用以检测风力涡轮机桨片的空气动力学状况的装置制造方法
【专利摘要】用于检测风力涡轮机（10)的转子桨片（22)的空气动力学状况的装置。声学传感器（24)可与转子桨片远距离地定位。传感器可焦注于监测由转子桨片扫过的桨片路径的一部分以检测例如流分离的空气动力学状况，并可将输入提供给控制器（27)以控制桨片的倾斜，这有效防止流分离发展成完全脱流状况。一个传感器可焦注于监测多于一个涡轮机的桨片。风场中的多个这样的传感器可连接至监管控制器（120)以预测行进通过风场的风力状况的传播。
【专利说明】用以检测风力涡轮机桨片的空气动力学状况的装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于产生电功率的风力涡轮机，更具体地涉及用以检测风力涡轮机桨片中的空气动力学状况(例如流分离状况)的装置。
【背景技术】
[0002]可再生能量已成为能量和环境可持续性的一个主要焦点。风力是在实用层面产生功率的适当能源示例。风力涡轮机的功率产生可能显著地受到风力涡轮机相互作用的空气动力学特征的影响。例如，从风力中提取的功率的量可能部分地依赖于转子桨片与进入的空气流之间的空气动力学迎袭角。对于给定的风速，如果超出某最大迎袭角，则空气流可在转子桨片的表面处分离并且漩涡可能形成。这种效果被称为流分离并限制桨片从风力中提取功率的空气动力学效率。这可显著地增加由风力涡轮机产生的声学噪音。
[0003]用于感测这种状况的某些振动感测设备总体上已被安装到桨片中，因此，它们的可靠性由于由旋转物体所经受的力而趋于受损。其它监听设备(其可位于桨片外侧)可能遭受声学干涉和/或可能缺乏快速和精确地检测流分离状况可能在何处及在何时发起的能力。例如，流分离状况可能只是在由给定桨片扫过的桨片路径的一部分上初始地发展。至少鉴于前面的考虑，将希望提供一种可靠并且有成本效率的的装置以用于改进地检测这些空气动力学状况。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]本发明考虑附图而在下面的描述中解释，所述附图示出:
图1是风力涡轮机的示意图，其包括如可焦注(focus)于检测空气动力学状况(例如流分离状况，如可以影响风力涡轮机的桨片中的一个或多个)的声学传感器的示例性监听场的示例性正视等距视图。
[0005]图2是风力涡轮机的示意图，其包括体现本发明方面的声学传感器的示例性监听场的示例性侧视图。
[0006]图3是体现本发明方面的声学传感器的示例性实施例的示意图，例如可包括耦接至声学传感器的声学聚合器(condenser)。
[0007]图4是体现本发明方面的声学传感器的一个示例性实施例的示意图，例如可包括声学传感器阵列。
[0008]图5是根据本发明方面的如可设置成围绕风力涡轮机的机舱的声学传感器阵列的另一不例性实施例的不意图。
[0009]图6是示出两个相邻的风力涡轮机的一个示例性实施例的示意图，如每个可由一个或多个传感器阵列监测以检测流分离状况。
[0010]图7是示出风场(wind park)的顶视图的示意图,所述风场包含体现本发明方面的多个风力涡轮机。
【具体实施方式】
[0011]在后面的详细描述中，为提供对本发明各种实施例的透彻理解而给出了许多具体细节。然而，本领域内技术人员将理解，本发明的实施例在没有这些具体细节情况下可以实施，本发明不仅限于所描述的实施例，并且本发明可在各种替代实施例中实施。在其它情况下，为避免学究式和不必要的描述，公知的方法、过程和组件未被详细描述。
[0012]此外，各种操作可被描述为以有助于理解本发明的实施例的方式而执行的多个离散的步骤。然而，描述的顺序不应当被解释为暗指这些操作必须以它们所展示的顺序执行，也非暗指它们是依赖于连贯顺序的。对短语“在一个实施例中”的重复使用不必涉及同一实施例(尽管其可以)。最后，在本申请中使用的术语“包含”、“包括”、“具有”，等等，旨在是同义的，除非另有所指。
[0013]图1是如可从本发明的方面获益的风力涡轮机10的一个示例性实施例的示意图。风力涡轮机10可包括塔12、耦接至塔12的机舱16以及耦接至机舱16的转子18(图2)。转子18包括可转动毂20和耦接至毂20的多个转子桨片22。在该示例性实施例中，转子18具有三个转子桨片22。然而要理解，该转子18可具有任何数量的转子桨片22，所述转子桨片22允许风力涡轮机10如本文所述地起作用。
