專利名稱：使用壓力傳感器的失速檢測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機領(lǐng)域。此外，本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機的葉片，并涉
及一種包括至少一個葉片的風(fēng)力渦輪機裝置。此外，本發(fā)明涉及一種檢測用于風(fēng)力渦輪機 的葉片的失速的方法。
背景技術(shù)：
在風(fēng)力渦輪機中，調(diào)整風(fēng)力渦輪機葉片是為了最佳槳距策略。S卩，設(shè)計和調(diào)整風(fēng)力
渦輪機葉片是為了確定葉片上的升力和阻力之間的最佳關(guān)系。 風(fēng)力渦輪機葉片提供包括前緣和后緣的葉片輪廓。前緣包括前滯流點，例如空氣 的流體在該前滯流點處流向風(fēng)力渦輪機葉片。流體流從前滯流點處被分流，所述流的第一 部分流過一個葉片表面，所述流體流的另一部分流過風(fēng)力渦輪機葉片的另一葉片表面。由 于沿著葉片表面流體流的速度和壓力的不同，因而在葉片表面之間形成壓力差。因此，建立 起促使葉片從高壓側(cè)向低壓側(cè)移動的升力。因此，低壓側(cè)可被稱為"吸力側(cè)"，而高壓側(cè)可被 稱為"壓力側(cè)"。 葉片的葉片表面處的前滯流點的位置取決于槳距角或流體的沖角a 。葉片的翼弦 線(即葉片輪廓的中心線)和表示葉片和流體之間相對運動的航向(即流體流動方向)之 間的角可被稱為"沖角"。"槳距角"可定義為處于葉片的翼弦線和理論上預(yù)定轉(zhuǎn)子平面或 零轉(zhuǎn)子平面之間的角度。相對于流體流的流向，對應(yīng)葉片槳距的沖角的增加可增加升力，而 且也會導(dǎo)致沿著葉片吸力側(cè)的流體失速。因此，如果沿著吸力側(cè)的流體流發(fā)生失速，流體流 就不再貼附而是分離，升力因此中止。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于提供葉片的槳距角，該槳距角具有產(chǎn)生升力的合適的有效 角度。 該目的可通過依照獨立權(quán)利要求的主題得以實現(xiàn)。本發(fā)明的有益實施例由從屬權(quán) 利要求描述。具體地，為了實現(xiàn)上述目的，依照獨立權(quán)利要求提供了一種用于風(fēng)力渦輪機 的葉片、一種具有至少一個葉片的風(fēng)力渦輪機以及一種檢測風(fēng)力渦輪機的葉片的失速的方法。 依照本發(fā)明的一個示例性實施例，提供一種用于風(fēng)力渦輪機的葉片。葉片包括葉 片表面和提供用于失速檢測的壓力值的壓力測量裝置。壓力測量裝置位于葉片表面處，從 而使得沿著葉片表面流動的流體的壓力能夠被壓力測量裝置測量。 依照進一步示例性實施例，描述一種風(fēng)力渦輪機裝置，該風(fēng)力渦輪機裝置包括至 少一個上述葉片。 依照進一步示例性實施例，提供一種檢測風(fēng)力渦輪機葉片失速的方法。沿著葉片
的葉片表面流動的流體的壓力借助于位于葉片表面處的壓力測量裝置測量。 術(shù)語"葉片"可描述風(fēng)力渦輪機的葉片，其中葉片可暴露給流體或流體流。葉片可包括葉片輪廓，該輪廓具有位于一側(cè)上的彎曲葉片表面和位于另一側(cè)上的另一彎曲葉片表 面。流體可沿葉片表面流動。由于葉片表面的彎曲輪廓的曲率差異，可通過將輪廓暴露給 流體而提供升力。 術(shù)語"壓力測量裝置"可描述用于測量翼型處特別是葉片的葉片表面處的流體壓 力的裝置。壓力測量裝置可包括例如壓電壓力傳感器、差動壓力傳感器、普朗特空速管傳感 器或任何其他測量翼型表面流體壓力處的裝置。 術(shù)語"沖角"可描述葉片翼弦線和代表葉片和流體方向之間相對運動的航向之間 的角度。該沖角可描述為葉片的翼弦線所指和流體流向之間的角度。