CN101725466A - 使用压力传感器的失速检测 - Google Patents

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CN101725466A CN200910207291A CN200910207291A CN101725466A CN 101725466 A CN101725466 A CN 101725466A CN 200910207291 A CN200910207291 A CN 200910207291A CN 200910207291 A CN200910207291 A CN 200910207291A CN 101725466 A CN101725466 A CN 101725466A
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I·弗里登达尔
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Abstract

本发明涉及使用压力传感器的失速检测。本发明涉及一种用于风力涡轮机(400)的叶片(100)。叶片(100)包括叶片表面(101)和提供用于失速检测的压力值的压力测量装置(102)。压力测量装置(102)位于叶片表面(101)处，从而使得沿着叶片表面(101)流动的流体(104)的压力能够被压力测量装置(102)测量。

Description

使用压力传感器的失速检测
技术领域
本发明涉及风力涡轮机领域。此外，本发明涉及一种用于风力涡轮机的叶片，并涉及一种包括至少一个叶片的风力涡轮机装置。此外，本发明涉及一种检测用于风力涡轮机的叶片的失速的方法。
背景技术
在风力涡轮机中，调整风力涡轮机叶片是为了最佳桨距策略。即，设计和调整风力涡轮机叶片是为了确定叶片上的升力和阻力之间的最佳关系。
风力涡轮机叶片提供包括前缘和后缘的叶片轮廓。前缘包括前滞流点，例如空气的流体在该前滞流点处流向风力涡轮机叶片。流体流从前滞流点处被分流，所述流的第一部分流过一个叶片表面，所述流体流的另一部分流过风力涡轮机叶片的另一叶片表面。由于沿着叶片表面流体流的速度和压力的不同，因而在叶片表面之间形成压力差。因此，建立起促使叶片从高压侧向低压侧移动的升力。因此，低压侧可被称为“吸力侧”，而高压侧可被称为“压力侧”。
叶片的叶片表面处的前滞流点的位置取决于桨距角或流体的冲角α。叶片的翼弦线(即叶片轮廓的中心线)和表示叶片和流体之间相对运动的航向(即流体流动方向)之间的角可被称为“冲角”。“桨距角”可定义为处于叶片的翼弦线和理论上预定转子平面或零转子平面之间的角度。相对于流体流的流向，对应叶片桨距的冲角的增加可增加升力，而且也会导致沿着叶片吸力侧的流体失速。因此，如果沿着吸力侧的流体流发生失速，流体流就不再贴附而是分离，升力因此中止。
发明内容
本发明的一个目的在于提供叶片的桨距角，该桨距角具有产生升力的合适的有效角度。
该目的可通过依照独立权利要求的主题得以实现。本发明的有益实施例由从属权利要求描述。具体地，为了实现上述目的，依照独立权利要求提供了一种用于风力涡轮机的叶片、一种具有至少一个叶片的风力涡轮机以及一种检测风力涡轮机的叶片的失速的方法。
依照本发明的一个示例性实施例，提供一种用于风力涡轮机的叶片。叶片包括叶片表面和提供用于失速检测的压力值的压力测量装置。压力测量装置位于叶片表面处，从而使得沿着叶片表面流动的流体的压力能够被压力测量装置测量。
依照进一步示例性实施例，描述一种风力涡轮机装置，该风力涡轮机装置包括至少一个上述叶片。
依照进一步示例性实施例，提供一种检测风力涡轮机叶片失速的方法。沿着叶片的叶片表面流动的流体的压力借助于位于叶片表面处的压力测量装置测量。
术语“叶片”可描述风力涡轮机的叶片，其中叶片可暴露给流体或流体流。叶片可包括叶片轮廓，该轮廓具有位于一侧上的弯曲叶片表面和位于另一侧上的另一弯曲叶片表面。流体可沿叶片表面流动。由于叶片表面的弯曲轮廓的曲率差异，可通过将轮廓暴露给流体而提供升力。
