專利名稱：具有失速傳感器的風(fēng)力渦輪葉片和檢測葉片失速的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大 體涉及風(fēng)力渦輪，且更具體而言涉及具有與其構(gòu)造在一起的失速傳感器 的風(fēng)力渦輪葉片。
背景技術(shù)：
風(fēng)力被認為是目前可利用的最環(huán)境友好的能源中的一種，且在這一點上風(fēng)力渦輪 受到了更多的關(guān)注?，F(xiàn)代風(fēng)力渦輪通常包括塔架、發(fā)電機、齒輪箱、機艙和一個或多個渦輪 葉片。葉片使用已知的翼型件原理來捕捉風(fēng)的動能。葉片以旋轉(zhuǎn)能的形式傳遞動能，以便 使將葉片聯(lián)接到齒輪箱上或直接聯(lián)接到發(fā)電機上的軸轉(zhuǎn)動。然后發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成可 部署到公共電網(wǎng)的電能。渦輪葉片輪廓是重要的設(shè)計特性。葉片設(shè)計成使得經(jīng)過葉片的層流在例如介于約 15MPH和35MPH之間的風(fēng)速范圍上對轉(zhuǎn)子賦予最大的旋轉(zhuǎn)扭矩。由于各種考慮，包括保護渦 輪構(gòu)件和下游發(fā)電機，一般不期望在超過渦輪的額定風(fēng)速的情況下操作渦輪?！笆佟笔沁@樣一種狀態(tài)，即其中入射風(fēng)相對于渦輪葉片輪廓的迎角隨著風(fēng)速的提 高而增大到其中經(jīng)過葉片的低壓(后)側(cè)的層流中斷且引起逆流的點。雖然在葉片的低壓 側(cè)處更普遍，但是葉片的高壓(前)側(cè)處也可發(fā)生失速。在失速狀態(tài)中，葉片上的原動力顯 著地減小。其它因素也可有助于失速，例如葉片變槳、葉片積垢等。失速是一種設(shè)計考慮， 且失速調(diào)節(jié)是在疾風(fēng)狀態(tài)中保護風(fēng)力渦輪-特別是具有固定變槳葉片的渦輪-的有效設(shè)計 特征。在受失速調(diào)節(jié)的渦輪上，葉片鎖緊就位，且不能隨變化的風(fēng)速而改變變槳。實際上， 葉片設(shè)計成以便在沿著葉片的長度的迎角隨漸增的風(fēng)增大時逐漸失速。因此，重要的是了 解渦輪葉片輪廓的流動特性(特別是關(guān)于失速的發(fā)生)。本領(lǐng)域已經(jīng)做出努力來檢測渦輪葉片失速的發(fā)生。例如，美國專利No. 6，065，334 提出將一系列樞轉(zhuǎn)翼片(flap)安裝在渦輪葉片的被監(jiān)測的表面上，與翼片的相對側(cè)相比， 翼片的一側(cè)具有在視覺上清楚的外觀(即不同的顏色或反射特性)。葉片表面上的逆流使 翼片翻轉(zhuǎn)，且從而呈現(xiàn)視覺上清楚且可檢測的變化。但是，這種類型的視覺檢測系統(tǒng)存在內(nèi) 在限制。例如，該系統(tǒng)取決于從地平面精確地檢測翼片的變化了的視覺特性的能力，這在低 光或無光條件下或者在不利的天氣條件下可能是困難的。在晚上，當(dāng)風(fēng)通常較大時，該系統(tǒng) 需要對準葉片的照明裝置，以及照相機或其它光學(xué)檢測裝置，以便檢測翼片的變化了的狀 態(tài)。對于較大的渦輪來說，葉片的大小可使得在沒有放大式光學(xué)檢測器的情況下即便是在 理想的光和天氣條件下從地平面以光學(xué)的方式檢測翼片都極為困難。而且，獲得精確的定 性量度的能力取決于在沿著葉片表面附連的不同翼片之間進行區(qū)分的能力。因此，存在對于這樣一種用于風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片的改進的失速傳感器的需求該 傳感器產(chǎn)生精確且可靠的葉片失速指示，而沒有已知裝置的內(nèi)在缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于風(fēng)力渦輪葉片的改進的失速傳感器和檢測失速的相關(guān)方法。傳感器產(chǎn)生可靠且精確的電信號，該電信號不取決于對附連到渦輪葉片上的裝置的光 學(xué)特性的檢測?？