CN116848381A

CN116848381A - 转子叶片监控装置

Info

Publication number: CN116848381A
Application number: CN202180093402.9A
Authority: CN
Inventors: L·O·伯恩哈默; M·A·弗雷梅列夫; P·拉德普利; E·奥洛维茨
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-10-03
Also published as: EP4040119A1; WO2022171350A1; US20240369040A1; EP4256286A1

Abstract

本发明描述了一种风力涡轮机转子叶片监控装置(1)，包括：安装在转子叶片(20)上的电动激励器(10)；激励单元(11)，被配置成生成用于电动激励器(10)的激励信号(110)；力传感器(10F)，被配置成测量在电动激励器(10)操作期间施加到转子叶片(20)的力(100)，该力传感器(10F)与电动激励器(10)并置；振动传感器(12)，布置在转子叶片(20)上，与电动激励器(10)相距一定距离；以及评估单元(13)，被配置成基于振动传感器输出(120)和测量的力(100)推断转子叶片(20)的健康状态。本发明还描述了一种监控风力涡轮机转子叶片(20)的健康状态的方法。

Description

转子叶片监控装置

技术领域

本发明描述了风力涡轮机转子叶片的监控装置，以及监控风力涡轮机转子叶片健康状态的方法。

背景技术

风力涡轮机转子叶片在其寿命期间可能遭受极端天气条件以及极端风力负载。转子叶片在其寿命期间的损坏是不可避免的，但是重要的是能够评估损坏的程度以避免转子叶片的故障，因为这通常与停工期、收入损失和昂贵的维修过程相关联。

因此，通常执行某种结构健康监控(SHM)，以评估转子叶片在其寿命期间任何点的损坏等级。在一种方法中，在转子叶片的自然频率范围内的低频激励下进行损坏评估。例如，被动SHM系统可配置成在风力涡轮机操作期间被动地“监听”转子叶片的固有频率振动，例如当遭受到风负载时、在湍流期间等。然而，这样的低振动频率对结构损坏相对不敏感。从这种方法中可以获得的信息是有限的，因为只能从这样的低频率的激励中推断出相对大的缺陷的存在。一般来说，激励频率与可检测到的损坏量成反比。

在例如WO2016012372A1中提出的可替代方法中，已知部署致动器或激励器，例如冲击锤或电动柱塞，以便通过冲击将力传递到转子叶片中。然而，这种方法对转子叶片应用钝力，这可能导致结构损坏或不必要的结构恶化。虽然这种方法导致更宽范围的频率通过转子叶片体传播，但是不可能以任何精确程度确定这种形式的激励的频率成分，使得对任何测量的传感器数据的评估都相应地不精确。已知的是，在SHM过程期间，部署压电叠堆致动器将能量施加到转子叶片中，但是这种设备只能生成相对弱的力，使得将需要大量这种设备来评估长转子叶片的结构健康。

因此，本发明的目的是提供一种评估转子叶片的结构完整性的方式，以克服上述问题。

该目的通过权利要求1的转子叶片监控装置来实现；以及通过权利要求12的监控风力涡轮机转子叶片的健康状态的方法来实现。

发明内容

根据本发明，风力涡轮机转子叶片监控装置包括：布置在转子叶片表面上的电动激励器(或“电动震动器”)；激励单元，被配置为操作电动激励器；力传感器，被配置成测量在电动激励器的操作期间施加转子叶片的力，该力传感器与电动激励器并置。监控装置还包括：振动传感器，该振动传感器布置在转子叶片中或转子叶片上，与电动激励器相距一段距离；以及评估单元，被配置成基于电动激励器操作期间振动传感器输出和测量的施加力来推断转子叶片的健康状态。

