CN208416812U - 一种健康状态自监式风电叶片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种健康状态自监式风电叶片，包括风力发电机组的叶片本体，所述叶片本体的长度方向和/或叶弦方向的成型结构体上，布置有多根分布式光纤应变传感器，每根光纤应变传感器的传感长度为0.1～300m、空间分辨率为0.1～10000mm，每根光纤应变传感器的尾端设置有能够连接信号采集分析仪的连接头。本实用新型能够对自身健康状态自行进行精准、可靠地及时监测，同时对损伤区域精准、清晰定位，从而有利于对风电叶片损伤区域及时进行空中维护处理，以减少经济损失，实用性强。

Description

一种健康状态自监式风电叶片

技术领域

本实用新型涉及风电叶片，具体是一种健康状态可以自行监测（或检测）的风电叶片。

背景技术

风电叶片是风力发电机组的关键部件之一，其安全、可靠性直接关系着整个机组的安全运行。近年来，随着风力发电机组的单台功率不断提升，风电叶片的大型化发展趋势快速增加，叶片长度不断被刷新。

由于风电叶片的结构特性、成型工艺及服役工况等多重因素的影响，风电叶片在服役过程中，容易发生包括主梁褶皱断裂、后缘梁褶皱断裂、蒙皮开裂、粘接失效等在内的健康损伤状况，为了确保风力发电机组稳定、可靠运行，需要对风电叶片的这些健康损伤状况进行及时的监测并维护。

然而，风电叶片是在高空环境下服役的，其监测是比较麻烦的。若仅靠人工来进行风电叶片健康损伤状况的监测，是很难在前期的轻微损伤时就能及时发现的，一旦待风电叶片的损伤扩展的一定的严重程度后，已失去在空中维护的时机。可见，对服役过程中的风电叶片健康状态进行科学、合理的有效监测预警是具有十分重要意义的。

当前，对风电叶片健康状态的监测主要有三种技术措施：其一是在风电叶片的特定部位安装应力应变传感器进行风电叶片健康状态监测，例如中国专利文献公开的“具有应变传感器的风力发电机智能叶片”（公开号CN 101839216，公开日2010.09.22）等；其二是在风电叶片的特定部位安装震动信号传感器进行风电叶片健康状态监测，例如中国专利文献公开的“基于多元传感信息的风力发电机叶片健康状态监测***”（公开号CN107781118，公开日2018.03.09）等；其三是在风电叶片上安装光纤光栅传感器进行风电叶片健康状态监测，例如中国专利文献公开的“风力发电机叶片健康状态监测***及监测方法”（公开号CN 107044388，公开日2017.08.15）、“基于分布式光纤光栅的风力发电电机叶片应变的监测***” （公开号CN 205957914，公开日2017.02.15）等。前述三种监测技术虽然能够对风电叶片的健康状态进行监测，但应力应变传感器监测技术和震动信号传感器监测技术存在敏感性较低、判断误差相对较大的技术问题，不能对风电叶片的健康状态实现准确监测，同时无法对风电叶片的损伤发生的具***置进行识别和定位；光纤光栅传感器监测技术相较应力应变传感器监测技术和震动信号传感器监测技术具有良好的监测效果，但其监测是通过长期实时数据采集、分析实现的，无法对风电叶片进行周期性的体检检测，另外其监测范围和分辨率较小，不能对风电叶片健康状态进行全面的精准监测，亦不能对风电叶片的损伤发生的具***置进行精准的识别和定位，监测效果有待提高，未能得到广泛应用推广。

实用新型内容

本实用新型的技术目的在于：针对上述风电叶片的特殊性和现有技术的不足，提供一种能够对健康状态进行精准、可靠地自行监测的风电叶片。

本实用新型实现其技术目的所采用的技术方案是：一种健康状态自监式风电叶片，包括风力发电机组的叶片本体，所述叶片本体的长度方向和/或叶弦方向的成型结构体上，布置有多根分布式光纤应变传感器，每根光纤应变传感器的传感长度为0.1～300m、空间分辨率为0.1～10000mm，每根光纤应变传感器的尾端设置有能够连接信号采集分析仪的连接头。

