專利名稱：在加載期間監(jiān)測(cè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片上的應(yīng)力的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的無損評(píng)價(jià)，并且更具體地，涉及應(yīng)力測(cè)量技術(shù)。
背景技術(shù)：
靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載通常用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片中測(cè)試葉片的強(qiáng)度。盡管在前一種情況下施加靜態(tài)載荷，但是也在動(dòng)態(tài)加載中施加變化載荷或周期性載荷。通常，各種技術(shù)用于在這樣的加載過程期間測(cè)量葉片上的應(yīng)力。一種公知的應(yīng)力測(cè)量技術(shù)使用安裝在部件(例如葉片)上的應(yīng)變計(jì)來間接地測(cè)量應(yīng)力。通常，葉片裝備有應(yīng)變計(jì)以測(cè)量各位置處的應(yīng)變。例如，大約120個(gè)應(yīng)變計(jì)安裝在37米的葉片上并且這些應(yīng)變計(jì)中的大約20%安裝在葉片的內(nèi)側(cè)上。這樣的測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)規(guī) 范界限比較，并且在測(cè)量結(jié)果超過規(guī)范界限的情況下發(fā)出警報(bào)。然而，應(yīng)變計(jì)經(jīng)由環(huán)氧樹脂結(jié)合到葉片對(duì)固定位置處的葉片的表面上的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。這樣的測(cè)量受到多種因素影響，這些因素例如但不限于粘合的剛度和應(yīng)變計(jì)的取向。另外，應(yīng)變計(jì)測(cè)量可能受到溫度變化影響。此外，葉片上的褶皺、脫層或其它缺損的存在可能導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)變的變化。因此，需要一種改進(jìn)的應(yīng)力測(cè)量技術(shù)來解決一個(gè)或多個(gè)前述問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種在加載期間鑒定風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的方法。所述方法也包括捕捉所述葉片的相應(yīng)位置處的多個(gè)圖像。所述方法還包括基于捕捉的圖像測(cè)量所述相應(yīng)位置處的溫度。所述方法還包括基于所述測(cè)量的溫度計(jì)算在所述相應(yīng)位置施加于所述葉片的應(yīng)力。所述方法還包括比較所述計(jì)算的應(yīng)力與有限元模型中的相應(yīng)理論應(yīng)力以預(yù)測(cè)所述葉片的使用壽命。所述方法也包括在所述相應(yīng)位置中的一個(gè)或多個(gè)位置處的所述計(jì)算的應(yīng)力超過預(yù)定界限的情況下向操作者報(bào)警。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供了一種在加載期間監(jiān)測(cè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片上的應(yīng)力的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括照相機(jī)，所述照相機(jī)被配置成捕捉所述葉片的相應(yīng)位置處的多個(gè)圖像。所述系統(tǒng)也包括處理器，所述處理器被配置成從所述照相機(jī)接收多個(gè)溫度測(cè)量并且基于所述測(cè)量計(jì)算應(yīng)力。所述處理器也比較所述計(jì)算的應(yīng)力與有限元模型中的相應(yīng)理論應(yīng)力以預(yù)測(cè)所述葉片的使用壽命。所述處理器還在所述相應(yīng)位置中的一個(gè)或多個(gè)位置處的所述計(jì)算的應(yīng)力超過預(yù)定界限的情況下向操作者報(bào)警。


當(dāng)參考附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，其中在圖中相似的附圖標(biāo)記始終表示相似的部分，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于監(jiān)測(cè)典型的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片上的應(yīng)力的系統(tǒng)的示意圖。圖2是圖I中的紅外照相機(jī)所使用的示例性掃描配置。圖3是在圖I中的照相機(jī)的方向上的視圖的示意圖。圖4是由圖I中的照相機(jī)捕捉的葉片14的側(cè)視圖。圖5是由圖I中的照相機(jī)捕捉的葉片14的前視圖。圖6是流程圖，表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于監(jiān)測(cè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片中的應(yīng)力的方法中的步驟。
