用於估算旋轉葉片的表面情況的方法與流程

2023-10-17 08:56:24 3

本發明涉及用於估算在空氣或流體流中圍繞旋轉軸線旋轉的葉片的表面情況的方法。此外，本發明涉及用於具有在空氣或流體流中圍繞旋轉軸線旋轉的葉片的裝置的葉片表面情況測量系統。

背景技術：

數百兆級別的現代風力渦輪機具有為了高效率而進行空氣動力學優化的風力渦輪機葉片。維持高效率是風力渦輪機工作的盈利性的關鍵所在，因為電力廠商之間的競爭已經將利潤空間下降到百分之幾，並且可能被不經意的觀察者所忽視的效率變化在損益表中實際上被強烈地感覺到。

用於每個風力渦輪機的控制邏輯在總發電量中發揮大作用。對於效率的另一大影響因素來自於葉片的空氣動力學。空氣動力學影響葉片所產生的升力，因此影響動力產生力，以及降低渦輪機的發電能力的阻力。

在工作過程中，葉片快速地移動通過空氣，並且因此由於在葉片和空氣中的微粒(例如，鹽、灰塵)或昆蟲之間的碰撞而導致灰塵或有機物質在其表面上聚集。

葉片能以給定形狀批量生產，或者能在設計過程中定製以使得在給定地點實現最大化性能。在定製過程中，採用設計用於在給定地點的預期葉片表面狀態，諸如用於主要暴露至清潔空氣的地點的非常光滑葉片表面(沒有粗糙度)，或者具有一定特徵的粗糙度，用於暴露至灰塵或經常被昆蟲撞擊的地點。

當在工作過程中，葉片表面偏離在設計處理過程中假定的表面情況時，出現空氣動力學效率的不利損失，因此出現發電量的不利損失。因此，期望在任何時候測量或者評估葉片的表面情況，以確定能量損失率，從而確定收益損失率。基於該信息，可採取最佳校正動作，諸如計劃在最佳可能時間進行表面清潔維護(包括將發電損失的累計成本與計劃或非計劃的維護行為的成本進行比較的決策)。

除了在葉片表面的材料積聚，由於與空氣中的微粒的有力碰撞的累積效應，葉片的前邊緣在工作過程中可經歷腐蝕。腐蝕是葉片表面情況惡化的極端例子，其特徵在於表面材料的損失。

通過(a)採用控制策略以在葉片表面的當前清潔/汙髒狀態下最大化效率，如EP 2 818 698 A1所述，和(b)通過在最佳時間安排葉片清潔，以最小化在停機期間的發電量損失，渦輪機操作員可有利地使用葉片表面的清潔或汙髒狀態的認知。

因此，維護葉片的清潔表面情況是維護高風力渦輪機效率的關鍵。當前，通過簡單地視覺檢查來評估葉片的表面情況，這通過地基人員或沿著葉片檢查的服務人員(較少)進行。表面檢查非常少見，通常在選定的維護操作過程中進行，從而使得在採取補救措施之前風力渦輪機在汙髒葉片的情況下長時間工作。不幸的是，現在商業上沒有可用的產品或系統，用於連續地監測葉片表面情況。因此高度期望有這樣的系統，用於評估連續工作的葉片的表面情況，且能提供對汙髒等級的多種測量，使得能在風力渦輪機控制邏輯中進行定製，並且能對葉片清潔日程安排進行最佳計劃以使收益損失最小。

具有多種產品來監測葉片偏斜，以及葉片材料應變。例如，國家可再生能源實驗室技術報告(National Renewable Energy Labs Technical Report)NREL/TP-500-39253(2006年1月)教導了一種光學系統，用於測量在選定的葉展位置的葉片偏斜，而WO 2008/020242 A2公開了一種基於光學纖維的系統，其具有布拉格光柵，用於測量風力渦輪機材料應變，並且US 2011/0150649 A1教導了設置在葉片的外部的加速計的使用，以及從其信號獲得葉片偏斜的處理。這些系統在連續的基礎上執行葉片變形測量，而不需要在所產生的信號的評估過程中的人工介入。

還高度期望具有用於評估葉片的表面情況的系統，其使用用於信號分析的無需工人介入的技術，從而能在連續、自動的基礎上提供葉片表面情況的信號指示。

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

技術實現要素：

通過本發明的方法來實現根據本發明的目的。此外，通過本發明的葉片表面情況測量系統來實現根據本發明的目的。

本發明涉及一種對在空氣或流體流中圍繞旋轉軸線旋轉的葉片的表面情況進行估算的方法，所述方法包括以下步驟：

-測量葉片變形以確定實際葉片負載，該葉片變形指示作用在所述葉片上的葉片負載，

-測量葉片狀態信息以確定給定葉片操作狀態，所述葉片狀態信息指示葉片操作狀態，

-提供清潔表面空氣動力學圖，所述清潔表面空氣動力學圖將葉片負載與當所述葉片表面處於清潔狀態時的葉片操作狀態的全體相關聯，

-提供汙髒表面空氣動力學圖，所述汙髒表面空氣動力學圖將葉片負載與當所述葉片表面處於汙髒狀態時的葉片操作狀態的全體相關聯，

-通過將在所述給定操作狀態下所述實際葉片負載至由所述清潔表面空氣動力學圖所給出的葉片負載的距離與在所述給定操作狀態下所述實際葉片負載至由所述汙髒表面空氣動力學圖所給出的葉片負載的距離進行比較，估算所述葉片的表面情況。

優選地，葉片在葉片軸線的方向上延伸，橫向於或基本橫向於所述旋轉軸線延伸。例如，所述旋轉軸線是主軸的旋轉軸線，具體地，因此所述旋轉軸線也可以稱為主軸軸線。優選地，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。例如，所述葉片能圍繞葉片軸線相對於主軸旋轉。

