CN102301129A - 静态试验中的风轮机叶片应变测量系统 - Google Patents

静态试验中的风轮机叶片应变测量系统 Download PDF

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Abstract

静态试验执行中的风轮机(11)的应变测量系统，包括：用于使用瑞利散射光在单模光学纤维(5，7，9)中多个位置处测量应变的装备，包括光后向散射反射(OBR)询问器23、接口设备(25)和获取系统(27)；所述单模光学纤维(5，7，9)结合到承受所述试验的叶片(11)，用于获取所述测试中叶片应变的高空间分辨率测量。所述光学纤维(5，7，9)可以在纵向或非纵向或以非线性形状布置在给定叶片部分中，而且可以结合到叶片(11)的外皮(31)或叶片(11)的外皮(31)的槽(51，53)中，或嵌入到叶片(11)的两个结构层压(33，35)之间。

Description

静态试验中的风轮机叶片应变测量系统
技术领域
本发明涉及对风轮机叶片执行的、用于检定(certification)和其它目的的静态试验，而且尤其涉及用于测量所述试验中应变(strain)的系统。
背景技术
当前的风轮机(wind turbine)叶片检定需要对叶片执行几个静态试验，以确认叶片性能可以承受预期负载，尤其是检验处于极端设计负载下叶片性能的静态强度试验，关于叶片设计使用年限而检测叶片承受工作负载的疲劳试验，以及其它用于表现诸如重量、重心或固有模态和频率等叶片物理特性的试验。
这些试验通常在试验台中执行，叶片在试验台中被栓到刚性结构，然后通过不同方式将静态或动态负载施加到叶片上。
当前试验系统依赖于一套应变仪以确定沿着叶片的应变分布(straindistribution)。随着叶片尺寸的增加，所需的仪器数目也快速增加，这意味着为充分估计前述分布的更大努力。每个仪器需要2或4条电线，电缆敷设量、复杂度和受电磁干扰的脆弱性变得显著和令人厌烦。另外，这种测量的分立特性意味着，在两个测量仪之间区域内非线性特征的情形下丢失信息。
本发明致力于上述问题的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供静态试验中的风轮机叶片应变测量系统，具有高应变分辨率。
本发明的另一目的是提供静态试验中的风轮机叶片应变测量系统，具有高空间分辨率。
本发明的另一目的是提供静态试验中的风轮机叶片应变测量系统，从而便利检测和评估本地和全局非线性性能，比如应力集中、弯曲或弯曲形状。
本发明的另一目的是提供静态试验中的风轮机叶片应变测量系统，可以快速和便利地安装。
通过提供静态试验执行中的风轮机的应变测量系统实现这些或者其它目的，该系统包括：用于使用瑞利散射光在单模光学纤维中测量多个位置处应变的装备，所述单模光学纤维结合到承受所述试验的叶片，用于获取所述测试中叶片应变的高空间分辨率测量。重要的是：应该理解到在本发明范围之内，风轮机的静态试验应该被理解为，向结合到试验台中刚性结构的风轮机叶片施加负载的任意试验。
在优选实施例中，光学纤维可以在纵向或非纵向或以非线性形状布置在给定叶片部分中。因此，该系统允许在沿叶片的不同位置处获取应变测量，更好适用于不同需求。
在适用于检定目的的优选实施例中，该系统包括分别沿着该叶片前缘、该叶片后缘、该叶片上部盖和该叶片底盖布置的4个光学纤维。因此实现了改善的系统，用于获取在检定目的所需要的静态试验中需要的应变测量。
在另外的优选实施方式中，光学纤维结合到叶片的外皮或叶片的外皮的槽中，或嵌入到叶片的两个结构层压之间。因此，该系统为更好适用于不同需求，允许获取叶片横断部分中不同位置处的应变测量。
根据下面结合附图的详细描述，本发明的其它特征和优点可以被理解。
附图说明
图1示出了根据本发明的应变测量系统。
图2示出了单光学纤维的三种不同布置式样：纵向，横越和斜线。
图3示出了包括非线性部分的单光学纤维的另外可能布置式样。
图4示出了在检定试验中使用的优选传感器配置。
图5a、5b、5c、5d和5e示出了安装在叶片不同位置中的光学纤维的示意图。
具体实施方式
典型风轮机叶片长度可能在20到60米之间或更长，而且它由合成材料构成，比如玻璃钢(Glass Reinforced Plastic，GRP)。可能损坏风轮机的因素有很多，比如疲劳、阵风、雷击、风轮机之间的空气动力干扰，其中一些会导致叶片上的不可预期负载。用于静态试验的良好叶片应变测试系统的重要性不仅在于检定目的，而且还在于提供关于叶片经受预定负载时性能的有价值信息，特别是悬臂叶片的偏转和应变。
