CN101876294A - 具有失速传感器的风力涡轮叶片和检测叶片失速的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有失速传感器的风力涡轮叶片和检测叶片失速的方法。一种风力涡轮包括在一定位置处构造在至少一个涡轮叶片的压力表面(23，24)上以在失速状态中检测逆流的电失速传感器(26)。该失速传感器包括翼片(30)，翼片(30)枢轴地构造在相应的压力表面上，以便在失速状态期间由压力表面上的逆流使该翼片(30)从第一位置朝第二位置运动。传感器电路(32)响应翼片在第一位置和第二位置之间的运动，且产生表明失速状态的对应的电信号。
Description
技术领域
本发明大体涉及风力涡轮，且更具体而言涉及具有与其构造在一起的失速传感器的风力涡轮叶片。
背景技术
风力被认为是目前可利用的最环境友好的能源中的一种，且在这一点上风力涡轮受到了更多的关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个涡轮叶片。叶片使用已知的翼型件原理来捕捉风的动能。叶片以旋转能的形式传递动能，以便使将叶片联接到齿轮箱上或直接联接到发电机上的轴转动。然后发电机将机械能转换成可部署到公共电网的电能。
涡轮叶片轮廓是重要的设计特性。叶片设计成使得经过叶片的层流在例如介于约15MPH和35MPH之间的风速范围上对转子赋予最大的旋转扭矩。由于各种考虑，包括保护涡轮构件和下游发电机，一般不期望在超过涡轮的额定风速的情况下操作涡轮。
“失速”是这样一种状态，即其中入射风相对于涡轮叶片轮廓的迎角随着风速的提高而增大到其中经过叶片的低压(后)侧的层流中断且引起逆流的点。虽然在叶片的低压侧处更普遍，但是叶片的高压(前)侧处也可发生失速。在失速状态中，叶片上的原动力显著地减小。其它因素也可有助于失速，例如叶片变桨、叶片积垢等。失速是一种设计考虑，且失速调节是在疾风状态中保护风力涡轮-特别是具有固定变桨叶片的涡轮-的有效设计特征。在受失速调节的涡轮上，叶片锁紧就位，且不能随变化的风速而改变变桨。实际上，叶片设计成以便在沿着叶片的长度的迎角随渐增的风增大时逐渐失速。因此，重要的是了解涡轮叶片轮廓的流动特性(特别是关于失速的发生)。
本领域已经做出努力来检测涡轮叶片失速的发生。例如，美国专利No.6,065,334提出将一系列枢转翼片(flap)安装在涡轮叶片的被监测的表面上，与翼片的相对侧相比，翼片的一侧具有在视觉上清楚的外观(即不同的颜色或反射特性)。叶片表面上的逆流使翼片翻转，且从而呈现视觉上清楚且可检测的变化。但是，这种类型的视觉检测系统存在内在限制。例如，该系统取决于从地平面精确地检测翼片的变化了的视觉特性的能力，这在低光或无光条件下或者在不利的天气条件下可能是困难的。在晚上，当风通常较大时，该系统需要对准叶片的照明装置，以及照相机或其它光学检测装置，以便检测翼片的变化了的状态。对于较大的涡轮来说，叶片的大小可使得在没有放大式光学检测器的情况下即便是在理想的光和天气条件下从地平面以光学的方式检测翼片都极为困难。而且，获得精确的定性量度的能力取决于在沿着叶片表面附连的不同翼片之间进行区分的能力。
因此，存在对于这样一种用于风力涡轮转子叶片的改进的失速传感器的需求：该传感器产生精确且可靠的叶片失速指示，而没有已知装置的内在缺点。
发明内容
本发明提供了一种用于风力涡轮叶片的改进的失速传感器和检测失速的相关方法。传感器产生可靠且精确的电信号，该电信号不取决于对附连到涡轮叶片上的装置的光学特性的检测。可从信号中推导出精确的定性量度。可在以下描述中部分地阐述本发明的另外的方面和特点，或者本发明的另外的方面和特点根据该描述可显而易见，或者可通过实践本发明来学习本发明的另外的方面和特点。
根据本发明的各方面，一种风力涡轮包括连接到转子轮毂上的至少一个涡轮叶片。电失速传感器在一定位置处构造在叶片的表面上，以在失速状态中检测逆流。传感器可附连到叶片的低压侧或高压侧上。对于多叶片式涡轮来说，一个或多个传感器可构造在各个涡轮叶片上，或者仅构造在叶片中的一个上。失速传感器包括电源，例如内部电池，或者在一个备选实施例中，可从外部源(例如来自风力涡轮控制器的低电压)对失速传感器供以功率。失速传感器包括枢轴地构造在涡轮叶片的低压表面或高压表面中的一个上的翼片。在失速状态中产生的相应的压力表面上的逆流使翼片从第一位置朝第二位置枢转。传感器可包括响应翼片在第一位置和第二位置之间的运动且产生表明失速状态的对应的电信号的任何种类的传感器电路。