根據優選實施例，葉片連接到圍繞旋轉軸線旋轉的轉子或形成該轉子的一部分。具體地，所述旋轉軸線可因此也被稱為轉子軸線。優選地，轉子剛性地連接到主軸。有利地，轉子包括轂，葉片連接到該轂。例如，葉片剛性地連接到轂。優選地，葉片可圍繞葉片軸線相對於該轂旋轉。具體地，葉片圍繞在所述轂上的葉片軸線可旋轉地安裝(例如，通過變槳軸承)。優選地，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，該葉片是機械零件。具體地，該葉片是風力發電機或水力發電機的葉片。優選地，轉子是機械零件。具體地，該轉子是風力發電機或水力發電機的轉子。有利地，該主軸是風力發電機或水力發電機的主軸。具體地，風力發電機也可被稱為風力渦輪機。

優選地，所述葉片狀態信息包括葉片方位角和/或葉片旋轉速度和/或空氣或流體密度和/或和空氣或流體速度。

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

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

根據優選實施例，葉片變形指示葉片根部應變和/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載，包括在揮舞方向和在擺振方向的葉片負載，並且更優選地包括扭轉負載。

根據優選實施例，所述操作狀態由動態壓力和代表性葉片迎角限定，所述動態壓力和所述代表性葉片迎角從所述葉片狀態信息得到。

優選地，從所述實際葉片負載去除重力和向心加速度對所述實際葉片負載的貢獻，以確定實際單純葉片負載。具體地，計算重力和向心加速度對所述實際葉片負載的貢獻，並且通過從所述實際葉片負載減去該貢獻而確定實際單純葉片負載。

根據優選實施例，所述清潔空氣動力學圖和所述汙髒空氣動力學圖利用單純葉片負載進行表達，並且基於所述單純葉片負載估算所述葉片的表面情況。

優選地，利用所述動態壓力對所述實際單純葉片負載進行標準化，以確定實際標準化單純葉片負載，利用標準化單純葉片負載對所述清潔空氣動力學圖和所述汙髒空氣動力學圖進行表達，並且基於標準化單純葉片負載估算所述葉片的表面情況。

根據優選實施例，通過使用所述葉片的實驗數據和/或數學模型來創建(或建立或生成或構建)各圖。具體地，各圖包括表格和/或數學函數。優選地，各圖是預定圖。

根據優選實施例，方法還包括以下步驟：

-提供參考葉片，

-當所述參考葉片表面處於清潔狀態時創建用於所述參考葉片的清潔表面空氣動力學圖，

-當所述參考葉片表面處於汙髒狀態時創建用於所述參考葉片的汙髒表面空氣動力學圖。

根據優選實施例，方法還包括以下步驟：

-產生指示所估算的葉片表面情況的信號。

本發明此外涉及一種葉片表面情況測量系統，所述系統用於具有在空氣或流體流中圍繞旋轉軸線旋轉的葉片的裝置，所述系統包括：

-用於測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載，所述葉片變形傳感裝置產生指示實際葉片負載的信號，

-葉片狀態傳感裝置，用於測量指示葉片操作狀態的葉片狀態信息，所述葉片狀態傳感裝置產生指示所述葉片狀態信息的葉片狀態信號，

-第一計算單元，用於確定給定葉片操作狀態，所述第一計算單元接收所述葉片狀態信號，並且產生指示所述給定葉片操作狀態的信號，

-主計算單元，用於估算所述葉片的表面情況，所述主計算單元接收指示所述實際葉片負載和所述給定葉片操作狀態的信號，所述主計算單元還能訪問

-清潔表面空氣動力學圖，所述清潔表面空氣動力學圖將葉片負載與當所述葉片表面處於清潔狀態時的葉片操作狀態的全體相關聯，和

-汙髒表面空氣動力學圖，所述汙髒表面空氣動力學圖將葉片負載與當所述葉片表面處於汙髒狀態時的葉片操作狀態的全體相關聯，

-所述主計算單元通過將在所述給定操作狀態下所述實際葉片負載至由所述清潔表面空氣動力學圖所給出的葉片負載的距離與在所述給定操作狀態下所述實際葉片負載至由所述汙髒表面空氣動力學圖所給出的葉片負載的距離進行比較，估算所述葉片的表面情況，

-所述主計算單元產生指示所估算的葉片表面情況的信號。

優選地，所述方法通過葉片表面情況測量系統來實施或執行，和/或所述葉片表面情況測量系統用來實施或執行該方法。具體地，可根據結合所述方法討論的所有變形來開發該葉片表面情況測量系統，和/或可根據結合所述葉片表面情況測量系統討論的全部變形來可發所述方法。

優選地，葉片在葉片軸線的方向上延伸，橫向於或基本橫向於所述旋轉軸線延伸。例如，所述旋轉軸線是主軸的旋轉軸線，具體地，因此所述旋轉軸線也可以稱為主軸軸線。優選地，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。例如，所述葉片能圍繞葉片軸線相對於主軸旋轉。

根據優選實施例，葉片連接到圍繞旋轉軸線旋轉的轉子或形成該轉子的一部分。具體地，所述旋轉軸線可因此也被稱為轉子軸線。優選地，轉子剛性地連接到主軸。有利地，轉子包括轂，葉片連接到該轂。例如，葉片剛性地連接到轂。優選地，葉片可圍繞葉片軸線相對於該轂旋轉。具體地，葉片圍繞在所述轂上的葉片軸線可旋轉地安裝(例如，通過變槳軸承)。優選地，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，該裝置是機械或機械部件或形成機械或機械部件。例如，該機械是風力發電機或水力發電機。具體地，該機械包括轉子。優選地，該機械部件是風力發電機或水力發電機的一部分。有利地，機械件是轉子或包括轉子。具體地，風力發電機也可被稱為風力渦輪機。

