CN113994089A - 叶片检查设备和叶片状况监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种自动化涡轮机叶片监测系统，所述系统按需递送照片以避免来自现场检查的大量人工成本，这增加了叶片检查的频率并最终延长了风力涡轮机叶片的寿命。可以远程收集叶片状况数据，而无需向涡轮机派遣技术人员，从而改进了对单元的访问之间的平均时间。还提供了相关联的方法、计算机系统和计算机程序产品。

Description

叶片检查设备和叶片状况监测系统
本发明涉及用于自动监测转子叶片的方法和设备，并且更具体地，涉及用于监测风力涡轮机的转子叶片表面状况的方法和设备的实施例。
风力涡轮机叶片受到来自许多不同来源的损坏。尽可能多地检查叶片的状况可以在较早的时间点处检测到叶片损坏，并减少该损坏通过转子叶片传播的机会。目前，叶片检查是昂贵的，这是因为至少一个技术人员必须在风力涡轮机发电站（farm）现场来完成检查。
本发明的目的是改进对叶片的检查，尤其是改进已知的检查设备和方法。
该目的通过根据权利要求1的叶片检查设备、根据权利要求8的方法和根据权利要求12的方法来实现。
本发明的一方面涉及一种叶片检查设备（其也可以是“叶片状况监测系统”的一部分，或者被指定为“叶片状况监测系统”），包括：壳体，其被配置成附接到风力涡轮机的塔架（tower）；相机，其被设置在壳体内，相机被配置成捕获风力涡轮机的多个转子叶片在各种位置处的数字图像，以用于监测所述多个转子叶片的状况；以及相机保持件（holder），其将相机保持在壳体内，相机保持件被构造成允许相机在至少两个轴上移动。
要注意的是，术语“塔架”是风力涡轮机的机舱搁置在其上的塔架，但是也可以包括塔架被竖立（erect）到其上的基础或过渡段（transition piece）。
壳体保护相机免受诸如风、雨或灰尘之类的环境影响，并且优选地包括框架和附接到框架的多个侧壁、底壁和顶壁。
相机可以是高分辨率相机，例如1像素/mm 80m距离的相机，该相机具有1英寸的传感器大小，这确保了视场捕获整个转子叶片。为了易于处理，相机应当具有自动聚焦和远程捕获能力。在壳体内部，相机优选地被垂直定向成面朝上并且捕获所述多个转子叶片的数字图像。然而，取决于所述设备的预定义的测量位置，相机可以以其他方式来定向。
相机保持件应当保持相机，使得可以在所述设备的拍摄操作期间操控相机来包围转子叶片的所有表面。相机保持件优选地是具有两个自由度、例如0.88分辨率、360°平转（pan）和180°倾仰（tilt）的平转-倾仰支座（pan-tilt stand）。相机保持件可以包括：电机（例如，伺服电机）或其他移动部件，用于改变相机的位置/取向；以及控制单元，用于控制电机。例如，“树莓派（raspberry pi）”或ARDUINO设备可以用作控制单元。
另一方面涉及一种用于监测风力涡轮机的转子叶片的方法，包括以下步骤：
- 旋转风力涡轮机的转子，使得转子叶片的每个表面暂时处于附接到风力涡轮机塔架的状况监测系统（例如，如上所描述的叶片检查设备）的相机的视场中。
- 使用状况监测系统的相机来拍摄转子叶片的每个表面。
在实践中，所述方法可以通过将叶片移动到不同的位置来执行。这里，风力涡轮机可以是状况监测系统的一部分，并且以特殊的方式来控制。一特殊方面涉及一种用于监测风力涡轮机的转子叶片的方法，所述方法包括以下步骤：
- 接收发起对风力涡轮机的多个转子叶片的数字成像的命令；
- 将所述多个转子叶片移动到第一位置，其中在第一位置中，第一转子叶片处于状况监测系统的相机的视场中；
- 捕获第一桨距角（pitch angle）下的第一转子叶片的第一表面和第二桨距角下的第一转子叶片的第二表面的数字图像；
- 响应于捕获第一转子叶片的第一表面和第二表面的数字图像，将所述多个转子叶片移动到第二位置，使得第二转子叶片处于相机的视场中；
- 捕获第一桨距角下的第二转子叶片的第一表面和第二桨距角下的第二转子叶片的第二表面的数字图像。
例如，相机保持件被编程或指令以移动（例如，平转和/或倾仰）从而包围转子叶片表面。在示例性实施例中，定位转子叶片，将转子停止一段时间，并且在停止位置中取得照片。然后，将叶片变桨（pitch），取得另外的照片，并且所述方法像这样继续，直到所检查的叶片的所有表面区域都已经被扫描。然后，使转子旋转，并且重复相同的步骤。
其他方面涉及一种计算机系统和一种计算机程序产品。
根据本发明的方法的步骤可以完全或部分地实现为在计算设备的处理器上运行的软件功能。主要采用软件模块形式的实现可以具有如下优点：即，可以用相对少的努力来更新现有的风力涡轮机控制系统，以安装和运行本申请的这些单元。这样制备的风力涡轮机连同根据本发明的检查设备一起将是优选的叶片监测系统。本发明的方法还通过具有计算机程序的计算机程序产品来实现，所述计算机程序可直接加载到检查设备或风力涡轮机控制系统的存储器中，并且其包括程序单元，以在所述检查设备或风力涡轮机控制系统执行所述程序时执行本发明方法的步骤。除了计算机程序之外，这种计算机程序产品还可以包括另外的部分，诸如文档和/或附加组件，还有硬件组件，诸如硬件密钥（加密狗等）以便于访问软件。
计算机可读介质（诸如，存储棒、硬盘或其他可运送或永久安装的载体）可以用于运送和/或存储所述计算机程序产品的可执行部分，使得这些可以从检查设备或风力涡轮机控制系统的处理器单元来读取。处理器单元可以包括一个或多个微处理器或其等同物。
从属权利要求给出了本发明的特别有利的实施例和特征，如以下描述中揭示的那样。不同权利要求类别的特征可以被适当地组合，以给出本文中没有描述的另外的实施例。
