CN110685865A - 用于检测在风力涡轮机中的裂纹的方法和*** - Google Patents

用于检测在风力涡轮机中的裂纹的方法和*** Download PDF

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杰门·阿尔贝托 洛佩兹
埃尔南德斯·爱德华多 莫雷诺
耐威斯库斯·奥斯卡 谬诺斯
比瑞·乔治 奥莱特
博蒂亚·约金 卢比奥
加西亚·本杰明 卢比奥
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Abstract

本发明公开一种方法，包括：在风力涡轮机的轴的第一端处设置多个换能器；多个换能器中的每个换能器朝向轴发射多个第一超声脉冲，检测在轴中反射且为换能器所发射的多个第一超声脉冲；至少基于由多个换能器中的每个换能器所检测的多个第一超声脉冲中的至少一个超声脉冲来确定裂纹的存在。此外，还公开一种用于检测在风力涡轮机中的裂纹的***。

Description

用于检测在风力涡轮机中的裂纹的方法和***
技术领域
本发明涉及风力涡轮机领域。更具体地，本发明涉及用于基于超声对风力涡轮机中的裂纹进行非破坏性确定和表征的方法和***。
背景技术
随着新风电场的安装，风电装机容量每年都在增加。风能的增长趋势意味着运营和维护成本引起了人们的关注。
风力涡轮机产业中维护方法可广泛分类为三个主要的组：反应性或纠正性维护(运行故障)；预防性维护(基于时间)；和预见性维护(基于条件)。预防性和反应性维护策略的结合(智能维护)可提高风力涡轮机的可靠性、可用性和可维护性，同时降低了维护成本。
风力涡轮机的主要部件之一是低速轴。由于所产生的多米诺效应，低速轴断裂可导致其它风力涡轮机部件的破损，且它可能会导致齿轮箱的崩溃，并且用于修复齿轮箱的费用通常约0.5百万欧元；但在最坏的情况下，在一些型号中，可能发生灾难性破坏。这种破坏不仅影响机械部件(转子和叶片)，还影响安全性，从而危及人的生命。
为了避免这些破损，基于手动超声检查执行定期维护操作。这些操作周期性地进行，但是这些操作的频率随着所检测的裂纹尺寸而增加，因此风力涡轮机的停机也增加，具有随之而来的经济影响。
为了简化这种维护操作，现有技术已有一些发展。
专利文献EP-2626558-B1公开了一种用于风力涡轮机的主轴，具有一个或多个超声探头，用于连续无损地测试轴的完整性。如果由超声探头接收的每个回波的传播时间短于当没有裂纹时的传播时间，则确定为在轴中存在裂纹。
专利文献US-8043048-B2描述了一种用于利用电阻传感器或超声传感器监测风力涡轮机的结构健康的方法。基于由相应传感器测量的电阻或回波，控制器确定结构裂纹的长度。
现有技术中提出的主轴和方法没有提供关于风力涡轮机中裂纹特征的足够信息。缺乏这样的细节通常导致必须在风力涡轮机尚未达到其剩余使用寿命时对风力涡轮机进行维护，或导致因为风力涡轮机中裂纹的严重程度保持未知而产生的故障或破损。
有兴趣提供可以改进风力涡轮机中裂纹的检测和表征的方法和***；因此，例如，操作者可以具有关于裂纹的数量甚至裂纹的严重性的进一步信息，使得当裂纹造成风力涡轮机的严重破损风险时可以执行维护任务。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种方法，包括：
在风力涡轮机的轴的第一端处设置多个换能器；
多个换能器中的每个换能器朝向轴发射多个第一超声脉冲(a first pluralityof ultrasonic pluses),并且检测在轴中被反射并且换能器已经发射的多个第一超声脉冲，并且至少基于由多个换能器中的每个换能器所检测的多个第一超声脉冲的至少一个超声脉冲来确定裂纹的存在。
该方法使得能够非破坏性地确定风力涡轮机的轴中的裂纹的存在。该方法借助于提供超声脉冲的多个换能器来确定风力涡轮机的轴是否在其中形成任何裂纹。在这个意义上，每个换能器发射多个第一超声脉冲，检测多个第一超声回波脉冲(该多个第一超声回波脉冲是换能器已发射并已在轴中反射的超声脉冲)，并且，接下来将每个换能器的至少一个超声回波脉冲用于组合的评估，以确定是否在轴中存在裂纹。
当由脉冲产生的超声波到达轴的部分和/或轴中的裂纹时，超声波的能量的部分被朝向发射相应超声脉冲的换能器反射回；换能器测量被反射的超声波。每个换能器都有可调节的增益，以使得虽然换能器可以接收具有不同强度的超声脉冲，但是检测到的超声脉冲的振幅可以相应地被修改 (例如增加、降低)。
通过使用每个换能器的测量值来确定裂纹的存在，特别是多个换能器中的每个换能器的至少一次测量。由相应的换能器所检测的被反射的超声波可指示裂纹的存在，但是由(另一个)相应换能器(一个或多个)检测到并且由该(另一个)相应换能器(一个或多个)反射的其他被反射的超声波可以且通常指示裂纹的存在。通过处理所检测的换能器的脉冲，确定轴中是否存在裂纹。也就是说，处理每个换能器的至少一个超声回波脉冲，并且评估所有这些至少一个超声回波脉冲以确定裂纹的存在，但是可能发生仅使用可从一个换能器的至少一个超声回波脉冲或多个换能器中的若干换能器检索的信息来识别裂纹。因此，尽管确定是基于所述组合评估，不必要是所有换能器的至少一个超声回波脉冲指示裂纹的存在。
