CN101836105B - 用于检验风力发电设备的转子叶片的方法和检验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检验风力发电设备(1)的转子叶片(13.1)的方法，该转子叶片在风力发电设备工作时扫过一个转子叶片扫过面，该方法具有步骤：在朝该转子叶片扫过面的目标光射束方向上发出目标光射束、尤其是具有目标光射束功率密度的目标光射束；通过检测装置检测该目标光射束在该转子叶片上的一个入射部位(16)上的可能的反射；直接在检测到该反射之后将具有比该目标光射束功率密度大的测量激光射束功率密度的测量激光射束(21)电控制地发出到该入射部位上，由此，该转子叶片在该入射部位上变热；测量该入射部位上的温度分布，以及对于多个入射部位重复步骤(a)至(d)。

Description

用于检验风力发电设备的转子叶片的方法和检验装置
技术领域
本发明涉及一种用于检验风力发电设备的转子叶片的方法以及一种用于执行该方法的检验装置，该转子叶片在风力发电设备工作时扫过一个转子叶片扫过面。根据第二方面，本发明涉及用于风力发电设备的检验装置。
背景技术
风能发电设备的转子叶片是承受高负荷的构件，通常必须对其结构缺陷进行检验。这种检验在转子叶片装配在风能发电设备上的情况下耗费时间并且费用巨大，因为转子叶片难于接近。对于公海上的风能发电设备而言情况更是如此。
US 4,854,724A公开了一种用于无损探测焊缝和焊点的方法。在此使用温度记录方法，其中，将待探测的焊点或焊缝及其周围环境加热并且通过热成像摄像机跟踪温度变化曲线和冷却特性。缺点在于，当物体运动时不可使用该方法。因此，为了用此来检验转子叶片，必须使所涉及的风力发电设备静止。
US 6,419,387B1也公开了一种温度记录方法，其中，将待探测工件的表面的小部分加热并且接着观测温度变化曲线和冷却特性。US 6,419,387B 1提出一种记录方法，通过该记录方法也可快速且成本低廉地探测较大面积的构件。其缺点也在于该方法不可在风力发电设备工作时执行。对于WO2006/074938A1也存在同样问题，该文献也公开了一种用于探测构件结构损伤的温度记录方法。该方法也不可在风力发电设备的连续工作中执行。
WO 03/069324A1公开了一种方法，通过该方法可基于温度记录法来探测在硬化时变热的粘结材料是否在所设置的全部部位上存在。WO03/069324A1中所描述的方法仅仅在生产过程中用于检查，由此，当转子叶片在风力发电设备的工作中转动时也不可使用。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于检验风力发电设备的转子叶片的方法，通过该方法可减少现有技术中的缺点。此外应提供一种检验装置，通过该检验装置可执行该方法。
本发明通过具有下列步骤的方法来解决该任务：
(a)在朝转子叶片扫过面的目标光射束方向上发出目标光射束、尤其是具有目标光射束功率密度的目标激光射束，
(b)通过检测装置检测目标光射束在转子叶片上的一个入射部位上的可能的反射，
(c)直接在检测到反射之后将具有比目标光射束功率密度大的测量激光射束功率密度的测量激光射束电控制地发出到入射部位上，由此，转子叶片在入射部位上变热，
(d)测量入射部位上的温度变化，以及
(e)对于多个入射部位重复步骤(a)至(d)。
在方法步骤a)中发出目标光射束之前，将目标光源对准转子叶片扫过面。接着发出的目标光射束或者投射到转子叶片上并且至少部分地被反射和折回或者从两个转子叶片之间穿过。为了使后述情况中的目标光射束在其进一步的路径上不造成损害，目标光射束具有相对小的目标光射束功率密度，该目标光射束功率密度例如取值小于1mW/mm2、优选小于0.1mW/mm2。
在方法步骤b)中检测目标光射束的光的在目标光射束在转子叶片上反射之后被折回的部分。直接在检测到目标光射束的由转子叶片折回的光之后发出测量激光射束。在检测目标光射束的被反射的光与发出测量激光射束之间有利地小于10ms、特别优选小于5ms。因此保证检验尽可能快速地执行。此外，通过这种小的时间段保证目标激光射束和测量激光射束在相同部位上投射到转子叶片上，虽然转子叶片即使在风力发电设备处于静止时例如由于风而可轻微运动、例如振动。
测量激光射束具有比目标光射束能量密度大的测量激光射束能量密度，例如取值大于50mW/mm2。由此保证测量激光射束入射到待检验的转子叶片上。
测量激光射束投射到待检验的转子叶片上。由此，转子叶片在入射部位上变热。在一定的例如取值为10s的时间间隔之后，将测量激光射束关断。由此，转子叶片在入射部位上的变热停止。在下一个方法步骤中，在测量激光射束的入射部位中以及绕所述入射部位测量转子叶片的表面上的温度分布。关于测量和所获得的数据的分析处理的细节在下面予以描述。在测量温度分布之后，在转子叶片的另一个入射部位上重复方法步骤a)至d)。因此可对转子叶片在宽的空间区域上进行检验。