在示例性实施例中，壳体的至少顶表面由透明材料构成，并且整个壳体是防水的，这对于岸上和海上风力涡轮机应用两者是有利的。壳体可以附接（或至少可附接）到塔架的下部部分。壳体的侧壁和底壁可以例如由带有垫片（gasket）和绝缘体的乳胶涂漆的PVC镶板（paneling）构成，以调节内部温度并解决所述叶片检查设备的风化（weathering）。壳体的顶壁或顶板（roof）优选地是透明的，由高抗冲击性聚碳酸酯形成。壳体的聚碳酸酯顶板优选地是重量轻且成本低的，从而提供良好的视觉质量；由于这样的聚碳酸酯顶板，在照片中可以例如避免模糊和反射。在一些实施例中，侧壁和底壁中的一个或多个也可以由聚碳酸酯制成。框架可以包括用于至壳体的各种附接的T形槽轮廓。在示例性实施例中，框架由80/20挤压铝构成。优选的是，壳体被设计成在不引起可能干扰图片质量的损坏的情况下承受大约1000牛（newton）或更大的冲击，并且可以在需要很少维护的情况下具有25年或更多的寿命。壳体优选地被设计成实现IP55的入口保护等级（Ingress Protection Rating）。
优选地，壳体包括至少一个透明侧部（例如，顶板、底板（floor）或壁包括透明聚碳酸酯材料），其中相机被定位成使得它可以通过该透明侧部取得图像。进一步优选的是，壳体包括保护元件，所述保护元件覆盖透明侧部以免受例如风或雨之类的环境影响，使得将灰尘或水避开壳体的透明侧部。为了取得图像，这些保护元件应当被移除。优选的是，壳体包括移动部件，所述移动部件被设计成移动（例如，滑动或翻转）所述保护元件，以便自动揭露（和覆盖）壳体的透明侧部。因此，可以实现铰接门，所述铰接门在检查开启时打开并且在完成时关闭，以保护透明侧部免受碎屑、雨、雪或冰雹的影响）。
优选地，壳体包括附接部件，其中附接部件尤其位于壳体的至少一个侧壁上，以用于将壳体安装到风力涡轮机的塔架。附接部件可以是将壳体半永久地附接到风力涡轮机塔架的磁体。可以在磁体的末端上放置带子（tape），以防止损坏风力涡轮机塔架的表面。在示例性实施例中，磁体被放置在至少一个侧壁上，以用于将壳体附接到塔架。因此，优选的是，所述（尤其是防水的）壳体利用磁体可附接（或被附接）到风力涡轮机塔架的表面，优选地，其中所述（尤其是防水的）壳体包括金属框架和透明顶板表面。优选的是，磁体被设计为可以被打开和关闭以便易于安装和拆卸的“磁极切换”磁体或磁性基座。磁性基座（磁极切换磁体）是基于如下磁体的磁性固定件：所述磁体可以通过转动位于两个永磁体之间的磁性开关被有效地“打开”和“关闭”。
在优选实施例中，所述叶片检查设备包括用于控制壳体内部的环境温度的恒温器、和/或用于控制壳体内部的环境湿度水平的除湿器、和/或用于在壳体内部的环境内循环空气的风扇（用于在外部温度变热时使壳体内的电子器件保持冷却）。恒温器优选地是硅橡胶外壳加热器（例如，300W，120V），所述加热器将壳体内的温度维持在32℉以上。
在优选实施例中，所述叶片检查设备包括耦合到相机的微型计算机，所述微型计算机包括具有嵌入式处理器的集成电路，并且优选地附加地包括无线网络接口和/或电源和/或存储器系统。所述微型计算机优选地通过网络与控制风力涡轮机的远程计算机进行通信，其中尤其地，所述微型计算机通过网络与控制风力涡轮机的远程计算机和/或SCADA系统（SCADA：监督控制和数据采集）进行无线通信。例如，相机例如经由赫希曼交换机、经由以太网链接到WTG（风力涡轮机发电机），并且网络可以例如经由cRSP（通用远程服务平台）进行连接。这种连接将允许远程用户经由静态IP地址远程连接到所述叶片检查设备（相应地是状况监测系统），并且命令检查过程开始。可以利用定制的WTG软件脚本以在检查过程期间自动请求涡轮机执行必要的转子和叶片桨距定位，并且将WTG软件链接到相机软件以交换命令。此外，所述叶片检查设备（相应地是状况监测系统）可以包括两个计算机或微型计算机，诸如“树莓派”和ARDUINO控制器。这两个计算机进行通信，以使相机移动与照片捕获同步。
优选的叶片监测系统包括风力涡轮机（具有计算系统）、SCADA（具有计算系统）、图像数据库、以及所述叶片检查设备（叶片状况监测系统）的计算系统（例如，微型计算机），它们通过网络彼此通信地耦合。例如，信息/数据优选地通过网络被传输到风力涡轮机、SCADA和图像数据库、和/或从其接收。在示例性实施例中，网络是云计算网络。网络的另外的实施例指的是链接在一起的一组两个或更多个计算机系统。网络包括本领域技术人员已知的任何类型的计算机网络。网络的示例包括LAN、WAN、校园局域网（CAN）、家庭局域网（HAN）、城域网（MAN）、企业网络、云计算网络（物理的或虚拟的），例如互联网、蜂窝通信网络（诸如，GSM或CDMA网络或移动通信数据网络）。在一个实施例中，网络的架构是对等的，其中在另一个实施例中，网络被组织为客户端/服务器架构。风力涡轮机和SCADA系统可以具有类似的计算机架构。
图像数据库优选地是包括转子叶片、损坏的转子叶片等的多个图像文件的数据库或另一个存储设备。所述叶片检查设备（叶片状况监测系统）的计算系统优选地配备有存储各种数据和/或信息和/或代码的存储器设备、以及用于实现任务的处理器。一个或多个软件应用被加载到所述叶片检查设备（叶片状况监测系统）的计算系统的存储器设备中。所述应用可以是接口、应用、程序、模块或模块组合。
优选的是，经由网络来建立数字图像数据从所述叶片检查设备（例如，从所述设备的数据存储器）到外部数据库的自动化数据传递，如上面提及的那样。
优选的是，所述叶片监测系统包括用于所述叶片检查设备的控制器与风力涡轮机控制器之间的直接数据通信的接口。进一步优选的是，所述接口被设计用于双向通信，以自动命令风力涡轮机针对检查协议关断所述涡轮机，并且随后在完成时重启所述涡轮机。
可以例如通过网络从风力涡轮机向所述叶片检查设备（叶片状况监测系统）、从所述叶片检查设备（叶片状况监测系统）向风力涡轮机、或经由SCADA系统来远程地请求用于监测对转子叶片的损坏的自动化方法。