电动震动器不是冲击柱塞或锤，因为它不包括任何撞击或冲击转子叶片的移动部件。相反，电动震动器部署强大的振荡磁场，将振动施加给被测对象。有各种类型的电动震动器，具有与被测对象的各种连接模式。惯性震动器直接安装到被测对象，对象的质量提供惯性。在下文中，可以假设电动激振器是惯性震动器，并且术语“非冲击震动器”、“电动激振器”、“电动致动器”、“电动震动器”和“惯性震动器”可以可互换使用。惯性震动器包括坚固的外壳、线圈和电磁体。惯性震动器的外壳牢固地固定到被测对象。例如，震动器可以被构造成使得移动元件是磁体。在这种类型的惯性震动器的操作期间，交流电流被应用到线圈，线圈继而生成强大的交变轴向力，从而使磁体位移。当这种惯性震动器附着到被测对象时，由振荡磁体施加的力被传递到被测对象。激励电流的频率和幅度确定“输出信号”的频率和幅度，“输出信号”即应用到被测对象的力，在这种情况下是应用到转子叶片体的力。

电动激励器可以通过设置其输入电压、选择合适的频谱和相关联的幅度来控制。然而，惯性震动器的动态特性可能会在不同程度上衰减频谱的分量。此外，震动器和转子叶片之间的任何物理连接也具有衰减频谱分量的效果。这意味着实际施加到转子叶片的力的幅度和频谱可能与明确定义的输入显著不同，从而难以从任何感测到的信号中提取有意义的信息。本发明方法的优点在于，实际应用到转子叶片的力的幅度和频谱可以由并置的力传感器以高准确程度确定，并因此，任何感测到的信号都可以根据实际施加的力来评估，从而产生更有意义和有用的结果。

应当理解，力传感器的输出是电动激振器生成的“输入信号”的表示，即传递到转子叶片体中的力的表示。用于描述力传感器的位置的术语“并置”应当理解为意指力传感器被放置成基本上直接测量由惯性震动器生成的力。并置的力传感器可输出具有振幅和频谱的电信号，该电信号可被视为应用到转子叶片体的输入信号的“映像”。频域分析可以产生关于应用到转子叶片的力的功率谱的信息。在本发明的优选实施例中，可以基于该反馈，即基于实际测量的施加到转子叶片体的力，来调整激励信号。在本发明的优选实施例中，力传感器被放置在沿着惯性震动器的主轴的点处，例如，力传感器可以沿着电动激励器的线圈和磁体布置的对称纵轴。

虽然或许有可能通过在惯性震动器附近使用加速度计来估计所应用的力，但是这种传感器的准确度可能会由于惯性震动器的安装区域和加速度计的位置之间的任何结构损坏(即使是微小的损坏)而受到显著损害，随着转子叶片的老化，这一方面将变得更加相关。本发明通过将力传感器与惯性震动器并置避免了这种不准确性。

本发明的监控装置的优点在于，有可能使用来自力传感器的反馈来配置惯性震动器的输出信号，即应用到转子叶片的力，从而可以根据需要调整电动激振器的频谱。以这种方式，电动激励器可以被操作以生成激励信号，即振动或振荡，该激励信号被优化用于转子叶片中的损坏检测。电动激励器的振荡可以根据需要调整，优选地基于来自力传感器的反馈信号来调整，以覆盖有利的宽频带，从而可以从振动传感器输出的分析中检测更宽范围的故障。因此，本发明的监控装置能够检测较小的故障，例如微小的裂纹和裂缝，从而允许对转子叶片的健康状态进行更全面的评估。

本发明还描述了一种风力涡轮机，其具有：安装到轮毂的多个转子叶片(通常为三个)；以及用于至少一个转子叶片的这种监控装置的实例。这种转子叶片可以具有任意数量的振动传感器，这些传感器布置在离惯性震动器一定距离处。振动传感器可以是加速度计或任何其他合适的传感器，其附着到转子叶片的(内)表面，或者至少部分地嵌入转子叶片体中。振动传感器在下文中可以被称为“远场传感器”，并且可以被假设为响应于感测到的振动而生成输出信号。例如，输出信号可以是电压。可替代地，可以部署光学加速度计来感测由惯性震动器引起的振动。振动传感器可以是仅用于检测来自惯性震动器的振动的专用传感器，或者它可以是并入在转子叶片中用于其他感测目的的传感器。

