CN102410136B - 具有可促动式翼型通道的风力涡轮机转子叶片 - Google Patents

具有可促动式翼型通道的风力涡轮机转子叶片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有可促动式翼型通道的风力涡轮机转子叶片。具体而言，一种风力涡轮机转子叶片(22)包括压力侧(40)和吸入侧(42)。至少一个翼型通道(44)限定为穿过叶片而处在压力侧和吸入侧之间。相应的盖(46)在各个压力侧和吸入侧处构造在翼型通道上。盖可在闭合位置和开启位置之间促动，其中，在闭合位置，盖与各自的压力侧或吸入侧齐平，以及在开启位置，盖运动以开启翼型通道。

Description

具有可促动式翼型通道的风力涡轮机转子叶片
技术领域
本主题主要涉及风力涡轮机，并且具体地涉及为负载控制考虑而具有可控翼型通道的涡轮转子叶片。
背景技术
风力认为是当前可用的最为清洁、对环境最为友好的能源之一，且为此风力涡轮机获得了日益增加的关注。现代风力涡轮机通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱，以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用公知的翼片原理捕获来自风的动能并将该动能通过旋转能传送以转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱上，或如果未使用齿轮箱则直接联接到发电机上。发电机然后将机械能转换成可配置到公用电网上的电能。
为了确保风力保持为切实可行的能源，已尝试通过改进风力涡轮机的大小和容量来增加能量输出。一个这样的改型是增加转子叶片的长度和表面面积。然而，转子叶片偏转力和加载的量值通常随着叶片长度，连同风速、涡轮运行状态、叶片刚度以及其它变量的变化而变化。这种增加的加载不仅在转子叶片和其它风力涡轮机构件上产生疲劳而且还会增加转子叶片突然灾难性失效的风险，例如当过多的加载导致叶片偏转而引起塔架撞击时。
因此，负载控制为在现代风力涡轮机的运行中具有决定性的因素。主动桨距控制系统广泛地用来通过改变叶片桨距而控制转子叶片上的负载。然而，在高风况中，由于风阻力增加和桨距控制系统的响应速率而通常难以调整叶片的桨距角。
还公知的是，单独转子叶片的空气动力特性随着负载控制的方式例如利用构造在叶片表面上的可控涡流元件、翅片、突片等而改变。
美国专利No.6984110描述了一种系统，其中，风车叶片设有风压调整孔，这些孔由构造在叶片侧面上的可调整板而可变地遮盖，以便在导向件内沿着叶片表面滑动。需要的是，相对较复杂的机械促动和控制系统同时地调整单个叶片上的所有板。
美国专利No.7400057描述了一种具有环形叠置叶片的全向垂直定向式风力涡轮机。叶片包括沿着前缘的空气泄放通路和各个环形的凹入表面，以便将高动能从叶片的前缘引至凸起表面来加强边界层和减少沿着叶片的空气流动分离。这些通路是开启(未遮盖)的，且在叶片上的负载控制方面并未起到很有意义的作用。
因此，本工业将受益于一种用于单独转子叶片的负载控制系统和方法，其并未在设计负载约束内不利地影响叶片的空气动力性能且相对较为容易地在高负载状态下促动。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐释，或可根据该描述而清楚，或可通过本发明的实施而懂得。
在一个方面，风力涡轮机转子叶片提供有压力侧和吸入侧。至少一个翼型通道限定在压力侧和吸入侧之间。在一个具体实施例中，翼型通道由通路部件限定，该通路部件在压力侧和吸入侧之间的叶片内部空腔内延伸。相应的盖在各个压力侧和吸入侧处构造在翼型通道上，使得各个翼型通道均具有相关的盖组。各盖均可被动地或主动地在闭合位置和开启位置之间促动，其中，在闭合位置，盖与相应的压力侧或吸入侧齐平，以及在开启位置，盖运动以开启翼型通道。例如，盖可枢转到翼型通道中。