蓮男盘栔型茖?dǎo)出精確的定性量度?？稍谝韵旅枋鲋胁糠值仃U述本發(fā)明的 另外的方面和特點，或者本發(fā)明的另外的方面和特點根據(jù)該描述可顯而易見，或者可通過 實踐本發(fā)明來學(xué)習(xí)本發(fā)明的另外的方面和特點。根據(jù)本發(fā)明的各方面，一種風(fēng)力渦輪包括連接到轉(zhuǎn)子輪轂上的至少一個渦輪葉 片。電失速傳感器在一定位置處構(gòu)造在葉片的表面上，以在失速狀態(tài)中檢測逆流。傳感器 可附連到葉片的低壓側(cè)或高壓側(cè)上。對于多葉片式渦輪來說，一個或多個傳感器可構(gòu)造在 各個渦輪葉片上，或者僅構(gòu)造在葉片中的一個上。失速傳感器包括電源，例如內(nèi)部電池，或 者在一個備選實施例中，可從外部源(例如來自風(fēng)力渦輪控制器的低電壓)對失速傳感器 供以功率。失速傳感器包括樞軸地構(gòu)造在渦輪葉片的低壓表面或高壓表面中的一個上的翼 片。在失速狀態(tài)中產(chǎn)生的相應(yīng)的壓力表面上的逆流使翼片從第一位置朝第二位置樞轉(zhuǎn)。傳 感器可包括響應(yīng)翼片在第一位置和第二位置之間的運動且產(chǎn)生表明失速狀態(tài)的對應(yīng)的電 信號的任何種類的傳感器電路。 本發(fā)明還包括一種用于通過將電子失速傳感器在一定位置處安裝在至少一個渦 輪葉片上以便使電子失速傳感器在葉片的失速狀態(tài)中暴露于逆流來檢測風(fēng)力渦輪葉片的 失速的方法，失速傳感器構(gòu)造成以便在失速狀態(tài)中暴露于逆流時產(chǎn)生電信號。該方法包括 將電信號從失速傳感器傳輸?shù)竭h程接收器，且為了失速指示監(jiān)測遠程接收器。


在結(jié)合附圖得到的以下詳細描述中更加具體地描述根據(jù)優(yōu)選的和示例性的實施 例及其另外的方面和優(yōu)點的發(fā)明，其中圖1是在各個渦輪葉片上構(gòu)造有失速傳感器的風(fēng)力渦輪的視圖；圖2是具有安裝于其上的失速傳感器的渦輪葉片的一部分的放大視圖；圖3是圖2所示的實施例的俯視圖；圖4是安裝在渦輪葉片的低壓表面上的失速傳感器的一個實施例的側(cè)視圖；圖5是具有表明失速狀態(tài)的失速傳感器的圖4的實施例的側(cè)視圖；圖6是安裝在渦輪葉片的低壓表面上的失速傳感器的一個備選實施例的側(cè)視圖；圖7是風(fēng)力渦輪和失速傳感器系統(tǒng)的視圖；以及圖8是風(fēng)力渦輪和失速傳感器系統(tǒng)的一個備選實施例的視圖。部件列表10風(fēng)力渦輪12渦輪葉片14 機艙15機艙控制器16轉(zhuǎn)子輪轂18傳輸線20中央的基于地面的控制器22 塔架23高壓表面
24低壓表面25凹部26失速傳感器27傳輸線
28固定基座30翼片部件31樞轉(zhuǎn)軸線32控制電路/傳感器電路33斷開電路34遠程接收器35凸起的唇緣36發(fā)射器/接收器40觸頭44專用電源
具體實施例方式現(xiàn)在對本發(fā)明的具體實施例進行參照，在附圖中示出了具體實施例的一個或多個 實例。以闡述本發(fā)明的各方面的方式介紹各個實施例，且各個實施例不應(yīng)理解為本發(fā)明的 限制。例如，關(guān)于一個實施例示出或描述的特征可與另一個實施例一起使用，以產(chǎn)生又一個 另外的實施例。意圖的是本發(fā)明包括對本文描述的實施例作出的這些和其它修改或變化。圖1示出了具有傳統(tǒng)構(gòu)造的風(fēng)力渦輪10。風(fēng)力渦輪10包括塔架22，塔架22上安 裝有機艙14。多個渦輪葉片12安裝到轉(zhuǎn)子16上。葉片12將風(fēng)的原動力轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機械 能，以與容納在機艙14中的發(fā)電機一起產(chǎn)生電。單獨的風(fēng)力渦輪10可包括容納在機艙14 中的控制器，且可通過延伸穿過塔架22的傳輸線18與中央的基于地面的控制器20通信。 在例如風(fēng)力發(fā)電廠內(nèi)，基于地面的控制器20通常與許多渦輪一起構(gòu)造。