CN102052264A - 组装风力涡轮机转子叶片中的空气分配系统的系统和方法 - Google Patents

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CN102052264A CN2010105451343A CN201010545134A CN102052264A CN 102052264 A CN102052264 A CN 102052264A CN 2010105451343 A CN2010105451343 A CN 2010105451343A CN 201010545134 A CN201010545134 A CN 201010545134A CN 102052264 A CN102052264 A CN 102052264A
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Abstract

本发明涉及组装风力涡轮机转子叶片中的空气分配系统的系统和方法，具体而言，提供一种用于风力涡轮机(10)中的空气分配系统(102)，风力涡轮机包括至少一个转子叶片(22)，转子叶片包括侧壁(134)，侧壁至少部分限定从叶片根部(148)朝叶片尖端(150)延伸的空腔(142)。该空气分配系统包括：歧管(106)，其至少部分定位在空腔内并从叶片根部朝叶片尖端延伸，该歧管具有根端部(114)和相对的顶端部(118)，并限定从根端部到顶端部的通路(155)；限定成通过侧壁的多个孔口(108)，该多个孔口提供通路和环境空气(214)之间的流连通；以及碎屑收集器(107)，其联接到歧管的顶端部(118)上并构造成收集流过空气分配系统的碎屑。

Description

组装风力涡轮机转子叶片中的空气分配系统的系统和方法
相关申请的交叉引用
在此对相关的、共同受让的、共同未决的申请进行交叉引用：案号235606，题为“Method for Operating a Wind Turbine with Reduced Blade Fouling(用于操作带有减少的叶片积垢的风力涡轮机的方法)”；案号235623，题为“Active Flow Control System for Wind Turbine(用于风力涡轮机的主动流控制系统)”；案号235850，题为“Systems and Method for Operating a Wind Turbine Having Active Flow Control(用于操作具有主动流控制的风力涡轮机的系统和方法)”；案号235851，题为“Apparatus and Method for Cleaning an Active Flow Control(AFC)System of a Wind Turbine(用于清洁风力涡轮机的主动流控制(AFC)系统的设备和方法)”；案号235852，题为“Systems and Method for Operating an Active Flow Control System(用于操作主动流控制系统的系统和方法)”；案号235854，题为“Systems and Method for Operating a Wind Turbine Having Active Flow Control(用于操作具有主动流控制的风力涡轮机的系统和方法)”。各交叉引用的申请都是由Jacob Johannes Nies和Wouter Haans发明并与本申请同日提交。
技术领域
本文所述的实施例一般地涉及用于操作具有主动流控制系统的风力涡轮机的方法和系统，并且更具体而言，涉及用于从该主动流控制系统收集和除去碎屑(debris)和/或防止碎屑积聚在主动流控制系统之上和/或之内的方法和系统。
背景技术
主动流控制(AFC)是用于对给定的入流条件做出反应而主动尝试影响物体的空气动力响应的技术和/或系统的一般性术语。更具体而言，使用至少一些公知的AFC系统来操纵跨叶片的流状况。如文中所用，术语“翼型件”是指涡轮叶片、翼和/或任何其它适当的翼型件。与提供基本上恒定的流控制的已知的被动流控制系统相比，已知的AFC系统使得流控制能够选择性地应用于翼型件。至少一些已知的AFC系统使用空气分配系统来操纵流动跨过翼型件表面的空气的边界层。已知的AFC系统包括可根据它们的净质量流(net-mass-flow)分为两个类别的促动器。第一类别为零净质量流(zero-net-mass-flow)促动器，例如合成射流促动器，而第二类别为非零净质量流(nonzero-net-mass-flow)促动器，例如空气喷射促动器，其可为稳定或不稳定和/或吹送式和/或吸入式促动器。
由于AFC系统受到可包含碎屑的流体流的影响，所以由碎屑造成的AFC穿孔和/或孔口的积垢是AFC大规模地应用于风力涡轮机叶片、航空器机翼及其它翼型件的障碍之一。如文中所用，术语“碎屑”指的是污垢、灰尘、昆虫、昆虫遗骸、颗粒、微粒、物质、悬浮液体和/或固体，以及/或者可接触风力涡轮机叶片和/或其它翼型件和积聚在风力涡轮机叶片和/或其它翼型件之中和/或之上的任何其它材料。另外，术语“穿孔”和“孔口”在整个本申请中可互换地使用。
通常，由碎屑引起的AFC孔口的积垢对AFC系统性能存在不利影响。另外，至少一些已知的AFC系统的构件(除了穿孔之外)也易受积垢的影响。例如，在至少一些已知的非零净质量流系统中，环境空气(可能被碎屑污染)被抽入AFC系统中，以供给促动器。这种已污染的进气可使AFC系统的空气分配系统、促动器和/或穿孔积垢。
已知的AFC系统的穿孔和/或其它构件的这种积垢可改变跨越叶片的流体流，从而使得流体流偏离叶片所设计来产生的洁净状态的流体。此外，叶片表面上和/或AFC系统内的积垢可降低使用翼型件和/或AFC系统的系统(例如风力涡轮机)的功率输出。但是，手动清洁AFC系统的各孔口是不切实际的，原因在于至少一些已知的AFC系统中的孔口数量和/或为了这种手动清洁而要求风力涡轮机脱机的持续时间。
