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用于估算旋转叶片的表面情况的方法

阅读：1110发布：2020-10-16

IPRDB可以提供用于估算旋转叶片的表面情况的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且估算空气或流体流中绕旋转轴线旋转的叶片的表面情况的方法，包括以下步骤：测量指示作用在叶片上的叶片负载的叶片变形以确定实际叶片负载；测量指示叶片操作状态的叶片状态信息以确定给定叶片操作状态；提供清洁表面空气动力学图，其将叶片负载与当叶片表面处于清洁状态时的叶片操作状态的全体相关联；提供污脏表面空气动力学图，其将叶片负载与当叶片表面处于污脏状态时的叶片操作状态的全体相关联；通过将给定操作状态下实际叶片负载至由清洁表面空气动力学图给出的叶片负载的距离与给定操作状态下实际叶片负载至由污脏表面空气动力学图给出的叶片负载的距离进行比较，估算叶片的表面情况。，下面是用于估算旋转叶片的表面情况的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种对在空气或流体流中围绕旋转轴线(40)旋转的叶片(100)的表面情况进行估算的方法，所述方法包括以下步骤：-测量叶片变形以确定实际叶片负载(P,R,T)，该叶片变形指示作用在所述叶片(100)上的叶片负载，-测量叶片状态信息(Ψ,Ω,ρ,V)以确定一给定叶片操作状态(α,Q)，所述叶片状态信息指示叶片操作状态，-提供清洁表面空气动力学图(Mc)，所述清洁表面空气动力学图将叶片负载与当所述叶片表面处于清洁状态时的叶片操作状态的全体相关联，-提供污脏表面空气动力学图(Md)，所述污脏表面空气动力学图将叶片负载与当所述叶片表面处于污脏状态时的叶片操作状态的全体相关联，-通过将在所述给定操作状态(α,Q)下所述实际叶片负载(P,R,T)至由所述清洁表面空气动力学图(Mc)所给出的叶片负载的距离与在所述给定操作状态(α,Q)下所述实际叶片负载(P,R,T)至由所述污脏表面空气动力学图(Md)所给出的叶片负载的距离进行比较，估算所述叶片(100)的表面情况。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述叶片状态信息包括叶片方位角(Ψ)、叶片旋转速度(Ω)、空气或流体密度(ρ)和空气或流体速度(V)。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述叶片状态信息还包括叶片俯仰角(β)。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述叶片变形指示关于由叶片几何形状所限定的不同叶片方向(b1,b2,b3)的叶片力矩。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述叶片几何形状限定叶片摆振方向(b1)和叶片挥舞方向(b2)，所述叶片负载被分成沿着或关于所述叶片摆振方向(b1)作用的摆振叶片负载(P)，和沿着或关于所述叶片挥舞方向(b2)作用的挥舞叶片负载(R)，并且各距离由涉及摆振叶片负载的摆振距离和涉及挥舞叶片负载的挥舞距离组成。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述操作状态(α,Q)由动态压力(Q)和代表性叶片迎角(α)限定，所述动态压力(Q)和所述代表性叶片迎角(α)从所述叶片状态信息(Ψ,Ω,ρ,V,β)得到。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中从所述实际叶片负载(P,R,T)去除重力和向心加速度对所述实际叶片负载(P,R,T)的贡献，以确定实际单纯叶片负载

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中计算重力和向心加速度对所述实际叶片G G G

负载(P,R,T)的贡献，并且通过从所述实际叶片负载(P,R,T)减去该贡献(P ,R ,T)而确定实际单纯叶片负载

9.如权利要求7或8所述的方法，其中所述清洁空气动力学图(Mc)和所述污脏空气动力学图(Md)利用单纯叶片负载进行表达，并且基于所述单纯叶片负载估算所述叶片(100)的表面情况。

10.如权利要求7-9中任一项所述的方法，其中利用所述动态压力(Q)对所述实际单纯叶片负载进行标准化，以确定实际标准化单纯叶片负载(Medge,Mflap,Mtors)，利用标准化单纯叶片负载对所述清洁空气动力学图(Mc)和所述污脏空气动力学图(Md)进行表达，并且基于所述标准化单纯叶片负载估算所述叶片的所述表面情况。

11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过使用所述叶片(100)的实验数据或数学模型来创建各图(Mc,Md)。

12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中各图(Mc,Md)包括表格或数学函数。

13.一种叶片表面情况测量系统，所述系统用于具有在空气或流体流中围绕旋转轴线(40)旋转的叶片(100)的装置，所述系统包括：-用于测量叶片变形的叶片变形传感装置(104)，该叶片变形指示作用在所述叶片上的叶片负载，所述叶片变形传感装置(104)产生指示实际叶片负载(P,R,T)的信号，-叶片状态传感装置(42、62、10)，用于测量指示叶片操作状态的叶片状态信息(Ψ,Ω,ρ,V)，所述叶片状态传感装置(42、62、10)产生指示所述叶片状态信息(Ψ,Ω,ρ,V)的叶片状态信号，-第一计算单元(300)，用于确定给定叶片操作状态(α,Q)，所述第一计算单元(300)接收所述叶片状态信号，并且产生指示所述给定叶片操作状态(α,Q)的信号，-主计算单元(340)，用于估算所述叶片(100)的表面情况，所述主计算单元(340)接收指示所述实际叶片负载(P,R,T)和所述给定叶片操作状态(α,Q)的信号，并且还能访问-清洁表面空气动力学图(Mc)，所述清洁表面空气动力学图将叶片负载与当所述叶片表面处于清洁状态时的叶片操作状态的全体相关联，和-污脏表面空气动力学图(Md)，所述污脏表面空气动力学图将叶片负载与当所述叶片表面处于污脏状态时的叶片操作状态的全体相关联，-所述主计算单元(340)通过将在所述给定操作状态(α,Q)下所述实际叶片负载(P,R,T)至由所述清洁表面空气动力学图(Mc)所给出的叶片负载的距离与在所述给定操作状态(α,Q)下所述实际叶片负载(P,R,T)至由所述污脏表面空气动力学图(Md)所给出的叶片负载的距离进行比较，估算所述叶片(100)的表面情况，-所述主计算单元(340)产生指示所估算的叶片表面情况的信号(η)。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述叶片状态信息(Ψ,Ω,ρ,V)包括叶片方位角(Ψ)、叶片旋转速度(Ω)、空气或流体密度(ρ)和空气或流体速度(V)。

15.如权利要求13或14所述的系统，其中所述操作状态(α,Q)由动态压力(Q)和代表性叶片迎角(α)限定，由所述第一计算单元(300)所产生的信号指示所述动态压力(Q)和所述代表性叶片迎角(α)，所述系统还包括：-第二计算单元(310)，用于计算重力和向心加速度对所述实际叶片负载(P,R,T)的贡献，-第三计算单元(320)，用于从所述实际叶片负载(P,R,T)减去该贡献(PG,RG,TG)，以产生实际单纯叶片负载-第四计算单元(330)，用于通过将所述实际单纯叶片负载除以所述动态压力(Q)而产生实际标准化单纯叶片负载(Medge,Mflap,Mtors)，-所述主计算单元(340)接收所述实际标准化单纯叶片负载(Medge,Mflap,Mtors)，其中利用标准化单纯叶片负载对清洁空气动力学图(Mc)和污脏空气动力学图(Md)进行表达，并且所述主计算单元(340)基于所述标准化单纯叶片负载估算所述叶片的所述表面情况。

