CN106401867A - 叶片、叶轮及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片、叶轮及风力发电机组。叶片包括用于与叶轮轮毂连接的叶根段和用于获得空气动力的翼展段，翼展段在宽度方向上包括前缘部、主体部和后缘部，后缘部设置有一个或多个在叶片厚度方向上贯通的导流通道；叶片内部设置有与导流通道连通的容置槽；容置槽内设置有可伸至导流通道并改变导流通道过流截面积的风门组件。

Description

叶片、叶轮及风力发电机组

技术领域

本发明涉及从风力中获取动力的叶片技术领域，尤其涉及一种叶片、叶轮及风力发电机组。

背景技术

现代机翼和风力发电机叶片的翼型是根据空气动力特性来设计的，理想状况下，具有经空气动力学设计的翼型的叶片能够提取最佳功率。然而，叶片的制造过程以及用于制造过程的模具部件的制造都相当复杂，且在实际工况下，叶片的实际攻角经常会产生偏差。这些偏差导致风机出现负载异常，因而有可能提取不到最佳的功率。另外，风速和攻角的同时极端增加时可能会使风机有关部件的负载急剧增加，对风机部件的寿命有显著影响。

因此，需要对风机叶片进行优化以获得最佳功率。已知一种叶片，在叶片后缘部段增加了格尼襟翼式的可旋转开关装置，通过该装置可改变后缘气流的流动方向，从而改变叶片相应部位的负载和升力。然而，上述可旋转开关装置的外部驱动机构可能比较复杂和昂贵，且该装置对气流仅能产生比较单一的改变效果，即单纯地使部分气流从压力侧流向吸力侧。

发明内容

本发明实施例提供一种叶片、叶轮及风力发电机，能够对叶片局部的升力进行调节。

第一方面，提供了一种叶片，包括用于与叶轮轮毂连接的叶根段和用于获得空气动力的翼展段。翼展段在宽度方向上包括前缘部、主体部和后缘部，后缘部设置有一个或多个在所述叶片厚度方向上贯通的导流通道。叶片内部设置有与导流通道连通的容置槽，容置槽内设置有可伸至导流通道并改变导流通道过流截面积的风门组件。

在第一种可能实现的方式中，风门组件包括相互独立运动的第一风门和第二风门，第一风门与第二风门在叶片的厚度方向上层叠设置。

结合上述可能实现的方式，在第二种可能实现的方式中，容置槽设置有滑道，滑道延伸至导流通道。第一风门和第二风门容纳于容置槽内并可移动地设置在滑道上。

结合上述可能实现的方式，在第三种可能实现的方式中，容置槽位于主体部，滑道沿叶片的宽度方向延伸。

结合上述可能实现的方式，在第四种可能实现的方式中，风门组件还包括驱动机构，所述驱动机构与控制系统电连接，驱动机构设置在叶片内部并用于驱动第一风门和第二风门移动。

结合上述可能实现的方式，在第五种可能实现的方式中，驱动机构包括第一驱动机构和第二驱动机构，第一驱动机构用于驱动第一风门，第二驱动机构用于驱动第二风门。

结合上述可能实现的方式，在第六种可能实现的方式中，第一驱动机构和/或第二驱动机构为卷扬装置或曲柄滑块机构。

结合上述可能实现的方式，在第七种可能实现的方式中，翼展段内部固定有腹板，腹板沿叶片长度方向延伸，腹板用于固定驱动机构。

结合上述可能实现的方式，在第八种可能实现的方式中，翼展段的后缘部为独立组件，后缘部与主体部之间为可拆卸式连接。

结合上述可能实现的方式，在第九种可能实现的方式中，后缘部还设置有平行于导流通道横截面的气流通道，气流通道由导流通道的中部向后缘部末端延伸并贯穿后缘部。

结合上述可能实现的方式，在第十种可能实现的方式中，气流通道被构造为当单独关闭第一风门或第二风门时与导流通道保持连通。

第二方面，提供了一种风力发电机叶轮，包括轮毂和至少一个叶片，叶片连接于轮毂上，叶片包括上述技术方案中任意一种叶片。

第三方面，提供了一种风力发电机组，包括塔架与安装于塔架上的叶轮，该叶轮为上述第二方面中所记载的叶轮。

由于在叶片的后缘部设置了导流通道，使得流经叶片表面的气流可以改变流向；同时在叶片内部设置可以改变导流通道过流截面面积的风门组件，使得流经过导流通道的气流大小可调，因此可以调节叶片表面的局部升力，从而获得最佳的风能转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明一个实施例的叶片结构示意图；

