CN102213184B - 用于监测风力涡轮机的结构健康状态的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于监测风力涡轮机的结构健康状态的系统和方法。提供了一种用于风力涡轮机的结构健康状态监测系统(24，500)。该结构健康状态监测系统包括：至少一个传感器(56)，其可关于风力涡轮机的结构构件(504)安装，并且配置成感测形成于结构构件内的结构不连续，该传感器进一步配置成传递表示结构不连续的至少一个监测信号；以及控制器(302)，其通讯地联接到传感器上，以便从该传感器接收监测信号，该控制器配置成基于接收到的信号来确定风力涡轮机的结构健康状态。
Description
技术领域
本文描述的主题大体涉及用于监测风力涡轮机系统的结构健康状态的系统和方法，且更具体而言，涉及配置成监测风力涡轮机的结构构件的结构健康状态的结构健康状态监测系统。
背景技术
至少一些已知的风力涡轮机包括固定在塔架顶部上的机舱。机舱包括通过轴联接到发电机上的转子组件。在已知的转子组件，多个叶片从转子延伸。叶片定向成使得经过叶片的风使转子转动并且使轴旋转，从而驱动发电机来产生电力。已知的风力涡轮机大体会经受来自于环境元素的操作损害，诸如风切变、极端温度、结冰、海洋波浪以及内部摩擦和一般的机械磨损。操作损害可最终导致风力涡轮机的次优的性能。
至少一些监测风力涡轮机的已知的方法通过检测诸如降低的功率输出和/或不能操作，或者降低的风力涡轮机操作性能的症状来间接地检测操作损害。此外，因为对于这样的症状而言存在许多可能的诱因，所以确定症状的根本原因需要由维护技术员手动检查，从而在可以解决根本原因之前引入了不合乎需要的延迟和花费。
至少一些已知的风力涡轮机包括发电机框架，发电机框架包括主框架或者“底座”以及从底座悬臂式地伸出的发电机支承框架或者“后框架”部分。已知的发电机框架可经受引起疲劳开裂和/或失效的应力，特别是在底座和后框架部分之间的接头处。用于监测一些已知的发电机框架的传统的方法包括手动检查，这可能是很少发生的、昂贵的以及耗时的。
发明内容
在一方面，提供了一种用于监测风力涡轮机的结构健康状态的方法。该方法包括将表示结构不连续的至少一个监测信号从传感器传递到控制器，传感器操作地联接到风力涡轮机的结构构件上。在接收到监测信号后，第一通知信号从控制器传递到使用者计算装置。
在另一方面，提供了一种用于风力涡轮机的结构健康状态监测系统。该结构健康状态监测系统包括至少一个传感器，该至少一个传感器可关于风力涡轮机的结构构件安装，并且配置成感测在结构构件内形成的结构不连续。传感器进一步配置成传递表示结构不连续的至少一个监测信号。控制器通讯地联接到传感器上，以便从该传感器接收监测信号。该控制器配置成基于接收到的信号来确定风力涡轮机的结构健康状态。
在又一方面，提供了一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括塔架、联接到塔架上的机舱、定位在机舱内的发电机、可旋转地联接到发电机上的转子以及操作地联接到风力涡轮机的结构构件上的结构健康状态监测系统。该结构健康状态监测系统包括可关于结构构件安装的至少一个传感器。该传感器配置成感测形成于结构构件内的结构不连续，以及传递至少一个表示结构不连续的监测信号。控制器通讯地联接到传感器上，以便从该传感器接收监测信号。该控制器配置成基于接收到的信号来确定风力涡轮机的结构健康状态。
附图说明
图1是示例性风力涡轮机发电机系统的透视图。
图2是图1所示的风力涡轮机发电机系统的一部分的放大截面图。
图3是适用于监测图1所示的风力涡轮机发电机系统的示例性结构健康状态监测系统的简图。
图4是适于与图3所示的结构健康状态监测系统一起使用的示例性使用者计算装置的简图。
图5是适于与图3所示的结构健康状态监测系统一起使用的示例性结构健康状态监测控制器的简图。
图6是适于与图1所示的风力涡轮机发电机系统一起使用的示例性结构健康状态监测系统的透视图。
图7是适于与图1所示的风力涡轮机发电机系统一起使用的备选的结构健康状态监测系统的放大视图。
图8是示出了用于操作与图1所示的风力涡轮机发电机系统一起使用的结构健康状态监测系统的示例性方法的流程图。
部件列表：
风力涡轮机发电机系统 10
塔架 12
支承面 14
发电机 15
机舱 16
转子 18
轮毂 20
转子叶片 22
结构健康状态监测系统 24
方向 28
旋转轴线 30
桨距调节系统 32
变桨轴线 34
控制系统 36
偏航轴线 38
处理器 40
发电机 42
转子轴 44
齿轮箱 46
高速轴 48
