CN108087193A - 叶片、叶片增效系统及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片、叶片增效系统及风力发电机组，所述叶片增效系统包括：引流管，至少预埋在叶片的吸力面和压力面中的吸力面上并处于所述叶片的主梁的靠近所述叶片的后缘的一侧，且开设有多个气口而与外界连通；气泵，与所述引流管连接；控制器，至少基于风速和当前来流攻角来控制所述气泵通过所述引流管进行吸气或喷气。通过该叶片增效系统，能够在不改变叶片的结构和气动性能的基础上，对叶片表面上的气流进行干预，避免失速现象的发生。

Description

叶片、叶片增效系统及风力发电机组

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体地说，本发明涉及一种具有失速防护结构的叶片、叶片增效系统及具有该叶片增效系统的风力发电机组。

背景技术

在风力发电机组运行时，若气流相对叶片的攻角过大，会在叶片后缘出现气流分离的现象，也称失速，这时流过叶片表面的气流由层流变为紊流。当发生失速时，叶片上的升力迅速下降且阻力迅速增高，因此在叶片正常工作状态下，要尽可能避免叶片出现失速。

为了避免失速，通常的做法是降低两侧的压力差，在叶片后缘开口并直接把迎风面的气流引导背风面来减小两侧的压力差就是目前比较直接的一种解决方法。还有在叶片表面开孔并设置吸气装置而把将要分离的气流重新吸附到叶片表面，从而实现减缓后缘气流分离。这种方式虽然可以减缓失速，但是开孔会破坏叶片结构的完整性，后缘又是提供摆振刚度的主要部件区域，因此比较难实现。

还有一类方法是从叶根区域开孔引气和排气。此种方法虽然在一定程度上可以改善叶根以及叶尖的气动性能，但是叶根在不同工况受拉压弯扭等多种载荷，受载较大且复杂，开孔不利于结构完整性。此外，叶尖和叶根都不是产生升力的主要区域，因此在这样的区域开孔效果有限。还有在叶片表面上增设射流孔和导流板的方法，然而导流板除了起到导流的作用，不同的安装角度和安装位置会对叶片载荷带来不同的影响，且导流板类似涡流发生器的结构，会在气流场内引入新的涡流，使用前都需对其效果进行测试明确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有失速防护结构的叶片、叶片增效系统以及具有该叶片增效系统的风力发电机组，以在不改变叶片的结构和气动性能的基础上，对叶片表面上的气流进行干预，提高发电功率。

本发明的另一目的在于提供一种风力发电机组。

为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种用于风力发电机组的叶片，所述叶片包括在叶根和叶尖之间延伸的吸力面和压力面，所述叶片还包括与风力发电机组的轮毂内部空间连通的引流管，所述引流管至少预埋在所述吸力面和压力面中的吸力面上并处于所述叶片的主梁的靠近所述叶片的后缘的一侧，且在所述叶片的表面和所述引流管上开设有沿叶片展向分布的多个气口而使所述引流管与外界连通。

可选地，所述引流管到所述主梁的距离是从所述主梁到所述叶片的后缘的距离的1/3至2/3。

可选地，所述引流管从所述叶片的叶根连续地延伸到所述叶片的叶尖，或者在所述叶根和所述叶尖之间的区域内分段地设置。

可选地，所述引流管在所述叶片的弦向上设置有多排。

可选地，所述引流管被预埋在形成在所述叶片的表面上的凹坑内，并被补强布层覆盖。

可选地，所述气口相对于所述叶片的表面成角度地朝向所述后缘倾斜，且倾斜的角度为10°至30°。

根据本发明的另一方面，还提供了一种叶片增效系统，所述叶片增效系统包括：上述引流管；气泵，与所述引流管连接；控制器，至少基于风速和当前来流攻角来控制所述气泵通过所述引流管从所述叶片的表面吸气或从所述叶片的表面向外喷气。

可选地，被预埋在所述叶片的同一个表面上的引流管包括均连接到同一个气泵的用于吸气的多个引流管和用于喷气的多个引流管。

可选地，在所述引流管被预埋在所述吸力面上时，所述控制器执行以下操作：在风速低于第一阈值且当前来流攻角超过第一临界值时，控制所述气泵以第一功率通过所述引流管进行吸气；在风速高于第二阈值且当前来流攻角超过第二临界值时，控制所述气泵以第二功率通过所述引流管进行喷气；在风速达到切出速度时，控制所述气泵以第三功率通过所述引流管进行喷气。

