CN102758728A - 控制绕流的叶片及方法和具有该叶片的风力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制绕流的叶片，其包括：具有吸力面和压力面的叶片本体；设置在吸力面上的凹槽；设置在凹槽中的流动控制装置，用于在风况变化超过设定阀值时干扰叶片本体周围空气流动的绕流结构。其中，流动控制装置包括：设置在所述凹槽中的扰流片，其与叶片本体铰接；设在叶片本体与扰流片之间的控制机构，用于控制扰流片的弹出角度，以便改变叶片本体周围空气流动的绕流结构。该叶片可以根据需要干扰叶片周围空气流动的绕流结构，从而减小叶片的升力，控制风轮的载荷和限制功率。本发明还提供一种控制叶片绕流的方法和具有该叶片的风力机。

Description

控制绕流的叶片及方法和具有该叶片的风力机

技术领域

本发明涉及风力发电设备的技术领域，尤其涉及一种用于风力机的控制绕流的叶片及其方法和具有该叶片的风力机。

背景技术

人类社会迈入21世纪，因为化石燃料在过去2个世纪大量使用而带来的环境问题以及化石燃料的枯竭，促使风能等可再生的清洁能源越来越广泛的应用，大型的并网水平轴风力发电机组（以下简称风力机）成为利用风能的主要形式。

风力机一般主要包括：捕风装置、电能的转换装置、支撑装置以及控制系统。风轮作为捕风装置，承担着吸收风能的作用，其设计的优劣直接决定着机组的性能及可靠性。最近十年，随着新材料、新技术的使用，风轮直径从十几米、几十米增加到现在一百多米，风力机的功率由千瓦级提升至兆瓦级，有效的降低了风力发电的度电成本，因此风力机的大型化成为风电行业的趋势。同时，随着风力机的大型化，机组载荷随风轮直径的增加呈指数关系增大，这给风力机的设计带来巨大的挑战，而现在主流变速变桨风力机普遍使用的调桨系统并不能够及时的卸除因阵风突变所带来的载荷，从而影响了风力机的安全可靠性和疲劳寿命。

风与风轮作用产生气动力，从而驱动风轮转动、完成风能转化为机械能的过程，因此，风力机的载荷主要来源于风轮的载荷。风轮的重力载荷、惯性载荷、气动载荷及操作附加载荷（如变桨、偏航、刹车等操作带来的载荷）构成了叶轮载荷，其中风轮的气动载荷是风力机叶轮载荷主要的组成部分。

风轮的气动载荷，源自风轮叶片每个截面的叶素（以下简称翼型）。因为存在入流攻角和翼型自身的弯度，来流介质在翼型的压力面被翼型阻滞，形成低速流动的高压区，在吸力面形成高速流动低压区。此绕流过程中能量的转化分为两部分：1）来流介质的动能转化为压力能；2）来流介质与翼型表面摩擦产生的热能，其中的压力能占绝大部分。翼型受工作介质压力能作用而产生升力和形状阻力，其中的升力即通常所述升力，翼型的形状阻力与摩擦阻力之和即通常所述的阻力。在较小的攻角范围内，翼型的升力比阻力要大一到两个数量级，因此翼型的升力决定了整个叶片的气动力。所以，直接对翼型升力进行控制，亦即对风轮捕风能力及载荷进行了直接控制。

翼型的升力系数随攻角的变化而发生变化，在攻角减小时翼型的升力系数减小，对于风轮叶片而言，其升力亦随攻角的减小而减小。如前所述的变桨风力机的调桨系统，其对叶片桨距角的调节，实质就是对叶片攻角的调节。当阵风突变，调桨系统调整叶片桨距角朝顺桨方向变化，由于减小叶片攻角从而减小升力，起到了限制功率和降低载荷的作用。但是，随着风力机的大型化，叶片质量不断增大因此自身的惯性增加，现有的调桨系统必然跟不上风速的变化，因此在减小升力、限制功率和降低载荷的作用上起不到预想的效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种控制绕流的叶片，其可以根据需要快速干扰叶片周围空气流动的绕流结构，减小叶片的升力，从而控制风轮的载荷和限制功率；本发明还提供一种控制叶片绕流的方法和使用该叶片的风力机。

为实现本发明的上述目的，本发明的控制绕流的叶片包括：具有吸力面和压力面的叶片本体；设置在吸力面上的凹槽；设置在凹槽中的流动控制装置，用于在风况变化超过设定阀值时干扰叶片本体周围空气流动的绕流结构。