发电机支承组件 50
主支承框架或者底座 52
发电机框架或者后框架部分 54
传感器 56
偏航驱动机构 58
前支承轴承 60
主轴支承轴承 62
传动系 64
变桨组件 66
变桨驱动系统 68
网络 102
使用者计算装置 104
结构健康状态监测控制器 106
处理器 202
存储器区 204
介质输出构件 206
使用者 208
输入装置 210
通讯接口 212
控制器 302
存储器 304
通讯模块 306
传感器接口 308
多个梁 408
接头 410
支承梁 412
接头 414
支承部件 416
支承横梁 418
第一端 420
第二端 422
接头 424
中间部分 430
超声传感器 432
结构健康状态监测系统 500
电阻传感器 502
结构构件 504
发电机 506
电阻条 508
结构不连续 510
结构裂缝 512
结构不连续长度 514
第一长度 516
第二长度 518
第一方向 520
第一电阻条 522
第三长度 524
第二电阻条 526
超声传感器 530
高频声波 532
声波或者回声 534
示例性方法 600
传递 602
计算 604
比较 606
传递 608
传递 610
确定 612
操作 614
具体实施方式
本文所描述的实施例有助于监测风力涡轮机的结构健康状态。更具体而言，本文所述的实施例包括结构健康状态监测系统，其有助于检测风力涡轮机内的结构不连续。另外，结构健康状态监测系统有助于基于结构不连续来确定风力涡轮机的结构健康状态，以及在确定了风力涡轮机系统的结构健康状态不同于预先限定的结构健康状态后，使风力涡轮机操作至安全操作。如本文所用，用语“结构不连续”指的是结构构件内的材料的移位和/或两个或更多个结构构件的分开。例如，结构不连续可为裂缝、移位的接头、接头分开、破裂、变形带和/或压缩带中的一种或多种。如本文所用，用语“结构健康状态”指的是关于结构构件的一个或多个操作参数的风力涡轮机结构构件的操作。
图1是示例性风力涡轮机发电机系统10的透视图。在该示例性实施例中，风力涡轮机发电机系统10是水平轴风力涡轮机。备选地，风力涡轮机发电机系统10可为竖直轴风力涡轮机。在该示例性实施例中，风力涡轮机发电机系统10包括从支承面14延伸的塔架12，安装在塔架12上的机舱16，定位在机舱16内的发电机15，以及可旋转地联接到发电机15上的转子18。转子18包括可旋转的轮毂20和联接到轮毂20上且从轮毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。在该示例性实施例中，转子18包括三个转子叶片22。在一个备选实施例中，转子18包括多于或少于三个转子叶片22。风力涡轮机发电机系统10还包括结构健康状态监测系统24。在该示例性实施例中，结构健康状态监测系统24定位在机舱16内且操作地联接到发电机15、转子18和/或轮毂20上。另外，或者备选地，结构健康状态监测系统24操作地联接到塔架12上。结构健康状态监测系统24可操作地联接到风力涡轮机发电机系统10的、可经受可导致出现结构不连续的疲劳循环和/或操作磨损的任何结构构件上。在该示例性实施例中，塔架12由管状钢材制成而限定了腔体(图1中未显示)，该腔体在支承面14和机舱16之间延伸。在一个备选实施例中，塔架12是具有任何合适的高度的任何合适的类型的塔架。
转子叶片22绕着轮毂20隔开，以有利于使转子18旋转，以使得动能能够从风被转换成可用的机械能，且随后转换成电能。在该示例性实施例中，转子叶片22具有范围为从大约30米(m)(99英尺(ft))到大约120m(394ft)的长度。备选地，转子叶片22可具有使得风力涡轮机发电机系统10能够如本文所描述的那样起作用的任何合适的长度。例如，叶片长度的其它非限制性实例包括10m或者更小、20m、37m，或者大于120m的长度。在风从方向28冲击转子叶片22时，转子18绕着旋转轴线30旋转。在转子叶片22旋转且经受离心力时，转子叶片22还经受各种力和动量。这样，转子叶片22可偏转和/或从中立或者非偏转位置旋转到偏转位置。此外，转子叶片22的桨距角或者叶片桨距，即确定转子叶片22相对于风的方向28的投影的角度，可由桨距调节系统32来改变，以便通过调节至少一个转子叶片22相对于风矢量的角位置来控制风力涡轮机发电机系统10产生的载荷和功率。在风力涡轮机发电机系统10操作期间，桨距调节系统32可改变转子叶片22的叶片桨距，使得转子叶片22运动到顺桨位置，使得至少一个转子叶片22相对于风矢量的投影提供将要朝向风矢量定向的转子叶片22的最小表面积，这有助于降低转子18的转速和/或有助于转子18的失速。