可选地，所述叶片增效系统还包括用于感测叶片振动的振动传感器，所述控制器在所述振动传感器的振动信号达到警戒值时，控制所述气泵以第四功率通过所述引流管进行喷气。

可选地，所述第一功率随着风速减小而增大，所述第二功率随着所述风速增大而增大。

可选地，所述引流管包括分别被预埋在所述吸力面和压力面上的第一引流管和第二引流管，所述气泵包括分别与所述第一引流管和第二引流管连接的第一气泵和第二气泵，其中，所述控制器执行以下操作：在风速低于第一阈值且当前来流攻角超过第一临界值时，控制所述第一气泵以第四功率通过所述第一引流管进行吸气，并控制所述第二气泵以第五功率通过所述第二引流管进行喷气；在风速高于第二阈值且当前来流攻角超过第二临界值时，控制所述第一气泵以第六功率通过所述第一引流管进行喷气，并控制所述第二气泵以第七功率通过所述第二引流管进行吸气；在风速达到切出速度时，控制所述第一气泵以第八功率通过所述第一引流管进行喷气，并控制所述第二气泵以第九功率通过所述第二引流管进行吸气。

根据本发明的另一方面，还提供了一种风力发电机组，该风力发电机组包括上述叶片增效系统。

本发明所提供的叶片增效系统，通过在叶片表面预埋引流管的方式，不破坏叶片的整体性结构且不影响叶片的气动性能，同时可通过气泵对叶片表面的气流进行影响和干预。通过在不同工况下进行吸气和喷气，可有效地降低叶片的吸力面和压力面之间的压差，从而可防止吸力面上的气流分离，提高发电量，并且可在风速过高时降低机组和叶片的载荷，保护机组免受损坏，增加机组极限风速下生存能力。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的叶片增效系统的示意图；

图2是根据本发明的实施例的引流管的安装位置的示意图；

图3是图2中的A部分的局部放大图。

附图标记说明：

1：气泵，2：引流管，21：气口，3：控制器，4：振动传感器，5：叶片，51：吸力面，52：压力面，53：主梁，54：后缘，6：壳体芯材，7：玻纤布层，8：粘接胶，9：轮毂。

具体实施方式

为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

参照图1至图3，其中，图1是根据本发明的实施例的叶片增效系统的示意图，图2是根据本发明的实施例的引流管的安装位置的示意图；图3是图2中的A部分的局部放大图。

根据本发明的实施例，提供了一种叶片5，该叶片5具有吸力面51和压力面52，并且至少在吸力面51和压力面52中的吸力面51上设置有引流管2。引流管2可至少预埋在叶片的吸力面51上，即，引流管2可以仅预埋在吸力面51上，也可以预埋在吸力面51和压力面52两者上。另外，在引流管2和叶片表面上还开设有沿叶片展向分布的多个气口21，从而使引流管2与外界空气连通。引流管2的端部，例如靠近叶根的一端可连通到风力发电机组的轮毂9内部，以便从轮毂9内抽吸空气而喷射到叶片表面上，或者将叶片表面上的空气吸收而输送到轮毂9内部，从而调节该叶片表面上的压强。

具体地说，引流管2可在叶片5的表面上预埋在主梁53的靠近后缘54的一侧。引流管2到主梁53之间的距离可以在从主梁53到叶片5的后缘54之间的距离的1/3至2/3的范围内。例如，可以预埋距主梁53约10cm的位置处。

引流管2在叶片5的表面上可以连续地设置，也可以分段地设置。例如，引流管2可仅设置一条，沿叶片展向从叶片5的叶根连续地延伸到叶尖，或者在叶根到叶尖的区域内作为分隔开的若干段设置。优选地，引流管2可以主要预埋在叶片5的需要进行气流干预的区段内。

另外，在叶片弦向上，可设置多排沿叶片展向延伸的引流管2，这些引流管2距主梁53的距离不同，有助于扩大对叶片表面的气流的干预效果。当然，也可以仅设置一排引流管2。

在进行预埋引流管2时，可预先在叶片设计时便在叶片表面上预留出凹坑，以便进行后续预埋。之后，在成型叶片期间，可在叶片脱模之后，在凹坑处的壳体芯材6上手工铺设好引流管2，再用粘接胶8将引流管2固定在该位置，最后在引流管2上覆盖一层玻纤布层7。通过这种预埋的方式，可以不改变叶片气动外形，并且预埋工艺简单，易于执行，且成本较低。

