CN101413478A - 风力涡轮机叶片的主动阻尼 - Google Patents

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S·赫尔
K·W·坎齐
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Abstract

本发明涉及风力涡轮机叶片的主动阻尼，具体而言，一种风力涡轮机叶片(20)，包括传感器(26)和促动器(30)，该传感器(26)布置在叶片(20)后缘的上游，用于测量在叶片(20)表面附近的气流特性；促动器(30)布置在传感器(26)下游，用于响应于测量到的特性来调节气流。

Description

风力涡轮机叶片的主动阻尼
技术领域
在此所描述的主题一般地涉及带有振动阻尼特征的流体反作用表面，并且更具体地，涉及用于风力涡轮机叶片噪声的主动阻尼和/或阻力减小。
背景技术
风力涡轮机是一种用于把风中的动能转变成机械能的机器。如果直接通过机器装置使用该机械能，比如抽吸水或者碾磨小麦，那么该风力涡轮机可以被称为风车。相似地，如果把该机械能进一步转变成电能，那么该涡轮机还可以被称为风力发电机或风电场。
风力涡轮机使用呈“叶片”形式的一个或多个翼型件(airfoil)来从移动的空气产生升力并捕获动量，升力和动量随后被施加到转子上。典型地各叶片在它的“根”端处被紧固，然后径向地“向外侧”“延伸”到自由的“末梢”端。叶片的前部或“前缘”连接首先接触空气的叶片的最前点。叶片的后部或“后缘”是已经被前缘分离的气流在经过叶片的抽吸表面和压力表面后重新会合的地方。“弦线”横跨叶片的典型的气流方向连接叶片的前缘和后缘。
典型地，根据叶片绕其旋转的竖直轴线或水平轴线来对风力涡轮机进行分类。在图1中示意性图示了一个所谓的水平轴线风力发电机。用于风力涡轮机2的这种特定构造包括支撑带有转子8的驱动系6的塔架4，该转子8由被称为“短舱”的保护壳覆盖。在短舱外侧把叶片10布置在转子8的一个端部处，以用于驱动连接到发电机14上的变速箱12，该发电机14在短舱内位于驱动系6的另一端。
尽管风能是可再生能源中一种增长最快速的来源，但是风力涡轮机的噪声仍然是实施中的主要障碍。对于大型的现代风力涡轮机，空气动力学噪声被认为是这种噪声问题的主要来源，而尤其是所谓的“后缘噪声”，其由边界层中的湍流与叶片的后缘的相互作用所引起。
边界层是位于叶片10表面上方的一层非常薄的空气。因为空气具有黏性，所以这层空气趋向于粘附在叶片10上。当叶片10移动时，在前缘附近的边界层区域中的空气最初在叶片10的流线型形状上方平稳地流动，在其中被称为“层流”。然而，当空气进一步沿着叶片10的弦继续流动时，由于与叶片的摩擦，所以缓慢移动的空气的此边界层的厚度增加。在沿着叶片的弦的某一距离处，以逆流和旋涡为特征的湍流层可在层流层的上方开始形成。然后，当空气进一步沿着叶片10的表面移动时，湍流层的厚度将增加，而层流层的厚度将减小。瞬变流动的始端被称为“瞬变点”，在此处边界层从层流变成湍流，并且在此处由于表面摩擦所以阻力会变得相当高。当叶片的速度和攻角增加时，该瞬变点趋向于在叶片10的弦上向前移动，这导致更大的阻力和更多由噪声引起的湍流。
发明内容
在此通过在各个实施例中提供风力涡轮机叶片来陈述这种传统方法的这些方面和其它方面，该风力涡轮机叶片包括传感器和促动器，传感器布置在叶片后缘的上游，用于测量在叶片表面附近的气流特性；促动器布置在传感器的下游，用于响应于被测量的气流特性来调节叶片。在此还公开了风力发电机，包括支撑着带有转子的驱动系的塔架；从转子径向地延伸的至少一个叶片；布置在叶片后缘的上游用来检测在叶片表面附近的气流特性的装置；布置在检测装置下游用来响应于被检测的气流特性而促动叶片的一部分的装置；和用来响应于来自检测装置的信号以调节促动装置的装置。在另一个实施例中，在此公开的技术涉及减少来自风力涡轮机叶片的噪声的方法，包括在叶片后缘的上游在叶片表面附近的位置处检测气流特性；和在检测位置的下游响应于检测的气流特性来促动叶片的一部分。
附图说明
现在将参考下列图(“图”)来描述本技术发明的各个方面，这些图不一定是按比例绘制的，但是在几个视图中的每一个视图中都使用相同的标号指代对应的部件。
