RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP 2029428 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: 29.05.2007 07734696.3 (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: 26.10.2011 Europejski Biuletyn Patentowy 2011/43 EP 2029428 B1 (13) (51) T3 Int.Cl. B64D 15/20 (2006.01) F03D 11/00 (2006.01) G08B 19/02 (2006.01) (54) Tytuł wynalazku: Sposób i układ wykrywania ryzyka oblodzenia na powierzchniach areodynamicznych (30) Pierwszeństwo: 31.05.2006 IT TO20060400 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 04.03.2009 w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2009/10 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: 30.03.2012 Wiadomości Urzędu Patentowego 2012/03 (73) Uprawniony z patentu: S.I.SV.EL. S.p.A., None, IT (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP 2029428 T3 LORENZO BATTISTI, Trento, IT (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Józef Własienko POLSERVICE KANCELARIA RZECZNIKÓW PATENTOWYCH SP. Z O.O. ul. Bluszczańska 73 00-712 Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).
53/59P29320PL00 2 Opis [0001] Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu wykrywania i sygnalizowania ryzyka oblodzenia na powierzchniach aerodynamicznych, w szczególności na powierzchniach nośnych maszyn przepływowych, np. łopatek wirnika układu konwersji energii wiatrowej (WECS). [0002] Wynalazek znajduje zastosowanie przede wszystkim w dziedzinie układów WECS, w których nie znaleziono jeszcze rozwiązania problemu prognozowania występowania warunków prowadzących do oblodzenia na łopatach turbin wiatrowych. Prognoza ta jest wykorzystywana dla dwóch głównych celów, tj. do wykrywania warunków oblodzenia i zatrzymywania turbiny wiatrowej lub do aktywacji i deaktywacji systemu przeciwoblodzeniowego i odladzającego zainstalowanego na turbinie. [0003] W dziedzinie samolotów, znaleziono rozwiązanie dotyczące wykrywania warunków oblodzenia za pomocą czujników typu Rosemount. Taki czujnik jest małym metalowym cylindrem wystawianym na działanie rzeczywistych warunków atmosferycznych, który zostaje pokryty lodem, gdy występują warunki oblodzenia, w wyniku czego zmienia on swoją częstotliwość wibracji i sygnalizuje występowanie oblodzenia. Czujnik jest instalowany bezpośrednio na skrzydle i jest uderzany przez przepływ płynu skierowany w jego kierunku, więc zapewnia to dokładne wskazanie rzeczywistych warunków oblodzenia monitorowanej powierzchni. [0004] Ten sam czujnik, przy zastosowaniu na łopatach turbin wiatrowych, powoduje znaczne problemy niewyważenia wirnika ze względu na masę samego czujnika. Po zainstalowaniu na nieruchomych powierzchniach układów WECS, np. na gondoli turbiny wiatrowej, zapewnia on niewiarygodne wskazania dotyczące rzeczywistego oblodzenia występującego na łopatach wirnika, ze względu na różnicę występującą między względną
53/59P29320PL00 3 prędkość przepływu docierającego do różnych sekcji łopaty, a bezwzględna prędkością wiatru, wykrywaną w ustalonym miejscu. W praktyce, czujnik zainstalowany na gondoli może wskazywać brak oblodzenia, podczas gdy na łopatce występuje poważne oblodzenie. Ponadto, gdy czujnik lodu zaczyna wysyłać sygnał oblodzenia, wirnik może już się znajdować w warunkach ciężkiego oblodzenia. Powyższe uwagi dotyczące czujnika typu Rosemount odnoszą się również w ogólności do dowolnego znanego czujnika zdolnego do pomiaru oblodzenia bezpośrednio na nieruchomych powierzchniach układu WECS. [0005] Znane systemy przyjmują strategię wykrywania obecności