因此，期望的是提供用于清洁AFC系统和/或防止AFC系统积垢的方法和/或系统。此外，这些方法和/或系统优选不包括AFC系统和/或叶片的手动清洁。
发明内容
在一方面，提供一种组装用于风力涡轮机的转子叶片中的空气分配系统的方法，其中，该转子叶片包括从叶片根部朝叶片尖端延伸的侧壁。该方法包括将歧管联接到侧壁上，其中，该歧管从叶片根部朝叶片尖端延伸并具有根端部和相对的顶端部，从而限定从根端部到顶端部的通路。多个孔口限定成通过侧壁，从而提供通路和环境空气之间的流连通。碎屑收集器联接到歧管的顶端部上并构造成收集流动通过空气分配系统的碎屑。
在另一方面，提供一种用于风力涡轮机中的空气分配系统。该风力涡轮机包括带有侧壁的至少一个转子叶片，该侧壁至少部分限定从叶片根部朝叶片尖端延伸的空腔。该空气分配系统包括歧管，该歧管至少部分定位在空腔内并从叶片根部朝叶片尖端延伸并具有根端部和相对的顶端部，从而限定从根端部到顶端部的通路。多个孔口限定成通过侧壁，从而提供通路和环境空气之间的流连通。碎屑收集器联接到歧管的顶端部上并构造成收集流动通过空气分配系统的碎屑。
在又一方面，提供一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括：带有侧壁的至少一个转子叶片，该侧壁至少部分限定从叶片根部朝叶片尖端延伸的空腔；和至少部分定位在转子叶片内的空气分配系统。该空气分配系统包括歧管，该歧管至少部分定位在空腔内并从叶片根部朝叶片尖端延伸并具有根端部和相对的顶端部，从而限定从根端部到顶端部的通路。多个孔口限定成通过侧壁并且提供通路和环境空气之间的流连通。碎屑收集器联接到歧管的顶端部上并构造成收集流动通过空气分配系统的碎屑。
通过包括碎屑收集器，本文所述的实施例有利于清洁和维护风力涡轮机的叶片内的主动流控制系统。更具体而言，从空气分配系统收集碎屑以用于消除(correct)和/或防止空气分配系统的积垢。
附图说明
图1-12示出本文所述的系统和方法的示例性实施例。
图1是示例性风力涡轮机的透视图。
图2是包括示例性流控制系统的图1中所示的风力涡轮机的局部视图。
图3是适合与图1中所示的风力涡轮机一起使用的示例性空气分配系统的一部分的透视图。
图4是适合与图3中所示的空气分配系统一起使用的碎屑收集器的放大截面图。
图5是适合与图3中所示的空气分配系统一起使用的碎屑收集器的备选实施例的放大截面图。
图6是适合与图3中所示的空气分配系统一起使用的碎屑收集器的备选实施例的放大截面图。
图7是限定成通过图2中所示的转子叶片的侧壁的多个孔口的放大截面图。
图8是限定成通过图2中所示的转子叶片的侧壁的多个孔口的备选实施例的放大截面图。
图9是限定成通过图2中所示的转子叶片的侧壁的多个孔口的备选实施例的放大截面图。
图10是包括示例性备选流控制系统的图1中所示的风力涡轮机的局部视图。
图11是图10中所示的空气分配系统的孔口的放大截面图。
图12是用于组装与图1中所示的风力涡轮机一起使用的空气分配系统的示例性方法的流程图。
部件列表
10  风力涡轮机
12  塔架
14  支承表面
16  外罩
18  转子
20  轮毂
22  转子叶片
24  叶片根部分
26  载荷转移区
28  方向
30  旋转轴线
32  桨距调节系统(pitch adjustment system)
34  变桨轴线(pitch axes)
36  控制系统
38  偏航轴线(yaw axis)
40  处理器
42  尖端
100 流控制系统
102 空气分配系统
104 流控制装置
106 歧管
107 碎屑收集器
108 孔口
110 组件
112 流体流
114 根端部
116 内表面
118 顶端部
120 预定部分
122 吸力侧(suction side)
124 压力侧
126 外表面
128 环境空气
130 开口
132 轮毂盖
134 第一侧壁
136 第二侧壁
138 前缘
140 后缘
142 空腔
144 内表面
146 内表面
148 叶片根部
150 转子叶片尖端
152 开口
154 部件
155 歧管通路
156 碎屑通路
158 直径
160 直径
161 离心力
162 部件
164 端壁
166 开口
168 舱门
170 可取下的支架
174 促动器
200 流控制系统
202 空气分配系统
204 促动器
206 通讯链路
208 孔口
210 组件
212 合成射流
214 环境空气
216 壳体
217 活塞
218 内表面
220 外表面
222 阵列
224 吸力侧
226 压力侧
234 侧壁
302 表面
304 孔口开口
305 开口
310 渐扩开口(divergent opening)
312 碎屑
314 内开口
316 外开口
324 内开口
326 外开口
328 轴线
330 虚线
338 弓形壁
340 表面
344 孔口开口
346 孔口开口
348 环形腔室
400 方法
401 将歧管联接到转子叶片的侧壁上，该歧管限定通路
402 限定多个孔口通过转子叶片的侧壁，这些孔口提供歧管通路和环境空气之间的流连通
403 将碎屑收集器联接到歧管的顶端部上
404 限定开口通过转子叶片的侧壁，该开口提供碎屑收集器通路和环境空气之间的流连通
具体实施方式
本文所述的实施例包括主动流控制(AFC)系统，该主动流控制(AFC)系统将空气喷射通过表面孔口和/或穿孔，以有利于控制翼型件(例如涡轮机转子叶片)上的流分离。本文所述的方法和系统有利于消除和/或防止AFC系统和/或转子叶片表面的积垢。更具体而言，本文所述的实施例防止碎屑集中在AFC系统孔口和歧管中。相反，将碎屑引导到碎屑收集器以便能够从AFC系统除去碎屑。在一个实施例中，碎屑收集器构造成从AFC系统的空气分配系统中收集碎屑。在又一实施例中，孔口构造成防止AFC系统内的碎屑进入孔口，以有利于将碎屑收集或积聚在碎屑收集器中以便除去。在备选实施例中，各孔口构造成防止碎屑从转子叶片表面外部进入孔口。
