CN105102954A - 用于通过采用光纤的监测设备监测转动元件的变形的方法、和配备有这种设备的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及经受转动运动的部件的老化监测领域，并且更具体地涉及监测转动部件的外围表面可能经受的变形的领域。根据本发明的方法包括：在光纤的第一端处发射光信号的步骤(71)，所述光纤的至少一段在部件表面的两点之间绷紧；测量在光纤的第二端处接收的光信号的特征的步骤(72)，所述特征随着光纤在其端部之间的长度而变化；和将光信号特征与参考信号进行比较的步骤(73)。

Description

用于通过采用光纤的监测设备监测转动元件的变形的方法、和配备有这种设备的风力涡轮机

本发明属于经受转动运动的部件的老化监测领域。本发明特别涉及监测风力涡轮机的转动元件。更具体地，本发明涉及用于借助于包括作为传感器的光纤的测量设备来监测能够经受转动运动的部件的表面的变形的方法。

已知通过确定静态土木工程结构(例如建筑物、隧道或桥梁)的总变形、即该结构的至少两个较远的点之间的变形来监测静态土木工程结构。这特别允许通过安装在结构的两点之间绷紧的光纤和通过分析经由光纤传输的光信号的变化来进行。例如，文献EP0649000A1描述了一种用于监测建筑物的系统，其包括两个支承板和光纤，所述光纤被紧固到支撑板中的每个并且在它们之间延伸以形成弧形。测量通过光纤的光信号的振幅允许确定该弧形曲率的变化，并因此确定两个支承板的相对位移。

在机器中，一些部件、特别是运动的部件可能断裂。然而，大部分时候，不可能使这些部件配备根据可能的损坏而适当布置的光纤，这可能具有多种变化。例如，不能通过在转子叶片上安装传感器来监测风力涡轮机的转子叶片的变形。对于螺旋桨、活塞和更一般地对于任何运动部件来说同样如此。而且，即使在能够将这些传感器安装在待监测的部件上的情况下，该部件的运动仍然存在几个难点。第一，传感器的测量可能会受惯性力或离心力干扰，或者在适用时受根据配备有传感器的部件的角位置而变化的重力干扰。

第二，在转动部件上安装传感器引入了不平衡性，该不平衡性可能加速部件本身或机构另一部件(例如机械轴承)的老化。最后，通过电导体将测量结果传输到外部设备(例如监测站)是不可能的。当需要大量传感器来监测部件状况时，该测量结果传输问题变得更加困难。

本发明的一个目的特别在于通过提出一种用于监测转动元件的变形的方法来克服上述全部或部分缺点，所述方法对该转动元件的运行和老化具有最小可能的影响并且其本身不受转动运动的影响。为此，本发明基于下述特性，根据该特性，在其中已经开始产生缺陷(例如裂纹)的运动部件在结构中传播周期性应力缺陷以及因此传播变形。实际上，任何裂纹都是以部件中应力的不均匀性或材料的不均匀性为先导的。该不均匀性与部件变形的不均匀性成对出现。当部件转动运动时，该变形不均匀性必然导致在整个部件上产生和分布的动态应力的不均匀性。特别地，部件局部地经受压缩-减压周期，在此期间应力随着时间不同地分布。能够在由于相对容易地安装传感器和由于发生缺陷时该地点能够经受应力变化而被选择为战略地点的结构地点检测部件的周期性变形。因此，在风力涡轮机的转子叶片的情况下，被布置在转子叶片底部圆周的全部或部分上的单个传感器将对转子叶片所经受的、在转子叶片局部和在转子叶片的任何其他点处的任何损坏作出反应。更具体地，本发明的目的在于一种用于监测可能发生在能够经受转动运动的部件的表面上的变形的方法，该方法的特征在于，其包括：

