專利名稱：基于探測湍流的轉(zhuǎn)子葉片控制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于風力渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片控制系統(tǒng)，并且尤其涉及一種基于湍流的測量結(jié)果來控制葉片空氣動力學參數(shù)(例如漿距角)的葉片控制系統(tǒng)。
背景技術：
圖1顯示了風力渦輪機1，它包括風力渦輪機塔架2、風力渦輪機機艙3安裝在塔架2上。包括至少一個風力渦輪機葉片5的風力渦輪機轉(zhuǎn)子4安裝在輪轂6上。輪轂6通過從機艙前方伸出的低速軸(未示出)連接到機艙3。圖1中所示的風力渦輪機可以是用于家用或照明用途的小型機，或者可以是大型機，諸如那些適用于在風場上的大規(guī)模發(fā)電機中所使用的。在后一種情況下，轉(zhuǎn)子直徑可長達100米或者更長。在風力渦輪機發(fā)電時，風力渦輪機的發(fā)電效率極大程度上取決于兩個因素，漿距角和葉尖速比。漿距角θ是轉(zhuǎn)子葉片相對于轉(zhuǎn)子平面所定向的角度，轉(zhuǎn)子平面是轉(zhuǎn)子葉片進行旋轉(zhuǎn)所處的方向。葉片的定向相對于葉片弦長被評定，葉片弦長連接前緣和后緣。這在圖2中更詳細地顯示。漿距角與攻角(AOA)是不同的，攻角是指風入射在葉片上的方向與漿距角之間所形成的角度。入射風是由矢量V所表示，并且在葉片移動穿過空氣時的旋轉(zhuǎn)分量由矢量wKR 所表示。這導致了相對的風向Vr。由葉片提供的提升力L與相對風向Vr形成直角。風力渦輪機的運行能夠大體上被歸類為部分負載或滿載。在部分負載運行時，風力渦輪機的葉片旋轉(zhuǎn)并且產(chǎn)生電力，但是由于低風速，所產(chǎn)生的電力低于風力渦輪機的最大可能或者額定功率值。在這種情況下，期望通過使風力渦輪機完全傾斜到風中從而使獲得的電力達到最大，以及對于漿距控制風力渦輪機而言通過改變?nèi)~片的漿距角度從而使得葉片上的提升力達到最大。對于滿載運行、或者在風速過高時，風力渦輪機必須被小心地控制，從而避免對風力渦輪機造成損壞。在非漿距停轉(zhuǎn)控制風力渦輪機中，葉片以固定角度連接到轉(zhuǎn)子輪轂，但是以空氣動力學方式改變形狀，從而使得當入射風速超出預定值時，在葉片的背風側(cè)產(chǎn)生湍流。湍流會導致葉片受到提升力、以及由此所產(chǎn)生的電力被限制到一定范圍，該范圍取決于所選擇的空氣動力學形狀。對于漿距控制風力渦輪機，當處在對于發(fā)電而言安全運行速度范圍內(nèi)的風速時， 葉片變漿距的方式對于所有設計而言是大部分相同的，也就是說它們盡可能多地變漿距處于風中，從而從入射風中獲得最大的能量。然而，如果葉片過度變漿距，那么它們將會導致在葉片周圍的風流中的停轉(zhuǎn)。這個原理被用在主動停轉(zhuǎn)控制風力渦輪機中，用于保護發(fā)電機免受由于過大風速而導致的過載。然而，在正常運行期間，停轉(zhuǎn)狀況是不期望的，原因是這意味著風力渦輪機沒有有效地運行。在滿載運行時，風力渦輪機葉片進行旋轉(zhuǎn)并且產(chǎn)生功率，但是產(chǎn)生的功率當前處于最大值并且存在發(fā)電機或者輸電網(wǎng)過載的危險。在這種情況下，葉片或者風力渦輪機自身能夠相對于風力改變角度，從而減小葉尖速度并且降低產(chǎn)生的功率。在漿距控制風力渦輪機中，葉片可以通過使它們的角度調(diào)節(jié)到風力之外而有意使變漿距不足，從而降低獲得的能量并且避免發(fā)電機過載。在主動停轉(zhuǎn)風力渦輪機中，葉片主動地進一步變漿距到風中， 并且被過度變漿距到一定程度，有意地引入停轉(zhuǎn)狀況，從而降低從風中獲得的能量。結(jié)果， 效率被調(diào)整以滿足最大額定功率。由此需要控制以確保葉片對風速和風向的改變快速地做出響應，從而保持最優(yōu)漿距并且避免不期望的停轉(zhuǎn)狀況。這在大約3m/s到15m/s之間的低風速時是特別重要的，這時風力渦輪機在最大額定功率之下的部分負載條件下運行，以及從風中獲取可能的最大功率由此是非常關鍵的。此外，風力渦輪機葉片的整體效率和運行極大地取決于葉片背風側(cè)或抽吸側(cè)上方的氣流特性。出于對運行、維護和控制方面的考慮，期望能夠?qū)Υ诉M行更緊密地監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，提供一種風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片控制系統(tǒng)，該風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片控制系統(tǒng)包括用于探測跨過轉(zhuǎn)子葉片表面的湍流氣流的多個傳感器；用于從所述多個傳感器接收數(shù)據(jù)、并且基于湍流氣流的探測控制所述轉(zhuǎn)子葉片的空氣動力學參數(shù)的控制器。