CN102588205A - 操纵跨过风力涡轮机转子叶片的边界层的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操纵跨过风力涡轮机转子叶片的空气的边界层的空气分配系统。该风力涡轮机转子叶片包括其中限定腔的至少一个侧壁。该侧壁在前缘与轴向地间隔开的后缘之间延伸，并且在前缘与后缘之间限定弦向轴线。空气分配系统包括多个泄流组件，多个泄流组件定位在转子叶片内并构造成将空气排出至边界层中以减少边界层与转子叶片的分离。多个泄流组件中的每个泄流组件都包括泄流管道，泄流管道联接至所述侧壁的内表面上并相对于前缘与后缘之间的弦向轴线定向。泄流管道构造成引导空气穿过转子叶片。穿过泄流管道并穿过侧壁限定入口孔，以将空气引导至泄流管道中。穿过泄流管道并穿过侧壁限定出口孔，以将空气从泄流管道排出至边界层中。

Description

操纵跨过风力涡轮机转子叶片的边界层的系统和方法
技术领域
本发明总体涉及风力涡轮机，更具体地涉及用于操纵跨过风力涡轮机的转子叶片的边界层的方法和系统。
背景技术
至少一些已知的风力涡轮机包括固定在塔架顶上的机舱，机舱包括通过轴联接至发电机的转子。在已知的转子组件中，多个叶片从转子延伸。叶片定向成使得经过叶片的风使转子转动并且使轴旋转，从而驱动发电机发电。随着风流过转子叶片的外表面，在外表面之上形成了有利于跨过转子叶片产生升力的边界层。
至少一些已知的风力涡轮机转子叶片包括主动流动控制系统。主动流动控制(AFC)是用于对给定的流入条件作出反应而主动尝试影响物体的气动响应的技术和/或系统的一般性术语。更具体地，至少一些已知的AFC系统用于操纵跨过风力涡轮机转子叶片的边界层。至少一些已知的AFC系统使用空气供给系统来提供将从转子叶片排出并进入边界层中的空气。已知的AFC系统要求将空气从机舱和/或毂引导至转子叶片。通过从机舱和/或毂引导空气，已知的AFC系统使风力涡轮机部件的能量需求增加，从而导致风力涡轮机的年发电量的减少。
发明内容
在一个方面中，提供一种用于操纵跨过风力涡轮机转子叶片的空气的边界层的空气分配系统。该风力涡轮机转子叶片包括其中限定腔的至少一个侧壁。侧壁在前缘与轴向地间隔开的后缘之间延伸，并在前缘与后缘之间限定弦向轴线。该空气分配系统包括多个泄流组件，多个泄流组件定位在转子叶片内并构造成将空气排出至边界层中以减少边界层与转子叶片的分离。多个泄流组件中的每个泄流组件都包括泄流管道，泄流管道联接至侧壁的内表面上并相对于前缘与后缘之间的弦向轴线定向。泄流管道构造成引导空气穿过转子叶片。穿过泄流管道并穿过侧壁限定入口孔，以将空气引导至泄流管道中。穿过泄流管道并穿过侧壁限定出口孔，以将空气从泄流管道排出至边界层中。
在另一个方面中，提供一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括：塔架；联接至塔架上的机舱；可旋转地联接至机舱上的毂；以及联接至毂上的至少一个转子叶片。转子叶片包括至少一个侧壁，该至少一个侧壁具有限定腔的内表面和在前缘与轴向地间隔开的后缘之间延伸的外表面。多个泄流组件定位在转子叶片内，用于将空气排出至跨过外表面的空气的边界层中从而减少边界层与外表面的分离。多个泄流组件中的每个泄流组件都包括泄流管道，泄流管道联接至侧壁的内表面上并相对于前缘与后缘之间限定的弦向轴线定向。泄流管道构造成引导空气穿过转子叶片。穿过泄流管道并穿过侧壁限定入口孔，以将空气引导至泄流管道中。穿过泄流管道并穿过侧壁限定出口孔，以将空气从泄流管道排出至边界层中。所述侧壁包括第一叶片段和联接至所述第一叶片段上以形成所述转子叶片的相对的第二叶片段，穿过接近所述后缘的所述第一叶片段限定所述出口孔，穿过接近所述前缘的所述第二叶片段限定所述入口孔。
所述转子叶片具有与所述弦向轴线垂直地限定的厚度，所述出口孔定位在所述后缘与所述转子叶片相对于所述弦向轴线的最大厚度的位置之间。
所述入口孔定位在所述前缘与相对于所述弦向轴线的最大厚度的位置之间。
所述转子叶片进一步包括旁流组件，穿过所述转子叶片限定所述旁流组件以在阵风过程中选择性地引导空气穿过所述转子叶片，从而减小跨过所述转子叶片的升力，所述旁流组件包括：
多个旁路入口开口，穿过所述第二叶片段限定所述多个旁路入口开口，以将环境空气引导至所述转子叶片腔内；以及
多个旁路出口开口，穿过所述第一叶片段限定所述多个旁路出口开口，以将空气从所述转子叶片腔排出至所述边界层内。
所述旁流组件进一步包括：
多个出口舱盖，所述多个出口舱盖联接至所述第一叶片段上并相对于相应的旁路出口开口定位，所述多个出口舱盖中的每个出口舱盖均能够运动，以在第一位置中遮盖相应的旁路出口开口并在第二位置中允许将空气从所述转子叶片腔排出；以及
