风力涡轮机转子叶片的制作方法

本发明描述了一种风力涡轮机转子叶片；一种风力涡轮机；以及一种测量嵌入风力涡轮机转子叶片的主体中的加强元件上的负载的方法。

背景技术：

1、风力涡轮机转子叶片一般主要由嵌入诸如环氧树脂或其他类型的聚合物树脂的合成树脂中的玻璃纤维材料层制成。特别是在必须能够承受非常高的负载的较长的转子叶片的情况下，将高刚度的加强部件嵌入转子叶片主体的层压结构中可能是有益的。碳纤维正被用于风力涡轮机转子叶片的制造中，因为它可赋予转子叶片刚度，而不会显著增加总重量。包含碳纤维结构加强元件导致许多进一步的考虑。由于碳是导电的，因此任何碳纤维结构加强元件都必须被包括在防雷布置结构中，例如提供碳纤维结构和引下线之间的电连接。

2、已知为风力涡轮机转子叶片配备各种传感器，以便能够测量在风力涡轮机的操作期间作用在转子叶片上的负载。应变计可被安装在转子叶片主体的表面上，或者嵌入复合结构中。细导线或引线可被用于将应变计连接到发送器，或直接连接到评估模块。然而，由于内部火花或闪络的风险，可能难以在碳加强元件附近部署电传感器，并且此类电传感器将会损害防雷系统。雷击可能会导致电连接到传感器的数据采集设备的损伤。由于这些原因，电应变计或其他导电传感器可能不会放置在碳纤维加强元件或lps部件的最小距离内，所述最小距离例如为20cm。这些限制极大地限制了可部署在具有嵌入的碳纤维加强件的转子叶片中的传感器的数量，并且基于这种受限数量的传感器的任何负载测量都是不完整的，且不能被视为实际负载的可靠指示。

3、然而，作为风力涡轮机的负载验证和负载认证的一部分，必须能够监测或测量机械负载、应力、应变等。此外，重要的是能够评定在风力涡轮机的操作期间作用在转子叶片及其嵌入结构上的负载的大小，使得风力涡轮机控制器可在必要的情况下调整操作参考，以便避免损伤。

4、为了克服这些问题，已提出实施不包括任何导电部分的光学应变计。然而，在诸如碳纤维翼梁帽的加强结构处实施这种光学应变计是非常昂贵的，因为难以将光学应变计放置在翼梁帽和抗剪腹板或梁之间，并且无法直接从转子叶片的内部接近翼梁帽。将这种光学应变计布置在转子叶片的外表面处通常也是不切实际的，因为它们相对大并且将会改变转子叶片的空气动力学轮廓，并且因为任何这种外部附接的主体最终都可能会脱离和失效。在另一种方法中，可部署光纤应变计，这是通过将光纤胶合到转子叶片的外表面上并手动将它们表面覆层(over-laminating)。这样的解决方案已表明缺乏稳健性并且会提供错误的测量结果。

5、因此，本发明的一个目的在于提供一种测量具有嵌入的碳纤维加强结构的转子叶片中的负载的改进方法。

6、该目的通过权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片；通过权利要求8所述的风力涡轮机；以及通过评估嵌入转子叶片的主体中的碳纤维加强元件的结构完整性的权利要求11所述的方法来实现。

技术实现思路

1、根据本发明，风力涡轮机转子叶片包括加强元件，其嵌入转子叶片的主体中并且沿转子叶片的纵向(即，翼展向)方向延伸，使得加强元件的一个“长”边基本上相对于转子叶片的前缘对准，并且其另一“长”边基本上相对于转子叶片的后缘对准。该加强元件的纵向轴线可按照通常的方式大致沿转子叶片的纵向轴线对准。本发明的转子叶片还包括布置在与加强元件的一个长边间隔一定距离处的多个压电换能器，以及还包括布置在与加强元件的另一长边间隔一定距离处的多个压电换能器。因此，一组压电换能器更靠近转子叶片的前缘，并且另一组更靠近转子叶片的后缘。本发明的转子叶片还包括连接器布置结构，例如一组导线或引线，以用于将激励信号施加到压电换能器中的任一个，以及用于将感测信号从压电换能器中继到评估模块。

