CN101535127A - 检测空气动力表面上结冰风险的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种方法和系统，用于检测流体流(F)所拍击的空气动力表面的结冰风险，特别是流体机械的承载表面，其包括一个温度传感器(20)。该系统的特点是温度传感器(20)靠近所要监测的空空气动力力学表面(5S)，检测该表面(5S)的温度，系统还包括一个雨水传感器(30)，靠近空空气动力力学表面(5S)检测所述表面上水的存在。该系统以非常有效、简单和廉价的方式来检测空气动力表面的结冰风险。

Description

检测空气动力表面上结冰风险的方法和系统
本发明涉及一种对空气动力表面的结冰风险进行检测并发出信号的方法，特别是用于流体机械的承载表面，例如，风能转换系统(WECS)的转子叶片。
本发明主要应用于WECS领域，该领域中对于如何预测导致风力涡轮叶片结冰的条件尚无解决方案。这种预测主要用于两个目的，即检测结冰条件并停止风力涡轮，以及起动和停止安装在涡轮上的防冰和除冰系统。
在航空领域，一种检测结冰条件的解决方案是使用“罗斯蒙”型传感器。这种传感器是一个小型金属圆柱体，其暴露在实际大气环境中，当结冰条件存在它就会覆盖着冰，因而改变其振动频率并发出信号报告结冰正在发生。该传感器直接安装在机翼上受来流方向的流体直接冲击，因此它提供了所监测表面的实际结冰条件的正确指示。
同样的传感器，在风力涡轮的叶片上使用时，由于传感器自身的质量会引起很大的转子不平衡问题。当安装在WECS的固定表面，例如在风力涡轮的引擎舱，会产生关于转子叶片实际结冰情况的不可靠的指示，原因是覆盖在桨叶不同位置流体的相对速度与在固定位置检测到的绝对风速之间存在的差异。实际上，安装在引擎舱上的传感器可能仍在指示没有结冰时，而叶片正在发生严重的结冰。同样的，当传感器开始发出结冰信号时，旋翼可能已经处在严重的结冰状态中。上文述及的关于“罗斯蒙”式传感器的内容，也一般适用于任何已知的直接在WECS固定表面测量结冰的传感器。
已知的系统采用了一种基于探测机械参数和大气条件状况的策略来检测结冰的出现或风险。例如，公开于专利文献US 2005/276696和US 6890152中的，测量塔振动和环境温度或是动力输出和环境温度。这种策略的逻辑是通过检测风力涡轮的异常行为来推断结冰现象的发生，比如太多振动或输出功率下降，同时检测环境参数，例如检侧低于0℃的环境温度。
上述已知系统的主要缺陷是不能在结冰现象出现的同时时可靠有效地预测和检测结冰的出现。事实上，当检测到结冰时，现象可能已经很严重，以至于需要风力涡轮机停机来防止损坏，或是仅仅出现轻微结冰风险的条件，但系统发出了结冰出现的信号。例如湍流现象或强烈的风变化(这在山地区域非常普遍)会带来异常的振动现象和检测到低于0℃的环境温度，该系统将停止涡轮，尽管由于环境不够湿润而并不存在结冰条件。
根据文献US5.005.015和EP1.466.827，检测水或冰存在的传感器已被直接使用于空空气动力力学表面，特别是发动机叶片。这些系统只能检测到目前表面上水或冰的存在或厚度，但它们不能预测未来的结冰。
本发明的目的是提供一种检测空气动力表面结冰风险的方法来解决上述现有技术的缺点，能够真实有效的预测空气动力表面结冰条件的出现，特别是用于风力涡轮机的桨叶。本发明还包括一个实施所述方法的系统。
本发明的目的是提供一个系统，能够简单、经济、且任何运行状况都能绝对有效的检测空气动力表面上的结冰风险。
根据本发明，所述目的的达成是通过使用一个具有所附权利要求所列特征的方法和系统来检测空气动力表面的结冰风险。
该系统包括一个温度传感器和一个检测水或冰存在的传感器，其安装在紧靠所要检测结冰风险的空气动力表面上，用来同时检测温度和同一表面上水的存在。因此，各个传感器的传感部分以可以监测空气动力表面实际情况的方式安装。
直接检测有关表面温度和水的存在可以以有效的方式监测结冰风险。例如，当检测到水滴以及温度低于预设临界值时，即是，一个将发出临近结冰风险信号的温度(例如3℃)，根据本发明的系统就可以发出真实的结冰警告信号。
根据本发明的系统也可以通过结合真实表面温度检验所述表面是否形成有水滴，从而确定是否存在真实的结冰风险。例如，如果温度介于-1℃和1℃之间并且监控表面没有水存在，根据本发明的系统会避免发出结冰风险的警报，在空气湿度非常低的情况下确实如此。
优选地，将传感器安置在被监测空气动力表面上流体流动压力最大的位置或周围，也就是，空气动力表面上结冰风险最高的区域。例如，这种位置可能是机翼前缘或转子叶片表面。
此外，安排在空气动力表面的传感器彼此接近，因此，可在非常接近的位置检测流体流动的相似情况。这极大地防止了对流动流体在某一点击打所述表面的真实情况作出错误的检测。从这个角度来看，理想的解决办法是利用一个传感器，其功能包括检测水或冰的存在以及测量同一小表面上的温度。
本发明进一步的目的、特征和优点将在下面的具体实施方式中体现，所提供的非限制性的举例参见附图。
图1是根据本发明系统的透视图，其应用在转子叶片的一段或拱顶位置。
具体地，附图标记5指代并表示的转子叶片部分是在本发明相同申请人文件WO2004/36038中的类型。因此所述叶片5在外表面5S上具有孔12。接近叶片和该孔12的前缘、和在叶片5S的外表面上，有第一气象传感器，此处是温度传感器20，还有第二气象传感器，此处是检测水或冰存在的传感器30，以下简称为雨水传感器。参考流经叶片5的流体流F的方向，这些传感器20、30位于孔12的上游，从而各自读数不会受到孔流出的流体的影响。
温度传感器20，例如热电偶，是一种公知类型的小而轻的装置，形状为薄片并装有传感部分21，安装成与流经外表面5S的流动流体相交。传感器位于孔12的上游，通过粘接或其它方法固定于外表面5S。在后侧，它有一个电连线22沿叶片5的内表面直至数据采集系统(DAS)，出于简明的目的，不在这里示出。
DAS是一种已知的类型，出于惯性的考虑而优选布置在转子叶片之外，例如在WECS的引擎舱，根据本发明的系统包括公知的传递传感器检测的信号到DAS的装置。
雨水传感器30，一种类似于安装在汽车挡风玻璃上的类型，也粘接在孔12的上游并有独立的电连线31沿着孔壁和桨叶5的内表面直至DAS。传感器20、30是已知的，一旦安装在外表面5S，其形状和尺寸不影响流体流F流过所述表面。
DAS可以处理来自雨水传感器30的是否存在水滴的信息和来自温度传感器20的表面温度值的信息，因此，当表面上没有检测到水滴时，就不会发出结冰风险信号。相反的，当检测出水的存在且温度低于预定临界值的温度例如3℃时，DAS就会将结冰风险或临近结冰的信号发给中央控制单元。
优选地，低重量、简单且可靠的已知雨水传感器和温度传感器可以容易的安装到风力涡轮转子叶片上，从而提供了一种简单、可靠且经济的系统用于检测空气动力表面结冰风险。
不同于现有技术，根据本发明的系统直接在与结冰风险相关的表面上进行两个物理参数的检测，具体为温度和水的存在，因此提供了一种实时而准确的测量。所述参数经过DAS处理之后，可以以有效方式预报真实的结冰风险。相反的，根据现有技术，结冰风险的预报本质上不以监控表面的测量参数为基础，而是以通常位于远离相关表面的传感器推导处理得出。因此，这种测量在某些情况下是错误的，并不代表实际的表面状况。
简而言之，依照本发明用于检测空气动力表面结冰风险的系统可以准确有效地发出结冰风险的信号并可能启动防冰系统，不会存在相关空气动力表面已经发生结冰的危险，从而确保所监测的设备始终处于最佳操作条件。
显然本领域技术人员可以对根据本发明检测空气动力表面结冰风险的系统，特别是用于流体机械的承载表面的，做出多种改变；同样在本发明的实际应用中，本文所示的部件可以具有不同的形状或者替换成等效技术手段。
例如，如果该系统应用于没有孔的转子叶片，可以制出适合的孔来安排传感器的电线或容纳传感器自身，任何情况下，这些孔被配置或安装成传感部分位于所监测表面上。
同样，当使用相对较厚的传感器时，可在叶片上开适当的开口以安置所述传感器，防止影响叶片周围的流体流动。