葉片的升力系數(shù)可直 接與沖角相關(guān)。沖角的增加與升力系數(shù)增加至最大升力系數(shù)后又降低有關(guān)。當(dāng)葉片上的沖 角增加時，來自于葉片一個表面的流體分離變得更明顯，從而導(dǎo)致升力系數(shù)增加的速率降 低。在臨界沖角處，流體失速發(fā)生。 術(shù)語"槳距角"可描述在葉片翼弦線和轉(zhuǎn)子平面之間測得的角，而沖角可相對于葉 片和空氣或流體之間的相對運動而測量。槳距角可限定葉片翼弦線和葉片預(yù)定零位置(例 如預(yù)定轉(zhuǎn)子平面)之間的角度。 在傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機中，槳距控制方案通常基于一定預(yù)設(shè)流入條件下清潔轉(zhuǎn)子葉片 的假設(shè)。因此，傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機中，葉片的槳距角或沖角不適于例如湍流、污垢、水和冰的環(huán) 境條件或影響。當(dāng)在渦輪機葉片表面處發(fā)生這些環(huán)境條件時，流體可非人為地從葉片表面 脫離。 通過本發(fā)明的主題，壓力測量裝置可測量風(fēng)力渦輪機葉片表面處的流體壓力。因
此，如果沿著葉片表面的流體發(fā)生失速，流體壓力降低或增加可被壓力測量裝置測量到。
即，如果檢測到流體移動壓力降低或者增加，其可為沿著葉片表面的流體失速的指示。因
此，由于現(xiàn)在能測量沿著葉片的葉片表面的流體壓力以及可能的流體失速，因此可調(diào)整葉
片的槳距角以提供或保持沿著葉片表面的流體貼附流，從而可阻止失速。 換言之，通過測量沿葉片表面流動的流體的壓力可阻止由于例如湍流、污垢、水和
冰的環(huán)境條件引發(fā)的非人為失速，并可避免葉片性能下降。換言之，雖然風(fēng)力渦輪機葉片的
傳統(tǒng)槳距角控制通常依賴于假定清潔轉(zhuǎn)子葉片的理論計算，但是通過本發(fā)明可提出一種考
慮環(huán)境條件的葉片調(diào)整并因此保證和改進風(fēng)力渦輪機的高升力_阻力比。 依照進一步示例性實施例，葉片包括補充壓力測量裝置。補充壓力測量裝置位于
葉片表面處，從而使得沿著風(fēng)力渦輪機葉片的葉片表面流動的流體的補充壓力能夠被壓力
測量裝置測量。因此，可沿著葉片表面大面積測量單個壓力值，從而能夠提供沿葉片表面或
者僅葉片表面上單個點的針對性測量，以檢測失速。因此，可減少葉片工作模式狀態(tài)的錯誤
測量數(shù)目。 依照進一步示例性實施例，特定葉片表面為葉片的吸力側(cè)。即，如果壓力測量器位 于葉片的吸力側(cè)，可改進測量質(zhì)量，因為葉片失速通常出現(xiàn)在低壓區(qū)域，即發(fā)生在對應(yīng)葉片 的輪廓的吸力側(cè)。因此，可增加測量失速的概率。 依照進一步示例性實施例，葉片包括在流體流動方向上具有增加厚度的第一部分 和在流體流動方向上具有減小厚度的第二部分。壓力測量裝置和/或補充壓力測量裝置位 于減小的部分。后滯流點通常出現(xiàn)在后緣附近，即第二部分周圍。因此，如果壓力測量裝置 位于第二部分，可改進測量滯流點的概率。
依照進一步示例性實施例，壓力測量裝置和補充壓力測量裝置沿流體流動方向布 置成排。流體的流動方向可從前緣區(qū)域中的第一前滯流點被導(dǎo)向葉片后緣。流體被前滯流 點分流，一部分沿著吸力側(cè)流動，另一部分沿著葉片的壓力側(cè)流動。如果壓力測量器和補充 壓力測量器沿著吸力側(cè)布置成排，可提供改進的葉片失速測量。如果流體改變其結(jié)構(gòu)，從 貼附流變至分離流，即從相對于葉片表面的平行流變至不再貼附和平行于葉片表面的流體 流，失速就可能發(fā)生。 