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

根據優選實施例，葉片狀態傳感裝置包括至少一個旋轉速度傳感器或旋轉編碼器(例如轉子編碼器)和/或至少一個空氣或流體密度傳感器和/或至少一個空氣或流體速度傳感器(例如風速計)和/或至少一個葉片俯仰傳感器或葉片俯仰測量單元。優選地，通過旋轉速度傳感器或旋轉編碼器來測量葉片方位角和/或葉片旋轉速度。具體地，通過空氣或流體密度傳感器來測量空氣或流體密度。優選地，通過空氣或流體速度傳感器來測量空氣或流體速度。具體地，通過葉片俯仰傳感器或葉片俯仰測量單元來測量葉片俯仰角。

根據優選實施例，由葉片變形傳感裝置所測量的葉片變形指示關於由葉片幾何形狀所限定的不同葉片方向的葉片力矩。優選地，葉片幾何形狀限定葉片擺振方向和葉片揮舞方向，所述葉片負載被分成沿著或關於所述葉片擺振方向作用的擺振葉片負載，和沿著或關於所述葉片揮舞方向作用的揮舞葉片負載。具體地，各距離由涉及擺振葉片負載的擺振距離和涉及揮舞葉片負載的揮舞距離組成。優選地，葉片幾何形狀被設計成以最小阻力而產生最大升力。

根據優選實施例，由葉片變形傳感裝置產生的信號指示葉片根部應變和/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生的信號指示葉片負載，包括在揮舞方向和在擺振方向的葉片負載，並且更優選地包括扭轉負載。優選地，由葉片變形傳感裝置產生的信號也可被稱為葉片變形信號或葉片信號。

根據優選實施例，葉片變形傳感裝置包括至少一個葉片應變傳感器和/或至少一個葉片偏斜傳感器。具體地，葉片變形傳感裝置包括用於由葉片幾何形狀所限定的各葉片方向的至少一個葉片應變傳感器和/或至少一個葉片偏斜傳感器。

根據優選實施例，所述操作狀態由動態壓力和代表性葉片迎角限定，由所述第一計算單元所產生的信號指示所述動態壓力和所述代表性葉片迎角。

優選地，所述系統還包括第二計算單元，第二計算單元用於計算重力和向心加速度對所述實際葉片負載的貢獻。具體地，所述系統此外還包括第三計算單元，第三計算單元用於從所述實際葉片負載減去或去除該貢獻，以產生實際單純葉片負載。

根據優選實施例，所述主計算單元接收所述實際單純葉片負載，其中利用單純葉片負載對清潔空氣動力學圖和汙髒空氣動力學圖進行表達，並且所述主計算單元基於所述單純葉片負載估算所述葉片的表面情況。

優選地，系統還包括第四計算單元，用於通過將所述實際單純葉片負載除以所述動態壓力而產生實際標準化單純葉片負載。具體地，所述主計算單元接收所述實際標準化單純葉片負載，其中利用標準化單純葉片負載對清潔空氣動力學圖和汙髒空氣動力學圖進行表達，並且所述主計算單元基於所述標準化單純葉片負載估算所述葉片的表面情況。

附圖說明

在下文中藉助於優選實施例且參考附圖更詳細地描述本發明，在附圖中：

圖1示出了具有轉子和轉子葉片的風力渦輪機，

圖2示出了風力渦輪機和轉子葉片的選擇部件，以及連接到一個葉片的葉片坐標系，

圖3示出了對於具有清潔和汙髒表面情況的葉片的標準化揮舞和擺振葉片負載對代表性葉片迎角的示例性變化。

圖4示出了本發明的實施例的部件，以及所測量和計算的信號的相關流動，以及

圖5示出了對於具有清潔和汙髒表面情況的葉片的性能係數對末端速率的例子。

具體實施方式

部分1：幾何形狀和術語

參考圖1和圖2，風力渦輪機由塔30、連接到塔30的機艙20，以及可旋轉地連接到機艙，圍繞旋轉軸線40旋轉的主軸41，連接到主軸41的轂50，和連接到轂50的兩個或更多個葉片100組成。

每個葉片100在葉片根部連接到轂50，並且直接連接到轂，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，並且允許葉片根部相對於轂50的旋轉運動。葉片根部和軸承52(或在沒有軸承的情況下的轂凸緣)位於共同的平面中，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圍繞主軸旋轉軸線40旋轉(如方向箭頭190所指示)時，葉片末端55的軌跡沿著在空間中的假想圓，其限定轉子平面，具有轉子平面法線方向。

如本領域中所公知，俯仰角(pitch angle)是在接近於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)和轉子平面之間的角度。當葉片渦輪機以最大空氣動力學效率工作，從而來自衝擊風(impinging wind)的最大動能被提取時，葉片具有相對於轂50關於葉片軸線106，以及相對於轉子平面的最佳旋轉定向。該最佳旋轉定向限定「零俯仰角」定向。典型地，「零俯仰角」定向的值是零或者接近於零的值。

當變槳軸承52允許葉片關於葉片軸線106旋轉時，葉片俯仰角是可變的，並且在工作過程中被指揮以控制從風提取的能量的量。具體而言，當渦輪機以最大空氣動力學效率工作時，具有額定風速，在該額定風速從風提取的能量與能由發電機產生的最大能量相匹配。高於該額定風速，俯仰(pitching)被致動，以減小空氣空力學效率，並且僅提取與發電機能處理的一樣多的能量。