图1是示例性风力涡轮机10的透视图。在示例性实施例中，风力涡轮机10为水平轴线式风力涡轮机。备选地，风力涡轮机10可为竖直轴线式风力涡轮机。在示例性实施例中，风力涡轮机10包括从支承表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的外罩16以及联接到外罩16上的转子18。转子18包括可旋转的轮毂20和联接到轮毂20上且从轮毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。在示例性实施例中，转子18具有三个转子叶片22。在备选实施例中，转子18包括超过或少于三个的转子叶片22。在示例性实施例中，塔架12由管状钢制成，使得在支承表面14和外罩16之间限定空腔(图1中未示出)。在备选实施例中，塔架12为任何适当类型的塔架。基于本领域中公知的因素和条件来选择塔架12的高度。
转子叶片22围绕轮毂20间隔开以有利于使转子18旋转，以使得动能能够从风转换成可用的机械能，并随后转换成电能。通过在多个载荷转移区26处将转子根部分24联接到轮毂20上而使转子叶片22与轮毂20匹配。载荷转移区26具有轮毂载荷转移区和叶片载荷转移区(两者在图1中均未示出)。对叶片22引起的载荷经由载荷转移区26转移到轮毂20。
在示例性实施例中，转子叶片22具有范围为从约30米(m)(99英尺(ft))到约120m(394ft)的长度。备选地，转子叶片22可具有使得风力涡轮机10能够如本文描述的那样起作用的任何适当长度。例如，叶片长度的其它非限制性实例包括10m或以下、20m及37m。当风从方向28冲击转子叶片22时，转子18围绕旋转轴线30旋转。当转子叶片22旋转并承受离心力时，转子叶片22也承受各种力和力矩。因而，转子叶片22可从中性位置或未偏转的位置偏转和/或旋转到偏转位置。此外，转子叶片22的桨距角(pitch angle)(即确定转子叶片22相对于转子平面的投影的角度)可通过桨距调节系统32改变，以通过调节至少一个转子叶片22的轮廓相对于风向量的角位置而控制由风力涡轮机10所产生的载荷和功率。示出了用于转子叶片22的变桨轴线34。在示例性实施例中，各转子叶片22的桨距由控制系统36单独控制。备选地，关于所有转子叶片22的叶片桨距可通过控制系统36同时控制。此外，在示例性实施例中，当方向28改变时，可围绕偏航轴线38控制外罩16的偏航方向以相对于方向28定位转子叶片22。
在示例性实施例中，控制系统36显示为在外罩16内居中，但是，控制系统36可为在整个风力涡轮机10中、在支承表面14上、在风场内和/或在远程控制中心处的分布式系统。控制系统36包括构造成执行本文所述的方法和/或步骤的处理器40。此外，文中所述的许多其它构件包括处理器。如文中所用，术语“处理器”并不限于本领域中称为计算机的集成电路，而是宽泛地指控制器、微控制器、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路及其它可编程电路，并且这些术语可在文中互换地使用。应当理解的是，处理器和/或控制系统还可包括存储器、输入通道和/或输出通道。
在文中所述的实施例中，存储器可包括而不限于计算机可读介质(例如随机存取存储器(RAM))以及计算机可读的非易失性介质(例如闪存)。备选地，也可使用软盘、只读光盘存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能光盘(DVD)。而且，在文中所述的实施例中，输入通道包括而不限于传感器和/或与操作员接口相关的计算机外围设备，例如鼠标和键盘。此外，在示例性实施例中，输出通道可包括而不限于控制装置、操作员接口监控器和/或显示器。
文中所述的处理器处理从多个电气和电子装置中传输的信息，这些电气和电子装置可包括而不限于传感器、促动器、压缩机、控制系统和/或监控装置。这些处理器可物理地位于例如控制系统、传感器、监控装置、台式计算机、便携式计算机、可编程逻辑控制器(PLC)机柜和/或分布式控制系统(DCS)机柜中。RAM和存储装置储存和传送待由(多个)处理器执行的信息和指令。RAM和存储装置还可用来存储和提供临时变量、静态(即不变的)信息和指令，或者在(多个)处理器执行指令的期间传送到处理器的其它中间信息。被执行的指令包括而不限于流控制系统控制命令。指令的执行顺序并不限于硬件电路和软件指令的任何特定组合。
图2是可与风力涡轮机10一起使用的示例性流控制系统100的示意图。图3是适合与风力涡轮机10一起使用的示例性空气分配系统102的一部分的透视图。图1中所示的构件在图2和图3中标注相似的参考标号。在示例性实施例中，流控制系统100为包括空气分配系统102的非零净质量流控制系统。控制系统36认为是流控制系统100的构件并与空气分配系统102处于操作控制通讯。如文中所用，“操作控制通讯”是指涡轮机10的两个或更多个构件之间的链路，例如导体、金属线和/或数据链路，该链路使得信号、电流和/或命令能够在两个或更多个构件之间通讯。链路构造成使得一个构件能够使用通讯信号、电流和/或命令来控制风力涡轮机10的另一个构件的操作。
空气分配系统102包括至少一个流控制装置104、至少一个歧管106及至少一个孔口108。至少一个流控制装置104、相应的歧管106及一个或多个对应的孔口108形成组件110。各个转子叶片22包括至少部分地限定在其中的组件110。因而，空气分配系统102包括多个流控制装置104、多个歧管106及多个孔口108。备选地，至少一个转子叶片22包括组件110。在示例性实施例中，各个组件110是基本类似的，但是，至少一个组件110可与至少一个其它组件110不同。另外，虽然在示例性实施例中各个组件110包括流控制装置104，但是至少两个组件110可共用共同的流控制装置104。