在一个示例中，可以从风力涡轮机的机舱或SCADA系统来触发用于监测损坏的自动化方法。消息可以从位于机舱中的控制系统的SCADA系统被发送到所述叶片检查设备的控制器。
在优选实施例中，叶片检查的相机能够跨至少106度的视角来平转以查看所述多个转子叶片。
相机优选地在壳体内垂直地定向成面朝上并且捕获所述多个转子叶片的数字图像。
在优选实施例中，所述叶片检查设备包括位于壳体的至少一个侧壁上的附接部件，以用于将壳体安装到风力涡轮机的塔架。附接部件可以是磁体。壳体优选地可附接（或被附接）到塔架的下部部分。
在优选实施例中，基于由状况监测系统（叶片检查设备）的相机捕获的图像对叶片损坏进行自动标识和分类。将相机所捕获的图像与存储在中央数据库上的多个图像进行比较。对损坏进行自动标识和分类优选地包括：将相机所捕获的图像与存储在中央数据库上的多个图像进行比较。例如，可以通过将取得的照片与预定义完美叶片的库进行比较来进行叶片表面的自动分析。叶片的区域（诸如，后缘）可以与照片中的其他损坏的后缘进行比较，以用于标识对叶片的某些区域的转子叶片损坏。将数字图像文件传递并自动集成到数据库（诸如，HERMES叶片数据库）中，所述数据库提供了叶片检查数据库图像和人工智能来对损坏进行自动标识和分类。软件也可以关于叶片上的（一个或多个）目标和检查频率而可定制。例如，最终用户可以根据操作策略来选择每天/每月/每年检查任何/所有涡轮机，并且还将检查聚焦在叶片的某些区域上，以在更高的频率周期上监测已知的损坏，从而维持操作直到可以进行修理。
在优选实施例中，状况监测系统包括保护相机的防风雨壳体，防水壳体利用磁体附接到塔架的表面。防水壳体包括金属框架和透明顶板表面。
在优选实施例中，拍摄转子叶片的每个表面包括：捕获转子叶片的压力侧、吸力侧、前缘和后缘的数字图像。
优选地，拍摄转子叶片的每个表面还包括：在不同位置中操控相机以更改相机的视场，从而包围转子叶片的特定表面。
在优选实施例中，旋转风力涡轮机的转子使得转子叶片的每个表面暂时处于相机的视场中包括：在转子处于停止位置中时以（至少）两个不同的桨距角将每个转子叶片变桨。
在实践中，优选的是，所述方法进一步包括如下步骤：由处理器将第一数字图像和第二数字图像传输到远程计算机，以用于分析以及与中央数据库中的多个数字图像进行比较。
进一步优选的是，所述方法进一步包括如下步骤：
- 响应于捕获第二转子叶片的第一表面和第二表面的数字图像，将所述多个转子叶片移动到第三位置，使得第三转子叶片处于相机的视场中；以及
- 捕获第一桨距角下的第三转子叶片的第一表面和第二桨距角下的第三转子叶片的第二表面的数字图像。
优选方面涉及一种用于监测风力涡轮机的转子叶片的方法，所述方法包括：由状况监测系统的处理器接收发起对风力涡轮机的多个转子叶片的数字成像的命令；由处理器指令风力涡轮机将所述多个转子叶片移动到第一位置，其中在第一位置中，第一转子叶片处于状况监测系统的相机的视场中；由处理器使用状况监测系统的相机来捕获第一桨距角下的第一转子叶片的第一表面和第二桨距角下的第一转子叶片的第二表面的数字图像；响应于捕获第一转子叶片的第一表面和第二表面的数字图像，由处理器指令风力涡轮机将所述多个转子叶片移动到第二位置，使得第二转子叶片处于相机的视场中；以及由处理器使用状况监测系统的相机来捕获第一桨距角下的第二转子叶片的第一表面和第二桨距角下的第二转子叶片的第二表面的数字图像。
为了更好的理解，在该优选方面，所述处理器在这里可以位于根据本发明的叶片检查设备中，所述叶片检查设备可以被视为由该处理器控制的状况监测系统（的至少一部分）。
在优选实施例中，将第一数字图像和第二数字图像传输到远程计算机，以用于分析以及与中央数据库中的多个数字图像进行比较。
在优选实施例中，响应于捕获第二转子叶片的第一表面和第二表面的数字图像，处理器指令风力涡轮机将所述多个转子叶片移动到第三位置，使得第三转子叶片处于相机的视场中，并且使用状况监测系统的相机来捕获第一桨距角下的第三转子叶片的第一表面和第二桨距角下的第三转子叶片的第二表面的数字图像。
优选方面涉及一种用于监测风力涡轮机的转子叶片的方法，所述方法包括：由计算系统的处理器接收发起对风力涡轮机的多个转子叶片的数字成像的命令；由处理器将所述多个转子叶片移动到第一位置，其中在第一位置中，第一转子叶片处于状况监测系统的相机的视场中；由处理器指令状况监测系统捕获第一桨距角下的第一转子叶片的第一表面和第二桨距角下的第一转子叶片的第二表面的数字图像；响应于第一转子叶片的第一表面和第二表面的数字图像被捕获，由处理器将所述多个转子叶片移动到第二位置，使得第二转子叶片处于相机的视场中；以及由处理器指令状况监测系统捕获第一桨距角下的第二转子叶片的第一表面和第二桨距角下的第二转子叶片的第二表面的数字图像。
为了更好的理解，在该优选方面，所述处理器在这里可以位于风力涡轮机或特殊设施中，其中状况监测系统可以被视为可以由该处理器控制的根据本发明的叶片检查设备。
在优选实施例中，将第一数字图像和第二数字图像传输到远程计算机，以用于分析以及与中央数据库中的多个数字图像进行比较。
在优选实施例中，响应于第二转子叶片的第一表面和第二表面的数字图像被捕获，处理器将所述多个转子叶片移动到第三位置，使得第三转子叶片处于相机的视场中，并且指令状况监测系统捕获第一桨距角下的第三转子叶片的第一表面和第二桨距角下的第三转子叶片的第二表面的数字图像。
用于自动监测转子叶片状况的一个优选示例序列包括以下步骤：
1. 向风力涡轮机发送“叶片检查命令”。该命令开始了对叶片的检查。该命令可以由过程或算法手动或自动地发起。
2. 风力涡轮机将多个叶片（优选地所有叶片，例如三个叶片）变桨至它们的停止位置。尤其是制动器尚未被激活。