■在光纤的第一端处发射光信号的步骤，所述光纤的至少一段在部件表面的两点之间绷紧，

■测量在光纤的第二端处接收的光信号的特征的步骤，所述特征随着光纤在其端部之间的长度而变化，和

■将所述光信号特征与参考信号进行比较的步骤。

光纤的所述段优选地贴合部件表面的凸起部分，以能够在其整个长度上保持与部件接触。

部件例如是风力涡轮机的或涡轮机的转动元件。其能够特别是机械轴承的套圈。

根据一个具体实施例，使用多根光纤，每根光纤都包括在部件表面的两点之间绷紧的段。在该实施例中，对于每根光纤：

■在第一端处发射光信号，

■测量在第二端处接收的光信号的特征，和

■将所述光信号特征与参考信号进行比较。

优选在每根光纤中同时发射光信号以允许结果被验证。

在第一实施例中，使用两根光纤，第一光纤的绷紧段根据轴对称性相对于第二光纤的绷紧段布置，所述轴对称性的对称轴线为部件的转动运动轴线。

在第二实施例中，表面是旋转表面，该旋转表面的旋转轴线与部件的转动运动轴线重合。随后光纤的绷紧段能够沿着旋转轴线成角度地分布以覆盖旋转轴线的圆周。

本方法还能够包括通过无线连接装置来传输每个所测量的特征、或者所测量的特征和参考信号之间的每个比较结果、或者这些元素中的一部分的步骤。传输步骤能够仅在异常情况下执行，特别地以便限制无线连接装置的电力消耗。实际上，由于部件的转动运动，通常由安装在部件上的电池来供应这些装置。于是限制电力消耗允许延长电池的寿命。此外，还能够提供由部件的运动驱动的发电机以对电池充电。

根据一个具体实施例，在确定的持续时间内连续执行发射、测量和比较步骤以允许对部件的至少一圈完整转动监测部件的变形。

本发明的主题还在于一种风力涡轮机，其包括能够经受转动运动的部件和用于监测部件变形的设备。所述监测设备包括：

■光纤，其至少一段在部件表面的两点之间绷紧，

■光源，其能够在光纤的第一端处发射光信号，

■检测器，其能够测量在光纤的第二端处接收的光信号的特征，所述特征随着光纤在其端部之间的长度而变化，和

■处理模块，其能够将所述光信号特征与参考信号进行比较。

通过阅读以下描述，参照附图，将更好地理解本发明并且其他优点将变得明显，在这些附图中：

-图1示意性地示出了用作发电机的风力涡轮机的一个示例，能够根据本发明的方法来监测其部件；

-图2和3示出了滚珠轴承的一个示例，能够实施根据本发明的方法的变形监测设备能够被安装在该滚球轴承上；

-图4、5和6示出了在图2和3中滚珠轴承上的监测设备的实施的不同示例；

-图7示出了根据本发明的用于监测转动元件的方法的步骤的一个示例；

-图8以两幅图示出了由监测设备利用的光信号的示例。

本发明基于利用光纤中光信号的传播特性的监测设备，所述光纤被牢固地紧固到待监测部件的至少两点处。实际上，为人熟知的是，光纤在其纵向上的伸长涉及横向上的收缩，这影响通过光纤的光信号振幅的衰减效果。还已知辫状或扭绞的光纤，其长度变化表现为局部曲率的变化，这还具有改变在通过光纤传输之后接收的信号振幅的作用。因此，通过与参考振幅进行比较，光信号振幅的测量允许相当精确地确定由被监测部件经受的、光纤所紧固到的两点之间的长度变化。专利申请EP0264622A1描述了这种监测设备的一个示例。该设备包括光纤和测量设备，所述设备能够在光纤的一端处发射光信号并且测量在光纤的另一端处接收的光信号的振幅。

图1示意性地示出了被用作发电机的风力涡轮机的一个示例。风力涡轮机10包括由塔架12支承的机舱11、沿着基本水平的轴线X可枢轴转动地连接到机舱11的轮毂13、和由轮毂13支承的转子叶片14。机舱11沿着基本垂直的轴线Y可枢轴转动地连接到塔架12，以允许轴线X定向在平行于风向的方向上。另外，每个转子叶片14沿着轴线Z₁、Z₂、或Z₃可枢轴转动地连接到轮毂13，以允许每个转子叶片根据风速定向。轴线Z₁、Z₂、或Z₃垂直于轴线X，并且在轴线X的一点处相交。优选地，它们绕轴线X均匀分布，即它们之间具有120度的角度。通常，机舱11包括未示出的交流发电机，其轴由轮毂13直接或间接地驱动转动。机舱11还能够包括未示出的驱动装置，其能够驱动转子叶片14沿着其它们自的轴线Z₁、Z₂、或Z₃相对于轮毂13转动。

