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1、(10)申请公布号 CN 102282471 A (43)申请公布日 2011.12.14 CN 102282471 A *CN102282471A* (21)申请号 200980154575.6 (22)申请日 2009.12.14 0822930.4 2008.12.16 GB 61/122,974 2008.12.16 US G01P 13/00(2006.01) F03D 7/00(2006.01) G01M 9/06(2006.01) (71)申请人 维斯塔斯风力系统集团公司 地址 丹麦兰讷斯 (72)发明人 I奥勒森 (74)专利代理机构 永新专利商标代理有限公司 72002 代理。
2、人 蔡胜利 (54) 发明名称 湍流传感器和叶片状况传感器系统 (57) 摘要 本发明包括用于确定风力涡轮机叶片状况的 湍流传感器和传感器系统。湍流传感器包括传感 器薄膜， 所述传感器薄膜设置在风力涡轮机叶片 的表面。光源和光探测器设置在所述叶片上位于 传感器腔内， 所述光源照射所述传感器薄膜并且 探测反射回的光。所述反射光与非反射光混合产 生一种表明空气流质量的干涉图， 与层流还是湍 流无关。所述湍流传感器能够被使用在传感器系 统中， 用于探测诸如灰尘或冰的不需要物质在所 述叶片上的积聚。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2011.07.13 (86)PCT申请的申请数。
3、据 PCT/EP2009/008934 2009.12.14 (87)PCT申请的公布数据 WO2010/069534 EN 2010.06.24 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 4 页 CN 102282480 A1/2 页 2 1. 一种用于具有腔的风力涡轮机部件的湍流传感器， 所述湍流传感器包括 ： 传感器薄膜， 用于探测经过所述风力涡轮机部件表面的空气流的湍流， 其中所述传感 器薄膜集成到所述表面并且覆盖所述腔的至少一部分 ； 光源， 所述光源位于所述传感器腔内， 用于照射所述腔内的所述传感器。
4、薄膜的表面 ； 光探测器， 所述光探测器位于所述传感器腔内， 用于探测从所述薄膜的表面反射的光， 并且用于提供输出给处理器， 所述处理器从所述输出确定经过所述传感器薄膜的空气流的 湍流值。 2. 根据权利要求 1 所述的湍流传感器， 其特征在于， 所述腔内的光源和光探测器是连 接到光电光源的光导纤维。 3.根据权利要求1或2所述的湍流传感器， 包括加法器， 所述加法器用于将从所述薄膜 的所述表面反射的光添加到参照光信号， 以产生表明所述薄膜位移的干涉图。 4. 根据权利要求 3 所述的湍流传感器， 其特征在于， 所述加法器包括位于所述传感器 腔内的局部镜子， 以将来自所述光源的光的一部分反射到。
5、所述光探测器并且提供参照光信 号。 5. 根据前述权利要求中的任意一项所述的湍流传感器， 其特征在于， 所述腔是封闭的。 6. 根据权利要求 5 所述的湍流传感器， 其特征在于， 所述腔充满与空气不同的气体。 7. 根据前述权利要求中的任意一项所述的湍流传感器， 其特征在于， 所述传感器薄膜 用与形成所述风力涡轮部件的所述表面的材料不同的材料形成。 8. 根据权利要求 3 所述的湍流传感器， 其特征在于， 所述湍流传感器包括处理器， 所述 处理器用于分析所述干涉图在预定时间段上的变化以确定所述空气流是否是湍流。 9. 一种传感器系统， 用于探测风力涡轮机叶片的表面状况， 所述传感器系统包括 ：。
