CN105917116A - 用于风力涡轮机叶片的双用途缝翼－扰流板 - Google Patents

Abstract

安装在风力涡轮机叶片（22）的前向吸力侧（40）之上的气动缝翼（30）和关闭或减小缝翼和叶片之间的间隙（31）的机构（51A‑F）。所述缝翼可枢转以减小所述间隙，或者可通过例如可延伸的闸门（58）或蝶板（59）或阻尼板（60）之类的装置来减小所述间隙。当风况满足或超过例如额定风况之类的预定标准时，控制逻辑（64）激活所述机构的促动器（70）以关闭或减小所述间隙。这通过在所述缝翼的下游叶片的吸力侧之上分离气流（53）而减小了叶片上的风力载荷。然后，叶片在额定风况期间能够维持比现有技术中更高的攻角，从而允许它们在阵风中更快地失速，以限制峰值气动载荷。

Description

用于风力涡轮机叶片的双用途缝翼－扰流板

技术领域

本发明一般涉及风力涡轮机的领域，并且更具体而言，涉及一种用于在强风中减小风力涡轮机上的气动载荷的装置，并且特别是涉及一种用于风力涡轮机叶片的双用途的缝翼和扰流板。

背景技术

风力涡轮机叶片靠近叶片根部具有厚的翼型部段，以使得由于高结构效率而能够实现低质量设计。然而，结构效率以气动效率的降低为代价。使用在厚的叶片部段上可包括缝翼和/或襟翼的多段翼型一般在维持结构效率的同时改善气动性能。

全翼展叶片变桨控制（pitch control）通过改变沿叶片的攻角有效地控制气动转子功率。当风力涡轮机以额定功率输出操作时，叶片被变桨调节为更朝向顺桨（towards feather）（“迎风”），这减小攻角以及产生的气动力。然而，这在能够快速增加攻角的阵风期间产生升力产生潜力的较大增加（图10），从而导致叶片和其他涡轮机部件上急剧增加的气动力和气动载荷。这对从叶片到塔的基部的风力涡轮机设施的所有部分施加了高的结构强度余量要求，伴随着由此导致的重量和费用。

附图说明

鉴于附图在以下描述中解释本发明，附图示出了：

图1是具有缝翼的现有技术的风力涡轮机转子的吸力侧视图。

图2是具有缝翼的现有技术的风力涡轮机叶片的内侧部分的透视图。

图3是沿图1的线3－3所取的具有缝翼的厚翼型部段的横剖面图。

图4示出了根据本发明的多个方面的缝翼/扰流板枢转的实施例。

图5示出了根据本发明的多个方面的另一缝翼/扰流板枢转的实施例。

图6示出了根据本发明的多个方面的闸门的实施例。

图7示出了根据本发明的多个方面的蝶板的实施例。

图8示出了根据本发明的多个方面的阻尼器的实施例。

图9示出了用于本发明的控制系统的实施例。

图10是如在本领域中已知的升力系数随攻角的变化图。

图11示出了在转子轮毂中具有促动器的缝翼/扰流板枢转的实施例。

具体实施方式

图1示出了具有径向定向的叶片22的风力涡轮机转子20的下风侧，所述径向定向的叶片22有时称为主翼（main airfoil），其大致在平面23或旋转盘中旋转。在该视图中看到叶片的吸力侧40，其中，风被导引成大致穿过页面的平面/进入到页面的平面中。该图中仅图示了旋转的元件，其中，未示出风力涡轮机发电设备的典型的机舱和塔。每个主叶片22具有径向内侧端或根部端24，所述径向内侧端或根部端24是较厚的，以承受法向于叶片翼型的翼弦的翼面向载荷（flapwise loads）。根部24被附接到共同的轮毂26，所述轮毂26可具有称为整流罩28的盖。每个叶片可具有气动缝翼30，其通过例如气动支柱32之类的支撑结构安装在每个叶片22的前部之上。通过作为高效的小翼型件以及通过延迟并且减少在主翼的吸力侧上的流动分离二者，缝翼在所述厚的翼型部段上提供了增加的气动效率和增加的升力。

图2是在前缘42和后缘44之间具有压力侧38和吸力侧40的叶片22的内侧部分36的透视图。叶片的横剖面轮廓可从根部24处的圆柱形PC逐渐过渡到处于肩部47处及越过所述肩部47的翼型形状PA，所述肩部47是叶片22的最长弦长的位置。在正常操作中，贯穿缝翼30在其内侧端30A和外侧端30B之间的翼展，缝翼30可具有高效的翼型形状和攻角。主翼22和缝翼30具有相应的弦长C1、C2。

图3示出了在前缘42和后缘44之间具有弦长C1的风力涡轮机叶片22的厚的内侧翼型剖面。缝翼30在气动支柱32上以给定的间隙距离31安装在翼型的前吸力侧部分之上。还示出了旋转平面23、绝对风向46、相对风向48以及受翼型之上的缝翼影响的流线50。所述缝翼有助于防止吸力侧40上方的流动分离。

