專利名稱：用于監(jiān)測渦輪機(jī)葉片的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所公開的實施例總體上涉及監(jiān)測系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于監(jiān)測渦輪機(jī)葉片上的機(jī)械應(yīng)力的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪機(jī)對于可再生能源正變得越來越重要。風(fēng)力渦輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能。吹過葉片的風(fēng)導(dǎo)致葉片產(chǎn)生“升力”并且因此圍繞軸旋轉(zhuǎn)。軸驅(qū)動產(chǎn)生電能的發(fā)電機(jī)。在正常操作條件下，葉片可能由于變化的風(fēng)況而暴露于較大的并且可變的空氣動力負(fù)荷。此夕卜，風(fēng)力渦輪機(jī)也暴露于不可預(yù)測的惡劣天氣條件。該問題對于離岸風(fēng)力電廠加劇?，F(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)安裝有超速保護(hù)機(jī)構(gòu)，例如空氣動力制動葉片和摩擦制動器，從而 保護(hù)風(fēng)力渦輪機(jī)免于受到高風(fēng)速而損壞。然而，風(fēng)力渦輪機(jī)的正常操作使風(fēng)力渦輪機(jī)葉片受到機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致葉片扭轉(zhuǎn)、在葉片尖端處搖擺或在旋轉(zhuǎn)平面中彎曲。該機(jī)械應(yīng)力可能導(dǎo)致葉片形成裂縫。這樣的裂縫如果未及時被監(jiān)測到，可能導(dǎo)致災(zāi)難性的風(fēng)力渦輪機(jī)故障。該問題部分地由葉片監(jiān)測系統(tǒng)減輕，所述葉片監(jiān)測系統(tǒng)提供風(fēng)力渦輪機(jī)預(yù)后數(shù)據(jù)，并且有助于監(jiān)測即將發(fā)生的葉片故障。一些已知的葉片監(jiān)測系統(tǒng)使用安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片上的傳感器來監(jiān)測機(jī)械應(yīng)力。例如，振動傳感器大體上安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片的外部以用于測量發(fā)生在葉片上的振動。然而，這樣的傳感器受到可能縮短傳感器的壽命的惡劣天氣條件，例如高風(fēng)速、降雨、雪、冰雹等。所以，外側(cè)傳感器系統(tǒng)為了可靠的操作可能需要經(jīng)常維護(hù)。在另一方面，內(nèi)側(cè)傳感器系統(tǒng)可能難以安裝和維護(hù)。所以，需要一種風(fēng)力渦輪機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，其克服與已知方案關(guān)聯(lián)的這些和其它問題。

發(fā)明內(nèi)容
一種系統(tǒng)包括鐵磁葉片安裝件、磁性傳感器和處理器。所述鐵磁葉片安裝件包括磁編碼區(qū)域。所述磁性傳感器被配置成測量與所述磁編碼區(qū)域相關(guān)的磁通量。所述處理器與所述磁性傳感器可通信地聯(lián)接以至少部分地基于測得磁通量計算葉片健康指標(biāo)。一種系統(tǒng)包括磁編碼鐵磁元件、磁性傳感器和處理器。所述磁編碼鐵磁元件固定地聯(lián)接到葉片安裝件。所述磁性傳感器被配置成測量與所述磁編碼鐵磁元件相關(guān)的磁通量。所述處理器與所述磁性傳感器可通信地聯(lián)接以至少部分地基于測得磁通量計算葉片健康指標(biāo)。一種方法包括對鐵磁葉片安裝件的至少一個區(qū)域進(jìn)行磁編碼。所述方法還包括測量與每個磁編碼區(qū)域相關(guān)的磁通量。所述方法也包括至少部分地基于測得磁通量計算葉片健康指標(biāo)。


圖I示出了根據(jù)一個實施例的風(fēng)力渦輪機(jī)的示例性葉片組件；圖2示出了根據(jù)一個實施例的用于監(jiān)測渦輪機(jī)葉片的示例性傳感器組件；
