CN104641107B - 用于监控转子叶片的状态的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本文描述一种用于风力涡轮机的转子叶片的状态监控的方法。所述方法包括：利用第一信号来测量所述转子叶片的加速度，其中在至少一个方向上，在距转子叶片根部预定距离的第一位置处测量所述加速度，包括与所述转子叶片的轴线正交的第一定向分量；利用第二信号来测量所述转子叶片的应变，其中在第二位置处测量所述应变，所述第二位置安置于所述第一位置至所述转子叶片根部的区域中；基于所述加速度来确定所述第一位置处的第一位置变化；借助基于所述第一位置变化和所述应变的计算，而确定对应于转子叶片刚度或对应于转子叶片弹性的第一数值；以及，根据所述第一数值来确定所述转子叶片状态。

Description

用于监控转子叶片的状态的方法和装置
技术领域
本发明大体涉及监控风力涡轮机的运行，特别是涉及监控风力涡轮机的转子叶片的状态。本发明特别涉及用于确定风力涡轮机的转子叶片状态的光纤传感器的布置。
背景技术
在风力涡轮机监控的领域，确定状态的系统具有很高的重要性。转子叶片的状态(例如，由于老化或使用而产生的磨损、材料疲劳和其它改变)是风力涡轮机状态监控的内容。通过了解状态，可以安排维护，可以估计设施的当前价值，并且可以遵守立法机构提出的或客户提出的安全保障义务。
在现有设施中，(例如)估计负载循环的状态，其中获得应变循环次数、叶片旋转次数(也就是，重力负载循环次数)或阵风次数。可以在相应的时间间隔上(例如，10分钟)，基于所述时间间隔中最大的负载值来确定循环，并且，可以基于具有某个负载的循环次数来估计状态。
举例来说，图1描绘图表13：这个图表示出沿着轴线11绘制的转子叶片刚度，其在轴线12上表示为负载循环次数的函数或表示为时间的函数。在启动运行之后相对较短时期内，刚度首先降低，以便在依赖其它参数(像温度和空气湿度)的情况下，对于正常运行状态来说仍然保持大致恒定。当转子叶片的状态已经达到临界值，也就是，如果已经发生过度老化、过度负载或类似情况，刚度便会降低，其中不久之后便可能发生材料失效。在辅助线20和22之间的区域中描绘刚度降低的状态，其中可能发生开始于辅助线22的材料失效。
文献US 2009/180875 A1公开了一种用于确定风力涡轮机的材料疲劳应力和用于控制该材料疲劳应力的方法、以及相应的风力涡轮机。用于确定运行的风力涡轮机的材料疲劳应力的方法包括：提供一传递函数，该传递函数将第一传感器的测量值关联到第二传感器的测量值。第一和第二测量值是利用具有安装在其上的第一和第二传感器的参照风力涡轮机而获得的。第三传感器被安装到运行的风力涡轮机上，对于其类型和安装位置来说与第一传感器对应。通过利用传递函数计算了传递函数值，该传递函数值对应于从第三传感器所获得的测量值。然后，在计算出的传递函数值的基础上计算运行中的风力涡轮机的材料疲劳应力。
发明内容
本发明提供一种根据权利要求1的方法，其用于转子叶片的状态监控。此外，本发明提供一种根据权利要求8的装置，其适合于风力涡轮机的转子叶片的状态监控。
根据一个实施方案，提供一种用于监控风力涡轮机的转子叶片的状态的方法。所述方法包括：利用第一信号来测量所述转子叶片的加速度，其中在至少一个方向上，在距转子叶片根部预定距离的第一径向位置处测量所述加速度，包括与所述转子叶片的轴线正交的第一定向分量；利用第二信号来测量所述转子叶片的应变，其中在第二径向位置处测量所述应变，所述第二径向位置安置于所述第一径向位置至所述转子叶片根部的区域中；基于所述加速度来确定所述第一径向位置处的第一位置变化；借助基于所述第一位置变化和所述应变的计算，而确定对应于转子叶片刚度或对应于转子叶片弹性的第一数值；以及，根据所述第一数值来确定所述转子叶片状态。