说明书全文

用于估算旋转叶片的表面情况的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及用于估算在空气或流体流中围绕旋转轴线旋转的叶片的表面情况的方法。此外，本发明涉及用于具有在空气或流体流中围绕旋转轴线旋转的叶片的装置的叶片表面情况测量系统。

背景技术

[0002] 数百兆级别的现代风力涡轮机具有为了高效率而进行空气动力学优化的风力涡轮机叶片。维持高效率是风力涡轮机工作的盈利性的关键所在，因为电力厂商之间的竞争已经将利润空间下降到百分之几，并且可能被不经意的观察者所忽视的效率变化在损益表中实际上被强烈地感觉到。

[0003] 用于每个风力涡轮机的控制逻辑在总发电量中发挥大作用。对于效率的另一大影响因素来自于叶片的空气动力学。空气动力学影响叶片所产生的升力，因此影响动力产生力，以及降低涡轮机的发电能力的阻力。

[0004] 在工作过程中，叶片快速地移动通过空气，并且因此由于在叶片和空气中的微粒(例如，盐、灰尘)或昆虫之间的碰撞而导致灰尘或有机物质在其表面上聚集。

[0005] 叶片能以给定形状批量生产，或者能在设计过程中定制以使得在给定地点实现最大化性能。在定制过程中，采用设计用于在给定地点的预期叶片表面状态，诸如用于主要暴露至清洁空气的地点的非常光滑叶片表面(没有粗糙度)，或者具有一定特征的粗糙度，用于暴露至灰尘或经常被昆虫撞击的地点。

[0006] 当在工作过程中，叶片表面偏离在设计处理过程中假定的表面情况时，出现空气动力学效率的不利损失，因此出现发电量的不利损失。因此，期望在任何时候测量或者评估叶片的表面情况，以确定能量损失率，从而确定收益损失率。基于该信息，可采取最佳校正动作，诸如计划在最佳可能时间进行表面清洁维护(包括将发电损失的累计成本与计划或非计划的维护行为的成本进行比较的决策)。

[0007] 除了在叶片表面的材料积聚，由于与空气中的微粒的有力碰撞的累积效应，叶片的前边缘在工作过程中可经历腐蚀。腐蚀是叶片表面情况恶化的极端例子，其特征在于表面材料的损失。

[0008] 通过(a)采用控制策略以在叶片表面的当前清洁/污脏状态下最大化效率，如EP 2 818 698 A1所述，和(b)通过在最佳时间安排叶片清洁，以最小化在停机期间的发电量损失，涡轮机操作员可有利地使用叶片表面的清洁或污脏状态的认知。

[0009] 因此，维护叶片的清洁表面情况是维护高风力涡轮机效率的关键。当前，通过简单地视觉检查来评估叶片的表面情况，这通过地基人员或沿着叶片检查的服务人员(较少)进行。表面检查非常少见，通常在选定的维护操作过程中进行，从而使得在采取补救措施之前风力涡轮机在污脏叶片的情况下长时间工作。不幸的是，现在商业上没有可用的产品或系统，用于连续地监测叶片表面情况。因此高度期望有这样的系统，用于评估连续工作的叶片的表面情况，且能提供对污脏等级的多种测量，使得能在风力涡轮机控制逻辑中进行定制，并且能对叶片清洁日程安排进行最佳计划以使收益损失最小。

[0010] 具有多种产品来监测叶片偏斜，以及叶片材料应变。例如，国家可再生能源实验室技术报告(National Renewable Energy Labs Technical Report)NREL/TP-500-39253(2006年1月)教导了一种光学系统，用于测量在选定的叶展位置的叶片偏斜，而WO 2008/020242 A2公开了一种基于光学纤维的系统，其具有布拉格光栅，用于测量风力涡轮机材料应变，并且US 2011/0150649 A1教导了设置在叶片的外部的加速计的使用，以及从其信号获得叶片偏斜的处理。这些系统在连续的基础上执行叶片变形测量，而不需要在所产生的信号的评估过程中的人工介入。

[0011] 还高度期望具有用于评估叶片的表面情况的系统，其使用用于信号分析的无需工人介入的技术，从而能在连续、自动的基础上提供叶片表面情况的信号指示。

[0012] 从该背景技术，本发明的目的是能估算在空气或流体流中围绕旋转轴线旋转的叶片的表面情况。

发明内容

[0013] 通过本发明的方法来实现根据本发明的目的。此外，通过本发明的叶片表面情况测量系统来实现根据本发明的目的。

[0014] 本发明涉及一种对在空气或流体流中围绕旋转轴线旋转的叶片的表面情况进行估算的方法，所述方法包括以下步骤：

[0015] -测量叶片变形以确定实际叶片负载，该叶片变形指示作用在所述叶片上的叶片负载，

[0016] -测量叶片状态信息以确定给定叶片操作状态，所述叶片状态信息指示叶片操作状态，

[0017] -提供清洁表面空气动力学图，所述清洁表面空气动力学图将叶片负载与当所述叶片表面处于清洁状态时的叶片操作状态的全体相关联，

[0018] -提供污脏表面空气动力学图，所述污脏表面空气动力学图将叶片负载与当所述叶片表面处于污脏状态时的叶片操作状态的全体相关联，

[0019] -通过将在所述给定操作状态下所述实际叶片负载至由所述清洁表面空气动力学图所给出的叶片负载的距离与在所述给定操作状态下所述实际叶片负载至由所述污脏表面空气动力学图所给出的叶片负载的距离进行比较，估算所述叶片的表面情况。

[0020] 优选地，叶片在叶片轴线的方向上延伸，横向于或基本横向于所述旋转轴线延伸。例如，所述旋转轴线是主轴的旋转轴线，具体地，因此所述旋转轴线也可以称为主轴轴线。
优选地，所述叶片连接到所述主轴。具体地，所述叶片围绕叶片轴线可旋转。例如，所述叶片能围绕叶片轴线相对于主轴旋转。

[0021] 根据优选实施例，叶片连接到围绕旋转轴线旋转的转子或形成该转子的一部分。具体地，所述旋转轴线可因此也被称为转子轴线。优选地，转子刚性地连接到主轴。有利地，转子包括毂，叶片连接到该毂。例如，叶片刚性地连接到毂。优选地，叶片可围绕叶片轴线相对于该毂旋转。具体地，叶片围绕在所述毂上的叶片轴线可旋转地安装(例如，通过变桨轴承)。优选地，叶片从所述毂沿叶片轴线的方向延伸。具体地，该毂刚性地连接到主轴。

[0022] 有利地，该叶片是机械零件。具体地，该叶片是风力发电机或水力发电机的叶片。优选地，转子是机械零件。具体地，该转子是风力发电机或水力发电机的转子。有利地，该主轴是风力发电机或水力发电机的主轴。具体地，风力发电机也可被称为风力涡轮机。