图2为图1所示叶片的翼展段的结构示意图；

图3为图2所示叶片的A-A向剖视图；

图4为图3所示叶片中第一风门和第二风门均全开时的结构示意图；

图5为图3所示叶片中第一风门和第二风门均半开时的结构示意图；

图6为图3所示叶片中第一风门和第二风门均关闭时的结构示意图；

图7为图3所示叶片中第一风门半开、第二风门全开时的结构示意图；

图8为图3所示叶片中第一风门关闭、第二风门半开时的结构示意图；

图9为图3所示叶片中第一风门全开、第二风门半开时的结构示意图；

图10为图3所示叶片中第一风门半开、第二风门关闭时的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体结构和配置，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

通常，机翼和风力发电机叶片的翼展段具有两个较大的翼面，分别为吸力面和压力面。吸力面是指空气流经时速度较高、静压较小的翼型一侧表面，吸力面在叶片横截面上的形状为一段圆弧曲线。压力面是指空气流经时速度较低、静压较大的翼型一侧表面，压力面在叶片横截面上的形状为一段略微S形的曲线。在叶片的宽度方向上翼展段还可区分为前缘部、主体部和后缘部，气流由叶片的前缘部流向后缘部时分别从吸力面和压力面表面流过并对翼展段产生不同的空气动力。若改变吸力面和/或压力面表面某个部位的气流流动状况，则会改变相应位置处的升力。本发明在风力发电机叶片的后缘部设置导流通道和风门组件，通过风门组件控制导流通道过流截面积来实现改变叶片压力面和吸力面的气流流动状况。下面为了理解方便引用了很多叶片厚度方向、叶片长度方向及叶片宽度方向等，其中所述的叶片厚度方向为由压力面/吸力面向吸力面/压力面延伸的方向，叶片宽度方向为由叶片的前缘/后缘向后缘/前缘延伸的方向，叶片长度方向为由根部/叶尖向叶尖/根部延伸的方向。

图1为本发明一个实施例所示叶片的结构示意图，图2为图1所示叶片的翼展段300的结构示意图。

请一并参阅图1和图2，叶片1包括叶根段100、翼展段300和二者之间的过渡段200。叶根段100用于与叶轮轮毂连接，翼展段300为空气动力学翼型，用于从风力中提取动力。翼展段300包括前缘部310、主体部340、后缘部320及风门组件400。风门组件400包括第一风门421、第二风门422和卷扬机等机构。

前缘部310、主体部340及后缘部320依序相连，弦线a为连接前缘部310和后缘部320的直线段，弦线a与来流方向的夹角为攻角。本实施例中，后缘部320为独立于主体部340之外的组件，其可拆卸地连接于主体部340。装配时先将风门组件400安装于主体部340，再将后缘部320安装于叶片主体上。结构较复杂的后缘部320独立于主体部340，因此叶片的加工难度会降低。在一个可选实施例中，后缘部320与叶片主体为一体结构。

图3为图2所示叶片的A-A向剖视图。请一并参阅图2和图3，翼展段300的后缘部320上设置有多个导流通道322，导流通道322为在叶片厚度方向上贯穿后缘部320形成的贯通孔，且与后缘部320的后缘端面(图未标)具有预定距离。导流通道322的两个开口分别与叶片吸力面一侧和压力面一侧的大气连通。在本实施例中，导流通道322大致垂直于叶片宽度方向，但应理解，导流通道322还可以与叶片方向呈预定角度。例如，在一个可选实施例中，导流通道322可以是向叶片的前缘部310方向倾斜的；在另一个可选实施例中，导流通道322可以是向叶片的后缘部320方向倾斜的。在本实施例中，导流通道322的截面形状为矩形，但应理解，其截面形状还可以为其他形状。例如，在一个可选实施例中，导流通道322的截面形状为圆形；在另一个可选实施例中，导流通道322的截面形状为半圆形；在另一个可选实施例中，导流通道322的截面形状为椭圆形。

