本發(fā)明涉及用于估算在空氣或流體流中圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的葉片的表面情況的方法。此外，本發(fā)明涉及用于具有在空氣或流體流中圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的葉片的裝置的葉片表面情況測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

數(shù)百兆級(jí)別的現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)具有為了高效率而進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。維持高效率是風(fēng)力渦輪機(jī)工作的盈利性的關(guān)鍵所在，因?yàn)殡娏S商之間的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)將利潤(rùn)空間下降到百分之幾，并且可能被不經(jīng)意的觀察者所忽視的效率變化在損益表中實(shí)際上被強(qiáng)烈地感覺(jué)到。

用于每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的控制邏輯在總發(fā)電量中發(fā)揮大作用。對(duì)于效率的另一大影響因素來(lái)自于葉片的空氣動(dòng)力學(xué)?？諝鈩?dòng)力學(xué)影響葉片所產(chǎn)生的升力，因此影響動(dòng)力產(chǎn)生力，以及降低渦輪機(jī)的發(fā)電能力的阻力。

在工作過(guò)程中，葉片快速地移動(dòng)通過(guò)空氣，并且因此由于在葉片和空氣中的微粒(例如，鹽、灰塵)或昆蟲(chóng)之間的碰撞而導(dǎo)致灰塵或有機(jī)物質(zhì)在其表面上聚集。

葉片能以給定形狀批量生產(chǎn)，或者能在設(shè)計(jì)過(guò)程中定制以使得在給定地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最大化性能。在定制過(guò)程中，采用設(shè)計(jì)用于在給定地點(diǎn)的預(yù)期葉片表面狀態(tài)，諸如用于主要暴露至清潔空氣的地點(diǎn)的非常光滑葉片表面(沒(méi)有粗糙度)，或者具有一定特征的粗糙度，用于暴露至灰塵或經(jīng)常被昆蟲(chóng)撞擊的地點(diǎn)。

當(dāng)在工作過(guò)程中，葉片表面偏離在設(shè)計(jì)處理過(guò)程中假定的表面情況時(shí)，出現(xiàn)空氣動(dòng)力學(xué)效率的不利損失，因此出現(xiàn)發(fā)電量的不利損失。因此，期望在任何時(shí)候測(cè)量或者評(píng)估葉片的表面情況，以確定能量損失率，從而確定收益損失率?；谠撔畔ⅲ刹扇∽罴研Ｕ齽?dòng)作，諸如計(jì)劃在最佳可能時(shí)間進(jìn)行表面清潔維護(hù)(包括將發(fā)電損失的累計(jì)成本與計(jì)劃或非計(jì)劃的維護(hù)行為的成本進(jìn)行比較的決策)。

除了在葉片表面的材料積聚，由于與空氣中的微粒的有力碰撞的累積效應(yīng)，葉片的前邊緣在工作過(guò)程中可經(jīng)歷腐蝕。腐蝕是葉片表面情況惡化的極端例子，其特征在于表面材料的損失。

通過(guò)(a)采用控制策略以在葉片表面的當(dāng)前清潔/污臟狀態(tài)下最大化效率，如EP 2 818 698 A1所述，和(b)通過(guò)在最佳時(shí)間安排葉片清潔，以最小化在停機(jī)期間的發(fā)電量損失，渦輪機(jī)操作員可有利地使用葉片表面的清潔或污臟狀態(tài)的認(rèn)知。

因此，維護(hù)葉片的清潔表面情況是維護(hù)高風(fēng)力渦輪機(jī)效率的關(guān)鍵。當(dāng)前，通過(guò)簡(jiǎn)單地視覺(jué)檢查來(lái)評(píng)估葉片的表面情況，這通過(guò)地基人員或沿著葉片檢查的服務(wù)人員(較少)進(jìn)行。表面檢查非常少見(jiàn)，通常在選定的維護(hù)操作過(guò)程中進(jìn)行，從而使得在采取補(bǔ)救措施之前風(fēng)力渦輪機(jī)在污臟葉片的情況下長(zhǎng)時(shí)間工作。不幸的是，現(xiàn)在商業(yè)上沒(méi)有可用的產(chǎn)品或系統(tǒng)，用于連續(xù)地監(jiān)測(cè)葉片表面情況。因此高度期望有這樣的系統(tǒng)，用于評(píng)估連續(xù)工作的葉片的表面情況，且能提供對(duì)污臟等級(jí)的多種測(cè)量，使得能在風(fēng)力渦輪機(jī)控制邏輯中進(jìn)行定制，并且能對(duì)葉片清潔日程安排進(jìn)行最佳計(jì)劃以使收益損失最小。

具有多種產(chǎn)品來(lái)監(jiān)測(cè)葉片偏斜，以及葉片材料應(yīng)變。例如，國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室技術(shù)報(bào)告(National Renewable Energy Labs Technical Report)NREL/TP-500-39253(2006年1月)教導(dǎo)了一種光學(xué)系統(tǒng)，用于測(cè)量在選定的葉展位置的葉片偏斜，而WO 2008/020242 A2公開(kāi)了一種基于光學(xué)纖維的系統(tǒng)，其具有布拉格光柵，用于測(cè)量風(fēng)力渦輪機(jī)材料應(yīng)變，并且US 2011/0150649 A1教導(dǎo)了設(shè)置在葉片的外部的加速計(jì)的使用，以及從其信號(hào)獲得葉片偏斜的處理。這些系統(tǒng)在連續(xù)的基礎(chǔ)上執(zhí)行葉片變形測(cè)量，而不需要在所產(chǎn)生的信號(hào)的評(píng)估過(guò)程中的人工介入。

還高度期望具有用于評(píng)估葉片的表面情況的系統(tǒng)，其使用用于信號(hào)分析的無(wú)需工人介入的技術(shù)，從而能在連續(xù)、自動(dòng)的基礎(chǔ)上提供葉片表面情況的信號(hào)指示。

從該背景技術(shù)，本發(fā)明的目的是能估算在空氣或流體流中圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的葉片的表面情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

通過(guò)本發(fā)明的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的目的。此外，通過(guò)本發(fā)明的葉片表面情況測(cè)量系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的目的。

本發(fā)明涉及一種對(duì)在空氣或流體流中圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的葉片的表面情況進(jìn)行估算的方法，所述方法包括以下步驟：

-測(cè)量葉片變形以確定實(shí)際葉片負(fù)載，該葉片變形指示作用在所述葉片上的葉片負(fù)載，

-測(cè)量葉片狀態(tài)信息以確定給定葉片操作狀態(tài)，所述葉片狀態(tài)信息指示葉片操作狀態(tài)，

-提供清潔表面空氣動(dòng)力學(xué)圖，所述清潔表面空氣動(dòng)力學(xué)圖將葉片負(fù)載與當(dāng)所述葉片表面處于清潔狀態(tài)時(shí)的葉片操作狀態(tài)的全體相關(guān)聯(lián)，

-提供污臟表面空氣動(dòng)力學(xué)圖，所述污臟表面空氣動(dòng)力學(xué)圖將葉片負(fù)載與當(dāng)所述葉片表面處于污臟狀態(tài)時(shí)的葉片操作狀態(tài)的全體相關(guān)聯(lián)，

-通過(guò)將在所述給定操作狀態(tài)下所述實(shí)際葉片負(fù)載至由所述清潔表面空氣動(dòng)力學(xué)圖所給出的葉片負(fù)載的距離與在所述給定操作狀態(tài)下所述實(shí)際葉片負(fù)載至由所述污臟表面空氣動(dòng)力學(xué)圖所給出的葉片負(fù)載的距離進(jìn)行比較，估算所述葉片的表面情況。

優(yōu)選地，葉片在葉片軸線的方向上延伸，橫向于或基本橫向于所述旋轉(zhuǎn)軸線延伸。例如，所述旋轉(zhuǎn)軸線是主軸的旋轉(zhuǎn)軸線，具體地，因此所述旋轉(zhuǎn)軸線也可以稱為主軸軸線。優(yōu)選地，所述葉片連接到所述主軸。具體地，所述葉片圍繞葉片軸線可旋轉(zhuǎn)。例如，所述葉片能?chē)@葉片軸線相對(duì)于主軸旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，葉片連接到圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子或形成該轉(zhuǎn)子的一部分。具體地，所述旋轉(zhuǎn)軸線可因此也被稱為轉(zhuǎn)子軸線。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)子剛性地連接到主軸。有利地，轉(zhuǎn)子包括轂，葉片連接到該轂。例如，葉片剛性地連接到轂。優(yōu)選地，葉片可圍繞葉片軸線相對(duì)于該轂旋轉(zhuǎn)。具體地，葉片圍繞在所述轂上的葉片軸線可旋轉(zhuǎn)地安裝(例如，通過(guò)變槳軸承)。優(yōu)選地，葉片從所述轂沿葉片軸線的方向延伸。具體地，該轂剛性地連接到主軸。

