CN108463630A - 用于评估到风能设备的转子叶片上的迎流的方法以及用于控制风能设备的方法和风能设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于估计风能设备(100)的转子叶片(108)处的迎流的方法，所述方法包括下述步骤：‑在至少一个测量位置处记录所述转子叶片(108)处的压力(P)的，尤其壁压力的压力谱的至少一部分，‑从所述压力谱确定至少两个特征值(P1，P2)，‑根据所述至少两个特征值(P1，P2)彼此间的关系形成指示值(I)，以及‑根据所述指示值(I)估计是否存在临界的迎流(24)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于评估到风能设备的转子叶片上的迎流的方法。此外，本发明涉及一种用于运行风能设备的方法。本发明还涉及一种风能设备。
背景技术
风能设备是已知的并且经常被架设。在一些所在地产生所谓的OAM噪音(“其它振幅调制：Other Amplitude Modulation”)。该OAM噪音基本上在如下所在地处产生，所述所在地在转子圆盘上的风速中具有尤其大的梯度。这种OAM噪音也能够在特定的大气条件下产生，所述大气条件同样引起大的梯度。如果叶片经过所谓的12点位置，也就是说，处于向上垂直，那么假设：由于在更大的高度中的明显更高的风速，在转子叶片处出现非常大的迎角。于是产生临界的迎流。尤其在此存在失速的危险，这例如在S.Oerlemans的公开物“Effect of wind shear on amplitude modulation of wind turbine noise”，DOI:10.1260/1475-472X.14.5-6.715中被探讨。就此而言，临界的迎流是这种其中产生失速危险的迎流。
如果迎角超过一定临界值，那么突发地引起边界层的分离，这也对声强产生强烈的作用并且对风能设备的气动声学的噪音的特征产生强烈的影响。稍后，当转子叶片已经经过12点位置时，迎角再次减小，流动又贴靠到轮廓上并且噪音的强度和特征再次是较小的或“正常的”。
因为后续的叶片碰到类似的环境，即类似的边缘条件，所以再次引起同一现象。这被认为以叶片经过频率对低频噪音的强度的调制。相对于“正常的”后缘噪音，即持续出现的后缘噪音的方向特征，所描述的分离噪音更确切地说偶极状地沿转子轴线辐射从而能够——也受在几乎不因环境而减弱的低频带中的提高的强度所决定——越过非常宽的路段，例如超过2km进而在通常无法感知到所述设备的地点处是可听见的。
减少对低频噪音的强度的这种调制的一种可行性原则上在于，通常降低噪音级并且例如使风能设备在节流运行中运行，在所述节流运行中功率尤其也受限制。另一方面，限制功率或者转速原则上是不期望的从而应当尽可能少地执行。
也已知一种在远场中探测OAM事件的方法，以便介入到调控中。但是在远场中的这种探测是耗费的并且仅当噪音已经产生时才能够探测所述噪音。
其它方法基于确定迎角，但是临界迎角不仅与围绕转子叶片轮廓的边界层的特征相关从而与表面的状况相关尤其也与污物相关。在这种情况下，此外尤其高精度地确定迎角是重要的，以至于所述方法会尤其易受影响地对不精确性作出反应。
德国专利商标局在关于本申请的优先权申请中检索了下述现有技术:DE 10 2014210 949 A1、DE 20 2013 007 142 U1、US 2002/0134891 A1以及Stéphane Moreau等的文章"Effect of Airfoil Aerodynamic Loading on Trailing-Edge Noise Sources"和Stéphane Moreau等的"Flow Features and Self-Noise of Airfoils Near Stall or inStall"。
发明内容
本申请由此基于下述目的：针对之前所描述的问题中的至少一个。特别地，应当提出一种解决方案，借助于所述解决方案尽可能好地和/或尽可能及早地降低所描述的对低频噪音的强度的调制，所述调制通过叶片经过频率来进行。至少应当相对于迄今为止已知的解决方案提出一种替选的解决方案。
根据本发明提出一种根据权利要求1的方法。在该方法中评估转子叶片上的迎流从而随后能够尤其识别临界的迎流，尤其即将发生的失速或者分离倾向。为此提出所述方法，评估在风能设备的至少一个转子叶片处的迎流并且为此执行至少下述步骤：
-在至少一个测量位置处记录转子叶片处的压力的压力谱的至少一部分，所述压力尤其是壁压力，
-从压力谱中确定至少两个特征值，
-从至少两个特征值彼此间的关系形成指示值，并且
-根据指示值评估是否存在临界迎流。
由此首先在至少一个测量位置处记录在转子叶片处的壁压力的压力谱的至少一部分。为此，压力传感器，尤其以无电势的方式工作的压力传感器能够设置在转子叶片表面的区域中，使得所述压力传感器在该处尤其连续地，必要时在数字采样的范围中测量压力，所述压力在该处在转子叶片的区域中出现或者在转子叶片处施加在测量位置上。该压力也能够称为壁压力。所述压力在此定性地记录，使得谱是可识别和可评估的。就此而言，记录专用的压力信号，这直观地大致相当于通过麦克风测量噪音。最终，麦克风最后也是压力传感器并且也能够将麦克风用作为压力传感器。
从如此记录的压力谱中确定至少两个特征值，所述压力谱例如在均匀的间隔中借助于FFT来评估。特别地，确定不同频率或者频带的至少两个特征值，即出自所记录的压力谱的两个不同的频率范围的两个特征值。