2、在本发明的背景下，压电换能器应被理解为通过振动响应于激励电压。振动的幅度和频率与激励信号的幅度和频率直接相关。同样，这样的压电换能器应被理解为通过生成对应的电压或“感测信号”来响应于振动。技术人员将熟悉此类压电装置的操作原理。响应于电激励信号而生成的振动的幅度和频率本质上“反映”施加到换能器的电压的幅度和频率。类似地，由感测换能器生成的电压的幅度和频率本质上“反映”感测到的振动的幅度和频率。因此，在下文中，相同的术语可用于指代激励电压和所得振动，或者指代感测到的振动和所得电压。

3、本发明的转子叶片的一个优点在于，可在风力涡轮机的操作期间可靠地估计作用在嵌入转子叶片中的加强元件上的负载。然后，该信息可用于调整风力涡轮机操作参数，以避免使加强元件(或转子叶片)过载。如技术人员将意识到的，转子叶片的结构元件被制造成承受高达一定大小的负载。如果可确定加强元件负载不足，则从压电换能器所感测到的信号获得的信息也可用于调整风力涡轮机操作参数，以便增加输出功率。

4、根据本发明，风力涡轮机包括：安装到轮毂的多个这种转子叶片；激励模块，其配置将激励信号施加到压电换能器中的任一个；以及评估模块，其配置成评估从压电换能器接收的信号。

5、根据本发明，评估嵌入这种风力涡轮机的转子叶片的主体中的加强元件的结构完整性的方法包括以下步骤：选择加强元件的一侧上的压电换能器；操作激励模块，以将激励信号施加到所选的发射器；以及操作评估模块，以评估由加强元件的另一侧上的压电换能器接收的信号。

6、本发明的特别有利的实施例和特征通过从属权利要求给出，如在以下描述中揭示的。视情况可结合不同权利要求类别的特征，以给出本文未描述的另外的实施例。

7、在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可假定加强元件为布置在翼梁的抗剪腹板的外端处的翼梁帽。一般而言，抗剪腹板基本上垂直于弦布置，并且翼梁帽相对于抗剪腹板沿横向方向布置。

8、加强元件可具有层状结构，即，它可包括由树脂粘合的加强材料层。示例性加强元件可由拉挤碳纤维元件制成，其结合在一起以形成长且基本上平坦的结构，该结构例如可通过安装在翼梁的抗剪腹板的任一端处而嵌入转子叶片主体中。在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可假定加强元件包括碳纤维材料。

9、术语“碳纤维翼梁帽”、“碳翼梁帽”或简单的“翼梁帽”在下文中可互换使用。除非另有说明，否则应当假定术语“翼梁帽”是指由碳纤维加强材料制成的翼梁帽，例如由树脂粘合的拉挤碳纤维层的堆叠体。如技术人员将知晓的，在模制转子叶片时的复合材料叠层步骤期间，这样的预制碳翼梁帽通常被布置在玻璃纤维垫层之间的期望位置。

10、如上面解释的，压电换能器具有在电信号和机械振动之间转换的类型，即，压电换能器将电信号转换成机械振动，以及相反。表述“感测信号”和“接收信号”应被理解为同义词并且可在本文中互换使用。如技术人员将意识到的，可使用各种合适类型的压电换能器。例如，可使用压电陶瓷元件，诸如压电盘、压电板、压电环或压电圆柱体。可部署具有大约5-25mm的直径以及大约0.2-3mm的厚度的盘。此类装置可被安装到转子叶片的表面上。同样，此类装置可相对容易地嵌入转子叶片主体的复合层结构中。本发明可使用堆叠式压电致动器来实现，例如，用于在设计约束要求相对的成对换能器必须被放置得相对远离的情况下，生成适当强的声振动。“压电换能器”在下文中可简称为“换能器”。

11、在本发明的一个特别优选的实施例中，转子叶片包括在碳翼梁帽的任一侧上呈线性布置结构或“串”的多个压电换能器。每对相对的换能器可“成一直线”布置，即沿基本上垂直于翼梁帽的长轴的线布置。压电换能器的每个线性布置结构通过电导体连接到激励模块和/或评估模块。例如，碳翼梁的一侧上的压电换能器可仅用作“发射器”(即，用于响应于激励电压而生成振动)，并且该碳翼梁的另一侧上的压电换能器仅用作“接收器”或“传感器”(即，用于响应于感测到的振动而生成电压)。可替代地，通过以适当的方式将压电换能器连接到激励模块和评估模块两者，碳翼梁的任一侧上的压电换能器可交替地用作“发射器”和“传感器”。