作为优选方案之一，所述多根分布式光纤应变传感器主要是布置在叶片本体的主梁、腹板、前缘部、后缘部的成型结构体上。

作为优选方案之一，所述光纤应变传感器预埋在叶片本体的对应成型结构体中，所述光纤应变传感器与叶片本体的对应成型结构体为整体结构。或者，所述光纤应变传感器固定布置在叶片本体的对应成型结构体的内表面区域或外表面区域，所述光纤应变传感器与叶片本体的对应成型结构体为整体结构。进一步的，所述光纤应变传感器在叶片本体的对应成型结构体上的固定布置结构为，手糊固定布置结构、灌注固定布置结构或粘接固定布置结构。

作为优选方案之一，所述光纤应变传感器在叶片本体的对应成型结构体上以连续不中断的整体结构布置成型。或者，所述光纤应变传感器在叶片本体的对应成型结构体上以分段的分体结构布置成型。

作为优选方案之一，所述叶片本体的内部固定有信号采集分析仪，所述信号采集分析仪与叶片本体上的各光纤应变传感器的连接头连接。进一步的，所述叶片本体的内部固定有无线信号发射器，所述无线信号发射器与叶片本体内的信号采集分析仪连接，所述无线信号发射器与风力发电机组的控制***保持无线通信。

本实用新型的有益技术效果是：

1. 本实用新型是在风电叶片的本体上，布置了多根特定传感长度和空间分辨率的分布式光纤应变传感器，在服役过程中，这些分布式光纤应变传感器能够对风电叶片上的损伤状况进行精准、可靠地及时监测，同时对损伤区域精准、清晰定位，即风电叶片能够对自身健康状态自行进行精准、可靠地及时监测，同时对损伤区域精准、清晰定位，从而有利于对风电叶片损伤区域及时进行空中维护处理，以减少经济损失，实用性强；

2. 本实用新型通过光纤应变传感器与信号采集分析仪的配合关系，既可以对风电叶片实现长期的实时监测，还可以对风电叶片进行周期性的体检检测，灵活性好。

附图说明

图1是本实用新型的第一种结构示意图。

图2是图1中的光纤应变传感器在叶片本体上的布置结构示意图。

图3是本实用新型的第二种结构示意图。

图4是本实用新型的第三种结构示意图。

图5是本实用新型的第四种结构示意图。

图中代号含义：1—叶片本体；11—主梁；12—腹板；13—前缘部；14—后缘部；2—光纤应变传感器；21—连接头；3—信号采集分析仪；4—无线信号发射器。

具体实施方式

本实用新型涉及风电叶片，具体是一种健康状态可以自行监测/检测的风电叶片，下面以多个实施例对本实用新型的技术内容进行清楚、详细的说明。

实施例1

参见图1和图2所示，本实用新型包括风力发电机组的叶片本体1，该叶片本体1的横截面结构主要由两侧主梁11、两侧主梁11之间的腹板12、前缘部13、后缘部14和必要壳体等组成，即前述结构体在叶片本体的1的周向上特定排布、并沿着叶片本体1的长度方向延伸成型。前述主梁11、腹板12、前缘部13、后缘部14为叶片本体1的起主要承载功能的成型结构体。