多个入口舱盖，所述多个入口舱盖联接至所述第二叶片段上并相对于相应的旁路入口开口定位，每个入口舱盖均能够在所述第一位置与所述第二位置之间运动，以在所述第一位置中遮盖所述旁路入口开口并在所述第二位置中允许将空气引导至所述转子叶片腔内。
所述旁流组件进一步包括：多个致动器，每个所述致动器均操作地联接至相应的入口舱盖上，以将所述入口舱盖定位在所述第一位置、所述第二位置以及所述第一位置与所述第二位置之间的任意位置处；以及控制系统，所述控制系统操作地联接至所述入口舱盖上，以便于在所述第一位置、所述第二位置以及所述第一位置与所述第二位置之间的任意位置处运动所述入口舱盖。
所述转子叶片在根部与尖端部之间延伸，所述空气分配系统进一步包括：
至少一个进气孔，穿过所述侧壁限定所述至少一个进气孔；
至少一个排气孔，所述至少一个排气孔穿过所述侧壁限定并邻近所述尖端部定位；以及
排气歧管，所述排气歧管联接至所述进气孔与所述排气孔之间，用于穿过所述转子叶片的所述尖端部将空气排出。
在又一个方面中，提供一种操纵跨过风力涡轮机转子叶片的边界层的方法。该转子叶片具有其中限定腔的至少一个侧壁。该侧壁在前缘与轴向地间隔开的后缘之间延伸，并且在前缘与后缘之间限定弦向轴线。该方法包括将泄流管道联接至侧壁的内表面上并相对于前缘与后缘之间的弦向轴线定向泄流管道。穿过侧壁并穿过泄流管道形成入口孔，以提供环境空气与泄流管道之间的流动连通。穿过侧壁并穿过泄流管道形成出口孔，以提供泄流管道与边界层之间的流动连通。穿过泄流管道将空气从入口孔引导至出口孔，并将空气从泄流管道排出至边界层中，以防止边界层与转子叶片的分离。所述叶片侧壁包括第一叶片段和联接至所述第一叶片段上以形成所述转子叶片的相对的第二叶片段，所述方法进一步包括：
穿过接近所述后缘的所述第一叶片段形成所述出口孔；以及
穿过接近所述前缘的所述第二叶片段形成所述入口孔。
所述的方法，进一步包括：
将旁流组件联接至所述转子叶片上；将指示风速的信号从传感器传输至控制系统；基于感测的风速操作所述旁流组件，以将空气从所述转子叶片腔引导至所述边界层内。
所述的方法，将旁流组件联接至所述转子叶片上包括：
穿过所述第二叶片段形成多个旁路入口开口，以将环境空气引导至所述转子叶片腔内；
穿过所述第一叶片段形成多个旁路出口开口，以将空气从所述转子叶片腔排出至所述边界层内；以及
将多个出口舱盖联接至邻近相应的旁路出口开口的所述第一叶片段上，每个出口舱盖均能够运动，以在第一位置中遮盖相应的旁路出口开口并在第二位置中允许将空气从所述转子叶片腔排出。
附图说明
图1是示例性风力涡轮机的一部分的透视图。
图2是适于与图1所示的风力涡轮机一起使用的示例性转子叶片的透视图，该示例性转子叶片包括示例性空气分配系统。
图3是沿剖面线3-3的图2所示的包括空气分配系统的示例性转子叶片的横截面图。
图4是沿剖面线4-4的图2所示的包括空气分配系统的示例性转子叶片的另一个横截面图。
图5是适于与图1所示的风力涡轮机一起使用的示例性控制系统的框图。
图6是示出操纵跨过图2所示的转子叶片的边界层的示例性方法的流程图。
Figure BSA00000659648000061
Figure BSA00000659648000071
具体实施方式
本发明所述的实施例有利于组装提高风力涡轮机的年发电量的转子叶片。如本发明所使用的，术语“年发电量”指的是由风力涡轮机在一年的时间内产生的累计电量。此外，本发明所述的转子叶片包括将空气排出至跨过转子叶片外表面流动的边界层中的空气分配系统。更具体地，本发明所述的空气分配系统构造成将环境空气吸入转子叶片腔中并将空气排出至边界层中。通过将空气排出至边界层中，相比已知的风力涡轮机，空气分配系统有利于在风力涡轮机的操作过程中提高转子叶片的气动效率，并且降低风力涡轮机部件的电力需求。通过将环境空气吸入转子叶片腔中并且将空气排出至边界层中，空气分配系统降低了电力需求，以操纵边界层使得边界层能够重新附连并且能够邻近转子叶片外表面产生层流发展。这样一来，本发明所述的实施例有利于改进风力涡轮机的操作，以提高风力涡轮机的年发电量。此外，空气分配系统在阵风过程中引导空气穿过转子叶片腔，以减小转子叶片的升力从而防止风力涡轮机的超速。通过防止风力涡轮机的超速，有利于降低操作风力涡轮机系统的成本。如本发明所使用的，术语“超速”指的是可能出现转子轴的这样的转速：在该转速下，可能对转子轴产生潜在损坏，包括对涡轮机的损坏。