有利地，該葉片是機(jī)械零件。具體地，該葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)或水力發(fā)電機(jī)的葉片。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)子是機(jī)械零件。具體地，該轉(zhuǎn)子是風(fēng)力發(fā)電機(jī)或水力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。有利地，該主軸是風(fēng)力發(fā)電機(jī)或水力發(fā)電機(jī)的主軸。具體地，風(fēng)力發(fā)電機(jī)也可被稱為風(fēng)力渦輪機(jī)。

優(yōu)選地，所述葉片狀態(tài)信息包括葉片方位角和/或葉片旋轉(zhuǎn)速度和/或空氣或流體密度和/或和空氣或流體速度。

具體而言，所述葉片狀態(tài)信息還包括葉片俯仰角。優(yōu)選地，該葉片旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度(轉(zhuǎn)子速度)相同。具體地，葉片旋轉(zhuǎn)速度因此也可被稱為轉(zhuǎn)子速度。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，葉片變形指示關(guān)于由葉片幾何形狀所限定的不同葉片方向的葉片力矩。優(yōu)選地，葉片幾何形狀限定葉片擺振方向和葉片揮舞方向，所述葉片負(fù)載被分成沿著或關(guān)于所述葉片擺振方向作用的擺振葉片負(fù)載，和沿著或關(guān)于所述葉片揮舞方向作用的揮舞葉片負(fù)載。具體地，各距離由涉及擺振葉片負(fù)載的擺振距離和涉及揮舞葉片負(fù)載的揮舞距離組成。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，葉片變形指示葉片根部應(yīng)變和/或在選擇的葉展位置的葉片偏斜。具體地，葉片變形指示葉片負(fù)載，包括在揮舞方向和在擺振方向的葉片負(fù)載，并且更優(yōu)選地包括扭轉(zhuǎn)負(fù)載。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，所述操作狀態(tài)由動(dòng)態(tài)壓力和代表性葉片迎角限定，所述動(dòng)態(tài)壓力和所述代表性葉片迎角從所述葉片狀態(tài)信息得到。

優(yōu)選地，從所述實(shí)際葉片負(fù)載去除重力和向心加速度對(duì)所述實(shí)際葉片負(fù)載的貢獻(xiàn)，以確定實(shí)際單純?nèi)~片負(fù)載。具體地，計(jì)算重力和向心加速度對(duì)所述實(shí)際葉片負(fù)載的貢獻(xiàn)，并且通過(guò)從所述實(shí)際葉片負(fù)載減去該貢獻(xiàn)而確定實(shí)際單純?nèi)~片負(fù)載。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，所述清潔空氣動(dòng)力學(xué)圖和所述污臟空氣動(dòng)力學(xué)圖利用單純?nèi)~片負(fù)載進(jìn)行表達(dá)，并且基于所述單純?nèi)~片負(fù)載估算所述葉片的表面情況。

優(yōu)選地，利用所述動(dòng)態(tài)壓力對(duì)所述實(shí)際單純?nèi)~片負(fù)載進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以確定實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載，利用標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載對(duì)所述清潔空氣動(dòng)力學(xué)圖和所述污臟空氣動(dòng)力學(xué)圖進(jìn)行表達(dá)，并且基于標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載估算所述葉片的表面情況。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，通過(guò)使用所述葉片的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和/或數(shù)學(xué)模型來(lái)創(chuàng)建(或建立或生成或構(gòu)建)各圖。具體地，各圖包括表格和/或數(shù)學(xué)函數(shù)。優(yōu)選地，各圖是預(yù)定圖。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，方法還包括以下步驟：

-提供參考葉片，

-當(dāng)所述參考葉片表面處于清潔狀態(tài)時(shí)創(chuàng)建用于所述參考葉片的清潔表面空氣動(dòng)力學(xué)圖，

-當(dāng)所述參考葉片表面處于污臟狀態(tài)時(shí)創(chuàng)建用于所述參考葉片的污臟表面空氣動(dòng)力學(xué)圖。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，方法還包括以下步驟：

-產(chǎn)生指示所估算的葉片表面情況的信號(hào)。

本發(fā)明此外涉及一種葉片表面情況測(cè)量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于具有在空氣或流體流中圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的葉片的裝置，所述系統(tǒng)包括：

-用于測(cè)量葉片變形的葉片變形傳感裝置，該葉片變形指示作用在所述葉片上的葉片負(fù)載，所述葉片變形傳感裝置產(chǎn)生指示實(shí)際葉片負(fù)載的信號(hào)，

-葉片狀態(tài)傳感裝置，用于測(cè)量指示葉片操作狀態(tài)的葉片狀態(tài)信息，所述葉片狀態(tài)傳感裝置產(chǎn)生指示所述葉片狀態(tài)信息的葉片狀態(tài)信號(hào)，

-第一計(jì)算單元，用于確定給定葉片操作狀態(tài)，所述第一計(jì)算單元接收所述葉片狀態(tài)信號(hào)，并且產(chǎn)生指示所述給定葉片操作狀態(tài)的信號(hào)，

-主計(jì)算單元，用于估算所述葉片的表面情況，所述主計(jì)算單元接收指示所述實(shí)際葉片負(fù)載和所述給定葉片操作狀態(tài)的信號(hào)，所述主計(jì)算單元還能訪問(wèn)

-清潔表面空氣動(dòng)力學(xué)圖，所述清潔表面空氣動(dòng)力學(xué)圖將葉片負(fù)載與當(dāng)所述葉片表面處于清潔狀態(tài)時(shí)的葉片操作狀態(tài)的全體相關(guān)聯(lián)，和

-污臟表面空氣動(dòng)力學(xué)圖，所述污臟表面空氣動(dòng)力學(xué)圖將葉片負(fù)載與當(dāng)所述葉片表面處于污臟狀態(tài)時(shí)的葉片操作狀態(tài)的全體相關(guān)聯(lián)，

-所述主計(jì)算單元通過(guò)將在所述給定操作狀態(tài)下所述實(shí)際葉片負(fù)載至由所述清潔表面空氣動(dòng)力學(xué)圖所給出的葉片負(fù)載的距離與在所述給定操作狀態(tài)下所述實(shí)際葉片負(fù)載至由所述污臟表面空氣動(dòng)力學(xué)圖所給出的葉片負(fù)載的距離進(jìn)行比較，估算所述葉片的表面情況，

-所述主計(jì)算單元產(chǎn)生指示所估算的葉片表面情況的信號(hào)。

優(yōu)選地，所述方法通過(guò)葉片表面情況測(cè)量系統(tǒng)來(lái)實(shí)施或執(zhí)行，和/或所述葉片表面情況測(cè)量系統(tǒng)用來(lái)實(shí)施或執(zhí)行該方法。具體地，可根據(jù)結(jié)合所述方法討論的所有變形來(lái)開(kāi)發(fā)該葉片表面情況測(cè)量系統(tǒng)，和/或可根據(jù)結(jié)合所述葉片表面情況測(cè)量系統(tǒng)討論的全部變形來(lái)可發(fā)所述方法。

優(yōu)選地，葉片在葉片軸線的方向上延伸，橫向于或基本橫向于所述旋轉(zhuǎn)軸線延伸。例如，所述旋轉(zhuǎn)軸線是主軸的旋轉(zhuǎn)軸線，具體地，因此所述旋轉(zhuǎn)軸線也可以稱為主軸軸線。優(yōu)選地，所述葉片連接到所述主軸。具體地，所述葉片圍繞葉片軸線可旋轉(zhuǎn)。例如，所述葉片能?chē)@葉片軸線相對(duì)于主軸旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，葉片連接到圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子或形成該轉(zhuǎn)子的一部分。具體地，所述旋轉(zhuǎn)軸線可因此也被稱為轉(zhuǎn)子軸線。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)子剛性地連接到主軸。有利地，轉(zhuǎn)子包括轂，葉片連接到該轂。例如，葉片剛性地連接到轂。優(yōu)選地，葉片可圍繞葉片軸線相對(duì)于該轂旋轉(zhuǎn)。具體地，葉片圍繞在所述轂上的葉片軸線可旋轉(zhuǎn)地安裝(例如，通過(guò)變槳軸承)。優(yōu)選地，葉片從所述轂沿葉片軸線的方向延伸。具體地，該轂剛性地連接到主軸。