具體實(shí)施例方式如下面詳細(xì)地所述，本發(fā)明的實(shí)施例包括一種用于鑒定風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的系統(tǒng)和 方法。熱彈性技術(shù)監(jiān)測(cè)(一個(gè)或多個(gè))葉片的疲勞測(cè)試期間的應(yīng)力。當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)‘疲勞測(cè)試’指的是在(一個(gè)或多個(gè))葉片上周期性地施加載荷，例如在相反方向上壓縮和拉伸的交替循環(huán)。這樣的技術(shù)能夠在時(shí)間上和空間上監(jiān)測(cè)葉片上的應(yīng)力。此外，這樣的技術(shù)能夠識(shí)別(一個(gè)或多個(gè))葉片上的損傷位置并且在周期性加載期間監(jiān)測(cè)損傷的擴(kuò)展。因此，該技術(shù)能夠估計(jì)用于(一個(gè)或多個(gè))葉片上的材料的強(qiáng)度和(一個(gè)或多個(gè))葉片的使用壽命。這樣的技術(shù)的目的是估計(jì)葉片的使用壽命和葉片的疲勞強(qiáng)度。應(yīng)當(dāng)注意盡管下面的論述涉及風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，但是該技術(shù)可以用于各種應(yīng)用中，這些應(yīng)用例如但不限于直升飛機(jī)和船舶的螺旋槳葉片。圖I是用于監(jiān)測(cè)典型的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片14上的應(yīng)力的系統(tǒng)10的示意圖。在周期性加載過程期間葉片14由加載機(jī)或致動(dòng)器16致動(dòng)。從加載機(jī)16分接鎖定信號(hào)18。信號(hào)18包括關(guān)于正在施加的載荷在載荷的幅度和頻率方面的量的信息。紅外(IR)照相機(jī)22用于連續(xù)地捕捉葉片14的圖像24。紅外照相機(jī)22測(cè)量通過葉片14的表面25排放的溫度。在特定實(shí)施例中，照相機(jī)22可以測(cè)量大約20mK的溫度變化。紅外照相機(jī)22定位在不同位置，聚焦于葉片14的不同部段。紅外照相機(jī)22也聯(lián)接/安裝在對(duì)照相機(jī)22的掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行引導(dǎo)的編碼器27上。這確定照相機(jī)22的平移和旋轉(zhuǎn)位置，并且也確定由照相機(jī)22覆蓋的葉片14的視場(chǎng)。在操作中，鎖定信號(hào)18與所施加的周期性載荷同步并且在所施加的載荷的最大值時(shí)啟動(dòng)采集數(shù)據(jù)。這樣的采集觸發(fā)照相機(jī)22開始捕捉葉片14的圖像。在特定實(shí)施例中，照相機(jī)22可以布置在機(jī)架(未顯示)上并且圍繞葉片14的不同部段旋轉(zhuǎn)。此外，照相機(jī)在葉片14下方致動(dòng)并且掃描表面。在一個(gè)實(shí)施例中，照相機(jī)22可以位于視場(chǎng)大于至少大約Im的位置。聯(lián)接到照相機(jī)22的鎖定處理器32估計(jì)精確的溫度排放以及葉片上的應(yīng)力并且識(shí)別葉片14上的損傷位置。葉片14可以包括標(biāo)記物，對(duì)于照相機(jī)22所捕捉的不同幀所述標(biāo)記物能夠更容易地對(duì)準(zhǔn)葉片。在另一個(gè)實(shí)施例中，激光器(未顯示)可以安裝在照相機(jī)22上，所述激光器產(chǎn)生的光斑可以用于對(duì)準(zhǔn)葉片或用于幀配準(zhǔn)或運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。處理器32也消除環(huán)境溫度對(duì)溫度測(cè)量的影響，并且也消除由于噪聲引起的測(cè)量的變化。此外，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法由處理器32使用以在周期性加載過程期間消除葉片14的位置的變化。所測(cè)量的葉片14上的應(yīng)力使用例如但不限于雙線性變換、仿射配準(zhǔn)或透視配準(zhǔn)的技術(shù)映射到CAD模型上。對(duì)葉片14的壓力側(cè)和吸力側(cè)執(zhí)行映射。映射應(yīng)力模型還可以與FEA模型進(jìn)行比較以用于檢測(cè)應(yīng)力相對(duì)于預(yù)測(cè)值的變化。因此，可以確定高應(yīng)力/損傷位置。記錄檢測(cè)到高應(yīng)力和損傷開始之間的時(shí)間間隔。監(jiān)測(cè)加載過程期間損傷的增長(zhǎng)并且估計(jì)損傷率。此外，CAD模型上的映射應(yīng)力數(shù)據(jù)經(jīng)歷有限元模型(FEM)以預(yù)測(cè)葉片14的使用壽命。在所測(cè)量的應(yīng)力超出預(yù)定界限的情況下向操作者報(bào)警。應(yīng)當(dāng)注意本發(fā)明的實(shí)施例不限于用于執(zhí)行本發(fā)明的處理任務(wù)的任何特定處理器。