阅读说明：本技术 转子叶片监视系统 (Rotor blade monitoring system ) 是由 D·吉罗拉莫 E·奥尔洛维奇 N·斯蒂瓦诺维奇 于 2019-02-15 设计创作，主要内容包括：描述了一种用于风力涡轮机(760)的转子叶片(220、320、420、520、620、720),其包括：至少一个照相机(101),其安装在所述转子叶片内并且适于获取所述转子叶片(220)的内表面(219)的一部分的图像。(It is described a rotor blade (220, 320, 420, 520, 620, 720) for a wind turbine (760), comprising: at least one camera (101) mounted within the rotor blade and adapted to acquire an image of a portion of an inner surface (219) of the rotor blade (220).)

转子叶片监视系统

技术领域

本发明涉及用于风力涡轮机的转子叶片，涉及转子叶片监视系统，涉及风力涡轮机，并且还涉及监视风力涡轮机的转子叶片的结构状态的方法。

背景技术

风力涡轮机可包括具有轮毂的旋转轴，多个转子叶片安装在轮毂处。旋转轴可以与发电机的转子机械地联接，以在转子叶片连接到的毂旋转时产生电能。转子叶片在操作期间可能受到磨损，使得它们在较长的操作时间内劣化。

因此，监视转子叶片的结构状态或结构完整性是必要的。为了避免叶片结构的严重故障模式，风力涡轮机叶片的结构健康的监视通常可能需要定期的现场检查。然而，在现场检查风力涡轮机上的叶片目前是昂贵且耗时的。此外，它可能是依赖于天气的，并且风力涡轮机常常位于偏远地区或海上设施中难以接近的地点，使得难以计划和执行检查。此外，现今的转子叶片是风力涡轮机的相对较大且昂贵的部件。因此，涉及停止能量产生或由于结构损伤而导致叶片损失的漫长的结构修复可能涉及重大缺点。

维护人员每年或每两年一次地对风力发电场的所有风力涡轮机执行常规的视觉现场检查。由此，维护人员进入叶片，检查表面，并且如果发现可疑的观察结果则拍摄照片。这种监视操作一次仅能完成一个叶片，因为被检查的叶片需要是水平的，这又可能对天气条件提出要求。是否存在损害的决定是由人主观地做出判断的，并且最终结果将取决于该人的专业知识和经验。

因此，可能需要用于风力涡轮机的转子叶片，需要转子叶片监视系统，需要风力涡轮机，并且还需要监视风力涡轮机的转子叶片的结构状态的方法，其中，监视可以以简化的方式和可靠的方式执行，尤其是不需要维护人员在场。

发明内容

这种需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。

根据本发明的实施例，提供了一种用于风力涡轮机的转子叶片，其包括：至少一个照相机，其安装在所述转子叶片内，并且适于获取所述转子叶片的内表面的一部分的图像。

所述照相机可适于获取所述转子叶片的所述内表面的所述部分的一个或多个二维图像。因此，照相机可以包括例如布置成二维阵列的多个光敏元件。光敏元件可以例如包括CCD或CMOS单元。（一个或多个）照相机还可以包括一个或多个滤光器，其滤除一个或多个光谱范围，例如可见范围、红外光范围、紫外范围，从而允许通过获取选定的（一个或多个）波长范围的强度来形成图像。此外，一个或多个透镜或通常而言的物镜可以布置在光敏元件的前面，从而允许聚焦。照相机可永久地安装在转子叶片内，使得当风力涡轮机处于正常操作从而在转子叶片旋转时产生电能的时候，照相机也安装在转子叶片内。根据转子叶片的延伸范围和照相机的观察范围（例如，角度），多个照相机可安装在转子叶片内并且安装在不同位置，使得它们能够基本上获取转子叶片的整个内表面的图像。由此，可以避免维护人员进入转子叶片内并且手动地对内表面的关键区域拍摄照片。

转子叶片可具有带有至少一个抗剪腹板（shear web）的（内部）中空空间。抗剪腹板（或腹板）可以是转子叶片的内部结构子部件。它连接存在于压力侧和吸力侧处的翼梁帽（spar cap），并且可具有传递剪切载荷的功能，该剪切载荷由于施加到结构的襟翼向弯矩而存在于叶片中。它可以由复合夹层板构成或者包括复合夹层板，该复合夹层板具有胶合板芯部和玻璃纤维增强塑料（GFRP）表皮。

