CN102080625A - 监测风力涡轮转子叶片中的接头效能 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及监测风力涡轮转子叶片中的接头效能。一种分开式风力涡轮转子叶片(108)包括第一转子叶片部件(118)、第二转子叶片部件(128)、在第一转子叶片部件(118)和第二转子叶片部件(128)之间的接头(220)，以及设置在接头(220)的区域中以监测接头(220)的结构完整性的接头监测装置(404)。

Description

监测风力涡轮转子叶片中的接头效能
技术领域
本公开大体涉及风力涡轮，并且更具体而言，涉及监测风力涡轮的分开式转子叶片中的接头的状态。
背景技术
作为环境安全且相对较廉价的替代能源，风力涡轮受到越来越多的关注。随着关注不断增加，已经做出大量努力来发展可靠且高效的风力涡轮。
通常，风力涡轮包括由轮毂和安装在轮毂上的多个叶片组成的转子。转子通过齿轮箱联接到发电机上。发电机安装在壳体或机舱内，壳体或机舱定位在管状塔架的顶部上。公共级风力涡轮(即设计成用于为公共电网提供电功率的风力涡轮)可具有大型转子(例如直径为三十米或更大)。这种转子的叶片将风能转换成驱动发电机的旋转扭矩或力。塔架通过轴承来支承转子，轴承包括联接到可旋转部分上的固定部分。
风力涡轮的当前技术和未来技术正在寻找更大的转子直径来捕获更多能量。更大的风力涡轮可具有直径大于90米的转子叶片组件。大型商用风力涡轮能够产生介于1.5兆瓦到5兆瓦之间的功率。转子叶片的大小、形状和重量是对风力涡轮的能量效率有贡献的因素。由于转子叶片大小增大，所以必须给予转子叶片的结构完整性额外的关注。
由于它们的长度和更大的大小的原因，长度更长的转子叶片一般与制造和运输困难相关联。已经开发出了分开式风力涡轮转子叶片(即由两个或更多个可连接部件组成的转子叶片)来解决与更长的转子叶片相关联的困难。
由于运输和其它结构所涉及的问题(implication)的原因，分开式叶片概念对于更长的转子叶片来说是重要的。分开式风力涡轮转子叶片将包括在转子叶片的各个可连接部件之间的接头。但是，由于使用方向敏感性材料(例如纤维增强的合成物)的原因，任何类型的接头在转子叶片中都是关键的。对于探测接头故障的早期迹象、避免在接头故障的情况下的转子叶片以及风力涡轮的灾难性故障，以及改进目前和未来的连接方法而言，监测接头的结构关键参数是有利的。
因此，合乎需要的将是提供一种解决上述问题中的至少一些的系统。
发明内容
如本文所描述的那样，示例性实施例克服了上述问题中的一个或多个或现有技术中的其它缺点。
示例性实施例的一方面涉及一种分开式风力涡轮转子叶片。在一个实施例中，分开式风力涡轮转子叶片包括第一转子叶片部件、第二转子叶片部件、在第一转子叶片部件和第二转子叶片部件之间的接头，以及设置在接头的区域中以监测接头的结构完整性的接头监测装置。
示例性实施例的另一方面涉及一种用于监测分开式风力涡轮叶片的接头的系统。该系统包括设置在分开式风力涡轮叶片上以监测接头的结构参数的接头监测装置，以及控制器，该控制器配置成以便接收来自接头监测装置的监测到的参数数据，并且确定监测到的参数数据是否达到或超过了被监测的结构参数的预定阈值。
示例性实施例的又一方面涉及一种监测分开式风力涡轮叶片中的接头的接头效能的方法。在一个实施例中，该方法包括接收来自接头监测装置的参数数据，接头监测装置监测接头的结构参数，确定接收到的参数数据是否超过了阈值水平，并且如果接收到的参数数据超过阈值水平就产生接头效能控制信号。
根据结合附图考虑的以下详细描述，示例性实施例的这些和其它方面和优点将变得显而易见。但是，要理解到，附图仅是为了说明的目的而非作为对本发明的界限的限定而设计的，对于本发明的界限，应当对所附的权利要求书进行参照。此外，附图未必按比例绘制，且除非另有说明，附图仅意在以概念的方式说明本文描述的结构和程序。另外，可使用任何适当的大小、形状或类型的元件或材料。
