CN102713262A - 用于风轮机叶片的襟翼控制 - Google Patents

Abstract

风轮机叶片具有一个或更多个后缘襟翼。所述襟翼的致动机构包括沿着叶片长度延伸并由朝向叶根的马达装置驱动的轴。所述襟翼通过联动装置连接到所述轴，从而所述轴的旋转使所述襟翼绕铰合线枢转。所述联动装置可以是非刚性的并且通过辊子联接到所述轴，或者是刚性的并且通过安装在所述轴上的曲柄臂联接到该轴。设置偏移致动机构，以便为联动装置赋予除由所述轴的旋转造成的运动之外的运动。

Description

用于风轮机叶片的襟翼控制

本发明涉及风轮机，并且具体地涉及风轮机叶片上的襟翼的控制。

已知将控制面结合到风轮机叶片中，并且已经针对响应于各种情况致动这些控制面提出了多种建议。

US-A-2003/0123973（Murakami）公开了一种用于风轮机的转子，其叶片具有位于叶稍的可延伸的辅助叶片，并具有位于叶片前缘和后缘的多个可延伸叶。前缘叶和后缘叶受沿着叶片的长度设置的液压致动器或电力致动器控制。

DE-A-2922885（Rath）公开了一种用于风轮机叶片的后缘襟翼装置，其中襟翼由液压缸致动或由借助电动机致动的连接杆致动。襟翼位于叶稍，致动器设置在襟翼附近。

这些致动装置不太令人满意，因为它们需要大量远离机舱设置在风轮机叶片内的可动部件。风轮机常常定位在遥远且难以接近的场所（例如海面上），因而最好是维护尽可能有限且直观。US2003/0123973和DE-A-2922885的装置不满足这些要求。在所有情况下，复杂致动器都沿着叶片设置在远离位于叶片根部的叶片入口点的位置处。这使得接近困难且费时并且甚至要求移除叶片，而这是不切实际的。风轮机叶片的长度可能会超过40m并且朝向叶稍逐渐变细。非常不期望的是必须朝向叶稍接近叶片内部的部件。

本发明旨在解决上述现有技术的缺点。

根据本发明，提供了一种风轮机叶片，所述风轮机叶片包括位于该叶片的边缘上的至少一个控制襟翼和用于控制所述襟翼的运动的致动机构，所述致动机构包括：沿着所述叶片的长度的至少一部分延伸的致动器轴；联接到所述轴以使该轴旋转的致动器，所述致动器朝向所述叶片的根端设置；联动装置，该联动装置联接在所述襟翼和所述致动器轴之间，借此所述轴的旋转运动使所述襟翼运动；以及偏移致动机构，所述偏移机构用于向所述联动装置施加除由所述轴的旋转造成的运动之外的运动。

本发明的实施方式具有以下优点，可以是电动机、液压马达或类似物的所述致动器朝向所述叶片根部设置，因此它容易接近并且能作为预定维修访问的一部分来维护。而且，所述致动机构能非常简单，从而减少对维修的需要并且增加可靠性。所述偏移机构具有以下优点，给予一个或更多个襟翼除由所述轴的旋转给予的低频运动以外的高频运动。

在优选实施方式中，所述联动装置能是刚性杆，该刚性杆能通过安装在所述轴上而随该轴旋转的曲柄臂附接到可旋转的所述轴。

所述偏移机构可包括L形曲柄，该L形曲柄安装成绕所述轴旋转并且所述刚性杆联动装置附接到所述L形曲柄，其中，所述联动装置包括刚性杆，该刚性杆在一端联接到安装成用于绕所述轴旋转的L形曲柄的第一端，并且所述L形曲柄联接到安装在所述轴上的曲柄臂以通过偏移致动器随其旋转，由此所述偏移致动器的致动使所述L形曲柄相对于所述轴运动，从而向所述襟翼提供偏移运动。

