專利名稱:葉片應(yīng)變計(jì)的溫度校準(zhǔn)方法和包含應(yīng)變計(jì)的風(fēng)力轉(zhuǎn)子葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本公開涉及風(fēng)力渦輪機(jī)。具體而言,本公開涉及適于執(zhí)行應(yīng)變傳感器的溫度校準(zhǔn)的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片,以及用于布置在風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片處的應(yīng)變傳感器的溫度校準(zhǔn)的方法。
背景技術(shù):
雖然目前水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)展良好,但是仍然有大量的工程工作在進(jìn)行,以便進(jìn)一步改進(jìn)它們的總效率、功率發(fā)生容量和穩(wěn)健性?,F(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)成以便在特定的地理區(qū)域產(chǎn)生最大量的能量。因此,風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行而使得運(yùn)行風(fēng)速范圍增大。這增大了風(fēng)力渦輪機(jī)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(chǎn)的轉(zhuǎn)子葉片-上的載荷。過量的載荷將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片的疲勞故障。因?yàn)閼?yīng)當(dāng)最大程度地增加功率發(fā)生量,所以風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片越來越靠近它們的疲勞極限來運(yùn)行。因?yàn)閼?yīng)當(dāng)避免轉(zhuǎn)子葉片的疲勞故障,所以存在確切地知道將在何時(shí)發(fā)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(yīng)力下發(fā)生在轉(zhuǎn)子葉片的材料內(nèi)。因?yàn)橛脕碇圃燹D(zhuǎn)子葉片的材料的材料常數(shù)是已知的,所以人們可預(yù)先確定材料會(huì)斷裂時(shí)所處的壓力。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述,提供了一種轉(zhuǎn)子葉片,其包括布置在該轉(zhuǎn)子葉片的表面處的第一應(yīng)變傳感器,以及布置成鄰近該第一應(yīng)變傳感器的第一溫度傳感器。根據(jù)本公開的另一方面,提供了一種用于布置在風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片處的應(yīng)變傳感器的溫度校準(zhǔn)的方法。該方法包括在其中轉(zhuǎn)子葉片基本不會(huì)由于風(fēng)而發(fā)生彎曲的模式中運(yùn)行風(fēng)力渦輪機(jī);針對(duì)在應(yīng)變傳感器的位置處測(cè)量的多個(gè)溫度,反復(fù)地測(cè)量轉(zhuǎn)子葉片的重力引起的彎曲力矩;根據(jù)所述測(cè)量的數(shù)據(jù)來確定應(yīng)變傳感器的溫度依賴性;基于應(yīng)變傳感器的所確定的溫度依賴性來校準(zhǔn)應(yīng)變傳感器,使得應(yīng)變傳感器的溫度依賴性被補(bǔ)償。根據(jù)本公開的又一方面,提供了另一種用于布置在風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片處的應(yīng)變傳感器的溫度校準(zhǔn)的方法。該方法包括控制轉(zhuǎn)子葉片的所述應(yīng)變傳感器位于其中的部分的溫度;使用應(yīng)變傳感器來測(cè)量應(yīng)變;測(cè)量應(yīng)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復(fù)應(yīng)變和溫度的測(cè)量;根據(jù)所述測(cè)量的數(shù)據(jù)來確定應(yīng)變傳感器的溫度依賴性;以及基于應(yīng)變傳感器的所確定的溫度依賴性來校準(zhǔn)該應(yīng)變傳感器,使得該應(yīng)變傳感器的溫度依賴性被補(bǔ)償。根據(jù)從屬權(quán)利要求、說明書和附圖,本發(fā)明的另外的方面、優(yōu)點(diǎn)和特征是顯而易見的。