图1是示例性风力涡轮机10的透视图。在该示例性实施例中，风力涡轮机10是水平轴线的风力涡轮机。可替代地，风力涡轮机10可以是竖直轴线的风力涡轮机。在该示例性实施例中，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上的机舱16、定位在机舱16内的发电机18和联接至发电机18的齿轮箱20。转子22通过转子轴24可旋转地联接至齿轮箱20。可替代地，风力涡轮机10不包括齿轮箱20，使得转子22通过转子轴24可旋转地联接至发电机18。在该示例性实施例中，转子22包括可旋转的毂26和从毂26向外延伸的至少一个转子叶片28。空气分配系统30联接至一个或更多个转子叶片28上以便于提高风力涡轮机10的发电量。在一个实施例中，控制系统32联接至空气分配系统30并且与空气分配系统30处于操作控制通信。如本发明所使用的，“操作控制通信”指的是在风力涡轮机10的两个或更多个部件之间的链路，例如导体、缆线和/或数据链路，该链路使得信号、电流和/或指令能够在两个或更多个部件之间通信。链路构造成使得一个部件能够利用通信信号、电流和/或指令来控制风力涡轮机10的另一个部件的操作。
在示例性实施例中，转子22包括三个转子叶片28。在可替代的实施例中，转子22包括多于或少于三个的转子叶片28。转子叶片28围绕毂26间隔开以便于使转子22旋转，从而能够将来自风的动能转化为可用的机械能，并且接着转化为电能。在示例性实施例中，转子叶片28具有从大约30米(m)(99英尺(ft))到大约120m(394ft)的范围内的长度。可替代地，转子叶片28可以具有使风力涡轮机10能够如在此所述地起作用的任意合适的长度。例如，叶片长度的其它非限制性示例包括10m或小于10m、20m以及37m，或者大于120m的长度。随着风从方向34冲击转子叶片28，转子22围绕旋转轴线36旋转。当转子叶片28旋转并承受离心力时，转子叶片28还承受各种力和力矩。这样，转子叶片28可能从中间或非偏转位置偏转和/或旋转至偏转位置。桨距调节系统38使转子叶片28围绕变桨轴线40旋转，用于相对于风的方向34和/或速度调节转子叶片28的定向。可以通过相对于风矢量调节至少一个转子叶片28的定向来控制转子22的转速。风力涡轮机10包括至少一个加速度传感器42，用于将指示转子22的转速的信号传输至控制系统32。在示例性实施例中，各个转子叶片28的迎角或桨距角通过桨距调节系统38单独地控制，以调节转子22的转速。如本发明所使用的，术语“迎角”指的是转子叶片28的弦向轴线44(图3中示出)相对于风向34(图3中示出)的定向。可替代地，所有转子叶片28的叶片桨距可以通过桨距调节系统38同时地控制。此外，在示例性实施例中，机舱16包括至少一个气象柱46，气象柱46包括风向标和例如为风速计的风速传感器48。传感器48构造成感测风的风向和/或风速并将指示风向34和/或风速的信号传输至控制系统32。
图2是示例性转子叶片28的透视图。图3是在图2中的弦向剖面线3-3处的转子叶片28的横截面图。图4是在图2中的弦向剖面线4-4处的转子叶片28的横截面图。图3和图4中所示的相同的部件由与图2中使用的相同的附图标记表示。在示例性实施例中，转子叶片28包括第一部分(即根部50)和与根部50相对的第二部分(即尖端部52)。根部50构造成便于将转子叶片28安装至毂26上。转子叶片28包括在根部50与尖端部52之间延伸并且沿根部50与尖端部52之间限定的纵向展向轴线56延伸的至少一个叶片侧壁54。叶片侧壁54具有内表面58，内表面58至少部分地限定从根部50朝向尖端部52延伸的叶片腔60。参照图3，在示例性实施例中，叶片侧壁54包括第一叶片段(即吸力侧叶片段62)和相对的第二叶片段(即压力侧叶片段64)。吸力侧叶片段62沿前缘66并沿轴向地间隔开的后缘68联接至压力侧叶片段64上，以形成转子叶片28。转子叶片28具有弦向宽度70，弦向宽度70沿弦向轴线44延伸并限定在前缘66与后缘68之间。
在示例性实施例中，三条垂直轴线X、Y和Z延伸穿过转子叶片28，以相对于转子叶片28限定三维笛卡尔坐标系，使得Z轴与展向轴线56基本共轴，并且使得X轴与弦向轴线44基本共轴。在示例性实施例中，转子叶片28具有基本的翼型形状并且包括沿Y轴限定的翼型厚度72。
在风力涡轮机10的操作过程中，转子叶片28的前缘66相对于风向34定向成使得在转子叶片28的外表面74之上从前缘66朝向后缘68对风进行引导并形成由箭头76表示的在边界平面78与外表面74之间延伸的边界层。随着跨过转子叶片28的风速增大，边界层76可能与外表面74分离并且在后缘68处或在后缘68附近沿外表面74限定分离带区80。空气分配系统30构造成将由箭头82表示的空气排出至边界层76内，以便于操纵边界层76从而减少和/或防止边界层76与外表面74的分离。