在该示例性实施例中，各个转子叶片22的叶片桨距单独地由控制系统36控制。备选地，所有转子叶片22的叶片桨距可同时由控制系统36控制。另外，在该示例性实施例中，随着方向28改变，机舱16的偏航方向可绕着偏航轴线38受控制，以便相对于方向28定位转子叶片22。
在该示例性实施例中，控制系统36显示为在机舱16内居中，但是，控制系统36可为在风力涡轮机发电机系统10各处、在支承面14上、在风场内和/或在远程控制中心处的分布式系统。控制系统36包括配置成执行本文所述的方法和/或步骤的处理器40。另外，本文所述的其它构件中的许多包括处理器。如本文所用，用语“处理器”不限于在本领域中被称为计算机的集成电路，而是宽泛地指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其它可编程电路，且这些用语在本文中可互换地使用。将理解，处理器和/或控制系统还可包括存储器、输入通道和/或输出通道。
在本文所述的实施例中，存储器可包括但不限于计算机可读介质，诸如随机存取存储器(RAM)，以及计算机可读非易失性介质，诸如闪存存储器。备选地，还可使用软盘、紧致盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能盘(DVD)。同样，在本文所述的实施例中，输入通道包括但不限于与操作者接口相关联的传感器和/或计算机外围设备，诸如鼠标和键盘。另外，在该示例性实施例中，输出通道可包括但不限于控制装置，操作者接口监视器和/或显示器。
本文所述的处理器处理从多个电气和电子装置传递来的信息，电气和电子装置可包括但不限于传感器、促动器、压缩机、控制系统和/或监测装置。这样的处理器可物理上位于例如控制系统、传感器、监测装置、台式计算机、便携式计算机、可编程逻辑控制器(PLC)柜和/或分布式控制系统(DCS)柜中。RAM和存储装置存储和传递将由处理器(一个或多个)执行的信息和指令。RAM和存储装置还可用于在处理器(一个或多个)执行指令期间存储临时变量、静态(即不变的)信息和指令或者其它中间信息，以及将它们提供给处理器。所执行的指令可包括但不限于风力涡轮机控制系统控制命令。指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何具体组合。
图2是风力涡轮机发电机系统10的一部分的放大截面图。在该示例性实施例中，风力涡轮机发电机系统10包括机舱16和可旋转地联接到机舱16上的轮毂20。更具体而言，轮毂20通过转子轴44(有时称为主轴或者低速轴)、齿轮箱46和高速轴48可旋转地联接到位于机舱16内的发电机42上。转子轴44的旋转可旋转地驱动齿轮箱46，其随后驱动高速轴48。高速轴48可旋转地驱动发电机42，以有助于发电机42生产电功率。在该示例性实施例中，齿轮箱46利用双路径几何来驱动高速轴48。备选地，转子轴44直接联接到发电机42上。齿轮箱46和发电机42由发电机支承组件50支承。发电机支承组件50包括主支承框架或者底座52和发电机框架或者后框架部分54。在该示例性实施例中，结构健康状态监测系统24联接到主支承框架52和发电机框架54中的一个上。更具体而言，结构健康状态监测系统24包括操作地联接到主支承框架52和/或发电机框架54上以便感测发电机支承组件50内的结构不连续的至少一个传感器56。在一个备选实施例中，传感器56操作地联接到塔架12、轮毂20和/或机舱16上，以便感测风力涡轮机发电机系统10内的结构不连续。
机舱16还包括偏航驱动机构58，偏航驱动机构58可用来使机舱16和轮毂20在偏航轴线38(图1中显示)上旋转以便控制转子叶片22相对于风的方向28的投影。在该示例性实施例中，机舱16还包括主前支承轴承60和主轴支承轴承62。前支承轴承60和主轴支承轴承62有助于转子轴44的径向支承和对准。前支承轴承60在轮毂20附近联接到转子轴44上。主轴支承轴承62位于转子轴44上、齿轮箱46和/或发电机42附近。机舱16可包括使得风力涡轮机发电机系统10能够如本文所描述的那样起作用的任意数量的支承轴承。转子轴44、发电机42、齿轮箱46、高速轴48以及任何相关联的紧固和/或支承装置(包括但不限于主支承框架52和/或发电机框架54，以及前支承轴承60和主轴支承轴承62)有时称为传动系64。在一个实施例中，结构健康状态监测系统24联接到传动系64上，以感测传动系64内的结构不连续。
