CN117651801A - 具有被动气流修改组件的风力涡轮转子叶片 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种转子叶片，该转子叶片具有被动气流修改组件，以在操作期间基于叶片周围的瞬时压力梯度沿叶片产生气流特征。本公开还涉及一种转子叶片，该转子叶片被动地引导气流通过被动气流修改组件以在由叶片经历的空气动力学负载支承在可旋转毂上的时候产生减少空气动力学负载的空气特征，以及转子叶片被动地引导气流通过被动气流修改组件以在空气动力学负载没有支承在可旋转毂上的时候产生增加空气动力学负载的空气特征，以及转子叶片在不满足所需压力梯度和/或负载条件不是问题的时候被动地操作以不产生空气特征。

Description

具有被动气流修改组件的风力涡轮转子叶片
技术领域
本公开大体上涉及风力涡轮，并且更具体地，涉及一种具有被动气流修改组件的风力涡轮转子叶片，该被动气流修改组件作为沿旋转转子叶片的变化的压力梯度和旋转转子叶片的迎角(AoA)条件的函数而起作用。
背景技术
风功率被认为是目前可用的最清洁、最环保的能源中的一个，并且风力涡轮在这方面已获得增加的关注。现代风力涡轮通常包括塔、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型原理从风捕获动能，并通过旋转能传递动能，以转动将转子叶片连接到齿轮箱的轴，或者如果不使用齿轮箱，则直接连接到发电机。发电机然后将机械能转换为电能，该电能可以被部署到公用电网。
风力涡轮转子叶片的特定尺寸是有助于风力涡轮的整体效率的重要因素。具体地，转子叶片的长度或翼展的增加通常可以导致风力涡轮的能量生产的总体增加。因此，增加转子叶片的尺寸的努力有助于风力涡轮技术的持续发展和风能作为备选能源的采用。然而，随着转子叶片尺寸增加，通过转子叶片传递到风力涡轮的其它构件(例如，风力涡轮可旋转毂和其它构件)的负载也会增加。此外，必须考虑这样的事实，即在转子叶片围绕涡轮轴的每一次旋转期间，负载传递是可变的，因为每个转子叶片在单次旋转期间经历一组动态的压力梯度和AoA。
例如，转子叶片的偏转力和负载的大小通常是转子叶片长度、风速、涡轮操作状态、叶片刚度、压力梯度、AoA和/或其它变量的函数。由于转子叶片的质量增加以及沿叶片的翼展作用的空气动力学负载增加，较长的转子叶片导致较高的负载。这种增加的和可变的负载在高速风条件下可特别成问题，因为从转子叶片传递的负载可能超过其它风力涡轮构件的承载能力。
因此，负载控制是现代风力涡轮的操作中的重要考虑。除了主动变桨控制系统以外，作为负载控制的手段，例如利用配置在转子叶片表面上的可控涡流元件、襟翼、翼片、扰流器等，改变单个转子叶片的空气动力学特性也是本领域中已知的。
已知某些表面特征，如扰流器，可用于将气流与转子叶片的外表面分离，从而减少由转子叶片产生的升力，并减少作用在其上的空气动力学负载。然而，这些表面特征通常被设计成沿转子叶片的外表面永久地设置。因此，无论风力涡轮在其中操作的条件如何，由转子叶片产生的升力量都减少。
还有其它转子叶片可能包括致动器，以用于在主动配置和非主动配置之间操纵表面特征。然而，这样的系统增加了转子叶片的复杂性、重量和/或额外成本。
因此，该行业将受益于风力涡轮转子叶片，其有助于负载控制，同时避免了依赖于对转子叶片进行显著结构或物理修改的主动管理系统的费用(以及与其相关的相对复杂的构件)。
发明内容
本公开的各方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者可以从描述清楚，或者可以通过本公开的实践来学习。
在一个方面，本公开涉及一种风力涡轮的转子叶片组件。转子叶片组件包括在叶片根部和叶片末梢之间延伸的转子叶片。转子叶片具有限定吸力侧表面、压力侧表面、前缘和后缘的表面。表面布置在一起以限定空气动力学壳体或内部区域。转子叶片组件还包括布置在表面中的一个或多个之间或内部区域内的被动气流修改组件。被动气流修改组件具有用于引导气流的多个内部空气通道，其中多个内部空气通道中的每个从内部区域内或表面中的一个或多个之间的公共接合部延伸到由空气动力学壳体限定的多个孔中的一个。多个内部空气通道基于空气动力学壳体周围的压力梯度被动地引导来自表面上的不同位置的气流，以在表面中的至少一个上的另一位置处产生气流特征，从而改变压力梯度。