6、 一个或多个湍流传感器， 所述湍流传感器根据前述权利要求中的任意一项所述， 用于 产生表明经过所述风力涡轮机叶片表面的湍流空气流的输出 ； 存储器 ； 以及 处理器 ； 其中所述处理器从接收自所述一个或多个湍流传感器的输出来确定所述叶片表面的 状况。 10. 根据权利要求 9 所述的传感器系统， 其特征在于， 所述存储器记录接收自所述一个 或多个涡轮传感器在一定时间段上的输出， 并且所述处理器基于与过去输出相比较的输出 变化确定所述叶片表面的状况。 11. 根据权利要求 9 或 10 所述的传感器系统， 包括在所述叶片的迎风侧和背风侧上的 多个传感器。 12. 根据权利要求 9、 10 或 1。
7、1 所述的传感器系统， 其特征在于， 所述处理器将来自一个 风力涡轮机叶片的湍流传感器的输出与来自另一个风力涡轮机叶片的湍流传感器的输出 进行比较。 13.根据权利要求9到12中的任意一项所述的传感器系统， 其特征在于， 所述传感器系 统探测物质在所述叶片表面的积聚。 14. 根据权利要求 13 所述的传感器系统， 其特征在于， 所述处理器确定所述叶片表面 的状况， 其中， 当预定数量的所述湍流传感器表明湍流时， 物质被认为积聚在所述叶片表面 权 利 要 求 书 CN 102282471 A CN 102282480 A2/2 页 3 上。 15. 一种风力涡轮机， 包括根据权利要求 1 所述。
8、的湍流传感器。 16. 一种风力涡轮机， 包括根据权利要求 9 所述的传感器系统。 权 利 要 求 书 CN 102282471 A CN 102282480 A1/8 页 4 湍流传感器和叶片状况传感器系统 技术领域 0001 本发明涉及一种湍流传感器和叶片状况传感器系统， 具体地涉及一种用于安装在 风力涡轮机上以探测风力涡轮机部件上诸如灰尘和冰的积聚物的湍流传感器和传感器系 统。 背景技术 0002 图 1 显示了一种风力涡轮机 1， 包括风力涡轮机塔架 2， 在风力涡轮机塔架 2 上安 装风力涡轮机机舱 3。包括至少一个风力涡轮机叶片 5 的风力涡轮机转子 4 安装在轮毂 6 上。轮毂 。
9、6 通过从所述机舱前面延伸出的低速轴 ( 未显示 ) 连接到机舱 3。图 1 所示的风 力涡轮机可以是以家庭或公用照明设施用途为目的的小型风力涡轮机， 或者可以是例如适 合用于风力农场上大规模发电所使用的大型风力涡轮机。在后一状况下， 所述转子的直径 能够大至 100 米或者更大。 0003 风力涡轮机经常位于诸如近海、 沿海、 或者高架区域的条件恶劣区域， 并且在运行 期间诸如冰和灰尘等不需要的物质常常能够积聚在所述风力涡轮机部件的表面上。 特别是 由于气候条件突然变化导致冰能够迅速地积聚。 0004 这样的物质的积聚是不期望的， 因为由于腐蚀、 增加的磨损或者由物质的额外重 量而引起增加的。
10、机械应力能够降低部件的寿命。在最坏的状况下， 这样的物质能够导致风 力涡轮机部件过早和完全失效。 0005 由于经常难以接近风力涡轮机的位置， 申请人认为需要一种方法来探测积聚在风 力涡轮机部件上的不良物质， 从而能够更高效地维护风力涡轮机部件， 并且能够提高所述 部件的寿命。 0006 此外， 在大多数风力涡轮机中， 诸如那些使用桨距角或失速控制所述转子叶片相 对于风向的桨距角来运行的风力涡轮机被仔细地控制以便从风中提取最优能量， 并且避免 发电机上的过载危险。 所述叶片上物质的积聚能够使得所述叶片从风中提取能量的效率变 差， 并且此外能够使得更难精确控制用于能量调节和安全的叶片桨距角。 因。
11、而， 特别需要一 种探测到积聚在风力涡轮机叶片上的不需要物质的方法。 发明内容 0007 根据本发明的实施例， 提供一种用在具有腔的风力涡轮机部件上的湍流传感器。 所述湍流传感器包括 ： 传感器薄膜， 用于探测经过所述风力涡轮机部件表面的空气流的湍 流， 其中， 所述传感器薄膜集成到所述表面并且覆盖所述腔的至少一部分 ； 光源， 所述光源 位于所述传感器腔内， 用于照射所述腔内侧的传感器薄膜的表面 ； 光探测器， 所述探测器位 于所述腔内， 用于探测从所述薄膜的表面反射的光， 并且为处理器提供输出， 所述处理器从 所述经过确定横过所述传感器薄膜的空气流的湍流值。 0008 由于所述传感器薄膜的。
