CN109072883A - 叶片偏转监测系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种风轮机叶片，其包括用于监测风轮机叶片的偏转的系统。该系统包括无线范围测量系统，其具有朝向叶片的根端定位的至少一个无线通信装置、以及朝向叶片的尖端定位的至少一个无线通信装置，这些通信装置包括基本上垂直于叶片的吸入侧和基本上平行于风轮机叶片的前缘极化的天线。

Description

叶片偏转监测系统

发明领域

本发明涉及风轮机叶片，以及用于监测风轮机叶片的偏转的系统及方法。

发明背景

现代风轮机设计试图并入各种叶片监测系统，以便提供风轮机的可靠且受控的操作。此监测系统可包括叶片偏转监测系统，其用于在涡轮操作期间提供风轮机叶片偏转或挠曲的指示。该信息可用于监测未来塔架被风轮机叶片撞击的风险，并且执行适合的控制器动作，例如，叶片变桨或涡轮制动以使此风险最小化或消除。

美国专利号7,883,316中提供了此偏转监测系统的实例，其描述了使用无线通信网络的偏转监测系统，其能操作成检测沿着叶片长度的各种点的位置，并且由此信息来确定叶片弯曲。

WO2014027032提出了与安装在叶片的尖端处的收发器进行通信的安装在风轮机叶片的根端处的外部收发器的使用。例如，基于无线电通信，测量收发器之间的距离。相对于装置之间的路径损失来优化收发器的定位。

US 2010/021298公开了一种包括机舱通信装置的偏转监测系统。

WO 2009/143848公开了一种光学监测系统。

然而，已经发现，此无线监测系统易受到可能干扰和掩盖通信信号的各种操作因素的影响，例如信号反射、多径效应、由穿过不同材料层引起的信号衰减等，从而降低了监测系统的精度和有效性。

本发明的目的在于提供一种改进的叶片偏转监测系统，其不易受上述因素影响。

发明概要

本发明涉及一种风轮机叶片，其包括翼型轮廓本体，该翼型轮廓本体具有压力侧和吸入侧、以及前缘和后缘，弦长在前缘和后缘之间延伸，叶片具有尖端和根端，风轮机叶片被限定在XYZ坐标系中，该XYZ坐标系具有与从后缘到前缘的方向上的弦长相平行的X轴、垂直于X轴且在从压力侧到吸入侧的方向上的Y轴、以及垂直于XY平面且在从根端到尖端的叶片纵向方向上的Z轴，风轮机叶片还包括：

朝向所述尖端定位的至少一个尖部通信装置，

朝向所述根端定位的至少一个根部通信装置，所述至少一个根部通信装置经由无线通信路径与所述至少一个尖部通信装置进行无线电通信，以监测所述至少一个尖部通信装置与所述至少一个根部通信装置之间的距离来确定表示叶片偏转的所述至少一个尖部通信装置相对于所述至少一个根部通信装置的移动，其中

所述至少一个尖部通信装置和至少一个根部通信装置包括基本上沿着XYZ坐标系的Y轴极化的天线。

通过监测朝向叶片的根端和尖端提供的通信装置之间的距离的变化，可确定风轮机叶片的偏转。该信息然后可用于提供改进的风轮机控制，例如，在叶片偏转可导致塔架撞击的情况下，可执行风轮机叶片的紧急变桨。

已经发现，包括在通信装置中的天线的Y轴极化提供了比其它极化更精确的估计尖部移动。这是令人惊讶的，因为例如沿着XYZ坐标系的X轴的极化将通过垂直于前缘而预计具有若干优点。因此，预计沿着前缘的表面波和空间波的激发在X轴极化中是最佳的。另外，接近前缘表面的空间波的增强将预计受益于X轴极化。

本发明人令人惊讶地发现，尽管有上述预期，但是Y轴极化提高了接收到的信号的质量，并且因此有更精确和稳健的偏转估计。

本发明人因此发现，在YZ平面中，除了导致强信号之外，Y轴极化还令人惊讶地提供了很干净的信号，而没有例如感应表面波的有害干扰。

对于XZ平面，发现Y轴极化提供了比X轴极化更强的信号，这是令人惊讶的。

因此，Y轴极化允许了表示叶片偏转的尖部通信装置与和根部通信装置之间的距离的精确估计。

由于经验显示Y轴极化在YZ平面和XZ平面两者中是有益的，故Y轴极化在YZ平面(或XZ平面)围绕Z轴旋转产生的所有平面中都是有益的。

在应用于围绕Z轴旋转+/-0到30度之间时的YZ平面中时，Y轴极化是特别有利的。

根据本发明的实施例，尖部通信装置和根部通信装置之间的估计距离是在真实值的+/-2cm内。必须记住，尖部通信装置与根部通信装置之间的距离可超过30m、40m或更大，取决于风轮机叶片的总体长度。