根据本发明，监控风力涡轮机转子叶片的健康状态的方法包括以下步骤：在转子叶片的表面上布置电动激励器；将力传感器与电动激振器并置，以直接测量应用到转子叶片的力；将振动传感器布置在转子叶片上距电动激励器一定距离处；操作电动激励器并使用并置的力传感器来测量在电动激励器操作期间施加到转子叶片的力；以及基于在激励器操作期间振动传感器输出和测量的力推断转子叶片的健康状态。

本发明的方法可以以规则间隔应用，从而可以在转子叶片寿命期间对转子叶片的健康进行有利准确的评估。利用分布在转子叶片上的足够数量的振动传感器，或许有可能以一定的准确度识别诸如裂纹或脱层之类的故障的位置，从而允许更有效地安排检查和维修例程。此外，使用从本发明的方法收集的信息，有可能在考虑转子叶片的健康状态的情况下控制风力涡轮机。例如，如果根据本发明的方法已经确立一个或多个转子叶片已经累积了显著的损坏，相应地降低了承载能力，则可以控制俯仰系统以避免转子叶片上的高风力负载。同样，只要风力涡轮机的转子叶片被认为是“健康的”，风力涡轮机的功率输出能力就可以被充分利用。

如下面的描述中所揭示的，从属权利要求给出了本发明的特别有利的实施例和特征。不同权利要求类别的特征可以被适当地组合，以给出这里没有描述的进一步的实施例。

评估单元可以在本地实现，例如评估单元可以安装在轮毂中。当然，本地评估单元可以布置在风力涡轮机中的其他地方，例如作为风力涡轮机控制组件的一部分。评估单元可配置成从单个转子叶片的振动传感器或从所有转子叶片的振动传感器接收数据。在本发明的另外优选实施例中，评估单元可以在远程位置实现，例如作为风电场控制配置的一部分。这种评估单元可以被配置成从配备有本发明的监控装置的电动激励器的任何转子叶片接收远场传感器数据。为了与远程评估单元通信，风力涡轮机可以配备有将远场传感器输出传输到远程评估单元的合适构件。

电动激励器可以在任何合适的位置安装到转子叶片。例如，电动激励器可以附着到根端、过渡或肩部区域的内表面。惯性震动器可以螺栓连结到转子叶片叠层。然而，诸如螺栓的紧固件可能导致不希望的应力集中。因此，优选地，电动激励器通过粘合结合部附着到转子叶片的表面。用于附着电动激励器的粘合剂或水泥优选地在固化后基本上不可压缩，使得它不会显著地减弱传递到转子叶片体的振动。例如，可以使用合适的氰基丙烯酸酯单组分粘合剂。

力传感器可以嵌入这种粘合结合部中。可替代地，力传感器可以并入在电动激励器本身中，例如在电动激励器的外壳中，或者它可以通过螺钉或任何合适的紧固件安装到惯性震动器。不管力传感器以何种方式部署，它基本上直接处于施加到转子叶片体上的振动的“路径中”。

可以部署任意数量的振动传感器。例如，在转子叶片的一侧或两侧每5平方米布置1个振动传感器可能足以收集足够的信息，从而能够评估转子叶片的健康。当然，较少的振动传感器可以用在不太相关的区域，即不太容易受到疲劳损坏的区域。

风力涡轮机的转子叶片可以达到超过100米的长度，并且可以具有大约3-4米的根端直径。为了可靠地检测这种转子叶片的任何位置处故障的存在，电动激励器的输出力优选至少为5N，更优选至少为20N

商业可获得的惯性震动器的较低频率可以在10Hz区域中。如上所解释的，检测到的故障的大小与振荡频率成反比，从而在较高的振荡频率下更有可能检测到小故障。因此，为了能够检测小的和大的故障二者，惯性震动器的上限频率优选地至少为1kHz，更优选地至少为3kHz。