当然，在预埋引流管2时，应该预留出所有的气口21，以便引流管2与外界连通。在一个实施例中，引流管2可由钢管或其他任何材质的管形成。

气口21可以在叶片表面上均匀地分布，也可按照不同的间隔分布，例如，在靠近叶根和叶尖的区域中，气口21可间隔得大些，而在叶片5沿展向的中间区域处可间隔得近一些，以提高该区域的吸气或喷气的总流量。

根据本发明的另一实施例，还提供了一种叶片增效系统，以改变叶片表面上的气流，调整叶片5的吸力面51和压力面52上的压差。该叶片增效系统可包括上述引流管2、与引流管2连接的气泵1和控制器3。

气泵1可安装在风力发电机组的轮毂9内，具体可通过导管连接到预埋在叶片5的表面上的引流管2。在工作时，气泵1可将轮毂9内的空气输送到引流管2中从而通过引流管2朝向叶片表面喷气，或者可通过引流管2从叶片表面吸气并将气体排出到轮毂9内，然后气体可从机舱的气窗或者经由机舱散热循环系统排出。气泵1可以是多功率气泵，其吸气量和喷气量可根据运行工况不同进行调节。

在一个实施例中，对于同一个引流管2，可在气泵1的作用下，执行吸气和喷气的操作。在这种情况下，气口21相对于叶片5的表面可成一定角度并且可朝向后缘54倾斜，从而从气口21喷出的气流可以随外界气流一起顺着叶片表面流动，防止两股气流发生冲突。例如，气口21相对于叶片表面的倾斜角度可以为10°至30°。

在另一个实施例中，对于预埋在叶片5的同一个表面(例如，对于预埋在吸力面51)上的引流管2，可被设置成其中一些引流管专门执行吸气操作，另外一些引流管专门执行喷气操作。对于仅执行吸气操作的引流管，其气口可任意形成，而对于仅执行喷气操作的引流管，其气口可以按照如上所述的倾斜角度来设置，以避免从气口喷出的气流与外界气流冲突。

除此以外，叶片增效系统还可包括多个传感器或感测单元，用来测量风力发电机组当前的转速、风速、风向、当前桨距角以及叶片振动频率和幅值等多种参数。在一个实施例中，用于感测叶片振动状况的振动传感器4可安装在叶片内表面上。

控制器3可从这些传感器或感测单元接收到指示外界环境和风力发电机组自身参数的各种信号，并对这些信号进行处理，计算出叶片的当前来流攻角，或者判断是否出现极限运行状况或者大载荷状况。控制器3可至少基于风速和当前来流攻角而计算出最佳的操控策略，并产生相应的命令信号而发送到气泵1，以控制气泵1的运行，是通过引流管2吸气还是喷气、气流速率以及运行时的功率大小。引流管2将气泵1的作用沿着叶片展向分散开，从而对整个叶片表面上的气流产生干预。

下面对叶片增效系统的控制和操作进行具体描述。

首先针对引流管2仅预埋在叶片5的吸力面51上的情况进行具体描述。

通常，对于低风速工况，若在风速低于第一阈值并且当前来流攻角超过第一临界值(其中，在风速为第一阈值且来流攻角为该第一临界值时开始在叶片表面上出现气流分离)时，那么在叶片表面或者后缘处存在气流分离，这种情况可称为失速。也就是说，在风速逐渐降低至接近该第一阈值时，气流分离开始出现。随着风速越低，气流分离现象越严重，这势必会导致风力发电机组的发电量减小。

在一个实施例中，在风力发电机组实际控制期间，在叶片桨距角为与第一临界值相对应的角度时，例如，7°至8°，第一阈值是8m/s时，在叶片表面上出现气流分离。

为此，控制器3可根据所接收到的关于风速和当前来流攻角的信号计算出合适的控制策略来控制气泵1以第一功率通过引流管2进行吸气，从而使得吸力面51上的气流能够顺着叶片表面流过后缘54，防止气流分离，进而可降低吸力面51附近的压力，提高叶片5的总升力，达到在低风速下提高发电功率的效果。