所述多個傳感器中的每個傳感器包括用于探測經(jīng)過所述風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片的表面的氣流的湍流的傳感器薄膜，其中，所述傳感器薄膜與所述表面成一體、并且覆蓋所述風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片中的凹腔的至少一部分；位于所述凹腔中的光源，所述光源用于照亮所述凹腔內(nèi)的所述傳感器薄膜的表面；位于所述凹腔中的光線探測器，所述光線探測器用于探測從所述傳感器薄膜的表面反射的光線、并且向處理器提供輸出，所述處理器根據(jù)所述輸出確定跨過所述傳感器薄膜的氣流的湍流值。本發(fā)明由此允許葉片與氣流的空氣動力學相互作用被實時地監(jiān)測，以及根據(jù)湍流的測量結(jié)果而根據(jù)期望進行調(diào)節(jié)。由于傳感器薄膜的微小移動能夠通過光源及探測器而被探測到，因此本發(fā)明提供了一種靈敏的傳感器系統(tǒng)。此外，傳感器相對容易安裝并且能夠設置在風力渦輪機葉片中而得到保護，并且確保傳感器的存在不會影響測量結(jié)果。由于具有更少的移動部件，因此傳感器能夠抵抗極端的溫度變化。在一個實施例中，空氣動力學參數(shù)是轉(zhuǎn)子葉片的漿距角。這樣基于轉(zhuǎn)子葉片的即時空氣動力學狀況而提供了一種靈敏且精細調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)子葉片漿距控制機構(gòu)。如果葉片角度過大，那么湍流傳感器探測到所導致的停轉(zhuǎn)狀況并且漿距控制器減小漿距。這實現(xiàn)了改進的發(fā)電方式。有利地，控制系統(tǒng)包括功率傳感器，用于探測風力渦輪機的輸出功率以及將信號輸出到漿距控制器，其中漿距控制器另外地基于風力渦輪機輸出功率的檢測來控制轉(zhuǎn)子葉片的漿距。兩個控制信號的組合意味著輸出功率控制能夠被用于給出對葉片漿距的粗略控制，以及湍流傳感器被用于提供精細控制。漿距控制器優(yōu)選地控制轉(zhuǎn)子葉片的漿距，從而使湍流最小并且使風力渦輪機輸出功率最大。為了探測類似停轉(zhuǎn)的狀況，多個傳感器有利地定位在葉片的抽吸表面上，并且更有利地定位成與其它區(qū)域相比，在向著葉片抽吸側(cè)的后緣上具有更多數(shù)目的傳感器。優(yōu)選地，當預定數(shù)目的傳感器指示湍流氣流時，控制器減小轉(zhuǎn)子葉片處于風中的
6漿距。在選擇性實施例中，空氣動力學參數(shù)是轉(zhuǎn)子葉片的形狀或者是經(jīng)過葉片的氣流。 提供適當?shù)臋C構(gòu)來改變?nèi)~片形狀或者調(diào)節(jié)經(jīng)過葉片的空氣流動能夠基于傳感器的輸出而進行，從而確保在某種程度上運行條件能夠根據(jù)預設的期望數(shù)值或者范圍而得以保持。在一個實施例中，凹腔中的光源和光線探測器是連接到光電光源的光纖。這樣能夠避免在傳感器中使用電力部件，并且意味著傳感器將能夠抵御雷擊。雷擊對于風力渦輪機葉片而言是尤其常見的。用于傳感器的任意電力部件都能夠被容納在受到電力屏蔽的風力渦輪機的部分中。優(yōu)選地，傳感器包括加法器，用于將從薄膜表面反射的光線增加到參考光線信號， 從而給出指示薄膜位移的干涉圖樣。干涉圖樣的使用提供了解釋薄膜位移的最精確方式， 因為薄膜的微小位移能夠被用于給出大的強度變動。對于較大位移，形成正弦強度圖樣，意味著通過分析發(fā)生事件的正弦頻率和速度，能夠獲得有關位移進行的速度以及位移方向的 fn息ο在一個實施例中，加法器包括定位在傳感器凹腔中的局部反射鏡，用于將一部分光線從光源反射到光線探測器并且提供參考光線信號。由此，傳感器的所有部件都就地設置到凹腔內(nèi)，便于更換和維護。在另一個實施例中，傳感器凹腔被密封。這允許凹腔環(huán)境被保持在能夠確保傳感器薄膜良好運行的濕度和溫度水平。此外，凹腔可被填充與空氣不同的氣體，例如惰性氣體。在一個實施例中，傳感器薄膜可由與形成風力渦輪機部件的表面的材料所不同的材料形成。這允許傳感器薄膜能夠更精確地剪裁，從而使它在張力和響應性方面具備傳感器的功能。根據(jù)安裝情況，傳感器薄膜可選擇性地由葉片表面自身所形成。在一個實施例中，湍流傳感器包括處理器，用于分析預定時間段內(nèi)干涉圖樣的正弦變動，從而確定空氣流動是否是湍流。處理器可以使用圖樣識別或者統(tǒng)計技術來分析圖樣，并且給出具有相關可信度的確定結(jié)果。較長時間段的分析能夠使傳感器結(jié)果具備更高的可信度。在另一個實施例中，控制系統(tǒng)包括存儲器，用于存儲來自于多個傳感器的數(shù)據(jù)以及產(chǎn)生風力渦輪機葉片表面上方的氣流狀況的記錄。這允許轉(zhuǎn)子葉片的實時性能被監(jiān)測和記錄，用于葉片設計改進的目的。還提供了相應的方法和計算機程序產(chǎn)品。