流控制装置104例如为泵、压缩机、风扇、吹风机和/或用于控制流体的流的任何其它适当的装置。在一个实施例中，流控制装置104和/或组件110包括阀(未显示)，阀构造成调节空气分配系统102内的流，例如流率和/或流向。在示例性实施例中，流控制装置104是可逆的，以用于改变流体流112的方向。另外，在示例性实施例中，空气分配系统102包括用于风力涡轮机10的各个转子叶片22的一个流控制装置104，但是，应当理解，空气分配系统102可包括任何适当数量的流控制装置104。控制系统36可操作地联接到流控制装置104上。控制系统36与各个流控制装置104处于操作控制通讯，以用于控制通过空气分配系统102的流体流。控制系统36可与各个流控制装置104以操作控制通讯的方式直接联接，以及/或者可通过通讯集线器(communication hub)和/或任何其它(多个)适当的通讯装置来与各个流控制装置104以操作控制通讯的方式联接。
各个流控制装置104与至少一个歧管106流连通。当使用了一个集中式流控制装置104时，流控制装置104与空气分配系统102的各个歧管106流连通。在示例性实施例中，流控制装置104在各个歧管106的根端部114处联接在相应的转子叶片22内。备选地，流控制装置104可相对于至少一个歧管106在风力涡轮机10内和/或在支承表面14(在图1中显示)上的任何适当的位置上。
在示例性实施例中，各个歧管106至少部分地限定在空腔142内并且在相应的转子叶片22内定位在内表面116处或附近，并且大体沿着相应的变桨轴线34(在图1中显示)从歧管106的根端部114延伸到歧管106的相对的顶端部118。应当理解，顶端部118不必定位在叶片22的尖端42内，而是相反，顶端部118定位成比歧管根端部114更靠近尖端42。流通路155限定在歧管106内。在一个实施例中，孔口108限定成在顶端部118内距根端部114在转子叶片22的长度L的预定部分120处。另外，应当理解，歧管106可具有使得空气分配系统102和/或流控制系统100能够如本文描述的那样起作用的任何适当的构造、截面形状、长度和/或尺寸。还应当理解，转子叶片22的一个或多个构件可用来形成歧管106。
在示例性实施例中，空气分配系统102还可包括联接到歧管106上的至少一个碎屑收集器107。更具体而言，碎屑收集器107至少部分限定在相应转子叶片22内并大致沿相应的变桨轴线34从歧管106的顶端部118朝转子叶片22的尖端42延伸。在示例性实施例中，碎屑收集器107定位在歧管106的顶端部118处。但是，在备选实施例中，碎屑收集器107位于沿相应变桨轴线34的任何适当位置处。此外，应当理解的是，碎屑收集器107可具有使得空气分配系统102和/或流控制系统100能够如本文描述的那样起作用的任何适当的构造、截面形状、长度和/或尺寸。
在示例性实施例中，空气分配系统102还包括提供所限定出的通路155和环境空气128之间的流连通的至少一个孔口108。更具体而言，在示例性实施例中，空气分配系统102包括沿各相应转子叶片22的吸力侧122限定的多个孔口108。虽然孔口108显示为沿吸力侧122对准成一条线，但应当理解的是，孔口108可定位在使得流控制系统100能够如本文描述的那样起作用的沿转子叶片22的吸力侧122的任何适当的部位处。备选地或附加地，孔口108限定成通过转子叶片22的压力侧124。在示例性实施例中，孔口108限定成通过相应转子叶片22的外表面126，以用于提供歧管106和环境空气128之间的流连通。
在示例性实施例中，流控制装置104在示例性实施例中经由限定在轮毂20和轮毂盖132之间的开口130与环境空气128流连通。备选地，风力涡轮机10不包括轮毂盖132，并且环境空气128通过轮毂20附近的开口130抽入到空气分配系统102中。在示例性实施例中，流控制装置104构造成通过开口130抽入环境空气128并将从环境空气128产生的流体流112排出到歧管106中。悬浮在环境空气128中的碎屑也由流控制装置104通过开口130抽入并与流体流112一起排出通过歧管106。备选地，开口130可限定在轮毂20、外罩16、转子叶片22、塔架12和/或辅助装置(未示出)内使得空气分配系统102能够如本文描述的那样起作用的任何适当部位处。此外，空气分配系统102可包括多于一个的开口130，以用于将空气抽入空气分配系统102中，例如包括用于各流控制装置104的一个或多个开口130。在备选实施例中，过滤器定位在开口130内，以用于过滤进入空气分配系统102的环境空气128。应当理解的是，文中提到的过滤器可过滤来自流体流的颗粒和/或使液体与流体流分离。
在流控制操作期间，流控制系统100用来提供用于风力涡轮机10的AFC。更具体而言，控制系统36控制空气分配系统102以抽入环境空气128并通过至少一个孔口108排出流体流112。文中将描述一个组件110的操作，但是，应当理解的是，各组件110可相似地起作用。此外，组件110可被控制成基本同步地操作或各组件110可被单独控制，从而可单独操纵各转子叶片22周围的流体流。当同步控制组件110时，可通过控制系统36控制流控制系统100以维持预定的载荷范围、功率水平和/或噪音水平。在示例性实施例中，控制系统36指示或控制流控制装置104抽入环境空气128以产生具有一个或多个预定参数(如速率、质量流率、压力、温度和/或任何适当的流参数)的流体流112。流控制装置104经歧管106将流体流112从根端部114引导到顶端部118。应当理解的是，任何适当的控制方法和/或构件(例如使(多个)转子叶片22变桨)可备选地或附加地用来控制风力涡轮机10的载荷范围、功率水平和/或噪音水平。