叶片可包括定位在叶片上的各个位置处或以叶片上的图案(pattern)定位的一个或多个翼型通道。在一个具体实施例中，翼型通道定位在压力侧上的翼弦位置且朝向叶片后缘成一定角度，使得限定通道的部件在压力侧和吸入侧之间以直线性路径延展且不会经过叶片的内部结构构件，例如翼梁缘条或连板。
对于主动控制盖的实施例，任何方式的机械、电动、液压、气动或其它适合机构都可用来响应于接收自风力涡轮机控制器的控制信号而在闭合位置和开启位置之间主动地驱动盖。例如，为此目的电动马达可与各个盖一起构造。盖可以可变地可定位在闭合位置和完全开启位置之间以可变地控制经过通道的空气流。
在其它实施例中，盖可被动地控制。例如，偏压元件如弹簧、活塞等，可与各个盖一起构造成将盖偏压至闭合位置和在叶片所经历的限定的设定点负载状态下容许盖运动至开启位置。为了使得偏压元件不需要精确地校准或过大，可能期望的是将可促动式锁定件如电磁锁定件与各个盖相结合，以将盖保持在闭合位置。在设定点负载状态下，锁定件将释放盖，该盖于是将克服偏压元件的力而运动至开启位置。偏压元件可具有足够的强度以在相同或不同的设定点负载状态下使盖保持或返回至闭合位置。在备选实施例中，偏压元件具有的强度不足以在设定点负载状态下使盖保持或返回至闭合位置，由此叶片的桨距可改变以将叶片卸载至一定点，藉此偏压元件将使盖返回至闭合位置
应认识到的是，叶片可包括多个翼型通道，其中，各个通道均独立地控制。以此方式，翼型通道的任何组合都可取决于叶片上的负载状态而予以促动。为了保持风力涡轮机叶片的总体平衡，相同的相关翼型通道将以主动促动模式或被动促动模式中的任一种而在各个叶片上促动至相同程度。
在又一实施例中，风力涡轮机转子叶片包括压力侧和吸入侧。多个独立的可促动式翼型通道限定在压力侧和吸入侧之间。翼型通道也可以可变地促动。对于这种构造，任何组合或数目的翼型通道都可沿着叶片长度促动。在这种实施例中，相应的盖可在各个压力侧和吸入侧处构造在翼型通道上。成组的盖可在闭合位置和开启位置之间促动，其中，在闭合位置，盖与相应的压力侧或吸入侧齐平，以及在开启位置，盖运动以开启翼型通道，例如通过枢转到翼型通道中。
本发明还包含具有一个或多个涡轮叶片的风力涡轮机，该涡轮叶片构造成具有如文中所述的主动或被动促动的翼型通道。
参看以下描述和所附权利要求将更好地理解本发明的这些及其它的特征、方面和优点。并入到本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并连同描述一起用于阐述本发明的原理。
附图说明
对于本领域普通技术人员而言，在参照附图的说明书中阐释了本发明包括其最佳模式的完全且能够实施的公开内容，在附图中：
图1显示了常规风力涡轮机的透视图；
图2显示了具有根据本发明的方面的翼型通道的转子叶片的截面视图；
图3显示了具有成促动构造的翼型通道的图2中的转子叶片的截面视图；
图4显示了结合了多个翼型通道的转子叶片的透视图；
图5为翼型通道盖促动机构的实施例的截面视图；
图6为盖促动机构的备选实施例的截面视图；
图7为盖促动机构的又一实施例的截面视图；以及，
图8为根据本发明的方面的具有转子叶片的风力涡轮机的图示。零件清单
10风力涡轮机
12塔架
14支承件
16机舱
18转子
20毂
22转子叶片
24叶片根部部分
26负载转移区域
28风力方向
34传感器
36控制器
38偏航轴线
40压力侧
42吸入侧
44翼型通道
46盖
48通路部件
50空腔
52翼弦
54角
55宽度尺寸
56前缘
58后缘
60控制机构
62主动控制机构
64被动控制机构
66锁定件
68电磁锁定件
69功率线
70传感器
72马达
74功率源
75传输线
76绞合线