圖3示出了根據(jù)另一個實施例的用于監(jiān)測渦輪機(jī)葉片的示例性傳感器組件；圖4示出了根據(jù)又一個實施例的用于監(jiān)測渦輪機(jī)葉片的示例性傳感器組件；圖5示出了根據(jù)一個實施例的用于對葉片安裝件的區(qū)域進(jìn)行磁編碼的導(dǎo)體組件；圖6是根據(jù)一個實施例的示例性葉片監(jiān)測系統(tǒng)的簡化框圖；圖7是根據(jù)一個實施例的用于葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)中的處理器的簡化框圖；以及圖8是根據(jù)一個實施例的用于葉片健康監(jiān)測的示例性過程的流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明所公開的實施例描述了用于監(jiān)測渦輪機(jī)葉片的健康的方法和系統(tǒng)。所述方法基于發(fā)生在渦輪機(jī)葉片轂或轉(zhuǎn)子中的應(yīng)力的向量分量的磁致伸縮測量。盡管結(jié)合風(fēng)力 渦輪機(jī)描述了本發(fā)明所公開的實施例，但是也可以預(yù)見實施例應(yīng)用于其它類型的流體渦輪機(jī)，例如但不限于燃?xì)鉁u輪機(jī)和水力渦輪機(jī)。圖I示出了根據(jù)一個實施例的示例性風(fēng)力渦輪機(jī)。風(fēng)力渦輪機(jī)包括葉片組件100，所述葉片組件將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)能量以運轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)。葉片組件100包括葉片轂110。葉片轂110可以包括一種或多種鐵磁材料，例如但不限于鐵、鎳、鈷、它們的合金等。備選地，葉片轂110可以包括輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，例如但不限于鋁、碳纖維、玻璃纖維、復(fù)合材料等。葉片轂110可以被成形為加強(qiáng)風(fēng)力渦輪機(jī)的空氣動力學(xué)性質(zhì)。備選地，葉片轂110可以被成形為優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并且包括安裝到葉片轂110上的附加空氣動力流線體。葉片轂110附連到發(fā)電機(jī)的軸。葉片轂110包括一個或多個葉片安裝環(huán)120。葉片安裝環(huán)120的數(shù)量取決于風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片的數(shù)量。典型地，風(fēng)力渦輪機(jī)包括三葉片設(shè)計，因此需要三個葉片安裝環(huán)120。葉片安裝環(huán)120能夠?qū)⑷~片130安裝到葉片轂110。葉片安裝環(huán)120可以是葉片130的變槳控制機(jī)構(gòu)的一部分。變槳控制機(jī)構(gòu)可以用于變槳控制風(fēng)力渦輪機(jī)以控制葉片的槳距，并且因此改變?nèi)~片130生成的“升力”量。葉片安裝環(huán)120也包括變槳控制齒輪(未顯示)。備選地，葉片安裝環(huán)120可以是葉片轂110的凸緣部分。這樣的凸緣部分式葉片安裝環(huán)120可以典型地例如部署在被動失速控制風(fēng)力渦輪機(jī)中。被動失速控制風(fēng)力渦輪機(jī)包括葉片130，所述葉片成固定角聯(lián)接到葉片轂110。葉片130不能夠在被動失速控制風(fēng)力渦輪機(jī)中變槳。葉片130可以在葉片安裝環(huán)120處螺栓連接到葉片轂110上。對于本發(fā)明公開內(nèi)容的目的而言，葉片安裝件指的是葉片130安裝在其上的風(fēng)力渦輪機(jī)的任何結(jié)構(gòu)。葉片安裝件因此可以是葉片安裝環(huán)120，或備選地，是葉片轂110。圖2示出了根據(jù)一個實施例的示例性傳感器組件200。磁編碼是鐵磁物體的一部分的限定磁化，如例如美國專利7，631，564中更詳細(xì)地所述。傳感器組件200包括鐵磁葉片安裝件220、一個或多個磁編碼區(qū)域202以及一個或多個磁性傳感器204。所示的鐵磁葉片安裝件220是葉片安裝環(huán)。葉片安裝環(huán)可以是葉片230的變槳控制機(jī)構(gòu)的一部分。備選地，葉片安裝件可以是葉片轂(例如圖I中所示的葉片轂110)的葉片安裝法蘭。傳感器組件200被配置成監(jiān)測發(fā)生在鐵磁葉片安裝件220中的機(jī)械應(yīng)力。由于葉片230直接安裝在鐵磁葉片安裝件220上，因此發(fā)生在鐵磁葉片安裝件220中的應(yīng)力可以與發(fā)生在葉片230中的應(yīng)力相關(guān)，葉片230內(nèi)的殘余應(yīng)力除外。換句話說，由于風(fēng)的空氣動力負(fù)荷、形成于葉片230上的冰和積累在葉片230上的碎片引起的葉片230中的應(yīng)力也可能與發(fā)生在鐵磁葉片安裝件220中的應(yīng)力相關(guān)。