根据这至少两个特征值，从这些值彼此间的关系中形成指示值。在一种情况下，该关系能够是这两个特征值彼此间的比值或者商。评估两个值就足够了。但是也能够评估多于两个的值，其方式是：将这些值例如根据频率来分组，尤其分为两组，并且随后将这些组相互关联或者对这些组分别确定特征值并且随后将这些特征值相关联。
列举另一实例，也考虑例如在多于两个值时多次形成所述值中的每两个值彼此间的关系，以便由此形成指示值。
根据该指示值，随后评估是否存在临界的迎流。临界的迎流，即在转子叶片处的临界的迎流，尤其是这种倾向于分离的迎流。已经认识到，这种分离倾向能够根据所检测的噪音来识别。在此，也已经认识到，频率特征，即压力谱，能够提供对这种临界迎流的说明。相应地，压力谱自然也能够说明何时迎流是非临界的。
通过将这两个特征值彼此相关联以便形成指示值，测量的精确性尤其在其绝对幅度方面能够是次要的。特别地，由此对于测量记录而言，校准是次要的或者甚至是可有可无的，只要在所观察的频率范围中的频率响应是恒定的或者在其它方面是已知的。
优选地，至少两个特征值具有第一谱值和第二谱值，其中第一谱值和第二谱值表征低的或者高的频率范围。特别地，所记录的或者所评估的压力谱分为两个频率范围，即低的频率范围和高的频率范围。这两个频率范围分别通过谱值表征。进行表征的一个可行性也能够在于：从这两个频率范围中的每一个频率范围中使用所记录的值，例如在该处分别出自相应的频率范围的中心的值。如果此时这两个谱值通过例如形成商或差的方式相关联，那么这也允许推断出这两个频率范围彼此的关联并且尤其是其彼此的比值。
也就是说，根据指示值从而根据这两个频率范围彼此间的关联来评估是否存在临界迎流。如果低的频率范围中的压力谱大于高的频率范围中的压力谱，那么尤其存在临界迎流。也就是说，如果第一谱值大于第二谱值，那么尤其能够存在临界迎流。
优选地，压力谱构成为功率密度谱或者作为功率密度谱来研究，并且在此划分为第一部分功率密度谱和第二部分功率密度谱，其中第一部分功率密度谱位于低的频率范围中而第二部分功率密度谱位于高的频率范围中。为此提出：至少两个特征值构成为第一谱份额和第二谱份额，并且分别通过在低的或高的频率范围上对第一或第二部分功率密度谱进行积分来形成。由此针对这两个部分功率密度谱中的每一个从而针对这两个频率范围中的每一个能够分别形成特征值。由此，整个被观察的部分功率密度谱分别流入相应形成的特征值中。由此，能够分别检测整个部分功率密度谱并且在根据这两个谱份额的关联形成指示值时考虑整个部分功率密度谱。前述第一和第二谱值能够构成为第一或第二谱份额。
根据一个实施方式提出，低的频率范围位于下面的和中间的频率之间而高的频率范围位于中间的和上面的频率之间。这些下面的、中间的和上面的频率分别是可预设的。通过预设这些频率值能够限定这两个频率范围。由此，频率范围可被选择为，使得如此产生特征值、尤其第一和第二谱值或第一和第二谱份额，使得其彼此间的关联对于评估迎流是有效的。
优选地，中间的频率被设定为，使得如果存在临界迎流，那么功率密度谱在低的频率范围中具有最大值。例如能够在风洞中或者也经由模拟执行试验，所述试验尤其自然在测量位置的范围中改变到转子叶片上的迎流，使得所述迎流转变为临界迎流。在此，能够记录和评估功率密度谱。在此，也记录功率密度谱的最大值的改变并且随后能够将中间的频率设定为，使得如果存在临界迎流，那么功率密度谱在低的频率范围中具有最大值，即小于该中间的频率。特别地，自然该中间的频率随后被选择为，使得在非临界的迎流中所述最大值大于该中间的频率。
此外或者替选地提出，下面的、中间的和上面的频率被设定为，使得低的频率范围和高的频率范围是相同大小的，举一个实例，也就是说，使得这两个频率范围例如分别覆盖200Hz。尤其对于对部分功率密度谱进行积分而言，一个实施方式是选择相同大小的频率范围，以便由此力求实现部分功率密度谱的这种积分的结果的良好的可比性。在该实例中，基于相同的算术划分。根据一个实施方式，在这两个频率范围一样大的划分中基于对数划分。
此外或者替选地提出，下面的、中间的或者上面的频率根据转子叶片的污染程度或者侵蚀程度来设定。这也意味着：在例如半年、一年或者数年的特定的运行持续时间之后，能够改变频率范围，以便抵消因侵蚀引起的改变。原则上在此也基于如下常识：部分功率密度谱的特征能够随着转子叶片的污染程度的增加而改变。为了考虑这个，能够在风洞中或者在模拟中进行专门的或者一般的研究，以便检测功率密度谱的这种改变。尤其已经认识到，功率密度谱的最大值能够移动，并且相应地为了尽可能好的评估能够有利的是，至少将中间的频率随后相应地移动或者重新选择。优选地，下面的和上面的频率相应地也改变以进行匹配。
根据一个优选的实施方式，下面的、中间的和上面的频率被选择为，使得评估相对于转子叶片从较干净的状态变为污染状态是容错的或者稳健的。
根据另一实施方式提出：下面的、中间的或者上面的频率根据风能设备的架设地点处的声音发射边界值来设定。根据特征值的关系，尤其根据第一谱值与第二谱值的关系或第一谱份额与第二谱份额的关系，可推导出风能设备的声音发射值。这也能够在风洞中或者在实验设施中研究。如果这种关联性随后被检测，那么能够进行下面的、中间的和/或上面的频率的设定以遵循分别需要的声音发射边界值。
根据另一实施方式提出，下面的、中间的和上面的频率根据在风能设备的区域中的声音测量来设定。由此变得可行的是，以简单的方式方法设定这些值尤其用于相应的设备处的测试运行。由此能够真实地分别考虑相关的风能设备或相关的架设地点的环境条件。
根据一个实施方式提出，下面的、中间的和上面的频率设定为值200Hz、400Hz或600Hz或者设定为在相应的范围中的值。200Hz、400Hz和600Hz的值即使针对不同的设备也证实是良好的值。但是，所提到的三个精确的值不一定是关键的从而也能够进行在所提到的三个值周围的范围中的设定，例如分别在相应的值周围±20Hz的区间中设定，或者以在相应的值周围±50Hz设定。
