专利名称：用于测量风力涡轮机叶片处的空气流动状态的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力涡轮机，且特别地涉及测量风力涡轮机转子叶片 处的空气流量。
相关申请
本申请涉及共同未决的与本申请同日提交的律师文档号为
227-479的、名为"Wind Turbine Inflow Angle Monitoring And Control System"(风力涡轮机流入角监测和控制系统)的专利申请，以及与 本申请同日提交的律师文档号为232-749的"Wind Turbine Blade Mounted Composite Sensor Support"(风力涡轮机叶片安装式复合传感 器支承件)的专利申请，这两个相关申请都通过引用而整体地结合进 来。
背景技术：
随着风力涡轮机作为环境安全且较廉价的能源而越来越重要，对 于改进的风力涡轮机性能的增长的需求已导致关于风力涡轮机转子 叶片的最优调节(关于进入空气流)而作出了努力。通常风力涡轮机包 括具有多个转子叶片和轮毂的转子。转子叶片可具有很大的尺寸，使 得大转子的直径达到30m或更大。转子叶片将风能(即进入空气流)转 换成用于驱动一个或多个发电机的旋转扭矩，发电机通过驱动系以旋 转的方式联接到转子上。
在考虑改进风力涡轮机整体的能量转换效率时，转子叶片表面处 的空气流边界层和转子叶片表面周围的气流分布是主要问题。已经进 行了许多尝试，以通过使用风力涡轮机转子叶片周围的空气流动模型 来提高能量转换效率。这些^^莫型来源于良好地限定的运行条件下的仿真和风洞测试。然而，在现场中，风力涡轮机转子叶片经受以下影响 来自转子自身以及来自带紊流的三维流场状态的影响，来自侧滑的影 响，来自粗糙度和转子叶片表面的退化变化的影响，这些影响在理论 冲莫型中都没有处理。已经发现，在许多情况下，关于涡轮机叶片的空 气动力学和声学性态，现场数据完全不同于预测。
在影响性能及与模型预测的后续偏离的参数中最重要的分别是 (i)带有紊流和侧滑的意外流入状态，(ii)风力涡轮机转子叶片上碎屑 (诸如昆虫、污物、粉等)的累积，以及(iii)单独的翼型件和转子叶片的 性能的差异。这些偏离可引起根据才莫型评估的性状与现场性状之间的 显著差异。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种风力涡轮机转子叶片，其包 括适于检测转子叶片表面处或附近的空气流量的至少一个压力传感 器；以及将检测到的空气流(量)转换成表示该空气流(量)的电信号的压 力变换器。
根据本发明的第二方面，提供了 一种包括具有多个转子叶片和轮 毂的转子的风力涡轮机，所述风力涡轮机进一步包括附连到风力涡轮 机的至少一个转子叶片上的传感器装置，所述传感器装置具有附连 在叶片的后缘处且提供压力侧传感器信号的至少 一 个压力侧气流传 感器耙，和附连在叶片的后缘处且提供吸力侧传感器信号的至少一个 吸力侧气流传感器耙，以及用于根据传感器信号来调节运行参数(诸如
的控制单元。
根据本发明的又一个方面，提供了 一种用于对风力涡轮机的至少 一个转子叶片进行倾斜调节的方法，其包括检测流入空气压力，以 及根据检测到的流入空气压力来调节至少一个转子叶片的倾斜角。
通过附属的权利要求、说明书和附图，本发明的另外的方面、优
5点和特征显而易见。
在本说明书的剩余部分中(包括对附图的引用)更具体地阐述了本 发明的对本领域普通技术人员的完整的和可以实现的公开，包括其最
佳^莫式；在附图中
图1示意性地显示了具有可对倾斜角进行调节的三个转子叶片的 风力涡轮机；
图2示意了根据本发明的一个实施例的具有五个压力传感器的吸 力侧传感器装置；
图3示意了根据本发明的第二实施例的具有多个压力传感器的压 力侧传感器装置；
图4是贯穿风力涡轮机转子叶片的截面，其中示意性地显示了压 力侧传感器装置和吸力侧传感器装置处于转子叶片的后缘；
图5呈现了具有压力侧传感器装置和吸力侧传感器装置、压力侧 压力变换器和吸力侧压力变换器以及控制单元和调节单元的后缘传 感器系统的方框图6是根据本发明的第三实施例的、附连在转子叶片前缘处的流 入角压力传感器的正视图7是根据图4中所示的截面的转子叶片截面，其中除了后缘传 感器装置外，前缘传感器装置也附连到转子叶片上