在說明書的剩余部分中(包括對(duì)附圖的參照)更具體地闡述了對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言完整和能夠?qū)嵤┑墓_,包括其最佳模式,說明書對(duì)附圖進(jìn)行了參照,在附圖中圖1是具有根據(jù)本文所述的實(shí)施例的轉(zhuǎn)子葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)的示意性側(cè)視圖。圖2是在本文所述的實(shí)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(shí)施例中使用的惠斯通電橋電路的四個(gè)應(yīng)變計(jì)的示意圖。圖4、5、6和7是根據(jù)本文所述的實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的示意性縱截面圖。圖8示出了根據(jù)本文所述的實(shí)施例的用于布置在風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片處的應(yīng)變傳感器的溫度校準(zhǔn)的方法。圖9示出了測(cè)量的葉片力矩曲線和在本文所述的實(shí)施例中使用的參數(shù)跨度比和偏移差之間的關(guān)系。圖10示出了根據(jù)本文所述的實(shí)施例的另一種用于布置在風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片處的應(yīng)變傳感器的溫度校準(zhǔn)的方法。圖11是根據(jù)本文所述的實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉根的示意性縱截面圖。圖12是根據(jù)本文所述的實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉根的示意性縱截面圖。圖13是根據(jù)本文所述的實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉根的示意性透視圖。圖14是根據(jù)本文所述的實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉根的示意性縱截面圖。圖15是根據(jù)本文所述的實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉根的示意性透視圖。圖16示出了根據(jù)本文所述的實(shí)施例的另外又一種用于布置在風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片處的應(yīng)變傳感器的溫度校準(zhǔn)的方法。部件列表
100風(fēng)力渦輪機(jī)
110轉(zhuǎn)子葉片
111吸力側(cè)
112壓力側(cè)
113前緣
114后緣
115翼型部分
120轉(zhuǎn)子輪轂
130機(jī)艙
140塔架
150轉(zhuǎn)子葉根
160應(yīng)變傳感器
170溫度傳感器
180應(yīng)變計(jì)
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(shí)施例方式現(xiàn)在將對(duì)多個(gè)實(shí)施例作出詳細(xì)參照,實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)實(shí)例在各圖中示出。各個(gè)實(shí)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(gè)實(shí)施例的一部分而示出或描述的特征可在其它實(shí)施例上使用或與其它實(shí)施例結(jié)合使用,以產(chǎn)生又一個(gè)實(shí)施例。 意圖的是,本公開包括這種修改和變型。圖1是風(fēng)力渦輪機(jī)100的示意性側(cè)視圖。風(fēng)力渦輪機(jī)100包括三個(gè)轉(zhuǎn)子葉片110, 但是根據(jù)其它實(shí)施例,可具有更多或更少的葉片110。轉(zhuǎn)子葉片110安裝在轉(zhuǎn)子輪轂120上, 轉(zhuǎn)子輪轂120連接到機(jī)艙130上。機(jī)艙130固定在塔架140的頂部上。轉(zhuǎn)子葉片110包括適于測(cè)量轉(zhuǎn)子葉片110的彎曲力矩的應(yīng)變傳感器。風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片會(huì)由于風(fēng)載荷、重力和離心力而經(jīng)受相當(dāng)大的力和力矩。 