鐵磁葉片安裝件220包括一個或多個磁編碼區(qū)域202。磁編碼區(qū)域202是鐵磁葉片安裝件220的局部區(qū)域，所述局部區(qū)域已被配置(例如，激勵)成具有預(yù)定的磁極化和預(yù)定的場強(qiáng)。磁編碼器(未在圖I中顯示)可以用于形成磁編碼區(qū)域202。結(jié)合圖5描述了用于激勵并且形成磁編碼區(qū)域202的示例性導(dǎo)體組件。磁編碼器激勵導(dǎo)體組件形成磁編碼區(qū)域202。鐵磁葉片安裝件220具有磁致伸縮的性質(zhì)。磁致伸縮材料響應(yīng)周圍磁場的變化而經(jīng)歷機(jī)械變形。類似地，當(dāng)這樣的材料受到機(jī)械變形時，材料的磁化率可以變化(這通常被稱為“逆磁致伸縮效應(yīng)”)。關(guān)于鐵磁葉片安裝件220，當(dāng)受到外力時，與磁編碼區(qū)域202相關(guān)的磁通量由于磁致伸縮的性質(zhì)而變化。磁通量的這樣的變化與外力成比例。因此,磁編碼區(qū)域202的磁通量的變化表示發(fā)生在葉片230中的應(yīng)力。傳感器組件200還包括一個或多個磁性傳感器204。磁性傳感器204磁耦合到磁編碼區(qū)域202。具體地，磁性傳感器204可以緊鄰磁編碼區(qū)域202定位，使得磁性傳感器204可以測量與磁編碼區(qū)域202相關(guān)的磁通量。磁性傳感器204可以鄰近磁編碼區(qū)域202使用 合適的聯(lián)接手段進(jìn)行聯(lián)接，例如但不限于粘合劑、環(huán)氧樹脂或膠帶。磁性傳感器204例如可以包括磁致伸縮傳感器、霍耳效應(yīng)傳感器、磁通門傳感器和/或磁阻抗傳感器。磁性傳感器204可以是寬帶傳感器。寬帶傳感器是在大的操作頻帶上具有大致恒定的敏感性的傳感器。磁性傳感器204測量與磁編碼區(qū)域202相關(guān)的磁通量，并且將測量傳輸?shù)教幚砥?例如，參見圖7)，所述處理器被配置成處理測量并且生成葉片健康指標(biāo)。結(jié)合圖7描述了一個示例性處理器?，F(xiàn)在參考圖3，示出了根據(jù)另一個實施例的示例性傳感器組件300。傳感器組件300包括葉片安裝件320、一個或多個鐵磁元件302以及一個或多個磁性傳感器304。這樣的傳感器組件300可以針對葉片安裝件320由不具有磁致伸縮的性質(zhì)的材料(例如，復(fù)合材料和/或輕質(zhì)金屬(例如，鋁或鈦))制造的設(shè)備被部署。然而，應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會，傳感器組件300也可以針對葉片安裝件320由具有磁致伸縮的鐵磁材料制造的設(shè)備被部署。所示的葉片安裝件320是葉片安裝環(huán)，類似于結(jié)合圖2描述的葉片安裝件220。葉片安裝件320可以是葉片變槳控制機(jī)構(gòu)的一部分，或者可以是葉片轂(例如圖I中所示的葉片轂110)的葉片安裝法蘭。鐵磁元件302固定地聯(lián)接到葉片安裝件320。鐵磁元件302是由鐵磁材料制造(例如，鐵、鎳、鈷、它們的合金等)的器件。鐵磁元件302可以是永磁體。備選地，鐵磁元件302可以是外部激勵電磁元件。磁編碼器(未在圖3中顯示)可以用于對鐵磁元件302進(jìn)行磁編碼以具有預(yù)定的磁極化和預(yù)定的場強(qiáng)。鐵磁元件302可以例如使用粘合劑、環(huán)氧樹脂、焊接或釬焊固定地聯(lián)接到葉片安裝件320。在一個實現(xiàn)方式中，葉片安裝件320可以具有切出的槽口，并且鐵磁元件302可以插入槽口中。槽口和鐵磁元件302可以被設(shè)計成用于緊配合，不允許相對運動。這樣的設(shè)計可以加強(qiáng)將葉片安裝件320中的應(yīng)力有效地傳遞到鐵磁元件302的能力。由于磁致伸縮的性質(zhì)，與鐵磁元件302相關(guān)的磁通量隨著從葉片安裝件320傳遞到鐵磁元件302的應(yīng)力的變化而變化。磁性傳感器304磁耦合到鐵磁元件302。具體地，磁性傳感器304可以緊鄰鐵磁元件302定位，使得磁性傳感器304可以測量與鐵磁元件302相關(guān)的磁通量。磁性傳感器304可以緊鄰鐵磁元件302使用合適的聯(lián)接手段進(jìn)行聯(lián)接，例如但不限于粘合劑、環(huán)氧樹脂或膠帶。磁性傳感器304可以是磁致伸縮傳感器、霍耳效應(yīng)傳感器、磁通門傳感器或磁阻抗傳感器。磁性傳感器304可以是寬帶傳感器。寬帶傳感器是在大的操作頻帶上具有大致恒定的敏感性的傳感器。磁性傳感器304測量與鐵磁元件302相關(guān)的磁通量，并且將測量傳輸?shù)教幚砥?