有利地，該裝置是機(jī)械或機(jī)械部件或形成機(jī)械或機(jī)械部件。例如，該機(jī)械是風(fēng)力發(fā)電機(jī)或水力發(fā)電機(jī)。具體地，該機(jī)械包括轉(zhuǎn)子。優(yōu)選地，該機(jī)械部件是風(fēng)力發(fā)電機(jī)或水力發(fā)電機(jī)的一部分。有利地，機(jī)械件是轉(zhuǎn)子或包括轉(zhuǎn)子。具體地，風(fēng)力發(fā)電機(jī)也可被稱為風(fēng)力渦輪機(jī)。

優(yōu)選地，所述葉片狀態(tài)信息包括葉片方位角和/或葉片旋轉(zhuǎn)速度和/或空氣或流體密度和/或和空氣或流體速度。具體而言，所述葉片狀態(tài)信息還包括葉片俯仰角。優(yōu)選地，該葉片旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度(轉(zhuǎn)子速度)相同。具體地，葉片旋轉(zhuǎn)速度因此也可被稱為轉(zhuǎn)子速度。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，葉片狀態(tài)傳感裝置包括至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)速度傳感器或旋轉(zhuǎn)編碼器(例如轉(zhuǎn)子編碼器)和/或至少一個(gè)空氣或流體密度傳感器和/或至少一個(gè)空氣或流體速度傳感器(例如風(fēng)速計(jì))和/或至少一個(gè)葉片俯仰傳感器或葉片俯仰測(cè)量單元。優(yōu)選地，通過(guò)旋轉(zhuǎn)速度傳感器或旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)測(cè)量葉片方位角和/或葉片旋轉(zhuǎn)速度。具體地，通過(guò)空氣或流體密度傳感器來(lái)測(cè)量空氣或流體密度。優(yōu)選地，通過(guò)空氣或流體速度傳感器來(lái)測(cè)量空氣或流體速度。具體地，通過(guò)葉片俯仰傳感器或葉片俯仰測(cè)量單元來(lái)測(cè)量葉片俯仰角。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，由葉片變形傳感裝置所測(cè)量的葉片變形指示關(guān)于由葉片幾何形狀所限定的不同葉片方向的葉片力矩。優(yōu)選地，葉片幾何形狀限定葉片擺振方向和葉片揮舞方向，所述葉片負(fù)載被分成沿著或關(guān)于所述葉片擺振方向作用的擺振葉片負(fù)載，和沿著或關(guān)于所述葉片揮舞方向作用的揮舞葉片負(fù)載。具體地，各距離由涉及擺振葉片負(fù)載的擺振距離和涉及揮舞葉片負(fù)載的揮舞距離組成。優(yōu)選地，葉片幾何形狀被設(shè)計(jì)成以最小阻力而產(chǎn)生最大升力。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，由葉片變形傳感裝置產(chǎn)生的信號(hào)指示葉片根部應(yīng)變和/或在選擇的葉展位置的葉片偏斜。具體地，由葉片變形傳感裝置產(chǎn)生的信號(hào)指示葉片負(fù)載，包括在揮舞方向和在擺振方向的葉片負(fù)載，并且更優(yōu)選地包括扭轉(zhuǎn)負(fù)載。優(yōu)選地，由葉片變形傳感裝置產(chǎn)生的信號(hào)也可被稱為葉片變形信號(hào)或葉片信號(hào)。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，葉片變形傳感裝置包括至少一個(gè)葉片應(yīng)變傳感器和/或至少一個(gè)葉片偏斜傳感器。具體地，葉片變形傳感裝置包括用于由葉片幾何形狀所限定的各葉片方向的至少一個(gè)葉片應(yīng)變傳感器和/或至少一個(gè)葉片偏斜傳感器。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，所述操作狀態(tài)由動(dòng)態(tài)壓力和代表性葉片迎角限定，由所述第一計(jì)算單元所產(chǎn)生的信號(hào)指示所述動(dòng)態(tài)壓力和所述代表性葉片迎角。

優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括第二計(jì)算單元，第二計(jì)算單元用于計(jì)算重力和向心加速度對(duì)所述實(shí)際葉片負(fù)載的貢獻(xiàn)。具體地，所述系統(tǒng)此外還包括第三計(jì)算單元，第三計(jì)算單元用于從所述實(shí)際葉片負(fù)載減去或去除該貢獻(xiàn)，以產(chǎn)生實(shí)際單純?nèi)~片負(fù)載。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，所述主計(jì)算單元接收所述實(shí)際單純?nèi)~片負(fù)載，其中利用單純?nèi)~片負(fù)載對(duì)清潔空氣動(dòng)力學(xué)圖和污臟空氣動(dòng)力學(xué)圖進(jìn)行表達(dá)，并且所述主計(jì)算單元基于所述單純?nèi)~片負(fù)載估算所述葉片的表面情況。

優(yōu)選地，系統(tǒng)還包括第四計(jì)算單元，用于通過(guò)將所述實(shí)際單純?nèi)~片負(fù)載除以所述動(dòng)態(tài)壓力而產(chǎn)生實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載。具體地，所述主計(jì)算單元接收所述實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載，其中利用標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載對(duì)清潔空氣動(dòng)力學(xué)圖和污臟空氣動(dòng)力學(xué)圖進(jìn)行表達(dá)，并且所述主計(jì)算單元基于所述標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載估算所述葉片的表面情況。

附圖說(shuō)明

在下文中借助于優(yōu)選實(shí)施例且參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中：

圖1示出了具有轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)，

圖2示出了風(fēng)力渦輪機(jī)和轉(zhuǎn)子葉片的選擇部件，以及連接到一個(gè)葉片的葉片坐標(biāo)系，

圖3示出了對(duì)于具有清潔和污臟表面情況的葉片的標(biāo)準(zhǔn)化揮舞和擺振葉片負(fù)載對(duì)代表性葉片迎角的示例性變化。

圖4示出了本發(fā)明的實(shí)施例的部件，以及所測(cè)量和計(jì)算的信號(hào)的相關(guān)流動(dòng)，以及

圖5示出了對(duì)于具有清潔和污臟表面情況的葉片的性能系數(shù)對(duì)末端速率的例子。

具體實(shí)施方式

部分1：幾何形狀和術(shù)語(yǔ)

參考圖1和圖2，風(fēng)力渦輪機(jī)由塔30、連接到塔30的機(jī)艙20，以及可旋轉(zhuǎn)地連接到機(jī)艙，圍繞旋轉(zhuǎn)軸線40旋轉(zhuǎn)的主軸41，連接到主軸41的轂50，和連接到轂50的兩個(gè)或更多個(gè)葉片100組成。

每個(gè)葉片100在葉片根部連接到轂50，并且直接連接到轂，或者連接到變槳軸承(pitch bearing)52，該變槳軸承將葉片根部連接到轂50，并且允許葉片根部相對(duì)于轂50的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。葉片根部和軸承52(或在沒(méi)有軸承的情況下的轂凸緣)位于共同的平面中，該平面我們指示為葉片根部平面53。與葉片根部平面53相垂直的軸線限定葉片軸線106。此外，在轂50和葉片100圍繞主軸旋轉(zhuǎn)軸線40旋轉(zhuǎn)(如方向箭頭190所指示)時(shí)，葉片末端55的軌跡沿著在空間中的假想圓，其限定轉(zhuǎn)子平面，具有轉(zhuǎn)子平面法線方向。

如本領(lǐng)域中所公知，俯仰角(pitch angle)是在接近于葉片末端的某一外部位置(例如，在75％葉展位置)處的葉片外形的弦線(cord-line)和轉(zhuǎn)子平面之間的角度。當(dāng)葉片渦輪機(jī)以最大空氣動(dòng)力學(xué)效率工作，從而來(lái)自沖擊風(fēng)(impinging wind)的最大動(dòng)能被提取時(shí)，葉片具有相對(duì)于轂50關(guān)于葉片軸線106，以及相對(duì)于轉(zhuǎn)子平面的最佳旋轉(zhuǎn)定向。該最佳旋轉(zhuǎn)定向限定“零俯仰角”定向。典型地，“零俯仰角”定向的值是零或者接近于零的值。