有利地测量空间上的温度分布。在关断测量激光射束之后对转子叶片表面上的温度分布空间分辨地在直径例如与测量激光射束在入射部位上所具有的直径的五倍相应的区域上进行测量。
有利地也至少测量时间上的温度分布。在此情况下，在断开测量激光射束之后对待检验的转子叶片的表面上的温度分布空间分辨地在不同时间进行测量。
有利地由所述空间上的和/或时间上的温度分布求得不均匀性，如果用于不均匀性的预给定的阈值被超过，则发出一个信号。在关断测量激光射束之后，通过测量激光射束输入给转子叶片表面的能量输出到转子叶片的材料中。由此，转子叶片的表面上的温度降低。通过测量激光射束输入的热能被输出的速度以及由此转子叶片表面上的温度降低的速度取决于转子叶片材料的导热能力。由均匀材料构成的转子叶片也具有均匀的导热能力。这意味着，所输入的热量的传输在全部方向上都同样快速地进行，由此，温度也在全部部位上以相同的特征降低。
测量激光射束在入射部位上投射到待检验的转子叶片上。在该部位上，测量激光射束具有在理想情况下圆形的横截面，该横截面的半径例如取值为15mm。在该横截面内部，测量激光射束功率密度不恒定。该测量激光射束功率密度从横截面的中心到边缘减小。这意味着，在入射部位的中心有更多的能量传递给了待检验的转子叶片。由此，转子叶片表面上的温度分布在入射部位内部也不恒定。该温度分布也从入射部位的中心点到边缘减小。在此，测量激光射束横截面的半径是到横截面的中心的间距，在该间距上，入射的测量激光射束功率取值为在横截面的中心入射的测量激光射束功率的一半。
因为通过测量激光射束输入的热量的导出以及由此转子叶片表面上的温度的下降在材料均匀的情况下在全部方向上同样快速地进行，所以在一位置上测量的温度仅与到入射部位的中央的距离相关。因此，通过测量转子叶片表面上的空间温度分布所获得的数据在此转子叶片正常的情况下基本上绕入射部位的中心点旋转对称。如果现在例如一个部位比到入射部位中央的距离相同的其它部位保持明显长时间地热，则这例如可能由处于其下面的夹入空气造成。所述夹入空气比包围所述夹入空气的材料具有明显小的导热能力，由此，在此通过测量激光射束输入的热能不可这样快速地导出到材料中。
一个可能的测量值是在绕入射部位的中央的环上测量的最大温度与最小温度的差，用该测量值可测得不均匀性。如果该差超过事先确定的阈值，则发出一个信号。该信号例如在线地或通过无线电输出给调度台或计算中心。
为了测量时间上的温度变化，在不同时间执行空间上的温度分布的多个测量结果。由这些测量结果计算确定部位上的温度对时间的导数。由该导数可推断出热流并且由该热流反推出导热能力。对于均匀的媒介，导热能力在空间上恒定。因此，转子叶片上的一个位置上的温度对时间的导数仅与该位置到入射部位中心点的距离相关。如果该导数现在在一个部位上比在其它到入射部位中央具有相同距离的部位上明显小，则这意味着在转子叶片表面下面存在夹入空气。为了确定不均匀性，例如沿着一个环求得温度对时间的导数，该环的中心点是入射部位的中心点。如果该导数的最大值与最小值之间的差超过事先确定的阈值，则发出一个信号。
有利地用热感摄像机测量温度分布。这样调节该热感摄像机，使得该热感摄像机检测转子叶片表面的一个区域，测量激光射束的入射部位处于该区域的中央。待测量的区域例如是一个圆，具有与入射部位的直径的五倍至十倍相应的直径。
有利地在测量温度分布之后改变目标光射束方向。由此保证在该方法的下一轮中检验其它入射部位。在此需要注意的是，不仅目标激光射束而且测量激光射束然后在另外的角度下入射到转子叶片上。尤其是目标光射束因此在另外的角度下反射，这可明显改变待在反射之后检测的光的强度。为了对此予以考虑，在转子叶片上反射之后提高或降低目标光射束的检测的灵敏度。
有利地在转子叶片处于静止期间执行该方法。由此实现特别高的测量精度。
测量激光射束有利地具有处于人的可见光谱之外的波长。以此方式保证：当测量激光射束例如由于功能失误而没有投射到转子叶片上时，测量激光射束不造成损害或造成最小的损害。但即使在检验转子叶片表面上的、没有被测量激光射束垂直地入射的部位时也可产生危险。在此情况下，如在目标光射束中那样，射入的光的一部分被反射。因为测量激光射束如上所述具有高的测量激光射束功率密度，所以由该测量激光射束产生显著危险，这种危险可通过最佳地选择测量激光射束的波长来最小化。
优选将待检验的转子叶片固定在一个轮毂上并且将目标光射束发出到一些到轮毂径向距离不同的入射部位上。由此保证待检验的转子叶片全面地被检验。如已所述，必要时使用于检测目标光射束的被反射的光的装置的敏感度与光的必要时变化的入射角度、由此与反射角度相适配。
