CN113167245A - 风力涡轮机叶片流动调节 - Google Patents

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Abstract

公开了一种风力涡轮机(10)，包括：至少一个转子叶片(20)，其包括空气动力学装置(30)，用于影响从所述转子叶片(20)的前缘区段(24)流动到所述转子叶片(20)的后缘区段(23)的气流(71)，其中，所述空气动力学装置(30)安装在所述转子叶片(20)的表面(28)处；所述空气动力学装置(30)的致动器(34)，所述致动器用于至少在第一突出配置与第二缩回配置之间致动所述空气动力学装置(30)；压力供应系统(52)，所述压力供应系统用于借助于加压流体来操作所述致动器(34)；声学接收器(62)，所述声学接收器用于测量所述压力供应系统(52)中的声学信号；以及诊断单元(65)，所述诊断单元连接到所述声学接收器(62)并且被配置成用于基于所述声学信号来得出所述空气动力学装置(30)的操作状态。

Description

风力涡轮机叶片流动调节
技术领域
本发明涉及一种用于检测空气动力学装置中的状态的方法，该空气动力学装置用于调节风力涡轮机的叶片表面上的流动。本发明还涉及一种风力涡轮机，其包括用于调节风力涡轮机叶片表面上的流动并检测用于调节这种流动的空气动力学装置的状态的控制装置。
背景技术
风力涡轮机转子叶片可在其表面上安装流动调节装置，其从风力涡轮机的转子叶片的前缘流动到后缘。这种流动调节装置的示例是安装在风力涡轮机转子叶片的吸力侧上的涡旋发生器(VG)。通常，流动调节装置可以被认为包括能够例如通过增加转子叶片的边界层的能量水平来提高翼型区段的升力系数的装置。
其它空气动力学装置可与涡流发生器协同作用，并且可根据扰流器的状态影响涡流发生器的效果。后一空气动力学装置的示例通常是安装在叶片的吸力侧上、在后缘与涡流发生器之间的扰流器。替代性地，扰流器可以单独地预先设置，即不与涡流发生器或其它流动调节装置组合。扰流器可配置成使得其形状和/或定向可例如通过气动或液压或机械致动器来调节。
扰流器可与涡流发生器协同作用，并且可根据扰流器的状态（即，扰流器从转子叶片的其它表面部分延伸开或相对于转子叶片的其它表面部分倾斜的突出高度和/或倾斜角度）来影响涡流发生器的效果。
EP1623111B1公开了一种风轮机叶片，该风轮机叶片包括设置在风轮机叶片的表面上或表面处并沿叶片的纵向方向延伸的可调节升力调节装置以及致动装置，通过该致动装置可调节升力调节装置并由此改变叶片的空气动力学特性。升力调节装置包括一个或多个柔性襟翼。
US8851840B2公开了一种风力涡轮机叶片，其包括叶片本体和用于改变叶片的空气动力学表面或形状的装置，其中气动致动器控制该装置的位置和/或运动，其中存在位于叶片本体内的压力室。压力室可被加压，从而改变装置的状态，从而改变叶片的空气动力学表面或形状。
US5106265A公开了一种风力涡轮机机翼，其包括可垂直于气流移动的气动致动的扰流器。
WO2018/041420公开了一种转子叶片，其包括空气动力学装置，用于影响从转子叶片的前缘区段流到转子叶片的后缘区段的气流，其中空气动力学装置安装在转子叶片的表面处，并且包括空气动力学或液压致动器，例如软管或空腔，其容积取决于存在于空气动力学或液压致动器内的流体的压力。
EP2679808A1示出了当气动装置被致动时噪声轮廓(频率内容)改变的总体描述。
希望监测由气动或液压致动器调节的扰流器或其它流动调节空气动力学装置的性能及其对风力涡轮机功率生成的影响。
发明内容
这种需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。
根据本发明的第一方面，提供了一种风力涡轮机，包括：
-至少一个转子叶片，所述转子叶片包括空气动力学装置，所述空气动力学装置用于影响从所述转子叶片的所述前缘区段流到所述转子叶片的所述后缘区段的气流，其中，所述空气动力学装置安装在所述转子叶片的表面处，