在该示例性实施例中，轮毂20包括变桨组件66，变桨组件66包括一个或多个变桨驱动系统68。各个变桨驱动系统68联接到相应的转子叶片22(图1中示出)上，以便沿着变桨轴线34调整相关联的转子叶片22的叶片桨距。图2中显示了三个变桨驱动系统68中的仅一个。
图3是用于监测风力涡轮机发电机系统10的结构健康状态的示例性结构健康状态监测系统24的简图。结构健康状态监测系统24包括网络102。例如，网络102可包括但不限于国际互联网、局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线LAN(WLAN)、网状网络和/或虚拟专用网(VPN)。使用者计算装置104和一个或多个结构健康状态监测控制器106通过网络102配置成通讯地彼此联接。使用者计算装置104和结构健康状态监测控制器106使用有线网络连接(例如以太网或者光纤)、诸如射频(RF)的无线通讯方式、电气和电子工程师协会(IEEE)802.11标准(例如，802.11(g)或者802.11(n))、微波存取全球互通(WIMAX)标准、蜂窝电话技术(例如，移动通讯全球标准(GSM))、卫星通讯链路和/或任何其它合适的通讯方式来彼此通讯和/或与网络102通讯。WIMAX是俄勒冈州的比弗顿的WiMax Forum的注册商标。IEEE是纽约州纽约市的电气和电子工程师协会(公司)的注册商标。
如以下参照图4和图5更详细地描述的，使用者计算装置104和结构健康状态监测控制器106中的各个包括处理器。使用者计算装置104和结构健康状态监测控制器106中的各个可配置成通过对对应的处理器进行编程来执行本文所述的操作。例如，可通过将操作编码为一个或多个可执行的指令以及在联接到处理器上的存储器区中将该可执行的指令提供至处理器来对处理器进行编程。存储器区可包括但不限于一个或多个随机存取存储器(RAM)装置、一个或多个存储装置和/或一个或多个计算机可读介质。
图4是示出了用于与结构健康状态监测系统24一起使用的示例性使用者计算装置104的简图。使用者计算装置104包括用于执行指令的处理器202。在一些实施例中，可执行的指令存储在存储器区204中。处理器202可包括一个或多个处理单元(例如在多芯配置中)。存储器区204是允许存储和获取信息-诸如可执行的指令和/或其它数据的任何装置。
使用者计算装置104还包括用于将信息呈现给使用者208的至少一个介质输出构件206。介质输出构件206是能够将信息传达给使用者208的任何构件。介质输出构件206可包括但不限于显示器装置(例如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器或者“电子墨水”显示器)或者声音输出装置(例如喇叭或者耳机)。
在一些实施例中，使用者计算装置104包括用于接收来自使用者208的输入的输入装置210。输入装置210可包括例如键盘、定点设备、鼠标、光笔、触敏控制板(例如触摸垫或者触摸屏)、回转仪、加速计、位置探测器和/或声音输入装置。单个构件，诸如触摸屏，可既起到介质输出构件206的输出装置又起到输入装置210的作用。使用者计算装置104还包括通讯接口212，通讯接口212配置成通讯地联接到网络102和/或结构健康状态监测系统24上。
图5是示例性结构健康状态监测控制器106的简图。在该示例性实施例中，结构健康状态监测控制器106包括控制器302、存储器304以及通讯模块306。通讯模块306包括传感器接口308，传感器接口308有助于使得控制器302能够与安装在风力涡轮机发电机系统10上或者内或者外部的任何合适的位置处的传感器56通讯。在一个实施例中，传感器接口308包括将传感器56产生的模拟电压信号转换成可由控制器302使用的多比特数字信号的模拟-数字转换器。在备选的实施例中，通讯模块306可包括有助于将信号传递到位于风力涡轮机发电机系统10上或者内或者外部和/或风力涡轮机发电机系统10远处的任何装置和/或从该装置接收信号的任何合适的有线和/或无线通讯装置。在该示例性实施例中，存储器304可包括任何合适的存储装置，包括但不限于闪存存储器、以电子的方式可擦除的可编程存储器、只读存储器(ROM)，可移除介质和/或其它易失以及非易失性存储装置。在一个实施例中，可执行的指令(即软件指令)存储在存储器304中，以便由控制器302用来控制风力涡轮机发电机系统10，如以下描述。