根据另一实施方案，提供一种适合于监控风力涡轮机的转子叶片的状态的装置。所述装置包括：至少一个加速度传感器，其适合于测量所述转子叶片的加速度，其中在至少一个方向上测量所述加速度，包括与所述转子叶片的轴线正交的第一定向分量；至少一个应变传感器，其适合于利用第二信号来测量所述转子叶片的应变，其中在第二径向位置处测量所述应变，所述第二径向位置安置于所述加速度传感器的第一径向位置至转子叶片根部的区域中；以及，评估单元，其连接到所述至少一个加速度传感器，而用以从所述加速度传感器接收第一信号，并且连接到所述至少一个应变传感器，而用以从所述应变传感器接收第二信号；并且，其中来自所述第一径向位置的所述第一信号的所述接收，是在距所述转子叶片根部预定距离处进行的；其中所述评估单元适合基于所述加速度传感器的所述第一信号来确定所述第一径向位置处的第一位置变化；并且，其中所述评估单元适合借助基于所述第一位置变化和所述第二信号的计算，而确定对应于转子叶片刚度或对应于转子叶片弹性的第一数值。
附图说明
附图中描述相应实施方案，并且在下文说明中详细描述这些实施方案。在附图中：
图1和图2展示相应图表，用以示出刚度或模拟量或对应数值分别与转子叶片状态和其它参数的依赖性，并且图1和图2示出本发明的实施方案中所使用的信息；
图3示意性地描绘分别具有根据本文所述实施方案的布置或装置的转子叶片，其中所述布置或装置适合于风力涡轮机的转子叶片的状态监控；
图4和图5描绘风力涡轮机和转子，用以示出相应实施方案中所使用的信号和数值变换；
图6示意性地描绘加速度信号的示例性级数；
图7示意性地描绘图6的信号的对应评估；
图8示意性地描绘图6的信号的另一评估；
图9A和图9B示意性地描绘本文所述的实施方案中所采用的加速度传感器；以及
图10描绘根据本发明实施方案的、用于监控风力涡轮机的转子叶片状态的方法的流程图。
在附图中，相同参考符号指示相似或功能上等效的部件或步骤。
具体实施方式
在下文中，详细参考本发明的不同实施方案，其中附图中示出一个或多个示例。
根据本发明的实施方案，为了监控或确定转子叶片的状态，应变传感器，特别是非热应变传感器，与一个或多个加速度传感器组合使用。根据典型实施方案，采用光纤加速度传感器和光纤传感器。
一个或多个加速度传感器可以(例如)沿着转子叶片的长度而大致安装在半径的一半处。在使用来自传感器的加速度信号的情况下，可以通过整合来分别计算叶片的移位或扭变。应变传感器可以安装在叶片根部。在使用来自应变传感器的信号的情况下，可以计算施加到叶片的弯曲力矩。弯曲力矩和移位的商与转子叶片的刚度成比例。转子叶片的构造材料的刚度可以分别视为转子构造材料的状态或强度的量。这里，如果纤维复合材料的单纤断裂，或者如果纤维的层压结构发生分层，那么强度便会降低。因此，可以利用所述布置和方法来执行叶片状态的现场测量。这里，与负载循环次数的估计相比时，现场测量允许提升针对老化、材料疲劳和类似临界状态的检测。
图1描绘图表10。在曲线13中，刚度分别作为时间或负载循环次数的函数而绘制在轴线11上。这里，轴线12分别对应于时间或负载循环次数。如曲线13中所示，在开始使用转子叶片时，刚度首先会降低，以便在更长时期内保持恒定。这个恒定数值由辅助线20加以指示。在转子叶片的寿命期限结束时，刚度会相对明显地降低。如上文所略述的，这可能是由纤维复合材料中单纤断裂或纤维层压结构的分层所导致的。刚度降低大约10％至20％(由辅助线22加以指示)，通常会引起转子叶片的破裂。为了提供风力涡轮机的安全运行，这种情形必须及时识别。
