专利名称：在加载期间监测风力涡轮机叶片上的应力的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及风力涡轮机叶片的无损评价，并且更具体地，涉及应力测量技术。
背景技术：
静态和动态加载通常用于风力涡轮机叶片中测试叶片的强度。尽管在前一种情况下施加静态载荷，但是也在动态加载中施加变化载荷或周期性载荷。通常，各种技术用于在这样的加载过程期间测量叶片上的应力。一种公知的应力测量技术使用安装在部件(例如叶片)上的应变计来间接地测量应力。通常，叶片装备有应变计以测量各位置处的应变。例如，大约120个应变计安装在37米的叶片上并且这些应变计中的大约20%安装在叶片的内侧上。这样的测量结果与设计规 范界限比较，并且在测量结果超过规范界限的情况下发出警报。然而，应变计经由环氧树脂结合到叶片对固定位置处的叶片的表面上的应变进行测量。这样的测量受到多种因素影响，这些因素例如但不限于粘合的刚度和应变计的取向。另外，应变计测量可能受到温度变化影响。此外，叶片上的褶皱、脱层或其它缺损的存在可能导致实际应变的变化。因此，需要一种改进的应力测量技术来解决一个或多个前述问题。
发明内容
根据本发明的实施例，提供一种在加载期间鉴定风力涡轮机叶片的方法。所述方法也包括捕捉所述叶片的相应位置处的多个图像。所述方法还包括基于捕捉的图像测量所述相应位置处的温度。所述方法还包括基于所述测量的温度计算在所述相应位置施加于所述叶片的应力。所述方法还包括比较所述计算的应力与有限元模型中的相应理论应力以预测所述叶片的使用寿命。所述方法也包括在所述相应位置中的一个或多个位置处的所述计算的应力超过预定界限的情况下向操作者报警。根据本发明的另一个实施例，提供了一种在加载期间监测风力涡轮机叶片上的应力的系统。所述系统包括照相机，所述照相机被配置成捕捉所述叶片的相应位置处的多个图像。所述系统也包括处理器，所述处理器被配置成从所述照相机接收多个温度测量并且基于所述测量计算应力。所述处理器也比较所述计算的应力与有限元模型中的相应理论应力以预测所述叶片的使用寿命。所述处理器还在所述相应位置中的一个或多个位置处的所述计算的应力超过预定界限的情况下向操作者报警。
当参考附图阅读以下详细描述时将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中在图中相似的附图标记始终表示相似的部分，其中图I是根据本发明的实施例的用于监测典型的风力涡轮机叶片上的应力的系统的示意图。图2是图I中的红外照相机所使用的示例性扫描配置。图3是在图I中的照相机的方向上的视图的示意图。图4是由图I中的照相机捕捉的叶片14的侧视图。图5是由图I中的照相机捕捉的叶片14的前视图。图6是流程图，表示根据本发明的实施例的用于监测风力涡轮机叶片中的应力的方法中的步骤。
具体实施例方式如下面详细地所述，本发明的实施例包括一种用于鉴定风力涡轮机叶片的系统和 方法。热弹性技术监测(一个或多个)叶片的疲劳测试期间的应力。当在本文中使用时，术语‘疲劳测试’指的是在(一个或多个)叶片上周期性地施加载荷，例如在相反方向上压缩和拉伸的交替循环。这样的技术能够在时间上和空间上监测叶片上的应力。此外，这样的技术能够识别(一个或多个)叶片上的损伤位置并且在周期性加载期间监测损伤的扩展。因此，该技术能够估计用于(一个或多个)叶片上的材料的强度和(一个或多个)叶片的使用寿命。这样的技术的目的是估计叶片的使用寿命和叶片的疲劳强度。应当注意尽管下面的论述涉及风力涡轮机叶片，但是该技术可以用于各种应用中，这些应用例如但不限于直升飞机和船舶的螺旋桨叶片。图I是用于监测典型的风力涡轮机叶片14上的应力的系统10的示意图。在周期性加载过程期间叶片14由加载机或致动器16致动。从加载机16分接锁定信号18。信号18包括关于正在施加的载荷在载荷的幅度和频率方面的量的信息。红外(IR)照相机22用于连续地捕捉叶片14的图像24。红外照相机22测量通过叶片14的表面25排放的温度。在特定实施例中，照相机22可以测量大约20mK的温度变化。