渦輪葉片12中的至少一個包括構(gòu)造在低壓表面24或高壓表面23 (虛線傳感器 26)中的任何一個上的失速傳感器26。在圖1的實施例中，各個渦輪葉片12包括構(gòu)造在低 壓表面24和高壓表面23中的各個上的至少一個失速傳感器26。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明包括構(gòu) 造在各種渦輪葉片表面的任何組合上的失速傳感器26的任何組合。例如，多葉片式渦輪的 僅一個葉片12可具有失速傳感器26，或者各個葉片12可在壓力表面24、23中的一個或兩 者上具有一個或多個傳感器26。失速傳感器26可通過傳輸線27與機艙控制器通信，以提 供相應(yīng)的渦輪葉片12處的失速狀態(tài)的電子信號指示。此信號可由機艙控制器使用，以用于 任何種類的控制功能。例如，在主動變槳控制系統(tǒng)中，機艙控制器可將信號用作用于控制單 獨的渦輪葉片12的變槳的變量，以消除失速狀態(tài)，減小渦輪的功率，或者(實現(xiàn))任何其它 控制功能。可簡單地使用來自失速傳感器26的信號來產(chǎn)生渦輪葉片12處的失速狀態(tài)的警 報或其它指示。本發(fā)明不受由失速傳感器26產(chǎn)生的信號的任何具體使用的限制。圖2和3示出了安裝在或以別的方式附連在風(fēng)力渦輪葉片12的低壓表面24上的 失速傳感器26的一個實施例。失速傳感器26包括固定基座28和在樞轉(zhuǎn)軸線31處相對于 基座28樞轉(zhuǎn)的翼片部件30。翼片30在第一位置和第二位置之間樞轉(zhuǎn)，在第一位置上，在低壓表面24上產(chǎn)生層流，如由圖2和3中的箭頭所表明，在第二位置上，層流中斷，且在低壓 表面24處引起逆流，如由圖5中的箭頭所表明?；?8內(nèi)可容納任何種類的構(gòu)件，例如控制電路32、專用電源44等?？刂齐娐?32特別地構(gòu)造成以便響應(yīng)翼片30從圖4所示的第一位置到圖5所示的第二位置的運動，且 產(chǎn)生表明圖5中描繪的失速狀態(tài)的對應(yīng)的電信號?；考?8可通過粘合劑或其它適當(dāng)?shù)臋C構(gòu)安裝到渦輪葉片12的表面上，如圖 4和5所示。在使失速傳感器相對于渦輪葉片12的低壓表面24的輪廓最小的一個備選實 施例中，傳感器26可凹陷在渦輪葉片低壓表面24中的凹部25內(nèi)，如圖6中所描繪。在此 具體實施例的情況下，與圖4和5的實施例相比，翼片30的第一位置升高，以便處于與低壓 表面24基本齊平或者略微高出低壓表面24的狀態(tài)。翼片30可包括凸起的唇緣35，以確保 翼片30對低壓表面24上的逆流狀態(tài)作出反應(yīng)。失速傳感器26，且更具體而言是傳感器電路32，可結(jié)合任何種類的已知技術(shù)來將 翼片30的運動轉(zhuǎn)換成電信號。例如，在圖4和5中示出的實施例中，傳感器電路32包括斷 開電路33。翼片30包括位于在翼片30從第一位置運動到第二位置時抵靠基座28滑動的 表面上的觸頭40。在如圖5所示的翼片30的第二位置上，觸頭40接通電路33。對于閉合 的電路33，電路的任何特性(例如電壓、電阻、電流等)均可由傳感器電路32感測。圖4和 5中示出的電路的類型在傳統(tǒng)上已知為不通則斷式(make or break)接點電路，其中表明了 “開”或“關(guān)”狀態(tài)，而沒有定量值。換句話說，(利用)圖4和5所示的傳感器26的布置， 傳感器電路32將產(chǎn)生僅表明失速狀態(tài)是否存在的信號。電路32不會產(chǎn)生翼片30相對于 基座28的相對運動程度的定量量度。在備選實施例中，失速傳感器26可構(gòu)造成以便產(chǎn)生翼片30的相對運動程度的定 量指示。例如，電路32可測量隨翼片30的相對運動而改變的電路特性(例如電壓或電阻) 的變化。參照圖6，在這點上，可使用已知的或在本領(lǐng)域中用來測量一個部件相對于另一個 部件的相對運動程度的任何種類的傳統(tǒng)變換器。例如，電路32可包括任何種類的變阻器、 電位計、壓力變換器、應(yīng)變儀或用以測量翼片30相對于基座28的相對運動的任何其它適當(dāng) 的裝置。