流體從貼附流變?yōu)榉蛛x流的點可在后滯流點處產(chǎn)生。通過沿著流體流動方向放置 壓力測量裝置和補充壓力測量裝置，后滯流點前面的上游位置處的壓力測量裝置可測量指 示貼附流的正常壓力，布置在相對于后滯流點的下游中的補充壓力測量裝置可測量分離流 的壓力和例如更高的壓力(相對于具有貼附流的吸力側(cè)部分)。因此，通過比較壓力測量裝 置和補充壓力測量裝置的兩個測量壓力值，可提供流體失速的檢測。此外，可測量后滯流點 的位置，因為壓力測量器的位置是已知的。即，后滯流點可由于高壓差而位于壓力測量器之 間，或可由于測得的流體高壓而位于壓力測量器上游位置中，或可由于測得的流體低壓而 位于下游位置中。如果后滯流點的位置是已知的，則可提供改進的葉片槳距(即槳距角) 的調(diào)整。 依照進一步示例性實施例，葉片沿著縱向方向延伸。壓力測量裝置和其他壓力測 量裝置沿葉片的縱向方向定位。 術(shù)語"縱向方向"可限定葉片的葉片翼展，具體是葉片從與風(fēng)力渦輪機的連接點至 葉片末端的延伸。 通過沿著葉片縱向方向分布壓力測量裝置和補充壓力測量裝置，可減少錯誤測 量。通過測量沿葉片表面縱向方向的幾個位置，僅出現(xiàn)在葉片上的小區(qū)域中的錯誤測量不 會引起葉片槳距角的錯誤調(diào)整。例如，如果轉(zhuǎn)移污垢顆粒的流僅位于葉片縱向方向的小區(qū) 域上且僅在該小區(qū)域測得失速，由失速的小區(qū)域引發(fā)的槳距角的調(diào)整可引起效率降低。換 言之，由于沿葉片縱向(全部)方向的壓力測量，沿葉片的沿著延伸方向的全部葉片表面的 流體流圖案可被測量，從而可提供相對于平均流體流圖案的槳距角或沖角的改進調(diào)整。
依照進一步示例性實施例，葉片包括多個壓力測量裝置，即可提供多個壓力測量 裝置和多個補充壓力測量裝置。通過使用多個壓力測量裝置，可提供更詳盡的流體流動圖 案，并可提供葉片槳距(即槳距角)的改進調(diào)整。 依照進一步示例性實施例，風(fēng)力渦輪機裝置可進一步包括分配給至少一個葉片的 控制單元。控制單元適于響應(yīng)在葉片表面處測得的流體壓力而控制該至少一個葉片的槳距 角。因此，控制單元可以調(diào)整風(fēng)力渦輪機的葉片，使得能夠相對于被測量流體壓力的流體的 流向并因此相對于流體的流向調(diào)整每個單獨葉片。控制單元可考慮葉片的每個單一壓力測 量裝置測得的壓力值，從而使得控制單元可依照相應(yīng)葉片的單獨測量值或失速單獨調(diào)整每 個單一葉片。例如，如果測量到可指示沿葉片表面某個位置的失速的流體低壓或高壓，控制 單元能夠改變沖角或槳距角，從而防止失速。換言之，控制單元可調(diào)整沖角或槳距角，使得 葉片表面的分離流體能變?yōu)檠厝~片表面的貼附流。因此，整個風(fēng)力渦輪機的總效率程度可 以得到改進。 除了葉片的沖角或槳距角，控制單元也可控制葉片的偏航角和/或側(cè)傾角以便于 改進葉片的調(diào)整和效率程度。
必須指出的是，本發(fā)明已參照不同主題描述了實施例。具體地，已參照產(chǎn)品類型權(quán) 利要求描述了一些實施例，而參照方法類型權(quán)利要求描述了其他實施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù) 人員可從以上以及下面的描述推出除非另有聲明，除了屬于一種主題的特征的任意組合 之外，屬于不同主題特征之間的任意組合，特別是產(chǎn)品權(quán)利要求的特征和方法權(quán)利要求的 特征之間的任意組合，也被視為被本發(fā)明公開。 上述情況和本發(fā)明的進一步情況將通過稍后描述的實施例得以明確并參照實施 例進行解釋。


本發(fā)明將參照實施例更詳細(xì)描述，本發(fā)明不限于這些實施例。
