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      用來監(jiān)測風渦輪葉片內(nèi)應力的風渦輪系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)和方法

      文檔序號:6116531閱讀:123來源:國知局
      專利名稱:用來監(jiān)測風渦輪葉片內(nèi)應力的風渦輪系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)和方法
      技術(shù)領域
      本發(fā)明總的涉及風渦輪,尤其涉及在風渦輪運行時用來測量風渦輪葉片內(nèi)應力的監(jiān)測裝置以及監(jiān)測風渦輪葉片內(nèi)應力的方法。
      背景技術(shù)
      風渦輪通常利用發(fā)電機將風渦輪旋轉(zhuǎn)葉片所收集的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋oL渦輪像某些其他結(jié)構(gòu)如同飛機的推進器、風扇等那樣,具有可環(huán)繞一條軸線旋轉(zhuǎn)的葉片。一般為設有兩個或多個各自聯(lián)接到可旋轉(zhuǎn)轂部上的葉片。大多數(shù)渦輪具有兩個或三個葉片。風吹在葉片上使葉片飄起并旋轉(zhuǎn)。在這個為發(fā)電而運轉(zhuǎn)的過程中,風渦輪葉片能被暴露在較大而可變的載荷下。因為風是一種不能被控制的自然力,風渦輪必須經(jīng)得起暴露在多變的風的狀態(tài)下,風的狀態(tài)可以從根本沒有風變化到風速超過每小時100英里。
      周期性的應力能使葉片、軸和軸承材料疲勞,多年來一直是渦輪機失效的原因。受到反復彎曲的構(gòu)件如轉(zhuǎn)子葉片可因此而發(fā)展裂紋,最后可使該構(gòu)件斷裂。用來測量施加在風渦輪葉片上應力的流行的監(jiān)測過程使用應變片來完成。應變片通常是扁平的電阻片,它們被膠粘在要被測試的轉(zhuǎn)子葉片的表面上,它們能被用來非常準確地測出轉(zhuǎn)子葉片的彎曲和拉伸狀態(tài)。從應變片得到的測量結(jié)果能在計算機上連續(xù)地被監(jiān)測。在彎曲模式內(nèi)發(fā)生的非線性的變化可以顯示對轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)的損害。
      其他監(jiān)測葉片疲勞的方法包括紅外分析(也被稱為熱分析)。在該方法中通常用紅外攝象機來顯示在葉片內(nèi)局部積聚的熱。該積聚的熱或者可以指示一個結(jié)構(gòu)變?nèi)醯膮^(qū)域,即一個區(qū)域,當初的葉片設計師為了使葉片穩(wěn)定曾仔細地在該區(qū)域內(nèi)布置過增強纖維以便將彎曲的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔换蛘呖梢灾甘疽粋€疊層剝離的區(qū)域,即一個正在走向纖維斷裂點的區(qū)域。這樣,災害性的失效便可防止。
      轉(zhuǎn)子葉片還被測試強度(這樣便可知道它們承受極限載荷的能力),辦法是用極大的力彎曲一次。這個測試是在葉片經(jīng)過疲勞試驗以后做的,目的是為了驗證葉片在相當長的時間內(nèi)運轉(zhuǎn)后具有的強度。
      雖然上述監(jiān)測過程適合于它們各自所需的用途,但它們一般性質(zhì)都較復雜或者不能在同渦輪實際運轉(zhuǎn)時使用。因此需要有一種較為簡單的監(jiān)測轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)應力的方法,以便防止發(fā)生災害性的失效。