當(dāng)變槳軸承52允許葉片關(guān)于葉片軸線106旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片俯仰角是可變的，并且在工作過(guò)程中被指揮以控制從風(fēng)提取的能量的量。具體而言，當(dāng)渦輪機(jī)以最大空氣動(dòng)力學(xué)效率工作時(shí)，具有額定風(fēng)速，在該額定風(fēng)速?gòu)娘L(fēng)提取的能量與能由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的最大能量相匹配。高于該額定風(fēng)速，俯仰(pitching)被致動(dòng)，以減小空氣空力學(xué)效率，并且僅提取與發(fā)電機(jī)能處理的一樣多的能量。

葉片俯仰軸線106和“零俯仰角”定向限定葉片坐標(biāo)系，其由{b₁,b₂,b₃}表示并且在圖2中示出，其中b₃方向沿著葉片軸線106，當(dāng)葉片處于“零俯仰角”定向時(shí)，b₁平行于轉(zhuǎn)子平面法線方向，且b₂完成右手坐標(biāo)系。葉片坐標(biāo)系{b₁,b₂,b₃}固定至葉片，并且當(dāng)葉片俯仰時(shí)隨著葉片旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)風(fēng)速高于零時(shí)，作用在葉片表面上的空氣動(dòng)力的總和產(chǎn)生葉片負(fù)載，包括關(guān)于b_i(i＝1,2,3)方向中的每個(gè)的葉片根部力矩。具體而言，關(guān)于b₁軸線的葉片負(fù)載這里被稱為“擺振(edgewise)葉片負(fù)載”，關(guān)于b₂軸線的葉片負(fù)載這里被稱為“揮舞(flapwise)葉片負(fù)載”，并且關(guān)于b₃軸線的葉片負(fù)載這里被稱為“扭轉(zhuǎn)葉片負(fù)載”。

這里，“污臟”葉片表面情況被定義成指葉片表面情況從預(yù)選葉片表面情況的任何變化，預(yù)選葉片優(yōu)選地代表與最佳的或“按設(shè)計(jì)和預(yù)期的”葉片表面情況相對(duì)應(yīng)的葉片表面情況。若干種葉片表面變化引起污臟葉片表面情況。第一種變化是無(wú)機(jī)物質(zhì)(諸如灰塵或冰)，或者有機(jī)物質(zhì)(諸如昆蟲(chóng))在葉片表面上的積聚，導(dǎo)致增加表面粗糙度，伴隨著動(dòng)力動(dòng)力學(xué)性能的退化。第二種變化是表面安裝的空氣動(dòng)力學(xué)附屬物的損失，其被設(shè)計(jì)成改進(jìn)葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能?？諝鈩?dòng)力學(xué)附屬物的例子包括表面狀的漩渦發(fā)生器。第三種變化是通過(guò)表面腐蝕過(guò)程的表面材料的損失。

當(dāng)這些表面安裝的附屬物從表面被去除(諸如由于外物對(duì)葉片的沖擊)時(shí)，附屬物的有利的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)丟失。因此，葉片保持在改變表面情況，其與初始設(shè)計(jì)相比提供較差的空氣動(dòng)力學(xué)性能。改變表面情況包括在我們所定義的“污臟”葉片表面中。

此外，這里所使用的術(shù)語(yǔ)“葉片負(fù)載”明確地旨在涵蓋其它等價(jià)葉片工程量，其與葉片負(fù)載相關(guān)，但是使用與用于負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)工程單位(即，牛頓)不同的物理單位。其它等價(jià)工程量的實(shí)例包括以百分比測(cè)量的葉片材料應(yīng)變，以米測(cè)量的在選定葉展位置的葉片偏斜，以牛頓-米測(cè)量的葉片根部力矩。

部分2：系統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)圖

在任何給定瞬間，葉片處于給定的操作狀態(tài)。給定操作狀態(tài)由代表性的葉片迎角α和“動(dòng)態(tài)壓力”Q限定。這些量由空氣密度、在轉(zhuǎn)子處的估算風(fēng)速、和渦輪機(jī)集合狀態(tài)(葉片旋轉(zhuǎn)速度、俯仰角)而得到，如下文中進(jìn)一步所述。

對(duì)于具有給定表面情況的給定葉片幾何形狀，構(gòu)建或創(chuàng)建空氣動(dòng)力學(xué)圖(這里用符號(hào)M表示)。空氣動(dòng)力學(xué)圖M由在作為自變量的葉片操作狀態(tài)、作為因變量的葉片負(fù)載之間的表格形式或函數(shù)形式的關(guān)聯(lián)或關(guān)系構(gòu)成，葉片負(fù)載從葉片變形信號(hào)或測(cè)量的葉片變形得到。

基本有兩種方法來(lái)構(gòu)建或創(chuàng)建空氣動(dòng)力學(xué)圖。第一種方法使用葉片的數(shù)學(xué)模型來(lái)形成該圖。數(shù)學(xué)模型通常在數(shù)值上解決，并且葉片空氣動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬是本領(lǐng)域中公知的處理。在該處理中，可基于風(fēng)洞測(cè)量來(lái)對(duì)葉片表面情況(例如，清潔或污臟)的效果進(jìn)行建模，其中使用良好定義的表面粗糙度。數(shù)學(xué)建模的主要優(yōu)點(diǎn)是在模擬中所使用的風(fēng)場(chǎng)的認(rèn)知和控制，而主要缺點(diǎn)在于計(jì)算的葉片變形受制于建模近似，因此可在一定程度上不精確。

構(gòu)建或創(chuàng)建空氣動(dòng)力學(xué)圖的第二種方法使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)提供在實(shí)際渦輪機(jī)上的測(cè)量的葉片變形。渦輪機(jī)以特定方式工作，以基于直接測(cè)量的值來(lái)產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)圖。如下所述，用于產(chǎn)生所需的表格數(shù)值的一種可能方法是讓渦輪機(jī)以選定速度空轉(zhuǎn)，同時(shí)同步測(cè)量轉(zhuǎn)子速度和風(fēng)速。空轉(zhuǎn)渦輪機(jī)的特征在于旋轉(zhuǎn)葉輪的同步電力提取最小。由于最小電力提取，轉(zhuǎn)子所感應(yīng)的速度基本為零，并且因此渦輪機(jī)安裝的風(fēng)速計(jì)提供在轉(zhuǎn)子平面的風(fēng)速的真實(shí)值(當(dāng)風(fēng)速計(jì)在經(jīng)過(guò)的葉片之外)。在空轉(zhuǎn)期間的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)被選擇為在額定風(fēng)速之下，渦輪機(jī)的最大旋轉(zhuǎn)速度的至少四分之一，且優(yōu)選地至少一半。為了實(shí)現(xiàn)期望的空轉(zhuǎn)速度，一個(gè)葉片被選擇為產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)升力，并且被用作測(cè)量，而其他葉片被俯仰以提供足夠的阻力，以在期望的速度下使轉(zhuǎn)子平衡。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹饕獌?yōu)點(diǎn)是葉片變形數(shù)據(jù)的精度，而主要缺點(diǎn)是對(duì)轉(zhuǎn)子平面的風(fēng)速的估算。

為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，我們提出了使用葉片負(fù)載作為因變量的優(yōu)選實(shí)施例的空氣動(dòng)力學(xué)圖的構(gòu)建，然而對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，可使用指示葉片負(fù)載的其它葉片信號(hào)來(lái)構(gòu)建空氣動(dòng)力學(xué)負(fù)載，諸如在選擇的葉展位置的葉片位移，和在選擇的葉片位置的材料應(yīng)變。

在空氣動(dòng)力學(xué)圖中的獨(dú)立和相依的量從原始測(cè)量信號(hào)獲得。原始測(cè)量信號(hào)在不同的風(fēng)力渦輪機(jī)操作條件，因此在不同的時(shí)刻測(cè)量，并且這里我們?cè)谝粋€(gè)特定時(shí)刻獲得的測(cè)量值用下表“i”表示?？諝鈩?dòng)力學(xué)圖的構(gòu)建是五步處理(步驟m1-m5)，如下所示：

步驟m1：

在每個(gè)測(cè)量時(shí)刻“i”，對(duì)于每個(gè)葉片進(jìn)行以下測(cè)量：

轉(zhuǎn)子速度(葉片旋轉(zhuǎn)速度)，Ω_i(rad/sec)

葉片方位角，Ψ_i(rad)

葉片俯仰角，β_i(rad)

空氣密度，ρ_i(kg/m³)