照相机可以直接或间接地安装在内表面的安装部分处，例如通过将照相机的安装面或照相机所安装到的框架的安装面胶粘到内表面的安装部分。照相机也可以用螺栓连接到转子叶片内，或者可以通过其它方式安装。由此，可以实现对叶片的结构状态的简单监视。

根据本发明的实施例，转子叶片还包括安装在转子叶片内的至少一个光源，其适于产生照明光并且布置成照明内表面的所述部分。

本发明的其它实施例可不需要光源，因为来自环境的光可进入转子叶片内，例如在转子叶片壁至少部分透明的情况下。然而，为了更精确地控制亮度，光源可以有利地精确地调节内表面的被照明部分的亮度和/或调节照相机的图像获取时间以获取至少一个图像。例如使用控制模块等，至少一个光源可以关于开启和关断光源和/或还关于调节光源的亮度或光源的强度是可控制的。例如，控制模块可以适于控制光源，以仅在需要获取至少一个图像以用于监视转子叶片时才开启光源。例如，可以在定期的基础上拍摄至少一个图像，例如每天一次、每两天一次、每周一次、每月三次或每年一次。在这些图像获取时段期间，可以控制光源开启。照明光可以至少包括可见光（例如从大约300 nm到大约800 nm）和/或可以至少包括可见光谱内的一个或多个波长范围。此外，照明光可以包括或可以不包括红外光（或红外光谱的至少一些波长范围）和/或紫外光或紫外波长范围。通过光源而具有适当的照明可以提高图像质量。

根据本发明的实施例，至少一个照相机和/或至少一个光源被安装在内表面的安装部分处，其中，至少一个照相机和/或至少一个光源特别地被使用粘合剂来安装。

内表面可以是转子叶片壁的表面，该转子叶片壁在外侧提供风冲击的翼面（airfoil）。翼面被成形为使转子叶片向旋转轴施加动量，以便实现旋转轴的旋转。当照相机和/或光源安装在内表面的安装部分处时，可能不需要特别提供特定的安装装置，但是照相机和/或光源可以简单地安装在与转子叶片的常规内表面相比未被修改的内表面处。

当使用粘合剂时，转子叶片的（特别是形成翼面的）外表面的形状可不被改变或不受影响。因此，转子叶片的空气动力学性质可以不变。粘合剂可以是或包括例如已经硬化的聚合物树脂，从而形成交联聚合物。而且，（具有内表面和外翼面的）转子叶片壁可以由已经交联的聚合物制造。其它制造材料和方法也是可能的。由此，可以实现将照相机和/或光源安装在常规使用的转子叶片材料处。

根据本发明的实施例，至少一个照相机和/或至少一个光源安装在至少一个框架上，该至少一个框架安装在内表面上。框架可以使得能够适当地调节照相机和/或光源的取向，使得光源照明内表面的也在照相机的观察范围内的区域。此外，框架可以使得能够适当地调节照相机和/或光源的取向和定位，使得照相机不遮挡照明光，不在照明光路中。框架上可以在其上安装有一个照相机、两个照相机、三个照相机或甚至更多照相机以及一个光源、两个光源、三个光源或甚至更多光源。

根据本发明的实施例，框架具有安装表面，该安装表面与内表面的安装部分的形状配合，特别是与内表面的安装部分的形状互补。当框架的安装表面与内表面的安装部分的形状互补时，安装表面可以以简单的方式胶合到内表面的安装部分，从而简化将框架安装到转子叶片内。提供框架可以允许利用常规可用的照相机和光源，而不需要照相机和光源具有特别成形的安装表面，因为框架可以用作适配器。由此，可以降低成本。框架可以由任何材料制成，例如聚合物、金属、木材、任何塑料、任何热固性材料等。特别地，可以利用关于其安装表面的不同形状的框架，其具有与内表面的例如沿着转子叶片的纵向方向的不同安装部分互补的相应安装表面。

根据本发明的实施例，至少一个照相机包括多个照相机，其安装在转子叶片内，并且适于获取转子叶片的内表面的多个部分的多个图像、特别是部分重叠的多个部分的多个图像，和/或其中，光源包括多个光源，其安装在转子叶片内并且布置成照明内表面的多个部分。

具有多个照相机和/或多个光源可以使得能够基本上监视转子叶片的整个内表面。

在其他实施例中，至少一个照相机包括确切地一个照相机，特别是具有覆盖180°的大视角。

根据本发明的实施例，至少一个图像获取单元由全部安装在一个框架上的至少一个照相机（特别是三个照相机）、至少一个光源的组件形成，其中，转子叶片特别地包括多个图像获取单元，进一步特别地布置成彼此面对安装的多组图像获取单元。

