專利名稱：將元件對準風向的方法和確定元件與風向未對準的傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種將元件與風向?qū)实姆椒?，并涉及一種用于確定元件 相對于風向未對準的傳感器。本發(fā)明還涉及一種風力渦輪機。
背景技術(shù)：
風力渦輪機，例如為了避免高的結(jié)構(gòu)負荷并為了產(chǎn)生最佳的功率，將 水平軸線的風力渦輪機對準特定風向是極其重要的。通常，風向是通過使 用風向標或使用聲波風速傳感器來測量的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目標是提供用于將元件對準至風向的有益的方法。本發(fā)明的 第二目標是提供用于確定元件相對于風向未對準的有益的傳感器。本發(fā)明的第三目標是提供有益的風力渦輪機。通過權(quán)利要求1所要求保護的將元件對準風向的方法解決第一目標。通過權(quán)利要求10所要求保護的用于確定元件相對于風向未對準的傳感器 解決第二目標。通過權(quán)利要求14所要求保護的風力渦輪機解決第三目標。 從屬權(quán)利要求限定了本發(fā)明的進一步發(fā)展。位成使得傳感器的至少一部;暴露在風中。本發(fā)明^的:方法包括^量i:于 風引起的作用在傳感器上的力的信號的步驟，和包括依據(jù)測得的信號旋轉(zhuǎn) 元件的步驟。本發(fā)明的方法的優(yōu)點是可在固定的元件上進行測量。該方法 不提供具有角度的風向測量，而是設計成用于檢測未對準。這消除了顫振 的不穩(wěn)定性并提供了魯棒的傳感器。利用對未對準的魯棒檢測，提供了更 好的對準并避免了由于未對準而增加的結(jié)構(gòu)負荷。另外，避免了由于未對準產(chǎn)生的功率產(chǎn)出損耗。有益地，可對測得的信號在時間周期上進行積分。這提供了偏向未對 準的魯棒檢測。通常，可測量到作用在傳感器的至少一部分上的力、應力、扭矩或彎 矩。例如，可借助力測力計進行測量。例如，該測量計可包括彈簧。另一個例子是采用測量一個或多個元件上的應力的應變儀，其中測得的應力對 應于作用在元件上的力。優(yōu)選地，該傳感器可包括扁平件。該扁平件可包括兩個側(cè)面?？梢栽?扁平件的一個或兩個側(cè)面上測量信號。特別地，該扁平件可包括平板或?qū)?稱的空氣動力學輪廓。例如，該對稱的空氣動力學輪廓可為葉片。優(yōu)選地，元件旋轉(zhuǎn)成使得測得的信號的范數(shù)是極值，例如，最小值或 最大值。例如，當元件對準時，如果采用的扁平件的表面的法線定向成平 行于風向，那么測得的信號的范數(shù)是最小值。可選擇地，當元件對準時， 如果采用的扁平件的表面的法線定向成垂直于風向，那么測得的信號的范 數(shù)是最大值。而且，可通過相對于元件的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)傳感器和/或扁平件來校準 傳感器。優(yōu)選地，可在測量取決于作用在傳感器上的力的信號之前進行校準。.此外，傳感器可包括定向成垂直于元件的旋轉(zhuǎn)軸線的中心線。該傳感 器還可包括第一扁平件和第二扁平件。第一扁平件和第二扁平件可定位成 彼此相距一距離。另外，第一扁平件和第二扁平件可定位成使得第一扁平件與中心線形成角度+a,第二扁平件與中心線形成角度-a。該角度a可為 該元件的可接受的未對準角度。在該情況下，只有在兩個扁平件上測量到 力沿著垂直于中心線和元件的旋轉(zhuǎn)軸線的軸線具有相同的代數(shù)符號時，才 旋轉(zhuǎn)元件。該元件為風力渦輪機的一部分，特別地為水平軸線風力渦輪機的一部分。通常，可通過僅測量扁平件一側(cè)上的應力來提供彎矩?？捎脧椈蓚鞲?器之外的其他傳感器或工具測量扁平件(例如平板或?qū)ΨQ的空氣動力學輪 廓)上的力。傳感器的旋轉(zhuǎn)是可調(diào)整的，以提供傳感器的校準。優(yōu)選地， 該傳感器的位置在風力渦輪機的機艙頂部上，但也可放在機艙的其他位置 上。扁平件，特別是傳感器板或外形、可為任意適合的尺寸。而且，如果 傳感器設計成具有兩個扁平件，那么該兩個扁平件之間的距離可為任意合 適的距離。用于確定元件相對于風向未對準的本發(fā)明的傳感器包括至少一個扁 平件和用于測量作用在所述扁平件上的力的至少一個工具或設備。特別 地，該扁平件可包括平板或?qū)ΨQ的空氣動力學輪廓。例如，該對稱的空氣動力學輪廓可為葉片。
