CN114245847A - 风轮机叶片压力测量系统 - Google Patents

Abstract

一种风轮机叶片(10)，该风轮机叶片(10)具有前缘(14)和后缘(15)、在前缘(14)和后缘(15)处与压力侧蒙皮(12)结合以形成中空叶片结构的吸力侧蒙皮(11)、以及压力测量单元(99)。该压力测量单元包括第一连接管(161)和固定地附接至吸力侧蒙皮(11)和压力侧蒙皮(12)之一的第一感测端口(151)、第二连接管(165)和固定地附接至吸力侧蒙皮(11)和压力侧蒙皮(12)之一的第二感测端口(155)、以及在第一入口(113)处接收第一连接管(161)并在第二入口(123)处接收第二连接管(165)的压力感测单元(100)。压力感测单元(100)具有与第一入口(113)流体连通的第一阻力单元(170)和与第二入口(123)流体连通的第二阻力单元(174)，所述第一阻力单元(170)和所述第二阻力单元(174)也与环境空气流体连通。此外，压力感测单元(100)具有产生指示第一入口(113)与第二入口(123)之间的压力差的差压信号的差压传感器(130)。

Description

风轮机叶片压力测量系统

技术领域

本发明涉及风轮机叶片，尤其涉及风轮机叶片的外表面上的空气压力的测量。

背景技术

现代风轮机往往在复杂的流场中运转，并且这些风轮机的叶片经历空气速度和迎角的时变变化，这可能导致叶片不在其最有效状态下运转。因此，多兆瓦级风轮机的叶片可旋转地连接至轮毂，允许轮毂中的桨距系统使叶片沿着叶片轴线旋转，从而使叶片单独或共同地移入和移出风向。对叶片的外表面上的两点处(例如在选定翼展位置处的叶片的吸力侧和压力侧)的空气压力进行同时测量会产生指示叶片的空气动力学状态和空气动力学效率的压力信号。当风轮机叶片在复杂的流场中运转时，可使用从叶片的外表面获得的空气压力信号来优化风轮机的控制(包括桨距角)，从而获得所期望的风轮机运转改善，例如增加发电量或降低叶片负载。

风轮机环境对表面压力测量系统提出了独特的挑战。第一，测量必须足够快，以应对在叶片表面的至少一部分上间歇地发生的空气动力学事件，例如气流从表面分离。第二，叶片上的中部和外侧翼展位置处的大向心加速度会影响测量装置的精度。第三，风轮机叶片经常遭受雷击，并且叶片内的相关大电流冲击可能损坏位于叶片内(尤其是叶片的外侧部分内)的电子设备。第四，由撞击表面的昆虫和颗粒造成的表面污染以及表面结冰可能干扰压力测量。第五，叶片的商业应用必须足够可靠，能够长时间无人值守工作。最后，商业应用必须是低成本的。

目前还没有一种压力测量系统能够克服上面列出的所有挑战和要求。在本领域中众所周知的是，可使用连接至本地压力测量单元的贯穿表面的穿孔(又称为测压口)作为一种测量表面上的某点的压力的手段。压力测量值基本上总是表示两点之间的压力差的差值。例如，在SERI/TP-257-3695“旋转风轮机叶片上的空气动力压力测量”(1990年5月)中描述的实验活动说明了这样的一个系统。专利US8,784,059 B2示出了一种复杂的差压测量系统，该系统具有压缩空气自动净化单元，以在检测到障碍物时清理测压口和相关管道。将电子压力传感器布置在测压口附近会使系统容易遭受雷击。此外，不希望系统很复杂，因为这会增加成本并降低可靠性。类似地，US2014/0356165 A1示出了一种使用位于测压口正下方的电子或光纤压力传感器的复杂的差压测量系统。此方案容易遭受雷击(电子传感器)，或者成本极高(光纤传感器)。

因此，需要一种商业上可行的风轮机叶片压力测量系统。由此出发，本发明的一个目的是成功地克服所有或至少一种上述挑战和要求，以提供一种商业上可行的解决方案。

发明内容

根据本发明，上述目的是通过如权利要求1所述的风轮机叶片实现的。在从属权利要求中阐明并在以下说明书中说明了本发明的优选改进方案和/或实施例。

风轮机叶片具有前缘、后缘、叶根、叶尖、以及从叶根指向叶尖的叶片轴线。优选叶片结构是壳状的。尤其是，叶片或叶片结构具有压力侧蒙皮和吸力侧蒙皮，所述吸力侧蒙皮在前缘和后缘处与所述压力侧蒙皮结合，以形成中空叶片结构。优选所述叶片或中空叶片结构包括叶片内部腔体。