从至少一个尖部通信装置发送至至少一个根部通信装置的信号的飞行时间(=TOF)例如可通过比较发射信号与接收信号之间的信号上升边角(rising edge foot)的时间差来估计。TOF可直接用于指示发射装置与接收装置之间的距离。

在本发明的一个实施例中，所述至少一个尖部通信装置设置在翼型轮廓本体内部。

安装在尖部附近的叶片外部的装置被预计为对朝尖端的空气动力有负面影响，并且很可能在风轮机的操作期间产生噪音，这是非常不期望的，尤其是在人们的家附近。

另外，叶片的尖端周围的外部环境由于尖部穿过空气的速度而可能是高度侵蚀性的，如果安装在外部，则存在损坏尖部通信装置的风险。这种损坏可能随时间推移而发生，或在恶劣风力条件下突然发生，这正是最需要偏转测量来防止塔架撞击的情形。

已经发现，通过将尖部通信装置安装在翼型件本体内部，从而保护装置免受外部环境，当使用Y轴极化时，仍可很好确定尖部位置，并且尽管叶片层压结构形式的障碍物使得尖部通信装置与根部通信装置之间的视线模糊。令人惊讶的是，当使用Y轴极化时，在将尖部通信装置安装在翼型件本体内部时经历的穿透损失仍将允许足够的信号强度来进行足够精确的距离估计。

此外，将根部装置和尖部装置定位在叶片自身上确保了保持装置之间的通信路径，而不论叶片桨距或旋转，或涡轮偏航移动。通过将装置设置在相同的变桨坐标系中，与具有安装到叶片上的第一装置和安装到转子毂或涡轮机舱上的第二装置的备选系统相比时，这允许了系统操作所需的计划的极大简化。

应注意的是，就内部安装的尖部通信装置而言，与外部安装的装置相比时，出现的多径分量强得多。已经发现，在使用Y轴极化时，这是可管理的。

在本发明的一个实施例中，所述无线电通信使用窄时域脉冲。

在本发明的一个实施例中，所述至少一个尖部通信装置从脉冲发生器发射窄时域脉冲，并且所述至少一个根部通信装置接收所述窄时域脉冲。

尖部装置与叶根装置之间的通信优选地使用超宽带(=UWB)无线电信号来实现。在本发明的一个实施例中，UWB脉冲信号从至少一个尖部通信装置发射，并且由至少一个根部通信装置接收。尖部装置与叶根装置之间的距离然后可基于脉冲的飞行时间，通过比较发射脉冲和对应的接收第一脉冲的上升边(rising edge)来确定。三边测量和/或三角测量可用于确定尖部位置。

优选地，所述至少一个尖部通信装置和所述至少一个根部通信装置是超宽带(UWB)位置跟踪和/或通信装置，并且其中所述通信路径是UWB信号通信路径。

UWB通信允许在低功率应用中在发射器与接收器装置之间执行范围或距离测量，以最小化外部干扰的影响。

应理解的是，所述至少一个尖部通信装置和/或所述至少一个根部通信装置选自以下的一个：接收器、发射器、接收器发射器电路，或收发器。

在本发明的一个实施例中，所述至少一个尖部通信装置位于离翼型轮廓本体的尖端0.5到5m之间，优选为离翼型轮廓本体的尖端2-4m之间。

优选地，所述至少一个尖部通信装置朝向所述风轮机叶片的前缘或后缘定位。例如，至少一个尖部通信装置可在面对叶片的前缘且接近叶片的尖端的抗剪腹板上安装在叶片本体内部。

至少一个尖部通信装置也可安装在后缘抗剪腹板与前缘抗剪腹板之间的位置处。

备选地或补充地，尖部通信装置也可安装在后缘抗剪腹板上的位置处，并且面对后缘。

理想地，至少一个尖部通信装置应被定位成尽可能接近尖部，以准确地评估尖部位置和实际偏转。实际上，考虑到空间因素，这可能不是总是可能或期望的，例如，因为翼型轮廓本体内的空间变得越来越朝向尖端限制，尖部通信装置可被定位成略微离开尖端。

根据本发明的一个实施例，至少一个根部通信装置布置在翼型轮廓本体外部。

由于风轮机叶片的根部由于其通常圆形的几何形状而对叶片的空气动力性能贡献很小或根本没有贡献，故能量产生方面的叶片性能不会受到将根部通信装置置于翼型轮廓本体外部显著地影响。