在示例性实施例中，空气分配系统30包括位于腔60内的多个泄流组件84。每个泄流组件84的尺寸和形状均设定为将空气82排出至边界层76中以减少边界层76与外表面74的分离。每个泄流组件84都包括入口孔86、出口孔88和联接在入口孔86与出口孔88之间的泄流管道90。泄流管道90包括内表面92，内表面92限定在第一端(即入口端96)与第二端(即出口端98)之间延伸的通路94，并限定入口端96与出口端98之间的中心线轴线100。通路94具有限定在入口孔86与出口孔88之间的轴向长度102。通路94的尺寸和形状设定为将空气从入口孔86引导至出口孔88。在示例性实施例中，入口孔86包括第一直径(即入口直径d1)，而出口孔88包括小于入口直径d1的第二直径(即出口直径d2)。可替代地，出口直径d2可以等于或大于入口直径d1。
在示例性实施例中，入口孔86延伸穿过侧壁54并进入泄流管道90的入口端96，以提供环境空气82与泄流管道90之间的流动连通。入口孔86的尺寸、形状和定向设定为将环境空气82引导至泄流管道90内。出口孔88延伸穿过侧壁54并进入泄流管道90的出口端98，以提供泄流管道90与边界层76之间的流动连通。出口孔88相对于分离带区80定位，并且其尺寸、形状和定向设定为将空气从泄流管道90排出至边界层76内以操纵边界层76，从而减少边界层76的分离并增大转子叶片28的升力。
在示例性实施例中，出口孔88沿弦向轴线44与入口孔86间隔开距离104(图2中示出)，使得泄流管道90定向成基本平行于前缘66与后缘68之间的弦向轴线44。在一个实施例中，入口孔86沿弦向轴线44限定在转子叶片28的最大翼型厚度的弦向位置108(图3中所示)与前缘66之间的弦向位置106(图3中所示)处。可替代地，入口孔86的弦向位置106可以邻近前缘66。在另一个实施例中，出口孔88限定在最大弦向翼型厚度108与后缘68之间的弦向位置110处。可替代地，出口孔88的弦向位置110可以邻近后缘68。
在示例性实施例中，转子叶片28的尺寸和形状设定为使得在风力涡轮机10的操作过程中跨过吸力侧叶片段62限定边界层76。随着风冲击前缘66，高压空气的区域112延伸跨过接近前缘66的压力侧叶片段64。在示例性实施例中，穿过压力侧叶片段64限定入口孔86并且入口孔86构造成将空气从高压区域112引导至泄流管道90内。泄流管道90的入口端96的尺寸和形状设定为在将空气从入口孔86引导至出口孔88时最小化穿过泄流管道90的压力损失。出口端98具有朝向出口孔88会聚的内表面114，以便于形成穿过出口孔88排出的空气的射流。穿过接近分离带区80的吸力侧叶片段62限定出口孔88，并且出口孔88构造成将射流或空气排出至边界层76内。在一个实施例中，入口孔86沿Y轴与出口孔88间隔开距离116，使得泄流管道90相对于弦向轴线44以斜角α定向。
在示例性实施例中，空气分配系统30包括第一泄流组件118和至少第二泄流组件120。第一泄流组件118包括在第一入口孔124与第一出口孔126之间延伸的第一泄流管道122。第二泄流组件120包括在第二入口孔130与第二出口孔132之间延伸的第二泄流管道128。在示例性实施例中，第一泄流管道122具有第一轴向长度134，第二泄流管道128具有与第一轴向长度134不同的第二轴向长度136。第一入口孔124包括第一入口直径138。第二入口孔130包括与第一入口直径138不同的第二入口直径140。第一出口孔126包括第一出口直径142，第二出口孔132包括与第一出口直径142不同的第二出口直径144。可替代地，第一入口孔124和第二入口孔130包括基本相等的入口直径d1，第一出口孔126和第二出口孔132包括基本相等的出口直径d2。
参照图2和图4，在示例性实施例中，空气分配系统30还包括旁流组件146，以选择性地引导空气穿过转子叶片28，从而减小转子叶片28的升力并且降低转子22的转速。旁流组件146包括多个旁路入口开口148和多个旁路出口开口150。每个旁路入口开口148都延伸穿过压力侧叶片段64以提供转子叶片腔60与环境空气82之间的流动连通，并且每个旁路入口开口148的尺寸、形状和定向设定为将环境空气82引导至转子叶片腔60内。旁路入口开口148包括比入口孔86的入口直径d1(图3中所示)大的直径152。每个旁路出口开口150都延伸穿过吸力侧叶片段62，以提供转子叶片腔60与边界层76之间的流动连通。旁路出口开口150的尺寸、形状和定向设定为将空气从转子叶片腔60排出至边界层76内。旁路出口开口150包括比出口孔88的出口直径d2(图3中示出)大的直径154。在一个实施例中，旁流组件146包括位于转子叶片腔60内的多个旁路管道156(在图4中的假象线中示出)。每个旁路管道156都分别联接在旁路入口开口148与旁路出口开口150之间，用于将空气从旁路入口开口148引导至旁路出口开口150。