优选地所述偏移致动器是压电堆，并且所述压电堆的激励使所述L形曲柄相对于所述轴运动，以向所述轴提供偏移运动。

在优选的实施方式中，所述联动装置是控制线。所述控制线可以通过固定到所述轴以随该轴旋转的辊子联接到所述致动器轴。可在所述轴上设置多个辊子，每个辊子均接纳用于襟翼的控制线。这具有如下优点，每个辊子的直径均被选择成使得所述轴的旋转引起所述襟翼的正确运动量。

其中所述联动装置是控制线，所述偏移机构可包括通过辊子联接到所述轴的控制线，并且所述偏移运动机构包括马达-齿轮机构，用于使所述辊子相对于所述轴旋转。

优选地，所述襟翼可绕铰合线枢转，其中所述轴的旋转运动导致所述联动装置使所述襟翼绕所述铰合线枢转。

优选地，弹簧设置在所述襟翼和所述风轮机叶片之间，由此所述襟翼被朝向伸展位置偏压。这具有襟翼被朝向故障安全位置偏压的优点。

优选地，所述叶片包括例如沿着其后缘的多个襟翼，其中每个襟翼均可通过相应的联动装置借助所述轴的旋转来枢转。

优选地，所述联动装置包括第一联动装置和第二联动装置，并且所述襟翼能绕中点枢转，其中，所述第一联动装置在所述中点的上方的一点处附接到所述襟翼，所述第二联动装置在所述中点的下方的一点处附接到所述襟翼，并且所述第一联动装置和所述第二联动装置通过固定到所述轴以随该轴旋转的双臂曲柄联接到该轴。

该布置是有利的，因为它使得当在所述襟翼的所述中点处绕铰合线枢转时能够控制该襟翼，从而使得襟翼能够朝向所述叶片的吸力面和压力面移动。

优选地，所述致动器轴基本上沿着所述叶片的结构构件（诸如翼梁或梁）延伸。另选地，所述致动机构和所述轴能形成为可从所述叶片拆下的单元。该布置具有如下优点，整个致动器机构能从所述叶片拆下，因而有利于维修。

本发明还在于具有多个叶片的风轮机，每个叶片均具有如上所述的致动机构。

现在将仅通过示例并且参照附图描述本发明的实施方式，其中：

图1是具有后缘襟翼的风轮机叶片的截面；

图2是具有一对后缘襟翼的风轮机叶片的示意平面图；

图3是示出另选的襟翼控制装置的类似于图2的视图；

图4示出了图1的实施方式的改进；

图5示出了图4的实施方式的另选布置；

图6示出了另一实施方式；

图7示出了另一实施方式，其中后缘襟翼作为可拆卸单元安装；

图8是示出最佳襟翼性能的致动频率对襟翼振幅的曲线图；

图9示出了本发明的允许襟翼的快速偏移运动的实施方式；以及

图10是图9的另选布置。

下列描述涉及风轮机叶片上一个或更多个后缘襟翼的控制。术语“襟翼”是指风轮机叶片的将改变风轮机叶片的空气动力学轮廓的可动表面。然而，本发明不限于后缘襟翼，而是还可应用于前缘装置（典型地，翼缝或缝翼）和如仅仅是与叶稍相反地沿着叶片边缘布置的其它控制面的致动。为了简单起见下列描述限于后缘襟翼。而且，待描述的实施方式不限于任何具体数量的襟翼，不限于其定位，并且可以用来致动沿着叶片的前缘或后缘设置的单个襟翼或两个以上的襟翼。

当设计用于风轮机的襟翼系统时，非常希望将诸如致动器之类的易损坏部件从叶片的外部移到根部，使得它们能作为正常维护巡视的一部分来维护并且能通过轮毂接近。朝向叶稍定位的部件难以在原地接近并且可能需要移除叶片。