本发明还包括一种用于通过将电子失速传感器在一定位置处安装在至少一个涡轮叶片上以便使电子失速传感器在叶片的失速状态中暴露于逆流来检测风力涡轮叶片的失速的方法，失速传感器构造成以便在失速状态中暴露于逆流时产生电信号。该方法包括将电信号从失速传感器传输到远程接收器，且为了失速指示监测远程接收器。
附图说明
在结合附图得到的以下详细描述中更加具体地描述根据优选的和示例性的实施例及其另外的方面和优点的发明，其中：
图1是在各个涡轮叶片上构造有失速传感器的风力涡轮的视图；
图2是具有安装于其上的失速传感器的涡轮叶片的一部分的放大视图；
图3是图2所示的实施例的俯视图；
图4是安装在涡轮叶片的低压表面上的失速传感器的一个实施例的侧视图；
图5是具有表明失速状态的失速传感器的图4的实施例的侧视图；
图6是安装在涡轮叶片的低压表面上的失速传感器的一个备选实施例的侧视图；
图7是风力涡轮和失速传感器系统的视图；以及
图8是风力涡轮和失速传感器系统的一个备选实施例的视图。
部件列表：
10 风力涡轮
12 涡轮叶片
14 机舱
15 机舱控制器
16 转子轮毂
18 传输线
20 中央的基于地面的控制器
22 塔架
23 高压表面
24 低压表面
25 凹部
26 失速传感器
27 传输线
28 固定基座
30 翼片部件
31 枢转轴线
32 控制电路/传感器电路
33 断开电路
34 远程接收器
35 凸起的唇缘
36 发射器/接收器
40 触头
44 专用电源
具体实施方式
现在对本发明的具体实施例进行参照，在附图中示出了具体实施例的一个或多个实例。以阐述本发明的各方面的方式介绍各个实施例，且各个实施例不应理解为本发明的限制。例如，关于一个实施例示出或描述的特征可与另一个实施例一起使用，以产生又一个另外的实施例。意图的是本发明包括对本文描述的实施例作出的这些和其它修改或变化。
图1示出了具有传统构造的风力涡轮10。风力涡轮10包括塔架22，塔架22上安装有机舱14。多个涡轮叶片12安装到转子16上。叶片12将风的原动力转换成旋转机械能，以与容纳在机舱14中的发电机一起产生电。单独的风力涡轮10可包括容纳在机舱14中的控制器，且可通过延伸穿过塔架22的传输线18与中央的基于地面的控制器20通信。在例如风力发电厂内，基于地面的控制器20通常与许多涡轮一起构造。
涡轮叶片12中的至少一个包括构造在低压表面24或高压表面23(虚线传感器26)中的任何一个上的失速传感器26。在图1的实施例中，各个涡轮叶片12包括构造在低压表面24和高压表面23中的各个上的至少一个失速传感器26。应当理解，本发明包括构造在各种涡轮叶片表面的任何组合上的失速传感器26的任何组合。例如，多叶片式涡轮的仅一个叶片12可具有失速传感器26，或者各个叶片12可在压力表面24、23中的一个或两者上具有一个或多个传感器26。失速传感器26可通过传输线27与机舱控制器通信，以提供相应的涡轮叶片12处的失速状态的电子信号指示。此信号可由机舱控制器使用，以用于任何种类的控制功能。例如，在主动变桨控制系统中，机舱控制器可将信号用作用于控制单独的涡轮叶片12的变桨的变量，以消除失速状态，减小涡轮的功率，或者(实现)任何其它控制功能。可简单地使用来自失速传感器26的信号来产生涡轮叶片12处的失速状态的警报或其它指示。本发明不受由失速传感器26产生的信号的任何具体使用的限制。
图2和3示出了安装在或以别的方式附连在风力涡轮叶片12的低压表面24上的失速传感器26的一个实施例。失速传感器26包括固定基座28和在枢转轴线31处相对于基座28枢转的翼片部件30。翼片30在第一位置和第二位置之间枢转，在第一位置上，在低压表面24上产生层流，如由图2和3中的箭头所表明，在第二位置上，层流中断，且在低压表面24处引起逆流，如由图5中的箭头所表明。