根据本发明实施方案的利用传感器(通常是光纤传感器)的测量布置和测量方法允许将测量的精确度控制在约1％的范围内，这足以识别寿命期限结束时的降低。然而，像温度和湿度等因素又会导致约1％范围内的波动。这在图2中进行描绘。这里，图表32示出作为温度函数的刚度。本文中，温度是示例性地示出，并且也可以示出对湿度和其它因素的类似依赖性。根据本发明的典型实施方案在测量方法中，，在学习期确定对温度、湿度和/或其它参数的依赖性。这个学习期由图1中的区域30加以指示。在利用转子叶片开始使用时的学习期的情况下，可以确定如温度、空气湿度等参数的影响。据此，在后续测量操作中可以考虑这些量的影响，从而使得基于这些量的刚度波动不会导致测量的不确定性。
根据进一步的实施方案(其可以与本文所述的其它实施方案进行组合)，可以对数个小时至数天内的测量数值执行取平均值的操作，这是因为风力涡轮机的转子叶片的状态只会缓慢变化。取平均值的操作可以(例如)在1小时至5天，特别是在12小时至3天内执行。
图3描绘风力涡轮机的转子叶片50。转子叶片50包括轴线52和与其对准的坐标系，也就是，图3中通过y轴和z轴而示例性示出的叶片固定坐标系。图3的转子叶片50具备用于转子叶片状态监控的布置300。图3的布置300包括3个(三个)应变传感器302和加速度传感器312。应变传感器和加速度传感器连接到评估单元322。应变传感器302安装在转子叶片50的叶片根部54。加速度传感器312安装在位置56处，位置56大致上位于转子叶片50的长度的一半处。根据典型实施方案，所述应变传感器或所述这些应变传感器可以安装在距叶片根部5米或更小的轴向距离处。根据进一步的典型实施方案(其可以与本文所述的其它实施方案进行组合)，所述加速度传感器或所述这些加速度传感器可以在轴向方向上安装在距叶片中心±5米的范围内。这里，轴向距离或轴向方向分别指代转子叶片50的纵向轴线52。根据进一步的实施方案，所述加速度传感器或所述这些加速度传感器可以在转子叶片末梢的方向上安装在距转子叶片中心的相应范围内。
借助应变传感器302，可以确定施加到叶片的弯曲力矩。根据本发明的实施方案，采用至少一个应变传感器302，从而使得可以在一个方向上确定弯曲力矩。根据进一步的典型实施方案，可以分别采用至少3个(三个)应变传感器302或者至少4个(四个)应变传感器302，以便确定图3中所描绘的坐标系的y-z平面内的弯曲力矩。在(例如)叶片根部的不同角坐标上具有2个(两个)应变传感器的恰当布置下，也可以采用2个(两个)传感器来测量2个(两个)方向上(通常2个(两个)正交方向上)施加到转子叶片上的弯曲力矩。为此目的，这2个(两个)传感器通常分别在其角坐标转动90°的情况下进行安装，或者在其角坐标不转动180°的情况下进行安装。
稍后将参考图9A和图9B而描述的加速度传感器312包括主体，在传感器中测量所述主体的加速度。根据典型实施方案，所采用的应变传感器和/或所采用的加速度传感器可以是光纤传感器。这里，通过纤维中的纤维布拉格(Bragg)光栅而分别以光学方式测量所述主体的应变或加速度。通过采用这些传感器，可以提供上文所述的测量精确度。此外，这些传感器提供有利的属性供风力涡轮机使用。
将分别参考图4和图5或者参考图6和图7中所示出的信号和数值，而更为详细地解释传感器302和312或其相对于另一传感器的布置的分别使用，以及评估单元322配合用以监控转子叶片的状态。图4描绘风力涡轮机400的一部分。机舱44安置在塔42上。转子叶片50安置在转子毂46处，从而使得转子(包括转子毂和转子叶片)在线452所描绘的平面内旋转。通常，这个平面相对于垂直线402是倾斜的。图5示出转子叶片50和转子毂46在转子轴线方向上的前视图，其中分别展示叶片固定坐标系中的坐标x和y、重力或重力加速度g以及传感器312。
在风力涡轮机的转子旋转时，除了其他要素之外，加速度传感器312还测量重力加速度g，其由图6中的曲线601加以指示。这个重力加速度是在根据图5的坐标系中，在y方向和x方向上加以测量的。由于转子的倾斜(图4中所描绘的)，在图5的坐标系中，信号也与z方向上的重力加速度进行叠加，而达到某个相应程度。重力信号与图6所描绘的测量信号612进行叠加，所述测量信号612通常是在图5所描绘的y方向上测量的。通过消除测量信号中的重力信号，便会获取图7所示出的信号712。
