CN104254688B - 风力涡轮机叶片以及控制这种叶片的升力的方法 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮机叶片，包括：形状可变的翼型部分(1、2)，沿翼弦方向和翼展方向延伸，并具有未经改变的默认形状；以及导管(15、25、35、36、45)，从叶片的内部朝叶片的外部延伸，外部部分包括位于形状可变的翼型部分的流量调节器，当形状可变的翼型部分呈现默认形状时，流量调节器锁定导管，当形状可变的翼型部分呈现改变的形状时，流量调节器不锁定导管。当形状可变的翼型部分呈现改变的形状时，导管被向外部打开，从而限定用于在叶片的内部和外部之间交换流体的设备。

Description

风力涡轮机叶片以及控制这种叶片的升力的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年2月20日提交的第12382055.7号欧洲专利申请和于2012年4月20日提交的第61/636,454号美国临时专利申请的优先权。

技术领域

本发明涉及用于风力涡轮机的气动叶片，该气动叶片包括：形状可变的翼型部分，该翼型部分沿翼弦方向和翼展方向延伸并具有未经改变的默认形状；以及从叶片内部向叶片外部延伸的导管。本发明还涉及控制这种叶片的升力的方法。

“翼弦方向”意为沿着叶片的翼弦延伸(即横向)，“翼展方向”意为沿着叶片的翼展延伸(即纵向)。

形状可变的翼型部分的默认形状(即未经改变的)是上述翼型部分在处于放松状态(即没有发生偏转或形变)时所采用的形状(在本申请的其余部分中，术语“形变”应被理解成等同为“形状被改变”)。形状可变的翼型部分可以是后缘部分，前缘部分，或者两者之间的部分。在本文中，“部分”意为叶片的区域，该区域沿翼弦方向和翼展方向延伸，并可以包括叶片的压力侧或吸力侧或者两侧的部分。

背景技术

可以通过改变叶片的翼型形状来调节作用于风力涡轮机叶片的负载，特别是在叶片的后缘部分。EP2153059公布风力涡轮机叶片“具有在前缘和后缘连接的吸力侧和压力侧，其中在叶片后缘的区域中定义了一个或多个形状可变的翼型部分，其中上述一个或多个形状可变的翼型部分被附接至叶片主体，该一个或多个形状可变的翼型部分中的每一个具有上部蒙皮和下部蒙皮，上部蒙皮和下部蒙皮中的第一个被固定至叶片主体，上部蒙皮和下部蒙皮中的第二个相对于叶片主体可滑动地移动，以使得施加于上述蒙皮之一的力导致上述第二个蒙皮相对于叶片主体滑动，以便从而改变后缘的翼型形状。”

这种形状可变的后缘部分增加叶片的升力，但是升力的增加可以导致边界层与叶片(翼型)的空气动力表面分离(或者，通常来说，流体分离)，这反过来降低升力，因此减弱初始效果。

WO2011026495公开风力涡轮机叶片，包括“襟翼，用于改变转子叶片的空气动力表面；空腔，被设置在转子叶片中，并被配置以使得襟翼的移动导致在空腔中特性变化，该特性变化是空腔内的气压变化和/或空腔内的气量变化；喷嘴，被设置在转子叶片的空气动力表面上，与空腔流体连通；其中空腔和第一喷嘴被配置为使得在空腔中的性质变化产生通过喷嘴流动的气团。”

在图3所示的实施方式中，襟翼15由弹性材料形成并且是“附接至叶片主体17的固体部件，并通过驱动器导致偏转(...)两个容器(reservoir)30和31被嵌入襟翼15中。上部容器30位于吸力表面22附近，下部容器31位于压力表面23附近。因为容器30和31是在弹性材料中作为空腔形成的，因此当襟翼15偏转时，容器30和31的形状也改变；这反过来导致每个容器30和31的容积改变，以使得容器30和31将或者排出气体或者吸入气体。上部容器30通过导管33的装置附接至喷嘴34，并且喷嘴34位于压力表面23上。下部容器31通过导管35的装置附接至喷嘴36，并且喷嘴36位于吸力表面22上。当襟翼15朝压力表面23向下偏转时，下部容器31被压缩迫而强迫气体通过喷嘴36排出，这将有助于边界层保持附接并防止或延迟边界层的分离。同时，上部容器30将扩张并通过喷嘴34将气体吸入至上部容器30中，这种压力表面上的吸力将帮助边界层保持与翼型轮廓的附接。”