12、小位移能够用所述光源和探测器探测到的事实， 本发明提 供一种敏感的传感器系统。此外， 所述传感器相对容易安装和能够设置在所述风力涡轮机 说 明 书 CN 102282471 A CN 102282480 A2/8 页 5 叶片上便于保护， 并且确保所述传感器的出现不干涉测量。 由于几乎没有移动部件， 所述传 感器是防温度极端变化的。 0009 在一个实施例中， 在所述腔内的所述光源和光探测器是连接到光电光源的光导纤 维。这允许避免在所述传感器上使用电气部件， 并且意味着所述传感器将是防雷击的。这 些对于风力涡轮机叶片格外常见。 用于所述传感器的任何电气部件能够被容纳在所述风力 涡轮机的电屏蔽的。
13、部件内。 0010 优选地， 所述传感器包括加法器， 所述加法器用于将来自所述薄膜表面反射的光 添加到参照光信号以形成表明所述薄膜位移的干涉图。 使用干涉图提供说明所述薄膜的位 移的最精确方法， 因为所述薄膜的小位移能够用于产生在强度上大的变化。对于较大的位 移， 产生正弦曲线强度图， 意味着从所述正弦频率和出现率的分析可以获得关于产生位移 的速度和位移的方向的信息。 0011 在一个实施例中， 所述加法器包括位于所述传感器腔内的局部镜子以反射来自所 述光源的光的一部分到所述光探测器并且提供所述参照光信号。这样， 所述传感器的所有 部件局部地设置在所述传感器腔内， 便于更换和维护。 0012 。
14、在另一个实施例中， 所述传感器腔是封闭的。这允许所述腔环境维持在确保所述 传感器薄膜良好运行的湿度和温度水平。此外， 所述腔可以充满诸如惰性气体的不同于空 气的气体。 0013 在一个实施例中， 所述传感器薄膜可以用与所述风力涡轮部件的所述表面所构造 的材料不同的材料构造成。 这允许所述薄膜传感器能够在张力和响应性方面更精确地调整 其功能使其适合作为传感器运行。取决于安装， 所述传感器薄膜可以可选择地由所述叶片 表面本身构成。 0014 在一个实施例中， 所述薄膜传感器包括处理器， 所述处理器用于分析在预定时间 段内干涉图的正弦变化以确定所述空气流是否是湍流。 所述处理器可以使用图识别或统计 。
15、技术分析所述图并且确定相关的置信度水平。分析的时间段越长， 产生的传感器结果的置 信度就越高。 0015 在本发明的另一方面中， 提供一种传感器系统， 所述传感器系统用于探测风力涡 轮机叶片的表面状况。所述传感器系统包括 ： 根据上述第一方面所述的一个或多个湍流传 感器， 用于产生表明经过所述风力涡轮机叶片表面的湍流空气流的输出 ； 存储器 ； 以及处 理器 ； 其中所述处理器从接收到来自所述一个或多个湍流传感器的输出确定所述叶片表面 的状况。 所述叶片状况变化(例如， 所述叶片表面的磨损或者诸如灰尘或冰的物质的积聚) 将极大影响经过所述叶片表面的空气流。 所述风力涡轮机传感器提供探测叶片状况。
16、变化的 可靠的并且便宜的方法。 0016 优选地， 所述存储器记录在一定时间段内从所述一个或多个湍流传感器接收到的 输出， 并且所述处理器基于与过去输出相比较的输出变化确定所述叶片表面的状况。这允 许所述湍流传感器的所述过去输出作为一个参照， 用于与所述湍流传感器的即时或当前的 读数相比较。例如， 灰尘的积聚可以证明灰尘本身是在探测的湍流上的逐渐增加。另一方 面， 冰的积聚可以很快发生在几个小时内。这样， 所述物质的性质也能够推断出。优选地， 所述传感器系统包括在所述叶片的迎风面和背风面上的多个传感器， 以致可以获得全面的 传感器检查。 说 明 书 CN 102282471 A CN 1022。
17、82480 A3/8 页 6 0017 在另一个实施例中， 所述处理器将来自一个风力涡轮机叶片上的湍流传感器的输 出与来自另一个风力涡轮机叶片上的湍流传感器的输出进行比较。 这允许所述处理器指出 所述叶片是否正确地安装和运行， 并且提供额外数据用于比较叶片状况。 优选地， 所述传感 器系统探测物质在叶片表面上的积聚。 0018 优选地， 所述处理器确定所述叶片表面的状况， 其中， 当预定数量的所述湍流传感 器表明是湍流时， 物质被认为积聚在所述叶片表面上。 0019 本发明也提供一种风力涡轮机， 所述风力涡轮机包括如上所述的湍流传感器或者 叶片状况传感器系统。 附图说明 0020 现在， 参考。