图1示出了风轮机叶片的截面。本发明可应用于任何风轮机，例如具有带三个叶片的转子的水平轴涡轮机。

叶片10包括上表面12和下表面14，上表面12和下表面14通常被称为吸力面和压力面，每个面均通过众所周知的技术由轻质复合材料制成。加强翼梁16或梁沿着叶片的长度（如从图2和图3可见）从叶片的根端18朝向稍端20延伸。叶片具有前缘22和后缘24。后缘具有沿着其长度的一部分布置的至少一个可动襟翼26。如从图1可见，该襟翼能通过致动机构在展开位置28和收回位置30之间移动，在展开位置28中襟翼在叶片的吸力侧伸展，在收回位置30中襟翼与叶片齐平。这两个位置在图1中示出并且襟翼可以采取任何中间位置。襟翼的运动范围是设计选择的问题，并且期望的话襟翼能构造成在叶片的压力侧伸展。

如图1所示，襟翼被铰接而绕形成叶片的吸力面的一部分的铰合线旋转。铰链可以是叶片上壳的实际材料，如必要的话被适当地加强，或者可以是例如设置在吸力面下方的机械铰链。如从下述的另外的实施方式将清楚的是，铰链位置可以改变。

在图1至图3的实施方式中，襟翼被朝向吸力侧所示的伸展位置进行弹簧偏压。因此，如果没有施加抵抗弹簧偏压的力，那么襟翼将采取伸展位置。因此故障安全位置处于叶片的吸力面上的伸展或展开位置，因为这提供最小可能升力系数。这例如在停机条件下是希望的，在停机条件下，动力损失可导致襟翼不能展开。在这些条件下，希望叶片上的载荷尽可能低。

如从图2最佳可见，致动机构包括布置成沿着叶片的长度的至少一部分延伸的致动器轴32。在该实施方式中，轴是扭转轴并且与梁并排布置，通常沿叶片的中线。如从稍后的实施方式清楚的是，这是期望的但不是必需的。致动器轴32被安装成相对于多个支承件34旋转，这些支承件可以是例如滚动轴承或轴衬，并且致动器轴32在沿长度的多个点处固定到梁。在叶片的根端，轴的自由端附接到致动器36，该致动器36朝向叶片的根端布置并且用来致动该轴。当前认为轴应布置成靠近叶片的压力面14以维持控制线与铰合线的垂线之间的最佳角，从而在铰链上施加最大扭矩。然而，这在沿着叶片的长度具有大曲率的一些叶片设计中是不实际的。在这种叶片中，轴可能会安装得更靠近吸力面或者可能会允许线38穿透叶片壳的压力面14。通常认为吸力面光滑更好，因此铰链定位在吸力面上。通过将杆或线设置在压力面，能减小系统中的应力并且当臂48和杆44之间的角接近90度时能确保更大的线性致动。

包括控制线38的控制联动装置一端附接到轴，另一端附接到襟翼26。如图1所示，线朝向与铰接边缘相反的襟翼边缘附接到襟翼的后壁。因此，图1中，铰链位于襟翼的吸力面，控制线靠近襟翼的压力面附接到襟翼的后壁。虽然控制线可以直接附接到轴，但是优选地，如图1所示，控制线附接到辊子或滚筒40，该辊子或滚筒安装在轴上用于轴的旋转。对于轴的特定运动量，辊子的直径决定控制线的运动量。因此，通过选择不同的辊子直径，对于多条控制线可以获得不同的运动量。所需的运动量取决于襟翼尺寸和在叶片的区域处的翼型尺寸。如图2所示，与叶稍向（tipwards）襟翼26t因为所需的运动量较小，与其相关联的辊子的直径小于与轮毂向（hubwards）襟翼26r相关联的辊子。

