专利名称：用于风力涡轮机叶片的测试方法
技术领域：
本发明涉及对风力涡轮机叶片实施的测试，尤其涉及使用一项用于在利用瑞利散射光(Rayleigh scattered light)的光学纤维中实施高空间分辨率分布应变测量的技术的测试。
背景技术：
目前的风力涡轮机叶片检定需要在叶片上实施几项静态和动态测试，以确定叶片能够承受预期载荷，特别是为了其设计寿命而检查在极端设计载荷下的叶片运行状况的静强度测试、检查叶片承受工作载荷能力的疲劳测试和为了体现诸如重量、重心或固有模态和频率的叶片物理性能的其他测试。
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这些测试通常在一个测试台上实施，在测试台上叶片被螺栓连接到一个刚性结构上，随后用不同方法的工具将静态或动态载荷施加到叶片上。大部分的当前已用的测试系统依靠一组应变测量器以确定沿着叶片的应变分布。随着叶片尺寸的增加，所需测量器的数量迅速地上涨，这就意味着做出更大的努力来充分估计上述分布。每个测量器带有二到四根电线，布线体积、复杂度和易损性造成电磁干扰变得突出且令人厌烦。另外，这种测量值的离散性质意味着非线性运行状况的情况下在两个应变测量器之间区域的信息的丢失。申请人:名下的WO 2010/086466公开了一种静态测试中的风轮机叶片应变测量系统，其包括用于在利用瑞利散射光的单模光学纤维中的多个位置测量应变的设备，包括光后向散射反射计(OBR)询问器、接口设备和获取系统，所述单模光学纤维结合到承受所述测试的叶片，用于获取所述测试中叶片应变的高空间分辨率测量。叶片的物理性能，诸如在叶片不同区域的纵向质量分布或弯曲刚度分布，由于其低空间分辨率而不能使用基于应变测量器的上述技术很好地被体现出来。从另一方面来看，没有已知的测试方法具有使用WO 2010/086466所公开的技术的用途。然而，为了在整体上建立统计质量控制以侦测在生产过程中由缺陷或错误所产生的刚度和质量的局部变化，在制造工厂对上述物理性能的良好认识将会非常有用。其在叶片生命周期的许多其他阶段也会非常有用。因此，就有对用于确定叶片物理性能的新测试方法的需要，且本发明意欲关注于此。

发明内容
本发明的目的是提供一种为了质量控制目的而在叶片工厂实施的，对风力涡轮机叶片物理性能的测试方法。本发明的另一个目的是提供一种风力涡轮机叶片物理性能的测试方法，所述测试方法在叶片工厂以外实施以用于在叶片的生命周期内侦测所述物理性能的变化。本发明的另一个目的是提供一种在风力涡轮机叶片内部的单模光学纤维光缆的安装方法，以使其可以在整个风力涡轮机叶片生命周期被使用。在一个方面，这些和其他的目的由用于确定沿着风力涡轮机叶片的物理性能分布的测试方法来实现，所述方法包括如下步骤a)沿着前缘和后缘在叶片内部安装单模光学纤维的第一光缆并沿着中心纵切面在叶片两侧安装单模光学纤维的第二和第三光缆，给所述光缆留出自由端以用于其与外部设备的连接；b)在位于叶片工厂的测试台上向叶片施加一个或多个载荷，所述测试台包括第一和第二固定支架以及用于旋转叶片的工具；c)使用连接到用于利用瑞利散射光测量应变的所述光缆中的至少一个的自由端的合适外部设备来获取由所述载荷产生的沿着叶片的应变分布；d)根据所述应变分布确定所述物理性能的分布；e)将所述物理性能的分布与其设计分布相比较。在本发明的实施例中，所述物理性能为腹向弯曲刚度；叶片以腹向方向被置于所述测试台上并且载荷施加在所述支架之间的叶片部分上；沿着所述第二和第三光缆实施应变测量。由此，为了质量控制目的，在叶片制造过程结尾实现了用于获取腹向弯曲刚度分布的测试方法。·在本发明的实施例中，所述物理性能为侧向弯曲刚度；叶片以侧向方向被置于所述测试台上并且载荷施加在所述支架之间的叶片部分上；沿着所述第一光缆实施应变测量。由此，为了质量控制目的，在叶片制造过程结尾实现了用于获取侧向弯曲刚度分布的测试方法。