[0014]在一个示例性实施例中，至少一个声学传感器24可与桨片22远距离地定位(例如在机舱16上)。声学传感器24可焦注于监测由转子桨片22扫过的桨片路径28的一部分26以检测空气动力学状况，例如流分离状况(示意性地由阴影区域30表示)，其影响被监测的桨片路径的所述部分中的桨片。这可允许声学传感器24焦注于桨片路径的径向外部部分，尤其是在桨片路径扫过的上半部，在那里可期望发起流分离(例如早期脱流(stal I)),如可历史地和/或经验地已知的。在一个示例性实施例中，控制器27 (图2)响应于声学传感器24以至少跨过受流分离状况影响的桨片路径的所述部分而调整转子桨片的倾斜角，从而防止流分离进展成全脱流状况。
[0015]在一个示例性实施例中，声学传感器24可以是话筒(microphone),例如单向话筒，如图2示意地表示的。例如，这种话筒的灵敏性可具有一种模式(监听场)，其被配置成监听从在桨片可能经历流分离状况处的桨片路径的所述部分所发出的声音，同时使被监测的桨片路径的所述部分之外的声音衰减。如图3所示，声学聚合器32 (例如抛物柱面反射器)可被耦接至声学传感器24，如可提供相对较高的信噪比以监听从在桨片可能经历流分离状况处的桨片路径的所述部分所发出的声音。
[0016]在一个不例性实施例中，如可参见图4中，声学传感器可包括声学传感器的阵列34(例如声学传感器AS1-AS4)，以检测影响一个或多个圆周区段(例如被标记为CS1-CS4的圆周区段)中的给定桨片的空气动力学状况。例如，第一声学传感器ASl可焦注于第一圆周区段CS1、第二声学传感器AS2可焦注于第二圆周区段CS2，以此类推。由此，将理解，体现本发明的方面的装置可提供显著的灵活性(例如相对高水平的声波粒度)以检测流分离状况何时及何处可以发起，以使得通过控制器27 (图2)可迅速地作出适当的校正动作(例如局部倾斜角调整)，以消除流分离状况并(例如)防止可能导致桨片脱流的状况的传播，如可涉及空气流的大量分离。
[0017]在一个示例性实施例中，声学传感器的阵列34可包括能电子操控的声学传感器，其可动态地焦注于空气动力学状况可能影响给定桨片的桨片路径的部分。例如，如果区段CS1-CS4的圆周区段中的某一个是空气动力学状况可能影响给定桨片(例如造成相对高水平的噪声)的桨片路径的部分，这种能电子操控的声学传感器的阵列将能够动态地定位这种圆周区段以检测空气动力学状况。
[0018]在一不例性实施例中，如图5所不,声学传感器38的阵列34可设置成围绕风力润轮机的机舱16的周界。这可允许监听实际从沿着由桨片扫过的桨片路径的整个圆周区段的任何地方发出的声音。应当理解，阵列形状和/或每阵列传感器的数目(如可在附图中示出的)应当以示例意义而非限定意义解释，其为:阵列形状和/或传感器的数量可基于给定应用的要求而容易地定制。
[0019]图6是示出两个相邻的风力涡轮机100、102的一个示例性实施例的示意图。在该示例性实施例中，至少一个声学传感器阵列104可与风力涡轮机100、102的相应转子桨片106,108远距离地(例如基于地面地)定位。在该示例性实施例中，一个或多个传感器阵列104可焦注于监测由风力涡轮机100、102的相应转子桨片106、108扫过的桨片路径的相应部分。例如，该传感器阵列可几何地排列成:尽管风力涡轮机100、102可能经历偏航转动，使相对于风力涡轮机100、102的声音检测最大化。这可允许常见传感器阵列104检测空气动力学状况(例如流分离状况)，如可影响相邻涡轮机100、102的桨片106、108。每个风力涡轮机可包括相应的控制器107、109，其响应于传感器阵列114以(例如)调整受流分离状况影响的转子桨片的倾斜角。