[0023] 优选地，所述叶片状态信息包括叶片方位角和/或叶片旋转速度和/或空气或流体密度和/或和空气或流体速度。

[0024] 具体而言，所述叶片状态信息还包括叶片俯仰角。优选地，该叶片旋转速度与转子旋转速度(转子速度)相同。具体地，叶片旋转速度因此也可被称为转子速度。

[0025] 根据优选实施例，叶片变形指示关于由叶片几何形状所限定的不同叶片方向的叶片力矩。优选地，叶片几何形状限定叶片摆振方向和叶片挥舞方向，所述叶片负载被分成沿着或关于所述叶片摆振方向作用的摆振叶片负载，和沿着或关于所述叶片挥舞方向作用的挥舞叶片负载。具体地，各距离由涉及摆振叶片负载的摆振距离和涉及挥舞叶片负载的挥舞距离组成。

[0026] 根据优选实施例，叶片变形指示叶片根部应变和/或在选择的叶展位置的叶片偏斜。具体地，叶片变形指示叶片负载，包括在挥舞方向和在摆振方向的叶片负载，并且更优选地包括扭转负载。

[0027] 根据优选实施例，所述操作状态由动态压力和代表性叶片迎角限定，所述动态压力和所述代表性叶片迎角从所述叶片状态信息得到。

[0028] 优选地，从所述实际叶片负载去除重力和向心加速度对所述实际叶片负载的贡献，以确定实际单纯叶片负载。具体地，计算重力和向心加速度对所述实际叶片负载的贡献，并且通过从所述实际叶片负载减去该贡献而确定实际单纯叶片负载。

[0029] 根据优选实施例，所述清洁空气动力学图和所述污脏空气动力学图利用单纯叶片负载进行表达，并且基于所述单纯叶片负载估算所述叶片的表面情况。

[0030] 优选地，利用所述动态压力对所述实际单纯叶片负载进行标准化，以确定实际标准化单纯叶片负载，利用标准化单纯叶片负载对所述清洁空气动力学图和所述污脏空气动力学图进行表达，并且基于标准化单纯叶片负载估算所述叶片的表面情况。

[0031] 根据优选实施例，通过使用所述叶片的实验数据和/或数学模型来创建(或建立或生成或构建)各图。具体地，各图包括表格和/或数学函数。优选地，各图是预定图。

[0032] 根据优选实施例，方法还包括以下步骤：

[0033] -提供参考叶片，

[0034] -当所述参考叶片表面处于清洁状态时创建用于所述参考叶片的清洁表面空气动力学图，

[0035] -当所述参考叶片表面处于污脏状态时创建用于所述参考叶片的污脏表面空气动力学图。

[0036] 根据优选实施例，方法还包括以下步骤：

[0037] -产生指示所估算的叶片表面情况的信号。

[0038] 本发明此外涉及一种叶片表面情况测量系统，所述系统用于具有在空气或流体流中围绕旋转轴线旋转的叶片的装置，所述系统包括：

[0039] -用于测量叶片变形的叶片变形传感装置，该叶片变形指示作用在所述叶片上的叶片负载，所述叶片变形传感装置产生指示实际叶片负载的信号，

[0040] -叶片状态传感装置，用于测量指示叶片操作状态的叶片状态信息，所述叶片状态传感装置产生指示所述叶片状态信息的叶片状态信号，

[0041] -第一计算单元，用于确定给定叶片操作状态，所述第一计算单元接收所述叶片状态信号，并且产生指示所述给定叶片操作状态的信号，

[0042] -主计算单元，用于估算所述叶片的表面情况，所述主计算单元接收指示所述实际叶片负载和所述给定叶片操作状态的信号，所述主计算单元还能访问

[0043] -清洁表面空气动力学图，所述清洁表面空气动力学图将叶片负载与当所述叶片表面处于清洁状态时的叶片操作状态的全体相关联，和

[0044] -污脏表面空气动力学图，所述污脏表面空气动力学图将叶片负载与当所述叶片表面处于污脏状态时的叶片操作状态的全体相关联，

[0045] -所述主计算单元通过将在所述给定操作状态下所述实际叶片负载至由所述清洁表面空气动力学图所给出的叶片负载的距离与在所述给定操作状态下所述实际叶片负载至由所述污脏表面空气动力学图所给出的叶片负载的距离进行比较，估算所述叶片的表面情况，

[0046] -所述主计算单元产生指示所估算的叶片表面情况的信号。

[0047] 优选地，所述方法通过叶片表面情况测量系统来实施或执行，和/或所述叶片表面情况测量系统用来实施或执行该方法。具体地，可根据结合所述方法讨论的所有变形来开发该叶片表面情况测量系统，和/或可根据结合所述叶片表面情况测量系统讨论的全部变形来可发所述方法。

[0048] 优选地，叶片在叶片轴线的方向上延伸，横向于或基本横向于所述旋转轴线延伸。例如，所述旋转轴线是主轴的旋转轴线，具体地，因此所述旋转轴线也可以称为主轴轴线。
优选地，所述叶片连接到所述主轴。具体地，所述叶片围绕叶片轴线可旋转。例如，所述叶片能围绕叶片轴线相对于主轴旋转。

[0049] 根据优选实施例，叶片连接到围绕旋转轴线旋转的转子或形成该转子的一部分。具体地，所述旋转轴线可因此也被称为转子轴线。优选地，转子刚性地连接到主轴。有利地，转子包括毂，叶片连接到该毂。例如，叶片刚性地连接到毂。优选地，叶片可围绕叶片轴线相对于该毂旋转。具体地，叶片围绕在所述毂上的叶片轴线可旋转地安装(例如，通过变桨轴承)。优选地，叶片从所述毂沿叶片轴线的方向延伸。具体地，该毂刚性地连接到主轴。

[0050] 有利地，该装置是机械或机械部件或形成机械或机械部件。例如，该机械是风力发电机或水力发电机。具体地，该机械包括转子。优选地，该机械部件是风力发电机或水力发电机的一部分。有利地，机械件是转子或包括转子。具体地，风力发电机也可被称为风力涡轮机。

[0051] 优选地，所述叶片状态信息包括叶片方位角和/或叶片旋转速度和/或空气或流体密度和/或和空气或流体速度。具体而言，所述叶片状态信息还包括叶片俯仰角。优选地，该叶片旋转速度与转子旋转速度(转子速度)相同。具体地，叶片旋转速度因此也可被称为转子速度。

[0052] 根据优选实施例，叶片状态传感装置包括至少一个旋转速度传感器或旋转编码器(例如转子编码器)和/或至少一个空气或流体密度传感器和/或至少一个空气或流体速度传感器(例如风速计)和/或至少一个叶片俯仰传感器或叶片俯仰测量单元。优选地，通过旋转速度传感器或旋转编码器来测量叶片方位角和/或叶片旋转速度。具体地，通过空气或流体密度传感器来测量空气或流体密度。优选地，通过空气或流体速度传感器来测量空气或流体速度。具体地，通过叶片俯仰传感器或叶片俯仰测量单元来测量叶片俯仰角。