图8是转子叶片的外侧部分的正^L图，其中三个位置"i殳有传感器 装置；以及
图9显示了用于阐述转子叶片倾斜调节方法的流程图。
编号 部件/步骤 13^ 风力涡轮机 101 转子叶片102管状塔架
103吊舱
104轮毂
105后缘
106前缘
107压力侧
108吸力侧
109主空气流动方向
200吸力侧传感器装置
201压力传感器
202吸力侧压力变^:器
300压力侧传感器装置
301压力传感器
302压力侧压力变换器
401控制单元
402调节单元
500流入角压力传感器
501传感器管
502第一压力检测孔
503第二压力检测孔
504支承结构
具体实施例方式
现在将详细地参看本发明的各实施例，在图中显示了这些实施例 的一个或多个实例。各实例以解释本发明的方式来提供并且不意图作 为对本发明的限制。例如，作为一个实施例的一部分而示意或描述的 特征可用在其它实施例上或者结合其它实施例使用，以获得另外的实
7施例。本发明意图包括这样的修改和变型。
具体而言，描述了具有带多个转子叶片和轮毂的转子的风力涡轮 机，其中风力涡轮机还包括附连到风力涡轮机的至少 一个转子叶片上 的传感器装置，以及用于调节至少一个转子叶片的倾斜角的控制单 元。需要直接在风力涡轮机的翼型件(转子叶片截面)处或附近测量空 气流量，因为传统地，风力涡轮机是基于^^型假设而对倾斜角进行调 节的。
鉴于以上内容而提供了 一种安装在叶片上的测量系统，其容许在 任意给定的时刻及时确定风力涡轮机叶片的运行良好程度。基于用安 装在叶片上的测量系统执行的测量，可对风力涡轮机的控制计划进行 调节。例如，在最不利的情况下，这将提供避免空气动力学叶片失速 开始的措施。此外，随着时间跟踪该数据以及风向/风力大小测量值为 转子叶片设计过程提供了有用的反馈。对空气动力学性能的在线测量 可以有利地用于以提高的能量转换效率和最大限度地降低的空气动 力学叶片失速可能性来更好地控制涡轮机叶片。用于确定转子叶片空 气动力学性能的安装在叶片上的测量的另 一 个优点是该测量系统可 以沿着转子叶片的长度布置在关键性的位置上，以便为风力涡轮机的 控制系统提供反馈。
有利地， 一组测量值可来源于及基于由板载测量系统进行的在线
测量，诸如(i)警告控制器即将发生的空气动力学叶片失速；(ii)确定最 佳地修改运行参数(诸如涡轮机叶片的叶片倾斜)的程度；(iii)评价积聚 在翼型件上的污染水平；以及(iv)评价现场的风力涡轮机的单独翼型件 (转子叶片截面)性能的差异。
有利的是，可测量围绕转子叶片的空气流动状态，以便为控制计 划提供反馈，以保证最优性能。测量系统能够测量空气动力学特性(诸 如多种运行条件下转子叶片上的空气流的边界层厚度)也是一个优点。 通过测量转子叶片的构造与空气流量之间的实际关系，存在可能会在 对最优叶片倾斜进行评价时导致误差的假i殳，且可能削弱空气动力学性能。此外，在单独的转子叶片的性能之间进行区分也是可行的，使 得可相应地调节控制计划。
图1 ^X力涡轮机100的示意图。风力涡轮机IOO通常包括管状 塔架102(其也可以是网格塔架)，位于管状塔架102的顶部上并且可以 绕着管状塔架102的中心轴线旋转的吊舱103以及轮毂104。轮毂104 是具有三个转子叶片101的转子的中心部分。虽然图1中所示的风力 涡轮机100图1包括三个转子叶片101,但任意数量的转子叶片101 可应用于风力涡轮机100。在某些构造中，各构件容纳在风力涡轮机 100的管状塔架102顶部上的吊舱104中。在特定构造中，控制系统 向可变叶片倾斜驱动器提供控制信号，以便控制涡轮机叶片的倾斜角 (图1中未示出)。需要注意的是，图1中未示出可附连在转子叶片101 处的传感器装置。
图2和3分别示意了附连在转子叶片后缘处的传感器装置。因此， 图2示出包括五个压力传感器201a-201n的吸力侧压力装置200。注 意，压力传感器的数量不限于五个，而是可代之以使用任何适当的多 孔压力探针。
