专利名称：风力涡轮叶片边缘监测系统的制作方法
技术领域：
本主题大体上涉及风力涡轮转子叶片的领域。更具体而言，本主题涉及用于及早检测可能沿风力涡轮转子叶片的前缘或后缘发生的分离的监测系统。
背景技术：
转子叶片是用于将风能转化为电能的风力涡轮的主要元件。叶片具有翼型的截面轮廓，使得在运行期间，空气在叶片上流动并在侧面之间产生压力差。因此，从压力侧朝吸力侧导向的升力作用在叶片上。升力在主转子轴上产生扭矩，主转子轴齿轮连接到用于产生电能的发电机。风力涡轮转子叶片一般为中空结构，其通常通过接合两个半部，即上(吸力侧)壳体构件和下(压力侧)壳体构件而构成。壳体构件通常用合适的粘结材料在沿叶片后缘和前缘的粘结线处粘结在一起。诸如一个或多个翼梁缘条(spar cap)、抗剪腹板等的任何形式的内部支撑结构通常也可粘结到壳体构件中的每一个。目前存在的问题是，壳体构件可能由于粘结材料中的物理变化中的任一种或组合而沿边缘中的一个或两个分离，这些物理变化包括低粘结强度、制造或应用缺陷、过大振动、叶片中的裂缝、前缘侵蚀等。如果不及早检测到，这种分离会导致整个叶片的失效，这种失效的修复可能是非常耗时且昂贵的。在各个位置监测叶片以发现分离的出现并采取必要的预防措施可避免这一问题。因此，该行业将受益于能够及早检测到沿叶片的一个或两个边缘的叶片分离的风力涡轮转子叶片边缘监测系统。
发明内容
本发明的方面和优点将部分地在下面的描述中陈述，或者可由该描述显而易见，或者可通过实施本发明来了解。根据各种实施例，监测系统被可操作地配置用于风力涡轮，以检测沿转子叶片的边缘的在叶片壳体构件之间的分离的发生。该系统可配置用于转子叶片中的任一个或全部且包括设置在转子叶片的内部腔体内的传感器。传感器配置并且相对于转子叶片的前缘或后缘取向以检测转子叶片内的物理特性，该物理特性指示在壳体构件之间沿相应边缘的分离的出现。控制器配置成接收来自传感器的信号并在确定分离已发生后启动自动响应。该系统可包括一个，或在其它实施例中多个传感器，传感器设置在转子叶片内以便监测沿前缘或后缘中的一个或两个的纵向部分的物理特性。在特定实施例中，传感器为光传感器，其配置成检测由沿相应边缘的分离导致的转子叶片内的内部光。例如，控制器可配置成比较由光传感器检测到的内部光的量和设定点值并在限定的差值处启动自动响应。设定点值可为编程在控制器中的限定值或在备选实施例中可由环境光传感器提供，环境光传感器设置在转子叶片的外部且与控制器通信，其中，控制器比较由内部传感器检测到的内部光的量和由环境传感器检测到的环境光的量并在限定的差值处启动自动响应。在又一实施例中，传感器可为声传感器，其配置在转子叶片的内部腔体内以检测由沿相应边缘的分离导致的叶片内增加的噪音水平。分离可通过比较检测到的噪音水平和阈值或设定点值来确定，设定点值可为编程的值。备选地，检测到的噪音水平可与初始基线噪音水平相比较，其中噪音水平之间的差值指示分离。在又一实施例中，传感器可为压力传感器，其配置成检测由沿相应边缘的分离导致的转子叶片内的环境压力的变化。控制器可比较检测到的环境压力与设定点值，并且在限定的差值处启动自动响应。在不同的实施例中，传感器可为距离传感器，其配置在转子叶片的内部腔体内以检测由沿相应边缘的分离导致的壳体构件之间的距离上的变化。距离传感器可为有源传感器，例如IR传感器或超声波传感器。在另一实施例中，距离传感器可为电传感器，其配置成检测由沿相应边缘的分离产生的电气特性上的变化。例如，电传感器可包括跨越(span)壳体构件之间的电阻路径，当沿相应边缘发生分离时，电阻路径的电阻值变化。在检测到分离时产生的自动响应可以是下列中的任一个或组合产生指示检测到的分离的信号以用于任何目的，例如示出或控制功能；产生警报；或启动风力涡轮预防措施，例如停止或制动风力涡轮转子。本发明还包括用于检测在壳体构件之间沿风力涡轮转子叶片的边缘的分离的各种方法实施例。该方法包括监测转子叶片的内部腔体内的物理特性并检测指示沿相应边缘的分离的发生的物理特性中的变化，并且启动对所检测到的分离的自动响应。监测的物理特性可为转子叶片内的光、声音或压力中的一个或组合。在其它实施例中，该方法可包括例如用任何合适的无源或有源技术监测邻近相应的边缘的壳体构件之间的距离。响应于所检测到的分离，该方法可包括下列中的任一个或组合产生指示检测到的分离的信号；产生警报；或启动风力涡轮预防措施。参考下面的描述和所附的权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合到该说明书中并组成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与该描述一起用来解释本发明的原理。
