CN102422017A - 风轮机叶片控制 - Google Patents

Abstract

通过探测叶片前缘前方的空气流动状态来控制风轮机的变量。一个或更多个激光多普勒风速计被安装在叶片上或被结合在叶片中以确定叶片前缘前方区域中的空气流动速度。所测量到的流动状态可以用于控制诸如后缘襟翼的控制表面的位置或者控制转子速度。激光多普勒风速计可以包括不同频率的激光器以使得能够测量流动速度的不止一个分量。

Description

风轮机叶片控制

本发明涉及风轮机，并且具体地说，本发明涉及特别地但不排他地通过控制叶片变量来对风轮机进行控制，所述变量诸如是叶片的空气动力学型面。

已经存在大量关于在风轮机叶片中使用襟翼或者副翼以响应于变化的风况来提供额外的控制的建议。对于大型现代风轮机的设计者来说，后缘襟翼尤其具有吸引力，这是因为后缘襟翼在控制随机湍流载荷和不对称载荷方面很有用，而这两方面都具有使叶片长度增加的问题。

为了控制襟翼，需要知道有关迎风风况的信息。已知的是，监控叶片前方区域中的风况以便提供控制用的必要数据。

在WO2004/074681中公开了这种控制系统的一个例子，该例子描述了利用由5孔皮托管取得的测量值来控制襟翼，所述5孔皮托管距离毂一定距离安装在叶片的前方。皮托管测量叶片前方的空气压力以确定迎风的平均流动速度。

使用皮托管是不利的，这是因为它们易于被阻塞并且它们的性能会随着时间的流逝而变差。此外，由于皮托管从风轮机叶片突出，因此它们容易被闪电击中。通常，风轮机被设计为需要尽可能少的维护，并且通常位于遥远并且环境恶劣的位置。因此，可能会需要频繁维护的诸如5孔皮托管的传感器是没有吸引力的。

本发明的目的是提供一种用于确定能用于控制风轮机的迎风风况的改进的系统和方法。

根据本发明，提供了一种用于控制风轮机的系统，该系统包括布置在转子叶片处以测量所述叶片的前缘区域中的空气流动的激光多普勒风速计、以及用于由此确定控制所述风轮机用的控制信号的处理器。激光多普勒风速测定法是通过测量由穿过激光束产生的干涉场的颗粒发出的信号来确定流动状态的已知技术。

激光多普勒风速测定法具有可以用于精确地探测流动状态的优势。因此，能够根据准确的空气流动测量来有效地控制风轮机。例如，这可以通过控制叶片的动力学型面来完成。此外，与皮托管不同的是，该技术基本上不会扰动正被测量的空气，因此能较少地与叶片上方的空气流动发生干涉。这对于重视叶片上方的有效的流线型气流的风轮机设计者来说是尤其有利的。

优选地，所述激光多普勒风速计(LDA)设置在所述叶片中，这具有进一步减少探测装置对叶片上方空气流动的影响的优势。在一个实施方式中，所述叶片表面中设置有窗口，并且所述LDA设置在所述叶片的内部，所述LDA布置为发射穿过所述窗口的激光束。因为所述窗口可以被制得非常小，所以它们对流动的影响可以是最小的。

所述激光多普勒风速测定法的使用还具有可以测量大量入流变量的优势，并且因此，这些入流变量可以用于确定适当的控制信号。

优选地，LDA被用于测量空气流动速度向量的不止一个分量。

优选地，LDA被用于测量迎风的迎角。

在本发明的实施方式中，可以沿着叶片设置多个LDA。优选地，所述LDA沿着所述叶片的前缘大致等距离地间隔开，以提供对所述叶片的整个长度上的流动状态的准确描述。然后，可以由对沿着叶片的状态的完整描述来形成适当的控制信号。

