中，探头224包括在近端254的基轴部分252和在远端258的尖端部分256之间延伸的支撑杆250。杆250从近端直径D1大体上线性地变尖为远端直径D2，使得直径D1比直径D2宽。在示例性实施例中，杆250由碳纤维复合材料制造。可备选地，杆250可由玻璃纤维、石墨和/或任何可提供高的强度重量比以在运行期间大大地有助于减少探头224的偏转并能使传感器组件200能够起到本文所描述功能的复合材料制成。制造杆250的复合材料有助于在测试期间当探头224***到叶片前缘204时，降低传感器组件200的偏斜和流体流动扰动。此外，这种材料也提供了增加的支撑杆250的强度重量比，这大大地也有助于减少传感器组件200内的振动。照这样，可获得更精确的测试数据。
尖端部分256自杆远端258延伸，并且形成有间隔在其尖端260周围的五个压力端口(未示出)。在示例性实施例中，尖端部分256由不锈钢制造。可备选地，尖端部分256可由任何使传感器组件200能够起本文所描述功能的材料制造。压力端口使用多个管(未示出)与压力扫描器219(在图2中示出)流体连通。压力扫描器219传送运行期间从叶片112周围收集的关于流体流动属性的数据。
在示例性实施例中，基轴部分252大体上是筒形的并且自杆近端254延伸，使得界面262限定在基轴部分252和杆近端254之间。基轴部分252包括凸缘264，该凸缘264自轴250的外表面266径向向外地延伸，并且设置在邻近界面262附近。在示例性实施例中，基轴部分252由不锈钢制造。可备选地，基轴部分252可由任何使传感器组件200能够起到本文所描述功能的材料制造。
图4是收容件222的透视图。图5是收容在收容件222内的探头224的透视图，且图6是组装的传感器组件200的透视图。在示例性实施例中，收容件222大体上是筒形的，并在第一端226和第二端228之间延伸长度L1。此外，在示例性实施例中，收容件222由不锈钢制造，并其大小、形状和取向确定为用以以配合设置收容基轴部分252，如本文所述。可备选地，收容件222可由任何使传感器组件200能够起本文所描述功能的材料制造。
在示例性实施例中，第一对准凸缘270和第二对准凸缘272沿长度L1间隔开，以便在组装期间方便地将收容件222对准和联接在叶片112内。更具体地是，第一对准凸缘270置于离收容件第一端226距离为L2的地方，并且第二对准凸缘272置于邻近收容件第二端228的地方。可备选地，可使用任意数目的对准凸缘226、228或对准组件，以便在组装期间方便地将收容件定位在叶片112之内。多个出管274自收容件第二端228向外延伸以便将限定在尖端部分256内的压力端口(未示出)联接到压力扫描器219(在图2中示出)。
此外，邻近收容件第一端226的配合面278使收容件222方便地联接到基轴部分252。在示例性实施例中，配合面278包括多个螺纹280，该螺纹280大小和取向确定为用以与螺母282可螺旋地联接。可备选地，收容件222可使用任何联接设备，例如但不限于，焊接、夹紧、粘合和/或任何使传感器组件200能起本文所描述功能的联接装置联接到基轴部分252。
在示例性实施例中，探头224收容在收容件222内，使得凸缘264邻接收容件第一端226。螺母282形成有孔284，该孔大小和取向确定为用以沿尖端部分256和杆250收容探头224，并且使螺母282可螺旋地联接到配合面278以将探头224紧固到收容件222。在示例性实施例中，在螺母282联接到收容件222后，螺母282的外表面286大体上与叶片前缘204平齐，以便在测试期间使叶片性能的降低最小化。这样一种***提供传感器组件200，该传感器组件200能在测试期间快速且容易***叶片前缘204，并且可被移除以用于正常的风力涡轮机运行。
图7是移除了传感器组件200并安装了示例性插塞290的叶片112的分解图。如本文所述，叶片前缘204包括孔220，大小、形状和取向确定为用以收容传感器组件200的至少一部分。在示例性实施例中，在探头224从叶片112上移除后，插塞290***孔220内。插塞290包括内部分292和外缘边294。内部分292大小、形状确定为用以收容在孔220内，并且通过磨擦配合与其联接。可备选地，内部分292可经粘合剂保持在孔220内，或通过任何能使叶片112起本文所描述功能的联接方法保持在孔220内。缘边294包括外直径D3，该外直径D3大小为用以防止插塞290完全地***孔220内。此外，外直径D3提供杠杆作用以使插塞290能从孔220中移走。另外，当插塞290收容在孔220内时，外缘294接触前缘204，使得前缘204的周边被基本上保持。优选地，插塞290保护叶片112的空气动力学特征，当需要时，可由轻型材料制成。