但是上述叶片空气动力表面上的喷嘴也可以造成不必要的边界层扰动。

发明内容

本发明的目的是提供形状可变并避免不必要的边界层扰动的，或者，至少抗衡上述扰动的风力涡轮机叶片。

根据本发明的第一方面，风力涡轮机叶片包括：形状可变的翼型部分；以及导管，从叶片的内部朝叶片的外部延伸，外部部分包括位于形状可变的翼型部分的流量调节器，当形状可变的翼型部分呈现默认形状时，流量调节器适于锁定导管，当形状可变的翼型部分呈现改变的形状时，流量调节器适于不锁定导管，从而允许导管到达叶片的外部。通过这种方式，当形状可变的翼型部分处于放松状态时(即当不需要任何的边界层控制时)，导管的外部端区域在叶片的表面区域被关闭，叶片表面上不存在干扰或扰动(或反扰动)；当形状可变的翼型部分呈现出改变的形状时，导管被向叶片外部打开，并定义用于在叶片的内部和外部之间交换流体(如气体)的设备。因此，边界层只有在形状可变的翼型部分发生形变时才被主动地控制，这是最需要主动控制的时候。

因此，基于叶片形变的状态，导管能够将叶片的内部连接至叶片的外部。上述导管可以是任意种类的通道。

流量调节器可以通过阀调节导管的外部端的孔，术语“阀”旨在包含任何能够通过自身的移动打开或关闭流体通路的元件。外部部分的移动能够驱动流量调节器打开或者关闭导管，通常是导管的外部端。

为了能够连续地形变，外部部分可以包括由可变形的材料制成的部分。这种可变形材料可以是弹性体。

在一些实施方式中，叶片包括以分散的方式分布在叶片上的多个外部部分，例如像覆盖形状可变的翼型部分(或叶片)的一些部分或全部的片(tile)。

在一些实施方式中，导管从叶片表面的一点延伸到叶片表面的另一点，上述点中的一个不一定位于形状可变的翼型部分中，即，导管可以起始于形状可变的翼型部分并可以截止于叶片的不同部分，反之亦然。

因为基于形状可变的翼型部分的形变，流动分离可以发生在吸力面和压力面，所以导管的外部端可以在叶片的吸力面或者叶片的压力面。

导管在其外部端的入射角可以是大体垂直的，或者可以关于导管所在的叶片的表面倾斜，以便得换气设备能够以不同方式运行。

叶片可以包括沿着大体纵向的缝隙分布的多个导管，当形状可变的翼型部分呈现出默认形状时，该缝隙被外部部分大体关闭，当形状可变的翼型部分呈现出改变的形状时，上述缝隙不被外部部分关闭。通过这种方式，边界层控制能够被加强。

在一些实施方式中，上述缝隙和起始(或截止)于导管外部端的导管的外部端以分散的方式(翼展方向或翼弦方向)分布，以使得当形状可变的翼型部分发生形变时，翼型的曲率自然地有助于使一个或多个导管被向外部打开。

叶片可以包括位于叶片内部的空腔，该空腔在导管的内部端与导管连接。上述空腔可以装备有当被驱动时能够振动的膜；具体地，空腔、膜以及导管的组件能够形成合成射流。基于预期效果，上述膜可以相对于叶片的在导管的外部端的表面大体平行、大体垂直或者倾斜。

