用于测量风能设备的中空部件从基准位置偏移的方法和系统 |
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| 申请号 | CN200880116848.3 | 申请日 | 2008-11-12 | 公开(公告)号 | CN101868620B | 公开(公告)日 | 2012-07-25 |
| 申请人 | 温可有限责任公司; | 发明人 | 克里斯托夫·卢克斯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于测量 风 能 设备的基本上纵向延伸的中空部件(B)偏离基准 位置 的方法，应该如下地改进改进该方法，从而利用该方法可以简单且精确地确定 风 力 发电设备的中空部件从基准位置的偏移，以及可靠地对其进行监控。在所述中空部件的内部在第一位置设置至少一个用于非 接触 定向测量距离的距离 传感器 (8.1，8.2)，距离传感器沿位于中空部件(B，2，4)内部的第二位置的方向测量到达一个目标点的距离；在中空部件内的第二位置上布置具有目标表面的测量目标(9，9.1，9.2)；利用距离传感器测量至目标表面的距离，在计算单元中分析距离测量的结果并由此确定中空部件从基准位置至少相对于所述方向(x，y)的方向分量的各个相关的偏移。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于测量风能设备(1)的基本上纵向延伸的中空部件(B，2，4)偏离基准位置的方法，其特征在于，在所述中空部件(B，2，4)内在第一位置上设置至少一个用于非接触定向测量距离的距离传感器(8.1，8.2)，所述距离传感器沿位于所述中空部件(B，2，4)内的第二位置的方向测量至一个目标点的距离；在所述中空部件(B，2，4)内的第二位置上布置具有目标表面的测量目标(9，9.1，9.2)，在测量范围内沿方向(x，y)看，所述目标表面至少相对参考平面(R)垂直延伸，所述参考平面(R)垂直于所述距离传感器(8.1，8.2)的测量方向(10，10.1，10.2)；以及利用所述距离传感器(8.1，8.2)连续或间隔地测量至所述目标表面的距离，其中在计算单元中分析所述距离测量的结果并由此确定所述中空部件(B，2， |
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| 说明书全文 | 用于测量风能设备的中空部件从基准位置偏移的方法和系统 技术领域[0002] 根据本发明的中空部件是风能设备的这样的部件，即其内部中空且同时基本上纵向延伸。这种中空部件尤其为转子叶片和塔柱或塔柱部段，只要后者如目前普遍地那样设计为中空的。然而，机器间(吊舱)以及布置在吊舱中的支承件也可以是根据本发明的中空部件。而且可以利用根据本发明的方法测量中空部件的偏移。 背景技术[0003] 风能设备的绝大多数转子叶片由纤维增强的合成材料制成。由纤维增强的合成材料制成的结构部件形成的结构的特点在于在叶片体的各个区域中纤维的不同的排列和对齐(调整)。而且不同的纤维，如玻璃纤维和碳纤维可以彼此结合，既可形成实心层压件又可形成夹层式层压件。因此，风能设备的转子叶片具有复杂且不对称的结构。 [0004] 转动件的任务是把运动的气团的动能转化为有用的转矩。这点应该在20年的风能设备的典型地设计时间段内，也就是说，例如不涉及塔柱，可靠地实现。 [0005] 在运行中，叶片结构既有自重又通过风而被动态地加载，外壳受到天气影响且层压件(叠层)会吸收潮气。 [0006] 通常这样设计转子叶片，即在20年的设计时间段内可以可靠地忍受所有运行负荷还有强风暴的最大负荷。