CN101806277B - 用于检测风力涡轮机叶片运转的空气动力学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种空气动力学装置(130)，其用于检测风力涡轮机叶片(100)运转的物理状况。一个或多个振动传感器(135，140)安装在叶片(108)上，处于空气动力学外壳(130)中，并配置成监测与外壳振动一致变化的叶片(108)的物理状况。处理器(304)可操作地联接在一个或多个振动传感器(135，140)上。处理器(304)可配置成使用叶片的组成部分的振动频率来确定叶片的物理状况，并在确定时产生指示叶片物理状况的信号。

Description

用于检测风力涡轮机叶片运转的空气动力学装置
技术领域
本发明大致涉及风力涡轮机叶片的运转，更具体地说，涉及一种用于检测风力涡轮机叶片运转的空气动力学装置。 
背景技术
最近，作为环保且成本相对低廉的替代能源，风力涡轮机已经受到越来越多的关注。随着这种不断增加的兴趣，已做出大量努力来发展可靠且高效的风力涡轮机。 
通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装到位于桁架或管状塔筒顶部的壳体或外罩上。公用级风力涡轮机(即设计成为公共电网提供电能的风力涡轮机)可以具有大型转子(例如直径为40米或更长)。这些转子上的叶片将风能转换成旋转扭矩或力，旋转扭矩或力驱动通过齿轮箱旋转地联接到转子上的一个或多个发电机。齿轮箱将涡轮转子的固有的低的旋转速度提高，以使发电机将机械能有效地转换成电能，电能被供给到公共电网中。 
风场的运营者想要风力涡轮机连续并以最大效率运转，从而为其投资提供最大的回报。干扰连续运转和最大效率的运转状况是不合需要的，并应予以避免。可能干扰叶片有效运转并因而干扰风力涡轮机功率输出的风力涡轮机叶片的两个运转状况是叶片结冰和叶片失速。 
在某些大气条件下，转子叶片覆盖了冰。积冰通常发生在翼的前缘，并造成升举能力下降。随着冰层逐渐变厚，翼上增加了重量，改变了升举翼表面。对于风力涡轮机，这种改变可能导致转子叶片的空气动力学性能下降。这种下降的性能可能直接导致系统负载的增加和/或功率输出的损失。 
叶片上的积冰还可能对叶片下面的人员和设备产生严重的危害。叶片上形成的重的冰在运转期间可能松脱，并且从100米或更高的高度跌落到地面上。 
风力涡轮机叶片相对于风的运动将气流分隔在压力侧和吸力侧之间。风力涡轮机叶片的翼形状造成在吸力侧比压力侧上流动更快，导致吸力侧上的压力低于压力侧，从而在叶片上产生净力，导致叶片运动(可比拟于用于飞机机翼的升力)。然而，如果叶片相对于风力的攻角变得太大，那么上表面的气流会突然停止，粘滞于机翼的表面上。相反，空气以不规则的旋涡形式旋流(也被称为湍流)。来自机翼上表面的低压力的升力将很快消失。这种现象被称为失速。 
在不同的时间，基于局部状况，失速可能发生在叶片的不同部分上。然而，失速导致较低的叶片性能，并从而使风力涡轮机产生较低的功率。如果失速状况发生在叶片的逐渐增多的部分上，那么风力涡轮机的功率输出将不断下降。 
因此，需要提供一种方法用于检测由于积冰或失速状况而引起的异常运转，从而能够减少停机时间并增强风力涡轮机的有效运转。 
发明内容
本发明涉及一种用于监测风力涡轮机叶片的运转状况并确定何时存在物理状况的装置和方法。简要地说，根据本发明的一个方面，提供了一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括具有至少一个叶片的转子。一个或多个振动传感器安装在叶片上，并配置成可监测叶片的物理状况，其变化与叶片组成部分的振动相符。处理器可运转地联接在所述一个或多个振动传感器上。处理器可配置成使用叶片的组成部分的振动频率来确定叶片的物理状况，并在确定时产生指示叶片物理状况的信号。 
根据本发明的第二方面，提供了一种用于检测风力涡轮机转子的风力涡轮机叶片的物理状况的方法，所述转子具有一个或多个转子叶 片。该方法包括在运转过程中监测风力涡轮机的至少一个物理状况，该物理状况的变化与叶片的组成部分的振动相符。一个或多个安装在叶片的组成部分上的振动传感器的振动频率受到监测。该方法包括根据一个或多个安装在叶片的组成部分上的振动传感器的振动频率而由处理器确定叶片的物理状况。如果确定物理状况存在，那么就提供信号。 
附图说明