图4示出了根据本发明的多个方面的缝翼/扰流板的实施例51A。通过借助例如位于叶片中、支撑支柱32中或转子轮毂中的例如伺服电机、机电螺线管或液压活塞之类的装置来促动的枢轴或枢转轴承54，缝翼30的后缘52朝向主翼22枢转。在所示的枢转位置，缝翼30失速，并且部分或完全地关闭缝翼和主翼之间的间隙，从而使缝翼起到扰流板的作用。这使气流53与主翼的吸力侧40分离，从而引起升力损失。在高操作风速期间（在已实现额定功率之后）采用这种效果减小配有扰流板缝翼的内侧叶片部段所产生的升力和功率的量。为了补偿这种降低的内侧功率产生，整个叶片随后必须被变桨调节成使得外侧叶片以更接近失速的更高的攻角运行，并且因此，对整个叶片（内侧和外侧）而言，在阵风的情况下大的气动载荷变化的可能性减小。这种效果也能在停放状态或其他非操作状态期间部署，使得扰流板限制在极端风速的情况下装配的部段所能产生的最大可能的升力。一个益处在于，使得更长的风力涡轮机叶片成为可能，从而允许更高效率的风力涡轮机。另一个益处是通过降低整体强度要求和重量降低了安装成本。另一个益处是减少了变桨活动，并且因此，减少了对变桨控制系统的磨损。另一个益处是变桨系统的成本降低，这是因为它不需要那么快，以那么快地对阵风作出反应。枢转轴承54的轴线可位于沿所述缝翼的任何位置处，例如，在一个实施例中位于缝翼30的气动中心处，以最小化促动力，或者在其他非限制性实施例中，位于与缝翼的前缘相距缝翼弦长的25-50％处。

图5示出了缝翼/扰流板的实施例51B，其中，缝翼30的前缘56在强风中朝向主翼22枢转。通过该枢转动作，可部分或完全地关闭缝翼30和主翼22之间的间隙的最小长度。在促动器的控制下，缝翼30绕支撑支柱32上的枢转轴承54枢转，所述促动器例如伺服电机、机电螺线管、液压活塞或位于叶片22中或之上、支撑支柱32中或转子轮毂中的其他合适的装置。实施例51A和51B可使用相同或相似的硬件，差别在于枢转方向，所述枢转方向可基于风况和所需的气动制动的量来确定。

图6示出了缝翼/扰流板的实施例51C，其中，可延伸的闸门58在间隙31中形成闸门阀，所述闸门阀部分或完全地关闭缝翼30和主翼22之间的间隙。作为非限制性示例，通过例如电机驱动的螺旋传动或小齿轮传动、机电螺线管或者液压活塞之类的主翼中的促动器，闸门58可以伸出和缩回。

图7示出了缝翼/扰流板的实施例51D，其中，可旋转的蝶板59部分或完全地关闭缝翼30和主翼22之间的间隙。通过处于支柱32中、主翼22中或转子轮毂中的促动器可使所述蝶板旋转。

图8示出了缝翼/扰流板的实施例51E，其中，阻尼板（或风挡板，damper plate）62形成部分或完全地关闭缝翼30和主翼22之间的间隙31的阀。通过处于支柱32中或主翼中或转子轮毂中的促动器，可使阻尼板60旋转。在实施例51C、51D和51E中，缝翼30相对于叶片22可以是固定和静止的。

图9示出了控制逻辑单元64，当达到一个或多个预定阈值时，所述控制逻辑单元64使用可获得的传感器输入，例如风速66、桨距（pitch）67和转子速度68和/或导出的参数，通过促动器70来激活本文中的实施例的扰流板功能。例如，当风力达到或超过额定条件时，可以激活扰流板功能（即，减小间隙）。例如，这可通过风速以及例如风变率（wind variability）或转子上的气动载荷之类的可能的其他因素来确定。风变率例如可由风速的瞬时变化或通过例如统计方差之类的导出度量方法（derived metrics means）或高阶风速导数的组合得到。

图10示出了风力涡轮机叶片的升力系数随攻角的变化关系。阵风能够快速地增加风速和攻角二者。在正常操作期间，阵风在升力72的小幅提高之后引起失速。在后额定（post-rated）（强风）操作期间，照惯例减小攻角以减小升力。但这使得在失速发生之前阵风能够引起升力74的较大提高，从而允许气动载荷以及随后的结构应力和疲劳的高峰值。本发明允许攻角在后额定操作期间保持较高，从而通过使得在阵风期间能够在主翼上实现比现有技术中更迅速的失速，来保护叶片免受过应力的影响。

图11示出了实施例51F，其中，每个缝翼30从转子轮毂26中的相应的枢转轴承78延伸。每个缝翼绕翼展向轴线80枢转，所述翼展向轴线80例如位于与缝翼的前缘相距缝翼弦长C2的25-50％处或沿缝翼的气动中心定位。该实施例可利用没有支撑支柱的悬臂式缝翼来实现。因此，它提供了相对简单的改型，例如，通过安装具有附接的缝翼30、促动器70以及功率和逻辑连接件76的替换整流罩。