基座28内可容纳任何种类的构件，例如控制电路32、专用电源44等。控制电路32特别地构造成以便响应翼片30从图4所示的第一位置到图5所示的第二位置的运动，且产生表明图5中描绘的失速状态的对应的电信号。
基座部件28可通过粘合剂或其它适当的机构安装到涡轮叶片12的表面上，如图4和5所示。在使失速传感器相对于涡轮叶片12的低压表面24的轮廓最小的一个备选实施例中，传感器26可凹陷在涡轮叶片低压表面24中的凹部25内，如图6中所描绘。在此具体实施例的情况下，与图4和5的实施例相比，翼片30的第一位置升高，以便处于与低压表面24基本齐平或者略微高出低压表面24的状态。翼片30可包括凸起的唇缘35，以确保翼片30对低压表面24上的逆流状态作出反应。
失速传感器26，且更具体而言是传感器电路32，可结合任何种类的已知技术来将翼片30的运动转换成电信号。例如，在图4和5中示出的实施例中，传感器电路32包括断开电路33。翼片30包括位于在翼片30从第一位置运动到第二位置时抵靠基座28滑动的表面上的触头40。在如图5所示的翼片30的第二位置上，触头40接通电路33。对于闭合的电路33，电路的任何特性(例如电压、电阻、电流等)均可由传感器电路32感测。图4和5中示出的电路的类型在传统上已知为不通则断式(make or break)接点电路，其中表明了“开”或“关”状态，而没有定量值。换句话说，(利用)图4和5所示的传感器26的布置，传感器电路32将产生仅表明失速状态是否存在的信号。电路32不会产生翼片30相对于基座28的相对运动程度的定量量度。
在备选实施例中，失速传感器26可构造成以便产生翼片30的相对运动程度的定量指示。例如，电路32可测量随翼片30的相对运动而改变的电路特性(例如电压或电阻)的变化。参照图6，在这点上，可使用已知的或在本领域中用来测量一个部件相对于另一个部件的相对运动程度的任何种类的传统变换器。例如，电路32可包括任何种类的变阻器、电位计、压力变换器、应变仪或用以测量翼片30相对于基座28的相对运动的任何其它适当的装置。例如，在一个具体实施例中，翼片30可借助于弹簧或其它偏置部件朝第一位置偏置，且可使用测压元件来测量翼片30对逆流状态的阻力，其中阻力的幅度给出了涡轮叶片12的低压表面24处的失速状态的定量指示。因此应当容易地理解，图6所示的变换器电路32意图包括响应于翼片30相对于基座28的运动而产生信号的任何种类的电气装置、机电装置或机械装置。失速传感器26作为电信号来传输所产生的信号。
在所示实施例中，传感器26包括专用电源44，例如内部电池。电池44可从机舱控制器中再充电，或者可定期更换电池44。在一个备选实施例中，可通过传输线27(图1)从机舱控制器对传感器电路32供应功率。
取决于单独的风力涡轮10的控制构造，可以按各种方式传输和处理表明失速状态的来自失速传感器26的信号。例如，参照图7，可以是任何种类的控制硬件的远程接收器34可通过与机舱控制器15一起构造的发射器/接收器36与风力涡轮10进行无线通信。单独的失速传感器26可通过此构造与机舱控制器15进行有线或无线通信，且来自失速传感器26的信号可作为警报状态或作为任何种类的控制功能(例如涡轮叶片12的变桨控制)的输入等而传送到远程接收器34。
在图8所示的一个备选实施例中，单独的失速传感器26可构造成以便以无线的方式直接传输至远程接收器34。在此具体实施例的情况下，各个失速传感器26构造有用于此目的的发射器。此实施例将需要用于单独的失速传感器26的更加牢靠的电源。应当容易地理解，可使用任何种类的传输系统来将控制信号从单独的失速传感器26传输到任何种类的控制器，以表明失速状态和/或(实现)控制功能。
由失速传感器26产生的信号和信息可进一步协助理解涡轮叶片12上的反向流，且将此知识结合到不同的涡轮叶片设计中，以避免涡轮叶片处的逆流现象。可使用失速传感器26来监测叶片积垢，相信叶片积垢会导致失速/保留(reserved)流，且会造成风力涡轮性能的重大降低。例如，可使用失速传感器来估计失速和叶片积垢之间的相关性，且为现场维护团队提供按照损失的能量、维修、保修声明等来量化和分析叶片积垢的影响的方式。而且，如所提到的，失速传感器也可结合在涡轮控制器中，以检测失速，且驱使涡轮脱离失速状态。