有益地，該傳感器相對于元件的位置是可調(diào)整的。例如，該傳感器是 可旋轉(zhuǎn)的，以提供傳感器的校準。
另外，傳感器可包括定向成垂直于元件的旋轉(zhuǎn)軸線的中心線。該傳感 器還可包括第一扁平件和第二扁平件。笫一扁平件和第二扁平件相互相距 一定距離設置。另外，第一扁平件和第二扁平件可定位成使得第一扁平件
與中心線形成角度+a,且第二扁平件與中心線形成角度-a。該角度a可為 該元件(例如風力渦輪輪機)的可接受的未對準角。在這種情況下，只有 圍繞扁平件和安裝板之間的支撐邊的力或力矩都為正或都為負(這意味著 力矩具有相同的方向)時，偏航致動器才可以激活。
本發(fā)明的風力渦輪機包括至少一個前述的本發(fā)明傳感器。本發(fā)明風力 渦輪機可特別地包括機艙，并且傳感器可位于機艙頂部上。該機艙包括定 向成平行于風力渦輪機的旋轉(zhuǎn)軸線的中心線。該傳感器可位于機艙的頂部 的中心線處?？蛇x擇地，該傳感器可位于距離該中心線特定距離的位置處。 優(yōu)選地，本發(fā)明風力渦輪機可包括偏航致動器。通過偏航致動器，可沿風 力渦輪機的豎向軸線旋轉(zhuǎn)風力渦輪機的機艙和轉(zhuǎn)子。
本發(fā)明提供檢測元件相對于風向未對準的方法和傳感器。對固定元件 上的力的測量提供了未對準的魯棒檢測。這允許更好的對準并避免了由于 未對準引起的結(jié)構(gòu)負荷。另外，避免了由于未對準引起的功率產(chǎn)出損耗， 例如風力渦輪機的功率產(chǎn)出損耗。


本發(fā)明的進一步的特征、特性和優(yōu)點將在以下結(jié)合附圖對實施例的描 述中變得清楚。所描述的特征單獨以及相互結(jié)合都是有益的。 圖1示意性地示出了風力渦輪機的一部分的俯視圖， 圖2示意性地示出了本發(fā)明的傳感器的透^L圖， 圖3示意性地示出了本發(fā)明的傳感器的另一變體的透視圖， 圖4示意性地示出了本發(fā)明的傳感器的另一變體的透視圖， 圖5示意性地示出了本發(fā)明的一種包括兩個扁平件的傳感器的透視
圖，
圖6示意性地示出了圖5所示的本發(fā)明的傳感器的俯視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)參考圖1到圖3來描述本發(fā)明的第 一 個實施例。圖1示意性地顯示了 風力渦輪機l的一部分的俯視圖。風力渦輪機1包括轉(zhuǎn)子2和機艙5。轉(zhuǎn)子2 安裝在機艙5上，并且包括輪轂3和多個風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片4。風力渦輪 機轉(zhuǎn)子葉片4連接到輪轂3。
至少一個傳感器7， 8, 9定位在機艙5的頂部上。傳感器在機搶5的頂 部上的不同位置的例子由參考數(shù)字7， 8， 9來表示。機艙5包括中心線6。 傳感器9位于中心線6上。而且，可將傳感器定位于距離中心線6—特定距 離處。這正如傳感器7和8顯示。傳感器7靠近轉(zhuǎn)子2定位。傳感器8以及傳 感器9定位于距離轉(zhuǎn)子2幾乎最大的距離處。距離轉(zhuǎn)子2盡可能遠的定位傳 感器8, 9減少了由轉(zhuǎn)子2引起的湍流對測量的影響。
圖2示意性的示出了傳感器10的透視圖。傳感器10包括安裝盤14,平 板15和用于測量力的工具或設備17。平板15包括水平邊19和豎向邊20。該 平板15在它的水平邊19處連接到安裝盤14,該水平邊19具有支承邊的功 能。測量力的工具或設備17定位于平板15靠近安裝盤14的一側(cè)，這意味著 其靠近支承邊。