在上述主梁11、腹板12、前缘部13和后缘部14的制造成型过程中，在其结构体内、沿着长度方向分别预埋有分布式光纤应变传感器2，即在主梁11内预埋有分布式光纤应变传感器2，在腹板12内预埋有分布式光纤应变传感器2，在前缘部13内预埋有分布式光纤应变传感器2，在后缘部14内预埋有分布式光纤应变传感器2，从而使各光纤应变传感器2与叶片本体1的对应成型结构体为整体结构。也就是说，在叶片本体1的长度方向的成型结构体上，布置有多根分布式光纤应变传感器2，要求每根光纤应变传感器2的传感长度为0.1～300m，（例如0.1m、1m、10m、50m、100m、150m、200m、250m或300m等，具体数值视风电叶片的尺寸要求而定）、空间分辨率为0.1～10000mm（例如0.1mm、10mm、30mm、100mm、500m、1000mm、3000mm、5000mm、7500mm或10000mm等，具体数值视实际监测精度要求而定），作为优选考虑，要求每根光纤应变传感器2的传感长度为30～100m、空间分辨率为0.1～1000mm；此外，前述每根光纤应变传感器2在叶片本体1的对应成型结构体上以连续不中断的整体结构布置成型，以实现对叶片本体1的全尺寸区域监测，每根光纤应变传感器2的尾端设置有能够连接信号采集分析仪3的连接头。

上述叶片本体1的叶根内部处固定有信号采集分析仪3和无线信号发射器4。其中，信号采集分析仪3安装固定在叶片本体1的叶根部腹腔内，能够随叶片本体1一起旋转；信号采集分析仪3与叶片本体1上的各光纤应变传感器2的连接头连接，信号采集分析仪3用于采集各光纤应变传感器2的信号，将各光纤应变传感器2获取的因叶片本体状态变化而引起的光频信号转化为可视的曲线或图像信号，以便于技术人员分析判断，实时对叶片本体1的健康状态进行监测。无线信号发射器4与信号采集分析仪3连接，且无线信号发射器4与风力发电机组的控制***保持无线通信。

当然，上述无线信号发射器4还可以采用有线传输方式代替。

实施例2

参见图3所示，本实用新型包括风力发电机组的叶片本体1，该叶片本体1的横截面结构主要由两侧主梁11、两侧主梁11之间的腹板12、前缘部13、后缘部14和必要壳体等组成，即前述结构体在叶片本体的1的周向上特定排布、并沿着叶片本体1的长度方向延伸成型。前述主梁11、腹板12、前缘部13、后缘部14为叶片本体1的起主要承载功能的成型结构体。

在上述主梁11、腹板12、前缘部13和后缘部14的制造成型后，在其结构体的内侧表面区域、沿着长度方向分别固定布置有分布式光纤应变传感器2，即在主梁11的内侧表面区域固定布置有分布式光纤应变传感器2，在腹板12的一侧表面区域（基于腹板在叶片本体上的位置结构，内外侧表面不便区分，任一侧表面均可）固定布置有分布式光纤应变传感器2，在前缘部13的内侧表面区域固定布置有分布式光纤应变传感器2，在后缘部14的内侧表面区域固定布置有分布式光纤应变传感器2，从而使各光纤应变传感器2与叶片本体1的对应成型结构体为整体结构。也就是说，在叶片本体1的长度方向的成型结构体上，布置有多根分布式光纤应变传感器2，要求每根光纤应变传感器2的传感长度为0.1～300m，（例如0.1m、1m、10m、50m、100m、150m、200m、250m或300m等，具体数值视风电叶片的尺寸要求而定）、空间分辨率为0.1～10000mm（例如0.1mm、10mm、30mm、100mm、500m、1000mm、3000mm、5000mm、7500mm或10000mm等，具体数值视实际监测的清晰度要求而定），作为优选考虑，要求每根光纤应变传感器2的传感长度为30～100m、空间分辨率为0.1～1000mm；此外，前述每根光纤应变传感器2在叶片本体1的对应成型结构体上以连续不中断的整体结构布置成型，以实现对叶片本体1的全尺寸区域监测，每根光纤应变传感器2的尾端设置有能够连接信号采集分析仪3的连接头。