葉片俯仰軸線106和「零俯仰角」定向限定葉片坐標系，其由{b1,b2,b3}表示並且在圖2中示出，其中b3方向沿著葉片軸線106，當葉片處於「零俯仰角」定向時，b1平行於轉子平面法線方向，且b2完成右手坐標系。葉片坐標系{b1,b2,b3}固定至葉片，並且當葉片俯仰時隨著葉片旋轉。

當風速高於零時，作用在葉片表面上的空氣動力的總和產生葉片負載，包括關於bi(i＝1,2,3)方向中的每個的葉片根部力矩。具體而言，關於b1軸線的葉片負載這裡被稱為「擺振(edgewise)葉片負載」，關於b2軸線的葉片負載這裡被稱為「揮舞(flapwise)葉片負載」，並且關於b3軸線的葉片負載這裡被稱為「扭轉葉片負載」。

這裡，「汙髒」葉片表面情況被定義成指葉片表面情況從預選葉片表面情況的任何變化，預選葉片優選地代表與最佳的或「按設計和預期的」葉片表面情況相對應的葉片表面情況。若干種葉片表面變化引起汙髒葉片表面情況。第一種變化是無機物質(諸如灰塵或冰)，或者有機物質(諸如昆蟲)在葉片表面上的積聚，導致增加表面粗糙度，伴隨著動力動力學性能的退化。第二種變化是表面安裝的空氣動力學附屬物的損失，其被設計成改進葉片的空氣動力學性能。空氣動力學附屬物的例子包括表面狀的漩渦發生器。第三種變化是通過表面腐蝕過程的表面材料的損失。

當這些表面安裝的附屬物從表面被去除(諸如由於外物對葉片的衝擊)時，附屬物的有利的空氣動力學效應丟失。因此，葉片保持在改變表面情況，其與初始設計相比提供較差的空氣動力學性能。改變表面情況包括在我們所定義的「汙髒」葉片表面中。

此外，這裡所使用的術語「葉片負載」明確地旨在涵蓋其它等價葉片工程量，其與葉片負載相關，但是使用與用於負載的標準工程單位(即，牛頓)不同的物理單位。其它等價工程量的實例包括以百分比測量的葉片材料應變，以米測量的在選定葉展位置的葉片偏斜，以牛頓-米測量的葉片根部力矩。

部分2：系統空氣動力學圖

在任何給定瞬間，葉片處於給定的操作狀態。給定操作狀態由代表性的葉片迎角α和「動態壓力」Q限定。這些量由空氣密度、在轉子處的估算風速、和渦輪機集合狀態(葉片旋轉速度、俯仰角)而得到，如下文中進一步所述。

對於具有給定表面情況的給定葉片幾何形狀，構建或創建空氣動力學圖(這裡用符號M表示)。空氣動力學圖M由在作為自變量的葉片操作狀態、作為因變量的葉片負載之間的表格形式或函數形式的關聯或關係構成，葉片負載從葉片變形信號或測量的葉片變形得到。

基本有兩種方法來構建或創建空氣動力學圖。第一種方法使用葉片的數學模型來形成該圖。數學模型通常在數值上解決，並且葉片空氣動力學的數值模擬是本領域中公知的處理。在該處理中，可基於風洞測量來對葉片表面情況(例如，清潔或汙髒)的效果進行建模，其中使用良好定義的表面粗糙度。數學建模的主要優點是在模擬中所使用的風場的認知和控制，而主要缺點在於計算的葉片變形受制於建模近似，因此可在一定程度上不精確。

構建或創建空氣動力學圖的第二種方法使用實驗數據來提供在實際渦輪機上的測量的葉片變形。渦輪機以特定方式工作，以基於直接測量的值來產生空氣動力學圖。如下所述，用於產生所需的表格數值的一種可能方法是讓渦輪機以選定速度空轉，同時同步測量轉子速度和風速。空轉渦輪機的特徵在於旋轉葉輪的同步電力提取最小。由於最小電力提取，轉子所感應的速度基本為零，並且因此渦輪機安裝的風速計提供在轉子平面的風速的真實值(當風速計在經過的葉片之外)。在空轉期間的旋轉速度應被選擇為在額定風速之下，渦輪機的最大旋轉速度的至少四分之一，且優選地至少一半。為了實現期望的空轉速度，一個葉片被選擇為產生空氣動力學升力，並且被用作測量，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子平衡。實驗模型的主要優點是葉片變形數據的精度，而主要缺點是對轉子平面的風速的估算。

為簡潔起見，我們提出了使用葉片負載作為因變量的優選實施例的空氣動力學圖的構建，然而對於本領域普通技術人員而言，可使用指示葉片負載的其它葉片信號來構建空氣動力學負載，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變。

在空氣動力學圖中的獨立和相依的量從原始測量信號獲得。原始測量信號在不同的風力渦輪機操作條件，因此在不同的時刻測量，並且這裡我們在一個特定時刻獲得的測量值用下表「i」表示。空氣動力學圖的構建是五步處理(步驟m1-m5)，如下所示：

步驟m1：

在每個測量時刻「i」，對於每個葉片進行以下測量：

轉子速度(葉片旋轉速度)，Ωi(rad/sec)

葉片方位角，Ψi(rad)

葉片俯仰角，βi(rad)

空氣密度，ρi(kg/m3)

在風力渦輪機處或附近的風速的測量值，Vi(m/s)，其用於構建自變量，和

在方向b1的葉片信號{Pi}，和

在方向b2的葉片信號{Ri}

並且優選地也包括

在方向b3的葉片信號{Ti}

其用於構建因變量。葉片信號Pi、Ri和Ti是至少葉片變形的指示，並且可以是葉片應變，更優選地在選定葉展位置的葉片位移，並且更優選地葉片根部力矩。如上所述，我們將術語限於「葉片負載」，而不會損失普遍性。