-所述空气动力学装置的致动器，所述致动器用于至少在第一突出配置和第二缩回配置之间致动所述空气动力学装置，
-压力供应系统，所述压力供应系统用于借助于加压流体来操作所述致动器，
-声学接收器，用于测量所述压力供应系统中的声学信号，以及
-诊断单元，其连接到所述声学接收器，并且被配置用于基于所述声学信号得出所述空气动力学装置的操作状态。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于检测空气动力学装置的操作状态的方法，该空气动力学装置用于影响从风力涡轮机的转子叶片的前缘流动到转子叶片的后缘的气流，该空气动力学装置能够借助于致动器通过加压流体在第一突出配置和第二缩回配置之间移动，该方法包括以下步骤：
-测量所述压力供应系统中的声学信号，以及
-基于所述声学信号得出所述空气动力学装置的操作状态。
上述布置和方法允许监测空气动力学装置的性能和状态，并因此监测它们对风力涡轮机功率生产的影响。
有利地，致动器可以是连接到压力供应系统的气动软管。压力供应系统通过控制加压流体中的压力来操作致动器。
根据本发明的实施例，致动器、压力供应系统、声学接收器和诊断单元集成在风力涡轮机的转子叶片中。
根据本发明的实施例，风力涡轮机包括用于在压力供应系统中传输声学信号的声学发射器，该声学发射器连接到诊断单元。
致动器可以在对应于空气动力学装置的第一突出配置的充气配置和对应于空气动力学装置的第二缩回配置的放气配置之间操作，处于充气配置的致动器为压力供应系统中的声学信号提供第一路径，处于放气配置的致动器为压力供应系统中的声学信号提供第二路径，第二路径不同于第一路径。
根据本发明的实施例，压力供应系统包括用于将加压流体提供至气动动力装置的致动器的第一压力管线，在第一压力管线处设置声学发射器和声学接收器。
根据这样的实施例，诊断单元是声纳控制单元，声学发射器是连接到声纳控制单元的扬声器，并且声学接收器是也连接到声纳控制单元的麦克风。
根据这样的实施例，扬声器将声音脉冲注入压力管线。麦克风检测回声。如果致动器处于充气配置，则声音脉冲在其回声回到麦克风之前行进到致动器的端部。如果致动器处于缩回配置，则声音脉冲已经在压力管线的端部处返回，即在充气器致动器的封闭端口处返回。如果回声时间短，则致动器处于放气配置；如果回声时间长，则致动器处于充气配置。
有利地，声纳解决方案是故障安全的；因为在声纳系统本身出现故障的情况下，不会接收到回声。
根据本发明的实施例，监测单元可以与诊断单元相关联，用于在所接收的回声不是所预期那样的情况下发出警报。
根据本发明的实施例，所述压力供应系统包括第二压力返回管线，用于从所述空气动力学装置的所述致动器接收所述加压流体，所述声学接收器设置在所述第二压力返回管线处。
根据这样的实施例，扬声器将声音脉冲注入压力管线。麦克风放置在返回压力管线的连接到致动器后端的端部。如果致动器处于充气配置，则声音脉冲一直行进到麦克风。如果致动器处于缩回配置，则声音脉冲在压力管线的端部停止，即，在致动器的开始处停止。
如果接收到声音脉冲，则致动器处于充气配置，并且如果没有接收到声音脉冲，则致动器处于放气配置。
该信息可以与纵倾失速区段的预期状态比较，并且如果存在偏离，则发出警报。
根据本发明的实施例，不存在声学发射器，但是在充气配置中，声源由作用在空气动力学装置上并传播到气动致动器的风来提供。
在这种实施例中，诊断单元可以被配置成计算声学信号的频谱并且基于该频谱得出空气动力学装置的操作状态。
本发明的这种实施例基于这样的事实，即处于突出配置的空气动力学装置受到由叶片周围的气流所产生的力。当失速产生时，失速气流的频率传播到空气动力学装置，并从那里进入气动致动器和用于致动它的加压空气中。其振动可以由连接到软管的麦克风拾取，或者直接作为该区段上的振动测量。如果空气动力学装置处于缩回配置，则这些力必须更小并且具有不同的频率含量。