，所述處理器被配置成處理測量并且生成葉片健康指標(biāo)。結(jié)合圖7描述了一個示例性處理器?，F(xiàn)在參考圖4，示出了根據(jù)又一個實施例的示例性傳感器組件400。傳感器組件400部署在葉片轂410上。傳感器組件400可以典型地部署在例如被動失速控制風(fēng)力渦輪機(jī)中。葉片轂410又使用法蘭450聯(lián)接到發(fā)電機(jī)軸。傳感器組件400包括一個或多個磁編碼區(qū)域402以及一個或多個磁性傳感器404。磁編碼區(qū)域402類似于結(jié)合圖2描述的磁編碼區(qū)域202。傳感器組件400的這樣的實現(xiàn)方式可以典型地在葉片轂410由鐵磁材料制造的設(shè)備被部署。然而，在葉片轂410由復(fù)合材料或非鐵磁材料(例如鋁或鈦)制造的設(shè)備中，傳感器組件400可以備選地使用類似于結(jié) 合圖3描述的鐵磁元件(例如鐵磁元件302)進(jìn)行部署。傳感器組件400還包括一個或多個磁性傳感器404，類似于分別結(jié)合圖2和3描述的磁性傳感器204和304。關(guān)于傳感器組件200、300和400，可以取決于葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測要求選擇磁編碼件(磁編碼區(qū)域和鐵磁元件在下發(fā)明中被統(tǒng)稱為磁編碼件)和磁性傳感器的數(shù)量和位置。例如，在葉片安裝件上直徑相對放置并且在葉片的旋轉(zhuǎn)平面中的兩個磁編碼件可以用于監(jiān)測作用于葉片的前緣/后緣應(yīng)力。此外，在葉片安裝件上直徑相對放置并且在垂直于葉片的旋轉(zhuǎn)平面的平面中的兩個磁編碼件可以用于監(jiān)測作用于葉片的搖擺應(yīng)力。兩個或以上磁編碼件也能夠用于監(jiān)測圍繞葉片的變槳軸線作用于葉片的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。換句話說，葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)可以在葉片將它的機(jī)械應(yīng)力有效地傳遞到的葉片安裝件上的任何位置使用任何數(shù)量的磁編碼件，從而能夠測量發(fā)生在葉片和因此葉片安裝件中的應(yīng)力的向量分量?，F(xiàn)在參考圖5，示出了根據(jù)一個實施例的用于對葉片安裝件的區(qū)域進(jìn)行磁編碼的示例性導(dǎo)體組件500。導(dǎo)體組件500聯(lián)接到葉片安裝件520。所示的葉片安裝件520是例如用于風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片變槳控制機(jī)構(gòu)中的葉片安裝環(huán)，葉片直接安裝在葉片安裝環(huán)上。然而，類似的導(dǎo)體組件500也可以針對葉片安裝件的其它部分被部署，例如葉片轂或葉片安
裝法蘭。導(dǎo)體組件500包括導(dǎo)體504a和504b，以及間隔件510。間隔件510保持導(dǎo)體504a、504b和葉片安裝件520之間的物理分離。導(dǎo)體504a、504b鄰近葉片安裝件520布置，在元件504a、504b和葉片安裝件520之間有間隙。導(dǎo)體504a、504b可以是加強(qiáng)絕緣銅棒，但是其它合適的導(dǎo)體也在系統(tǒng)的范圍內(nèi)。導(dǎo)體504a、504b具有分別聯(lián)接到葉片安裝件520的第一端部506a和506b，以及分別聯(lián)接到磁編碼器(未在圖5中顯示)的第二端部508a和508b，使得磁編碼器、單獨的導(dǎo)體504a和504b以及葉片安裝件520串聯(lián)連接。磁編碼器可以通過合適的端子引線(例如跳線或?qū)Ь€)連接到導(dǎo)體504a、504b以及葉片安裝件520。對于正導(dǎo)體504a，磁編碼器正端子聯(lián)接到正導(dǎo)體504a的第二端部508a。磁編碼器負(fù)端子聯(lián)接到導(dǎo)體512a。對于負(fù)導(dǎo)體504b，磁編碼器負(fù)端子聯(lián)接到負(fù)導(dǎo)體504b的第二端部508b。磁編碼器正端子連接到導(dǎo)體512b。接地端子可以連接到葉片安裝件520。電信號可以移動通過葉片安裝件520使得在葉片安裝件520上生成磁編碼區(qū)域502。這樣的導(dǎo)體組件500的特征之一是能夠?qū)θ~片安裝件中的局部區(qū)域進(jìn)行磁編碼。特別地，鋼葉片安裝件520具有高相對磁導(dǎo)率并且移動通過鋼葉片安裝件520的電流產(chǎn)生不同的編碼通道?