      發(fā)明綜述本文公開的是監(jiān)測系統(tǒng)、風渦輪系統(tǒng)和監(jiān)測風渦輪葉片內(nèi)應力的過程。在一個實施例中,風渦輪葉片的監(jiān)測系統(tǒng)包括將玻璃光學纖維埋置入及/或設在風渦輪葉片的表面上,該風渦輪葉片為復合材料;有一光學接收器與該光學玻璃纖維的一端在光路上連通,還有一個變速器與該光學玻璃纖維的另一端在光路上連通。
      監(jiān)測風渦輪系統(tǒng)的風渦輪葉片內(nèi)應力的過程包括將光學玻璃纖維埋置入及/或設在風渦輪葉片的表面上,其中該光學玻璃纖維的一端與光發(fā)送器在光路上連通,而該光學玻璃纖維的另一端與一光接收器在光路上連通;通過該光學玻璃纖維將光從該光發(fā)送器傳輸?shù)皆摴饨邮掌魃希⑼ㄟ^該光學玻璃纖維監(jiān)測光傳輸中的減少或損失。
      參閱下面關(guān)于本發(fā)明各項特征的詳細說明和包括在其內(nèi)的例子當可更容易地了解本發(fā)明。
      附圖簡要說明現(xiàn)在參閱附圖,其中相同的元件采用相同的標號

      圖1概略地示出渦輪葉片的剖視圖,在該葉片內(nèi)包括被聯(lián)接到監(jiān)測裝置上的一組光學纖維;圖2示出包括風渦輪葉片的轉(zhuǎn)子的剖視圖,在該葉片內(nèi)或其上有多條光學纖維,用來監(jiān)測運轉(zhuǎn)時施加在風渦輪葉片上的應力;及圖3用圖示出抗拉強度為玻璃纖維直徑的函數(shù)。
      本發(fā)明詳細說明圖1示出一個示例性風渦輪10,本發(fā)明可用它來實施。應該知道該風渦輪已被簡化,只示出那些與了解本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)件。本行業(yè)的行家將會認識到生產(chǎn)出一臺可運轉(zhuǎn)的風渦輪10可能還需要其他構(gòu)件。但因為這些構(gòu)件在本行業(yè)中是人們所熟知的,并且因為它們并不能進一步幫助了解本發(fā)明,所以這些構(gòu)件的詳細說明沒有被提供。還應了解到該風渦輪監(jiān)測裝置和監(jiān)測風渦輪葉片內(nèi)應力的方法并不限于所示的具體風渦輪。本文所介紹的監(jiān)測裝置和方法可一般地用來監(jiān)測在水平軸線的風渦輪、垂直軸線的風渦輪(也被稱為Darrieus機)等中使用的渦輪葉片。
      風渦輪一般都有一個塔12。該塔12通常由鋼管制成如圖所示或由鋼結(jié)構(gòu)制成。因為風速隨著高度而增加,較高的塔使風渦輪能獲得較多的能量并發(fā)出較多的電。有一轉(zhuǎn)子14裝在座落在塔頂?shù)臋C艙16內(nèi)。該轉(zhuǎn)子一般包括一個齒輪箱或直接驅(qū)動機構(gòu)、低速軸和高速軸、一臺發(fā)電機、一個控制器和一個制動器。有一罩殼18保護著在機艙16內(nèi)的各個部件。
      齒輪箱一般包含將低速軸連接到高速軸上的齒輪,它們能將轉(zhuǎn)速從約30到約60轉(zhuǎn)/分(rpm)增加到約1200到約1500rpm,這是大多數(shù)發(fā)電機發(fā)電所需轉(zhuǎn)速,雖然較低或較高的轉(zhuǎn)速可被使用。在運轉(zhuǎn)時,高速軸驅(qū)動發(fā)電機,而低速軸的旋轉(zhuǎn)是由轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)引起的。控制器一般在風速約為8到16哩/小時(mph)時開動發(fā)電機并在較高的轉(zhuǎn)速時關(guān)閉發(fā)電機以免發(fā)動機過熱。制動器可在緊急情況下用機械方式、電方式或液壓方式施力使轉(zhuǎn)子停止。制動器可以具有圓盤式或鼓式的設計、電磁作用的設計、或其他設計。