[0053] 根据优选实施例，由叶片变形传感装置所测量的叶片变形指示关于由叶片几何形状所限定的不同叶片方向的叶片力矩。优选地，叶片几何形状限定叶片摆振方向和叶片挥舞方向，所述叶片负载被分成沿着或关于所述叶片摆振方向作用的摆振叶片负载，和沿着或关于所述叶片挥舞方向作用的挥舞叶片负载。具体地，各距离由涉及摆振叶片负载的摆振距离和涉及挥舞叶片负载的挥舞距离组成。优选地，叶片几何形状被设计成以最小阻力而产生最大升力。

[0054] 根据优选实施例，由叶片变形传感装置产生的信号指示叶片根部应变和/或在选择的叶展位置的叶片偏斜。具体地，由叶片变形传感装置产生的信号指示叶片负载，包括在挥舞方向和在摆振方向的叶片负载，并且更优选地包括扭转负载。优选地，由叶片变形传感装置产生的信号也可被称为叶片变形信号或叶片信号。

[0055] 根据优选实施例，叶片变形传感装置包括至少一个叶片应变传感器和/或至少一个叶片偏斜传感器。具体地，叶片变形传感装置包括用于由叶片几何形状所限定的各叶片方向的至少一个叶片应变传感器和/或至少一个叶片偏斜传感器。

[0056] 根据优选实施例，所述操作状态由动态压力和代表性叶片迎角限定，由所述第一计算单元所产生的信号指示所述动态压力和所述代表性叶片迎角。

[0057] 优选地，所述系统还包括第二计算单元，第二计算单元用于计算重力和向心加速度对所述实际叶片负载的贡献。具体地，所述系统此外还包括第三计算单元，第三计算单元用于从所述实际叶片负载减去或去除该贡献，以产生实际单纯叶片负载。

[0058] 根据优选实施例，所述主计算单元接收所述实际单纯叶片负载，其中利用单纯叶片负载对清洁空气动力学图和污脏空气动力学图进行表达，并且所述主计算单元基于所述单纯叶片负载估算所述叶片的表面情况。

[0059] 优选地，系统还包括第四计算单元，用于通过将所述实际单纯叶片负载除以所述动态压力而产生实际标准化单纯叶片负载。具体地，所述主计算单元接收所述实际标准化单纯叶片负载，其中利用标准化单纯叶片负载对清洁空气动力学图和污脏空气动力学图进行表达，并且所述主计算单元基于所述标准化单纯叶片负载估算所述叶片的表面情况。

附图说明

[0060] 在下文中借助于优选实施例且参考附图更详细地描述本发明，在附图中：

[0061] 图1示出了具有转子和转子叶片的风力涡轮机，

[0062] 图2示出了风力涡轮机和转子叶片的选择部件，以及连接到一个叶片的叶片坐标系，

[0063] 图3示出了对于具有清洁和污脏表面情况的叶片的标准化挥舞和摆振叶片负载对代表性叶片迎角的示例性变化。

[0064] 图4示出了本发明的实施例的部件，以及所测量和计算的信号的相关流动，以及[0065] 图5示出了对于具有清洁和污脏表面情况的叶片的性能系数对末端速率的例子。

具体实施方式

[0066] 部分1：几何形状和术语

[0067] 参考图1和图2，风力涡轮机由塔30、连接到塔30的机舱20，以及可旋转地连接到机舱，围绕旋转轴线40旋转的主轴41，连接到主轴41的毂50，和连接到毂50的两个或更多个叶片100组成。

[0068] 每个叶片100在叶片根部连接到毂50，并且直接连接到毂，或者连接到变桨轴承(pitch bearing)52，该变桨轴承将叶片根部连接到毂50，并且允许叶片根部相对于毂50的旋转运动。叶片根部和轴承52(或在没有轴承的情况下的毂凸缘)位于共同的平面中，该平面我们指示为叶片根部平面53。与叶片根部平面53相垂直的轴线限定叶片轴线106。此外，在毂50和叶片100围绕主轴旋转轴线40旋转(如方向箭头190所指示)时，叶片末端55的轨迹沿着在空间中的假想圆，其限定转子平面，具有转子平面法线方向。

[0069] 如本领域中所公知，俯仰角(pitch angle)是在接近于叶片末端的某一外部位置(例如，在75％叶展位置)处的叶片外形的弦线(cord-line)和转子平面之间的角度。当叶片涡轮机以最大空气动力学效率工作，从而来自冲击风(impinging wind)的最大动能被提取时，叶片具有相对于毂50关于叶片轴线106，以及相对于转子平面的最佳旋转定向。该最佳旋转定向限定“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。

[0070] 当变桨轴承52允许叶片关于叶片轴线106旋转时，叶片俯仰角是可变的，并且在工作过程中被指挥以控制从风提取的能量的量。具体而言，当涡轮机以最大空气动力学效率工作时，具有额定风速，在该额定风速从风提取的能量与能由发电机产生的最大能量相匹配。高于该额定风速，俯仰(pitching)被致动，以减小空气空力学效率，并且仅提取与发电机能处理的一样多的能量。

[0071] 叶片俯仰轴线106和“零俯仰角”定向限定叶片坐标系，其由{b1,b2,b3}表示并且在图2中示出，其中b3方向沿着叶片轴线106，当叶片处于“零俯仰角”定向时，b1平行于转子平面法线方向，且b2完成右手坐标系。叶片坐标系{b1,b2,b3}固定至叶片，并且当叶片俯仰时随着叶片旋转。

[0072] 当风速高于零时，作用在叶片表面上的空气动力的总和产生叶片负载，包括关于bi(i＝1,2,3)方向中的每个的叶片根部力矩。具体而言，关于b1轴线的叶片负载这里被称为“摆振(edgewise)叶片负载”，关于b2轴线的叶片负载这里被称为“挥舞(flapwise)叶片负载”，并且关于b3轴线的叶片负载这里被称为“扭转叶片负载”。

[0073] 这里，“污脏”叶片表面情况被定义成指叶片表面情况从预选叶片表面情况的任何变化，预选叶片优选地代表与最佳的或“按设计和预期的”叶片表面情况相对应的叶片表面情况。若干种叶片表面变化引起污脏叶片表面情况。第一种变化是无机物质(诸如灰尘或冰)，或者有机物质(诸如昆虫)在叶片表面上的积聚，导致增加表面粗糙度，伴随着动力动力学性能的退化。第二种变化是表面安装的空气动力学附属物的损失，其被设计成改进叶片的空气动力学性能。空气动力学附属物的例子包括表面状的漩涡发生器。第三种变化是通过表面腐蚀过程的表面材料的损失。

[0074] 当这些表面安装的附属物从表面被去除(诸如由于外物对叶片的冲击)时，附属物的有利的空气动力学效应丢失。因此，叶片保持在改变表面情况，其与初始设计相比提供较差的空气动力学性能。改变表面情况包括在我们所定义的“污脏”叶片表面中。

[0075] 此外，这里所使用的术语“叶片负载”明确地旨在涵盖其它等价叶片工程量，其与叶片负载相关，但是使用与用于负载的标准工程单位(即，牛顿)不同的物理单位。其它等价工程量的实例包括以百分比测量的叶片材料应变，以米测量的在选定叶展位置的叶片偏斜，以牛顿-米测量的叶片根部力矩。