图3为包括多个(在该实例中为四个)压力传感器301a-301n的压力 侧传感器装置300。再次，压力侧传感器装置300的压力传感器301 的数量不限于数量4，而是可以根据应用的具体情形为任意数量。
在一个典型的实施例中，吸力侧传感器侧装置200和压力侧传感 器装置300的压力传感器201， 301形成为皮托静压管。这些皮托静 压管用作空气数据探针，并且设计为例如多孔压力探针。吸力侧传感 器装置200的五个压力传感器201以及压力侧传感器装置300的四个 压力传感器301的布置称为传感器耙，即吸力侧传感器耙200和压力 传感器耙300。主空气流动方向由具有参考标号109的箭头标示。
注意，测量系统可包括可用于监测各个单独的转子叶片的空气动 力学属性的任意传感器装置布置。可在转子叶片IOI表面处或附近、 在转子叶片101的吸力侧108和压力侧107处测量空气流的边界层。
9待测量的典型参数是边界层速度轮廓，且由此得到边界层厚度。因此，
提供根据图2和2(b)的传感器耙是有利的，使得这些耙超出围绕转子 叶片101的空气流的边界层，以便检测流动分布。传感器耙200和300 可定位成使得可测量关键位置处的边界层厚度。可提供压力扫描器单 元，以便提供整体系统的良好的频率响应，使得可以提供对控制单元 (见图5)的实时输入。
图4是根据笫一实施例的、具有附连在转子叶片101的后缘105 处的传感器装置的转子叶片101的截面图。参考标号109表示主空气 流动方向(风向)。因此，可分别通过压力侧传感器装置300和吸力侧 传感器装置200来测量压力侧107和吸力侧108处的空气流量。参考 标号106标示转子叶片101的前缘。因此，使用图4中所示的构造， 评估转子叶片101周围的速度分布是可行的。为了分别解析压力侧107 和吸力侧108处的边界层，可使用具有单独的压力传感器301的窄间 隔的压力侧传感器装置300，其中，与吸力侧传感器装置的压力传感 器202相比，在吸力侧108处吸力侧传感器装置200具有压力传感器 301的更宽间隔，因为在吸力侧处，边界层进一步进入翼型件周围。
如图5中所示，包括引导朝向主空气流动方向109的皮托静压管 的吸力侧传感器装置200和压力侧传感器装置300形成为分别朝向压 力变换器202和302弯曲90。角的管。因此，压力侧压力变换器302 将压力传感器301检测到的压力转换成表示该压力的电信号，其中吸 力侧压力变换器将吸力侧传感器装置的压力传感器201检测到的压力 转换成表示该压力的电信号。电信号分别供应到控制单元401,使得 控制单元401可以通过组合由单独的压力;f全测元件提供的多个信号来 评估转子叶片IOI(图4)的压力侧107和吸力侧108处的气流分布。控 制单元401提供了供应至调节单元402的输出，调节单元402调节转 子叶片101的倾斜角。因此，使用图5的方框图中所示的构造，在现 场中实际运行期间优化风力涡轮机性能是可行的。
在下文中，将参看图6至7来描述另一实施例。作为参照图l至4所述的第 一实施例的补充或备选，该实施例包括如图6中所示的流 入角压力传感器500。与如上所述的压力传感器相对，该压力传感器 安装在风力涡轮机100的转子叶片101的前缘处。流入角压力传感器 500包括具有第一压力检测孔502的传感器管501。在该实例中，笫 一压力检测孔502的数量是五个，但注意该数量不限于五个。此外， 流入角压力传感器在压力传感器500梢部处具有第二压力检测孔503。 可独立于如上所述的压力侧传感器装置和吸力侧传感器装置来提供 流入角压力传感器500。
流入角压力传感器500安装在转子叶片101前缘106处，如图7 所示。所以，流入角压力传感器500指向假定的主空气流动方向。然 而，由于流入角压力传感器500在其梢部处具有其第一压力检测孔502 和其第二压力检测孔503的构造，使用流入角压力传感器500来测量 不同的迎角是可行的。提供支承结构504以便将流入角压力传感器500 固定在转子叶片IOI(图7)的前缘106处。转子叶片101的前缘106与 流入角压力传感器500的梢部之间的距离在此处给出的该特定实例中 为1.3米长，以便确保通过流入角压力传感器进行的测量不会受转子 叶片101周围发生的紊流的干扰。注意图中显示的各压力传感器的大 小不一定相对于转子叶片101按比例绘制。