转子叶片的健康评估可以如下施行：通过向电动激励器的线圈应用电流来致动电动激励器。在电动激励器的频率范围内，取决于某些损坏对某些频率或频率范围的敏感度，可以逐渐调整激励信号的频率以覆盖期望的范围。并置的力传感器感测产生的振动，并且力传感器信号被处理以确定施加到转子叶片的“输入”振动的功率谱。同时，接收并处理来自振动传感器的远场信号，以计算感测到的振动的功率谱。比较这些功率谱，以确定该远场传感器的频率响应函数(FRF)。为了具有针对其来判断在转子叶片的寿命期间获得的远场FRF的参考，本发明的方法优选地还包括初始校准过程，该过程可以在转子叶片的制造完成时执行，优选地在将新的转子叶片安装到风力涡轮机的轮毂之后执行。如上所述致动电动激励器，并且接收并处理来自振动传感器的远场信号。原始叶片的输入功率谱和远场功率谱之间的差异可以用作参考。

本发明的方法也可用于比较风力涡轮机的所有转子叶片的FRF。因为风力涡轮机的转子叶片通常都是相同的年龄，所以一个转子叶片相比于其他转子叶片的FRF的任何变化都可以指示该转子叶片的损坏。

附图说明

从下面结合附图考虑的详细描述中，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。然而，应当理解，附图仅仅是为了说明的目的而设计的，而不是作为对本发明的限制的定义。

图1示出了配备有本发明的监控装置的实施例的转子叶片；

图2-4示出了本发明方法的阶段；

图5示出了本发明监控装置的远场传感器的示例性FRF；

图6示出了由本发明方法监控的转子叶片的示例性SHM报告；

图7以横截面示出了安装到转子叶片的电动激励器10。

在图中，相同的数字始终指代相同的对象。图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1是具有转子叶片20的风力涡轮机2的示意表示(仅示出了相关方面)，该转子叶片20配备有用于在转子叶片20上执行SHM的本发明的监控装置1的实施例。该图指示安装到转子叶片20的内表面20S的电动激振器10或惯性震动器10。惯性震动器10由激励模块11驱动。并置的力传感器10F在电动激励器10操作期间提供反馈100。多个远场振动传感器12分布在转子叶片20周围，并且它们的感测信号120由评估单元13接收。在该示例性实施例中，评估单元13被配置成处理从振动传感器12接收的信号120，以及来自并置的力传感器10F的反馈100，即表示当惯性震动器10正在操作时实际施加在转子叶片上的测量力的信号100。如这里所指示的，在电动激励器10的操作期间，激励模块11还可以从并置的力传感器10F接收反馈100，并且激励信号110可以被相应地调整。例如，可以调整激励信号110的频谱，以补偿在测量反馈100中观察到的某些频率分量的过度衰减。

评估单元13被配置成处理这些输入并比较相关参数或特性。例如，如上所解释的，它们的FRF的比较可产生关于转子叶片20的结构完整性的有用信息。在转子叶片20的寿命期间收集的数据可与从数据库14获得的参考数据12FRF₀进行比较，例如，特定传感器12的频率响应函数(FRF)可与其在校准过程期间获得的参考FRF 12FRF₀进行比较。监控装置1的模块可以在本地组织，例如激励模块11、评估单元13和数据库14可以位于风力涡轮机中的合适区域，例如轮毂21的内部。同样，评估单元13和数据库14可以在例如园区控制器的远程位置实现，并且监控装置1还可以包括用于向远程位置发送振动传感器数据120的发射器。

图2示出了本发明的方法，并示出了配备有惯性震动器10和远场传感器12的转子叶片20。在被合适的信号110激励时，并置的力传感器10F感测施加在转子叶片20上的力100。评估单元计算应用力的功率谱10P。传感器12递送所感测的电压120，并且评估单元计算相应的功率谱12P。在下一步骤中，评估单元比较输入功率谱10P和远场功率谱12P，以获得该远场传感器12的频率响应函数12FRF。这可以针对处于其新的“原始”状态的转子叶片20进行计算，并存储为参考FRF 12FRF₀以供后用。在转子叶片20的寿命期间，逐渐恶化将表现为FRF 12FRF的变化，这可以通过与参考FRF 12FRF₀进行比较来检测。

