CN114729620A

CN114729620A - 风力涡轮机叶片流调节

Info

Publication number: CN114729620A
Application number: CN202080083725.5A
Authority: CN
Inventors: K·布赫-洛伦森
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2022-07-08
Also published as: WO2021110516A1; EP4042014A1; US20220403816A1; EP3832127A1

Abstract

公开了一种风力涡轮机（10），其包括：‑压力供应系统（52），其用于提供加压流体，以便使叶片上的空气动力装置（30）在第一突出构造和第二缩回构造之间操作，所述压力供应系统（52）包括压力管线（54）和吸力管线（55）以及用于将所述压力管线（54）和所述吸力管线（55）连接到所述空气动力装置（30）的至少一个分配阀（60）。所述分配阀（60）包括：‑端口（65），其与所述空气动力装置（30）连接，以用于将所述加压流体发送到所述空气动力装置（30）以及从所述空气动力装置（30）接收所述加压流体，‑与所述压力管线（54）连接的第一腔（61）和与所述吸力管线（55）连接的第二腔（62），所述第一腔（61）和所述第二腔（62）能够连接到所述端口（65），‑分配元件（70），其具有连接到第一和第二腔（61、62）以及端口（65）的通道（71）。

Description

风力涡轮机叶片流调节

技术领域

本发明涉及一种包括在压力供应系统中的气动分配装置，该气动分配装置用于操作用于控制风力涡轮机的叶片的表面上的流的流调节装置。

背景技术

风力涡轮机转子叶片可在其表面上安装有流调节装置，其从风力涡轮机的转子叶片的前缘流动到后缘。这样的流调节装置的一个示例是安装在风力涡轮机转子叶片的吸力侧上的涡流发生器（VG）。通常，流调节装置可被认为包括能够提高翼型部段的升力系数的装置，例如，这是通过增加转子叶片的边界层的能量水平。

其他空气动力装置可与涡流发生器协同作用，并且可根据扰流器的状态来影响涡流发生器的效果。后面的空气动力装置的示例通常是扰流器，其在叶片的吸力侧上安装在后缘和涡流发生器之间。可替代地，扰流器可单独存在，即不与涡流发生器或其他流调节装置组合。扰流器可被构造成使得其形状和/或定向可被调节，例如通过气动或液压或机械致动器来调节。该扰流器可与涡流发生器协同作用，并且可根据扰流器的状态来影响涡流发生器的效果，所述状态即扰流器从转子叶片的其他表面部分延伸或相对于转子叶片的其他表面部分倾斜的突出高度和/或倾斜角。

EP 1 623 111公开了一种风力涡轮机叶片，其包括：可调整的升力调节装置，其布置在风力涡轮机叶片的表面上或表面处，并且沿叶片的纵向方向延伸；以及激活装置，通过其可调整该升力调节装置，并且因此改变叶片的空气动力学特性。该升力调节装置包括一个或多个柔性襟翼。

EP 2 321 528公开了一种风力涡轮机叶片，其包括叶片主体和用于修改该叶片的空气动力学表面或形状的装置，其中，气动致动器控制该装置的位置和/或移动，其中，存在位于该叶片主体内的压力腔室。该压力腔室可被加压，从而改变该装置的状态，由此修改叶片的空气动力学表面或形状。

WO 2018/041420公开了一种转子叶片，其包括用于影响从转子叶片的前缘部段流动到转子叶片的后缘部段的气流的空气动力装置，其中，该空气动力装置安装在转子叶片的表面处，并且包括气动或液压致动器，例如软管或腔，该致动器的体积取决于该气动或液压致动器内部存在的流体的压力。

期望具有以高效率为特征、特别是具有短响应时间的扰流器或其他流调节空气动力装置。

发明内容

该需要可通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求来描述。

根据本发明的第一方面，提供了一种风力涡轮机，其包括：

- 至少一个转子叶片，其包括空气动力装置，所述空气动力装置用于影响从所述转子叶片的前缘部段流动到所述转子叶片的后缘部段的气流，其中，所述空气动力装置被安装在所述转子叶片的表面处，