圖1顯示包括依照本發(fā)明示例性實施例的壓力測量裝置的葉片； 圖2顯示依照本發(fā)明示例性實施例的包括后滯流點的葉片，該后滯流點位于壓力
測量裝置和補充壓力測量裝置之間； 圖3顯示依照本發(fā)明示例性實施例的葉片，其中后滯流點位于相對于壓力測量裝 置的上游位置； 圖4顯示風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)，包括依照本發(fā)明示例性實施例的帶有失速檢測的葉 片。
具體實施例方式
附圖所示僅為示意性的。值得注意的是，不同附圖中，相同或相似元件標(biāo)以相同附 圖標(biāo)記，或附圖標(biāo)記僅在第一位不同于相應(yīng)的附圖標(biāo)記。 圖1顯示了風(fēng)力渦輪機400的葉片100。葉片100包括葉片表面101和提供用于 失速檢測的壓力值的壓力測量裝置102。壓力測量裝置102位于葉片表面101處，使得沿葉 片表面101流動的流體104的壓力可被壓力測量裝置102測量。 通過測量沿葉片表面101流動的流體104的壓力，可檢測沿該表面流動的流體的 失速區(qū)域或流體104的分離流區(qū)域。因此，可檢測來自于葉片表面101的流體104的失速。 流體104的失速可由于例如湍流、污垢累積、水和/或冰的環(huán)境條件而發(fā)生。
圖1進一步顯示葉片部分100的一種典型葉片輪廓。葉片100可包括前緣108和 后緣109。前緣108可在流體104首次沖擊葉片100的葉片100的位置處暴露給對應(yīng)流體 104的流動方向107。流體104可在前緣108處分離并分為沿吸力側(cè)105流動的流體部分 和沿壓力側(cè)106流動的流體部分。吸力側(cè)105和壓力側(cè)106可提供彎曲葉片表面IOI，流體 104的一部分沿該表面流動。此外，葉片100包括厚度t，即厚度t可限定吸力側(cè)105和壓 力側(cè)106之間的距離。從前緣108開始，葉片厚度t增至最大。從最大厚度t的位置至后 緣109，葉片100的厚度t減小。 圖1進一步顯示位于葉片100的葉片表面101處的壓力測量裝置102和補充壓力 測量裝置103。壓力測量裝置102和補充壓力測量裝置103可測量流體104的壓力。
圖2顯示葉片IOO，其中具有處于吸力側(cè)105的后滯流點200。在后滯流點200之 前，特別是沿流動方向107的流體104的上游，流體104是貼附的，這意味著流體104的流線 平行于吸力側(cè)105或壓力側(cè)106的表面或彎曲部分。失速區(qū)域位于后滯流點200的下游，即由于例如是污垢或冰的環(huán)境條件而產(chǎn)生分離流202。流分離也可由于相對于流體104的 流入流動方向107而過大的葉片IOO的槳距角a或沖角而產(chǎn)生。在失速區(qū)域，不再提供任 何升力。 槳距角a可由葉片100的翼弦線IIO和預(yù)定轉(zhuǎn)子平面或零轉(zhuǎn)子平面之間的角度 限定。沖角可由翼弦線110和流體104沖向前滯流點的流動方向107之間的角度而限定。 翼弦線110可為葉片100的前緣108和后緣109之間的沿著正常流動方向107測得的距離。 翼弦線110的這些前后點可稱為前緣108和后緣109。 如圖2所示，壓力測量裝置102位于后滯流點的上游，而補充壓力測量裝置103位 于后滯流點200的下游。因此，在本示例中，壓力測量裝置102測量處于貼附流狀態(tài)的流體 104的壓力，補充壓力測量裝置103位于后滯流點200的下游并因此測量分離流202中的 高壓(相對于貼附流的壓力)。由于比較測得的流體壓力，可確定在補充壓力測量裝置103 區(qū)域附近存在的失速區(qū)域。此外，由于后滯流點200上游的壓力測量裝置102和后滯流點 下游的補充壓力測量裝置103測得的不同壓力，可確定后滯流點200的位置。S卩，由于吸力 側(cè)105的后滯流點200下游的流體104壓力增加，流體104的失速是能夠檢測的。位于壓 力側(cè)106的分離流處的失速反過來可導(dǎo)致壓力側(cè)106處與貼附流104相比的低壓。
