專利名稱：靜態(tài)試驗中的風(fēng)輪機葉片應(yīng)變測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對風(fēng)輪機葉片執(zhí)行的、用于檢定(certification)和其它目的的靜態(tài)試驗，而且尤其涉及用于測量所述試驗中應(yīng)變(strain)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前的風(fēng)輪機(wind turbine)葉片檢定需要對葉片執(zhí)行幾個靜態(tài)試驗，以確認葉片性能可以承受預(yù)期負載，尤其是檢驗處于極端設(shè)計負載下葉片性能的靜態(tài)強度試驗，關(guān)于葉片設(shè)計使用年限而檢測葉片承受工作負載的疲勞試驗，以及其它用于表現(xiàn)諸如重量、 重心或固有模態(tài)和頻率等葉片物理特性的試驗。這些試驗通常在試驗臺中執(zhí)行，葉片在試驗臺中被栓到剛性結(jié)構(gòu)，然后通過不同方式將靜態(tài)或動態(tài)負載施加到葉片上。當(dāng)前試驗系統(tǒng)依賴于一套應(yīng)變儀以確定沿著葉片的應(yīng)變分布(strain distribution)。隨著葉片尺寸的增加，所需的儀器數(shù)目也快速增加，這意味著為充分估計前述分布的更大努力。每個儀器需要2或4條電線，電纜敷設(shè)量、復(fù)雜度和受電磁干擾的脆弱性變得顯著和令人厭煩。另外，這種測量的分立特性意味著，在兩個測量儀之間區(qū)域內(nèi)非線性特征的情形下丟失信息。本發(fā)明致力于上述問題的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供靜態(tài)試驗中的風(fēng)輪機葉片應(yīng)變測量系統(tǒng)，具有高應(yīng)變分辨率。本發(fā)明的另一目的是提供靜態(tài)試驗中的風(fēng)輪機葉片應(yīng)變測量系統(tǒng)，具有高空間分辨率。本發(fā)明的另一目的是提供靜態(tài)試驗中的風(fēng)輪機葉片應(yīng)變測量系統(tǒng)，從而便利檢測和評估本地和全局非線性性能，比如應(yīng)力集中、彎曲或彎曲形狀。本發(fā)明的另一目的是提供靜態(tài)試驗中的風(fēng)輪機葉片應(yīng)變測量系統(tǒng)，可以快速和便利地安裝。通過提供靜態(tài)試驗執(zhí)行中的風(fēng)輪機的應(yīng)變測量系統(tǒng)實現(xiàn)這些或者其它目的，該系統(tǒng)包括用于使用瑞利散射光在單模光學(xué)纖維中測量多個位置處應(yīng)變的裝備，所述單模光學(xué)纖維結(jié)合到承受所述試驗的葉片，用于獲取所述測試中葉片應(yīng)變的高空間分辨率測量。 重要的是應(yīng)該理解到在本發(fā)明范圍之內(nèi)，風(fēng)輪機的靜態(tài)試驗應(yīng)該被理解為，向結(jié)合到試驗臺中剛性結(jié)構(gòu)的風(fēng)輪機葉片施加負載的任意試驗。在優(yōu)選實施例中，光學(xué)纖維可以在縱向或非縱向或以非線性形狀布置在給定葉片部分中。因此，該系統(tǒng)允許在沿葉片的不同位置處獲取應(yīng)變測量，更好適用于不同需求。在適用于檢定目的的優(yōu)選實施例中，該系統(tǒng)包括分別沿著該葉片前緣、該葉片后緣、該葉片上部蓋和該葉片底蓋布置的4個光學(xué)纖維。因此實現(xiàn)了改善的系統(tǒng)，用于獲取在檢定目的所需要的靜態(tài)試驗中需要的應(yīng)變測量。在另外的優(yōu)選實施方式中，光學(xué)纖維結(jié)合到葉片的外皮或葉片的外皮的槽中，或嵌入到葉片的兩個結(jié)構(gòu)層壓之間。因此，該系統(tǒng)為更好適用于不同需求，允許獲取葉片橫斷部分中不同位置處的應(yīng)變測量。根據(jù)下面結(jié)合附圖的詳細描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點可以被理解。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)變測量系統(tǒng)。圖2示出了單光學(xué)纖維的三種不同布置式樣縱向，橫越和斜線。圖3示出了包括非線性部分的單光學(xué)纖維的另外可能布置式樣。圖4示出了在檢定試驗中使用的優(yōu)選傳感器配置。圖5a、5b、5c、5d和5e示出了安裝在葉片不同位置中的光學(xué)纖維的示意圖。
具體實施例方式典型風(fēng)輪機葉片長度可能在20到60米之間或更長，而且它由合成材料構(gòu)成，比如玻璃鋼(Glass Reinforced Plastic，GRP)?？赡軗p壞風(fēng)輪機的因素有很多，比如疲勞、陣風(fēng)、雷擊、風(fēng)輪機之間的空氣動力干擾，其中一些會導(dǎo)致葉片上的不可預(yù)期負載。用于靜態(tài)試驗的良好葉片應(yīng)變測試系統(tǒng)的重要性不僅在于檢定目的，而且還在于提供關(guān)于葉片經(jīng)受預(yù)定負載時性能的有價值信息，特別是懸臂葉片的偏轉(zhuǎn)和應(yīng)變。按照圖1可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明靜態(tài)試驗中的風(fēng)輪機葉片應(yīng)變測試系統(tǒng)包括a)多個單模光學(xué)纖維5，5'，5〃，附到經(jīng)受所述試驗的葉片11之上。