红外照相机22定位在不同位置，聚焦于叶片14的不同部段。红外照相机22也联接/安装在对照相机22的扫描机构进行引导的编码器27上。这确定照相机22的平移和旋转位置，并且也确定由照相机22覆盖的叶片14的视场。在操作中，锁定信号18与所施加的周期性载荷同步并且在所施加的载荷的最大值时启动采集数据。这样的采集触发照相机22开始捕捉叶片14的图像。在特定实施例中，照相机22可以布置在机架(未显示)上并且围绕叶片14的不同部段旋转。此外，照相机在叶片14下方致动并且扫描表面。在一个实施例中，照相机22可以位于视场大于至少大约Im的位置。联接到照相机22的锁定处理器32估计精确的温度排放以及叶片上的应力并且识别叶片14上的损伤位置。叶片14可以包括标记物，对于照相机22所捕捉的不同帧所述标记物能够更容易地对准叶片。在另一个实施例中，激光器(未显示)可以安装在照相机22上，所述激光器产生的光斑可以用于对准叶片或用于帧配准或运动补偿。处理器32也消除环境温度对温度测量的影响，并且也消除由于噪声引起的测量的变化。此外，运动补偿算法由处理器32使用以在周期性加载过程期间消除叶片14的位置的变化。所测量的叶片14上的应力使用例如但不限于双线性变换、仿射配准或透视配准的技术映射到CAD模型上。对叶片14的压力侧和吸力侧执行映射。映射应力模型还可以与FEA模型进行比较以用于检测应力相对于预测值的变化。因此，可以确定高应力/损伤位置。记录检测到高应力和损伤开始之间的时间间隔。监测加载过程期间损伤的增长并且估计损伤率。此外，CAD模型上的映射应力数据经历有限元模型(FEM)以预测叶片14的使用寿命。在所测量的应力超出预定界限的情况下向操作者报警。应当注意本发明的实施例不限于用于执行本发明的处理任务的任何特定处理器。当在本文中使用时，术语“处理器”旨在表示能够执行对执行本发明的任务所必需的计算或运算的任何机器。术语“处理器”旨在表示能够接受结构化输入并且能够根据规定规则处理输入以产生输出的任何机器。图2-5是图I中的红外照相机22所使用的示例性扫描配置。在图2中的示例性实施例中，照相机22定位成在附图标记42所指示的X方向上离叶片14大约5m并且在Y方向44上距离该叶片5m，并且具有如区域46所示的视场。类似地，图3示出了叶片14在具有视场48的照相机22的方向上的视图，而图4和5分别示出了分别具有视场52和56的侧视图和前视图。图6是流程图，表示用于监测叶片上的应力的方法中的步骤。该方法包括在步骤 102中捕捉叶片的相应位置处的多个图像。在一个实施例中，在叶片的多个部段扫描照相机以捕捉图像。在另一个实施例中，在经由锁定信号触发照相机之后捕捉图像。此外，在步骤104中基于捕捉的图像测量相应位置处的温度。在步骤106中基于测量的温度计算相应位置处叶片正受到的应力。在特定实施例中，在计算应力之前消除环境温度影响。在另一个实施例中，消除由于噪声引起的温度测量的变化。在又一个实施例中，经由运动补偿算法消除加载过程期间叶片的位置的任何移位。在另一个实施例中，在步骤108中将应力映射到CAD模型上。在又一个实施例中，应力与有限元分析进行比较以预测叶片的使用寿命。在该应力映射CAD模型上使用分析和有限元模型以估计叶片的剩余使用寿命。在步骤112中在相应位置中的一个或多个位置处的计算的应力超过预定界限的情况下向操作者报警。上述用于鉴定风力涡轮机叶片的系统和方法的各实施例因此提供了一种方式以实现在加载过程期间测量应力的方便并且有效的手段。该技术也提供非接触、远程测量和精确读数。该技术也消除了对当前使用的应变计的使用，因此导致成本效益高的测量手段。此外，该技术允许在线监测叶片的整个表面(两侧)以用于应力测量，因此能够实现精度更高的读数。应当理解可以不必根据任何特定实施例实现上述的所有这样的目的或优点。因此，例如本领域的技术人员将认识到本文中所述的系统和技术可以以实现或优化如本文中教导的一个优点或一组优点的方式实施或实现而不必实现可能在本文中教导或建议的其它目的或优点。此外，熟练技术人员将认识到来自不同实施例的各特征的可互换性。类似地，所述的各特征以及每个特征的其它已知等效物可以由本领域的普通技术人员组合和匹配以构造根据本发明的原理的附加系统和技术。尽管在本文中示出并且描述了本发明的仅仅一些特征，但是本领域的技术人员将想到许多修改和变化。所以，应当理解附带的权利要求旨在涵盖属于本发明的真实精神内的所有这样的修改和变化。
