用于监测风力涡轮机的转子叶片的表面处的气流的组件和方法与流程

1.本发明涉及风力涡轮机的领域，特别是涉及风力涡轮机的转子叶片的表面处的气流的监测。


背景技术：

2.调节风力涡轮机的性能高度地取决于能够准确和可靠地预测在风力涡轮机叶片所经历的不同操作状况下的风力涡轮机叶片的空气动力学行为。风力涡轮机叶片上方的流的关键特征中的一个是失速的发生和叶片表面上的流动方向。识别和量化这些流特征可帮助以更高的精度理解和调节风力涡轮机叶片的性能，并且减少与预测风力涡轮机叶片上的这种流动行为中的仿真方法的不精确性和不确定性相关联的设计安全因素。因此，可能需要借助于简单和可靠的装置来识别这些流特征，以由此，对于任何给定的流入状况，通过影响涡轮机的控制参数，诸如桨距角、转子速度、偏摆位置等，来帮助提高涡轮机性能。


技术实现要素：

3.该需要可通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求来描述。
4.根据本发明的第一方面，提供了一种用于监测风力涡轮机的转子叶片的表面处的气流的组件，该组件包括：（a）适于布置在转子叶片表面上的预定位置处的表面模块，该表面模块包括沿轴线面向相反方向的两个空气入口；（b）包括两个压力传感器的传感器模块，其中，该两个压力传感器中的一个与该两个空气入口中的一个流体连通，并且该两个压力传感器中的另一个与该两个空气入口中的另一个流体连通，其中，该传感器模块适于输出指示由该两个压力传感器感测到的压力的两个压力信号；以及（c）处理单元，其适于基于该两个压力信号来确定沿该轴线的流动方向和流动速度中的至少一个。
5.本发明的该方面基于如下构思，即：通过叶片表面处的指向相反方向的空气入口的总压力测量允许确定沿对应于空气入口的定向的轴线的流动方向和流动速度。
6.在本上下文中，术语“沿轴线面向相反方向的两个空气入口”可特别地表示这两个空气入口对准（在轴线上）并且面向直径上相反的方向，即它们之间具有180
°
角的方向。
7.在本上下文中，术语“流动方向”可特别地表示流是否指向沿轴线的两个可能方向之一的指示，所述两个可能方向即从空气入口中的一个所面向的一侧朝向空气入口中的另一个所面向的一侧，或者从空气入口中的另一个所面向的一侧朝向空气入口中的所述一个所面向的一侧。
8.根据本发明的实施例，处理单元适于通过确定该两个压力信号之间的差的符号来确定沿该轴线的流动方向。
9.换句话说，压差的符号被用作流动方向的指示。因此，流动方向被确定为从具有较大压力的空气入口朝向具有较低压力的空气入口的方向。
10.根据本发明的另一实施例，处理单元适于通过确定该两个压力信号之间的差的大小来确定沿该轴线的流动速度。
11.换句话说，压差的大小被用作流动速度的指示。
12.根据本发明的另一实施例，该两个空气入口中的一个面向转子叶片的前缘，并且该两个空气入口中的另一个面向转子叶片的后缘。
13.换句话说，该两个空气入口中的所述一个面向在正常工作状况下预期气流到来的方向。类似地，该两个空气入口中的另一个面向在正常操作期间预期气流行向或流向的方向。
14.因此，如果压力信号指示气流从后缘指向前缘，则其将会被视为异常操作的指示，如在空气动力失速的情况下一样。
15.根据本发明的另一实施例，该表面模块包括沿另一轴线面向相反方向的两个另外的空气入口，该传感器模块包括两个另外的压力传感器，该两个另外的压力传感器中的一个与该两个另外的空气入口中的一个流体连通，并且该两个另外的压力传感器中的另一个与该两个另外的空气入口中的另一个流体连通，该传感器模块适于输出指示由该两个另外的压力传感器感测到的压力的两个另外的压力信号，并且该处理单元适于基于该两个另外的压力信号来确定沿该另一轴线的另一流动方向和另一流动速度中的至少一个。
16.换句话说，该两个另外的空气入口和该两个另外的压力传感器使得能够确定沿该另一轴线（其优选地既不与所述轴线重合也不与所述轴线平行）的气流的方向和/或速度。取决于该另一轴线相对于叶片边缘的定向，关于沿该另一轴线的流动方向和/或流动速度的信息可用于检测操作期间的不期望状况，特别是通过与沿所述轴线的对应值比较。
