CN114341491A - 检查风力涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

一种检查风力涡轮机叶片的方法。风力涡轮机叶片包括电热加热元件和表面保护层。该方法包括：暴露电热加热元件的测试点；接触测试点，以在测试点与传感器之间建立电连接；以及将传感器电连接至表面保护层。操作传感器以测量指示测试点与表面保护层之间的电阻的电阻值。分析电阻值以确定风力涡轮机叶片的状况。本发明提供了一种使得能够检测通过视觉检查或传统的非破坏性测试技术难以检测的损坏或缺陷的检查风力涡轮机叶片的方法。例如，电阻值可以给出在加热元件与表面保护层之间存在电气短路的指示。

Description

检查风力涡轮机叶片

技术领域

本发明涉及具有电热加热元件的风力涡轮机叶片，以及检查这种风力涡轮机叶片的方法。

背景技术

WO 2019/001657中公开了一种用于风力涡轮机叶片的电热加热元件。加热元件包括导电电阻材料；用于向导电电阻材料供应电力的两条有源汇流条；以及在两条有源汇流条之间的预定间距处位于导电电阻材料上的至少一条虚设汇流条。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种检查风力涡轮机叶片的方法，所述风力涡轮机叶片包括电热加热元件和表面保护层，所述方法包括：暴露所述电热加热元件的测试点；接触所述测试点以在所述测试点与传感器之间建立电连接；将所述传感器电连接至所述表面保护层；操作所述传感器以测量指示所述测试点与所述表面保护层之间的电阻的电阻值；以及分析所述电阻值以确定所述风力涡轮机叶片的状况。

本发明提供了一种使得能够检测通过视觉检查或传统的非破坏性测试技术难以检测的损坏或缺陷的检查风力涡轮机叶片的方法。例如，电阻值可以给出在加热元件与表面保护层之间存在电气短路的指示。

可选地，可以从单个测试点仅获得单个电阻值。在这种情况下，可以将电阻值与阈值进行比较以指示存在或不存在电气短路。可替代地，该方法可包括：暴露所述电热加热元件的多个测试点；接触所述多个测试点以建立所述多个测试点与所述传感器之间的电连接；以及操作所述传感器以测量多个电阻值，各个电阻值指示所述多个测试点中的相应测试点与所述表面保护层之间的电阻；以及分析所述电阻值以确定所述风力涡轮机叶片的状况。例如，电阻值的分析可指示可疑电气短路的大致位置。

所述传感器可包括测量探针，并且所述电连接是可通过使所述多个测试点一个接一个地与所述测量探针接触来建立的。可替代地，所述传感器可具有用于同时建立电连接的多个测量探针。

所述风力涡轮机叶片的状况包括估计的故障位置，该估计的故障位置是基于所述电阻值的分析和所述多个测试点的位置来估计的。

可选地，分析所述电阻值的步骤包括：识别所述电阻值中的一个或多个最低电阻值，并且所述风力涡轮机叶片的状况包括估计的故障位置，该估计的故障位置是基于与所述电阻值中的一个或多个最低电阻值相关联的一个或多个测试点的一个或多个位置来估计的。

所述风力涡轮机叶片可包括电接地网络，并且所述电接地网络可包括所述表面保护层和一个或多个子组件。所述传感器可通过使所述一个或多个子组件中的一个子组件或所述表面保护层与基准探针接触而电连接至所述表面保护层。

所述电热加热元件可包括电热加热垫。

所述电热加热垫可由导电电阻材料制成，例如碳纤维遮蔽材料。

所述表面保护层可包括穿孔箔、网格或格栅。

分析所述电阻值以确定所述风力涡轮机叶片的状况的步骤可包括：分析一个或多个电阻值以检测所述电热加热元件与所述表面保护层之间存不存在电气短路。

所述表面保护层可以是雷击保护层。

所述表面保护层可以是金属的，例如铜或铝。

所述电热加热元件可包括一条或多条汇流条，其中，所述(或各个)测试点位于所述汇流条中的相应汇流条上。

所述(或各个)汇流条可包括汇流条上的连接盘，其中，测试点中的至少一个测试点位于汇流条中的相应汇流条上的连接盘中的相应连接盘上。

传感器可包括测量探针，并且可通过使相应测试点与测量探针接触来建立所述(或各个)电连接。

风力涡轮机叶片还可包括位于电热加热元件与表面保护层之间的绝缘层。绝缘层可由任何合适的电绝缘材料制成，诸如玻璃纤维复合材料。

可以通过去除诸如绝缘层的一部分和表面保护层的一部分的叶片材料来暴露电热加热元件的测试点。如果存在多个测试点，则可以通过去除绝缘层的相应部分和表面保护层的相应部分来暴露各个测试点。