虽然已经关于本主题的特定的示例性实施例及其方法详细描述了本主题，但是将理解，本领域技术人员在理解了前述内容之后可容易地产生这样的实施例的备选方案、改变和等效方案。因此，本公开的范围是作为实例而非作为限制的，且本主题公开不排除包括将对本领域普通技术人员显而易见的对本主题的这样的修改、改变和/或增加。
Claims (10)
1.一种风力涡轮(10)，包括：
连接到转子轮毂(16)上的涡轮叶片(12)，所述涡轮叶片包括低压表面(24)和高压表面(23)；
在一定位置处构造在所述低压表面或所述高压表面中的至少一个上以检测失速状态中所述相应的压力表面处的逆流的电失速传感器(26)，所述失速传感器进一步包括：
电源(44)；
翼片(30)，所述翼片(30)相对于所述相应的压力表面枢轴地构造，以便由所述相应的压力表面上的逆流使所述翼片(30)从第一位置朝第二位置运动；以及
传感器电路(32)，所述传感器电路(32)响应所述翼片在所述第一位置和所述第二位置之间的运动，且产生表明失速状态的对应的电信号。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮(10)，其特征在于，所述失速传感器(26)进一步包括发射器(36)，且进一步包括与所述失速传感器进行无线通信的远程接收器(34)。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮(10)，其特征在于，所述失速传感器包括基座部件(28)，所述翼片(30)枢轴地安装到所述基座部件上，所述电源(44)和所述传感器电路(32)容纳在所述基座部件中。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的风力涡轮(10)，其特征在于，所述传感器电路(32)包括断开电路(33)和构造在所述翼片(30)上的触头(40)，其中，在所述翼片从所述第一位置朝所述第二位置运动时所述触头和所述断开电路之间的滑动电接触产生所述电信号。
5.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的风力涡轮(10)，其特征在于，所述失速传感器(26)包括变换器，所述变换器产生作为所述翼片(30)的相对运动的函数的变化的输出参数，从而使得所述电信号提供所述相应的压力表面(23，24)上的逆流的幅度的定量指示，并且其中，所述翼片朝向所述第一位置偏置，所述变换器包括测量所述翼片对逆流的阻力的测压元件。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮(10)，其特征在于，所述风力涡轮(10)包括多个所述涡轮叶片(12)，其中至少一个所述失速传感器(26)构造在所述涡轮叶片中的各个的相应的所述压力表面(23，24)上。
7.一种用于检测风力涡轮叶片(12)的失速的方法，包括在一定位置处将电子失速传感器(26)安装在涡轮叶片表面(23，24)上，以便使所述电子失速传感器(26)暴露于叶片的失速状态中的逆流，所述失速传感器构造成以便在暴露于逆流时产生电信号；将所述电信号从所述失速传感器传输到远程接收器(34)；以及为了失速的指示而监测所述远程接收器。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括利用所述失速传感器(26)检测和传输失速的幅度的定量值。
9.根据权利要求7或8中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述接收器(34)是用于风力涡轮的控制系统(15，20)的构件，所述方法进一步包括将来自所述失速传感器(26)的所述电信号作为用于所述控制系统的输入变量直接输入。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将电子失速传感器(26)安装在所述涡轮叶片(12)的低压表面(24)和高压表面(23)中的各个上，以便监测所述涡轮叶片的低压表面和高压表面中的各个处的失速状态。
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