按照图1可以发现，根据本发明静态试验中的风轮机叶片应变测试系统包括：
a)多个单模光学纤维5，5′，5″，附到经受所述试验的叶片11之上。
b)用于根据所述光纤5，5′，5″的光学性能在所述试验中的变化来测量所述光纤5，5′，5″中应变的装备，包括：
b1)光后向散射反射(OBR)询问器23，从光纤5，5′，5″获取光学信号并将其转化成应变数据。
b2)接口设备25，连接所述光纤5，5′，5″到所述OBR询问器23。
b3)获取系统27，典型是专用计算机，用于接收和处理由OBR询问器23提供的应变数据。
所述装备使用公知技术，利用瑞利散射(Rayleigh scattered)光实现光学纤维中高空间分辨率分布的应变测量，特别是通过测量瑞利频谱移动(Rayleighspectral shift)中的本地移动，在不变的、商品等级单模光学纤维中的多个位置处。尤其是，所述技术使用对应于加载和零加载状况的频谱复互相关(complex cross correlation)，实现在加载该光纤之前和之后的频谱比较。这项技术当前允许实现应变分辨率(strain resolution)的范围为±1με，而且空间分辨率(spatial resolution)至少为0,5mm。关于这项技术的进一步信息可以在US6,545,760中获取。
如图2所示，该系统可以包括沿着风轮机叶片11纵向布置的光学纤维5，以及相对于叶片纵轴布置在横贯方向和斜线方向的光学纤维7，7′。该系统优选包括纵向沿着至少50％的叶片长度布置的光学纤维5，以提供静态试验中需要的基本应变数据，但是也可能需要布置在非纵向方向中的光学纤维7，7′，用于提供本地区域中的附加或特定应变数据。
如图3所示，该系统还可以包括包含非线性部分的光学纤维9。利用包括转动和/或弯曲部分的配置，单光学纤维9可以覆盖叶片11的很大部分，从而单光学纤维的数目可以被降低，最小化装备中所需的获取通道的数目。
如图4所示，在本发明的实施方式中，可以提供足够的应变数据量以遵从当前检定需要。该系统将包含在至少50％的叶片长度上沿着前缘(leadingedge)1，后缘(trailing edge)15，上部盖17以及底盖19纵向布置的光学纤维5，5′，5″，5″′。
特定试验可能需要特定安装。举例，屈曲估计过程(buckling estimationprocedures)是基于对应变数据的处理，而应变数据来自于安装在叶片后缘板顶部上的光纤。为了其它目的，正如已经被提及的，光学纤维穿过叶片的纵轴，相对于叶片纵轴成角度地延伸，或者可能需要针对上述配置的一些结合。
在图5a示出的本发明的实施方式中，光学纤维5，7，9通过诸如胶或树脂等合适结合物质41结合到叶片11的外皮31。结果，在叶片的外皮上应变被测量。该实施方式具有优点，允许在叶片中快和简单安装光学纤维5，7，9，缺点是在叶片的外皮测量应变，而外皮并不经常是结构上的而且可能具有特别的应变分布，而且光学纤维5，7，9勉勉强强防止机械损坏。
在图5b和5c所示的本发明实施方式中，光学纤维5，7，9通过诸如胶或树脂等合适结合物质41，分别结合到在叶片11的外皮31中加工出的槽51，53中。结果，在叶片的外部结构层压(laminate)上应变被测量。槽51加工为矩形部分，使得更少和更定位的叶片变动，然而槽53加工为三角部分，更加有干扰但是提供了更平滑的应变传送而且可以更快执行。
在图5d示出的本发明的实施方式中，光学纤维5，7，9在其制造过程中嵌入到叶片11的体内。通过诸如胶或树脂等合适结合物质41，将它们结合到单叶片部件内两个结构层压33，35之间的位置处。
在图5e示出的本发明的实施方式中，光学纤维5，7，9在其制造过程中嵌入到叶片11的体内。它们被嵌入到两个叶片部件的两个结构层压33，35之间的结合层37中。
在本发明中用作应变传感器的商业生产标准光学纤维可以具有不同的涂层(丙烯酸化的，聚酰胺，等等)，特别取决于怎么样结合到叶片。
与现有基于应力仪的静态测试中应力测量系统相比较，本系统，特别地，根据图5a，5b和5c所示的实施方式具有下列优势：
-更容易和更快的安装。当前系统涉及数百个应力仪以及相应导线束的安装。根据本发明的系统只需要沿着叶片的一些光学纤维的简单安装。可以认为，600个通常仪器可以被单光学纤维替代。根据本发明的系统安装时间远低于传统应变仪方式的1/4。
-成本降低。使用惯用的电通讯光学纤维显著地降低了传感器成本。
已经结合优选实施方式充分描述了本发明。显然是，可以不脱离其范围引入修改。不能认为本发明受这些实施方式的局限，而应该由权利要求的内容限定。