      對于水平軸線的風渦輪,機艙16還可包括一個左右搖擺的驅(qū)動機構(gòu),用它來給機艙取向,使葉片基本上垂直于主風向。有一風向傳感器例如風的導葉可被包括在內(nèi)及/或被連結(jié)到機艙16上以便檢測風向。該風向傳感器與左右偏轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)連通可使渦輪適當?shù)叵鄬τ陲L向而定向。垂直軸線的渦輪機將不包括左右偏轉(zhuǎn)的驅(qū)動機構(gòu)。
      圖2示出轉(zhuǎn)子14和機艙16的部分剖視圖。該轉(zhuǎn)子包括一個轂部20和一個或多個從該轂部20上伸出的葉片22。葉片22在轂部上的連結(jié)點一般被稱為根部21。一個或多個風渦輪葉片22包括設在其上或其內(nèi)的一條或多條玻璃光學纖維24。這些纖維跨越葉片22上要被監(jiān)測的部分。有一光接收器26與該纖維的一端28在光路上連通,還有一個光源30與另一端32在光路上連通。這樣,該光學纖維的完整性便可在風渦輪運轉(zhuǎn)時被監(jiān)測。在一個實施例中,端頭28、30終止在風渦輪葉片根部21的周圍。在另一個實施例中,端頭終止在機艙16內(nèi)。在還有另一個實施例中,端頭終止在葉片和機艙以外的地方上。
      通過光學纖維(簡稱光纖)的光傳輸可被監(jiān)測以便檢測其上的任何變化。光傳輸?shù)娜魏巫兓赡苁枪饫w斷裂的跡象。用不同的玻璃光纖變化光纖的直徑,終端用戶能夠估計出可被施加到葉片上的最大拉力載荷。例如,如果在風渦輪運轉(zhuǎn)時光纖斷裂,這個斷裂就是風力所造成的應力超過纖維強度的標志。由于不同直徑的纖維具有的斷裂強度為其直徑的函數(shù),這些纖維便可用作葉片超載的標志。
      風渦輪葉片22通常用聚酯材料浸漬玻璃纖維團的基底制成。聚酯在浸漬玻璃纖維后被硬化。環(huán)氧樹脂可被用來替代聚酯。同樣該基底可完全或部分由碳纖維制成,這是一種較輕且較貴而具有高強度的材料。木材和環(huán)氧樹脂的疊層板也被用于大的轉(zhuǎn)子葉片。玻璃光纖24可被埋置在基底內(nèi)或者在風渦輪葉片制成后敷設在葉片的表面上。
      圖3用圖示出玻璃光纖的抗拉強度是纖維直徑的函數(shù)。本行業(yè)的人員觀察到并普遍知道,隨著纖維直徑的減小,抗拉強度會急速升高。當光纖被放置在本發(fā)明所提供的環(huán)境內(nèi),即光纖被埋置入及/或放置在風渦輪葉片的表面上時,可以預期也能觀察到相似的關(guān)系。更重要的是,由于這個關(guān)系,我們可以將一個直徑范圍的纖維埋置入及/或放置在風渦輪葉片的表面上,從而提供一個要被監(jiān)測的抗拉強度范圍,并由此關(guān)聯(lián)到風渦輪葉片本身的抗拉強度。
      包括玻璃光纖在內(nèi)的風渦輪葉片曾被設想過幾種設計方案。在一個實施例中,跨越風渦輪葉片的玻璃光纖是由具有不同直徑的纖維組成的。在另一個實施例中,具有相同直徑的單個或多個纖維被埋置入及/或設在葉片的表面上。在還有另一個實施例中則是一個直徑可變的光纖,例如直徑可從一端增大或減小到另一端。在這實施例中,脈沖傳播技術(shù)可與監(jiān)測系統(tǒng)一同使用以便確定斷裂的位置,并將這位置關(guān)聯(lián)到與斷裂位置的纖維直徑有關(guān)的抗拉強度上。當然,應該注意到這里說明的任何一個實施例都可使用脈沖傳播技術(shù)來確定斷裂位置。這樣,該斷裂位置就可被使用于風渦輪葉片的設計,因為該光纖斷裂位置將在葉片的設計中通過抗拉強度的增加而被增強。
      纖維直徑的范圍不要加以限制,一般取決于所要測量的抗拉強度的合適范圍。對于玻璃光纖,芯部直徑一般可在約10到約600微米的范圍內(nèi),包層厚度可在約125到約630微米之間,而護套如果有的話,其厚度在約250到約1040微米之間變化。