下面通過示例以及參考附圖進一步詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中圖1顯示了風力渦輪機；圖2是穿過風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片的示意性橫截面圖，表示出有用的術語和原理；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的湍流傳感器的第一示例；圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的湍流傳感器的第二示例；圖5顯示了示例性傳感器系統(tǒng)，其包括如圖3或4中所示的傳感器；圖6是從傳感器信號中顯現(xiàn)出的示例性強度圖樣的圖示；
圖7是風力渦輪機葉片的縱向視圖，顯示了在漿距控制系統(tǒng)中湍流傳感器的示例性設置；圖8是在非停轉(zhuǎn)狀況下沿著圖7中線A-A的橫截面視圖；圖9是在停轉(zhuǎn)狀況下沿著圖7中線A-A的橫截面視圖；以及圖10是在控制和警報系統(tǒng)中所使用的傳感器結(jié)果圖表的示意性圖示。
具體實施例方式圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的湍流傳感器的第一示例。湍流傳感器被顯示成在現(xiàn)場集成到風力渦輪機轉(zhuǎn)子的葉片或者其它部件當中。傳感器10包括傳感器外殼11，它具有限定出凹腔13的側(cè)壁12。在凹腔13中，設置有大體用附圖標記14來表示的傳感器裝置。傳感器外殼11的一個表面設置有傳感器薄膜15。實際中，傳感器10安裝在葉片中，使得傳感器薄膜15將凹腔13與外部空氣分隔開， 并且使得薄膜15與跨過葉片表面的氣流相接觸。凹腔通過側(cè)壁12和薄膜15而與外部環(huán)境完全地密封隔開，使得薄膜表面的運動能夠被認為是完全地歸因于跨過葉片表面氣流的變化。密封凹腔還用于保持薄膜的內(nèi)表面清潔，以及允許凹腔的內(nèi)部環(huán)境可被調(diào)節(jié)從而避免聚集濕氣，這種濕氣會影響傳感器薄膜15和裝置14。凹腔13可填充惰性氣體。優(yōu)選地，葉片表面和薄膜15被設置成使得它們形成平滑連續(xù)的葉片表面。如果薄膜15與葉片表面之間的連接部是不連續(xù)的，那么對于葉片的空氣動力學特性以及對于傳感器的敏感度而言都是不期望的，原因是這會在氣流中引入堵塞或者阻礙。薄膜15被設置成使得它易于受到風力渦輪機部件的表面處的氣流變化的影響。 它由此相對較薄，在某些實施例中為0. 5mm與2mm之間，并且被張緊從而使得湍流氣流將會導致薄膜表面的僅僅微小移動。通過在薄膜上照射光線能夠產(chǎn)生干涉圖樣，由此測量薄膜的位移。由此實際中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾個微米數(shù)量級的薄膜位移范圍是有利的，這是由于所用光線的波長。薄膜材料的選擇是極為重要的，以便能確保它適于測量。過輕以及過于柔性的材料即便在層流條件下將對氣流變化過于敏感，不適于區(qū)分湍流和層流。優(yōu)選地，材料由此要足夠強勁和剛硬，從而確保只有來自于湍流氣流的強勁振動(在10到IOOHz范圍內(nèi))才能給出充足的干涉信號?？梢允褂棉D(zhuǎn)子葉片自身的外表面作為薄膜15。在這種情況下，傳感器裝置14能夠被安裝到轉(zhuǎn)子葉片中處于外表面下方，具有或者不具有形成用于裝置的密封凹腔的傳感器外殼11。如果傳感器10被安裝在轉(zhuǎn)子葉片或者其它風力渦輪機部件中作為獨立單元的話，那么已經(jīng)發(fā)現(xiàn)直徑30到IOOmm的孔足以容納傳感器外殼11和裝置14。下面進一步詳細描述傳感器裝置14的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。傳感器裝置14包括瞄準薄膜15 的光源16。在可能的情況下，有利地避免在轉(zhuǎn)子葉片中使用電部件，原因是它們更容易受到雷擊的破壞。由此，光源16優(yōu)選地包括光纖17，該光纖17連接到光電光源例如發(fā)光二極管或者激光，所述光源遠程地位于轉(zhuǎn)子葉片輪轂中。在這個實施例中，光源16構(gòu)成了光纖17 的暴露端部以及用于將光纖支承在傳感器凹腔中并且確保它可靠地瞄準薄膜15的合適支
