CN102197285A - 包括对缘向弯曲不敏感的应变传感器系统的风力涡轮机转子叶片 - Google Patents
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Abstract
描述了一种具有应变传感器系统的风力涡轮机转子叶片。应变传感器对于扭曲运动或者缘向弯曲对应变测量的影响不敏感。传感器包括布置在围住部件区域的圆形或者正多边形路径中的一个或者多个应变传感器件。在传感器系统中，多个应变传感器沿着风力涡轮机转子叶片的拍打方向轴线纵向间隔地设置。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机转子叶片光纤传感器系统和一种用于检测风力涡轮机转子叶片中的变形的方法，尤其涉及一种对缘向弯曲不敏感的传感系统和方法。
背景技术
图1示出了风力涡轮机1，包括在其上安装风力涡轮机机舱3的风力涡轮机塔架2。包括至少一个风力涡轮机叶片5的风力涡轮机转子4安装在轮毂6上。轮毂6通过从机舱前部延伸的低速轴(未示出)而连接到机舱3上。图1中示出的风力涡轮机可以是意图用于家庭或照明使用的小型号，或者可以是使用的大型号，例如适于在风场上大规模发电用的风力涡轮机。在后一种情况下，转子的直径可能是100米长或者更长。
风力涡轮机部件遭受来自多个原因的变形或者应变，例如类似污物或者冰的微粒的累积、它们自身的重量、以及由风本身施加的力。因此，在部件上的应变被监控以确保它们保持合适状态以在它们的计划工作寿命期间运行，这是很重要的。
用于风力涡轮机部件上的测量应变传感器的多个不同技术是已知的，包括电阻传感器，并且更频繁地是包括光纤的光电子传感器。为了整体地测量部件上的应变，通常使用多个类似的传感器，它们沿着部件的长度设置在不同的点上。通过测量每个位置上的局部应变，然后能够计算出部件上的总应变。
通常理想地在风力涡轮机部件的最长尺寸方向上监控风力涡轮机部件上的应变，因为这是部件最容易弯曲力矩的方向，如果弯曲力矩过大，可能引起结构故障。就风力涡轮机叶片而言，这种弯曲称作拍打方向弯曲。
理想地，测量叶片在拍打方向弯曲多少，由于风的压力或者其它因素，以便避免叶片的故障，并且当叶片转动通过它旋转的最低点时避免叶片撞击风力涡轮机塔架。对于叶片而言，因此，传感器通常沿纵向方向安装在叶片内部。
虽然在许多情况下只有在特定方向的应变是值得关注的，但是安装的应变传感器可能受在多个不同方向上的应变分量所影响，并且给出易误解的结果。在强风情况下，叶片可能在垂直于它的长度的方向例如横向、或者垂直于叶片表面的方向扭曲或者变形。这通常称作缘向弯曲。缘向弯曲典型地不影响叶片的寿命，并且因此通常不是值得关注的而用于监控目的。然而，如果不说明的话，缘向弯曲(或者在本申请中更通常地，在风力涡轮机部件的非纵向方向上的弯曲)能够显示在风力涡轮机部件的长度方向的应变，所述应变大于实际值。因此缘向弯曲可以包括扭曲运动，并且能够不同于纯应变，所述纯应变是由导致长度净增加的变形导致的应变。
理论上，可能发现用于安装传感器的理想点，使得每个传感器将只测量在那个位置上的应变，并且每个传感器将不受缘向弯曲影响。然而，这些理想点在实际中很难发现，并且每个叶片的这些理想点彼此不同。因此，应变测量可能是不可靠的。
因此我们已经意识到需要一种改进的应变传感器，其对扭曲运动和缘向弯曲不敏感。
发明内容
根据本发明的一个优选方面，提供了一种风力涡轮机转子叶片，包括用于检测所述转子叶片上拍打方向的应变的传感器系统，所述传感器系统包括：沿着所述风力涡轮机转子叶片的拍打方向轴线纵向间隔的多个应变传感器；其中，每个应变传感器包括布置在传感器路径中的一个或者多个应变传感器件，所述传感器路径围住所述转子叶片的区域，所述传感器路径具有三或更多级的旋转对称；以及一个或者多个处理器，所述处理器被布置成：从所述多个应变传感器接收信号；对于每个应变传感器，基于当所述风力涡轮机转子叶片变形时所述传感器路径的长度改变，对由所述传感器路径围住的所述转子叶片的所述区域计算应变值；以及基于对于每个应变传感器计算的应变，对所述转子叶片确定拍打方向的应变。路径可以例如是圆形的、正多边形的或者是星形的。