在另一个方面，本公开涉及一种风力涡轮，其包括塔、安装在塔顶部上的机舱和具有联接到机舱的可旋转毂的转子。可旋转毂包括从其向外延伸的至少一个转子叶片组件。转子叶片组件包括转子叶片，该转子叶片具有用于与可旋转毂接合的根部部分和从根部部分延伸并经历空气动力学负载的翼型部分。根部部分和翼型部分限定了内部区域。转子叶片组件还包括内部区域内的被动气流修改组件。被动气流修改组件包括用于引导气流的多个内部空气通道，其中多个内部空气通道中的每个从内部区域内的公共接合部延伸到由翼型部分限定的多个孔中的一个。多个内部空气通道基于转子叶片周围的压力梯度在多个孔之间被动地引导气流，以沿转子叶片的翼型部分产生可变气流特征，从而影响由转子叶片经历的空气动力学负载。多个孔中的每个配置为基于压力梯度的方向从空气入口可逆地切换到空气出口。
在另一个方面，本公开涉及一种在其操作期间被动地修改风力涡轮的转子叶片周围的压力梯度的方法。该方法包括提供转子叶片，其在叶片根部和叶片末梢之间延伸并且具有限定吸力侧表面、压力侧、前缘和后缘的表面。表面布置在一起以限定空气动力学壳体，并且空气动力学壳体配置为经历空气动力学负载。该方法还包括在具有翼型部分的转子叶片的内部区域内提供多个内部空气通道。翼型部分具有前缘和后缘，并限定转子叶片的内部区域。多个内部空气通道中的每个从内部区域内的公共接合部延伸到转子叶片的表面中的一个上的多个孔中的一个。该方法还包括允许转子叶片围绕风力涡轮的可旋转毂旋转，使得转子叶片经历压力梯度。该方法还包括基于压力梯度被动地引导气流通过多个孔之间的多个内部空气通道，以在转子叶片的表面中的一个上的多个孔中的另一个处产生气流特征，从而改变压力梯度。
参考以下描述和所附权利要求书，将更好地理解本公开的这些和其它特征、方面和优点。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与描述一起解释本公开的原理。
附图说明
参考附图的说明书中阐述了本发明的完整且充分的公开，包括针对本领域中的普通技术人员的其最佳模式，其中：
图1示出了根据本公开的风力涡轮的实施例的透视图；
图2示出了根据本公开的具有被动气流修改组件的转子叶片的实施例的透视图；
图3示出了根据本公开的沿截面线A-A截取的图2的转子叶片的截面图；
图4示出了根据本公开的具有被动气流修改组件的转子叶片的另一实施例的截面图；
图5示出了根据本公开的具有被动气流修改组件的转子叶片的另一实施例的局部透视图；
图6A示出了根据本公开的转子叶片的另一个实施例的详细截面图，该转子叶片具有处于升高配置的被动气流修改组件；
图6B示出了根据本公开的图6A的转子叶片的详细截面图，该转子叶片具有处于缩回配置的被动气流修改组件；
图7示出了根据本公开的转子叶片的另一个实施例的截面图，特别示出了转子叶片周围的瞬时压力梯度；
图8A示出了根据本公开的转子叶片的另一实施例的截面图，特别示出了当转子叶片暴露于第一流动角时转子叶片周围的瞬时压力梯度；
图8B示出了根据本公开的转子叶片的另一实施例的截面图，特别示出了当转子叶片暴露于第二流动角时转子叶片周围的瞬时压力梯度；
图9A示出了根据本公开的具有从吸力侧排出的空气特征的图8A的转子叶片的截面图，特别示出了转子叶片周围的瞬时压力梯度；
图9B示出了根据本公开的具有从压力侧排出的空气特征的图8B的转子叶片的截面图，特别示出了转子叶片周围的瞬时压力梯度；
图10示出了根据本公开的方法的实施例的流程图，该方法在其操作期间被动地修改风力涡轮的转子叶片周围的压力梯度。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在图中示出。每个示例是通过解释本发明而非限制本发明的方式提供的。事实上，对本领域中的技术人员来说清楚的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用，以产生又另一实施例。因此，意图本发明覆盖如落入在所附权利要求书及其等同物的范围内的这种修改和变化。