3. 风力涡轮机向指定偏航（yaw）位置偏航，并且优选地遍及所述序列的其余部分保持该偏航位置。
4. 风力涡轮机激活其制动器以停止在预定义的位置处。该位置优选地是“第一转子方位角位置”，其中转子优选地被定位成：使得两个叶片指向下并且一个叶片笔直向上。例如，对于具有三个叶片A、B和C的转子，叶片A向下/向右，叶片C向下/向左，并且叶片B指向上。这里应当注意并且针对另外步骤的描述，对于其他应用而言，转子的其他位置可能是适当的，例如一个叶片笔直指向下。
5. 将多个叶片（尤其是一个单一叶片，例如叶片A）变桨至预定义的第一位置（例如，85度，停止位置）。拍摄多个经变桨的叶片（例如，叶片A），其中尤其拍摄吸力侧。
6. 将多个叶片（尤其是一个单一叶片，例如叶片A）变桨至预定义的第二位置（例如，0度，运行位置）。拍摄多个经变桨的叶片（例如，叶片A），其中尤其拍摄前缘。
7.（可选）将多个叶片（尤其是一个单一叶片，例如叶片A）变桨回到预定义的位置，优选地是第一位置（例如，将叶片A变桨回到85度）。
8. 将多个叶片（尤其是如之前那样变桨的一个其他单一叶片，例如叶片C）变桨至预定义的第一位置（例如，85度，停止位置）。拍摄多个经变桨的叶片（例如，叶片C），其中尤其拍摄压力侧。
9. 将多个叶片（尤其是所述单一叶片，例如叶片C）变桨至预定义的第二位置（例如，0度，运行位置）。拍摄多个经变桨的叶片（例如，叶片C），其中尤其拍摄后缘。
10.（可选）将多个叶片（尤其是所述单一叶片，例如叶片C）变桨回到预定义的位置，优选地是第一位置（例如，将叶片C变桨回到85度）。
11.（可选）释放转子的制动器，并且将转子定位到不同于第一转子方位角位置的“第二转子方位角位置”，其中转子优选地被定位成：使得两个叶片指向下并且一个叶片（不同于步骤4中的叶片）笔直向上。例如，对于具有三个叶片A、B和C的转子，叶片B向下/向右，叶片A向下/向左，并且叶片C指向上。应当注意的是，对于其他应用而言，叶片C也可以笔直指向下。
现在，优选地以不同的叶片来重复步骤5至10。在以下步骤中，在C指向上的情况下描述具有所述三个叶片A、B、C的配置。
12.（可选）将叶片B变桨至预定义的第一位置（例如，85度，停止位置）。拍摄经变桨的叶片（这里是叶片B），其中尤其拍摄吸力侧。
13.（可选）将叶片B变桨至预定义的第二位置（例如，0度，运行位置）。拍摄经变桨的叶片（即，叶片B），其中尤其拍摄前缘。
14.（可选）将叶片B变桨回到预定义的位置，优选地回到预定义的第一位置（例如，85度）。
15.（可选）将叶片A变桨至预定义的第一位置（例如，85度，停止位置）。拍摄经变桨的叶片（即，叶片A），其中尤其拍摄压力侧。
16.（可选）将叶片A变桨至预定义的第二位置（例如，0度，运行位置）。拍摄经变桨的叶片（这里是叶片B），其中尤其拍摄后缘。
17.（可选）将叶片A变桨回到预定义的位置，优选地回到预定义的第一位置（例如，85度）。
18.（可选）释放转子的制动器，并且将转子定位到不同于第一和第二转子方位角位置的“第三转子方位角位置”，其中转子优选地被定位成：使得两个叶片指向下并且一个叶片（不同于步骤4和11中的叶片）笔直向上。例如，对于具有三个叶片A、B和C的转子，叶片C向下/向右，叶片B向下/向左，并且叶片A指向上。应当注意的是，对于其他应用而言，叶片A也可以笔直指向下。
现在，以不同的叶片来重复步骤5至10。在以下步骤中，在A指向上的情况下描述具有所述三个叶片A、B、C的配置。
19.（可选）将叶片C变桨至预定义的第一位置（例如，85度，停止位置）。拍摄经变桨的叶片（即，叶片C），其中尤其拍摄吸力侧。
20.（可选）将叶片C变桨至预定义的第二位置（例如，0度，运行位置）。拍摄经变桨的叶片（即，叶片C），其中尤其拍摄前缘。
21.（可选）将叶片C变桨回到预定义的位置，优选地回到预定义的第一位置（例如，85度）。
22.（可选）将叶片B变桨至预定义的第一位置（例如，85度，停止位置）。拍摄经变桨的叶片（即，叶片B），其中尤其拍摄压力侧。
23.（可选）将叶片B变桨至预定义的第二位置（例如，0度，运行位置）。拍摄经变桨的叶片（即，叶片B），其中尤其拍摄后缘。
24.（可选）将叶片B变桨回到预定义的位置，优选地回到预定义的第一位置（例如，85度）。
25.所述序列完成，风力涡轮机恢复正常操作。
在步骤5之前，还可以实现可选步骤，即在第一照片被触发之前，所述叶片检查设备将触发以在相机的数字图像中搜索一个或多个叶片的形状。可选地，相机将被定向成使得一个或多个叶片的形状被数字图像所捕获。
具有处理器、耦合到处理器的存储器设备、以及耦合到处理器的计算机可读存储设备的计算机系统可以被设计成：使得存储设备包含可由处理器经由存储器设备执行的程序代码以实现所述方法的上面描述的优选方面之一。
计算机程序产品也是优选的，其包括存储计算机可读程序代码的计算机可读硬件存储设备，所述计算机可读程序代码包括算法，所述算法当由计算系统的计算机处理器执行时实现根据所述方法的上面描述的优选方面之一的方法。
叶片检查可以经由软件算法以成功观察到例如小至10厘米或更小的缺陷来按需进行。
优选的是监测相机视觉，以确保设备放置和涡轮机偏航取向~100%对齐。这优选地通过垂直定心（vertical centering）方法来自动实现。
优选的是，所述叶片检查设备或状况监测系统被设计用于基于相机视觉的尖端标识。当前的方法使用静态输入（诸如，塔架高度、叶片长度、以及塔架与叶片尖端之间的距离）来将相机定向以聚焦在叶片的尖端上。关于本发明，优选的是在至少一个叶片上应用标记或者在叶片上使用现有标记（诸如，圆形接闪器（lightning receptor））。该标记可以用于确定叶片尖端位于何处。该方法将允许准确的尖端检测，而不管塔架高度、叶片类型等如何。