现代风力涡轮机的控制器通常包括所谓的节距控制，其中转子叶片围绕图3中所描绘的轴线52转动。因此，在叶片固定坐标系中，图5中所描绘的y方向会在转子叶片50围绕轴线52的旋转过程中发生变化。
当考虑加速度传感器312所测量的加速度(包括重力加速度对主体的影响)时，必须考虑不同的坐标系，以便改进信号的解译。一方面，存在叶片固定坐标系。这在图3中加以描绘。在转子叶片围绕轴线52旋转时，坐标系以及传感器302和传感器312也会旋转。此外，存在相对于转子毂46来说固定的坐标系。这是可以独立于节距控制而使用的旋转坐标系。此外，存在相对于风力涡轮机400来说固定的静止坐标系。因此，其分别相对于重力或重力加速度来说是固定的。
在典型实施方案中，为了校正加速度传感器和/或应变传感器的单个或多个信号，也就是叶片固定坐标系中x方向、y方向和z方向上的信号，执行向静止坐标系的变换，其中考虑转子的旋转、转子叶片的节距角和转子的倾斜，它们由图4中的线452和402加以示出。在静止坐标系中，重力加速度可以从信号中去除。之后，可以执行向相应坐标系的反转变换，所述坐标系相对于转子毂来说是固定的。在相对于转子毂来说是固定的这个坐标系中，通常确定实质上平行于风的方向或者实质上平行于转子旋转轴线的加速度，其之后表示为而且，确定与正交且实质上对应于转子叶片切向速度的加速度在许多相关应用中，分别沿着图5所描绘的方向或者方向的加速度对于评估来说是可以忽略的。
根据典型实施方案，对应于加速度的单个或多个信号随着时间进行整合，特别是随着时间进行两次整合，以便确定加速度传感器的移位、位置变化或位点变化，从而确定转子叶片位置的位点的对应移位或对应变化。这里，将转子叶片上的相应位点指派给加速度传感器。传感器测量转子叶片这个位点上的加速度。这个加速度是从重力加速度、转子的旋转以及转子叶片的移动(也就是变形(应变))中加以获取。通过随着时间来整合信号(两次)，分别获取这个位点的移位或这个位点的位置变化。本文中按照同义的方式使用这个位点的移位(处于这个位点的位置坐标的矢量移位的含义内)以及这个位点的位置变化(处于新位置坐标x‘、y‘和z‘的含义内)，相应关系为x‘＝x+Δx、y‘＝y+Δy以及z‘＝z+Δz，其中矢量(Δx、Δy、Δz)表示位置变化。
在施加预定力后或者在特定力矩效果下，应变，也就是移位或位置变化，在此分别与弹性模数或者弯曲刚度成比例关系。在图3中所描述的应变传感器302的帮助下，可以确定施加到叶片的弯曲力矩。因此，可以分别基于移位值或者位置变化值和弯曲力矩值，而确定转子叶片刚度或弹性的量。这里，弯曲力矩和移位的商，也就是移位所引起的弯曲力矩，与刚度成比例。根据本发明的实施方案(其可以与其它实施方案进行组合)，这个数值根据图1所示出的关系而用于风力涡轮机中转子叶片的状态监控。
根据本发明的实施方案，加速度是在至少一个方向上，优选地在上文所述的方向上加以测量的，所述方向实质上平行于转子叶片的切向速度。在正常操作的已知节距角下，也就是在典型的或常见的节距位置下，这可以通过将一维加速度传感器相应地安装在转子叶片中(也就是叶片固定坐标系中)来提供。对应或适用方向上(也就是平行方向上)的弯曲力矩也可以通过恰当安装应变传感器302来提供。因此，根据本发明的实施方案，可以执行使用一维加速度传感器和应变传感器的状态监控。然而，根据典型实施方案，在3个(三个)方向上测量加速度，并且，通过至少2个(两个)应变传感器，而沿着叶片根部平面内的任意方位来分别确定应变或弯曲力矩。据此，可以独立地从节距角或者沿着任何期望坐标系中的多个坐标来执行监控。沿着多个坐标的计算可以产生更为可靠的状态监控。此外，如果转子叶片的磨损或损坏的典型方位是已知的，那么可以特别地监控这些方向。