- 压力供应系统，其用于提供加压流体，以便使所述空气动力装置在第一突出构造和第二缩回构造之间操作，所述压力供应系统包括压力管线和吸力管线以及用于将所述压力管线和所述吸力管线连接到所述空气动力装置的至少一个分配阀。所述分配阀包括：

- 端口，其与所述空气动力装置连接，以用于将所述加压流体发送到所述空气动力装置以及从所述空气动力装置接收所述加压流体，

- 与所述压力管线连接的第一腔和与所述吸力管线连接的第二腔，所述第一腔和所述第二腔相应地具有可连接到所述端口的第一开口和第二开口，

- 分配元件，其具有连接到所述端口的通道，所述分配元件可在第一操作位置和第二操作位置之间移动，在所述第一操作位置，所述通道通过所述第一开口与所述第一腔连通，在所述第二操作位置，所述通道通过所述第二开口与所述第二腔连通。

压力供应系统的上述布置结构允许实现在使空气动力装置在第一突出构造和第二缩回构造之间操作中的短响应时间，通过方便地设置所述腔、端口和开口的尺寸，可使得能够实现加压流体通过分配阀的大流率。

根据本发明的实施例，所述分配元件包括连接到所述端口的第三腔，所述第三腔具有第三开口，所述第三开口当所述分配元件处于所述第一操作位置时与所述第一开口连通，或者当所述分配元件处于所述第二操作位置时与所述第二开口连通。

根据本发明的其他实施例，所述分配元件被置于所述第一腔和所述第二腔之间。所述分配元件可在所述第一操作位置和所述第二操作位置之间旋转。

根据本发明的另外的实施例，所述第一腔和所述第二腔为设置在所述分配阀的阀体中的通孔。所述第一腔和所述第二腔可彼此平行。所述分配元件可绕相对于所述第一腔的第一轴线或所述第二腔的第二轴线倾斜的操作轴线旋转。

根据本发明的实施例，所述压力供应系统包括多个分配阀，所述多个分配阀具有：多个相应的第一腔，它们连接到彼此，以形成连接到所述压力管线的压力通道；以及多个相应的第二腔，它们连接到彼此，以形成连接到所述吸力管线的吸力通道。

有利地，所述分配阀的阀体中的贯通腔使得易于将期望数量的阀组装到具有共同的压力和吸力管线的阀歧管中。

根据本发明的实施例，所述分配阀包括串联连接的两个步进马达，以用于使所述分配元件在所述第一操作位置和所述第二操作位置之间操作。所述两个步进马达在分配阀的分配元件的操作期间提供冗余。

本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。

附图说明

图1示出了风力涡轮机。

图2示出了包括空气动力装置的风力涡轮机的转子叶片。

图3和图4示出了图2的转子叶片的径向剖面图。

图5示出了包括在图1的风力涡轮机中的根据本发明的气动布置结构的部件。

图6示出了包括在图1的风力涡轮机中的根据本发明的气动布置结构的一部分。

具体实施方式

附图采用示意性的形式。相似或相同的元件由相同或不同的附图标记表示。

图1示出了用于发电的常规的风力涡轮机10。该风力涡轮机10包括塔架11，其在一端处安装在地面16上。在塔架11的相对端处安装有机舱12。机舱12通常相对于塔架11可旋转地安装，该塔架11被称为包括基本上垂直于地面16的偏摆轴线。机舱12通常容纳风力涡轮机的发电机和齿轮箱（如果该风力涡轮机是齿轮传动风力涡轮机）。此外，风力涡轮机10包括可绕转子轴线Y旋转的轮毂13。当未不同地指定时，下文中的术语“轴向”、“径向”以及“周向”是参考转子轴线Y作出。轮毂13通常被描述为是风力涡轮机转子的一部分，其中，该风力涡轮机转子能够绕转子轴线Y旋转，并将旋转能传递到发电机（未示出）。