傳感器10位于風力渦輪機1的機艙5的頂部。它定位成使得，假如風力 渦輪機1的轉(zhuǎn)子2與風向13對準，那么風向13平行于平板15的表面，即意味 著其平行于支承邊19。假如轉(zhuǎn)子2與風向13不對準，那么風會引起作用在 平板15的其中一個表面上的力。該力和/或所導致的應力和/或所引起的彎 矩和/或所引起的轉(zhuǎn)矩可依靠測量力17的工具或設備進行測量。
必要時，在測量取決于風引起的作用于平板15上的力的信號之后，機 艙5能夠依靠測量到的信號繞風力渦輪機1的豎向軸線旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，機艙 5旋轉(zhuǎn)直到測量到的信號(尤其是測量到的力)，是最小值為止。 一般地， 僅當平板15與風向13對準時，作用于處于風13中的平板15的側(cè)面上的力才 會相等的。對平板15的一側(cè)或兩側(cè)上的應力的測量提供平板15中的彎矩的 測量。有益地，為了對偏航未對準的魯棒性確定，在時間周期上對該信號 積分。
可選擇地，傳感器10可定位于機艙5上，這樣使得在轉(zhuǎn)子2的對準狀態(tài) 下，風向13定向成垂直于平板15的其中一個表面。在此情況下，為了對準 轉(zhuǎn)子2,機搶必須轉(zhuǎn)動直到所測量到的信號(尤其是所測量到的力)是最 大值為止。圖3示出了用于本發(fā)明傳感器的又一個可選擇方案。圖3示意性示出了 本發(fā)明傳感器ll的透視圖。代替圖2中的平板15,圖3中示出的本發(fā)明傳感 器11包括設計為葉片16的對稱的空氣動力學型輪廓。該葉片16包括前緣24 和尾緣25。該葉片16連接到安裝盤14,使得前緣24和尾緣25垂直于安裝盤 14的表面。用于測量力的工具或設備17定位在葉片16的表面上靠近安裝盤 14。
一般地，將用于測量力的工具或設備17定位成靠近安裝盤14是有益 的，因為在靠近安裝盤處由于風產(chǎn)生的力比在遠離安裝盤14處的大。
優(yōu)選地，本發(fā)明傳感器11安裝在風力渦輪機1的機艙5的頂部，這樣使 得在對準的情況下，風13在葉片16的前緣24處到達葉片16,且在葉片16 的尾緣25處離開葉片16。
現(xiàn)在將參考圖1到圖4描述本發(fā)明的第二個實施例。與第一個實施例的 元件對應的元件將具有同樣的參考數(shù)字標識，且將不再詳細描述。
圖4示意性地示出了本發(fā)明傳感器12的透視圖。傳感器12包括安裝盤 14、安裝件18、平板15和用于測量力的工具或設備17。安裝件18具有圓筒、 桿或柱的形狀。安裝件18包括在它的縱向上的中心線26。安裝件18連接到 安裝盤14,這樣以便中心線26垂直于安裝盤14的表面。
平板15連接到安裝件18,這樣以便平板15的豎向邊20平行于安裝件18 的中心線26,且平板15的水平邊19平行于安裝盤14的表面。平板15包括用 于測量力的工具或設備17,該工具或設備17優(yōu)選地定位成靠近安裝件18。 在本實施例中，平板15的豎向邊20用作支承邊。
優(yōu)選地，傳感器12安裝在機艙5的頂部，這樣使得在對準的情況下， 風向13平行于平板15的表面，這意味著風向13平行于水平邊19。有利地， 在對準的情況下，風在安裝件18處到達傳感器12,且在平板15處離開傳感 器。 一般地，安裝件18在頂風邊提供對平板15的支承。
現(xiàn)在將參考圖l、圖5和圖6描述本發(fā)明的第三個實施例。與第一個和 第二個實施例的元件對應的元件將具有相同的參考數(shù)字標識，且將不再詳
纟田4苗i^。
圖5示意性地示出了本發(fā)明傳感器23的透^L圖。優(yōu)選地，該傳感器23 安裝在風力渦輪機l的機艙5的頂部。風力渦輪機l的旋轉(zhuǎn)軸線在圖5中標識 為參考數(shù)字21。該傳感器23包括安裝盤14、兩個平板15a, 15b和中心線22。 該中心線22垂直于風力渦輪機l的旋轉(zhuǎn)軸線21 。平板15a和15b安裝在如第
8一個實施例中所描述的安裝盤14上面。他們中每一個都裝備有如第一個實 施例中所描述的用于測量力的至少一個工具或設備17。如第一個實施例中 所描述的，也能夠使用葉片16代替平板15a和15b。