ryzyka oblodzenia, która opiera się na wykrywaniu parametrów maszyny i warunków atmosferycznych. Na przykład, mierzą one albo drgania wieży i temperaturę otoczenia, albo moc wyjściową i temperaturę otoczenia, jak pokazano w dokumentach patentowych US 2005/276.696 i US 6.890.152. Logiką takich strategii jest wnioskowanie wystąpienia zjawiska oblodzenia przez wykrywanie nieprawidłowego działania turbiny wiatrowej, takiego jak zbyt wiele wibracji lub spadek mocy wyjściowej, przy jednoczesnym weryfikowaniu parametrów środowiskowych, np. sprawdzeniu, czy temperatura otoczenia jest poniżej 0 C. [0006] Wspomniane wyżej znane systemy mają główną wadę polegająca na tym, że są zawodne w skutecznym prognozowaniu i wykrywaniu obecności lodu, gdy tylko wystąpi zjawisko oblodzenia. W rzeczywistości, gdy oblodzenie zostanie wykryte, to zjawisko może być już tak zaawansowane, że turbina wiatrowa wymaga zatrzymania w celu uniknięcia uszkodzenia; lub też mogą powstać warunki, gdy istnieje tylko niewielkie ryzyko oblodzenia, ale układ sygnalizuje, że pojawi się oblodzenie. Na przykład, gdy zjawiska turbulencji lub zmiany silnego wiatru (które są typowe dla obszarów górskich) doprowadzają do nieprawidłowych zjawisk drgań i wykryta zostaje temperatura poniżej 0 C, system zatrzyma turbinę, nawet jeżeli nie
53/59P29320PL00 4 występują warunki oblodzenia, ponieważ środowisko pracy nie jest wystarczająco wilgotne. Z dokumentów US 5.005.015 i EP 1.466.827, znane są również czujniki do wykrywania obecności wody lub lodu, które są stosowane bezpośrednio na powierzchniach aerodynamicznych, w szczególności na łopatach silnika. Systemy te mogą jedynie wykrywać obecność lub grubości warstwy wody lub lodu, które mogą wystąpić na powierzchni, ale nie są w stanie przewidzieć późniejszego oblodzenia. [0007] Dokument EP 0.893.605 dotyczy sposobu identyfikowania różnych stanów wody na powierzchni konstrukcji, na której umieszczono element czujnika wykonany z materiału przenoszącego drgania akustyczne. Dokument dotyczy również układów czujnika w oparciu o taki element czujnika w celu odladzania lub wykrywania powstawania lodu na powierzchniach. [0008] W dokumencie WO 2005/020175 przedstawiono sposób i system wykrywania oblodzenia i warunków początkowego oblodzenia na zewnątrz pojazdu. W szczególności, zapewniony jest czujnik temperatury oraz czujnik zawartości wody wykrywający temperaturę i zawartość wody w strumieniu powietrza i skonfigurowane do kierowania odpowiednich sygnałów do jednostki przetwarzającej, która przetwarza te dane w celu dostarczenia powiadomienia lub sygnałów o stanie początkowego oblodzenia na pojeździe. [0009] Niniejszy wynalazek ma na celu rozwiązania wyżej wymienionych wad ze stanu techniki przez zapewnienie sposobu wykrywania ryzyka oblodzenia na powierzchniach aerodynamicznych, który może faktycznie i skutecznie przewidzieć wystąpienie warunków oblodzenia na powierzchniach aerodynamicznych, w szczególności na łopatach turbiny wiatrowej. Wynalazek obejmuje także układ do realizacji tego sposobu. [0010] Przedmiotem niniejszego wynalazku jest zapewnienie układu, który jest prosty, tani i bezwzględnie skuteczny bez