本发明的完全且充分的公开，包括其对于本领域技术人员而言的最佳模式，在参考附图的说明书中被阐述，在附图中
图1是常规风力涡轮的透视 图2是转子叶片的透视图，其带有沿叶片的前缘和后缘设置的多个内部传感器；
图3是根据本发明的方面的转子叶片的实施例的剖视 图4是结合了用于检测沿边缘的分离的电传感器的转子叶片的后缘的局部剖视 图5是结合了用于检测沿边缘的分离的有源距离传感器的转子叶片的后缘的局部剖视 图6是结合了内部光传感器和相关控制器的转子叶片的后缘的局部剖视图；图7是结合了声传感器或压力传感器和相关控制器的转子叶片的后缘的局部剖视以及
图8是带有根据本发明的方面的转子叶片的风力涡轮的前视图。部件列表
10风力涡轮
12塔架
14机舱
16叶片
18转子轮毂
20上壳体构件
22下壳体构件
24前缘
25内部腔体
26后缘 28根部 30顶端部 32内部结构
34粘结糊剂(paste)
35监测系统
36前缘粘结线
37后缘粘结线
38分离 40传感器 42控制系统 44光传感器 46设定点
50环境光传感器
52信号
54控制器
56系统控制器
58声/压力传感器
60初始信号
62设定点信号
64距离传感器
66电传感器
68电阻路径
70有源传感器。
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细参考，在附图中示出了其一个或多个示例。每个示例通过解释本发明而不是限制本发明的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出许多修改与变型。例如，作为一个实施例的部分而示出或描述的特征可与另一实施例一起使用，以得到又一实施例。因此，本发明意图包括落入所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改与变型。图1示出了常规构造的风力涡轮10。风力涡轮10包括塔架12，塔架12上安装有机舱14。多个涡轮叶片16安装到转子轮毂18，转子轮毂18继而连接到使主转子轴旋转的主凸缘。风力涡轮发电和控制部件容纳在机舱14内。图1的视图仅提供用于说明目的以将本发明置于示例性使用领域中。应当理解，本发明不限于任何特定类型的风力涡轮配置。图2是风力涡轮叶片16的更详细的视图。叶片16包括上壳体构件20和下壳体构件22。上壳体构件20可配置为叶片16的吸力侧表面，而下壳体构件20可配置为叶片的压力侧表面。叶片16包括前缘24和后缘26以及根部28和顶端部30。如本领域所熟知的，上壳体构件20和下壳体构件22在沿前缘24的粘结线36处和在后缘26处的粘结线37处接合在一起。在形成这些粘结线36、37的过程中，粘结糊剂34(图3)以粘稠形式沿粘结线36、37的长度施加在上壳体构件20和下壳体构件22的匹配层叠表面之间。应当理解，术语“粘结糊剂”在本文中在广义上包括以初始可流动状态施加的任何类型的粘合剂或粘结材料。特定类型的粘结糊剂34与本发明并无特别相关，就这一点而言可使用任何合适类型的环氧树脂、化合物或其它材料。粘结糊剂34通常以足够的量和模式来施加，以确保粘结线36、37在部件之间沿相应粘结线36、37的长度具有足够的粘结表面积。然而，由于许多因素，粘结糊剂34可能失效(例如，与壳体构件分离、开裂、断裂等)，并且在壳体构件20、22之间沿边缘24、26会形成分离38(图3)。如上文所讨论的，如果一直不修正，则这些分离会迅速导致叶片16的彻底失效。图2和图3中所描绘的风力涡轮叶片16结合本发明的实施例的方面。叶片16包括任何形式的内部支撑结构32，例如，一个或多个抗剪腹板32、翼梁缘条等。上壳体构件20和下壳体构件22由粘结糊剂34在前缘24和后缘26处接合。参照图3，粘结糊剂34的失效在前缘24和后缘26处描绘，使得在壳体构件20、22之间在边缘24、26中的每一个处形成分离38。