提供至少一个图像获取单元可以简化构造并降低成本。在转子叶片内，一个图像获取单元可以安装在例如转子叶片的向风外表面的背侧上，并且另一个图像获取单元可以在转子叶片的背风外表面的背侧处相对地安装在转子叶片内。由此，形成一组获取单元。若干组图像获取单元可以安装在转子叶片内，例如沿着转子叶片的纵向方向间隔开。

根据本发明的实施例，一个图像获取单元上的照相机：被定向成具有相差至少20°，特别地在25°和70°之间，进一步特别地在35°和40°之间的观察方向，和/或被彼此靠近地安装以便能够从整个感兴趣的表面获取图像。

特别地，在一个图像获取单元上，可以提供具有不同观察方向的三个或例如六个照相机。三个照相机可同时或相继地获取相应的图像，并且图像可拼接在一起，从而产生包括转子叶片的背风外侧或向风外侧的基本上180°或整个背侧的信息的组合图像。在其他实施例中，在图像获取单元中可以仅存在一个照相机，其具有例如170°和180°之间的视角。

根据本发明的实施例，内表面的安装部分是叶片的翼面部分的背表面。翼面部分可以是转子叶片的背风侧或向风侧的一部分。

根据本发明的实施例，内表面的多个部分基本上覆盖叶片的整个纵向延伸范围。由此，可以实现对转子叶片的全面监视。

根据本发明的实施例，至少一个照相机对可见光的至少一部分敏感和/或对红外光的至少一部分敏感和/或对紫外光的至少一部分敏感。

而且，光源可以适于产生可见光和/或可以适于产生紫外光的至少一部分和/或红外光的一部分。取决于待识别的损伤的种类，使用不同的波长范围可能是有利的。

根据本发明的实施例，转子叶片还包括基于无线或有线的通信接口，以用于在至少一个照相机和/或至少一个光源与转子叶片外部的控制模块之间传送控制信号和/或图像数据。此外，可从转子叶片外部向叶片监视系统供应电能。

例如，使用来自外部（或内部）控制模块的控制信号，照相机和/或光源可以被控制为开启或关断，或者可以关于所生成的光强度或亮度或者关于图像获取时间、聚焦、应用滤波器等而被配置。可以使照相机（或转子叶片中的处理模块）能够执行一些预处理，例如执行平均、滤波、特征提取等。基于有线的通信接口可以适用于电缆和/或光缆。

根据一个实施例，提供了一种转子叶片监视系统，其包括：根据前述实施例中任一项所述的转子叶片；以及分析模块，其包括图像处理能力以处理所述图像，以识别所述图像中的指示所述内表面的损伤的特征。

分析模块可以访问参考图像库，该参考图像库可以与由转子叶片内部或转子叶片内的照相机获取的图像进行比较，以便检测故障或损伤。任何（例如，被包括在分析模块中的）电子设备可以被封闭在适当的外壳中，以用于保护电子设备，壳体例如提供特定的IP等级。

根据本发明的实施例，提供了一种风力涡轮机，其包括：旋转轴；以及根据前述实施例中任一项所述的转子叶片或根据前述实施例所述的转子叶片监视系统，其中，所述转子叶片安装在所述旋转轴处。

应当理解，根据本发明的实施例，在转子叶片或转子叶片监视系统或风力涡轮机的背景下单独地或以任何组合的方式公开、描述或解释的特征也可单独地或以任何组合的方式应用于监视风力涡轮机的转子叶片的结构状态的方法，反之亦然。

根据本发明的实施例，提供了一种监视风力涡轮机的转子叶片的结构状态的方法，所述方法包括：使用安装在所述转子叶片内的至少一个照相机来获取所述转子叶片的内表面的一部分的至少一个图像；以及分析所述图像以确定所述转子叶片的结构状态。

本发明的上述方面和其它方面从将要在下文描述的实施例的示例中是明显的，并且参考实施例的示例进行解释。下文将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的可安装在转子叶片中的图像获取单元；

图2示意性地示出了根据本发明的实施例配置的图像获取单元的照相机的视角；

图3以透视图示意性地示出了根据本发明的实施例的转子叶片内的两个图像获取单元的布置；

图4、图5和图6示意性地示出了根据本发明的实施例的转子叶片内的图像获取单元的进一步布置；

图7示出了根据本发明的实施例的用于监视转子叶片的方法的方法方案；以及

图8示意性地示出了根据本发明的实施例的风力涡轮机。

具体实施方式

附图中的图示是示意的形式。注意，在不同的图中，相似或相同的元件被提供有相同的附图标记或者与对应的附图标记仅在第一位不同的附图标记。

根据本发明的实施例，多个永久安装的照相机传感器定期地（例如，以规则的时间间隔）拍摄照片，覆盖从根部开始到腹板开始的末端的转子叶片的整个内表面。照相机传感器可以与光源一起被收集在单元中，例如如图1中以示意性形式示出的。