当参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些以及其它特征、方面和优势，其中在所有附图中相同的标号表示相同的部件，其中： 
图1是用于风力涡轮机的一种典型配置的图示。 
图2A显示了叶片轮廓，其带有标识为用于有利地放置空气动力学装置的区域，空气动力学装置带有用于监测结冰状况和失速状况的振动传感器； 
图2B显示了叶片表面，其带有标识为用于有利地放置空气动力学装置的区域，空气动力学装置带有用于监测结冰状况和失速状况的振动传感器； 
图3A显示了空气动力学装置的一个示例，其带有嵌入存在风力流动的叶片表面上的加速计； 
图3B显示了安装于空气动力学装置中的压电传感器，空气动力学装置位于存在风力流动的叶片表面上； 
图4显示了安装在翼上的空气动力学装置的布置； 
图5是风力涡轮机控制器的一个实施例的方框图；和 
图6提供了一种方法实施例的流程图，其根据有利地定位在叶片上的空气动力学装置的振动监测而用于检测风力涡轮机叶片的物理状况。 
标号列表： 
100    风力涡轮机 
102    外罩 
104    塔 
106    转子 
108    叶片 
109    气象传感器 
110    毂 
112    具有物理状况的表面区域 
120    叶片表面 
125    风 
130    空气动力学装置 
135    嵌入的加速计 
140    压电装置 
210    空气动力学装置 
220    翼 
230    入射气流 
240    上表面 
245    下表面 
250    平滑气流 
255    流分离 
260    尾流 
300    风力涡轮机控制器 
301    总线 
304    处理器 
306    存储器 
308    存储装置 
310    ROM 
312    输入/输出装置 
314    传感器接口 
具体实施方式
本发明的以下实施例具有许多优势，包括提供风力涡轮机叶片状况的物理状况的提前报警，这种物理状况可能导致风力涡轮机叶片的性能受损和风力涡轮机的功率输出下降。可将警告提供给风力涡轮机控制系统，以容许系统控制或操作员采取行动以修正受损的叶片性能，并恢复针对该风力状况的预计的功率输出。具体地说，可识别叶片结冰和叶片失速状况的检测，以容许进行修正。 
如本文所用，当使用传感器来确定物理或气象参数的当前值时，物理或气象参数被″监测″。使用更广义的术语″监测″而非较狭义术语″测量″是强调传感器可以但不是必须对所监测的参数提供直接测量。例如，用作气象传感器的风速表可产生与当前风速相关的模拟信号，但该模拟信号不是风速的实际测量值。然而，这个信号或该信号的数字表现形式可用于确定风速，或者可做出设计选择以使用该信号、其数字表现形式或经过进一步处理的表现形式来代表风速。 
本文所用术语″气象传感器″指气象状况的传感器。气象状况的非穷尽的列表包括例如空气压力、风速和风向、湿度、温度以及降水量和降水类型。所有这些气象状况的示例都是与结冰相关的气象状况。监测与结冰相关的气象状况最常用的一些气象传感器的非穷尽的列表包括温度和湿度传感器。 
另外，如本文使用的术语″叶根(blade root)″或″叶根区域(blade rootsection)″指转子叶片的内侧部分。 
在一些构造中，参照图1，风力涡轮机100包括外罩102，其容纳发电机(图1中未显示)。外罩102安装在高塔104的顶部上，图1中只显示了其一部分。风力涡轮机100还包括转子106，其包括一个或多个连接在旋转的毂110上的转子叶片108。虽然风力涡轮机100包括三个转子叶片108，但是本发明不需要对转子叶片108的数量做 特别的限制。外罩102还可容纳用于确定环境状况的气象传感器109，环境状况例如风速、风向、环境温度等等，它们与风力涡轮机叶片的气象状况相关。 
如本文进一步所述，本发明的各种实施例监测与风力涡轮机叶片在运转过程中的一种或多种物理状况相关的振动。受到监测的振动可指示存在于叶片上的一种或多种物理状况。气象传感器可进一步用于监测对于叶片的一种或多种物理状况存在所必要的环境状况。因此，受到监测的气象状况可与受监测的振动一起用于确认叶片的物理状况的发生。这种受到监测的叶片的物理状况可包括叶片结冰和叶片失速。 
来自振动传感器和气象传感器的信号可发送给用于风力涡轮机的控制系统的处理器，以用于确定叶片的物理状况的存在。在振动传感器和气象传感器与控制系统的处理器之间的通信可以是已知的有线或无线的通信方法。处理器可采用逻辑过程以确定物理状况的存在，并可将警报和警告信号发给操作员或控制系统，以提供对物理状况的修正。 