^K O在圖3中，包括光纖17的光源16還充當接收器，用于從薄膜15反射回來的光線。 光源16由此設置成與薄膜15相垂直，從而使得薄膜的反射光線的至少一部分將會入射到光纖的開口端部上。裝置14可選地包括一個或多個透鏡18，所述透鏡設置在光纖17與薄膜15之間。這樣，從光纖17發(fā)射出的光線束19可以會聚成入射到薄膜上的緊密光束以及反射回來的光束能夠至少部分地會聚到光纖17的端部。裝置14還可包括定位在薄膜與光纖17之間的局部反射鏡20。這樣，光纖將會接收從反射鏡20的平面以及也從薄膜15的平面所反射回來的光線。如果安裝一個或多個透鏡18，那么局部反射鏡20可有利地定位在薄膜15與一個或多個透鏡18之間。裝置14可通過與外殼壁12的適當連接裝置而緊固在凹腔13內(nèi)?？梢岳斫獾氖?，光線在光纖17中的部分內(nèi)反射將會發(fā)生在光纖17中光纖與空氣的交界處。由此，即便沒有局部反射鏡20，也能夠僅僅使用光纖17和薄膜表面15來形成干涉圖樣。然而，受到內(nèi)反射的光線量僅僅是總量的大約4%。盡管這對于產(chǎn)生有用的參考信號從而干涉來自于薄膜15的傳感器信號是足夠的，但是在某些實施例中提供更強大的未反射參考信號是有用的。由于從局部反射鏡的反射大約是40到50%，以及從薄膜15的反射也是類似的數(shù)量級，局部反射鏡提供類似大小的參考和傳感器信號。還允許使用并不特別強大的光源，由此使得傳感器制造更加廉價。在這種情況下，盡管如前所述干涉將仍然發(fā)生在光纖與空氣交界處，但是最顯著的干涉發(fā)生在局部反射鏡。將局部反射鏡20定位在傳感器凹腔13中是有利的，原因是這意味著可能需要安裝和維護的所有部件都一起定位在部件的相同位置?？蛇x擇地，局部反射鏡可從凹腔中省略而是替代地定位在光纖17的路徑中，如下所述。如果期望節(jié)省傳感器凹腔13中的空間的話，這是有用的。在上面參考圖3描述的傳感器中，單根光纖17被用于形成單個光源和接收器傳感器對。如上所述干涉將會發(fā)生在凹腔13中，或者在反射鏡或在光纖交界處，或者甚至是在遠離凹腔的位置，如果返回的信號與參考光線信號相干涉的話。下面參考圖4描述一個選擇性實施例。在圖4中，傳感器裝置14包括光源光纖21 和23以及光線接收光纖22和對。光纖通常地傾斜，從而使得來自于一根光纖21的光束被薄膜15所反射，以及隨后入射到另一個光纖22上。如前所述，由于薄膜相對于傳感器凹腔的移動，因此入射到薄膜15上的光線會經(jīng)受路徑長度的改變。這個光線隨后被另一個光纖22所接收并且與光線的未反射或者參考部分干涉，從而產(chǎn)生干涉圖樣。在圖4中，光線通過不同的光纖23和M而傳送到或傳離傳感器凹腔。傳感器的其它適當設置能夠被實施以及被普通技術人員想到。圖3或4中所示的湍流傳感器是如圖5中所示較大風力渦輪機檢測及控制系統(tǒng)40 的一部分。風力渦輪機檢測及控制系統(tǒng)40包括一個或多個光源41，例如激光或發(fā)光二極管，所述光源連接到一個或多個光學混頻器42。光學混頻器例如能夠在傳感器凹腔中沒有使用局部反射鏡20的情況下用于提供反射信號光線與未反射參考光線的混合。光纖43連接在一個或多個光學混頻器42與相應的湍流傳感器44之間。湍流傳感器44可以是上面圖3和4中所示的傳感器，其中光纖43與附圖中所示的光纖17、23和 24相對應。附加地，光纖43將反射的光線信號從湍流傳感器傳送返回光學混頻器42。如圖5中所示，多個傳感器44優(yōu)選地分布到跨過風力渦輪機葉片的背風或迎風表面的多個不同位置。每個葉片的傳感器數(shù)目可以是每個葉片表面例如三個或者更多。這樣， 葉片表面上方的氣流能夠被精確地探測到并且用于實時地控制葉片漿距。這將在下面進一步詳細介紹。光學混頻器42連接到光線檢測裝置45。對于每個湍流傳感器，光線檢測裝置接收至少兩個光線信號，第一個是已經(jīng)從薄膜15反射的光線信號，以及第二個是并非從薄膜15 反射而是從局部反射鏡20反射的信號，局部反射鏡或者在傳感器凹腔13中或者在到光源 41與光線傳感器45之間的光學路徑當中。適當?shù)奈恢卯斎皇枪鈱W混頻器42，其中代替反射鏡，來自于光源的一部分光線能夠簡單地被直接轉(zhuǎn)向到光線傳感器45。光線傳感器45又連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 46，該轉(zhuǎn)換器連接到用于處理結(jié)果的處理器47。處理器47優(yōu)選地訪問計時器單元48以及存儲器49。處理器47還可連接到風力渦輪機葉片漿距控制器50。大多風力渦輪機、特別是那些安裝到風場中的風力渦輪機能夠通過復雜的控制系統(tǒng)(例如SCADA監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))而被監(jiān)測和控制。由此可以理解的是，在實際中，處理器47通常地連接到更大控制系統(tǒng)，并且可以訪問除從湍流傳感器接收的數(shù)據(jù)或者信息以外在風力渦輪機搜集的數(shù)據(jù)或者信息。然而，這不必總是這種情況，例如當風力渦輪機被安裝成孤立的單個單元時。優(yōu)選地，光源41、光線傳感器45、ADC46以及處理器47與轉(zhuǎn)子葉片分開地設置在轉(zhuǎn)子葉片輪轂中或者在機艙中，在此它們可以通過適當?shù)姆览讓w或者電屏蔽裝置而受到保護免受雷擊?？梢岳斫獾氖牵瑥木植糠瓷溏R接收的信號相位將會完全地由光源41的相位所確定，并且它由此可被用作參考信號。