在本发明的实施例中，所述物理性能为纵向叶片质量分布；叶片以承受其自身重量的腹向方向被置于所述测试台上并且沿着所述第二光缆实施第一应变测量；叶片在所述测试台上转过180°并且沿着所述第三光缆实施第二应变测量；纵向叶片质量分布根据先前获得的腹向弯曲刚度的分布和由从所述第一和第二应变测量而来的第一和第二应变分布确定，相对于第一分布，需要考虑到的是第二分布是由叶片自身重量两倍所引起的。由此，为了质量控制目的，在叶片生产过程结尾实现了用于获取纵向质量分布的测试方法。在本发明的实施例中，测试方法(关于腹向弯曲刚度测试)还包括如下步骤f)在置于叶片工厂以外的合适的测试台上施加一个载荷到叶片；g)使用连接到利用瑞利散射光测量应变的所述第二和第三光缆的自由端的合适外部设备来获取由所述载荷产生的沿着叶片的应变分布；h)从所述应变分布确定腹向弯曲刚度的分布；i)将所述腹向弯曲刚度分布与在叶片工厂所确定的相比较。由此，为了侦测腹向弯曲刚度的局部变化，在叶片工厂以外实现了用于获取腹向弯曲刚度的分布的测试方法。在本发明的实施例中，测试方法(关于侧向弯曲刚度测试)还包括如下步骤f)在置于叶片工厂以外的合适的测试台上施加一个载荷到叶片；g)使用连接到利用瑞利散射光测量应变的所述第一光缆的自由端的合适外部设备来获取由所述载荷产生的沿着叶片的应变分布；h)从所述应变分布确定侧向弯曲刚度的分布；i)将所述侧向弯曲刚度分布与在叶片工厂所确定的相比较。由此，为了侦测侧向弯曲刚度的局部变化，在叶片工厂以外实现了用于获取叶片中侧向弯曲刚度的分布的测试方法。在本发明的实施例中，在将叶片装入风力涡轮机前，所述步骤在叶片工厂以外的任何位置实施。由此，将叶片装入风力涡轮机前，为了侦测腹向或侧向刚度的任一局部变化，实现了用于而获取腹向或侧向弯曲刚度的分布的测试方法。在本发明的实施例中，所述步骤(在叶片工厂以外)实施于已装入风力涡轮机上的叶片，因此风力涡轮机本身就是测试台，使用外部装置例如附接到靠近叶片尖端的叶片部分上的、由置于地上的马达驱动并由固定到风力涡轮机塔上的滑轮引导的绳索在靠近叶片尖端的部分施加载荷。由此，在已装入风力涡轮机的叶片上，为了侦测腹向或侧向刚度的任一局部变化，实现了用于而获取腹向或侧向弯曲刚度的分布的测试方法。另一方面，上述目的由在风力涡轮机叶片内部的单模光学纤维光缆的安装方法来实现，所述风力涡轮机叶片通过将内部翼梁和两个壳体粘合装配而成，所述光缆旨在用于利用瑞利散射光测量应变，所述方法包括步骤为了安置用于壳体-壳体和壳体-翼梁组件的粘合剂，沿着在叶片装配期间不会被用到的侧面(by the side)，通过合适的预先附接工具将每个所述光缆预先固定到所述内部翼梁和壳体中的一个；将所述预先固定的光缆以确保其在叶片完全装配时除了它的一个用于与外部设备连接的末端之外将会被用于壳体-壳体和壳体-翼梁组件的粘合剂完全覆盖的方式安·置。在本发明的实施例中，所述预先固定工具为快速固化粘合剂工具的滴剂，其与用于壳-壳和壳-梁组件的粘合剂相兼容。由此，实现了所述光缆的高效预先固定。本发明还包括在风力涡轮机叶片内部沿着前缘和后缘安装单模光学纤维的第一光缆、沿着翼梁的两侧安装单模光学纤维的第二和第三光缆并给光缆留出自由端以用于其与外部设备连接的所述安装方法的用途。本发明的其它特征和优点将从下面关于所附附图详细描述中得知。


图I按照图式示出在叶片制造过程的末期装配的典型风力涡轮机叶片的上侧和下侧壳体和翼梁。图2和3按照图式示出根据本发明分别被布置并被预先固定在风力涡轮机叶片上侧壳体和翼梁上的三个光学纤维光缆。图4按照图式不出被施加在下侧壳体和翼梁上用于壳体-壳体和壳体-翼梁组件的粘合剂。图5按照图式示出根据本发明在装配过程的末期，光学纤维光缆被嵌入到用于壳体-壳体和壳体-翼梁组件的粘合剂。图6示出根据本发明用于纵向质量分布测试的测试台。图7示出根据本发明用于弯曲刚度测试的测试台。图8示出根据本发明用于对安装在风力涡轮机上的叶片实施弯曲刚度测试的设备。