53/59P29320PL00 5 względu na warunki pracy powierzchni aerodynamicznych, na których ma być wykryte ryzyko oblodzenia. [0011] Zgodnie z niniejszym wynalazkiem, wspomniane cele są realizowane przez sposób i układ wykrywania ryzyka oblodzenia na powierzchniach aerodynamicznych, posiadające cechy określone w załączonych zastrzeżeniach. [0012] Układ zawiera czujnik temperatury i czujnik służący do wykrywania obecności wody lub lodu, które są zainstalowane w bezpośrednim pobliżu powierzchni aerodynamicznej, na której ma być wykryte ryzyko oblodzenia, w celu wykrycia zarówno temperatury, jak i obecności wody na tej samej powierzchni. Dlatego części wykrywające odpowiednich czujników są zainstalowane w taki sposób, że mogą być wykryte rzeczywiste warunki monitorowanej powierzchni aerodynamicznej. [0013] Wykrywanie temperatury i obecności wody uzyskiwane bezpośrednio na badanej powierzchni pozwala na monitorowanie ryzyka oblodzenia w efektywny sposób. Na przykład, kiedy obecność kropli wody jest wykrywana wraz z temperaturą poniżej zadanej temperatury krytycznej, czyli temperatury, przy której ryzyko zbliżającego się oblodzenia ma być sygnalizowane (np. 3 C), układ według wynalazku może sygnalizować rzeczywiste niebezpieczeństwo oblodzenia. [0014] Układ według wynalazku może również sprawdzić empirycznie, czy, w połączeniu z rzeczywistą temperaturą powierzchni, krople wody naprawdę tworzą się na tej powierzchni, określając tym samym, czy ryzyko oblodzenia jest prawdziwe, czy nie. Na przykład, jeżeli występuje temperatura między -1 i 1 C i nie ma wody na monitorowanej powierzchni, to układ według wynalazku może powstrzymać się od sygnalizowania ryzyka oblodzenia, co w zasadzie ma miejsce w przypadku, gdy wilgotność powietrza jest bardzo niska. [0015] Korzystnie, czujniki są rozmieszczone na powierzchni aerodynamicznej, która ma być monitorowana, w pozycjach odpowiadających lub otaczających obszary maksymalnego
53/59P29320PL00 6 ciśnienia przepływu płynu, tzn. te obszary powierzchni aerodynamicznej, gdzie ryzyko oblodzenia jest najwyższe. Na przykład, taką pozycją może być krawędź natarcia powierzchni skrzydła lub łopaty wirnika. [0016] Ponadto, czujniki są rozmieszczone na powierzchni aerodynamicznej blisko siebie tak, że homologiczne warunki przepływu płynu mogą być wykryte w bardzo bliskich miejscach. To w dużej mierze zapobiega błędnym wykryciom rzeczywistego stanu przepływu płynu uderzającego powierzchnie w określonym punkcie. Z tego punktu widzenia, idealnym rozwiązaniem jest zastosowanie czujnika, który zawiera funkcje służące do wykrywania obecności wody lub lodu, a także funkcje służące do pomiaru temperatury tej samej małej powierzchni. [0017] Dalsze cele, cechy i zalety niniejszego wynalazku staną się widoczne z poniższego szczegółowego opisu jego przykładu wykonania, zamieszczonego w charakterze nie ograniczającego przykładu w odniesieniu do załączonej figury 1, na której przedstawiono widok perspektywiczny układu według wynalazku, zastosowanego na sekcji lub zworniku łopaty wirnika. [0018] W szczególności, sekcja łopaty wirnika pokazanej i wskazanej przez odnośnik 5 jest typu przedstawionego w dokumencie WO 2004/36038 w imieniu tego samego Zgłaszającego niniejszego zgłoszenia patentowego. Wspomniana łopata 5 jest zatem wyposażona w otwory 12 na swojej zewnętrznej powierzchni 5S. Blisko krawędzi natarcia profilu łopaty i otworu 12, i na zewnętrznej powierzchni 5S łopaty, znajduje się pierwszy czujnik pogody, w tym przypadku czujnik 20 temperatury, i drugi czujnik pogody, w tym przypadku czujnik do wykrywania obecności wody lub lodu 30, w dalszym opisie nazywany po prostu czujnikiem deszczu. W odniesieniu do kierunku przepływu płynu F docierającego do łopaty 5, te czujniki 20, 30 znajdują się powyżej otworu 12 tak, że na odpowiednie odczyty nie ma wpływu przepływ płynu wychodzący z otworu.
