CN104234929A - 一种控制风力机叶片载荷与变形的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制风力机叶片载荷与变形的装置，该装置是在风力机叶片叶尖安装一适当长度的自由转动式叶片，自由转动式叶片内部的舵机通过传动杆与后部的舵面连接；舵机驱动舵面转动从而改变自由转动式叶片的气动外形；自由转动式叶片在气动力矩作用下绕风力机叶片产生转动，改变其与来流之间的迎角，从而控制风力机叶片的气动载荷和变形。本发明的装置应用范围较广，可在已有的成熟的商业风力机叶片上进行一定改装。不仅节省了宝贵的时间和重新研发的经费，还可以改善风力机叶片在不同工况下的气动性能，稳定风力机在不同来流条件下的输出功率，扩大了风力机的工作包线，有利于增加风力机的年发电量，也增加叶片和相关设备的安全性。

Description

一种控制风力机叶片载荷与变形的装置

技术领域

本发明属于风力机技术领域，特别是一种风力机辅助装置。

背景技术

随着人类社会迈入21世纪，环境污染和传统石化资源衰竭等问题日益受到重视，新能源开发和使用已成为全世界的共同任务。其中，风能作为可再生的清洁能源的一种，被越来越广泛地应用，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。

风力机的叶片作为捕风装置，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，叶片长度从十几米、几十米增加到一百多米，风力机的功率由千瓦级提升至兆瓦级，有效地降低了风力发电的度电成本。因此，风力机的大型化已成为风电行业的趋势。然而，随着叶片尺寸的增加，风力机叶片所受到的气动载荷呈指数型增加。特别是在大风或突风等恶劣工况下，现有的变速变桨机构并不能快速地卸除这种突变载荷和巨大的结构变形，甚至造成叶片与塔架发生碰撞等事故，从而影响了风力机的安全性和使用寿命。

目前已有公开的专利，比如中国专利《一种风力机叶片可动小翼装置》（公开号：102996367A，公开日2013.3.27）、《一种带有叶尖小翼的风力机叶片》（公开号：103485973A，公开日2014.1.1）和《低启动风速的风力机叶片气动设计方法》（公开号：102108947A，公开日2011.6.29），通过流动控制手段来对风力机叶片的气动性能进行控制，如叶片叶尖小翼、叶尖甩开式气动刹车、后缘襟翼等。但这些控制手段亦存在一定的缺点，如：固定式的叶尖小翼，虽然能增加风力机的输出功率，但若来流状态超出设计工况，叶尖小翼将无法起到良好的控制效果；叶尖甩开式气动刹车在一些大风速情况下能及时降低叶轮转速，但其刹车过程复杂，还需要复杂的机械控制装置。一旦工作，则需要停止叶轮旋转才能将其收回至初始位置。而传统机械刹车，是通过刹车片的磨损将动能转化为热能，不仅会造成刹车效率的下降，而且还增加了额外的能耗。此外，动态响应慢、安装复杂等亦是现有控制手段普遍存在的问题。

而从空气动力学角度和现有的风力机叶片工作原理来看，叶片的主要气动载荷和捕获能力主要集中在叶片叶尖附近。因此，叶尖附近区域是进行叶片载荷与变形控制的敏感区域，通过在叶尖安装控制装置，可以有效地改变整个叶片的载荷分布和结构变形，并能稳定风力机转速和输出功率。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种结构简单的控制风力机叶片载荷与变形的装置，该装置适用于各种工况，通过简单的调整就能快速地卸除因环境引起的风力机叶片上的突变载荷和巨大的结构变形，保证风力机具有稳定的转速和输出功率以及安全性。

本发明公开的一种控制风力机叶片载荷与变形的装置，包括自由转动式叶片、舵面、舵面驱动装置。风力机叶片是安装该控制风力机叶片载荷与变形的装置的载体，自由转动式叶片通过第一转动副安装到风力机叶片顶端，第一转动副轴线垂直于风力机叶片的横截面；舵面通过第二转动副安装在自由转动式叶片后缘，第一转动副和第二转动副的轴线平行。