18、附图， 且用实例的方式更详细地描述本发明的优选实施例， 其中 ： 0021 图 1 说明一种风力涡轮机 ； 0022 图 2 说明根据本发明的湍流传感器的第一实例 ； 0023 图 3 说明根据本发明的湍流传感器的第二实例 ； 0024 图 4 说明合并了诸如在图 2 或图 3 所示的传感器的一种示例性传感器系统 ； 0025 图 5 是从所述传感器信号发展的示例性强度图形的说明 ； 0026 图 6 是使用在控制和报警系统中的传感器结果表的说明。 具体实施方式 0027 图 2 说明根据本发明优选实施例的湍流传感器的第一实例。所述湍流传感器在施 工现场显示为集成到风力涡轮机转子的叶片或其它部。
19、件中。 0028 传感器 10 包括传感器外壳 11， 传感器外壳 11 具有限定腔 13 的侧壁 12。传感器 装置位于腔 13 中， 用附图标记 14 概括地表示。传感器外壳 11 的一个表面设有传感器薄膜 15。实践中， 传感器 10 安装在叶片 5 上， 使得传感器薄膜 15 将腔 13 与外面空气隔开， 并且 使得传感器薄膜 15 与经过所述叶片表面的空气流接触。所述腔由侧壁 12 和薄膜 15 完全 与外面环境密封， 从而所述薄膜表面的运动能够被认为是完全由于经过叶片表面 5 的空气 流的变化所致。密封所述腔起到保持所述薄膜的内表面干净的作用， 并且允许调整所述腔 的内部环境以避免。
20、能够影响传感器 15 和装置 14 的湿气的累积。例如， 腔 13 可以用不同于 空气的诸如惰性气体的气体填充， 从而为所述薄膜提供更好的运行环境。 0029 优选地， 叶片表面 5 和薄膜 15 布置成使得它们形成平滑连续的叶片表面。如果薄 膜 15 和所述叶片表面之间的连接不连续， 这对所述叶片的空气动力学特性和所述传感器 的灵敏性都是不良的， 因为这将可能在空气流中引入阻力或障碍。 0030 薄膜 15 布置成使得它易受所述风力涡轮机部件表面的空气流的变化影响。因此， 薄膜 15 相对薄， 在一些具体实施例中所述薄膜厚度在 0.5 和 2mm 之间并且是张紧的以致湍 流空气流仅导致在所述。
21、薄膜表面的小量运动。为了测量所述薄膜的位移， 通过将光照射到 所述薄膜上产生干涉图。 因此实践中， 由于所使用的光的波长， 几微米量级的所述薄膜位移 范围被发现具有有利的。所述薄膜材料的选择是关键的， 以确保它适合于测量。太轻和太 柔软的材料将会对气流的变化太敏感， 即使在层流状况也不适合用来区分湍流和层流。优 选地， 因此， 所述材料是足够坚固的和刚性的， 以确保只有湍流的空气流的强振动 ( 范围在 说 明 书 CN 102282471 A CN 102282480 A4/8 页 7 10 到 100Hz) 才引起足够的干涉信号。 0031 能够使用所述转子叶片的外表面本身作为所述薄膜 15。
22、。在这种状况下， 传感器装 置14能够安装在转子叶片5中位于外表面下面， 存在或者不存在创建所述装置的封闭腔的 传感器外壳 11。如果传感器 10 作为独立单元安装进转子叶片 5 或者其它风力涡轮机部件 内， 那么已经发现直径在 30 到 100mm 的孔就足够容纳传感器外壳 11 和装置 14。 0032 现在将更详细地解释传感器装置14的内部结构。 传感器装置14包括瞄准薄膜15 的光源16。 可能的话， 有利的是避免在转子叶片上使用电气部件， 因为它们更易遭到雷击而 毁坏。因此， 光源 16 优选地包括连接到诸如远程定位到所述转子叶片轮毂的光电二极管或 激光的光电子光源的光导纤维 17。。