例如，在一個具體實施例中，翼片30可借助于彈簧或其它偏置部件朝第一位置偏 置，且可使用測壓元件來測量翼片30對逆流狀態(tài)的阻力，其中阻力的幅度給出了渦輪葉片 12的低壓表面24處的失速狀態(tài)的定量指示。因此應(yīng)當(dāng)容易地理解，圖6所示的變換器電路 32意圖包括響應(yīng)于翼片30相對于基座28的運動而產(chǎn)生信號的任何種類的電氣裝置、機電 裝置或機械裝置。失速傳感器26作為電信號來傳輸所產(chǎn)生的信號。在所示實施例中，傳感器26包括專用電源44，例如內(nèi)部電池。電池44可從機艙控 制器中再充電，或者可定期更換電池44。在一個備選實施例中，可通過傳輸線27(圖1)從 機艙控制器對傳感器電路32供應(yīng)功率。取決于單獨的風(fēng)力渦輪10的控制構(gòu)造，可以按各種方式傳輸和處理表明失速狀 態(tài)的來自失速傳感器26的信號。例如，參照圖7，可以是任何種類的控制硬件的遠程接收 器34可通過與機艙控制器15 —起構(gòu)造的發(fā)射器/接收器36與風(fēng)力渦輪10進行無線通 信。單獨的失速傳感器26可通過此構(gòu)造與機艙控制器15進行有線或無線通信，且來自失 速傳感器26的信號可作為警報狀態(tài)或作為任何種類的控制功能(例如渦輪葉片12的變槳 控制)的輸入等而傳送到遠程接收器34。
在圖8所示的一個備選實施例中，單獨的失速傳感器26可構(gòu)造成以便以無線的方 式直接傳輸至遠程接收器34。在此具體實施例的情況下，各個失速傳感器26構(gòu)造有用于此 目的的發(fā)射器。此實施例將需要用于單獨的失速傳感器26的更加牢靠的電源。應(yīng)當(dāng)容易 地理解，可使用任何種類的傳輸系統(tǒng)來將控制信號從單獨的失速傳感器26傳輸?shù)饺魏畏N 類的控制器，以表明失速狀態(tài)和/或(實現(xiàn))控制功能。由失速傳感器26產(chǎn)生的信號和信息可進一步協(xié)助理解渦輪葉片12上的反向流， 且將此知識結(jié)合到不同的渦輪葉片設(shè)計中，以避免渦輪葉片處的逆流現(xiàn)象?？墒褂檬賯?感器26來監(jiān)測葉片積垢，相信葉片積垢會導(dǎo)致失速/保留(reserved)流，且會造成風(fēng)力渦 輪性能的重大降低。例如，可使用失速傳感器來估計失速和葉片積垢之間的相關(guān)性，且為現(xiàn) 場維護團隊提供按照損失的能量、維修、保修聲明等來量化和分析葉片積垢的影響的方式。 而且，如所提到的，失速傳感器也可結(jié)合在渦輪控制器中，以檢測失速，且驅(qū)使渦輪脫離失 速狀態(tài)。雖然已經(jīng)關(guān)于本主題的特定的示例性實施例及其方法詳細描述了本主題，但是將 理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員在理解了前述內(nèi)容之后可容易地產(chǎn)生這樣的實施例的備選方案、改 變和等效方案。因此，本公開的范圍是作為實例而非作為限制的，且本主題公開不排除包括 將對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的對本主題的這樣的修改、改變和/或增加。
權(quán)利要求
一種風(fēng)力渦輪(10)，包括連接到轉(zhuǎn)子輪轂(16)上的渦輪葉片(12)，所述渦輪葉片包括低壓表面(24)和高壓表面(23)；在一定位置處構(gòu)造在所述低壓表面或所述高壓表面中的至少一個上以檢測失速狀態(tài)中所述相應(yīng)的壓力表面處的逆流的電失速傳感器(26)，所述失速傳感器進一步包括電源(44)；翼片(30)，所述翼片(30)相對于所述相應(yīng)的壓力表面樞軸地構(gòu)造，以便由所述相應(yīng)的壓力表面上的逆流使所述翼片(30)從第一位置朝第二位置運動；以及傳感器電路(32)，所述傳感器電路(32)響應(yīng)所述翼片在所述第一位置和所述第二位置之間的運動，且產(chǎn)生表明失速狀態(tài)的對應(yīng)的電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪(10)，其特征在于，所述失速傳感器(26)進一步包 