然而，由薄膜反射的信號的相位將會根據(jù)傳感器凹腔13 中發(fā)射和接收光纖17、23或M之間的光學路徑長度而改變。而這個路徑長度受到由葉片外表面經(jīng)過的氣流所導致的薄膜15的移動或振動所影響。由此通過允許兩個信號彼此干涉并且檢測兩個信號相位變化能夠產(chǎn)生關于氣流特性的信息。在理想的運行條件下，跨過轉(zhuǎn)子葉片表面的氣流將會是層流，導致薄膜15的很小干擾或者沒有干擾。由葉片變漿距所導致的、引起類似停轉(zhuǎn)狀況的湍流氣流將會導致薄膜 15突然以及不可預知的運動、以及從薄膜反射回來的光線的相位相對于參考相位的相關改變。圖6是示意性地顯示了處理器47基于參考光線信號與傳感器光線信號之間的干涉隨著時間而生成的傳感器信號的曲線圖。在圖左側(cè)的開始處，圖線的平坦區(qū)域?qū)诒∧]有移動的時間段。傳感器信號與參考信號之間的相位差由此是恒定的，并且圖線是平坦的。薄膜在外部大氣壓力的影響下的微小移動將會由于干涉而通過相位的細小變化以及所產(chǎn)生的光線信號強度的相關改變而反映出來。如果薄膜進一步移動，那么參考信號與傳感器信號之間的相位將會改變并且導致強度的進一步改變。如果薄膜移動量是足夠大，那么在相位差在整個相位振動過程增加時將看到光線強度中的正弦變動。正弦變動將會在薄膜移動的時間段內(nèi)繼續(xù)進行，并且將會隨著薄膜運動方向反向而反向。強度從峰值改變到峰值所用的時間另外地指示出薄膜移動由光線信號波長所表示距離的一半時所用時間。圖6中由處理器生成的強度曲線圖由此可被用于給出跨過葉片表面的氣流狀況的指示。湍流氣流將會導致葉片與傳感器薄膜的沖擊，以及對應的強度圖線將會表示出薄膜頻繁且無序的運動。這可以通過信號正弦變動的多次出現(xiàn)、以及強度基本上沒有改變或
10者緩慢改變的相對較短時間段來表征。此外，正弦變動自身可能具有較高的振蕩頻率，顯示出薄膜相比其它時刻更快的移動。在另一方面，層流氣流或者非湍流背景狀況將會導致薄膜很少的或者更少的移動。強度圖線由此通過更多及更長時間段的平坦圖線、細微變動、或者盡管觀察到正弦變動但是它具有指示它相對緩慢發(fā)生的長波長而得以表征。圖線中表示薄膜沒有移動的平坦圖線區(qū)域可以或不可以總是指示出相同的光線強度。實際中，盡管薄膜的靜止位置可以很大程度上至少部分地由薄膜張力以及制成薄膜的材料所決定，但是氣流施加的瞬時力將最終決定瞬時位置。處理器47分析由ADC46所接收的光線信號的強度，從而確定跨過葉片的氣流的當前特性。它可以使用適當?shù)臄?shù)學處理技術來確定出光信號的變化量而實現(xiàn)，例如圖5中所示。在其它實施例中，它可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡技術來生成湍流及層流氣流的強度圖樣的視覺外觀的記憶，并且通過與預先生成的模型圖樣相比較而確定當前氣流狀況。這種圖樣可存儲在存儲器49中。也識別來自于各個傳感器44的結(jié)果是否顯示出湍流，處理器47具有另外的功能， 艮口，基于隨著時間從多個傳感器44收集的結(jié)果來評定風力渦輪機葉片的當前運行性能?？梢岳斫獾氖牵瑔为毜奶幚砥髂軌虮辉O置用于這個目的，但是為了本發(fā)明描述的簡潔，處理器 47被假定完成兩種角色。參考圖7，下面將描述本發(fā)明示例所提供的漿距控制系統(tǒng)。圖7顯示了風力渦輪機背風側(cè)的視圖。如上所述的湍流傳感器44被設置在跨過葉片表面的多個位置。盡管在一些實施例中，傳感器可以設置在跨過葉片表面的等距間隔位置上，但是實際中如果傳感器被設置成在縱向及橫向方向上至少部分覆蓋的話那么也是足夠的。由此如圖7中所示，傳感器被設置成沿著葉片后緣的至少一個線性陣列，并且沿著葉片長度設置的多個橫向線性陣列。圖8顯示了通過一個橫向線性陣列的橫截面視圖，顯示了定位在迎風側(cè)和背風側(cè)的傳感器。傳感器被顯示成基本上等距間隔，這樣可以收集到關于整個葉片表面周圍的氣流的數(shù)據(jù)。然而可以理解的是，為了檢查類似停轉(zhuǎn)狀況，最受關注區(qū)域是葉片的背風后緣。出于這個原因，更多傳感器可被安裝在這個區(qū)域。圖8顯示了風力渦輪機葉片處于代表基本上層流氣流的狀況中，而圖9顯示了圖 8中的葉片構(gòu)型在類似停轉(zhuǎn)狀況中。葉片上方及后面所示的陰影區(qū)域是由于風力渦輪機葉片在氣流中大于最佳漿距而導致的非層流的、湍流空氣的區(qū)域。葉片背風(頂)側(cè)上傳感器的經(jīng)處理的傳感器輸出被顯示在圖10中。指示湍流的傳感器在圖表中由叉號所表示。處理器47與風力渦輪機控制系統(tǒng)的漿距控制單元50通訊，并且基于指示湍流氣流的傳感器44的數(shù)目指示漿距控制指令。漿距控制系統(tǒng)50還接收來自于功率監(jiān)視器(未示出)的輸入，該監(jiān)視器測量風力渦輪機產(chǎn)生的輸出功率。在正常使用時，漿距控制器增大葉片傾斜到風中的漿距以使輸出功率達到最大，避免使得漿距過大并且導致停轉(zhuǎn)狀況。單獨基于輸出功率的葉片漿距控制對風速及風向改變的響應是緩慢的。