[0020]图7是示出示例性风场110的顶部视图的示意图，所述风场110包括体现本发明的方面的多个风力涡轮机112。每个风力涡轮机可包括焦注于检测空气动力学状况(例如影响一个或多个桨片116的流分离状况，如前面描述)的声学传感器114。每个风力涡轮机可进一步包括控制器118，该控制器118响应于相应的声学传感器114 (例如)以调整相应涡轮机的桨片116的相应倾斜角。每个风力涡轮机可耦接至监管控制器120，该监管控制器120对影响多个风力涡轮机112中至少一些的相应转子桨片的检测到的空气动力学状况作出响应。在一个示例性实施例中，监管控制器120可被配置成估算可能传播通过所述场的大气状况，并预测可能影响所述多个风力涡轮机112中至少一些其它者的相应转子桨片的空气动力学状况。例如，假设在时间Tl，位于风场的列Cl上的一些风力涡轮机112经历响应于大气状况(例如风速、坡度等(由箭头132表示))的流分离状况(由实心点130示意性地表示)，并进一步假设在随后的时间T2，在列Cl上的受影响的风力涡轮机下游位于列C2上的风力涡轮机112中的一些也经历流分离状况(同样由实心点130表示)，那么监管控制器可预测列C3上的涡轮机112 (用虚线绘出)的流分离状况，其相对于列Cl和列C2上的受影响的风力涡轮机位于下游。
[0021]将理解，示例性的有创造性的装置的方面一如可用于监测由转子桨片扫过的桨片路径的一部分以检测影响在被监测的桨片路径的所述部分中的桨片的空气动力学状况一以及本文披露的方法可通过使用任何适当的编程语言或编程技术的任何适当处理器装置来实现。所述装置可采取任何适当电路的形式，例如可涉及硬件实施例、软件实施例或包括硬件和软件元素两者的实施例。在一个实施例中，所述装置可通过软件和硬件(例如处理器、传感器等)来实施，其可包括但不限于固件、常驻软件、微代码等。此外，处理器装置的部件可采取计算机程序产品的形式，其能从处理器可用的或处理器可读的介质访问，所述介质提供程序代码以通过或结合处理器或任何指令执行系统而使用。处理器可读介质的示例可包括非临时的有形的处理器可读介质，例如半导体或固态存储器、磁带、可移除的计算机软盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘和光盘。光盘的当前示例包括压缩盘-只读存储器(⑶-ROM)、压缩盘-读/写(⑶-R/W)和DVD。界面显示器可以是写字板(tab I e t)、平板显示器、PDA、或类似物。
[0022]在一个示例性实施例中，适于存储和/或执行程序代码的处理系统在一个示例中可包括通过系统总线直接或间接地耦接至存储器部件的至少一个处理器。存储器元件可包括在程序代码的实际执行期间采用的局部存储器、大容量存储以及高速缓冲存储器(提供至少一些程序代码的临时存储以减少在执行期间必须从大容量存储获取代码的次数)。输入/输出或I/o设备(包括但不限于键盘、显示器、指示设备等)可或者直接地或者通过居间的I/o控制器耦接至所述装置。也可将网络适配器耦接至所述装置以允许数据处理系统变得通过居间的私用或公用网络耦接至其它数据处理系统或远程打印机或存储设备。调制解调器、线缆调制解调器和以太网卡仅仅是当前可用类型的网络适配器中的一些。
[0023]尽管本文已示出和描述了本发明的各种实施例，将显而易见的是，这些实施例只是通过示例提供。在此，在不脱离本发明的情况下，可作出各种变型、变化和替代。因此，旨在使本发明仅受所附权利要求书的精神和范围限制。
【权利要求】
1.装置，包括: 具有至少一个转子桨片的风力涡轮机；以及 与所述至少一个转子桨片远距离地定位的至少一个声学传感器，所述至少一个声学传感器焦注于监测由所述至少一个转子桨片扫过的桨片路径的一部分，以检测影响在被监测的桨片路径的所述部分中的所述桨片的空气动力学状况。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个声学传感器包括单向声学传感器。