可以通过研磨来去除绝缘层和表面保护层的所述部分。

风力涡轮机叶片可通过用修复补片替换绝缘层和表面保护层的被去除的部分而被修复。

本发明的另一方面提供了一种检查和修复风力涡轮机叶片的方法，该方法包括通过第一方面的方法来检查风力涡轮机叶片，其中，对一个或多个电阻值的分析产生风力涡轮机叶片的所估计的故障位置；并且替换电热加热元件的处在所估计的故障位置处的部分。

风力涡轮机叶片还可包括位于电热加热元件与表面保护层之间的绝缘层。

该方法还可包括替换电热加热元件、表面保护层和绝缘层的处在所估计的故障位置处的部分。

电热加热元件可包括两条或更多条汇流条，所述两条或更多条汇流条包括相邻的一对汇流条，其中，所估计的故障位置位于所述一对汇流条之间，并且所述一对汇流条之间的所有电热加热元件均被替换。

本发明的第二方面提供了一种风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片包括：电热加热元件；以及表面保护层，其中，所述电热加热元件包括：电热加热垫；位于所述电热加热垫上的用于向所述电热加热垫供应电力的两条有源汇流条；在所述两条有源汇流条之间位于所述电热加热垫上的至少一条虚设汇流条；以及位于各个有源汇流条和各个虚设汇流条上的连接盘。

连接盘可以位于汇流条的与表面保护层相对的那一侧上，或者位于汇流条的与表面保护层相同的那一侧上。

连接盘可以是铜或任何其他导电材料的。

各个连接盘可以具有大于承载该连接盘的汇流条的厚度。

电热加热垫可由导电电阻材料制成，例如碳纤维遮蔽材料。

表面保护层可以由导电材料制成。例如，表面保护层可以是金属的。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实施方式，其中：

图1示出了风力涡轮机；

图2示出了具有电热加热元件的风力涡轮机叶片；

图3示出了电热加热元件；

图4是穿过叶片的一部分的截面图；

图5示出了连接至表面保护层和电接地网络的传感器；

图6是在叶片已经被测试并被修复之后与图4相对应的截面图；

图7示出了六个电阻值；

图8是在叶片已经被测试并且电热加热元件已经被修复之后与图4相对应的截面图；

图9示出了可替代的电热加热元件；

图10示出了取自图9的元件的三个系列的电阻值；

图11是穿过可替代的叶片的一部分的截面图；以及

图12示出了具有一对连接盘的汇流条。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机1。风力涡轮机1具有塔架2和位于塔架2的顶部处的机舱3。风力涡轮机转子4连接至机舱3并被布置成相对于机舱3旋转。风力涡轮机转子4包括风力涡轮机轮毂5以及从轮毂18延伸的多个风力涡轮机叶片6。尽管示出了具有三个叶片4的风力涡轮机转子4，但是可以使用不同数量的叶片，诸如两个或四个。

各个叶片6具有沿其前缘嵌入的一行电热加热元件。这些加热元件可以用于叶片6的防冰(防止积冰)或除冰(去除积冰)之一或两者。图2示出了这些加热元件10中的单个加热元件，其他加热元件已被从图2中省略。

如图3和图4所示，加热元件10包括由导电电阻材料制成的电热加热垫24，并且在垫24上可具有沿其长度间隔开的一个或多个铜汇流条11至16。汇流条之间的间距通常为500mm的量级。

垫24具有薄层电阻，该薄层电阻被选择为使得当在各个末端处在汇流条11、16之间施加电压时，由于电阻或欧姆加热，该垫以所希望的热通量产生热量。

垫24可包含例如碳纤维遮蔽物、碳/玻璃纤维遮蔽物或金属格栅。

加热元件10可以具有例如8m数量级的长度和0.7m数量级的宽度。图3中仅示出了六条汇流条，但是在实践中可以使用更多的汇流条。例如，如果长度是8m并且间距是500mm，那么将有十七条汇流条。

各个末端处的汇流条11、16是“有源”汇流条(因为它们用于沿着加热元件的整个长度施加电压)，而其他汇流条12至15是使得能够以更有效的方式实现修复的“虚设”汇流条，如WO2019/001657中所描述的，其内容通过引用结合在此。