由此，图1示出了根据本发明的实施例的可安装在转子叶片内的图像获取单元100。由此，图像获取单元100包括至少一个照相机101、至少一个光源103和安装框架105的组件，照相机101和光源103安装在安装框架105处。此外，安装框架或框架105包括具有安装表面109的安装板107，其可以例如通过胶合直接附接到转子叶片的内表面。

图像获取单元100可包括多于一个照相机101，例如两个照相机、三个照相机或甚至更多照相机，其可被定向成将其相应观察范围引导于不同角度范围中。照相机101可以例如包括成像光学器件（可选地包括（一个或多个）光谱过滤器）和光敏元件阵列，例如二维CCD阵列或CMOS阵列。

安装框架105包括部件安装区域111，该部件安装区域111包括螺纹孔，在该螺纹孔处可以用螺栓固定诸如照相机101和光源103的部件。安装板107可以由木材、热固性材料、聚合物、金属等制成。安装表面109可被成形为与转子叶片的内表面或内表面的一部分的形状互补。图像获取组件100还包括控制板和/或通信接口113，其可以执行以控制照相机101和/或光源并且其还可以执行一些数据的处理，例如照相机101获取的图像数据。

具有多个传感器或照相机的单个图像获取单元可以覆盖不同的角度，并且可以确保至少或大于180°将被覆盖。在图2中以沿着转子叶片的纵向方向215观察的截面示意性地示出了三个照相机的观察范围的图示。在该图中，转子叶片壁217（的一部分）被示意性地示出为具有内表面219和外表面221，外表面221可以是转子叶片220的翼面。图像获取单元200安装在转子叶片的内表面219的一部分处，并且在所示示例中包括三个照相机，该三个照相机具有三个重叠的观察范围223a、223b、223c。观察范围223a、223b、223c在所示的示例中每个为36°。如从图2可以看出，三个照相机被定向成具有相差32°的观察方向225a、225b、225c。由于它们的视角各自为36°，因此由三个照相机获取的图像将在4°的角度范围内重叠，其中，重叠用附图标记227指示。在其它实施例中，组合的观察范围可以覆盖180°。

图3示意性地示出了根据本发明的实施例的转子叶片320的一部分的透视图，该转子叶片在其内安装有两个获取单元300a和300b，每个获取单元包括三个照相机以及一个或多个光源。转子叶片以部分剖开的形式被示意性地示出为具有转子叶片壁317，该转子叶片壁317具有内表面319并具有外表面321。在所示的示例中，安装在图像获取单元300a中的两个照相机中的每一个具有49.2°的观察范围。两个照相机被定向成使得实现30°的重叠。

根据本发明的实施例，监视系统可以包括覆盖180°的（例如，包括透镜/物镜的）图像传感器。原则上，这可以用单个（具有例如透镜的）图像传感器来完成，但是质量可能太差。

当使用更多的（例如，具有透镜的）图像传感器来覆盖180°时，重要的是在各个图像传感器的观察范围之间存在重叠（裕量）。

第二图像获取单元300b使其两个或三个照相机定向成使得它们的观察区域302b（由两个照相机的观察区域330b1、330b2组成）与第一图像获取单元300a的观察区域302a（由两个照相机的观察区域330a1、330a2组成）部分重叠。根据本发明的实施例，在观察区域302a、302b内，可以安装另外的图像获取单元，其然后可以监视相对侧，因此就是图像获取单元300a和300b所安装处的内表面。

图4示意性地示出了正视图，其中，转子叶片的纵向方向415在水平方向上。第一图像获取单元400a和第二图像获取单元400b安装在转子叶片内，在纵向方向415上间隔开距离l。图像获取单元400a、400b中的每一个包括三个照相机，第一照相机具有观察范围231al，另一照相机具有观察范围231a2，并且第三照相机具有观察范围231a3。第二图像获取单元400b的第一照相机具有观察范围231bl，第二照相机具有观察范围231b2，并且第三照相机具有观察范围231b3。由此，所有观察范围231al至231b3结合起来基本上覆盖转子叶片的一侧的整个内表面。