也可將壓力測量裝置102和/或補充壓力測量裝置103放置于葉片100的增加第 一部分中以檢測流體104的壓力?？蓹z測到后緣109的區(qū)域中的失速，因為第二部分(即 后緣109附近)的分離流202也可影響位于第一部分中貼附流201的區(qū)域中的流體104的 壓力。 此外，也可將壓力測量裝置102和/或補充壓力測量裝置103放置于葉片100的 低側(cè)(即壓力側(cè)106)。因此，在壓力側(cè)106可能發(fā)生的失速也可測量。此外，發(fā)生在吸力側(cè) 105的失速的測量可由壓力側(cè)106的壓力測量而得到補充。壓力測量裝置102測量處于貼 附流狀態(tài)下的以及處于高壓狀態(tài)下的位于壓力側(cè)106的流體104的壓力。與位于上游的壓 力測量裝置102相比，補充壓力測量裝置102(位于后滯流點200的下游)因此測量分離流 202的低壓。通過比較測得的流體壓力，例如由于后滯流點200下游流體104的壓力降低， 可確定失速區(qū)域存在于補充壓力測量裝置103的區(qū)域附近。 圖3顯示葉片100，其中壓力測量裝置102和補充壓力測量裝置103位于后滯流 點200的下游。因此，兩個測量器之間壓力梯度的降低或測量器處測得壓力增加可指示對 應(yīng)流體104處于吸力側(cè)105的分離流202的失速區(qū)域。此外，兩個測量器102和103之間 壓力梯度的降低或測量器102和103處測得壓力的增加也可指示對應(yīng)流體104處于壓力側(cè) 106的分離流202的失速區(qū)域。 壓力測量裝置102和103均可位于相對于后滯流點200的上游。因此，壓力測量 裝置102和103均可測量貼附流狀態(tài)下的壓力。然而，后滯流點200下游的流體104的失 速也可影響滯流點200上游的貼附流的壓力水平。因此，失速也可由后滯流點200上游的 流體壓力變化而被檢測到。 圖4顯示風(fēng)力渦輪機400，包括外罩401、風(fēng)力渦輪機塔筒402和多個葉片100。依 照圖4所示的示例性實施例，三個葉片100連接到外罩401。示出了葉片100的縱向方向 403從外罩401開始。每個葉片100均沿著縱向方向403從外罩401延伸至葉片100的自 由端(即末端)。此外，圖4顯示槳距角a，葉片IOO可繞其旋轉(zhuǎn)。如圖所示，槳距角a可與圍繞每個葉片100的縱向方向403的每個葉片100的旋轉(zhuǎn)角相似。 此外，圖4顯示壓力測量裝置102和補充壓力測量裝置103沿縱向方向403的分 布。因此，通過沿縱向方向403設(shè)置多個壓力測量裝置102和補充壓力測量裝置103，可提 供沿每個葉片100的整個葉片表面101的詳細(xì)流體流圖案。因此，如果局部污垢顆粒404 引起流體104局部失速，貼附流狀態(tài)仍可存在于其他壓力測量器102U03的區(qū)域中。因此， 響應(yīng)于局部污垢顆粒404的區(qū)域上壓力測量值而調(diào)整槳距角a將導(dǎo)致整個葉片100的較 低效率程度。因此，通過測量沿整個縱向方向403的流體104的流動圖案，葉片100的最佳 槳距角的整體計算可忽略測量壓力的局部值。 此外，控制單元可依據(jù)多個葉片100的每一個的測得流動圖案的值而計算它們各 自的槳距角a。因此，可為每一個葉片100提供改進調(diào)整并改進風(fēng)力渦輪機400的效率。 [OOSO] 壓力測量裝置102U03也可比較測得的流體壓力與流體壓力統(tǒng)計值或參考值，以 便通過比較測得的流體壓力與流體104的參考壓力而得以檢測失速。 需要注意的是，術(shù)語"包括"并不排除其他元件或步驟，"一種"并不排除多個。不 同實施例中描述的元件可組合。也需要注意，權(quán)利要求中附圖標(biāo)記不應(yīng)理解為限制權(quán)利要 求的范圍。