平板15a和15b彼此間相距一特定的距離定位。優(yōu)選地，兩個平板15a, 15b之間的距離對于平板15a， 15b足夠大，以不具有任^f可流動干擾。兩個 平板15a, 15b已經(jīng)相對于平行面轉(zhuǎn)動約土a角度，這意味著平板15a與中心 線22形成+ a角度，平板15b與中心線22形成-a角度。角度a是渦輪機l的 可接受的未對準角度。因此，只有沿著軸線28圍繞支撐邊27a和27b的力或 力矩同為正或同為負時，才應激活渦輪機1的轉(zhuǎn)子2，平板15a和15b與安裝 板14在支撐邊27a和27b處相連，該軸線28垂直于風力渦輪機l的旋轉(zhuǎn)軸線 21,并垂直于傳感器23的中心線22。在這種情況下，測量到的力或力矩具 有相同的方向。換句話說，只有在兩個扁平件上測量到沿著軸線28的力或 力矩沿具有相同的代數(shù)符號時，才旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子28該軸線28垂直于中心線22 并垂直于風力渦輪機1的旋轉(zhuǎn)軸線21。借助于偏航致動器轉(zhuǎn)子2可沿風力渦 輪機1的豎向旋轉(zhuǎn)軸線21旋轉(zhuǎn)。
圖6示意性示出了圖5中的本發(fā)明傳感器23的俯視圖。圖5和圖6示出了 在對準情況下的傳感器23，其中風向13平行于中心線22。
通常，在所有實施例中的本發(fā)明傳感器7、 8、 9、 10、 11、 12、 23可 包括至少一個扁平件15、 15a、 15b、 16,每個都裝配至少一個用于測量力 的工具或設備17。優(yōu)選地，扁平件15、 15a、 15b、 16中的每一側(cè)都裝配至 少一個用于測量力的工具或設備17。典型地，工具或設備17為測量板的應 力的應變儀。該測量到的應力對應于作用在平板上的風力。
權(quán)利要求
1.一種將元件(2)對準風向(13)的方法，該元件(2)包括傳感器(7、8、9、10、11、12、23)，該傳感器定位成使得傳感器(7、8、9、10、11、12、23)的至少一部分暴露在風中，其特征在于，所述方法包括以下步驟-測量取決于風引起的作用在傳感器(7、8、9、10、11、12、23)上的力的信號，和-依據(jù)測得的信號旋轉(zhuǎn)元件(2)。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，對測得的信號進行時間 周期上的積分。
3. 如權(quán)利要求1或2所迷的方法，其特征在于，測量作用在傳感器 (7、 8、 9、 10、 11、 12、 23)的至少一部分上的力、應力、扭矩或彎矩。
4. 如權(quán)利要求1到3中任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于， 傳感器(7、 8、 9、 10、 11、 12、 23)包括扁平件(15、 15A、 15B、 16), 該扁平件(15、 15A、 15B、 16)包括兩個側(cè)面，在扁平件(15、 15A、 15B、 16)的一個或兩個側(cè)面上測量信號。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述扁平件(15、 15A、 15B、 16)包括平板(15、 15A、 15B)或?qū)ΨQ的空氣動力學輪廓(16)。
6. 如權(quán)利要求1到5中任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于， 旋轉(zhuǎn)所述元件(2)使得測得的信號的范數(shù)是極值。
7. 如權(quán)利要求1到6中任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于， 通過相對于所述元件(2)的旋轉(zhuǎn)軸線(21)旋轉(zhuǎn)傳感器(7、 8、 9、 10、11、 12、 23)和/或扁平件(15、 15A、 15B、 16 )校準所述傳感器(7、 8、 9、 10、 11、 12、 23)。