具体实施例方式光学纤维的安装我们将在第一处描述沿着叶片前缘和后缘的单模光学纤维第一光缆13的安装方法和沿着叶片翼梁两侧的单模光学纤维第二和第三光缆14、15的安装方法，其与风力涡轮机叶片的装配过程相关，所述装配过程使用粘合剂工具，所述风力涡轮机叶片由三个部件组成如图I所示的上侧壳体21、下侧壳体25和翼梁23。在第一步骤中(如图2)，第一和第二光缆13、14被分别布置在前缘、后缘和上侧壳体21 (其在叶片的装配过程中不会一直保持固定)的内侧中心部分上，且第三光缆15 (在假想线内)被布置到翼梁23将要被附接到上侧壳体21 —侧的相对面上。在第二步骤中(如图3)，所述三个光缆13、14和15被预先固定在已经通过滴加一些快速固化粘合剂的滴剂17将其所布置的区域，所述快速固化粘合剂必须与用于叶片装配的慢速固化粘合剂相兼容。当实施上述步骤时，用于壳体-壳体和壳体-翼梁组件的慢速固化粘合剂27被施加在下侧壳体25 (器在叶片的装配过程中将保持固定)的内侧中心部分、前缘和后缘上，并被施加在如图4所示的翼梁23上与已被预先固定光缆15 —侧相对的一侧。一旦施加于光缆13、14和15的快速固化粘合剂17干透，按照典型的叶片装配过·程，可以实施如图5所示的不移动光缆13、14和15地旋转上侧壳体21和翼梁23，所述光缆13、14和15从而保持嵌入在壳体-壳体组件(光缆13)和壳体-翼梁组件(光缆14、15)中。光缆13、14和15应当留出可以从叶片中拿出的自由端，以穿过例如避雷针孔、翼梁的孔或任何其他合适的孔而连接到光后向散射反射计(0BR)。测试方法如上所述，单模光学纤维的三个光缆13、14和15安装在风力涡轮机叶片上，涉及应变测量值的几个测试可以在叶片生命周期内实施。所述应变测量值使用已知技术做出，在多个位置通过测量瑞利光谱位移中的位置移动来影响在利用瑞利散射光的光学纤维中的高空间分辨率分布式应变测量值，尤其是在稳定、商用级单模光学纤维中。具体来说，所述技术使用光谱的复杂互相关(complexcross-correlation of the spectra)产生了向纤维加载光谱前后的对比效果,所述光谱的复杂互相关与加载载荷和零载荷状态相对应。目前此技术允许达到范围为±1μ ε的应变分辨率和至少0. 5mm的空间分辨率。关于此技术的进一步信息可以在US 6，545，760中找到。除了这些叶片检定所需要的静态测试以外，用于确定叶片的物理性能的新测试可以被实施，诸如根据本发明在此将要叙述的用于确定纵向刚度分布和纵向质量分布的测试。弯曲刚度分布测试一旦装配结束并在制造过程的最终步骤(喷漆……)实施之前，可以如下实施一项旨在在合适的测试台10上获得叶片9的弯曲刚度分布的测试。置于测试台10上的叶片被附接到两个固定支架11、12，无论是腹向方向9'还是侧向方向9"，其承受一个力F (如图7)和由其所引起的应变，对于腹向方向的应变其是沿着光缆14、15被测量的，对于侧向方向的应变其是沿着光缆13被测量的。弯曲刚度的分布是从叶片9的每个点上力矩的计算分布和所测定应变的值推断出来的。这些测试由此在叶片工厂提供测试上的腹向和侧向弯曲刚度分布，其可以与相应的设计值相比较，因此其将有可能侦测出由于在制造过程中的缺陷或错误造成的相较于期望值的显著变化。
同样的测试可以在将叶片安装到风力涡轮机之前的任一阶段实施，并同样适用于已安装在风力涡轮机上的叶片。关于在叶片工厂实施的测试，弯曲刚度的分布可以根据施加到叶片的载荷的值和位置从叶片的每个点上力矩的计算分布和所测定应变的值推断出来。然后将他们与在叶片工厂获得的弯曲刚度的分布相比较，以侦测归应于运输和安装过程的第一种情况下或归应于风力涡轮机运行的第二种情况下的任何显著变化。通过这些比较，有可能查明并定位刚度的可能耗损，以在他们造成叶片故障前实施补救。在最后的一种情况中(叶片已被安装在风力涡轮机上)，测试在叶片已被安装在风力涡轮机且位于腹向方向或侧向方向(用倾斜制动器移动叶片)上使用如图8所示的设备实施，包括在地上的电动机31、附接在塔上的滑轮35和让叶片承受偏转力F的绳索33。纵向质量分布测试