78偏压元件
80活塞
82线
84杆
86连杆
88控制线
具体实施方式
现在将详细地参看本发明的实施例，其中的一个或多个实例在附图中示出。各个实例均是以阐述本发明的方式提供的，而非限制本发明。实际上，本领域普通技术人员将清楚的是在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行各种变型和修改。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可结合另一实施例来使用以产生又一个实施例。因此，期望的是本发明涵盖归入所附权利要求及其等同方案内的此类变型或修改。
参看附图，图1显示了水平轴线式风力涡轮机10的透视图。应认识到的是，风力涡轮机10可为垂直轴线式风力涡轮机。在所示实施例中，风力涡轮机10包括延伸自支承件14的塔架12、安装在塔架12上的机舱16，以及联接到机舱16上的转子18。塔架12可由管状钢或其它适合材料制成，并在支承件14和机舱16之间限定了空腔(未显示)。转子18包括可旋转的毂20，以及联接到毂20上且从毂20沿径向向外延伸的转子叶片22。如图所示，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个的转子叶片22。
转子叶片22通常可具有能使风力涡轮机10根据设计标准起作用的任何适合长度。例如，转子叶片22可具有范围从大约15米(m)至大约91m的长度。然而，其它非限制性实例的叶片长度可包括10m或更小、20m、37m，或超过91m的长度。转子叶片22围绕毂20间隔开以促进旋转转子18而实现将动能由风转换成可用的机械能，以及随后转换成电能。具体而言，毂20可旋转地联接到定位在机舱16内的发电机(未显示)上以便产生电能。此外，转子叶片22可通过在多个负载转移区域26处将叶片根部部分24联接到毂20上而与毂20相配合。因此，在转子叶片22上诱发的任何负载都经由负载转移区域26转移至毂20。
如在所示实施例中显示，风力涡轮机还可包括定位在机舱16内的涡轮控制系统或涡轮控制器36。然而，应认识到的是，控制器36可设置在风力涡轮机10上或之中的任何位置处、支承件14上的任何位置处，或通常任何其它适合位置处。控制器36可包括适合的处理器和/或构造成用以执行文中所述的方法、步骤、操作、计算等的其它处理功能性。例如，在一个实施例中，控制器36可构造为计算机或其它中央处理单元。此外，控制器36还可包括各种输入/输出通路和/或用于接收来自传感器及其它测量装置的输入和用于发送控制信号至风力涡轮机的各种构件的装置。
通过执行风力涡轮机控制命令，控制器36通常可构造成用以控制风力涡轮机10的各种运行模式(例如，启动或停机序列)。控制器36还可构造成用以控制各个转子叶片22的叶片桨距或桨距角(也即，确定转子叶片22关于风向28的投影的角度)，以通过调整至少一个转子叶片22相对于风的成角位置而控制由风力涡轮机10所产生的负载和功率。例如，控制器36可通过将适合的控制信号传送至机舱16内的桨距驱动或桨距调整系统而单独地或同时地控制转子叶片22的桨距角。此外，随着风向28的改变，控制器36可构造成用以经由机舱16内的偏航驱动机构而控制机舱16相对于偏航轴线38的位置，以关于风向28定位转子叶片22。
在风力涡轮机10的运行期间，风自方向28撞击转子叶片22，这导致转子18旋转。随着转子叶片22旋转并经受离心力，转子叶片22也经受各种加载力和弯曲力矩。随着空气动力负载的增加，过多的力和弯曲力矩可导致一个或多个转子叶片22撞击塔架12，结果引起显著的损伤和停机时间。然而，即使不发生塔架撞击，但过多的加载和弯曲力矩也会导致转子叶片22和其它风力涡轮机构件上的显著疲劳。