23、在该实施例中， 光源 16 构造成光导纤维 17 的暴露端和 合适的安装件以支持在所述传感器腔内的所述纤维并且确保光源安全地瞄准薄膜 15。 0033 在图 2 中， 包括光导纤维 17 的光源 16 也用作从薄膜 15 反射回的光的接收器。因 此， 光源16垂直薄膜15布置， 使得至少一些从薄膜反射的光将入射到所述光导纤维的开口 端。装置 14 可选地包括在光导纤维 17 和薄膜 15 之间设置的一个或多个透镜 18。这样， 从 纤维 17 发出的光束 19 可以聚焦成更紧密的光束以入射到所述薄膜， 并且反射回的光束能 够至少部分聚焦到纤维 17 的末端。 0034 装置 14 也可以包括位。
24、于所述薄膜和光导纤维 17 之间的局部反射镜 20。这样， 所 述光导纤维将接收从镜子 20 平面以及从薄膜 15 平面两者反射回的光。如安装了一个或多 个透镜 18， 局部反射镜 20 可以有利地位于薄膜 15 和一个或多个透镜 18 之间。装置 14 可 以通过到外壳壁 12 的合适连接件而固定在内腔 13 内。 0035 需要理解的是， 在光导纤维 17 内光的一些内部反射将发生在纤维 17 的所述纤维 与空气的界面上。 结果， 即使没有局部镜子20， 单独地使用光导纤维17和薄膜表面15也能 够产生干涉图。 然而， 受到内反射的光量只占到总光量的约4。 而这足够产生有用的参照 信号以干。
25、涉来自薄膜 15 的传感器信号， 在一些实施例中， 提供更多的非反射参照信号是有 用的。当从局部镜子反射约 40到 50、 并且从薄膜 15 反射类似量级的光度时， 所述局部 镜子提供类似量级的参照和传感器信号。它也允许使用的不是特别强的光源， 因此使得传 感器生产更加便宜。在这种状况下， 最重要的干涉发生在所述部分镜子上， 尽管如前所述， 干涉仍然发生在所述纤维与空气的界面上。 0036 把局部反射镜 20 设置在传感器腔 13 中是有利的， 因为这意味着所有可能需要安 装和维护的部件在所述部件的同一位置设置在一起。可替代地， 所述局部反射镜可以从腔 中省除并且改为可以设置在光导纤维 17 。
26、的路径上， 这将在下面描述。如果希望节约传感器 腔 13 的空间， 这可能是有用的。 0037 在以上参考图2所述的传感器中， 使用单一光导纤维17以形成单一光源和接收器 传感器对。所述干涉如上所述可以发生在腔 13 内， 或者在所述镜子或所述纤维界面， 或者 如果返回信号被参照光信号干涉的话甚至在远离所述腔的位置。 0038 现在参考图3， 将描述一替代实施例。 在图3中， 传感器装置14包括光源光导纤维 21 和 23 以及光接收光导纤维 22 和 24。所述光导纤维一般是成角度的， 以致来自一纤维 21 的所述光束通过薄膜 15 被反射， 并且随后入射到另一纤维 22 上。如前， 由于所。
27、述薄膜相对 于所述传感器腔移动， 入射到薄膜 15 的光经历路径长度的变化。这光然后由另一所述纤维 22接收并且被未反射的光或者参照光部分干涉， 以便产生干涉图。 在图3中， 所述光通过不 说 明 书 CN 102282471 A CN 102282480 A5/8 页 8 同光纤 23 和 24 被传输到传感器腔并且传输自所述传感器腔。 0039 可以实现传感器的其它合适布置并且是本领域的技术人员可能想到的。 0040 图 2 或图 3 所示的所述湍流传感器是如图 4 所示的更大风力涡轮机传感和控制系 统 40 的部分。所述风力涡轮传感和控制系统 40 包括诸如激光或光电二极管的一个或多个 。
28、光源 41， 其耦合到一个或多个光混合器 42。例如， 所述光混合器能够用于提供所述反射信 号光和在所述传感器腔内没有使用局部镜子 20 的状况下的非反射参照光的混合。 0041 光导纤维 43 连接到所述一个或多个光混合器 42 和各自湍流传感器 44 之间。例 如， 所述湍流传感器 44 可以是上面图 2 和图 3 所示的湍流传感器， 在这种状况下， 纤维 43 相对于图中所示的纤维17、 23和24。 另外， 纤维43从所述湍流传感器携带反射光信号回到 光混合器 42。 0042 如图4所示， 多个传感器44优选地分布在横跨所述风力涡轮机叶片的背风表面或 者迎风表面的许多不同位置。 每个。