术语“压力测量装置”可描述用于测量翼型处特别是叶片的叶片表面处的流体压力的装置。压力测量装置可包括例如压电压力传感器、差动压力传感器、普朗特空速管传感器或任何其他测量翼型表面流体压力处的装置。
术语“冲角”可描述叶片翼弦线和代表叶片和流体方向之间相对运动的航向之间的角度。该冲角可描述为叶片的翼弦线所指和流体流向之间的角度。叶片的升力系数可直接与冲角相关。冲角的增加与升力系数增加至最大升力系数后又降低有关。当叶片上的冲角增加时，来自于叶片一个表面的流体分离变得更明显，从而导致升力系数增加的速率降低。在临界冲角处，流体失速发生。
术语“桨距角”可描述在叶片翼弦线和转子平面之间测得的角，而冲角可相对于叶片和空气或流体之间的相对运动而测量。桨距角可限定叶片翼弦线和叶片预定零位置(例如预定转子平面)之间的角度。
在传统风力涡轮机中，桨距控制方案通常基于一定预设流入条件下清洁转子叶片的假设。因此，传统风力涡轮机中，叶片的桨距角或冲角不适于例如湍流、污垢、水和冰的环境条件或影响。当在涡轮机叶片表面处发生这些环境条件时，流体可非人为地从叶片表面脱离。
通过本发明的主题，压力测量装置可测量风力涡轮机叶片表面处的流体压力。因此，如果沿着叶片表面的流体发生失速，流体压力降低或增加可被压力测量装置测量到。即，如果检测到流体移动压力降低或者增加，其可为沿着叶片表面的流体失速的指示。因此，由于现在能测量沿着叶片的叶片表面的流体压力以及可能的流体失速，因此可调整叶片的桨距角以提供或保持沿着叶片表面的流体贴附流，从而可阻止失速。
换言之，通过测量沿叶片表面流动的流体的压力可阻止由于例如湍流、污垢、水和冰的环境条件引发的非人为失速，并可避免叶片性能下降。换言之，虽然风力涡轮机叶片的传统桨距角控制通常依赖于假定清洁转子叶片的理论计算，但是通过本发明可提出一种考虑环境条件的叶片调整并因此保证和改进风力涡轮机的高升力-阻力比。
依照进一步示例性实施例，叶片包括补充压力测量装置。补充压力测量装置位于叶片表面处，从而使得沿着风力涡轮机叶片的叶片表面流动的流体的补充压力能够被压力测量装置测量。因此，可沿着叶片表面大面积测量单个压力值，从而能够提供沿叶片表面或者仅叶片表面上单个点的针对性测量，以检测失速。因此，可减少叶片工作模式状态的错误测量数目。
依照进一步示例性实施例，特定叶片表面为叶片的吸力侧。即，如果压力测量器位于叶片的吸力侧，可改进测量质量，因为叶片失速通常出现在低压区域，即发生在对应叶片的轮廓的吸力侧。因此，可增加测量失速的概率。
依照进一步示例性实施例，叶片包括在流体流动方向上具有增加厚度的第一部分和在流体流动方向上具有减小厚度的第二部分。压力测量装置和/或补充压力测量装置位于减小的部分。后滞流点通常出现在后缘附近，即第二部分周围。因此，如果压力测量装置位于第二部分，可改进测量滞流点的概率。
依照进一步示例性实施例，压力测量装置和补充压力测量装置沿流体流动方向布置成排。流体的流动方向可从前缘区域中的第一前滞流点被导向叶片后缘。流体被前滞流点分流，一部分沿着吸力侧流动，另一部分沿着叶片的压力侧流动。如果压力测量器和补充压力测量器沿着吸力侧布置成排，可提供改进的叶片失速测量。如果流体改变其结构，从贴附流变至分离流，即从相对于叶片表面的平行流变至不再贴附和平行于叶片表面的流体流，失速就可能发生。
流体从贴附流变为分离流的点可在后滞流点处产生。通过沿着流体流动方向放置压力测量装置和补充压力测量装置，后滞流点前面的上游位置处的压力测量装置可测量指示贴附流的正常压力，布置在相对于后滞流点的下游中的补充压力测量装置可测量分离流的压力和例如更高的压力(相对于具有贴附流的吸力侧部分)。因此，通过比较压力测量装置和补充压力测量装置的两个测量压力值，可提供流体失速的检测。此外，可测量后滞流点的位置，因为压力测量器的位置是已知的。即，后滞流点可由于高压差而位于压力测量器之间，或可由于测得的流体高压而位于压力测量器上游位置中，或可由于测得的流体低压而位于下游位置中。如果后滞流点的位置是已知的，则可提供改进的叶片桨距(即桨距角)的调整。