风力涡轮机1还包括安装在轮毂13上的至少一个叶片20（在图1的实施例中，风力转子包括三个叶片20，其中仅两个叶片20可见）。叶片4相对于旋转轴线Y基本上径向地延伸。每个转子叶片20通常可枢转地安装到轮毂13，以便绕相应的变桨轴线X变桨。由于修改风撞击转子叶片20的方向的可能性，这改善了对风力涡轮机并且特别是对转子叶片的控制。每个转子叶片20在其根部部段21处安装到轮毂13。该根部部段21与转子叶片的末端部段22相对。

图2图示了转子叶片20，其包括呈受致动扰流器形式的空气动力装置30。在根部部段21和末端部段22之间，转子叶片20还包括用于产生升力的多个翼型部段。每个翼型部段包括吸力侧25和压力侧26。翼型部分的翼型形状由一个翼型轮廓来表现，该翼型轮廓在图2中示出，并且图示了转子叶片在该翼展向位置处的剖面形状。还要注意的是，吸力侧25通过弦线27与压力侧26分开或隔开，该弦线27将转子叶片20的前缘41与后缘31连接。

空气动力装置30被布置在前缘41和后缘31之间的吸力侧25上。图2中的空气动力装置30可借助于致动软管53来移动，该致动软管53在实践中可实现为不会显著改变其体积的管或管道。

该致动软管53包含在压力供应系统52中，由控制单元51控制并且由监测单元54监测。该压力供应系统52提供加压流体，例如加压空气或其他加压气体。在此背景下，术语“加压流体”不仅暗示正压，而且还暗示负压，其中，流体从空气动力装置30的致动软管53中被吸出（或“抽出”）。为了分别向致动软管53提供正压和负压，压力供应系统52相应地包括压力管线和吸力管线。最后，控制单元51负责在压力供应系统52处设置特定压力，该压力随后导致空气动力装置30处的某一预定压力。

在图2中所示的示例中，控制单元51、压力供应系统52和监测单元54位于转子叶片20的根部部段21中。根据本发明的其他实施例（附图中未示出），这些部分也可放置在风力涡轮机中的其他位置，例如放置在风力涡轮机10的轮毂13中。

转子叶片20附加地包括流调节单元40，其包括多对涡流发生器。流调节单元40在空气动力装置30和后缘31之间布置在叶片20的吸力侧25上。根据本发明的其他实施例（附图中未示出），流调节单元40在前缘41和空气动力装置30之间布置在叶片20的吸力侧25上。根据本发明的其他实施例（附图中未示出），不存在流调节单元40，并且仅使用空气动力装置30来调节叶片20的表面上的流。根据本发明的其他实施例（附图中未示出），叶片20包括多个空气动力装置30。

图3示出了处于第一突出构造的空气动力装置30。在该第一构造中，空气动力装置30使从转子叶片的前缘41流动到后缘31的气流42偏离。处于第一突出构造的空气动力装置30引起气流分离（stall）。这利用空气动力装置30下游的相对大的涡流43来可视化。所引起的气流分离的结果是转子叶片的升力减小，并且因此，转子叶片和风力涡轮机的相关部件的载荷减小。为了将空气动力装置30移入第一突出构造，压力供应系统52通过将致动软管53连接到压力管线来向致动软管53提供正压，如下文中进一步详述的。

图4示出了处于第二缩回构造、即向下朝向转子叶片20的表面移动的空气动力装置30。在该第二构造中，流经空气动力装置30的气流41保持附着到转子叶片20的表面，因此不会发生流分离，即气流分离（stall）。作为结果，转子叶片的升力增加。通过涡流发生器40在边界层中产生再激发涡流（re-energizing vortice）44，该再激发涡流44具有帮助增加升力的效果。结果，可实现最高的升力值。为了将空气动力装置30移入第二缩回构造，压力供应系统52通过将致动软管53连接到吸力管线来向致动软管53提供负压，如下文中进一步详述的。