优选在一个公共的光路上发出测量激光射束和目标光射束。由此保证所发出的测量激光射束投射到转子叶片上，因为目标光射束显然也已经被反射。
优选目标光射束和测量激光射束由一个测量装置发出，该测量装置装配在第二风力发电设备上。在此情况下，目标光射束至少在固定有待检验的转子叶片的轮毂的较近周围环境中基本上垂直地投射到转子叶片上，由此，目标光射束的最大强度可被反射。此外保证尤其是测量激光射束不处于可能的行人或动物的眼睛高度上，在那里，所述测量激光射束会造成损害。
根据本发明的用于风力发电设备的检验装置包括：一个目标光源，该目标光源具有目标光射束功率密度；一个检测装置，该检测装置被构造用于检测目标光射束在风力发电设备的一个转子叶片上的可能的反射；一个测量激光器，该测量激光器具有比目标光射束功率密度大的测量激光功率密度并且该测量激光器被构造用于在测量激光射束方向上输出测量激光射束；一个温度测量装置，用于测量入射部位上的温度分布；以及一个电控制装置，该电控制装置与目标光源、检测装置、测量激光器和温度测量装置连接，并且该检验装置被设置用于执行上述方法之一。
作为目标激光器和测量激光器尤其适用二极管激光器以及固体激光器。但也可考虑其它激光器类型。目标光射束功率密度例如取值小于1mW/mm2、有利地小于0.1mW/mm2。而测量激光射束具有例如取值为50mW/mm2的测量激光射束功率密度。通过电控制装置保证该方法可自动化地执行。预调节的程序通过入射部位的适当的选择而扫描转子叶片的整个表面，该预调节的程序可这样简单地实现，这使得人员投入、由此所需的成本明显降低。
目标光源在其目标光射束方向方面并且测量激光器在测量激光射束方向方面有利地可用马达工作地来调节。由此可比当激光器必须通过手来校正时明显精确地调节方向并且这还提高了可再现性。因此例如可简单且精确地重新调整转子叶片上的这样的部位，在该部位时所检测的数据带有误差或者在该部位时所检测的数据需要检验。
有利地在具有两个风力发电设备的风电场中至少在风力发电设备之一上固定有所述被设置用于执行上述方法的检验装置之一。这尤其是对于外海的风电场是有利的，因为这些风电场难于接近，由此，这些风力发电设备的转子叶片的检验投入高且成本高。此外，外海的风力发电设备的转子叶片的检验必然明显频繁，因为这些转子叶片由于较极端的天气条件和盐的持续影响而明显快速地损耗。
附图说明
下面借助于附图对本发明的实施例进行详细描述。附图表示：
图1两个风能发电设备，其中一个装备有根据本发明的用于执行根据本发明的方法的检验装置。
具体实施方式
图1示出了一个第一风力发电设备1和一个第二风力发电设备2，这些风力发电设备各具有一个塔10.1和10.2以及一个舱11.1和11.2。舱11.1和11.2各承载一个轮毂12.1和12.2，固定在其上的转子叶片13.1、13.2、13.3和13.4绕所述轮毂转动。两个风力发电设备1和2间隔开一个距离R。距离R通常在200至900米之间取值。在第二风力发电设备2的舱11.2上固定有一个根据本发明的检验装置14，该检验装置具有目标激光器、检测装置、目标激光器和温度测量装置15。图1中仅示出了检验装置14的这些组成部分中的温度测量装置15。
在用于检验转子叶片13.1的结构缺陷的方法开始时，由检验装置14借助于包含在该检验装置中的目标激光器朝由风力发电设备1的转子叶片13.1和13.2扫过的面的方向发射出目标激光射束20。目标激光射束在此投射到风力发电设备1的转子叶片13.1的入射面16上。在那里，光的至少一部分被反射并且朝检验装置14的方向折回到风力发电设备2的舱11.2上。目标激光射束14的所述被折回的部分通过包括在检验装置14中的检测装置检测。为此不必在开始时发出一个激光射束，原则上可用于确定待测量的转子叶片的位置的任意方法都适用。但通过使用优选在一个光路中发出的目标激光射束20和测量激光射束21的组合保证精度和可再现性提高。如果包含在检验装置14中的检测装置确定了目标激光射束20在转子叶片13.1上的入射面16上的反射，则发射一个测量激光射束21。图1中稍微错开地示出了目标激光射束20和测量激光射束21。这是可以的，但目标激光射束和测量激光射束有利地在一个光路中发出。
测量激光射束21在入射部位16上投射到转子叶片13.1上。由于测量激光射束21的高的功率密度，转子叶片13.1的温度在入射部位16上提高并且在那里产生的热量引出到转子叶片13.1的材料中。其发生的速度以及所达到的空间范围取决于转子叶片13.1的材料的导热能力。所述导热能力由于结构缺陷例如裂纹或夹入空气而变化，由此，当入射部位具有结构缺陷时，确定出另外的温度剖面。温度测量装置15例如可以是集成在检验装置14中的热像摄像机，通过该温度测量装置测量转子叶片13.1上的入射部位16上的温度分布。在此，热能的空间分布也可作为热量传输的时间变化曲线来测量。由这样测定的数据与正常转子叶片的已知数据的比较可揭示不均匀性和结构缺陷。