图8是转子叶片101的一部分的正视图，其中吸力侧传感器装置 (吸力侧耙)200和流入角压力传感器500沿着转子叶片101的长度安装 在三个不同的位置处。虽然图8中显示了三个传感器位置，但注意可 取决于测量要求和应用而沿着转子叶片101的长度提供不同数量的传 感器位置。
根据一个实施例，气流传感器是皮托静压管。此外，气流传感器 的典型构造可以是皮托-静压静压管或者用于动态压力测量的另外的 适当装置。该轮廓可以是在垂直于空气流方向和異型件表面而定向的 线上的空气流量一维分布。此外，可能该轮廓是在垂直于空气流方向 而定向的平面中的空气流量二维分布。
ii根据另一个实施例，气流传感器包括用于将气流传感器加热到结 冰温度以上的加热器件。通常，气流传感器的温度达到10。C到40。C。 当气流传感器还包括附连在至少一个转子叶片的前缘处的至少一个 流入角传感器时，这可能是有利的。附连在至少一个转子叶片的前缘 处的流入角传感器可包括五孔压力探针。
根据又一个实施例，沿着朝向空气流的方向而定向的至少两个压 力传感器在相应的压力传感器的轴线和空气流的方向之间呈现不同 的角度。
注意，上文所述的且用于吸力侧传感器装置、压力侧传感器装置
件来替代，诸如但不限于超声装置，热线风速计，激光形貌(laser topography)装置，粒子图像测速仪装置，纤维光学装置等。
该至少两个压力传感器与单个压力变换器相协作。多个压力传感 器可布置成二维阵列，以便测量二维气流分布。气流传感器耙可包括 皮托静压管。多个气流传感器耙可布置成二维阵列的形式。
才艮据又一个实施例，用于倾斜调节的方法可包括通过在转子叶片 后缘处沿着朝向空气流的方向而定向的至少两个压力传感器来检测 流入空气压力分布的步骤。可根据传感器信号来调节另外的运行参 数，诸如转子扭矩需求或转子的每分钟转数。
根据又一个实施例，检测流入空气压力分布的步骤包括通过转 子叶片后缘的压力侧处的至少两个压力传感器以及通过转子叶片后 缘的吸力侧处的至少两个压力传感器来检测流入空气压力分布的步 骤。此外，有利的是通过附连在至少一个转子叶片的前缘处的流入角 传感器来提供流入空气压力分布检测，以便获得对越过涡轮机叶片的 风力轮廓的更准确的检测。
可通过布置成二维阵列的多个压力传感器来检测二维流入空气 压力分布。
压力变换器将检测到的二维空气压力分布转换成电传感器输出
12信号。
图9是示意了用于对风力涡轮机的至少一个转子叶片进行倾斜调 节的方法的流程图。在步骤Sl处，通过上述传感器装置，即安装在 转子叶片101的后缘105处的吸力侧传感器装置200、压力侧传感器 装置300，以及通过安装在相应的转子叶片101的前缘106处的流入 角压力传感器500,来测量流入空气压力分布。
在步骤S2处，步骤Sl处测得的流入空气压力分布转换成表示涡 轮机叶片表面(翼型件)周围的空气流动轮廓的电信号。该转换通过压 力变换器来执行。可以通过控制单元使用电信号来调节至少一个转子 叶片的倾斜角，从而获得风力涡轮机的转子叶片周围的可预定的空气 流动轮廓。
然后，在步骤S4处，确定是否已经获得了合乎需要的空气流动 轮廓。是否获得了合乎需要的空气流动轮廓可通过吸力侧传感器装 置、压力侧传感器装置和/或流入角压力传感器的传感器信号的组合来 确定。.如果在步骤S4处确定没有获得合乎需要的空气流动轮廓(否)， 则在步骤S5中根据电信号来调节相应的叶片(或者相应的多个叶片) 的角度。该过程继续在步骤Sl中测量新的流入空气压力分布，并且 重复过程步骤S2和S3。
当在步骤S4处确定已经获得了合乎需要的空气流动轮廓(是)时， 该过程直接继续在步骤Sl中测量新的流入空气压力分布，且重复过 程步骤S2和S3。
本书面说明使用实例来公开本发明，包括其最佳才莫式，并且还使 得本领域任意技术人员能够制造和使用本发明。虽然已经关于各特定
