CN107882692A - 风力涡轮机的转子叶片的损伤检测 - Google Patents

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Abstract

提出用于检测对风力涡轮机的至少一个转子叶片（120、…、122）的损伤的方法，包含以下步骤，‑在至少一个转子叶片（120、…、122）的旋转期间监测至少一个转子叶片（120、…、122）的叶片根部内侧的至少一个内部空气状况（145、…、147；270、…、272），其中‑内部空气状况（145、…、147；270、…、272）被离心效应影响，离心效应将至少一个转子叶片（120、…、122）内侧的空气从根部端朝着尖端泵送并将其泵送出至少一个转子叶片（120、…、122）的至少一个孔（125），‑基于至少一个被监测的内部空气状况（145、…、147；270、…、272）检测对至少一个转子叶片（120、…、122）的损伤（130）。另外，为了执行所述方法，建议了风力涡轮机和装置以及计算机程序产品和计算机可读介质。

Description

风力涡轮机的转子叶片的损伤检测
技术领域
本发明涉及用于检测对风力涡轮机的至少一个转子叶片的损伤的方法和风力涡轮机。
背景技术
存在于风力涡轮机的转子叶片的表面或壳（skin）上的裂隙（crack）可导致转子叶片的严重损伤——在最糟糕的情况下，结果会是整个失去转子叶片。
即使优选定位在转子叶片的尖端处的、通常作为转子叶片的一部分的堵塞的排放孔例如如果被闪电击中也会导致转子叶片的损伤。
检测这种种类的损伤可基于可视的检查。
用于损伤检测的另一种方法可基于主动频率响应的解决方案。
用于损伤检测的这些已知的解决方案没有提供充足的测量结果，并且可指示错误的损伤检测。作为另外的缺点，许多解决方案要求风力涡轮机中的中空空间是几乎密封（气密，air-tight）的空间，以提供待进一步对其处理的准确的数据点。该要求是个困难的前提，因为，例如，叶片材料本身不是完全气密的，并且至转子叶片的进出通道（access-way），比如人孔或布线孔（主要定位在转子叶片的根部部段处）也可导致不期望的开口。作为另一个不足，排放孔还使得其难以满足“密封空间”的要求。
发明内容
因此，目标是克服前述缺点，且尤其是提供用于优化转子叶片的损伤检测的改进方法。
根据独立权利要求的特征解决该问题。另外的实施例从从属权利要求得到。
为了克服该问题，提供了用于检测对风力涡轮机的至少一个转子叶片的损伤的方法，包含
- 在至少一个转子叶片的旋转期间监测至少一个转子叶片的叶片根部内侧的至少一个内部空气状况，其中
- 内部空气状况被离心效应影响，所述离心效应将至少一个转子叶片内侧的空气从至少一个转子叶片的根部端朝着至少一个转子叶片的尖端泵送并将其泵送出至少一个转子叶片的至少一个孔，
-基于至少一个被监测的内部空气状况检测对至少一个转子叶片的损伤。
所提出的解决方案基于在转子叶片的中空空间内侧有效的离心泵送效应，其由风力涡轮机操作期间转子叶片的旋转移动引起。由于离心效应，转子叶片的中空空间内侧的空气从转子叶片的根部端（也称为“叶片根部”或“根部部段”）被泵送到转子叶片的尖端并且被泵送出作为转子叶片的一部分的至少一个孔。
至少一个孔可以是已经是转子叶片的一部分的至少一个排放孔。
替代地或者除此之外，为了允许所提出的解决方案的特定目的，至少一个孔可被实施在转子叶片中。
根据所提出的解决方案，至少一个孔可定位在转子叶片的尖端处或附近。
内部空气状况可以是表征转子叶片内侧的空气的任何参数或参数的组合，比如例如“空气压力”或“空气流量”。
“监测”可以是通过使用例如安装在转子叶片的中空空间内侧，尤其是安装在叶片根部内侧的适合的测量装置来测量和/或确定和/或处理表征空气的至少一个参数。
测量装置可以是用于捕获或测量表征空气的参数或参数的组合的装置，比如例如用于（例如，通过利用差动压力计（differential pressure gauge））测量空气压力或（例如，通过利用流量计或超声风速传感器）测量空气流的速度的装置。