在优选实施例中，两个根部通信装置安装在翼型轮廓本体的根部区段上的外部的支架上。

在本发明的一个实施例中个，至少一个根部通信在叶片的表面之上的高度H在0.2-2m之间，优选为在0.3-1.5m之间。

已经发现，叶片的表面上的高度可能对于接收信号的强度有影响。期望至少一个根部通信装置保持尽可能接近叶片表面，以在风轮机的转子旋转期间避免来自装置的噪音，并且减少暴露于环境。当分别包括在尖部通信和根部通信中的天线沿着Y轴极化时，即使在叶片表面上的相对较低高度处，也可在根部通信装置处接收足够的信号。

将理解的是，装置可设置在叶片的前缘或后缘处，或在前缘或后缘附近。

优选地，风轮机叶片包括设置在支架上的第一根部通信装置以及设置在第二支架上的第二根部通信装置，第一根部通信装置和第二根部通信装置朝向前缘或后缘设置，其中所述第一根部通信装置位于所述前缘或后缘的压力侧上，并且所述第二根部通信装置位于所述前缘或后缘的吸入侧上。

通过将根部装置放在前缘或后缘的任一侧上，根部装置可设置在可限定的位置，其允许三边测量和/或三角测量距离或位置测量。

优选地，所述至少一个根部通信装置能操作成使用三边测量确定所述至少一个尖部通信装置的位置。此外或备选地，所述至少一个根部通信装置能操作成使用三角测量确定所述至少一个尖部通信的位置。

在本发明的一个实施例中，所述确定表示叶片偏转的所述至少一个尖部通信装置相对于所述至少一个根部通信装置之间的移动基于检测所接收到的第一脉冲的上升边并且估计所述窄时域脉冲的飞行时间。

在本发明的一个实施例中，所述风轮机叶片包括被安装在叶片上的两个根部通信装置。

为了在无偏转到最大可允许偏转的整个范围中稳健地估计尖部的移动，优选为应用两个根部通信装置。

在本发明的一个实施例中，所述风轮机叶片包括基本上布置在叶片的YZ平面中的第一根部通信装置和基本上布置在叶片的XZ平面中的第二根部通信装置。

此外或备选地，风轮机叶片还包括控制器，所述控制器能操作成控制沿着所述无线通信路径在所述至少一个尖部通信装置与所述至少一个根部通信装置之间传输的信号，其中

所述控制器还能操作成基于以下至少一个调整所述信号的信号增益：测得的叶片偏转水平、预测叶片偏转水平、经由所述通信路径接收到的信号的信号强度水平。

根部装置与尖部装置之间的通信链路的此自适应控制被提供用于改进的系统操作，以及由于优化的信号水平引起的降低的操作功率要求。

本发明还关于一种具有如本文所述的至少一个风轮机叶片的风轮机。

可基于由叶片偏转监测系统提供的位置数据来控制此风轮机，以避免塔架撞击。

在本发明的一个实施例中，风轮机还包括桨距控制系统，其能操作成调整所述风轮机的至少一个风轮机叶片的桨距，其中对所述桨距控制系统的输入是至少部分地基于所确定的表示叶片偏转的所述至少一个尖部通信装置相对于所述至少一个根部通信装置的移动。

本发明还涉及一种安装在风轮机叶片上的叶片偏转监测系统，风轮机叶片包括翼型轮廓本体，该翼型轮廓本体具有压力侧和吸入侧、以及前缘和后缘，弦长在前缘和后缘之间延伸，叶片具有尖端和根端，风轮机叶片被限定在XYZ坐标系中，该XYZ坐标系具有与从后缘到前缘的方向上的弦长相平行的X轴、垂直于X轴且在从压力侧到吸入侧的方向上的Y轴、以及垂直于XY平面且在从根端到尖端的叶片的纵向方向上的Z轴，

叶片偏转监测系统包括：

朝向所述尖端定位的至少一个尖部通信装置，

朝向所述根端定位的至少一个根部通信装置，

所述至少一个根部通信装置经由无线通信路径与所述至少一个尖部通信装置进行无线电通信，以监测所述至少一个尖部通信装置与所述至少一个根部通信装置之间的距离来确定表示叶片偏转的所述至少一个尖部通信装置相对于所述至少一个根部通信装置的移动，