[0076] 部分2：系统空气动力学图

[0077] 在任何给定瞬间，叶片处于给定的操作状态。给定操作状态由代表性的叶片迎角α和“动态压力”Q限定。这些量由空气密度、在转子处的估算风速、和涡轮机集合状态(叶片旋转速度、俯仰角)而得到，如下文中进一步所述。

[0078] 对于具有给定表面情况的给定叶片几何形状，构建或创建空气动力学图(这里用符号M表示)。空气动力学图M由在作为自变量的叶片操作状态、作为因变量的叶片负载之间的表格形式或函数形式的关联或关系构成，叶片负载从叶片变形信号或测量的叶片变形得到。

[0079] 基本有两种方法来构建或创建空气动力学图。第一种方法使用叶片的数学模型来形成该图。数学模型通常在数值上解决，并且叶片空气动力学的数值模拟是本领域中公知的处理。在该处理中，可基于风洞测量来对叶片表面情况(例如，清洁或污脏)的效果进行建模，其中使用良好定义的表面粗糙度。数学建模的主要优点是在模拟中所使用的风场的认知和控制，而主要缺点在于计算的叶片变形受制于建模近似，因此可在一定程度上不精确。

[0080] 构建或创建空气动力学图的第二种方法使用实验数据来提供在实际涡轮机上的测量的叶片变形。涡轮机以特定方式工作，以基于直接测量的值来产生空气动力学图。如下所述，用于产生所需的表格数值的一种可能方法是让涡轮机以选定速度空转，同时同步测量转子速度和风速。空转涡轮机的特征在于旋转叶轮的同步电力提取最小。由于最小电力提取，转子所感应的速度基本为零，并且因此涡轮机安装的风速计提供在转子平面的风速的真实值(当风速计在经过的叶片之外)。在空转期间的旋转速度应被选择为在额定风速之下，涡轮机的最大旋转速度的至少四分之一，且优选地至少一半。为了实现期望的空转速度，一个叶片被选择为产生空气动力学升力，并且被用作测量，而其他叶片被俯仰以提供足够的阻力，以在期望的速度下使转子平衡。实验模型的主要优点是叶片变形数据的精度，而主要缺点是对转子平面的风速的估算。

[0081] 为简洁起见，我们提出了使用叶片负载作为因变量的优选实施例的空气动力学图的构建，然而对于本领域普通技术人员而言，可使用指示叶片负载的其它叶片信号来构建空气动力学负载，诸如在选择的叶展位置的叶片位移，和在选择的叶片位置的材料应变。

[0082] 在空气动力学图中的独立和相依的量从原始测量信号获得。原始测量信号在不同的风力涡轮机操作条件，因此在不同的时刻测量，并且这里我们在一个特定时刻获得的测量值用下表“i”表示。空气动力学图的构建是五步处理(步骤m1-m5)，如下所示：

[0083] 步骤m1：

[0084] 在每个测量时刻“i”，对于每个叶片进行以下测量：

[0085] 转子速度(叶片旋转速度)，Ωi(rad/sec)

[0086] 叶片方位角，Ψi(rad)

[0087] 叶片俯仰角，βi(rad)

[0088] 空气密度，ρi(kg/m3)

[0089] 在风力涡轮机处或附近的风速的测量值，Vi(m/s)，其用于构建自变量，和[0090] 在方向b1的叶片信号{Pi}，和

[0091] 在方向b2的叶片信号{Ri}

[0092] 并且优选地也包括

[0093] 在方向b3的叶片信号{Ti}

[0094] 其用于构建因变量。叶片信号Pi、Ri和Ti是至少叶片变形的指示，并且可以是叶片应变，更优选地在选定叶展位置的叶片位移，并且更优选地叶片根部力矩。如上所述，我们将术语限于“叶片负载”，而不会损失普遍性。

[0095] 步骤m2：

[0096] 从叶片负载中去除重力和向心力分量。在第一实施例中，在每个测量时刻“i”进行该去除。在第二实施例中，在时刻“i”去除叶片负载由于重力和向心加速度的恒定分量，并且之后通过在一个完整转子旋转中对叶片负载进行平均，而去除剩余的周期性分量(变量Ψ)。

[0097] 在第一实施例中，通过第一计算而进行由于重力和向心加速度的叶片负载的去除，其使用数学模型，仅由于重力作用和转子旋转的叶片负载(这些叶片负载在这里通过下标G表示)，并且然后从测量值减去该计算所得的就叶片负载，以得到单纯的叶片负载：

[0098]

[0099]

[0100]

[0101] 使用瞬时风力涡轮机几何状态(通过转子旋转速度Ωi、叶片方位角Ψi、叶片俯仰角βi、风力涡轮机的轴倾角、叶片锥角、和叶片几何形状，包括叶片质量分布和叶片形状来描述)来进行由于重力和向心加速度的叶片负载的计算。优选地，在时刻“i”的瞬时叶片形状用于的计算。具体地，当叶片测量系统提供在选定叶展位置的叶片偏斜的测量值时，从这些偏斜值能估算瞬时叶片形状。当没有直接测量叶片偏斜时，可以使用数学模型来估算叶片偏斜值，其中从估算的风速Ui和测量的转子旋转速度Ωi来计算空气动力学负载。

[0102] 在第二实施例中，在每个时刻“i”去除叶片负载由于重力和向心加速度的恒定分量，并且在第二步骤中通过在一个完整转子旋转中对叶片负载进行平均，而去除随着叶片方位角Ψi变化的剩余周期性分量。该平均处理在下文中的部分“步骤m4”中描述。叶片负载的恒定分量是由于主轴倾角、叶片锥角、离心力，但是独立于叶片方位角Ψi。叶片负载的这些恒定分量可使用涡轮机的数学模型(包括叶片几何形状和质量分布)来计算，并且可通过包括在时刻“i”的负载下的叶片瞬时叶片变形的估算值而做到最精确。可从在特定叶展位置的叶片偏斜的测量值来估算瞬时叶片变形，或者可选地，通过结合叶片结构属性的描述的数学模型来估算瞬时叶片变形，其中从估算的风速Ui和测量的转子旋转速度Ωi来计算空气动力学负载。

[0103] 在第三实施例中，通过在特定叶片方位角的叶片负载的有条件采样而进行由于重力和向心加速度的叶片负载的变化的去除。有条件采样意味着以下步骤：监测叶片方位角，并且当叶片方位角处于特定叶片方位角附近的窄定义区间内(诸如零度的特定叶片方位角，区间从359度至1度)时，触发叶片负载测量。更加优选地，特定叶片方位角对应于叶片位置，在该叶片位置由于重力产生的负载在叶片弯曲方向最小，并且在叶片轴向上最大，诸如当叶片被竖直定位时。在该位置，作用在叶片上的重力负载的效果导致在挥舞和摆振方向上的叶片位移最小。

[0104] 基于叶片方位角的有条件采样的处理强化了重力对于叶片负载的贡献总是基本相同。因此，有条件采样处理去除了由于重力的叶片负载变化。有条件采样可被扩展至两个或更多个方位角，诸如叶片竖直向上位置和叶片竖直向下位置，从而取这两个方位角处的叶片负载的总和。