，F(xiàn)在參考圖6，示出了根據(jù)一個實施例的渦輪機(jī)葉片監(jiān)測系統(tǒng)600的簡化框圖。渦輪機(jī)葉片監(jiān)測系統(tǒng)600包括一個或多個磁編碼件602、一個或多個磁性傳感器604、磁編碼器608以及處理器610。磁編碼器608使用聯(lián)接到磁編碼件602的導(dǎo)體組件500激勵磁編碼件602。磁編碼器608通過導(dǎo)體組件500將已知的激勵信號提供給磁編碼件602。響應(yīng)激勵信號，磁編碼件602在磁編碼件602中感生磁場。磁編碼器608導(dǎo)致磁編碼件602具有已知極化和已知 場強(qiáng)的磁場。在一些實現(xiàn)方式中，磁編碼器608可以直流(DC)源，將直流電壓提供給導(dǎo)體組件500和磁編碼件602。磁編碼器608可以由電池供電。備選地，磁編碼器608可以是高穩(wěn)定切換模式電源(HS-SMPS)。HS-SMPS可以對風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)所生成的交流電起作用，并且提供很穩(wěn)定的直流電壓以激勵磁編碼件602。在其它實現(xiàn)方式中，磁編碼器608可以是脈沖發(fā)生器，其被配置成用已知電壓的電脈沖周期性地激勵磁編碼件602。由磁編碼器608提供的電脈沖可能必須是均勻的，以便保持磁編碼件602的穩(wěn)定性和/或強(qiáng)度。磁編碼器608通過導(dǎo)體組件500電聯(lián)接到磁編碼件602。在一個實現(xiàn)方式中，磁編碼器608通過無線傳輸(例如感應(yīng)傳輸)將激勵電壓提供給磁編碼件602。備選地，磁編碼器608可以通過有線傳輸將激勵電壓提供給磁編碼件602。磁編碼件602的特定實現(xiàn)方式(例如磁編碼件的定位、磁編碼件是鐵磁兀件還是磁編碼區(qū)域以及磁性傳感器604的數(shù)量)可以是基于下列的設(shè)計決策結(jié)構(gòu)部分是否是鐵磁材料，設(shè)備是主動變槳控制的還是被動失速控制的，監(jiān)測系統(tǒng)600是現(xiàn)有渦輪機(jī)設(shè)備的改裝還是全新渦輪機(jī)設(shè)備上的集成系統(tǒng)，等等。磁性傳感器604類似于分別結(jié)合圖2、3和4描述的磁性傳感器204、304和404。磁性傳感器604被配置成測量與磁編碼件602相關(guān)的磁通量。磁性傳感器604磁耦合到磁編碼件602?？梢酝ㄟ^緊鄰磁編碼件602定位磁性傳感器604使得磁性傳感器604位于磁編碼件602的磁場內(nèi)而建立這樣的磁耦合。磁性傳感器604可以是寬帶傳感器，其被配置成將通量測量信號傳輸?shù)教幚砥?10。寬帶傳感器是在大的操作頻帶上具有大致恒定的敏感性的傳感器。磁性傳感器604可以通過無線鏈路(例如藍(lán)牙(R)鏈路)或通過有線鏈路(例如串行數(shù)據(jù)連接)將通量測量信號傳輸?shù)教幚砥?10。磁性傳感器604可以使用無線電力傳輸或通過有線電力傳輸供電。處理器610接收來自磁性傳感器604的通量測量信號，并且計算葉片健康指標(biāo)。現(xiàn)在參考圖7，描述了根據(jù)一個實施例的處理器610的不例性實現(xiàn)方式。處理器610包括快速傅立葉變換(FFT)模塊710、頻譜分析器720和預(yù)后模塊730。頻譜分析器720還包括模式檢測器722和比較模塊724。FFT模塊710基于測得磁通量計算頻譜特征。頻譜特征包括根據(jù)各頻率的頻譜振幅繪制的測得磁通量的頻率組成。各振動模式的葉片的自然頻率具有頻譜振幅的局部峰值。FFT模塊710將頻譜特征傳送到頻譜分析器720以用于識別葉片的各振動模式的自然頻率。模式檢測器722基于計算出的頻譜特征識別葉片的特定振動模式的自然振動頻率。模式檢測器722例如可以使用曲線擬合算法或峰值檢測算法來識別頻譜特征中的頻譜振幅的峰值。模式檢測器722然后將頻譜振幅的峰值發(fā)生處的識別出的頻率傳送到比較模塊 724。比較模塊724比較葉片的各振動模式的識別出的自然頻率和健康狀態(tài)自然頻率。比較模塊724可以在其上存儲葉片的各振動模式的健康狀態(tài)自然頻率?？梢詮臄?shù)學(xué)分析或模擬識別健康狀態(tài)自然頻率。備選地，在渦輪機(jī)設(shè)備仍然是新的時可以由模式檢測器722識別健康狀態(tài)自然頻率。比較模塊724然后將每個振動模式的識別出的自然頻率和健康狀態(tài)自然頻率的差異傳送到預(yù)后模塊730。