在上述控制过程中，气泵1的第一功率的大小可取决于风速和来流攻角，风速越低且来流攻角越大时，气流分离现象越严重，所需要的吸气速率和吸气量越大，因此第一功率值越大。

对于高风速工况，若在风速高于第二阈值并且当前来流攻角超过第二临界值(其中，在风速为第二阈值且来流攻角为该第二临界值时开始在叶片表面上出现气流分离)时，那么在叶片表面或者后缘处存在气流分离。随着风速越高，气流分离现象越严重。

在一个实施例中，在风力发电机组实际控制期间，在叶片桨距角为与第二临界值相对应的角度时，例如，5°至6°，第一阈值是15m/s时，在叶片表面上出现气流分离。

在这种情况下，控制器3可基于风速和当前来流攻角计算出合适的控制策略来控制气泵1以第二功率通过引流管2进行喷气，为叶片表面尤其是后缘处注入新的气流，相当于引入额外的涡流，从而使得吸力面51附近的压力增大，减小吸力面51和压力面52之间的压差，防止叶片因压差过大而出现气流分离。

在上述控制过程中，气泵1的第二功率的大小也可取决于风速和来流攻角，风速越高且来流攻角越大时，气流分离现象越严重，所需要的喷气速率和喷气量越大，因此第二功率值越大，直到达到叶片的切出速度。

在外界风速达到切出速度而叶片处于停机状态时，风力发电机组在当前的桨距角下承受的风载过大，控制器3基于当前的风速计算出合适的控制策略来控制气泵1以第三功率通过引流管2进行喷气，从而降低叶片5的吸力面51和压力面52之间的压差，从而减小叶片和机组承受的载荷，减小极限工况下风速对叶片5和机组的损伤，延长机组使用寿命，降低故障率。

另外，在振动传感器4检测到的叶片5的振动超出警戒值时，这说明叶片5当前受到的载荷过高，控制器3也会控制气泵1以第四功率通过引流管2进行喷气，降低叶片5的吸力面51和压力面52之间的压差，保护叶片和机组免受过高载荷影响。

接下来对引流管2预埋在吸力面51和压力面52两者上的情况进行描述。

为了便于描述，引流管2可分成或者包括预埋在吸力面51上的第一引流管和预埋在压力面52上的第二引流管。气泵1同样可分成或者包括与第一引流管连接的第一气泵和与第二引流管连接的第二气泵。也就是说，对于位于吸力面51上的所有引流管可以共用第一气泵，而对于压力面上的所有引流管可共用第二气泵。

类似地，在低风速下，当风速低于第一阈值且当前来流攻角超过第一临界值时，控制器3可控制第一气泵以第四功率通过第一引流管在吸力面51上进行吸气，以减小吸力面51上的压力，并控制第二气泵以第五功率通过第二引流管在压力面52上进行喷气，以增大压力面52上的压力，进而提高两个表面之间的压差，防止气流分离，并增大发电量。同样，第四功率和/或第五功率可随着风速减小而增大，以尽可能地提高叶片表面之间的压差。

在高风速下，当风速高于第二阈值且当前来流攻角超过第二临界值时，控制器3控制所述第一气泵以第六功率通过第一引流管进行喷气，并控制第二气泵以第七功率通过第二引流管进行吸气，从而降低叶片表面之间的压差，防止气流分离。同样，第六功率和/或第七功率可随着风速增大而增大，以减小叶片表面之间的压差，防止气流分离。

在风速达到切出速度时或者在振动传感器感测到叶片振动超出警戒值时，控制器3控制第一气泵以第八功率通过第一引流管进行喷气，并控制第二气泵以第九功率通过第二引流管进行吸气，从而降低叶片表面之间的压差，减小叶片和机组承受的载荷。

需要说明的是，在上述控制过程中，主要依赖于预埋在吸力面51上的引流管和与其连接的气泵执行相应的功能。

本发明所提供的叶片增效系统适应于常规式叶片和分段式叶片等各种形式的叶片。

通过上述叶片增效系统，可至少取得以下有益效果：可以通过风速和风机的转速判断来流攻角，控制气泵供应不同流量的气流，从而可适用更多的运行工况；通过叶片表面预埋引流管的方式，不会破坏叶片的整体性结构，无需对现有结构做大的改动，可以保证叶片强度且不影响叶片气动性能；叶片增效系统的控制、结构和工艺简单，成本低，易于实现；通过在叶片表面进行气流干预，延缓了气流分离，可以改善机组发电功率；可在风速过高时降低叶片和机组承受的载荷，具有保护整机的功能，并可增加机组在极限风速下生存能力；可在极限工况下有效降低整机载荷，从而降低异常工况下对叶片和其他结构的损伤，进而降低故障率，节省维护费用。