在该示例性实施例中，控制器302是实时控制器，其包括任何合适的基于处理器或者基于微处理器的系统，诸如计算机系统，其包括微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路和/或能够执行本文所述的功能的任何其它电路或者处理器。在一个实施例中，控制器302可为包括只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM)的微处理器，诸如，例如，具有2Mbit(兆比特)ROM和64Kbit(千比特)RAM的32位微型计算机。如本文所用，用语“实时”指的是在输入的改变影响结果之后非常短的时间段时产生的结果，该时间段为可基于结果的重要性和/或系统处理输入来产生结果的能力来选择的设计参数。
在该示例性实施例中，传感器56经由通讯模块306的传感器接口308跨过任何合适的有线和/或无线通讯介质通讯地联接到控制器302上，以有助于使传感器56能够将信号传递到结构健康状态监测控制器106和/或从结构健康状态监测控制器106接收信号。在该示例性实施例中，传感器56持续地感测在发电机支承组件50(图2中示出)内形成的结构不连续，而传感器56持续地将表示感测到的结构不连续的信号实时传递到控制器302。在一个实施例中，控制器302可配置成持续地接收以及监测由传感器56传递的信号。在一个备选实施例中，控制器302可不持续地接收和/或监测传感器56传递的信号，而是相反，可配置成以限定的时间间隔反复地从传感器56请求信号。在某些实施例中，控制器302和/或传感器56可以任何合适的时间间隔在彼此之间传递信号和/或接收信号。
图6是关于发电机支承组件50安装的示例性结构健康状态监测系统24的透视图。图2中示出的构件标记有与图6中相同的参考标号。在该示例性实施例中，发电机支承组件50包括底座52和从底座52悬臂式地伸出的后框架部分54。发电机支承组件50包括恰当地联接在接头410处的多个梁408。备选地，发电机支承组件50可具有任何合适的框架构造，包括单个连续的单元或者不止两个单元。在该示例性实施例中，后框架部分54包括利用多个合适的焊缝和/或联接机构在多个接头414处联接的多个支承梁412。在一个实施例中，后框架部分54包括从底座52向后延伸的至少一个支承部件416，以及从支承部件416延伸的至少一个支承横梁418。各个支承部件416包括第一端420和第二端422。在该示例性实施例中，第二端422在接头424处联接到底座52上。在某些条件下，发电机支承组件50可经受可导致疲劳开裂和/或失效的高应力，特别是在底座52与后框架部分54之间的接头424处。在风力涡轮机发电机系统10的操作期间，结构不连续可在接头424处或附近或者在发电机支承组件50内的任何其它位置处形成于发电机支承组件50内。
在该示例性实施例中，传感器56联接到发电机支承组件50上，以感测发电机支承组件50内的结构不连续。更具体而言，传感器56联接到底座52和/或后框架部分54上。在一个实施例中，传感器56在接头424处或者附近联接到后框架部分54上。在另一个实施例中，一个或多个传感器56在相应的接头414处或者附近联接到一个或多个支承梁412上。在另外的实施例，传感器56联接到支承部件416的第一端420和第二端422上，且联接到支承横梁418的中间部分430上。在该示例性实施例中，传感器56包括至少一个超声传感器432。在其它实施例中，传感器56可包括使得结构健康状态监测系统24能够如本文所描述的那样起作用的任何合适的传感器。备选地，任何合适的数量的传感器56可安装在机舱16内、塔架12内、机舱16外和/或塔架12外的任何合适的位置上，以使得结构健康状态监测系统24能够如本文所描述的那样起作用。
在风力涡轮机发电机系统10的操作期间，控制器302配置成从传感器56接收表示结构不连续的信号。控制器302配置成使结构不连续值(即，表示结构不连续的幅度和/或方向的值)与各个接收到的信号关联。在使结构不连续值与各个接收到的信号关联之后，控制器302配置成使用与感测到的结构不连续相关联的结构不连续值的至少一个来计算风力涡轮机发电机系统10的结构健康状态，以及比较计算出的结构健康状态与风力涡轮机发电机系统10的预先限定的结构健康状态。在该示例性实施例中，控制器302进一步配置成在从传感器56接收到表示结构不连续的信号之后将第一通知信号传递到使用者计算装置104(图4中显示)。使用者计算装置104配置成利用介质输出构件206对使用者208显示第一通知。在一个实施例中，控制器302配置成在确定风力涡轮机发电机系统10的结构健康状态低于预先限定的结构健康状态后将第二通知信号传递到使用者计算装置104。使用者计算装置104配置成在从控制器302接收到第二通知信号后利用介质输出构件206对使用者208显示第二通知。在一个备选实施例中，控制器302配置成在确定风力涡轮机发电机系统10的结构健康状态低于预先限定的结构健康状态之后将风力涡轮机发电机系统10操作至安全操作。在该备选实施例中，安全操作包括例如，有助于减少发电机支承组件50的振动，降低转子18的转速，提高转子18的转速，降低施加在转子轴44上的发电机42的电阻，和/或降低施加到传动系64、塔架12、机舱16和/或轮毂20上的结构应力。在另一实施例中，控制器302配置成响应于所确定的风力涡轮机发电机系统10的结构健康状态控制至少一个变桨驱动系统68，以有助于降低转子18的转速。在一个实施例中，控制器302可配置成响应于所确定的风力涡轮机发电机系统10的结构健康状态控制变桨驱动系统68，以便将转子叶片22移动至顺桨位置来减慢转子18的旋转。