附图说明
在图中：
图1显示了根据本公开的一个实施例的风力涡轮的侧视图；
图2显示了根据本公开的一个实施例的风力涡轮的分开式转子叶片的顶部透视图；
图3和4是图2的风力涡轮叶片的截面的透视图；
图5-12是根据本公开的实施例的示例性风力涡轮叶片的示意图；
图13是根据本公开的一个实施例的风力涡轮控制系统的简图；
图14是根据本公开的一个实施例的过程的流程图；以及
图15是可用来实践本公开的各方面的设备的简图。
具体实施方式
图1示出了结合了公开的实施例的各方面的示例性风力涡轮100。公开的实施例的各方面大体涉及监测风力涡轮的分开式转子叶片中的结构接头的状态。在一个实施例中，提供了一种用于监测风力涡轮分开式转子叶片接头效能的基于状态的监测系统。传感器和测量装备用来监测接头的某些参数，这些参数可包括例如接头的偏转、应变和振动。传感器可根据不同原理(包括例如机械、电、磁、激光、电子、超声波、热电和智能结构原理)中的任何一种或它们的组合来工作。监测系统或控制系统(例如监视控制和数据采集系统(“SCADA”))可用来监测以上引用的参数中的任何一个或多个。在监测到的参数和存储在系统中的阈值极限之间进行比较，可根据叶片测试数据或接头的设计和材料可允许的极限或其它适当的因素来建立阈值极限。当监测到的参数的值达到或超过阈值极限时，可产生指示或其它适当的信号。基于此信息，可使特定的涡轮停止，或者启动适当的措施来防止对风力涡轮的损害或进一步的损害。这样，人们就可提前探测到转子叶片中的任何接头缺陷，以及防止对叶片和风力涡轮的灾难性损害。而且，可收集监测到的数据，并且监测到的数据可用于今后的接头设计和直接材料生产力(DMP)中。
参照图1，风力涡轮100包括机舱102和转子106。机舱102是安装在塔架104顶上的壳体，在图1中显示了塔架104的仅一部分。机舱102包括设置在其中的发电机(未显示)。基于本领域已知的因素和条件来选择塔架104的高度，而且高度可扩展到高达60米或更大的高度。风力涡轮100可安装在对具有合乎需要的风况的区域提供通路的任何地带上。该地带可有很大的变化，并且可包括但不限于山区地带或近海地点。转子106包括附连到可旋转的轮毂110上的一个或多个涡轮叶片108。在此示例性实施例中，风力涡轮100包括三个涡轮叶片108。
风力涡轮100包括风力涡轮控制系统530，在图13中大体显示了风力涡轮控制系统530的实例。控制系统530大体配置成以便调节风力涡轮功能，以控制风力涡轮100的功率发生。风力涡轮控制系统包括配置成以便如本领域普通技术人员所了解的那样执行涡轮功能的硬件和软件。风力涡轮功能包括但不限于叶片旋转速度的调整。可通过调节包括叶片桨距和发电机扭矩的参数来控制叶片旋转速度。
图2示出了根据本公开的一个实施例的示例性涡轮叶片108。涡轮叶片108包括翼型部分205和根部部分209。翼型部分205包括前缘201、后缘203、压力侧206、吸力侧210、尖部207和根部边缘211。涡轮叶片108在根部部分209的内部边缘219和尖部207之间具有长度L。根部部分209可连接到图1所示的风力涡轮100的轮毂110上。图2所示的涡轮叶片108是分开式转子叶片，并且包括至少一个接头220。图3是转子叶片108的截面的示例性说明，其显示了结合在转子叶片108中的一对梁帽302和抗剪腹板304。转子叶片108可具有赋予了转子叶片108从转子叶片108的远端延伸到转子叶片108的近端的弯曲轮廓的扫掠形状。至少两个梁帽302可结合在转子叶片108内，大体从其远端延伸到其近端，并且具有与转子叶片108大体相同的扫掠形状。抗剪腹板304也可大体具有与转子叶片108相同的扫掠形状，并且可以以大致垂直的定向连接到各个梁帽302的内表面上。应当理解，相同的一般构造(包括梁帽302和一个或多个抗剪腹板304)适用于不具有扫掠形状的转子叶片108。