上述光纤应变传感器2在叶片本体1的对应成型结构体上的固定布置结构为，手糊固定布置结构、灌注固定布置结构或粘接固定布置结构。

上述叶片本体1的叶根内部处固定有信号采集分析仪和无线信号发射器。其中，信号采集分析仪安装固定在叶片本体1的叶根部腹腔内，能够随叶片本体1一起旋转；信号采集分析仪与叶片本体1上的各光纤应变传感器2的连接头连接，信号采集分析仪用于采集各光纤应变传感器2的信号，将各光纤应变传感器2获取的因叶片本体状态变化而引起的光频信号转化为可视的曲线或图像信号，以便于技术人员分析判断，实时对叶片本体1的健康状态进行监测。无线信号发射器与信号采集分析仪连接，且无线信号发射器与风力发电机组的控制***保持无线通信。

当然，上述无线信号发射器还可以采用有线传输方式代替。

实施例3

参见图4所示，本实用新型包括风力发电机组的叶片本体1，该叶片本体1的横截面结构主要由两侧主梁11、两侧主梁11之间的腹板12、前缘部13、后缘部14和必要壳体等组成，即前述结构体在叶片本体的1的周向上特定排布、并沿着叶片本体1的长度方向延伸成型。前述主梁11、腹板12、前缘部13、后缘部14为叶片本体1的起主要承载功能的成型结构体。

在上述主梁11、腹板12、前缘部13和后缘部14的制造成型后，在其结构体的外侧表面区域、沿着长度方向分别固定布置有分布式光纤应变传感器2，即在主梁11的外侧表面区域固定布置有分布式光纤应变传感器2，在腹板12的一侧表面区域（基于腹板在叶片本体上的位置结构，内外侧表面不便区分，任一侧表面均可）固定布置有分布式光纤应变传感器2，在前缘部13的外侧表面区域固定布置有分布式光纤应变传感器2，在后缘部14的外侧表面区域固定布置有分布式光纤应变传感器2，从而使各光纤应变传感器2与叶片本体1的对应成型结构体为整体结构。也就是说，在叶片本体1的长度方向的成型结构体上，布置有多根分布式光纤应变传感器2，要求每根光纤应变传感器2的传感长度为0.1～300m，（例如0.1m、1m、10m、50m、100m、150m、200m、250m或300m等，具体数值视风电叶片的尺寸要求而定）、空间分辨率为0.1～10000mm（例如0.1mm、10mm、30mm、100mm、500m、1000mm、3000mm、5000mm、7500mm或10000mm等，具体数值视实际监测的清晰度要求而定），作为优选考虑，要求每根光纤应变传感器2的传感长度为30～100m、空间分辨率为0.1～1000mm；此外，前述每根光纤应变传感器2在叶片本体1的对应成型结构体上以连续不中断的整体结构布置成型，以实现对叶片本体1的全尺寸区域监测，每根光纤应变传感器2的尾端设置有能够连接信号采集分析仪3的连接头。

上述光纤应变传感器2在叶片本体1的对应成型结构体上的固定布置结构为，手糊固定布置结构、灌注固定布置结构或粘接固定布置结构。

上述叶片本体1的叶根内部处固定有信号采集分析仪和无线信号发射器。其中，信号采集分析仪安装固定在叶片本体1的叶根部腹腔内，能够随叶片本体1一起旋转；信号采集分析仪与叶片本体1上的各光纤应变传感器2的连接头连接，信号采集分析仪用于采集各光纤应变传感器2的信号，将各光纤应变传感器2获取的因叶片本体状态变化而引起的光频信号转化为可视的曲线或图像信号，以便于技术人员分析判断，实时对叶片本体1的健康状态进行监测。无线信号发射器与信号采集分析仪连接，且无线信号发射器与风力发电机组的控制***保持无线通信。

当然，上述无线信号发射器还可以采用有线传输方式代替。

实施例4

参见图5所示，本实用新型包括风力发电机组的叶片本体1，该叶片本体1的横截面结构主要由两侧主梁11、两侧主梁11之间的腹板12、前缘部13、后缘部14和必要壳体等组成，即前述结构体在叶片本体的1的周向上特定排布、并沿着叶片本体1的长度方向延伸成型。前述主梁11、腹板12、前缘部13、后缘部14为叶片本体1的起主要承载功能的成型结构体。