所述控制信号可以控制叶片变量。

所述风轮机叶片可以包括可移动的襟翼或者其它控制表面，并且所述控制信号控制所述控制表面的位置。优选地，所述控制表面是后缘襟翼。

本发明还提供了一种具有如上所述的控制系统的风轮机。

还提供了一种用于控制风轮机的方法，该方法包括：利用布置在转子叶片处的激光多普勒风速计测量所述叶片的前缘区域中的空气流动；由此基于测量值来确定控制信号；以及将所述控制信号应用于可变的风轮机参数以控制所述风轮机。

本发明的另一个方面提供了一种用于控制风轮机的系统，该系统包括布置为测量转子叶片的前缘区域中的空气流动的激光多普勒风速计、以及用于由此确定用于控制所述风轮机的控制信号的处理器。本发明的这个方面还提供了一种用于控制风轮机的方法，该方法包括：利用激光多普勒风速计测量叶片的前缘区域中的空气流动；由此基于测量值来确定控制信号；以及将所述控制信号应用于可变的风轮机参数以控制所述风轮机。

优选地，所述激光多普勒风速计包括布置在所述风轮机转子毂处的激光源和布置在所述转子叶片内的光纤，所述光纤用于将由所述激光源发射的激光传输到沿着所述叶片的前缘的至少一个点。

优选地，在多个转子叶片内布置有多个光纤，各个光纤将由所述激光源发射的激光传输到沿着相应的转子叶片的前缘的至少一个点。这种布置具有以下优势，即，可以通过使用用于多个LDA的同一光源来降低多个激光源的高成本。可以使用分束器或者其它多路转换器来使由激光源发射的光束分开。

现在将参照附图仅通过实施例的方式来描述本发明的实施方式，附图中：

图1示出了本发明的实施方式；

图2示出了基本的激光多普勒风速计的一个实施例；

图3示出了用于测量局部空气流动速度向量的不止一个分量的激光多普勒风速计装置的实施例；以及

图4是示出实施本发明的控制风轮机叶片的方法的流程图。

图1示出了风轮机叶片的示意图。该叶片可以是通常由两个模制的半部形成的单件式叶片或者可以具有模块化的结构。该叶片还可以设置有一个或更多个控制表面，例如，后缘襟翼或者前缘襟翼、叶尖制动器、缝翼或扰流器。在该实例中，叶片设置有多个后缘襟翼30。叶片2具有前缘4、后缘6、叶稍8和根端10。激光多普勒风速计(LDA)12布置在叶片的前缘4。可以将LDA安装到叶片的前缘上或者设置在叶片的前缘中。尽管在该实施方式中仅示出了一个LDA，但可以理解的是，可以设置多个LDA。如果有多个LDA，那么这些LDA可以沿着前缘4的长度均匀地间隔开。

在使用多个LDA的情形中，这些LDA可以沿着叶片的长度间隔开，每个LDA均可提供单独的测量。另选地，为了降低成本，LDA可以结合其它更便宜并且更简单的流动测量装置一起使用。在这种情形中，一个或更多个LDA沿着叶片布置在最重要的测量点，而其它装置布置在不太重要的位置，例如，布置在从风中取得较少能量的转子毂附近。在使用多个LDA或者一个或更多个LDA以及其它流动测量装置组合使用的情况中，可以对从一个LDA获取的流动信息进行加权，以考虑到由邻近的LDA或者流动测量装置获取的流动信息。

激光多普勒风速测定法是用于测量流动状态的技术。为了避免不确定性，术语“激光多普勒风速计”指的是利用激光多普勒风速测定法的原理的任何装置。

图2示出了LDA的一个实例。两个激光束14布置为使得它们在距离该装置预定的距离处相交。在这个实例中，激光束14是利用分束器和布拉格盒18由单个激光器16产生的。然后利用透镜20使这些光束聚焦以使它们的路径相交。光束交叉的区域22被称作测量区(measurement volume)，并且这就是测量流动速度的地方。

激光束在测量区中的干涉形成一组与光束等分线相平行的相等间隔的干涉条纹。当由流动携带的颗粒穿过干涉条纹时，这些颗粒使光散射，光散射的量随着颗粒穿过干涉条纹而波动。波动的频率由此与颗粒的与干涉条纹正交的速度成比例。已经知道，风中通常自然地携带有足以使LDA在风轮机叶片上操作的足够多的颗粒。夹带在空气中的颗粒主要是尘土颗粒或者水滴。