每个应变传感器包括布置在路径中的一个或者多个传感器件，路径具有三或更多级的旋转对称，诸如围住部件区域的圆形路径、正多边形或者星形路径。这意味着扭曲运动或者缘向弯曲对于应变测量的影响至少部分地被平均在该区域的对称面积上，并且意味着纯应变或者定向应变的测量误差被降低。通过沿着风力涡轮机叶片的纵向轴线布置多个这些应变传感器，在风力涡轮机叶片上的拍打方向或者翼展方向的应变能够被更精确地测量，而与任何缘向弯曲的影响无关。
而且，在部件的伸展区域上的应变测量减少了测量异常的可能性，例如，应变传感器位于经历应变的位置，该应变不是部件的其余周围区域的特征。
有利地，转子叶片设有应变传感器，应变传感器包括单一应变传感器件，并且单一应变传感器件包括单一干涉测量光纤应变传感器，单一干涉测量光纤应变传感器被布置成形成整个圆形或者正多边形路径。
这样，路径总长度的测量可通过使用干涉测量光纤应变传感器易于被确定，并且已知易于转换为应变测量的路径的原始长度大大简化了处理步骤。
可替代地，转子叶片可以包括应变传感器，应变传感器包括一个以上的应变传感器件，其被布置成确定沿着圆形或者正多边形路径在相等间隔的点之间的应变。这种传感器不需要干涉测量光纤应变传感器以便运行(尽管这种传感器被有利地使用)，因此可以包括其它类型的应变传感器。
有利地，正多边形路径是等边三角形。这个构造提供了本发明的改进，而不需要传感器的复杂布置。将意识到，在三角形布置中，至少一个应变传感器件被有效地用于抵消缘向弯曲或者扭曲的影响，而使其它的传感器计算纯应变。
有利地，应变传感器系统包括单一处理器，其被布置成从一个或者多个应变传感器接收信号。这样，只有来自每个应变传感器的未处理的输出需要被传送到处理器，并且能够在中心执行处理。可替代地，应变传感器系统可以包括用于每个应变传感器的相应处理器。
相应的方法被提供。
附图说明
通示例并且参考附图现在将描述本发明的优选实施方式，其中：
图1示出了已知的风力涡轮机；
图2是暴露于应变的表面元件的示意图；
图3是根据本发明的应变传感器的实施例的示意图；
图4是第一示例性实施例的简视图；
图5是第二示例性实施例的简视图；
图6是示出了扭曲运动或者缘向弯曲的影响的示意图；
图7是示出了沿着关注方向的纯应变的示意图；
图8是干涉测量应变传感器的示意图；以及
图9是根据本发明的示例的风力涡轮机转子叶片的示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例包括具有应变传感器系统的风力涡轮机转子叶片，通过全部或者至少部分地消除在缘向方向的不需要的应变分量，应变传感器系统能够更精确地检测在拍打方向的应变。
为了进一步示出由本发明解决的问题的性质，现在将参看图2，图2是在压力下的正方形表面元件的图示。
在图的上方的正方形ABCD示出了风力涡轮机部件的表面元件。出于讨论的目的，能够假设用于应变测量的关注方向是方向AD或者CB，这个方向相应于风力涡轮机部件的纵向方向。侧边AD或者CB的伸展或者延长导致了表面元件ABCD的伸展并且导致应变。
图2的底部的等角图显示了同一正方形表面元件ABCD，但是在该状态下角C已经垂直地移动到点C’。表面元件假设是弹性的，但是不完全如此。这意味着当角C被升起时，根据施加的力和材料的弹性，距离AC’将增大，而且角C将稍微朝角A往回弯曲。
当距离AC’增大时，角B和D将被沿着线BC’和DC’作用的应变朝向中心线稍微地拖拽，并且将处于新位置B’和D’。从上方，原始正方形ABCD的视图现在将是菱形AB’C’D’。