其中所述至少一个尖部通信装置和至少一个根部通信装置包括基本上沿着XYZ坐标系的Y轴极化的天线。

在本发明的一个实施例中，该系统还包括脉冲发生器，其被同轴地连接到所述至少一个尖部通信装置上。

本发明涉及一种监测风轮机叶片的偏转的方法，风轮机叶片包括翼型轮廓本体，该翼型轮廓本体具有压力侧和吸入侧、以及前缘和后缘，弦长在前缘和后缘之间延伸，叶片具有尖端和根端，风轮机叶片被限定在XYZ坐标系中，该XYZ坐标系具有与从后缘到前缘的方向上的弦长相平行的X轴、垂直于X轴且在从压力侧到吸入侧的方向上的Y轴、以及垂直于XY平面且在从根端到尖端的叶片的纵向方向上的Z轴，朝向所述尖端定位的至少一个尖部通信装置，

朝向所述根端定位的至少一个根部通信装置，

所述方法包括步骤：

- 通过将脉冲无线电信号从所述至少一个尖部通信装置发送至所述至少一个根部通信装置，经由无线通信路径在所述至少一个尖部通信装置与所述至少一个根部通信装置之间建立无线通信，所述至少一个尖部通信装置包括沿着XYZ坐标系的Y轴极化的天线，并且所述至少一个根部通信装置包括沿着YXZ坐标系的Y轴极化的天线，

- 检测在根部通信装置处接收到的所述无线电信号的第一脉冲的上升边，

- 基于所述检测上升边估计所述脉冲无线电信号的飞行时间，

- 基于所述飞行时间估计来估计风轮机叶片的尖端的偏转。

将理解的是，风轮机可设有辅助安全系统，其能操作成确保涡轮安全性，并且在叶片偏转测量系统的故障事件中防止塔架撞击等。

附图简要说明

现在将仅通过举例，参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了风轮机；

图2示出了风轮机叶片的示意图；

图3示出了图2的叶片的翼型件轮廓的示意图；

图4示出了根据本发明的一个实施例的具有叶片偏转监测系统的风轮机叶片；

图5为根据本发明的风轮机叶片的YZ平面(a)和XZ平面(b)的示意图。

图6为根据本发明的一个实施例的风轮机叶片的根端的示意图。

图7a-p示出了在不同偏转状态下且具有尖部通信装置的不同极化的所接收到的脉冲的表示。

将理解的是，附图仅是示范性的并且未按比例绘制。

发明详细说明

图1示出了根据所谓"丹麦构想"的常规现代逆风风轮机2，其具有塔架4、机舱6和带有大致水平的转子轴的转子。转子包括毂8和三个叶片10，叶片10从毂8径向地延伸，分别具有最接近毂的叶根部16和最远离毂8的叶尖部14。

图2示出了风轮机叶片10的第一实施例的示意图，其可根据本发明的一个实施例来使用。风轮机叶片10具有常规风轮机叶片的形状，并且包括最接近毂的根区域30、最远离毂的轮廓或翼型区域34，以及根区域30与翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括叶片被安装到毂上时面对叶片10的旋转方向的前缘18，以及面对前缘18的相对方向的后缘20。

翼型区域34(也称为轮廓区域)具有相对于生成升力理想或几乎理想的叶片形状，而结构考虑引起的根区域30具有大致圆形或椭圆形的截面，例如其使得更容易和安全地将叶片10安装到毂上。根区域30的直径(或翼弦)通常是沿着整个根区域30恒定的。过渡区域32具有过渡轮廓42，其从根区域30的圆形或椭圆形逐渐地变为翼型区域34的翼型轮廓50。过渡区域32的弦长通常随着离毂的增大距离r而大致线性增大。

翼型区域34具有翼型轮廓50，其具有在叶片10的前缘18与后缘20之间的翼弦。翼弦的宽度随着离毂距离r增大而减小。

应当注意的是，叶片的不同区段的翼弦一般不位于共同平面中，因为叶片可扭曲和/或弯曲(即预弯曲)，因此向翼弦平面提供了对应扭曲和/或弯曲的路线，这是最常见的情况，以便对取决于从毂的半径的叶片的局部速度进行补偿。

图3示出了以各种参数绘出的风轮机的典型叶片的翼型轮廓50的示意图，其通常用于限定翼型件的几何形状。翼型轮廓50具有压力侧52和吸入侧54，其在使用期间，即转子的旋转期间，一般分别面朝迎风(或逆风)侧和背风(或顺风)侧。翼型件50具有翼弦60，其中弦长c在叶片的前缘56与后缘58之间延伸。翼型件50具有厚度t，其限定为压力侧52与吸入侧54之间的距离。翼型件的厚度t沿着翼弦60变化。偏离对称轮廓由弧线62给出，弧线62为穿过翼型件轮廓50的中线。中线可通过从前缘56到后缘58绘制内切圆来找出。中线沿着着这些内切圆的中心，并且离翼弦60的偏离或距离称为弧f。非对称也可通过使用称为上弧或下弧的参数来限定，其分别限定为离翼弦60和吸入侧54和压力侧52的距离。