图1是传统的风力涡轮机的示意性侧视图。
图2是风力涡轮机叶片的示意性、局部截面图示。
图3是在图2中所示的风力涡轮机叶片的运行图示。
部件列表
2  风力涡轮机
4  塔架
6  驱动系
8  转子
10 叶片
12 变速箱
14 发电机
20 叶片
22 主体
24 后缘帽
26 传感器
30 促动器
32 电池
34 信号线
36 控制器
40 检测到的数据
42 控制信号
具体实施方式
图2和图3是风力涡轮机叶片20的示意性局部截面图，该风力涡轮机叶片20用于和在图1中所示的风力发电机或者任何其它的风力涡轮机一起使用。例如，在图2中所图示的叶片20可以替换在图1中所图示的任何传统的叶片10和/或所有传统的叶片10。在所图示的示例中，对应于专利申请No.2007/0025858，涡轮机叶片20包括主体22和后缘帽24，如在共同未决的序列号为11/193696的美国专利申请(代理案件目录号167650)中所公开的那样。然而，还可以把下面所讨论的技术应用在多种其它的构造中，包括但不限于，把该技术直接应用到叶片20的主体22上，而没有后缘帽24。
在所图示的实例中，叶片20包括用于测量在叶片表面附近的气流特性的传感器26，该传感器26布置在叶片20的后缘28的上游，与在叶片的对应表面上方的气流的方向相反。可以测量任何流特性，包括湍流、速度、方向、流率、温度、边界层高度和/或压力，该压力包括动压力和/或静压力。例如，传感器26可以构造成流量换能器，比如图示在叶片20的上侧(抽吸侧)上的压力换能器。备选地，或者另外地，该传感器26可包括用于在一个或多个空间维度中测量一个或多个流特性的热线式传感器、五孔探测器或者激光器。传感器26还可包括另外的功能性，比如调节、供电、切换和/或通信。例如，传感器26可以构造成流通继电器，比如图示在叶片20的下侧(压力侧)上的压力开关。
在叶片的对应表面上方的气流方向上，将促动器30布置在传感器26的下游，以响应于被测量的气流特性来调节叶片20。可使用任何促动器，包括线性的和/或旋转的机械、气压、液压、热力和/或电子促动器。例如，促动器30可构造成压电换能器，比如在图2和图3中所图示的压电条，在其中那些压电条被紧固到后缘帽24的内部表面上。备选地，可以把压电条紧固到后缘帽24的外部表面上、紧固到后缘帽24的内部表面和外部表面二者上。例如，在用于压电条促动器的一种构造中，可把金属层夹在多个换能层之间，这些换能层布置在后缘帽24的表面上或者叶片20的其它部分上。备选地，或者另外地，促动器可构造成等离子发生器。例如，等离子发生器可以构造成一个或多个电极，电极由一个或多个脉冲信号、脉冲包线和/或高电压无线电信号驱动。促动器30还可以包括另外的功能性，比如调节、供电、切换和/或通信。还可以使用集成促动器的连续条。
尽管把传感器26和促动器30图示成布置在叶片20的上部(抽吸)表面和下部(压力)表面二者上，但是也可以把它们布置在叶片20的相对表面上、两个表面上和/或仅仅一个表面上。也可以沿着叶片20的翼展和/或弦来布置多个传感器26和/或促动器30，并且传感器和促动器可以比在图中所示间隔得更近或者更远，该图不是按比例绘制的。而且，一些或所有的传感器26和促动器30可以布置在叶片20的相对表面上，以独立地操作每一个，或者彼此结合地操作。例如，当两个流在叶片20的后缘28处相遇时，它们的响应可由控制器36来协调以获得最佳的结果。
在图2中，把在叶片20的下部(压力)表面上的压力检测开关26连接到电池32上，或者连接到其它电源上。当后缘28上游的被检测压力升高到设定水平之上时，开关26闭合，以便给被紧固在后缘帽24的下部(压力)表面内的压电促动器30提供电压。然后，压电促动器30改变形状，以调节叶片的下部(压力)表面，如在下面相对于图3所描述的。