在叶片的设计中，通过安全系数来应对层压件由于持续的负荷而老化的情况以及所有与时间相关的材料特性的情况。也就是说，通常这样规定转子叶片的尺寸，即其在20年后仍应该可以忍受所有负荷。 [0007] 对转子叶片的疲劳强度以及其在最大负荷时的坚固度产生影响的，一方面是实际的运行负载(斜向入流、沿边振动、流分离效应等等)，另一方面还有制造时的边界条件以及外部作用如在雷击时造成的损坏。 [0008] 转子叶片由于运行而产生的材料特性的逐渐退化是转子叶片的真正磨损。众所周知，对纤维增强的合成材料来说，通过刚性损失和强度损失可以看出材料特性的退化。在实验室试验中，试样已证明了这些材料特性的负面变化。同样众所周知，刚性的改变伴随着固有频率的改变和弯曲特性的改变。然而利用目前的知识水平，还不能清楚地掌握，由借助于简单的试验体-均匀的纤维结构中单一方向的纤维对齐-进行的实验室试验得到的知识到底有多少可以转用于复杂的结构，例如风能设备的转子叶片。 [0009] 在到目前为止的关于风能设备的运行的经验中，其中例如也发生了不希望的叶片和塔柱之间的碰撞，表明了借助于转动件的受控的运行可以显著提高稳定性并提前发现错误。在运行中转动件与塔柱的碰撞导致显著的损坏直至整个设备完全损坏。 [0010] DE10 2006 002 709用于转子叶片由于风压力而产生的弯曲度的测量技术方面监控的问题(沿基本上垂直于转动件平面的方向的偏移)。在此，在转子叶片中一方面接近，另一方面沿叶片尖方向选定基准点，这些基准点通过机械的缆索系统彼此连接。对基于风压力的转子叶片的偏移来说，缆索出现纵向变化，由计算单元通过该纵向变化算出实际的偏移。因此例如在强风时，或在老化造成材料疲劳时，应该预防转子叶片的过大程度偏移，最坏的情况即转子叶片与塔柱相撞。 [0011] 一方面，在该文献中所述的系统安装到转子叶片中花费巨大，尤其难以加装。另一方面，在对转子叶片的偏移的监控中始终局限在基本上垂直于转子叶片平面的方向上。利用该系统不能维持转子叶片在转子叶片平面内的由于其自重在竖直偏离的位置上的其它偏移。然而，这样的偏移同样对老化效应和可能的材料退化产生很大的说明。最后，由于机械装置本身在尺寸中的被动性，在该文献中公开的机械系统通常不能以足够的精度确定和测得例如振动效应以及类似物。 [0012] DE 10 2006 002 708A1中公开了另一种用于确定风能设备的转子叶片的偏移的方法。其中激光器的光束被引导至反射棱镜上。由该棱镜反射回的光束被探测器接收，该探测器分析反射光束的入射位置。转子叶片的偏移导致棱镜位置的移动。这又造成反射光束在探测器上的入射点的变化，该探测器测量该位置变化并提供给用于处理的计算单元。尽管该装置的加装比DE 10 2006 002 709A1中描述的系统简单，然而为此需要昂贵且灵敏的部件。在符合光学品质制成的作为反射体的棱镜旁边，除了激光发射器还要设置根据水平扫描相机或类似物的方式获取光束的测量位置的探测器。购置这种探测器花费昂贵。此外，必须为该探测器配备能源供应和数据导线。此外，该探测器相对容易发生故障且因此是可能的故障源。 [0013] 风力发电设备的塔柱也承受力，该力使材料，通常是钢或钢筋混凝土受到负荷。对于目前风能设备的巨大的高度100m或更高来说，在塔柱的区域内也由于作用于风能设备的风压力发生可测量的偏移。并且这里也必须监控材料退化并及时发出警报。此外，对出现的偏移进行测量对材料和/或该部件的结构的进一步改进具有重要意义。 发明内容[0014] 这里涉及本发明。本发明的目的尤其在于，给出一种方法以及系统，其中可以通过简单且坚固的工具确定并可靠地监控风能设备的中空部件从基准位置的偏移，根据本发明的设计方案甚至可用于不同的偏移方向。 [0015] 在权利要求1中给出该目的根据方法的解决方案。