通过结合气动载荷控制能力，本发明建立在多段翼型的使用上。这些附加的能力减小了操作和非操作的气动叶片载荷，并且除全翼展的变桨控制之外，还提供了用于控制转子转矩和功率的机构。本文中实施例的扰流板机构与缝翼具有气动和结构的协同作用。

虽然本文已示出和描述了本发明的各种实施例，但将显而易见的是，这些实施例仅作为示例提供。在不脱离本文中的发明的情况下，可作出多种变型、改变及替换。因此，本发明意在仅通过所附权利要求的精神和范围限制。

Claims (20)

1. 一种用于风力涡轮机的叶片的双用途的缝翼－扰流板装置，包括：

气动缝翼，其构造成用于安装在所述叶片的前向吸力侧之上；以及

机构，其构造成调节所述缝翼和所述叶片之间的间隙。

2. 如权利要求1所述的装置，还包括所述缝翼被枢转地安装在附接到所述叶片的支柱上，所述机构构造成使所述缝翼的后缘相对于所述叶片的吸力侧枢转。

3. 如权利要求1所述的装置，还包括所述缝翼被枢转地安装在附接到所述叶片的支柱上，所述机构构造成使所述缝翼的前缘相对于所述叶片的吸力侧枢转。

4. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机构还包括所述缝翼被枢转地安装在轴承上，所述轴承处于附接到所述叶片的支柱上，所述轴承包括沿所述缝翼翼展向定向的枢转轴线，其中，所述缝翼被促动，以使所述缝翼的前缘或后缘相对于所述叶片的吸力侧枢转。

5. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机构还包括闸门，所述闸门能够操作来在所述间隙内从所述叶片的吸力侧伸出以及缩回到所述吸力侧中。

6. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机构还包括能够旋转的蝶板，所述蝶板位于所述间隙中，并且在所述间隙中形成蝶阀。

7. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机构还包括在所述间隙内枢转地附接到所述叶片的吸力侧的阻尼板。

8. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机构还包括促动器和控制逻辑，在风况满足或超过预定标准期间，所述控制逻辑激活所述促动器以关闭或减小所述间隙。

9. 一种包括如权利要求1所述的装置的风力涡轮机。

10. 一种用于风力涡轮机的叶片的双用途的缝翼－扰流板装置，包括：

缝翼，其安装在风力涡轮机叶片的吸力侧之上；

机构，其调节所述缝翼和所述叶片之间的气流间隙；

促动器，其操作所述机构；以及

控制逻辑，其编程为在风况满足或超过预定标准时激活所述促动器以关闭或减小所述间隙。

11. 如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述预定标准包括所述风力涡轮机的额定风况。

12. 如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述机构还包括所述缝翼被枢转地安装在轴承上，所述轴承处于附接到所述叶片的支柱上，所述轴承包括枢转轴线，所述枢转轴线沿所述缝翼翼展向定向，并且定位成与所述缝翼的前缘相距所述缝翼的弦长的25-50％之间，其中，所述缝翼被促动，以使所述缝翼的前缘或后缘朝向所述叶片的吸力侧枢转。

13. 如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述机构还包括所述缝翼经由轴承枢转地安装在附接到所述叶片的支柱上，所述轴承包括沿所述缝翼的气动中心的枢转轴线，其中，所述缝翼被促动，以使所述缝翼的前缘或后缘朝向所述叶片的吸力侧枢转。

14. 如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述机构还包括闸门，所述闸门在所述间隙内从所述叶片的吸力侧伸出以及缩回到所述吸力侧中。

15. 如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述机构还包括能够旋转的蝶板，所述蝶板在所述间隙中居中定位，并且在所述间隙中形成关闭或减小所述间隙的蝶阀。

16. 如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述机构还包括在所述间隙内枢转地附接到所述叶片的吸力侧的阻尼板，所述阻尼板枢转以关闭或减小所述间隙。

17. 如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述缝翼从所述风力涡轮机的轮毂中的缝翼枢转轴承利用悬臂支撑在所述叶片之上，并且所述机构还包括处于所述轮毂中的促动器，所述促动器使所述缝翼绕枢转轴线旋转，所述枢转轴线沿所述缝翼翼展向定向，并且定位成与所述缝翼的前缘相距所述缝翼的弦长的25-50％之间，其中，所述缝翼被促动，以使所述缝翼的前缘或后缘朝向所述叶片的吸力侧枢转。

18. 如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述缝翼相对于所述叶片是固定和静止的。

19. 如权利要求10所述的缝翼－扰流板，其特征在于，所述缝翼通过气动支柱附接到所述叶片，并且所述缝翼相对于所述叶片保持固定和静止。

20. 一种包括如权利要求10所述的装置的风力涡轮机。