结合附图，根据以下详细公开，将更容易理解并充分领会构造和操作的前述和其他特征。
将参考以下附图来详细描述一些实施例，其中相同的标号标示相同的构件，在附图中：
图1描绘了根据本发明实施例的具有状况监测系统的风力涡轮机；
图2描绘了风力涡轮机的转子叶片；
图3描绘了根据本发明实施例的状况监测系统的透视图；
图4描绘了根据本发明实施例的状况监测系统的侧视图；
图5描绘了根据本发明实施例的状况监测系统的分解图；
图6描绘了根据本发明实施例的安装到风力涡轮机的状况监测系统；
图7描绘了根据本发明实施例的安装到风力涡轮机的状况监测系统；
图8描绘了根据本发明的实施例；
图9描绘了根据本发明实施例的用于监测风力涡轮机的转子叶片的方法；
图10描绘了根据本发明实施例的自动化叶片监测系统的框图。
在本文中通过例示而非限制的方式参考附图来呈现所公开的装置和方法的下文所描述实施例的详细描述。尽管详细地示出并描述了某些实施例，但是应当理解的是，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以进行各种改变和修改。本公开的范围将决不限于组成组件的数量、其材料、其形状、其相对布置等，并且仅仅作为本公开实施例的示例来公开。
作为详细描述的前言，应当注意的是，如在本说明书和所附权利要求中所使用的那样，单数形式“一（a、an）”、和“该”包括复数指代物，并且“包括”不排除其他步骤或元件，除非上下文另行明确规定。
对“单元”或“设备”的提及并不排除对多于一个单元或设备的使用。示图中的对象不一定按比例绘制。
图1描绘了根据本发明实施例的具有状况监测系统的风力涡轮机1。风力涡轮机1包括一个或多个转子叶片5（在转子2上），该一个或多个转子叶片5连接到风力涡轮机1的轮毂6。轮毂6连接到机舱3，机舱3在风力涡轮机塔架4顶上。风力涡轮机塔架4可以被构造成多个部分，诸如塔架部分9和塔架部分10。
图2描绘了风力涡轮机1的转子叶片5。转子叶片5包括尖端7和根端8。每个转子叶片5具有前缘、后缘、吸力侧和压力侧。已知风力涡轮机叶片会受到来自许多来源的损坏，并且以规律的间隔针对损坏来检查风力涡轮机。常规的检查方法包括基于地面或无人机安装式相机，该相机从外部检查叶片。基于地面的检查方法和无人机安装式相机检查方法两者都需要一技术人员或有时需要两个技术人员来手动关断风力涡轮机并且操作相机装备。使转子叶片检查自动化移除了对于向风力涡轮机物理上派遣技术人员来执行任务的需要，尤其是在风力涡轮机处于海上环境的情况下。
图3描绘了根据本发明实施例的状况监测系统的透视图。使转子叶片检查/监测自动化是利用附接到风力涡轮机1的状况监测系统（CMS）100来完成的，如图1中示意性示出的那样。CMS 100可以永久地或暂时地安装到风力涡轮机塔架4，从而消除了对于向涡轮机派遣技术人员以取得转子叶片5的照片的需要。当光照和天气条件适当时，风力涡轮机1可以远程地将其自身定位成一种配置，以使其叶片被CMS 100拍摄。
CMS 100包括平转/倾仰/偏航头部11和防风雨壳体12。可以从涡轮机1向CMS 100、从CMS 100向涡轮机1、或经由监督控制和数据采集（SCADA）系统来远程地请求检查。壳体12的内容物（例如，相机13、电子器件等）被设计成在任何天气条件下操作，从而使用除湿器/加热器来适应极端条件。当在操作中时，CMS 100可以跨至少106度的视角来平转，以便当处于“反向兔耳”位置（即，1个叶片笔直指向上，2个叶片指向下/向右以及向下/向左）时查看两个叶片。
因此，CMS 100是自动化涡轮机叶片监测系统，该系统按需递送照片以避免来自现场检查的大量人工成本，这增加了叶片检查的频率并最终延长了风力涡轮机叶片的寿命。可以远程收集叶片状况数据，而无需向涡轮机派遣技术人员，从而改进了对单元的访问之间的平均时间。取决于数据要求，数据捕获间隔可以被定制（例如，每周、每月、每年等）或者临时地（ad-hoc basis）执行。此外，可以使CMS 100在任何天气条件下都安装在涡轮机上，以用于远程请求的叶片检查。改进的数据收集频率和降低的数据收集成本是CMS 100的另一个优点。在CMS 100的替代实施例中，可以使用具有至风力涡轮机的远程数据连接的、飞行超过视觉视线或者永久地部署在每个风力涡轮机处的全自主无人机来自动监测叶片状况。
图3、4和5分别描绘了CMS 100的实施例的透视图、侧视图和分解图。CMS 100包括壳体12，壳体12被配置成附接到风力涡轮机的塔架。壳体12包括框架12a以及附接到框架12a的多个侧壁、底壁和顶壁，使得整个壳体12是防水的。侧壁和底壁由带有垫片和绝缘体的乳胶涂漆的PVC镶板构成，以调节内部温度并解决CMS 100的风化。它们被设计成减少水积聚（water build-up），并且为相机提供较低的入射角。壳体12的顶壁或顶板是透明的，由高抗冲击性聚碳酸酯18形成。壳体12的聚碳酸酯18顶板是重量轻且成本低的，从而提供良好的视觉质量；由于聚碳酸酯18顶板，在照片中避免了模糊和反射。在一些实施例中，侧壁和底壁中的一个或多个也由聚碳酸酯18制成。框架12a可以包括用于至壳体12的各种附接的T形槽轮廓。在示例性实施例中，框架12a由80/20挤压铝构成，并且优选地是“现成”产品，以最小化制造时间和总体成本。此外，壳体12包括附接部件，附接部件位于壳体12的至少一个侧壁上，以用于将壳体12安装到风力涡轮机1的塔架。附接部件可以是磁体，以将壳体12半永久地附接到风力涡轮机塔架。可以在磁体的末端上放置带子，以防止损坏风力涡轮机塔架的表面。在示例性实施例中，磁体被放置在至少一个侧壁上，以用于将壳体12附接到塔架。图6至8描绘了附接到风力涡轮机塔架的CMS 100。