实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将了解，可以以处于权利 要求的精神和范围内的修改来实践本发明。特別地，上述实施例的互 相非排它的特征可彼此结合。本发明的可授权的范围由权利要求来限 定并且可包括本领域技术人员可想到的其它实例。如果这些其它实例 具有与权利要求的字面语言没有区别的结构性元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言有非实质性区别的等效结构性元件，则这些 其它实例意图处于权利要求的范围内。
权利要求
1.一种包括具有多个转子叶片(101)和轮毂的转子的风力涡轮机(100)，所述风力涡轮机(100)还包括设置在至少一个转子叶片(101)处且适于检测与转子叶片(101)表面相关联的空气流量的至少一个压力传感器(201，301)；和将检测到的所述空气流量转换成表示所述空气流量的电信号的压力变换器(302)。
2. 根据权利要求1所述的风力涡轮机(IOO),其特征在于，至少两 个压力传感器(201， 301)沿朝向空气流的方向而定向，以用于检测空 气压力分布。
3. 根据权利要求1所述的风力涡轮机(IOO)，其特征在于，所述压 力传感器(201, 301)是皮托-静压管。
4. 根据权利要求1所述的风力涡轮机(IOO),其特征在于，所述压 力传感器(201, 301)包括用于将气流传感器加热到结冰温度以上的加 热器件。
5. 根据权利要求1所述的风力涡轮机(IOO),其特征在于，所述转 子叶片(101)还包括附连在所述至少一个转子叶片(101)的前缘(106)处 的至少 一个流入角传感器(500)。
6. 根据权利要求1所述的风力涡轮机(IOO),其特征在于，所述风 力涡轮机(l OO)进一 步包括附连到所述风力涡轮机(100)的至少一个转子叶片(101)上的传感 器装置(200, 300),所述传感器装置(200， 300)具有附连在所述叶片的后缘处并且提供压力侧传感器信号的至少一 个压力侧气流传感器(301)耙；和附连在所述转子叶片(101)的后缘(105)处并且提供吸力侧传感器 信号的至少一个吸力侧气流传感器(201)耙；以及用于作为所述传感器信号的函数来调节所述至少 一个转子叶片(101)的倾斜角的控制单元(401)。
7. 根据权利要求6所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述转 子叶片(101)还包括附连在所述至少一个转子叶片(101)的前缘(106)处 的至少 一个流入角传感器(500)。
8. —种用于对风力涡轮机(100)的至少一个转子叶片(101)进行倾 斜调节的方法，其包括检测流入空气压力；以及作为检测到的所述流入空气压力的函数来调节所述至少 一个转 子叶片(101)的倾斜角。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，检测所述流入空气 压力分布包括通过所述转子叶片(101)后缘的压力侧处的至少两个压 力传感器(201)以及通过所述转子叶片(101)后缘的吸力侧处的至少两 个压力传感器(301)来检测所述流入空气压力分布。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过附连在所述 至少一个转子叶片(101)的前缘(106)处的流入角传感器(500)来检测流 入空气压力分布。
全文摘要
本发明涉及用于测量风力涡轮机叶片处的空气流动状态的方法和装置。提供了一种用于测量翼型件表面处的空气流量的方法和装置，其中提供了适于检测与转子叶片(101)表面相关联的空气流量的至少一个压力传感器(200，300)和将检测到的空气流量转换成表示该空气流量的电信号的压力变换器(202，302)。压力传感器(200，300)布置在翼型件表面处的空气流的边界层内，使得可由电信号来确定边界层轮廓。气流传感器(200，300)适用于风力涡轮机(100)的转子叶片(101)，以有助于调节转子叶片(101)的倾斜角。
文档编号F03D7/04GK101603500SQ20091014938
公开日2009年12月16日 申请日期2009年6月12日 优先权日2008年6月13日
发明者A·辛普森, C·温斯洛, C·黑尔特尔, R·M·勒克莱尔, S·赫尔, T·梅德 申请人:通用电气公司