图2和图3表示结合了本发明的方面的风力涡轮机转子叶片22的实施例。转子叶片22包括压力侧40和吸入侧42。侧40、42在前缘56和后缘58处连结。内部空腔50限定在叶片22内，其中可定位任何方式的结构、控制装置等。例如，尽管在图中未显示，但转子叶片22通常将会结合结构支承部件，例如附接到压力侧40和吸入侧42的内表面上的纵向延伸连板和相应的翼梁缘条。还将应认识到的是，转子叶片22不限于任何特定的形状或构造，以及当前图中所示的叶片并非意图对叶片的总体设计和构造进行限制。
转子叶片22包括至少一个翼型通道44，其在压力侧40和吸入侧42之间延伸穿过叶片22。翼型通道44以任何方式的适合通路部件或结构48限定为经过内部空腔50。例如，在所示实施例中，通路部件48是管状构件，其在压力侧40和吸入侧42之间延伸并限定用于空气从压力侧40流动经过内部空腔50并穿过吸入侧42离开的通道，如图3中所示。应认识到的是，通路部件48可具有任何期望的截面形状。
翼型通道44的位置和定向可广泛地取决于任何数目的因素如叶片构造和空气动力轮廓、沿叶片纵轴线的长度和位置、叶片所经历的加载状态等而改变。在图2所绘的具体实施例中，翼型通道44定向为相对于叶片翼弦52成角54，使得翼型通道44远离前缘56朝向后缘58以角54成一定角度。翼型通道44相对于翼弦52的相对位置还可改变。角54和翼弦位置可选择成使得通路部件48在压力侧和吸入侧之间的直线性路径中延展并且不会经过叶片的内部结构部件，如翼梁缘条或连板。
仍参看图2和图3，翼型通道44在各个压力侧40和吸入侧42处包括相应的盖46。各个盖46均具有在图2中所示的闭合位置，在闭合位置，盖46基本上与它们的相应侧40、42齐平以适应侧40、42的总体空气动力形状。因此，在盖46的闭合位置，转子叶片22的空气动力性能基本上不会由于翼型通道44的存在而改变。
参看图3，盖46均可分别地促动至开启位置，在开启位置，盖46运动以开启翼型通道44。在一个具体实施例中，盖46受促动以枢转到通路部件48中。在备选实施例中，盖46可相对于压力侧和吸入侧滑动，或缩回到通路部件48中。应认识到的是，盖46的任何方式的运动均处在本发明的范围和精神内。在盖46的完全或部分开启的位置，穿过叶片22形成用于作用在叶片22压力侧40上的冲击空气的通道。因此将应认识到的是，在叶片22上的极端或瞬时负载状态，盖46可促动至图3中所示的开启位置以减少叶片上的负载。
盖46可通过任何方式的适合控制机构60予以促动。相应的控制机构60可与各个盖46相关联，使得盖独立地受到促动。作为备选，对于相应翼型通道44的一组盖46可一致地受到控制。例如，如图2和图3中所示，控制机构60通过公共的控制器/功率源74和相关联的传输线75而一致地受到促动。控制机构60还可构造成用以在闭合和完全开启位置之间可变地开启盖46，使得冲击空气经过通路部件48的体积流率可以可变地进行控制。
图4描绘了其中结合了多个翼型通道44的转子叶片22的纵向方面。应认识到的是，任何数目的翼型通道44都可以任何期望的图案沿叶片构造。翼型通道44可独立地促动，使得任何数目或组合的通道44可根据叶片所经历的变化的负载状态而予以促动。例如，在某种负载状态下，可期望的是仅促动沿径向最外面的一个或两个翼型通道44，而在不同的负载状态则可期望的是促动所有的翼型通道44。作为备选，多个翼型通道44可共同地控制以便一致地予以促动。
如所提及的那样，在开启位置和闭合位置之间促动盖46的控制机构60可在本发明的范围内广泛地改变。在一个具体实施例中，控制机构60是主动控制机构62，如图2、图3、图5和图7中所示。在图2、图3和图5的实施例中，主动控制机构62结合了适合的电动马达72，其由功率源74经由传输线75供能。马达72沿相反的方向旋转以经由任何方式的适当连杆86而开启和关闭盖46。盖46经由任何方式的适合枢转机构或铰链76而枢转到通路部件48中。