預(yù)后模塊730然后基于每個振動模式的識別出的自然頻率和健康狀態(tài)自然頻率的差異生成葉片健康指標(biāo)。各振動模式的自然頻率的變化典型地精確地表示葉片的結(jié)構(gòu)變化，所述結(jié)構(gòu)變化例如包括葉片的結(jié)構(gòu)損壞(例如裂縫)，積累在葉片上的碎片，形成于葉片上的冰，等等。葉片健康指標(biāo)可以簡單地是音響警報音或警報燈。備選地，葉片健康指標(biāo)可以是與葉片的每個振動模式關(guān)聯(lián)的自然頻率。可以理解可以在遠(yuǎn)離渦輪機(jī)設(shè)備的地方看到由預(yù)后模塊730生成的健康指標(biāo)。處理器610的預(yù)后模塊730例如可以借助于無線通信與輸出設(shè)備(未顯示)聯(lián)接，以便接收由預(yù)后模塊730生成的健康指標(biāo)數(shù)據(jù)。此外，可以基于識別出的自然頻率和健康狀態(tài)自然頻率的偏差值將健康指標(biāo)歸類到不同分級中。例如，在很高偏差值的情況下，健康指標(biāo)可以用紅燈和音響警報表示。這可以是渦輪機(jī)葉片130、230或330可能經(jīng)歷可能需要立即檢查渦輪機(jī)葉片130、230或330的明顯結(jié)構(gòu)變化的指示。在一個示例性實現(xiàn)方式中，F(xiàn)FT模塊710、頻譜分析器720、預(yù)后模塊730、模式檢測器722和比較模塊724作為能夠在處理器610上執(zhí)行的軟件指令實現(xiàn)。在這樣的實現(xiàn)方式中，軟件指令可以存儲在非暫時性計算機(jī)可讀介質(zhì)上，例如但不限于硬盤驅(qū)動器、固態(tài)存儲設(shè)備、與處理器610鏈接的隨機(jī)存取存儲器(RAM)等。處理器610例如可以是通用微處理器、微控制器、可編程邏輯器件等。包括處理器610的這樣的實現(xiàn)方式的示例性計算機(jī)系統(tǒng)也可以包括外圍輸入設(shè)備(例如鍵盤和定點設(shè)備)、外圍輸出設(shè)備(例如視覺顯示單元)以及一個或多個網(wǎng)絡(luò)接口，例如藍(lán)牙(Bluetooth )適配器、IEEE 802. 11接口、ffiEE 802.3以太網(wǎng)適配器等。備選地，處理器610可以作為專用處理器實現(xiàn)，包括硬編碼到專用處理器中的各模塊。計算機(jī)系統(tǒng)的部件可以由一個或多個系統(tǒng)總線鏈接。應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會本發(fā)明中所述的計算機(jī)系統(tǒng)是示例性的和非限定性的。計算機(jī)系統(tǒng)的其它實現(xiàn)方式在本發(fā)明的范圍內(nèi)。現(xiàn)在參考圖6和8，顯示了根據(jù)一個實施例的使用葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)600監(jiān)測渦輪機(jī)葉片的示例性方法800的流程圖。方法800基于與葉片安裝件上的磁編碼區(qū)域相關(guān)的測得磁通量計算葉片健康指標(biāo)。在變化風(fēng)況的負(fù)荷下，與葉片安裝件的磁編碼區(qū)域相關(guān)的磁通量隨著發(fā)生在葉片安裝件中的應(yīng)力的變化而變化。在802，葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)600對葉片安裝件的至少一個區(qū)域進(jìn)行磁編碼。葉片安裝件可以是鋼環(huán)，例如風(fēng)力渦輪機(jī)的變槳控制機(jī)構(gòu)的葉片安裝環(huán)。備選地，葉片安裝件可以是被動失速控制風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片轂。適合于聯(lián)接渦輪機(jī)葉片和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸的風(fēng)力渦輪機(jī)的其它結(jié)構(gòu)部分(例如葉片安裝法蘭)也可以具有在其上的磁編碼區(qū)域?？梢允褂么啪幋a器磁編碼葉片安裝件。例如，當(dāng)葉片安裝件可以由鐵磁材料組成時，磁編碼器可以磁編碼葉片安裝件的局部區(qū)域。備選地，當(dāng)葉片安裝件可以由非鐵磁材料組成時，葉片安裝件可以帶有磁編碼鐵磁元件。磁編碼鐵磁元件可以使用合適的聯(lián)接手段與葉片安裝件聯(lián)接，例如粘合劑、焊接、釬焊或通過將鐵磁元件插入在葉片安裝件中切出的槽口中。磁編碼鐵磁元件可以由合適的磁編碼方法磁編碼,例如施加已知電壓的電脈沖。在804，葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)600測量與每個磁編碼區(qū)域相關(guān)的磁通量?？