此外，CMS 100包括相机13，相机13被设置在壳体12内。相机13被配置成捕获风力涡轮机1的多个转子叶片5在各种位置处的数字图像，以用于监测多个转子叶片5的状况。在示例性实施例中，相机13是高分辨率（1像素/mm 80m距离）相机13，该相机13具有1英寸的传感器大小，这确保了视场捕获整个转子叶片5。相机13具有自动聚焦和远程捕获能力，并且能够跨至少106度的视角来平转以查看多个转子叶片5。在壳体12内部，相机13被垂直地定向成面朝上并且捕获多个转子叶片5的数字图像。此外，CMS 100包括相机保持件11，相机保持件11将相机13保持在壳体12内。相机保持件11被构造成允许相机13在至少两个轴上移动，使得可以在CMS 100的拍摄操作期间操控相机13来包围转子叶片5的所有表面。相机保持件11可以是具有两个自由度、0.88分辨率、360°平转和180°倾仰的平转-倾仰支座。相机保持件11可以诸如通过与ARDUINO板兼容的ARDUINO IDE被编程。此外，相机保持件11包括具有高失速扭矩的一个或多个伺服电机，以保持相机13稳定。
CMS 100还包括恒温器16，用于控制壳体12内部的环境温度。恒温器16是硅橡胶外壳加热器（例如，300W，120V），该加热器将壳体内的温度维持在32℉以上。还包括除湿器，用于控制壳体12内部的环境湿度水平。使用风扇15以在壳体12内部的环境内循环空气，从而在外部温度变热（例如，100℉）时使壳体12内的电子器件保持冷却。
附加地，CMS 100包括耦合到相机13的微型计算机14。微型计算机14包括具有嵌入式处理器的至少集成电路、无线网络接口、电源和存储器系统。微型计算机14通过网络与控制风力涡轮机的远程计算机和/或SCADA系统进行无线通信。例如，相机13经由赫希曼交换机、经由以太网链接到WTG，并且网络可以经由cRSP（通用远程服务平台）进行连接。该连接将允许远程用户经由静态IP地址远程连接到CMS 100，并且命令检查过程开始。可以利用定制的WTG SW脚本以在检查过程期间自动请求涡轮机执行必要的转子和叶片桨距定位，并且将WTG SW链接到相机软件以交换命令。此外，CMS 100可以包括两个计算机或微型计算机14，诸如“树莓派”和ARDUINO控制器。这两个计算机进行通信，以使相机移动与照片捕获同步。
用于使转子叶片5的监测自动化的CMS 100的实施例与第三方检查公司的成本相比可以是有竞争力的。叶片检查可以经由软件算法以成功观察到小至10厘米或更小的缺陷来按需进行。CMS 100的壳体12可以在不引起可能干扰图片质量的损坏的情况下承受大约1000牛或更大的冲击，并且可以在需要很少维护的情况下具有25年或更多的寿命。壳体12对于岸上和海上风力涡轮机应用两者是防水的，并且实现了IP55的入口保护等级。
图9描绘了根据本发明实施例的用于监测风力涡轮机1的转子叶片5的方法。所述方法包括如下步骤：旋转风力涡轮机的转子，使得转子叶片的每个表面暂时处于附接到风力涡轮机塔架的状况监测系统的相机的视场中。旋转风力涡轮机的转子使得转子叶片的每个表面暂时处于相机的视场中包括：在转子处于停止位置中时以至少两个不同的桨距角将每个转子叶片变桨。所述方法还包括使用状况监测系统的相机来拍摄转子叶片的每个表面的步骤。拍摄转子叶片的每个表面包括：捕获转子叶片的压力侧、吸力侧、前缘和后缘的数字图像。此外，拍摄转子叶片的每个表面包括：在不同位置中操控相机以更改相机的视场，从而包围转子叶片的特定表面。例如，CMS 100的相机保持件被编程或指令以移动（例如，平转和/或倾仰）从而包围转子叶片表面。在示例性实施例中，定位转子叶片，将转子停止一段时间，并且在停止位置中取得照片。然后，将叶片变桨，取得另外的照片，并且所述方法像这样继续，直到所检查的叶片的所有表面区域都已经被扫描。然后，使转子旋转，并且重复相同的步骤。
用于监测转子叶片的方法还包括：基于由状况监测系统的相机捕获的图像对转子叶片的损坏进行自动标识和分类。对损坏进行自动标识和分类包括：将相机所捕获的图像与存储在中央数据库中的多个图像进行比较。例如，可以通过将取得的照片与预定义完美叶片的库进行比较来进行叶片表面的自动分析。叶片的区域（诸如，后缘）可以与照片中的其他损坏的后缘进行比较，以用于标识对叶片的某些区域的转子叶片损坏。将数字图像文件传递并自动集成到数据库（诸如，HERMES叶片数据库）中，所述数据库提供了叶片检查数据库图像和人工智能来对损坏进行自动标识和分类。软件也可以关于叶片上的（一个或多个）目标和检查频率而可定制。例如，最终用户可以根据操作策略来选择每天/每月/每年检查任何/所有涡轮机，并且还将检查聚焦在叶片的某些区域上，以在更高的频率周期上监测已知的损坏，从而维持操作直到可以进行修理。
现在将描述用于自动监测转子叶片的状况的一个示例序列：
1. 向涡轮机发送[叶片检查命令]
2. 涡轮机将所有三个叶片变桨至停止位置——制动器尚未被激活
3. 涡轮机向[指定偏航位置]偏航，并且遍及所述序列的其余部分保持该偏航位置
4. 涡轮机激活制动器以停止在[指定转子方位角位置#1] a处。转子将被定位成：使得两个叶片指向下并且一个叶片笔直向上。叶片A向下/向右，叶片C向下/向左，并且叶片B指向上
5. 叶片A将被变桨至85度（停止位置）——拍摄叶片A，吸力侧
6. 将叶片A变桨至0度（运行位置）——拍摄叶片A，前缘
7. 将叶片A变桨回到85度
8. 叶片C将被变桨至85度（停止位置）——拍摄叶片C，压力侧
9. 将叶片C变桨至0度（运行位置）——拍摄叶片C，后缘
10. 将叶片C变桨回到85度
11. 释放制动器，并且将转子定位到[指定转子方位角位置#2] a。转子将被定位成：使得叶片B向下/向右，叶片A向下/向左，并且叶片C指向上
12. 叶片B将被变桨至85度（停止位置）——拍摄叶片B，吸力侧
13.将叶片B变桨至0度（运行位置）——拍摄叶片B，前缘