除了这种确定所提供的改善了的置信度(由于使用不同换能器的超声脉冲)之外，还可以检测到在轴的部分中形成的裂纹，这些裂纹在第一端处在轴的表面上的投影是在两个换能器之间。也就是说，该方法使得能够检测在至少两个换能器的波束重叠的体积中的裂纹。现有技术的方法和***在检测换能器的波束的最中心部分处的裂纹方面是准确的，但是现有技术的方法和***在检测换能器的波束的边缘处的裂纹方面具有较低的精度。然而，本发明的方法使得在波束的最中心部分和在波束的边缘处都能够精确地检测裂纹。
当从每个换能器接收所检测的超声脉冲时，至少一个处理器(例如微处理器、微控制器、FPGA、ASIC等)执行这样的确定。
优选地，多个换能器中的每个换能器在多个换能器中的其他换能器不发射和检测相应的超声脉冲时，发射和检测多个第一超声脉冲。多个换能器中的每个换能器在没有其他换能器发射可能被不同换能器错误地检测并因此而提供错误信息的超声脉冲时，提供了有关轴的结构完整性的更准确的数据。至少一个处理器可以建立每个换能器必须发射和检测超声脉冲的顺序(order)，使得换能器的操作不会在时间上重叠。
此外，在一些实施例中，可以使用相同的发射电路和相同的检测电路来调节所有换能器的信号。为此，设置一个或多个多路复用器 (multiplexer)，用于选择多个换能器中的换能器并将其连接到发射和检测电路，从而降低成本。至少一个处理器可以相应地操作一个或多个多路复用器。在次优选的实施例中，存在与多个换能器中的换能器一样多的发射和检测电路，使得没有电路被再用。
在检测多个第一超声脉冲(每个换能器)的超声脉冲之后，不同脉冲的信号振幅以不同增益被放大，从而容易检索来自其的信息。也就是说，至少一些由换能器所检测的超声脉冲以第一增益放大，并且由相同换能器所检测的至少一些其他超声脉冲以第二增益放大；在一些情况下，在所检测的超声脉冲的信号振幅的放大中使用两个以上的增益。
在一些实施例中，确定裂纹的存在是基于由多个换能器中的每个换能器所检测的多个第一超声脉冲。
优选地，所有所检测的超声脉冲被用于确定裂纹的存在，因为增加的测量数量增加了确定的可靠性，从而减少了误报的数量。
在一些实施例中，多个第一超声脉冲包括三个或更多个超声脉冲。
每个换能器可以发射并检测三个或更多个超声脉冲(例如， 50,100,200,500,1000或更多个超声脉冲)用于确定裂纹的存在。
通过发射和检测增加数量后的超声脉冲，每个换能器提供了更多数量的样本，从而可以更可靠地确定裂纹的存在。
此外，在一些情况下，如果风力涡轮机的轴处于转动中，则每个换能器例如发射和检测多于200、500或者1000个超声脉冲也是有利的，由于风力涡轮机的转子可在多个轴向位置中被测量，并且相应地在压缩区域 (compression area)和在无压缩区域(compressionless area)都可以进行测量。
在一些实施例中，多个换能器在第一端处设置在轴的表面上，使得多个换能器围绕轴的旋转轴线而均匀地间隔开。
每个换能器被布置成使得相邻的换能器(即，围绕旋转轴线在逆时针方向上紧邻其的换能器以及在顺时针方向上紧邻其的换能器)位于距离该换能器相同的距离处，使得裂纹的检测和确定被增强。当换能器之间的距离因所设置的换能器的数量而被最小化时，多个换能器的一个、几个或所有换能器的测量值(其指示裂纹的存在)可以更准确地显示裂纹的存在。
在一些实施例中，确定裂纹的存在的步骤包括：
将由每个换能器所检测到的多个第一超声脉冲中的每个超声脉冲的信号振幅与一个或多个预定振幅阈值进行比较；
计算每个换能器的超过一个或多个预定振幅阈值中的至少一个预定振幅阈值的被比较的超声脉冲的第一百分比；和
基于用于多个换能器中的所有换能器的计算所得的第一百分比来确定裂纹的存在。
超声脉冲的信号振幅对应于放大的信号振幅，并且对于每个换能器，将所有所检测的超声脉冲与预定振幅阈值(一个或多个)进行比较，该预定振幅阈值配置在至少一个处理器中。所述阈值(一个或多个)可以例如基于实验测试建立。
计算所得的第一百分比对应于每个换能器的在每个换能器的被比较的超声脉冲总数之上超过阈值(一个或多个)的被比较的超声脉冲的数量。较高的百分比表明存在裂纹。通过考虑到所有换能器的计算所得的第一百分比，确定在轴中是否有裂纹，从而如果具有超过阈值的一个或多个计算所得的第一百分比，则裂纹可以被识别。
在这些实施例的一些实施例中，基于针对多个换能器中的所有换能器计算所得的第一百分比来确定裂纹的存在包括：将计算所得的第一百分比与预定的裂纹确认阈值进行比较。
预定的裂纹确认阈值被配置在所述至少一个处理器中，并且建立为了确定裂纹的存在而需要计算所得的第一百分比必须多大(这一规则)，从而避免误报。预定裂纹确认阈值可以例如基于实验测试建立。