翼型轮廓通常特征为以下参数：弦长c、最大弧f、最大弧f的位置df、最大翼型件厚度t，其为沿着中间弧线62的内切圆的最大直径、最大厚度t的位置dt，以及鼻部半径(未示出)。这些参数通常被限定为与弦长c的比率。

风轮机叶片大体上由纤维增强的塑性材料形成，即玻璃纤维和/或碳纤维，其布置在模具中，并且与树脂固化来形成实心结构。现代风轮机叶片通常可以是超过30-40米长，具有几米的叶根部直径。

参看图4，示出了风轮机叶片10，其具有根据本发明的一个实施例的叶片偏转监测系统。偏转监测系统包括在根端处布置在中空叶片本体的外侧处的至少一个根端无线通信装置70，以及在尖部区域中的布置在叶片本体的内部中的至少一个尖端无线通信装置72。尖端无线通信装置例如可安装在具有带前缘的箱梁设计的典型叶片中的前缘腹板，以及后缘腹板上。相应无线装置70,72能操作成建立通信链路，并且执行不同装置70,72之间的范围测量。叶片10还可包括控制器(未示出)，其能操作成从通信装置接收范围测量细节，以便确定测得的叶片偏转。

一方面，根部装置70和尖部装置72位于风轮机叶片10的前缘18处。由于前缘18或后缘20上安装的通信装置相比于叶片10的压力侧或吸入侧上安装的装置更不易于翼面向弯曲，并且由于知道叶片10的边缘向弯曲的大小远小于翼面向弯曲，故这提供了在根部装置70与尖部装置72之间的通信链路的改善的可靠性，因为装置之间的通信路径不太可能由叶片10弯曲而中断。

此外或备选地，根部装置70和尖部装置72可安装在叶片后缘20处。

在图4上的实施例中，示出了两个根部通信装置70，一个装置70a位于叶片10的前缘18处，并且一个装置70b位于叶片10的吸入侧54处。尖部通信装置72被示为被布置在叶片本体内侧，接近尖部且朝向前缘18。

图5(a)示出了XYZ坐标系的YZ平面90。该平面代表其中可放置至少一个根部通信装置的平面，并且相比于其它极化且特别是X轴极化时，沿着Y轴的极化提供了优异的信号质量。

可看到YZ平面基本上垂直于叶片的吸入侧54，并且基本上平行于前缘18。

图5(b)示出了XYZ坐标系的XZ平面91。该平面基本上垂直于前缘，并且代表至少一个根部通信装置可置于其中的另一个平面。也在此情况下，在相比于其它极化且特别是X轴极化时，沿着Y轴的极化提供了优异的信号质量。

因此，至少一个根部通信装置的放置可有利地在所示平面中的一个或两个中，但在围绕Z轴旋转时也可在对应于所示平面的平面中。在所有情况下，已经发现Y轴极化提供了优异的信号质量。

这表明，在使用Y轴极化时，叶根部表面上的根部通信装置的准确定位可能不是太关键。

在诸如风轮机叶片的大型物体的情况下，发现垂直于材料表面的极化会沿着本体的外表面和空间波激发两个表面波。

例如，为了执行距离测量来评估尖部通信装置与根部通信装置之间的距离，可使用超宽带(=UWB)脉冲信号，其飞行时间表示距离。

尖部通信装置包括尖部天线，发现尖部天线极化显著影响波前锋(front)的根部通信装置中包括的天线处的相对于第一UWB脉冲上升边的接收信号强度。因为为了精确测量，不但脉冲信号强度是相关的，而且包括表面波和空间波分量的脉冲信号的到达时间也需要很好解决。

令人惊讶地发现，由于较好的信噪比、用于测量的表面波分量和第一脉冲上升边空间波分量的较好分离、以及接近叶片表面的较强波前锋，故沿着坐标系的Y轴(Y轴极化)的尖部通信装置的极化允许了比X轴极化更精确的距离估计。已经会预计到，X轴极化将产生接近叶片表面的最强波前锋。

图6示意性地示出了根据本发明的一个实施例的两个根部通信装置(70a,70b)的布置。根部通信装置包括两个天线，基本上置于XY平面中的第一天线70a以及基本上置于YZ平面中的第二天线70b。装置位于叶片的基本上圆形的根端处。根部装置70a,70b可设置在支架的远端上。