如图3所示，转子叶片108可包括第一外壳310和第二外壳320，第一外壳310可形成转子叶片108的顶部，而第二外壳320可形成转子叶片108的底部。第一外壳310和第二外壳320可包括第一内皮330和第二内皮340，以及第一外皮350和第二外皮360，它们各自可由例如干的纤维材料构造成。另外，第一外壳310和第二外壳320可包括夹在各个外壳的内皮330、340和外皮350、360之间的芯体材料370。芯体材料370优选为轻质材料，例如轻木木材、泡沫聚苯乙烯等等(如本领域中大体已知的)。梁帽302可置于内皮330和外皮350之间，并且邻近外壳310中的芯体材料370。类似地，梁帽312可置于内皮340和外皮360之间，并且邻近外壳320中的芯体材料370。匹配第一外壳310和第二外壳320，包括抗剪腹板304与梁帽302、312，建立了最终的转子叶片108组件。
图4是风力涡轮的分开式转子叶片108中的接头220的示例性说明。图2的叶片108被分成两个部件，称为部件118和128。在备选实施例中，转子叶片108可分成任何适当数量的部件。梁帽部件302和312延伸跨过接头220。
公开的实施例的各方面提供了对接头220的结构关键参数进行监测。在一个实施例中，提供了一种用于监测风力涡轮分开式转子叶片接头效能的基于状态的监测系统。传感器和/或测量装备用来监测接头220的某些结构参数。参照图5，例如，在一个实施例中，一个或多个接头监测传感器404设置在接头220处或附近。在此实例中，传感器404在接头220的位置处、在叶片108内部定位在梁帽302、312上。在备选实施例中，传感器404可定位在叶片108外部。虽然图5中显示了仅一个接头监测传感器404，但是在备选实施例中，可使用任何适当数量的传感器，而非包括一个传感器。
接头监测传感器404大体配置成以便监测接头220的结构参数。这些参数可包括但不限于接头或接头220附近的区域的偏转、应变和振动。在本文所述的示例性实施例中，传感器404在叶片108内部置于接头220的位置附近或置于该接头220的位置处，以便监测与接头220有关的结构关键参数。
在一个实施例中，传感器404是偏转传感器406。偏转传感器406大体配置成以便感测和监测分开式叶片108的接头220处的偏转水平。偏转传感器406可包括任何适当的偏转监测装置，诸如例如电势计、倾斜传感器、位置指示器和线促动的传感器。
在图5中，偏转传感器406(也称为变换器)跨越接头220布置成基本笔直的构造。在此实例中，偏转传感器406被示为定位在吸力侧梁帽312上。虽然偏转传感器406在图5中被示为位于吸力侧梁帽312上，但是在备选实施例中，偏转传感器406可位于压力侧梁帽302上。
参照图6，在此实例中，偏转传感器406布置成横跨构造，跨越接头220从压力侧梁帽302延伸到吸力侧梁帽312。
虽然关于图5和6的实例显示了定位在梁帽302、312上的偏转传感器406，但是在备选实施例中，偏转传感器406的布置可为叶片接头220内或附近的任何适当的位置。例如，参照图7，一对传感器414、424分别沿着叶片部件118和128的前缘201和后缘203定位。
在一个实施例中，参照图8和9，接头监测装置404包括一个或多个应变仪传感器408。应变仪传感器408将感测和测量分开式叶片部件118、128的接头220处的应变水平。应变仪传感器408可跨过接头220而定位在抗剪腹板314、324上，如图8所示，或者定位在接头端部位置222、224上，如图9所示。在备选实施例中，应变仪传感器408可定位在与叶片接头220有关的任何结构关键位置处，例如叶片108的前缘201和后缘203。应变仪传感器408可包括但不限于单轴型或玫瑰型应变仪装置。
