[发明专利]检测空气动力表面上结冰风险的方法和系统

说明书

本发明涉及一种对空气动力表面的结冰风险进行检测并发出信号的方法，特别是用于流体机械的承载表面，例如，风能转换系统(WECS)的转子叶片。 

本发明主要应用于WECS领域，该领域中对于如何预测导致风力涡轮叶片结冰的条件尚无解决方案。这种预测主要用于两个目的，即检测结冰条件并停止风力涡轮，以及起动和停止安装在涡轮上的防冰和除冰系统。 

在航空领域，一种检测结冰条件的解决方案是使用“罗斯蒙特”型传感器。这种传感器是一个小型金属圆柱体，其暴露在实际大气环境中，当结冰条件存在它就会覆盖着冰，因而改变其振动频率并发出信号报告结冰正在发生。该传感器直接安装在机翼上受来流方向的流体直接冲击，因此它提供了所监测表面的实际结冰条件的正确指示。 

同样的传感器，在风力涡轮的叶片上使用时，由于传感器自身的质量会引起很大的转子不平衡问题。当安装在WECS的固定表面，例如在风力涡轮的引擎舱，会产生关于转子叶片实际结冰情况的不可靠的指示，原因是覆盖在桨叶不同位置流体的相对速度与在固定位置检测到的绝对风速之间存在的差异。实际上，安装在引擎舱上的传感器可能仍在指示没有结冰时，而叶片正在发生严重的结冰。同样的，当传感器开始发出结冰信号时，旋翼可能已经处在严重的结冰状态中。上文述及的关于“罗斯蒙特”式传感器的内容，也一般适用于任何已知的直接在WECS固定表面测量结冰的传感器。 

已知的系统采用了一种基于探测机械参数和大气条件状况的策略来检测结冰的出现或风险。例如，公开于专利文献US 2005/276696和US 6890152中的，测量塔振动和环境温度或是动力输出和环境温度。这种策略的逻辑是通过检测风力涡轮的异常行为来推断结冰现象的发生，比如太多振动或输出功率下降，同时检测环境参数，例如检侧低于0℃的环境温度。 

上述已知系统的主要缺陷是不能在结冰现象出现的同时时可靠有效地预测和检测结冰的出现。事实上，当检测到结冰时，现象可能已经很严重，以至于需要风力涡轮机停机来防止损坏，或是仅仅出现轻微结冰风险的条件，但系统发出了结冰出现的信号。例如湍流现象或强烈的风变化(这在山地区域非常普遍)会带来异常的振动现象和检测到低于0℃的环境温度，该系统将停止涡轮，尽管由于环境不够湿润而并不存在结冰条件。

根据文献US5.005.015和EP1.466.827，检测水或冰存在的传感器已被直接使用于空空气动力力学表面，特别是发动机叶片。这些系统只能检测到目前表面上水或冰的存在或厚度，但它们不能预测未来的结冰。 

文献EP0893605涉及到一种方法，用于确认结构表面水的不同情况，在该表面上放置一个由传递声学振动的材料制成的传感器元件。它还涉及一种基于这种传感器元件的传感器排布，旨在除冰或检测表面的结冰。 

文献WO2005/020175说明一种在车辆外部检测结冰或初始结冰条件的方法和系统。特别是，一个温度传感器和一个水分含量传感器检测气流的温度和水分含量，并被构造成发出各自的信号给处理单元，其处理这些数据以提供交通工具初始结冰条件的通知或信号。 

本发明的目的是提供一种检测空气动力表面结冰风险的方法来解决上述现有技术的缺点，能够真实有效的预测空气动力表面结冰条件的出现，特别是用于风力涡轮机的桨叶。本发明还包括一个实施所述方法的系统。 

本发明的目的是提供一个系统，能够简单、花费不高、且任何运行状况都能绝对有效的检测空气动力表面上的结冰风险。 

根据本发明，所述目的的达成是通过使用一个具有所附权利要求所列特征的方法和系统来检测空气动力表面的结冰风险。 

该系统包括一个温度传感器和一个检测水或冰存在的传感器，其安装在紧靠所要检测结冰风险的空气动力表面上，用来同时检测温度和同一表面上水的存在。因此，各个传感器的传感部分以可以监测空气动力表面实际情况的方式安装。 

直接检测有关表面温度和水的存在可以以有效的方式监测结冰风险。例如，当检测到水滴以及温度低于预设临界值时，即是，一个将发出临近结冰风险信号的温度(例如3℃)，根据本发明的系统就可以发出真实的结冰警告信号。 

根据本发明的系统也可以通过结合真实表面温度检验所述表面是否形成有水滴，从而确定是否存在真实的结冰风险。例如，如果温度介于-1℃和1℃之间并且监控表面没有水存在，根据本发明的系统会避免发出结冰风险的警报，在空气湿度非常低的情况下确实如此。