14. 将叶片B变桨回到85度
15. 叶片A将被变桨至85度（停止位置）——拍摄叶片A，压力侧
16. 将叶片A变桨至0度（运行位置）——拍摄叶片A，后缘
17. 将叶片A变桨回到85度
18. 释放制动器，并且将转子定位到[指定转子方位角位置#3] a。转子将被定位成：使得叶片C向下/向右，叶片B向下/向左，并且叶片A指向上
19. 叶片C将被变桨至85度（停止位置）——拍摄叶片C，吸力侧
20. 将叶片C变桨至0度（运行位置）——拍摄叶片C，前缘
21. 将叶片C变桨回到85度
22. 叶片B将被变桨至85度（停止位置）——拍摄叶片B，压力侧
23. 将叶片B变桨至0度（运行位置）——拍摄叶片B，后缘
24. 将叶片B变桨回到85度
25. 序列完成——涡轮机恢复操作。
CMS 100可以用作计算机实现方法和系统的一部分。图10描绘了根据本发明实施例的自动化叶片监测系统200的框图。自动化叶片监测系统200包括风力涡轮机110（具有计算系统）、SCADA 111（具有计算系统）、图像数据库112、以及CMS 100的计算系统（例如，微型计算机），它们通过网络107彼此通信地耦合。例如，信息/数据通过网络107被传输到风力涡轮机110、SCADA 111和图像数据库112、和/或从其接收。在示例性实施例中，网络107是云计算网络。网络107的另外的实施例指的是链接在一起的一组两个或更多个计算机系统。网络107包括本领域技术人员已知的任何类型的计算机网络。网络107的示例包括LAN、WAN、校园局域网（CAN）、家庭局域网（HAN）、城域网（MAN）、企业网络、云计算网络（物理的或虚拟的），例如互联网、蜂窝通信网络（诸如，GSM或CDMA网络或移动通信数据网络）。在一个实施例中，网络107的架构是对等的，其中在另一个实施例中，网络107被组织为客户端/服务器架构。
图10描绘了具有一个或多个软件应用、处理器、存储器和数据储存库的CMS的框图。风力涡轮机110和SCADA系统可以具有类似的计算机架构。
图像数据库112是包括转子叶片、损坏的转子叶片等的多个图像文件的数据库或其他存储设备。此外，CMS 100的计算系统配备有存储各种数据/信息/代码的存储器设备、以及用于实现任务的处理器。一个或多个软件应用被加载到CMS 100的计算系统的存储器设备中。所述应用可以是接口、应用、程序、模块或模块组合。
可以例如通过网络107从涡轮机向CMS、从CMS向涡轮机、或经由SCADA系统来远程地请求用于监测对转子叶片的损坏的自动化方法。
在一个实施例中，CMS的计算系统的处理器接收发起对风力涡轮机的多个转子叶片的数字成像的命令，并且指令风力涡轮机110将所述多个转子叶片移动到第一位置，其中在第一位置中，第一转子叶片处于状况监测系统的相机的视场中。CMS使用相机来捕获第一桨距角下的第一转子叶片的第一表面和第二桨距角下的第一转子叶片的第二表面的数字图像。作为响应，CMS的计算系统的过程指令风力涡轮机将所述多个转子叶片移动到第二位置，使得第二转子叶片处于相机的视场中。然后，CMS使用状况监测系统的相机来捕获第一桨距角下的第二转子叶片的第一表面和第二桨距角下的第二转子叶片的第二表面的数字图像。
在另一个实施例中，风力涡轮机计算机/电子器件111或SCADA 111的处理器接收发起对风力涡轮机的多个转子叶片的数字成像的命令，并且将所述多个转子叶片移动到第一位置，其中在第一位置中，第一转子叶片处于状况监测系统的相机的视场中。风力涡轮机计算机/电子器件111或SCADA 111的处理器指令CMS 100捕获第一桨距角下的第一转子叶片的第一表面和第二桨距角下的第一转子叶片的第二表面的数字图像。作为响应，处理器发起所述多个转子叶片向第二位置的移动，使得第二转子叶片处于相机的视场中，并且指令状况监测系统捕获第一桨距角下的第二转子叶片的第一表面和第二桨距角下的第二转子叶片的第二表面的数字图像。
如本领域普通技术人员基于前述内容将理解的，本发明的实施例包括方法、系统或计算机程序产品。本发明的系统包括一个或多个处理器、一个或多个存储器设备、以及一个或多个计算机可读硬件存储设备。所述计算机可读硬件存储设备包含可由一个或多个处理器经由一个或多个存储器设备执行的计算机可读程序代码以实现本文中描述的方法或过程。计算机程序产品包括一个或多个计算机可读硬件存储设备，所述存储设备其中存储有计算机可读程序代码。计算机可读程序代码包含可由计算机系统的一个或多个处理器执行的指令以实现本文中描述的方法和过程。
本发明实施例的任何组件、模块、设备、单元、接口、步骤等可以通过集成到用于执行本文中描述的系统和/或方法的计算基础设施中而被部署、实现、管理或执行。集成到计算基础设施中可以通过在计算机系统中部署计算机可读程序代码来完成，所述计算机系统具有一个或多个处理器。一个或多个处理器然后可以实行被包含在计算机可读程序代码中的指令，从而导致计算机系统执行或提供本文中描述的系统、方法和/或过程。
应当理解的是，上面参考流程图和/或框图描述的本发明的特征可以通过计算机可读程序代码或指令来实现。流程图和/或框图说明了根据本发明的方法、系统和计算机程序产品的可能实现方式或实施例的功能性或操作。由此，流程图或框图中的每个块或步骤或者步骤或块的组合可以表示可执行用于实现指定功能的模块或指令部分。计算机可读程序代码或指令可以被提供给计算机系统或其他可编程数据处理机器的处理器，使得所述指令当经由处理器被执行时创建用于实现流程图步骤或框图块中指定的功能/方面的手段。流程图或框图的每个步骤或块可以不按各图中指出的次序来执行。附加地，流程图或框图的每个步骤或块或者步骤或块的组合可以由专用计算机系统来实行，所述专用计算机系统通过专用硬件和计算机指令来执行指定功能或动作。