53/59P29320PL00 7 [0019] Czujnik 20 temperatury, np. termopara, to niewielkie, lekkie urządzenie znanego typu, w kształcie cienkiej płytki i wyposażone w część czujnikową 21, która jest zainstalowana w taki sposób, żeby przechwytywać przepływ płynu docierający do zewnętrznej powierzchni 5S. Czujnik jest umieszczony powyżej otworu 12 i jest przyklejony lub w inny sposób przymocowany do zewnętrznej powierzchni 5S. Na tylnej stronie, posiada on połączenie elektryczne 22 przebiegające wzdłuż wewnętrznej powierzchni łopaty 5, aż do systemu pozyskiwania danych (DAS), który dla uproszczenia nie został pokazany. [0020] System DAS jest znanego typu i korzystnie jest umieszczony, dla celów wewnętrznych, poza łopatą wirnika, na przykład na gondoli układu WECS, a układ według wynalazku zawiera znane środki służące do przesyłania sygnałów wykrytych przez czujniki do systemu DAS. [0021] Czujnik deszczu 30, typu podobnego do czujników zainstalowanych na przednich szybach samochodowych, jest również przyklejony powyżej otworu 12 i wyposażony w odpowiednie połączenie elektryczne 31 przebiegające wzdłuż bocznych ścian otworu i wewnętrznej powierzchni łopaty 5, aż do systemu DAS. Wykorzystywane czujniki 20, 30 są znane, a po zainstalowaniu ich na zewnętrznej powierzchni 5S, ich kształty i wymiary nie mają wpływu na przepływ F na wspomnianej powierzchni. [0022] System DAS może przetwarzać informacje o obecności/braku wody wysłane przez czujnik 30 deszczu i o wartości temperatury powierzchni wysłane przez czujnik 20 temperatury tak, że gdy krople wody nie są wykrywane na powierzchni, nie będzie on sygnalizował ryzyka oblodzenia. Natomiast, gdy obecność wody jest wykryta wraz z temperaturą poniżej zadanej wartości krytycznej, np. 3 C, system DAS zasygnalizuje ryzyko oblodzenia i zbliżające się oblodzenia do centralnej jednostki sterującej.
53/59P29320PL00 8 [0023] Korzystnie, mała waga, prostota i niezawodność znanych czujników deszczu i czujników temperatury pozwalają na ich łatwe zastosowanie również na obrotowych łopatach turbin wiatrowych, zapewniając w ten sposób układ wykrywania ryzyka oblodzenia na powierzchniach aerodynamicznych, który jest prosty, niezawodny i niedrogi. [0024] W przeciwieństwie do stanu techniki, układ według wynalazku przeprowadza wykrywanie pary parametrów fizycznych, w szczególności temperatury i obecności wody, bezpośrednio na powierzchni objętej ryzykiem oblodzenia, zapewniając w ten sposób wykonany w odpowiednim czasie i dokładny pomiar. Wspomniane parametry, po przetworzeniu przez system DAS, pozwalają prognozować rzeczywiste ryzyko oblodzenia w efektywny sposób. Natomiast, zgodnie ze stanem techniki, ryzyko oblodzenia jest zasadniczo prognozowane na podstawie parametrów, które nie są mierzone na powierzchni podlegającej monitorowaniu, a ponadto są one uzyskiwane i przetwarzane przez czujniki często umieszczone daleko od rozpatrywanych powierzchni. Dlatego, takie pomiary są w niektórych przypadkach błędne i nie reprezentują rzeczywistych warunków powierzchni. [0025] W skrócie, układ wykrywania ryzyka oblodzenia na powierzchniach aerodynamicznych według wynalazku pozwala na sygnalizowanie ryzyka oblodzenia i możliwie na aktywowanie systemu przeciwoblodzeniowego bardzo dokładnie i skutecznie, bez ryzyka, że oblodzenia już nastąpiło na rozpatrywanych powierzchniach aerodynamicznych, utrzymując w ten sposób monitorowaną maszynę zawsze w najlepszych warunkach pracy. [0026] Jest oczywiste, że wiele zmian może być wykonanych przez znawcę w układzie wykrywania ryzyka oblodzenia na powierzchniach aerodynamicznych według wynalazku, w szczególności na powierzchniach nośnych maszyn przepływowych; również jest oczywiste, że w praktycznej realizacji wynalazku, przedstawione w niniejszym dokumencie szczegóły mogą mieć inne
53/59P29320PL00 9 kształty lub mogą zostać zastąpione przez równoważne elementy techniczne. [0027] Na przykład, jeśli system jest stosowany na łopatach wirnika bez otworów, odpowiednie otwory mogą być wykonywane w celu poprowadzenia połączeń elektrycznych czujników lub w celu usytuowania samych czujników, które w każdym przypadku powinny być skonfigurowane i zainstalowane tak, aby ich część wykrywająca leżała na powierzchni przeznaczonej do monitorowania. [0028] Ponadto, gdy stosowane są stosunkowo grube czujniki, odpowiednie otwory mogą być uzyskane w łopacie w celu usytuowania wspomnianych czujników bez wpływu na przepływ płynu wokół łopaty. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wykrywania ryzyka oblodzenia na powierzchniach aerodynamicznych (5S), do których dociera przepływ płynu (F), takich jak nośne powierzchnie maszyn przepływowych(5), obejmujący etapy: - wykrywanie temperatury na powierzchni aerodynamicznej (5S); - wykrywanie obecności wody na powierzchni; - przetwarzanie danych dotyczących temperatury i obecności wody; - generowanie sygnału dotyczącego ryzyka oblodzenia, gdy na powierzchni nie występuje woda, a temperatura jest poniżej zadanej wartości krytycznej. 2. Sposób według zastrzeżenia 1, w którym powierzchnie aerodynamiczne (5S) są powierzchniami wirnika turbiny wiatrowej.