根据本发明的实施例，第一压力管线在设置有声学接收器和/或声学发射器的第一端与连接到空气动力学装置的致动器的第二端之间延伸，吸声装置设置在第一端处，用于将第一压力管线与压力供应系统中产生的声学噪声声学隔离。
有利地，吸声材料避免来自压力供应系统的噪声和回声到达压力管线。
应当理解，已经单独地或以任何组合公开、描述或提供的用于检测空气动力学装置的操作状态的方法的特征还可以单独地或以任何组合应用于或提供用于检测根据本发明的实施例的风力涡轮机中的空气动力学装置(特别是包括在风力涡轮机的叶片中)的操作状态的装置，反之亦然。
本发明的上述方面和其它方面从下文描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考实施例的示例进行解释。下面将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。
附图说明
图1示出了风力涡轮机；
图2示出了包括空气动力学装置的风力涡轮机的转子叶片；
图3和图4示出了图2的转子叶片的径向截面；
图5和6示意性地示出了根据本发明第一实施例的气动装置；
图7和8示意性地示出了根据本发明第二实施例的气动装置；
图9示意性地示出了根据本发明第三实施例的气动装置。
具体实施方式
附图是示意性形式的。相似或相同的元件由相同或不同的参考标记表示。
图1示出了用于产生电力的传统风力涡轮机10。风力涡轮机10包括在一端安装在地面16上的塔架11。在塔架11的相对端处安装有机舱12。机舱12通常安装成可相对于塔架11旋转，这被称为包括基本上垂直于地面16的偏航轴线。机舱12通常容纳风力涡轮机的发电机和齿轮箱(如果风力涡轮机是齿轮传动的风力涡轮机)。此外，风力涡轮机10包括可围绕转子轴线Y旋转的轮毂13。当没有不同地规定时，术语轴向、径向和周向在下文中参照转子轴线Y来表示。
轮毂13通常被描述为风力涡轮机转子的一部分，其中风力涡轮机转子能够围绕转子轴线Y旋转并且将旋转能量传递到发电机(未示出)。
风力涡轮机1还包括安装在轮毂13上的至少一个叶片20 (在图1的实施例中，风力转子包括三个叶片20，其中仅两个叶片20可见)。叶片4相对于旋转轴线Y大致径向地延伸。
每个转子叶片20通常可枢转地安装到轮毂13，以便绕相应的变桨轴线X变桨。这通过改变风撞击转子叶片20的方向的可能性而改进风力涡轮机的控制，特别是转子叶片的控制。每个转子叶片20在其根部区段21处安装到轮毂13。根部区段21与转子叶片的尖端区段22相对。
图2示出了包括呈致动式扰流器形式的空气动力学装置30的转子叶片20。在根部区段21和尖端区段22之间，转子叶片20还包括用于产生升力的多个翼型区段。每个翼型区段包括吸力侧25和压力侧26。翼型部分的翼型形状由一个翼型轮廓象征，该翼型轮廓在图2中示出并且示出了转子叶片在该翼展位置处的横截面形状。还应注意，通过连接转子叶片20的前缘41与后缘31的弦线27，吸力侧25与压力侧26分开或分离。
空气动力学装置30布置在吸力侧25上位于在前缘41和后缘31之间。
图2中的空气动力学装置30可通过连接到气动致动器34的压力管线53移动。根据附图的实施例，气动致动器34被实现为软管。软管34包括弹性外皮，使得当通过压力管线53操作时，它可以可逆地并且在多个循环期间进行充气和放气。
压力管线53被包括在由控制单元51控制的压力供应系统52中。压力供应系统52向气动致动器34提供加压空气，例如加压空气或其它加压气体。在此上下文中，术语“加压流体”不仅意味着正压而且意味着负压，其中流体被吸出(或“抽出”)气动致动器34。压力管线53可以在实践中实现为不显著改变其体积的管件或管道。最后，控制单元51负责在压力供应系统52处设定特定压力，该特定压力随后在气动致动器34处导致某一预定压力。通过控制加压空气的压力，气动致动器34在充气和放气配置之间操作。
在图2所示的示例中，控制单元51和压力供应系统52位于转子叶片20的根部区段21中。根据本发明的其它实施例(附图中未示出)，这些部件也可以放置在风力涡轮机中的其它地方，例如诸如在风力涡轮机10的轮毂13中。