应认识到的是，用于马达72的功率源74可定位在风力涡轮机10内的任何适合位置处且无需定位成邻近马达72，或甚至是在叶片22内。例如，功率源74可与控制设备一起定位在机舱16内且经由毂20和适当的控制线88而通向马达72，如图8中所绘。作为备选，翼型通道44可具有单独的相应功率源74和相关联的控制电路，该控制电路响应于由风力涡轮机中央控制器36所接收的控制信号。
图6显示结合了活塞80和杆84构造的主动控制机构62的备选实施例。活塞80可经由线82例如通过液压、气动或其它原动力进行操作，其中，杆84取决于杆84的运动方向而使盖46在开启位置和闭合位置之间运动。活塞80可由对所有叶片22都共用的中央源，或由向各个相应叶片22提供的源供送其原动流体。
在另一实施例中，活塞80/杆84可构造为电动螺线管。
控制机构60还可为对叶片22所经历的负载状态作出反应的被动部件。例如，参看图7，被动控制机构64示为结合了偏压部件78如扭转弹簧、叶片弹簧等，以及适当的连杆86。弹簧78可设计成用以偏压门46至闭合位置和设计成具有容许门46在限定负载状态开启的设计弹簧常数(偏压力)。在叶片上的负载减少至低于设定点负载状态时，偏压元件78具有足够的强度使盖46返回至闭合位置
具体地参看图5至图7，可能期望的是在一些实施例中，将锁定机构66结合在盖46和它们的相应压力侧40或吸入侧42之间。锁定机构66可构造成确保盖46保持在闭合位置直至锁定件66脱离接合。在一个具体实施例中，锁定件66可构造为经由线69进行控制和供能的电磁锁定件68。在锁定件68通电时，它保持门46处于闭合位置。当锁定件68断电，则门46自由运动至开启位置。对于锁定件68的控制可与用于主动控制机构62的促动信号相协作。在图7的被动控制机构实施例中，锁定件68的存在降低了偏压元件或弹簧78所需的强度。例如，弹簧78仅需要具有足够的强度以在叶片22基本无负载的状态下将盖46偏压至闭合位置。当高于叶片上的设定点负载状态，锁定件68断电且门46通过作用在叶片上的负载而运动至开启位置。一旦该负载状态已逝过，则叶片22可顺桨至容许弹簧78使盖46返回至闭合位置的一定位置，在此时锁定件68随后通电以将盖46保持在闭合位置。
如所提及的那样，图8描绘风力涡轮机10，在其中各个转子叶片22均结合了多个翼型通道44。控制和/或功率线88经由风力涡轮机控制器36提供对于各个翼型通道44的协调控制。控制器36继而可接收来自各个传感器34的任何方式的输入，这些传感器34为适当地设置和构造成用以感测叶片22上的各种运行状态，例如叶片22所经历的极端或瞬时负载状态。在这些负载状态，控制器36经由功率/控制线88可促动任何数目或组合的翼型通道44。为了保持转子20和叶片22的总体平衡，在各个叶片22上的相同数目和组合的翼型通道44经由它们的相应控制机构一致地受到促动。
在瞬时负载状态结束时，盖46返回至它们的闭合位置。期望的是，传感器70(图5至图7)构造成在盖46和相应压力侧40或吸入侧42的相邻表面处用以检测盖46的闭合位置和相应地向控制器36发送信号。传感器70可为任何方式的位置传感器，例如达成/中断接触器，簧片开关，电磁开关等。在所示实施例中，传感器70结合成为锁定件66的构件(例如，电磁锁定件68的构件)且可因此采用与锁定件相关联的相同功率/控制线69。传感器70可用来确保在所有转子叶片22上构成一致状态。例如，在一个或多个翼型通道44在瞬时负载状态期间促动的情况下，重要的是，促动的通道44一致地返回至它们的正常闭合运行状况，使得不会产生转子不平衡。如果传感器70指示与一个或多个翼型通道44相关联的盖46并未闭合，则控制器36随后可将涡轮设置在停转或停机状态直至能纠正该问题。