所述叶片具有或包括压力测量单元。优选该压力测量单元位于叶片或叶根附近，最优选位于叶片的内部腔体中。尤其是，所述压力测量单元包括第一连接管和第一感测端口，所述第一感测端口固定地附接至吸力侧蒙皮和压力侧蒙皮之一，并且具有将叶片的外部连接至第一连接管的第一通孔。所述压力测量单元还包括第二连接管和第二感测端口，所述第二感测端口固定地附接至吸力侧蒙皮和压力侧蒙皮之一，并且具有将叶片的外部连接至第二连接管的第二通孔。所述压力测量单元还包括压力感测单元，该压力感测单元在第一入口处接收第一连接管，并在第二入口处接收第二连接管。优选所述压力感测单元位于叶根附近或靠近叶根，或者位于叶根的范围内。尤其是，所述压力感测单元位于叶片的内部腔体中。此外，所述压力感测单元具有与第一入口流体连通的第一阻力单元和与第二入口流体连通的第二阻力单元，所述第一阻力单元和所述第二阻力单元还在预先选定的点或位置处与环境空气流体连通，优选在压力感测单元的附近或范围内与环境空气流体连通，以允许环境空气分别在预定量的流体阻力或流动阻力下流入第一连接管和第二连接管。优选所述第一阻力单元与第一入口永久地或在时间上连续地流体连通，所述第二阻力单元与第二入口永久地或在时间上连续地流体连通。所述压力感测单元还包含差压传感器，该差压传感器产生指示第一入口与第二入口之间的压力差的差压信号。优选上述差压信号是内部差压信号。尤其是，然后根据第一和第二阻力单元的已知衰减因子以及第一和第二连接管的管长度将差压信号或内部差压信号放大预定量，以产生指示第一感测端口位置与第二感测端口位置之间的叶片外表面上或外表面处的气压差的差压信号。优选所述第一连接管和所述第二连接管是由塑料制成的。优选所述第一感测端口和所述第二感测端口是由塑料制成的。

尤其是，所述压力测量单元位于叶片或叶根附近或靠近叶片或叶根，或者在叶片或叶根的范围内。优选所述压力测量单元位于叶片的内部腔体中。

所述感测端口可固定地附接至吸力侧蒙皮和压力侧蒙皮之中的同一蒙皮或不同蒙皮。尤其是，所述第一感测端口可固定地附接至吸力侧蒙皮，所述第二感测端口可固定地附接至吸力侧蒙皮。除此以外，所述第一感测端口可固定地附接至压力侧蒙皮，所述第二感测端口可固定地附接至压力侧蒙皮。或者，所述第一感测端口可固定地附接至吸力侧蒙皮，所述第二感测端口可固定地附接至压力侧蒙皮。除此以外，所述第一感测端口可固定地附接至压力侧蒙皮，所述第二感测端口可固定地附接至吸力侧蒙皮。

优选翼展位置由沿着叶片轴线距叶根的距离限定。尤其是，翼展位置位于叶根与叶尖之间。优选翼弦位置由横向于叶片轴线从前缘到后缘的距离限定。尤其是，翼弦位置位于前缘与后缘之间。

根据一个实施例，所述感测端口位于同一个翼展位置。尤其是，所述感测端口位于同一个翼弦位置或不同的翼弦位置。优选所述感测端口是彼此隔开的。

根据一种改进形式，所述第一通孔具有朝叶尖倾斜的第一通孔轴线。因此，存在于第一连接管或第一通孔本身内的杂物或流体(包括水)可在转子围绕转子轴线旋转所产生的离心力的作用下被迫离开压力测量单元。此外，在转子旋转时，由于所述离心力，第一通孔朝叶尖的倾斜能防止存在于外部空气中的水或杂物经由第一测压孔开口进入压力测量单元。优选所述第二通孔具有朝叶尖倾斜的第二通孔轴线。

根据一个实施例，所述压力感测单元具有静态净化单元。

该静态净化单元包括第一主室、与第一主室流体连通的第一出口、与第一主室流体连通的第一阻力端口，以及与第一主室流体连通的第一入口。优选所述第一入口接收第一连接管。尤其是，所述第一阻力单元附接至第一阻力端口。此外，所述静态净化单元包括第二主室、与第二主室流体连通的第二出口、与第二主室流体连通的第二阻力端口、以及与第二主室流体连通的第二入口。优选所述第二入口接收第二连接管。尤其是，所述第二阻力单元附接至第二阻力端口。此外，所述差压传感器连接至第一出口和第二出口。优选所述静态净化单元位于叶片的内部腔体中。