在一些情况下，如果先前地已经利用该方法确定了存在裂纹，则可以降低或增加预定的裂纹阈值。
在一些实施例中，确定裂纹的存在的步骤还包括基于用于确定裂纹的存在的超声脉冲来确定现存裂纹的尺寸。
被用于确定裂纹存在的不同的所检测到超声脉冲即超声回波脉冲，也指示裂纹的尺寸。超声波在裂纹上的反射取决于裂纹的尺寸。此外，由于每个换能器布置在轴的第一端的不同位置处(在轴的表面上)，除了由其他换能器所检测的回波之外，由每个换能器所检测的回波通常可用于确定裂纹的尺寸。因此，由不同换能器提供的测量值的贡献有助于确定裂纹的尺寸并且进而确定裂纹的严重性。
在一些实施例中，确定裂纹的存在进而还基于所检测到的超声脉冲的信号振幅。在这些实施例的一些实施例中，确定裂纹的存在还基于所检测的超声脉冲的信号振幅以及超声脉冲的发射和被检测到之间所经历的时间。
在一些实施例中，确定现有裂纹的尺寸至少基于用于确定裂纹的存在的所检测到的超声脉冲的信号振幅。在这些实施例的一些实施例中，确定现有裂纹的尺寸是基于用于确定裂纹的存在的所检测到的超声脉冲的信号振幅以及用于确定裂纹的存在的超声脉冲的发射和被检测到之间经历的时间。
超声脉冲由相同换能器从其发射到其被检测到所需的时间即所谓的传播时间(通常也称为飞行时间(time of flight)或TOF)，可以指示裂纹的存在甚至指示裂纹的尺寸，并且检测到的超声脉冲的信号振幅也可以指示裂纹的存在，并且在许多情况下，可以指示裂纹的尺寸。另外，信号强度的增加或减少，即所检测的超声脉冲的信号振幅，也可以提供与裂纹的尺寸相关的附加数据。
在一些实施例中，确定现有裂纹的尺寸包括：
计算每个换能器和每个阈值的被比较的超声脉冲的超过一个或多个预定振幅阈值中的一个预定振幅阈值的第二百分比，所述一个或多个预定振幅阈值至少包括两个预定振幅阈值；和
基于针对多个换能器中的所有换能器和所有预定的振幅阈值而计算所得的第二百分比，来确定现有裂纹的尺寸。
在至少一个处理器中配置至少两个不同的预定振幅阈值，使得在(放大后的)所检测到的超声脉冲的信号振幅超过更大的预定振幅阈值的情况下，可以确定在轴中存在更大的裂纹，并且在(放大的)所检测到的超声脉冲的信号振幅超过较低预定振幅阈值的的情况下，可以确定轴中存在较小的裂纹。可以例如基于实验测试而建立两个或更多的预定振幅阈值。
在这些实施例的一些实施例中，基于针对多个换能器中的所有换能器和所有的预定振幅阈值而计算所得的第二百分比来确定现有裂纹的尺寸包括将计算所得的第二百分比与一个/所述预定的裂纹确认阈值进行比较。
预定的裂纹确认阈值被配置在所述至少一个处理器中，并且建立为了确认现有裂纹的被确定尺寸所计算的第二百分比必须是多大(这一规则)，从而避免误报。
在一些实施例中，该方法进一步包括重复：多个换能器中的每个换能器发射并检测多个第一超声脉冲的步骤；以及确定裂纹存在的步骤；在从先前确定了裂纹的存在起经历了预定时间量后，每次都要重复这些步骤。
重复该方法的步骤用于连续监测风力涡轮机的轴。为此，使用连续的发射和检测，可以确定在风力涡轮机运行时形成的新裂纹的出现，和/或已经检测到的裂纹的发展(即，确定裂纹的尺寸)。在至少一个处理器中配置预定的时间量。
在一些实施例中，预定时间量取决于存在裂纹的确定。在这些实施例的一些实施例中，预定时间量还取决于确定的裂纹尺寸。
重复该方法的步骤的频率可取决于现有裂纹的确定和/或裂纹的尺寸 (如果已被确定)。例如，当用该方法确定裂纹的尺寸时，同时也可以建立预定的时间量，以便一旦过去所述时间量就重复该方法的步骤。优选地，裂纹被确定为越大，预定时间量就越小，使得监测更频繁。在这个意义上，至少一个处理器可以基于这种评估来调节预定时间量。
在一些实施例中，该方法还包括，在设置多个换能器的步骤之后，使用保持装置和耦合到保持装置的螺纹杆将多个换能器中的每个换能器附接到在轴的第一端处的表面，使得换能器可围绕保持装置枢转。
换能器的枢转能力使得换能器能够可靠地附接到轴，特别是附接到轴的表面。轴的特征可以表现为不规则表面，例如由于轴的操作而该可能使该轴经受撞击、磨损或不平衡旋转。
枢转能力可以增强换能器到轴的表面的附接，从而能够改善换能器和轴之间的超声耦合。进而使得能够通过换能器更有效地发射和检测超声脉冲。在换能器的使用寿命期间，尽管轴的表面有任何变化，但借助于保持装置和螺纹杆，换能器也可以保持适当地附接到轴上。
在一些实施例中，该方法还包括：多个换能器中的每个换能器在设置多个换能器的步骤之后：
朝向所述轴发射多个第二超声脉冲(a second plurality of ultrasonicpulses)；和
检测在轴中由换能器发射和被反射的多个第二超声脉冲；和
调节多个换能器中的每个换能器的增益，使得每个换能器检测具有相同振幅的多个第二超声脉冲。
可以基于所述多个第二超声脉冲的发射和检测来调节换能器的增益从而将换能器待接收超声回波脉冲所用的振幅均匀化，所述多个第二超声脉冲用作参考超声回波脉冲。相应地，可以通过改变增益来减少由于制造公差导致的换能器之间的差异和/或甚至不同型号的换能器之间的差异。