在本发明的一些构造中，为了防止错误的物理状况检测警告，如果来自气象传感器109的受到监测的气象参数信号指示该物理状况是不可能的，那么用于物理状况的物理状况检测逻辑和/或物理状况逻辑就失效。然而，当气象传感器102指示这种状况不可能时，但当振动信号指示该状况存在时，允许但不要求本发明的构造提供物理状况警告。 
各个叶片运转所处的气象状况是相同的，但不保证所引起的物理状况将均匀或同一地在体现在各个叶片上。此外，各个不同的物理状况可能先在叶片的某些部分或区段上发展，例如在表面区域112(图1)。例如，叶片上的结冰可能先发生在前缘和顶端(tip end)上。最初可能在叶片根部，并在沿着叶片弦长大约25％至30％的范围内经历失速。因此，通过将振动传感器有利地放置在先出现物理状况的位置上可增强 物理状况的提前检测。为了实现与叶片结冰相关的振动传感器的有利放置，可将传感器优选放置于前缘和顶端上。为了有利地放置与叶片失速相关的振动传感器，可优选将传感器放置在叶片根部和沿着叶片弦长大约25％至30％的范围内。图2A显示了叶片轮廓，其带有标识为用于有利地放置带有用于监测结冰状况和失速状况的振动传感器的空气动力学装置的区域150和160。图2B显示了叶片表面，其带有标识为用于有利地放置带有用于监测结冰状况和失速状况的振动传感器的空气动力学装置的区域170和180。然而，应该懂得这种空气动力学装置可安装在叶片上的其它位置，用于确定发生在那些位置的物理状况。 
振动传感器可包括加速计和压电装置。振动传感器必须选择为在风力涡轮机叶片运转期间的环境状况下提供满意的操作，包括低至-40摄氏度的温度。振动传感器的尺寸选择成足够小，从而在建于外壳中时不会对叶片的空气动力学状况产生负面影响。对于当前技术现状，加速计可以小至4x4x1.5mm。来自振动传感器的输出可通过本领域中已知的有线连接或无线连接而发送给处理器。此外，对于加速计以及其它相似类型的仪器，可为装置本地地提供电池。此外，可将该装置和电池设置为允许进行更换。 
用于叶片表面上的振动传感器的外壳将优选包括空气动力学外壳。外壳可包括叶片表面上的现有结构，但还可包括特别提供的结构，其限制了任何对叶片的空气动力性能的影响。如果现有结构定位在适合于检测和优选早期检测叶片的物理状况的叶片位置上，现有结构可优选利用。 
作为具有单独目的的结构的一个示例，可利用叶片表面上的涡流发生器来容纳振动传感器。已知风力涡轮机叶片上的涡流发生器的使用可以抵消叶片上的流分离和失速。这种现有结构可用于容纳振动传感器。 
图3A显示了空气动力学装置130的一个示例，例如涡流发生器， 其带有嵌入存在风力流动125的叶片表面120上的加速计135。图3B显示了安装于空气动力学装置130中的压电传感器140，空气动力学装置位于存在风力流动125的叶片表面120上。 
图4显示了安装在翼220上的空气动力学装置210的布置。入射气流230撞击在翼220上。入射的气流230围绕翼220的上表面240和下表面245而流动。图中显示翼220失速，平滑气流250沿着下表面240流动，但流分离255在上表面240上产生了尾流260。失速产生了湍流空气。 
操作原理是这个装置在风力涡轮机运转时通常发生振动。振动频率的下降或没有振动指示空气动力学装置上存在结冰。 
更具体地说，用于风力涡轮机控制器的处理器可储存关于在风力涡轮机运转期间的正常振动范围的数据。这种数据可包括基于例如叶片旋转速度、桨距角和风力状况等重要风力参数的振动范围。在风力涡轮机运转期间，这些参数以及其它重要的运转参数受到监测，并可用于处理器。当振动传感器的振动频率偏离至叶片的运转状况(例如相对于叶片旋转、桨距角和风力状况)的正常振动范围以下时，那么处理器可确定叶片存在结冰状况。此外，处理器可考虑气象数据，特别是环境温度，以进一步确定叶片结冰状况是否存在。例如，在环境温度低于0摄氏度时可以预期到在叶片上将形成冰。 
这种为确定结冰状况而有利地定位于叶片上的小型空气动力学装置的振动监测可以比检测整体叶片振动来确定结冰状况更为灵敏地确定叶片的初期结冰。在后一情况下，需要形成大得多的质量的冰才能使整体叶片的振动响应辨别出这种状况。 