在叶片的内部腔体25内以相对于前缘24和后缘26以便检测转子叶片16内的物理特性的一个或两个的位置和取向设置有一个或多个传感器40，该物理特性指示壳体构件之间的分离38的出现。该物理特性可以是由于传感器40的有效范围内的分离38的出现而变化的可测量或可检测的事件或参数中的任一种或组合。在本发明的范围和精神内，可沿边缘24、26中的一个或两个使用任何数量、模式和配置的传感器40。例如，多个传感器40可大体上邻近后缘26定位，如图3所描绘的，同时传感器40中的一个或多个也可相对地邻近前缘24定位。在图3的实施例中，传感器40可为任何形式的合适的光检测器，该光检测器对于因光经分离38射入腔体25中(如图3的线所描绘的)而导致的叶片16的内部腔体25内的光的量的增加做出响应。图6描绘了根据在叶片16的后缘26处的光传感器配置的特定实施例的监测系统35的更详细的视图。在该实施例中，传感器40为光传感器44，其在适当的位置处设置在壳体构件20、22中的一个或两个的内表面上，以便检测由分离38所导致的腔体25内的光的增加。光传感器44可为例如已知的光检测器中的任一种或组合，包括光敏电阻器、光电导体、光电检测器或光伏装置。控制器54与传感器44可操作地通信并且从传感器44接收指示腔体25内的光的量的信号。控制器54可与叶片16内的所有传感器40相关联，如图8所描绘的。在备选实施例中，控制器54可与传感器44中的每一个相关联。控制器54可为与风力涡轮相关联的整个控制系统42的部件以出于任何目的而处理来自光传感器44的信号，包括修正措施、警报、数据产生和记录等。例如，仍参照图6，控制器54可与风力涡轮系统控制器56可操作地通信，控制器56控制风力涡轮10的各种操作特征。系统控制器56可使用来自控制器54(或直接来自传感器40)的信息以在检测到出现分离38时启动自动响应。这种自动响应可为修正措施、信号、警报等中的任一个或组合。系统控制器56可例如产生制动或停止信号，该信号造成转子轮毂18(图1)旋转锁定并防止叶片16的进一步旋转，以便防止对叶片或塔架的任何进一步损坏。控制器56可同时为本地或远程监测站产生任何形式的警报或其它信号。应当理解，本发明不限于对检测到的分离38的任何特定用途或类型的自动响应。再次参照图6，其中所示的监测系统35可包括环境光传感器50，其设置在相对于叶片16的某些外部位置处，例如，在风力涡轮10的机舱、转子轮毂或任何其它部件上。环境光传感器50检测叶片16处的环境光条件，并且产生提供给控制器54的实际光信号L2 (实际)。如图6所描绘的，可由控制系统42的任何合适的部件在环境光L2(实际)和由传感器44检测到的内部光LI之间进行比较。当内部光LI约等于环境光L2(实际)时，则这可能是在后缘26处已发生分离38的指示。合适的信号可产生并发送到系统控制器56，以用于如上所述的自动响应中的任一种或组合。在同样在图6中描绘的备选实施例中，可将编程的输入值L2(设定)编程到控制器54中，其中在实际内部光LI与编程值L2(设定)之间进行比较。在该实施例中，不需要单独的环境光检测器，并且编程值L2(设定)可出于多种原因，例如风力涡轮的位置、气候条件、日期等，而相应地变化或调整。图7描绘了监测系统35的实施例，其中传感器40为任何形式的合适的声传感器58，其配置成检测因后缘26处的分离38所导致的叶片16的内部腔体25内的增加的噪音水平。声传感器58可为任何形式的麦克风,例如,碳(电阻)式、电容(压电)式或动圈式麦克风。动圈式麦克风装置使用附连到隔膜上的磁体和线圈，如本领域已知的那样。应当理解，本发明不限于任何特定类型的声音传感器或检测装置。实际声音信号SPl (实际)由传感器58产生并发送至控制器54。该信号与可编程到控制器54中的设定点或阈值SP2(设定)或由传感器58在例如下列时间产生的初始值SP2(初始)进行比较风力涡轮安装期间、叶片建造期间、或其中可获得基线声特征的任何其它合适的时间。控制系统42在由传感器58检测到的实际声音SPl (实际)和初始或设定的声音值SP2 (设定)之间进行比较。当这些声音值之间的差值超出限定值(X)时，则将表明在后缘26处可能出现分离38的信号发送到系统控制器56，其中可产生如上所述的自动响应中的任一种或组合。在备选实施例中，可在控制器54中简单地将由传感器58检测到的叶片腔体25内的实际噪音水平与设定点值(也由“X”表示)进行比较。