在示例性实施例中，旁流组件146包括可拆除地联接和/或枢转地联接至吸力侧叶片段62上的多个出口舱盖158。每个出口舱盖158都分别相对于旁路出口开口150定位并构造成按照需要遮盖旁路出口开口150。出口舱盖158可以选择性地定位在第一位置160与第二位置162(图4中的假象线所示)之间。在第一位置160中，出口舱盖158遮盖旁路出口开口150。在第二位置162中，出口舱盖158并未完全遮盖旁路出口开口150并提供转子叶片腔60与边界层76之间的流动连通。
旁流组件146还包括可拆除地联接和/或枢转地联接至压力侧叶片段64上的多个入口舱盖164。每个入口舱盖164都分别相对于旁路入口开口148定位并构造成按照需要遮盖旁路入口开口148。入口舱盖164可以选择性地定位在第一位置160与第二位置162之间。在第一位置160中，入口舱盖164遮盖旁路出口开口150。在第二位置162中，入口舱盖164并未完全遮盖旁路入口开口148并提供环境空气82与转子叶片腔60之间的流动连通。
在示例性实施例中，旁流组件146包括分别操作地联接至每个入口舱盖164和每个出口舱盖158的多个致动器组件166。致动器组件166构造成将入口舱盖164和出口舱盖158选择性地定位在第一位置160、第二位置162以及第一位置160与第二位置162之间的任意位置处。控制系统32与各个致动器组件166操作上通讯地联接，用于控制致动器组件166的操作并在第一位置160与第二位置162之间移动致动器组件166。在示例性实施例中，各个致动器组件166通过控制系统32单独地控制。可替代地，各个致动器组件166可以通过控制系统32同时进行控制。
在示例性实施例中，致动器组件166定位在转子叶片腔60内并联接至内表面58上。在一个实施例中，致动器组件166是液压活塞式机构，并且包括液压泵组件(未示出)、液压缸168和液压活塞170。液压泵组件与液压缸168流动连通地联接，用于调节液压缸168内容纳的液压流体的压力。液压活塞170定位在液压缸168内并构造成基于液压缸168内的液压相对于液压缸168运动。液压活塞170分别联接至入口舱盖164和出口舱盖158上，以将入口舱盖164和出口舱盖158从第一位置160运动至第二位置162并且从第二位置162运动至第一位置160。
在可替代实施例中，致动器组件166包括分别联接至入口舱盖164和出口舱盖158上的多个弹簧构件(未示出)。每个弹簧构件都构造成将入口舱盖164和出口舱盖158偏置至第二位置162。在操作过程中，随着阵风冲击风力涡轮机10，跨过入口舱盖164和出口舱盖158的差动气压增大。当气压大于预定压力时，气压克服弹簧构件并且将入口舱盖164和出口舱盖158从第一位置160运动至第二位置162，使得空气被引导穿过转子叶片腔60。
再次参照图2，在示例性实施例中，空气分配系统30包括位于相应的转子叶片腔60内并且联接至内表面58上的至少一个排气歧管172。一个或更多个进气孔174延伸穿过侧壁54并进入排气歧管172内，以提供排气歧管172与环境空气之间的流动连通。一个或更多个排气孔176延伸穿过转子叶片28的尖端部52并进入排气歧管172内，以提供排气歧管172与邻近尖端部52的环境空气之间的流动连通。排气歧管172包括内表面178，内表面178限定从第一端182延伸至与第一端182相对的第二端184的通路180。第一端182定位在叶片腔60内并联接至邻近尖端部52的内表面58上。第二端184定位在叶片腔68内并且比第一端182更靠近根部50，使得排气歧管172沿展向轴线56延伸。排气孔176延伸穿过尖端部52并穿过第一端182。在一个实施例中，进气孔174具有与入口孔86基本类似的形状，排气孔176具有与出口孔88基本类似的形状。
在示例性实施例中，在转子叶片28的旋转过程中，排气歧管172将空气从进气孔174引导至通路180内，并穿过排气孔176将空气从通路180排出，以便于减少在尖端部52处产生噪声的湍流。此外，在一个实施例中，排气歧管172排出空气以改变从尖端部52延续的旋流，从而有利于降低涡流湍流动能(TKE)的水平并减少导致边界层76与叶片尖端部52分离的涡洗(vortex wash)。降低TKE有利于减少产生噪声的压力波动。减少涡洗有利于减少高效源噪声机构并且有利于扩散和分散声波以防止由平面产生的相干噪声辐射。