在一个实施例中，参照图10，接头监测装置404包括脆性条部件410。脆性条部件410大体构造成跨过叶片108的两个部分-例如叶片部件118和128-来连接。脆性条部件410也是可导电的，并且用来传送信号。如果接头220处的偏转/冲击超过阈值极限，则脆性条部件410将故障。这会导致脆性条部件410中的破裂，在这种情况下，信号就不再被传送通过脆性条部件410。对破裂的检测可用来确定本文描述的接头220的潜在故障状态。
在一个实施例中，参照图11和12，接头监测装置404包括一个或多个振动传感器412。振动传感器412将感测和监测在分开式叶片部件118、128的接头220处或附近的加速、冲击、振动和运动水平中的任何一个或组合。较不硬的叶片部件将在接头220在危险中时引入更高的振动。振动传感器412可包括但不限于机械和倾斜振动传感器、微机电(“MEMS”)倾斜计和倾角开关、MEMS加速、冲击和振动传感器，以及牢固的封装传感器。
在图11所示的示例性实施例中，振动传感器412定位在抗剪腹板面板304上。在图12中，振动传感器422、432定位在接头220的各个端部位置222、224附近。在备选实施例中，传感器412可相对于叶片接头220定位在任何关键位置处，此处，可测量分开式叶片部件118、128的接头220处的加速、冲击、振动和运动水平。这可包括梁帽302和各个叶片部件118、128的第一外壳310以及第二外壳320。
公开的实施例的各方面提供了使用一个或多个接头监测传感器404来监测接头220的效能。传感器将提供关于接头220的结构状态或参数的数据。监测到的参数可用来最小化或防止对叶片108或风力涡轮100的损害。在一个实施例中，将由传感器404测得的参数提供给控制系统530，例如在图13中显示的控制系统。控制系统530配置成以便解释接收到的数据，探测接头故障的任何指示，或者与预定阈值的偏差，并且启动适当的动作。
图13是包括多个风力涡轮100的示例性风场的简图。在一个实施例中，与各个风力涡轮100相关联的接头监测传感器404联接到单独的涡轮100的控制器520上。控制器520可配置成以便接收、处理和解释接收自传感器404的信息。控制器520又联接到控制系统530上，其中，该控制系统530接收和解释与来自传感器404的数据有关的、来自各个控制器520的信息。控制系统530可确定何时需要预防性或修正性动作，以及何时启动适当的过程。在一个实施例中，控制系统530是集中式风场控制系统。在备选实施例中，单独的控制器520可联接到独立的风场控制器上，独立的风场控制器然后联接到集中式系统上。图13所示的各种构件之间的联接可为用于发送和接收电子数据的任何适当的连接，包括但不限于硬线连接和无线连接。
公开的实施例的基于状态的监测系统配置成以便提前检测接头220故障状态，并且采取将防止对相应的叶片108和风力涡轮100的灾难性损害的措施。在一个实施例中，探测接头故障状态可包括将来自各个传感器404的被测参数数据与用于被测参数的预定阈值极限作比较。如果达到或超过预定值，则这可表明故障状态。在这种情形下，可使特定的涡轮停止，或者可采用其它适当的措施，诸如例如警报或通知。可以以任何适当的方式(诸如，通过例如叶片测试数据或在叶片设计期间确定的材料和接头的可允许极限)来设定和确定被测参数的阈值极限。
在一个实施例中，控制器520接收来自传感器404的被测参数数据。控制器520可配置成以便解释数据。如果数据表明接头故障状态(例如通过将被测参数数据与预定值作比较)，则控制器520可配置成产生将导致相应的风力涡轮100停机的信号。在一个实施例中，控制器520将适当的信号发送到控制系统530。控制系统530启动动作来使相应的涡轮100停机。备选地，控制器520可配置成将停机信号直接发送到相应的涡轮100。
参照图14，在一个实施例中，在602处，在相应的控制器520中或者在控制系统530中接收与特定的涡轮100有关的传感器数据。传感器数据是由传感器404探测到的被测参数数据。