17.根据本发明的另一实施例，所述轴线和所述另一轴线在平行于转子叶片的表面的平面中延伸并且在它们之间以预定角度延伸。
18.换句话说，所述轴线和所述另一轴线在一个平面（平行于叶片表面）内延伸，但具有不同的定向。
19.根据本发明的另一实施例，该预定角度选自由15
°
、30
°
、45
°
、60
°
和90
°
组成的组。
20.在具有两个轴线（所述轴线和所述另一轴线）的优选实施例中，该预定角度为90
°
。
21.然而，要明确指出的是，一些实施例可包括多个另外的轴线，例如两个、三个或甚至更多个另外的轴线。在具有两个另外的轴线的情况下，该预定角度优选地为60
°
（即，相应地为60
°
和120
°
）。在具有三个另外的轴线的情况下，该预定角度优选地为45
°
（即，相应地为45
°
、90
°
和135
°
）。
22.根据本发明的另一实施例，该表面模块包括两个附加的空气入口，其沿所述轴线面向相反方向并且位于该两个空气入口上方，该传感器模块包括两个附加的压力传感器，该两个另外的附加传感器中的一个与该两个附加的空气入口中的一个流体连通，并且该两个附加的压力传感器中的另一个与该两个附加的空气入口中的另一个流体连通，该传感器模块适于输出指示由该两个附加的压力传感器感测到的压力的两个附加的压力信号，并且该处理单元适于基于该两个附加的压力信号来确定附加的流动方向和附加的流动速度中的至少一个。
23.在该实施例中，该两个附加的空气入口与该两个空气入口指向相同的方向，但是它们被布置在该两个空气入口上方，即比该两个空气入口更远离叶片表面。因此，该两个附
加的空气入口提供了关于平行于该两个空气入口的平面并处于该平面上方的平面中的流动的信息。该两个附加的空气入口和对应的压力传感器，特别是与该两个空气入口相结合，提供了关于转子叶片表面处的边界层的状态的有用信息。
24.根据本发明的另一实施例，该传感器模块和处理单元形成适于布置在转子叶片内的集成模块。
25.在该实施例中，该处理单元和传感器模块被布置在单个壳体内，该壳体可被布置在转子叶片内的任何合适位置处，并借助于合适的软管或管道与表面模块的空气入口连接。由处理单元获得的信息随后可被传送到风力涡轮机控制器并由其使用。
26.根据本发明的另一实施例，该传感器模块适于布置在转子叶片内的第一位置处，该处理单元适于布置在第二位置处，并且该传感器模块和处理单元适于彼此有线或无线数据通信。
27.在该实施例中，处理单元与传感器模块分开。该传感器模块可优选地布置成相对靠近表面模块（例如，处于其正下方）并且借助于合适的软管或管道连接到空气入口。处理单元可被布置在转子叶片内的另一位置处或风力涡轮机中的其他地方，例如机舱中或塔架内。特别地，处理单元可被集成在风力涡轮机控制器中。压力信号通过合适的有线或无线数据连接从传感器模块传送到处理单元。
28.根据本发明的另一实施例，所述组件还包括至少两个腔室，以用于收集和排放通过所述两个空气入口进入的水。
29.所述腔室形成空气入口和压力传感器之间的流体连接的一部分，并且因此，防止进入空气入口的水，特别是雨水，损坏或干扰压力传感器。
30.根据本发明的第二方面，提供了一种风力涡轮机，其包括转子，该转子具有多个转子叶片并且适于驱动布置在塔架的顶部上的机舱内的发电机，该风力涡轮机包括至少一个根据第一方面或上述任何一个实施例的组件，以用于监测每个转子叶片的表面处的气流。
31.通过为每个转子叶片配备至少一个根据第一方面的组件，本发明的该方面在风力涡轮机中利用了第一方面背后的构思。
32.根据本发明的第三方面，提供了一个监测风力涡轮机的转子叶片的表面处的气流的方法，该方法包括：（a）在转子叶片表面上的预定位置处布置表面模块，该表面模块包括沿轴线面向相反方向的两个空气入口；（b）提供包括两个压力传感器的传感器模块，其中，该两个压力传感器中的一个与该两个空气入口中的一个流体连通，并且该两个压力传感器中的另一个与该两个空气入口中的另一个流体连通，其中，该传感器模块适于输出指示由该两个压力传感器感测到的压力的两个压力信号；以及（c）基于该两个压力信号来确定沿该轴线的流动方向和流动速度中的至少一个。