转子叶片20还包括流动调节单元40，其包括多对涡流发生器。流动调节单元40布置在叶片20的吸力侧25上，位于空气动力学装置30和后缘31之间。
根据本发明的其它实施例(附图中未示出)，流动调节单元40布置在叶片20的吸力侧25上，位于前缘41与空气动力学装置30之间。
根据本发明的其它实施例(附图中未示出)，不存在流动调节单元40，而仅使用空气动力学装置30来调节叶片20的表面上的流动。
根据本发明的其它实施例(附图中未示出)，叶片20包括多个空气动力学装置30。
图3示出了处于第一突出配置的空气动力学装置30，该第一突出配置对应于气动致动器34的充气配置。
在第一配置中，空气动力学装置30使从转子叶片的前缘41流向后缘31的气流71偏离。
处于第一突出配置的空气动力学装置30引起失速。这可以用空气动力学装置30下游的相对大的涡流63来观察。引起失速的结果是转子叶片的升力减小，并且因此转子叶片和风力涡轮机的相关部件的负载减小。
图4示出了处于第二缩回配置的空气动力学装置30，该第二缩回配置对应于气动致动器34的放气配置，即，向下朝向转子叶片20的表面移动。
在该第二配置中，流过空气动力学装置30的气流71保持附着到转子叶片20的表面，因此不发生流动分离，即失速。结果，转子叶片的升力增加。重新激励的涡流64由涡流发生器40在边界层中产生，其具有帮助增加升力的效果。结果，可以实现最高的升力值。
通过经由压力管线53操作空气动力学装置30的气动致动器34，空气动力学装置30可以在第一突出配置与第二缩回配置之间移动，以便在操作风力涡轮机10时根据需要和要求来改变叶片的空气动力学特性。
图5示意性地示出了在充气配置中连接到气动致动器34的压力供应系统52的压力管线53，该充气配置对应于空气动力学装置30(图5中未示出)的第一突出配置。压力管线53在设置有声学发射器61和声学接收器62的第一端53a与连接到空气动力学装置30的气动致动器34的第二端53b之间延伸。在第一端53a处设置吸声装置57，用于将第一压力管线53与压力供应系统52的未包括在第一压力管线53中的其它区段中产生的声学噪声声学隔离。
声学发射器61和声学接收器62连接到诊断单元65。
根据本发明的实施例，声学发射器61是扬声器，而声学接收器62是麦克风。
根据本发明的实施例，诊断单元65是声纳控制单元。
第一压力管线53和处于充气配置的致动器34提供用于声学信号的第一路径68。第一路径68从声学发射器61延伸通过第一压力管线53、通过第二端53b、直到气动致动器34的盲端34a并朝向声学接收器62返回。
图6示出了与图5相同的方案，其中气动致动器34处于放气配置，这对应于气动装置30(图6中未示出)的第二缩回配置。因此，为声学信号提供比第一路径68短的第二路径69。第二路径69从声学发射器61延伸通过第一压力管线53直到第二端53b并且朝向声学接收器62返回。
诊断单元65被配置用于基于对声学信号的分析来得出空气动力学装置30的操作状态。
通过测量从声学发射器61发射声学信号与声学接收器62接收这种信号之间的时间，诊断单元65可以得出气动致动器34是处于充气配置(图5)还是处于放气配置(图6)。因此，诊断单元65可以得出空气动力学装置30是处于第一突出配置还是处于第二缩回配置。
诊断单元65的分析可以基于测量的声学信号与期望的声学信号之间的比较，所述测量的声学信号特别是发射的信号与接收的信号之间的测量时间，所述期望的声学信号特别是当气动致动器34处于充气配置或放气配置时发射的信号与接收的信号之间的预期时间。
如果测量时间不对应于预期时间，例如当通过压力供应系统52命令充气配置时时间对应于放气配置，或者反之亦然，则检测到气动致动器34或空气动力学装置30的故障。