当流体流112被引导通过歧管106时，流体流112通过孔口108从空气分配系统102排出。所排出的流体流112有利于至少操纵跨越转子叶片22的外表面126的流体流的边界层。更具体而言，在转子叶片22的吸力侧122处排出流体流112增加转子叶片22上的升力，这增加了由风力涡轮机10产生的功率。备选地，流控制装置104可操作成通过孔口108将环境空气128抽入到歧管106中，以用于从外罩16、轮毂20和/或任何其它适当的部位排出。因而，环境空气128可从边界层抽入以操纵边界层。
参照图3，在示例性实施例中，转子叶片22是一样的并且各自包括第一侧壁134和合作的第二侧壁136。第二侧壁136沿前缘138并沿轴向间隔开的后缘140联接到第一侧壁134上。第一侧壁134和第二侧壁136联接在一起以在第一侧壁134和第二侧壁136之间限定空腔142。具体而言，空腔142至少部分地由各相应的侧壁134和136的内表面144和内表面146作为边界。歧管106限定在(例如定位在)相应的转子叶片22内并大致沿相应的变桨轴线34从叶片根部148朝叶片尖端150延伸。在示例性实施例中，歧管106定位在转子叶片22的后缘140处或附近。在备选实施例中，歧管106定位在转子叶片22的前缘138和/或后缘140处和/或附近。歧管106联接到第一侧壁134的内表面146和/或第二侧壁136的内表面146上。在示例性实施例中，至少一个开口152限定成通过转子叶片22的侧壁134或136，以提供碎屑收集器107和环境空气128之间的流连通。
多个孔口108延伸穿过第一侧壁134和/或第二侧壁136以提供歧管106和环境空气128之间的流连通。在示例性实施例中，孔口108沿转子叶片22成单排轴向对准。应当理解的是，孔口108可在沿转子叶片22的长度的使得空气分配系统102能够如本文描述的那样起作用的任何适当的部位处成任何适当的阵列、成单排或成多排对准。
图4是空气分配系统102的示例性碎屑收集器107的放大截面图。图2和图3中所示构件在图4中标注相似的参考标号。在示例性实施例中，碎屑收集器107包括从歧管106朝叶片尖端150延伸的部件154。在示例性实施例中，部件154为管状的。碎屑通路156限定在部件154内并与歧管通路155流连通。至少一个开口152延伸通过转子叶片22的侧壁134，以提供碎屑通路156和环境空气128之间的流连通。碎屑收集器107联接到歧管106的顶端部118上，从而碎屑收集器107与歧管106流连通。孔口108限定成通过转子叶片22的第一侧壁134，以使得歧管通路155与环境空气128流连通。开口152限定在第一侧壁134内并通过外表面126，从而碎屑通路156与环境空气128流连通。开口152具有大于各孔口108的直径160的直径158。在示例性实施例中，空气分配系统102包括光线探测系统(未示出)。控制系统36(在图1中示出)与该光线探测系统处于操作控制通讯，以指示碎屑何时已积聚在碎屑收集器107中。备选地，空气分配系统102包括多个传感器(未示出)，这些传感器构造成确定空气分配系统102的一个或多个预定参数，例如速率、质量流率、压力、温度和/或任何适当的流参数。控制系统36与多个传感器处于操作控制通讯以指示空气分配系统102的参数何时由于碎屑在碎屑收集器107中的积聚而未在预定限值内。
在流控制操作期间，流体流112被引导通过歧管106并通过孔口108从空气分配系统102中排出。流控制装置104(在图2中示出)构造成通过开口130(在图2中示出)抽入环境空气128并将从环境空气128产生的流体流112排出到相应歧管106中。当环境空气128被抽入通过开口130(在图2中示出)时，碎屑也被抽入并变成与流体流112混合并排出到歧管106中。当流体流112行进通过歧管106时，碎屑通过由转子18(在图1中示出)的旋转产生的由箭头161表示的离心力被携带通过歧管106到碎屑收集器107并通过开口152排出。流体流112通过孔口108排出。开口152构造成提供最低限制性的流径，从而使碎屑流动经过孔口108而被收集在碎屑收集器107中和/或通过开口152排出。碎屑在碎屑收集器107中的积聚将中断由光线探测系统以有规律的间隔发射的光线脉冲，从而将指示碎屑正收集在碎屑收集器107中。
图5是碎屑收集器107的备选实施例的放大截面图。图2和图3中所示构件在图5中标注相同的参考标号。在该示例性实施例中，碎屑收集器107包括从歧管106朝转子叶片尖端150径向向外延伸的部件162。部件162部分限定在端壁164处终止的碎屑通路156。在一个实施例中，端壁164联接到部件162上并垂直于部件162。在备选实施例中，端壁164倾斜于部件162(在图6中示出)。至少一个开口166延伸通过转子叶片22的第一侧壁134并提供碎屑通路156和环境空气128之间的流连通。舱门168以可取下和/或枢转的方式联接到部件162上并构造成覆盖开口166，如所期望的那样。舱门168可从第一或关闭位置运动至第二或打开位置。在第一位置中，舱门168覆盖开口166。在第二位置中，舱门168并未完全覆盖开口166并提供碎屑通路156和环境空气128之间的流连通。在备选实施例中，舱门168利用可取下的支架170联接到外表面126上。在操作期间，通过空气分配系统102进入歧管106的碎屑通过由转子108(在图1中示出)所产生的离心力161排出到碎屑收集器107中。当碎屑已收集在碎屑收集器107中时，舱门168从第一位置运动到第二位置以允许手动接近碎屑通路156以从碎屑收集器107除去碎屑。