作为示例，非旋转的转子叶片的根部部段内侧的空气压力等于或几乎等于环境空气压力。
环境空气压力是在转子叶片外侧测量的空气压力，比如例如在机舱的顶部上或在转子轮毂的整流罩（spinner）前面测量的空气压力。
朝着转子叶片的尖端泵送转子叶片的中空空间内侧的空气导致根部部段内侧的空气压力减小（即在根部部段内侧引出某种真空），伴随的结果是环境空气压力与转子叶片根部内侧的空气压力之间的空气压力差。从而，空气压力差可根据当前的风速、转子速度和空气密度而变化。
假设环境空气压力值P0，旋转的转子叶片的叶片根部的内部空间内侧的空气压力值Proot可由下式计算
其中
ρ是空气的密度，
ω是转子叶片的角速度，以及
r是转子叶片的长度。
在转子叶片的壳损伤的情况下，例如比如存在裂隙或孔，“错误的空气”将被吸入转子叶片的内部空间中，导致叶片根部内侧的空气压力Proot朝着环境空气压力P0增加或增加到接近于环境空气压力P0，这进一步导致环境空气压力值P0与根据所建议的解决方案将要监测的叶片根部内侧的内部空气压力值Proot之间的空气压力差下降。
所提出的解决方案进一步允许检测堵塞的排放孔。排放孔堵塞情况下的空气压力差以及转子叶片中的空气流量与排放孔未堵塞，即自由排放孔情况下的空气压力差或转子叶片中的空气流量相比是不同的。
所建议的解决方案的一个方面是通过监测旋转的转子叶片的根部部段内侧的至少一个内部空气状况和/或至少一个内部空气状况的变化来检测损伤，比如中空的风力涡轮机叶片中的裂隙。有利的是，所提出的解决方案可在具有视觉检查的当前要求的风力涡轮机中被实施。所提出的解决方案将减少停机时间（down time）、安全维修小时（safeservice hours）并避免由于有缺陷的转子叶片引起的致命的风力涡轮机损伤。这些因素允许一个或更多个风力涡轮机的合算且因此经济的操作。
作为另外的优点，相对于转子叶片的表面，不论损伤的位置在哪，损伤都可被识别，这通过前述频率监测是不可能的，所述频率监测仅沿着转子叶片的边缘方向检测裂隙。
在实施例中，当至少一个被监测的内部空气状况与预定的内部空气状况不同时，损伤被检测到。
在另一个实施例中，方法包含
- 监测至少一个另外的转子叶片的叶片根部内侧的至少一个另外的内部空气状况，
-将至少一个被监测的内部空气状况与至少一个另外的被监测的内部空气状况进行比较，
- 基于比较检测对至少一个转子叶片的损伤。
有利的是，可基于多个另外的转子叶片的叶片根部内侧的被监测的另外的内部空气状况得到平均的内部空气状况。平均内部空气状况或代表平均内部空气状况的任何其它的信息将与至少一个被监测的内部空气状况进行比较。利用平均内部空气状况得到风力涡轮机的更加准确的损伤检测。
在另外的实施例中，当所比较的内部空气状况之间的差超过预定的差时，损伤被检测到。
在下一个实施例中，方法包含如下步骤：
- 确定代表至少一个转子叶片的叶片根部内侧的内部空气压力的内部空气压力值，
- 确定代表至少一个转子叶片外侧的环境空气压力的环境空气压力值，
- 确定内部空气压力值与环境空气压力值之间的空气压力差值，
- 基于所确定的空气压力差值检测对至少一个转子叶片的损伤。
转子叶片的叶片根部内侧的内部空气压力是代表转子叶片的叶片根部内侧的内部空气状况的一个示例性的参数。
还是实施例：当所确定的空气压力差值等于或低于预定的阈值时，损伤被检测到。
依照另一个实施例，方法包含如下步骤：
- 确定代表至少一个另外的转子叶片的叶片根部内侧的空气压力的至少一个另外的内部空气压力值，
- 确定至少一个另外的内部空气压力值与环境空气压力值之间的至少一个另外的空气压力差值，
- 将空气压力差值与至少一个另外的空气压力差值进行比较，
- 基于比较检测对至少一个转子叶片的损伤。
有利的是，可基于多个（例如两个）另外的转子叶片的多个（例如两个）空气压力差值得到平均的内部空气压力差值。平均内部空气压力差值可与至少一个转子叶片的空气压力差值进行比较。