上文详细地描述了包括置于风力涡轮机叶片前缘上的传感器组件的风力涡轮机的示例性实施例。一般而言，以上所描述的***使用由复合材料制成的锥形杆用于以悬臂式配置将皮托管压力传感器支撑涡轮机叶片的前缘上。在这种***中复合棒的使用有助于增加传感器支撑结构的强度重量比，因而与已知的使用金属支撑结构的***相比，减少了重量和相关的振动水平。由于振动上明显地减少，与使用由更重的金属材料制成的探头的测试***相比，本文所描述的***和方法便于收集更准确的数据。此外，本文所描述的复合杆大大有助于在风力涡轮机运行期间减少传感器偏转和流体流动扰动，以便增强测试期间所进行的测量。此外，复合材料提供对闪电(lightening)或其它感应电场的电绝缘。此外，这种***可在正常的风力涡轮机运行期间方便地移除，以便不产生负面的空气动力学效应。这种特征使有缺陷的探头能被轻易地更换，从而减少维护费用和劳动力成本以及***停机时间。
如本文所使用的，以单数形式并接以单词“一”、“一个”或“一种”表述的单元或步骤应理解为不排除所述单元或步骤的复数形式，除非这种排除是做了明确的表述。此外，参考本发明的“一个实施例”并不表示排除也引入所描述特征的附加实施例的存在性。
该书面描述利用示例来公开本发明，包括最佳模式，并使本领域的任何普通技术人员实践本发明，包括制造和使用任何装置或***，以及执行任何引入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有并非不同于权利要求文字语言的结构单元，或者包括和权利要求文字语言非实质不同的等同结构元件，则这些其它示例应在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机转子叶片(112)的传感器组件(200)，该转子叶片包括前缘(204)，所述传感器组件包括：
空气数据探头(224)，包括基轴(252)、尖端(256)以及延伸在所述尖端和所述基轴之间的杆(250)，所述杆由复合材料制成；以及
收容件(222)，配置成联接在所述转子叶片的前缘内用于***述基轴于其中，使得当所述基轴收容在所述收容件内时，所述尖端自所述前缘向外延伸一段距离。
2.根据权利要求1所述的传感器组件(200)，进一步包括配置成将所述基轴(252)固定地联接在所述收容件(222)内的固定机构。
3.根据权利要求1所述的传感器组件(200)，其特征在于，所述杆(250)由纤维玻璃、碳纤维和石墨复合材料中的至少一种制成。
4.根据权利要求1所述的传感器组件(200)，其特征在于，所述收容件(222)包括：
配置成***述基轴(252)于其中的第一端(226)；以及
第二端(228)，配置成将所述收容件联接到在所述转子叶片(112)内延伸的叶片抗剪腹板(214)。
5.根据权利要求4所述的传感器组件(200)，进一步包括插塞(290)，其大小确定为用以收容在所述收容件第一端(226)内，使得当所述插塞收容在所述收容件第一端内时，沿所述叶片前缘(204)形成大体上平滑的表面。
6.根据权利要求1所述的传感器组件(200)，其特征在于，所述收容件(222)配置成置于所述前缘(226)内，使得所述尖端(256)自所述叶片(112)以相对于延伸通过所述转子叶片的叶片弦线(212)成一偏移角倾斜地延伸。
7.根据权利要求1所述的传感器组件(200)，其特征在于，所述收容件(222)包括至少一个配置成将所述收容件固定在所述转子叶片(112)内的对准凸缘(264)。
8.一种风力涡轮机(100)，包括：
至少一个包括前缘(204)的转子叶片(112)；以及
至少一个传感器组件(200)，该传感器组件(200)包括：
空气数据探头(224)，其包括基轴(252)、尖端(254)以及延伸在所述尖端和所述基轴之间的杆(250)，所述杆由复合材料制成；以及
收容件(222)，其配置成联接在所述转子叶片的所述前缘内以***述基轴于其中，使得当所述基轴收容在所述收容件内时，所述尖端自前缘延伸一段距离。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机(100)，进一步包括配置成将所述基轴(252)固定地联接在所述收容件(222)内的固定机构。
10.根据权利要求8所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述杆(250)由纤维玻璃、碳纤维和石墨复合材料中的至少一种制成。
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