权利要求
1.一种在加载期间鉴定风力涡轮机叶片的方法，所述方法包括 捕捉所述叶片的相应位置处的多个图像； 基于捕捉的图像测量所述相应位置处的温度； 基于测量的温度计算在所述相应位置施加于所述叶片的应力； 比较计算的应力与有限元模型中的相应理论应力以预测所述叶片的使用寿命；以及在所述相应位置中的一个或多个位置处的所述计算的应力超过预定界限的情况下向操作者报警。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述计算应力包括消除环境温度影响。
3.根据权利要求I所述的方法，其中所述计算应力包括消除由于噪声引起的变化。
4.根据权利要求I所述的方法，其中所述计算包括消除加载过程期间所述叶片的位置的移位。
5.根据权利要求I所述的方法，其中所述捕捉所述多个图像包括在所述叶片的不同部段扫描照相机。
6.根据权利要求I所述的方法，其中所述方法还包括经由锁定信号触发图像的捕捉。
7.根据权利要求I所述的方法，其中所述方法还包括将所述应力映射到CAD模型上。
8.—种在加载期间监测风力涡轮机叶片上的应力的系统，所述系统包括 照相机，所述照相机被配置成捕捉所述叶片的相应位置处的多个图像；以及 处理器，所述处理器被配置成 从所述照相机接收多个温度测量并且基于所述测量计算应力； 比较计算的应力与有限元模型中的相应理论应力以预测所述叶片的使用寿命；以及在所述相应位置中的一个或多个位置处的所述计算的应力超过预定界限的情况下向操作者报警。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述系统还包括联接到所述叶片以将载荷施加于所述叶片的致动器。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述照相机基于经由锁定信号的触发捕捉所述多个图像。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述照相机包括红外照相机。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述照相机定位在离所述叶片的表面至少Im的视场距离处。
13.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器包括以消除在加载期间遇到的所述叶片的位置的变化的运动补偿算法或帧配准算法。
14.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器包括以消除环境温度影响的算法。
15.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器包括以消除由于噪声引起的测量的变化的算法。
全文摘要
本发明涉及用于确定风力涡轮机叶片的使用寿命的系统和方法。公开一种用于在加载期间监测风力涡轮机叶片上的应力的方法。所述方法包括捕捉所述叶片的相应位置处的多个图像。所述方法也包括基于捕捉的图像测量所述相应位置处的温度。所述方法还包括基于所述测量的温度计算在所述相应位置处施加于所述叶片的应力。该方法还包括基于测量的温度计算在相应位置处施加于叶片的应力。所述方法还包括比较计算的应力与有限元模型中的相应理论应力以预测所述叶片的使用寿命。所述方法也包括在所述相应位置中的一个或多个位置处的所述计算的应力超过预定界限的情况下向操作者报警。
文档编号G01L1/00GK102841026SQ20121021332
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月25日 优先权日2011年6月24日
发明者S.乔治 申请人:通用电气公司