根据实施例，当所比较的空气压力差值之间的差等于或超出（“大于”、“高于”或“超过”）预定的阈值时，损伤被检测到。
换言之，当转子叶片的空气压力差值是如下情况时，对该转子叶片的损伤被检测到：
- 与其它转子叶片的空气压力差值相比过低（或者低于其它转子叶片的空气压力差值）或者
- 与预定的阈值相比过低（或者低于预定的阈值）。
根据另一个实施例，方法包含如下步骤：
- 确定至少一个转子叶片的叶片根部内侧的内部空气流量值，
- 基于所确定的空气流量值检测对至少一个转子叶片的损伤。
转子叶片的叶片根部内侧的内部空气流量是代表转子叶片的叶片根部内侧的内部空气状况的一个另外的可能的参数。
替代或除了所确定的内部空气压力值之外（与所确定的内部空气压力值组合），内部空气流量值可被确定，用于检测对转子叶片的损伤。
由于离心泵送效应，中空空间内侧且因此转子叶片根部内侧的空气流量将根据转子速度而变化，但在所有（例如三个）转子叶片内侧将相等或几乎相等。
在转子叶片中存在裂隙的情况下，“错误的空气”将被吸入转子叶片的内部空间中，其导致转子叶片内侧更高的空气流量。越多的“错误的空气”被吸入，流量将越高。因此，转子叶片根部内的空气压力将增加到或几乎接近于环境空气压力。
在又一个实施例中，方法包含
将内部空气流量值与预定的空气流量值进行比较，
其中，当所比较的空气流量值之间的差等于或超出预定的阈值时，损伤被检测到。
预定的空气流量值可代表在没有任何损伤情况下转子叶片内侧通常存在的空气流量。
预定的空气流量可根据当前的转子速度而变化。
根据下一个实施例，方法包含
- 确定至少一个另外的转子叶片的叶片根部内侧的至少一个另外的内部空气流量值，
-将内部空气流量值与至少一个另外的内部空气流量值进行比较，
- 基于比较检测对至少一个转子叶片的损伤。
有利的是，可基于多个（例如两个）另外的转子叶片的多个（例如两个）空气流量值得到平均的内部空气流量值。平均内部空气流量值可与至少一个转子叶片的空气流量值进行比较。
依照又一实施例，当所比较的内部空气流量值与至少一个另外的内部空气流量值之间的差等于或超出（“大于”、“高于”或“超过”）预定的阈值时，损伤被检测到。
换言之，当转子叶片的空气流量值是如下情况时，对该转子叶片的损伤被检测到：
- 与其它转子叶片的空气流量值相比过高（高于其它转子叶片的空气流量值）或者
- 与预定的阈值相比过高（高于预定的阈值）。
根据另外的实施例，内部空气流量值是风速值。
以上陈述的问题还可通过如下的风力涡轮机解决，所述风力涡轮机包含：
- 至少一个转子叶片，和
- 处理单元，所述处理单元布置成用于
- 在至少一个转子叶片的旋转期间监测至少一个转子叶片的叶片根部内侧的内部空气状况，其中
- 所述内部空气状况被离心效应影响，所述离心效应将至少一个转子叶片内侧的空气从至少一个转子叶片的根部端朝着至少一个转子叶片的尖端泵送并将其泵送出至少一个转子叶片的至少一个孔，
- 基于所监测的内部空气状况检测对至少一个转子叶片的损伤。
以上陈述的问题还可通过如下的装置解决，所述装置包含布置成使得可在其上执行如本文中描述的方法的处理单元和/或硬连线电路和/或逻辑装置、和/或与所述处理单元和/或硬连线电路和/或逻辑装置相关联。
所述处理单元可包含以下中的至少一个：处理器、微控制器、硬连线电路、ASIC、FPGA、逻辑装置。
本文中提供的解决方案还包含可直接加载到数字计算机的存储器中的计算机程序产品，包含用于执行本文中所描述的方法的步骤的软件代码部分。
此外，以上陈述的问题可通过计算机可读介质（例如，任何种类的存储装置）解决，具有适于导致计算机系统执行如本文中描述的方法的计算机可执行指令。
附图说明
在以下附图中示出并图示了本发明的实施例：
图1示出包括基于空气压力测量值的创造性损伤检测的示例性实施例的功能提取的风力涡轮机的示意性正视图，
图2示出包括基于空气流量测量值的创造性损伤检测的示例性实施例的功能提取的风力涡轮机的示意性正视图。
具体实施方式