现在参考图，图1示出了根据本公开的风力涡轮10的示例性实施例的透视图。如图所示，风力涡轮10是竖直轴线涡轮，但在其它实施例中，风力涡轮10可以是水平轴线涡轮。风力涡轮10包括塔12，该塔12支撑在基座上，其中机舱14安装在其上。多个转子叶片16安装到可旋转毂18，该可旋转毂继而又连接到转动主转子轴(未示出)的主凸缘。多个转子叶片16联接到可旋转毂18并从其径向向外延伸。风力涡轮发电和控制构件被容纳在机舱14内并且通信地联接到主转子轴。
应当认识到，提供图1的视图仅用于说明目的，并将本主题置于示例性使用领域中。具有本领域中的普通技术的人员容易认识到，本公开不限于任何一种类型的风力涡轮配置。
现在参考图2-4，示出了风力涡轮10的转子叶片组件100的示例性实施例的各种视图。如图所示，转子叶片组件100可以对应于图1中所示的任何转子叶片16。此外，如图所示，转子叶片组件100具有根据本公开的各方面的至少一个被动气流修改组件102。特别地，图2示出了转子叶片组件100的透视图，该转子叶片组件具有在其上间隔开的被动气流修改组件102、202、302。图3示出了沿截面线A-A截取的图2中所示的转子叶片组件100的另一示例性实施例的截面图。图4示出了根据本公开的各方面的具有被动气流修改组件102的转子叶片组件100的另一示例性实施例的截面图。
在图1-4的实施例中，转子叶片组件100包括叶片根部104和叶片末梢106，该叶片根部104配置用于将转子叶片组件安装到风力涡轮10(图1)的可旋转毂18，该叶片末梢106与叶片根部104相对设置。空气动力学壳体108在叶片根部104和叶片末梢106之间延伸。外表面限定了壳体108。在某些实施例中，壳体108由各种外表面限定，并且操作为转子叶片组件100的外壳/覆盖物。因此，壳体108限定了转子叶片组件100的翼型部分109。此外，转子叶片组件100具有限定叶片根部104和叶片末梢106之间的总长度的翼展118，以及限定前缘114和后缘116之间的总长度的翼弦120。如通常所理解的，当转子叶片组件100从叶片根部104延伸到叶片末梢106时，翼弦120按长度通常相对于翼展118变化。因此，本领域中的普通技术人员认识到，“翼弦向方向”是指平行于转子叶片组件100的翼弦120延伸的方向，且“翼展向方向”是指平行于转子叶片组件100的翼展118延伸的方向。
具体参考图3，壳体108限定翼型部分109，该翼型部分109包括压力侧表面110和吸力侧表面112，各自在前缘114和后缘116之间延伸。此外，如图3中所示，壳体108限定了内部区域111。壳体108可以形成为单个的、整体的构件。或者，壳体108可以由多个壳体构件形成。例如，壳体108可以由通常限定压力侧表面110的第一壳体半部和通常限定吸力侧表面112的第二壳体半部制造，其中壳体半部在前缘114和后缘116处彼此固定。
此外，壳体108可以由任何合适的材料和/或任何制造方法形成，制造方法例如模制、多层结构和增材制造。例如，壳体108可以完全由层压复合材料形成，如碳纤维增强的层压复合材料或玻璃纤维增强的层压复合材料。备选地，壳体108的一个或多个部分可以配置为分层结构，并且可以包括芯材料，该芯材料由轻质材料形成，轻质材料如木材(例如，轻木)、泡沫(例如，挤出的聚苯乙烯泡沫)或这些材料的组合，设置在层压复合材料层之间。
如本文中使用的增材制造或3D打印通常被理解为包括用于合成三维物体的过程，其中在计算机控制下形成连续的材料层以产生物体。几乎任何尺寸和/或形状的物体可以从数字模型数据产生。应当进一步理解，本公开的方法不限于增材制造，而是还可以包括多于三个自由度，使得打印技术不限于打印堆叠的二维层，而是还能够打印弯曲的形状。
在特定的实施例中，例如，增材制造可以包括金属丝转移、电子束熔化、惯性焊接、粉末喷嘴激光沉积、定向能量沉积、粘合剂喷射、材料喷射、激光熔覆、冷喷涂沉积、定向能量沉积、粉末床熔化、材料挤出、直接金属激光烧结、直接金属激光熔化、冷金属转移、金属惰性气体(MIG)焊接、钨惰性气体(TIG)焊接、还原光聚合或任何其它合适的增材制造过程。