步驟m2：

從葉片負載中去除重力和向心力分量。在第一實施例中，在每個測量時刻「i」進行該去除。在第二實施例中，在時刻「i」去除葉片負載由於重力和向心加速度的恆定分量，並且之後通過在一個完整轉子旋轉中對葉片負載進行平均，而去除剩餘的周期性分量(變量Ψ)。

在第一實施例中，通過第一計算而進行由於重力和向心加速度的葉片負載的去除，其使用數學模型，僅由於重力作用和轉子旋轉的葉片負載(這些葉片負載在這裡通過下標G表示)，並且然後從測量值減去該計算所得的就葉片負載，以得到單純的葉片負載：

使用瞬時風力渦輪機幾何狀態(通過轉子旋轉速度Ωi、葉片方位角Ψi、葉片俯仰角βi、風力渦輪機的軸傾角、葉片錐角、和葉片幾何形狀，包括葉片質量分布和葉片形狀來描述)來進行由於重力和向心加速度的葉片負載的計算。優選地，在時刻「i」的瞬時葉片形狀用於的計算。具體地，當葉片測量系統提供在選定葉展位置的葉片偏斜的測量值時，從這些偏斜值能估算瞬時葉片形狀。當沒有直接測量葉片偏斜時，可以使用數學模型來估算葉片偏斜值，其中從估算的風速Ui和測量的轉子旋轉速度Ωi來計算空氣動力學負載。

在第二實施例中，在每個時刻「i」去除葉片負載由於重力和向心加速度的恆定分量，並且在第二步驟中通過在一個完整轉子旋轉中對葉片負載進行平均，而去除隨著葉片方位角Ψi變化的剩餘周期性分量。該平均處理在下文中的部分「步驟m4」中描述。葉片負載的恆定分量是由於主軸傾角、葉片錐角、離心力，但是獨立於葉片方位角Ψi。葉片負載的這些恆定分量可使用渦輪機的數學模型(包括葉片幾何形狀和質量分布)來計算，並且可通過包括在時刻「i」的負載下的葉片瞬時葉片變形的估算值而做到最精確。可從在特定葉展位置的葉片偏斜的測量值來估算瞬時葉片變形，或者可選地，通過結合葉片結構屬性的描述的數學模型來估算瞬時葉片變形，其中從估算的風速Ui和測量的轉子旋轉速度Ωi來計算空氣動力學負載。

在第三實施例中，通過在特定葉片方位角的葉片負載的有條件採樣而進行由於重力和向心加速度的葉片負載的變化的去除。有條件採樣意味著以下步驟：監測葉片方位角，並且當葉片方位角處於特定葉片方位角附近的窄定義區間內(諸如零度的特定葉片方位角，區間從359度至1度)時，觸發葉片負載測量。更加優選地，特定葉片方位角對應於葉片位置，在該葉片位置由於重力產生的負載在葉片彎曲方向最小，並且在葉片軸向上最大，諸如當葉片被豎直定位時。在該位置，作用在葉片上的重力負載的效果導致在揮舞和擺振方向上的葉片位移最小。

基於葉片方位角的有條件採樣的處理強化了重力對於葉片負載的貢獻總是基本相同。因此，有條件採樣處理去除了由於重力的葉片負載變化。有條件採樣可被擴展至兩個或更多個方位角，諸如葉片豎直向上位置和葉片豎直向下位置，從而取這兩個方位角處的葉片負載的總和。

步驟m3：

計算代表性的葉片迎角αi和「動態壓力」Qi。代表性的葉片迎角如下定義：

其中r是葉片半徑，Ui是估算的在轉子平面的風速(定義為當風作用在轉子平面上時為正)，並且俯仰角βi在朝向完全順槳位置時為正，這符合在風能行業中使用的標準定義。形容詞「代表性」在該術語中使用，這是由於葉片的每個葉展部分的局部迎角根據局部風速而變化，並且局部葉片扭轉角由葉片自身的幾何形狀給定。由公式(4)給出的α的值提供了整個葉片的代表性迎角，結合了沿著葉片的葉展的全部局部迎角的效果總和。優選地，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。

Ui的值很少直接測量，且必須從其它數據推出。能從其確定Ui的可能信息源例如包括連接到機艙20的外部的杯基(cup-based)或超聲風速計10、或者位於轉子平面的前方或後方的超聲風速計，安裝在渦輪機上的遠程風檢測系統(例如，LIDAR)，或基於葉片變形的單元，如WO 2011/051194 A1中所述。

杯基或超聲風速計10信號Vi可用作對Ui的緊密近似，如果考慮了阻擋或更改效應(諸如被葉片風阻擋)和機艙的流動畸變效應。通常，風力渦輪機製造商提供了對這些阻擋或更改效應進行補償的轉移函數，從而這些轉移函數採用原始風速計信號Vi作為輸入，並且返回遠在渦輪機前方的風速的估值U∞(Vi)。本領域技術人員然後能估算轉子誘導速度Uind的量級，並且從而使用下式獲得在轉子平面的風速

Ui＝U∞(Vi)-Uind

當渦輪機處於最大空氣動力學效率時，誘導速度的良好估算是自由流速度的1/3，從而估算的Ui＝0.66U∞(Vi)。簡單的估算是將誘導速度作為自由流速度的1/3。

這裡「動態壓力」被定義為經典動態壓力乘以葉片半徑r的三次方

並且具有單位Nm，因此在葉片負載被選為葉片根部力矩時等於葉片負載的單位，儘管與葉片信號的維量單位的嚴格等價不是必須的。例如，與葉片半徑的三次方的相乘是可以忽略的，導致單位是帕斯卡而不是牛頓-米。