梢允褂靡粋€或多個磁性傳感器測量與葉片安裝件的每個磁編碼區(qū)域相關(guān)的磁通量。通過緊鄰磁編碼區(qū)域定位使得磁性傳感器位于磁編碼區(qū)域的磁場內(nèi)，磁性傳感器磁耦合到磁編碼區(qū)域。渦輪機(jī)葉片可能由于變化風(fēng)況而暴露于空氣動力負(fù)荷，因此導(dǎo)致葉片和葉片安裝件內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力。發(fā)生在葉片安裝件中的機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致與磁編碼區(qū)域相關(guān)的磁通量變化。在806，葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)600至少部分地基于測得磁通量計算葉片健康指標(biāo)。如結(jié)合上面的圖6所述，葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)600使用FFT算法計算測得磁通量的頻譜特征。頻 譜特征包括根據(jù)頻譜振幅繪制的測得磁通量的各頻率分量。頻譜特征中的頻譜振幅峰值典型地表示葉片的特定振動模式的自然振動頻率。葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)600然后使用曲線擬合或峰值檢測算法識別頻譜特征中的頻譜振幅峰值。曲線擬合算法可以識別具有類似于預(yù)期自然頻率峰值的特性的頻譜振幅峰值。一旦葉片的各振動模式的自然頻率已被識別，葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)600然后比較識別出的自然頻率和相應(yīng)振動模式的健康狀態(tài)自然頻率。偏離健康狀態(tài)自然頻率超過預(yù)定閾值指示葉片的結(jié)構(gòu)變化，包括結(jié)構(gòu)損壞、積累在葉片上的碎片或形成于葉片上的冰?；跍u輪機(jī)葉片的健康狀態(tài)自然頻率和識別出的自然頻率之間的偏差，葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)600計算葉片健康指標(biāo)?？梢越柚谧帜笖?shù)字顯示、頻譜特征的變化的視覺描繪、閃光等指示健康指標(biāo)。備選地，可以借助于音響警報指示健康指標(biāo)。此外，可以基于識別出的自然頻率與健康狀態(tài)自然頻率的偏差值將健康指標(biāo)歸類到不同分級中。例如，在很高偏差值的情況下，健康指標(biāo)可以用紅燈和音響警報表示。這可以是渦輪機(jī)葉片可能經(jīng)歷可能需要立即檢查渦輪機(jī)葉片的明顯結(jié)構(gòu)變化的指示。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包括 鐵磁葉片安裝件，所述鐵磁葉片安裝件具有磁編碼區(qū)域； 磁性傳感器，所述磁性傳感器被配置成測量與所述磁編碼區(qū)域相關(guān)的磁通量；以及處理器，所述處理器與所述磁性傳感器可通信地聯(lián)接，且至少部分地基于測得磁通量計算葉片健康指標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器包括 快速傅立葉變換(FFT)模塊，用于基于所述測得磁通量計算頻譜特征； 頻譜分析器，用于比較計算出的頻譜特征和健康狀態(tài)頻譜特征；以及 預(yù)后模塊，用于響應(yīng)所述比較生成所述葉片健康指標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述頻譜分析器包括 模式檢測器，用于基于所述計算出的頻譜特征識別渦輪機(jī)葉片的特定振動模式的自然振動頻率；以及 比較模塊，用于比較識別出的自然頻率和所述特定振動模式的健康狀態(tài)自然頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)后模塊基于所述識別出的自然頻率和所述特定振動模式的健康狀態(tài)自然頻率的所述比較生成所述葉片健康指標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于對所述鐵磁葉片安裝件的區(qū)域進(jìn)行磁編碼的磁編碼器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括至少一個導(dǎo)體組件，所述導(dǎo)體組件串聯(lián)地電聯(lián)接到所述磁編碼器和所述鐵磁葉片安裝件以用于實現(xiàn)所述鐵磁葉片安裝件的所述區(qū)域的磁編碼。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述葉片安裝件是適合于聯(lián)接所述葉片和渦輪機(jī)的機(jī)艙的鋼環(huán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述葉片安裝件是適合于聯(lián)接所述葉片和渦輪機(jī)的機(jī)艙的葉片轂。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述磁性傳感器是磁致伸縮傳感器、霍耳效應(yīng)傳感器、磁通門傳感器和磁阻抗傳感器中的一種。