应当认识到，图3的转子叶片组件100还可以包括至少部分设置在内部区域111内的一个或多个内部结构构件。例如，转子叶片组件100可以包括在对应的翼梁帽(未示出)之间延伸的一个或多个抗剪腹板(未图示)。转子叶片组件100还可以包括内部区域111内的机械致动器和/或电马达等(未示出)。
仍然参考图1-4，转子叶片组件100包括一个或多个被动气流修改组件(“PAMA”)102，以在操作期间的任何特定情况下基于转子叶片组件100周围的压力梯度，沿翼型部分109(例如，沿转子叶片组件100的压力侧表面110和/或吸力侧表面112)产生气流特征。特别地，并且在一个示例性实施例中，PAMA 102配置为基于用于PAMA 102的一个或多个空气入口和/或空气出口之间的瞬时压力梯度来可逆地切换通过和离开PAMA 102的气流的方向。结果是可变气流特征，其：(1)取决于PAMA 102的空气入口和空气出口位于何处以及如何配置，沿翼型部分109表现，并且(2)在真实世界条件下操作期间，还取决于转子叶片组件100周围的瞬时压力梯度，沿翼型部分109被动地切换位置。
应当清楚的是，当转子叶片组件100在真实世界条件下操作时，并且当它从可旋转毂18延伸并围绕可旋转毂18旋转时，转子叶片组件100周围的压力梯度是可变的，作为多个因素的函数，包括转子叶片组件100的瞬时桨距、由转子叶片组件100经历的瞬时AoA、转子叶片组件100围绕可旋转毂18的瞬时位置和/或瞬时风和天气条件等。因此，通过转子叶片组件100传递到可旋转毂18以及通常支承在转子上的空气动力学负载也是可变的，这是由于在旋转期间的任何时间点由转子叶片组件100经历的变化的压力梯度条件以及所得的正升力或负升力。
因此，本公开的各方面利用这些情况来产生转子叶片组件100，该转子叶片组件在空气动力学负载支承在可旋转毂18上的时候，被动地引导气流通过PAMA 102，以产生减少空气动力学负载的空气特征。类似地，本公开的各方面还产生了转子叶片组件100，该转子叶片组件在空气动力学负载没有支承在可旋转毂18上的时候，被动地引导气流通过PAMA102以产生增加空气动力学负载的空气特征。此外，本公开的各方面还产生转子叶片组件100，该转子叶片组件在不满足所需的压力梯度和/或负载条件不是问题的时候被动地操作以不产生空气特征，以便不影响转子叶片组件100的标准性能和/或效率。因此，本公开的转子叶片组件100减少了风力涡轮10上的动态负载，并且不需要机械致动器、传感器、泵、主动管理的空气入口或空气出口、或任何其它主动控制的系统来使PAMA 102在实时和真实世界条件下正确地起作用。
通常，转子叶片组件100可配置为包括任何数量的PAMA 102。在图1-3中所示的实施例中，转子叶片组件100包括PAMA 102、202、302，其沿壳体108翼展向间隔开，每个都具有多个内部空气通道115，其中每个从内部区域111内的公共接合部117延伸到压力侧表面110或吸力侧表面112中的一个上的不同位置。PAMA 202和302基本上与PAMA 102相同。多个内部空气通道115配置为被动地引导来自压力侧表面110或吸力侧表面112中的至少一个上的不同位置的气流，以在压力侧表面110或吸力侧表面112中的至少一个上的另一位置处产生气流特征(未示出)。然而，在备选实施例中，转子叶片组件100可以包括少于三个PAMA，如一个PAMA或两个PAMA，或者多于三个PAMA，如四个PAMA、五个PAMA或者多于五个PAMA。此外，例如，每个PAMA 102、202、302可以针对其相应的多个内部空气通道115和公共接合部117以及意图的气流特征而不同地配置和/或调节。