图7示意性地示出了压力供应系统52的另一实施例。压力供应系统52的压力管线53连接到处于充气配置的气动致动器34，该充气配置对应于空气动力学装置30(图7中未示出)的第一突出配置。压力管线53在设置有声学发射器61的第一端53a与连接至空气动力学装置30的气动致动器34的第二端53b之间延伸。在第一端53a处设置吸声装置57，用于将第一压力管线53与压力供应系统52的未包括在第一压力管线53中的其它区段中产生的声学噪声声学隔离。
压力供应系统52包括第二压力返回管线58，用于接收来自气动致动器34的加压流体。声学接收器62设置在第二压力返回管线58的与气动致动器34相对的端部处。
声学发射器61和声学接收器62连接到诊断单元65。
第一压力管线53、处于充气配置的致动器34和第二压力返回管线58提供了声学信号从声学发射器61到声学接收器62的路径。
图8示出了与图7相同的方案，其中气动致动器34处于放气配置，这对应于气动装置30(图6中未示出)的第二缩回配置。因此，从声学发射器61到声学接收器62的路径被中断，并且从声学发射器61发射的声学信号不能被声学接收器62接收。
通过检测声学信号是否到达声学接收器62，诊断单元65可以得出气动致动器34是处于充气配置(图7)还是处于放气配置(图8)。因此，诊断单元65可以得出空气动力学装置30是处于第一突出配置还是处于第二缩回配置。
如果这种检测与预期的检测不一致，例如当已经通过压力供应系统52命令处于充气配置时检测到放气配置，反之亦然，则检测到气动致动器34或空气动力学装置30的故障。
图9示意性地示出了在充气配置中连接到气动致动器34的压力供应系统52的压力管线53，该充气配置对应于空气动力学装置30(图9中未示出)的第一突出配置。压力管线53在设置有声学接收器62的第一端53a和连接到空气动力学装置30的气动致动器34的第二端53b之间延伸。在第一端53a处设置吸声装置57，用于将第一压力管线53与压力供应系统52的未包括在第一压力管线53中的其它区段中产生的声学噪声声学隔离。
声学接收器62连接到诊断单元(未示出)。
根据本发明的实施例，声学接收器62是麦克风。
在这种实施例中，由作用在空气动力学装置30上并传播到处于充气配置的气动致动器34的风来提供声源。
在本实施例中，诊断单元被配置成计算声学信号的频谱并基于该频谱得出空气动力学装置30的操作状态。
诊断单元65的分析基于测量的声学信号的频谱和期望的频谱（特别是当气动致动器34处于充气配置或放气配置时的预期频谱）之间的比较。
如果测量的频谱不对应于预期频谱，例如当通过压力供应系统52命令充气配置时频谱对应于放气配置，或者反之亦然，则检测到气动致动器34或空气动力学装置30的故障。

Claims (14)

1.一种风力涡轮机(10)，包括：
-至少一个转子叶片(20)，其包括用于影响从所述转子叶片(20)的前缘区段(24)流动到所述转子叶片(20)的后缘区段(23)的气流(71)的空气动力学装置(30)，其中所述空气动力学装置(30)安装在所述转子叶片(20)的表面(28)处，
-所述空气动力学装置(30)的致动器(34)，用于至少在第一突出配置和第二缩回配置之间致动所述空气动力学装置(30)，
-压力供应系统(52)，其用于借助于加压流体来操作所述致动器(34)，
-声学接收器(62)，其用于测量所述压力供应系统(52)中的声学信号，以及
-诊断单元(65)，其连接到所述声学接收器(62)并且被配置用于基于所述声学信号得出所述空气动力学装置(30)的操作状态。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其中，所述风力涡轮机(10)包括用于在所述压力供应系统(52)中发射所述声学信号的声学发射器(61)，所述声学发射器(61)连接到所述诊断单元(65)。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(10)，其中，所述致动器(34)在对应于所述空气动力学装置(30)的所述第一突出配置的充气配置和对应于所述空气动力学装置(30)的所述第二缩回配置的放气配置之间操作，处于所述充气配置中的所述致动器(34)为所述压力供应系统(52)中的所述声学信号提供第一路径(68)，处于所述放气配置中的所述致动器(34)为所述压力供应系统(52)中的所述声学信号提供第二路径(69)，所述第二路径(69)不同于所述第一路径(68)。