在从属权利要求2至5中给出了该方法改进方案。根据权利要求6的特征限定了一个实现该目的的系统。在从属权利要求7至18中给出了该系统的有利的改进方案 [0016] 本发明的基本设想为：在中空部件的内部安装至少一对由允许定向的距离测量的非接触距离传感器(Abstandssensor)和所属的测量目标。同时，距离传感器布置在第一位置，测量目标位于第二位置，在第二位置中测量目标可由距离传感器探测。重要的作用在于，测量目标具有目标表面，从一个方向看该目标表面垂直于参考平面延伸，该参考平面垂直于距离传感器的测量方向。在中空部件从基准位置相对一方向分量偏移时，沿目标表面的横向的方向，测量目标同样相对于距离传感器如此移动，即由距离传感器根据偏移测得在该方向上至测量目标或至目标表面的不同距离。而在此，在该方向上的偏移(该方向上目标表面横向于参考平面延伸)的至少一个分量可以明确地对应测得的距离。横向于参考平面的表面的分布形状不仅包括相应的倾斜的分布形状，而且包括不连续的阶梯状分布形状，还有一个这样的分布形状，其具有离参考平面距离不等，而平行于参考平面的表面部段。 [0017] 在此，该系统简单且结实，可以容易地加装(通过安装测量目标及装入传感器)并只需很少维护。 [0018] 根据本发明，距离传感器与计算单元连接，该计算单元根据测得的距离对偏移进行分析。在此，重要的是，距离传感器进行基本上精确到点的距离确定，例如可以通过激光距离传感器实施(参见权利要求13)。然而，原则上也可以设想其它类型的非接触距离传感器，只要它们能够进行定向的且基本上精确到点的距离测量。在此例如可以想到定向的超声波传感器。如果利用测量射线(超声波、雷达、激光或类似物)测量，尤其不需要的是完全反射该测量射线。即使对测量目标上倾斜布置的入射面来说，在入射角不过于平坦时，仍射回足够份额的测量射线，其足够用于距离确定。 [0019] 为了能够以简单地方式测量中空部件在两个不同的、线性独立的方向上的偏移，可以采取如权利要求2给出的方式或利用根据权利要求7的系统。 [0020] 在这种做法中，为待确定偏移的每个方向分量设置至少一个距离传感器以及分配给距离传感器的测量目标，其中如此对准目标表面，即借助于通过所属的距离传感器的距离测量可以分别确定偏移的一个方向分量。这可以利用具有平坦表面的两个测量目标简单地实现，如权利要求8给出的那样形成并对齐测量目标。特别地，当由于距离传感器和测量目标之间的距离相对较大使得距离传感器的测量点在测量目标上具有不可忽视的直径时，可以利用这样的布置以高精度进行在不同方向上的偏移的可靠的测量。 [0021] 然而，对于在目标点存在足够的空间限制的测量射线来说，也可以利用由距离传感器和测量目标组成的一个组进行对中空部件在两个线性独立的方向上的偏移的测量。在权利要求3中给出用于此的可能的做法，在权利要求9中给出相应的测量系统。在此，重要的作用在于，测量目标具有目标表面，该目标表面相对于一基本上垂直于距离传感器的测量方向的参考平面弯曲或倾斜地延伸并因此在其不同的表面点上与距离传感器的距离不同。在中空部件从基准位置偏移时，测量目标相对于距离传感器移动，从而由距离传感器根据偏移测量至测量目标或至目标表面的不同的距离。则可以把沿平行于参考平面的第一方向(x方向)的偏移，以及沿竖直的，且同样平行于参考平面的第二方向(y方向)的偏移，特别还有组合的偏移明确地分配给测得的距离。 [0022] 在该变型中给出了目标表面的可能的构造，目标表面沿横向于测量方向延伸的第一方向建造为阶梯状，且具有相邻的梯级，所述梯级从其横向于阶梯状的分级的方向且同样横向于测量方向的水平延伸方向看在每个测量点上距参考平面的距离不同，其中沿参考平面的方向在梯级之间存在较大的距离跳跃，所述距离跳跃大于各个梯级内部的距离跳跃。