[发明专利]用于检测风力涡轮机叶片损伤的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测风力涡轮机叶片在使用期间的损伤的光纤系统和方法。本发明尤其应用于检测形成风力涡轮机叶片部件的复合材料的层离，以及检测风力涡轮机叶片表面侵蚀或腐蚀。

背景技术

商用风力涡轮机的风力涡轮机叶片通常由复合材料形成，复合材料能够承受应力和负载，叶片在涡轮机的操作期间受到应力和负载的影响。在罕见的情况下，缺陷能够在形成风力涡轮机叶片的复合材料内发生，并且这可能对于叶片的机械完整性产生不利影响。缺陷可以作为材料中的不连续性的结果出现，不连续性已在叶片的制造期间（例如，在铺叠形成复合材料的纤维期间）被导入。替代地，在一些情况下，缺陷可能作为在涡轮机的操作期间在叶片上的过度应变或负载的结果出现。

发生在形成风力涡轮机叶片的复合材料中的一些最常见类型的缺陷包括形成复合材料的层的层离或分离和/或材料的裂缝。由于在操作期间风力涡轮机叶片的高负载，这种层离或裂缝能够迅速蔓延通过复合材料，导致叶片的结构性损伤，并且在严重的情况下，导致风力涡轮机的故障。

已知的是结合一些系统以在操作期间监视风力涡轮机叶片，以便检测叶片的复合材料的损伤。例如，EP-A-2112374公开了一种用于风力涡轮机叶片的裂缝检测系统，裂缝监测系统包括嵌入叶片的光纤网络。基本垂直于叶片表面延伸的裂缝的存在通过检测光在通过光纤传送中的突然变化而被检测到，突然变化作为随着裂缝传播的纤维破损的结果发生。

风力涡轮机叶片损伤还能够作为在操作期间叶片表面、尤其是在叶片的前缘处的侵蚀的结果发生。这可能通过被暴露于恶劣环境条件诸如雨、冰雹或沙而导致。化学侵蚀、或腐蚀，也是离岸风力涡轮机的问题。叶片表面由于侵蚀而逐渐消磨能够对叶片的空气动力学性能产生不利影响，例如作为在侵蚀表面处的湍流的结果。从风中提取能量的整体效率因此降低。

期望的是提供一种用于在操作期间监视风力涡轮机叶片的改进的系统和方法，其使得能够在早期阶段检测到形成叶片的复合材料的缺陷或损伤，以使得能够在损伤加重之前修理叶片。还期望的是，这种系统和方法能够适于检测复合材料中的各种类型的损伤或缺陷。具体地，期望的是，提供一种系统和方法，其能够适于检测形成叶片的复合材料的层离或侵蚀。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种检测风力涡轮机叶片损伤的系统，其包括：一个或多个荧光性光纤，其包括荧光材料，荧光材料被选择，从而使得材料当被暴露于风力涡轮机叶片处的环境辐射中时发出荧光；光检测器，其用于接收当荧光材料激发时来自一个或多个光纤的一个或两个端部的光信号，并且用于输出基于光信号的信号；和控制器，其连接至光检测器以接收信号。一个或多个荧光性光纤被可操作地安装在风力涡轮机叶片内，从而使得在损伤风力涡轮机叶片时，光纤的至少一部分被暴露于叶片表面处，使得光纤发出荧光。

根据本发明的第二方面，提供一种检测风力涡轮机叶片损伤的方法，其包括以下步骤：将一个或多个光纤配置在形成风力涡轮机叶片的复合材料内，其中一个或多个光纤包括荧光材料，荧光材料被选择，从而使得材料当被暴露于风力涡轮机叶片处的环境辐射中时发出荧光；将一个或多个光纤的至少一端连接至安装在包括风力涡轮机叶片的风力涡轮机上的光检测器；操作光检测器以检测因叶片损伤引起一个或多个光纤暴露在叶片表面处而导致的从荧光材料发射的光，并且当检测到光时输出信号；和在控制器处接收信号。

根据本发明的第三方面，提供一种使用一个或多个荧光性光纤以检测风力涡轮机叶片损伤的方法，其中一个或多个荧光性光纤包括荧光材料，荧光材料被选择，从而使得材料当被暴露于风力涡轮机叶片处的环境辐射中时发出荧光。

术语“荧光材料”用来指具有如下性能的材料，其吸收一个或多个特定波长的辐射并且继而将来自被吸收的辐射的能量作为不同（通常更长）波长的光再度发射。在本发明的内容中，术语“荧光材料”包括当由环境辐射的形式激发时发射光的任何类型的材料，所述材料包括例如由电磁波（诸如可见光和UV（紫外）光）激发的荧光材料，和由电离辐射（诸如伽马射线、光子或带电粒子）激发的闪烁材料。

术语“环境辐射”用来指天然存在于围绕风力涡轮机叶片的大气或环境中的任何类型的辐射。本发明的系统和方法依赖于由存在于大气中的辐射激发荧光材料，并且不需要将单独的辐射源结合在风力涡轮机内，以便有效地发挥作用。用于监视风力涡轮机叶片以检测损伤所需的装置因此与需要光源用于将光导入光纤的其他类型的光纤系统相比，生产和操作更加简单并且更具成本效益。