优选地，当风力涡轮机的轴不具有在其中形成的任何相关裂纹时，基于所接收的超声回波脉冲的检测来调节增益，使得超声脉冲在轴的第二端处反射。以这种方式，每个换能器的超声脉冲行进相同的距离，并且，进而可以基于类似的测量来均匀化振幅。
此外，可以调节增益，使得检测超声脉冲所使用的信号强度提供足够的信噪比，从而可以更容易地对从所检测的脉冲中可检索(retrievable)的任何信息进行识别。
在一些实施例中，多个换能器中的每个换能器适于提供具有波束的超声脉冲，使得在波束的截面中的波束的半角发散大于或等于1.5°且小于或等于8.0°。
已经发现，具有广角波束的换能器可用于检测在轴的第一端的表面处的投影例如在多个换能器中的两个换能器之间的裂纹，并且还可用于检测沿着轴的纵向尺寸的裂纹。每两个或更多个换能器的波束可以至少在轴的一个部分中重叠，已使得可以最好地识别裂纹并且可以用两个或更多个换能器的检测来表征裂纹。
还可以基于轴的被期望监测到裂纹的特定部分，来选择波束的半角发散。例如，如果已知轴中的裂纹形成倾向于沿着轴的长度在特定部分中发生(例如，在从轴的端部测量的轴的整个长度的位置20％和35％之间，或者位置30％和40％之间等)，则可以选择波束的半角发散，使得轴的该部分中的所有换能器的波束的结合覆盖该部分的大部分。在这个意义上，如被技术人员所熟知，选择半角发散的结果是选择一种型号或另一种型号的换能器。在一些实例中，下面的估算公式可被用于选择超声脉冲的合适的主频率，甚至失谐，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是也可以使用其它公式：
Figure RE-GDA0002164454270000091
其中k是常数(无量纲)且k0＝1.22用于γ0以及k6＝0.51用于γ6；C是轴的钢材的声速；D是换能器的压电材料的直径；并且f是脉冲的主要频率。通常情况下，计算两个直径：当声压减少一半时波束的直径：(6dB):γ6；和当声压减小到零或几乎为零时波束的直径:γ0。
在一个示例中，波束的半角发散是4.0°与5.5°(包括两个端点)之间。
在一些实施例中，轴的长度大于或等于1500mm并且小于或等于 3500mm。
在一些实施例中，轴的直径大于或等于200mm并且小于或等于800mm。轴的直径以轴的主体而测量，在某些情况下，其超出轴的端部，因为有时，第一端具有的直径大于轴自身的主体的直径。
在一些实施例中，多个换能器包括至少三个换能器。在这些实施例的一些实施例中，多个换能器包括八个换能器。在这些实施例的一些实施例中，多个换能器包括四个换能器、十二个换能器或十六个换能器。在一些实施例中，多个换能器包括三十二个或更少的换能器，例如十六个换能器或十二个换能器。
在一些实施例中，该方法还包括向设备发送信号，该信号指示裂纹的尺寸超过预定尺寸阈值。
该信号可以用于操作通知装置例如对应于警报状态的LED，或者用于触发警报的装置等，或者可以用于向用户或操作者通知警报。
在一些实施例中，该方法还包括向设备发送信号，该信号指示确定的裂纹的存在和/或尺寸。在这些实施例的一些实施例中，当确定裂纹的尺寸大于预定尺寸阈值时，发送信号。
可以使用被传输到设备的信号向用户或操作者通知关于风力涡轮机的轴的结构完整性，该设备通常是远离风力涡轮机的设备，例如通信地耦合到至少一个处理器的在控制中心中的计算机、便携式电子设备等。
在一些情况下，通知仅发生在轴的结构完整性使得存在轴可能由于其中形成的大裂纹而失效或破裂的风险的情况下。可以基于轴的尺寸确定预定的尺寸阈值(裂纹的临界性取决于裂纹的尺寸和轴的尺寸)，并且可以在至少一个处理器中调节。为此，当确定为裂纹的尺寸超过预定的尺寸阈值时，所述至少一个处理器触发信号传输，这可以通过有线或无线通道(例如电缆连接、电气回路、电力线通信、无线局域网、蜂窝(cellular)网络等)发生。
本发明的第二方面涉及一种***，包括：
多个换能器适于附连到风力涡轮机的轴的端部；和
至少一个处理器与所述多个换能器中的每个换能器通信地耦合；
每个换能器被配置为发射多个第一超声脉冲，并且进一步被配置为检测被反射且为所述换能器发射的所述多个第一超声脉冲；以及
所述至少一个处理器被配置为，至少基于由所述多个换能器中的每个换能器所检测的所述多个第一超声脉冲的至少一个超声脉冲，来确定裂纹的存在。
该***通过设置超声脉冲的多个换能器使得能够确定风力涡轮机的轴是否具有在其中形成的任何裂纹。
优选地，至少一个处理器还被配置为操作换能器以使得多个换能器中的每个换能器在多个换能器中的其他换能器不发射并检测相应的超声脉冲的情况下发射并检测多个第一超声脉冲。也就是说，至少一个处理器多路复用换能器的操作，以便顺序地操作每个换能器。一旦由换能器执行的发射和检测都被完成，则由至少一个处理器操作多个换能器中的不同换能器，以便执行相同的任务等等。在所有换能器已经发射并检测到多个第一超声脉冲之后，所述至少一个处理器可以停止所有换能器的操作，并且如果稍后要重复该顺序以便再次检查轴的结构完整性，则可以再次开始操作换能器。