同时，各个梯级可以具有倾斜地穿过的平面或在其方面也梯级状延伸。重要的仅在于，在具有至参考平面最小距离的第一梯级的点和来自下一梯级的具有至参考平面最大距离的点之间存在偏差，反之亦然。这样设计的测量目标本身也可以看作独立的发明并尤其可以表示根据本发明的系统的一个重要元素。 [0023] 特别地，这样根据本发明的方法或系统应用在风能设备的一个或多个转子叶片，或塔柱中。对应用在转子叶片中来说，实际的优点在于，距离传感器接近于转子叶片根或动片轮毂布置且测量目标沿转子叶片尖的方向布置。自然也可以沿反方向布置，当然上述布置具有优点，即可以在轮毂的区域上为距离传感器供应能量且在需要时(维修、更换)更容易到达该区域。在测量风能设备的塔柱时，原则上布置(距离传感器在上或在下)是任意的。也可以设想把该方法或系统用于测量风能设备的机器间(吊舱)区域。在那里，例如可以利用这种布置获取机架的所谓的“舞蹈”(即振动)，根据本发明，机架同样表示中空部件。 [0024] 为了尽可能精确地测量实际的偏移，离距离传感器尽可能远地布置测量目标。同时当然要注意：即使在中空部件发生最大可预期的弯曲或偏移时，非接触距离传感器的测量射线仍必须到达目标表面。此外，由于距离传感器和测量目标之间的距离，不允许测量射线在目标点的直径过大，以能够实现仍可分析的测量。对此，利用最大距离限定该距离。相应地，对距离传感器布置在转子叶片根的区域内的转子叶片的布置来说，通常测量目标不能布置在最外面的转子叶片尖中，而是较接近于转子叶片根布置。在此，测量目标当然优选布置在转子叶片的内部朝向转子叶片尖的三分之一处。 [0025] 此外，可以设想，在中空部件中布置具有由至少一个距离传感器和其所属的测量目标组成的多个在纵向上前后布置的组的测量线段，从而例如测绘及测量弯曲截面。 [0026] 利用根据本发明的方法或通过根据本发明的系统获得的数据可以输入控制设备，该控制设备根据预定的措施干涉风能设备的工作过程。如此例如在确定材料退化和即将发生转子叶片与塔柱的碰撞时，可以停止风能设备以及由于风而使风能设备旋转。也可以在正常的设备运行中发现负载增加且收益减小的工作状态，如由于在涂覆的动片表面上的涡流状况而导致的空气动力学引起的失衡，并通过修正设备控制而消除上述情况。 [0027] 此外，有利的是，把根据本发明的系统的测量数据，优选用于整个经测量的中空部件的测量数据存储在控制设备中，并保存用于后续的分析。从而控制设备可以断定例如基于老化而必须的中空部件(例如转子叶片)的替换。附图说明 [0028] 根据附图，由下述对实施例的描述给出本发明的其它优点和特征。附图示出： [0029] 图1：风能设备的示意性的侧视图，该风能设备具有其中简略绘出的适用于实施根据本发明的方法或适用于根据本发明的系统的测量线段； [0030] 图2：在第一变型中部件或中空部件的示意图，用于笼统说明根据本发明的方法或系统的原理； [0031] 图3：在第二变型中部件或中空部件的示意图，用于笼统说明根据本发明的方法或系统的原理； [0032] 图4：以三维视角示意性示出用于根据本发明的方法或系统的测量目标； [0033] 图5：根据图4的测量目标的截面的极其简化的正视图，用于说明该测量目标的原理； [0034] 图6：以与图4相应的三维视角示意性地示出另一个用于根据本发明的方法或系统的测量目标； [0035] 图7：与图5类似地，根据图6的测量目标的截面的极其简化的正视图，用于说明该测量目标的原理；以及 [0036] 图8：示意性地在三幅图中示出分别在简化示出的转子叶片中方法的实施。 