一种外置式风力机结冰探测器及风力机结冰探测方法技术

本发明专利技术公开了一种外置式风力机结冰探测器及风力机结冰探测方法，目的在于解决现有的风力机结冰探测方法中外形的设计只能针对设计风速条件下，如果来流不在设计风速条件下时，误差较大，且应用受限的问题。该探测器包括柱体、传感器，柱体包括前端、与前端光滑相连的后端，前端上设置有至少两个不同半径的圆弧端，传感器分别设置在圆弧端处。本发明专利技术的外置式风力机结冰探测器独立于风力机之外，同时结合其上的结冰信息以及风力机本身控制系统上的相关信息，根据气象条件、外置式风力机结冰探测器结冰信息与风力机结冰之间的相关性处理系统，将外置式风力机结冰探测器上的结冰数据外推得到风力机上的结冰分布情况。本发明专利技术安装方便，适应性强。

【技术实现步骤摘要】
一种外置式风力机结冰探测器及风力机结冰探测方法
本专利技术涉及结冰探测领域，尤其是风力机结冰探测领域，具体为一种外置式风力机结冰探测器及风力机结冰探测方法。
技术介绍
随着全球能源需求和环境污染形势的日益严峻，发展可再生能源已成为世界各国科技发展的战略需求。由于风能具有易于获得、可再生、无污染、潜力巨大等特点，因而其是可再生能源中近期最有前景的大型能源。据专家估计，风电将在2020年之后超过核电成为第三大主力发电电源；2050年可能超过水电，成为第二大主力发电电源。我国疆域辽阔，气象条件复杂，风资源蕴藏巨大，其中主要集中在我国的“三北”(东北、华北、西北)地区。而这些地方在冬季都存在风雪霜冻现象，给风力机的运行带来了极大危害，甚至波及电网的安全运行。在高海拔、湿冷环境下，运行的风力机冬季经常出现严重的表面结冰现象，而风力机叶片的结冰会严重影响风力机的气动性能和运行安全，给风力机带来极大危害。而目前，在风力机叶片结冰状态检测领域的研究和应用还处于初期阶段，缺乏有效的风力机叶片结冰检测工具，难以对风力机叶片结冰进行实时监测。因此，发展风力机叶片结冰的监测系统，及时准确获取风力机叶片的结冰状态，并根据结冰情况进行有效预警，控制和消除结冰对风力机的危害，对风力发电事业具有很重要的意义。为对风机进行结冰检测，当前通常采用以下途径和方法。1、依靠工作人员用望远镜等设备在地面进行观测。由于风电场面积十分广阔，受地形、风向等因素的影响，风电场中各风力机的结冰现象呈现显著的不均匀性，也难以通过抽样监测的方式来对风电场内所有风机叶片的结冰情况进行判断。同时，面对高高耸立的风力机塔和旋转中的叶片，如果没有检测工具，仅凭人在地面观测也是十分困难，而对风电场内风机进行逐一人工监测更是一个事倍功半的事情，不仅费时费力，且成效较差。2、将结冰传感器嵌入至风力机叶片上，通过传感器检测叶片上的结冰情况。采用该方式能够得到比较准确的结冰信息，而且可以全天候监测结冰。其不足之处是需要在完整的叶片上打孔，或者在叶片生产时预留加工孔，这不但会带来额外的制造加工负担，还会破坏叶片的完整性，降低部件的抗疲劳性能。3、美国goodrich等公司，采用外置的探测方式检测叶片上的结冰情况。然而，其仅仅根据探测器的极限结冰值来判断叶片是否出现结冰，不能给出叶片不同位置处的结冰分布情况，也不能满足相应探测要求。综上所述，当前的风力机结冰探测方式存在人工观测等方式效果很差、叶片本身安装传感器的方式会破坏叶片结构、Goodrich等公司的现有外置探测方式仅能给出有无结冰的判断而不能给出结冰分布等详细信息等局限，导致风力机结冰的探测效果均不佳。因此，目前迫切需要一种新的装置或方法以解决上述问题。
技术实现思路
针对该问题，申请人的团队曾发表文章公开过一种外置式风力机结冰探测器的设计方法，其可以根据设计的不同曲率半径处的水滴收集系数的关系，找到相应的探测点，并结合结冰分析技术，给出叶片不同位置处的结冰分布情况。图1中给出了其中的风力机结冰探测器的结构示意图。然而，该方法存在如下几方面局限。首先，该方法中外形的设计只能针对设计风速条件下，如果来流不在设计风速条件下时，误差较大。其次，如图1所示，该方式是通过外形的曲率连续变化，需要结合探测器的水滴撞击特性与风力机的水滴撞击特性的对比分析，才能找到合适的传感器安装点，刚好使得其水滴收集率之比满足一定的关系，这就需要针对不同的风力机设计不同的外形，寻找不同的传感器安装方式，这也限制了其的应用。为此，申请人在前期研究的基础上，进行了进一步研究，最终得到了本专利技术的技术方案。针对上述存在的问题，本专利技术提供一种外置式风力机结冰探测器及风力机结冰探测方法。本专利技术的外置式风力机结冰探测器独立于风力机之外，同时结合其上的结冰信息以及风力机本身控制系统上的相关信息，根据气象条件、外置式风力机结冰探测器结冰信息与风力机结冰之间的相关性处理系统，将外置式风力机结冰探测器上的结冰数据外推得到风力机上的结冰分布情况。本专利技术安装方便，不需改变风力机的气动布局和整体结构，且通用性好，同一种结构可适用于任意风力机。本专利技术的方法综合了气候条件的计算与分析，能适用于不同的风速、液态水含量等气候条件，可用于安装在不同地域的风力机上，同时本专利技术还耦合了结冰分析技术，可实时检测风力机叶片上的结冰情况，并能给出叶片不同部位的结冰分布情况，可用于风力机结冰下的安全防护。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种外置式风力机结冰探测器，包括柱体、传感器，所述柱体包括前端、与前端光滑相连的后端，所述前端上设置有至少两个不同半径的圆弧端，所述传感器分别设置在圆弧端处。所述柱体为一个，所述柱体的前端上设置有至少两个不同半径的圆弧端。所述柱体为至少两个，单个柱体的前端上设置有至少一个圆弧端，至少有两个圆弧端的半径不同。所述柱体为两个，单个柱体的前端分别设置有两个不同半径的圆弧端，所述两个柱体相同。所述前端与后端采用活动连接或固定连接。所述前端与后端采用一体成型。采用前述外置式风力机结冰探测器的风力机结冰探测方法，包括如下步骤：(1)设计外置式风力机结冰探测器，其包括柱体、传感器，柱体包括迎风的前端、与前端光滑相连的后端，前端上设置有至少两个不同半径的圆弧端，传感器分别设置在圆弧端处；(2)将步骤1中的外置式风力机结冰探测器设置在风力机上；(3)选取风力机不同风速、不同过冷水滴平均粒径下的典型状态，通过计算，得到不同状态下风力机叶片各处的水滴收集率分布情况；(4)采用计算或者实验的方法，得到不同水滴平均粒径、来流风速条件下，外置式风力机结冰探测器不同半径圆弧端的水滴收集率；(5)根据步骤4的结果，得到水滴平均粒径、来流风速、水滴收集率之比这三个变量之间的相互对应关系曲线；(6)通过外置式风力机结冰探测器得到不同半径圆弧端的结冰厚度，不同半径圆弧端的水滴收集率之比等于结冰厚度之比；(7)测定得到风速；(8)基于步骤5得到的关系曲线，根据不同半径圆弧端处水滴收集率之比和步骤7测定的风速这两个量，采用插值的方法，得到空气中的过冷水滴平均粒径；(9)基于步骤3中各种典型状态下的水滴收集率分布，根据步骤7、步骤8中分别得到的风速、过冷水滴平均粒径，插值得到对应的风力机叶片上各处的水滴收集率分布规律；(10)基于步骤3中各种典型状态下的水滴收集率分布，根据步骤7、步骤8中分别得到的风速、过冷水滴平均粒径，插值得到对应的外置式风力机结冰探测器圆弧端处的水滴收集率分布规律；(11)根据步骤9得到的风力机叶片上各处的水滴收集率分布规律、步骤10得到的外置式风力机结冰探测器圆弧端处的水滴收集率分布规律、步骤6得到的不同半径圆弧端的结冰厚度，可以得到风力机叶片上的结冰分布规律。所述步骤1中，柱体为两个，两个柱体的外形相同，单个柱体的前端分别设置有两个不同半径的圆弧端。如前所述，图1中给出了申请人在先公开文章中风力机结冰探测器的结构示意图。其通过外形的曲率连续变化，需要结合探测器的水滴撞击特性与风力机的水滴撞击特性的对比分析，才能找到合适的传感器安装点，刚好使得其水滴收集率之比满足一定的关系，这就需要针对不同的风力机设计不同的外形，寻找不同的传感器安装方式，因而也导致了前述局限性的存在。针本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种外置式风力机结冰探测器，其特征在于，包括柱体、传感器，所述柱体包括前端、与前端光滑相连的后端，所述前端上设置有至少两个不同半径的圆弧端，所述传感器分别设置在圆弧端处。