图5示出了分配阀60，其用于将致动软管53交替地连接到压力管线54和吸力管线55（在图5中由三个相应的箭头示意性地表示）。当分配阀60将空气动力装置30连接到压力管线54时，空气动力装置30移入第一突出构造（图3）。当分配阀60将空气动力装置30连接到吸力管线55时，空气动力装置30移入第二缩回构造（图4）。在图5的实施例中，分配阀60具有三个端口和两个位置。分配阀60包括阀体68，其中设置三个端口60a、60b和65。第一端口60a被连接到压力管线54。第二端口60b被连接到吸力管线55。第三端口65被连接到致动软管53，以用于将加压流体从压力管线54发送到空气动力装置30（从而使空气动力装置30移动到第一突出构造），以及用于接收从空气动力装置30流向吸力管线55的加压流体（从而使空气动力装置30移动到第二突出构造）。分配阀60还包括通过第一端口60a与压力管线54连接的第一腔61以及通过第二端口60b与吸力管线55连接的第二腔62。该第一腔61和第二腔62相应地具有第一开口63和第二开口64。分配阀60还包括用于将第一开口63和第二开口64连接到第三端口65的分配元件70。该分配元件70具有通道71，其连接到端口65，并且可在通道71通过第一开口63与第一腔61连通的第一操作位置和通道71通过第二开口64与第二腔62连通的第二操作位置之间移动。在分配元件70的该第一操作位置，分配阀60将空气动力装置30连接到压力管线54。在分配元件70的该第二操作位置，分配阀60将空气动力装置30连接到吸力管线55。通道71包括在分配元件70的第一和第二操作位置两者都连接到端口65的第三腔73。该第三腔73具有第三开口74，该第三开口74在分配元件70处于第一操作位置时与第一开口63连通，并且在分配元件70处于第二操作位置时与第二开口64连通。通过方便地设置腔71、72、73、端口60a、60b、65以及开口63、64、74的尺寸，可使得能够实现加压流体通过分配阀的大流率，从而实现在使空气动力装置30在第一突出构造和第二缩回构造之间操作中的短响应时间。

第一腔61和第二腔62可在阀体68中设置为具有相应的第一轴线X1和第二轴线X2的两个相应的通孔。第一腔61和第二腔62的轴线X1、X2可彼此平行。分配元件70被置于第一腔61和第二腔62之间。分配元件70可在第一操作位置和第二操作位置之间旋转。分配元件70可绕相对于第一腔61的第一轴线X1和第二腔62的第二轴线X2倾斜的操作轴线X3旋转。该操作轴线X3可相对于由第一轴线X1和第二轴线X2确定的平面正交。该第一操作位置和第二操作位置可彼此以包含在90度和270度之间的角度成角度地隔开。该第一操作位置和第二操作位置可彼此以180度的角度成角度地隔开。分配元件70和第三腔73可以是圆柱形的并且与操作轴线X3同轴。根据本发明的其他实施例（未示出），分配元件可在第一操作位置和第二操作位置之间平移。分配阀60还包括两个步进马达69，它们与操作轴线X3同轴并且串联连接，以用于使分配元件70在第一操作位置和第二操作位置之间操作。该步进马达确保分配元件70可在第一操作位置和第二操作位置之间非常快速地转换。两个步进马达69的存在提供了方便的冗余水平。分配阀60还包括用于步进马达69的零点调整的感应传感器67。根据本发明的其他实施例（未示出），分配阀60具有气动激活或螺线管激活。

图6示出了多个分配阀60的布置结构，其具有：多个相应的第一腔61，它们连接到彼此，以形成连接到压力管线54的压力通道；以及多个相应的第二腔62，它们连接到彼此，以形成连接到吸力管线55的吸力通道。所有第一腔61沿相应的第一轴线X1对准。所有第二腔62沿相应的第二轴线X2对准。分配阀60的阀体68中的贯通腔61、62使得易于将期望数量的阀组装到具有共同的压力和吸力管线54、55的阀歧管中。每个空气动力装置30由相应的分配阀60操作。根据本发明的其他实施例（未示出），多个空气动力装置30由相应的共同分配阀60操作。在本发明的一个可能的实施例中，一个分配阀60可被用于同时操作每个叶片20的一个空气动力装置30，例如分别设置在三个叶片20上的三个襟翼的三个空气动力装置30。分配阀60可被放置在轮毂13中或叶片20内，例如放置在一个或多个叶片20的根部部段21中。在本发明的一个可能的实施例中，每个叶片20包括处于相应的多个位置处的多个空气动力装置30和相应的多个分配阀60，每个分配阀60被设置用于控制位于不同叶片20中的对应位置处的空气动力装置30。因此，风力涡轮机的转子平面可被分成沿叶片延伸并包括在叶片根部21和叶片末端20之间的多个部分，每个部分包括一个或多个空气动力装置30和一个分配阀60，该分配阀60被设置用于操作所有叶片的对应部分中的所有空气动力装置30，例如，一个分配阀60用于操作较靠近叶片根部21的所有部分中的所有空气动力装置30，以及一个分配阀60用于操作较靠近叶片末端22的所有部分中的所有空气动力装置30。