在604处，将由传感器404指示的被测参数数据与阈值水平作比较。在一个实施例中，如果达到或超过阈值水平，则在606处确定涡轮立即进行动作。这可包括例如在控制系统530的用户接口上标识特定的涡轮，启动自动停机和/或发警报。如果未达到阈值水平，则可在608处让涡轮500继续其操作以及/或者保持其状态。操作状态可由显示器显示。例如，在风场控制系统中，可存在各个风力涡轮500的显示指示器。可在控制系统530的显示器上标识各个涡轮的操作状态。在一个实施例中，显示器可按颜色来编码，以便能够容易地标识或区分针对哪个涡轮指示或启动了警报或停机。在备选实施例中，可使用区分涡轮的任何适当的方法。
公开的实施例还可包括结合了上述过程步骤和指令的软件和计算机程序。在一个实施例中，结合了本文所述的过程的程序可存储在计算机程序产品上或计算机程序产品中，并且可在一个或多个计算机中执行。图15是结合了可用来实践本发明的各方面的特征的典型设备700的一个实施例的简图。设备700可包括存储在计算机可读的存储介质(诸如，例如存储器)上的计算机可读的程序代码器件，以实施和执行本文所述的过程步骤。在一个实施例中，计算机可读的程序代码存储在设备700的存储器中。在备选实施例中，计算机可读的程序代码可存储在设备700外部或远离设备700的存储器或存储器介质中。存储器可直接联接到设备700上，或者可无线联接到设备700上。
如图所示，计算机系统或控制器702可联结到另一个计算机系统或控制器704上，从而使得计算机702和704能够对彼此发送信息，以及接收来自彼此的信息。在一个实施例中，计算机系统702可包括适于与网络706通讯的服务器计算机或控制器。备选地，当使用了仅一个计算机系统(例如计算机系统704)时，该计算机系统将配置成与网络706通讯和交互。计算机系统704和702(例如图13的控制器520和控制系统530)可以以任何传统的方式(包括例如调制解调器、无线连接、硬线连接或光纤链路)联结在一起。一般而言，可使用典型地在通讯通道或其它适当的连接或线路、通讯通道或链路上发送的通信协议来使信息(诸如来自传感器404的数据)对于一个或两个计算机系统702和704而言可用。在一个实施例中，通讯通道包括适当的宽带通讯通道。
计算机系统702和704一般适于使用包含机器可读的程序源代码的程序存储装置，机器可读的程序源代码适于促使计算机系统702和704执行本文公开的方法步骤和过程。结合了公开的实施例的各方面的程序存储装置可作为使用光学器件、磁性属性和/或电子器件的机器的构件来设计、制作和使用，以执行本文公开的程序和方法。在备选实施例中，程序存储装置可包括可由计算机读取且可由计算机执行的磁介质，例如软磁盘、磁盘、存储棒或计算机硬盘。在其它备选实施例中，程序存储装置可包括光盘、只读存储器(“ROM”)软盘和半导体材料与芯片。
计算机系统702和704还可包括用于执行存储的程序的微处理器。计算机系统704可包括在其程序存储装置上的、用于存储信息和数据的数据储存器或存储器装置708。结合了过程和方法步骤(其结合了公开的实施例的各方面)的计算机程序或软件可存储于一个或多个计算机系统702和704中、在其它方面传统的程序存储装置上。在一个实施例中，计算机系统702和704可包括可从中呈现和/或访问公开的实施例的各方面的用户接口710和/或显示器接口712，例如图形用户接口。在一个实施例中可包括单个接口的用户接口710和显示器接口712可适于允许将请求和命令输入系统，以及呈现传感器数据的分析的结果，如例如参照图13和14所描述的那样。
公开的实施例的各方面提供了对风力涡轮的分开式转子叶片中的结构接头的状态进行监测。传感器和测量装备用来监测接头的某些参数。可在监测到的参数和存储在系统中的阈值极限之间进行比较。当监测到的参数的值达到或超过了阈值极限，则可产生指示或其它适当的信号。基于此信息，可使特定的涡轮停止，或者可启动其它适当的动作来防止对风力涡轮的损害或进一步的损害。这样，可提前探测到转子叶片中的接头缺陷，并且防止对叶片和风力涡轮的灾难性损害。
