專利名稱：在加載期間監(jiān)測風(fēng)力渦輪機葉片上的應(yīng)力的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及風(fēng)力渦輪機葉片的鑒定，并且更具體地，涉及動態(tài)測試期間的風(fēng)力渦輪機葉片的應(yīng)力/損傷監(jiān)測的技術(shù)。
背景技術(shù)：
靜態(tài)和動態(tài)加載通常用于風(fēng)力渦輪機葉片的測試。靜態(tài)測試將有助于估計葉片的剛度和極限強度。動態(tài)測試有助于評價葉片的疲勞強度。通常在靜態(tài)測試期間，沖擊載荷被施加于葉片上并且研究葉片隨著時間的偏轉(zhuǎn)。在動態(tài)測試期間，時變載荷(通常為正弦)被施加于葉片上并且研究隨著周期數(shù)的葉片偏轉(zhuǎn)。一種公知的應(yīng)力測量技術(shù)使用安裝在部件(例如葉片)上的應(yīng)變計來間接地測量 應(yīng)力。通常，葉片裝備有應(yīng)變計以測量各位置處的應(yīng)變。例如，大約120個應(yīng)變計安裝在37米的葉片上并且這些應(yīng)變計中的大約20%安裝在葉片的內(nèi)側(cè)上。通常這樣的應(yīng)變計可以相距大約2至大約3m。應(yīng)變計提供在葉片上的不同區(qū)域處的應(yīng)變或偏轉(zhuǎn)。這樣的測量結(jié)果與設(shè)計規(guī)范界限比較，并且在測量結(jié)果超過規(guī)范界限的情況下發(fā)出警報。然而，應(yīng)變計經(jīng)由環(huán)氧樹脂結(jié)合到葉片對固定位置處的葉片的表面上的應(yīng)變進行測量。這樣的測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)變計的取向。另外，應(yīng)變計測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)致實際應(yīng)變的變化。因此，需要一種改進的應(yīng)力測量技術(shù)來解決一個或多個前述問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供一種在加載期間監(jiān)測風(fēng)力渦輪機葉片上的應(yīng)力的方法。所述方法包括捕捉所述葉片的相應(yīng)位置處的多個圖像。所述方法也包括基于捕捉的圖像測量所述相應(yīng)位置處的溫度。所述方法還包括基于所述測量的溫度計算在所述相應(yīng)位置施加于所述葉片的應(yīng)力。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了一種在加載期間監(jiān)測風(fēng)力渦輪機葉片上的應(yīng)力的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括照相機，所述照相機被配置成捕捉所述葉片的相應(yīng)位置處的多個圖像。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接收多個溫度測量并且基于所述測量計算應(yīng)力。


當(dāng)參考附圖閱讀以下詳細描述時將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點，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)明的實施例的用于監(jiān)測典型的風(fēng)力渦輪機葉片上的應(yīng)力的系統(tǒng)的示意圖。圖2是圖I中的紅外照相機所使用的示例性掃描配置。
圖3是在圖I中的照相機的方向上的視圖的示意圖。圖4是由圖I中的照相機捕捉的葉片14的側(cè)視圖。圖5是由圖I中的照相機捕捉的葉片14的前視圖。圖6是流程圖，表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于監(jiān)測風(fēng)力渦輪機葉片中的應(yīng)力的方法中的步驟。
具體實施例方式如下面詳細地所述，本發(fā)明的實施例包括一種用于鑒定風(fēng)力渦輪機葉片的系統(tǒng)和方法。熱彈性技術(shù)監(jiān)測(一個或多個)葉片的疲勞測試期間的應(yīng)力。當(dāng)在本文中使用時，術(shù)語‘疲勞測試’指的是在(一個或多個)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)能夠在時間上和空間上監(jiān)測葉片上的應(yīng)力。此外，這樣的 技術(shù)能夠識別(一個或多個)葉片上的損傷位置并且在周期性加載期間監(jiān)測損傷的擴展。因此，該技術(shù)能夠估計用于(一個或多個)葉片上的材料的強度和(一個或多個)葉片的使用壽命。這樣的技術(shù)的目的是估計葉片的使用壽命和葉片的疲勞強度。應(yīng)當(dāng)注意盡管下面的論述涉及風(fēng)力渦輪機葉片，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和船舶的螺旋槳葉片。圖I是用于監(jiān)測典型的風(fēng)力渦輪機葉片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由加載機或致動器16致動。從加載機16分接鎖定信號18。信號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22用于連續(xù)地捕捉葉片14的圖像24。紅外照相機22測量通過葉片14的表面25排放的溫度。在特定實施例中，照相機22可以測量大約20mK的溫度變化。紅外照相機22定位在不同位置，聚焦于葉片14的不同部段。紅外照相機22也聯(lián)接/安裝在對照相機22的掃描機構(gòu)進行引導(dǎo)的編碼器27上。這確定照相機22的平移和旋轉(zhuǎn)位置，并且也確定由照相機22覆蓋的葉片14的視場。在操作中，鎖定信號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啟動采集數(shù)據(jù)。這樣的采集觸發(fā)照相機22開始捕捉葉片14的圖像。在特定實施例中，照相機22可以布置在機架(未顯示)上并且圍繞葉片14的不同部段旋轉(zhuǎn)。此外，照相機在葉片14下方致動并且掃描表面。在一個實施例中，照相機22可以位于視場大于至少大約Im的位置。聯(lián)接到照相機22的鎖定處理器32估計精確的溫度排放以及葉片上的應(yīng)力，并且識別葉片14上的損傷位置。葉片14可以包括標(biāo)記物，對于照相機22所捕捉的不同幀所述標(biāo)記物能夠更容易地對準(zhǔn)葉片。在另一個實施例中，激光器(未顯示)可以安裝在照相機22上，所述激光器產(chǎn)生的光斑可以用于對準(zhǔn)葉片以用于幀配準(zhǔn)或運動補償。處理器32也消除環(huán)境溫度對溫度測量的影響，并且也消除由于噪聲引起的測量的變化。此外，運動補償算法由處理器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模型進行比較以用于檢測應(yīng)力相對于預(yù)測值的變化。