虽然已经结合以上概述的具体实施例描述了本公开，但是明显的是，许多替代方案、修改和变型对于本领域技术人员来说将是明显的。因此，如上所阐述的本公开的优选实施例旨在是说明性的，而不是限制性的。在不脱离如以下权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。权利要求提供了本发明的覆盖范围，并且不应当限于本文中提供的具体示例。

Claims (15)

1.一种叶片检查设备，包括：
- 壳体（12），其被配置成附接到风力涡轮机（1）的塔架（4），所述叶片检查设备包括位于壳体（12）的至少一个侧壁上的附接部件（17），以用于将壳体（12）安装到风力涡轮机（1）的塔架（4）；
- 相机，其被设置在壳体（12）内，相机（13）被配置成捕获风力涡轮机（1）的多个转子叶片（5）在各种位置处的数字图像，以用于监测所述多个转子叶片（5）的状况；以及
- 相机保持件（11），其将相机（13）保持在壳体（12）内，相机保持件（11）被构造成允许相机（13）在至少两个轴上移动，
其中相机（13）在壳体（12）内被垂直地定向成面朝上并且捕获所述多个转子叶片（5）的数字图像。
2.根据权利要求1所述的叶片检查设备，其中壳体（12）的至少顶表面由透明材料构成，并且整个壳体（12）是防水的，防水壳体（12）优选地利用磁体至少附接或可附接到塔架（4）的表面，优选地，其中防水壳体（12）包括金属框架（12a）和透明顶板表面。
3.根据前述权利要求中的一项所述的叶片检查设备，进一步包括：用于控制壳体（12）内部的环境温度的恒温器（16）、和/或用于控制壳体（12）内部的环境湿度水平的除湿器、和/或用于在壳体（12）内部的环境内循环空气的风扇（15）。
4.根据前述权利要求中的一项所述的叶片检查设备，进一步包括耦合到相机（13）的微型计算机（14），所述微型计算机（14）包括具有嵌入式处理器的集成电路、无线网络接口、电源和存储器系统，其中所述微型计算机（14）优选地通过网络（107）与控制风力涡轮机（1）的远程计算机进行通信。
5.根据前述权利要求中的一项所述的叶片检查设备，其中相机（13）能够跨至少106度的视角来平转以查看所述多个转子叶片（5）。
6.根据前述权利要求中的一项所述的叶片检查设备，包括耦合到相机的微型计算机，所述微型计算机包括具有嵌入式处理器的集成电路，并且优选地附加地包括无线网络接口和/或电源和/或存储器系统，其中所述微型计算机优选地被设计成通过网络与控制风力涡轮机的远程计算机进行通信。
7.根据前述权利要求中的一项所述的叶片检查设备，其中壳体（12）优选地附接到塔架（4）的下部部分。
8.一种用于监测风力涡轮机（1）的转子叶片（5）的方法，包括：
- 旋转风力涡轮机（1）的转子（2），使得转子叶片（5）的每个表面暂时处于附接到风力涡轮机（1）的塔架（4）的状况监测系统（100）的相机（13）的视场中，其中相机（13）在壳体（12）内被垂直地定向成面朝上并且捕获所述多个转子叶片（5）的数字图像；以及
- 使用状况监测系统（100）的相机（13）来拍摄转子叶片（5）的每个表面。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：基于由状况监测系统（100）的相机（13）捕获的图像对转子叶片（5）的损坏进行自动标识和分类，
优选地，其中对损坏进行自动标识和分类包括：将相机（13）所捕获的图像与存储在中央数据库（112）上的多个图像进行比较。
10.根据权利要求8或9中的一项所述的方法，其中拍摄转子叶片（5）的每个表面包括：捕获转子叶片（5）的压力侧、吸力侧、前缘和后缘的数字图像。
11.根据权利要求10所述的方法，其中拍摄转子叶片（5）的每个表面包括：在不同位置中操控相机（13）以更改相机（13）的视场，从而包围转子叶片（5）的特定表面，
和/或
其中旋转风力涡轮机（1）的转子（2）使得转子叶片（5）的每个表面暂时处于相机（13）的视场中包括：在转子（2）处于停止位置中时以至少两个不同的桨距角将每个转子叶片（5）变桨。
12.一种用于监测风力涡轮机（1）的转子叶片（5）的根据权利要求8至11中的一项的方法，所述方法包括：
- 接收发起对风力涡轮机（1）的多个转子叶片（5）的数字成像的命令；
- 将所述多个转子叶片（5）移动到第一位置，其中在第一位置中，第一转子叶片（5）处于状况监测系统（100）的相机（13）的视场中；
- 捕获第一桨距角下的第一转子叶片（5）的第一表面和第二桨距角下的第一转子叶片（5）的第二表面的数字图像，
- 响应于捕获第一转子叶片（5）的第一表面和第二表面的数字图像，将所述多个转子叶片（5）移动到第二位置，使得第二转子叶片（5）处于相机（13）的视场中；以及
- 捕获第一桨距角下的第二转子叶片（5）的第一表面和第二桨距角下的第二转子叶片（5）的第二表面的数字图像。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：由处理器将第一数字图像和第二数字图像传输到远程计算机，以用于分析以及与中央数据库（112）中的多个数字图像进行比较。
14.一种计算机系统，包括：
- 处理器；
- 耦合到所述处理器的存储器设备；以及
- 耦合到所述处理器的计算机可读存储设备，其中所述存储设备包含可由所述处理器经由所述存储器设备执行的程序代码以实现权利要求11至13中的一项所述的方法。
15.一种计算机程序产品，包括存储计算机可读程序代码的计算机可读硬件存储设备，所述计算机可读程序代码包括算法，所述算法当由计算系统的计算机处理器执行时实现权利要求11至13中的一项所述的方法。
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