作为上述技术方案的进一步改进，所述舵面驱动装置为舵机，安装在自由转动式叶片内部，舵面通过传动杆连接到舵机。舵机内嵌于自由转动式叶片中而不是安装在自由转动式叶片表面，是为了保证自由转动式叶片表面的光滑、无凸起。舵机可通过传动杆驱动舵面角度快速地变化，改变自由转动式叶片的气动外形，从而改变自由转动式叶片的表面压力分布和气动特性。在高风速时，具有较高的气动刹车功能，能削减风力机的载荷，稳定输出功率；在低风速时，具有提高风轮转速的功能，降低启动风速，平滑输出功率。舵面相对自由转动式叶片弦线的转动角度范围为-30°~+30°。

作为上述方案的另一种改进，所述第一转动副包括转轴和转轴固定装置，转轴一端安装在转轴固定装置内，转轴可相对转轴固定装置转动，即自由转动式叶片可绕该转轴轴线自由转动，转动角度范围为-180°~+ 180°。转轴与自由转动式叶片固定连接，转轴固定装置固定安装在风力机叶片内部，或者，转轴与风力机叶片固定连接，转轴固定装置固定安装在自由转动式叶片内部。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述第二转动副为铰链。

作为上述技术方案的再进一步改进，所述控制风力机叶片载荷与变形的装置还包括阻尼调节器，阻尼调节器对转轴施加阻尼。

作为上述技术方案的再进一步改进，所述阻尼调节器上安装有锁紧装置，用于锁紧转轴。

作为上述技术方案的再进一步改进，所述自由转动式叶片5径向长度为风力机叶片径向长度的5%~50%，其平面形状是平直形式或削尖形式，自由转动式叶片靠近风力机叶片那一端的截面形状与风力机叶片顶端的截面形状相匹配。

作为上述技术方案的再进一步改进，转轴的位置靠近风力机叶片前缘。

作为上述技术方案的再进一步改进，所述舵面弦向尺寸为自由转动式叶片弦向尺寸的10%～30%。

作为上述技术方案的另一种改进，控制风力机叶片载荷与变形的装置还包括由来流探测器、机载处理器、控制系统和风力机运转状态探测器组成的闭环控制系统。闭环反馈控制系统用于监测来流风速、风向和风力机运行状态，并能根据来流状况和风力机状态自动发出控制信号给自由转动式叶片中的舵机，实现闭环反馈控制，无需人为干预和操作。

本发明的控制风力机叶片载荷与变形的装置，对风力机叶片叶尖部分的流场状态进行控制，从而实现以下的有益效果：

1、利用舵面的角度变化，可以改变自由转动式叶片与来流方向之间的迎角，从而调整叶片的气动载荷：在低风速下，可以增加自由转动式叶片的实际迎角，增加主叶片所受的升力和转矩，稳定风力机的发电功率；在高风速下，可以减少自由转动式叶片的实际迎角，减小主叶片的升力和转矩，削减叶轮的负载。由于叶片的变形与叶片叶尖载荷呈正相关，降低叶尖的气动载荷，可以有效抑制主叶片的变形。

2、通过每个叶片上控制装置的独立控制，可以克服由于大气边界层造成的风力机叶片上下叶片载荷不一致的问题，有利于风力机叶轮转速的稳定和减少动不平衡。

3、无需复杂的机械作动机构，只需要一个舵机和传动杆驱动舵面偏转，其功耗非常微小。

4、自由转动式叶片具有很高的动态响应速率，可在非常短的时间内实现载荷削减和变形控制。

5、自由转动式叶片的动态响应速率可以通过阻尼调节器进行调整，以满足不同工况下的控制需求。在不需要控制的时候，可以进行锁紧，形成整体的风力机叶片。

6、利用闭环反馈控制系统实现全工作包线的智能调控，无需人为主动干预和控制。

7、该控制装置可以用于变桨风力机，亦可以用于定桨风力机，具有较好的通用性。

本发明应用范围较广，可在已有的成熟的商业风力机叶片上进行一定改装。不仅节省了宝贵的时间和重新研发的经费，还可以改善风力机叶片在不同工况下的气动性能，稳定风力机在不同来流风速下的输出功率，扩大了风力机的工作包线，有利于增加风力机的年发电量，也增加叶片和相关设备的安全性。