在風(fēng)力渦輪機(jī)處或附近的風(fēng)速的測(cè)量值，V_i(m/s)，其用于構(gòu)建自變量，和

在方向b₁的葉片信號(hào){P_i}，和

在方向b₂的葉片信號(hào){R_i}

并且優(yōu)選地也包括

在方向b₃的葉片信號(hào){T_i}

其用于構(gòu)建因變量。葉片信號(hào)P_i、R_i和T_i是至少葉片變形的指示，并且可以是葉片應(yīng)變，更優(yōu)選地在選定葉展位置的葉片位移，并且更優(yōu)選地葉片根部力矩。如上所述，我們將術(shù)語(yǔ)限于“葉片負(fù)載”，而不會(huì)損失普遍性。

步驟m2：

從葉片負(fù)載中去除重力和向心力分量。在第一實(shí)施例中，在每個(gè)測(cè)量時(shí)刻“i”進(jìn)行該去除。在第二實(shí)施例中，在時(shí)刻“i”去除葉片負(fù)載由于重力和向心加速度的恒定分量，并且之后通過(guò)在一個(gè)完整轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中對(duì)葉片負(fù)載進(jìn)行平均，而去除剩余的周期性分量(變量Ψ)。

在第一實(shí)施例中，通過(guò)第一計(jì)算而進(jìn)行由于重力和向心加速度的葉片負(fù)載的去除，其使用數(shù)學(xué)模型，僅由于重力作用和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的葉片負(fù)載(這些葉片負(fù)載在這里通過(guò)下標(biāo)G表示)，并且然后從測(cè)量值減去該計(jì)算所得的就葉片負(fù)載，以得到單純的葉片負(fù)載：

使用瞬時(shí)風(fēng)力渦輪機(jī)幾何狀態(tài)(通過(guò)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度Ω_i、葉片方位角Ψ_i、葉片俯仰角β_i、風(fēng)力渦輪機(jī)的軸傾角、葉片錐角、和葉片幾何形狀，包括葉片質(zhì)量分布和葉片形狀來(lái)描述)來(lái)進(jìn)行由于重力和向心加速度的葉片負(fù)載的計(jì)算。優(yōu)選地，在時(shí)刻“i”的瞬時(shí)葉片形狀用于的計(jì)算。具體地，當(dāng)葉片測(cè)量系統(tǒng)提供在選定葉展位置的葉片偏斜的測(cè)量值時(shí)，從這些偏斜值能估算瞬時(shí)葉片形狀。當(dāng)沒(méi)有直接測(cè)量葉片偏斜時(shí)，可以使用數(shù)學(xué)模型來(lái)估算葉片偏斜值，其中從估算的風(fēng)速U_i和測(cè)量的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度Ω_i來(lái)計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)負(fù)載。

在第二實(shí)施例中，在每個(gè)時(shí)刻“i”去除葉片負(fù)載由于重力和向心加速度的恒定分量，并且在第二步驟中通過(guò)在一個(gè)完整轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中對(duì)葉片負(fù)載進(jìn)行平均，而去除隨著葉片方位角Ψ_i變化的剩余周期性分量。該平均處理在下文中的部分“步驟m4”中描述。葉片負(fù)載的恒定分量是由于主軸傾角、葉片錐角、離心力，但是獨(dú)立于葉片方位角Ψ_i。葉片負(fù)載的這些恒定分量可使用渦輪機(jī)的數(shù)學(xué)模型(包括葉片幾何形狀和質(zhì)量分布)來(lái)計(jì)算，并且可通過(guò)包括在時(shí)刻“i”的負(fù)載下的葉片瞬時(shí)葉片變形的估算值而做到最精確?？蓮脑谔囟ㄈ~展位置的葉片偏斜的測(cè)量值來(lái)估算瞬時(shí)葉片變形，或者可選地，通過(guò)結(jié)合葉片結(jié)構(gòu)屬性的描述的數(shù)學(xué)模型來(lái)估算瞬時(shí)葉片變形，其中從估算的風(fēng)速U_i和測(cè)量的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度Ω_i來(lái)計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)負(fù)載。

在第三實(shí)施例中，通過(guò)在特定葉片方位角的葉片負(fù)載的有條件采樣而進(jìn)行由于重力和向心加速度的葉片負(fù)載的變化的去除。有條件采樣意味著以下步驟：監(jiān)測(cè)葉片方位角，并且當(dāng)葉片方位角處于特定葉片方位角附近的窄定義區(qū)間內(nèi)(諸如零度的特定葉片方位角，區(qū)間從359度至1度)時(shí)，觸發(fā)葉片負(fù)載測(cè)量。更加優(yōu)選地，特定葉片方位角對(duì)應(yīng)于葉片位置，在該葉片位置由于重力產(chǎn)生的負(fù)載在葉片彎曲方向最小，并且在葉片軸向上最大，諸如當(dāng)葉片被豎直定位時(shí)。在該位置，作用在葉片上的重力負(fù)載的效果導(dǎo)致在揮舞和擺振方向上的葉片位移最小。

基于葉片方位角的有條件采樣的處理強(qiáng)化了重力對(duì)于葉片負(fù)載的貢獻(xiàn)總是基本相同。因此，有條件采樣處理去除了由于重力的葉片負(fù)載變化。有條件采樣可被擴(kuò)展至兩個(gè)或更多個(gè)方位角，諸如葉片豎直向上位置和葉片豎直向下位置，從而取這兩個(gè)方位角處的葉片負(fù)載的總和。

步驟m3：

計(jì)算代表性的葉片迎角α_i和“動(dòng)態(tài)壓力”Q_i。代表性的葉片迎角如下定義：

其中r是葉片半徑，U_i是估算的在轉(zhuǎn)子平面的風(fēng)速(定義為當(dāng)風(fēng)作用在轉(zhuǎn)子平面上時(shí)為正)，并且俯仰角β_i在朝向完全順槳位置時(shí)為正，這符合在風(fēng)能行業(yè)中使用的標(biāo)準(zhǔn)定義。形容詞“代表性”在該術(shù)語(yǔ)中使用，這是由于葉片的每個(gè)葉展部分的局部迎角根據(jù)局部風(fēng)速而變化，并且局部葉片扭轉(zhuǎn)角由葉片自身的幾何形狀給定。由公式(4)給出的α的值提供了整個(gè)葉片的代表性迎角，結(jié)合了沿著葉片的葉展的全部局部迎角的效果總和。優(yōu)選地，在葉片的完全順槳位置的俯仰角的值為90度或者接近90度的值。

U_i的值很少直接測(cè)量，且必須從其它數(shù)據(jù)推出。能從其確定U_i的可能信息源例如包括連接到機(jī)艙20的外部的杯基(cup-based)或超聲風(fēng)速計(jì)10、或者位于轉(zhuǎn)子平面的前方或后方的超聲風(fēng)速計(jì)，安裝在渦輪機(jī)上的遠(yuǎn)程風(fēng)檢測(cè)系統(tǒng)(例如，LIDAR)，或基于葉片變形的單元，如WO 2011/051194 A1中所述。

杯基或超聲風(fēng)速計(jì)10信號(hào)Vi可用作對(duì)U_i的緊密近似，如果考慮了阻擋或更改效應(yīng)(諸如被葉片風(fēng)阻擋)和機(jī)艙的流動(dòng)畸變效應(yīng)。通常，風(fēng)力渦輪機(jī)制造商提供了對(duì)這些阻擋或更改效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)移函數(shù)，從而這些轉(zhuǎn)移函數(shù)采用原始風(fēng)速計(jì)信號(hào)V_i作為輸入，并且返回遠(yuǎn)在渦輪機(jī)前方的風(fēng)速的估值U_∞(V_i)。本領(lǐng)域技術(shù)人員然后能估算轉(zhuǎn)子誘導(dǎo)速度U_ind的量級(jí)，并且從而使用下式獲得在轉(zhuǎn)子平面的風(fēng)速

U_i＝U_∞(V_i)-U_ind

當(dāng)渦輪機(jī)處于最大空氣動(dòng)力學(xué)效率時(shí)，誘導(dǎo)速度的良好估算是自由流速度的1/3，從而估算的U_i＝0.66U_∞(V_i)。簡(jiǎn)單的估算是將誘導(dǎo)速度作為自由流速度的1/3。

這里“動(dòng)態(tài)壓力”被定義為經(jīng)典動(dòng)態(tài)壓力乘以葉片半徑r的三次方

并且具有單位Nm，因此在葉片負(fù)載被選為葉片根部力矩時(shí)等于葉片負(fù)載的單位，盡管與葉片信號(hào)的維量單位的嚴(yán)格等價(jià)不是必須的。例如，與葉片半徑的三次方的相乘是可以忽略的，導(dǎo)致單位是帕斯卡而不是牛頓-米。