优选所述第一主室从第一入口延伸至第一出口，所述第一阻力端口布置在第一入口与第一出口之间。尤其是，所述第一入口和所述第一出口布置在第一主室的端面上、该端面处或该端面内。优选所述第一阻力端口布置在第一主室的外周面上、该外周面处或该外周面内。优选所述第二主室从第二入口延伸至第二出口，所述第二阻力端口布置在第二入口与第二出口之间。尤其是，所述第二入口和所述第二出口布置在第二主室的端面上、该端面处或该端面内。优选所述第二阻力端口布置在第二主室的外周面上、该外周面处或该外周面内。

根据一种改进形式，所述静态净化单元包括具有壳体内部的壳体，该壳体内部包括第一主室和第二主室。优选所述壳体具有分隔壁，第一主室和第二主室通过该分隔壁彼此隔开。优选所述分隔壁位于壳体内和/或壳体内部。尤其是，所述壳体具有壳体壁，该壳体壁封闭壳体内部。优选所述壳体壁包括第一入口和/或第二入口和/或第一出口和/或第二出口和/或第一阻力端口和/或第二阻力端口。优选所述壳体是由塑料制成的。优选所述壳体壁包括分隔壁。

尤其是，所述壳体和/或所述壳体壁包括第一主室的端面。优选所述壳体和/或所述壳体壁包括第一主室的外周面。尤其是，所述壳体和/或所述壳体壁包括第二主室的端面。优选所述壳体和/或所述壳体壁包括第二主室的外周面。

优选所述第一阻力单元包括第一阻力管，该第一阻力管具有向环境空气敞开的第一阻力管端部。尤其是，所述第一阻力管是由塑料制成的。优选所述第二阻力单元包括第二阻力管，该第二阻力管具有向周围空气敞开的第二阻力管端部。优选所述第二阻力管是由塑料制成的。

优选所述第一阻力单元包括第一桥接管，该第一桥接管将第一阻力管连接至第一阻力端口。尤其是，第一阻力管的内径小于第一桥接管的内径。优选所述第一桥接管是由塑料制成的。优选所述第二阻力单元包括第二桥接管，该第二桥接管将第二阻力管连接至第二阻力端口。尤其是，第二阻力管的内径小于第二桥接管的内径。优选所述第二桥接管是由塑料制成的。

根据另一个方面，一种风轮机包括配置成围绕转子轴线旋转的转子，该转子具有轮毂和至少一个如本发明所述的叶片。所述叶片在叶根处附接至轮毂。此外，所述风轮机还包括接收差压信号的计算单元。优选该计算单元还接收指示风轮机的运转状态的运转参数。优选所述计算单元包括数据存储装置或存储器。尤其是，所述计算单元包括微处理器或微控制器。

根据一个实施例，所述计算单元还具有可访问的参考差压值，该参考差压值表示在没有气流分离的情况下运转的参考叶片上获得的差压信号，其中，所述计算单元配置成产生气流分离信号，该气流分离信号指示差压信号与从运转参数和参考差压值或信号获得的计算参考信号值的偏差。优选所述参考差压值存储在数据存储装置或存储器中。

根据一种改进形式，所述计算单元还具有可访问的参考差压值，该参考差压值表示在参考叶片上获得的差压信号，其中所述计算单元配置成根据差压信号与从运转参数和参考差压值或信号获得的计算参考信号值的比较结果产生指示流入气流的流入角的迎角信号。优选所述参考差压值存储在数据存储装置或存储器中。

附图说明

图1是具有多个叶片的风轮机的透视图；

图2是第一实施例的具有压力测量单元的叶片之一的透视图；

图3a是第一实施例的具有压力测量单元的叶片的横截面图；

图3b是第二实施例的具有压力测量单元的叶片之一的横截面图；

图4是第一实施例的压力测量单元的示意图，该示意图包括压力测量单元的静态净化单元的截面图；

图5是静态净化单元的透视图(左图)和静态净化单元的局部截面图(右图)；

图6是压力测量单元的一部分的透视图，该透视图包括静态净化单元的局部截面图；

图7是压力测量单元的另一个示意图；

图8是压力测量单元的电学模型。

具体实施方式

风轮机包括至少一个或者一个或多个具有叶根和叶尖的叶片10，所述叶片在叶根处附接至轮毂40，以形成在风力作用下围绕转子轴线旋转的转子。该转子附接至容纳发电机的机舱20，所述发电机由转子的旋转驱动。所述机舱还承载大气感测站25，该大气感测站25包括风速计、风向标、大气压力传感器和大气温度传感器。这些值用于计算大气密度。所述机舱可旋转地附接至塔架30，以允许机舱和转子指向风向。叶片以及转子围绕转子轴线以角速度Ω旋转，如图1中的附图标记50所示。此外，叶片10可旋转地附接至轮毂40，以允许围绕叶片的轴线旋转，从而设定叶片的桨距角。改变叶片的桨距角会改变大气冲击叶片的角度，从而改变叶片产生的空气动力升力。桨距系统60根据来自控制风轮机的整体运转的中央控制单元(未示出)的命令改变叶片的桨距角。