从空腔延伸到在叶片表面的不同位置的导管可以多于一个。

风力涡轮机叶片可以包括多于一个的空腔和对与之应的一个或多个导管。

在一些实施方式中，形状可变的翼型部分位于叶片的翼弦的对应于后缘的三分之一内，上述后缘部分是叶片最常发生形变的部分。

在一些实施方式中，形状可变的翼型部分位于叶片的翼弦的对应于前缘的三分之一内，这是因为有时使前缘部分变形也是令人关注的。

风力涡轮机可以包括如在前述段落中所定义的叶片。

根据本发明的第二方面，控制风力涡轮机叶片的升力的方法包括使用如在前述段落中所定义的叶片。

这种方法可以包括改变形状可变的翼型部分的形状的步骤。

上述方法还可以包括响应于形状可变的翼型部分的形状的改变，打开至少一个导管的步骤。

附图说明

参照附图，将只通过非限制性示例的方式在下文中描述本发明的一些具体实施方式，其中：

图1示意性示出了后缘部分发生不同形变时叶片(即，翼型)的横截面形状；

图2示意性示出了前缘部分的形变；

图3示意性示出了不同的导管配置；

图4示意性示出了在其表面上装备有一些缝隙的叶片的纵视图；以及

图5示意性示出了到达上述缝隙中的一个的一些导管。

具体实施方式

在图1所示的实施方式中，只有叶片的后缘部分1设置有一些换气设备。任意这样的设备包括位于叶片内部的空腔20，以及能够将上述空腔与叶片的外部连接的导管15；导管15的内部端向空腔20打开，导管15的外部端几乎到达叶片表面5(当导管被打开时其确实地到达外部表面)。空腔20可以设置有将空腔分为两个区域的膜21，与导管15连接的外部区域22以及内部区域23，从而与导管15一同形成合成射流。

图1A示出了处于放松状态的叶片，也就是没有发生形变。在这种情况下，一个或多个可变形的外部部分(未示出)阻挡每个导管15的外部端来从而有效地将其封闭，并且在叶片的外部和任意的空腔20之间没有气体交换，一个或多个可变形的外部部分可以是叶片的蒙皮或其中的一些外部元件(像多个片)。

图1B示出了具有形变的后缘部分1的叶片。该形变导致外部部分解锁至少一个导管15的外部端从而将其有效地打开，以使得空腔20和叶片的外部之间可以有气体交换，以阻止在叶片的该区域发生流体分离的危险。如果空腔20包括膜21(如图1B中所示)，则可以驱动该膜以加强气体交换；例如，可以通过压电驱动器(未示出)使膜振动(例如在高频率)。

通常，导管20在翼型的曲率最高或者至少高于特定程度的叶片区域中被打开，在不同区域特定程度可以不同。外部部分像阀装置一样工作从而打开和关闭导管的外部端。例如，一些外部部分可以像盖子一样覆盖或不覆盖导管的外部端，在这种情况下，外部部分自身是阀，或者阀装置可以是可变形的外部部分中的狭窄穿孔，在外部部分处于放松状态时，上述穿孔被关闭，在外部部分经历特定形变时，上述穿孔被打开。

图1C示出了在后缘部分1中具有进一步形变的叶片，上述进一步形变产生另一个导管15的开口，该开口比之前被打开的导管(图1B中所示)更靠近后缘，图1D示出了不同的形变，这次产生的导管15的开口比之前被打开的导管(图1B中所示)更远离后缘(被打开)。注意图1D中示出的被打开的导管15是唯一被打开的导管，这意味着上述导管的外部端所在位置的翼型曲率最高，而其他位置的曲率不足以需要流量控制。

还要注意图1D中示出的被连接至叶片外部的空腔20不装备有任何膜，因此气体交换不如之前情况下的气体交换强烈。上述现象取决于具体的情况，但是原则上来说并不取决于空腔距后缘更近还是更远。

在图2所示的实施方式中，后缘部分1和前缘部分2都装备有合成射流，与之前的实施方式类似，每个上述合成射流包括导管25和装备有膜31的空腔30，但是一些空腔30可以仍然不包括任何膜。

图2A示出了处于放松状态的叶片，该叶片的所有导管25被外部部分锁定，图2B示出了前缘部分2发生形变的叶片，以使得一些导管15被打开，并且一个或多个空腔30和叶片的外部之间能够有气体交换。