叶片沿着+Y方向的偏转可从无偏转变化，其中叶片可沿着-Y方向预弯曲至100%偏转。这意味着尖部通信装置相对于根部通信装置的位置将从叶片预弯(无偏转)的情形，经由叶片或多或少直的(例如，36%偏转，取决于叶片预弯多少)情形，变到尖部在甚至更大的风压力下沿着+Y方向移动的较大偏转，实际偏转尤其取决于风速。

根部通信装置在叶片表面之上的高度H1,H2可被改变，并且用于优化从尖部通信装置接收到的信号的质量。

已经发现，接近叶片的表面的波前锋对于测量和对于将H1和H2保持在一定边界内是很重要的，以便例如最小化来自根部装置的噪音。在此方面，Y轴极化提供了与预期相反的明显优势。在与X轴极化相比较时，Y轴极化使得沿着叶片在低角下的波前锋强度被最大化。

应注意的是，根部通信装置可以以其它构造布置在本发明的范围内。对于图4和图6的实施例所示的构造获得的测试结果示出尖部天线Y轴极化在YZ平面和XZ平面中具有优于X轴极化的明显优点的一般原理，因为信号 在Y轴极化的情况下，在根部天线处接收的信号允许尖部相对于根部的移动的更稳健的评估。

图7a-p示出了比较在尖部通信装置的不同极化中的根部通信装置处所接收到的信号的测试结果。在所有图中，x轴表示纳秒为单位的时间，并且y轴表示100%偏转下和Y轴极化(图7m)下在根部天线70b处接收到的第一脉冲的幅度归一化的脉冲幅度。

图7中的数据在包括37.3m长的风轮机叶片的测试设置中获得，两个根部通信装置70a,70b如图6中所示进行布置，其中H1=1m且H2=0.4m。尖部通信装置安装在叶片本体内，接近前缘且离尖部几米。

沿着XYZ坐标系的Y轴的偏转是利用夹具和线系统进行的，其中叶根部被固定。

在0%偏转处的预弯在YXZ坐标系的Y轴上是大约-1m，而100%偏转在+1.5m处取得。

用于测试中的信号是从尖部装置传输至根部装置的高斯UWB脉冲(3.1-5.3GHz)。通过比较输入(或传输)和输出(或接收)第一脉冲上升边，经由飞行时间(=TOF)计算估计尖部装置与根部装置之间的距离。

图7a示出了根部天线70a处和0%偏转下的接收信号。在此情况下，脉冲的上升边100是干净且较强的，并且看到较强的多径效应101。

图7b示出了在0%偏转下的天线70b处的接收信号。对于天线70a，上升边显著较弱，并且看到较强的多径干扰。

图7a和b通过天线的Y轴极化获得。

图7c和7d分别示出了Y轴极化且36%偏转下的天线70a和70b的接收信号。

图7e和7f分别示出了X轴极化且36%偏转下的天线70a和70b的接收信号。

通过将信号尤其相对于上升边的强度进行比较，变得清楚的是，在36%偏转的此情况下，大致对应于直叶片，YZ平面中的尖部装置的极化或Y轴极化在两个根部装置处提供较强且更明显的接收信号。

图7g和7h分别示出了Y轴极化且60%偏转下的天线70a和70b的接收信号。

图7i和7j分别示出了X轴极化且60%偏转下的天线70a和70b的接收信号。

如同36%偏转的情况，在使用Y轴极化时，两个天线70a和70b处的接收信号又更强且更干净。还看到对于X轴和Y轴极化，多径效应都很强。

图7k和7m分别示出了Y轴极化且100%偏转下的天线70a和70b的接收信号。

图7n和7p分别示出了X轴极化且100%偏转下的天线70a和70b的接收信号。

如同36%和60%偏转的情况，在使用Y轴极化时，两个天线70a和70b处的接收信号又更强且更干净。

可总结，图7a-7p中所示的数据清楚地表明，两个根部装置70a和10b处的接收脉冲的第一脉冲幅度在Y轴极化中比在X轴极化中显著更强。

此外，在大多数情形中，具有X轴极化的多径幅度通常是与上升边幅度可相比的。这与具有Y轴极化的总体较弱接收信号组合提高了用于执行距离估计中涉及的计算的算法误解信号的风险。