致动器例如可以是液压马达或电动机。

图3示出了另选的布置，其中轴被分成第一轴和第二轴，每个轴均由相应的马达致动并且每个轴均移动两个襟翼中的相应一个。图3中，马达、轴、支承件、辊子和控制线组装起来并具有与图2相同的附图标记，添加后缀“r”或“t”以表示它们是在叶稍（t）还是根部（r）。还可增设其他的轴和马达以控制附加襟翼（未示出）。从维修角度来看，该布置不如图2的布置优选，因为叶稍向襟翼所用的马达的位置对于维修来说是不方便且难以接近的。图2的实施方式具有如下优点，单个马达在叶片的根端处容易接近，从而许可直接维护和维修。

为了展开襟翼，致动器（多个致动器）可能仅需要使扭转轴旋转一转的一部分（例如1/3转）。

致动器轴32优选地是扭转刚性的，然而在别的方面却是非刚性的，使得它能够在可能为20年或更久的叶片寿命内跟随叶片运动。该轴优选地由复合材料制成。

因此，在所述实施方式中，借助致动器进行的轴的旋转运动致使襟翼运动。具体地说，轴旋转导致襟翼绕铰合线枢转。

如前所述，在图1至图3的实施方式中，襟翼被朝向伸展位置偏压。将理解的是，这对于控制线装置进行工作来说是必需的。图4示出了一个可能的弹簧装置，其中成形的可压缩橡胶块42或其它合适材料设置在铰合线下方，位于叶片的后壁和襟翼的后壁之间。该块可以是泡沫橡胶元件。被压缩的橡胶42起作用以朝向伸展位置偏压襟翼。能使用任何其它合适的弹簧，诸如板簧或压缩弹簧。

图5示出了用于将轴连接到襟翼的控制联动装置的另选布置。在该实施方式中，襟翼仍由弹簧向外偏压，但这不再是必需的，因为轴和襟翼之间的联动是刚性的。弹簧仍是优选地以消除颤振并且确保低升力系数失效保护位置。推杆44在与图1的控制线基本上相同的位置处连接在襟翼的后壁46的底部处。然而，因为控制联动装置是刚性的，因此辊子40由曲柄臂48代替，该曲柄臂在一端安装在轴上以进行旋转，另一端联接到刚性联动装置44，使得轴的旋转转变为推杆或刚性联动装置的往复运动。

在前述实施方式中，襟翼绕叶片和襟翼的吸力面上的铰合线铰接。图6示出了一种另选的布置，其中铰合线50沿着襟翼的高度的中点，使得襟翼能够自由朝向叶片的压力面和吸力面移动。鉴于该运动，襟翼26的后壁46具有从铰合线远离叶片朝向后缘倾斜的上部52以及类似的下部54。襟翼由双曲柄臂56致动，该双曲柄臂56在其中心联接到轴32用于随轴旋转。双曲柄臂56的各端部均连接到控制联动装置，这里示出为控制线38，控制线38的另一端分别连接到襟翼的上后壁部和下后壁部。因此，致动器轴沿顺时针方向的旋转将导致襟翼朝向压力面移动，而轴的逆时针方向旋转将导致襟翼朝向吸力面移动。因为控制元件是非刚性线，因此需要诸如前述实施方式的成形的压缩泡沫橡胶块之类的弹簧（未示出）来偏压两个襟翼连接件中的至少一个。该弹簧可以设置在襟翼的后壁部之间，或叶片后壁和襟翼的上后壁部之间，或者两个后壁部之间。