在检测(每个换能器)多个第一超声脉冲的超声脉冲之后，不同脉冲的信号振幅以不同的增益被放大，以便于如前所述容易从中检索信息。
在一些实施例中，该***还包括单个发射电路和单个检测电路，用于分别地调节多个换能器中的每个换能器的发射和检测。在这些实施例中，至少一个处理器多路复用发射和检测电路的使用，使得仅发射和检测多个第一超声脉冲的换能器被连接到所述至少一个处理器。两个电路的重复使用降低了***的成本。
在一些其他实施例中，该***还包括与多个换能器中的换能器一样多的发射和检测电路。
在一些实施例中，确定裂纹的存在是基于由多个换能器中的每个换能器所检测到的多个第一超声脉冲。
在一些实施例中，所述至少两个超声脉冲包括三个或更多个超声脉冲。在一些示例中，每个换能器发射并检测例如50、100、200、500、1000 或更多个超声脉冲。
在一些实施例中，至少一个处理器被配置为进一步基于所检测的超声脉冲的信号振幅来确定裂纹的存在。在这些实施例的一些实施例中，所述至少一个处理器被配置为进一步基于所检测的超声脉冲的信号振幅以及所检测的超声脉冲的发射与检测之间所流逝的时间来确定裂纹的存在。
在一些实施例中，至少一个处理器还被配置为至少基于旨在确定裂纹的存在而所检测到的超声脉冲的信号振幅，来确定现有裂纹的尺寸。在这些实施例的一些实施例中，所述至少一个处理器还被配置为基于旨在确定裂纹的存在而所检测到的超声脉冲的信号振幅和用于确定裂纹的存在而所检测到的超声脉冲的发射和检测之间流逝的时间来确定现有裂纹的尺寸。
在一些实施例中，至少一个处理器被配置为通过以下方式确定裂纹的存在：
将通过每个换能器所检测的多个第一超声脉冲中的每个超声脉冲的信号振幅与一个或多个预定振幅阈值进行比较；
计算每个换能器的被比较的超声脉冲超过一个或多个预定振幅阈值中的至少一个预定振幅阈值的第一百分比；和
基于所计算的关于多个换能器中的所有换能器的第一百分比来确定裂纹的存在。
在这些实施例的一些实施例中，所述至少一个处理器被配置成，通过将所计算的第一百分比与一个/所述预定裂纹确认阈值进行比较，基于关于多个换能器中的所有换能器的计算所得的第一百分比，而确定裂纹的存在。
在一些实施例中，至少一个处理器被配置为通过以下方式确定现有裂纹的尺寸：
计算每个换能器和每个阈值的被比较的超声脉冲超过一个或多个预定振幅阈值中的一个预定振幅阈值的第二百分比，所述一个或多个预定振幅阈值至少包括两个预定振幅阈值；和
基于用于多个换能器中的所有换能器和所有预定的振幅阈值的所计算的第二百分比来确定现有裂纹的尺寸。
在这些实施例的一些实施例中，所述至少一个处理器被配置成，通过对所计算的第二百分比与一个/所述预定的裂纹确认阈值进行比较，基于针对多个换能器中的所有换能器和针对所有预定振幅阈值计算所得的第二百分比，来确定现有裂纹的尺寸。
在一些实施例中，多个换能器中的每个换能器还被配置为重复进行多个第一超声脉冲的发射和检测，并且至少一个处理器还被配置为重复确定裂纹的存在。在这些实施例中，至少一个处理器还被配置为操作换能器，以使得每次从确定了裂纹的存在起流逝了预定时间量的情况下，换能器重复发射和检测。
至少一个处理器指示换能器重复多个第一超声脉冲的发射和接收所用的频率可以取决于现有裂纹和/或其尺寸(如果确定的话)的先前确定。例如，当至少一个处理器确定裂纹的尺寸时，同时至少一个处理器还可以建立预定时间量，以便一旦所述时间量已经流逝就重复该顺序。优选地，裂纹被确定为越大就至少一个处理器建立越低的预定时间量。因此，使得因裂纹的严重程度越高，监测就越频繁。
在一些实施例中，多个换能器中的每个换能器包括保持装置和耦合到保持装置的螺纹杆，从而使得换能器可围绕保持装置枢转。
在一些实施例中，多个换能器中的每个换能器还被配置为发射多个第二超声脉冲，并且检测被反射且为该换能器所发射的多个第二超声脉冲；并且所述至少一个处理器还被配置为调节所述多个第二换能器中的每个换能器的增益，使得每个换能器检测具有相同振幅的所述多个第二超声脉冲。
在一些实施例中，多个换能器中的每个换能器适于提供具有波束的超声脉冲，使得在波束的截面中的波束的半角发散大于或等于1.5°且小于或等于8.0°。
在一些实施例中，该***还包括风力涡轮机的轴。在这些实施例中，多个换能器设置在轴的端部处的表面上，使得换能器围绕轴的旋转轴线均匀地间隔开。
在一些实施例中，轴的长度大于或等于1500mm，并且小于或等于 3500mm。
在一些实施例中，轴的直径大于或等于200mm，并且小于或等于800mm。测量轴的直径会超出轴的端部，因为有时第一端的直径大于轴自身的直径。
在一些实施例中，多个换能器包括至少三个换能器。在这些实施例的一些实施例中，多个换能器包括八个换能器。在这些实施例的一些实施例中，多个换能器包括四个换能器、十二个换能器或十六个换能器。在一些实施例中，多个换能器包括三十二个或更少的换能器，例如十六个换能器或十二个换能器。