这意味着在第一脉冲上升边用于在TOF计算中估计尖部到根部的距离时，明显有益的是沿着Y轴方向极化尖部天线和根部天线。

X轴极化或其它极化也可提供有用的信号，但是根据本发明，明显更好的是使用Y轴极化。

从上文清楚的是，本发明可以用于具有至少一个尖部通信装置。

例如，布置成接近前缘且具有Y轴极化的根部天线70a在与根部天线70b相比时，接收具有0-36%偏转范围中的最佳信噪比的第一脉冲。对于较大的偏转和对应于叶片的最大可允许偏转的达到100%的偏转，朝想叶片的吸入侧布置的根部天线70b在与根部天线70a相比时接收具有最佳信噪比的第一脉冲。

因此，为了安全地防止尖部撞击塔架，可使一个根部通信装置例如朝向吸入侧叶片布置，这在严重偏转下提供了最佳数据。即使仅使用一个根部通信装置也可以监测所有可能的偏转，因为如果应用Y轴极化，则根部通信装置70a接收的信号质量是足以用于在整个范围内对尖部位置进行良好估计的。

由于风轮机叶片10的偏转特性可根据叶片构造的细节来确定，并且另外由于每个风力涡轮机叶片10具有限定叶片偏转形状的可允许范围的最大认证偏转水平，因此有可能基于所述风轮机叶片来构造本发明的叶片偏转监测系统的布置。

通过使用两个根部通信装置，当使用Y轴极化时，可对整个可能的尖部位置范围进行出色且稳健的评估。

抑制来自叶片的外表面的信号反射可能是有利的。具体而言，当叶片偏转时或在非偏转预弯叶片的情况下，来自尖部通信装置的信号可从叶片反射，并且遮蔽由根部通信装置接收到的信号。

因此，通过无线电波吸收涂层形式的表面处理或另外向表面提供散射效果，例如通过使表面粗糙化和/或在表面上提供小凹部和凸起，可使外叶片表面处在接近根部装置与尖部装置之间的视线的位置处较小反射性。

通过将无线电波吸收材料置于叶片本体内和无线通信路径内的选择点来抑制叶片本体内的导波可能是有利的。

在这种情况下，视线应理解为尖部通信装置和根部通信装置之间穿过位于该路径中的任何障碍物(例如翼型壳体的层压层)的直线。

优选地，通信链路使用超宽带(UWB)技术，但将理解的是，可使用任何其它适合的基于无线电的通信和测距技术。

将理解的是，本发明的叶片偏转监测系统可包括用于系统的有效且高效操作的任何适合的控制系统。

本发明提供确保叶片偏转的准确监测的系统，其改进的信号质量。尖部通信装置设置在中空叶片本体内，从而保护装置免受恶劣室外环境，并且消除了由于将此通信装置布置在叶片的尖端处的叶片的外侧上而出现的任何噪音问题。尖部通信装置沿着XYZ坐标系的Y轴极化(Y轴极化)。

由于此构造，故偏转监测系统具有相对较低的功率要求，并且相比于现有技术的无线偏转监测系统，提供了改善的可靠性和信号质量。

本发明不限于本文所述的实施例，并可被改变或变化，而不脱离本发明的范围。

Claims (15)

1.一种风轮机叶片(10)，其包括翼型轮廓本体(50)，所述翼型轮廓本体具有压力侧(52)和吸入侧(54)、以及前缘(18)和后缘(20)，弦长在所述前缘和所述后缘之间延伸，所述叶片具有尖端(14)和根端(16)，所述风轮机叶片(10)被限定在XYZ坐标系中，所述XYZ坐标系具有与从所述后缘到所述前缘的方向上的弦长相平行的X轴、垂直于所述X轴且在从所述压力侧到所述吸入侧的方向上的Y轴、以及垂直于XY平面且在从所述根端到所述尖端的所述叶片的纵向方向上的Z轴，所述风轮机叶片还包括：

朝向所述尖端定位的至少一个尖部通信装置(72)，

朝向所述根端定位的至少一个根部通信装置(70)，所述至少一个根部通信装置经由无线通信路径与所述至少一个尖部通信装置进行无线电通信，以监测在所述至少一个尖部通信装置与所述至少一个根部通信装置之间的距离来确定表示叶片偏转的所述至少一个尖部通信装置相对于所述至少一个根部通信装置的移动，其中