换句话讲，在该实施例中，不必确定实际声音信号SPl (实际)和初始基线声音信号之间的差值。在又一实施例中，监测系统35可在叶片16的内部腔体25内使用任何形式的压力传感器。例如，参照图7，传感器58也可表示检测内部腔体25内的实际压力条件的压力传感器，其中实际压力由于在后缘26处的分离38而变化。上文关于图7讨论的分析和其中传感器58为声传感器的实施例适用于其中传感器58为压力传感器的实施例，并且不需要在这里重复。参照图4和图5，监测系统35的实施例可使用传感器40，该传感器检测由沿例如后缘26的相应边缘的分离导致的壳体构件20、22之间距离上的变化。例如，在图4的实施例中，距离传感器64为电传感器66，其配置成检测由沿后缘26的分离(如图4中的箭头所指)所产生的电气特性上的变化。在该特定实施例中，电传感器66包括跨越壳体构件20、22之间的电阻路径68，例如电阻线。该线68可例如嵌入粘结糊剂34中或在任何位置处与粘结糊剂34分离，使得壳体构件20、22的分离导致电阻路径68的拉伸或断裂和电阻路径68的电阻值的对应变化。例如，沿后缘26的完全分离可导致电阻路径68的中断，这将被电传感器66检测为开路。沿路径68的不完全中断或不完全开路也可被传感器66检测到，只要路径68的电阻值随壳体构件20、22之间的分离程度的变化而变化。在图5的实施例中，距离传感器64被描绘为有源传感器70。有源传感器70可以例如为任何形式的合适的收发机装置，其发送信号到相对的壳体构件22并接收返回信号。返回信号的时间将指示是否已发生沿后缘26的分离38。就这一点而言，可使用任何形式的合适的超声波传感器、激光传感器或其它类型的有源收发机装置。图8是根据上述方面带有叶片16的风力涡轮10的局部视图，叶片16包括沿叶片16的相应前缘24和后缘26的多个传感器40。对每个叶片16描绘了相应的控制器54。配置用于特定叶片16的所有传感器40均可与单个控制器54通信，其中多个控制器54与系统控制器56通信。系统控制器56可位于例如机舱14(图1)、塔架12、远程位置或任何其它合适的位置中。与叶片16—起使用的传感器40的类型可以是上述装置中的任一种或组
八
口 ο本发明也涵盖根据上述方面的各种方法实施例。例如，提供了一种用于检测壳体构件之间沿风力涡轮转子叶片的边缘的分离的方法。该方法可包括监测转子叶片的内部腔体内的物理特性并检测指示沿相应边缘的分离的发生的物理特性上的变化。响应于检测到的分离，可产生如上所述的任何形式的自动响应，包括警报、信号、修正措施等。方法实施例中的监测的物理特性可包括转子叶片内的光、声音或压力中的任一种或组合。在备选的方法实施例中，监测的物理特性可为邻近相应的边缘的壳体构件之间的距离。该距离可用有源感测方法或无源感测方法来监测。例如，可通过检测由沿相应边缘的分离引起的电气参数上的变化而监测距离。该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果这种其它示例包括与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种可操作地配置用于风力涡轮以检测沿风力涡轮转子叶片的边缘的壳体构件的分离的监测系统，所述系统包括 传感器，所述传感器设置在转子叶片的内部腔体内，所述传感器相对于所述转子叶片的前缘或后缘取向且配置成检测所述转子叶片内的物理特性，所述物理特性指示沿所述相应边缘在所述壳体构件之间的分离的出现；和 控制器，所述控制器配置成接收来自所述传感器的信号并启动对检测到的分离的自动响应。
2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，还包括设置在所述转子叶片内的多个所述传感器，所述传感器设置成以便监测沿所述前缘或后缘中的一个或两个的至少一部分的所述物理特性。
3.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述传感器为光传感器，所述光传感器配置成检测由沿所述相应边缘的分离导致的所述转子叶片内的内部光。
4.根据权利要求3所述的监测系统，其特征在于，所述控制器配置成将由所述光传感器检测到的内部光的量与设定点值进行比较并在限定的差值处启动所述自动响应。