33.本发明的该方面与上述第一方面基本上基于相同的构思，并且在方法方面提供了相同和相似的优点和效果。
34.要注意的是，已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已参考方法类型的权利要求来描述，而其他实施例已参考装置类型的权利要求来描述。然而，本领域技术人员将会从上文和下面的描述中获悉，除非另有指示，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征的任何组合、特别是方法类型权利要求的特征和装置类型权利要求的特征的组合也是本文档的公开的一部分。
35.本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。以下将参考实施例的示例来更详细地描述本发明。然而，要明确地指出，本发明不限于所描述的示例性实施例。
附图说明
36.图1示出了根据本发明的示例性实施例的组件的侧视图。
37.图2示出了根据本发明的示例性实施例的表面模块的顶视图。
38.图3示出了风力涡轮机的转子叶片的表面处的气流的图示。
39.图4示出了根据本发明的示例性实施例的组件的侧视图。
40.图5示出了包括根据本发明的示例性实施例的组件的风力涡轮机的转子叶片。
41.图6示出了根据本发明的示例性实施例的组件的侧视图。
具体实施方式
42.附图中的图示是示意性的。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件配有相同的附图标记或者配有仅在第一位数字内不同的附图标记。
43.图1示出了根据本发明的示例性实施例的组件的侧视图。更具体而言，图1示出了包括表面模块10、传感器模块20和处理单元30的组件。
44.该表面模块10被布置在转子叶片2的表面1处，并且包括沿轴线面向相反方向的两个空气入口11和12。更具体而言，空气入口11面向朝向如箭头le所示的前缘的方向，即朝向来风w的方向。另一个空气入口12面向相反的方向，即面对转子叶片2的后缘，如箭头te所示。在图1中所示的实施例中，空气入口11、12形成为下板15和上板16之间的平坦通路。空气入口11通过例如软管或管道的合适的导管21与传感器模块20流体连通。类似地，空气入口12通过导管22与传感器模块20流体连通。
45.传感器模块20被布置在转子叶片2内，并且包括压力传感器（未示出），该压力传感器布置成测量导管21和22的端部处的相应压力。两个对应的压力信号借助于无线传输25来传输到处理单元30。在替代实施例中，可利用有线数据传输。
46.处理单元30可以是单独的单元（例如，风力涡轮机控制器的一部分）或者其可与传感器模块20集成。处理单元30基于接收到的压力信号来确定沿所述轴线、即在从前缘le到后缘te的方向上的流动方向和/或流动速度。更具体而言，处理单元30确定两个空气入口11、12之间的压差为正还是为负。如果其为正，即如果通过空气入口11测量的压力高于通过空气入口12测量的压力，则处理单元30确定沿所述轴线的流从前缘le指向后缘te。另一方面，如果压差为负，即如果通过空气入口11测量的压力小于通过空气入口12测量的压力，则处理单元30确定沿所述轴线的流指向相反的方向，即从后缘te指向前缘le。此外，处理单元可通过确定压差的大小来确定沿所述轴线的流动速度。压差的大小越大，流动速度就越大，并且反之亦然。
47.图2示出了根据本发明的示例性实施例的表面模块10的顶视图。更具体而言，表面模块10包括上面已经结合图1中所示的实施例论述的两个空气入口11、12以及两个另外的空气入口13和14，该空气入口13和14沿垂直于空气入口11和12的轴线的另一轴线面向相反的方向。空气入口11、12、13、14之间的分隔由两个壁17和18提供，这两个壁17和18在下板15