图3示出了本发明方法中的阶段。这里，惯性震动器10由来自激励单元11的激励信号110致动，以将振荡20V施加到转子叶片20中。由于典型转子叶片的复合结构的层状性质，振荡20V在它们行进穿过转子叶片体时被有效地“引导”穿过一层或多层。各种振动传感器12感测衰减的振荡。右侧示出了示例性的感测信号120_新。在原始或健康状态下，每个振动传感器12接收实际施加的振荡20V的特定衰减版本。如上所解释的，该信息的合适参数用于建立参考数据。

图4示出了本发明方法的另外阶段。这里，电动激励器10再次由相同的激励信号110致动，以将振荡20V施加到转子叶片20中。然而，在这种情况下，转子叶片20已经遭到损坏，这里示出为转子叶片体的叠层结构中的裂纹。由一个或多个振动传感器12感测的失真振荡20_故障将不同于“健康”版本，如右侧的输出信号120_故障所指示。差异的程度可以用来估计损坏的严重性。

图5示出了健康转子叶片中的振动传感器12的参考FRF 50与在转子叶片寿命期间的某个之后阶段为该同一振动传感器12获得的FRF 51的比较。FRF 50、51之间的差异程度可用于量化转子叶片的健康状态。例如，可从参考FRF 50中减去之后FRF 51，并且所得差异曲线下的面积可用作评估转子叶片健康的参数。每个振动传感器12可贡献这种信息，并且总体结果可用于得出转子叶片的“健康报告”。这可以以适当的间隔进行，例如一年几次、每几年一次等。

图6指示可以如何使用收集的信息来跟踪转子叶片的健康状态。该图示出了损坏指数条形图。在该示例中，转子叶片的损坏指数或“健康报告”以规则间隔(例如每两年)确定，以定量地评估与开始时的健康状态60相比的退化/损坏的严重性。如随后的值61-66所指示，总体损坏可能随年份逐渐增加。超过预设阈值6_失效的损坏指数66被解释为意指转子叶片必须维修或甚至更换。

图7是安装到图1的转子叶片20的电动激励器10的简化示意图。如果惯性震动器10布置在转子叶片20的翼型部分的内部，则它可以安装在翼梁的抗剪腹板上。如技术人员将知道的，电动激励器10包括布置在坚固外壳104中的线圈和磁体。线圈101的激励在垂直箭头所指示的方向上产生强磁场。力传感器10F布置在适配器103中，适配器103可以例如通过从外壳顶部延伸到其下表面的长螺栓(未示出)螺栓连接到外壳。力传感器可以放置在适配器中的任何合适的位置，但是优选地放置为靠近惯性震动器的中心垂直轴或在其上。基板105例如使用金属螺钉附着到适配器103。螺钉和螺栓可以通过诸如强力胶的粘合剂固定，以防止紧固件在震动器10的操作期间变松。在该示例性实施例中，基板105通过粘合结合部106附着到转子叶片表面20S。该图指示电动激励器10和转子叶片20之间的坚固且致密的粘合剂或水泥结合部106。

利用适当强的磁体103和选定频率范围内的适当大的激励电流，惯性震动器10可以向转子叶片20施加大的振荡力，但是有利地没有任何物理冲击。例如，惯性震动器10可以具有20N或更大的输出力，以及高达3000Hz或更大的频率范围。