除了这种使用电路的简单的二进制控制算法以外，还可以使用更复杂的控制方法和/或通信方法来响应于来自传感器26的信号而调节促动器30。例如，经由信号线34把所图示的在上部(抽吸)表面上的压力检测换能器26连接到控制器36上，然后，该控制器36驱动压电促动器30。信号线34可以包括任何信号通信介质，该介质包括双绞线、气压管道、液压管道、同轴电缆、光纤电缆和/或无线传输介质，该无线传输介质比如无线电、微波和/或卫星链路。还可以使用各种通信协议，包括但不限于，串行、并行、TCP/IP、用于过程控制的OLE、通用接口协议、DeviceNet、以太网、Modbus、SINEC和/或GE SRTP。
控制器36响应于来自传感器26的信号而调节促动器30。控制器可以使用任何控制方法，包括但不限于，二进制、比例-积分-微分(P-I-D)、反馈、前馈、离散批量、连续、开环、闭环、逻辑、模糊逻辑、分布和/或控制方法。在这点上，控制器36可以包括模拟控制器和/或可编程控制器，比如数字计算机。控制器36可设置成以各种控制方案来驱动促动器30，以便减少噪声和/或延迟瞬变流动的始端。例如，控制器36可设置成以便(压力)促动器30提供由传感器26所检测的声学降噪输出，该输出大致与压力噪声或其它流特性异相。备选地，或者另外地，控制器36可构造成驱动(等离子发生)促动器30，以引起在流方向的改变和/或另外地延迟瞬变流动的始端。在后一种设置中，促动器30中的至少一些促动器将典型地布置成靠近叶片20的前缘，瞬变流动可能在此处开始。
事实上，可以以硬件、软件、固件或它们的组合来实施由控制器36所执行的控制方法的各种实施例。适当的硬件可以包括但不限于，任何技术，比如用于对数据信号执行逻辑功能的具有逻辑门的离散逻辑电路、具有适当的组合逻辑门的专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(PGA)、现场可编程门阵列(FPGA)等等。备选地，或者另外地，可以把软件或固件存储在存储器中，并且由适当的指令执行系统来执行。
任何这种软件程序都将包括用于执行逻辑功能的可执行指令的有序列表，并且可以包含在任何计算机可读的介质中，以由指令执行系统、装置或设备使用或者与该指令执行系统、装置或设备结合使用，该指令执行系统、装置或设备比如基于计算机的系统、包含处理器的系统或者可以从指令执行系统、装置或设备提取指令并且执行指令其它系统。在本文件的上下文中，“计算机可读的介质”可以是任何装置，该装置可以包含、存储、通信、传播或传送程序，该程序由指令执行系统、装置或设备使用或者与该指令执行系统、装置或设备结合使用。例如，计算机可读的介质可以是但不限于，电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、设备或传播介质。计算机可读介质的更特别的实例包括但不限于，具有一条或多条电线的电连接(电子的)、便携式计算机磁盘(磁的)、随机存储器(RAM)(电子的)、只读存储器(ROM)(电子的)、可擦可编程只读存储器(EPROM或闪存)(电子的)、光纤(光的)和便携式只读光盘(CDROM)(光的)。注意计算机可读的介质甚至可以是纸或另外的在其上打印有程序的合适介质，由于程序可以被电捕获，所以例如经由对纸或其它介质的光学扫描，然后编译、翻译或如果需要以适当的方式另外处理，然后存储在计算机的存储器中。
图3示意性图示了处在操作的典型模式中的来自图2的叶片20。如由在图3中的上部(抽吸)表面所图示的，(压力检测换能器)传感器26将把关于被检测的流特性40的数据(压力)提供给控制器36。尽管来自传感器26的被检测的流特性数据40被图示成实时的连续波，但是也可以检测和/或收集其它类型的数据，包括但不限于，断续的、离散的、抽象的、代数的和/或其它的数据类型，并且该数据不必是实时的。然后，将检测到的流特性数据发送到控制器36，该控制器36用响应于检测到的数据信号40的控制信号42来调节和/或驱动促动器30。相似地，如由在图3中的下部(压力)表面所图示的，(压力检测开关)传感器26将检测流特性(压力)40，并且使用该信息来开启和闭合开关以及根据控制信号42来驱动促动器30。