然而，來自于處理器47的輸入能夠基于葉片處的即時風力條件而提供更精確、更敏感的控制水平。 由此，在指示湍流的傳感器數(shù)目超出預定值、并且繼續(xù)這樣而達到預定時間段時，處理器47 指示漿距控制器50減小漿距，直到指示湍流的湍流傳感器數(shù)目降低到預定數(shù)目以下。這樣，葉片的漿距能夠被實時控制并且能夠?qū)λ鶞y量的跨過葉片的氣流湍流做出響應。在另一個示例中，來自于安裝在葉片表面的多個傳感器的數(shù)據(jù)能夠被用于從葉片空氣動力學設計的角度實時地檢測風力渦輪機葉片的性能。通過將數(shù)據(jù)從不同的風力渦輪機發(fā)送到中央存儲器用于分析，能夠收集到關于風力渦輪機葉片氣流性能的足夠數(shù)據(jù)，允許它們在今后的再次設計中進行改進。在選擇性應用中，上面所述的湍流傳感器能夠被應用到其它風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片空氣動力學參數(shù)的控制，例如轉(zhuǎn)子葉片形狀以及轉(zhuǎn)子葉片氣流。下面進行簡要地描述。轉(zhuǎn)子葉片的形狀能夠使用多種技術而被動態(tài)地調(diào)節(jié)。某種程度上，這些將會改變跨過葉片的氣流特性并且通過直接地影響葉片所經(jīng)受的提升力從而影響所產(chǎn)生的功率。這種技術能夠根據(jù)期望用于漿距控制及停轉(zhuǎn)控制風力渦輪機。下面介紹多種技術1)襟翼和副翼是葉片的鉸接區(qū)域，其能夠按照需要被調(diào)節(jié)從而改變?nèi)~片表面上方的氣流。盡管，這些通常位于風力渦輪機葉片的后緣，它們也可根據(jù)需要定位在葉片的其它部位上。它們的作用在這種情況下更像是降低提升力的擾流器。2)微小突出部是定位在葉片中或者表面上的可致動元件，其能夠快速地延伸到氣流中從而改變它的空氣動力學特性。它們能夠被用于降低葉片上的應力、抑制振動以及增加提升力。3)葉片中的狹縫或板條能夠以與上述1)和2)相同的方式使用。在其它設計中， 葉片表面上的凹入或凸起突塊也能夠起作用以改變氣流。4)葉片內(nèi)部流體填充的凹腔或者空隙能夠在填充流體或者抽空時改變?nèi)~片的形狀。在某些設計中，空氣能夠被抽吸到葉片中或者從葉片排出，從而改變氣流。葉片中的可變渦流發(fā)生器落入這個范疇。5)葉片形狀的變形或者葉片跨距的變化也能夠通過控制下層的結(jié)構(gòu)支承件而實現(xiàn)。上述的光學湍流傳感器能夠與上面所述的任意一種控制機理一起使用。上述傳感器的生產(chǎn)相對廉價并且易于安裝。由此，包括大量傳感器的傳感器系統(tǒng)能夠被相對容易地安裝到新的以及已有的風力渦輪機中。此外，薄膜可被涂成與周圍部件表面相同的顏色從而確保風力渦輪機的視覺外觀不會被破壞。本發(fā)明的上面示例涉及到風力渦輪機葉片空氣動力學特性的控制?？梢岳斫獾氖?，傳感器系統(tǒng)還能被用于探測葉片表面上冰的聚集或者其它聚集材料。在這種情況下，傳感器將被定位在跨過葉片表面的多個位置。由于冰例如傾向于聚集在風力渦輪機葉片的前緣，因此與其它位置相比更多傳感器被沿著前緣設置。這相對于圖7中所示的示意性傳感器設置相反。使傳感器薄膜沿循著前緣的彎曲是不成問題的。由于冰在位于前緣的湍流傳感器上方聚集，因此傳感器薄膜將不再能夠在經(jīng)過空氣的影響下振動，并且從這個傳感器產(chǎn)生的傳感器信號將由此表現(xiàn)出被攔截或者不發(fā)生變化。處理器由此監(jiān)測針對這種改變的傳感器輸出變化，并且使用這種變化來識別出可能的冰聚集情況。此外，由于前緣的冰的聚集能夠影響葉片的空氣動力學形狀，并且可能導致向著后緣的增加的湍流，因此能夠從不同位置的不同傳感器響應識別出冰的聚集。上面的描述僅僅是由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的解釋。本領域普通技術人員可以想到替代技術來實施本發(fā)明。在一個替代性實施例中，ADC46和處理器的湍流探測部分可以被模擬濾波器和電路所代替，該濾波器使與薄膜15快速撓曲相關的高頻通過，如果這些頻率內(nèi)的信號量超過特定限定值或者發(fā)生比率的話所述電路啟動而產(chǎn)生輸出。