5.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，还包括设置在所述转子叶片的外部且与所述控制器通信的环境光传感器，其中，所述控制器配置成将由所述内部传感器检测到的内部光的量与由所述环境传感器检测到的环境光的量进行比较并在限定的差值处启动所述自动响应。
6.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述传感器为声传感器，所述声传感器配置成检测由沿所述相应边缘的分离导致的所述转子叶片内的增加的噪音水平。
7.根据权利要求6所述的监测系统，其特征在于，所述控制器配置成将由所述声传感器检测到的所述噪音水平与阈值或初始基线噪音水平进行比较。
8.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述传感器为压力传感器，所述压力传感器配置成检测由沿所述相应边缘的分离导致的所述转子叶片内的环境压力的变化、比较所述检测到的环境压力与阈值并且在限定的差值处启动所述自动响应。
9.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述传感器为距离传感器，所述距离传感器配置成检测由沿所述相应边缘的分离导致的所述壳体构件之间的距离上的变化。
10.根据权利要求9所述的监测系统，其特征在于，所述距离传感器为有源传感器。
11.根据权利要求9所述的监测系统，其特征在于，所述距离传感器为电传感器，所述电传感器配置成检测由沿所述相应边缘的分离产生的电气特性上的变化。
12.根据权利要求11所述的监测系统，其特征在于，所述电传感器包括电阻路径，所述电阻路径跨越所述壳体构件之间并且在发生沿所述相应边缘的分离时改变其电阻值。
13.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述自动响应为下列中的任一种或组合产生指示检测到的分离的信号；产生警报；或启动涡轮预防措施。
14.根据权利要求13所述的监测系统，其特征在于，所述控制器配置成响应于检测到的分离启动所述风力涡轮转子的制动。
15.一种用于检测沿风力涡轮转子叶片的边缘在壳体构件之间的分离的方法，所述方法包括监测所述转子叶片的内部腔体内的物理特性并且检测指示沿所述相应边缘的分离的发生的物理特性上的变化；以及启动对所述检测到的分离的自动响应。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述监测的物理特性为所述转子叶片内的光、声音或压力中的任一种或组合。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述监测的物理特性为邻近所述相应边缘的所述壳体构件之间的距离。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述距离用有源感测方法来监测。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述距离通过检测由沿所述相应边缘的分离引起的电气参数上的变化来监测。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述自动响应为下列中的任一种或组合产生指示检测到的分离的信号；产生警报；或启动涡轮预防措施。
全文摘要
本发明涉及一种风力涡轮叶片边缘监测系统。更具体而言，一种可操作地配置用于风力涡轮以检测沿风力涡轮转子叶片的边缘的壳体构件的分离的监测系统和相关联的操作方法。该系统包括设置在转子叶片的内部腔体内的传感器的任何配置，其中传感器相对于叶片的前缘或后缘而取向且配置成检测叶片内的物理特性，该物理特性指示沿被监测的边缘的壳体构件之间的分离的出现。控制器配置成接收来自传感器的信号并启动对检测到的分离的自动响应。
文档编号G01M13/00GK103033349SQ201210368138
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月28日 优先权日2011年9月29日
发明者V.M.海尔马思, V.C.哈鲁普卡, D.M.雷迪 申请人:通用电气公司