當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“處理器”旨在表示能夠執(zhí)行對(duì)執(zhí)行本發(fā)明的任務(wù)所必需的計(jì)算或運(yùn)算的任何機(jī)器。術(shù)語(yǔ)“處理器”旨在表示能夠接受結(jié)構(gòu)化輸入并且能夠根據(jù)規(guī)定規(guī)則處理輸入以產(chǎn)生輸出的任何機(jī)器。圖2-5是圖I中的紅外照相機(jī)22所使用的示例性掃描配置。在圖2中的示例性實(shí)施例中，照相機(jī)22定位成在附圖標(biāo)記42所指示的X方向上離葉片14大約5m并且在Y方向44上距離該葉片5m，并且具有如區(qū)域46所示的視場(chǎng)。類似地，圖3示出了葉片14在具有視場(chǎng)48的照相機(jī)22的方向上的視圖，而圖4和5分別示出了分別具有視場(chǎng)52和56的側(cè)視圖和前視圖。圖6是流程圖，表示用于監(jiān)測(cè)葉片上的應(yīng)力的方法中的步驟。該方法包括在步驟 102中捕捉葉片的相應(yīng)位置處的多個(gè)圖像。在一個(gè)實(shí)施例中，在葉片的多個(gè)部段掃描照相機(jī)以捕捉圖像。在另一個(gè)實(shí)施例中，在經(jīng)由鎖定信號(hào)觸發(fā)照相機(jī)之后捕捉圖像。此外，在步驟104中基于捕捉的圖像測(cè)量相應(yīng)位置處的溫度。在步驟106中基于測(cè)量的溫度計(jì)算相應(yīng)位置處葉片正受到的應(yīng)力。在特定實(shí)施例中，在計(jì)算應(yīng)力之前消除環(huán)境溫度影響。在另一個(gè)實(shí)施例中，消除由于噪聲引起的溫度測(cè)量的變化。在又一個(gè)實(shí)施例中，經(jīng)由運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法消除加載過程期間葉片的位置的任何移位。在另一個(gè)實(shí)施例中，在步驟108中將應(yīng)力映射到CAD模型上。在又一個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)力與有限元分析進(jìn)行比較以預(yù)測(cè)葉片的使用壽命。在該應(yīng)力映射CAD模型上使用分析和有限元模型以估計(jì)葉片的剩余使用壽命。在步驟112中在相應(yīng)位置中的一個(gè)或多個(gè)位置處的計(jì)算的應(yīng)力超過預(yù)定界限的情況下向操作者報(bào)警。上述用于鑒定風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的系統(tǒng)和方法的各實(shí)施例因此提供了一種方式以實(shí)現(xiàn)在加載過程期間測(cè)量應(yīng)力的方便并且有效的手段。該技術(shù)也提供非接觸、遠(yuǎn)程測(cè)量和精確讀數(shù)。該技術(shù)也消除了對(duì)當(dāng)前使用的應(yīng)變計(jì)的使用，因此導(dǎo)致成本效益高的測(cè)量手段。此外，該技術(shù)允許在線監(jiān)測(cè)葉片的整個(gè)表面(兩側(cè))以用于應(yīng)力測(cè)量，因此能夠?qū)崿F(xiàn)精度更高的讀數(shù)。應(yīng)當(dāng)理解可以不必根據(jù)任何特定實(shí)施例實(shí)現(xiàn)上述的所有這樣的目的或優(yōu)點(diǎn)。因此，例如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本文中所述的系統(tǒng)和技術(shù)可以以實(shí)現(xiàn)或優(yōu)化如本文中教導(dǎo)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)或一組優(yōu)點(diǎn)的方式實(shí)施或?qū)崿F(xiàn)而不必實(shí)現(xiàn)可能在本文中教導(dǎo)或建議的其它目的或優(yōu)點(diǎn)。此外，熟練技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到來自不同實(shí)施例的各特征的可互換性。類似地，所述的各特征以及每個(gè)特征的其它已知等效物可以由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員組合和匹配以構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的原理的附加系統(tǒng)和技術(shù)。盡管在本文中示出并且描述了本發(fā)明的僅僅一些特征，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將想到許多修改和變化。所以，應(yīng)當(dāng)理解附帶的權(quán)利要求旨在涵蓋屬于本發(fā)明的真實(shí)精神內(nèi)的所有這樣的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種在加載期間鑒定風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的方法，所述方法包括 捕捉所述葉片的相應(yīng)位置處的多個(gè)圖像； 基于捕捉的圖像測(cè)量所述相應(yīng)位置處的溫度； 基于測(cè)量的溫度計(jì)算在所述相應(yīng)位置施加于所述葉片的應(yīng)力； 比較計(jì)算的應(yīng)力與有限元模型中的相應(yīng)理論應(yīng)力以預(yù)測(cè)所述葉片的使用壽命；以及在所述相應(yīng)位置中的一個(gè)或多個(gè)位置處的所述計(jì)算的應(yīng)力超過預(yù)定界限的情況下向操作者報(bào)警。