具体实施方式[0037] 图1中简化示出的风能设备1基本上由具有在其上可旋转地设置的吊舱3的塔柱2和固定在吊舱上的转动件组成，转动件由安装在轮毂5上的转子叶片4组成。 [0038] 风能设备1的单个部件受到不同方向负荷的力，这些力会导致这些部件的偏移或弯曲。例如，目前通常由钢或钢筋混凝土件制成中空部件的塔柱2会由于作用在转子上的风压力而沿着风向偏离静止位置。转子叶片4同样由于风压力从共同的转子平面沿风向偏移，此外，转子叶片4还受到转子平面内竖直向下作用的重力的影响，这种影响造成进一步的弯曲并引起相对基准位置的偏移。因此，转子叶片在两个不同的、彼此垂直的方向上出现具有多种分量的偏移。 [0039] 可以利用下面还将进一步描述的根据本发明的方法或系统获取不论是转子叶片4还是塔柱2至少在一个方向分量上的偏移，这在图1中通过测量线段6(在塔柱中)和7(在转子叶片中)表明。在图1中在吊舱3中绘出另一测量线段16。其沿吊舱的纵向延伸，确切地说，沿在那里布置的驱动杆的纵向延伸。利用该测量线段16表明，尤其可以监控布置在吊舱3中的机架的偏移，该偏移例如在机架所谓的“舞蹈”时出现并最终造成驱动杆的不希望的失衡。 [0040] 在图2中，借助于为了简化而透视示表示为长方体的中空部件B，说明在第一变型中根据本发明的方法或根据本发明的系统的基本原理。为了更好地定位，在图2中示出坐标x、y、z的坐标系。一个在此简化为点状示出的用于非接触距离测量的距离传感器8.1与其测量射线10在部件B的中空内对齐。测量射线10对准在一个距离内在部件B的纵向上移动且布置在中空中的测量目标9.1，该测量目标具有朝向距离传感器8.1目标表面。在该矩形的图示中可以很清楚地看到，具有目标表面的测量目标9.1是平的，该平面相对于参考平面R倾斜，参考平面相对于测量射线10，即距离传感器8.1的测量方向形成一个垂直的平面。在此，在一个空间方向形成这种倾斜，确切地说，这种倾斜围绕位于参考平面内的y轴倾斜角度α。 [0041] 由此，即由距离传感器8.1定位的测量目标9.1的目标表面的沿x轴方向或一条平行线上分布的点相对参考平面R的距离不同。假如部件B发生偏移，即弯曲，由于距离传感器8.1的测量射线10射到测量目标9.1的目标表面上，所以点移动。同时，距离传感器8.1确定一个与在不受负荷的基准位置不同的距离。由于为每个测得的距离明确地对应一个在测量目标的目标表面上沿x方向的距离分量，所以这个测得的距离可以对应一个沿x方向的测量目标9.1的侧向偏移分量，这通过相应的箭头12表示。在图8的最上面的图示中示意性地示出转子叶片4中的这种情形。 [0042] 在此，测量目标9.1(以及所有下面仍将描述的测量目标)不是用于所使用的测量射线的反射体。为了优选所采用的光学距离测量(利用激光)，也可以把这个反射体简单地设计为由染成亮色的塑料盘子或木料制成构件。 [0043] 在图3中示出类似的情形，其中具有布置在部件B中的距离传感器8.2和测量目标9.2，为了简化仍以长方体表示部件B。在此，测量目标9.2仍然具有平坦的目标表面，这次该目标表面围绕参考平面R内的x轴倾斜角度β。在这种布置中，在参考平面R(即距离传感器8.2)和测量目标9.2之间相对沿y轴方向或平行的线分布的点的距离不同，从而在中空部件B偏移时，可以通过距离测量得到y方向上的偏移分量，这通过双向箭头13表示。在图8的最下面的图示中示出转子叶片的这种情形。 [0044] 很显然，由距离传感器8.1和测量目标9.1组成的一个组以及由距离传感器8.2和测量目标9.2组成的一个组组合起来的布置可以确定偏移的x分量和y分量的测量并因此确定整个偏移。在使用具有不同表面的测量体的情况下，也可以在一个唯一的测量体中实现两个测量目标9.1和9.2，那么该测量体表示两个测量目标。