此外，每个PAMA 102、202、302可具有多个孔103，其由翼型部分109限定，对应于多个内部空气通道115，并位于翼型部分109上的任何位置，包括叶片末梢106、前缘114和后缘116，以及它们之间的任何位置，在壳体108的压力侧表面110或吸力侧表面112上。在图1-3的实施例中，PAMA 102具有孔105a、孔105b和孔105c，每个孔沿壳体108翼弦向间隔开，每个孔与内部区域111内的多个空气通道115中的内部空气通道流体连通。多个孔103配置为基于通过多个内部空气通道115和公共接合部117的气流的方向，被动地、可逆地从用于PAMA102的空气入口切换到空气出口，以基于空气入口和空气出口之间的压力梯度，在空气出口处、在压力侧表面110或吸力侧表面112处产生气流特征(未示出)。
然而，在备选实施例中，PAMA 102可以具有多个孔103，其也沿壳体108翼展向间隔开，并且可能具有对应的翼弦向间距或没有翼弦向间距。PAMA 102可以包括少于三个单独的孔105a、b、c，如两个孔105a、b，或者多于三个孔105a、b、c，如四个孔105a、b、c、d，或者五个孔105a、b、c、d、e，或者多于五个孔105a、b、c、d、e。例如，对于多个内部空气通道115中的其相应的内部空气通道，每个孔105可以具有不同的尺寸、形状和配置。多个孔103中的单独的孔105可以具有用作单独的孔105的子孔、多部分开口、格栅等，并且单独的孔105在一些情况下可以操作为用于多个内部空气通道115和/或公共接合部117和/或内部区域111的控制端口或诊断接入点。
例如，如图3中所示，孔105a位于前缘114上或与前缘114相邻，并且孔105b位于壳体108的压力侧表面110或吸力侧表面112上的后缘116上或与后缘116相邻。孔105c位于吸力侧表面112上的一个示例性位置上。多个孔103翼展向对齐，但在沿壳体108的不同位置处翼弦向间隔开。孔105a、孔105b和孔105c允许气流进入或离开多个空气通道115和内部区域111内的公共接合部117。孔105a、孔105b和孔105c分别配置为基于通过PAMA 102的气流的瞬时方向被动地、可逆地从空气入口切换到空气出口，以在压力侧表面110或吸力侧表面112处产生气流特征(或否)。压力侧表面110或吸力侧表面112上的气流特征是否分别经由孔105b和孔105c产生(或否)基于多个孔103之间的瞬时压力梯度。
例如，在一个实施例中，如果孔105a、孔105b和孔105c之间的瞬时压力梯度被动地超过PAMA 102针对其被专门调节的第一压差阈值，则PAMA 102被动地引导气流至少通过孔105a，并至少通过孔105c离开。这沿吸力侧表面112并与孔105c相邻产生空气屏障，以分离在壳体108的外表面122上流动的空气。类似地，如果孔105a、孔105b和孔105c之间的瞬时压力梯度被动地超过PAMA 102针对其被专门调节的第二压差阈值，则PAMA 102被动地引导气流至少通过孔105a并且至少通过孔105b离开。这产生从孔105b吹出压力侧表面110的空气射流。如果既没有超过第一压差阈值也没有超过第二压差阈值，则不产生气流特征。因此，PAMA 102配置为施加流体以产生转子叶片，该转子叶片被动地在空气射流之间切换，来以减少由可旋转毂18经历的总负载变化的方式减少(“破坏”)或增加(“增大”)由转子叶片组件100经历的空气动力学负载。
在PAMA 102的其它实施例中，激活/停用沿翼型部分109的相同或不同气流特征的压差阈值基于影响PAMA 102的流体动力学轮廓的各种因素被调节，例如，孔105a、b、c的位置、尺寸、形状、配置以及它们之间的相对距离和间距，以及多个空气通道115和公共接合部117的长度、宽度、周长、配置以及转子叶片组件100的空气动力学轮廓和特征。因此，PAMA102配置为基于相关的瞬时压力梯度和PAMA 102的特定调节来被动地、可逆地切换通过和离开PAMA 102的气流方向，导致激活/停用一个或多个可变气流特征。
再次参考图4，示出了转子叶片组件100的另一个实施例的截面图，特别示出了PAMA 402。截面图揭示了在对应的空气动力学负载图200旁边的PAMA 402，其中负载作为操作时间(或转子叶片围绕可旋转毂18的旋转)的函数。更具体地，如图所示，转子叶片100包括PAMA 402。然而，与图1-3的PAMA 102相比，图4的PAMA 402具有：(1)多个孔403，其包括壳体108的吸力侧表面112上的控制端口113a和压力侧表面110上的控制端口113b；(2)多个空气通道115，其对应于多个孔403；以及(3)公共接合部117，其被完全配置和调节为被动流体室或导管，或者具有一些被动机械特征，如弹簧阻力襟翼或被动阀(未示出)。