相对于失速状况，振动频率中的升高可能指示在叶片上的空气动力学装置位置发生失速状况，因为由失速状况所产生的空气湍流增加了空气动力学装置的振动，并从而增加了那里的传感器的振动。更具体地说，如上所述，用于风力涡轮机控制器的处理器可储存关于在风力涡轮机运转期间的正常振动范围的数据。这种数据可包括基于例如 叶片旋转速度、桨距角和风力状况等重要风力参数的振动范围。在风力涡轮机运转期间，这些参数以及其它重要的运转参数受到监测，并可用于处理器。当用于振动传感器的振动频率偏离叶片运转状况(例如相对于叶片旋转、桨距角和风力状况)的正常振动范围以上时，那么处理器可确定叶片存在失速状况。这种增加的振动频率可能是由失速状况所造成的叶片的空气湍流而引起的。 
在一些构造中，参照图5，涡轮机控制器300包括总线302或其它通信装置来传送信息。处理器304联接在总线302上，以处理信息，包括来自各种传感器(例如传感器112，135和140)的信息，从而确定是否存在物理状况。涡轮机控制器300还包括随机存取存储器(RAM)306和/或其它存储装置308。RAM306和存储装置308联接在总线302上，以储存和传递有待由处理器304执行的信息和指令。在处理器304执行指令期间，还可使用RAM306(和存储装置308，如果需要的话)储存临时变量或其它中间信息。涡轮机控制器300还可包括只读存储器(ROM)和/或另一静态存储装置310，其联接在总线302上，以储存并提供静态(即非变化的)信息和指令给处理器304。312处的输入装置可包括本文所述或本领域中已知的任何物理状况监测装置，从而将输入数据提供给涡轮机控制器300。312处的输出装置可包括将可视信号和/或声音信号提供给操作控制台(图5中也未显示)或者提供给对这种信息起作用或中继这种信息的自动设备的装置。指令可由存储装置，诸如磁盘、只读存储器(ROM)，集成电路、CDROM，DVD而通过有线或无线的远程连接提供给存储器，从而提供对一个或多个电子可存取介质的访问。在一些实施例中，可使用硬线电路来替代软件指令或与软件指令结合使用。因而，指令序列的执行并不局限于硬件电路和软件指令的任何特定的组合。 
传感器接口314是容许涡轮机控制器300与风力涡轮机中的一个或多个传感器通信的接口，包括用于确定振动的传感器以及其它涉及风力涡轮机运转例如叶片旋转速度、桨距角和风力状况的传感器。传 感器接口314可以是或可包括，例如，一个或多个模拟-数字转换器，其将模拟信号转换成可由处理器304使用的数字信号。 
当处理器已经确定叶片的物理状况时，控制器可提供响应以修正该状况。响应于所确定的结冰状况，控制系统可启动包括至少一种以下修正作用：摆动至少一个叶片的桨距；改变风力涡轮机的旋转速度；停止和起动风力涡轮机；以及降低风力涡轮机的功率。如果在叶片中安装有加热装置，那么控制可接通或关闭加热装置。响应于所确定的失速状况，控制系统可启动包括至少一种以下修正作用：使一个或多个叶片向桨叶(feather)变桨和/或改变旋转速度。 
根据本发明的又一实施例，提供了一种用于检测具有转子和一个或多个转子叶片的风力涡轮机叶片的物理状况的方法。图6提供了一种根据有利地定位在叶片上的空气动力学装置的振动监测而用于检测风力涡轮机叶片的物理状况的方法实施例的流程图。在步骤405中，在有利地定位于叶片表面上的空气动力学装置中提供振动传感器，用于识别叶片的各种物理状况。在步骤410中，通过操作测试信息和计算机分析所提供的用于针对正常运转状况和异常运转状况而识别安装在叶片上的空气动力学装置的振动范围的数据储存在用于风力涡轮机的处理器或相似的控制系统的仪器中。 
在步骤415中使风力涡轮机运转。在风力涡轮机运转期间，在步骤420中监测振动传感器。在步骤425中，在风力涡轮机运转期间监测气象数据。在步骤430中，处理和分析来自振动传感器和气象传感器的数据。在步骤435中，如果振动数据落在与物理状况相关联的正常范围之外时，那么可确定存在物理状况。然后在步骤460中，基于这种物理状况的确定，可为操作员或控制器发出警告。 
确定结冰的振动数据的一个示例是一个或多个振动传感器的振动频率下降到运转状况的正常范围以下或下降到零。确定失速方面的振动数据的一个示例是一个或多个振动传感器的振动频率增加到运转状况的正常范围以上。如果没有做出物理状况的确定，那么可在步 骤420中继续监测振动数据。在步骤440中，气象数据的分析可支持确定该物理状况的存在。如果气象数据支持确定物理状况的存在，那么可启动修正作用以减轻物理状况。还可提供警报以警告操作员和/或控制系统该物理状况的存在。关于结冰的一种确实的气象状况的示例是环境温度低于大约0摄氏度。 
虽然本文描述了各种实施例，但是从说明书中应该明白，在本发明的范围内可实现各种元件组合、变化或改良。 