在上述主梁11、腹板12、前缘部13和后缘部14的制造成型过程中，在其结构体内、沿着长度方向分别预埋有分布式光纤应变传感器2，即在主梁11内预埋有分布式光纤应变传感器2，在腹板12内预埋有分布式光纤应变传感器2，在前缘部13内预埋有分布式光纤应变传感器2，在后缘部14内预埋有分布式光纤应变传感器2，从而使各光纤应变传感器2与叶片本体1的对应成型结构体为整体结构。也就是说，在叶片本体1的长度方向的成型结构体上，布置有多根分布式光纤应变传感器2，要求每根光纤应变传感器2的传感长度为0.1～300m，（例如0.1m、1m、10m、50m、100m、150m、200m、250m或300m等，具体数值视风电叶片的尺寸要求而定）、空间分辨率为0.1～10000mm（例如0.1mm、10mm、30mm、100mm、500m、1000mm、3000mm、5000mm、7500mm或10000mm等，具体数值视实际监测的清晰度要求而定），作为优选考虑，要求每根光纤应变传感器2的传感长度为1～10m、空间分辨率为0.1～1000mm；此外，前述每根光纤应变传感器2在叶片本体1的对应成型结构体上以分段的分体结构布置成型，以实现对叶片本体1的局部区域监测，每根光纤应变传感器2的尾端设置有能够连接信号采集分析仪的连接头21。

上述叶片本体1的叶根内部处固定有信号采集分析仪和无线信号发射器。其中，信号采集分析仪安装固定在叶片本体1的叶根部腹腔内，能够随叶片本体1一起旋转；信号采集分析仪与叶片本体1上的各光纤应变传感器2的连接头21连接，信号采集分析仪用于采集各光纤应变传感器2的信号，将各光纤应变传感器2获取的因叶片本体状态变化而引起的光频信号转化为可视的曲线或图像信号，以便于技术人员分析判断，实时对叶片本体1的健康状态进行监测。无线信号发射器与信号采集分析仪连接，且无线信号发射器与风力发电机组的控制***保持无线通信。

当然，上述无线信号发射器还可以采用有线传输方式代替。

实施例5

本实施例的其它内容与实施例1、2、3或4相同，不同之处在于：光纤应变传感器固定布置在叶片本体的其它非承载型的成型结构体上，即固定布置在除主梁、腹板、前缘部、后缘部在外的壳体上。

实施例6

本实施例的其它内容与实施例1、2、3或4相同，不同之处在于：光纤应变传感器还固定布置在叶片本体的其它非承载型的成型结构体上-例如壳体。

实施例7

本实施例的其它内容与实施例1、2、3或4相同，不同之处在于：叶片本体不带有信号采集分析仪，即信号采集分析仪没有安装固定在叶片本体上，在需要对光纤应变传感器的信号进行采集分析时，由维护工人携带信号采集分析仪去连接、并采集光纤应变传感器的信号。

实施例8

本实用新型包括风力发电机组的叶片本体，该叶片本体的横截面结构主要由两侧主梁、两侧主梁之间的腹板、前缘部、后缘部和必要壳体等组成，即前述结构体在叶片本体的的周向上特定排布、并沿着叶片本体的长度方向延伸成型。前述主梁、腹板、前缘部、后缘部为叶片本体的起主要承载功能的成型结构体。

在上述结构的叶片本体的叶弦方向的成型结构体上，在其结构体内预埋有多根分布式光纤应变传感器，这些光纤应变传感器分处在叶片本体长度方向的不同段上，即各光纤应变传感器是沿着叶片本体的截面布置的，从而使各光纤应变传感器与叶片本体的对应成型结构体为整体结构。也就是说，在叶片本体的叶弦方向的成型结构体上，布置有多根分布式光纤应变传感器，要求每根光纤应变传感器的传感长度为0.1～300m，（例如0.1m、1m、10m、50m、100m、150m、200m、250m或300m等，具体数值视风电叶片的尺寸要求而定）、空间分辨率为0.1～10000mm（例如0.1mm、10mm、30mm、100mm、500m、1000mm、3000mm、5000mm、7500mm或10000mm等，具体数值视实际监测的清晰度要求而定），作为优选考虑，要求每根光纤应变传感器的传感长度为0.1～10m、空间分辨率为0.1～1000mm；此外，前述每根光纤应变传感器在叶片本体的对应成型结构体上以连续不中断的整体结构布置成型，以实现对叶片本体的局部区域监测，每根光纤应变传感器的尾端设置有能够连接信号采集分析仪的连接头。