图5是示出示例性控制系统32的方框图。在示例性实施例中，控制系统32是包括任意适合的基于处理器的系统或基于微处理器的系统的实时控制器，例如计算机系统，基于处理器的系统或基于微处理器的系统包括微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASICs)、逻辑电路和/或能够执行本发明所述的功能的任意其它的电路或处理器。在一个实施例中，控制系统32可以是包括只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM)的微处理器，例如具有2兆比特ROM和64千比特RAM的32位微计算机。如本发明所使用的，术语“实时”指的是在影响输出的输入发生变化之后的相当短的时间周期上产生的输出，其中“时间周期”是可以基于输出的重要性和/或系统对输入进行处理以产生输出的能力进行选择的设计参数。
在示例性实施例中，控制系统32包括存储区域200，存储区域200被构造成存储可执行指令和/或表示和/或指示风力涡轮机10的操作条件的一个或更多个操作参数。操作参数可以表示和/或指示但不限于转速、桨距角、风速和/或风向。控制系统32进一步包括处理器202，处理器202联接至存储区域200上并被编程以至少部分地基于一个或更多个操作参数确定例如为空气分配系统30和桨距调节系统38的一个或更多个风力涡轮机控制装置204的操作。在一个实施例中，处理器202可以包括处理单元，例如是但并不限于集成电路(IC)、专用集成电路(ASIC)、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)和/或任意其它的可编程电路。可替代地，处理器202可以包括多重处理单元(例如，在多核构造中)。
在示例性实施例中，控制系统32包括传感器接口206，传感器接口206联接至例如为速度传感器48和加速度传感器42的至少一个传感器208上，用于接收来自传感器208的一个或更多个信号。每个传感器208都产生并传输对应于风力涡轮机10的操作参数的信号。此外，每个传感器208都可以例如连续地、周期性地或者仅一次地传输信号，尽管其它信号时序也是可预期的。另外，每个传感器208都可以以模拟形式或数字形式传输信号。控制系统32通过处理器202处理信号，以产生一个或更多个操作参数。在一些实施例中，处理器202被编程(例如通过存储区域200中的可执行指令)以采样由传感器208产生的信号。例如，处理器202可以接收来自传感器208的连续信号，并且作为响应，基于该连续信号周期性地(例如，每五秒一次)计算空气分配系统30的操作模式。在一些实施例中，处理器202标准化从传感器208接收的信号。例如，传感器208可以通过与操作参数值成正比例的参数(例如电压)产生模拟信号。处理器202可以被编程为将模拟信号转换为操作参数。在一个实施例中，传感器接口206包括模数转换器，该模数转换器将由传感器208产生的模拟电压信号转换为控制系统32可用的多位数字信号。
控制系统32还包括控制接口210，控制接口210被构造成控制空气分配系统30的操作。在一些实施例中，控制接口210操作地联接至例如为旁流组件146(图4中示出)的一个或更多个风力涡轮机控制装置204上。
控制接口210与控制装置204之间以及传感器接口206与传感器208之间能够实现多种连接。这些连接可以包括但不限于电导体、例如为推荐标准(RS)232或RS-485的低级串行数据连接、例如为通用串行总线(USB)或电气和电子工程师协会(IEEE)1394(a/k/a火线)的高级串行数据连接、例如为IEEE 1284或IEEE 488的并行数据连接、例如为蓝牙的短距离无线通信信道和/或有线或无线专用(例如风力涡轮机10之外不可到达的)网络连接。
在风力涡轮机10的操作过程中，突然的阵风可能会在相对较小的时间间隔内使风速明显地增大。在这样的阵风过程中，控制系统32操作旁流组件146以引导空气穿过转子叶片28，从而减小跨过转子叶片28的升力以便于防止可能增加风力涡轮机10上的负载并且导致损坏风力涡轮机部件的转子轴24的超速。在示例性实施例中，控制系统32从传感器48接收指示风速的信号。控制系统32构造成基于接收到的信号计算风速。控制系统32还构造成比较计算的风速与预定风速，并操作旁流组件146以在计算的风速大于预定风速时减小转子叶片28的升力。在确定感测到的风速大于预定风速时，控制系统32将入口舱盖164和出口舱盖158从第一位置160运动至第二位置162，从而能够穿过转子叶片腔60将空气从旁路入口开口148引导至旁路出口开口150。在确定感测到的风速等于或小于预定风速时，控制系统32将入口舱盖164和出口舱盖158从第二位置162运动至第二位置160，从而防止空气穿过旁路出口开口150并穿过旁路入口开口148进入转子叶片腔60。
