CN103282652B - 风力涡轮机叶片的负荷减轻装置 - Google Patents

Abstract

本发明包括转子叶片（20），其具有叶片主体（30），该叶片主体具有前缘（26）和后缘（28）以及在其间延伸以在横截面中限定翼型形状（32）的相对的第一和第二表面（34、36）。通路（42）在第一和第二表面（34、36）之间延伸通过叶片主体（30）。柔性构件（60）被密封在通路（42）的一端（50）上。有利地，柔性构件（60）被动地响应第一和第二表面（34、36）之间的差压变化在停用位置（62）和激活位置（64）之间运动，在激活位置柔性构件（60）延伸离开翼型形状（32）以用作风力涡轮机转子叶片（20）的负荷减轻装置（40）。

Description

风力涡轮机叶片的负荷减轻装置

技术领域

本发明涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及在风力涡轮机中使用的负荷减轻装置。

背景技术

通常，风力涡轮机包括具有安装在其上的多个转子叶片的转子；被装纳在机舱内的传动系和发电机；以及塔。机舱和转子通常被安装在塔的顶部上。叶片各自包括迎风侧和顺风侧。在优化操作期间，在叶片的顺风侧上形成低压气穴。低压气穴将叶片向其拉动，从而导致转子转动。这被称为“升力”。升力实际上比抵抗运动的风力摩擦力（其被称为“阻力”）显著更大。升力将总是与风呈直角，而阻力将沿着风向。升力和阻力的组合导致转子使得转子叶片自旋。当风力涡轮机的攻角变化时升力和阻力都会突然改变。冲击到转子叶片上的风的攻角是转子叶片的参考线（例如翼型形状的翼弦线）和空气入流之间的角度。在运转期间，风力涡轮机不时地接收阵风以及攻角变成负值的其他极端风况。在这种情况下，风力涡轮机叶片产生的升力非常不利于叶片的性能和寿命并且会导致严重损坏。

附图说明

参考附图在下述说明中解释本发明，附图示出：

图1示出了根据本发明方面的具有三个转子叶片的风力涡轮机。

图2是根据本发明方面的图1的风力涡轮机的转子叶片的侧视图。

图3是根据本发明方面的沿线1-1截取的图2的转子叶片的截面图（截面中的翼型形状）。

图4描绘了用于描述转子叶片20的特征的尺寸和关于转子叶片的风况。

图5A-5C示出了当具有不同攻角的风撞击转子叶片时横截面上的翼型形状的位置。

图6A-6B示出了根据本发明方面的处于停用位置和激活位置的被置于转子叶片上的负荷减轻装置。

图7A-7B示出了根据本发明另一方面的具有刚性板的负荷减轻装置。

图8A-8B示出了根据本发明另一方面的处于停用位置和激活位置二者的被置于转子叶片上的负荷减轻装置。

图9示出了根据本发明另一方面的具有铰链和铰链止动件的负荷减轻装置。

图10示出了根据本发明另一方面的负荷减轻装置。

图11A-11B示出了根据本发明方面的处于停用位置和激活位置的负荷减轻装置。

图12是示出根据本发明另一方面的负荷减轻装置的升力-阻力曲线的曲线图。

具体实施方式

本发明已经创新性地研发了用于风力涡轮机叶片的负荷减轻装置以及包括该装置的风力涡轮机叶片。当被激活时，负荷减轻装置将减少风力涡轮机叶片所产生的有害力。例如，当撞击在风力涡轮机叶片上的风的攻角是负值时，风力涡轮机叶片的相对表面之间的压力差激活负荷减轻装置，其将改变形状来减小叶片产生的升力且同时增加产生的阻力。通常，升力损失显著大于阻力增益。风力涡轮机叶片上的负荷的减轻会导致现有叶片和新制造的叶片的使用寿命增加。

现在参考附图，图1示出了风力涡轮机10，其具有塔12、安装在塔12上的机舱14以及转子16，转子16在其上具有毂18和多个转子叶片20。图2示出了示例性转子叶片20，其具有通常具有圆筒形外形的根部区域22和限定叶片20的最外部分的尖端区域24。转子叶片20还包括前缘26和后缘28。壳体30在前缘26和后缘28之间延伸并且在其间形成横截面上的翼型形状。

图3具体地示出了横截面32上的翼型形状（沿图2的线1-1截取），其包括第一表面34和第二表面36。第一表面34和第二表面36被置于前缘26和后缘28之间，并且限定横截面上的翼型形状32（之后称为翼型形状32或翼型横截面32）。在正常和最佳操作期间，第一表面34可以被称为叶片20的吸力表面，并且第二表面36可以被称为叶片20的压力表面。从转子叶片20的前缘26延伸到其后缘28的点划线代表转子叶片20的翼弦线38。如图3所示，示例性转子叶片20包括被置于通路42的端部处的负荷减轻装置40，该通路42在转子叶片20的第一表面34和第二表面36之间延伸，如下面将进一步描述的。