图4是在加热元件10的位置处穿过叶片的截面图。主要结构是可包括例如层状复合材料的叶片层压板23。该叶片还具有表面保护层21和位于电热加热元件10与表面保护层21之间的绝缘层22。

风力涡轮机叶片包括电接地网络，该电接地网络包括表面保护层21和一个或多个其他子组件，这些其他子组件例如是金属叶片尖端、叶片根部处的电缆或碳翼梁帽。在图4和图5中以27示意性地示出了这些子组件之一。

表面保护层21由诸如铝或铜等的金属材料制成。表面保护层21的目的是在叶片被雷击时保护加热元件10和叶片层压板23。在雷击事件中，表面保护层21经由电接地网络的其他子组件将电流传导至地。因此，表面保护层21用作雷击保护层。表面保护层21通常包括穿孔箔、膨胀箔、网格或格栅。在优选示例中，表面保护层21包括铝膨胀箔。

绝缘层22可包括一层或多层玻璃纤维复合材料(例如，用树脂浸渍的玻璃纤维)。绝缘层22的目的是将加热元件10与表面保护层21电隔离。

叶片6还可以在其外表面处具有表面涂层20。表面涂层20可包括例如凝胶涂层或漆层。

图5中示出了一种检查风力涡轮机叶片的方法。

首先，暴露电热加热元件10的测试点。在该示例中，测试点位于其中一条汇流条14上，并且该测试点是通过以下步骤而被暴露的：去除表面涂层20的一部分以留下孔20a，然后去除表面保护层21的一部分以留下孔21a，然后去除绝缘层22的一部分以留下孔22a。例如，可以通过利用小球端研磨机进行研磨来去除这些部分。在该示例中，孔20a、21a、22a具有逐渐减小的直径。

如果测试点没有被绝缘层和表面保护层覆盖，则可以通过去除覆盖它的任何其他叶片材料来暴露该测试点。

传感器25(例如数字万用表)配备有测量探针26和基准探针28。通过使测量探针26穿过预先形成的孔20a、21a、22a，然后与测试点接触(在该情况下，与汇流条14接触)，而与汇流条14上的测试点建立电连接。

传感器25可以通过使表面保护层21或者电接地网络的其他子组件之一与基准探针28接触而电连接至表面保护层21。在该示例中，基准探针28接触子组件27，该子组件27可以是例如金属叶片尖端。例如，基准探针28可包括将其附接至金属叶片尖端的“鳄鱼夹”。

一旦如图5中所示建立了电连接，就操作传感器25以测量探针26、28之间的电阻值，该电阻值指示汇流条14与表面保护层21之间的电阻。

如果叶片没有被损坏或以其他方式出现故障，则由于绝缘层22的非常高的电阻，电阻值将非常高，基本上无限大。如果叶片有故障(例如，由于雷击的损坏、叶片表面的损坏或制造故障)，则这可导致加热元件10与表面保护层21之间的电气短路。此类短路可能是小的并且难以通过视觉检查或传统的非破坏性测试技术来发现。

电气短路将导致电阻值减小。如果故障位置(即，电气短路的位置)靠近汇流条14，则电阻将非常低，但是如果故障位置远离汇流条14(例如，在左手边的汇流条11处)，则电阻将较高，但仍比非故障情况下低得多。

因此，可以分析电阻值来确定风力涡轮机叶片的状况。在最基本的情况下，分析可以简单地将电阻值与阈值进行比较来检测电热加热元件10与表面保护层21之间存不存在电气短路。如果电阻值高于阈值，则确定叶片处于非故障状况；如果其较低，则确定叶片处于故障状况。

如果确定叶片处于非故障状况，则通过用图6中所示的凝胶或涂料20b和修复补片21b、22b替换表面涂层20、表面保护层21和绝缘层22的被去除的部分来修复叶片。修复补片22b可被铺设为随后被灌注树脂的干燥的玻璃纤维层，或其可被施加为随后被固化的预浸料(预浸渍有树脂的玻璃纤维)。

如果仅基于单个电阻值就确定了叶片处于故障状况，则故障位置仅可以被粗略估计。因此，在优选方法中，电热加热元件10的多个测试点被暴露然后被测试，以便更精确地估计故障位置。

在该优选方法中，测试点可以一个接一个地与测量探针26接触，以在测试点与传感器之间建立电连接。可替代地，传感器可以具有多个测量探针26，各个测量探针与这些测试点中的相应测试点接触。