当距离AC’大于原始距离AC时，沿着这个方向安装的应变传感器将检测应变。然而，这个应变由扭曲力引起，就监控沿着风力涡轮机部件的纵向方向的变形而言该扭曲力不是被关注的。
优选地与边BC和AD成一列的应变传感器将很大程度上对沿着方向AC’的应变不敏感，因为与沿着AC的伸展相比BC和AD的长度仅稍微地改变。然而，由于实际中任何非纵向位移的性质和方向不容易预测，应变传感器不可能设置成使得它们对应变的不想要的分量非常不敏感。如上所述，发现隔离传感器的理想点是很困难的，它们很可能定向在对沿着方向AC’的应变敏感的元件表面上。
本发明优选的示例性实施例解决了这个问题，并且提供了对扭曲或者缘向弯曲不敏感的应变传感器。参看图3，示例传感器包括在传感器连接点12之间延伸的应变传感器部件11的三角形布置10。传感器连接点包括用于将传感器部件附着到风力涡轮机部件的内或者外表面的合适连接装置，例如用于接收螺钉、销钉或者其它紧固件的支架，或者用于接收粘合剂的位置。传感器连接点形成三角形ABC的角，应变传感器部件在长度上相同，因此使得三角形是等边的。
传感器部件11能够是适合用于测量沿着三角形的单个侧边AB、BC和CA或者沿着外围ABC的整个长度的应变的任何应变传感器件。适合的应变传感器包括机械的、电阻的、光学的和光电子的器件，尽管干涉测量光学应变传感器如下所述是最有利的。
光学的和光电子的应变传感器包括安装在部件上的光纤，使得部件沿着关注方向的变形导致光纤长度的改变。光被输入到光纤的一端，并且在一端或者另一端被光检测器所检测。光纤的光学长度的改变能够通过测量在从光纤输出的光的变化以及将其转换为应变的指示而确定。尽管已知大量不同的光纤应变传感器，在这种情况下干涉测量传感器是优选的，因为它们提供了更精确的测量。
在干涉测量传感器中，穿过光纤的光被辟分为两个光学路径，其中一个光学路径与变形隔离，另一个与变形不隔离。光随后重新结合，并且根据在两个光信号之间的不同相位而建设性地或者破坏性地干涉。通过稍微地改变输入光的波长，强度变化被产生并且能够被计算以给出光学路径长度变化的指示。在申请人的未审申请0812037.0中给出了更详细的讨论，其中的一部分在下文被参考引用。干涉测量传感器可被使用于给出在两个点之间的长度的直接测量。
现在将参考图4和5描述本发明的优选示例。图4示出了图3中显示的通常情况的实施例，其中应变传感器部件11由单个光纤13提供，单个光纤13绕着连接点12缠绕以形成三角形路径。利用诸如LED、激光器、卤素或者金属卤化物源的发光器件14，光被输入光纤13的一端，并且所述光在另一端使用诸如光电传感器的光收集器件15被检测。发光器件14连接到光纤元件缆13的一端，以将光输入纤维13中，并且光测量器件15连接到另一端，以接收沿着纤维13传递的光。也可以处理这个结果的控制器16连接到发光器件14和光测量器件15。实际上，纤维13可以绕着由点ABC限定的三角形外围缠绕几次，以便增大光纤元件对长度小的改变的敏感度。
图5中示出了替换的布置，其中每个传感器部件4包括单独的光纤13、17和18，并具有各自的发光器件14、光检测器15和控制器16。而且，各个光纤可以绕着连接点AB、BC和CD缠绕几次，以便增大它们对长度小的改变的的敏感度。
现在将更详细地描述传感器的运行。在图4和5中示出的传感器构造为确定三角形ABC的侧边的各自长度。侧边长度的总的改变给出了指示在环绕的表面区域上应变的值。而且，这个值很大程度上对扭曲或者缘向弯曲不敏感。这能够从图2中理解到，将会意识到如果该区域暴露于方向AD和BC上的应变，该区域将会增大，然而扭曲将导致该区域很小的改变，同时表面元件的其它点移动且补偿。
图6更详细地示出了扭曲或者缘向弯曲对图4和5的三角形传感器布置的影响。虚线表示原始结构，实线是非长度方向位移的结果。在第一个示例中，角A和C被显示遭受引起它们绕中间点沿相反方向位移的非长度方向位移。这个点的位置是无关紧要的，其可以在线AC上或不在上面。从图中可以看出，结果是侧边AC在长度上没有显著改变，除非点A和C的位移非常大，三角形布置变得不等边。