图2和3示出了滚珠轴承的一个示例，变形监测设备能够安装在该滚珠轴承上。图2以横截面视图示出了滚珠轴承，而图3以局部横截面视图示出了该轴承。滚珠轴承20确保了在转子叶片14中的一个和轮毂13之间的枢轴转动连接。例如，考虑沿着轴线Z₁枢轴转动的连接。轴承20包括外圈21、第一排滚珠22、第二排滚珠23和内圈24。轴承20的外径例如是约2米的直径。在一个实施例中，轮毂13被牢固地紧固到内圈24，并且转子叶片14被牢固地紧固到外圈21。在该示例中，通过在内圈24的圆周处均匀分布的一组紧固元件来执行将轮毂13紧固到内圈24。每个紧固元件都包括例如双头螺栓和两个螺母。于是内圈24包括平行于轴线Z₁产生的一组附接孔241；轮毂13类似地包括每个都能够采用与附接孔241中的一个相对的位置的一组附接孔。每个双头螺栓都穿过内圈24的附接孔241和轮毂13的附接孔。螺母被旋紧到双头螺栓的每个端上以将轮毂13牢固地固定到内圈24。类似地，能够通过双头螺栓和螺母来将转子叶片14紧固到外圈21。于是外圈21能够包括例如平行于轴线Z₁的附接孔211。当然，能够使用任何其他合适的紧固装置以将转子叶片14牢固地紧固到外圈21以及将轮毂13牢固地紧固到内圈24。轴承20例如是角接触轴承，以便承受特别由于转子叶片14所受到的重力和离心力产生的沿着轴线Z₁的轴向应力。图2和3示出的轴承20还包括在外圈21的外围表面213上形成的齿套212。齿套212能够与未示出的齿轮啮合，该齿轮被驱动以使转子叶片14例如根据风速定向。

为了监测外圈21的外围表面213上发生的变形，能够在那里安装变形监测设备30。应注意的是，监测设备30当然允许检测由于外圈21本身以及连接到该外圈的任何部件所受的损坏而导致的变形。监测设备30包括光纤31、能够在光纤31的一端处发射光信号的光源32、和能够测量在光纤31的第二端处接收的光信号的特征的检测器33。所测量的特征随着光纤31在其端部之间的长度而变化。其可以例如是光信号的振幅、或光信号在光纤31两端之间传播的持续时间。应注意的是，光源32和检测器33能够被组合在同一模块中。此外，光纤31的物理端中的一个能够耦接到能够反射光信号的反射器。然后光纤31的第二物理端被用于发射光信号和接收光信号两者。为了能够监测外围表面213的变形，光纤31必须包括在外围表面213的两点之间绷紧的至少一段。通常，该段贴合外围表面213。根据一个优选实施例，光纤31被安装使得所述段承受预应力张紧。因此，即使在外围表面213的变形引起紧固光纤31的两点更靠近在一起的情况下，所述段也经受长度变化，在该情况下是收缩。根据一个具体实施例，光纤31在其整个长度上、即在连接到光源32的端部和连接到检测器33的端部之间的长度上受预应力。

图4示出了变形监测设备30在轴承20上实施的第一示例。在该示例中，光源32和检测器33被包含在单个模块中，并且光纤31在外围表面213的整个周长上延伸。优选地，光纤31在其整个长度上受预应力。

图5示出了变形监测设备50在轴承20上安装的第二示例。在该示例中，设备50包括两个光源32A和32B、两个检测器33A和33B、和两根光纤31A和31B。光纤31A在外围表面213的、在光源32A和检测器33A之间的第一半周长上延伸，而光纤31B在外围表面213的、在光源32B和检测器33B之间的第二半周长上延伸。每根光纤31A、31B、31C都优选地在其整个长度上受预应力。