b)用于根據(jù)所述光纖5，5'，5"的光學(xué)性能在所述試驗中的變化來測量所述光纖5，5'，5〃中應(yīng)變的裝備，包括bl)光后向散射反射(OBR)詢問器23，從光纖5，5'，5"獲取光學(xué)信號并將其轉(zhuǎn)化成應(yīng)變數(shù)據(jù)。b2)接口設(shè)備25，連接所述光纖5，5'，5〃到所述OBR詢問器23。b3)獲取系統(tǒng)27，典型是專用計算機，用于接收和處理由OBR詢問器23提供的應(yīng)變數(shù)據(jù)。所述裝備使用公知技術(shù)，利用瑞利散射(Rayleigh scattered)光實現(xiàn)光學(xué)纖維中高空間分辨率分布的應(yīng)變測量，特別是通過測量瑞利頻譜移動(Rayleigh spectral shift)中的本地移動，在不變的、商品等級單模光學(xué)纖維中的多個位置處。尤其是，所述技術(shù)使用對應(yīng)于加載和零加載狀況的頻譜復(fù)互相關(guān)(complex cross correlation)，實現(xiàn)在加載該光纖之前和之后的頻譜比較。這項技術(shù)當(dāng)前允許實現(xiàn)應(yīng)變分辨率(strain resolution)的范圍為士1μ ε，而且空間分辨率(spatial resolution)至少為0，5mm。關(guān)于這項技術(shù)的進一步信息可以在US6，545，760中獲取。如圖2所示，該系統(tǒng)可以包括沿著風(fēng)輪機葉片11縱向布置的光學(xué)纖維5，以及相對于葉片縱軸布置在橫貫方向和斜線方向的光學(xué)纖維7，7'。該系統(tǒng)優(yōu)選包括縱向沿著至少 50%的葉片長度布置的光學(xué)纖維5，以提供靜態(tài)試驗中需要的基本應(yīng)變數(shù)據(jù)，但是也可能需要布置在非縱向方向中的光學(xué)纖維7，7'，用于提供本地區(qū)域中的附加或特定應(yīng)變數(shù)據(jù)。
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如圖3所示，該系統(tǒng)還可以包括包含非線性部分的光學(xué)纖維9。利用包括轉(zhuǎn)動和/ 或彎曲部分的配置，單光學(xué)纖維9可以覆蓋葉片11的很大部分，從而單光學(xué)纖維的數(shù)目可以被降低，最小化裝備中所需的獲取通道的數(shù)目。如圖4所示，在本發(fā)明的實施方式中，可以提供足夠的應(yīng)變數(shù)據(jù)量以遵從當(dāng)前檢定需要。該系統(tǒng)將包含在至少50%的葉片長度上沿著前緣(leading edge)l，后緣 (trailing edge) 15，上部蓋17以及底蓋19縱向布置的光學(xué)纖維5，5‘，5〃，5〃 ‘。特定試驗可能需要特定安裝。舉例，屈曲估計過程(buckling estimation procedures)是基于對應(yīng)變數(shù)據(jù)的處理，而應(yīng)變數(shù)據(jù)來自于安裝在葉片后緣板頂部上的光纖。為了其它目的，正如已經(jīng)被提及的，光學(xué)纖維穿過葉片的縱軸，相對于葉片縱軸成角度地延伸，或者可能需要針對上述配置的一些結(jié)合。在圖5a示出的本發(fā)明的實施方式中，光學(xué)纖維5，7，9通過諸如膠或樹脂等合適結(jié)合物質(zhì)41結(jié)合到葉片11的外皮31。結(jié)果，在葉片的外皮上應(yīng)變被測量。該實施方式具有優(yōu)點，允許在葉片中快和簡單安裝光學(xué)纖維5，7，9，缺點是在葉片的外皮測量應(yīng)變，而外皮并不經(jīng)常是結(jié)構(gòu)上的而且可能具有特別的應(yīng)變分布，而且光學(xué)纖維5，7，9勉勉強強防止機械損壞。在圖5b和5c所示的本發(fā)明實施方式中，光學(xué)纖維5，7，9通過諸如膠或樹脂等合適結(jié)合物質(zhì)41，分別結(jié)合到在葉片11的外皮31中加工出的槽51，53中。結(jié)果，在葉片的外部結(jié)構(gòu)層壓(laminate)上應(yīng)變被測量。槽51加工為矩形部分，使得更少和更定位的葉片變動，然而槽53加工為三角部分，更加有干擾但是提供了更平滑的應(yīng)變傳送而且可以更快執(zhí)行。在圖5d示出的本發(fā)明的實施方式中，光學(xué)纖維5，7，9在其制造過程中嵌入到葉片 11的體內(nèi)。通過諸如膠或樹脂等合適結(jié)合物質(zhì)41，將它們結(jié)合到單葉片部件內(nèi)兩個結(jié)構(gòu)層壓33，35之間的位置處。在圖5e示出的本發(fā)明的實施方式中，光學(xué)纖維5，7，9在其制造過程中嵌入到葉片 11的體內(nèi)。它們被嵌入到兩個葉片部件的兩個結(jié)構(gòu)層壓33，35之間的結(jié)合層37中。在本發(fā)明中用作應(yīng)變傳感器的商業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)纖維可以具有不同的涂層(丙烯酸化的，聚酰胺，等等)，特別取決于怎么樣結(jié)合到葉片。與現(xiàn)有基于應(yīng)力儀的靜態(tài)測試中應(yīng)力測量系統(tǒng)相比較，本系統(tǒng)，特別地，根據(jù)圖 5a, 5b和5c所示的實施方式具有下列優(yōu)勢-更容易和更快的安裝。當(dāng)前系統(tǒng)涉及數(shù)百個應(yīng)力儀以及相應(yīng)導(dǎo)線束的安裝。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)只需要沿著葉片的一些光學(xué)纖維的簡單安裝?？梢哉J為，600個通常儀器可以被單光學(xué)纖維替代。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)安裝時間遠低于傳統(tǒng)應(yīng)變儀方式的1/4。-成本降低。使用慣用的電通訊光學(xué)纖維顯著地降低了傳感器成本。已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實施方式充分描述了本發(fā)明。顯然是，可以不脫離其范圍引入修改。 不能認為本發(fā)明受這些實施方式的局限，而應(yīng)該由權(quán)利要求的內(nèi)容限定。