代表性葉片迎角α和動(dòng)態(tài)壓力Q的組合限定葉片操作狀態(tài)。

單純的葉片負(fù)載采用“動(dòng)態(tài)壓力”被標(biāo)準(zhǔn)化，并且在一個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)上被平均，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)化的單純?nèi)~片負(fù)載

其中c是葉片的最大弦。平均處理由于下文中的原因而被引入。

與其中風(fēng)速是完全已知且可測(cè)量的計(jì)算機(jī)模擬相對(duì)比，在實(shí)際風(fēng)力渦輪機(jī)操作過(guò)程中，在轉(zhuǎn)子平面的實(shí)際風(fēng)速U_i通常沒(méi)有被測(cè)量且需要被估算。杯基或超聲波類(lèi)型的風(fēng)速計(jì)10是在基本全部商用風(fēng)力渦輪機(jī)中能找到的標(biāo)準(zhǔn)裝置，因此是從其對(duì)在轉(zhuǎn)子處的平均風(fēng)速U_i進(jìn)行估算的方便信息來(lái)源。不幸的是，杯基或超聲波風(fēng)速計(jì)10測(cè)量在空間中的單個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速，而不是在整個(gè)轉(zhuǎn)子掃掠區(qū)域上的風(fēng)速，因此其報(bào)告的風(fēng)速值沒(méi)有包含在轉(zhuǎn)子掃掠區(qū)域上的風(fēng)速和風(fēng)向的空間變化的信息。諸如豎直風(fēng)切、水平風(fēng)切、和風(fēng)轉(zhuǎn)向的風(fēng)場(chǎng)梯度效應(yīng)被排除在風(fēng)速計(jì)信號(hào)之外，然而這些被排除的風(fēng)效應(yīng)確實(shí)影響沿著葉片的瞬時(shí)迎角。

由于轉(zhuǎn)子葉片在該復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)的事實(shí)，由于風(fēng)場(chǎng)梯度效應(yīng)引起的在葉片上的迎角變化基本隨著葉片方位角Ψ而周期性變化。然后，在轉(zhuǎn)子處的估算風(fēng)速U_i可以被認(rèn)為是來(lái)自風(fēng)速計(jì)10的信號(hào)(如本領(lǐng)域中所公知，在使用風(fēng)速計(jì)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移函數(shù)之后)，只要葉片負(fù)載在一個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)上被平均以產(chǎn)生平均的標(biāo)準(zhǔn)化葉片負(fù)載。應(yīng)理解，如果需要，在上述方程中的積分運(yùn)算可被替代為等價(jià)的離散求和。平均處理基本將葉片信號(hào)由于風(fēng)場(chǎng)梯度的周期性分量，以及由于重力的力矩周期性分量去除。

步驟m5：

通過(guò)將包括作為獨(dú)立變量的代表性葉片迎角α和估算動(dòng)態(tài)壓力Q的葉片操作狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載M^edge、M^flap和M^tors的每個(gè)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和建立關(guān)系，而構(gòu)建或創(chuàng)建空氣動(dòng)力學(xué)圖M。這些關(guān)聯(lián)或關(guān)系可以數(shù)學(xué)形式表示為：

M^edge＝M^edge(α，Q)

M^flap＝M^flap(α，Q)

M^tors＝M^tors(α,Q)

空氣動(dòng)力學(xué)圖M是這些關(guān)聯(lián)或關(guān)系的合并：

在下文的描述中，我們使用符號(hào)來(lái)表示特定圖Mc的M^edge(α,Q)與M^flap和M^tors的類(lèi)似符號(hào)的關(guān)聯(lián)或關(guān)系。需要該符號(hào)以將由不同圖給出的關(guān)聯(lián)或關(guān)系之間進(jìn)行區(qū)分。

在多個(gè)時(shí)刻“i”所測(cè)得的測(cè)量值的集合被用于構(gòu)建或創(chuàng)建該關(guān)聯(lián)或關(guān)系。該關(guān)聯(lián)或關(guān)系可用作函數(shù)形式，從而公式在給定葉片操作狀態(tài)(由代表性葉片迎角α、和估算的動(dòng)態(tài)壓力Q描述)的情況下計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化的單純?nèi)~片負(fù)載，或者其可以是表格形式，其中在給定α和Q的值的情況下，查表處理，優(yōu)選地使用插值，來(lái)生成標(biāo)準(zhǔn)化的單純?nèi)~片負(fù)載。在構(gòu)建或創(chuàng)建該關(guān)聯(lián)或關(guān)系的函數(shù)形式時(shí)，可采用諸如多項(xiàng)式插值的插值公式，或者諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的更復(fù)雜的公式。在構(gòu)建或創(chuàng)建該關(guān)聯(lián)或關(guān)系的表格形式時(shí)，關(guān)心的α和Q的范圍被離散化成收集容器(collection bin)，并且落入每個(gè)收集容器的標(biāo)準(zhǔn)化的單純?nèi)~片負(fù)載被平均以給出用于每個(gè)收集容器的代表性標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載。

部分3：系統(tǒng)校準(zhǔn)

商業(yè)上生產(chǎn)的風(fēng)力渦輪機(jī)通常被配置成風(fēng)力渦輪機(jī)類(lèi)型，使得基于選擇的渦輪機(jī)類(lèi)型的全部渦輪機(jī)具有相同的部件、幾何形狀和葉片。通常通過(guò)最大電功率、轉(zhuǎn)子直徑和渦輪機(jī)應(yīng)工作所處的風(fēng)級(jí)(例如，IEC分類(lèi))來(lái)確定渦輪機(jī)類(lèi)型。這里，我們將“參考渦輪機(jī)”和“參考葉片”分別標(biāo)記為所選渦輪機(jī)類(lèi)型和葉片類(lèi)型的特定實(shí)例，其被選擇為良好工作的渦輪機(jī)類(lèi)型。

系統(tǒng)基準(zhǔn)優(yōu)選在現(xiàn)場(chǎng)渦輪機(jī)的葉片處于干凈表面情況的時(shí)候進(jìn)行。為了進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，構(gòu)建或創(chuàng)建用于干凈表面情況的葉片的空氣動(dòng)力學(xué)圖M_c。系統(tǒng)校準(zhǔn)包括三個(gè)步驟(步驟c1-c3)。

步驟c1：

選擇至少一個(gè)收集容器，其特征在于代表性葉片迎角α、動(dòng)態(tài)壓力Q、和葉片俯仰角β的值的選定范圍。例如，該至少一個(gè)收集容器包括其中代表性葉片迎角α在區(qū)間[8.0,8.5]度中，動(dòng)態(tài)壓力Q在區(qū)間[3.3×10⁸,3.7×10⁸]Nm中，并且葉片俯仰角在區(qū)間[-0.25,0.25]度中的全部風(fēng)力渦輪機(jī)實(shí)例。

關(guān)于該至少一個(gè)收集容器的選擇，我們注意到，盡管能在葉片所見(jiàn)的風(fēng)速高于零(即，相對(duì)于葉片的風(fēng)速)的任何時(shí)間進(jìn)行該系統(tǒng)校準(zhǔn)，優(yōu)選實(shí)施例將收集容器選擇為與在正常風(fēng)力渦輪機(jī)操作期間的風(fēng)力渦輪機(jī)值相一致，以允許在風(fēng)力渦輪機(jī)連續(xù)工作時(shí)的高數(shù)據(jù)收集率，從而避免需要渦輪機(jī)關(guān)機(jī)或降低功率或?qū)︼L(fēng)力渦輪機(jī)操作邏輯進(jìn)行其它變化，從而避免由于動(dòng)氣動(dòng)力學(xué)校準(zhǔn)本身引起的風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電損失。

另外，因?yàn)轱L(fēng)力渦輪機(jī)在低于額定風(fēng)速下操作的特征在于最小的葉片俯仰角變化，風(fēng)力渦輪機(jī)邏輯可被改變以在渦輪機(jī)低于額定的同時(shí)，且正在進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)校準(zhǔn)的同時(shí)發(fā)出零俯仰角變化的命令。最小葉片俯仰變化至零葉片俯仰變化的改變?nèi)阅苁沟迷谶M(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)校準(zhǔn)的同時(shí)，渦輪機(jī)基本在最大效率下工作。因此，優(yōu)選選擇至少一個(gè)收集容器，以對(duì)應(yīng)于風(fēng)力渦輪機(jī)在低于額定速度下操作，且具有零俯仰活動(dòng)。