在一些实施例中，该***还包括用于将信号发送到设备的装置。在这些实施例的一些实施例中，所述至少一个处理器被进一步配置为提供指示裂纹的尺寸超过预定尺寸阈值的信号。在这些实施例的一些实施例中，所述至少一个处理器被进一步配置为提供指示裂纹的已经被确定了的存在和/或裂纹的尺寸的信号。在这些实施例的一些实施例中，所述至少一个处理器还被配置为当被确定为裂纹的尺寸大于预定尺寸阈值时发送所述信号。
用于发射信号的装置可以是例如有线或无线通信装置，例如电缆连接、电气回路、电力线通信、无线局域网、蜂窝网络等。
在一些实施例中，该***还包括风力涡轮机。
在一些实施例中，至少一个处理器是以下中的一个或多个：微处理器、微控制器、FPGA和ASIC。
与本发明第一方面所描述的那些相似的优点也适用于本发明的这个方面。
附图说明
为了完成描述并且为了提供本发明的更好理解，提供一组附图。所述附图形成说明书的整体部分，并且示出本发明的实施例，其不应被解释为限制本发明的范围，而是仅作为本发明如何可以进行的示例。附图包括如下图：
图1示出了示例性风力涡轮机。
图2示出了根据本公开的具有换能器的风力涡轮机的轴的表面。
图3示出了根据一个实施例的方法。
图4A-4C示出了轴中的示例性裂纹的投影。
图5示出了根据本发明的换能器装置。
图6A-图6C示出了根据本公开的具有可枢转机构的换能器。
图7示意性地示出了在远场区域中的换能器的波束。
图8示意性地示出了根据一个实施例的***。
图9A-9B示出了风力涡轮机的示例性轴。
具体实施方式
在图1示出了示例性风力涡轮机10。风力涡轮机10包括转子11、多个叶片12a-12c、机舱15和塔架25。在机舱15(仅为了说明目的而示出为透明的)内，风力涡轮机10还包括连接到齿轮箱19的第一轴16、连接到齿轮箱19的第二轴20、制动器22和发电机24。
作为低速轴的第一轴16特别容易在其中形成裂纹，这可能导致第一轴16的失效或甚至破裂。在一些情况下，第一轴16的破裂可能进一步导致风力涡轮机10的其他部件的破损和/或危及人的生命。
图2以二维方式示意性地示出风力涡轮机10的轴16的表面，特别是在轴16的第一端部处的表面。
配置成发射超声脉冲的多个换能器31-38与轴16的表面接触。多个换能器31-38被布置在轴16的表面上，使得多个换能器围绕轴16的旋转轴线 17而被均匀地隔开。
换能器31-38中的每一个发射超声脉冲，具有相应的波束41-48(用虚线示出，用于示意性地示出当波束达到轴16的整个长度的特定百分比时波束的最大截面)。在轴16的沿其纵向尺寸的一些截面中，波束41-48相交并重叠。因此，在轴16的一些截面中，存在两个或更多个波束41-48在其中重叠的体积。
图3示出了根据一个实施例的方法100。
该方法100包括：步骤101，其中在风力涡轮机的10轴16的第一端部处设置多个换能器(诸如图2的换能器31-38)。多个换能器附接至轴16，使得该多个换能器可以朝向轴16发射超声脉冲(沿着其纵向尺寸)，并且在超声脉冲已经在轴16内被反射之后检测该超声脉冲。
方法100还包括：步骤102，其中对于多个换能器中的每个换能器，朝向轴16发射多个超声脉冲，以及步骤103，其中检测换能器已经发射的在轴16中被反射的多个超声脉冲。
方法100还包括：步骤104，其中至少基于由多个换能器中的每个换能器所检测的多个第一超声脉冲中的至少一个超声脉冲来确定在轴16中存在裂纹，并且优选地基于由多个换能器中的每个换能器所检测的多个第一超声脉冲。一旦所检测的超声脉冲的信号振幅已经以可变增益放大，即一些所检测的超声脉冲具有被施加到的一个增益，并且一些其他所检测的超声脉冲具有被施加到的另一个增益，则执行该步骤104。在一些示例中，该步骤104还包括使用与用于确定裂纹的存在相同的超声脉冲来确定现有裂纹的尺寸。
方法100优选地在每次已经执行了裂纹存在的确定104之后经过一定的时间量时，重复进行发射102、检测103和裂纹存在的确定104的步骤。该时间量对应于可变的预定时间量，例如，可以基于先前的裂纹存在和/ 或裂纹尺寸的确定104来调节时间量。
图4A-图4C示出了轴16中的示例性裂纹50-52(仅用于说明目的用虚线示出)的说明性投影，特别是在轴16的端部处的表面上的裂纹的投影，其中多个换能器31-38被附连到轴16，用于其超声耦合。多个换能器31-38 围绕轴16的旋转轴线17均匀地分布。示例性裂纹50-52形成在沿轴16的长度的部分中；这些部分可以与轴16的换能器31-38被附接的表面相距一定距离。
在图4A中，示出了第一裂纹50的在第一换能器34的前面的说明性投影。第一裂纹50可以是在第一换能器34的波束内，并且还在其他换能器的波束内，例如第二换能器35的波束和第三换能器33的波束内，和甚至进一步的换能器的波束，这取决于相应波束的尺寸。