根据一个有利的设计方案提出，指示值是至少两个特征值中的两个特征值的商或者是第一谱值和第二谱值的商或者是第一谱份额和第二谱份额的商。如果指示值大于可预设的比值边界值，那么进行所提出的评估，使得认为临界的迎流，也就是说，评估临界的迎流存在。优选地，这种比值边界值大于1。
通过形成该商，形成所述商的绝对值不再是关键的或者是不那么关键的。由此仅形成比值从而在结果中仅评估特征，但是不评估绝对值，虽然自然绝对值也包括在计算中。在任何情况下由此能够以简单的方式方法进行特征的评估。这基于如下认识：尤其根据对特征的评估能够推导出存在空气流的分离倾向的状况。
替选地，也能够将特征值中的一个与绝对对照值进行比较。第一特征值和第二特征值的商与比值边界值的比较例如对应于第一特征值与如下乘积的比较从而是等价的实现，所述乘积是第二特征值和比值边界值的乘积。
在任何情况下，可根据所述商与比值边界值的这种比较以简单的方式方法进行评估：是否存在临界的迎流。尤其优选地，在商>1时能够认为临界的迎流而在商<＝1时能够认为非临界的或者正常的迎流。尽管如此一个优选的实施方式是，给出具体的比值边界值，所述比值边界值尤其能够大于1。由此能够进行清楚且明确的限定：自何时起认为临界的迎流。
这种比值边界值也能够根据具体的风能设备或者根据具体的边缘条件来实行。在此，尤其能够包括相关的转子叶片的污染程度。由此能够考虑：在不同的污染程度中也能够存在不同的分离倾向。所基于的技术上的给定条件有时会是相当复杂的。但是所述技术上的给定条件在此能够通过确定相应的比值边界值简单且明确地实行以用于待执行的评估。如果频率范围以此为例也根据转子叶片的污染程度来设定，那么这能够相应地与比值边界值的预设相配合。
根据另一实施方式提出，至少一个测量位置设置在转子叶片的转子叶片后缘的区域中。尤其在转子叶片后缘的区域中首先出现流动的分离，使得在这种情况下也能够更好地探测分离倾向从而更好地探测临界的迎流。此外，传感器在该位置处相对好地被保护免受侵蚀过程。
此外或者替选地，提出，测量位置设置在转子叶片的吸力侧上。这也考虑：预测在吸力侧上的分离倾向，至少在此处尤其所基于的现象中。也就是说，在所提到的现象中，恰好在转子叶片中在所谓的12点位置中与当转子叶片处于6点位置中时相比预计有更高的风速，在此为了说明而列举这两个极端的位置。由于提高的风速，迎角也改变，即改变成，使得分离倾向能够在转子叶片的吸力侧上出现。然而，分离也可能能够在6点位置出现，也就是说，尤其在转子叶片的压力侧处出现。
在此迎角是如下角，在所述角中视风迎向相关的转子叶片轮廓流动。通过调节叶片角，尤其通过相应地操作至少一个变桨马达，因此也改变迎角。只要在此并且接下来提及迎角的调节，那么将其理解为叶片角的调节，所述叶片角的调节事实上引起迎角的调节。
根据另一实施方式提出，测量位置设置在转子叶片的关于其纵轴线位于外部的区域中，尤其设置在从转子叶片的连接区域，即从转子叶片根部直至转子叶片的叶尖的60％至95％、尤其75％至85％区域中。在该区域中，尤其考虑所描述的现象，因为在此存在转子叶片的高的轨道速度，但是同时也存在显著的轮廓，即尤其大的弦长。换言之，提出：将测量位置设置在叶尖外部，但是不完全在外部。
优选地，设有多个测量位置，尤其在每个转子叶片上设置一个测量位置或者尤其优选在每个转子叶片上设置多个测量位置。尤其在每个转子叶片处进行测量时，能够有利的是，中央地在转子轮毂中进行评估。
优选地，将指示值进行低通滤波，也就是说，借助于具有低通特征的滤波功能进行滤波。根据出自风洞实验的测量数据已经认识到，指示值能够经受非常大的波动，尤其能够是有噪音的。因此提出，对指示器进行低通滤波。也已经尝试如下测量和评估，所述测量和评估基于风洞测量数据并且使用单级指数平滑。已经表明：由此能够良好地压制噪音和一些异常测值，然而指示器因此变得迟钝，也就是说，示出动态的阶跃响应。
根据本发明，此外提出一种用于控制风能设备的方法，所述方法基于具有如下转子的风能设备，所述转子具有至少一个其叶片角可调节的转子叶片。特别地，设有具有三个这种转子叶片的转子。该方法包括如下步骤：
-在至少一个测量位置处评估至少一个转子叶片处的压力测量，
-根据压力测量的评估来估计在转子叶片处是否存在临界迎流，以及
-如果已经估计有临界的迎流，那么调节转子叶片的迎角，以便改进迎流。
也就是说，在至少一个转子叶片处进行和评估至少一个压力测量。所述评估尤其能够包含频率分析或者包含利用带通与紧接着的信号分析的评估。根据对压力测量的评估于是估计是否在转子叶片处存在临界的迎流，并且于是必要时对其作出反应，其方式是：如果已经估计有临界的迎流，那么减小相关的转子叶片的迎角。在此，进行转子叶片的调节，使得迎流被改进。也就是说，所述调节进行为，使得减小或克服分离倾向。特别地，为此转子叶片进一步旋转到风中，也就是说，提高叶片角。
尤其对于估计是否存在临界的迎流，使用根据上述实施方式中的至少一个所述的方法。也就是说，尤其利用所述方法在测量位置处记录转子叶片上的压力谱的至少一部分并且根据所述压力谱确定特征值并且由此确定指示值，也就是说，根据这两个特征值彼此的关联确定指示值。最后，由此根据所形成的指示值估计是否存在临界的迎流。
转子叶片的调节进行为，使得指示值再次减小到低于边界值，尤其低于比值边界值。相应提出，持续重复这种方法以进行估计，例如每秒10次，必要时借助于在时间上相交的测量窗，并且也相应地一再重新实施估计步骤。如果确定指示值，所述指示值大于比例边界值，那么由此调节相应的转子叶片的迎角并且相应地指示值也减小。这能够被观察，并且相应地，叶片角的调节能够以此为导向。