图6示出了变形监测设备60在轴承20上的实施的第三示例。在该示例中，设备60包括三个光源32A、32B和32C、三个检测器33A、33B和33C、以及三根光纤31A、31B和31C。光纤31A在光源32A和检测器33A之间延伸；光纤31B在光源32B和检测器33B之间延伸；而光纤31C在光源32C和检测器33C之间延伸。光源32A、32B和32C和检测器33A、33B和33C被布置在外围表面213上，使得光纤31A、31B和31C整体覆盖外围表面213的整个周长。有利地，每根光纤都覆盖外围表面213周长的大致三分之一。每根光纤31A、31B和31C都能够相对于转子叶片14被置于中心。更一般性地，变形监测设备能够包括任何数量的组合，所述组合每个都包括光纤、光源和检测器。具有几个可用组合的优点在于允许更局部地监测变形。此外，光纤能够在待监测表面的外周上部分地重叠。

图7示出了根据本发明的用于监测变形的方法的步骤的一个示例。此处参照图4中的监测设备的实施示例来描述所述方法。在第一步骤71中，光源32在光纤31的第一端处发射光信号、例如脉冲。在第二步骤72中，检测器33在光纤31的另一端处接收光信号并且测量该光信号的特征。如之前指出的，所述特征能够是光信号的振幅、或者光信号在光源32和检测器33之间传输的持续时间。光信号能够是单频的，在频段上传播，或者还可以由几个单频信号组成。此外，光纤31能够是单模或多模光纤。因此，由检测器33测量的特征能够实际上是特征组合的结果。在步骤73中，将光信号的特征与参考信号进行比较。该比较由并入或不并入检测器33中的处理模块执行。参考信号能够是振幅值，例如当待监测部件被认为无缺陷时在初始阶段期间测量的光信号的振幅值，和/或当部件未经受任何转动运动时在空闲阶段期间测量的光信号的振幅值。参考信号还能够是例如在初始和/或空闲阶段期间测量的参考持续时间。此外，由光源32发射的光信号不一定是脉冲，而能够是连续信号，在这种情况下参考信号也能够是连续的。光信号的持续时间例如被确定使得待监测部件在该持续时间期间执行一圈完整的旋转。因此由于检测器33接收的光信号的不连续性能够观察到在待监测部件的非对称性中所反映出的疲劳现象。能够以预定频率或应操作者的请求而发射和接收光信号。监测频率能够特别取决于待监测部件的临界状态、和/或在待监测部件上或在机械连接到待监测部件的其他部件上执行的之前的测量结果。当使用几根光纤来监测同一个部件的变形时，能够彼此独立地或以同步的方式发射不同的光信号。信号的同步具有允许测量结果相关联的优点。根据本发明的监测方法还能够包括将光信号和参考信号之间的每个比较结果传输到外部设备、例如监测站的步骤74。可替代地，在步骤74期间传输的数据能够是检测器33接收的光信号，而比较由外部设备执行。根据一个具体实施例，风力涡轮机包括中央单元，其优选地通过无线连接采集源于检测器33或源于执行比较的处理模块的数据。优选地，该中央单元采集源于所述风力涡轮机的全部检测器和/或全部处理模块的数据。于是整个风电场的共用监测站能够通过有线或无线连接收集由不同中央单元采集的全部数据。

由于待监测部件所经受的运动，监测设备30优选由电池(例如锂电池)来供电。而且，优选地通过无线连接装置来执行数据传输。为了限制监测设备30的电力消耗以及为了增加电池的寿命，能够相对不频繁地(例如每天一次)执行数据传输。该频率能够小于测量频率，即发射光信号的频率。根据一个有利的实施例，仅在发现缺陷时传输数据。