權(quán)利要求
一種用于風(fēng)力渦輪機的葉片，該葉片(100)包括葉片表面(101)；以及壓力測量裝置(102)，其提供用于失速檢測的壓力值；其中，壓力測量裝置(102)位于葉片表面(101)處，從而使得沿著葉片表面(101)流動的流體(104)的壓力能夠被壓力測量裝置(102)測量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于，進一步包括 補充壓力測量裝置(103);其中，補充壓力測量裝置(103)位于葉片表面(101)處，從而使得沿著葉片表面(101) 流動的流體(104)的補充壓力能夠被壓力測量裝置(102)測量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的葉片，其特征在于葉片表面(101)為葉片(100)的吸 力側(cè)(105)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的葉片，其特征在于葉片(100)包括沿流體(104)的流動方向(107)具有增加厚度(t)的第一部分和沿流 體(104)的流動方向(107)具有減少厚度(t)的第二部分；壓力測量裝置(102)和補充壓力測量裝置(103)的至少一個位于所述厚度減少的部分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉片，其特征在于壓力測量裝置(102)和補充壓力測量裝 置(103)沿著流體(104)的流動方向(107)布置成排。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2至5之一所述的葉片，其特征在于 葉片(100)沿著縱向方向(403)延伸；壓力測量裝置(102)和補充壓力測量裝置(103)沿著葉片(100)的縱向方向(403)定位。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的葉片，其特征在于葉片(100)包括多個壓力測量 裝置(102)。
8. —種風(fēng)力渦輪機裝置，包括至少一個依照權(quán)利要求1至7之一的葉片(100)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)力渦輪機裝置，其特征在于，進一步包括 控制單元，其被分配給所述至少一個葉片；其中，控制單元適于響應(yīng)流體(104)的測得壓力而控制所述至少一個葉片(100)的槳 距角(a)。
10. —種檢測風(fēng)力渦輪機的葉片(100)上的失速的方法，該方法包括 借助于位于葉片表面(101)的壓力測量裝置(102)來測量沿著葉片(100)的葉片表面(101)流動的流體(104)的壓力。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用壓力傳感器的失速檢測。本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機(400)的葉片(100)。葉片(100)包括葉片表面(101)和提供用于失速檢測的壓力值的壓力測量裝置(102)。壓力測量裝置(102)位于葉片表面(101)處，從而使得沿著葉片表面(101)流動的流體(104)的壓力能夠被壓力測量裝置(102)測量。
文檔編號F03D7/04GK101725466SQ20091020729
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日
發(fā)明者I·弗里登達爾, J·勞爾森, P·B·埃尼沃爾德森 申請人:西門子公司