      每一光學玻璃纖維都是一端與光接收器、另一端與發(fā)送器(光源)在光路上連通。這樣在一纖維內(nèi)傳輸光的損失或減少就能被用來指出跨越一部分風渦輪葉片的光纖長度上的斷裂。傳輸光的損失或減少的含意就是在該斷裂點上該纖維的最大抗拉強度已被超過。這時可以選用一束幾支纖維來組成賦予的抗拉強度值。這樣產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可與對斷裂能量和玻璃纖維增強復合材料斷裂機制的理解結(jié)合起來使用。雖然這會導致用來制作圖3的數(shù)據(jù)的某些修改,但本行業(yè)的業(yè)者仍舊認為在渦輪葉片的各個點上確定抗拉強度的基本途徑將不會改變。
      光接收器及/或光發(fā)送器可集中在機艙16內(nèi)及/或設在機艙外的在塔12內(nèi)或其周圍。由光接收器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可被計算機(未示出)或類似物用編程的算法處理。光接收器可以是任何一種對光發(fā)送器傳輸?shù)墓饷舾械目晒┑墓鈾z測器。例如光接收器可以是一個對光發(fā)送器發(fā)出的輻射敏感的光二極管。采用監(jiān)測系統(tǒng)的風渦輪系統(tǒng)還可包括一個具有控制器的反饋環(huán)路以資調(diào)整風渦輪系統(tǒng)的運行。
      本書面說明使用例子來公開本發(fā)明,包括最佳模式,還能使本行業(yè)的行家制造并使用本發(fā)明。本發(fā)明可獲專利的范圍由本權(quán)利要求書限定,并可包括本行業(yè)行家遇到的其他例子。這些其他例子如果具有的結(jié)構(gòu)元件與本權(quán)利要求書的書面語言所述并無差異,或者如果包括等同的結(jié)構(gòu)元件而與本權(quán)利要求書的書面語言所述并無實質(zhì)差異,那么這些其他例子要處于本權(quán)利要求書限定的范圍內(nèi)。
      權(quán)利要求
      1.一種風渦輪葉片的監(jiān)測系統(tǒng),包括一種用兩種方法之一設置在風渦輪葉片上的光學玻璃纖維,一種是將該光學玻璃纖維埋置在該風渦輪葉片內(nèi),另一種是將該光學玻璃纖維設置在該風渦輪葉片的表面上,該風渦輪葉片由復合材料構(gòu)成;一個與該光學玻璃纖維的一端在光路上連通的光接收器;及一個與該光學玻璃纖維的另一端在光路上連通的發(fā)送器。
      2.權(quán)利要求1的監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于,該光接收器還包括一個用以處理由該光接收器接收的數(shù)據(jù)的處理器。
      3.權(quán)利要求1的監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于,該光學玻璃纖維具有恒定的直徑。
      4.權(quán)利要求1的監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于,該光學玻璃纖維的直徑從一端增大到另一端。
      5.權(quán)利要求1的監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于,該光學玻璃纖維的直徑從一端減小到另一端。
      6.權(quán)利要求1的監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于,還包括添加的光學玻璃纖維,其中該添加的光學玻璃纖維具有與該光學玻璃纖維相等的直徑。
      7.權(quán)利要求1的監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于,還包括直徑與該光學玻璃纖維不同的添加的光學玻璃纖維。