每个叶片10包括吸力侧蒙皮11，该吸力侧蒙皮11在叶片前缘14和叶片后缘15处与压力侧蒙皮12结合，以形成具有叶片内部的中空叶片结构，从而吸力侧蒙皮和压力侧蒙皮都具有暴露于大气的外表面和暴露于叶片内部的内表面。叶片内部的一个或多个翼梁结构13沿着叶片的轴线延伸，将吸力侧蒙皮11与压力侧蒙皮12结合起来，从而为叶片提供额外的刚度和强度。应说明的是，沿着叶片轴线从叶根到叶尖的距离在本领域中被称为术语“翼展”或“翼展位置”。

拓扑结构

本发明包括一个或多个压力测量单元99，这些压力测量单元99在本文中又被称为PMU。每个PMU包括优选位于叶根(即，最靠近轮毂的叶片端部)附近的压力感测单元100、第一感测端口151、第二感测端口155、以及分别将第一感测端口151和第二感测端口155结合至压力感测单元100的第一连接管161和第二连接管165。压力感测单元100产生指示在连接管与压力感测单元的接合处存在于连接管161和165内的气压的差值的内部差压信号。内部差压信号被按预定比例因子放大，以产生差压信号。该比例因子是第一和第二阻力单元的衰减因子以及第一和第二连接管的管长度的函数。因此，所述差压信号指示第一感测端口151与第二感测端口155之间的叶片的外表面上或外表面处的气压差。通过在第一和第二测压孔开口处施加已知数值的压力差并将已知压力差值除以内部差压信号，很容易通过实验确定所述比例因子。

根据需要，可选择具有不同长度的第一和第二连接管，以将第一和第二感测端口置于期望的翼展位置。连接管长度的例子有12米、25米和30米。为了抵抗由雷击产生的大电流，第一感测端口151和第二感测端口155以及第一连接管161和第二连接管165的优选材料是塑料，例如聚酰胺。

在正常运转状态下，在选定的翼展位置，叶片的吸力面和压力面上沿着翼弦方向的压力分布在前缘附近的气流冲击叶片表面的前驻点处表现出最大值，并且逐渐进展到通常位于前缘与最大叶片厚度点之间的最小压力值点。在驻点与最小压力点之间的流动区域中沿着流线运动的空气粒子在向前运动时看到的压力较低，因此空气粒子受到净向前力并经历加速。最后一个区域是最小压力值点与后缘之间的压力恢复区域，在该区域中，压力回升到驻点值或接近驻点值。若沿着表面的反向压力梯度(定义为空气颗粒行进的单位长度上的压力升高量)超过临界值，则整个外部空气流与吸力侧蒙皮11的外表面分离，并形成很大的不希望有的尾流区域。

图2中还示出了将沿叶片的翼展分成两个部分的假想线18，这两个部分被称为外翼展部分和内翼展部分，外翼展部分在假想线18与叶尖之间延伸。外翼展部分包括在预先选定的转子速度下向心加速度的大小超过重力加速度的所有翼展位置。

在图3a所示的一个实施例中，PMU具有第一感测端口151，该第一感测端口151在沿着叶片的选定翼展处以及在翼梁与后缘之间的压力恢复区域中的选定翼弦位置处附接至吸力侧蒙皮11的内表面。它还具有第二感测端口155，该第二感测端口155也在翼梁与后缘之间并且优选在基本相等的翼展位置处附接至压力侧蒙皮12的内表面。在此实施例中，感测端口的位置使得差压信号等同于指示压力恢复区域中的叶片的吸入侧与压力侧之间的压差的恢复压力信号。

例如，在恢复压力信号被设为产生指示在测量的翼展位置处在叶片上存在或不存在气流分离以及指示气流接近分离的程度的气流分离信号时，也选择此实施例。尤其是，PMU的差压信号被发送至计算单元70。同时，计算单元70接收指示风轮机的运转状态的运转参数。计算单元70还具有可访问的、优选是数字存储的数值的形式的参考差压值，该参考差压值表示当叶片在没有气流分离的情况下运转时由同一个叶片上的PMU或由参考叶片上的拓扑等效的PMU产生的差压信号。所选择的参考叶片在叶片结构方面具有所期望的最干净、最光滑的外表面，因此在任何流场中以最小的分离量运转。所述计算单元计算参考信号值，被定义为在当前叶片运转条件下由参考叶片上的拓扑等效的PMU测量的预期差压信号值。计算单元70发出气流分离信号，该气流分离信号的值表示差压信号与参考信号值的偏差。