图7是用于与风力涡轮机发电机系统10一起使用的备选的结构健康状态监测系统500的放大视图。在该备选实施例中，结构健康状态监测系统500包括联接到风力涡轮机发电机系统10的结构构件504-诸如发电机支承组件50、塔架12和/或机舱16(图2中示出)-上的电阻传感器502。发电机506联接到电阻传感器502上，以便对电阻传感器502提供功率电压。电阻传感器502包括至少一个电阻条508，其跨过形成于结构构件504内的结构不连续510而排列。在一个实施例中，电阻传感器502包括多个电阻条508，各个电阻条508包括与相邻的电阻条508的电阻值不同的电阻值。在该备选实施例中，电阻传感器502联接到结构构件504上，使得电阻传感器502的至少一部分覆盖结构不连续510。在一个实施例中，结构不连续510是具有长度514的结构裂缝512。例如，在风力涡轮机发电机系统10操作期间，在跨过结构构件504的第一方向520上，结构裂缝512的长度可从第一长度516增大至第二长度518。电阻传感器502定位在结构裂缝512上，使得第一电阻条522定位在第一长度516附近且相对于第一方向520排列，诸如基本垂直于第一方向520。随着结构裂缝512长度从第一长度516增大到第二长度518，结构裂缝512延伸跨过第一电阻条522并且将第一电阻条522分成至少两段。在第一电阻条522分开时，电阻传感器502上的总电阻从第一电阻增大至第二电阻，且电阻传感器502将表示总电阻的改变的信号传递到控制器302。随着结构裂缝512的长度从第二长度518增大到第三长度524，例如，结构裂缝512进一步延伸跨过第二电阻条526而且导致第二电阻条526分成至少两段。随着第二电阻条526分开，电阻传感器502上的总电阻从第二电阻增大到第三电阻，且电阻传感器502传递表示电阻传感器502上的总电阻的改变的信号。在一个实施例中，沿着方向520的各个相邻的电阻条508包含电阻的逐步增大，使得随着各个电阻条508由结构裂缝512分开，电阻传感器502上的电阻值增大。在另一备选的实施例中，沿着方向520的各个相邻的电阻条508包含电阻的逐步降低，使得随着各个电阻条508分开，电阻传感器502上的电阻值降低。
在该备选的实施例中，控制器302配置成从电阻传感器502接收表示结构不连续510的长度514，诸如第一长度516、第二长度518或者第三长度524的信号，并且配置成使结构不连续长度值与各个接收到的信号相关联。控制器302进一步配置成基于结构不连续长度514计算风力涡轮机发电机系统10的结构健康状态，以及比较计算出的结构健康状态与风力涡轮机发电机系统10的预先限定的结构健康状态。在该备选实施例中，控制器302配置成在确定感测到的结构不连续长度514长于预先限定的结构不连续长度后将第二通知信号传递到使用者计算装置104。在一个实施例中，控制器302配置成在确定感测到的结构不连续长度514长于预先限定的结构不连续长度后，控制变桨驱动系统68来使转子叶片22运动到顺桨位置，以减慢转子18的旋转。
在一个实施例中，电阻传感器502配置成将表示第一长度516的第一信号传递到控制器302，以及将表示第二长度518的第二信号传递到控制器302。控制器302配置成计算接收第一信号和第二信号之间的时间段。控制器302进一步配置成计算结构不连续的延伸率，该延伸率等于第一长度和第二长度之间的差除以计算出的时间段。控制器302进一步配置成基于计算出的延伸率确定风力涡轮机发电机系统10的结构健康状态，以及比较计算出的结构健康状态与风力涡轮机发电机系统10的预先限定的结构健康状态。在一个备选实施例中，控制器302进一步配置成在确定计算出的延伸率大于预先限定的延伸率后，控制变桨驱动系统68来使转子叶片22运动到顺桨位置。