图4示出了用于描绘转子叶片20的特征的其他尺寸和关于转子叶片20的风况。如图4所示，箭头W代表环境风的风向，而箭头R代表转子叶片20的旋转方向。转子叶片20的翼弦线38和旋转方向形成角度θ，其通常被称为转子叶片20的扭转角。扭转角被设定成使得包括一个或更多个转子叶片（例如转子叶片20）的转子以最佳转子速度旋转并且使得相关的风力涡轮机的功率被限制于最大功率输出。由于转子叶片20的旋转，转子叶片20被箭头RW所示的相对风撞击。相对风RW和环境风W矢量求和成入射风，其由IW代表。翼弦线38和入射风IW的方向之间的角度被称为攻角，其撞击在转子叶片20上并且被示作α。

图5A-5C示出了被风以各种攻角（分别是中性、正的和负的）撞击时本发明的示例性转子叶片20的位置的简化视图。如图5A所示，转子叶片20（其翼型形状32）被示为具有等于零（或基本接近零）的攻角α。这样，关于第一表面34的空气的第一区域44的静压力基本等于第二表面36的第二区域46的静压力。如图5B所示，在最佳风力情况下，转子叶片20具有正攻角(+)α。在具有正攻角(+)α的情况下，关于第一表面34的第一区域44具有比关于第二表面36的空气的第二区域46的静压力（H）更低的静压力（L）。通常，低压气穴（第一区域44）将叶片20拉向自己，从而导致转子16转动。如图5C所示，转子叶片20被示为具有负攻角(-)α。在具有负攻角的情况下，关于第一表面34的第一区域44实际上具有比关于第二表面36的空气的第二区域46的静压力（L）更大的静压力（H）。当这种情况发生时，转子叶片20会经受不良的高升力，这会抵抗传统的产生动力的运动并且会潜在地损坏转子叶片20。

有利地，本发明包括一种负荷减轻装置，其被构造成在转子叶片20承受具有负攻角(-)α的风时从第一停用位置运动到第二激活位置以便牺牲升力来形成更大阻力。参考图6A，示出了具有根据本发明方面的负荷减轻装置40的实施例的转子叶片，例如转子叶片20。转子叶片包括在壳体30的第一表面34和第二表面36之间延伸的通路42。通路42还包括第一端48和第二端50。应该理解，图6A仅为了清楚的目的示出了通路42并且图6A不必要成比例绘制。通路42可以具有任意适当宽度以便允许空气进入其内，这将激活负荷减轻装置40。在某些实施例中，通路42可以例如具有从1至1000 mm的宽度。

可以提供任意适当结构来限定第一表面34和第二表面36之间的通路42。在一种实施例中，管52可以如图所示被提供在第一表面34和第二表面36之间以便限定转子叶片20内的通路42。管可以由任意适当的相对刚性的材料（例如金属合金或聚合物材料）形成。通路42可以被形成在现有或新的转子叶片内，例如通过在转子叶片的相对侧向转子叶片内钻取对置孔，将管52插在其间，并且根据需要利用紧固件、粘结剂或类似物固定管52。

第一开口54被置于第一表面34处且在通路42的第一端48处以便允许空气56进入通路42内。负荷减轻装置40被置于通路42的第二端50上。在所示实施例中，负荷减轻装置40包括具有柔性构件60的主体58，该柔性构件60密封在通路42的第二端50上。关键地是，柔性构件60实质上防止空气56进入或空气56离开通路42。此外，由于柔性构件60在通路42的第二端50上形成的密封，柔性构件60可以被动地响应转子叶片20的第一表面34处和第二表面36处的空气区域之间的差压变化。

例如，当存在撞击在转子叶片20上的负攻角（如图5C所示）的情况下关于第一表面34的第一区域44具有比关于第二表面36的第二区域46更高的静压力（H）时，空气56将流入通路42内，从而产生足以使得柔性构件60从停用位置62运动到激活位置64的空气压力。在如图6A所示的停用位置62，柔性构件60被构造成在横截面上大体符合翼型形状32。因此，在停用位置62，包括柔性构件60的负荷减轻装置40优化地将基本不改变转子叶片20上的流体动力学。如图6B所示，在激活位置64，柔性构件60被构造成延伸离开翼型形状32，例如第二表面36，从而显著改变流体动力学并且用作转子叶片20的负荷减轻装置40。