3.如权利要求1所述的装置，还包括耦接至所述至少一个声学传感器的声学聚合器。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个声学传感器包括又一声学传感器，其焦注于监测由所述至少一个转子桨片扫过的桨片路径的不同部分，以检测影响在所述桨片路径的至少所述不同部分中的所述桨片的空气动力学状况。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个声学传感器包括声学传感器阵列。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述声学传感器阵列被设置成围绕所述风力涡轮机的机舱的周界，以检测影响在由所述至少一个转子桨片扫过的所述桨片路径的多个圆周区段的至少一个中的桨片的空气动力学状况。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述阵列中的每个声学传感器分别焦注于由所述至少一个转子桨片扫过的所述桨片路径的所述多个圆周区段中的至少一个。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个声学传感器包括能电子操控的声学传感器的阵列。
9.如权利要求6所述的装置，其中，能电子操控的声学传感器的所述阵列动态地焦注于所述桨片路径的所述部分以检测所述空气动力学状况。
10.一种包含多个如权利要求1所述的风力涡轮机的风场，并且还包括监管控制器，所述监管控制器对影响所述多个风力涡轮机中至少一些的相应转子桨片的检测到的空气动力学状况作出响应，所述监管控制器被配置成估算可能传播通过所述场的大气状况，并配置成预测可能影响所述多个风力涡轮机中至少一些其它者的相应转子桨片的空气动力学状况。
11.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个声学传感器焦注于监测所述桨片路径的径向外部部分，其对于检测流分离状况是有效的。
12.如权利要求11所述的装置，还包括控制器，所述控制器对所述至少一个声学传感器作出响应，以调整所述至少一个转子桨片的倾斜角以防止所述流分离状况进展成脱流状况。
13.装置，包括: 至少两个风力涡轮机，每个所述风力涡轮机具有至少一个相应的转子桨片；以及 至少一个声学传感器阵列，其与所述至少两个风力涡轮机的相应转子桨片远距离地定位，所述至少一个声学传感器阵列焦注于监测由所述至少两个风力涡轮机的所述相应转子桨片扫过的所述桨片路径的相应部分，所述相应桨片路径的所被监测的部分对于检测影响在由所述至少两个风力涡轮机的所述相应转子桨片扫过的所述桨片路径的相应部分中至少一个中的至少一个桨片的空气动力学状况是有效的。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述至少一个声学传感器包括能电子操控的声学传感器的阵列。
15.用于具有至少一个转子桨片的风力涡轮机的装置，包括: 与所述至少一个转子桨片远距离地定位的至少一个声学传感器，所述至少一个声学传感器焦注于监测由所述至少一个转子桨片扫过的桨片路径的一部分，以检测影响在被监测的桨片路径的所述部分中的所述桨片的空气动力学状况。
16.如权利要求15所述的装置，其中，所述至少一个声学传感器焦注于监测所述桨片路径的径向外部部分，其对于检测早期脱流状况是有效的。
17.如权利要求15所述的装置，其中，所述至少一个声学传感器包括声学传感器阵列。
18.如权利要求17所述的装置，其中，所述声学传感器的阵列设置成围绕所述风力涡轮机的机舱的周界，以检测影响在由所述至少一个转子桨片扫过的所述桨片路径的多个圆周区段的至少一个区段中的桨片的空气动力学状况。
19.如权利要求15所述的装置，其中，所述至少一个声学传感器包括动态地焦注于所述桨片路径的所述部分以检测所述空气动力学状况的能电子操控的声学传感器阵列。
20.如权利要求15所述的装置，还包括在风场中的监管控制器，其对影响在所述风场中的多个风力涡轮机中至少一些的相应转子桨片的检测到的空气动力学状况作出响应，所述监管控制器配置成估算经过时间范围而可能传播通过所述风场的大气状况，并配置成预测经过所述时间范围而可能影响所述多个风力涡轮机中至少一些其它者的相应转子桨片的空气动力学状况。
【文档编号】F03D11/00GK104214051SQ201410229242
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2013年5月28日
【发明者】M.阿沙伊姆, M.J.辛格, J.G.W.阿尔贝茨 申请人:西门子公司