依照进一步示例性实施例，叶片沿着纵向方向延伸。压力测量装置和其他压力测量装置沿叶片的纵向方向定位。
术语“纵向方向”可限定叶片的叶片翼展，具体是叶片从与风力涡轮机的连接点至叶片末端的延伸。
通过沿着叶片纵向方向分布压力测量装置和补充压力测量装置，可减少错误测量。通过测量沿叶片表面纵向方向的几个位置，仅出现在叶片上的小区域中的错误测量不会引起叶片桨距角的错误调整。例如，如果转移污垢颗粒的流仅位于叶片纵向方向的小区域上且仅在该小区域测得失速，由失速的小区域引发的桨距角的调整可引起效率降低。换言之，由于沿叶片纵向(全部)方向的压力测量，沿叶片的沿着延伸方向的全部叶片表面的流体流图案可被测量，从而可提供相对于平均流体流图案的桨距角或冲角的改进调整。
依照进一步示例性实施例，叶片包括多个压力测量装置，即可提供多个压力测量装置和多个补充压力测量装置。通过使用多个压力测量装置，可提供更详尽的流体流动图案，并可提供叶片桨距(即桨距角)的改进调整。
依照进一步示例性实施例，风力涡轮机装置可进一步包括分配给至少一个叶片的控制单元。控制单元适于响应在叶片表面处测得的流体压力而控制该至少一个叶片的桨距角。因此，控制单元可以调整风力涡轮机的叶片，使得能够相对于被测量流体压力的流体的流向并因此相对于流体的流向调整每个单独叶片。控制单元可考虑叶片的每个单一压力测量装置测得的压力值，从而使得控制单元可依照相应叶片的单独测量值或失速单独调整每个单一叶片。例如，如果测量到可指示沿叶片表面某个位置的失速的流体低压或高压，控制单元能够改变冲角或桨距角，从而防止失速。换言之，控制单元可调整冲角或桨距角，使得叶片表面的分离流体能变为沿叶片表面的贴附流。因此，整个风力涡轮机的总效率程度可以得到改进。
除了叶片的冲角或桨距角，控制单元也可控制叶片的偏航角和/或侧倾角以便于改进叶片的调整和效率程度。
必须指出的是，本发明已参照不同主题描述了实施例。具体地，已参照产品类型权利要求描述了一些实施例，而参照方法类型权利要求描述了其他实施例。然而，本领域技术人员可从以上以及下面的描述推出：除非另有声明，除了属于一种主题的特征的任意组合之外，属于不同主题特征之间的任意组合，特别是产品权利要求的特征和方法权利要求的特征之间的任意组合，也被视为被本发明公开。
上述情况和本发明的进一步情况将通过稍后描述的实施例得以明确并参照实施例进行解释。
附图说明
本发明将参照实施例更详细描述，本发明不限于这些实施例。
图1显示包括依照本发明示例性实施例的压力测量装置的叶片；
图2显示依照本发明示例性实施例的包括后滞流点的叶片，该后滞流点位于压力测量装置和补充压力测量装置之间；
图3显示依照本发明示例性实施例的叶片，其中后滞流点位于相对于压力测量装置的上游位置；
图4显示风力涡轮机系统，包括依照本发明示例性实施例的带有失速检测的叶片。
具体实施方式
附图所示仅为示意性的。值得注意的是，不同附图中，相同或相似元件标以相同附图标记，或附图标记仅在第一位不同于相应的附图标记。
图1显示了风力涡轮机400的叶片100。叶片100包括叶片表面101和提供用于失速检测的压力值的压力测量装置102。压力测量装置102位于叶片表面101处，使得沿叶片表面101流动的流体104的压力可被压力测量装置102测量。
通过测量沿叶片表面101流动的流体104的压力，可检测沿该表面流动的流体的失速区域或流体104的分离流区域。因此，可检测来自于叶片表面101的流体104的失速。流体104的失速可由于例如湍流、污垢累积、水和/或冰的环境条件而发生。
图1进一步显示叶片部分100的一种典型叶片轮廓。叶片100可包括前缘108和后缘109。前缘108可在流体104首次冲击叶片100的叶片100的位置处暴露给对应流体104的流动方向107。流体104可在前缘108处分离并分为沿吸力侧105流动的流体部分和沿压力侧106流动的流体部分。吸力侧105和压力侧106可提供弯曲叶片表面101，流体104的一部分沿该表面流动。此外，叶片100包括厚度t，即厚度t可限定吸力侧105和压力侧106之间的距离。从前缘108开始，叶片厚度t增至最大。从最大厚度t的位置至后缘109，叶片100的厚度t减小。