散射的光被LDA探测到，然后进行处理以确定流动参数。

在图1的实施方式中，LDA 12布置为探测转子叶片4的前缘区域中的空气流动。具体地，LDA布置为测量靠近叶片表面(例如距离叶片表面仅几厘米处)的空气流动。然而，可以改变LDA测量空气流动的布置位置。参照图2中示出的实施例，可以通过调整透镜20的焦距以改变测量区的位置来调整测量位置。

在这个实施例中，LDA被定位在叶片的前缘，因此激光束可以大致垂直于叶片表面发射，使得测量区被设置在前缘区域中。然而，可以理解的是，其它构造也是可以的。例如，可以将LDA定位在叶片上的不同位置，并且可以在多个位置发射激光束，接收散射光。

在使用多个LDA的情况中，在多个LDA之间共用部件可能是方便的并且是节约成本的。例如，单个激光源可以用于两个或更多个LDA。这种布置要求将输出的激光分成用于各个LDA的分离的光束，这可以通过利用公知的诸如分束器或者其它多路转换器的技术来实现。信号可以通过光纤从分束器提供到位于叶片上的期望点处的透镜。在一个实施方式中，可以在转子毂中安装单个激光源，并且分割激光束以将由光纤承载的信号提供到各个叶片上的一个或更多个位置处。这种布置可能需要相对较高功率的激光，但是可以实现相当大的成本节约。这种布置还具有其它优点，即，可以将精密的激光器部件安装在与位于叶片上相比更易于接近以便进行修理和维护的位置，如果位于叶片上，可能距离维修点大约几十米远。

参照图1的实施方式，由LDA 12接收到的光学信号通过光纤26传输到处理器24。利用光电探测器(未示出)，处理器24将探测到的光强的波动转换成电压信号的波动，由此可以由该电压信号的波动来确定流动速度。空气流动测量值则用于确定控制风轮机用的控制信号。例如，可以通过控制诸如叶片的空气动力学型面之类的叶片变量来控制风轮机。空气动力学型面可以通过改变控制表面的位置来改变。在图1的实施例中，可以由控制系统28改变后缘襟翼30的位置来控制叶片型面。

可以理解的是，可以以多种方式来对上面参照图2描述的LDA装置进行修改，例如，使用多种不同的已知LDA系统中的一种LDA系统。

参照图2描述的LDA能够探测局部流动速度向量的一个分量。在优选的实施方式中，使用激光多普勒风速测定法来探测局部流动速度向量的两个或更多个分量。这可以通过使用不同颜色的附加的激光束来实现。具有不同频率的成对的激光束可以对准成使得它们的测量区相重叠。在本领域中，公知许多此类方法。

图3示出了可以用于测量局部迎面而来的空气的流动速度向量的两个分量的LDA装置的实施例。

三个激光束26、28和30由激光器(未示出)在叶片24的前缘的前方发出，这些激光器布置为在沿着直线大致等距离间隔开的点处发光。激光束均在同一平面中发射。

在这个实施例中，第一光束26是绿色激光束，并且第三光束30是蓝色激光束。在第一光束26与第三激光束30之间发射的第二激光束28既包括绿色组分也包括蓝色组分。然而，可以理解的是，还可以使用包括例如红外激光束的其它频率的激光束。仅有的要求是激光束包括足以使光探测系统能进行区分的不同的光波长。

LDA布置为使得所有激光束的路径在同一点处相交。因此，第一激光束26和第三激光束30朝向第二激光束28以大致相同的角度发射。在图3中，通过虚线圆圈示出了光束交叉的可以被称作测量区的区域32。