图6示出所述加速度传感器或所述这些加速度传感器在方向上，也就是在相对于转子毂来说固定的坐标系中的信号的典型示例。在校正重力(图6中601)的影响之后，获取数值712，如图7中所示。这个级数可以随着时间整合两次，以便测量转子叶片在对应于加速度传感器位置的位置处的移位。图7中虚线所示出的正弦级数对应于转子叶片中位置的位置变化，所述位置变化是由施加在转子叶片主体上的重力加速度引起的。换句话说：转子叶片由于其自重而弯曲。
所述加速度传感器或所述这些加速度传感器在方向上(也就是平行于转子旋转轴线的方向上)的信号，通常展示具有高频分量的动态特性，所述高频分量是(例如)由阵风引起的。通常，加速度信号可以通过其频率分量来过滤，其中(例如)可以采用低通滤波器。图8示出傅里叶(Fourier)变换，其中刚度k相对于频率f进行绘制。曲线812显示具有准静态区域821和自然频率822的典型级数。这里，根据典型实施方案，针对0.6Hz或更低频率(通常是0.4Hz或更低频率)的低通滤波器可以应用到传感器的信号或数值。在(例如)0.2Hz的旋转速度下，这个滤波会为图7所描绘的信号产生基本上平滑的正弦级数。
根据进一步的典型实施方案，可以使用自然频率822的范围内的信号。自然频率(例如)处于0.8Hz至1.2Hz的范围内。在自然频率的范围内，转子叶片经受更大的位置偏差，这可以产生更好的测量精确度。因为信号的评估由于转子叶片的更复杂特性而更为困难，所以，根据优选实施方案，可以利用处于自然频率邻近处并且彼此分离的低通滤波器和带通滤波器来执行评估。通过这两个频率范围中的评估，也就是通过自然频率范围内的额外评估，可以使用额外信息，因此可以达成改进的测量精确度。
现在将参考图9A和图9B来描述本文所述的布置和方法中所使用的加速度传感器312。图9A示出加速度传感器312，其中主体912安装在光纤上。外壳902经过相应设计，从而使得在主体912的加速度下，会发生应变，也就是光纤922的长度的相对变化(伸长或收缩)。作为纤维922的应变的结果，纤维布拉格光栅924发生变化。这相对于各别反射或传输波长来说，会分别产生纤维布拉格光栅的修正反射或透射。这个变化可以用作纤维应变的量，所以也可以间接用作主体912的加速度的量。图9B中展示加速度传感器312。在这个布置中，图9A中所示的传感器中的3个(三个)传感器进行组合，其中图解中的传感器的旋转意在展示三维布置。因此，在一个坐标系内，例如在笛卡尔(Cartesian)坐标系内测量3个(三个)加速度传感器。
图10示出根据本文所述实施方案的、用于风力涡轮机转子叶片的状态监控的方法的流程图。在步骤1002中，使用第一信号来测量转子叶片的加速度。这里，测量至少一个垂直于转子叶片轴线的定向分量。在步骤1004中，使用第二信号来测量应变。在步骤1006中，根据针对加速度的第一信号来确定加速度传感器的位置变化，所述位置变化对应于各别转子叶片位置的位置变化。在步骤1008中，通过使用位置变化和应变进行的计算，而获取转子叶片刚度或转子叶片弹性的量。这个量在步骤1010中用于监控转子叶片状态。
根据典型实施方案，使用随着时间的两次整合，以便确定加速度传感器位点处的位置变化。通常，在3个(三个)方向上，例如在笛卡尔坐标系的方向上测量加速度，并且在至少2个(两个)方向上测量应变，从而使得可以确定叶片根部平面内任意方位上的应变。此外，为了状态监控，可以执行1个(一个)小时或更长时期内的取平均值操作，特别是一天或更长时期内的取平均值操作。据此，提高了测量精确度，并且可以充分地，也就是及时地确定转子叶片的状态。根据进一步的典型实施方案(其可以与本文所述的其它实施方案进行组合)，为了测量加速度或应变，而使用光纤传感器，其中特别地可以采用具有纤维布拉格光栅的传感器。举例来说，使用光纤加速度传感器与光纤应变传感器的组合。通常，对于本文所述布置和方法的实施方案来说，使用处于叶片根部或其邻近处的应变传感器，以及距叶片根部的轴向距离至少为叶片半径一半的加速度传感器。