本实施例中，翼展段300的前缘部310与主体部340为具中空空间的结构体，也就是说叶片的内部为空心设置。翼展段300的中空空间内设置有腹板330及连接于该腹板330的多个容置槽323，每一容置槽323的具有相对的两个开口，其中一个朝向每一导流通道322，另一个朝向腹板330。作为一可选实施例，所述容置槽323设置有延伸至导流通道322内的滑道(图未示)。

每一容置槽323内设置有第一风门421及第二风门422。第一风门421及第二风门422通过卷扬机411、卷扬机412、弹簧413和弹簧414固定在腹板330。卷扬机411、卷扬机412、弹簧413和弹簧414用于驱动第一风门421和第二风门422，并能独立驱动第一风门421和第二风门422。第一风门421和第二风门422的设置方式、尺寸和形状等没有特别的限定，只要第一风门421和第二风门422在容置槽323相对于导流通道322具有移动自由度，并且在容置槽323与导流通道322之间移动时能改变导流通道322的气流即可。在本实施例中，第一风门421和第二风门422在叶片的厚度方向上层叠设置，且第一风门421和第二风门422整体尺寸和外形与容置槽323的尺寸和外形相匹配，且能够伸入导流通道322并能闭合导流通道322。第一风门421和第二风门422沿容置槽323的滑道相对于叶片移动，均能够单独将导流通道322的过流通路截断。

在本实施例中，第一风门421和第二风门422在容置槽323中的移动方式为直线移动，二者通过直线滑动可滑入导流通道322内。在一个可选实施例中，滑道设置为圆弧状，第一风门421和第二风门422可沿滑道在平行于叶片所在平面的方向上转动进入导流通道322。第一风门421和第二风门422均设置在叶片外表面轮廓内部，且二者在移动过程中不会伸出至叶片轮廓外，因此在对气流的调节过程中，第一风门421和第二风门422不会造成叶片表面的气流紊乱，不会给叶片带来额外的气动载荷。

腹板330为叶片内部的筋板，在叶片的长度方向上延伸。本实施例中腹板330沿叶片的长度方向延伸，在一个可选实施例中，腹板330还可以是沿叶片宽度方向延伸，即在平行于叶片横截面的方向上延伸。

卷扬机411和412均包括电动机、减速机、滚筒和卷扬绳索，减速机将电动机的动力传递至滚筒，带动滚筒转动收卷或释放卷扬绳索。卷扬机411和412均固定在腹板330上，二者的卷扬绳索分别与第一风门421和第二风门422连接。卷扬机411或卷扬机412收卷卷扬绳索时，能够将第一风门421或第二风门422从导流通道322内拉出，从而增大导流通道322的过流截面面积。弹簧413和弹簧414均为压簧，二者分别设置在第一风门421与腹板330之间及第二风门422与腹板330之间。当卷扬机411或卷扬机412释放卷扬绳索时，弹簧将第一风门421或第二风门422推送至导流通道322中，从而减小导流通道322的过流截面积。应当理解，卷扬机411和卷扬机412安装在腹板330上并不是必须的，二者也可以安装在叶片内部的其他结构上，例如可以是单独设置的固定在叶片内中的安装架，也可以是叶片内腔表面的一个安装面，只要是可以固定卷扬机411和412的任何结构均可。

本实施例中，第一风门421和第二风门422由卷扬机411、412和弹簧413、414进行驱动，应当理解，第一风门421和第二风门422还可以由其他装置驱动。例如，在一个可选实施例中，第一风门421和第二风门422可以由丝杠副进行驱动，丝杠副包括丝杠和可沿丝杠轴向移动的螺母，螺母与第一风门421和第二风门422连接，丝杠转动时可驱动螺母带动第一风门421和第二风门422移动；在另一个可选实施例中，风门还可以由曲柄滑块机构驱动，曲柄连杆机构的曲柄可由电动机等动力驱动转动，滑块与第一风门421和第二风门422连接，当电动机带动曲柄转动时，连杆可驱动滑块直线移动，从而驱动第一风门421和第二风门422移动。在另一个可选实施例中，第一风门421和第二风门422可由气缸或液压缸驱动，气缸或液压缸的活塞杆连接第一风门421和第二风门422，可驱动第一风门421和第二风门422往复移动。

可以理解的是，当叶片为实心结构体时，在主体部340的位于导流通道322的侧壁向远离该侧壁的方向凹陷形成所述容置槽323也是可以的，此时与容置槽323的开口相对的侧壁上通过卷扬机411、卷扬机412、弹簧413和弹簧414固定第一风门421和第二风门422即可，无需额外的腹板设置。