图3A详细地示出了测量区。实线34、36和38分别代表图3中示出的激光束26、28和30。

可以理解的是，将在测量区中产生两个干涉场(未示出)，一个干涉场通过绿光干涉产生，另一个干涉场通过蓝光干涉产生。由此，将会形成这样的干涉场，所述干涉场具有平行于第一光束34和第二光束36的等分线的干涉条纹以及平行于第二光束36和第三光束38的等分线的干涉条纹。

如参照图2所讨论的，当由流动携带的颗粒穿过干涉条纹时，这些颗粒使光散射。在这种情形中，可以理解的是，使用不同频率的光使得能够使对来自两个干涉场中的每个场进行的测量相互独立。

可以使用光电探测器(未示出)来探测散射光，并且可以将探测到的各个颜色的光强的波动转换成电压信号，从该电压信号可以确定与相应的干涉场的条纹正交的流动速度。

因此，可以确定两个垂直于在相应的干涉光束之间延伸的每个路径的方向上的流动速度。参照图3A，这两个路径由虚线表示。

因此，使用图3中示出的LDA装置，可以确定局部速度向量的两个分量。

借助于LDA进行的测量可以用于获取入流状态的信息。可以探测风况的灵敏变化。具体地，可以根据LDA测量值(例如根据利用图3和图3A描述的LDA装置获取的测量值)来确定迎风的迎角。具体地，可以使用该信息，以方便高效且有效的叶片控制。

LDA数据可以与由其它激光测量装置获得的数据结合使用，所述其它激光测量装置诸如毂或者机舱安装的激光雷达，该雷达测量恰好在风轮机前方的点处的风况，以使风轮机对可能损坏风轮机部件的强风做出反应。来自LDA的数据可以用于校验激光雷达的测量值并且用于提供训练数据以改进基于激光雷达的远程感测系统的可靠性和有效性。

优选地，将LDA结合到叶片中，以使得能减小由该装置对叶片上方的空气流动造成的任何扰动。可以在叶片表面中设置槽，激光束可由LDA从槽中发射出来。在一个实施方式中，可以将LDA包在叶片中。可以在叶片表面中设置窗口，由LDA发射的激光束可以穿过所述窗口。窗口可以是敞开的或者由防护性覆盖件覆盖。由于窗口可以被制得较小，因此它们不会显著影响叶片上方的流动。在图1的实施方式中，处理器24位于远离LDA的位置，例如位于叶片根部，以方便构造。另选地，可以将处理器与其它控制设备一起布置在机舱或者毂罩中。由于毂罩靠近可能需要与其进行通信的其它电子部件，因此位于毂罩中是有利的。

在一些实施方式中，控制系统28可以是较大的风轮机控制系统的一部分。这种较大的控制系统是公知的，并且可以用于控制大量的风轮机变量。可以理解的是，控制信号可以用于控制多种风轮机变量。例如，可以控制转子速度或者叶片的空气动力学型面。如上所述，可以控制一个或更多个控制表面(例如，叶片上的后缘襟翼)的位置以改变叶片的型面，或者可以以另一种方式更改叶片的形状。出于不同的目的，襟翼可以位于叶片上的任何点处，例如位于前缘上或者位于叶稍以及后缘。还可以控制缝翼和扰流器。

图4示出了根据本发明的实施方式可以采取以用于控制诸如叶片的空气动力学型面的风轮机变量的步骤。在步骤44，借助于设置在叶片处的LDA来探测由测量区散射的光。在步骤46，优选地通过光纤将探测到的光学信号传输到处理器，并且在步骤48，处理器将光学信号转换成电压信号。即，将探测到的光强的波动转换成电压信号的波动，在步骤50，根据前述电压信号的波动来确定空气流动速度。在步骤52，使用空气流动测量值来确定控制信号，以便控制诸如风轮机叶片的空气动力学型面的风轮机变量，例如，控制后缘襟翼。在步骤54，控制器应用该信号以改变待被控制的参数。