附图说明

图1是本发明控制风力机叶片载荷与变形的装置安装在风力机叶片上的整体结构示意图；

图2是本发明控制风力机叶片载荷与变形的装置放大图；

图3是本发明控制风力机叶片载荷与变形的装置的横截面剖视图；

图4是本发明控制风力机叶片载荷与变形的装置工作示意图；

图5是闭环控制系统控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种控制风力机叶片载荷与变形的装置进行详细说明。

如图1、2和3所示，一种控制风力机叶片载荷与变形的装置，包括阻尼调节器2、转轴固定装置3、转轴4、自由转动式叶片5、舵面7、舵机6、传动杆8、铰链9。自由转动式叶片5径向长度为风力机叶片1径向长度的5%~50%，根据使用环境、风力机叶片1的长度等因素确定自由转动式叶片5的径向长度。其平面形状是平直形式或削尖形式，自由转动式叶片5的截面形状与风力机叶片1顶端的截面形状相匹配，自由转动式叶片5靠近风力机叶片1的截面弦长与风力机叶片1顶端的截面弦长保持一致。

自由转动式叶片5通过转轴4和转轴固定装置3安装到风力机叶片1顶端，转轴4一端安装在转轴固定装置3内，转轴4可相对转轴固定装置3转动，转轴4与自由转动式叶片5固定连接，可以视为一个整体，转轴固定装置3安装在风力机叶片1内部，自由转动式叶片5与转轴4可绕垂直于风力机叶片1的横截面的轴线自由转动，其转动角度范围为-180°到180°。或者，转轴4与风力机叶片1固定连接，转轴固定装置3安装在自由转动式叶片5内部。转轴4的轴线垂直于风力机叶片1的横截面，转轴4的位置靠近风力机叶片1前缘，转轴4中心位置位于自由转动式叶片截面的弦线上，优选距离前缘15%弦长的位置。转轴固定装置3可以选择轴承或其他转动副装置。

舵面7通过铰链9安装在自由转动式叶片5一边，舵面7弦向尺寸为自由转动式叶片5弦向尺寸的10%～30%，优选20%。转轴4和铰链9的轴线平行，即自由转动式叶片5相对风力机叶片1转动所绕的轴线与舵面7相对于自由转动式叶片5转动所绕的轴线在空间内平行。如图2所示，舵机6安装在自由转动式叶片5内部，舵面7通过传动杆8连接到舵机6。舵机6驱动传动杆8产生位移变化，从而带动舵面7绕铰链9发生连续的角度变化。舵面7相对自由转动式叶片5的弦线的转动角度范围为-30°~30°。舵机6也可以更换成电机或者液压驱动装置，用于驱动舵面7。

阻尼调节器2套装在转轴4上，位于靠近转轴固定装置3的那一端。阻尼调节器2也可以安装在转轴4一侧，只要能给转轴4施加阻尼即可。阻尼产生的方式可以是机械阻尼、电磁阻尼或者其他阻尼。

阻尼调节器2上安装有锁紧装置，在需要的时候，可以给转轴4施加足够大的摩擦力（或阻尼），使得转轴4无法相对风力机叶片1或自由转动式叶片5产生转动运动。锁紧装置内嵌于阻尼调节器2之中，通过控制系统12可以控制锁紧装置的开启与释放，以及锁紧的时间长短。锁紧装置的实现形式包括液压锁紧缸、机械销钉、自锁电机等。

控制风力机叶片载荷与变形的装置还包括由来流探测器10、机载处理器11、控制系统12和风力机运转状态探测器13组成的闭环控制系统。如图5所示，来流探测器10作为风速来流监测设备，被安装在风力机上的合适位置。来流探测器10与风力机运转状态探测器13的实时监测数据，被传送到风力机上的机载处理器11，经过处理分析之后，传输给控制系统12，再由控制系统12通过有线、无线、蓝牙或其它信号传输方式，将控制信号传输给自由转动式叶片5上的舵机6，进行风力机叶片1载荷与变形控制。而风力机运转状态探测器13亦不断反馈风力机的工作状态给机载处理器11。