在图8的中间的图示中示出这种情形，其中10.1和10.2表示距离传感器8.1和8.2的测量射线。 [0045] 可选地，当对于目标表面上的每个(测量)点来说，测量目标具有到参考平面R的唯一距离时，可以采用由距离传感器和测量目标9组成的一个组。例如，在图4和5以及6和7中示出可能的这种测量目标9。 [0046] 如在图4和5中所示，在用于同时测量在两个线性独立的方向分量上的偏移的测量目标的第一例子中，测量表面由在y方向上阶梯状排列的部段11组成，在部段中，表面分别向参考平面R倾斜地延伸。特别如图5中清晰所示，各部段11彼此紧邻的点彼此相间距离差(偏差)Δz。因此可以利用距离测量简单地推出目标表面上的定位位置(测量点)并因此通过简单的三角学计算推出中空部件在x以及y方向(在参考平面内的方向)上的偏移。 [0047] 在图6和7中示出仅利用一个距离传感器同时测量中空部件在x以及y方向上的偏移的一个可能的测量目标9的另一个例子。在此也设置了阶梯状彼此相叠布置的不同的部段14，然而该部段14不同于在由图4和5中所示的测量目标9中那样穿过且向参考平面R倾斜地延伸，而是在单个梯级15中同样为阶梯状。每个这种梯级15给出一个测量点，从而可以通过梯级15的尺寸确定测量点的清晰度并进而确定该系统的精度。在此，仍然重要且从图7的图示中可以明确看出的是，在相邻的部段14的最接近的梯级15之间存在距离差Δz，以在确定配备有这种测量目标的中空部件的偏移时，保证距离测量的唯一性。 [0048] 为此，发明人已经发明了在图4和5以及6和7中示出的测量目标9。然而测量目标也可以用于其它与在风能设备的中空部件的偏移测量领域不同的应用领域，例如测量桥梁部件、船舶、机翼、机身、建筑物的顶结构部件、路基的构件、制动装置和堤坝设备或类似物的偏移。就此而言，测量目标也是独立的发明。 [0049] 非接触距离传感器8.1，8.2优选为激光距离传感器，因为这种传感器实现简单且购价低廉且可简单地装入风能设备1中。 [0050] 显而易见，利用在此描述的用于测量风能设备1的中空部件的偏移的根据本发明的方法获得了一种方法或系统，该方法或系统不仅意味着在技术上可以尤其简单地实现且维护少以及可容易地加装，而且在有利的设计方案中，这种方法尤其实现了获取并监控中空部件从基准位置在两个不同的、彼此线性独立的空间方向上的偏移。 [0051] 有利的是，借助于根据本发明的方法或通过根据本发明的系统获取的关于风能设备1的中空部件的偏移的数据可以用于建立负荷历史记录。该数据同样可用于输送给风能设备1的控制设备。特别地，可以获得例如借助于根据本发明的方法确定的一个转子叶片、整个转动件和塔柱4的、形式为额外的摆动、振动的、与正常的工作特性的偏离，并例如用作例如通过转子叶片4的所谓的螺旋角的适应来修正工作特性的理由。同样地，可以在断定紧急的材料退化时发出警报。之所以可以实现这些优点，尤其因为根据本发明的系统快速、可靠且不易故障地获取且监控了风能设备1的中空部件从基准位置的偏移。 [0052] 附图标记 [0053] 1风能设备 [0054] 2塔柱 [0055] 3吊舱 [0056] 4转子叶片 [0057] 5轮毂 [0058] 6测量线段 [0059] 7测量线段 [0060] 8.1，8.2距离传感器 [0061] 9.1，9.2测量目标 [0062] 10，10.1，10.2测量射线 [0063] 11部段 [0064] 12箭头 [0065] 13双向箭头 [0066] 14部段 [0067] 15梯级 [0068] 16测量线段 [0069] B部件 [0070] R参考平面 [0071] Δz距离差 |
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