權(quán)利要求
1.靜態(tài)試驗執(zhí)行中的風(fēng)輪機(11)的應(yīng)變測量系統(tǒng)，其特征在于，包括裝備(23，25， 27)，用于使用瑞利散射光在單模光學(xué)纖維(5，7，9)中多個位置處測量應(yīng)變；所述單模光學(xué)纖維(5，7，9)結(jié)合到承受所述試驗的葉片(11)，用于獲取所述測試中葉片應(yīng)變的高空間分辨率測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(11)的應(yīng)變測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)纖維中的至少一個(5)，被布置到沿該葉片(11)在縱向上至少延伸50%葉片長度的葉片部分中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任一項所述的風(fēng)輪機(11)的應(yīng)變測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)纖維中的至少一個(7，7')，在非縱向方向上被布置到葉片部分中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的風(fēng)輪機(11)的應(yīng)變測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)纖維中的至少一個(9)，被布置在以非線性形狀至少延伸50%葉片長度的葉片部分中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的風(fēng)輪機(11)的應(yīng)變測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)纖維中的至少一個(5)被布置在下列方向中的一個-沿著該葉片前緣(13)；_沿著該葉片后緣(15)；-沿著該葉片上部蓋(17)；-沿著該葉片底蓋(19)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的風(fēng)輪機(11)的應(yīng)變測量系統(tǒng)，其特征在于，它包括4個光學(xué)纖維(5，5'，5"，5"‘)，分別沿著該葉片前緣(13)、該葉片后緣(15)、該葉片上部蓋(17)和該葉片底蓋(19)被布置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的風(fēng)輪機(11)的應(yīng)變測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)纖維(5,7,9)結(jié)合到該葉片(11)的外皮(31)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的風(fēng)輪機(11)的應(yīng)變測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)纖維(5，7，9)結(jié)合到在該葉片(11)的外皮(31)中加工成的槽(51，53)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的風(fēng)輪機(11)的應(yīng)變測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)纖維(5，7，9)被嵌入到兩個結(jié)構(gòu)層壓(33，35)之中。
全文摘要
靜態(tài)試驗執(zhí)行中的風(fēng)輪機(11)的應(yīng)變測量系統(tǒng)，包括用于使用瑞利散射光在單模光學(xué)纖維(5，7，9)中多個位置處測量應(yīng)變的裝備，包括光后向散射反射(OBR)詢問器23、接口設(shè)備(25)和獲取系統(tǒng)(27)；所述單模光學(xué)纖維(5，7，9)結(jié)合到承受所述試驗的葉片(11)，用于獲取所述測試中葉片應(yīng)變的高空間分辨率測量。所述光學(xué)纖維(5，7，9)可以在縱向或非縱向或以非線性形狀布置在給定葉片部分中，而且可以結(jié)合到葉片(11)的外皮(31)或葉片(11)的外皮(31)的槽(51，53)中，或嵌入到葉片(11)的兩個結(jié)構(gòu)層壓(33，35)之間。
文檔編號G01D5/353GK102301129SQ200980155886
公開日2011年12月28日 申請日期2009年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月30日
發(fā)明者安東尼奧·費爾南德斯·洛佩斯, 米格爾·里茨·科爾帕斯, 阿爾弗雷多·克里亞多·阿瓦德, 阿爾弗雷多·格梅斯·戈多 申請人:歌美颯創(chuàng)新技術(shù)公司