53/59P29320PL00 10 3. Układ do realizacji sposobu według poprzednich zastrzeżeń, zawierający powierzchnię aerodynamiczną (5S) przeznaczoną do monitorowania, czujnik (20) temperatury umieszczony na powierzchni aerodynamicznej (5S) służący do wykrywania temperatury powierzchni aerodynamicznej (5S), czujnik (30) deszczu umieszczony na powierzchni aerodynamicznej (5S) służący do wykrywania obecności wody na powierzchni aerodynamicznej (5S), system pozyskiwania danych połączony ze wspomnianymi czujnikami (20, 30), który przetwarza informacje o obecności/braku wody wysyłane przez czujnik (30) deszczu i wartość temperatury powierzchni wykrytą przez czujnik (20) temperatury, przy czym czujniki (20, 30) wykrywają obecność wody i temperaturę poniżej zadanej wartości krytycznej, przy czym system pozyskiwania danych sygnalizuje ryzyko oblodzenia lub zbliżającego się oblodzenia do centralnej jednostki sterującej. 4. Układ według zastrzeżenia 3, w którym, gdy krople wody nie są wykrywane na powierzchni aerodynamicznej (5S) przez czujnik (30) deszczu, system pozyskiwania danych nie będzie sygnalizować ryzyka oblodzenia. 5. Układ według dowolnego z zastrzeżeń 3 albo 4, w którym czujniki (20, 30) są rozmieszczone w pozycjach odpowiadających lub otaczających obszary maksymalnego ciśnienia powierzchni aerodynamicznej (5S) przeznaczonej do monitorowania. 6. Układ według dowolnego z zastrzeżeń od 3 do 5, w którym czujnik (20) temperatury posiada część wykrywającą (21) umieszczoną w miejscu, w którym przepływ płynu (F) dociera do powierzchni aerodynamicznej (5S). 7. Układ według dowolnego z zastrzeżeń od 3 do 6, w którym czujniki (20, 30) są rozmieszczone na powierzchni aerodynamicznej (5S) blisko siebie.
53/59P29320PL00 11 8. Układ według zastrzeżenia 7, w którym czujniki (20, 30) są czujnikami typu składającego się z małych płytek i są przymocowane do powierzchni aerodynamicznych (5S). 9. Układ według dowolnego z zastrzeżeń od 3 do 8, w którym wspomniany czujnik temperatury i czujnik deszczu (20, 30) są wbudowane w jeden czujnik. 10. Układ według dowolnego z zastrzeżeń od 3 do 9, w którym wspomniana powierzchnia aerodynamiczna jest zewnętrzną powierzchnią (5S) łopaty (5) wirnika, a maszyna przepływowa jest turbiną wiatrową. 11. Układ według zastrzeżenia 10, w którym łopata jest łopatą typu z otworami, a czujniki (20, 30) są umieszczone powyżej otworu (12) w odniesieniu do przepływu płynu (F) docierającego do zewnętrznej powierzchni (5S) łopaty (5). 12. Układ według zastrzeżenia 10 albo 11, w którym system pozyskiwania danych jest umieszczony na gondoli turbiny wiatrowej, przy czym system zawiera środki służące do przesyłania sygnałów wykrytych przez czujniki (20, 30) do centralnej jednostki sterującej. S.I.SV.EL. S.p.A. Pełnomocnik:
53/59P29320PL00 12