29、叶片上的传感器数量可以是例如每个叶片表面三个或更 多。这样， 通过不同信号的比较能够探测由于物质堆积所引起的空气流变化。这将在下面 更详细地解释。 0043 光混合器 42 耦合到光传感装置 45。对于每个湍流传感器， 光传感装置 45 至少接 收两个光信号， 第一个是从薄膜 15 反射的光信号， 和第二作为参照信号。如上所指， 所述参 照信号可以是已经反射的， 但不是通过薄膜15反射的， 而是通过局部反射镜20或在传感器 腔 13 中所述纤维与空气界面反射的。可替代地， 所述参照信号可以是在光传感装置 45、 光 混合器 42、 或在所述光路上的其它光混合器直接或间接地接收自光源 41 的光。
30、。光混合器 42 优选的， 因为来自所述光源的光的部分然后能够简单地直接转向到光传感器 45。 0044 光传感器 45 继而连接到模数转换器 (ADC)46， 其被连接到用于处理结果的处理器 47。处理器 47 优选具有通向计时器单元 48 和存储器 49 的通路。 0045 许多风力涡轮机， 尤其是那些安装在风场的风力涡轮机， 通过诸如 SCADA( 即， 监 控与数据采集系统 ) 的精密控制系统进行监视和控制。在实践中这将是可取的， 处理器 47 通常连接到更大的控制系统， 并且可以存取除了从所述湍流传感器上接收到的数据或信息 外的在所述风力涡轮机上采集到的数据或信息。 然而， 并不总是。
31、这样的， 例如当涡轮机作为 竖立单独单元安装时。 0046 优选地， 光源 41、 光传感器 45、 ADC 46 和处理器 47 与所述转子叶片分开容纳在所 述转子叶片轮毂上或者在所述机舱里， 在此可以通过适当布置光导管或者电屏蔽可以使它 们免受雷击。 0047 需要理解的是， 所述参照信号的相位， 即使在所述腔内使用局部反射镜的布置中， 也将仅由光源 41 的相位确定。一般来说， 光导纤维的长度差异 ( 除非这些光导纤维特意制 造得很长 ) 可以忽略。然而， 已经被所述薄膜反射的信号的相位根据传感器腔 13 中的发射 和接收光导纤维 17、 23 或者 24 之间的光路长度进行变化。继而，。
32、 此路径长度又受到由经过 叶片 5 外表面的空气流引起的薄膜 15 运动或振动的影响。这样通过允许两信号互相干涉 并且检测两信号的相位变化， 能够产生关于所述空气流质量的信息。 0048 在理想的运行状况下， 经过所述转子叶片表面的空气流将是层流的， 这导致薄膜 15的稍微扰动或者不产生扰动。 由物质在所述转子叶片上积聚或者由包括引发类似失速状 况的叶片桨距角所引起的湍流气流将导致薄膜 15 突然且不可预测的运动以及从所述薄膜 说 明 书 CN 102282471 A CN 102282480 A6/8 页 9 反射回的光相对于参照相位的相关相位变化。 0049 图 5 是曲线图， 示意性地说。
33、明基于所述参照光信号和传感器光信号之间干涉的由 处理器 47 随着时间推移形成的传感器信号。在所述图的左边开始， 所述图的平坦区域对应 到在所述薄膜上没有运动的时段。因此， 在所述传感器信号和所述参照信号之间的相位差 是常量， 并且所述曲线图是平坦的。 在外部大气压影响下， 所述薄膜的轻微运动将由相位的 小变化和由于干涉而得到的光信号的强度的相关变化反映。 0050 如果所述薄膜进一步移动， 则所述参照信号和所述传感器信号之间的相位将变化 并且导致强度进一步变化。如果所述薄膜运动的幅值足够大， 所述光强度的正弦变化被视 为所述相位差通过全相位振荡增加。所述正弦变化在薄膜移动时段内将是连续的， 。
34、并且当 所述薄膜反方向运动时所述正弦变化将是反方向变化的。 强度从峰值至峰值变化所用的时 间附加地表示薄膜移动光信号波长所表示的距离的一半所用的时间。 0051 由所述处理器形成的图 5 所示的强度图因此能够用于表明经过所述叶片的所述 表面的空气流状况。湍流气流将导致所述叶片和所述传感器薄膜振动， 并且相应的强度图 将表明所述薄膜的频繁和混乱的运动。 所述薄膜的频繁和混乱的运动的特征是多次出现所 述信号的正弦变化以及所述强度大致不变或者慢慢地变化的相对少的时段。 而正弦变化本 身有可能具有较高振动频率， 表明所述薄膜比其它时间运动得快。 0052 另一方面， 层流空气流或无湍流背景状况将导致所。