所述至少一个尖部通信装置和至少一个根部通信装置包括基本上沿着所述XYZ坐标系的所述Y轴极化的天线。

2.根据权利要求1所述的风轮机叶片，

其中，所述至少一个尖部通信装置设置在所述翼型轮廓本体内部。

3.根据权利要求1-2中任一项所述风轮机叶片，

其中，所述无线电通信使用窄时域脉冲。

4.根据权利要求1-3中任一项所述风轮机叶片，

其中，所述至少一个尖部通信装置从脉冲发生器发射窄时域脉冲，并且所述至少一个根部通信装置接收所述窄时域脉冲。

5.根据权利要求2-4中任一项所述风轮机叶片，

其中，所述至少一个尖部通信装置位于离所述翼型轮廓本体的所述尖端0.5到5m之间，优选为离所述翼型轮廓本体的所述尖端2-4m之间。

6.根据权利要求1-5中任一项所述风轮机叶片，

其中，所述至少一个根部通信装置布置在所述翼型轮廓本体外部。

7.根据权利要求6所述风轮机叶片，

其中，所述至少一个叶根通信在所述叶片的表面之上的高度H在0.2-2m之间，优选为在0.3-1.5m之间。

8.根据权利要求3-7中任一项所述的风轮机叶片，其中，所述确定表示叶片偏转的所述至少一个尖部通信装置相对于所述至少一个根部通信装置的移动是基于检测所接收到的第一脉冲的上升边并且估计所述窄时域脉冲的飞行时间。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的风轮机叶片，其中，所述风轮机叶片包括被安装在所述叶片上的两个根部通信装置。

10.根据权利要求9所述的风轮机叶片，其中，所述风轮机叶片包括基本上布置在所述叶片的YZ平面中的第一根部通信装置以及基本上布置在所述叶片的XZ平面中的第二根部通信装置。

11.一种风轮机，其具有如权利要求1-10中任一项所述的至少一个风轮机叶片。

12.根据权利要求11所述的风轮机，其还包括桨距控制系统，所述桨距控制系统能操作成调整所述风轮机的至少一个风轮机叶片的桨距，其中，对所述桨距控制系统的输入是至少部分地基于所确定的表示叶片偏转的所述至少一个尖部通信装置相对于所述至少一个根部通信装置的移动。

13.一种用于安装在风轮机叶片上的叶片偏转监测系统，所述风轮机叶片包括翼型轮廓本体，所述翼型轮廓本体具有压力侧和吸入侧、以及前缘和后缘，弦长在所述前缘和所述后缘之间延伸，所述叶片具有尖端和根端，所述风轮机叶片被限定在XYZ坐标系中，所述XYZ坐标系具有与从所述后缘到所述前缘的方向上的弦长相平行的X轴、垂直于所述X轴且在从所述压力侧到所述吸入侧的方向上的Y轴、以及垂直于XY平面且在从所述根端到所述尖端的所述叶片的纵向方向上的Z轴，

所述叶片偏转监测系统包括：

朝向所述尖端定位的至少一个尖部通信装置，

朝向所述根端定位的至少一个根部通信装置，

所述至少一个根部通信装置经由无线通信路径与所述至少一个尖部通信装置进行无线电通信，以监测所述至少一个尖部通信装置与所述至少一个根部通信装置之间的距离来确定表示叶片偏转的所述至少一个尖部通信装置相对于所述至少一个根部通信装置的移动，

其中，所述至少一个尖部通信装置和至少一个根部通信装置包括基本上沿着所述XYZ坐标系的所述Y轴极化的天线。

14.根据权利要求13所述的叶片偏转监测系统，其中，所述系统还包括脉冲发生器，其被同轴地连接到所述至少一个尖部通信装置上。

15.一种监测风轮机叶片的偏转的方法，所述风轮机叶片包括翼型轮廓本体，所述翼型轮廓本体具有压力侧和吸入侧、以及前缘和后缘，弦长在所述前缘和所述后缘之间延伸，所述叶片具有尖端和根端，所述风轮机叶片被限定在XYZ坐标系中，所述XYZ坐标系具有与从所述后缘到所述前缘的方向上的弦长相平行的X轴、垂直于所述X轴且在从所述压力侧到所述吸入侧的方向上的Y轴、以及垂直于XY平面且在从所述根端到所述尖端的所述叶片的纵向方向上的Z轴，朝向所述尖端定位的至少一个尖部通信装置，

朝向所述根端定位的至少一个根部通信装置，

所述方法包括步骤：

- 通过将脉冲无线电信号从所述至少一个尖部通信装置发送至所述至少一个根部通信装置，经由无线通信路径在所述至少一个尖部通信装置与所述至少一个根部通信装置之间建立无线通信，所述至少一个尖部通信装置包括沿着所述XYZ坐标系的所述Y轴极化的天线，并且所述至少一个根部通信装置包括沿着所述YXZ坐标系的所述Y轴极化的天线，

- 检测在所述根部通信装置处接收到的所述无线电信号的第一脉冲的上升边，

- 基于所述检测上升边估计所述脉冲无线电信号的飞行时间，

- 基于所述飞行时间估计来估计所述风轮机叶片的所述尖端的偏转。