进一步的，后缘部320上还设置有气流通道321，该气流通道321；由后缘部320的后缘端面延伸向导流通道322，能将导流通道322内部的气流导向后缘部320的后缘端面外。气流通道321被构造为当单独关闭第一风门421或第二风门422时，气流通道321仍能与导流通道322保持连通。如在本实施例中，第一风门421和第二风门422的接合面与气流通道321的与叶片宽度方向平行的中心面位于同一个平面上，且第一风门421和第二风门422与气流通道321接触的边均设有例如倒角的让位部(图未示)，因此当第一风门421或第二风门422完全进入导流通道322时不会将气流通道321与导流通道322的连通口封闭。在另一个可选实施例中，气流通道321与导流通道322的连通口处设置倒角，同样能够达到上述效果。

本发明提供的叶片，可用于风力发电设备中，或固定翼飞机中，通过对叶片表面局部升力的调整可以获得更优的动力提取效果。

为了进一步说明本发明的构思和技术效果，以下结合图4-10描述风门组件400的工作方式和工作过程。以下各图均省去了卷扬机和弹簧，仅重点示出了风门组件400相对于导流通道322的位置及对应的气流状况。

图4-6示出了第一风门421和第二风门422同时动作时叶片后缘部320的吸力面和压力面的气流状况。其中，图4为图3所示叶片中第一风门421和第二风门422均打开时的结构示意图，图5为图3所示叶片中第一风门421和第二风门422均半开时的结构示意图，图6为图3所示叶片中第一风门421和第二风门422均关闭时的结构示意图。

如图4所示，第一风门421和第二风门422均缩回在容置槽323内，导流通道322的过流截面积最大。此时，叶片吸力面一侧的部分气流可以由导流通道322在该侧的开口进入并穿过气流通道321；同时，叶片压力面一侧的部分气流也可以由导流通道322在该侧的开口进入并穿过气流通道321。由于气流通道322和气流通道321改变了叶片后缘部320的气流状况，因此可以微调该设有风门组件400的叶片部段的升力和气动载荷。应当理解，气流通道321并不是必须的结构，当后缘部不设有气流通道321时，叶片吸力面或压力面一侧的气流仍然可以通过导流通道322改变路径，从而改变气流对叶片的升力和载荷。

如图5所示，第一风门421和第二风门422均有一部分进入导流通道322内，导流通道322的过流截面积减小。此时，叶片吸力面一侧的部分气流仍可以由导流通道322在该侧的开口进入并穿过气流通道321；叶片压力面一侧的部分气流也仍可以由导流通道322在该侧的开口进入并穿过气流通道321，但相对于图4所示的状况，由叶片吸力面和压力面穿过气流通道321的空气来流均减小。

如图6所示，导流通道322的过流截面被第一风门421和第二风门422完全封闭，经过叶片吸力面和压力面表面的气流均无法进入和通过导流通道322及气流通道321。

图7-10示出了第一风门421和第二风门422单独动作时叶片后缘部320吸力面和压力面表面的气流状况。其中，图7为图3所示叶片中第一风门421半开、第二风门422全开时的结构示意图，图8为图3所示叶片中第一风门421关闭、第二风门422半开时的结构示意图，图9为图3所示叶片中第一风门421全开、第二风门422半开时的结构示意图，图10为图3所示叶片中第一风门421半开、第二风门422关闭时的结构示意图。

如图7所示，第二风门422缩回在容置槽323内，第一风门421的一端部分伸入至导流通道322内。此时，导流通道322靠近叶片压力面的一端具有最大的过流截面积，导流通道322靠近叶片吸力面的一端具有较小的过流截面积。此时，叶片压力面一侧的部分气流可以由导流通道322进入并穿过气流通道321，另一部分气流可以穿过导流通道322并从叶片的吸力面表面流过。

如图8所示，第二风门422缩回在容置槽323内，第一风门421的一端伸入至导流通道322内，并将导流通道322靠近叶片吸力面的一端的过流截面封闭。此时，仅导流通道322靠近叶片压力面的一端具有部分过流截面积，叶片压力面一侧的部分气流可以由导流通道322进入并穿过气流通道321。