图1进一步显示位于叶片100的叶片表面101处的压力测量装置102和补充压力测量装置103。压力测量装置102和补充压力测量装置103可测量流体104的压力。
图2显示叶片100，其中具有处于吸力侧105的后滞流点200。在后滞流点200之前，特别是沿流动方向107的流体104的上游，流体104是贴附的，这意味着流体104的流线平行于吸力侧105或压力侧106的表面或弯曲部分。失速区域位于后滞流点200的下游，即由于例如是污垢或冰的环境条件而产生分离流202。流分离也可由于相对于流体104的流入流动方向107而过大的叶片100的桨距角α或冲角而产生。在失速区域，不再提供任何升力。
桨距角α可由叶片100的翼弦线110和预定转子平面或零转子平面之间的角度限定。冲角可由翼弦线110和流体104冲向前滞流点的流动方向107之间的角度而限定。翼弦线110可为叶片100的前缘108和后缘109之间的沿着正常流动方向107测得的距离。翼弦线110的这些前后点可称为前缘108和后缘109。
如图2所示，压力测量装置102位于后滞流点的上游，而补充压力测量装置103位于后滞流点200的下游。因此，在本示例中，压力测量装置102测量处于贴附流状态的流体104的压力，补充压力测量装置103位于后滞流点200的下游并因此测量分离流202中的高压(相对于贴附流的压力)。由于比较测得的流体压力，可确定在补充压力测量装置103区域附近存在的失速区域。此外，由于后滞流点200上游的压力测量装置102和后滞流点下游的补充压力测量装置103测得的不同压力，可确定后滞流点200的位置。即，由于吸力侧105的后滞流点200下游的流体104压力增加，流体104的失速是能够检测的。位于压力侧106的分离流处的失速反过来可导致压力侧106处与贴附流104相比的低压。
也可将压力测量装置102和/或补充压力测量装置103放置于叶片100的增加第一部分中以检测流体104的压力。可检测到后缘109的区域中的失速，因为第二部分(即后缘109附近)的分离流202也可影响位于第一部分中贴附流201的区域中的流体104的压力。
此外，也可将压力测量装置102和/或补充压力测量装置103放置于叶片100的低侧(即压力侧106)。因此，在压力侧106可能发生的失速也可测量。此外，发生在吸力侧105的失速的测量可由压力侧106的压力测量而得到补充。压力测量装置102测量处于贴附流状态下的以及处于高压状态下的位于压力侧106的流体104的压力。与位于上游的压力测量装置102相比，补充压力测量装置102(位于后滞流点200的下游)因此测量分离流202的低压。通过比较测得的流体压力，例如由于后滞流点200下游流体104的压力降低，可确定失速区域存在于补充压力测量装置103的区域附近。
图3显示叶片100，其中压力测量装置102和补充压力测量装置103位于后滞流点200的下游。因此，两个测量器之间压力梯度的降低或测量器处测得压力增加可指示对应流体104处于吸力侧105的分离流202的失速区域。此外，两个测量器102和103之间压力梯度的降低或测量器102和103处测得压力的增加也可指示对应流体104处于压力侧106的分离流202的失速区域。
压力测量装置102和103均可位于相对于后滞流点200的上游。因此，压力测量装置102和103均可测量贴附流状态下的压力。然而，后滞流点200下游的流体104的失速也可影响滞流点200上游的贴附流的压力水平。因此，失速也可由后滞流点200上游的流体压力变化而被检测到。
图4显示风力涡轮机400，包括外罩401、风力涡轮机塔筒402和多个叶片100。依照图4所示的示例性实施例，三个叶片100连接到外罩401。示出了叶片100的纵向方向403从外罩401开始。每个叶片100均沿着纵向方向403从外罩401延伸至叶片100的自由端(即末端)。此外，图4显示桨距角α，叶片100可绕其旋转。如图所示，桨距角α可与围绕每个叶片100的纵向方向403的每个叶片100的旋转角相似。