在图4B中，示出了第二裂纹51的说明性投影，第二裂纹51是在第一换能器34和第二换能器35之间。第二裂纹51可以是在第一换能器和第二换能器34-35的波束内并且还在其他换能器的波束内例如第三换能器33和第四换能器36的波束，这取决于相应波束的尺寸。
在图4C中，示出了第三裂纹52的说明性投影，第三裂纹52位于第一能器、第二换能器和第三换能器33-35的前面并且还在它们之间。
图5示出了根据本发明的换能器布置。
支撑装置60借助于多个螺钉或螺栓61附接到轴16的端部18。支撑装置 60保持多个换能器31-38，每个换能器通过保持装置64和螺纹杆65附接到支撑装置。于是，支撑装置60以及多个换能器31-38与轴16一起围绕轴的旋转轴线旋转。
借助于支撑装置60、保持装置64和螺纹杆65，每个换能器31-38与轴 16的端部18接触。相应地，每个换能器31-38被耦合到轴16，用于超声脉冲的发射和检测。换能器31-38可以包括保护装置63，以避免污垢可能进入换能器和轴16之间，并避免设置在其中的耦合介质过早老化，这会对超声耦合产生负面影响。
图6A-图6C示出了根据本公开的具有枢轴机构的换能器30。
如参考图5所述，换能器借助于支撑装置60与轴接触，但也通过保持装置64和螺纹杆65将换能器保持在支撑装置60和轴之间。
保持装置64适于与螺纹杆65一起设置球窝接头，并且相应地，换能器 30可以围绕该接头枢转。这种枢转机构增强了换能器30和轴的表面之间的接触，以使得，即使所述表面是不规则的，换能器30也可以调节该不规则性，从而保持正确的超声耦合。
在图6B中示出了具有枢转机构的换能器30的横截面。换能器30与在轴16的端部18处的表面接触。
该表面具有凹槽27，凹槽27不平行于该表面。在没有枢转机构的情况下，由于凹槽27，在换能器和轴16之间将存在间隙，或者换能器将不完全地垂直于凹槽27，从而相应地使得超声耦合恶化。
然而，枢转机构保持了换能器与该表面接触，使得超声耦合被维持。可以看出，螺纹杆65由于其与图5中所示的支撑装置60的耦合而保持垂直于该表面(其中没有形成凹槽的部分)。然而，保持装置64不保持垂直于所述表面上，而是垂直于凹槽27，并且因此固定到保持装置64的换能器30 也是如此。保持装置64的角位移恰好地是由于螺纹杆65的作用。因此，形成于凹槽27和轴16的表面的其余部分之间的角度28由于枢转机构而得到补偿。
此外，如图6C所示，其中示出了具有枢转机构的换能器30的类似横截面，枢转机构还可以补偿使换能器30相对于轴16的表面18偏离的机械部件的公差。例如，由于制造公差或不正确机械耦合到轴16，支撑装置60可能相对于轴16的表面18偏离，因此螺纹杆65相对于表面18具有偏离角度29。然而换能器30却与表面18适当地接触，并且超声耦合相应地不受偏离的影响。
图7从俯视图示意性地示出了轴16的在中间截取的横截面(即，对应于水平平面的横截面)。
旋转轴线17(用虚线示出)在轴16的纵向尺寸上延伸。换能器30附连到轴16的端部，以便向轴16发射超声脉冲和检测超声回波脉冲。换能器 30在远场区域中的波束40(仅用于说明目的用虚线示出)的特征在于具有能够实现从中心到波束40的一个边缘所测量的半角发散度42的孔径。
图8示意性地示出了根据一个实施例的***80。
***80包括至少一个处理器81、多个换能器90a-90n、由至少一个处理器81操作的至少一个多路复用器85、发射电路86和检测电路87。
至少一个处理器81顺序地操作不同的换能器90a-90n，使得一次只有一个换能器正在工作。至少一个处理器81在至少一个多路复用器85中选择对应于换能器90a-90n的通道中的一个通道，以便将所选择的换能器电连接到发射电路86和检测电路87。
发射电路86和检测电路87包括用于产生和调节换能器90a-90n的信号的电子器件。
图9A-9B示出了风力涡轮机的示例性轴。
在图9A中，示出了第一示例性轴，该第一示例性轴包括在第一端118a 和第二端118b之间延伸的主体116a。
在图9B中，示出了第二示例性轴，第二示例性轴包括在第一端118c 和第二端118d之间延伸的主体116b。第一端118c的直径大于主体116b的直径。相应地，如果要在第一端118c处设置根据本发明的多个换能器，则该多个换能器必须靠近轴的旋转轴线而布置，以使得换能器的波束设置在轴的主体116b内。
尽管这里使用术语第一、第二、第三等来描述若干设备或元件，但是应该理解，设备或元件不应受这些术语的限制，因为这些术语仅用于区分一个设备或另一个元件。例如，多个第一超声脉冲也可以被称为多个第二超声脉冲，并且多个第二超声脉冲可以被命名为多个第一超声脉冲而不脱离本公开的范围。
在本文中，术语“包含”及其派生词(例如“包含”等)不应被理解为排除意义，也就是说，这些术语不应被解释为排除描述和定义的内容的可能包括其他元件、步骤等的可能性。
另一方面，本发明显然不限于本文所述的具体实施例，而是还包括本领域技术人员可以考虑的在权利要求中限定的本发明的一般范围内的任何变化(例如，关于材料、尺寸、组件，配置等的选择)。