Claims

1.一种风力涡轮机（10），包括：

- 至少一个转子叶片（20），其包括空气动力装置（30），所述空气动力装置（30）用于影响从所述转子叶片（20）的前缘部段（24）流动到所述转子叶片（20）的后缘部段（23）的气流（61），其中，所述空气动力装置（30）被安装在所述转子叶片（20）的表面（28）处，

- 压力供应系统（52），其用于提供加压流体，以便使所述空气动力装置（30）在第一突出构造和第二缩回构造之间操作，所述压力供应系统（52）包括压力管线（54）和吸力管线（55）以及用于将所述压力管线（54）和所述吸力管线（55）连接到所述空气动力装置（30）的至少一个分配阀（60），

其中，所述分配阀（60）包括：

- 端口（65），其与所述空气动力装置（30）连接，以用于将所述加压流体发送到所述空气动力装置（30）以及从所述空气动力装置（30）接收所述加压流体，

- 与所述压力管线（54）连接的第一腔（61）和与所述吸力管线（55）连接的第二腔（62），所述第一腔（61）和所述第二腔（62）相应地具有能够连接到所述端口（65）的第一开口（63）和第二开口（64），

- 分配元件（70），其具有连接到所述端口（65）的通道（71），所述分配元件（70）能够在第一操作位置和第二操作位置之间移动，在所述第一操作位置，所述通道（71）通过所述第一开口（63）与所述第一腔（61）连通，在所述第二操作位置，所述通道（71）通过所述第二开口（64）与所述第二腔（62）连通。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机（10），其中，所述分配元件（70）包括连接到所述端口（65）的第三腔（73），所述第三腔（73）具有第三开口（74），所述第三开口（74）当所述分配元件（70）处于所述第一操作位置时与所述第一开口（63）连通，或者当所述分配元件（70）处于所述第二操作位置时与所述第二开口（64）连通。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机（10），其中，所述分配元件（70）被置于所述第一腔（61）和所述第二腔（62）之间。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机（10），其中，所述分配元件（70）能够在所述第一操作位置和所述第二操作位置之间旋转。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机（10），其中，所述第一腔（61）和所述第二腔（62）为设置在所述分配阀（60）的阀体中的通孔。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机（10），其中，所述第一腔（61）和所述第二腔（62）彼此平行。

7.根据权利要求5或6所述的风力涡轮机（10），其中，所述分配元件（70）能够绕相对于所述第一腔（61）的第一轴线（X1）或所述第二腔（62）的第二轴线（X2）倾斜的操作轴线（X3）旋转。

8.根据前述权利要求4至7中任一项所述的风力涡轮机（10），其中，所述第一操作位置和所述第二操作位置以包含在90度和270度之间的角度彼此隔开。

9.根据前述权利要求5至7中任一项所述的风力涡轮机（10），其中，所述压力供应系统（52）包括多个分配阀（60），所述多个分配阀（60）具有：多个相应的第一腔（61），它们连接到彼此，以形成连接到所述压力管线（54）的压力通道；以及多个相应的第二腔（62），它们连接到彼此，以形成连接到所述吸力管线（55）的吸力通道。

10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机（10），其中，所述分配阀（60）包括串联连接的两个步进马达（69），以用于使所述分配元件（70）在所述第一操作位置和所述第二操作位置之间操作。