图3示出了不装备有任何空腔的实施方式，在该实施方式中，导管35和导管36通过膜41在叶片内部接触。上述膜就像在上文所描述的合成射流中一样能够被驱动。

图3A示出了处于放松状态的叶片，叶片的导管35和36被外部部分锁定，图3B示出了后缘部分发生形变的叶片，并且导管35和35被向外部打开。

可选地，能够连接导管35和36而在两者之间没有任何膜，以使得导管35的外部端区域和导管36的外部端区域之间自然地建立气体交换。

图3的实施方式的另一种替代方式为在导管35和36之间装备空腔，该空腔包括类似于膜41的膜。

图4示出了具有后缘部分1和前缘部分2，并在其表面上包括多个纵向缝隙50的叶片，这些纵向缝隙50在吸力面或压力面或两面。如图5(为一部分图4的放大视图)所示，一些导管45的外部端到达上述缝隙，即，这些导管45通过缝隙50被向外部打开。在这种情况下，基于沿着缝隙50的翼型的曲率，外部部分将锁定或不锁定缝隙50，由此关闭或打开导管45。

如图4和图5所示，缝隙50可以分散的方式分布在叶片上，导管45的外部端可以沿着任何这样的缝隙分散。

尽管本说明书中只示出和描述了本发明的具体实施方式，基于每种情况的具体要求，在不脱离由所附权利要求所定义的保护范围的情况下，所属技术领域的技术人员将能够对本发明的任何技术特征进行技术上等同的修改和替换。

例如，附图只示出被向叶片的吸力面打开的导管，但是，根据情况，也可以有被向叶片的压力面打开的导管。

或者所描述的实施方式能够通过任何合适的方式结合。

而且，缝隙50可以具有纵向以外的方向。

Claims (15)

1. 一种风力涡轮机叶片，包括：

形状可变的翼型部分，沿翼弦方向和翼展方向延伸，并具有未经改变的默认形状；以及

导管（15、25、35、36、45），从所述叶片的内部朝所述叶片的外部延伸，

所述叶片的特征在于，所述叶片还包括外部部分，所述外部部分包括位于所述形状可变的翼型部分的流量调节器，当所述形状可变的翼型部分呈现所述默认形状时，所述流量调节器适于锁定所述导管，当所述形状可变的翼型部分呈现改变的形状时，所述流量调节器适于不锁定所述导管，从而允许所述导管到达所述叶片的外部。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中所述外部部分包括由可变形的材料制成的部分。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，包括在所述叶片上以分散的方式分布的多个所述外部部分。

4.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，包括沿着大体纵向的缝隙（50）分布的多个导管（45），当所述形状可变的翼型部分呈现所述默认形状时，所述缝隙被所述外部部分关闭，当所述形状可变的翼型部分呈现改变的形状时，所述缝隙不被所述外部部分关闭。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机叶片，其中所述多个导管以分散的方式分布。

6.根据权利要求4所述的风力涡轮机叶片，包括以分散的方式沿翼展方向分布的多个缝隙。

7.根据权利要求4所述的风力涡轮机叶片，包括以分散的方式沿翼弦方向分布的多个缝隙。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，包括位于所述叶片的内部并被连接至所述导管的空腔（20、30）。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片，其中所述空腔装备有在被驱动时能够振动的膜(21、31、41)。

10.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中所述形状可变的翼型部分位于所述叶片的翼弦的对应于后缘的三分之一内。

11.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中所述形状可变的翼型部分位于所述叶片的翼弦的对应于前缘的三分之一内。

12.一种风力涡轮机，包括根据权利要求1所述的叶片。

13.一种控制风力涡轮机叶片的升力的方法，包括使用根据权利要求1所述的叶片。

14.根据权利要求13所述的方法，包括改变形状可变的翼型部分的形状的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，包括响应于所述形状可变的翼型部分的所述形状的改变，打开至少一个所述导管的步骤。