应当清楚的是，当图4的转子叶片组件100在真实世界条件下操作并围绕可旋转毂18行进时，前缘114处的流动角α从约5.0度+/-约3.0度的标称角变化，更不用说天气条件变化等了，并且这产生由可旋转毂18和风力涡轮10的其余部分经历的空气动力学负载变化。空气动力学负载变化增加了对可旋转毂18的轴承(未示出)或风力涡轮10的任何其它负载传递区域的要求。此外，好理解的是，轴承是本领域中转子叶片的尺寸/长度的至少一个限制因素。由具有本领域中的普通技术的人员理解，在一个示例性实施例中，PAMA 402可在约158.0m的转子叶片16上显示高达约8.0m的数额。
PAMA 402在不牺牲风力涡轮10及其构件的可用操作小时数和使用寿命的情况下，防止由于过度的空气动力学负载变化而导致的轴承处的转子过应力。PAMA 402减少由可旋转毂18经历的空气动力学负载变化，这继而又减少了可旋转毂18的轴承要求。特别地，多个空气通道115和公共接合部117放置成与前缘114、吸力侧表面112和压力侧表面110流体连通，并且特别地被调节为允许PAMA 402的交叉流和吹出。当多个孔403的瞬时压差被动地超过第一调节值时，PAMA 402被动地引导来自至少前缘(通常是操作期间的高压点)的气流，并以第一位置、吹送角和吹送比率(在图7中最佳可见)将气流至少在吸力侧表面112上吹出，以产生空气屏障。类似地，当多个孔403的瞬时压差被动地超过第二调节值时，PAMA 402被动地引导来自至少前缘114的气流，并以第二位置、吹送角和吹送比率将气流至少在压力侧表面110上喷射出，以产生接近平行的空气射流(相对于后缘116)。当既不超过第一调节值也不超过第二调节值时，则不产生空气特征。三种不同状态和两种空气特征之间的切换是以被动的方式实现的，并且没有传感器、致动器或马达。
因此，PAMA 402配置为利用转子叶片组件100的翼型部分109周围的局部压力条件的变化，以触发不同类型且从沿壳体108的不同位置的可变空气吹送。此外，PAMA 402配置为施加流体以产生在空气射流之间被动地切换的转子叶片，来以减少由可旋转毂18经历的总体负载变化的方式破坏或增大空气动力学负载。在其它示例性实施例中，PAMA 402可以被配置和/或调节为以期望的方式被动地调节空气动力学负载变化，以在转子叶片组件100的操作期间实现相关但意图的结果。在其它示例性实施例中，PAMA 402可以被配置和/或调节为被动地调节除空气动力学负载变化之外的一个或多个变量，并且实现除防止可旋转毂18在轴承处过应力之外的结果。例如，可以修改如由具有本领域中的普通技术的人员理解的像空气出口的位置、吹送角和吹送比率(如图7中所示)的变量，以在针对特定空气特征的可接受吹送要求内实现各种期望的结果和气流特征类型。
此外，在本领域中理解的是，转子叶片组件100可配置使得其围绕可旋转毂18行进，其中前缘114处的流动角具有不同的标称角(例如，由于受控的变桨)，并且具有的变化显著大于或小于本领域中常见的+/-约3.0度。本领域中的普通技术人员理解，PAMA 402可以被配置和调节以补充和/或补足转子叶片组件100的任何其它控制系统，包括但不限于任何负载控制系统、变桨控制系统、偏航控制系统、扰流器控制系统、以及增大控制系统，无论它们是主动管理的还是被动的。
现在参考图4的对应的空气动力学负载图200，负载图涉及由PAMA 402产生的空气屏障扰流器特征。负载图示出了多个孔403之间的压差，重点是吸力侧表面112上的孔(图中的A)和前缘114上的孔(图中的B)，作为操作时间(或典型的转子叶片围绕可旋转毂18旋转)的函数。PAMA 402被调节为使得多个空气通道115和公共接合部117仅在B和A之间的压差大于设计/调节值时允许交叉流。清楚的是，在PAMA 402中不存在交叉流，并且因此，例如，不存在沿用于标称值的实曲线产生的空气特征。然而，当压力梯度条件改变并且由转子叶片组件100经历的空气动力学负载导致例如虚线曲线的增加时，则B和A之间的压差足够大，以用于气流作为流体扰流器从吸力侧表面112吹出。