12、激励信号可具有任何合适的性质。在本发明的一个优选实施例中，激励信号为猝发脉冲(burst)，例如明确定义的包络中的简短振荡序列。

13、在本发明的一个优选实施例中，评估模块被配置成计算激励信号和接收信号之间的飞行时间。这可通过识别接收信号中的与激励信号的等效标志峰相对应的标志峰来完成。

14、在本发明的一个优选实施例中，评估模块被配置成计算接收信号相对于激励信号的衰减。

15、当然，其他更复杂的信号参数可使用适当的信号处理技术来提取，例如小波变换、希尔伯特变换、匹配追踪信号分解等。

16、在本发明的另一优选实施例中，激励信号为连续信号，例如正弦信号。如果可根据信号衰减来可靠地估计翼梁帽应变，则这样的方法可能是优选的。

17、可通过将感测信号与预期信号相比较来执行感测信号的评估。例如，这可基于先前收集的校准数据来完成。已知的是，使特定类型的转子叶片经受循环负载测试，以便估计转子叶片的预期寿命，确定最大可允许负载，测量负载下的挠曲等。这样的负载测试过程还可用于收集本发明的方法的相关信息。在一种方法中，在转子叶片处于无负载状态时，选择性地致动换能器，并且收集感测信号。随后，使转子叶片经受已知负载，并再次收集感测信号。由于负载已知，因此可以确定翼梁帽应变，并且可在应变和观察到的感测信号之间建立关系。随后，在风力涡轮机的操作期间，评估感测信号以估计对应翼梁帽中的瞬时应变是很容易的。

18、为了致动换能器并评估感测信号，风力涡轮机优选地配备有合适的控制单元，该控制单元例如可被安装在轮毂中。该控制单元优选地包括激励模块，其用于将激励信号施加到一个或多个换能器。例如，这可在风力涡轮机的操作期间以规则的间隔来完成，或者响应于来自控制器的命令来完成。该控制单元还可包括评估模块，其用于接收和处理所得感测信号。当然，评估模块不需要“在本地”实现。替代的是，控制单元可被配置成将任何感测信号转发到远程场区控制器，例如用于评估和处理。无论哪种方式，感测信号的评估和处理的结果可被用于调整风力涡轮机的控制参考，例如，用于在转子叶片没有过度负载的情况下增加功率输出，或者在转子叶片经受不利的高负载的情况下减小功率输出或调整转子叶片桨距。

19、在本发明的转子叶片的一个实施例中，加强元件为处于转子叶片的最大翼型厚度的区域中的翼梁的抗剪腹板的任一侧上的翼梁帽。压电换能器的线性布置结构被布置在转子叶片的吸力侧处的翼梁帽的任一侧上，并且压电换能器的另一个线性布置结构被布置在转子叶片的压力侧处的翼梁帽的任一侧上。在这样的实施例中，总共四串压电换能器被嵌入转子叶片中。

20、在本发明的转子叶片的另一优选实施例中，除了如上面解释的处于最大翼型厚度的区域中的碳翼梁帽之外，转子叶片还包括更靠近后缘的较小翼梁，并且该较小翼梁的翼梁帽也可以是本发明的背景下的加强元件。应当领会到的是，这样的“后缘翼梁”及其翼梁帽可小于主翼梁及其翼梁帽。在这样的实施例中，总共八串压电换能器可被嵌入转子叶片中，其中两串换能器处于每个翼梁帽的任一侧上。在本发明的另一优选实施例中，可减少压电换能器的数量，这是通过在吸力侧上的主翼梁的翼梁帽和后缘翼梁的翼梁帽之间布置单一串，以及通过在压力侧上的主翼梁的翼梁帽和后缘翼梁的翼梁帽之间布置单一串。在这样的实施例中，总共六个压电换能器串足以估计四个碳翼梁帽上的应变。

21、当然，加强元件不需要是翼梁帽，并且可简单地是嵌入转子叶片的任何区域中的层状加强结构。当应用于如上面解释的固有导电的加强元件时，本发明是特别有利的，因为换能器被定位在安全距离处并且在闪电事件期间不会造成闪络的风险。

22、本发明的方法允许间接测量加强结构上的应变或负载，即不需要将传感器直接放置在加强结构本身上。这使得本发明特别适合于测量转子叶片的难以到达或难以接近的区域中的应变和负载，例如在后缘中或附近，或者在转子叶片的细的末梢端中。