图6是碎屑收集器107的备选实施例的放大截面图。图2、图3和图5中所示的构件在图6中标注相同的参考标号。在该备选实施例中，促动器174可操作地联接到舱门168上。促动器174构造成使舱门168在第一或关闭位置和在图6中以虚线示出的第二或打开位置之间运动。在第一位置中，舱门168覆盖开口166，而在第二位置中，舱门168并未完全覆盖开口166并提供碎屑通路156和环境空气128之间的流连通。通讯链路(未示出)联接到促动器174上并提供控制系统36(在图1中示出)和促动器174之间的操作控制通讯。在操作期间，通过空气分配系统102进入歧管106的碎屑通过由转子18(在图1中示出)的旋转所产生的离心力161排出到碎屑收集器107中。当碎屑已收集在碎屑收集器107中时，控制系统36操作促动器174以使舱门168从第一位置打开到第二位置。碎屑通过离心力161通过开口166排出。
图7是限定成通过转子叶片22的第一侧壁134的多个孔口108的放大截面图。图2和图3中所示的构件在图7中标注相同的参考标号。孔口108由在内表面146和外表面126之间延伸通过第一侧壁134的表面302限定。孔口开口304限定在叶片外表面126处或内。孔口开口305限定在叶片内表面146处或内。孔口开口305构造成带有第一直径或内径d1。孔口开口304构造成带有大于第一直径d1的第二直径或外径d2，从而渐扩开口310形成为通过侧壁134。在示例性实施例中，歧管通路155经由孔口108与环境空气128流连通。在空气分配系统102操作期间，流控制装置104引导流体流112通过歧管106。悬浮在流体流112中由箭头312代表的碎屑被引导通过歧管106。当流体流112被引导通过歧管106时，流体流112通过孔口108从空气分配系统102中排出。当碎屑312被引导通过歧管106时，开口305的内径d1限制碎屑312进入孔口108，使碎屑312与流体流112分离。碎屑312然后通过由转子18(在图1中示出)的旋转所产生的离心力161携带通过歧管106在下游到达碎屑收集器107。进入孔口108的带有小于开口305的内径d1的直径的碎屑由流体流112引出通过具有大于开口305的直径的外径d2的孔口开口304，从而碎屑不会限制和/或阻挡通过孔口108的流。
图8是限定成通过转子叶片22的第一侧壁134的孔口108的备选实施例的放大截面图。图2、图3和图7中所示的构件在图8中标注相同的参考标号。在备选实施例中，孔口108包括限定在内表面146处或内的内开口314，以及限定在外表面126处或内的外开口316。内开口314构造成带有第一直径或内径d1。外开口316构造成带有第二直径或外径d2。第三直径d3限定在孔口108的中段处。第三直径d3大于第一直径d1和第二直径d2。在该备选实施例中，第三直径d3在内表面146和外表面126之间定位在沿孔口108的长度的中点处。但是，应当理解的是，第三直径d3可限定在内开口314和外开口316之间的任何适当的位置处，以允许空气分配系统102如本文描述的那样起作用。在该备选实施例中，第一直径d1的尺寸与第二直径d2相同，但是，在备选实施例中，第一直径d1可小于或大于第二直径d2。
在空气分配系统102操作期间，流控制装置104引导环境空气128通过歧管106。悬浮在流体流112中的碎屑312被引导通过歧管106。当流体流112被引导通过歧管106时，内开口314限制碎屑312进入孔口108，从而使碎屑312与流体流112分离。碎屑312然后通过由转子18(在图1中示出)的旋转所产生的离心力161被携带通过歧管106到达碎屑收集器107。此外，流控制装置104操作成通过孔口108将环境空气128抽入歧管106中。外开口316有利防止悬浮在环境空气128中的碎屑进入孔口108。进入孔口108的带有小于内开口314的内径d1的直径的碎屑由流体流112引出通过具有与内开口314的直径基本上相同的外径d2的外开口316，从而碎屑不会限制和/或阻挡通过孔口108的流。此外，通过外开口316进入孔口108的碎屑由流体流112引出通过内开口314，使得碎屑不会限制和/或阻挡通过孔口108的流。
图9是限定成通过转子叶片22的第一侧壁134的孔口108的备选实施例的放大截面图。图2和图3中所示的构件在图9中标注相同的参考标号。在备选实施例中，孔口108包括限定在内表面146处或内的内开口324，以及限定在外表面126处或内的外开口326。内开口324构造成带有第一直径或内径d1。外开口326构造成带有在该备选实施例中大于第一直径d1的第二直径或外径d2。第三直径d3限定在孔口108的中段处。第三直径d3大于第一直径d1和第二直径d2。在该备选实施例中，第三直径d3在内表面146和外表面126之间定位在沿孔口108的长度的中点处。但是，应当理解的是，第三直径d3可限定在内开口324和外开口326之间的任何适当的位置处，以允许空气分配系统102如本文描述的那样起作用。内开口324与外开口326对准使得形成孔口轴线328。在该实施例中，外开口326定位成比内开口324更靠近叶片根部148，从而使得轴线328与内表面146(由虚线330表示)相交而形成范围为从约90°至约180°的角度α1。在该实施例中，角度α1至少为90°。在又一实施例中，孔口108至少部分由在内表面146和外表面126之间在第一侧壁134中形成的弓形壁338限定。在空气分配系统102操作期间，流控制装置104引导流体流112通过歧管106。悬浮在流体流112中的碎屑被引导通过歧管106。内开口324的直径d1被尺寸定制成有利于在流体流112运动通过歧管106时限制碎屑进入孔口108并且碎屑收集在碎屑收集器107中。悬浮在流体流112中的碎屑的密度大于空气密度，从而碎屑以相对于流体流112更高的惯性被引导通过歧管106。当流体流112行进通过角度α1而进入孔口108时，碎屑较高的惯性防止碎屑行进通过角度α1进入到孔口108中，并致使碎屑经过孔口108并流向碎屑收集器107。
图10是可与风力涡轮机10一起使用的示例性备选流控制系统200的示意图。图1中所示构件在图10中标注相同的参考标号。在示例性实施例中，流控制系统200为包括空气分配系统202的零净质量流控制系统。控制系统36与流控制系统200和/或空气分配系统202处于操作控制通讯。