现在参考图5，示出了根据本公开的各方面的具有被动气流修改组件502的转子叶片组件100的另一个实施例。更具体地，如图所示，转子叶片100包括PAMA 502。然而，与图1-4的PAMA 102或PAMA 402相比，图5的PAMA 502具有多个孔503，其由壳体108沿翼型部分109限定，并且具体地位于叶片末梢106或吸力侧表面112上。多个孔503中的每个沿壳体108翼展向间隔开，每个与多个空气通道115中的内部空气通道和内部区域111内的公共接合部117流体连通。高压源来自较低翼展向孔(A)，并且可以通过径向泵送进一步增大。例如，PAMA 502利用径向泵送，以从不同的、较高翼展向孔(例如B)中的一个产生较高的原动力压力。PAMA 502还利用用于流体翼末梢延伸/小翼的径向泵送，这对于降噪和转子叶片组件100Cd值的减少特别有用。
本领域中的普通技术人员认识到，“较低翼展向孔”是指更靠近可旋转毂18的孔，且“较高翼展向孔”是指更远离可旋转毂18的孔。
现在参考图6A和6B，示出了处于升高配置的PAMA 602和处于缩回配置的PAMA 602的详细截面图。然而，与图1-4的PAMA 102、PAMA 402和PAMA 502不同，图5的PAMA 602具有：(1)多个孔603；(2)多个空气通道115，其对应于多个孔603；(3)公共接合部117；(4)铰接的机械扰流器125；以及(5)被动弹簧127，其配置为保持铰接的机械扰流器闭合抵靠壳体108以保持空气动力学翼型部分109，除非压差足以不管弹簧127的阻力弹开机械扰流器。多个空气通道115和公共接合部117放置成与前缘114、吸力侧表面112和压力侧表面110流体连通，并且被特别地调节以允许PAMA 602的交叉流和吹出。当多个孔603的瞬时压差被动地超过第一调节值时，PAMA 602被动地引导来自至少前缘(在操作期间通常是高压点)的气流，并且至少在吸力侧表面112上将其吹出以提升(或不提升)铰接的机械扰流器125，以分离在壳体108的外表面122上流动的空气。所示的两种不同状态之间的切换是以被动的方式实现的，并且没有传感器、致动器或马达。
现在参考图7，示出了转子叶片组件100的另一个示例性实施例的截面图，特别示出了转子叶片组件100周围的瞬时压力梯度。图6意图说明由在本文中使用的某些术语的含义以及可以如何改变空气出口位置和配置。例如，出口可以由从转子叶片组件100的前缘114测量的其翼弦长度L来限定。如由本领域中的普通技术人员所理解的，孔出口可以具有吹送角Φ和吹送比率Vj、Vj/V∞。
现在参考图8A，示出了转子叶片组件100的另一个示例性实施例的截面图，特别示出了当转子叶片组件100暴露于第一流动角时转子叶片组件100周围的瞬时压力梯度。在图9A中，示出了图8A的转子叶片组件100的截面图，该转子叶片组件暴露于第一流动角，但具有将空气特征130a吹出吸力侧表面112的PAMA 702，特别示出了转子叶片组件100周围的瞬时压力梯度。类似地，在图8B中，示出了转子叶片组件100的另一个示例性实施例的截面图，特别示出了当转子叶片组件100暴露于第二流动角时转子叶片组件100周围的瞬时压力梯度。在图9B中，示出了暴露于第二流动角的图8B的转子叶片组件100的截面图，还具有PAMA702，其将空气特征130b吹出后缘116附近的压力侧表面110，特别示出了转子叶片组件100周围的瞬时压力梯度。图8A、8B、9A和9B意图示出包括PAMA 702的转子叶片组件100如何改变转子叶片组件100周围的压力梯度。