Claims (15)

1.一种方法，包括：
在风力涡轮机的轴的第一端处设置多个换能器，所述多个换能器中的每个换能器朝向轴发射多个第一超声脉冲；以及
检测由换能器发射且在轴中反射的多个第一超声脉冲；
至少基于由多个换能器中的每个换能器所检测的多个第一超声脉冲的至少一个超声脉冲，来确定裂纹的存在。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述多个换能器设置在所述轴的所述第一端处的表面上，使得所述多个换能器围绕所述轴的旋转轴线均匀地间隔开。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
基于由所述多个换能器中的每个换能器所检测的多个第一超声脉冲确定裂纹的存在。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
确定裂纹的存在包括：
将由每个换能器所检测的多个第一超声脉冲中的每个超声脉冲的信号振幅与一个或多个预定振幅阈值进行比较；
计算每个换能器的被比较的超声脉冲超过一个或多个预定振幅阈值中的至少一个预定振幅阈值的第一百分比；和
基于针对多个换能器中的所有换能器所计算的第一百分比，来确定裂纹的存在。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
确定所述裂纹的存在的步骤进一步包括：基于用于确定所述裂纹存在的超声脉冲来确定现有裂纹的尺寸。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，
确定现有裂纹的尺寸包括：
计算每个换能器和每个阈值的被比较的超声脉冲超过一个或多个预定振幅阈值中的一个预定振幅阈值的第二百分比，所述一个或多个预定振幅阈值至少包括两个预定振幅阈值；和
基于针对多个换能器中的所有换能器和针对所有预定的振幅阈值所计算的第二百分比，来确定现有裂纹的尺寸。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中还包括重复：所述多个换能器中的每个换能器发射和检测多个第一超声脉冲的步骤；以及确定裂纹存在的步骤；每次从确定裂纹的存在起经过预定时间量时，重复这些步骤。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
还包括，在设置多个换能器的步骤之后，使用保持装置和连接到保持装置的螺纹杆将所述多个换能器中的每个换能器在所述轴的所述第一端处附接到表面，使得所述换能器能够围绕保持装置枢转。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
所述多个换能器中的每个换能器在其他换能器不发射并检测相应的超声脉冲时，发射并检测所述多个第一超声脉冲。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
所述多个换能器中的每个换能器适合于提供具有波束的超声脉冲，使得在波束的截面中的波束的半角发散大于或等于1.5°并小于或等于8.0°，并且其中多个换能器包括八个换能器。
11.一种***包括：
多个换能器，其适于被接附接到风力涡轮机的轴的端部；和
至少一个处理器，其与所述多个换能器中的每个换能器通信地耦合，
其中每个换能器被配置为发射多个第一超声脉冲，并且进一步被配置为检测该换能器所发射和被反射的所述多个第一超声脉冲；和
其中，所述至少一个处理器被配置为至少基于由所述多个换能器中的每个换能器所检测的所述多个第一超声脉冲的至少一个超声脉冲，来确定裂纹的存在。
12.根据权利要求11所述的***，其中，
所述至少一个处理器被配置为基于由所述多个换能器中的每个换能器所检测的所述多个第一超声脉冲来确定裂纹的存在。
13.根据权利要求11至12中任一项所述的***，其中，
所述至少一个处理器还被配置为至少基于所检测到的用于确定裂纹存在的超声脉冲的信号振幅，来确定现有裂纹的尺寸。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的***，其中，
所述多个换能器中的每个换能器包括保持装置和耦合到保持装置的螺纹杆，以使得所述换能器能够围绕所述保持装置枢转。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的***，其中，
还包括风力涡轮机的轴，
其中，所述多个换能器在端部处设置在所述轴的表面上，使得所述多个换能器围绕所述轴的旋转轴线均匀地间隔开；并且其中多个换能器中的每个换能器适于提供具有波束的超声脉冲，以使得在波束的截面中的波束的半角发散大于或等于1.5°且小于或等于8.0°。
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