空气分配系统202包括至少一个促动器204、至少一个通讯链路206及至少一个孔口208。促动器204、通讯链路206及孔口208限定组件210。在示例性实施例中，各转子叶片22包括相应组件210。因而，在示例性实施例中，空气分配系统202包括多个促动器204、通讯链路206及孔口208。备选地，空气分配系统202包括用于组件210的一个共用通讯链路206。在备选实施例中，至少一个转子叶片22包括具有通讯链路206的组件210。在一个实施例中，通讯链路206提供控制系统36和至少一个促动器204之间的操作控制通讯。在示例性实施例中，通讯链路206提供控制系统36和组件210内的多个促动器204之间的操作控制通讯。通讯链路206可与控制系统36以通讯的方式直接联接和/或经由通讯集线器和/或任何其它适当的通讯装置联接到控制系统36上。促动器204、通讯链路206和/或孔口208至少部分定位在转子叶片22内或限定在转子叶片22中。
在示例性实施例中，促动器204为构造成形成流体的合成射流212的任何公知或预期的促动器。如文中所用，术语“合成射流”是指通过隔膜和/或活塞217的周期运动形成的流体射流，其中该射流是从环境流体中合成的。合成射流212可认为是通过流控制系统200的流体流。在一个实施例中，促动器204包括壳体216以及壳体216内的隔膜和/或活塞217。环形腔室348限定在壳体216内。隔膜和/或活塞217可以机械、压电、气动、磁力和/或其它方式控制以形成合成射流212。在示例性实施例中，促动器204联接到转子叶片22的内表面218上并与对应的孔口208对准，以使得合成射流212和/或环境空气214流动通过孔口208。
孔口208限定在转子叶片22内，并且更具体而言，通过转子叶片22的侧壁234。此外，在示例性实施例中，空气分配系统202的至少一个组件210包括多个促动器204和各自与促动器204对应的多个孔口208。从而，空气分配系统202包括限定成通过转子叶片22的一阵列222的孔口208。在示例性实施例中，孔口208限定成沿各转子叶片22的吸力侧224。虽然孔口208和/或混合促动器204显示为沿吸力侧224成一条线对准，但应当理解的是，孔口208和/或促动器204可定位在使得流控制系统200能够如本文描述的那样起作用的沿转子叶片22的吸力侧224的任何地方。在备选实施例中，孔口208限定成通过转子叶片22的任何适当侧边，包括吸力侧224和/或压力侧226，和/或促动器204联接到转子叶片22的任何适当侧边的内表面218上。在示例性实施例中，孔口208构造成提供相应促动器壳体216和环境空气214之间的流连通。
在流控制操作期间，流控制系统200用来提供用于风力涡轮机10的AFC。更具体而言，控制系统36控制空气分配系统202以抽入环境空气214并产生合成射流212通过至少一个孔口208。文中将描述一个组件210的操作，但是，应当理解的是，各组件210相似地起作用。此外，组件210可控制成基本上同步地操作或可单独控制各组件210以使得可单独操纵各转子叶片22周围的流体流。可通过控制系统36控制流控制系统200以维持预定的载荷范围、功率水平和/或噪音水平。在示例性实施例中，控制系统36指示促动器204使用隔板和/或活塞217交替地将环境空气214抽入壳体216中(在本文中也称为“吸入冲程”)，和从壳体216中排出合成射流212(在本文中也称为“呼出冲程”)，以产生具有一个或多个预定的参数(例如速度、质量流率、压力、温度和/或任何适当的流参数)的合成射流212。合成射流212有利于至少操纵跨越叶片22的外表面220的流体流的边界层。更具体而言，在叶片22的吸力侧224处排出合成射流212提高了叶片22上的升力，这提高了由风力涡轮机10产生的功率。
图11是孔口208的放大截面图。图3和图10中所示的构件在图11中标注相似的参考标号。孔口208由在内表面218和外表面220之间延伸通过侧壁234的表面340限定。孔口开口344限定在外表面220处。孔口开口346限定在内表面218处。孔口开口346构造成带有第一直径或内径d1。孔口开口344构造成带有小于第一直径d1的第二直径或外径d2。在示例性实施例中，环形腔室348通过孔口208与环境空气214流连通。在空气分配系统202操作期间，促动器204将环境空气214抽入壳体216中并通过孔口208排出合成射流212。开口344构造成有利于限制悬浮在环境空气214中的碎屑在“吸入冲程”期间进入孔口208。进入孔口208的带有小于开口344的外径d2的直径的碎屑由合成射流112引出通过具有大于外径d2的内径d1的孔口开口346，并引出通过开口344，以使得碎屑不会限制和/或阻挡通过孔口208的流。
图12是用于组装适合在风力涡轮机10的转子叶片22中使用的空气分配器系统102的示例性方法400的流程图。方法400包括将歧管106联接401到转子叶片22的侧壁134上，并限定403多个孔口108通过侧壁134，以使得孔口108提供歧管通路155和环境空气128之间的流连通。方法400还包括将碎屑收集器107联接403到歧管106的顶端部118上，并限定404开口152通过侧壁134，以使得开口152提供碎屑收集器通路156和环境空气128之间的流连通。
上述系统和方法有利于消除和/或防止翼型件(例如转子叶片)和/或与该叶片一起使用的主动流控制系统的积垢。因而，文中所述的实施例有利于例如风力涡轮机应用中的主动流控制(AFC)的广泛使用。上述系统和方法通过使用碎屑收集器和至少部分限定在风力涡轮机内的孔口的构造防止或限制AFC系统的积垢。因而，可延长AFC系统的使用寿命，这是因为减少了可能在AFC系统的运行寿命中出现的积垢。此外，上述系统有利于在防止AFC系统积垢的过程中减少操作人员干预。