如此所执行的调节优选针对风能设备的所有转子叶片来执行并且能够被保留，尤其在转子的至少一转上被保留，尤其在转子的数转上被保留。
优选地，设有滞后上限值和滞后下限值，其中如果指示值超过滞后上限值，那么开始调节，但是继续所述调节直至指示值低于滞后下限值。在此，滞后下限值小于滞后上限值，使得由此展开一个滞后范围。由此能够防止，由于变化的测量就已经进行围绕唯一的边界值的持续的调控。
已经认识到，通常仅在短时间内尤其在小于一分钟的时间内存在用于OAM的条件。为了进行考虑，根据一个实施方式提出，设有计时器，即预定的持续时间，所述计时器或持续时间在预设的时间区间中，尤其在一分钟内持久地低于滞后下限值时可使风能设备再次返回到正常的运行中。在最后一次持续小于滞后下限值之后，在计时器走完之后，也就是说，在预定的持续时间走完之后，由此式转子叶片的调节再次减弱。
特别地，提出一种用于控制风能设备的方法，所述方法具有下述步骤：
-在转子叶片后缘附近在吸力侧上记录转子叶片处的，尤其转子叶片的外部区域处的压力的压力谱的至少一部分，
-执行所记录的压力谱的谱评估，
-将压力谱划分为第一部分功率密度谱和第二部分功率密度谱，
-通过对第一或第二部分功率密度谱进行积分来计算第一和第二谱份额，
-形成第一和第二谱份额的商作为指示值，
-将指示值与可预设的比值边界值进行比较，并且如果指示值超过比值边界值，那么估计存在临界流动，
-如果已经估计存在临界流动，那么减小转子叶片的迎角，以及
-重复这些步骤。
优选地，在受限的范围中关于已经在正常运行中所设定的叶片角以预定的变化角，尤其5°或10°的变化角执行叶片角的增大。根据该实施方式，由此提出，所提到的步骤依次执行并且持续地重复，以便连续地记录、评估相应的测量值并且必要时调节叶片角。指出：在此叶片角的增大引起迎角的减小。
此外，提出一种用于控制具有如下转子的风能设备的方法，所述转子具有至少一个其叶片角可调节的转子叶片，所述方法具有下述步骤：
-记录在风能设备处的声音测量，
-评估声音测量：是否存在振幅大于可预设的次声边界值的次声，以及
-如果对次声测量的评估已经得出：存在振幅大于可预设的次声边界值的次声，那么改变风能设备的至少一个运行设置。
由此，在此提出，首先记录风能设备处的声音测量。所述记录能够在转子叶片处，但是也能够在风能设备的吊舱或者塔处。也考虑在风能设备附近的声音测量。在任何情况下在此提出一种声音测量，所述声音测量检验是否存在具有一定振幅的次声。在此，这尤其涉及如下振幅，所述振幅总的来说也仅在理论上引起对于人和动物而言可感觉到的次声。在此，尤其将频率为大约1Hz至20Hz的声音认为为次声，但是所述频率也能够是更低的，例如直至0.1Hz。
如果检测到具有这种振幅的次声，那么提出，改变风能设备的至少一个运行设置。为此，可预设次声边界值并且检验所检测的次声是否具有高于次声边界值的振幅。
在此，也能够实行与至少一个之前所描述的实施方式的组合，所述实施方式研究对临界的迎流的检测。这种临界的迎流由于在上文中所描述的现象能够被视作为频率调制。因此能够考虑，类似的作用和/或类似的感知一方面针对频率调制设定并且另一方面针对次声来设定，虽然这两者在物理上是略不同的。在频率调制中一定频率或者频率范围的噪音脉冲式地出现从而必要时能够被视作为次声等，因为脉动具有在次声范围中的频率，所述频率或频率范围远大于次声。而实际的次声仅具有频率非常低的，尤其20Hz或者更低的噪音。
如果已经检测到具有相应高的振幅的次声，那么在该次声情况下作为对策提出：改变风能设备的至少一个运行设置，以便由此尽可能改变次声的源和/或放大。
优选地，为了调节运行设置，考虑改变转子叶片的迎角，以便改进迎流，这也对应于根据许多在上文中所描述的实施方式所提出的措施。
此外或者替选地提出，改变尤其减小转子转速。由此也减小次声的源强度。
此外或者替选地，考虑减小由风能设备所产生的功率。这也能够是用于减少次声的措施。在此需注意的是，改变或降低所产生的功率例如也能够影响到风能设备以何等大小的阻力抵抗风。相应地，该措施也能够对声音的产生具有影响。
根据一个实施方式提出，转子叶片随着风能设备的转子旋转，并且
-为了记录压力谱的至少一个部分，记录在转子的至少一转，尤其数转上的压力，以及
-在每一转中相继执行多次压力测量，尤其以统一的方式和/或以均匀的间隔执行，其中
-对压力测量中的每一次压力测量确定瞬时的压力谱，并且根据至少一转的所有压力测量的瞬时的压力谱通过形成平均值来形成压力谱的至少一部分。
据此，转子旋转，尤其在风能设备运行时旋转，并且在此相继记录，尤其连续或者近似连续记录压力测量。尤其持续地测量，尤其借助于噪音传感器，所述噪音传感器由此记录压力。测量被评估并且产生功率谱或者功率密度谱，也就是说，对每次测量或对每个测量时间点。例如能够以如下扫描频率对测量进行扫描，所述扫描频率允许例如经由FFT确定功率谱或者功率密度谱。这种如此被持续扫描的测量也能够称为近似连续测量。
通过形成平均值，在此处所观察的时间段上产生良好的总图像，所述形成平均值在最简单的情况下作为算术平均值形成。零星出现的强的偏差也能够被平均并且不起重要作用。特别地，这种零星出现的强的偏差于是较少地影响所提出的对一个或多个转子叶片的调控。也已经认识到，较少波动的值也仅引起抑制性的叶片调节就足够了，所述较少波动的值为此在几转上不改变或者较少地改变。避免过度频繁地调节一个或多个转子叶片。
根据一个实施方式为此提出：
-随着转子的旋转检测转子的角位置α，以及
-每个瞬时的压力谱在形成平均值之前与角位置α的余弦值，即cos(α)相乘，特别地，角位置α为此被限定为，使得当相关的转子叶片处于上方，即处于12点钟位置时，那么所述角位置采用值0°。