10.一種系統(tǒng),包括 磁編碼鐵磁元件，所述磁編碼鐵磁元件固定地聯(lián)接到葉片安裝件； 磁性傳感器，所述磁性傳感器被配置成測量與所述磁編碼鐵磁元件相關(guān)的磁通量；以及 處理器，所述處理器與所述磁性傳感器可通信地聯(lián)接，且至少部分地基于測得磁通量計算葉片健康指標(biāo)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器包括 快速傅立葉變換(FFT)模塊，用于基于所述測得磁通量計算頻譜特征； 頻譜分析器，用于比較計算出的頻譜特征和健康狀態(tài)頻譜特征；以及 預(yù)后模塊，用于響應(yīng)所述比較生成所述葉片健康指標(biāo)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述頻譜分析器還包括 模式檢測器，用于基于所述計算出的頻譜特征識別渦輪機(jī)葉片的特定振動模式的自然振動頻率；以及比較模塊，用于比較識別出的自然頻率和所述特定振動模式的健康狀態(tài)自然頻率。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)后模塊基于所述識別出的自然頻率和所述特定振動模式的健康狀態(tài)自然頻率的所述比較生成所述葉片健康指標(biāo)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述葉片安裝件是適合于聯(lián)接所述葉片和渦輪機(jī)的機(jī)艙的葉片安裝環(huán)。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述葉片安裝件是適合于聯(lián)接所述葉片和渦輪機(jī)的機(jī)艙的葉片轂。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述磁性傳感器是磁致伸縮傳感器、霍耳效應(yīng)傳感器、磁通門傳感器和磁阻抗傳感器中的一種。
17.—種方法,包括 對鐵磁葉片安裝件的至少一個區(qū)域進(jìn)行磁編碼； 測量與每個磁編碼區(qū)域相關(guān)的磁通量；以及 至少部分地基于測得磁通量計算葉片健康指標(biāo)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，計算葉片健康指標(biāo)包括 使用快速傅立葉變換基于所述測得磁通量計算頻譜特征； 比較計算出的頻譜特征和健康狀態(tài)頻譜特征；以及 響應(yīng)所述比較生成所述葉片健康指標(biāo)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，還包括 基于所述計算出的頻譜特征識別渦輪機(jī)葉片的特定振動模式的自然振動頻率； 比較識別出的自然頻率和所述特定振動模式的健康狀態(tài)自然頻率；以及基于所述識別出的自然頻率和所述特定振動模式的健康狀態(tài)自然頻率的所述比較生成所述葉片健康指標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明涉及并公開了一種用于監(jiān)測渦輪機(jī)葉片上的機(jī)械應(yīng)力的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括鐵磁葉片安裝件、磁性傳感器和處理器。所述鐵磁葉片安裝件包括磁編碼區(qū)域。所述磁性傳感器被配置成測量與所述磁編碼區(qū)域相關(guān)的磁通量。所述處理器與所述磁性傳感器可通信地聯(lián)接以至少部分地基于測得磁通量計算葉片健康指標(biāo)。同時還公開一種用于監(jiān)測渦輪機(jī)葉片上的機(jī)械應(yīng)力方法。
文檔編號F03D11/00GK102809481SQ20121019170
公開日2012年12月5日 申請日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月1日
發(fā)明者M·K·鮑勒, C·M·西勒, M·布雷特 申請人:通用電氣公司