本发明的实施方式使得能够更准确地确定转子叶片的前缘区域中的空气流动特性。具体地，可以在叶片表面附近进行准确的流动测量，并且激光多普勒风速测定法允许获得精确测量值而基本上不会干扰正被测量的流动。具体地，可以根据LDA测量值来确定迎风的迎角。通过例如使用不同频率的激光器，可以确定不止一个空气流动速度分量。本发明的将LDA装置结合到叶片中的优选实施方式还减小了探测系统对叶片上方的空气流动的影响。优选地，将LDA设置在叶片中，并在叶片表面中设置窗口，由LDA发射的激光束可以穿过所述窗口。窗口可以制得非常小以使它们不会显著影响流动。

因此，本发明的实施方式具有以下优点，即，可以更有效地控制诸如叶片型面之类的风轮机变量。这种控制可以基于多种准确的空气流动测量值来进行。LDA装置可以布置为使得其基本上不会干涉叶片上方的空气流动。此外，本发明的实施方式还具有以下优点，即，它们比先前使用的5孔皮托管更可靠，要求较少的维护，并且降低了闪电击中的风险。

可以对所述实施方式做出各种修改和替换，并且这些修改和替换是本领域的技术人员容易想到的。如上所述，各种类型的LDA系统都可以用于探测转子叶片前缘区域中的空气流动。还可以控制各种风轮机变量。该系统可以用于控制转子速度或者叶片上的任何能够改变叶片的空气动力学型面的控制表面。

Claims (19)

1.一种用于控制风轮机的系统，该系统包括布置在转子叶片处以测量所述叶片的前缘区域中的空气流动的激光多普勒风速计、以及用于由此确定控制所述风轮机用的控制信号的处理器。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制信号控制叶片变量。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述激光多普勒风速计设置在所述叶片中。

4.根据前述任一权利要求所述的系统，其中，在所述叶片表面上设置有窗口，并且所述激光多普勒风速计设置在所述叶片的内部，所述激光多普勒风速计布置为发射穿过所述窗口的激光束。

5.根据前述任一权利要求所述的系统，其中，所述激光多普勒风速计测量空气流动速度向量的不止一个分量。

6.根据前述任一权利要求所述的系统，其中，所述激光多普勒风速计测量迎风的迎角。

7.根据前述任一权利要求所述的系统，该系统包括沿着所述叶片的前缘间隔开的多个激光多普勒风速计。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述多个激光多普勒风速计沿着所述叶片大致等距离地间隔开。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，由所述多个激光多普勒风速计中的一个激光多普勒风速计输出的信号根据邻近的激光多普勒风速计的测量值来加权。

10.根据前述任一权利要求所述的系统，其中，所述叶片包括控制表面，所述控制信号控制所述控制表面的位置。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述控制表面是后缘襟翼。

12.一种用于控制风轮机的系统，该系统包括布置为测量转子叶片的前缘区域中的空气流动的激光多普勒风速计、以及用于由此确定控制所述风轮机用的控制信号的处理器。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述激光多普勒风速计包括布置在风轮机转子毂处的激光源和布置在所述转子叶片内的光纤，所述光纤用于将由所述激光源发射的激光传输到沿着所述叶片的前缘的至少一个点。

14.根据权利要求13所述的系统，该系统包括布置在多个转子叶片内的多个光纤，各个光纤将由所述激光源激发的激光传输到沿着相应的转子叶片的前缘的至少一个点。

15.根据权利要求13或14所述的系统，其中，沿着所述叶片的前缘的所述点是叶片表面上的窗口。

16.一种风轮机，该风轮机具有前述任一权利要求所述的控制系统。

17.一种用于控制风轮机的方法，该方法包括：利用布置在转子叶片处的激光多普勒风速计测量所述叶片的前缘区域中的空气流动；由此基于测量值来确定控制信号；以及将所述控制信号应用于可变的风轮机参数以控制所述风轮机。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述控制信号被应用于控制后缘襟翼的位置。

19.一种用于控制风轮机的方法，该方法包括：

利用激光多普勒风速计测量叶片的前缘区域中的空气流动；

由此基于测量值来确定控制信号；以及

将所述控制信号应用于可变的风轮机参数以控制所述风轮机。

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