其中，凹槽在叶片展向起始位置约50%至85%。

特别的，所述流动控制装置包括：设置在所述凹槽中的扰流片，其与叶片本体铰接；设在叶片本体与扰流片之间的控制机构，用于控制扰流片的弹出角度，以便改变叶片本体周围空气流动的绕流结构。

特别的，所述控制机构为电磁发生装置，当风况变化未超过设定阀值时，电磁发生装置产生和扰流片相异的磁极，将流动控制装置吸附在叶片本体表面，保持叶片本体气动外形的完整；当风况变化超过设定阀值时，电磁发生装置产生和扰流片同性的磁极，扰流片被磁力推出，干扰叶片本体周围空气流动的绕流结构。

进一步的，所述电磁发生装置连接控制元件，该控制元件接收由风况检测元件检测的叶片本体周围环境瞬时风况变化的信息，并将瞬时风况信息与设定阀值比较，当风况变化超过设定阀值时，根据预定策略生成扰流片弹出角度的控制信息，以便电磁发生装置根据该控制信息产生与扰流片弹出角度相对应的磁场。

特别是，所述控制元件还连接角度检测元件，该角度检测元件检测扰流片所弹出的角度，并将检测信息传送至控制元件，控制元件收到角度检测元件的信息后，将弹出角度信息与控制元件所发出的控制角度信息作比较，并调整扰流片的弹出角度。

优选的，所述预定策略包括：预先制定载荷控制范围、功率限制水平与扰流片弹出角度的关系，预先制定载荷控制范围、功率限制水平与瞬时风况信息的关系，以便通过控制扰流片在瞬时风况下的弹出角度，从而控制载荷、限制功率。

特别的，所述凹槽宽度为叶片本体弦长的9%-11%。

优选的，所述凹槽宽度为叶片本体弦长的10%。

特别的，所述凹槽与叶片本体前缘的距离为叶片本体弦长的68%-75%。

优选的，所述凹槽与叶片本体前缘的距离为叶片本体弦长的70%。

本发明提供的一种控制叶片绕流的方法，包括如下步骤：

在叶片本体的吸力面上沿表面法向切除部分材料以形成凹槽；

在凹槽中设置控制机构；

将扰流片安置于控制机构的上方及凹槽内，并将该扰流片铰接在叶片本体的吸力面上；

其中，控制机构用于控制扰流片的弹出角度，当风速或风向在单位时间内的变化超过设定阀值时，控制机构使扰流片开启，改变叶片本体周围空气流动的绕流结构。

特别的，所述凹槽宽度为叶片本体弦长的9%-11%。

优选的，所述凹槽宽度为叶片本体弦长的10%。

特别的，所述凹槽与叶片本体前缘的距离为叶片本体弦长的68%-75%。

优选的，所述凹槽与叶片本体前缘的距离为叶片本体弦长的70%。

特别是，该绕流控制方法亦适用于其他由翼型组成工作主体的装置，如飞机机翼、垂直轴风力机等。

本发明还提供一种具有该控制绕流叶片的风力机。

相对于现有技术，本发明的有益效果体现在如下方面：

1）本发明在设于叶片吸力面上的凹槽中设有流动控制装置，该流动控制装置在风况变化超过阀值时可以干扰叶片本体周围空气流动的绕流结构，从而使叶片本体升力减小，控制风轮的载荷和限制功率；

2）本发明的叶片具有流动控制装置，因此对风况的反应更加灵敏，使得风力机能够适应风况更加恶劣的风区；

3）本发明的流动控制装置能够控制风轮的载荷，因此在同等结构载荷的水平下，可以设计出更加轻型的风力机机组零部件，从而降低机组的成本；

4）本发明的流动控制装置能够控制风轮的载荷，因此在同等结构载荷的水平下，可以设计出更长或实度更大的叶片，从而使风力机的发电量更大；

5）本发明的流动控制装置中的电磁发生装置可根据风况变化是否超过设定阀值而产生与扰流片相异或相同的磁极，控制扰流片的弹出角度，从而改变叶片本体周围空气流动的绕流结构，改变叶片本体的升力；

6）本发明的控制元件与角度检测元件连接，从而可以随时调整扰流片的弹出角度，改变叶片本体的升力，控制风轮的载荷和限制功率。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明的控制绕流的叶片的俯视图；