      8.一種風渦輪系統(tǒng),包括一個座落在一塔上的機艙;一個可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接在該機艙上的轉(zhuǎn)子,該轉(zhuǎn)子包括一個中心轂部和至少一個連結(jié)在其上的風渦輪葉片,其中該至少一個風渦輪葉片由復合材料構(gòu)成;一種用兩種方法之一設置在該風渦輪葉片上的光學玻璃纖維,一種是將該光學玻璃纖維埋置在該風渦輪葉片內(nèi),另一種是將該光學玻璃纖維設置在風渦輪葉片的表面上;一個與該光學玻璃纖維的一端在光路上連愛的光接收器;及一個與光學玻璃纖維的另一端在光路上連通的發(fā)送器。
      9.權(quán)利要求8的風渦輪系統(tǒng),其特征在于,該光接收器還包括一個用以處理由該光接收器接收的數(shù)據(jù)的處理器。
      10.權(quán)利要求8的風渦輪系統(tǒng),其特征在于,該光學玻璃纖維具有恒定的直徑。
      11.權(quán)利要求8的風渦輪系統(tǒng),其特征在于,該光學玻璃的直徑從一端增大到另一端。
      12.權(quán)利要求8的風渦輪系統(tǒng),其特征在于,該光學玻璃纖維的直徑從一端減小到另一端。
      13.權(quán)利要注8的風渦輪系統(tǒng),其特征在于,還包括直徑與該光學玻璃纖維相等的添加的光學玻璃纖維。
      14.權(quán)利要求8的風渦輪系統(tǒng),其特征在于,還包括直徑與該光學玻璃纖維不同的添加的光學玻璃纖維。
      15.權(quán)利要求8的風渦輪系統(tǒng),其特征在于,還包括一個反饋環(huán)路,該環(huán)路與該光接收器和用以控制該風渦輪系統(tǒng)運行的控制器保持操作連通。
      16.一種監(jiān)測風渦輪系統(tǒng)的風渦輪葉片內(nèi)應力的方法,該方法包括如下步驟用兩種方法之一將光學玻璃纖維設置在風渦輪葉片上,一種是將該光學玻璃纖維埋置在該風渦輪葉片內(nèi),另一種是將該光學玻璃纖維設置在該風渦輪葉片的表面上,其中該光學玻璃纖維的一端與一光發(fā)送器而其另一端與一光接收器在光路上連通;通過該光學玻璃纖維將光從該光發(fā)送器發(fā)送到該光接收器;及通過該光學玻璃纖維監(jiān)測光傳輸中的衰減。
      17.權(quán)利要求16的方法,其特征在于,還包括用兩種方法之一將添加的光學玻璃纖維設置在該風渦輪葉片上,一種方法是將該光學玻璃纖維埋置在該風渦輪葉片內(nèi),另一方法是將該光學玻璃纖維設置在該風渦輪葉片的表面上。
      18.權(quán)利要求16的方法,其特征在于,該光學玻璃纖維和該添加的光學玻璃纖維具有相等的直徑和抗拉強度。
      19.權(quán)利要求16的方法,其特征在于,該光學玻璃纖維和該添加的光學玻璃纖維具有不同的直徑和不同的抗拉強度。
      20.權(quán)利要求16的方法,其特征在于,還包括利用脈沖傳播確定經(jīng)該光學玻璃纖維的光傳輸衰減的位置。
      全文摘要
      風渦輪系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)(10)、和測量風渦輪葉片(22)內(nèi)應力的過程一般包括將光學玻璃纖維(24)埋置入或設在風渦輪葉片(22)的表面上。光傳輸?shù)臏p少或損失指示光學玻璃纖維(24)的抗拉強度已被超過,這直接關(guān)聯(lián)到施加在該風渦輪葉片(22)上的應力水平。
      文檔編號G01N21/00GK1959370SQ200610143229
      公開日2007年5月9日 申請日期2006年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月31日
      發(fā)明者J·R·M·維爾特爾 申請人:通用電氣公司
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