柔性构件60的形状或外形不限于任何具体结构。应该理解，最主要的是当转子叶片20经历负攻角时，柔性构件60能够扩大或延伸到激活位置，例如激活位置64，并且将具有有效地牺牲一定程度的升力以便形成更大量的阻力从而减轻转子叶片20上的负荷的外形或形状。有利地，在激活位置64的负荷减轻装置40的最终几何构型将导致针对负攻角在装置后部立即形成流动分离，而针对正攻角（此时负荷减轻装置符合转子叶片20的表面的形状，例如翼型形状32）没有出现明显的影响。

还重要的是，在停用位置62和激活位置64这两个位置，柔性构件60均与转子叶片20的壳体30的表面处于密封关系。任何适当结构可以被用于将包括柔性构件60的负荷减轻装置40密封在通路42的第二端50上。适当结构包括粘结剂（例如所示的粘结剂68）、适当紧固件（例如螺母和螺栓）等中的一者或更多者。通过在通路42的一端（例如第二端50）上形成密封，进入通路42的空气56不能在密封端处进入或溢出通路42。在负攻角的情况下，在通路42（类似于囊体）内会形成足够的空气压力以便导致柔性构件60变形（例如扩大）并被激活。

柔性构件60可以由具有如下一种或更多种性质的材料形成，所述性质即一定程度的强度、一定程度柔性和一定厚度，以使得柔性构件60在预期由转子叶片20和柔性构件60将经历的力的作用下不会撕裂或切变。例如，在如这里所述的作用在柔性构件60上的空气压力的作用下，柔性构件60不应该撕裂或切变。与负荷减轻装置40一同使用的适当柔性材料包括天然和合成橡胶，例如异戊二烯橡胶、氯醚橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶、丙烯酸橡胶、丙烯腈-丁苯橡胶和类似物及其混合物。替代性地，柔性构件60可以是任意适当的聚合材料，例如一种或更多种弹性体材料。在任意情况下，柔性构件60将在期望风况下变形以便从壳体30的表面延伸，例如当转子叶片20被具有负攻角的风撞击时。之后，在没有负攻角的情况下，柔性构件60可以基本返回到其停用位置。应该理解，不同材料将以不同速率且以不同变形因数从激活位置64返回到停用位置62，这会导致柔性材料60不完全返回到其原始位置。

在本发明的另一方面，可以通过将刚性部分70结合到负荷减轻装置40内来控制处于停用位置62和激活位置64的负荷减轻装置40的形状。刚性部分70还将有助于维持处于停用位置62和激活位置64的负荷减轻装置40的相对恒定形状。在一种实施例中，如图7A所示，存在包括柔性构件60的负荷减轻装置40a并且刚性部分70是刚性板72的形式。负荷减轻装置40的尺寸被制成在停用位置62时跨过通路42的第二端50（类似于图6所示的负荷减轻装置40）。柔性构件60可以位于叶片20上的将允许刚性板72的至少一部分从负荷减轻装置40所附接的转子叶片20的壳体30延伸的任意位置。通常，刚性板72与柔性构件60连通。在一种实施例中，刚性板72可以被嵌入柔性构件60内，如图7A所示。在这种实施例中，通路42内存在空气压力将导致刚性板72向外延伸或运动到图7B所示的激活位置64。

现在参考图8A，当负荷减轻装置40a如这里所述被置于转子叶片20上时，在如图8A所示的停用位置62，刚性板72可以延伸过通路42。以此方式，响应通路42内的足够的空气压力，柔性构件60和刚性板72将以一定角度延伸离开壳体30从而限定如图8B所示的基本楔形构件82。如所示，还将存在柔性构件60的延伸区域84，其有助于维持在转子叶片20的第二表面36处的密封。只要转子叶片20承受负攻角，通路42内的空气压力通常就足以将负荷减轻装置40a维持在激活位置64。任选地，如图9所示，这里所述的负荷减轻装置的任意实施例，例如负荷减轻装置40a，可以进一步包括与刚性板72连接的铰链86以便允许刚性板72绕铰链86运动。在这种实施例中，负荷减轻装置40a还可以包括铰链86的止动件88以便限制在激活位置70时柔性构件60和刚性板72将展开的角度。

本发明不限于负荷减轻装置的任意具体构造。理想的是，负荷减轻装置在中性或正攻角的情况下最小地干涉流体动力学，并且在负攻角条件下变形以便为了一定量的阻力而牺牲一定量的升力。在另一实施例中，如图10所示，负荷减轻装置40b可以包括刚性板72，其被置于柔性构件60的一侧上，例如如所示在柔性构件60的顶部部分74上。刚性板72可以位于与柔性构件60的平面相对齐平，或者替代性地，刚性板72可以如所示延伸到柔性构件60的平面之上。