图2为本发明的控制绕流的叶片的主视图；

图3为图2所示的控制绕流的叶片的A部分放大图；

图4为图2所示的控制绕流的叶片的B-B向剖视图；

图5为图4所示的控制绕流叶片的C部分放大图。

附图标记说明：1-叶片本体；2-吸力面；3-压力面；4-凹槽；5-扰流片；6-电磁发生装置。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明的控制绕流的叶片包括：具有吸力面2和压力面3的叶片本体1；设置在吸力面2上的凹槽4；设置在凹槽4中的流动控制装置。当风况变化（风速或风向在单位时间的瞬变）超过设定阀值时，流动控制装置干扰叶片本体1周围空气流动的绕流结构，从而使叶片本体1的升力减小，实现控制风轮的载荷和限制功率的目的。

优选的，如图2所示，凹槽布置在叶片展向起始位置的50%至85%，该区段是叶片捕捉风能的主要出力段。

如图3、5所示，流动控制装置包括设置在凹槽4中的扰流片5和设于叶片本体1与扰流片5之间的控制机构。其中，扰流片5采用磁性材料制作而成，其宽度可以固定或沿着叶尖方向逐渐变小；其与叶片本体1通过铰接轴铰接，该铰接轴沿着叶片本体的展向固定在吸力面的主梁上，因此扰流片5可以绕铰接轴旋转一定角度，而为了使扰流片5的旋转角度不超过最大偏转角度，可以在凹槽4与扰流片间设置角度限位机构，如在凹槽中固定至少一个限位弹簧以限制扰流片5的偏转角度，设计时应使扰流片5旋转至最大偏转角度时，该限位弹簧的变形量达到最大值。控制机构用于控制扰流片5的弹出角度，以便改变叶片本体1周围空气流动的绕流结构。

优选的，如图5所示，控制机构采用电磁发生装置6，该电磁发生装置6包括沿着叶片本体1的展向做多点布置的多个电磁铁，当风况变化未超过设定阀值时，电磁发生装置产生使电磁铁具有和扰流片相异磁极的磁场，因此电磁铁将扰流片吸附在叶片本体的表面，从而保持叶片本体气动外形的完整；而当风况变化超过设定阀值时，电磁发生装置产生使电磁铁具有和扰流片相同磁极的磁场，因此扰流片被电磁铁的磁力推出，从而干扰叶片本体周围空气流动的绕流结构。

为了更好的控制扰流片弹出后的角度，电磁发生装置连接着控制元件，该控制元件可以接收由风况检测元件检测到的叶片本体周围环境瞬时风况变化的信息，并将瞬时风况信息与设定阀值比较。当风况变化超过设定阀值时，根据预定策略生成扰流片弹出角度的控制信息，电磁发生装置根据该控制信息产生与扰流片弹出角度相对应的磁场，从而使扰流片被弹出，此时叶片本体的气动外形不再保持完整，流动介质绕流发生改变，使得叶片本体的升力减小；同时，该控制元件所连接的角度检测元件可以检测扰流片所弹出的角度，并将检测信息传送至控制元件，控制元件收到角度检测元件的信息后，将弹出角度信息与控制元件所发出的控制角度信息作比较，然后调整扰流片的弹出角度，从而达到精确控制扰流片弹出角度的目的，使得叶片的载荷达到设定的期望水平。

而预定策略包括：预先制定载荷控制范围、功率限制水平与扰流片弹出角度的关系，预先制定载荷控制范围、功率限制水平与瞬时风况信息的关系，以便通过控制扰流片在瞬时风况下的弹出角度，控制载荷、限制功率。

本发明还可以在叶片本体的吸力面上设有多个流动控制装置，相应的需要在叶片本体的吸力面上设置多个凹槽，并且相应的在每个凹槽中设置控制元件和风况检测元件，以便控制每个流动控制装置中的扰流片在瞬时状态下的弹出角度。

由于本发明的控制绕流的叶片具有流动控制装置，因此对风况的反应更加灵敏，使得风力机能够适应风况更加恶劣的风区；而流动控制装置能够控制风轮的载荷，因此在同等结构载荷水平下可以设计出更加轻型的机组零部件，如叶片、轮毂等，从而降低机组成本，或者设计出更长或实度更大的叶片而使风力发电机组的发电量更大。