代表性葉片迎角α和動態壓力Q的組合限定葉片操作狀態。

單純的葉片負載採用「動態壓力」被標準化，並且在一個轉子旋轉上被平均，產生標準化的單純葉片負載

其中c是葉片的最大弦。平均處理由於下文中的原因而被引入。

與其中風速是完全已知且可測量的計算機模擬相對比，在實際風力渦輪機操作過程中，在轉子平面的實際風速Ui通常沒有被測量且需要被估算。杯基或超聲波類型的風速計10是在基本全部商用風力渦輪機中能找到的標準裝置，因此是從其對在轉子處的平均風速Ui進行估算的方便信息來源。不幸的是，杯基或超聲波風速計10測量在空間中的單個點的風速，而不是在整個轉子掃掠區域上的風速，因此其報告的風速值沒有包含在轉子掃掠區域上的風速和風向的空間變化的信息。諸如豎直風切、水平風切、和風轉向的風場梯度效應被排除在風速計信號之外，然而這些被排除的風效應確實影響沿著葉片的瞬時迎角。

由於轉子葉片在該複雜風場中旋轉的事實，由於風場梯度效應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。然後，在轉子處的估算風速Ui可以被認為是來自風速計10的信號(如本領域中所公知，在使用風速計的工業標準轉移函數之後)，只要葉片負載在一個轉子旋轉上被平均以產生平均的標準化葉片負載。應理解，如果需要，在上述方程中的積分運算可被替代為等價的離散求和。平均處理基本將葉片信號由於風場梯度的周期性分量，以及由於重力的力矩周期性分量去除。

步驟m5：

通過將包括作為獨立變量的代表性葉片迎角α和估算動態壓力Q的葉片操作狀態與標準化單純葉片負載Medge、Mflap和Mtors的每個進行關聯和建立關係，而構建或創建空氣動力學圖M。這些關聯或關係可以數學形式表示為：

Medge＝Medge(α，Q)

Mflap＝Mflap(α，Q)

Mtors＝Mtors(α,Q)

空氣動力學圖M是這些關聯或關係的合併：

在下文的描述中，我們使用符號來表示特定圖Mc的Medge(α,Q)與Mflap和Mtors的類似符號的關聯或關係。需要該符號以將由不同圖給出的關聯或關係之間進行區分。

在多個時刻「i」所測得的測量值的集合被用於構建或創建該關聯或關係。該關聯或關係可用作函數形式，從而公式在給定葉片操作狀態(由代表性葉片迎角α、和估算的動態壓力Q描述)的情況下計算標準化的單純葉片負載，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，優選地使用插值，來生成標準化的單純葉片負載。在構建或創建該關聯或關係的函數形式時，可採用諸如多項式插值的插值公式，或者諸如神經網絡等的更複雜的公式。在構建或創建該關聯或關係的表格形式時，關心的α和Q的範圍被離散化成收集容器(collection bin)，並且落入每個收集容器的標準化的單純葉片負載被平均以給出用於每個收集容器的代表性標準化單純葉片負載。

部分3：系統校準

商業上生產的風力渦輪機通常被配置成風力渦輪機類型，使得基於選擇的渦輪機類型的全部渦輪機具有相同的部件、幾何形狀和葉片。通常通過最大電功率、轉子直徑和渦輪機應工作所處的風級(例如，IEC分類)來確定渦輪機類型。這裡，我們將「參考渦輪機」和「參考葉片」分別標記為所選渦輪機類型和葉片類型的特定實例，其被選擇為良好工作的渦輪機類型。

系統基準優選在現場渦輪機的葉片處於乾淨表面情況的時候進行。為了進行系統校準，構建或創建用於乾淨表面情況的葉片的空氣動力學圖Mc。系統校準包括三個步驟(步驟c1-c3)。

步驟c1：

選擇至少一個收集容器，其特徵在於代表性葉片迎角α、動態壓力Q、和葉片俯仰角β的值的選定範圍。例如，該至少一個收集容器包括其中代表性葉片迎角α在區間[8.0,8.5]度中，動態壓力Q在區間[3.3×108,3.7×108]Nm中，並且葉片俯仰角在區間[-0.25,0.25]度中的全部風力渦輪機實例。

關於該至少一個收集容器的選擇，我們注意到，儘管能在葉片所見的風速高於零(即，相對於葉片的風速)的任何時間進行該系統校準，優選實施例將收集容器選擇為與在正常風力渦輪機操作期間的風力渦輪機值相一致，以允許在風力渦輪機連續工作時的高數據收集率，從而避免需要渦輪機關機或降低功率或對風力渦輪機操作邏輯進行其它變化，從而避免由於動氣動力學校準本身引起的風力渦輪機發電損失。

另外，因為風力渦輪機在低於額定風速下操作的特徵在於最小的葉片俯仰角變化，風力渦輪機邏輯可被改變以在渦輪機低於額定的同時，且正在進行空氣動力學校準的同時發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仍能使得在進行空氣動力學校準的同時，渦輪機基本在最大效率下工作。因此，優選選擇至少一個收集容器，以對應於風力渦輪機在低於額定速度下操作，且具有零俯仰活動。

步驟c2

在渦輪機工作期間，葉片信號在時間間隔i被收集，並且根據上述步驟m1、m2、m3、m4和m5被處理。測量i的代表性葉片迎角αi、動態壓力Qi和俯仰角βi被測試，以看它們是否在至少一個收集容器定義的α、Q和β的範圍定義內，並且如果是，則該時間間隔的數據被添加到收集容器中(當然，在開始校準之前，收集容器值必須被初始化為零)。在為該數據收集分配的時間段的結尾，在至少一個收集容器中的全部數據的平均值被平均，以產生平均的代表性葉片迎角平均動態壓力平均俯仰角和平均力矩和