另外，根据本发明的实施例，还提供了一种风力发电机组，还风力发电机组可设置有上述叶片增效系统，可取得类似的效果。

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种用于风力发电机组的叶片(5)，所述叶片(5)包括在叶根和叶尖之间延伸的吸力面(51)和压力面(52)，其特征在于，所述叶片(5)还包括与风力发电机组的轮毂内部空间连通的引流管(2)，所述引流管(2)至少预埋在所述吸力面(51)和压力面(52)中的吸力面(51)上并处于所述叶片(5)的主梁(53)的靠近所述叶片的后缘(54)的一侧，且在所述叶片(5)的表面和所述引流管(2)上开设有沿叶片展向分布的多个气口(21)而使所述引流管(2)与外界连通。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述引流管(2)到所述主梁(53)的距离是从所述主梁(53)到所述后缘(54)的距离的1/3至2/3。

3.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述引流管(2)从所述叶片(5)的叶根连续地延伸到所述叶片(5)的叶尖，或者在所述叶根和所述叶尖之间的区域内分段地设置。

4.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述引流管(2)在所述叶片(5)的弦向上设置有多排。

5.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述引流管(2)被预埋在形成在所述叶片(5)的表面上的凹坑内，并被补强布层覆盖。

6.根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述气口(21)相对于所述叶片(5)的表面成角度地朝向所述后缘(54)倾斜，且倾斜的角度为10°至30°。

7.一种叶片增效系统，其特征在于，所述叶片增效系统包括：

如权利要求1至6中任一项所述的引流管(2)；

气泵(1)，与所述引流管(2)连接；

控制器(3)，至少基于风速和当前来流攻角来控制所述气泵(1)通过所述引流管(2)从所述叶片的表面吸气或从所述叶片的表面向外喷气。

8.根据权利要求7所述的叶片增效系统，其特征在于，被预埋在所述叶片(5)的同一个表面上的引流管(2)包括均连接到同一个气泵(1)的用于吸气的多个引流管(2)和用于喷气的多个引流管(2)。

9.根据权利要求7所述的叶片增效系统，其特征在于，在所述引流管(2)被预埋在所述吸力面(51)上的情况下，所述控制器(3)执行以下操作：

在风速低于第一阈值且当前来流攻角超过第一临界值时，控制所述气泵(1)以第一功率通过所述引流管(2)进行吸气；

在风速高于第二阈值且当前来流攻角超过第二临界值时，控制所述气泵(1)以第二功率通过所述引流管(2)进行喷气；

在风速达到切出速度时，控制所述气泵(1)以第三功率通过所述引流管(2)进行喷气。

10.根据权利要求9所述的叶片增效系统，其特征在于，所述叶片增效系统还包括用于感测叶片振动的振动传感器(4)，所述控制器在所述振动传感器(4)的振动信号达到警戒值时，控制所述气泵(1)以第四功率通过所述引流管(2)进行喷气。

11.根据权利要求9所述的叶片增效系统，其特征在于，所述第一功率随着风速减小而增大，所述第二功率随着所述风速增大而增大。

12.根据权利要求7所述的叶片增效系统，其特征在于，所述引流管(2)包括分别被预埋在所述吸力面(51)和压力面(52)上的第一引流管和第二引流管，所述气泵(1)包括分别与所述第一引流管和第二引流管连接的第一气泵和第二气泵，

其中，所述控制器(3)执行以下操作：

在风速低于第一阈值且当前来流攻角超过第一临界值时，控制所述第一气泵以第四功率通过所述第一引流管进行吸气，并控制所述第二气泵以第五功率通过所述第二引流管进行喷气；

在风速高于第二阈值且当前来流攻角超过第二临界值时，控制所述第一气泵以第六功率通过所述第一引流管进行喷气，并控制所述第二气泵以第七功率通过所述第二引流管进行吸气；

在风速达到切出速度时，控制所述第一气泵以第八功率通过所述第一引流管进行喷气，并控制所述第二气泵以第九功率通过所述第二引流管进行吸气。

13.一种风力发电机组，其特征在于，包括如权利要求7至12中任一项所述的叶片增效系统。