在工厂实施上述弯曲刚度测试(最好是腹向弯曲刚度测试)之后，可以如下实施一项旨在在合适的测试台上获得叶片的纵向质量分布的测试。叶片9应当通过固定支架11、12被置于测试台10 (如图6)上，以使其能够在腹向位置如箭头R (最好是)所显示地旋转。然后，由于叶片9自身重量的应变测量沿着第二光缆14完成，这将被用作第一种情形。叶片9转过180°之后，应变的重新测量沿着第三光缆15完成，相对于第一种情形，其将与叶片9重量两倍所造成的应变相一致。纵向质量的分布是从归应于叶片自身重量(其可以从之前获取的腹向弯曲应变分布获得)的叶片9的每个点上力矩的分布和所测定应变的值推断出来的。此测试最好是在腹向方向实施，因为此时所测定应变的值比在侧向方向大很多，因此在所述测量中干扰的影响是次要的。尤其是，此发明具有如下优点提供快速、简便且稳健的光学纤维安装，所述光学纤维需要在制造工厂被用于对叶片实施的各种应变测试，同样地适用于在叶片生命周期内，特别是在叶片生命周期的不同时刻允许同一测试的重复。允许沿着叶片(每毫米一个数值)对风力涡轮机叶片主要区域的弯曲刚度和其纵向质量分布的连续记录。提供快速、简单且稳健的测试方法，所述测试方法用于在叶片的制造工厂获得风力涡轮机叶片主要区域的弯曲刚度和其纵向质量分布。提供快速、简单且稳健的测试方法，所述测试方法用于在制造工厂以外获得风力涡轮机叶片主要区域的弯曲刚度，同样用于其已经被安装在风力涡轮机上时。尽管已经结合较佳实施例充分地描述了本发明，但很明显，本发明并不限于这些实施例，在本申请权利要求的保护范围内，可以对所述实施例进行修改。
权利要求
1.用于确定沿着风力涡轮机叶片(9)的物理性能分布的测试方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤 a)沿着前缘和后缘在叶片内部安装单模光学纤维的第一光缆(13)并沿着中心纵切面在叶片(9)两侧安装单模光学纤维的第二和第三光缆(14、15)，给所述光缆(13、14、15)留出自由端以用于其与外部设备的连接； b)在位于叶片工厂的测试台(10)上向叶片(9)施加一个或多个载荷，所述测试台包括第一和第二固定支架(11、12)以及用于旋转叶片(9)的工具； c)使用连接到用于利用瑞利散射光测量应变的所述光缆(13、14、15)中的至少一个的自由端的合适外部设备来获取由所述载荷产生的沿着叶片(9)的应变分布； d)根据所述应变分布确定所述物理性能的分布； e)将所述物理性能的分布与其设计分布相比较。
2.如权利要求I所述的测试方法，其中 所述物理性能为腹向弯曲刚度； 叶片(9)以腹向方向(9')被置于所述测试台(10)上并且载荷(F)施加在所述支架(11、12)之间的叶片部分上； 沿着所述第二和第三光缆(14、15)实施应变测量。
3.如权利要求I所述的测试方法，其中 所述物理性能为侧向弯曲刚度； 叶片(9)以侧向方向(9")被置于所述测试台(10)上并且载荷(F)施加在所述支架(11、12)之间的叶片部分上； 沿着所述第一光缆(13)实施应变测量。
4.如权利要求I所述的测试方法，其中 所述物理性能为纵向叶片质量分布； 叶片(9)以承受其自身重量的腹向方向被置于所述测试台(10)上并且沿着所述第二光缆(14)实施第一应变测量； 叶片(9)在所述测试台(10)上转过180°并且沿着所述第三光缆(15)实施第二应变测量； 纵向叶片质量分布根据先前获得的腹向弯曲刚度的分布和由从所述第一和第二应变测量而来的第一和第二应变分布确定，相对于第一分布，需要考虑到的是第二分布是由叶片(9)自身重量两倍所引起的。