在一个实施例中，结构健康状态监测系统500包括联接到结构构件504上的超声传感器530。超声传感器530配置成将至少一个信号或者高频声波532朝向结构裂缝512传递到结构构件504中，以及接收至少一个从结构裂缝512反射的返回声波或者回声534。超声传感器530进一步配置成计算发送高频声波532和接收回声534之间的时间间隔，以及将表示时间间隔的信号传递到控制器302。控制器302配置成基于从超声传感器530接收的信号确定结构裂缝512的长度。
图8是操作结构健康状态监测系统24的示例性方法600的流程图。在该示例性实施例中，方法600包括由传感器56将表示结构不连续的至少一个第一监测信号传递602到结构健康状态监测控制器302。控制器302基于该第一监测信号计算604风力涡轮机发电机系统10的结构健康状态，并且比较606计算出的结构健康状态与预先限定的结构健康状态。控制器302在接收到表示结构不连续的信号之后将第一通知信号传递608到使用者计算装置104。控制器302进一步在确定612风力涡轮机发电机系统10的结构健康状态低于预先限定的结构健康状态后将第二通知信号传递610到使用者计算装置104。在一个实施例中，控制器302在确定612风力涡轮机发电机系统10的结构健康状态低于预先限定的结构健康状态之后，操作614变桨驱动系统68来使转子叶片22旋转到顺桨位置，以便减慢转子18的旋转。
本文所述的方法、系统以及设备的一种示例性技术效果包括以下中的至少一个：(a)将表示结构不连续的至少一个监测信号从传感器传递到控制器；(b)由计算装置基于监测信号来计算风力涡轮机的结构健康状态；(c)比较计算出的结构健康状态与预先限定的结构健康状态；(d)在接收到表示结构不连续的信号后将第一通知信号从控制器传递到远程装置；(e)在确定结构健康状态低于预先限定的结构健康状态后将第二通知信号从控制器传递到远程装置；以及(f)在确定结构构件的健康状态低于预先限定的结构健康状态后，操作变桨驱动系统来使转子叶片旋转到顺桨位置。
上述系统和方法有助于监测风力涡轮机的结构健康状态。更具体而言，结构健康状态监测系统有助于感测风力涡轮机的构件内的一个或多个结构不连续，以及基于该一个或多个结构不连续来确定风力涡轮机的健康状态。另外，在确定风力涡轮机系统的健康状态不同于预先限定的结构健康状态后，本文所述的系统以安全操作来操作风力涡轮机。这样，有助于减少或者消除在操作期间可能对风力涡轮机发生的损害，从而延长风力涡轮机的操作寿命。
以上详细描述了用于监测风力涡轮机的结构健康状态的系统和方法的示例性实施例。系统和方法不限于本文所述的具体实施例，而是相反，系统的构件和/或方法的步骤可独立地使用以及与本文所述的其它构件和/或步骤分开来使用。例如，方法还可结合涡轮机监测系统来使用，并且不限于如本文所述仅与风力涡轮机系统一起实践。相反，可结合许多其它涡轮机监测应用来实施和使用示例性实施例。
虽然本发明的各实施例的具体特征可在一些图中显示而在其它图中不显示，但这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，图中的任何特征都可结合任何其它图中的任何特征来参照和/或声明。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使得本领域任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或者系统，以及执行任何所结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有无异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求的范围中。
Claims (16)
1. 一种用于监测风力涡轮机的结构健康状态的方法，所述方法包括：
将表示结构不连续的至少一个监测信号从传感器传递到控制器，该传感器操作地联接到该风力涡轮机的结构构件上；
在接收到监测信号后将第一通知信号从该控制器传递到使用者计算装置；
通过该控制器来基于该监测信号计算该风力涡轮机的结构健康状态；以及
在确定计算出的结构健康状态低于预先限定的结构健康状态后，将第二通知信号从该控制器传递到该使用者计算装置。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该风力涡轮机包括联接到变桨驱动系统上的至少一个转子叶片，所述方法进一步包括在确定该计算出的结构健康状态低于该预先限定的结构健康状态后操作该变桨驱动系统来使转子叶片旋转到顺桨位置。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该监测信号表示该结构不连续的长度，所述方法进一步包括：