在第二个示例中，角A和B在一个方向上位移，然而角C在另一个方向上位移。长度AC和CB将由于位移分别变得稍微更短和稍微更长，但是当三角形保持等边时长度AC和CB将很大程度上地抵消。长度AB将不会被位移显著影响。
这两个示例显示了，当测量侧边的长度总和时，非长度方向位移引起非常小的扰动。在另一方面，图7示出了纯位移对应变传感器的影响。在第一个示例中，一个角B移动远离其它角。这导致了BC和AB明显变长，然而侧边AC保持不变。这个应变将导致三个侧边的总和的变化。
这同样适于在第二个示例中所示的情况，其中角C和B、以及因此侧边CB，移动远离角A。因此，侧边AC和BC都变得略微更长，然而平行于压力的侧边AB变得更长。
如上所述，可以使用用于测量三角形的侧边长度或者用于测量沿着侧边的应变的任何应变传感器。可以在图4和5的布置中使用的干涉测量传感器的示例性实施例现在将参考图8进行描述。这个传感器以及也可以用于本发明的替换实施例在我们的申请0812037.0中被讨论。
示例的干涉测量纤维光学传感器包括位于光纤13的路径中的光分裂器件20和光累加器件22。光纤13连接到光分裂器件20和光累加器件22的输入和输出部分，并且因此包括分隔的光纤部分13a、13b、13c、13d。虽然这些部分是分隔的光纤，但是出于目前讨论的目的，将它们当作形成为单个的纤维元件13是有益的。
光纤13b绕着连接点6延伸，并且是遭受部件中的应变的光纤部分。因此光纤13b比将分裂器20和增加器22连接到发光器件14和光测量器件15的部分13a、13c和13d长。假定纤维13a、13c和13d的长度导致从光源14接收的光的基本可以忽略的延迟。
干涉测量应变传感器运行以检测光纤的长度。发光器件14将具有单一均匀波长的光输入光纤13a。第一部分13a将发光器件14连接到光分裂器件20或者光学分裂器的输入端。光学分裂器20将在它的输入端接收的光分裂为两个相同的输出信号。第二光纤部分13b连接到分裂器20的一个输出端，并且因此从发光器件14和纤维部分13a接收具有第一相位的光信号25。第二光纤部分13b绕着安装点6延伸并且是遭受部件中应变的光纤部分。它的另一端连接到光累加器件22的输入端。将意识到光学分裂器和增加器能被提供在单一光耦合器中，并且为了清楚这里被分别显示。
光累加器件22的另一输入端连接到光纤13c，光纤13c又连接到分裂器20的另一输出端。在一端，光学增加器件因此接收光信号25，并且在另一端，它接收具有第二相位的光信号26。第二相位不同于第一相位，因为光信号26已经沿着更长的光纤部分13b穿行。在光累加器件22中，两个光信号25和26被累加在一起，得到的光信号27通过连接到增加器22的输出端的光纤13d被传送到光测量器件15。
光测量器件检测在它的输入端接收的光信号27的强度。接收的光27的强度将取决于两个光信号25和27的相对相位，它们的相对相位导致建设性或者破坏性干扰。
当光纤13b处于未应变状态时，在到光检测器15的输入处接收的光的强度被确定。出于校准传感器的目的，该强度可以被认为是零或者静态值。而且，由于两个光信号25和26的相对相位是光的波长和沿着纤维13b到较小范围的纤维13c、13d的光学距离的函数，传感器的剩余强度值可以通过调整输入光信号25的波长被调整到理想值。
控制器能够通过控制发光器件14确定纤维的长度，以缓慢改变输入光信号25的波长。优选地，在传感过程期间波长的总变化很小，比如说每百万分之1000，或者0.1％。由于波长改变了，控制器监控光检测器15处的强度，并且检测由相位改变引起的强度循环变化。控制器计数两个信号25和26的相对相位在360度、一个完整循环中变化的次数。控制器15可以通过确定最大(或者最小)强度达到多少次来计数相位中的每个循环。