通过这些措施能够将均匀的噪音，即干扰信号从测量信号中消除或者至少降低，所述干扰信号与原本待评估的特征信号叠加。这基于下述思想。
能够预示待避免的失速的噪音尤其当转子叶片处于上方时，即处于转子叶片的12点钟位置的区域中时出现。这些噪音在此形成特征信号。也就是说，在上方风速通常高于在下方从而在该处也更容易出现失速。尽管如此，提出：不仅针对上方区域调节转子叶片，而且至少可针对一转或数转调节转子叶片。在考虑与其关联的作用到变桨轴承或者马达上的附加的交变载荷的条件下，替选地，自然也能够进行对转子叶片的周期性的调节。
已经认识到，除了待验证的噪音，即特征信号之外，也叠加有大致均匀的噪音，即干扰信号。但是，该干扰信号基本上与高度无关地出现，也就是说，与转子叶片处于上方还是下方无关地出现，而特征信号基本上在上方出现。
如果此时每个瞬时的测量信号，或由其推导出的瞬时的压力谱与转子叶片的相应当前的或者所属的角位置的余弦值相乘，也就是说，与cos(α)相乘，那么因此这一方面对干扰信号并且另一方面对特征信号具有不同的作用。对于干扰信号而言，基本上产生余弦函数或产生根据余弦函数的分布，所述余弦函数或根据余弦函数的分布在一个完整的转或数个完整的转上以取平均的方式得到零。由此使干扰信号最终到达平均从而被滤除。
但是，如果余弦函数基本上具有1的值，那么特征信号基本上在上方出现。也就是说，在所述特征信号以趋于高的值出现的地点，与1相乘。不同于干扰信号，特征信号在下方的区域中，尤其在6点钟位置的区域中具有较低的值，所述较低的值随后以负号进入到平均值的形成中。由此在一转上根据切变形势产生不为零的值。
因此，仅保留特征信号或者至少主要保留特征信号。
对于该效果而言尤其有利的是，在一个完整的转或者数个完整的转上记录所述测量或平均值的形成。但是，尤其在许多转例如10转或更多转中，仍然出现所描述的滤波效果或者达到平均的效果，因为干扰信号由此在任何情况下都会显著降低。
根据本发明，此外提出一种具有如下转子的风能设备，所述转子具有迎角可调节的转子叶片，所述风能设备包括：
-至少一个传感器，所述传感器用于在至少一个测量位置处记录转子叶片中的至少一个转子叶片上的壁压力的压力谱的至少一部分，其中风能设备配置用于：
-评估压力谱的至少一部分，
-根据对压力测量的评估来估计在转子叶片处是否存在临界的迎流，以及
-如果已经估计有临界的迎流，那么调节转子叶片的迎角，以便改进迎流。
优选提出，仅当风能设备具有大于可预设的边界转速的转子转速时，才进行转子叶片的迎角的改变以改进迎流。在此，基于如下认识：尤其频率调制不仅能够与压力谱的所描述的评估相关，而且能够与转速相关。特别地，在常常与小的风速一起出现的低转速低时，所述效果较小。
这种风能设备尤其设置用于，实行或本身执行根据之前所描述的实施方式所述的至少一个方法。
优选地，对于风能设备提出，至少一个传感器作为无电势的传感器，尤其作为光学的传感器，尤其作为光纤的传感器集成在转子叶片面中。由此，这种传感器能够以简单的方式方法放在转子叶片中的所期望的测量位置处。通过使用无电势的传感器，例如相应预先制备的光波导电缆，在此能够避免雷击进入到转子叶片中并且尤其进入到传感器中的风险。
附图说明
下面根据实施例参考附图详细阐述本发明。
图1示出风能设备的立体视图，
图2示出用于阐述转子叶片处的分离现象的图表，
图3示出用于不同的迎角的两个功率密度谱，
图4示出在边缘条件不同时指示值的变化曲线，
图5示出用于图解说明控制流程的图表，所述控制流程用于控制风能设备。
具体实施方式
图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和导流罩110的转子106。转子106在运行时通过风产生旋转运动从而驱动吊舱104中的发电机。
附图示出转子叶片在对于本发明而言重要的位置处的轮廓2。所述轮廓从而还有转子叶片具有叶片前缘4和叶片后缘6。此外，所述轮廓并且自然同样还有转子叶片具有吸力侧8和压力侧10。在设备运行时，在层流情况中，不仅在吸力侧8上而且在压力侧10上分别构成边界层12或14。吸力侧或压力侧也能够称为上侧或下侧。这两个所示出的边界层12和14属于如下迎流，所述迎流在所期望的运行中与基本上层流一起出现并且作为正常的迎流16示出。关于比较方向18，相应地出现正常的迎角20，所述比较方向尤其平行于转子叶片的弦，所述弦在此未绘出。这种迎角，即正常的迎角20和在下文中仍将阐述的临界的迎角22，从描述风速的矢量与对应于转子叶片的运动的具有负号的矢量的矢量相加中产生。
如果此时风速在转子叶片即轮廓2的运动保持不变时提高，那么迎流在其方向上改变直至在图2中示出的临界的迎流24，所述临界的迎流具有所提到的临界的迎角22。如果尤其上部的边界层，即吸力侧8的边界层12改变并且产生分离倾向，那么认为有临界的迎流。这种临界的状况借助于相应改变的边界层26在图2中示出，所述改变的边界层与临界的迎流24相关联。在这种状况中，流动噪音也改变和提高。
图2也根据功率密度谱阐明作为不同的状况的基础的噪音特征。为此，压力传感器30在吸力侧8上的该重要的轮廓2处并且在叶片后缘6附近记录压力信号，尤其声音。压力传感器30由此能够是麦克风。
这种所记录的压力或声音信号能够借助于FFT，即傅里叶变换转换为功率密度谱，并且图2的图表示出三种状况的功率密度谱，即：正常的功率密度谱32，所述正常的功率密度谱在正常的迎流中，尤其在正常的迎流16中出现；临界的功率密度谱34，所述临界的功率密度谱能够在临界的迎流，尤其临界的迎流24中出现；和在分离时的功率谱36，所述功率谱当所述流分离时能够出现。
这三个功率密度谱作为关于频率f的功率密度谱Gpp以双对数的方式示出。