图6是示出操纵跨过转子叶片28的边界层76的示例性方法300的流程图。在示例性实施例中，方法300包括将泄流管道90联接至转子叶片侧壁54的内表面58上并相对于前缘66与后缘68之间的弦向轴线44定向泄流管道90的步骤302。在步骤304中，穿过侧壁54并穿过泄流管道90形成入口孔86，以提供环境空气82与泄流管道90之间的流动连通。在步骤306中，穿过侧壁54并穿过泄流管道90形成出口孔88，以提供泄流管道90与边界层76之间的流动连通。在步骤308中，穿过泄流管道90将空气从入口孔86引导至出口孔88并将空气从泄流管道90排出至边界层76内，以防止边界层76与转子叶片28的分离。在一个实施例中，方法300包括穿过接近后缘68的吸力侧叶片段62形成出口孔88的步骤310。在步骤312中，穿过接近前缘66的压力侧叶片段64形成入口孔86。
在可替代实施例中，方法300包括将旁流组件146联接至转子叶片28上的步骤314。在步骤316中，将指示风速的信号从传感器48传输至控制系统32。在步骤318中，控制系统32基于感测到的风速操作旁流组件146，以将空气从转子叶片腔60引导至边界层76内。
本发明所述的系统、方法和设备的示例性技术效果包括下列所述中的至少一种：(a)将指示风速的信号从传感器传输至控制系统；(b)基于第一信号通过控制系统计算风速；(c)比较计算的风速与预定风速；以及(d)当计算的风速与预定风速不同时操作旁流组件。
上述的系统、方法和设备有利于操纵跨过风力涡轮机的转子叶片的边界层，以在风力涡轮机的操作过程中提高转子叶片的气动效率。更具体地，空气分配系统构造成将环境空气吸入转子叶片腔内并将空气排出至边界层中。通过将空气排出至边界层内，与已知的风力涡轮机相比，空气分配系统有利于在风力涡轮机的操作过程中提高转子叶片的气动效率，并且降低风力涡轮机部件的电力需求。此外，空气分配系统在阵风的过程中引导空气穿过转子叶片腔，以减小转子叶片的升力从而防止风力涡轮机的超速。这样一来，本发明所述的实施例有利于改进风力涡轮机的操作从而提高风力涡轮机的年发电量。
上发明对用于操纵边界层的系统和方法的示例性实施例进行了详细描述。该系统和方法并不限于本发明所述的具体实施例，相反，可以相对于本发明所述的其它部件和/或步骤独立地和单独地利用系统的部件和/或方法的步骤。例如，还可以结合其它的主动流动控制系统使用该方法，并且该方法并不限于仅通过本发明所述的风力涡轮机系统实施。相反，能够结合多种其它的叶片升力增强应用实施和利用示例性实施例。
尽管本发明的各个实施例的具体特征可能示出在一些附图中而未示出于其他附图中，但这仅仅是为了方便起见。根据本发明的原理，一个附图中的任何特征都可以结合任何其它附图的任何特征进行参考和/或要求保护。
本书面说明书使用示例公开了本发明，其中包括最佳方式，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，其中包括制造和使用任何装置或系统以及执行所结合的任何方法。本发明的专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的示例。如果这些其它的示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这些其它的示例包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则这些其它的示例意在落入权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于操纵跨过风力涡轮机转子叶片(28)的空气的边界层(76)的空气分配系统(30)，所述风力涡轮机转子叶片具有在其中限定腔(60)的至少一个侧壁(54)，所述侧壁在前缘(66)与轴向地间隔开的后缘(68)之间延伸并在所述前缘与所述后缘之间限定弦向轴线(44)，所述空气分配系统包括：
多个泄流组件(84)，所述多个泄流组件(84)定位在所述转子叶片内并构造成将空气排出至所述边界层内以减少所述边界层与所述转子叶片的分离，所述多个泄流组件中的每个泄流组件均包括：
泄流管道(90)，所述泄流管道(90)联接至所述侧壁的内表面(92)上并相对于所述前缘与所述后缘之间的所述弦向轴线定向，所述泄流管道构造成引导空气穿过所述转子叶片；
入口孔(86)，穿过所述泄流管道并穿过所述侧壁限定所述入口孔(86)，以将空气引导至所述泄流管道内；以及
出口孔(88)，穿过所述泄流管道并穿过所述侧壁限定所述出口孔(88)，以将空气从所述泄流管道排出至所述边界层内。
2.根据权利要求1所述的空气分配系统(30)，其特征在于，所述叶片侧壁(54)包括第一叶片段和联接至所述第一叶片段上以形成所述转子叶片(28)的相对的第二叶片段，穿过接近所述后缘(68)的所述第一叶片段限定所述出口孔(88)，穿过接近所述前缘的所述第二叶片段限定所述入口孔(86)。