35、述薄膜稍微或者较小运动。因 此， 所述强度图的特征是更多和更长的平坦线条或轻微变化的时段、 或者尽管在周期内看 到正弦变化但其具有表明正在相对慢地发生的长波长的时段。 0053 表示所述薄膜没有运动的图的平坦线区域可以或者可以不总表明光的强度是相 同的。实践中， 尽管所述薄膜的静止位置可以基本上至少部分由所述薄膜张力和所述薄膜 制造的材料确定， 但是由所述空气流施加的即时力将最终决定所述即时位置。 0054 处理器 47 分析在 ADC 46 接收到的所述光信号的强度， 以确定经过所述叶片的当 前空气流的质量。如图 5 所示， 可以使用任何合适的数学处理技术分析所述光信号的强度 以确定所述光干。
36、涉信号的变化量来进行。在其它实施例中， 可以使用神经网络技术以研发 一种用于湍流和层流空气流的强度图的可视化显示的存储器并且通过与预先形成的模型 图比较以确定当前空气流状况。这种图可以存储在存储器 49 中。 0055 不仅具有识别来自单个传感器 44 的结果表明是否是湍流的功能， 处理器 47 具有 基于来自多个传感器 44 随着时间的推移收集到的结果评估所述风力涡轮机叶片的当前运 行性能的更多功能。 需要理解的是， 为此目的能够提供单独的处理器， 但是为了简化本发明 的描述， 处理器 47 可以被假设为承担两个角色。 0056 优选地， 所述处理器可以从湍流传感器 44 采集连续性的或者周。
37、期性的读数以形 成在所述叶片上空气流变化的时间日志。在任一状况下， 为了精确地确定所述空气流的质 量， 都需要建立诸如图 5 所示的在最小时间段上的强度图。假设所述风足够强地吹， 几秒钟 到几分钟的测量时段可以足够了。 然而， 更长的测量时段能够提供用于评估的更高可信度。 0057 为了探测在所述风力涡轮机部件上不需要物质的积聚， 例如， 周期性测量只需要 在每天限定的次数进行。 在此状况下， 所述光传感器在离散时间段内被激活， 并且随后在不 需要使用时被停用。在所述传感器被连续激活时， 所述处理器将连续读数分成每个传感器 的离散时间窗。 说 明 书 CN 102282471 A CN 102。
38、282480 A7/8 页 10 0058 处理器 47 在测量时段接收来自每个传感器的光强度信号， 并且利用时间段指示 将所述光强度信号存储在存储器 49 中。然后分析每个信号以确定所述光强度信号是否是 湍流或层流空气流的特征， 并且记录所确定的所述结果。 需要理解的是， 所述结果可以是离 散值， 正的或负的湍流指示， 或者可以是表明所述气流的湍流程度的连续值。 0059 在风力涡轮机开始运行时， 所述叶片和其它风力涡轮机部件是基本上没有灰尘 的， 但取决于年度的时间和气候状况， 可以有或没有冰积聚。 因此， 在安装时， 并且假设所述 叶片倾斜以引起类似空气流失速， 来自传感器 44 的读数。
39、基本上表明是层流。然而， 由于所 述气流即时且不可预期的变化， 在特定时间的特定传感器可以表明是湍流空气流。这表明 将是偶尔发生的并且没有图案。 0060 来自所述传感器的结果由所述处理器记录和监测以确定表明所述组件出现问题 的较大规模的变化。例如， 如果在正常运行时叶片表面部件上的三个传感器偶尔和零星地 表明湍流空气流， 但是基本上产生与层流空气流一致的读数， 那么在所述系统中针对两个 或多个传感器持续湍流读数的变化可以表明经过所述叶片的所述空气流已经受到积累物 质的影响， 并且需要采取行动。这种状况在图 6 中说明， 在图 6 中传感器时间段由列表示并 且单个传感器读数由行表示。在此图中，。