同样可以看到，不同的状况明显地改变功率密度谱。除了从正常的状态提高到临界的状态之外，还可以看到在频率中的移动。
此时利用这一点，如图3所阐述的那样。图2的正常的功率密度谱32和临界的功率密度谱34在图3中在分开的图表中示出。在此，这两个功率密度谱划分为低的频率范围42和高的频率范围44。在该处分别所包含的谱份额称为低的谱份额P1或高的谱份额P2。
可以清楚地看到，低的谱份额P1在正常的迎流16中形成较小的份额而在临界的迎流24中形成较大的份额。为了进行评估，此时提出，分别对部分功率密度谱进行积分并且形成商，所述商随后能够用作为指示值I。相应地，为了计算指示值I，低的谱份额P1和高的谱份额P2的商根据下述公式提出：
相应地，根据一个实施方式提出，将谱分为低的和高的频率范围42或44。通过这种划分所产生的这两个部分功率密度谱分别被积分并且由此计算商以形成指示值。此时，作为比值边界值能够以用于该指示值的之前校准的阈值为基础。如果该之前校准的阈值被指示值超出，那么一个或多个转子叶片例如首先以1°稍微从风中转出，这对于本领域技术人员而言也能够称为变桨。
这种指示值即所描述的商I的变化曲线，在图4中针对不同的风速并且针对干净和污染的转子叶片根据迎角示出。所述变化曲线在风洞实验中记录。
在此描绘5个曲线51至55，下述边缘条件适用于所述曲线：
51：在较干净的叶片时40m/s的风速
52：在较干净的叶片时60m/s的风速
53：在较干净的叶片时80m/s的风速
54：在污染的叶片时60m/s的风速
55：在污染的叶片时80m/s的风速
对于具有较干净的，即未污染的转子叶片的情况而言，即对于具有非常光滑的轮廓表面的情况而言，不同的迎流速度的曲线，即51、52和53几乎一致。指示值由此对于这些较干净的情况而言可能总是非常好地探测所开始的分离，所述指示值也能够称为功率密度谱的商或者能够称为“谱能量系数”。为此，可能仅需要该系数，并且为此尤其不再需要了解迎流速度和转速。为了进行阐明，为此示出干净的分离边界56，所述分离边界例如表示如下迎角，在此即大致8.5°的迎角，在所述迎角中即使在轮廓表面较干净从而非常光滑的情况下也可能产生分离并且也在风洞实验中产生分离。
对于污染的情况而言，即曲线54和55，与在较干净的情况中相比，临界的迎角更小。这也通过指示值，在此即指示值54和55描绘。然而，在此可以看到轻微的转速相关性，即与迎流速度的相关性。为了图解说明，针对污染的转子叶片也示出污染的分离边界58。
通过选择适当的边界频率，能够减小转速或风速和污染状况的这种影响。这种边界频率，即下面的、中间的和上面的频率f1、f2或f3，能够相应事先确定并且编程到相应的评估算法中。也能够存在四个频率，其中每两个分别限定一个频率范围。其中两个频率可能一致并且相应地形成中间的频率f2，或者实际上能够选择四个不相关的频率。
此外或者替选地，也仅自声音临界的转速起，才能够灵敏地接通所描述的调控，在大于所述声音临界的转速时指示值可靠地工作。也就是说，能够提出，仅当出现预设的最小转速时，才基于指示值执行变桨。
图4由此针对不同的边缘条件示出低的谱份额P1和高的谱份额P2的比值。为此，已经选择不同的边界频率，即下面的、中间的和上面的频率或边界频率f1、f2或f3，所述频率或边界频率即使对于不同的边缘条件，也就是说，对于即使在污染的转子叶片中尤其不同的迎流速度，也提供关于比值边界值有说服力的指示值。在值为2的比值边界值60处，由此经由指示值即使对于不同的条件也能够良好地识别分离趋势。为此所选择的频率为：f1＝200Hz，f2＝400Hz以及f3＝600Hz。
为了付诸实施而提出，将一个或多个传感器在吸力侧上紧邻后缘地安置在转子叶片的外部区域中。从该处起，光纤的线路能够尽可能沿着中性的纤维，例如沿着转子叶片的承载结构中的接片，朝向轮毂铺设。在该处，一个或多个传感器能够与转子叶片中的评估单元连接——尤其当仅存在一个传感器时，或者与在轮毂中的评估单元连接——尤其当存在三个传感器，即一个转子叶片一个传感器时。列举一个实例：在评估单元处能够评估从一个或多个传感器返回的激光信号。
于是提出，将这种评估单元，尤其为此而使用的、进行评估的微处理器单元安置到风能设备的设备控制装置和设备调节装置上。由此，这种被评估的测量值，即尤其指示值，在超过事先校准的阈值时，能够引起叶片调节角马达朝向较小的迎角移动。这种校准的阈值在图4中作为比值边界值60示出。这种控制措施产生作用以减小指示值。关于图4的图表，所述图表可能对应于迎角α的减小，使得所述值在相关的曲线上对应于该改变后的迎角而改变。
对传感器的响应，即在执行对指示值的评估之后就足够触发这种动作，即对转子叶片的调节。优选地，在叶片角能够再次向回旋转之前，设有紧接着的等待时间，所述等待时间例如能够为一分钟，如果指示值在该时间期间始终小于边界值，例如小于下部的滞后值的话。如果指示值再次超过边界值，那么要继续增大叶片角，直至指示值持久地小于阈值。
然后如果在较长的时间内指示值未被触发，因为例如存在发生改变的大气条件，那么叶片角能够再次减小以提高功率，所述叶片角也能够称为桨距角。这种用于提高功率的提高然后能够通过设备控制装置实现。
根据另一实施方式提出，以较小的第二比值边界值为基础，即小于比值边界值60的第二比值边界值。由此能够实现控制中的调节滞后。在叶片角能够再次减小之前，也就是说，在转子叶片再次朝向最佳的叶片角被调节之前，在出现在上文中所描述的OAM噪音之后必须首先(持久地)低于该第二比值边界值。