[0105] 步骤m3：

[0106] 计算代表性的叶片迎角αi和“动态压力”Qi。代表性的叶片迎角如下定义：

[0107]

[0108] 其中r是叶片半径，Ui是估算的在转子平面的风速(定义为当风作用在转子平面上时为正)，并且俯仰角βi在朝向完全顺桨位置时为正，这符合在风能行业中使用的标准定义。形容词“代表性”在该术语中使用，这是由于叶片的每个叶展部分的局部迎角根据局部风速而变化，并且局部叶片扭转角由叶片自身的几何形状给定。由公式(4)给出的α的值提供了整个叶片的代表性迎角，结合了沿着叶片的叶展的全部局部迎角的效果总和。优选地，在叶片的完全顺桨位置的俯仰角的值为90度或者接近90度的值。

[0109] Ui的值很少直接测量，且必须从其它数据推出。能从其确定Ui的可能信息源例如包括连接到机舱20的外部的杯基(cup-based)或超声风速计10、或者位于转子平面的前方或后方的超声风速计，安装在涡轮机上的远程风检测系统(例如，LIDAR)，或基于叶片变形的单元，如WO 2011/051194 A1中所述。

[0110] 杯基或超声风速计10信号Vi可用作对Ui的紧密近似，如果考虑了阻挡或更改效应(诸如被叶片风阻挡)和机舱的流动畸变效应。通常，风力涡轮机制造商提供了对这些阻挡或更改效应进行补偿的转移函数，从而这些转移函数采用原始风速计信号Vi作为输入，并且返回远在涡轮机前方的风速的估值U∞(Vi)。本领域技术人员然后能估算转子诱导速度Uind的量级，并且从而使用下式获得在转子平面的风速

[0111] Ui＝U∞(Vi)-Uind

[0112] 当涡轮机处于最大空气动力学效率时，诱导速度的良好估算是自由流速度的1/3，从而估算的Ui＝0.66U∞(Vi)。简单的估算是将诱导速度作为自由流速度的1/3。

[0113] 这里“动态压力”被定义为经典动态压力乘以叶片半径r的三次方

[0114]

[0115] 并且具有单位Nm，因此在叶片负载被选为叶片根部力矩时等于叶片负载的单位，尽管与叶片信号的维量单位的严格等价不是必须的。例如，与叶片半径的三次方的相乘是可以忽略的，导致单位是帕斯卡而不是牛顿-米。

[0116] 代表性叶片迎角α和动态压力Q的组合限定叶片操作状态。

[0117] 单纯的叶片负载采用“动态压力”被标准化，并且在一个转子旋转上被平均，产生标准化的单纯叶片负载

[0118]

[0119]

[0120]

[0121] 其中c是叶片的最大弦。平均处理由于下文中的原因而被引入。

[0122] 与其中风速是完全已知且可测量的计算机模拟相对比，在实际风力涡轮机操作过程中，在转子平面的实际风速Ui通常没有被测量且需要被估算。杯基或超声波类型的风速计10是在基本全部商用风力涡轮机中能找到的标准装置，因此是从其对在转子处的平均风速Ui进行估算的方便信息来源。不幸的是，杯基或超声波风速计10测量在空间中的单个点的风速，而不是在整个转子扫掠区域上的风速，因此其报告的风速值没有包含在转子扫掠区域上的风速和风向的空间变化的信息。诸如竖直风切、水平风切、和风转向的风场梯度效应被排除在风速计信号之外，然而这些被排除的风效应确实影响沿着叶片的瞬时迎角。

[0123] 由于转子叶片在该复杂风场中旋转的事实，由于风场梯度效应引起的在叶片上的迎角变化基本随着叶片方位角Ψ而周期性变化。然后，在转子处的估算风速Ui可以被认为是来自风速计10的信号(如本领域中所公知，在使用风速计的工业标准转移函数之后)，只要叶片负载在一个转子旋转上被平均以产生平均的标准化叶片负载。应理解，如果需要，在上述方程中的积分运算可被替代为等价的离散求和。平均处理基本将叶片信号由于风场梯度的周期性分量，以及由于重力的力矩周期性分量去除。

[0124] 步骤m5：

[0125] 通过将包括作为独立变量的代表性叶片迎角α和估算动态压力Q的叶片操作状态与标准化单纯叶片负载Medge、Mflap和Mtors的每个进行关联和建立关系，而构建或创建空气动力学图M。这些关联或关系可以数学形式表示为：

[0126] Medge＝Medge(α，Q)

[0127] Mflap＝Mflap(α，Q)

[0128] Mtors＝Mtors(α,Q)

[0129] 空气动力学图M是这些关联或关系的合并：

[0130]

[0131] 在下文的描述中，我们使用符号来表示特定图Mc的Medge(α,Q)与Mflap和Mtors的类似符号的关联或关系。需要该符号以将由不同图给出的关联或关系之间进行区分。

[0132] 在多个时刻“i”所测得的测量值的集合被用于构建或创建该关联或关系。该关联或关系可用作函数形式，从而公式在给定叶片操作状态(由代表性叶片迎角α、和估算的动态压力Q描述)的情况下计算标准化的单纯叶片负载，或者其可以是表格形式，其中在给定α和Q的值的情况下，查表处理，优选地使用插值，来生成标准化的单纯叶片负载。在构建或创建该关联或关系的函数形式时，可采用诸如多项式插值的插值公式，或者诸如神经网络等的更复杂的公式。在构建或创建该关联或关系的表格形式时，关心的α和Q的范围被离散化成收集容器(collection bin)，并且落入每个收集容器的标准化的单纯叶片负载被平均以给出用于每个收集容器的代表性标准化单纯叶片负载。

[0133] 部分3：系统校准

[0134] 商业上生产的风力涡轮机通常被配置成风力涡轮机类型，使得基于选择的涡轮机类型的全部涡轮机具有相同的部件、几何形状和叶片。通常通过最大电功率、转子直径和涡轮机应工作所处的风级(例如，IEC分类)来确定涡轮机类型。这里，我们将“参考涡轮机”和“参考叶片”分别标记为所选涡轮机类型和叶片类型的特定实例，其被选择为良好工作的涡轮机类型。

[0135] 系统基准优选在现场涡轮机的叶片处于干净表面情况的时候进行。为了进行系统校准，构建或创建用于干净表面情况的叶片的空气动力学图Mc。系统校准包括三个步骤(步骤c1-c3)。

[0136] 步骤c1：

[0137] 选择至少一个收集容器，其特征在于代表性叶片迎角α、动态压力Q、和叶片俯仰角β的值的选定范围。例如，该至少一个收集容器包括其中代表性叶片迎角α在区间[8.0,8.5]8 8
度中，动态压力Q在区间[3.3×10 ,3.7×10]Nm中，并且叶片俯仰角在区间[-0.25,0.25]度中的全部风力涡轮机实例。

[0138] 关于该至少一个收集容器的选择，我们注意到，尽管能在叶片所见的风速高于零(即，相对于叶片的风速)的任何时间进行该系统校准，优选实施例将收集容器选择为与在正常风力涡轮机操作期间的风力涡轮机值相一致，以允许在风力涡轮机连续工作时的高数据收集率，从而避免需要涡轮机关机或降低功率或对风力涡轮机操作逻辑进行其它变化，从而避免由于动气动力学校准本身引起的风力涡轮机发电损失。