操作传感器以测量多个电阻值，各个电阻值指示测试点中的相应测试点与表面保护层21之间的电阻。基准传感器28在该过程中保持连接至电接地网络。

图7中用叉指示六个电阻值，各个电阻值对应于汇流条11至16中的相应汇流条。分析电阻值以识别电阻值中的一个或多个最低电阻值。在这种情况下，识别出两个最低电阻值30、31。然后基于与这两个电阻值30、31相关联的一对相邻的汇流条14、15的位置来估计故障位置。电阻值30、31非常相似，因此故障位置被估计为处在两条汇流条14、15之间的中途。

可替代地，可能存在比所有其他电阻值低得多的单个电阻值。在这种情况下，故障位置被估计成处在与该电阻值相关联的汇流条上或附近。

一旦如上所述估计了故障位置，就可以如图8中所示修复叶片。首先，通过例如磨削来扩大孔20a、21a、22a，从而暴露电热加热元件的更大面积。接着，修复电热加热元件处在所估计的故障位置处的那一部分。在这种情况下，所估计的故障位置位于两个相邻的汇流条14、15之间，因此汇流条14、15之间的所有碳纤维遮蔽垫24被移除(例如通过研磨)并且被碳纤维遮蔽修复补片24a替换。修复补片24a具有与面向外的汇流条14、15接触的面向内的铜汇流条14a、15a。

然后通过用图8所示的凝胶或涂料20c和修复补片21c、22c替换表面涂层20、表面保护层21和绝缘层22的被去除的部分来完成修复。修复补片22c可被铺设为随后被灌注树脂的干燥的玻璃纤维层，或其可被施加为随后被固化的预浸料(预浸渍有树脂的玻璃纤维)。。

以上示例假定在两端处的汇流条11、16之间施加电压差，因此在此情况下最低电阻值明确地识别故障位置。图9示出了可替代的布置。在这种情况下，相同的电压通过高压线46被施加到两端处的汇流条40、44，并且中央汇流条42通过中性连线45被连接至中性电压。

叶片在三个位置47至49处受到损坏。损坏在位置47处最大，在位置49处最小。在第一测试步骤中，测量第一系列的十一个电阻值，各个值对应于相应汇流条。该系列由图10中的下线指示并且具有三个低点。两个低点47a与故障位置47两侧的一对相邻的汇流条对40、41相关联。第三低点47b与加热元件的相对端处的汇流条44相关联。低点47a略低于低点47b，因此在汇流条40、41之间修复加热元件。

在叶片被完全修复之前，在第二测试步骤中，测量第二系列的十一个电阻值，各个值对应于相应汇流条。该系列由图10中的中间线指示，并且具有与故障位置48两侧的一对相邻的汇流条相关联的两个低点48a，因此在这些汇流条之间修复加热元件。注意，平均电阻比第一系列的平均电阻高。

在第三测试步骤中，测量第三系列的十一个电阻值，各个值对应于相应汇流条。这一系列由图10中的顶部线指示，并且具有与故障位置49两侧的一对相邻汇流条相关联的两个低点49a，因此在这些汇流条之间修复加热元件。注意，平均电阻高于第一系列和第二系列的电阻。

在第四测试步骤中，测量出指示非常高或无限大电阻的单个电阻值，这是因为现在已经对加热元件10进行了所有必要的修复。然后施加修复补片和凝胶/涂料以完成修复。

图11是穿过根据本发明的实施方式的风力涡轮机叶片的截面图。风力涡轮机叶片具有与图1至图8的风力涡轮机叶片共同的许多特征，并且相同的附图标记用于等效部件。该叶片具有叶片叠层23、电热加热元件10a、表面保护层21、位于电热加热元件10a与表面保护层21之间的绝缘层22；和表面涂层20。

电热加热元件10a包括：电热加热垫24；位于电热加热垫24上的用于向电热加热垫24供电的两条有源汇流条50a；以及在两条有源汇流条50a之间位于电热加热垫上的虚设汇流条50。在这种情况下，为了便于说明，仅示出了单个虚设汇流条50，但数量通常将更大，例如如图3和图10所示。

在各个有源汇流条50a的下侧设有连接盘51a，并且在各个虚设汇流条50的下侧设有连接盘51。连接盘51、51a可由与承载它们的汇流条50、50a相同的材料(例如铜)或另一导电材料制成。连接盘51、51a电连接至承载它们的汇流条50、50a。