图1示出了包含机舱（未示出）的风力涡轮机100的示例性实施例的示意性正视图，所述机舱可旋转地安装在塔110的顶部上。转子111附连到机舱的迎风侧。转子111包括中心转子轮毂和多个转子叶片120、…、122，所述多个转子叶片120、…、122安装到转子轮毂并从转子轮毂径向延伸，限定转子平面。每个转子叶片120、…、122在尖端侧处包含排放孔125。
根据示例性实施例，空气压力传感器装置140、…、142定位在每个转子叶片120、…、122的根部部段（“叶片根部”）的中空空间内侧。每个空气压力传感器装置140、…、142测量并确定每个根部部段内侧的空气压力。所得的空气压力信息，比如例如空气压力值145、…、147经由相应的连接线150被提供给相应的确定单元151、…、153。
可通过使用基于有线或无线数据传输技术的任何种类的通信系统来提供所得的空气压力信息145、…、147。
另外，空气压力传感器装置143定位在转子111的整流罩处，测量整流罩前侧处的环境空气压力。所得的环境空气压力信息，比如例如环境空气压力值148经由连接线156被提供给每个确定单元151、…、153。
在如图1中所示的示例性场景中，每个确定单元151、…、153代表差动空气压力计（differential air pressure gauge），其各自确定所提供的空气压力信息145、…、147与所提供的环境空气压力信息148之间的差。代表相应的空气压力差的信息170、…、172由每个确定单元151、…、153经由相应的连接线160发送给监测单元180。
可通过监测单元180实施不同的监测构思。
为了进一步解释，将假设以下的示例性场景。
由于转子叶片120、…、122的旋转并且基于前述的离心泵送效应，每个转子叶片120、…、122的中空空间内侧的空气从每个转子叶片120、…、122的根部端被泵送到每个转子叶片120、…、122的尖端并被泵送出相应的排放孔125。由于转子叶片120、…、122本身不是气密的，因此，经由排放孔125被泵送出的空气的一部分将由永久地吸入每个转子叶片120、…、122的中空空间内侧的空气替换。因此，由于转子叶片的非结构性特性，空气将主要被吸入通过转子叶片的根部部段处的开口或孔。
这引起每个转子叶片120、…、122的中空空间内侧的从根部部段朝着排放孔125的空气流，其最终引起每个转子叶片120、…、122的根部部段内侧的空气压力与环境空气压力之间的空气压力差。
裂隙130示例性地定位在转子叶片120处。因此，额外的空气（也称为“错误的空气”）通过裂隙被吸入转子叶片120的中空空间内侧。由于错误的空气进入转子叶片120的内部空间，转子叶片120的根部部段内侧的空气压力与环境空气压力之间的空气压力差将减小。
根据所提出的解决方案的第一可能的实施例，由每个确定单元151、…、153提供的相应的空气压力差信息或值170、…、172被监测单元180监测，从而将每个空气压力差值170、…、172与预定的阈值进行比较。因此，如果所监测的空气压力差值170、…、172中的一个下降到阈值之下，则由监测单元180生成警报信号185，指示在相应的转子叶片120、…、122处检测到损伤，所述警报信号185被提供在监测单元180的输出181处。在图1的示例性场景中，由于转子叶片120的根部部段内侧的空气压力差的前述减小，警报信号185指示在转子叶片120处检测到的裂隙130。
根据另外的可能的实施例，由监测单元180比较所提供的空气压力差值170、…、172。作为示例，将由确定单元151提供的被提供的空气压力差值170与基于由其它的确定单元152、153提供的空气压力差值171、172的平均空气压力差值进行比较。因此，如果比较的结果，即空气压力差值170与平均空气压力差值之间的差超出预定的阈值，则生成信号175，指示在转子叶片处检测到损伤。
图2图示了包括基于空气流量测量值的所提出的损伤检测的替代实施例的功能提取的风力涡轮机的示意性正视图。
根据所提出的解决方案的一个另外的方面，通过由监测单元监测每个转子叶片的叶片根部内侧的空气流量的变化，可检测相应的转子叶片的壳体或表面中的一个或更多个裂隙。