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述計(jì)算應(yīng)力包括消除環(huán)境溫度影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述計(jì)算應(yīng)力包括消除由于噪聲引起的變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述計(jì)算包括消除加載過程期間所述葉片的位置的移位。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述捕捉所述多個(gè)圖像包括在所述葉片的不同部段掃描照相機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述方法還包括經(jīng)由鎖定信號(hào)觸發(fā)圖像的捕捉。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述方法還包括將所述應(yīng)力映射到CAD模型上。
8.—種在加載期間監(jiān)測(cè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片上的應(yīng)力的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 照相機(jī)，所述照相機(jī)被配置成捕捉所述葉片的相應(yīng)位置處的多個(gè)圖像；以及 處理器，所述處理器被配置成 從所述照相機(jī)接收多個(gè)溫度測(cè)量并且基于所述測(cè)量計(jì)算應(yīng)力； 比較計(jì)算的應(yīng)力與有限元模型中的相應(yīng)理論應(yīng)力以預(yù)測(cè)所述葉片的使用壽命；以及在所述相應(yīng)位置中的一個(gè)或多個(gè)位置處的所述計(jì)算的應(yīng)力超過預(yù)定界限的情況下向操作者報(bào)警。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)還包括聯(lián)接到所述葉片以將載荷施加于所述葉片的致動(dòng)器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述照相機(jī)基于經(jīng)由鎖定信號(hào)的觸發(fā)捕捉所述多個(gè)圖像。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述照相機(jī)包括紅外照相機(jī)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述照相機(jī)定位在離所述葉片的表面至少Im的視場(chǎng)距離處。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述處理器包括以消除在加載期間遇到的所述葉片的位置的變化的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法或幀配準(zhǔn)算法。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述處理器包括以消除環(huán)境溫度影響的算法。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述處理器包括以消除由于噪聲引起的測(cè)量的變化的算法。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于確定風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的使用壽命的系統(tǒng)和方法。公開一種用于在加載期間監(jiān)測(cè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片上的應(yīng)力的方法。所述方法包括捕捉所述葉片的相應(yīng)位置處的多個(gè)圖像。所述方法也包括基于捕捉的圖像測(cè)量所述相應(yīng)位置處的溫度。所述方法還包括基于所述測(cè)量的溫度計(jì)算在所述相應(yīng)位置處施加于所述葉片的應(yīng)力。該方法還包括基于測(cè)量的溫度計(jì)算在相應(yīng)位置處施加于葉片的應(yīng)力。所述方法還包括比較計(jì)算的應(yīng)力與有限元模型中的相應(yīng)理論應(yīng)力以預(yù)測(cè)所述葉片的使用壽命。所述方法也包括在所述相應(yīng)位置中的一個(gè)或多個(gè)位置處的所述計(jì)算的應(yīng)力超過預(yù)定界限的情況下向操作者報(bào)警。
文檔編號(hào)G01L1/00GK102841026SQ20121021332
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者S.喬治 申請(qǐng)人:通用電氣公司