另选地，图6的联接线能由如图5所用的刚性联动装置代替，从而消除对偏压弹簧的需要，不过也可能期望有偏压弹簧。

该实施方式具有减少系统中的松弛的优点，但是作为襟翼上的拉点和铰链之间的距离的扭转臂减半。

在图1至图6的实施方式中，致动器轴沿着翼梁或梁16的长度设置，基本上沿着叶片的中性线，因为该位置最不可能引起由叶片经年操作的恒定旋转导致的疲劳问题。尽管这是期望的，更期望的是能够容易地接近叶片的可动部件进行维护。在图7的实施方式中，轴定位在包括襟翼26或多个襟翼的单独的可拆卸单元或者部分60中。在叶片具有多个襟翼的情况下，可以为每个叶片提供单独的轴装置，使得每个襟翼均形成单独的可拆卸部分以减小这些可拆卸部分的尺寸。在图中，所示的布置是关于图1描述的控制线和辊子的装置。然而，能使用上述其它布置中的任一种。在图7所示的布置中，轴支承件34被安装在可拆卸部分的壁62上，该可拆卸部分在就位时抵接叶片。驱动襟翼致动轴的致动器36可以由单独的控制器控制，或更优选地由主风轮机控制器控制，该主风轮机控制器控制各种涡轮参数，诸如转子速度和叶片节距角。襟翼的主控制参数用于在襟翼旋转到最适宜的状态时减少叶片和襟翼系统上的载荷。图8示出了对于如70和72标识的两种不同负荷情况的致动频率对襟翼振幅的曲线图。两种情况都具有1P致动频率的分量（大约0.2Hz）但是由它们的操作条件引起的更高响应率是不同的。与转子每转的一个襟翼运动对应的致动频率1P是突出的，其由诸如风梯度、俯仰误差和取决于叶片位置的其它变量之类的问题引起。从图中可见，襟翼系统的最佳控制的非常基本的部分能通过叶片每旋转一转调节襟翼一次来获得。大约为0.2Hz的这一频率使得所述实施方式的布置非常实用并且能容易地提供襟翼运动的期望频率。然而，虽然这一布置可以获得可利用的大部分的利益，例如，至多为最大可达到的70%，但是仍能通过更加频繁（例如快10倍）地致动襟翼获得大而显著的增益。图1至图7的布置对于那样高的致动频率来说未必是最优的，但是能维持20年免维护寿命。而且，在更快的致动速度下，可能会希望单独致动襟翼并且鉴于襟翼的大尺寸单独致动襟翼也可能更容易。图9和图10示出了图1至图7的实施方式的变型，该变型使得襟翼能够更快运动。在每个实施方式中，维持每转运动一次的低频襟翼运动并且增加较高频率的偏移分量。

图9是图1至图7所示的轴和联动装置的布置的放大图。为了简单且易于理解，叶片壳和襟翼已被去除。轴32被示出由支承件34支承在梁16上，曲柄臂48设置成随轴旋转。L形曲柄74设置成绕轴自由旋转并且在一端76处连接到联动装置，这里示出为推杆44但是另选地如先前实施方式中的控制线。L形曲柄的另一端78通过快速致动器80联接到曲柄臂48的自由端。该致动器能使L形曲柄相对于曲柄臂48运动并且可以是例如压电堆。较高频率的信号可以从风轮机控制器或专用襟翼控制器发送到压电堆以激励压电堆，由此使L形曲柄相对于曲柄臂48和轴运动，从而给予联动装置44附加运动并且通过该联动装置给予襟翼（未示出）附加运动。

在图9中，最左边的直双头箭头82指示联动装置的大部分运动是由轴的旋转引起的缓慢运动（每转运动一次），而右手边双头箭头84指示由包括L形曲柄和压电堆的偏移致动器造成的小分量附加快速运动。

因此，该实施方式向由轴和曲柄臂（或辊子）的旋转提供的运动提供偏移。应理解的是，可以为每个襟翼提供单独的L形曲柄和压电堆，并且因为压电堆被单独控制，因此可以分别向每个襟翼施加快速移动偏移运动。

图9的布置对于刚性控制联动装置和曲柄臂布置是优选的。另选的布置在图10中示出，该布置目前对于图1的辊子和线联动装置是优选的。在该实施方式中，辊子40能通过轴32的旋转驱动并且能另外通过快速运动马达86驱动，该快速运动马达86通过偏移齿轮88使辊子运动。该齿轮可以与辊子（未示出）的花键内表面啮合以给予运动。马达86固定到杆32并驱动齿轮88。齿轮继而驱动辊子或滚筒40以提供线38的快而小的运动。