此外，图4显示压力测量装置102和补充压力测量装置103沿纵向方向403的分布。因此，通过沿纵向方向403设置多个压力测量装置102和补充压力测量装置103，可提供沿每个叶片100的整个叶片表面101的详细流体流图案。因此，如果局部污垢颗粒404引起流体104局部失速，贴附流状态仍可存在于其他压力测量器102、103的区域中。因此，响应于局部污垢颗粒404的区域上压力测量值而调整桨距角α将导致整个叶片100的较低效率程度。因此，通过测量沿整个纵向方向403的流体104的流动图案，叶片100的最佳桨距角的整体计算可忽略测量压力的局部值。
此外，控制单元可依据多个叶片100的每一个的测得流动图案的值而计算它们各自的桨距角α。因此，可为每一个叶片100提供改进调整并改进风力涡轮机400的效率。
压力测量装置102、103也可比较测得的流体压力与流体压力统计值或参考值，以便通过比较测得的流体压力与流体104的参考压力而得以检测失速。
需要注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，“一种”并不排除多个。不同实施例中描述的元件可组合。也需要注意，权利要求中附图标记不应理解为限制权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机的叶片，该叶片(100)包括：
叶片表面(101)；以及
压力测量装置(102)，其提供用于失速检测的压力值；
其中，压力测量装置(102)位于叶片表面(101)处，从而使得沿着叶片表面(101)流动的流体(104)的压力能够被压力测量装置(102)测量。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，进一步包括：
补充压力测量装置(103)；
其中，补充压力测量装置(103)位于叶片表面(101)处，从而使得沿着叶片表面(101)流动的流体(104)的补充压力能够被压力测量装置(102)测量。
3.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于：叶片表面(101)为叶片(100)的吸力侧(105)。
4.根据权利要求1至3之一所述的叶片，其特征在于：
叶片(100)包括沿流体(104)的流动方向(107)具有增加厚度(t)的第一部分和沿流体(104)的流动方向(107)具有减少厚度(t)的第二部分；
压力测量装置(102)和补充压力测量装置(103)的至少一个位于所述厚度减少的部分。
5.根据权利要求4所述的叶片，其特征在于：压力测量装置(102)和补充压力测量装置(103)沿着流体(104)的流动方向(107)布置成排。
6.根据权利要求2至5之一所述的叶片，其特征在于：
叶片(100)沿着纵向方向(403)延伸；
压力测量装置(102)和补充压力测量装置(103)沿着叶片(100)的纵向方向(403)定位。
7.根据权利要求1至6之一所述的叶片，其特征在于：叶片(100)包括多个压力测量装置(102)。
8.一种风力涡轮机装置，包括至少一个依照权利要求1至7之一的叶片(100)。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机装置，其特征在于，进一步包括：
控制单元，其被分配给所述至少一个叶片；
其中，控制单元适于响应流体(104)的测得压力而控制所述至少一个叶片(100)的桨距角(α)。
10.一种检测风力涡轮机的叶片(100)上的失速的方法，该方法包括：
借助于位于叶片表面(101)的压力测量装置(102)来测量沿着叶片(100)的叶片表面(101)流动的流体(104)的压力。
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Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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