该图指示嵌入粘合结合部106中的力传感器10F。来自力传感器10F的反馈100被激励单元11用来在测量过程期间调整至线圈的激励信号110的一个或多个频率分量。例如，可以增加激励信号110的频率分量的振幅，以校正在测量的力100或反馈信号100中观察到的该频率分量的不利的严重衰减。类似地，可以减小激励信号110的频率分量的幅度，如果对测量的力100的评估指示这种调整可能是合适的话。在这样的实施例中，基于由力传感器10F报告的测量的力100来调整用于电动激励器的激励信号110。

尽管本发明已经以优选实施例及其变型的形式公开，但是将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多附加的修改和变型。例如，足够强大的惯性震动器可以布置在轮毂的中央，并且以这样的方式安装：同时向所有转子叶片(通常为三个)应用振荡力。为了清楚起见，应该理解，贯穿本申请使用“一”或“一个”不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。提到“单元”或“模块”并不排除使用一个以上的单元或模块。

Claims

1.一种风力涡轮机转子叶片监控装置(1)，包括：

-安装在所述转子叶片(20)上的电动激励器(10)；

-激励单元(11)，被配置成生成用于所述电动激励器(10)的激励信号(110)；

-力传感器(10F)，被配置成测量在所述电动激励器(10)操作期间施加到所述转子叶片(20)的力，所述力传感器(10F)与所述电动激励器(10)并置；

-振动传感器(12)，布置在所述转子叶片(20)上，与所述电动激励器(10)相距一定距离；以及

-评估单元(13)，被配置成基于振动传感器输出(120)和测量的力(100)推断所述转子叶片(20)的健康状态。

2.根据权利要求1所述的转子叶片监控装置，其中所述电动激励器(10)是惯性震动器。

3.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片监控装置，其中所述电动激励器(10)的输出力至少为5N，更优选至少为20N。

4.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片监控装置，其中所述电动激励器(10)的频率范围延伸至至少1kHz，更优选延伸至至少3kHz。

5.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片监控装置，其中所述电动激励器(10)通过粘合结合部(106)附着到所述转子叶片(20)的表面(20S)。

6.根据权利要求5所述的转子叶片监控装置，其中所述力传感器(10F)并入在所述粘合结合部(106)中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片监控装置，其中所述力传感器(10F)是力换能器。

8.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片监控装置，其中振动传感器(12)附着到所述转子叶片(20)的表面，或者至少部分地嵌入所述转子叶片(20)的体中。

9.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片监控装置，包括用于存储从振动传感器(12)获得的参考数据的数据库(14)。

10.一种风力涡轮机(2)，包括安装到轮毂(21)的多个转子叶片(20)，其中至少一个转子叶片(20)配备有根据权利要求1至9中任一项的监控装置(1)。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其中所述评估单元(11)在远程位置实现，并且其中所述风力涡轮机(2)包括将振动传感器输出(120)传输到远程评估单元(11)的构件。

12.一种监控风力涡轮机转子叶片(20)的健康状态的方法，所述方法包括以下步骤：

-将电动激励器(10)布置在所述转子叶片(20)的表面(20S)上；

-将力传感器(10F)布置为与所述电动激振器(10)并置；

-将振动传感器(12)布置在离所述电动激励器(10)一定距离处；

-操作所述电动激励器(10)并使用并置的力传感器(10F)来测量施加到所述转子叶片(20)的力；以及

-基于振动传感器输出(120)和测量的力(100)推断所述转子叶片(20)的健康状态(60-66)。

13.根据前述方法权利要求所述的方法，还包括以下步骤：

-根据测量的力(100)计算输入功率谱(10P)；

-根据所述振动传感器输出(120)计算远场功率谱(12P)；以及

-根据所述输入功率谱(10P)和所述远场功率谱(12P)计算频率响应函数(12FRF)。

14.根据前述方法权利要求中任一项所述的方法，其中所述转子叶片(20)的健康状态(60……66)是从频率响应函数(12FRF)与参考频率响应函数(12FRF₀)的比较而推断出的。

15.根据前述方法权利要求中任一项所述的方法，其中计算参考频率响应函数(12FRF₀)的初始校准作为所述转子叶片(20)安装过程的一部分来执行。