在控制器15已经完成改变波长之后，检测的相位循环总数被用于确定光纤的长度。例如，如果输入光25的波长改变0.1％导致检测到500个完全相位循环，然后光纤长度能够以非常合理的精确度被确定为：
长度＝相位循环次数×(变化)-1×波长
＝500×(0.001)-1×波长
长度＝被测量的光纤的长度；
相位循环次数＝被检测到的相位循环次数；
变化＝用于测量目的的光的输入波长的变化百分比；以及
波长＝遭受变化的光的初始波长。
因此，对于光纤中具有700nm的波长的红光，光纤长度能够被确定为：
＝500000×7×10-7
＝0.35m。
其它技术可以用于测量光纤13b的长度。在一个示例中，光的脉冲可以被输入到光纤13a中，并且脉冲沿着两个光学路径穿行到传感器花费的时间被记录。进一步执行输入白光到光纤13a中，并且使用询问器分析干涉模式。根据光的波长，光在光纤中穿行的光学路径长度将是不同的。因此，不同波长的光将根据穿行的路径以不同相位在检测器处被接收，并且将建设性地或者破坏性地相互干涉。影响类似于单一波长的光的干涉模式，并且具有正弦曲线形状。然而是不同波长的干涉的结果。
尽管应变传感器件的三角形构形已经在上述示例中被描述，但是将意识到这个构形是更通用构形中的一个简单例子，在更通用构形中路径可以是具有三或更多级旋转对称的任何路径，诸如圆形路径，诸如三角形、正方形、五角形、六角形等的正多边形，或者星形。路径可以是凸形的或者凹形的。
将意识到，在三角形布置中，至少一个应变传感器件被有效地用于抵消非长度方向位移或者扭曲的影响，使其它传感器计算纯应变。
所有正多边形路径具有相等长度的侧边。这是关键点，如果路径的侧边不是相等长度，将很难分离每个相应的传感侧边经受的缘向弯曲或者扭曲运动的分量。例如如果使用矩形形状，那么传感器将更容易在平行于最长侧边的方向发生位移。通过正方形传感器，侧边的相等长度意味着，与非长度方向位移的力不平行的侧边长度改变至少部分地补偿平行的侧边的长度改变。将意识到，圆形表示为侧边长度趋向于零并且侧边数量趋向于无穷大的正多边形。
图9示出了根据本发明的示例性实施例的风力涡轮机转子叶片应变传感器系统。应变传感系统包括在风力涡轮机转子叶片上不同纵向位置上设置的一个或者多个传感器。传感器路径可以设置在风力涡轮机转子叶片的外侧或者内侧表面上，或者嵌入部件本身的层压材料内侧，以包围将要测量应变的部件的区域。
传感器系统包括至少一个处理器，以接收应变测量并且分析结果。在图9中，一个处理器设置在转子轮毂中或者靠近叶片根部，以接收来自多个传感器的数据。测量可以是实际应变的测量，或者可以是指示长度增大的测量。在指示长度增大的测量情况下，来自各个应变传感器件的测量能够简单地被累加以提供路径外围的总长度。如果使用纤维布拉格光栅传感器，将意识到，来自正多边形路径的每个侧边的测量将是布拉格光栅反射(或者传递)的光的波长。为了使用这些测量，有利地将来自各个传感器的波长转换成长度的指示，使得它们能够容易地被累加到一起。这同样地适用于基于电阻的应变测量。因此处理器可以设置在每个传感器位置处并且连接到一起，并且选择性地连接到中心处理器，以便处理结果，或者可替代地单个处理器可以被提供以接收原始数据。
纯粹出于阐述的目的，参考示例行实施方式已经描述了本发明。本发明不限于此，本领域技术人员将会做出许多修改和改变。本发明将从接下来的权利要求书被理解。
Claims (16)
1.一种风力涡轮机转子叶片，包括用于检测所述转子叶片上拍打方向的应变的传感器系统，所述传感器系统包括：
沿着所述风力涡轮机转子叶片的拍打方向轴线纵向间隔的多个应变传感器；
其中，每个应变传感器包括布置在传感器路径中的一个或者多个应变传感器件，所述传感器路径围住所述转子叶片的区域，所述传感器路径具有三或更多级的旋转对称；以及
一个或者多个处理器，所述处理器被布置成：
从所述多个应变传感器接收信号；