根据一个具体实施例，监测设备30利用被监测部件的运动以增加其独立性。特别地，监测设备30能够包括由部件的运动驱动并且允许对电池充电的发电机。

图8以两幅图表示出了由监测设备30利用的光信号的示例。第一幅图表81示出了参考光信号的示例，而第二幅图表82示出了在风力涡轮机的部件存在缺陷的情况下由检测器33接收的光信号的示例。在每幅图表上，绘制了对于与风力涡轮机10的轮毂13的两圈旋转基本对应的持续时间信号的振幅A随时间的变化。如图表81所示，参考信号的振幅随时间基本不变。在没有缺陷的情况下，检测器33接收的光信号会是相同的或类似的。实际上，在正常状态下、即没有磨损的状态下或在完全规律的磨损的情况下，测量信号表现为在转子叶片的完整转动期间没有不连续。在另一方面，图表82示出了光信号振幅的波动，部件所受的不规律的、通常周期性的应力变化的迹象，和因此连接到被监测部件的部件中的一个或被监测部件的缺陷起始的迹象。应注意的是，与监测裂纹(所述裂纹是第三级作用)相比，监测应力变化相当于监测部件的第一级老化作用。因此应力监测允许通过允许预先计划维护操作来以更合逻辑的方式管理风力涡轮机的维护。

已经参照风力涡轮机的轮毂和转子叶片之间的轴承描述了根据本发明的监测方法。该方法当然能够被应用于风力涡轮机的其他轴承，例如风力涡轮机的轮毂和机舱架之间的轴承，和应用于经受转动运动的其他部件，例如涡轮机的轮或佩尔顿水轮机。更一般性地，所述方法适用于具有期望其变形能够被监测的表面的任何转动元件。该表面能够是外围表面。在这种情况下，表面可以是旋转表面，该旋转表面的旋转轴线与转动元件的转动运动轴线重合。优选地，光纤在转动元件的两点之间绷紧的段贴合该元件表面的凸起部分。

Claims (13)

1.一种用于监测能够发生在能够经受转动运动的部件(21)的表面(213)上的变形的方法，该方法的特征在于，其包括：

■在光纤(31)的第一端处发射光信号的步骤(71)，所述光纤的至少一段在所述部件(21)的表面(213)的两点之间绷紧，

■测量在所述光纤(31)的第二端处接收的光信号的特征的步骤(72)，所述特征随着所述光纤在其端部之间的长度而变化，和

■将所述光信号特征与参考信号进行比较的步骤(73)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光纤(31)的所述段贴合所述部件(21)表面(213)的凸起部分。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中，所述部件(21)是风力涡轮机(10)的转动元件。

4.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中，所述部件(21)是涡轮机的转动元件。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其中，所述部件是机械轴承(20)的套圈(21)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用多根光纤(31A、31B、31C)，每根光纤都包括在所述部件(21)的表面(213)的两点之间绷紧的段，对于每根光纤：

■在第一端处发射光信号，

■测量在第二端处接收的所述光信号的特征，和

■将所述光信号的特征与参考信号进行比较。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，在每根光纤(31A、31B、31C)中同时发射所述光信号。

8.根据权利要求6和7中任一项所述的方法，其中，使用两根光纤(31A、31B)，第一光纤(31A)的绷紧段根据轴对称性相对于第二光纤(31B)的绷紧段布置，所述轴对称性的对称轴线(Z₁)是所述部件(21)的转动运动轴线。

9.根据权利要求6和7中任一项所述的方法，其中，所述表面(213)是旋转表面，所述旋转表面的旋转轴线(Z₁)与所述部件(21)的转动运动轴线重合，所述光纤(31A、31B、31C)的绷紧段沿着所述旋转轴线(Z₁)成角度地分布以覆盖所述旋转表面(213)的圆周。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括通过无线连接装置来传输每个所测量的特征、或者所述所测量的特征和所述参考信号之间的每个比较结果、或者这些元素中的一部分的步骤(74)。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，仅在故障的情况下执行传输步骤(74)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在确定的持续时间内连续执行所述发射步骤(71)、测量步骤(72)和比较步骤(73)，以允许对所述部件(21)的至少一个完整转动监测所述部件(21)的变形。

13.一种风力涡轮机，其包括能够经受转动运动的部件(21)、和用于监测所述部件的变形的设备(30)，所述监测设备包括：

■光纤(31)，其至少一段在所述部件(21)表面(213)的两点之间绷紧，

■光源(32)，其能够在所述光纤(31)的第一端处发射光信号，

■检测器(33)，其能够测量在所述光纤(31)的第二端处接收的光信号的特征，所述特征随着所述光纤在其端部之间的长度而变化，和

■处理模块，其能够将所述光信号特征与参考信号进行比较。