应认识到的是，如文中所述的可促动式翼型通道或风力涡轮机转子叶片提供了独特优点。极端负载状态通常为设计极限因素，因而相对较少数目的负载状态要求风力涡轮机具有对于设计负载能力的更大总体系统成本。如果极端负载情形得以减少，则风力涡轮机的总体系统成本因而可相应地减少。如文中所述的可促动式翼型通道提供了成本相对较为高效的措施用于通过降低由极端负载状态所产生的负载变化而最大限度地减小极端负载状态，由此能对于给定的系统负载能力增加平均负载。例如，如果可促动式翼型通道用来最大限度地减少否则可由较长的转子叶片所经历的极端负载状态，则较长的转子叶片可用来限定较大的转子扫掠面积。
本书面描述使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的普通技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例落在权利要求的范围之内。

Claims (8)

1.一种风力涡轮机转子叶片(22)，包括：
压力侧(40)；
吸入侧(42)；
限定在所述压力侧和所述吸入侧之间的至少一个翼型通道(44)；
在各个所述压力侧和所述吸入侧处构造在所述翼型通道上的相应的盖(46)，所述盖可在闭合位置和开启位置之间促动，其中，在所述闭合位置，所述盖与相应的所述压力侧或吸入侧齐平，以及在所述开启位置，所述盖运动以开启所述翼型通道；
控制机构，所述控制机构与所述盖一起构造以使所述盖在所述开启位置和所述闭合位置之间运动；以及
可促动式锁定件(66)，所述可促动式锁定件与所述控制机构是分开的并且可操作地设置在所述盖与相应的所述压力侧或吸入侧之间，用以保持所述盖处于所述闭合位置并且用以当在设定点负载状态接收到控制信号时释放所述盖由此所述盖通过所述控制机构的作用而运动至所述开启位置。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片(22)，其特征在于，所述风力涡轮机转子叶片还包括设置在位于所述压力侧(40)和所述吸入侧(42)之间的所述叶片的内部空腔(50)内的通路部件(48)，所述通路部件限定所述翼型通道(44)。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片(22)，其特征在于，所述盖(46)在所述开启位置枢转到所述翼型通道(44)中。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片(22)，其特征在于，所述控制机构是主动控制机构(62)，所述主动控制机构与所述盖(46)一起构造成响应于控制信号而使所述盖在所述开启位置和所述闭合位置之间运动，所述盖可变地可定位在所述开启位置和所述闭合位置之间。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片(22)，其特征在于，所述控制机构是被动控制机构(64)，所述被动控制机构与所述盖(46)一起构造且包括偏压元件(78)以将所述盖偏压至所述闭合位置以及在限定的由所述叶片所经历的所述设定点负载状态容许所述盖运动至所述开启位置。
6.根据权利要求1的所述风力涡轮机转子叶片(22)，其特征在于，所述叶片包括多个所述翼型通道(44)和相应的所述盖(46)，并且所述控制机构是主动控制机构(62)，所述主动控制机构与所述盖一起构造成响应于控制信号单独地和可变地使所述盖在所述开启位置和所述闭合位置之间运动，使得任何组合或数目的所述翼型通道可沿着所述叶片促动。
7.根据权利要求1的所述风力涡轮机转子叶片(22)，其特征在于，任何组合或数目的所述翼型通道可沿着所述叶片促动。
8.一种风力涡轮机(10)，包括多个转子叶片(22)，各个所述转子叶片均根据权利要求1至权利要求7中的任一项所构造。
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