虽然已经基于典型实施方案描述了本发明，但是本发明并不受限于此，而是可以按照各种不同方式进行修改。另外，本发明并不受限于所提及的可能应用。

Claims (11)

1.一种用于监控风力涡轮机的转子叶片的状态的方法，所述方法包括：
利用第一信号来测量所述转子叶片的加速度，其中在至少一个方向上，在距转子叶片根部预定距离的第一径向位置处测量所述加速度，包括与所述转子叶片的轴线正交的第一定向分量；
利用第二信号来测量所述转子叶片的应变，其中在第二径向位置处测量所述应变，所述第二径向位置安置于所述第一径向位置至所述转子叶片根部的区域中；
基于所述加速度来确定第一位置变化；
借助基于所述第一位置变化和所述应变的计算，而确定对应于转子叶片刚度的第一数值；以及
根据所述第一数值来确定所述转子叶片状态。
2.如权利要求1所述的方法，其中为了确定所述第一位置变化，而随着时间来整合所述加速度的所述信号。
3.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其中在三个方向上测量所述加速度，并且其中测量所述应变，以便在两个通常正交的方向上测量弯曲力矩。
4.如权利要求1所述的方法，其中为了确定所述转子叶片状态，对所述第一数值取平均值。
5.如权利要求4所述的方法，其中为了确定所述转子叶片状态，对所述第一数值在1小时或更长时期内取平均值。
6.如权利要求1所述的方法，其中借助光纤加速度传感器来测量所述加速度，和/或其中借助光纤应变传感器来测量所述应变。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述第一径向位置大致上位于叶片半径的一半处或位于所述叶片半径的一半处与转子叶片末梢之间，和/或其中所述第二径向位置位于距所述叶片根部5米或更小的距离处。
8.如权利要求1所述的方法，其中为了确定所述第一数值，而执行向所述风力涡轮机的坐标系和/或向转子毂的坐标系的坐标变换。
9.一种用于监控风力涡轮机的转子叶片的状态的装置，所述装置包括：
至少一个加速度传感器，其适合于测量所述转子叶片的加速度，其中在至少一个方向上测量所述加速度，包括与所述转子叶片的轴线正交的第一定向分量；
至少一个应变传感器，其适合于利用第二信号来测量所述转子叶片的应变，其中在第二径向位置处测量所述应变，所述第二径向位置安置于所述加速度传感器的第一径向位置至转子叶片根部的区域中；
评估单元，其连接到所述至少一个加速度传感器，而用以从所述加速度传感器接收第一信号，并且连接到所述至少一个应变传感器，而用以从所述应变传感器接收第二信号，并且，其中来自所述第一径向位置的所述第一信号的所述接收，是在距所述转子叶片根部预定距离处进行的；
其中所述评估单元适合基于所述加速度传感器的所述第一信号来确定所述第一径向位置处的第一位置变化；
其中所述评估单元适合借助基于所述第一位置变化和所述第二信号的计算，而确定对应于转子叶片刚度的第一数值。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述至少一个加速度传感器为光纤传感器，和/或其中所述至少一个应变传感器为光纤应变传感器。
11.如权利要求9至10中任一项所述的装置，其中所述第一径向位置位于叶片半径的一半处至叶片末梢的范围内，和/或其中所述第二径向位置位于距所述叶片根部5米或更小的距离处。
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