如同前述实施方式一样，快速运动马达对于每个襟翼可以是单独的，使得能够向每个襟翼单独地施加偏移运动。由轴旋转提供的运动的范围由双头箭头90指示，由偏移马达和齿轮提供的运动由双头箭头92指示。可以通过在轴上使用螺旋花键与轴的轴向运动相结合而增大致动速度。

本发明的实施方式具有如下优点，为风轮机叶片上，例如后缘上的襟翼提供简单的控制机构。马达致动轴的使用使得马达能够朝向叶片的根部定位，从而使检查和维修容易，并且使马达相对靠近风轮机机舱中的风轮机控制器定位，这是所希望的。而且，本发明的一些实施方式使得运动能够通过单个马达被给予到多个襟翼，并且还使得附加偏移运动能够被给予到单个襟翼以提供更高频率的运动。

Claims (13)

1.一种风轮机叶片，所述风轮机叶片包括位于该叶片的边缘上的至少一个控制襟翼和用于控制所述襟翼的运动的致动机构，所述致动机构包括：沿着所述叶片的长度的至少一部分延伸的致动器轴；联接到所述轴以使该轴旋转的致动器，所述致动器朝向所述叶片的根端设置；联动装置，该联动装置联接在所述襟翼和所述致动器轴之间，借此所述轴的旋转运动使所述襟翼运动；以及偏移致动机构，所述偏移机构用于向所述联动装置施加除由所述轴的旋转造成的运动之外的运动。

2.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其中，所述联动装置包括刚性杆，所述刚性杆的一端联接到安装成绕所述轴旋转的L形曲柄的第一端，该L形曲柄联接到安装在所述轴上的曲柄臂，以通过偏移致动器而与该曲柄臂一起旋转，由此所述偏移致动器的致动使所述L形曲柄相对于所述轴运动，以向所述襟翼提供偏移运动。

3.根据权利要求2所述的风轮机叶片，其中，所述偏移致动器是压电堆，并且所述压电堆的激励使所述L形曲柄相对于所述轴运动，以向该轴提供偏移运动。

4.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其中，所述联动装置包括通过辊子联接到所述轴的控制线，并且所述偏移运动机构包括用于使所述辊子相对于所述轴旋转的马达-齿轮机构。

5.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其中，所述襟翼能绕铰合线枢转；并且所述轴的旋转运动导致所述联动装置使所述襟翼绕所述铰合线枢转。

6.根据权利要求2所述的风轮机叶片，其中，所述刚性杆通过安装在所述轴上以随该轴旋转的曲柄臂附接到可旋转的该轴。

7.根据权利要求4所述的风轮机叶片，其中，所述控制线通过固定到所述轴以随该轴旋转的辊子联接到所述致动器轴。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的风轮机叶片，其中，所述联动装置包括第一联动装置和第二联动装置，并且所述襟翼能绕中点枢转；所述第一联动装置在所述中点的上方的一点处附接到所述襟翼，所述第二联动装置在所述中点的下方的一点处附接到所述襟翼；并且所述第一联动装置和所述第二联动装置通过固定到所述轴以随该轴旋转的双臂曲柄联接到所述轴。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的风轮机叶片，该风轮机叶片包括设置在所述襟翼和所述叶片之间的弹簧，所述弹簧朝向伸展位置偏压所述襟翼。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的风轮机叶片，该风轮机叶片包括多个控制襟翼，每个控制襟翼均能通过相应的联动装置借助所述轴的旋转而运动。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的风轮机叶片，其中，所述致动器轴基本上沿着所述叶片的结构构件延伸。

12.根据权利要求1至10中的任一项所述的风轮机叶片，其中，所述致动机构和所述襟翼形成为能从所述叶片拆卸的单元。

13.一种风轮机，该风轮机具有转子，该转子包括多个根据权利要求1至12中的任一项所述的转子叶片。

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