Claims (9)

1.静态试验执行中的风轮机(11)的应变测量系统，其特征在于，包括：装备(23，25，27)，用于使用瑞利散射光在单模光学纤维(5，7，9)中多个位置处测量应变；所述单模光学纤维(5，7，9)结合到承受所述试验的叶片(11)，用于获取所述测试中叶片应变的高空间分辨率测量。
2.根据权利要求1所述的风轮机(11)的应变测量系统，其特征在于，所述光学纤维中的至少一个(5)，被布置到沿该叶片(11)在纵向上至少延伸50％叶片长度的叶片部分中。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的风轮机(11)的应变测量系统，其特征在于，所述光学纤维中的至少一个(7，7′)，在非纵向方向上被布置到叶片部分中。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的风轮机(11)的应变测量系统，其特征在于，所述光学纤维中的至少一个(9)，被布置在以非线性形状至少延伸50％叶片长度的叶片部分中。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的风轮机(11)的应变测量系统，其特征在于，所述光学纤维中的至少一个(5)被布置在下列方向中的一个：
-沿着该叶片前缘(13)；
-沿着该叶片后缘(15)；
-沿着该叶片上部盖(17)；
-沿着该叶片底盖(19)。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的风轮机(11)的应变测量系统，其特征在于，它包括4个光学纤维(5，5′，5″，5″′)，分别沿着该叶片前缘(13)、该叶片后缘(15)、该叶片上部盖(17)和该叶片底盖(19)被布置。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的风轮机(11)的应变测量系统，其特征在于，所述光学纤维(5，7，9)结合到该叶片(11)的外皮(31)。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的风轮机(11)的应变测量系统，其特征在于，所述光学纤维(5，7，9)结合到在该叶片(11)的外皮(31)中加工成的槽(51，53)中。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的风轮机(11)的应变测量系统，其特征在于，所述光学纤维(5，7，9)被嵌入到两个结构层压(33，35)之中。
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