步驟c2

在渦輪機(jī)工作期間，葉片信號(hào)在時(shí)間間隔i被收集，并且根據(jù)上述步驟m1、m2、m3、m4和m5被處理。測(cè)量i的代表性葉片迎角α_i、動(dòng)態(tài)壓力Q_i和俯仰角β_i被測(cè)試，以看它們是否在至少一個(gè)收集容器定義的α、Q和β的范圍定義內(nèi)，并且如果是，則該時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)被添加到收集容器中(當(dāng)然，在開(kāi)始校準(zhǔn)之前，收集容器值必須被初始化為零)。在為該數(shù)據(jù)收集分配的時(shí)間段的結(jié)尾，在至少一個(gè)收集容器中的全部數(shù)據(jù)的平均值被平均，以產(chǎn)生平均的代表性葉片迎角平均動(dòng)態(tài)壓力平均俯仰角和平均力矩和

步驟c3：

給定具有非零數(shù)據(jù)的至少一個(gè)收集容器，計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)校準(zhǔn)系數(shù)K₁和K₂，使得誤差

被最小化，其中

并且其中M_c是用于具有清潔表面情況的參考葉片的空氣動(dòng)力學(xué)圖。常數(shù)c₁具有大于1的預(yù)選值，其可與葉片的最大升力與最大阻力的比率相比較，但是準(zhǔn)確值另外基本是任意的。c₁的目的是使得(10)中的第一和第二項(xiàng)的貢獻(xiàn)為可相比較的量級(jí)。變量K₁和K₂執(zhí)行縮放功能，校正在研究中的葉片和參考葉片之間的預(yù)計(jì)小變化。K₁和K₂的值描述各特定風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的特征并校準(zhǔn)該葉片。在特定渦輪機(jī)葉片與參考葉片的特性完全匹配的情況下，則K₁＝1且K₂＝1。

可使用另一渦輪機(jī)操作點(diǎn)來(lái)檢查該校準(zhǔn)處理。參考圖5，本領(lǐng)域中公知的性能的渦輪機(jī)系數(shù)C_p被示為與末端速率(水平軸線)相對(duì)，且與俯仰角(在圖中通過(guò)兩個(gè)任意選擇的值β₁和β₂來(lái)指示)相對(duì)。圖中的左圖顯示清潔葉片在選定風(fēng)速下的C_p，且右圖顯示污臟葉片在相同風(fēng)速下的C_p。

在730所指示的點(diǎn)處，性能系數(shù)C_p最大。渦輪機(jī)大部分時(shí)間在該點(diǎn)附近工作。在更高的末端速率，性能系數(shù)下降，直到到達(dá)零值，如731所示。這里該操作點(diǎn)被稱為自由旋轉(zhuǎn)操作點(diǎn)?？赏ㄟ^(guò)讓渦輪機(jī)在低風(fēng)速下自由旋轉(zhuǎn)而到達(dá)該自由旋轉(zhuǎn)操作點(diǎn)。具體而言，渦輪機(jī)在沒(méi)有任何大量力矩作用在主軸41上的情況下操作。通過(guò)關(guān)掉發(fā)電能大體實(shí)現(xiàn)零力矩。

出現(xiàn)零相交731的末端速率取決于風(fēng)速，以及取決于葉片的表面情況。例如，與清潔葉片的相交點(diǎn)731相比，污臟葉片的相交點(diǎn)733出現(xiàn)在較低的末端速率。通過(guò)測(cè)量在自由旋轉(zhuǎn)操作點(diǎn)的轉(zhuǎn)子的風(fēng)速和旋轉(zhuǎn)速度，并且通過(guò)參考之前創(chuàng)建的將在C_p零相交點(diǎn)處的末端速率與風(fēng)速和葉片表面情況相關(guān)聯(lián)的表格，可能計(jì)算連接到轂的全部葉片的平均表面情況。在校準(zhǔn)處理后很快測(cè)量該平均表面情況，應(yīng)當(dāng)基本匹配清潔葉片的平均表面情況，因?yàn)樵诩僭O(shè)葉片是清潔的情況下進(jìn)行校準(zhǔn)。

部分4：系統(tǒng)操作

為了本發(fā)明的目的，對(duì)于參考葉片創(chuàng)建了兩個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)圖。以M_c指示的第一空氣動(dòng)力學(xué)圖是在參考葉片具有清潔表面情況時(shí)構(gòu)建或創(chuàng)建的空氣動(dòng)力學(xué)圖。該圖經(jīng)在上文校準(zhǔn)的描述中引入。以M_d指示的第二空氣動(dòng)力學(xué)圖是在參考葉片具有粗糙或污臟的表面情況時(shí)構(gòu)建或創(chuàng)建的空氣動(dòng)力學(xué)圖。例如，可通過(guò)將粗糙條帶或補(bǔ)丁連接到葉片表面上以表示預(yù)期的現(xiàn)場(chǎng)情況，而施加這樣預(yù)定的表面粗糙度。可選地，所使用的參考葉片可以是安裝在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際葉片，葉片在表面上具有充分大量的臟污，以良好地代表處于“污臟”表面情況的參考葉片。

圖3示出了M^flap/Q對(duì)代表性葉片迎角α的總體趨勢(shì)，對(duì)于清潔葉片，表示為線200，且對(duì)于污臟葉片，顯示為線220。圖中還示出了M^edge/Q對(duì)代表性葉片迎角α的總體趨勢(shì)，對(duì)于清潔葉片，表示為線270，且對(duì)于污臟葉片，顯示為線250。對(duì)于相同的動(dòng)態(tài)壓力Q和代表性迎角α，具有污臟表面情況的葉片產(chǎn)生較小的升力和更大的阻力。點(diǎn)204和224分別表示清潔和污臟葉片表面情況的總體“附著流”區(qū)域的結(jié)束以及總體“分離流”區(qū)域的開(kāi)始?？傮w“附著流”區(qū)域的特征在于在葉片之上的空氣流動(dòng)基本完全跟隨葉片表面的輪廓，從而產(chǎn)生最大空氣動(dòng)力學(xué)效率?？傮w“分離流”區(qū)域特征在于葉片的很大一部分處于部分或完全失速狀態(tài)，其中空氣流動(dòng)在沒(méi)到達(dá)螺旋槳的后邊緣之前很遠(yuǎn)就停止跟隨葉片表面，從而形成分離流區(qū)域，其導(dǎo)致?lián)p失空氣動(dòng)力學(xué)效率。這里的詞“總體”用于清楚說(shuō)明M^edge和M^flap的值是表示整個(gè)葉片所產(chǎn)生的總升力和阻力。也就是說(shuō)，對(duì)于整個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，在各葉展位置的升力和阻力的貢獻(xiàn)被總計(jì)，以得到葉片所產(chǎn)生的總升力和阻力。從而，在概念上可以有沿著葉片的葉展位置，在該位置在葉片的跨度的一小部分上發(fā)生流分離，并且葉片仍然操作在圖3的總體“附著流”區(qū)域中。其中總體“附著流”區(qū)域結(jié)束且總體“分離流”區(qū)域開(kāi)始的代表性葉片迎角α在這里被稱為代表性葉片失速角。最優(yōu)選地，至少一個(gè)收集容器被定位成用于小于代表性葉片失速角的代表性葉片迎角α值的范圍，以保證葉片操作在總體“附著流”區(qū)域。

在操作過(guò)程中，在采樣時(shí)間t＝t_i，風(fēng)速計(jì)10產(chǎn)生信號(hào)V_i(參見(jiàn)圖4)。這里，我們使用速記符號(hào)V_i來(lái)表示在時(shí)間t＝t_i獲得的V的值，因此V_i＝V(t_i)，且類(lèi)似的符號(hào)用于其它信號(hào)。同時(shí)(例如在時(shí)間t＝t_i)，轉(zhuǎn)子編碼器42產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)指示瞬時(shí)轉(zhuǎn)子方位角Ψ_i(rad)，且另一個(gè)指示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度Ω_i(rad/s)。還同時(shí)地，空氣密度傳感器62產(chǎn)生指示空氣密度ρ_i的信號(hào)，并且葉片俯仰角測(cè)量單元102產(chǎn)生指示葉片俯仰角β_i的信號(hào)。指示V_i、β_i、Ψ_i、Ω_i和ρ_i的信號(hào)被傳輸至第一計(jì)算單元300，用于計(jì)算在轉(zhuǎn)子平面的風(fēng)速U_i，以及根據(jù)方程(4)和(5)來(lái)計(jì)算相關(guān)的代表性葉片迎角α_i和動(dòng)態(tài)壓力Q_i。第一計(jì)算單元300還計(jì)算在相應(yīng)瞬時(shí)數(shù)值的最后一個(gè)旋轉(zhuǎn)上平均的平均代表性葉片迎角和平均動(dòng)態(tài)壓力