例如，使用测量的翼展位置处的总气动压头对恢复压力信号进行归一化，若所得的归一化值的大小低于在该翼展位置处具有完全附着的气流的参考叶片上测量的归一化值的预定分数，则激活分离信号。例如，在归一化恢复压力信号值为0.4、预定分数为1/2并且预期参考叶片的完全附着气流归一化值为1.0时，发生信号激活。(在此，总气动压头具有本领域的标准定义，定义为0.5ρV²，其中ρ是空气密度，V是在测量的翼展位置处(充分地)在叶片前缘的前方的空气的总流速)。此外，恢复压力信号与预期信号的比较给出了在时间上平滑且连续变化的量值，该量值与气流分离发生之前的当前风轮机运转状态下存在的剩余缓冲量成正比，因而指示该剩余缓冲量。

在图3b所示的第二实施例中，第一感测端口151在沿着叶片的选定翼展处和前缘附近的选定翼弦位置处附接至吸力侧蒙皮11的内表面。在邻近前缘的位置存在一个撞击面区域，在该区域处，表面暴露于并易受到昆虫和其它空中悬浮微粒的撞击。随着时间的推移，这种撞击可能在叶片的外表面上产生一层残留的撞击物质。因此，在该优选实施例中，第一感测端口151优选位于撞击表面区域的下游，或者，等效的形式是更朝向后缘。

第二实施例还具有第二感测端口155，该第二感测端口155在沿着叶片的基本相同的选定翼展处以及在第一感测端口的翼弦位置下游的翼弦位置处附接至吸力侧蒙皮11的内表面，优选在第一感测端口的位置与最大叶片厚度点之间附接至吸力侧蒙皮11的内表面。

在此实施例中，由于第一感测端口151与第二感测端口155之间的压力差指示气流所经历的加速度的大小，因此感测端口的位置将差压信号限定为等同于流动加速度信号。

与前面的实施例类似，将差压信号发送至计算单元70，并在其中将差压信号与在当前转子速度、当前桨距角和大气密度下的预先计算或预先存储的预期值进行比较，计算单元确定在测量的翼展位置处流入气流相对于叶片的翼弦方向的流入角(如本领域所公知的)。该角度值随后被作为迎角信号传送，例如由中央风轮机控制计算机或SCADA系统使用。使用相同的程序可计算表示转子附近的风速大小的局部风速值。最后，将迎角信号与在当前风轮机运转条件下转子对自由气流风速的减速的模型相结合，产生指示风轮机前方远处的风速的风速信号。

若计算单元发现气流加速度信号与预期值有很大不同，并且同时由大气感测站25产生的大气信号指示结冰条件是可能的，则计算单元70为第一感测端口151的翼展位置产生表面结冰信号。最优选的是，多个压力测量单元(PMU)安装在选定的翼展位置，并且来自两个或更多压力测量单元的一致表面结冰信号的事件被风轮机控制器用作叶片结冰的可靠指示。还应说明的是，在检测到结冰时，风轮机状态不一定必须是运转状态。具有停止的转子并且经受高于阈值(例如5米/秒)的大气风速的风轮机可能通过将叶片相对于风倾斜预定角度来产生可测量的加速度信号。在这种方式中，当沿着叶片的翼展的预定最小数量的加速度信号具有充分接近预先计算或预先存储的预期值的数值时，产生叶片的无冰信号。

运转

现在详细说明压力测量单元(PMU)的组成和功能。为了不失一般性和简明起见，我们示出并说明用于产生恢复压力信号的PMU拓扑结构。应理解，该说明也适用于其它PMU拓扑结构，例如用于产生加速度信号的拓扑结构。

请参考图4，使用胶水或机械紧固件将第一感测端口151在选定的翼展位置附接至吸力侧蒙皮11的内表面。第一连接管161连接至第一感测端口151。第一通孔穿过第一感测端口151和吸力侧蒙皮11，以在吸力侧蒙皮的外表面上形成第一测压孔开口152，并在通过第一测压孔开口152的外部空气与第一连接管161的内部之间形成流体连接。第一通孔具有第一通孔轴线，并且，在此优选实施例中，该第一通孔轴线朝叶尖倾斜，使得存在于第一连接管161或第一通孔本身内的杂物或流体(包括水)在转子围绕转子轴线旋转所产生的离心力的作用下被迫离开PMU。此外，在转子因所述离心力而旋转时，以及在第一测压孔开口152和第二测压孔开口156位于外翼展段时，第一通孔朝叶尖的倾斜防止外部空气中存在的水或杂物经由第一测压孔开口152进入PMU。

类似地，PMU包括附接至压力侧蒙皮12的内表面的第二感测端口155、接收第二连接管165的第二感测端口155、以及穿过第二感测端口155和压力侧蒙皮12以在压力侧蒙皮12的外表面上形成第二测压孔开口156的第二通孔，该第二通孔还将第二测压孔开口连接至第二连接管165的内部。