由于轉(zhuǎn)子葉片容易受到雷擊，因此優(yōu)選的裝置使用光纖作為傳感器外殼中的光源以及光線探測器。然而在替代性實施例中，光電裝置例如發(fā)光二級管和光電探測器可直接地用在傳感器外殼內(nèi)部，并且與控制器和電源適當?shù)碾娏σ约靶盘杺鬏斶B接。在某些實施例中，當然適于將控制電子器件和動力系統(tǒng)就地安裝或者安裝在傳感器本身內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片控制系統(tǒng)，包括用于探測跨過轉(zhuǎn)子葉片表面的湍流氣流的多個傳感器；用于從所述多個傳感器接收數(shù)據(jù)、并且基于湍流氣流的探測控制所述轉(zhuǎn)子葉片的空氣動力學參數(shù)的控制器，其中，所述多個傳感器中的每個傳感器包括用于探測經(jīng)過所述風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片的表面的氣流的湍流的傳感器薄膜，其中，所述傳感器薄膜與所述表面成一體、并且覆蓋所述風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片中的凹腔的至少一部分；位于所述凹腔中的光源，所述光源用于照亮所述凹腔內(nèi)的所述傳感器薄膜的表面；位于所述凹腔中的光線探測器，所述光線探測器用于探測從所述傳感器薄膜的表面反射的光線、并且向處理器提供輸出，所述處理器根據(jù)所述輸出確定跨過所述傳感器薄膜的氣流的湍流值。
2.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣動力學參數(shù)是所述轉(zhuǎn)子葉片的漿距角。
3.如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于探測所述風力渦輪機的輸出功率、并且向漿距控制器輸出信號的功率傳感器，其中，所述漿距控制器另外地基于所述風力渦輪機輸出功率的探測來控制所述轉(zhuǎn)子葉片的漿距。
4.如權(quán)利要求3所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述漿距控制器控制所述轉(zhuǎn)子葉片的漿距，以使湍流最小并且使所述風力渦輪機輸出功率最大。
5.如前述權(quán)利要求任一所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，當預定數(shù)目的傳感器指示湍流氣流時，所述控制器減小所述轉(zhuǎn)子葉片處于風中的漿距。
6.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣動力學參數(shù)是所述轉(zhuǎn)子葉片的形狀。
7.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣動力學參數(shù)是經(jīng)過所述轉(zhuǎn)子葉片的氣流。
8.如前述權(quán)利要求任一所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述多個傳感器被定位在所述轉(zhuǎn)子葉片的抽吸表面上。
9.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述多個傳感器被定位成與其它區(qū)域相比，向著所述轉(zhuǎn)子葉片的抽吸側(cè)的后緣具有更多數(shù)目的傳感器。
10.如前述權(quán)利要求任一所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，位于所述凹腔中的所述光源和所述光線探測器是與光電光源連接的光纖。
11.如前述權(quán)利要求任一所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括加法器，所述加法器用于將從所述傳感器薄膜的表面反射的光線增加到參考光線信號，以給出指示所述傳感器薄膜的位移的干涉圖樣。
12.如權(quán)利要求11所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述加法器包括位于所述傳感器凹腔中的局部反射鏡，所述局部反射鏡將來自于所述光源的一部分光線反射到所述光線探測器并且提供所述參考光線信號。
13.如前述權(quán)利要求任一所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述凹腔被密封。
14.如權(quán)利要求13所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述凹腔填充有不同于空氣的氣體。
15.如前述權(quán)利要求任一所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器薄膜由與形成風力渦輪機部件的表面的材料不同的材料形成。
16.如權(quán)利要求11所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括處理器，所述處理器用于分析預定時間段內(nèi)所述干涉圖樣的正弦變動，以確定所述氣流是否是湍流。
17.如前述權(quán)利要求任一所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括存儲器，所述存儲器用于存儲來自于所述多個傳感器的數(shù)據(jù)、并且生成所述風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片的表面上方的氣流狀況的記錄。