比较该结构不连续的长度与预先限定的长度；以及
在确定该结构不连续的长度大于预先限定的长度后将第二通知信号从控制器传递到该使用者计算装置。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机包括联接到变桨驱动系统上的至少一个转子叶片，所述方法进一步包括在确定该结构不连续的长度大于预先限定的长度后操作该变桨驱动系统来使转子叶片旋转。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
将表示该结构不连续的第一长度的第一信号和表示该结构不连续的第二长度的第二信号从该传感器传递到该控制器；
通过该控制器来基于该第一长度、第二长度以及接收该第一信号和接收该第二信号之间的时间段来计算该结构不连续的延伸率；以及，
在确定计算出的延伸率大于预先限定的延伸率后，将第二通知信号从该控制器传递到使用者计算装置。
6. 一种用于风力涡轮机的结构健康状态监测系统，所述结构健康状态监测系统包括：
至少一个传感器，能够关于该风力涡轮机的结构构件安装，且被配置成感测形成于该结构构件中的结构不连续，所述传感器进一步配置成传递表示该结构不连续的至少一个监测信号；和，
控制器，通讯地联接到所述传感器上，以便从所述传感器接收监测信号，所述控制器配置成：
基于该接收到的信号确定该风力涡轮机的结构健康状态；
在接收到监测信号后将第一通知信号传递到使用者计算装置；以及
在确定该结构健康状态低于预先限定的结构健康状态后，将第二通知信号传递到该使用者计算装置。
7. 根据权利要求6所述的结构健康状态监测系统，其特征在于，该结构不连续具有长度，所述传感器配置成传递表示该结构不连续长度的信号，且所述控制器配置成在确定该结构不连续长度大于预先限定的长度后将第二通知信号传递到所述使用者计算装置。
8. 根据权利要求7所述的结构健康状态监测系统，其特征在于，所述风力涡轮机包括联接到变桨驱动系统上的至少一个转子叶片，所述控制器配置成在确定该结构不连续长度大于预先限定的长度后操作该变桨驱动系统来使转子叶片旋转。
9. 根据权利要求6所述的结构健康状态监测系统，其特征在于，所述风力涡轮机包括联接到变桨驱动系统上的至少一个转子叶片，所述控制器配置成在确定该结构健康状态低于预先限定的结构健康状态后操作该变桨驱动系统来使转子叶片旋转。
10. 根据权利要求6所述的结构健康状态监测系统，其特征在于，所述传感器包括超声传感器和电阻传感器中的一种。
11. 根据权利要求6所述的结构健康状态监测系统，其特征在于，该结构不连续从第一长度增大到第二长度，所述传感器配置成传递表示该第一长度的第一信号以及表示该第二长度的第二信号，所述控制器配置成：
基于该第一长度、第二长度以及接收该第一信号和接收该第二信号之间的时间段来计算该结构不连续的延伸率；以及，
在计算出的延伸率大于预先限定的延伸率时，确定该风力涡轮机的结构健康状态低于预先限定的结构健康状态。
12. 根据权利要求6所述的结构健康状态监测系统，其特征在于，所述传感器关于该风力涡轮机的发电机框架和塔架中的至少一个安装。
13. 一种风力涡轮机，包括：
塔架；
联接到所述塔架上的机舱；
位于所述机舱内的发电机；
可旋转地联接到所述发电机上的转子；以及，
操作地联接到所述风力涡轮机的结构构件上的结构健康状态监测系统，所述结构健康状态监测系统包括：
联接到该结构构件上的至少一个传感器，所述传感器配置成感测形成于该结构构件内的结构不连续，以及传递表示该结构不连续的至少一个监测信号；和，
通讯地联接到所述传感器上以便从所述传感器接收监测信号的控制器，所述控制器配置成：
基于接收到的信号确定风力涡轮机的结构健康状态；
在接收到第一信号后将第一通知信号传递到使用者计算装置；以及
在确定结构健康状态低于预先限定的结构健康状态后，将第二通知信号传递到该使用者计算装置。
14. 根据权利要求13所述的风力涡轮机，其特征在于，所述传感器操作地联接到所述风力涡轮机的发电机框架上。
15. 根据权利要求13所述的风力涡轮机，其特征在于，所述传感器操作地联接到所述风力涡轮机的塔架上。
16. 根据权利要求13所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机进一步包括联接到变桨驱动系统上的至少一个转子叶片，其中，该结构不连续具有长度，所述控制器配置成在确定该结构不连续的长度大于预先限定的长度后操作所述变桨驱动系统来使所述转子叶片旋转。
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