步驟c3：

給定具有非零數據的至少一個收集容器，計算空氣動力學校準係數K1和K2，使得誤差

被最小化，其中

並且其中Mc是用於具有清潔表面情況的參考葉片的空氣動力學圖。常數c1具有大於1的預選值，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)中的第一和第二項的貢獻為可相比較的量級。變量K1和K2執行縮放功能，校正在研究中的葉片和參考葉片之間的預計小變化。K1和K2的值描述各特定風力渦輪機葉片的特徵並校準該葉片。在特定渦輪機葉片與參考葉片的特性完全匹配的情況下，則K1＝1且K2＝1。

可使用另一渦輪機操作點來檢查該校準處理。參考圖5，本領域中公知的性能的渦輪機係數Cp被示為與末端速率(水平軸線)相對，且與俯仰角(在圖中通過兩個任意選擇的值β1和β2來指示)相對。圖中的左圖顯示清潔葉片在選定風速下的Cp，且右圖顯示汙髒葉片在相同風速下的Cp。

在730所指示的點處，性能係數Cp最大。渦輪機大部分時間在該點附近工作。在更高的末端速率，性能係數下降，直到到達零值，如731所示。這裡該操作點被稱為自由旋轉操作點。可通過讓渦輪機在低風速下自由旋轉而到達該自由旋轉操作點。具體而言，渦輪機在沒有任何大量力矩作用在主軸41上的情況下操作。通過關掉發電能大體實現零力矩。

出現零相交731的末端速率取決於風速，以及取決於葉片的表面情況。例如，與清潔葉片的相交點731相比，汙髒葉片的相交點733出現在較低的末端速率。通過測量在自由旋轉操作點的轉子的風速和旋轉速度，並且通過參考之前創建的將在Cp零相交點處的末端速率與風速和葉片表面情況相關聯的表格，可能計算連接到轂的全部葉片的平均表面情況。在校準處理後很快測量該平均表面情況，應當基本匹配清潔葉片的平均表面情況，因為在假設葉片是清潔的情況下進行校準。

部分4：系統操作

為了本發明的目的，對於參考葉片創建了兩個空氣動力學圖。以Mc指示的第一空氣動力學圖是在參考葉片具有清潔表面情況時構建或創建的空氣動力學圖。該圖經在上文校準的描述中引入。以Md指示的第二空氣動力學圖是在參考葉片具有粗糙或汙髒的表面情況時構建或創建的空氣動力學圖。例如，可通過將粗糙條帶或補丁連接到葉片表面上以表示預期的現場情況，而施加這樣預定的表面粗糙度。可選地，所使用的參考葉片可以是安裝在現場的實際葉片，葉片在表面上具有充分大量的髒汙，以良好地代表處於「汙髒」表面情況的參考葉片。

圖3示出了Mflap/Q對代表性葉片迎角α的總體趨勢，對於清潔葉片，表示為線200，且對於汙髒葉片，顯示為線220。圖中還示出了Medge/Q對代表性葉片迎角α的總體趨勢，對於清潔葉片，表示為線270，且對於汙髒葉片，顯示為線250。對於相同的動態壓力Q和代表性迎角α，具有汙髒表面情況的葉片產生較小的升力和更大的阻力。點204和224分別表示清潔和汙髒葉片表面情況的總體「附著流」區域的結束以及總體「分離流」區域的開始。總體「附著流」區域的特徵在於在葉片之上的空氣流動基本完全跟隨葉片表面的輪廓，從而產生最大空氣動力學效率。總體「分離流」區域特徵在於葉片的很大一部分處於部分或完全失速狀態，其中空氣流動在沒到達螺旋槳的後邊緣之前很遠就停止跟隨葉片表面，從而形成分離流區域，其導致損失空氣動力學效率。這裡的詞「總體」用於清楚說明Medge和Mflap的值是表示整個葉片所產生的總升力和阻力。也就是說，對於整個風力渦輪機葉片，在各葉展位置的升力和阻力的貢獻被總計，以得到葉片所產生的總升力和阻力。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生流分離，並且葉片仍然操作在圖3的總體「附著流」區域中。其中總體「附著流」區域結束且總體「分離流」區域開始的代表性葉片迎角α在這裡被稱為代表性葉片失速角。最優選地，至少一個收集容器被定位成用於小於代表性葉片失速角的代表性葉片迎角α值的範圍，以保證葉片操作在總體「附著流」區域。

在操作過程中，在採樣時間t＝ti，風速計10產生信號Vi(參見圖4)。這裡，我們使用速記符號Vi來表示在時間t＝ti獲得的V的值，因此Vi＝V(ti)，且類似的符號用於其它信號。同時(例如在時間t＝ti)，轉子編碼器42產生兩個信號，一個指示瞬時轉子方位角Ψi(rad)，且另一個指示轉子旋轉速度Ωi(rad/s)。還同時地，空氣密度傳感器62產生指示空氣密度ρi的信號，並且葉片俯仰角測量單元102產生指示葉片俯仰角βi的信號。指示Vi、βi、Ψi、Ωi和ρi的信號被傳輸至第一計算單元300，用於計算在轉子平面的風速Ui，以及根據方程(4)和(5)來計算相關的代表性葉片迎角αi和動態壓力Qi。第一計算單元300還計算在相應瞬時數值的最後一個旋轉上平均的平均代表性葉片迎角和平均動態壓力