压力感测单元100具有静态净化单元110，并且该静态净化单元具有接收第一连接管161的第一入口113和接收第二连接管165的第二入口123。第一入口113与静态净化单元110内的第一主室112流体连通。所述静态净化单元还包括第一出口114和第一阻力端口116，这两个端口均与第一主室112流体连通。

尤其是，第一主室112具有阻力开口115，第一阻力端口116通过阻力开口115与第一主室112流体连通。第一阻力单元170附接至第一阻力端口116，从而与第一主室112和第一入口113流体连通。第一阻力单元还具有向环境空气敞开的第一阻力管端部173。第一阻力单元170的功能是在流体从第一阻力管流至第一连接管时或沿相反方向通过时提供阻碍空气或其它流体的流动的预定量的流体阻力。例如，第一阻力单元170包括与具有第一阻力管端部173的第一阻力管172结合的第一桥接管171。例如，第一连接管161的内径为4毫米，长度为25米，第一桥接管171的内径为2毫米，长度为50毫米，第一阻力管172的内径为1毫米，长度为800毫米。第二入口123与静态净化单元110内的第二主室122流体连通。所述静态净化单元还包括第二出口124和第二阻力端口126，这两个端口均与第二主室122流体连通。尤其是，第二主室122具有阻力开口125，第二阻力端口126通过阻力开口125与第二主室122流体连通。第二阻力单元174附接至第二阻力端口126，从而与第二主室122和第二入口123流体连通。第二阻力单元还具有向环境空气敞开的第二阻力管端部177。第二阻力单元174的功能是在流体通过第二阻力管端部流至第二连接管时或沿相反方向通过时提供阻碍空气或其它流体的流动的预定量的流体阻力。例如，第二阻力单元174包括与具有第二阻力管端部177的第二阻力管176结合的第二桥接管175。例如，第二连接管165的内径为4毫米，长度为25米，第二桥接管175的内径为2毫米，长度为50毫米，第二阻力管176的内径为1毫米，长度为800毫米。为了最大限度地减少离心力对PMU的压差测量的影响，本发明的优选实施例为第一连接管161和第二连接管165使用基本相等的管长度，此外，为第一感测端口151和第二感测端口155使用基本相同的翼展位置。

如上所述，在数量和功能上，静态净化单元110包括与第一连接管161相关联的所有“第一”部件的副本，以产生与第二连接管165相关联的相应“第二”部件，如图4、5和6所示，从而与第二感测端口155和第二连接管165相关联的管道和部件的拓扑结构等同于与第一感测端口151和第一连接管161相关联的管道和部件的拓扑结构。尤其是，第二主室122、第二入口123、第二出口124和第二阻力单元174分别执行与第一主室112、第一入口113、第一出口114和第一阻力单元170相同的功能。压力感测单元100还包括差压传感器130，该差压传感器130连接至第一出口114和第二出口124，并产生与所述第一出口和第二出口之间的气压差成正比的差压信号，并且，由于第一主室和第二主室中的气流速度可忽略不计，因此该差压信号也指示第一入口113与第二入口123之间的气压差。根据所选择的PMU的功能，该差压信号变成恢复压力信号或加速度信号。

静态净化单元110的一个作用是在转子围绕转子轴线旋转时所产生的离心力的作用下允许已经进入PMU的任何水经由第一测压孔开口152或第二测压孔开口156排出。尤其是，空气通过第一阻力管端部173进入第一阻力单元170，并且前进到第一主室112，并且进一步前进到第一连接管161的内部。空气进入PMU避免了在第一连接管161内产生会阻碍或阻止管中的水通过第一测压孔开口152排出的低压区。

静态净化单元110的另一个作用是在转子旋转期间允许第一稳定气流通过第一连接管161并允许第二稳定气流通过第二连接管165，第一稳定气流从第一阻力管端部173开始并通过第一测压孔开口152排出，第二稳定气流从第二阻力管端部177开始并通过第二测压孔开口156排出。第一稳定气流和第二稳定气流均是由叶片围绕转子旋转所产生的离心泵送作用以及第一连接管161和第二连接管165的管长度的组合驱动的。第一稳定气流和第二稳定气流还阻止异物颗粒或流体进入PMU。

第一阻力单元170的存在影响在第一出口114处看到的压力信号。这种影响主要表现为信号幅值的降低，这可借助于如图8所示的电学模型来解释。气压信号在代表第一测压孔开口152的点152’处进入，通过电阻R1到达代表第一主室112的节点112’，并继续通过电阻R2到达代表第一阻力管端部173处的气压的“地”电位173’，该气压也与压力感测单元100的位置处的叶片内部的气压对应。