上述叶片本体的叶根内部处固定有信号采集分析仪和无线信号发射器。其中，信号采集分析仪安装固定在叶片本体的叶根部腹腔内，能够随叶片本体一起旋转；信号采集分析仪与叶片本体上的各光纤应变传感器的连接头连接，信号采集分析仪用于采集各光纤应变传感器的信号，将各光纤应变传感器获取的因叶片本体状态变化而引起的光频信号转化为可视的曲线或图像信号，以便于技术人员分析判断，实时对叶片本体的健康状态进行监测。无线信号发射器与信号采集分析仪连接，且无线信号发射器与风力发电机组的控制***保持无线通信。

当然，上述无线信号发射器还可以采用有线传输方式代替。

以上各实施例仅用以说明本实用新型，而非对其限制；尽管参照上述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：本实用新型依然可以对上述各实施例中的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型的精神和范围。

Claims (9)

1.一种健康状态自监式风电叶片，包括风力发电机组的叶片本体（1），其特征在于：所述叶片本体（1）的长度方向和/或叶弦方向的成型结构体上，布置有多根分布式光纤应变传感器（2），每根光纤应变传感器（2）的传感长度为0.1～300m、空间分辨率为0.1～10000mm，每根光纤应变传感器（2）的尾端设置有能够连接信号采集分析仪（3）的连接头（21）。

2.根据权利要求1所述健康状态自监式风电叶片，其特征在于：所述多根分布式光纤应变传感器（2）主要是布置在叶片本体（1）的主梁（11）、腹板（12）、前缘部（13）、后缘部（14）的成型结构体上。

3.根据权利要求1或2所述健康状态自监式风电叶片，其特征在于：所述光纤应变传感器（2）预埋在叶片本体（1）的对应成型结构体中，所述光纤应变传感器（2）与叶片本体（1）的对应成型结构体为整体结构。

4.根据权利要求1或2所述健康状态自监式风电叶片，其特征在于：所述光纤应变传感器（2）固定布置在叶片本体（1）的对应成型结构体的内表面区域或外表面区域，所述光纤应变传感器（2）与叶片本体（1）的对应成型结构体为整体结构。

5.根据权利要求4所述健康状态自监式风电叶片，其特征在于：所述光纤应变传感器（2）在叶片本体（1）的对应成型结构体上的固定布置结构为，手糊固定布置结构、灌注固定布置结构或粘接固定布置结构。

6.根据权利要求1或2所述健康状态自监式风电叶片，其特征在于：所述光纤应变传感器（2）在叶片本体（1）的对应成型结构体上以连续不中断的整体结构布置成型。

7.根据权利要求1或2所述健康状态自监式风电叶片，其特征在于：所述光纤应变传感器（2）在叶片本体（1）的对应成型结构体上以分段的分体结构布置成型。

8.根据权利要求1所述健康状态自监式风电叶片，其特征在于：所述叶片本体（1）的内部固定有信号采集分析仪（3），所述信号采集分析仪（3）与叶片本体（1）上的各光纤应变传感器（2）的连接头（21）连接。

9.根据权利要求8所述健康状态自监式风电叶片，其特征在于：所述叶片本体（1）的内部固定有无线信号发射器（4），所述无线信号发射器（4）与叶片本体（1）内的信号采集分析仪（3）连接，所述无线信号发射器（4）与风力发电机组的控制***保持无线通信。