40、 描述的是两组安置在风力涡轮叶片的迎风侧和背 风侧的三个传感器。 0061 前 4 列显示的是来自传感器探测的偶尔的湍流， 但是没有表明任何大规模的趋 势。然而 A 点之后的列显示了来自大多数传感器对湍流指示的永久变化， 并且表明所述叶 片状况出现问题。因此， 所述处理器可以通过对在预定时间段或时间窗口 ( 假定四个或更 多 ) 上的湍流指示进行计数而简单地探测这种问题。如果超过阈值计数， 所述处理器发出 表明需要注意的警报。 0062 优选地， 警报功能连续地工作以致如果不再探测到湍流状况就取消警报。 例如， 在 点B， 可能的是， 在所述叶片背风侧上的湍流传感器将返回， 从而基本表明正常的。
41、状况。 如上 所指的湍流状况可能是所述叶片倾斜和不想要的物质的不必需地积聚的结果。这样， 如果 在延长的时间段内探测到湍流， 所述处理器能够构造成通过减小所述叶片桨距角和减少仅 因叶片角产生湍流的可能性来测试所述确定。如果这样做导致警报信号取消， 所述叶片可 以如之前的那样倾斜到所述风中， 以恢复运行。 0063 增加所述叶片上积聚的物质可能导致减少所述叶片的失速角。因此， 通过一旦探 测到湍流状况就改变桨距角来测试所述叶片提供所述叶片上积聚什么物质的额外测试。 如 果积聚物质使得所述叶片的失速角严重减小， 则需要引起维护工程师的注意。 0064 在一个实施例中， 除了比较叶片上单个传感器的指。
42、示， 传感器 47 还比较一个叶片 上的结果与另一个叶片上的结果。与另一叶片相比， 一个叶片的次优湍流性能可以表明叶 片在所述转子轮毂上的安装需要调整， 或者表明所述叶片由于应力或其它因素不能良好地 运行。如果探测到持续次优运行， 所述处理器可以发出警报以引起注意所述叶片的状况。 0065 上述传感器生产相对便宜并且易于安装。因此， 包括大量传感器的传感器系统能 够相对容易地安装到新的和已有的涡轮机上。此外， 所述薄膜可以涂上与周围组件表面相 同的颜色， 以确保不损害所述风力涡轮机的外观。在安装所述传感器之后将区域涂上颜色 还具有的效果是没有湿气能够沿着传感器腔 12 和 13 以及叶片 15。
43、 侧面的进入叶片。 0066 上述说明仅旨在描述由权利要求限定的发明。 本领域的技术人员会想到实现本发 说 明 书 CN 102282471 A CN 102282480 A8/8 页 11 明的替代技术。在一个可替代实施例中， ADC 46 和所述处理器的湍流探测部分可以用模拟 滤波器和电路代替， 所述模拟滤波器使得与薄膜 15 快速挠曲结合的高频通过， 并且如果在 这些频率之内的信号数量超过一定限度或出现率所述电路就激活输出。 0067 因为转子叶片易于遭到雷击， 所以优选装置使用光导纤维用作在所述传感器外壳 中的光源和光探测器。 然而， 在替代实施例中， 诸如发光二级管和光电探测器的光电。
44、子装置 可以直接用在所述传感器外壳内部， 具有到控制器和电源的合适电气和发信号连接。在某 些实施例中， 当然合适的是， 在局部或在所述传感器本身上安装控制电子和功率系统。 0068 此外， 尽管讨论已经大量地考虑到所述传感器在风力涡轮机叶片上的使用， 但是 所述传感器能够安装到任何风力涡轮机部件上。还有， 尽管所述传感器系统意在指示在所 述叶片上是否积聚诸如灰尘或者冰等不受欢迎的物质。 需要理解的是所述传感器系统能够 用于指示所述叶片表面的一般状况。 说 明 书 CN 102282471 A CN 102282480 A1/4 页 12 图 1 说 明 书 附 图 CN 102282471 A CN 102282480 A2/4 页 13 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102282471 A CN 102282480 A3/4 页 14 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102282471 A CN 102282480 A4/4 页 15 图 6 说 明 书 附 图 CN 102282471 A 。