[0139] 另外，因为风力涡轮机在低于额定风速下操作的特征在于最小的叶片俯仰角变化，风力涡轮机逻辑可被改变以在涡轮机低于额定的同时，且正在进行空气动力学校准的同时发出零俯仰角变化的命令。最小叶片俯仰变化至零叶片俯仰变化的改变仍能使得在进行空气动力学校准的同时，涡轮机基本在最大效率下工作。因此，优选选择至少一个收集容器，以对应于风力涡轮机在低于额定速度下操作，且具有零俯仰活动。

[0140] 步骤c2

[0141] 在涡轮机工作期间，叶片信号在时间间隔i被收集，并且根据上述步骤m1、m2、m3、m4和m5被处理。测量i的代表性叶片迎角αi、动态压力Qi和俯仰角βi被测试，以看它们是否在至少一个收集容器定义的α、Q和β的范围定义内，并且如果是，则该时间间隔的数据被添加到收集容器中(当然，在开始校准之前，收集容器值必须被初始化为零)。在为该数据收集分配的时间段的结尾，在至少一个收集容器中的全部数据的平均值被平均，以产生平均的代表性叶片迎角平均动态压力平均俯仰角和平均力矩和

[0142] 步骤c3：

[0143] 给定具有非零数据的至少一个收集容器，计算空气动力学校准系数K1和K2，使得误差

[0144]

[0145] 被最小化，其中

[0146]

[0147]

[0148] 并且其中Mc是用于具有清洁表面情况的参考叶片的空气动力学图。常数c1具有大于1的预选值，其可与叶片的最大升力与最大阻力的比率相比较，但是准确值另外基本是任意的。c1的目的是使得(10)中的第一和第二项的贡献为可相比较的量级。变量K1和K2执行缩放功能，校正在研究中的叶片和参考叶片之间的预计小变化。K1和K2的值描述各特定风力涡轮机叶片的特征并校准该叶片。在特定涡轮机叶片与参考叶片的特性完全匹配的情况下，则K1＝1且K2＝1。

[0149] 可使用另一涡轮机操作点来检查该校准处理。参考图5，本领域中公知的性能的涡轮机系数Cp被示为与末端速率(水平轴线)相对，且与俯仰角(在图中通过两个任意选择的值β1和β2来指示)相对。图中的左图显示清洁叶片在选定风速下的Cp，且右图显示污脏叶片在相同风速下的Cp。

[0150] 在730所指示的点处，性能系数Cp最大。涡轮机大部分时间在该点附近工作。在更高的末端速率，性能系数下降，直到到达零值，如731所示。这里该操作点被称为自由旋转操作点。可通过让涡轮机在低风速下自由旋转而到达该自由旋转操作点。具体而言，涡轮机在没有任何大量力矩作用在主轴41上的情况下操作。通过关掉发电能大体实现零力矩。

[0151] 出现零相交731的末端速率取决于风速，以及取决于叶片的表面情况。例如，与清洁叶片的相交点731相比，污脏叶片的相交点733出现在较低的末端速率。通过测量在自由旋转操作点的转子的风速和旋转速度，并且通过参考之前创建的将在Cp零相交点处的末端速率与风速和叶片表面情况相关联的表格，可能计算连接到毂的全部叶片的平均表面情况。在校准处理后很快测量该平均表面情况，应当基本匹配清洁叶片的平均表面情况，因为在假设叶片是清洁的情况下进行校准。

[0152] 部分4：系统操作

[0153] 为了本发明的目的，对于参考叶片创建了两个空气动力学图。以Mc指示的第一空气动力学图是在参考叶片具有清洁表面情况时构建或创建的空气动力学图。该图经在上文校准的描述中引入。以Md指示的第二空气动力学图是在参考叶片具有粗糙或污脏的表面情况时构建或创建的空气动力学图。例如，可通过将粗糙条带或补丁连接到叶片表面上以表示预期的现场情况，而施加这样预定的表面粗糙度。可选地，所使用的参考叶片可以是安装在现场的实际叶片，叶片在表面上具有充分大量的脏污，以良好地代表处于“污脏”表面情况的参考叶片。

[0154] 图3示出了Mflap/Q对代表性叶片迎角α的总体趋势，对于清洁叶片，表示为线200，且对于污脏叶片，显示为线220。图中还示出了Medge/Q对代表性叶片迎角α的总体趋势，对于清洁叶片，表示为线270，且对于污脏叶片，显示为线250。对于相同的动态压力Q和代表性迎角α，具有污脏表面情况的叶片产生较小的升力和更大的阻力。点204和224分别表示清洁和污脏叶片表面情况的总体“附着流”区域的结束以及总体“分离流”区域的开始。总体“附着流”区域的特征在于在叶片之上的空气流动基本完全跟随叶片表面的轮廓，从而产生最大空气动力学效率。总体“分离流”区域特征在于叶片的很大一部分处于部分或完全失速状态，其中空气流动在没到达螺旋桨的后边缘之前很远就停止跟随叶片表面，从而形成分离流区域，其导致损失空气动力学效率。这里的词“总体”用于清楚说明Medge和Mflap的值是表示整个叶片所产生的总升力和阻力。也就是说，对于整个风力涡轮机叶片，在各叶展位置的升力和阻力的贡献被总计，以得到叶片所产生的总升力和阻力。从而，在概念上可以有沿着叶片的叶展位置，在该位置在叶片的跨度的一小部分上发生流分离，并且叶片仍然操作在图3的总体“附着流”区域中。其中总体“附着流”区域结束且总体“分离流”区域开始的代表性叶片迎角α在这里被称为代表性叶片失速角。最优选地，至少一个收集容器被定位成用于小于代表性叶片失速角的代表性叶片迎角α值的范围，以保证叶片操作在总体“附着流”区域。

[0155] 在操作过程中，在采样时间t＝ti，风速计10产生信号Vi(参见图4)。这里，我们使用速记符号Vi来表示在时间t＝ti获得的V的值，因此Vi＝V(ti)，且类似的符号用于其它信号。同时(例如在时间t＝ti)，转子编码器42产生两个信号，一个指示瞬时转子方位角Ψi(rad)，且另一个指示转子旋转速度Ωi(rad/s)。还同时地，空气密度传感器62产生指示空气密度ρi的信号，并且叶片俯仰角测量单元102产生指示叶片俯仰角βi的信号。指示Vi、βi、Ψi、Ωi和ρi的信号被传输至第一计算单元300，用于计算在转子平面的风速Ui，以及根据方程(4)和(5)来计算相关的代表性叶片迎角αi和动态压力Qi。第一计算单元300还计算在相应瞬时数值的最后一个旋转上平均的平均代表性叶片迎角和平均动态压力

[0156]

[0157]

[0158] 其中符号αj和Qj表示在最后一个旋转期间在之前的采样时间tj获得的数值，Ψ(ti)-2π＜Ψ(tj)＜Ψ(ti)。

[0159] 同时，在时间t＝ti，叶片变形传感装置104测量指示叶片负载的叶片变形，并且处理这些信号以产生指示实际叶片负载的信号，包括关于叶片b1轴线的实际叶片负载Pi，关于叶片b2轴线的实际叶片负载Ri，并且优选地，关于叶片b3轴线的实际叶片负载Ti。