其中符號αj和Qj表示在最後一個旋轉期間在之前的採樣時間tj獲得的數值，Ψ(ti)-2π＜Ψ(tj)＜Ψ(ti)。

同時，在時間t＝ti，葉片變形傳感裝置104測量指示葉片負載的葉片變形，並且處理這些信號以產生指示實際葉片負載的信號，包括關於葉片b1軸線的實際葉片負載Pi，關於葉片b2軸線的實際葉片負載Ri，並且優選地，關於葉片b3軸線的實際葉片負載Ti。

指示βi、Ψi和Ωi的信號被進一步傳輸至第二計算單元310，在那裡在風力渦輪機模型的幫助下計算由於重力和向心加速度的瞬時葉片負載。因此，產生信號PiG、RiG和TiG。

信號Pi、Ri和Ti和PiG、RiG和TiG被傳輸至第三計算單元320，在那裡根據方程(1-3)通過從實際葉片負載減去重力和向心葉片根部力矩而計算實際單純葉片負載和

代表實際單純葉片負載和的信號和指示瞬時動態壓力Qi的信號被傳輸至第四計算單元330。該第四計算單元使用等價於(6-8)的公式來計算實際標準化的單純葉片負載Medge、Mflap、以及優選地Mtors，其中在最後一個轉子旋轉上進行平均：

其中符號等指示在最後一個旋轉期間在之前的採樣時間tj獲得的數值，Ψ(ti)-2π＜Ψ(tj)＜Ψ(ti)。

指示葉片操作狀態(如由平均代表性葉片迎角平均動態壓力所定義的)的信號，和指示實際標準化單純葉片負載Medge、Mflap、以及優選地Mtors的信號被傳輸至主計算單元340。另外，使校準係數K1＝1且K2＝1的值對於主計算單元340是已知的。例如，這些值被寫入到內部非易失性存儲器。另外，使從具有清潔表面情況的參考葉片得到的空氣動力學圖Mc和從具有完全汙髒表面情況的參考葉片得到的空氣動力學圖Md對於主計算單元340是已知的。例如，數據被寫入到內部非易失性存儲器。

在優選實施例中，主計算單元340檢查如由平均代表性葉片迎角和平均動態壓力所定義的葉片操作狀態是否與用於定義至少一個收集容器的葉片操作狀態相一致(即，和在定義該至少一個收集容器的α和Q的範圍內)。如果檢查結果是肯定的，則實際標準化單純葉片負載Medge、Mflap、以及優選地Mtors被添加到該至少一個收集容器的相應值中，並且至少一個收集容器計數器N加1。檢查和在至少一個數據容器中累計數據的該處理繼續，直到容器計數器N超過預定值。一旦N超過該預定值，該檢查和累計的處理結束，並且對於至少一個收集容器的實際平均標準化單純葉片負載，

Medge、Mflap、以及優選地Mtors

通過將該實際標準化單純葉片負載的累計值除以該至少一個收集容器計數器N而估算。然後主計算單元340繼續進行以估算葉片表面情況。在一4步處理中產生該估算值(步驟p1-p4)：

步驟p1

使用在清潔和汙髒空氣動力學圖之間的線性插值創建空氣動力學圖M0，其具有該圖通過汙髒指示變量η參數化的特性。

其中η被限於0(指示清潔葉片)至1(指示完全汙髒葉片)之間的值。

步驟p2

引入偏差(deviatory)應交變量Δα，其中偏差迎角被定義為代表性葉片迎角中在實際葉片迎角和代表性葉片迎角之間的偏差。因為誘導速度的值隨著葉片表面情況而改變，因此預料到有偏差。因此，Δα的值事先未知，並且通過主計算單元340進行計算；

步驟p3

平均的代表性葉片迎角和平均的動態壓力限定給定的葉片操作狀態。主計算單元340通過將在給定操作狀態下實際平均標準化單純葉片負載至清潔表面標準化單純葉片負載的距離與在給定操作狀態下實際平均標準化單純葉片負載至汙髒表面標準化單純葉片負載之間的距離進行比較，而估算葉片的表面情況。具體而言，限定誤差函數ε(η，Δα)以提供所述距離的度量，並且進一步使得誤差函數取決於汙髒指示η以及偏差的迎角Δα。誤差函數可能形式為：

其中平方項等提供距離的度量，並且其中使用速記常數c1的值採用與校準處理(參見方程(10))中所使用的相同值。可限定用於該誤差函數的其它函數形式，假如保持η和Δα的函數相關性。例如，可包括扭轉葉片負載分量。作為進一步的例子，在多於一個收集容器的情況下，在全部收集容器上採用誤差：

其中B是收集容器的數量，並且下標b指示與一個特定收集容器相關的值。

步驟p4

計算使得誤差函數ε最小的汙髒指示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。通過主計算單元340來生成指示汙髒指示η的信號，用於在風力渦輪機的控制、或者風力渦輪機操作的其它方面中進一步使用，該其它方面包括但不限於最佳維護計劃。

附圖標記列表

10 風速計

20 機艙

30 塔

40 旋轉軸線

41 主軸

42 轉子編碼器

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 葉片俯仰角測量單元

104 葉片變形傳感裝置

106 葉片軸線

300 第一計算單元

310 第二計算單元

320 第三計算單元

330 第四計算單元

340 主計算單元

α 代表性葉片迎角

β 俯仰角

η 汙髒指示

Δα 偏差葉片迎角變量

Q 動態壓力

M 空氣動力學圖

Mc 清潔空氣動力學圖

Md 汙髒空氣動力學圖

K1和K2 空氣動力學校準係數

∈(η，Δα) 誤差函數

{b1，b2，b3} 葉片坐標系

Pi，Ri，Ti 實際葉片負載

實際單純葉片負載

Medge，Mflap，Mtors 實際標準化單純葉片負載

實際平均標準化單純葉片負載