其中符號(hào)α_j和Q_j表示在最后一個(gè)旋轉(zhuǎn)期間在之前的采樣時(shí)間t_j獲得的數(shù)值，Ψ(t_i)-2π＜Ψ(t_j)＜Ψ(t_i)。

同時(shí)，在時(shí)間t＝t_i，葉片變形傳感裝置104測(cè)量指示葉片負(fù)載的葉片變形，并且處理這些信號(hào)以產(chǎn)生指示實(shí)際葉片負(fù)載的信號(hào)，包括關(guān)于葉片b₁軸線的實(shí)際葉片負(fù)載P_i，關(guān)于葉片b₂軸線的實(shí)際葉片負(fù)載R_i，并且優(yōu)選地，關(guān)于葉片b₃軸線的實(shí)際葉片負(fù)載T_i。

指示β_i、Ψ_i和Ω_i的信號(hào)被進(jìn)一步傳輸至第二計(jì)算單元310，在那里在風(fēng)力渦輪機(jī)模型的幫助下計(jì)算由于重力和向心加速度的瞬時(shí)葉片負(fù)載。因此，產(chǎn)生信號(hào)P_i^G、R_i^G和T_i^G。

信號(hào)P_i、R_i和T_i和P_i^G、R_i^G和T_i^G被傳輸至第三計(jì)算單元320，在那里根據(jù)方程(1-3)通過(guò)從實(shí)際葉片負(fù)載減去重力和向心葉片根部力矩而計(jì)算實(shí)際單純?nèi)~片負(fù)載和

代表實(shí)際單純?nèi)~片負(fù)載和的信號(hào)和指示瞬時(shí)動(dòng)態(tài)壓力Q_i的信號(hào)被傳輸至第四計(jì)算單元330。該第四計(jì)算單元使用等價(jià)于(6-8)的公式來(lái)計(jì)算實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)化的單純?nèi)~片負(fù)載M^edge、M^flap、以及優(yōu)選地M^tors，其中在最后一個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)上進(jìn)行平均：

其中符號(hào)等指示在最后一個(gè)旋轉(zhuǎn)期間在之前的采樣時(shí)間t_j獲得的數(shù)值，Ψ(t_i)-2π＜Ψ(t_j)＜Ψ(t_i)。

指示葉片操作狀態(tài)(如由平均代表性葉片迎角平均動(dòng)態(tài)壓力所定義的)的信號(hào)，和指示實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載M^edge、M^flap、以及優(yōu)選地M^tors的信號(hào)被傳輸至主計(jì)算單元340。另外，使校準(zhǔn)系數(shù)K₁＝1且K₂＝1的值對(duì)于主計(jì)算單元340是已知的。例如，這些值被寫(xiě)入到內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器。另外，使從具有清潔表面情況的參考葉片得到的空氣動(dòng)力學(xué)圖M_c和從具有完全污臟表面情況的參考葉片得到的空氣動(dòng)力學(xué)圖M_d對(duì)于主計(jì)算單元340是已知的。例如，數(shù)據(jù)被寫(xiě)入到內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器。

在優(yōu)選實(shí)施例中，主計(jì)算單元340檢查如由平均代表性葉片迎角和平均動(dòng)態(tài)壓力所定義的葉片操作狀態(tài)是否與用于定義至少一個(gè)收集容器的葉片操作狀態(tài)相一致(即，和在定義該至少一個(gè)收集容器的α和Q的范圍內(nèi))。如果檢查結(jié)果是肯定的，則實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載M^edge、M^flap、以及優(yōu)選地M^tors被添加到該至少一個(gè)收集容器的相應(yīng)值中，并且至少一個(gè)收集容器計(jì)數(shù)器N加1。檢查和在至少一個(gè)數(shù)據(jù)容器中累計(jì)數(shù)據(jù)的該處理繼續(xù)，直到容器計(jì)數(shù)器N超過(guò)預(yù)定值。一旦N超過(guò)該預(yù)定值，該檢查和累計(jì)的處理結(jié)束，并且對(duì)于至少一個(gè)收集容器的實(shí)際平均標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載，

M^edge、M^flap、以及優(yōu)選地M^tors

通過(guò)將該實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載的累計(jì)值除以該至少一個(gè)收集容器計(jì)數(shù)器N而估算。然后主計(jì)算單元340繼續(xù)進(jìn)行以估算葉片表面情況。在一4步處理中產(chǎn)生該估算值(步驟p1-p4)：

步驟p1

使用在清潔和污臟空氣動(dòng)力學(xué)圖之間的線性插值創(chuàng)建空氣動(dòng)力學(xué)圖M₀，其具有該圖通過(guò)污臟指示變量η參數(shù)化的特性。

其中η被限于0(指示清潔葉片)至1(指示完全污臟葉片)之間的值。

步驟p2

引入偏差(deviatory)應(yīng)交變量Δα，其中偏差迎角被定義為代表性葉片迎角中在實(shí)際葉片迎角和代表性葉片迎角之間的偏差。因?yàn)檎T導(dǎo)速度的值隨著葉片表面情況而改變，因此預(yù)料到有偏差。因此，Δα的值事先未知，并且通過(guò)主計(jì)算單元340進(jìn)行計(jì)算；

步驟p3

平均的代表性葉片迎角和平均的動(dòng)態(tài)壓力限定給定的葉片操作狀態(tài)。主計(jì)算單元340通過(guò)將在給定操作狀態(tài)下實(shí)際平均標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載至清潔表面標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載的距離與在給定操作狀態(tài)下實(shí)際平均標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載至污臟表面標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載之間的距離進(jìn)行比較，而估算葉片的表面情況。具體而言，限定誤差函數(shù)ε(η，Δα)以提供所述距離的度量，并且進(jìn)一步使得誤差函數(shù)取決于污臟指示η以及偏差的迎角Δα。誤差函數(shù)可能形式為：

其中平方項(xiàng)等提供距離的度量，并且其中使用速記常數(shù)c1的值采用與校準(zhǔn)處理(參見(jiàn)方程(10))中所使用的相同值?？上薅ㄓ糜谠撜`差函數(shù)的其它函數(shù)形式，假如保持η和Δα的函數(shù)相關(guān)性。例如，可包括扭轉(zhuǎn)葉片負(fù)載分量。作為進(jìn)一步的例子，在多于一個(gè)收集容器的情況下，在全部收集容器上采用誤差：

其中B是收集容器的數(shù)量，并且下標(biāo)b指示與一個(gè)特定收集容器相關(guān)的值。

步驟p4

計(jì)算使得誤差函數(shù)ε最小的污臟指示η以及葉片迎角的偏差Δα。η的最小值被選為指示葉片表面情況。通過(guò)主計(jì)算單元340來(lái)生成指示污臟指示η的信號(hào)，用于在風(fēng)力渦輪機(jī)的控制、或者風(fēng)力渦輪機(jī)操作的其它方面中進(jìn)一步使用，該其它方面包括但不限于最佳維護(hù)計(jì)劃。

附圖標(biāo)記列表

10 風(fēng)速計(jì)

20 機(jī)艙

30 塔

40 旋轉(zhuǎn)軸線

41 主軸

42 轉(zhuǎn)子編碼器

50 轂

52 變槳軸承

53 葉片根部平面

55 葉片末端

62 空氣密度傳感器

100 葉片

102 葉片俯仰角測(cè)量單元

104 葉片變形傳感裝置

106 葉片軸線

300 第一計(jì)算單元

310 第二計(jì)算單元

320 第三計(jì)算單元

330 第四計(jì)算單元

340 主計(jì)算單元

α 代表性葉片迎角

β 俯仰角

η 污臟指示

Δα 偏差葉片迎角變量

Q 動(dòng)態(tài)壓力

M 空氣動(dòng)力學(xué)圖

M_c 清潔空氣動(dòng)力學(xué)圖

M_d 污臟空氣動(dòng)力學(xué)圖

K₁和K₂ 空氣動(dòng)力學(xué)校準(zhǔn)系數(shù)

∈(η，Δα) 誤差函數(shù)

{b₁，b₂，b₃} 葉片坐標(biāo)系

P_i，R_i，T_i 實(shí)際葉片負(fù)載

實(shí)際單純?nèi)~片負(fù)載

M^edge，M^flap，M^tors 實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載

實(shí)際平均標(biāo)準(zhǔn)化單純?nèi)~片負(fù)載