Claims (14)

1.方法，检测流体流(F)拍击的空气动力表面(5S)，例如流体机械(5)的承载表面上的结冰风险，包括步骤：
-检测空气动力表面(5S)附近的温度；
-检测表面上水的存在；
-处理有关温度和水存在的数据，以检查是否符合结冰条件。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于检测温度和水存在的步骤提供可被电子装置处理的信号。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于空气动力表面(5S)是风力涡轮转子的空气动力表面。
4.实施上述权利要求方法的系统，其特征是包括一个温度传感器(20)定位于靠近需被监控的空气动力表面(5S)以检测该表面(5S)的温度，以及一个雨水传感器(30)定位于靠近该表面(5S)以检测该表面(5S)上水的存在。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于传感器(20，30)布置在与所监控的空气动力表面(5S)压力最大区域相应的位置或周围。
6.如权利要求4或5所述的系统，其特征在于温度传感器(20)有设在流体流(F)拍击空气动力表面(5S)处的传感部分(21)。
7.如权利要求4到6任一个所述的系统，其特征在于传感器(20，30)彼此靠近地安置在空气动力表面(5S)上。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于传感器(20，30)属于由小片组成的类型并固定于外表面(5S)。
9.如权利要求4到8任一个所述的系统，其特征在于所述温度和雨水传感器(20，30)构造成一个单一的传感器。
10.如权利要求4到9任一个所述的系统，包括一个特别是通过相应的连接装置(22，31)连接到所述传感器(20，30)的数据采集系统，处理收到的信号以便向中央控制单元提供一个“结冰风险”的信号。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于当传感器(20，30)检测到水的存在以及温度低于预设临界温度时，数据采集系统向中央控制单元发出结冰风险或临近结冰的信号。
12.如权利要求4到10任一个所述的系统，其特征在于所述空气动力表面是转子叶片(5)的外表面(5S)，流体机械是风力涡轮。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于该叶片是有孔类型并且传感器(20，30)位于同一个孔(12)的相对于拍击叶片(5)外表面(5S)的流体流(F)的上游。
14.如权利要求11或12和13所述的系统，其特征在于该采集系统布置在风力涡轮的引擎舱上，该系统包括将传感器(20，30)检测到的信号传输到控制器的装置。
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