尽管控制信号42也被图示成实时的连续波形，该波形与检测到的流特性数据信号40相反，但是也可以使用其它的输出控制信号，包括但不限于，断续的、离散的、抽象的、代数的和/或其它信号类型。例如，用来把来自传感器26的输入数据变换成用于驱动促动器30的指令的算法可以是适当的降噪算法，在该算法中把来自传感器的镜像波形“处理”到使用所谓的主动降噪的换能器中。备选地，或者另外地，可以把来自传感器26的输入波形分成频率分量或者频率范围，以便可以在后缘帽24的相同区域中或者不同区域中使用这些不同的频率分量来驱动不同的促动器30。使用一个或多个这些频率分量，某些事件，比如可以与单个音调频率相关的层流分离气泡和钝形后缘的涡旋脱落，可以因此被特别地处理。
在图3中，调节或者偏转后缘帽24的各侧的一部分，以便由对应的促动器30来改变形状。对于所图示且非限制性的示例，当由(多个)传感器26探测到低压时，由(多个)促动器30向外偏转后缘帽24，如由叶片20的上部(压力)表面所示。相似地，当由(多个)传感器26探测到高压时，由(多个)促动器30向内偏转后缘帽24，如由叶片20的下部(压力)表面所示。因此，在流的该部分在叶片20的后缘28上方向下游移动之前或者同时，调节在叶片20上的后缘帽24的形状，以补偿在叶片表面附近检测到的压力。这样，可以稳定通过叶片20的后缘28的流，以便最小化由叶片所产生的空气动力学噪声。所以，对于传统方法而言，上面所描述的这些实施例和其它实施例提供了各种优点，包括比传统方法更安静且具有更小的阻力和更大的空气动力学效率的运行。
还可以把上面所描述的技术与用于风力涡轮机(包括带有后缘锯齿的风力涡轮机叶片)的各种其它的噪声降低技术相结合，例如但不限于，在共同持有的共同未决的序列号为11/857844(代理案件目录号227892)的美国专利申请中和在该主题中所引用的参考中所公开的那些技术。例如，可以布置促动器30以促动被布置在后缘处或后缘附近的锯齿，和/或叶片20的其它部分。
应该强调的是，上述的实施例，特别是任何“优选的”实施例，仅仅是已经在此陈述的各种实施例的示例，以提供对此技术的各个方面的清晰理解。在大致不偏离保护范围的情况下可改变许多这些实施例，该保护范围仅由所附权利要求的正确诠释来限定。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机叶片(20)，包括：
传感器(26)，其布置在所述叶片(20)的后缘的上游，用于测量在所述叶片(20)的表面附近的气流特性；和
促动器(30)，其布置在所述传感器(26)的下游，用于响应于所述测量到的特性来调节所述气流(20)。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(20)，其特征在于，所述促动器(30)包括等离子发生器。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(20)，其特征在于，所述促动器(30)改变所述叶片(20)的表面的形状。
4.根据权利要求1或3所述的风力涡轮机叶片(20)，其特征在于，所述促动器(30)包括压电条。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的风力涡轮机叶片(20)，其特征在于，所述传感器(26)包括压力传感器。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的风力涡轮机叶片(20)，其特征在于，所述风力涡轮机叶片(20)还包括控制器(36)，所述控制器(36)用于响应于来自所述压力传感器(26)的信号而调节所述促动器(30)。
7.一种降低来自风力涡轮机叶片(20)的噪声的方法，包括：
在所述叶片的后缘的上游在所述叶片的表面附近的位置处检测(26)气流特性；和
在检测位置的下游响应于检测到的气流特性而促动(30)所述叶片的一部分。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述检测到的气流特性是压力。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括响应于所述检测到的气流特性来控制(36)所述促动步骤。
10.根据权利要求7、8或9所述的方法，其特征在于，所述促动步骤包括主动抵消检测到的噪声。
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