因此，虽然已经显示、描述和指出了应用于本发明的示例性实施例的本发明的基本的新颖特征，但是将理解到，本领域技术人员可在所示装置的形式和细节方面以及在它们的操作中作出各种省略和替换以及改变，而不偏离本发明的精神。此外，清楚地意图的是，以基本相同的方式执行基本相同的功能以实现相同结果的那些元件和/或方法步骤的所有组合在本发明的范围内。此外，应当认可，结合本发明的任何公开的形式或实施例所显示和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤，可作为设计选择的一般内容来结合在任何其它公开的或者描述的或者提示的形式或者实施例中。因此，意图是仅如所附的权利要求书的范围所指示的那样受限制。

Claims (10)

1.一种分开式风力涡轮转子叶片(108)，包括：
第一转子叶片部件(118)；
第二转子叶片部件(128)；
在所述第一转子叶片部件(118)和所述第二转子叶片部件(128)之间的接头(220)；以及
设置在所述接头(220)的区域中以监测所述接头(220)的结构完整性的接头监测装置(404)。
2.根据权利要求1所述的分开式风力涡轮转子叶片(108)，其特征在于，所述接头监测装置(404)包括偏转传感器(406)、应变传感器或振动传感器(412)。
3.根据权利要求1所述的分开式风力涡轮转子叶片(108)，其特征在于，所述接头监测装置(404)跨过所述第一转子叶片部件(118)和所述第二转子叶片部件(128)之间的所述接头(220)而设置。
4.根据权利要求1所述的分开式风力涡轮转子叶片(108)，其特征在于，所述第一转子叶片部件和第二转子叶片部件(118，128)中的各个包括第一外壳(310)、第二外壳(320)、第一梁帽(302)、第二梁帽(302)和至少一个抗剪腹板(304)。
5.根据权利要求4所述的分开式风力涡轮转子叶片(108)，其特征在于，所述接头监测装置(404)跨过所述接头(220)而设置，并且联接在所述第一转子叶片部件(118)的第一梁帽(302)和所述第二转子叶片部件(128)的第一梁帽(302)之间。
6.根据权利要求4所述的分开式风力涡轮转子叶片(108)，其特征在于，所述接头监测装置(404)跨过所述接头(220)而设置，并且联接在所述第一转子叶片部件(118)的第一梁帽(302)和所述第二转子叶片部件(128)的第二梁帽(302)之间。
7.根据权利要求4所述的分开式风力涡轮转子叶片(108)，其特征在于，所述接头监测装置(404)跨过所述接头(220)而设置，并且联接到所述至少一个抗剪腹板(304)上。
8.一种用于监测分开式风力涡轮叶片(108)的接头(220)的系统，包括：
接头监测装置(404)，其设置在所述分开式风力涡轮叶片(108)上以监测所述接头(220)的结构参数；以及
控制器(520)，其配置成以便接收来自所述接头监测装置(404)的监测到的参数数据，以及确定所述监测到的参数数据是否达到或超过被监测的结构参数的预定阈值。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制器(520)进一步配置成如果来自所述风力涡轮(100)的接头监测装置(404)的监测到的参数数据达到或超过被监测的结构参数的预定阈值，则促使风力涡轮(100)自动停机。
10.一种监测分开式风力涡轮叶片(108)中的接头(220)的接头(220)效能的方法，所述方法包括：
接收来自接头监测装置(404)的参数数据，所述接头监测装置(404)监测所述接头(220)的结构参数；
确定接收到的参数数据是否达到或超过阈值水平；以及
如果所述接收到的参数数据达到或超过所述阈值水平就产生接头(220)效能控制信号。
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