這種葉片力矩典型地與轉(zhuǎn)子葉片的拉伸或彎曲成比例,該拉伸或彎曲可由應(yīng)變傳感器測(cè)量。典型的應(yīng)變傳感器是應(yīng)變計(jì),其可實(shí)現(xiàn)為平的電阻器。那些平的電阻器的電阻根據(jù)傳感器的長(zhǎng)度變動(dòng)而線性地變化。典型地,那些應(yīng)變計(jì)結(jié)合或粘合到被測(cè)試的轉(zhuǎn)子葉片的表面上。應(yīng)變計(jì)可測(cè)量微小的相對(duì)長(zhǎng)度變動(dòng),小到10_6。應(yīng)變計(jì)的基本參數(shù)是它對(duì)應(yīng)變的靈敏度,在數(shù)量上表示為應(yīng)變計(jì)系數(shù)(GF)。應(yīng)變計(jì)系數(shù)定義為電阻的相對(duì)變化(ΔΚ/R)與應(yīng)變的比,該應(yīng)變是長(zhǎng)度的相對(duì)變化(Δ ν )對(duì)于金屬箔應(yīng)變計(jì),應(yīng)變計(jì)系數(shù)典型地為約2。典型地,應(yīng)變測(cè)量很少涉及大于10_3的應(yīng)變。因此,典型地,將測(cè)量小于1 Ω的電阻變化。為了測(cè)量這種小的電阻變化,應(yīng)變計(jì)典型地以包括電壓激勵(lì)源的惠斯通電橋構(gòu)造來使用。典型地,電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)合到轉(zhuǎn)子葉片的表面上,以便檢測(cè)表面中的應(yīng)變。但是,應(yīng)變計(jì)會(huì)展現(xiàn)出溫度依賴性,并且因此應(yīng)當(dāng)運(yùn)行而使得由于溫度變化引起的不準(zhǔn)確性得到補(bǔ)償或至少減小。這不僅是由于在結(jié)合的電阻應(yīng)變計(jì)細(xì)絲中使用的大多數(shù)導(dǎo)電材料的電阻會(huì)隨溫度而變化,而且還因?yàn)閼?yīng)變計(jì)細(xì)絲的熱膨脹系數(shù)(CTE)通常不同于它結(jié)合到其上的結(jié)構(gòu)的CTE,以及由于熱膨脹所導(dǎo)致的對(duì)應(yīng)變的靈敏度或?qū)?yīng)變的測(cè)量是不希望的且會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。因此,即使應(yīng)變計(jì)的細(xì)絲不是直接溫度敏感的,因?yàn)槠潆娮桦S溫度變化而變化,它仍然將經(jīng)受關(guān)于溫度的錯(cuò)誤的應(yīng)變指示,除非它具有與它結(jié)合到其上的表面的CTE 匹配的熱膨脹系數(shù)。這種匹配是困難且昂貴的,因?yàn)槿绻Y(jié)合到鋁或一些其它材料上,與鋼匹配的應(yīng)變計(jì)很可能出錯(cuò),反之亦然。溫度變動(dòng)會(huì)在應(yīng)變計(jì)中造成多種影響。測(cè)量目標(biāo)由于熱膨脹而在大小上有變化,這作為應(yīng)變來檢測(cè)。應(yīng)變計(jì)的電阻和連接導(dǎo)線的電阻將變化。應(yīng)變計(jì)的電阻變化與長(zhǎng)度變化在相同幅度上。典型地,它們均在10_6的級(jí)上。為了測(cè)量這種小的電阻變化,應(yīng)變計(jì)典型地以具有電壓激勵(lì)源的惠斯通電橋布置來使用。因?yàn)闇囟茸儎?dòng)也導(dǎo)致(應(yīng)變)計(jì)細(xì)絲的電阻變動(dòng),所以應(yīng)當(dāng)采用一些手段來消除這些溫度變化對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響。伴隨著溫度變動(dòng)的電阻變動(dòng)不僅由導(dǎo)線細(xì)絲的電阻率的熱系數(shù)所導(dǎo)致,而且還由導(dǎo)線和測(cè)試結(jié)構(gòu)的線性CTE的差異所導(dǎo)致。因此,特定(應(yīng)變)計(jì)的溫度靈敏度將根據(jù)它固定到其上的材料而改變,并且對(duì)于各種各樣的測(cè)試材料,任何補(bǔ)償系統(tǒng)都必須是可使用的。這種溫度靈敏度通常是作為“明顯的應(yīng)變”而非電阻的變動(dòng)而經(jīng)歷的,因?yàn)樽罱K的誤差計(jì)算必須與實(shí)際應(yīng)變測(cè)量相關(guān)。用于應(yīng)變計(jì)的使用最廣泛的溫度補(bǔ)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(tǒng),并且還利用了它們固定到其上的機(jī)械系統(tǒng)。