因此，可以確定高應(yīng)力/損傷位置。記錄檢測到高應(yīng)力和損傷開始之間的時間間隔。監(jiān)測加載過程期間損傷的增長并且估計損傷率。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)測葉片14的使用壽命。在所測量的應(yīng)力超出預(yù)定界限的情況下向操作者報警。這樣的分析的結(jié)果也可以用于進一步增強(一個或多個)葉片的設(shè)計。應(yīng)當(dāng)注意本發(fā)明的實施例不限于用于執(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，術(shù)語“處理器”旨在表示能夠執(zhí)行對執(zhí)行本發(fā)明的任務(wù)所必需的計算或運算的任何機器34。術(shù)語“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)生輸出的任何機器。圖2-5是圖I中的紅外照相機22所使用的示例性掃描配置。在圖2中的示例性實施例中，照相機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。類似地，圖3示出了葉片14在具有視場48的照相機22的方向上的視圖，而圖4和5分別示出了分別具有視場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)位置處的多個圖像。在一個實施例中，在葉片的多個部段掃描照相 機以捕捉圖像。在另一個實施例中，在經(jīng)由鎖定信號觸發(fā)照相機之后捕捉圖像。此外，在步驟104中基于捕捉的圖像測量相應(yīng)位置處的溫度。在步驟106中基于測量的溫度計算相應(yīng)位置處葉片正受到的應(yīng)力。在特定實施例中，在計算應(yīng)力之前消除環(huán)境溫度影響。在另一個實施例中，消除由于噪聲引起的溫度測量的變化。在又一個實施例中，經(jīng)由運動補償算法消除加載過程期間葉片的位置的任何移位。在另一個實施例中，將應(yīng)力映射到CAD模型上。在又一個實施例中，應(yīng)力與有限元分析進行比較以預(yù)測葉片的使用壽命。上述用于鑒定風(fēng)力渦輪機葉片的系統(tǒng)和方法的各實施例因此提供了一種方式以實現(xiàn)在加載過程期間測量應(yīng)力的方便并且有效的手段。該技術(shù)也提供非接觸、遠程測量和精確讀數(shù)。該技術(shù)也消除了對當(dāng)前使用的應(yīng)變計的使用，因此導(dǎo)致成本效益高的測量手段。此外，該技術(shù)允許在線監(jiān)測葉片的整個表面(兩側(cè))以用于應(yīng)力測量，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)任何特定實施例實現(xiàn)上述的所有這樣的目的或優(yōu)點。因此，例如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到本文中所述的系統(tǒng)和技術(shù)可以以實現(xiàn)或優(yōu)化如本文中教導(dǎo)的一個優(yōu)點或一組優(yōu)點的方式實施或?qū)崿F(xiàn)而不必實現(xiàn)可能在本文中教導(dǎo)或建議的其它目的或優(yōu)點。此外，熟練技術(shù)人員將認識到來自不同實施例的各特征的可互換性。類似地，所述的各特征以及每個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
1.一種在加載期間監(jiān)測風(fēng)力渦輪機葉片上的應(yīng)力的方法，所述方法包括 捕捉所述葉片的相應(yīng)位置處的多個圖像； 基于捕捉的圖像測量所述相應(yīng)位置處的溫度；以及 基于測量的溫度計算在所述相應(yīng)位置施加于所述葉片的應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述計算應(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圖像包括在所述葉片的不同部段掃描照相機。
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，其中所述計算還包括估計所述葉片上的損傷的增長。
8.—種在加載期間監(jiān)測風(fēng)力渦輪機葉片上的應(yīng)力的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 照相機，所述照相機被配置成捕捉所述葉片的相應(yīng)位置處的多個圖像；以及 處理器，所述處理器被配置成從所述照相機接收多個溫度測量并且基于所述測量計算應(yīng)力。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，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器。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述照相機基于經(jīng)由鎖定信號的觸發(fā)捕捉所述多個圖像。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述照相機包括紅外照相機。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述照相機定位在離所述葉片的表面至少Im的視場距離處。
13.根據(jù)權(quán)利要求7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動補償算法。
14.根據(jù)權(quán)利要求7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7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量的變化的算法。
16.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括聯(lián)接到所述照相機以在所述葉片的不同部分上引導(dǎo)所述照相機的掃描機構(gòu)的編碼器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在加載期間監(jiān)測風(fēng)力渦輪機葉片上的應(yīng)力的系統(tǒng)和方法。其中所述方法包括捕捉所述葉片的相應(yīng)位置處的多個圖像。所述方法也包括基于捕捉的圖像測量所述相應(yīng)位置處的溫度。所述方法還包括基于所述測量的溫度計算在所述相應(yīng)位置處施加于所述葉片的應(yīng)力。
文檔編號G01L1/24GK102840941SQ20121021334
公開日2012年12月26日 申請日期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 申請人:通用電氣公司