控制的流程在图5中图解说明。图5由此示出调节图表70，其中传感器块72代表对与时间相关的压力p的记录，所述压力在与时间相关的压力图表74中说明。根据压力图表74的该与时间相关的压力变化曲线然后根据谱评估块76换算为功率密度谱Gpp(f)并且该结果在功率密度谱块78中说明。
在积分评估块80中然后进行对块78所说明的功率密度谱的评估。在这种评估中，基于下面的、中间的和上面的频率f1、f2或f3进行到两个频率范围的划分。由此，功率密度谱被划分为下面的和上面的谱份额，并且低的或高的谱份额的这两个功率密度谱被积分，并且形成这两个积分值的比值，以便由此形成指示值。
该指示值然后与边界值比较，即尤其与比值边界值比较，并且与此相关地在决定块82中决定：指示值是否足够低使得仍认为有正常的迎流，或者所述指示值是否已经超过比值边界值从而必须认为有临界的迎流，这在决定块82中作为否(n.ok)说明。要不然结果能够在决定块中作为是(ok)说明。与此相关地，如果在决定块82中已经确定存在临界的迎流，也就是说，结果是否，那么在执行块84中产生用于增大叶片调节角以减小迎角的控制信号。执行块84能够在中央的设备控制装置中实现，其软件相应地以对根据本发明的指示器的考虑来扩展。
这种在调节图表70中图解说明的过程于是连续地重复。这种重复能够位于大约0.01秒至0.2秒的范围中。如果指示器经过低通滤波，那么0.01秒(即100Hz)的下部的值尤其是有利的。尤其对于该情况而言，提出这种高的评估率。
由此，此时已经提出一种解决方案，借助于所述解决方案能够防止或者至少减小所不期望的噪音现象，所述噪音现象在专业领域也称为“其它振幅调制，OAM”。为此尤其提出集成在叶片表面中的传感器或者所述传感器中的至少一个和调节策略。借助于良好地选择参数，尤其下面的、中间的和上面的频率f1、f2或f3，所述现象不仅能够减少，而且能够完全地禁止。此外尤其有利的是，测量信号的评估与校准、迎流速度和叶片的污染状态或者叶片的侵蚀是不相关的或者至少相对于校准、迎流速度和叶片的污染状态或者叶片的侵蚀是鲁棒性的。
由此，也能够实现如下解决方案，所述解决方案带来尽可能低的测量技术方面的耗费和带来所述方法的对环境影响尽可能低的灵敏度，所述环境影响可能影响测量对象并且导致错误的结果。这包括对转子叶片的表面压力场负责的、在涡流的边界层内部的漩涡。
特别地，所提出的解决方案也优于仅在远场中探测OAM事件以便介入调节以至于再次克服问题的方法。所述解决方案相对于基于确定迎角的方法也是有利的，因为临界的迎角与围绕转子叶片轮廓的边界层的特征相关从而与表面的特征相关尤其也与污物相关。
Claims (19)
1.一种用于估计风能设备(100)的转子叶片(108)处的迎流的方法，包括下述步骤：
-在至少一个测量位置处记录所述转子叶片(108)处的压力(P)的、尤其壁压力的压力谱的至少一部分，
-从所述压力谱确定至少两个特征值(P1，P2)，
-从所述至少两个特征值(P1，P2)彼此间的关系形成指示值(I)，以及
-根据所述指示值(I)估计是否存在临界的迎流(24)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述至少两个特征值(P1，P2)具有第一谱值(P1)和第二谱值(P2)，并且
-所述第一谱值(P1)是所述压力谱的低的频率范围的特征值，以及
-所述第二谱值(P2)是所述压力谱的高的频率范围的特征值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
-所述压力谱构成为功率密度谱(Gpp(f))并且划分为
-在一个或所述低的频率范围(42)中的第一部分功率密度谱和
-在一个或所述高的频率范围(44)中的第二部分功率密度谱，以及
-所述至少两个特征值构成为第一谱份额和第二谱份额(P1，P2)，其中
-所述第一谱份额(P1)通过在所述低的频率范围上对所述第一部分功率密度谱的积分形成，并且
-所述第二谱份额(P2)通过在所述高的频率范围上对所述第二部分功率密度谱的积分形成。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，
-所述低的频率范围(42)位于下面的频率和中间的频率(f1，f2)之间，
-所述高的频率范围(44)位于中间的频率和上面的频率(f2，f3)之间，并且
所述下面的频率、中间的频率和上面的频率(f1，f2，f3)中的至少一个根据如下表格的至少一个设定规则设定，所述表格具有：
-将所述中间的频率(f2)设定为，使得如果存在临界的迎流(24)，那么所述功率密度谱在所述低的频率范围(42)中具有最大值，
-所述下面的频率、中间的频率和上面的频率(f1，f2，f3)被设定为，使得所述低的频率范围(42)和所述高的频率范围(44)是相同大小的，
-所述下面的频率、中间的频率和上面的频率(f1，f2，f3)根据所述转子叶片(108)的污染程度来设定，
-所述下面的频率、中间的频率和上面的频率(f1，f2，f3)根据所述风能设备(100)的架设地点处的声音发射边界值来设定，
-所述下面的频率、中间的频率和上面的频率(f1，f2，f3)根据所述风能设备(100)的区域中的声音测量来设定，以及
-所述下面的频率、中间的频率和上面的频率(f1，f2，f3)被设定到在200Hz、400Hz或600Hz的范围中的值。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-所述指示值(I)是所述至少两个特征值中的两个特征值的商或者是所述第一谱值和第二谱值的商或者是所述第一谱份额和第二谱份额(P1，P2)的商，并且
-如果所述指示值(I)大于能预设的比值边界值(60)，那么估计存在临界的迎流(24)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