图2中示出的示例性场景主要基于图1的场景，其中，同样的附图标记用于具有同样或相似功能的元件或单元，因此，分别参考图1中的相关元件或单元。
替代图1中使用的空气压力传感器装置140、…、142，空气流量测量装置240、…、242被放置在每个转子叶片120、…、122的根部部段的中空空间内侧。每个空气流量测量装置240、…、242测量相应的转子叶片120、…、122的每个根部部段内侧的空气流量的特性。
可通过利用例如定位在转子叶片的中空空间内侧的流量计或超声风速传感器来测量空气流量的特性。
代表相应的被测量的空气流量特性的相应的空气流量信息或值270、…、272经由相应的连接线250被提供给监测单元280，监测单元280监测并处理所提供的值270、…、272。
根据可能的实施例，由每个空气流量测量装置240、…、242提供的相应的空气流量信息或值270、…、272被监测单元280监测，从而将每个空气流量值270、…、272与预定的阈值进行比较。如果所监测的空气流量值270、…、272中的一个下降到阈值之下，则由监测单元280生成警报信号185，指示在相应的转子叶片120、…、121处检测到损伤，所述警报信号185被提供在监测单元280的输出281处。
根据另外的可能的实施例，将由一个空气流量测量装置（例如240）提供的空气流量值（例如270）与基于由其它的空气流量测量装置241、242提供的空气流量值（例如271、272）的平均空气流量值进行比较。因此，如果比较的结果，即例如空气流量值270与平均空气流量值之间的差超出预定的阈值，则生成信号185，指示在转子叶片120处检测到损伤。
尽管已经以优选实施例及其上的变型的形式公开了本发明，然而将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可对其作出多种额外的修改和变型。
为了清楚，将理解的是，贯穿本申请的“一”或“一个”的使用不排除复数，并且“包含”不排除其它的步骤或元件。“单元”或“模块”的提及不妨碍多于一个的单元或模块的使用。

Claims (14)

1.一种用于检测对风力涡轮机的至少一个转子叶片（120、…、122）的损伤的方法，包含以下步骤，
- 在所述至少一个转子叶片（120、…、122）的旋转期间监测所述至少一个转子叶片（120、…、122）的叶片根部内侧的至少一个内部空气状况（145、…、147；270、…、272），其中
- 所述内部空气状况（145、…、147；270、…、272）被离心效应影响，所述离心效应将所述至少一个转子叶片（120、…、122）内侧的空气从所述至少一个转子叶片（120、…、122）的根部端朝着所述至少一个转子叶片（120、…、122）的尖端泵送并将其泵送出所述至少一个转子叶片（120、…、122）的至少一个孔（125），
- 基于至少一个被监测的内部空气状况（145、…、147；270、…、272）检测对所述至少一个转子叶片（120、…、122）的损伤（130）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
当所述至少一个被监测的内部空气状况（145、…、147；270、…、272）与预定的内部空气状况不同时，所述损伤被检测到。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包含
- 监测至少一个另外的转子叶片（120、…、122）的叶片根部内侧的至少一个另外的内部空气状况（145、…、147；270、…、272），
- 将所述至少一个被监测的内部空气状况（145、…、147；270、…、272）与至少一个另外的被监测的内部空气状况（145、…、147；270、…、272）进行比较，
- 基于所述比较检测对所述至少一个转子叶片（120、…、122）的所述损伤（130）。
4.根据权利要求3所述的方法，其中