在又一实施例中，如图11A所示，负荷减轻装置40c可以包括柔性构件60和刚性框架76形式的刚性部分72，该刚性框架76如所示被嵌入柔性构件60内。在停用位置62，刚性框架76可以包括折叠框架，其被构造成从图11A所示的折叠位置78运动到如图11B所示的扩展位置80。在该实施例中，当负荷减轻装置40c所固定的转子叶片20的通路42内存在足够空气压力时，作用在负荷减轻装置40c的至少一部分上的空气压力将导致刚性框架76运动到扩展位置80。在扩展位置80，刚性框架76还扩大柔性构件60的主体以使得负荷减轻装置40c处于激活位置64。如图11A所示，如这里描述的任意装置中，负荷减轻装置40c可以包括粘结剂68以用于将负荷减轻装置40c附接到转子叶片20。

为了示出这里描述的负荷减轻装置的实施例的效果，针对图8A-8B所述实施例，在图12中示出了升力-阻力曲线。应该注意到，针对这里描述的负荷减轻装置的其他实施例可以想到类似的或相同的曲线。在图12的曲线图中，其示出了针对负攻角（由y轴线90左侧的区域所限定），一定的升力量92可以为了一定的阻力量94被牺牲。该升力量92被图示为在实线96和虚线98之间的距离。类似地，负荷减轻装置（例如负荷减轻装置40a）所引起的阻力量94被示为在实线97和虚线99之间的距离。还如图所示，针对正攻角（由y轴线90右侧的区域限定），升力或阻力没有显著变化。

虽然已经示出并在此描述了本发明的各种实施例，不过将显而易见的是仅通过示例方式提供这些实施例。在不背离本发明的情况下可以做出大量改变、修改和替代。因此，旨在仅由所附权利要求的精神和范围来限制本发明。

Claims (20)

1.一种风力涡轮机转子叶片，包括：

叶片主体，所述叶片主体包括前缘和后缘，且具有在所述前缘和后缘之间延伸以在横截面中限定翼型形状的相对的第一和第二表面；

在所述第一和第二表面之间通过所述叶片主体的通路；以及

被密封在所述通路的一端上的柔性构件，所述柔性构件被动地响应所述第一和第二表面处的空气区域之间的差压变化在停用位置和激活位置之间运动，在所述停用位置所述柔性构件大体符合所述翼型形状，在所述激活位置所述柔性构件延伸离开所述翼型形状以用作所述风力涡轮机转子叶片的负荷减轻装置。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述柔性构件还包括与所述柔性构件的主体连通的刚性部分。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述刚性部分包括刚性框架。

4.根据权利要求2所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述刚性部分包括刚性板。

5.根据权利要求2所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述刚性部分的整个部分被构造成在所述通路内存在空气压力的情况下从所述翼型形状延伸。

6.根据权利要求2所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述柔性构件还包括在所述柔性构件的上游端处可操作地连接到所述刚性部分的铰链以便允许所述刚性部分从所述翼型形状以一定角度延伸。

7.根据权利要求6所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述铰链包括止动构件以便限制所述刚性部分能够从所述翼型形状延伸所处的最大角度。

8.根据权利要求4所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述刚性板被设置成在所述停用位置跨过所述通路的一端。

9.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述柔性构件包含橡胶材料。

10.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述通路由在所述第一和第二表面之间延伸的管限定。

11.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述柔性构件在其底部部分处包括粘结剂以用于将所述柔性构件附接到所述叶片主体。

12.一种包括根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片的风力涡轮机。

13.一种用于附接到风力涡轮机的转子叶片的负荷减轻装置，所述转子叶片具有限定在第一和第二表面之间的翼型外形，所述负荷减轻装置被置于在所述第一和第二表面之间通过叶片主体的通路的一端上且包括：

柔性构件，所述柔性构件具有与所述柔性构件的主体连通的刚性构件；

其中所述柔性构件被构造成当所述柔性构件的至少一部分上存在空气压力时从第一停用位置延伸到第二激活位置。

14.根据权利要求13所述的负荷减轻装置，其特征在于，所述刚性构件包括刚性框架。

15.根据权利要求13所述的负荷减轻装置，其特征在于，所述刚性构件包括刚性板。

16.根据权利要求13所述的负荷减轻装置，其特征在于，所述刚性构件被嵌入所述柔性构件内。

17.根据权利要求13所述的负荷减轻装置，其特征在于，所述柔性构件和所述刚性构件被构造成响应作用在所述负荷减轻装置的至少一部分上的空气压力横向延伸。

18.根据权利要求13所述的负荷减轻装置，其特征在于，所述负荷减轻装置还包括在所述柔性构件的上游端处可操作地连接到所述刚性构件的铰链以便允许所述刚性构件绕所述铰链运动。

19.根据权利要求13所述的负荷减轻装置，其特征在于，所述柔性构件包含橡胶材料。

20.根据权利要求13所述的负荷减轻装置，其特征在于，所述柔性构件在其底部部分处包括粘结剂以用于将所述柔性构件附接到所述转子叶片。