和上板16之间的空间中沿相应的直径彼此垂直地延伸。这两个另外的空气入口13、14以与上文关于两个空气入口11和12所描述的相同或相似的方式与传感器模块20内的相应的压力传感器（未示出）流体连通。因此，处理单元30接收两个另外的压力信号，并且能够确定沿该另一轴线、即沿垂直于在前缘le和后缘te之间延伸的主流动方向的方向的另一流动方向和/或另一流动速度。在该横向方向上的显著流动将是不期望的流动状况的指示，并且可相对应地用在风力涡轮机的控制中。
48.在正常操作状况下，面向气流w的通道，即空气入口11，将经受最大的压力，而正好与之相反的通道，即空气入口12，经受最小的压力。因此，两者之间的压差将指示空气入口11、12中的哪一个面向气流。该传感器的最简单表示将由若干皮托管构成，这些皮托管在距表面1的相同高度处指向不同的方向。
49.图3示出了风力涡轮机的转子叶片2的表面1处的气流的图示。该图示对于理解使用流动方向作为转子叶片2上的流动质量的量度背后的原理是有用的。在正常的附着流的状况下，沿转子叶片2的表面1的流朝向后缘te移动，如图3中所示的叶片部段的前部区域a中的情况。然而，在某些状况下，例如脏污、高剪切、偏摆误差等，该流可能会与叶片表面1分离。在这种情况下，沿转子叶片2的表面1的流反转方向并开始流向前缘le，如在区域b中的叶片部段的后部部分上可看到的那样。因此，点p的流动方向对于确定转子叶片2上的边界层的状态是有用的。
50.图4示出了根据本发明的示例性实施例的组件的侧视图。如可以看到的，该实施例类似于图1中所描绘的实施例，但与之不同之处在于，表面模块10包括两个附加的空气入口11a和12a，它们布置在空气入口11和12上方，即更远地处于叶片表面1上方。该附加的空气入口11a和12a通过对应的导管23和24与传感器模块20内的对应的压力传感器（未示出）流体连通。除了下板15和上板16之外，表面模块还包括在竖直方向上分隔空气入口11、11a和12、12a的中间板19。因此，处理单元能够确定沿轴线（从前缘le朝向后缘te）的附加流动方向和/或附加流动速度，但处于转子叶片2的表面1上方的进一步升高的水平。关于叶片表面上方的若干层中的流动方向和/或流动速度的知识提供了关于边界层的状态的附加信息，特别是关于流是开始分离还是已完全分离的附加信息。
51.图5示出了包括根据本发明的示例性实施例的组件的风力涡轮机的转子叶片2。如所示，表面模块10被布置在转子叶片的表面1处，并且通过导管（或导线）21和22与传感器模块20流体（或电）连通。传感器模块20位于转子叶片2内，并且可利用无线或有线数据传输与处理单元30（未示出）通信。
52.图6示出了根据本发明的示例性实施例的组件的侧视图。该实施例是图1中所示和上面论述的实施例的变型。更具体而言，在表面模块10的空气入口11、12和传感器模块20之间提供流体连通的导管延伸通过用于收集和排放通过空气入口11和12进入的水的相应腔室41和42。如所示，空气入口11和传感器模块20之间的流体连通由一对导管21a和21b以及腔室41提供，而空气入口12和传感器模块20之间的流体连通由另一对导管22a和22b以及腔室42提供。管21a从空气入口11延伸到腔室41的上部部分中，而管21b具有处于腔室41内的腔室41的底部上方的升高位置处的开口端并且延续到传感器模块20。类似地，管22a从空气入口12延伸到腔室42的上部部分中，而管22b具有处于腔室42内的腔室42的底部上方的升高位置处的开口端并且延续到传感器模块20。腔室41具有排放部43，水通过该排放部43被
移除（通过泵或者借助于重力或离心力）。类似地，腔室42具有用于移除水的排放部44。腔室41和42确保了通过空气入口11和12进入的水无法到达传感器模块20内的压力传感器。
53.要注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”的使用并不排除多个。此外，也可组合联系不同实施例描述的元件。还要注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。