上文详细描述了用于组装用于风力涡轮机的转子叶片中的空气分配系统的系统和方法的示例性实施例。这些系统和方法并不限于文中所述的特定实施例，相反，系统的构件和/或方法的步骤可独立地且与本文中所述的其它构件和/或步骤分开地使用。例如，这些方法也可结合其它主动流控制系统和方法一起使用，并且不限于仅仅与如文中所述的风力涡轮机系统一起实践。相反，示例性实施例可结合许多其它积垢消除和/或防止应用来实现和使用。
虽然本发明各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其它附图中未示出，但这只是为了方便起见。按照本发明的原理，附图的任何特征可结合任何其它附图的任何特征来参看和/或要求保护。
本书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何结合的方法。本发明可取得专利权的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例没有不同于权利要求的字面语言的结构元件，或者如这些其它实例包括与权利要求的字面语言无实质性区别的等同结构元件，则这些其它实例意图处于权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机(10)中的空气分配系统(102)，所述风力涡轮机包括至少一个转子叶片(22)，所述转子叶片(22)包括侧壁(134)，所述侧壁(134)至少部分限定从叶片根部(148)朝叶片尖端(150)延伸的空腔(142)，所述空气分配系统包括：
歧管(106)，所述歧管(106)至少部分定位在所述空腔内并从所述叶片根部朝所述叶片尖端延伸，所述歧管具有根端部(114)和相对的顶端部(118)，并限定从所述根端部到所述顶端部的通路(155)；
限定成通过所述侧壁的多个孔口(108)，所述多个孔口提供所述通路和环境空气(214)之间的流连通；以及
碎屑收集器(107)，所述碎屑收集器(107)联接到所述歧管的顶端部(118)上并构造成收集流动通过所述空气分配系统的碎屑。
2.根据权利要求1所述的空气分配系统(102)，其特征在于，所述空气分配系统(102)还包括：
可操作地联接到所述歧管(106)上的流控制装置(104)，所述流控制装置构造成引导空气通过所述歧管；以及
可操作地联接到所述流控制装置上的控制器，所述控制器构造成指导所述流控制装置的操作。
3.根据权利要求1所述的空气分配系统(102)，其特征在于，所述碎屑收集器(107)具有根端部(114)和相对的顶端部(118)并限定从所述根端部至所述顶端部的通路(155)，并且所述多个孔口(108)中的各孔口具有第一直径(158)，并且所述空气分配系统还包括限定成通过所述侧壁(134)的开口(130)，所述开口提供所述碎屑收集器通路(156)和环境空气(128)之间的流连通，所述开口具有大于所述第一直径的第二直径(160)，所述开口构造成通过所述碎屑收集器通路将碎屑排出到环境空气。
4.根据权利要求3所述的空气分配系统(102)，其特征在于，所述空气分配系统(102)还包括联接到所述侧壁(234)上且构造成在第一位置中覆盖所述开口(152)的舱门(168)，所述舱门可从所述第一位置运动到第二位置以允许接近所述碎屑收集器通路(156)。
5.根据权利要求4所述的空气分配系统(102)，其特征在于，所述空气分配系统(102)还包括促动器(174)，该促动器(174)可操作地联接到所述舱门(168)上并构造成使所述舱门在所述第一位置和所述第二位置之间运动。
6.根据权利要求1所述的空气分配系统(102)，其特征在于，所述转子叶片(22)具有叶片内表面(146)和叶片外表面(126)，所述多个孔口(108)中的各孔口包括：
限定在所述叶片内表面处的第一开口(157)，所述第一开口具有第一直径；以及
限定在所述叶片外表面处的第二开口(166)，所述第二开口具有大于所述第一直径的第二直径，其中，所述第一开口构造成限制碎屑从所述空气分配系统进入所述孔口。
7.根据权利要求1所述的空气分配系统(102)，其特征在于，所述转子叶片(22)具有叶片内表面(146)和叶片外表面(126)，所述多个孔口(108)中的各孔口包括：
限定在所述叶片内表面处的、具有第一直径(158)的第一开口(152)，所述第一开口构造成限制碎屑从所述空气分配系统进入所述孔口；以及
限定在所述叶片外表面处的第二开口(166)，所述第二开口具有第二直径(160)，所述第二开口构造成限制碎屑从所述环境空气(128)进入所述孔口，其中，各孔口在中段处具有大于所述第一直径和所述第二直径的第三直径。
8.根据权利要求1所述的空气分配系统(102)，其特征在于，所述转子叶片(22)具有叶片内表面(146)和叶片外表面(126)，并且所述多个孔口(108)中的各孔口(108)限定轴线(328)且包括：
限定在所述叶片内表面(146)处的第一开口(152)；以及
限定在所述叶片外表面(220)处的第二开口(166)，所述第二开口定位成比所述第一开口更靠近所述叶片根部，所述轴线与所述叶片表面形成至少为90度的角度。
9.根据权利要求8所述的空气分配系统(102)，其特征在于，各孔口(108)还包括：
限定在所述叶片内表面(146)处的第一开口(152)，所述第一开口具有第一直径(158)；以及
限定在所述叶片外表面(220)处的第二开口(166)，所述第二开口具有大于所述第一直径的第二直径(160)，其中，所述第一开口构造成限制碎屑从所述空气分配系统进入所述孔口(108)。
10.根据权利要求8所述的空气分配系统(102)，其特征在于，各孔口(108)至少部分由形成在所述侧壁(234)中的弓形壁(338)限定。
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