可使用惠斯通電橋電路來將不期望的溫度影響補(bǔ)償至良好的程度。但是,由于應(yīng)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(huì)完全被補(bǔ)償。這可通過嚴(yán)格的溫度校準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn),其中,應(yīng)變傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子葉片的多個(gè)位置處的應(yīng)變,同時(shí)測(cè)量那些應(yīng)變傳感器處的溫度。圖2顯示了惠斯通電橋電路190(其將用于本文所公開的實(shí)施例中)的示意圖?;菟雇姌螂娐?90包括四個(gè)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(gè)電阻器181、182、183和184的閉環(huán)。在電阻器181、182、183和184 的結(jié)點(diǎn)處提供了四個(gè)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(lì)電壓VB,并且在觸頭192和193之間測(cè)量電橋電壓V。電橋電壓V等于
權(quán)利要求
1.一種轉(zhuǎn)子葉片(110),包括:布置在所述轉(zhuǎn)子葉片(110)的表面處的第一應(yīng)變傳感器(160);以及, 布置成鄰近所述第一應(yīng)變傳感器(160)的第一溫度傳感器(170)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子葉片(110),其特征在于,所述轉(zhuǎn)子葉片(110)進(jìn)一步包括布置在所述轉(zhuǎn)子葉片(110)的所述表面處、沿周向與所述第一應(yīng)變傳感器(160)相對(duì)的第二應(yīng)變傳感器(160);以及,布置成鄰近所述第二應(yīng)變傳感器(160)的第二溫度傳感器(170)。
3.根據(jù)權(quán)利1或2所述的轉(zhuǎn)子葉片(110),其特征在于,所述第一應(yīng)變傳感器(160)布置在所述轉(zhuǎn)子葉片(110)的前緣(113)處;以及, 所述第二應(yīng)變傳感器(160)布置在所述轉(zhuǎn)子葉片(110)的后緣(114)處;或所述第一應(yīng)變傳感器(160)布置在所述轉(zhuǎn)子葉片(110)的吸力側(cè)(111)處;以及, 所述第二應(yīng)變傳感器(160)布置在所述轉(zhuǎn)子葉片(110)的壓力側(cè)(11 處。
4.根據(jù)權(quán)利2或3所述的轉(zhuǎn)子葉片(110),其特征在于,各個(gè)應(yīng)變傳感器(160)包括兩個(gè)應(yīng)變計(jì),各個(gè)應(yīng)變計(jì)適于測(cè)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(yīng)變傳感器和第二應(yīng)變傳感器(160)的四個(gè)應(yīng)變計(jì)彼此電氣連接,以形成全惠斯通電橋電路(190)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)子葉片(110),其特征在于,所述轉(zhuǎn)子葉片(110)進(jìn)一步包括布置在所述轉(zhuǎn)子葉片(110)的所述表面處的第三應(yīng)變傳感器和第四應(yīng)變傳感器 (160),所述第三應(yīng)變傳感器(160)布置成沿周向與所述第四應(yīng)變傳感器(160)相對(duì)且相對(duì)于所述第一應(yīng)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(yīng)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(yīng)變傳感器 (160)。