所述至少一个测量位置
-设置在所述转子叶片的转子叶片后缘(6)的区域中，
-设置在所述转子叶片(108)的吸力侧(8)上，和/或
-沿着纵向方向设置在所述转子叶片(108)的中间的区域中，尤其设置在从所述转子叶片(108)的连接区域直至所述转子叶片(108)的叶尖的60％至95％、尤其75％至85％的区域中。
7.一种用于控制具有转子(106)的风能设备(100)的方法，所述转子具有至少一个叶片角能调节的转子叶片(108)，其特征在于具有下述步骤：
-在至少一个测量位置处评估至少一个转子叶片(108)处的压力测量，
-根据对所述压力测量的评估估计在所述转子叶片(108)处是否存在临界的迎流(24)，以及
-如果已经估计有临界的迎流(24)，那么调节所述转子叶片(108)的迎角，以便改进所述迎流。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，为了估计是否存在临界的迎流(24)，使用根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，进行所述叶片角的调节，使得一个或所述指示值(I)再次减小至小于边界值或所述比值边界值(60)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，如果已经通过所述指示值(I)超过滞后上限值的方式估计有临界的迎流(24)，那么开始调节所述转子叶片(108)的迎角，并且所述调节继续进行直至所述指示值(I)低于滞后下限值，所述滞后下限值小于所述滞后上限值。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，具有下述步骤：
-在所述转子叶片后缘(6)附近在所述吸力侧(8)上记录转子叶片(108)处的，尤其所述转子叶片(108)的外部区域处的压力的压力谱的至少一部分，
-执行所记录的所述压力谱的谱评估，
-将所述压力谱分为第一部分功率密度谱和第二部分功率密度谱，
-通过对所述第一部分功率密度谱或第二部分功率密度谱进行积分计算第一谱份额和第二谱份额，
-形成所述第一谱份额和第二谱份额(P1，P2)的商作为指示值(I)，
-将所述指示值(I)与能预设的比值边界值(60)进行比较，并且如果所述指示值超过所述比值边界值(60)，那么估计存在临界的流动，
-如果已经估计存在临界的流动，那么减小所述转子叶片(108)的迎角，以及
-重复上述步骤。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的或者根据权利要求7的前序部分所述的方法，其特征在于，具有下述步骤：
-记录所述风能设备(100)处的声音测量，
-评估所述声音测量：是否存在振幅大于能预设的次声边界值的次声，以及
-如果对所述声音测量的评估已经表明存在振幅大于能预设的次声边界值的次声，那么改变所述风能设备(100)的至少一个运行设置。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，对所述运行设置的调节包括出自下述列表的至少一个调节：
-调节所述转子叶片(100)的迎角，以便改进所述迎流，
-改变，尤其降低转子转速，以及
-改变，尤其降低由所述风能设备所产生的功率。
14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，仅当所述风能设备(100)具有大于能预设的边界转速的转子转速时，才进行所述转子叶片(108)的迎角的改变以改进所述迎流。
15.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-使所述转子叶片随着所述风能设备的转子旋转，并且
-为了记录所述压力谱的至少一部分，记录所述转子的至少一转、尤其多转上的压力，以及
-在每一转中相继执行多次压力测量，尤其以统一的方式和/或以均匀的间隔执行，其中
-对所述压力测量中的每一次压力测量确定瞬时的压力谱，并且从至少一转的所有压力测量的瞬时的压力谱通过形成平均值形成所述压力谱的所述至少一部分。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，
-随着所述转子的旋转检测所述转子的角位置α，并且
-在形成平均值以前，将每个瞬时的压力谱与角位置α的余弦值，即cos(α)相乘，特别地，角位置α为此被限定为，使得当相关的所述转子叶片处于上方，即处于12点钟位置时，那么所述角位置采用值0°。
17.一种具有转子(106)的风能设备(100)，所述转子具有迎角能调节的转子叶片(108)，所述风能设备包括：
-至少一个传感器(30)，所述传感器用于在至少一个测量位置处记录所述转子叶片(108)中的至少一个转子叶片处的壁压力的压力谱的至少一部分，其中所述风能设备(100)配置用于：
-评估所述压力谱的至少一部分，
-根据对压力测量的评估来估计在所述转子叶片(108)处是否存在临界的迎流(24)，以及
-如果已经估计有临界的迎流(24)，那么调节所述转子叶片(108)的迎角，以便改进所述迎流。
18.根据权利要求17所述的风能设备(100)，配置用于，执行根据权利要求1至16中任一项所述的方法。
19.根据权利要求17或18所述的风能设备(100)，其特征在于，至少一个传感器(30)作为无电势的传感器，尤其作为光学传感器，尤其作为光纤传感器集成在转子叶片面中。
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