因为该方法可在相对大的跨距R上执行，所以合适的检验装置也可装配在地面上或者例如可移动地装配在汽车中。由此，该方法可灵活地使用并且不必为每个风力发电设备提供一个合适的检验装置，这使得维护过程的成本显著下降。
参考标号清单
1   第一风力发电设备    14  检验装置
2   第二风力发电设备    15  温度测量装置
10  风力发电设备的塔    16  入射面
11  舱                  20  目标激光射束
12  轮毂                21  测量激光射束
13  转子叶片

Claims (16)

1.用于检验风力发电设备的转子叶片的方法，该转子叶片在风力发电设备工作时扫过一个转子叶片扫过面，该方法具有步骤：
(a)在朝该转子叶片扫过面的目标光射束方向上发出目标光射束，
(b)通过检测装置检测该目标光射束在该转子叶片上的一个入射部位上的可能的反射，
(c)直接在检测到该反射之后将具有比该目标光射束功率密度大的测量激光射束功率密度的测量激光射束电控制地发出到该入射部位上，由此，该转子叶片在该入射部位上变热，
(d)测量该入射部位上的温度分布，以及
(e)对于多个入射部位重复步骤(a)至(d)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：测量空间上的温度分布。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于：在至少两个不同的时间测量温度分布。
4.根据权利要求2或3的方法，其特征在于：用热像摄像机测量所述温度分布。
5.根据权利要求2的方法，其特征在于步骤：
由所述空间上的温度分布求得不均匀性，以及
如果用于所述不均匀性至少之一的预给定的阈值被超过，则发出一个信号。
6.根据权利要求3的方法，其特征在于步骤：
-由所述时间上的温度分布求得不均匀性，以及
-如果用于所述不均匀性至少之一的预给定的阈值被超过，则发出一个信号。
7.根据权利要求1或2的方法，其特征在于步骤：
-在测量所述温度分布之后改变该目标光射束方向。
8.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：在所述转子叶片处于静止期间执行该方法。
9.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：该测量激光射束具有处于人的可见光谱之外的波长。
10.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：
-将该转子叶片固定在一个轮毂上并且将该目标光射束发出到一些到该轮毂径向距离不同的入射部位上。
11.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：在一个公共的光路上发出该测量激光射束和该目标光射束。
12.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：该目标光射束和该测量激光射束由一个测量装置发出，该测量装置装配在第二风力发电设备上。
13.根据权利要求1的方法，其特征在于：该目标光射束是具有目标光射束功率密度的目标光射束。
14.检验装置，用于风力发电设备，该检验装置具有：
(a)一个目标光源，该目标光源具有目标光射束功率密度，
(b)一个检测装置，该检测装置被构造用于检测该目标光射束在该风力发电设备的转子叶片上的一个入射部位上的可能的反射，
(c)一个测量激光器，该测量激光器具有比该目标光射束功率密度大的测量激光功率密度并且被构造用于在测量激光射束方向上输出测量激光射束，
(d)一个温度测量装置，用于测量所述入射部位上的温度分布，以及
(e)一个电控制装置，该电控制装置与该目标光源、该检测装置、该测量激光器和该温度测量装置连接，并且该检验装置被设置用于执行根据权利要求1至13之一的方法。
15.根据权利要求14的检验装置，其特征在于：该目标光射束在其目标光射束方向方面并且该测量激光器在其测量激光射束方向方面可用马达工作地来调节。
16.风电场，具有至少两个风力发电设备，其特征在于：在这些风力发电设备之一上固定有一个根据权利要求14的检验装置，该检验装置被设置用于在另一个风力发电设备的转子叶片上执行根据权利要求1至13之一的方法。
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