如图9所示，第一风门421缩回在容置槽323内，第二风门422的一端部分伸入至导流通道322内。此时，导流通道322靠近叶片吸力面的一端具有最大的过流截面积，导流通道322靠近叶片压力面的一端具有较小的过流截面积。此时，叶片吸力面一侧的部分气流可以由导流通道322进入并穿过气流通道321，另一部分气流可以穿过导流通道322并从叶片的压力面表面流过。

如图10所示，第一风门421缩回在容置槽323内，第二风门422的一端伸入至导流通道322内，并将导流通道322靠近叶片压力面的一端的过流截面封闭。此时，仅导流通道322靠近叶片吸力面的一端具有部分过流截面积，叶片吸力面一侧的部分气流可以由导流通道322进入并穿过气流通道321。

本发明可以通过分别控制第一风门421和第二风门422改变导流通道322不同位置处的过流截面积，能够实现多种气流控制方式，使得叶片局部升力和载荷的控制方法灵活多样。

另外，通过气流通道321与导流通道322连通，进一步增加了气流的流通通道，配合第一风门421和第二风门422的开闭，进一步增强了叶片升力和载荷的控制能力。

本发明还提供了一种风力发电机叶轮，包括轮毂及连接在轮毂上的叶片，其中，至少有一个叶片为上述任意一个实施例中描述的叶片。在一个可选实施例中，轮毂上的三个叶片均可以为上述任意一个实施例中描述的叶片。

本发明还提供了一种风力发电机组，包括塔架和安装于塔架上叶轮。其中，该风力发电机组的叶轮为前述实施例中的风力发电机叶轮。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种叶片，包括用于与叶轮轮毂连接的叶根段(100)和用于获得空气动力的翼展段(300)，所述翼展段(300)在宽度方向上包括前缘部(310)、主体部(340)和后缘部(320)，其特征在于，

所述后缘部(320)设置有一个或多个在所述叶片厚度方向上贯通的导流通道(322)；

所述叶片内部设置有与所述导流通道(322)连通的容置槽(323)；

所述容置槽(323)内设置有可延伸至所述导流通道(322)并改变所述导流通道(322)过流截面积的风门组件(400)。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述风门组件(400)包括相互独立运动的第一风门(421)和第二风门(421)，所述第一风门(421)和第二风门(421)在所述叶片的厚度方向上层叠设置。

3.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，

所述容置槽(323)设置有滑道，所述滑道延伸至所述导流通道(322)；

所述第一风门(421)和所述第二风门(422)容纳于所述容置槽(323)内并可移动地设置在所述滑道上。

4.根据权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述容置槽(323)位于所述主体部(340)，所述滑道沿所述叶片的宽度方向延伸。

5.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述风门组件(400)还包括驱动机构，所述驱动机构与控制系统电连接，所述驱动机构设置在所述叶片内部并用于驱动所述第一风门(421)和所述第二风门(422)移动。

6.根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述驱动机构包括第一驱动机构(411)和第二驱动机构(412)，所述第一驱动机构(411)用于驱动所述第一风门(421)，所述第二驱动机构(412)用于驱动所述第二风门(422)。

7.根据权利要求6所述的叶片，其特征在于，所述第一驱动机构和/或第二驱动机构为卷扬装置。

8.根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述翼展段(300)内部固定有腹板(330)，所述腹板(330)沿所述叶片长度方向延伸，所述腹板(330)用于固定所述驱动机构。

9.根据权利要求1-8任一项所述的叶片，其特征在于，所述翼展段(300)的所述后缘部(320)为独立组件，所述后缘部(320)与所述主体部(340)之间为可拆卸式连接。

10.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述后缘部(320)还设置有平行于所述导流通道(322)横截面的气流通道(321)，所述气流通道(321)由所述导流通道(322)的中部向所述后缘部(320)末端延伸并贯穿所述后缘部(320)。

11.根据权利要求10所述的叶片，其特征在于，所述气流通道(321)被构造为当单独关闭第一风门(421)或第二风门(422)时与所述导流通道(322)保持连通。

12.一种风力发电机叶轮，包括轮毂和至少一个叶片，至少一个所述叶片连接于所述轮毂上，其特征在于，所述至少一个叶片包括权利要求1-11中任意一项所述的叶片。

13.一种风力发电机组，包括塔架与安装于所述塔架上的如权利要求12所述的叶轮。