3.根据权利要求1所述的空气分配系统(30)，其特征在于，所述风力涡轮机转子叶片(28)具有与所述弦向轴线(44)垂直地限定的厚度(22)，所述出口孔(88)定位在所述后缘(68)与所述风力涡轮机转子叶片相对于所述弦向轴线的最大厚度的位置之间。
4.根据权利要求3所述的空气分配系统(30)，其特征在于，所述入口孔(86)定位在所述前缘(66)与相对于所述弦向轴线(44)的最大厚度(72)的位置之间。
5.根据权利要求2所述的空气分配系统(30)，进一步包括旁流组件(146)，穿过所述风力涡轮机转子叶片(28)限定所述旁流组件(146)，以在阵风过程中选择性地引导空气穿过所述转子叶片，从而减小跨过所述转子叶片的升力，所述旁流组件包括：
多个旁路入口开口(148)，穿过所述第二叶片段限定所述多个旁路入口开口(148)，以将环境空气引导至所述转子叶片腔(60)内；以及
多个旁路出口开口(150)，穿过所述第一叶片段限定所述多个旁路出口开口(150)，以将空气从所述转子叶片腔排出至所述边界层(76)内。
6.根据权利要求5所述的空气分配系统(30)，其特征在于，所述旁流组件(146)进一步包括：
多个出口舱盖(158)，所述多个出口舱盖(158)联接至所述第一叶片段上并相对于相应的旁路出口开口(150)定位，所述多个出口舱盖中的每个出口舱盖均能够运动，以在第一位置(160)中遮盖相应的旁路出口开口并在第二位置(162)中允许将空气从所述转子叶片腔(60)排出；以及
多个入口舱盖(164)，所述多个入口舱盖(164)联接至所述第二叶片段上并相对于相应的旁路入口开口(148)定位，每个入口舱盖均能够在所述第一位置与所述第二位置之间运动，以在所述第一位置中遮盖所述旁路入口开口并在所述第二位置中允许将空气引导至所述转子叶片腔内。
7.根据权利要求6所述的空气分配系统(30)，其特征在于，所述旁流组件(146)进一步包括：
多个致动器(166)，每个所述致动器均操作地联接至相应的入口舱盖(164)上，以将所述入口舱盖定位在所述第一位置(160)、所述第二位置以及所述第一位置(160)与所述第二位置之间的任意位置处；以及
控制系统(32)，所述控制系统(32)操作地联接至所述入口舱盖上，以便于在所述第一位置、所述第二位置(162)以及所述第一位置与所述第二位置(162)之间的任意位置运动所述入口舱盖。
8.根据权利要求1所述的空气分配系统(30)，其特征在于，所述转子叶片在根部(50)与尖端部(52)之间延伸，所述空气分配系统进一步包括：
至少一个进气孔(174)，穿过所述侧壁(54)限定所述至少一个进气孔(174)；
至少一个排气孔(176)，所述至少一个排气孔(176)穿过所述侧壁限定并邻近所述尖端部(52)定位；以及
排气歧管(172)，所述排气歧管(172)联接在所述进气孔与所述排气孔之间，用于穿过所述转子叶片的所述尖端部排出空气。
9.一种风力涡轮机(10)，包括：
塔架(12)；
机舱(16)，所述机舱(16)联接至所述塔架上；
毂(26)，所述毂(26)可旋转地联接至所述机舱上；
至少一个转子叶片(28)，所述至少一个转子叶片联接至所述毂上，所述转子叶片包括至少一个侧壁(54)，所述至少一个侧壁(54)具有限定腔(60)的内表面(92)和在前缘(66)与轴向地间隔开的后缘(68)之间延伸的外表面(74)；以及
多个泄流组件(84)，所述多个泄流组件(84)定位在所述转子叶片内，用于将空气排出至跨过所述外表面的空气的边界层(76)内，从而减少所述边界层与所述外表面的分离，所述多个泄流组件中的每个泄流组件均包括：
泄流管道(122)，所述泄流管道(122)联接至所述侧壁(114)的内表面(114)上并相对于所述前缘(66)与所述后缘之间限定的弦向轴线(44)定向，所述泄流管道构造成引导空气穿过所述转子叶片；
入口孔(124)，穿过所述泄流管道并穿过所述侧壁限定所述入口孔(124)，以将空气引导至所述泄流管道内；以及
出口孔(126)，穿过所述泄流管道并穿过所述侧壁限定所述出口孔(126)，以将空气从所述泄流管道排出至所述边界层内。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述侧壁(54)包括第一叶片段和联接至所述第一叶片段上以形成所述转子叶片(28)的相对的第二叶片段，穿过接近所述后缘(68)的所述第一叶片段限定所述出口孔(126)，穿过接近所述前缘(66)的所述第二叶片段限定所述入口孔(124)。
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