CN1948747A - 涡轮机叶片的主动流控制 - Google Patents

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Abstract

一种带有至少一个叶片(108)的风力涡轮机(100)的操作方法，包括提供至少一个带有主动流控制促动器(300)的叶片，主动流控制促动器设置成可增加攻角范围，在这个范围叶片可产生扭矩且无流分离，可根据载荷使用流控制促动器调节该攻角范围。

Description

涡轮机叶片的主动流控制
技术领域
本发明大体上涉及风力涡轮机，具体涉及增强风力涡轮机的功率输出的方法和装置。
背景技术
近年来，风力涡轮机已经受到不断增加的关注，因为其环保并且是一种相对便宜的替代能源。随着不断增加的兴趣，已作出了很大努力来开发可靠和有效率的风力涡轮机。
一般地，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装到壳体或短舱，壳体位于构架或管状塔件。实用级别的风力涡轮机(即风力涡轮机设计成可提供电能到应用网络)可设置大转子(如直径为70米或更大)。这种转子上的叶片可将风能转换成旋转力矩或力，驱动一个或多个发电机，发电机通过变速箱可旋转地连接到转子。在某些已知实施例中，变速箱提高了涡轮机原来传递给发电机的低旋转速度，可有效地将机械能转换为输送到应用网络的电能。
随着风速的提高，具有固定顶部速度(接近额定功率)的叶片包括较大区域的流分离(接近额定功率)。这些较大区域的流分离限制了风力涡轮机产生的功率输出数量，使其低于额定功率。出于相同的原因，具有细长平面的叶片也受到额定功率限制。
已知的风力涡轮机叶片使用被动流控制装置或完全不设置流控制。在至少一个已知结构中，使用了旋涡发生器来增加功率输出，尽管已经知道被动装置，如旋涡发生器或Gurney flaps可增加功率和载荷。
发明内容
因此本发明的一个方面，提供了一种操作带有至少一个叶片的风力涡轮机的方法。该方法包括提供至少一个带有至少一个主动流控制促动器的叶片，主动流控制促动器设置成可增加攻角范围，在这个范围叶片可产生扭矩且没有流分离；可根据载荷使用流控制促动器来调节攻角范围。
在另一方面，本发明提供了一种风力涡轮机的叶片，设有主动流控制促动器，其设置成可增加所述叶片的攻角范围。
在另一方面，本发明提供了一种风力涡轮机，其具有至少一个叶片，叶片设有流控制促动器，可增加攻角范围，其中叶片可产生扭矩且无流分离。风力涡轮机还设有控制器。该控制器设置成可控制流控制促动器，可根据控制器的输入，如功率和载荷，增加攻角范围的功率输出。
附图说明
图1是风力涡轮机的示例性结构的视图；
图2是图1的示例性风力涡轮机结构的短舱的剖开透视图；
图3是图1的涡轮机结构的叶片的部分剖开视图；
图4是图3所示风力涡轮机叶片的截面图；和
图5是本发明的代表性风力涡轮机的功率曲线。
部件表
100            风力涡轮机
102            短舱
104            机塔
106            转子
108            转子叶片数
110            驱动套管
112            控制屏
114            叶片节距驱动
116            主旋转轴
118            齿轮箱
120            发电机
122            连接件
124            偏转驱动
126            偏转台
128            气象柱
130            主轴承
132            主框架
300            促动器
400            吸力侧
402            压力侧
500            选择边
502            功率曲线
504            门槛值
具体实施方式
在某些结构中并参考图1，风力涡轮机100包括短舱102，其中容纳发电机(未在图1显示)。短舱102安装到高塔104的顶部，图1只显示了其中一部分。风力涡轮机100还包括转子106，转子上设置一个或多个连接到转动套管110的转子叶片108。尽管图1所示的风力涡轮机100包括三个转子叶片108，但本发明不要求对转子叶片108的数量有具体限制。
在某些结构中并参考图2，不同的部件容纳于风力涡轮机100的塔件104顶部的短舱102。塔件104的高度选择基于现有技术已知的因素和条件。在某些结构中，控制器112内的一个或多个微控制器包括控制系统，用于整个系统监测和控制。不同的分配或中心控制系统结构用于某些结构。
在某些结构中，设置了可变叶片节距驱动器114以控制叶片108的节距(未在图2显示)，叶片在风的作用下驱动套管110。在某些结构中，套管110容纳三个叶片108，但其他结构可使用任何数量的叶片。在某些结构中，叶片108的节距通过叶片节距驱动器114单独控制。套管110和叶片108一起组成风力涡轮机转子106。