当所比较的内部空气状况之间的差等于或超出预定的差时，所述损伤（130）被检测到。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包含
- 确定代表所述至少一个转子叶片（120、…、122）的叶片根部内侧的内部空气压力的内部空气压力值（145、…、147），
- 确定代表所述至少一个转子叶片（120、…、122）外侧的环境空气压力的环境空气压力值（148），
- 确定所述内部空气压力值（145、…、147）与所述环境空气压力值（148）之间的空气压力差值（170、…、172），
- 基于所确定的空气压力差值（170、…、172）检测对所述至少一个转子叶片（120、…、122）的所述损伤（130）。
6.根据权利要求5的方法，其中
当所确定的空气压力差值（170、…、172）等于或低于预定的阈值时，所述损伤被检测到。
7.根据权利要求5或6所述的方法，包含
- 确定代表至少一个另外的转子叶片（120、…、122）的叶片根部内侧的空气压力的至少一个另外的内部空气压力值（145、…、147），
- 确定所述至少一个另外的内部空气压力值（145、…、147）与所述环境空气压力值（148）之间的至少一个另外的空气压力差值（170、…、172），
- 将所述空气压力差值与所述至少一个另外的空气压力差值进行比较，
- 基于所述比较检测对所述至少一个转子叶片的所述损伤（130）。
8.根据权利要求7所述的方法，其中
当所比较的空气压力差值（145、…、147）之间的差等于或超出预定的阈值时，所述损伤被检测到。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包含
- 确定所述至少一个转子叶片（120、…、122）的叶片根部内侧的内部空气流量值（270、…、272），
- 基于所确定的空气流量值（270、…、272）检测对所述至少一个转子叶片的所述损伤（130）。
10.根据权利要求9所述的方法，包含
将所述内部空气流量值（270、…、272）与预定的空气流量值进行比较，
其中，当所比较的空气流量值（270、…、272）之间的差等于或超出预定的阈值时，所述损伤（130）被检测到。
11.根据权利要求9或10所述的方法，包含
- 确定至少一个另外的转子叶片的叶片根部内侧的至少一个另外的内部空气流量值（270、…、272），
- 将所述内部空气流量值（270、…、272）与所述至少一个另外的内部空气流量值（270、…、272）进行比较，
- 基于所述比较检测对所述至少一个转子叶片（120、…、122）的所述损伤（130）。
12.根据权利要求11所述的方法，其中
当所比较的内部空气流量值与所述至少一个另外的内部空气流量值之间的差等于或超出预定的阈值时，所述损伤被检测到。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的方法，其中，所述内部空气流量值是风速值。
14.一种风力涡轮机，包含
- 至少一个转子叶片（120、…、122），和
- 处理单元，所述处理单元布置成用于
- 在所述至少一个转子叶片（120、…、122）的旋转期间监测所述至少一个转子叶片（120、…、122）的叶片根部内侧的内部空气状况（145、…、147；270、…、272），其中
- 所述内部空气状况（145、…、147；270、…、272）被离心效应影响，所述离心效应将所述至少一个转子叶片内侧的空气从所述至少一个转子叶片（120、…、122）的根部端朝着所述至少一个转子叶片（120、…、122）的尖端泵送并将其泵送出所述至少一个转子叶片（120、…、122）的至少一个孔（125），
- 基于所监测的内部空气状况（145、…、147；270、…、272）检测对所述至少一个转子叶片（120、…、122）的损伤（130）。
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