汇流条50、50a非常薄，并且连接盘51、51a比汇流条厚得多(注意，图11未按比例绘制)。各个连接盘可具有不大于2mm的厚度。

连接盘51、51a确保当叶片接地以与汇流条进行连接时，如图11所示，对于虚设汇流条50，汇流条由于连接盘而不接地。

在此示例中，连接盘51、51a位于汇流条的下侧(即，与表面保护层21相对的那一侧)，但其也可位于汇流条的顶部上(即，与表面保护层21相同的那一侧)。

图12示出了虚设汇流条上的连接盘51的形状和位置。在这种情况下，连接盘51是正方形的并且被定位成距汇流条的端部已知距离D，使得其位于相对于叶片的前缘而言的已知位置处。有源汇流条上的连接盘51a是相似的，并且沿着其相应汇流条的长度定位在相同点处。

图12还示出了具有可替代的(圆形)形状的连接盘52。注意，这仅仅用于说明性目的：各个汇流条仅具有单个连接盘。

尽管上文已参考一个或多个优选实施方式描述了本发明，但应了解，在不脱离如所附权利要求书界定的本发明的范围的情况下，可作出不同改变或修改。

Claims (17)

1.一种检查风力涡轮机叶片的方法，所述风力涡轮机叶片包括电热加热元件和表面保护层，所述方法包括：暴露所述电热加热元件的测试点；接触所述测试点以在所述测试点与传感器之间建立电连接；将所述传感器电连接至所述表面保护层；操作所述传感器以测量指示所述测试点与所述表面保护层之间的电阻的电阻值；以及分析所述电阻值以确定所述风力涡轮机叶片的状况。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括：暴露所述电热加热元件的多个测试点；接触所述多个测试点以在所述多个测试点与所述传感器之间建立电连接；以及操作所述传感器以测量多个电阻值，各个电阻值指示所述多个测试点中的相应测试点与所述表面保护层之间的电阻；以及分析所述电阻值以确定所述风力涡轮机叶片的状况。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述传感器包括测量探针，并且所述电连接是通过使所述多个测试点一个接一个地与所述测量探针接触来建立的。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述风力涡轮机叶片的状况包括估计的故障位置，该估计的故障位置是基于所述电阻值的分析和所述多个测试点的位置来估计的。

5.根据权利要求2、3或4所述的方法，其中，分析所述电阻值的步骤包括：识别所述电阻值中的一个或多个最低电阻值，并且所述风力涡轮机叶片的状况包括估计的故障位置，该估计的故障位置是基于与所述电阻值中的一个或多个最低电阻值相关联的一个或多个测试点的一个或多个位置来估计的。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述风力涡轮机叶片包括电接地网络，所述电接地网络包括所述表面保护层和一个或多个子组件；并且通过使所述一个或多个子组件中的一个子组件或所述表面保护层与基准探针接触而将所述传感器电连接至所述表面保护层。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过使所述一个或多个子组件中的一个子组件与基准探针接触而将所述传感器电连接至所述表面保护层。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，通过使所述表面保护层与基准探针接触而将所述传感器电连接至所述表面保护层。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电热加热元件包括电热加热垫。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述表面保护层包括穿孔箔、网格或格栅。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，分析所述电阻值以确定所述风力涡轮机叶片的状况的步骤包括：分析一个或多个电阻值以检测所述电热加热元件与所述表面保护层之间存不存在电气短路。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述表面保护层是雷击保护层。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述表面保护层是金属的。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电热加热元件包括一条或多条汇流条，并且各个测试点位于所述一条或多条汇流条中的相应汇流条上。

15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述传感器包括测量探针，并且各个电连接是通过使相应测试点与所述测量探针接触来建立的。

16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述风力涡轮机叶片还包括位于所述电热加热元件与所述表面保护层之间的绝缘层；并且其中，通过移除所述绝缘层的一部分和所述表面保护层的一部分而暴露所述电热加热元件的测试点，或者通过移除所述绝缘层的相应部分和所述表面保护层的相应部分而暴露各个测试点。

17.一种风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片包括：电热加热元件；以及表面保护层，其中，所述电热加热元件包括：电热加热垫；位于所述电热加热垫上的用于向所述电热加热垫供应电力的两条有源汇流条；在所述两条有源汇流条之间位于所述电热加热垫上的至少一条虚设汇流条；以及位于各个有源汇流条和各个虚设汇流条上的连接盘。

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