风力涡轮机的传动系统包括主转轴116(还可称作低速轴)，其通过主轴承130连接到套管110，位于(在某些结构中)相对变速箱118的轴116端部。变速箱118，在某些结构中，使用双路径几何结构来驱动封闭的高速轴。在其他的结构中，主转轴116直接连接到发电机120。高速轴(未在图2中显示)用于驱动发电机120，发电机安装到主框架132。在某些结构中，转动扭矩通过连接件122传递。
偏转驱动器124和偏转台126提供了风力涡轮机100的偏转定向系统。涡轮机的短舱上的风向标和风速计和/或气象柱128可向控制屏112上的涡轮机控制系统提供信息，包括风向和/或风速。在某些结构中，偏转系统安装在设置在塔件104顶部的凸缘。
在某些结构中并参考图3和图4，风力涡轮机100的至少一个叶片108设置了主动流控制(AFC)促动器300，其设置成可增加攻角范围，在这个范围叶片108可产生扭矩且叶片108上无空气流分离。流控制促动器300，例如，可用来增加攻角范围，在这个范围可根据控制器的输入，例如但不限于叶片108的功率输出和载荷，产生功率。某些结构使用位于控制屏112的控制器，以及传感器(图中未显示)，来实现对流控制促动器300的控制。在本发明的某些结构中，使用了流控制促动器300(如通过控制屏112的控制器进行控制)来限制操作载荷，使其接近风力涡轮机100的额定功率。在某些结构中，流控制促动器300用于提供停止载荷的下降。在某些结构中，流控制促动器用于限制操作载荷，使其接近风力涡轮机100的额定功率；和实现停止载荷的下降。
在某些结构中，主动流控制促动器300设置在吸力侧400(相对于压力侧402)，可根据经验选择位置或位于可使攻角范围增加最大化的位置。例如，在某些叶片108的结构中，控制促动器300位于叶片108的吸力侧400的翼弦的大约60％，使攻角范围增加最大化。
叶片108具有低厚实感(如细长的)的平面形状。在促动器300或控制屏112上的控制器损坏的情况下，叶片108还可以降低功率输出的方式操作，以避免空气流分离或流分离，及后来的对载荷和噪音的负面影响。
主动流促动器300因此对于增加攻角范围是有效的，在这个范围升力产生且无空气流分离。为了控制停止和/或操作载荷，也可关断促动器300。通过主动流促动器300增强的功能叶片108的形状使得叶片108即使在促动器300或控制器损坏的情况下仍能操作。
风力涡轮机100的功率输出取决于叶片108的截面的性能(尤其是升力)。在某些结构中和参考图5的图表，使用促动器300增强了在功率曲线502的选择区域500的截面升力。在大风的情况下，升力可增加超过门槛值504。促动器300可在超过门槛值时关断，以减少升力，使其位于希望的水平。风传感器，如气象杆128，可用于确定风速以及升力是否位于操作的促动器300可接受的范围。
应当理解，本发明的结构使得攻角范围可增加，允许风力涡轮机叶片可具有低厚实感(如细长的)的平面形状，以便能产生低停止载荷，并能限制操作载荷，使其接近额定功率。主动流控制机构还可添加到现有的叶片。使用主动流控制机构增强的功能叶片形状使得叶片即使在主动流控制机构或相关控制器损坏的情况下仍可以操作。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机(100)的叶片(108)，设有主动流控制促动器(300)，其设置成可增加所述叶片的攻角范围。
2.根据权利要求1所述的叶片(108)，其特征在于，所述叶片具有细长的平面形状。
3.根据权利要求1所述的叶片(108)，其特征在于，所述主动流控制促动器(300)位于所述叶片的吸力侧(400)翼弦的大约60％。
4.一种风力涡轮机(100)，包括至少一个叶片(108)，设有流控制促动器(300)以增加攻角范围，在这个范围所述至少一个叶片可产生扭矩且无流分离；和控制器(112)，其设置成可控制流控制促动器，可根据控制器的输入，提高大攻角范围的功率输出。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述控制器设置成可限制操作载荷使其接近风力涡轮机的额定功率。
6.根据权利要求4所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述控制器设置成可实现停止载荷的下降。
7.根据权利要求4所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述叶片设置成，可在所述控制系统(112)损坏的情况下继续操作。
8.根据权利要求4所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述主动流控制促动器(300)设置在所述叶片(108)的吸力侧(400)，可选择位于使所述攻角范围增加最大化的位置。
9.根据权利要求4所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述主动流控制促动器(300)设置在所述叶片(108)的吸力侧(400)翼弦的大约60％。
10.根据权利要求4所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述控制器(112)设置成可限制操作载荷，使其接近风力涡轮机的额定功率，和实现停止载荷的下降。
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