6.一種用于布置在風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的轉(zhuǎn)子葉片(110)處的應(yīng)變傳感器(160)的溫度校準(zhǔn)的方法,所述方法包括在所述轉(zhuǎn)子葉片(110)基本不會(huì)由于風(fēng)而發(fā)生彎曲的模式中運(yùn)行所述風(fēng)力渦輪機(jī) (100);針對(duì)在所述應(yīng)變傳感器(160)的位置處測(cè)量的多個(gè)溫度,反復(fù)地測(cè)量所述轉(zhuǎn)子葉片 (110)的重力引起的彎曲力矩;根據(jù)所述測(cè)量的數(shù)據(jù)來確定所述應(yīng)變傳感器(160)的溫度依賴性; 基于所述應(yīng)變傳感器(160)的所確定的溫度依賴性來校準(zhǔn)所述應(yīng)變傳感器(160),使得所述應(yīng)變傳感器(160)的溫度依賴性被補(bǔ)償。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于,測(cè)量所述轉(zhuǎn)子葉片(110)的重力引起的彎曲力矩包括針對(duì)所述轉(zhuǎn)子葉片(110)的多個(gè)方位角位置和所述轉(zhuǎn)子葉片(110)的多個(gè)槳距角,測(cè)量所述轉(zhuǎn)子葉片(110)的彎曲力矩;以及,所述方法進(jìn)一步包括基于所述轉(zhuǎn)子葉片(110)的物理屬性和轉(zhuǎn)子方位角位置來計(jì)算所述轉(zhuǎn)子葉片(110)的重力引起的彎曲力矩;針對(duì)所述轉(zhuǎn)子方位角位置,比較所述轉(zhuǎn)子葉片(110)的計(jì)算的彎曲力矩與測(cè)量的彎曲力矩;通過設(shè)定修正值從而使所述測(cè)量的彎曲力矩等于所述計(jì)算的彎曲力矩來校準(zhǔn)所述應(yīng)變傳感器(160)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法,其特征在于,所述方法進(jìn)一步包括通過回歸分析來確定所述應(yīng)變傳感器(160)測(cè)量的彎曲力矩對(duì)溫度的函數(shù)依賴性。
9.一種用于布置在風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的轉(zhuǎn)子葉片(110)處的應(yīng)變傳感器(160)的溫度校準(zhǔn)的方法,所述方法包括控制所述應(yīng)變傳感器(160)位于其中的轉(zhuǎn)子葉片(110)的部分的溫度; 使用所述應(yīng)變傳感器(160)來測(cè)量應(yīng)變; 測(cè)量所述應(yīng)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復(fù)應(yīng)變和溫度的測(cè)量; 根據(jù)所述測(cè)量的數(shù)據(jù)來確定所述應(yīng)變傳感器(160)的溫度依賴性;以及, 基于所述應(yīng)變傳感器(160)的所確定的溫度依賴性來校準(zhǔn)所述應(yīng)變傳感器(160),使得所述應(yīng)變傳感器(160)的溫度依賴性被補(bǔ)償。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法,其特征在于,所述方法進(jìn)一步包括以逐步的方式使所述轉(zhuǎn)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(gè)步驟中,使用所述應(yīng)變傳感器(160)來測(cè)量所述轉(zhuǎn)子葉片(110)的彎曲力矩; 在每個(gè)步驟中,測(cè)量所述應(yīng)變傳感器(160)的位置處的溫度; 確定所述彎曲力矩和測(cè)量的溫度之間的函數(shù)依賴性。
全文摘要
本發(fā)明涉及葉片應(yīng)變計(jì)的溫度校準(zhǔn)方法和包含應(yīng)變計(jì)的風(fēng)力轉(zhuǎn)子葉片。提供了一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的轉(zhuǎn)子葉片(110)的應(yīng)變傳感器(160)的溫度校準(zhǔn)的方法,該方法包括在其中轉(zhuǎn)子葉片(110)基本不會(huì)由于風(fēng)而發(fā)生彎曲的模式中運(yùn)行風(fēng)力渦輪機(jī)(100);針對(duì)在應(yīng)變傳感器(160)的位置處測(cè)量的多個(gè)溫度,反復(fù)地測(cè)量轉(zhuǎn)子葉片(110)的重力引起的彎曲力矩;確定應(yīng)變傳感器(160)對(duì)溫度的溫度依賴性;基于應(yīng)變傳感器(160)的所確定的溫度依賴性來校準(zhǔn)應(yīng)變傳感器(160),使得應(yīng)變傳感器(160)的溫度依賴性被補(bǔ)償。
文檔編號(hào)G01B7/16GK102235299SQ20111011958
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者M·圖爾克, R·阿謝爾曼, T·霍內(nèi)坎普 申請(qǐng)人:通用電氣公司