【技术特征摘要】
1.一种外置式风力机结冰探测器，其特征在于，包括柱体、传感器，所述柱体包括前端、与前端光滑相连的后端；所述柱体为至少两个，单个柱体的前端上设置有至少一个圆弧端，至少有两个圆弧端的半径不同，所述传感器分别设置在圆弧端处。2.根据权利要求1所述外置式风力机结冰探测器，其特征在于，所述柱体为两个，单个柱体的前端分别设置有两个不同半径的圆弧端，所述两个柱体相同。3.根据权利要求1或2所述外置式风力机结冰探测器，其特征在于，所述前端与后端采用活动连接或固定连接。4.采用权利要求1-3任一项所述外置式风力机结冰探测器的风力机结冰探测方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）设计一种如权利要求1-3任一项所述的外置式风力结冰探测器；（2）将步骤（1）中的外置式风力机结冰探测器设置在风力机上；（3）选取风力机不同风速、不同过冷水滴平均粒径下的典型状态，通过计算，得到不同状态下风力机叶片各处的水滴收集率分布情况；（4）采用计算或者实验的方法，得到不同水滴平均粒径、来流风速条件下，外置式风力机结冰探测器不同半径圆弧端的水滴收集率；（5）根据步骤（4）的结果...

【专利技术属性】
技术研发人员：易贤，周志宏，
申请(专利权)人：空气动力学国家重点实验室，
类型：发明
国别省市：四川;51