对于每个应变传感器，基于当所述风力涡轮机转子叶片变形时所述传感器路径的长度改变，对由所述传感器路径围住的所述转子叶片的所述区域计算应变值；以及
基于对于每个应变传感器计算的应变，对所述转子叶片确定拍打方向的应变。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述传感器路径是圆形的、正多边形的或者是星形的。
3.如权利要求1或2所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述应变传感器包括单一应变传感器件，所述单一应变传感器件包括单一干涉测量光纤应变传感器，所述单一干涉测量光纤应变传感器被布置成形成整个所述圆形或者所述正多边形的路径。
4.如权利要求1或2所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述应变传感器包括一个以上的应变传感器件，所述一个以上的应变传感器件被布置成确定沿着所述圆形或者所述正多边形的路径在相等间隔的点之间的应变。
5.如前述任一权利要求所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述正多边形路径是等边三角形。
6.如权利要求1至5任一所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，包括单一处理器，所述单一处理器被布置成从所述一个或者多个应变传感器接收信号。
7.如权利要求1至5任一所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，包括用于每个应变传感器的相应处理器。
8.一种风力涡轮机，包括如前述任一权利要求所述的风力涡轮机转子叶片。
9.一种检测风力涡轮机转子叶片上的拍打方向的应变的方法，包括：
在一个或者多个处理器处从多个应变传感器接收信号，所述多个应变传感器沿着所述风力涡轮机转子叶片的拍打方向被安装在纵向间隔的位置上，每个应变传感器包括布置在传感器路径中的一个或者多个应变传感器件，所述传感器路径围住所述转子叶片的区域，并且所述传感器路径具有三或更多级的旋转对称；
对于每个应变传感器，基于当所述风力涡轮机转子叶片变形时所述传感器路径的长度改变，对由所述传感器路径围住的所述转子叶片的所述区域计算应变值；以及
基于对于每个应变传感器计算的应变，对所述转子叶片确定拍打方向的应变。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述传感器路径是圆形的、正多边形的或者是星形的。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述应变传感器包括单一应变传感器件，所述单一应变传感器件包括单一干涉测量光纤应变传感器，所述单一干涉测量光纤应变传感器被布置成形成整个所述圆形或者所述正多边形的路径。
12.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述应变传感器包括一个以上的应变传感器件，所述一个以上的应变传感器件被布置成确定沿着所述圆形或者所述正多边形的路径在相等间隔的点之间的应变。
13.如权利要求9至12任一所述的方法，其特征在于，所述正多边形路径是等边三角形。
14.如权利要求9至13任一所述的方法，其特征在于，包括提供单一处理器，所述单一处理器被布置成从所述一个或者多个应变传感器接收信号。
15.如权利要求9至13任一所述的方法，其特征在于，包括提供用于每个应变传感器的相应处理器。
16.如权利要求9至15任一所述的方法，其特征在于，包括沿着所述风力涡轮机转子叶片的拍打方向在纵向间隔的位置安装所述多个应变传感器。
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