括發(fā)射器(36)，且進一步包括與所述失速傳感器進行無線通信的遠程接收器(34)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪(10)，其特征在于，所述失速傳感器包括基座部件 (28)，所述翼片(30)樞軸地安裝到所述基座部件上，所述電源(44)和所述傳感器電路(32) 容納在所述基座部件中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪(10)，其特征在于，所述傳 感器電路(32)包括斷開電路(33)和構(gòu)造在所述翼片(30)上的觸頭(40)，其中，在所述翼 片從所述第一位置朝所述第二位置運動時所述觸頭和所述斷開電路之間的滑動電接觸產(chǎn) 生所述電信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪(10)，其特征在于，所述失 速傳感器(26)包括變換器，所述變換器產(chǎn)生作為所述翼片(30)的相對運動的函數(shù)的變化 的輸出參數(shù)，從而使得所述電信號提供所述相應(yīng)的壓力表面(23，24)上的逆流的幅度的定 量指示，并且其中，所述翼片朝向所述第一位置偏置，所述變換器包括測量所述翼片對逆流 的阻力的測壓元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪(10)，其特征在于，所述風(fēng)力渦輪(10)包括多個所 述渦輪葉片(12)，其中至少一個所述失速傳感器(26)構(gòu)造在所述渦輪葉片中的各個的相 應(yīng)的所述壓力表面(23，24)上。
7.一種用于檢測風(fēng)力渦輪葉片(12)的失速的方法，包括在一定位置處將電子失速傳 感器(26)安裝在渦輪葉片表面(23，24)上，以便使所述電子失速傳感器(26)暴露于葉片 的失速狀態(tài)中的逆流，所述失速傳感器構(gòu)造成以便在暴露于逆流時產(chǎn)生電信號；將所述電 信號從所述失速傳感器傳輸?shù)竭h程接收器(34)；以及為了失速的指示而監(jiān)測所述遠程接 收器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括利用所述失速傳感器(26) 檢測和傳輸失速的幅度的定量值。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8中的任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述接收器 (34)是用于風(fēng)力渦輪的控制系統(tǒng)(15，20)的構(gòu)件，所述方法進一步包括將來自所述失速傳 感器(26)的所述電信號作為用于所述控制系統(tǒng)的輸入變量直接輸入。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括將電子失速傳感器 (26)安裝在所述渦輪葉片(12)的低壓表面(24)和高壓表面(23)中的各個上，以便監(jiān)測所述渦輪葉片的低壓表面和高壓表面中的各個處的失速狀態(tài)
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有失速傳感器的風(fēng)力渦輪葉片和檢測葉片失速的方法。一種風(fēng)力渦輪包括在一定位置處構(gòu)造在至少一個渦輪葉片的壓力表面(23，24)上以在失速狀態(tài)中檢測逆流的電失速傳感器(26)。該失速傳感器包括翼片(30)，翼片(30)樞軸地構(gòu)造在相應(yīng)的壓力表面上，以便在失速狀態(tài)期間由壓力表面上的逆流使該翼片(30)從第一位置朝第二位置運動。傳感器電路(32)響應(yīng)翼片在第一位置和第二位置之間的運動，且產(chǎn)生表明失速狀態(tài)的對應(yīng)的電信號。
文檔編號F03D1/06GK101876294SQ201010175479
公開日2010年11月3日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者M·費希爾 申請人:通用電氣公司