本发明的控制风力机叶片载荷与变形的装置的工作过程如下：

如图4所示，以大风速恶劣工况为例，当来流探测器10发现风速风向已超出了安全范围之后，将及时通知机载处理器11，机载处理器11经过比对分析之后，确认执行动作，由控制系统12发出对应的控制指令，舵机6在接受到控制指令后，通过传动杆8驱动舵面7绕铰链9偏转，使得舵面7与自由转动式叶片5之间产生一个夹角δ。此时，由于自由转动式叶片5的外部形状发生了改变，叶片表面压力分布产生变化。自由转动式叶片5的叶片在气动力矩的作用下绕转轴转动，并最终稳定在一个平衡位置，此时自由转动式叶片5与风力机叶片1之间的夹角扩大为Θ。

此时，虽然风力机叶片1与来流之间的迎角还保持在α，但自由转动式叶片5与来流之间的迎角已减小到α’，自由转动式叶片5从原来的正升力状态变为零升力甚至负升力状态，从而削弱了整个风力机叶片1的正升力以及对叶片根部的力矩作用，起到载荷削减的作用，同时也降低了风轮的转动速度，使其稳定在安全工作范围内，减少对结构强度和刚度的要求。并且，由于风力机叶片1所受气动力和力矩的减小，其叶片的变形量也会相应降低，避免了叶片-塔架的碰撞问题。

在低风速下，控制系统12发出指令给舵机6调整舵面7，使得自由转动式叶片5在气动力矩作用下转动，增大与来流方向之间的迎角α，从而增加自由转动式叶片5的可用升力，即增加了驱动叶轮旋转的力矩。不仅保证风力机叶片1在小风速情况下气动效率不会降低，还能在较低风速下平稳地启动风力机。

Claims (10)

1.一种控制风力机叶片载荷与变形的装置，其特征在于：包括自由转动式叶片（5）、舵面（7）、舵面驱动装置；自由转动式叶片（5）通过第一转动副安装到风力机叶片（1）顶端，第一转动副轴线垂直于风力机叶片（1）的横截面；舵面（7）通过第二转动副安装在自由转动式叶片（5）后缘，第一转动副和第二转动副的轴线平行。

2.根据权利要求1所述的控制风力机叶片载荷与变形的装置，其特征在于：所述舵面驱动装置为舵机（6），安装在自由转动式叶片（5）内部，舵面（7）通过传动杆（8）连接到舵机（6）。

3.根据权利要求1所述的控制风力机叶片载荷与变形的装置，其特征在于：所述第一转动副包括转轴（4）和转轴固定装置（3），转轴（4）一端安装在转轴固定装置（3）内，转轴（4）可相对转轴固定装置（3）转动；转轴（4）与自由转动式叶片（5）固定连接，转轴固定装置（3）固定安装在风力机叶片（1）内部；或者，转轴（4）与风力机叶片（1）固定连接，转轴固定装置（3）固定安装在自由转动式叶片（5）内部。

4.根据权利要求1所述的控制风力机叶片载荷与变形的装置，其特征在于：所述第二转动副为铰链（9）。

5.根据权利要求3所述的控制风力机叶片载荷与变形的装置，其特征在于：所述控制风力机叶片载荷与变形的装置还包括阻尼调节器（2），阻尼调节器（2）对转轴（4）施加阻尼。

6.根据权利要求5所述的控制风力机叶片载荷与变形的装置，其特征在于：所述阻尼调节器（2）上安装有锁紧装置，用于锁紧转轴（4）。

7.根据权利要求1所述的控制风力机叶片载荷与变形的装置，其特征在于：所述自由转动式叶片（5）径向长度为风力机叶片（1）径向长度的5%~50%，其平面形状是平直形式或削尖形式，自由转动式叶片（5）靠近风力机叶片（1）那一端的截面形状与风力机叶片（1）顶端的截面形状相匹配。

8.根据权利要求3所述的控制风力机叶片载荷与变形的装置，其特征在于：转轴（4）的位置靠近风力机叶片（1）前缘。

9.根据权利要求1所述的控制风力机叶片载荷与变形的装置，其特征在于： 所述舵面（7）弦向尺寸为自由转动式叶片（5）弦向尺寸的20%。

10.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9任意一项所述的控制风力机叶片载荷与变形的装置，其特征在于：控制风力机叶片载荷与变形的装置还包括由来流探测器（10）、机载处理器（11）、控制系统（12）和风力机运转状态探测器（13）组成的闭环控制系统。