18.一種風力渦輪機，包括如前述權(quán)利要求任一所述的控制系統(tǒng)。
19.一種計算機執(zhí)行的方法，用于控制風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片，所述方法包括a)從多個傳感器接收數(shù)據(jù)，所述傳感器探測跨過轉(zhuǎn)子葉片表面的湍流氣流；b)基于來自于所述多個傳感器的數(shù)據(jù)控制所述轉(zhuǎn)子葉片的空氣動力學參數(shù)，其中，所述多個傳感器中的每個傳感器包括用于探測經(jīng)過所述風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片的表面的氣流的湍流的傳感器薄膜，其中，所述傳感器薄膜與所述表面成一體、并且覆蓋所述風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片中的凹腔的至少一部分；位于所述凹腔中的光源，所述光源用于照亮所述凹腔內(nèi)的所述傳感器薄膜的表面；位于所述凹腔中的光線探測器，所述光線探測器用于探測從所述傳感器薄膜的表面反射的光線、并且向處理器提供輸出，所述處理器根據(jù)所述輸出確定跨過所述傳感器薄膜的氣流的湍流值。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，還包括控制所述光源的輸出、以及分析所述光線探測器的輸出。
21.如權(quán)利要求19或20所述的方法，其特征在于，還包括c)探測所述風力渦輪機的輸出功率、并且輸出信號；其中，所述步驟b)另外地包括基于所述風力渦輪機的輸出功率的探測來控制所述轉(zhuǎn)子葉片的漿距。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述步驟b)包括控制所述轉(zhuǎn)子葉片的漿距，以使湍流最小并且使所述風力渦輪機的輸出功率最大。
23.一種計算機程序產(chǎn)品，包括計算機可讀介質(zhì)，計算機代碼被存儲在所述計算機可讀介質(zhì)上，其中，所述計算機代碼由處理器執(zhí)行，所述處理器被導致完成以下步驟a)從多個傳感器接收數(shù)據(jù)，所述傳感器探測跨過轉(zhuǎn)子葉片表面的湍流氣流；b)基于來自于所述多個傳感器的數(shù)據(jù)控制所述轉(zhuǎn)子葉片的空氣動力學參數(shù)，其中，所述多個傳感器中的每個傳感器包括用于探測經(jīng)過所述風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片的表面的氣流的湍流的傳感器薄膜，其中，所述傳感器薄膜與所述表面成一體、并且覆蓋所述風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片中的凹腔的至少一部分；位于所述凹腔中的光源，所述光源用于照亮所述凹腔內(nèi)的所述傳感器薄膜的表面；位于所述凹腔中的光線探測器，所述光線探測器用于探測從所述傳感器薄膜的表面反射的光線、并且向處理器提供輸出，所述處理器根據(jù)所述輸出確定跨過所述傳感器薄膜的氣流的湍流值。
24.如權(quán)利要求23所述的計算機程序產(chǎn)品，其特征在于，當所述計算機代碼由所述處理器執(zhí)行時，所述處理器被導致完成控制所述光源的輸出、以及分析所述光線探測器的輸出的步驟。
25.如權(quán)利要求23或M所述的計算機程序產(chǎn)品，其特征在于，當所述計算機代碼由所述處理器執(zhí)行時，所述處理器被導致c)探測所述風力渦輪機的輸出功率、并且輸出信號；其中，所述步驟b)另外地包括基于所述風力渦輪機的輸出功率的探測來控制所述轉(zhuǎn)子葉片的漿距。
26.如權(quán)利要求23所述的計算機程序產(chǎn)品，其特征在于，所述步驟b)包括控制所述轉(zhuǎn)子葉片的漿距，以使湍流最小并且使所述風力渦輪機的輸出功率最大。
全文摘要
提出了一種用于轉(zhuǎn)子葉片控制的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括多個跨過風力渦輪機葉片表面設置的湍流傳感器?？刂葡到y(tǒng)監(jiān)測湍流傳感器并且當湍流氣流被探測到時控制葉片的空氣動力學參數(shù)。在一個實施例中，參數(shù)是轉(zhuǎn)子葉片的漿距。這意味著能夠避免類似停轉(zhuǎn)的葉片狀況，并且風力渦輪機的發(fā)電能夠被優(yōu)化?？刂葡到y(tǒng)還可使用輸出功率的測量結(jié)果，從而使基于湍流的測量結(jié)果給控制系統(tǒng)增加額外的敏感度和精確控制。
文檔編號F03D7/02GK102483038SQ201080036728
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月6日
發(fā)明者I·奧勒森 申請人:維斯塔斯風力系統(tǒng)集團公司