本发明的控制叶片绕流的方法包括如下步骤：

1）在叶片本体的吸力面上沿表面法向切除部分材料以形成凹槽；

2）在凹槽中设置控制机构；

3）将扰流片安置于控制机构的上方及凹槽内，并将该扰流片铰接在叶片本体的吸力面上；

其中，控制机构用于控制扰流片的弹出角度，当风速或风向在单位时间内的变化超过设定阀值时，控制机构使扰流片开启，改变叶片本体周围空气流动的绕流结构。

该方法的第1）步骤中，切除部分材料所形成的凹槽的宽度为叶片本体弦长的9%-11%，且凹槽朝向叶片本体前缘的前端与叶片本体前缘的距离为叶片本体弦长的68%-75%。

优选的，凹槽的宽度为叶片本体弦长的10%，凹槽与叶片本体前缘的距离为叶片本体弦长的70%。

本发明的控制绕流的叶片可以应用于变速变桨及其他类型的风力机中。当该叶片应用于变速变桨风电发电机中时，流动控制装置以风速变化量作为动作的信号，将某个风速变化量作为设定阀值，当瞬时风速变化量小于此设定阀值时，流动控制装置不执行相应动作，则叶片保持原气动外形，风力机使用调桨系统运行；当瞬时风速变化量大于此设定阀值时，流动控制装置执行相应动作，在叶片吸力面上改变叶片的气动外形从而实施流动控制。

本发明的控制绕流的方法不局限于风力机叶片的应用，还可应用于由翼型（叶片某截面叶素）所组成、可完成工作主体功能的外型形式，例如飞机机翼等。

尽管上文对本发明作了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种控制绕流的叶片，其特征在于，包括：

具有吸力面（2）和压力面（3）的叶片本体（1）；

设置在吸力面（2）上的凹槽（4）；

设置在凹槽（4）中的流动控制装置，用于在风况变化超过设定阀值时干扰叶片本体（1）周围空气流动的绕流结构。

2.根据权利要求1所述的控制绕流的叶片，其特征在于，所述流动控制装置包括：

设置在所述凹槽（4）中的扰流片（5），其与叶片本体（1）铰接；

设在叶片本体（1）与扰流片（5）之间的控制机构，用于控制扰流片（5）的弹出角度，以便改变叶片本体（1）周围空气流动的绕流结构。

3.根据权利要求2所述的控制绕流的叶片，其特征在于，所述控制机构为电磁发生装置（6），当风况变化未超过设定阀值时，电磁发生装置产生和扰流片相异的磁极，将扰流片吸附在叶片本体表面，保持叶片本体气动外形的完整；当风况变化超过设定阀值时，电磁发生装置产生和扰流片同性的磁极，扰流片被磁力推出，干扰叶片本体周围空气流动的绕流结构。

4.根据权利要求3所述的控制绕流的叶片，其特征在于，所述电磁发生装置连接控制元件，该控制元件接收由风况检测元件检测的叶片本体周围环境瞬时风况变化的信息，并将瞬时风况信息与设定阀值比较，当风况变化超过设定阀值时，根据预定策略生成扰流片弹出角度的控制信息，以便电磁发生装置根据该控制信息产生与扰流片弹出角度相对应的磁场。

5.根据权利要求3所述的控制绕流的叶片，其特征在于，所述控制元件还连接角度检测元件，该角度检测元件检测扰流片所弹出的角度，并将检测信息传送至控制元件，控制元件收到角度检测元件的信息后，将弹出角度信息与控制元件所发出的控制角度信息作比较，并调整扰流片的弹出角度。

6.根据权利要求4所述的控制绕流的叶片，其特征在于，所述预定策略包括：预先制定载荷控制范围、功率限制水平与扰流片弹出角度的关系，预先制定载荷控制范围、功率限制水平与瞬时风况信息的关系，以便通过控制扰流片在瞬时风况下的弹出角度，从而控制载荷、限制功率。

7.一种控制叶片绕流的方法，其特征在于，包括如下步骤：

在叶片本体的吸力面上沿表面法向切除部分材料以形成凹槽；

在凹槽中设置控制机构；

将扰流片安置于控制机构的上方及凹槽内，并将该扰流片铰接在叶片本体的吸力面上；

其中，控制机构用于控制扰流片的弹出角度，当风速或风向在单位时间内的变化超过设定阀值时，控制机构使扰流片开启，改变叶片本体周围空气流动的流结构。

8.根据权利要求7所述的控制叶片绕流的方法，其特征在于，所述凹槽宽度为叶片本体弦长的9%-11%。

9.根据权利要求7或8所述的控制叶片绕流的方法，其特征在于，所述凹槽与叶片本体前缘的距离为叶片本体弦长的68%-75%。

10.一种风力机，其特征在于，具有如权利要求1-6任一项所述的控制绕流的叶片。

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