图5示意性地示出了根据本发明的实施例的另一转子叶片520的透视图，其具有在沿纵向方向515间隔开的不同位置处布置在转子叶片内的图像获取单元500a、500b。由此，图像获取单元500a、500b中的每一个包括具有不同观察范围的两个照相机，对于第一图像获取单元500a而言是观察范围530a1、530a2。此外，第二图像获取单元500b的两个照相机具有重叠若干度的观察范围530b1和530b2。

图6示意性地示出了根据本发明的另一实施例的转子叶片620，其具有若干图像获取单元600a、600b，图像获取单元600a、600b安装在转子叶片内并且每个具有监视重叠的观察范围的两个照相机。

图7示意性地示出了根据本发明的实施例的监视风力涡轮机的转子叶片的结构状态的方法740的方法图。由此，该方法使用安装在转子叶片内的至少一个照相机来获取转子叶片的内表面的一部分的至少一个图像。此外，该图像被分析以确定转子叶片的结构状态。

根据图7中所示的实施例，在方法步骤741中，例如以每日为基础拍摄照片。在判定块743中，检查该操作是否可接受以及图像质量是否足够。如果判定块743的结果为“是”，则进行到方法步骤745，在方法步骤745处执行特征提取和/或数据处理。在判定块747中，检查数据处理是否导致小于或大于阈值的值。如果该值不小于阈值，则进行到方法块749，在方法块749处计数器被增加，该计数器对警告的数量进行计数。在判定块751中，检查警告的数量是否小于阈值。如果不是这种情况，则进行到方法步骤753，在方法步骤753中发出警报。

如果警告的数量小于阈值，则循环回到第一方法步骤741。

如果判定块743发现操作和质量是不可接受的，则进行到方法块755，在方法块755处不执行动作并且循环回到第一方法步骤741。

如果判定块747发现该值小于阈值，则进行到方法步骤757，在方法步骤757处不采取进一步动作并且循环回到第一方法步骤741。

如从图2可以看出，三个照相机覆盖180°的范围，即转子叶片的内表面的一侧。剩余的180°可以由位于内表面的相对侧上的类似的获取单元覆盖。彼此相对放置的两个单元一起可以称为一组图像获取单元。为了覆盖叶片的整个感兴趣的长度，可以沿着叶片放置多组图像获取单元，如图3所示。

根据本发明的实施例，由不同照相机获取的图像或照片可以被传送到诊断中心或控制模块或处理模块，在那里可以以自动的方式分析它们以发现叶片的损伤。如果识别出损伤，则可以发出警报，如图7中的方法步骤753所示。该分析可以包括特征提取，并且可以基于图像处理，特别是图像分割，例如背景减除。图像可以与内部转子叶片的已知的健康（基线）图像或参考图像进行比较，并且如果达到阈值，例如所获取的图像和参考图像的差异显示明显的图像特征，则可以发出警报。诊断中心可以在涡轮级现场（实时/在线）或者在远程服务器上（离线）。图7中所示的方法可应用于风力涡轮机的所有转子叶片，例如三个转子叶片。

本发明的实施例可以提供若干优点：

- 可以远程地获取转子叶片的内表面的图像。这可能是成本的大量降低，因为相同的操作需要至少两个受过训练的维护人员并且定期运输到现场；

- 对照片进行自动分析并在发现潜在损伤时激活警报的选项；

- 使用图像处理的自动程序在其检测中可以是客观的，并且使得损伤的检测不依赖于专家的专业知识和经验；

- 根据本发明的实施例的转子叶片可以包括永久地内部安装的单元，其包含多个照相机单元和至少一个光源。可以定期拍摄相同的图片，从而可以应用相同的视角和光条件。本发明的实施例可允许在早期阶段发现损伤的更高可能性，从而提供更低的修理成本并降低致命故障的风险。

图8示意性地示出了根据本发明的实施例的风力涡轮机760。风力涡轮机包括风力涡轮机塔架761，机舱763安装在该塔架761处。机舱容纳具有旋转轴767的发电机765，该旋转轴767联接到毂769，在该毂769处安装有多个转子叶片720，例如图2、图3、图4、图5、图6中的一个所示的转子叶片，分析模块771布置在机舱763内并且包括图像处理能力，以处理由转子叶片720内的照相机拍摄的图像，以识别图像中的指示转子叶片720的内表面的损伤的特征。

应当注意，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，并且“一”或“一个”并不排除多个。而且，可以组合与不同实施例相关联地描述的元件。还应当注意，权利要求中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。