Claims (10)

1.一种风力涡轮机(100)，包括：
具有至少一个叶片(108)的转子(106)；
定位在所述至少一个叶片的叶片表面的壳体(130)，所述壳体(130)被设置作为空气动力学装置；
至少一个振动传感器(140)，所述至少一个振动传感器(140)设置在所述壳体(130)内，所述至少一个振动传感器(140)配置成监测所述至少一个叶片的物理状况，所述至少一个叶片的物理状况的变化与所述壳体的振动相符合；以及
可操作地联接在所述至少一个振动传感器(140)上的处理器(304)，所述处理器(304)配置成使用所述壳体(130)的振动频率来确定所述叶片(108)的物理状况，并产生指示所述叶片(108)的物理状况的信号(312)。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述至少一个振动传感器包括加速计(135)和压电装置(140)中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，还包括：
配置成监测与所述至少一个叶片(108)相关的气象状况的至少一个气象传感器(109)，其中，所述处理器(304)可操作地联接在所述至少一个气象传感器(109)上，并且其中，所述处理器(304)配置成当确定所述气象状况与所述叶片(108)的物理状况相符时可确定所述叶片(108)的物理状况。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述物理状况包括所述叶片(108)的结冰和所述叶片(108)的失速中的至少一个。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，与所述至少一个叶片(108)的结冰相符的所述气象状况包括：低于0摄氏度的环境温度。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述壳体(130)定位在所述叶片(108)的叶片表面(120)包括将所述壳体(130)定位在至少一个前缘(150)的附近和定位在顶端(170)的附近中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述壳体(130)的定位包括：根据过去的结冰经验、过去的失速经验、计算机处理的流体动力学以及叶片设计分析中的至少一个进行定位。
8.根据权利要求4所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，由所述处理器(304)确定所述至少一个风力涡轮机叶片(108)上的结冰包括：
根据所述风力涡轮机(100)运转的旋转速度、叶片桨距和风力状况而为安装在所述壳体(130)中的所述至少一个振动传感器(140)储存振动频率的信息(306，310)；
根据所述至少一个振动传感器(140)的振动频率相对于根据所述风力涡轮机(100)运转的旋转速度、叶片桨距和风力状况而储存的所述信息(306，310)的偏差来确定何时发生叶片结冰；以及
确定所述气象状况(109)容许叶片结冰。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，还包括：
以下对结冰的响应中的至少一个：摆动所述至少一个叶片(108)的桨距；改变所述风力涡轮机(100)的旋转速度；停止和起动所述风力涡轮机(100)；以及降低所述风力涡轮机(100)的功率。
10.根据权利要求4所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，由所述处理器确定所述至少一个风力涡轮机叶片上的失速包括：
所述叶片(108)的表面(120)上的所述壳体(130)包括优选定位在所述至少一个叶片(108)的根部附近和沿着叶片弦长的大约25％至30％的范围内；
根据风力涡轮机(100)运转的旋转速度、叶片桨距和风力状况而为安装在所述壳体(130)中的所述至少一个振动传感器(140)储存振动频率的信息(306，308)；和
根据所述至少一个振动传感器(140)的振动频率相对于根据所述风力涡轮机(100)运转的旋转速度、叶片桨距和风力状况而储存的所述信息(306，308)的偏差来确定何时发生叶片失速。
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