电阻R1代表由第一连接管161施加在由所述管内的压力信号产生的空气运动上的摩擦阻力、以及因管材料中的伴随着管直径的膨胀和收缩的能量损失而引起的压力信号的衰减。类似地，电阻R2代表由第一阻力单元170施加在由所述单元内部的压力信号产生的空气运动上的摩擦阻力和通过阻力开口115至第一主室112的压降、以及因伴随着管的径向膨胀的材料损失而引起的压力衰减。

电阻R1和R2的作用是在接点112’处产生低于点152’处的压力信号的幅值的压力信号。对于稳态压力信号，这种降低能很好地用分数R2/(R1+R2)来近似。在优选实施例中，R2明显大于R1，例如是R1的四倍，使得112’处的压力信号和122’处的压力信号明显高于PMU的任何噪声水平。由于在构造PMU时衰减因子R2/(R1+R2)是已知的，因此在差压传感器130内将由差压传感器130测得的差压测量值乘以因子(R1+R2)/R2，以抵消衰减的影响并产生差压信号。

连接管161和165的长度在压力信号中产生附加的衰减，该衰减超过由R1和R2引起的衰减。这种附加的衰减是与频率相关的，并且随着频率的提高而导致越来越高的衰减。该附加衰减的强度随着连接管的长度而增大。对于在压力时变中解析的最高频率的给定选择以及管直径和刚度的给定选择，允许连接管有相应的最大管长度。

例如，对于使用4毫米内径的尼龙材料的第一连接管161并提供最高3Hz压力变化频率的可接受分辨率的PMU，最大管长度大约为25米，对于最高2Hz的可接受分辨率，最大管长度大约为34米。分辨率为2至3Hz的PMU足以捕获现代多兆瓦级风轮机的大型叶片上的间歇性气流分离事件。

在压力感测单元100位于叶根处或叶根附近时，为了应用PMU来测量超出可达到的翼展的翼展位置处的表面压力，在使用PMU时利用最大管长度，并将压力感测单元100置于叶片中的更深位置。该实施例可能需要附加的电路或壳体来保护压力感测单元100免受由雷击引起的叶片内部的电流冲击。

由离心泵送作用产生的第一稳定气流和第二稳定气流在图8的电学模型中被示为电流。尤其是，离心泵送作用产生从173’处开始并在152’处离开的第一电流、以及从177’处开始并在156’处离开的第二电流。第一和第二电流的数值基本上相等，因为在优选实施例中，连接管161和165的长度基本上相等，并且第一和第二感测端口的翼展位置也基本上相等。因此，由第一和第二电流在节点112’和122’处产生的第一和第二压力值基本上彼此相等，从而对差压传感器130中测量的差压信号产生的贡献基本上为零。

从本公开和其中提供的示例性实施例能够看出，本发明产生了满足在概述部分中列出的商业要求的PMU，即：(a)速度足够快，能够应对空气动力学事件，例如气流分离；(b)在叶根附近有压力感测单元，因此只受到由叶片的旋转产生的向心加速度的最小影响，并且易于接近以便维修；(c)基本上不受雷击影响，因为其延伸到大翼展位置的部件优选由塑料材料制成；(d)在叶片的前缘周围的冲击面区域内没有部件；(e)被动自动净化，因而允许长时间无人值守运转；(f)成本低，因为差压传感器130中的优选感测技术是普通的电应变计，并且延伸到叶片中的部件由低成本材料制成，例如塑料。

附图标记列表

10 叶片或一个或多个叶片

11 吸力侧蒙皮

12 压力侧蒙皮

13 翼梁结构

14 叶片前缘

15 叶片后缘

18 假想线

20 机舱

25 大气感测站

30 塔架

40 轮毂

50 转子的旋转

60 桨距系统

70 计算单元

99 压力测量单元

100 压力感测单元

110 静态净化单元

112 第一主室

113 第一入口

114 第一出口

115 阻力开口

116 第一阻力端口

122 第二主室

123 第二入口

124 第二出口

125 阻力开口

126 第二阻力端口

130 差压传感器

151 第一感测端口

152 第一测压孔开口

155 第二感测端口

156 第二测压孔开口

161 第一连接管

165 第二连接管

170 第一阻力单元

171 第一桥接管

172 第一阻力管

173 第一阻力管端部

174 第二阻力单元

175 第二桥接管

176 第二阻力管

177 第二阻力管端部

Ω 转子的角速度

Claims (12)

1.一种风轮机叶片(10)，具有前缘(14)和后缘(15)、叶根、叶尖、从叶根指向叶尖的叶片轴线，并且具有压力侧蒙皮(12)和吸力侧蒙皮(11)，该吸力侧蒙皮(11)在前缘(14)和后缘(15)处与压力侧蒙皮(12)接合，以形成中空叶片结构，所述风轮机叶片包括压力测量单元(99)，该压力测量单元(99)包括：