4.根据权利要求2或3所述的风力涡轮机(10)，其中，所述压力供应系统(52)包括用于向所述空气动力学装置(30)的致动器(34)提供加压流体的至少第一压力管线(53)，所述声学发射器(61)设置在所述第一压力管线(53)处。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机(10)，其中，所述压力供应系统(52)包括至少第二压力返回管线(58)，所述第二压力返回管线用于从所述空气动力学装置(30)的所述致动器(34)接收所述加压流体，所述声学接收器(62)设置在所述第二压力返回管线(58)处。
6.根据权利要求4或5所述的风力涡轮机(10)，其中，所述第一压力管线(53)在设置有所述声学接收器(62)和/或所述声学发射器(61)的第一端(53a)与连接到所述空气动力学装置(30)的所述致动器(34)的第二端(53b)之间延伸，在所述第一端(53a)处设置有吸声装置(57)，用于将所述第一压力管线(53)与在所述压力供应系统(52)中产生的声学噪声声学隔离。
7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(10)，其中，所述致动器(34)是可充气软管。
8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(10)，其中，所述声学接收器(62)是麦克风。
9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(10)，其中，所述声学发射器(61)是扬声器。
10.一种用于风力涡轮机(10)的转子叶片(20)，包括：
-空气动力学装置(30)，其用于影响从所述转子叶片(20)的前缘区段(24)流动到所述转子叶片(20)的后缘区段(23)的气流(71)，其中，所述空气动力学装置(30)安装在所述转子叶片(20)的表面(28)处，
-所述空气动力学装置(30)的致动器(34)，用于至少在第一突出配置和第二缩回配置之间致动所述空气动力学装置(30)，
-压力供应系统(52)，其用于借助于加压流体来操作所述致动器(34)，
-声学接收器(62)，其用于测量所述压力供应系统(52)中的声学信号，以及
-诊断单元(65)，其连接到所述声学接收器(62)并且被配置用于基于所述声学信号得出所述空气动力学装置(30)的操作状态。
11. 一种用于检测空气动力学装置(30)的操作状态的方法，所述空气动力学装置用于影响从风力涡轮机(10)的转子叶片(20)的前缘(41)流动到所述转子叶片(20)的后缘(31)的气流(71)，所述空气动力学装置(30)能够借助于加压流体通过致动器(34)在第一突出配置与第二缩回配置之间移动，所述方法包括以下步骤：
-测量所述压力供应系统(52)中的声学信号，以及
-基于所述声学信号得出所述空气动力学装置(30)的操作状态。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所测量的声学信号与期望的声学信号进行比较，基于所测量的声学信号与所述期望的声学信号之间的比较来得出所述空气动力学装置(30)的操作状态。
13.根据权利要求11所述的方法，基于所述声学信号的发射与所述声学信号的接收之间的时间来得出所述空气动力学装置(30)的操作状态。
14.根据权利要求11所述的方法，所述方法包括以下步骤：
-计算所述声学信号的频谱，
-基于所述频谱来得出所述空气动力学装置(30)的操作状态。
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