8. 如權(quán)利要求1到7中任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于， 所述傳感器(7、 8、 9、 10、 11、 12、 23)包括定向成垂直于所述元件(2) 的旋轉(zhuǎn)軸線(21)的中心線(22),并垂直于第一扁平件(15A)和第二 扁平件(15B),所述第一扁平件(15A)和第二扁平件(15B)定位成彼 此相距一距離，并定位成使得第一扁平件(15A)與中心線(22)形成角 度+a,且第二扁平件(15B)與中心線(22)形成角度-a,并且只有在兩 個扁平件(15A、 15B)上測量到沿軸線(28)的具有相同代數(shù)符號的力時，才旋轉(zhuǎn)所述元件(2),該軸線(28)垂直于中心線(22)且垂直于 所述元件(2)的旋轉(zhuǎn)軸線(21 )。
9. 如權(quán)利要求1到8中任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于， 所述元件(2)為風力渦輪機(1 )的一部分。
10. —種用于確定元件(2)相對于風向(13)未對準的傳感器(7、 8、 9、 10、 11、 12、 23),其特征在于，該傳感器包括至少一個扁平件(15、 15A、 15B、 16)和用于測量作用在所述扁平件(15、 15A、 15B、 16)上 的力的至少一個工具或設備(17)。
11. 如權(quán)利要求10所述的傳感器(7、 8、 9、 10、 11、 12、 23),其 特征在于，所述扁平件(15、 15A、 15B、 16)包括平板(15、 15A、 15B) 或?qū)ΨQ的空氣動力學輪廓(16)。
12. 如權(quán)利要求10或11所述的傳感器(7、 8、 9、 10、 11、 12、 23)， 其特征在于，所述傳感器(7、 8、 9、 10、 11、 12、 23)相對于所述元件(2)的位置是可調(diào)整的。
13. 如權(quán)利要求10到12中任一項權(quán)利要求所述的傳感器(7、 8、 9、 10、 11、 12、 23)，其特征在于，該傳感器包括定向成垂直于所述元件(2) 的旋轉(zhuǎn)軸線(21)的中心線(22),并垂直于第一扁平件(15A)和第二 扁平件(15B),所述第一扁平件(15A)和第二扁平件(15B)定位成彼 此相距一距離，并定位成使得第一扁平件(15A)與中心線(22)形成角 度+a，且第二扁平件(15B)與中心線(22)形成角度-a。
14. 一種風力渦輪機(1 )，所述風力渦輪機(1 )包括至少一個如權(quán) 利要求10到13中任一項權(quán)利要求所述的傳感器(7、 8、 9、 10、 11、 12、 23)。
15. 如權(quán)利要求14所述的風力渦輪機(1),其特征在于，該風力渦 輪機包括機艙(5),傳感器(7、 8、 9、 10、 11、 12、 23)位于該機艙(5 ) 頂部上。
全文摘要
本發(fā)明公開了將元件(2)對準風向的方法和確定元件與風向未對準的傳感器。該元件(2)包括傳感器(7、8、9、10、11、12、23)，該傳感器定位成使得傳感器(7、8、9、10、11、12、23)中的至少一部分暴露在風中。該方法包括步驟測量取決于風引起的作用在傳感器(7、8、9、10、11、12、23)上的力的信號，和依據(jù)測得的信號旋轉(zhuǎn)元件(2)。并且，描述了一種用于確定元件(2)相對于風向(13)未對準的傳感器(7、8、9、10、11、12、23)。該傳感器(7、8、9、10、11、12、23)包括至少一個扁平件(15、15A、15B、16)和至少一個用于測量作用在所述扁平件(15、15A、15B、16)上的力的工具或設備(17)。
文檔編號F03D7/02GK101676555SQ200910175519
公開日2010年3月24日 申請日期2009年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月17日
發(fā)明者I·弗里登達爾, P·B·埃尼沃爾德森, R·魯巴克, S·F·波爾森 申請人:西門子公司