第一连接管(161)和第一感测端口(151)，所述第一感测端口(151)固定地附接至吸力侧蒙皮(11)和压力侧蒙皮(12)之一，并且具有将叶片(10)的外部连接至第一连接管(161)的第一通孔，

第二连接管(165)和第二感测端口(155)，所述第二感测端口(155)固定地附接至吸力侧蒙皮(11)和压力侧蒙皮(12)之一，并且具有将叶片(10)的外部连接至第二连接管(165)的第二通孔，

在第一入口(113)处接收第一连接管(161)并在第二入口(123)处接收第二连接管(165)的压力感测单元(100)，该压力感测单元(100)还具有：

与第一入口(113)流体连通的第一阻力单元(170)，以及

与第二入口(123)流体连通的第二阻力单元(174)，所述第一阻力单元(170)和所述第二阻力单元(174)也在预先选定的点处与环境空气流体连通，从而允许环境空气在预定量的流体阻力下分别进入第一和第二连接管(161、165)中，以及

产生指示第一入口(113)和第二入口(123)之间的压力差的差压信号的差压传感器(130)。

2.如权利要求1所述的风轮机叶片(10)，其中所述压力感测单元(100)位于叶根附近。

3.如权利要求1或2所述的风轮机叶片(10)，其中所述第一通孔具有第一通孔轴线，该第一通孔轴线朝叶尖倾斜。

4.如前述权利要求之一所述的风轮机叶片(10)，所述压力感测单元(100)还具有静态净化单元(110)，该静态净化单元(110)包括：

第一主室(112)、第一出口(114)、第一阻力端口(116)、第一入口(113)、第二主室(122)、第二出口(124)、第二阻力端口(126)和第二入口(123)，

其中所述第一出口(114)、所述第一阻力端口(116)和所述第一入口(113)分别与所述第一主室(112)流体连通，

其中所述第一阻力单元(170)附接至所述第一阻力端口(116)，

其中所述第二出口(124)、所述第二阻力端口(126)和所述第二入口(123)分别与所述第二主室(122)流体连通，

其中所述第二阻力单元(174)附接至所述第二阻力端口(126)，并且

其中所述差压传感器(130)连接至所述第一出口(114)和所述第二出口(124)。

5.如权利要求4所述的风轮机叶片(10)，其中所述静态净化单元(110)包括壳体，该壳体具有：

壳体内部、分隔壁和封闭壳体内部的壳体壁，

其中所述壳体内部包括第一主室(112)和第二主室(122)，

其中所述第一主室(112)和所述第二主室(122)通过分隔壁彼此分开，并且

其中所述壳体壁包括第一入口(113)、第二入口(124)、第一出口(114)、第二出口(124)、第一阻力端口(116)和第二阻力端口(126)。

6.如前述权利要求之一所述的风轮机叶片(10)，其中所述第一阻力单元(170)包括第一阻力管(172)，该第一阻力管(172)具有向环境空气敞开的第一阻力管端部(173)，并且其中所述第二阻力单元(174)包括第二阻力管(176)，该第二阻力管(176)具有向环境空气敞开的第二阻力管端部(177)。

7.如前述权利要求之一所述的风轮机叶片(10)，其中所述叶片(10)包括叶片内部腔体，所述压力测量单元(99)位于该叶片内部腔体中。

8.如前述权利要求之一所述的风轮机叶片(10)，其中所述第一阻力单元(170)与所述第一入口(113)在时间上连续流体连通，所述第二阻力单元(174)与所述第二入口(123)在时间上连续流体连通。

9.一种风轮机，包括配置成围绕转子轴线旋转的转子，该转子具有轮毂(40)和至少一个如前述权利要求之一所述的叶片(10)，该叶片(10)在叶根处附接至轮毂(40)，所述风轮机还包括接收差压信号的计算单元(70)。

10.如权利要求9所述的风轮机，其中所述计算单元(70)还接收指示风轮机的运转状态的运转参数。

11.如权利要求10所述的风轮机，其中所述计算单元(70)还具有可访问的参考差压值，该参考差压值表示在没有气流分离的情况下运转的参考叶片上获得的差压信号，所述计算单元(70)配置成产生气流分离信号，该气流分离信号指示差压信号与从运转参数和参考差压值获得的计算参考信号值的偏差。

12.如权利要求10所述的风轮机，其中所述计算单元(70)还具有可访问的表示在参考叶片上获得的差压信号的参考差压值，所述计算单元(70)配置成根据差压信号与从运转参数和参考差压值获得的计算参考信号值的比较结果产生指示流入气流的流入角的迎角信号。

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