5.如权利要求2所述的测试方法，还包括如下步骤 f)在置于叶片工厂以外的合适的测试台(10')上施加一个载荷(F')到叶片(9); g)使用连接到利用瑞利散射光测量应变的所述第二和第三光缆(14、15)的自由端的合适外部设备来获取由所述载荷(F')产生的沿着叶片(9)的应变分布； h)从所述应变分布确定腹向弯曲刚度的分布； i)将所述腹向弯曲刚度分布与在叶片工厂所确定的相比较。
6.如权利要求3所述的测试方法，还包括如下步骤 f)在置于叶片工厂以外的合适的测试台(10')上施加一个载荷(F')到叶片(9); g)使用连接到利用瑞利散射光测量应变的所述第一光缆(13)的自由端的合适外部设备来获取由所述载荷(F')产生的沿着叶片(9)的应变分布； h)从所述应变分布确定侧向弯曲刚度的分布； i)将所述侧向弯曲刚度分布与在叶片工厂所确定的相比较。
7.如权利要求5-6中任何一项所述的测试方法，其中，在将叶片装入风力涡轮机前，所述步骤在叶片工厂以外的任何位置实施。
8.如权利要求5-6中任何一项所述的测试方法，其中，所述步骤实施于已装入风力涡轮机上的叶片(9)，因此风力涡轮机本身就是测试台(10')，使用外部装置在靠近叶片(9)尖端的部分施加载荷(F')。
9.如权利要求8所述的测试方法，其中所述外部装置为附接到靠近叶片(9)尖端的叶片部分上的、由置于地上的马达(31)驱动并由固定到风力涡轮机塔上的滑轮(33)引导的绳索(33)。
10.在风力涡轮机叶片(9)内部的单模光学纤维光缆(13、14、15)的安装方法，所述风力涡轮机叶片(9)通过将内部翼梁(23)和两个壳体(21、25)粘合装配而成，所述光缆旨在用于利用瑞利散射光测量应变，所述方法包括步骤 为了安置用于壳体-壳体和壳体-翼梁组件的粘合剂(27)，沿着在叶片装配期间不会被用到的侧面，通过合适的预先附接工具(17)将每个所述光缆(13、14、15)预先固定到所述内部翼梁(23)和壳体(21、25)中的一个； 将所述预先固定的光缆(13、14、15)以确保其在叶片(9)完全装配时除了它的一个用于与外部设备连接的末端之外将会被用于壳体-壳体和壳体-翼梁组件的粘合剂(27)完全覆盖的方式安置。
11.如权利要求10所述的安装方法，其中所述预先固定工具(17)为快速固化粘合剂工具的滴剂，其与用于壳体-壳体和壳体-翼梁组件的粘合剂(27)相兼容。
12.如权利要求10-11所述方法的用途，用于在风力涡轮机叶片(9)内部沿着前缘和后缘安装单模光学纤维的第一光缆(9)、沿着翼梁(25)的两侧安装单模光学纤维的第二和第三光缆(14、15)并给光缆(13、14、15)留出自由端以用于其与外部设备的连接。
全文摘要
用于确定沿着风力涡轮机叶片的物理性能分布的测试方法，其包括如下步骤a)沿着前缘和后缘在叶片内部安装第一光学纤维光缆(13)并且在叶片(9)的两侧安装第二和第三中心光学纤维光缆(14、15)，给他们留出自由端；b)在位于叶片工厂的测试台(10)上向叶片(9)施加一个载荷；c)使用连接到用于利用瑞利散射光测量应变的所述自由端的合适外部设备来获取由所述载荷产生的沿着叶片(9)的应变分布；d)根据所述应变分布确定所述物理性能的分布；e)将所述物理性能的分布与其设计分布相比较。本发明还包括所述光缆的安装方法。
文档编号G01M13/00GK102788688SQ20121015290
公开日2012年11月21日 申请日期2012年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者米格尔·里祖·科尔帕斯, 雷蒙·罗雅斯·迪亚斯, 鲁本·萨韦德拉·巴奥 申请人:歌美飒创新技术公司