[0160] 指示βi、Ψi和Ωi的信号被进一步传输至第二计算单元310，在那里在风力涡轮机模型的帮助下计算由于重力和向心加速度的瞬时叶片负载。因此，产生信号PiG、RiG和TiG。

[0161] 信号Pi、Ri和Ti和PiG、RiG和TiG被传输至第三计算单元320，在那里根据方程(1-3)通过从实际叶片负载减去重力和向心叶片根部力矩而计算实际单纯叶片负载和[0162] 代表实际单纯叶片负载和的信号和指示瞬时动态压力Qi的信号被传输至第四计算单元330。该第四计算单元使用等价于(6-8)的公式来计算实际标准化的单纯叶edge flap tors片负载M 、M 、以及优选地M ，其中在最后一个转子旋转上进行平均：

[0163]

[0164]

[0165]

[0166] 其中符号等指示在最后一个旋转期间在之前的采样时间tj获得的数值，Ψ(ti)-2π＜Ψ(tj)＜Ψ(ti)。

[0167] 指示叶片操作状态(如由平均代表性叶片迎角平均动态压力所定义的)的信号，和指示实际标准化单纯叶片负载Medge、Mflap、以及优选地Mtors的信号被传输至主计算单元340。另外，使校准系数K1＝1且K2＝1的值对于主计算单元340是已知的。例如，这些值被写入到内部非易失性存储器。另外，使从具有清洁表面情况的参考叶片得到的空气动力学图Mc和从具有完全污脏表面情况的参考叶片得到的空气动力学图Md对于主计算单元340是已知的。例如，数据被写入到内部非易失性存储器。

[0168] 在优选实施例中，主计算单元340检查如由平均代表性叶片迎角和平均动态压力所定义的叶片操作状态是否与用于定义至少一个收集容器的叶片操作状态相一致(即，和在定义该至少一个收集容器的α和Q的范围内)。如果检查结果是肯定的，则实际标准化单纯叶片负载Medge、Mflap、以及优选地Mtors被添加到该至少一个收集容器的相应值中，并且至少一个收集容器计数器N加1。检查和在至少一个数据容器中累计数据的该处理继续，直到容器计数器N超过预定值。一旦N超过该预定值，该检查和累计的处理结束，并且对于至少一个收集容器的实际平均标准化单纯叶片负载，

[0169] Medge、Mflap、以及优选地Mtors

[0170] 通过将该实际标准化单纯叶片负载的累计值除以该至少一个收集容器计数器N而估算。然后主计算单元340继续进行以估算叶片表面情况。在一4步处理中产生该估算值(步骤p1-p4)：

[0171] 步骤p1

[0172] 使用在清洁和污脏空气动力学图之间的线性插值创建空气动力学图M0，其具有该图通过污脏指示变量η参数化的特性。

[0173]

[0174] 其中η被限于0(指示清洁叶片)至1(指示完全污脏叶片)之间的值。

[0175] 步骤p2

[0176] 引入偏差(deviatory)应交变量Δα，其中偏差迎角被定义为代表性叶片迎角中在实际叶片迎角和代表性叶片迎角之间的偏差。因为诱导速度的值随着叶片表面情况而改变，因此预料到有偏差。因此，Δα的值事先未知，并且通过主计算单元340进行计算；

[0177] 步骤p3

[0178] 平均的代表性叶片迎角和平均的动态压力限定给定的叶片操作状态。主计算单元340通过将在给定操作状态下实际平均标准化单纯叶片负载至清洁表面标准化单纯叶片负载的距离与在给定操作状态下实际平均标准化单纯叶片负载至污脏表面标准化单纯叶片负载之间的距离进行比较，而估算叶片的表面情况。具体而言，限定误差函数ε(η，Δα)以提供所述距离的度量，并且进一步使得误差函数取决于污脏指示η以及偏差的迎角Δα。误差函数可能形式为：

[0179]

[0180]

[0181]

[0182] 其中平方项等提供距离的度量，并且其中使用速记常数c1的值采用与校准处理(参见方程(10))中所使用的相同值。可限定用于该误差函数的其它函数形式，假如保持η和Δα的函数相关性。例如，可包括扭转叶片负载分量。作为进一步的例子，在多于一个收集容器的情况下，在全部收集容器上采用误差：

[0183]

[0184] 其中B是收集容器的数量，并且下标b指示与一个特定收集容器相关的值。

[0185] 步骤p4

[0186] 计算使得误差函数ε最小的污脏指示η以及叶片迎角的偏差Δα。η的最小值被选为指示叶片表面情况。通过主计算单元340来生成指示污脏指示η的信号，用于在风力涡轮机的控制、或者风力涡轮机操作的其它方面中进一步使用，该其它方面包括但不限于最佳维护计划。

[0187] 附图标记列表

[0188] 10 风速计

[0189] 20 机舱

[0190] 30 塔

[0191] 40 旋转轴线

[0192] 41 主轴

[0193] 42 转子编码器

[0194] 50 毂

[0195] 52 变桨轴承

[0196] 53 叶片根部平面

[0197] 55 叶片末端

[0198] 62 空气密度传感器

[0199] 100 叶片

[0200] 102 叶片俯仰角测量单元

[0201] 104 叶片变形传感装置

[0202] 106 叶片轴线

[0203] 300 第一计算单元

[0204] 310 第二计算单元

[0205] 320 第三计算单元

[0206] 330 第四计算单元

[0207] 340 主计算单元

[0208] α 代表性叶片迎角

[0209] β 俯仰角

[0210] η 污脏指示

[0211] Δα 偏差叶片迎角变量

[0212] Q 动态压力

[0213] M 空气动力学图

[0214] Mc 清洁空气动力学图

[0215] Md 污脏空气动力学图

[0216] K1和K2 空气动力学校准系数

[0217] ∈(η，Δα) 误差函数

[0218] {b1，b2，b3} 叶片坐标系

[0219] Pi，Ri，Ti 实际叶片负载

[0220] 实际单纯叶片负载

[0221] Medge，Mflap，Mtors 实际标准化单纯叶片负载

[0222] 实际平均标准化单纯叶片负载

标题	发布/更新时间	阅读量
空气动力学结构-专利编号CN110645140A	2020-05-11	464
空气动力学结构-专利编号CN110645139A	2020-05-12	300
空气动力学装置-专利编号CN107444504A	2020-05-11	886
车辆空气动力学装置-专利编号CN106573654A	2020-05-11	731
空气动力学本体-专利编号CN110546066A	2020-05-11	655
空气动力学玩具-专利编号CN108601972A	2020-05-11	958
空气动力学LED灯-专利编号CN105841055A	2020-05-12	528
空气动力学喷嘴-专利编号CN105750129A	2020-05-12	1050
车辆空气动力学装置-专利编号CN106573654B	2020-05-13	886
空气动力学末梢特征-专利编号CN110712741A	2020-05-13	965

用于估算旋转叶片的表面情况的方法

用于估算旋转叶片的表面情况的方法

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