现在参考图10，本公开还涉及一种在其操作期间被动地修改风力涡轮(如风力涡轮10)的转子叶片周围的压力梯度的方法1000。通常，本文中将参考上面参考图1-3描述的风力涡轮10来描述方法1000。然而，由本领域中的普通技术人员应当认识到，所公开的方法1000通常可以与具有任何合适配置的任何风力涡轮一起使用。此外，尽管为了说明和讨论的目的，图10描绘了以特定顺序执行的步骤，但本文中讨论的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文中提供的公开，本领域中的技术人员将认识到，在不偏离本公开的范围的情况下，可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或调整本文中公开的方法的各个步骤。
如(1001)处所示，方法1000包括提供转子叶片100，该转子叶片在叶片根部104和叶片末梢106之间延伸，并具有限定吸力侧表面112、压力侧110、前缘114和后缘116的表面，表面布置在一起以限定空气动力学壳体108，空气动力学壳体108配置为经历空气动力学负载。如(1002)处所示，方法1000包括在转子叶片100的内部区域111内提供多个内部空气通道115，多个内部空气通道115中的每个从内部区域111内的公共接合部117延伸到转子叶片100的表面中的一个上的多个孔103中的一个。如(1004)处所示，方法1000还包括允许转子叶片100围绕风力涡轮10的可旋转毂18旋转，使得转子叶片100经历压力梯度。如(1006)处所示，方法1000还包括基于压力梯度被动地引导气流通过多个孔103之间的多个内部空气通道115，以在转子叶片的表面中的一个上的多个孔103中的另一个处产生气流特征，从而改变压力梯度。
特别地，(1006)可以包括，如果压力梯度导致转子叶片100上的空气动力学负载增加，经由多个内部空气通道115被动地引导来自表面中的至少一个上的多个孔103中的一个或多个的气流，以从表面中的至少一个上的孔103中的另一个产生空气特征，以减少空气动力学负载。此外，(1006)可以包括，如果压力梯度导致转子叶片100上的空气动力学负载减少，经由多个内部空气通道115被动地引导来自表面中的至少一个上的多个孔103中的一个或多个的气流，以从表面中的至少一个上的孔103中的另一个产生空气特征，以增加空气动力学负载。
本书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并使本领域中的任何技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。尽管在前面已经公开了各种具体实施例，但是本领域中的技术人员将认识到，权利要求书的精神和范围允许同样有效的修改。特别地，上述实施例的相互非排他性特征可以彼此组合。本公开的可取得专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有与权利要求书的文字语言并非不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的文字语言没有实质差异的等效结构元件，则这些其它示例意图在权利要求书的范围内。
尽管本公开的各种实施例的具体特征可以在一些图中示出，且在其它图中未示出，但这仅为了方便。根据本公开的原理，可以结合任何其它图的任何特征来参考和/或要求保护图的任何特征。
本发明的各个方面和实施例由以下编号条款限定：
条款1.一种风力涡轮的转子叶片组件，转子叶片组件包括：
转子叶片，其在叶片根部和叶片末梢之间延伸，并且具有限定吸力侧表面、压力侧表面、前缘和后缘的表面，表面布置在一起以限定空气动力学壳体，空气动力学壳体配置为经历空气动力学负载；
被动气流修改组件，其布置在表面中的一个或多个之间，被动气流修改组件包括：
用于引导气流的多个内部空气通道，多个内部空气通道中的每个从表面中的一个或多个之间的公共接合部延伸到由空气动力学壳体限定的多个孔中的一个；
其中，多个内部空气通道基于空气动力学壳体周围的压力梯度被动地引导来自表面上的不同位置的气流，以在表面中的至少一个上的另一位置处产生气流特征，从而改变压力梯度。
条款2.条款1的转子叶片组件，其中，多个内部空气通道中的至少一个从表面中的一个或多个之间的公共接合部延伸到在表面中的一个上与叶片根部相邻的多个孔中的孔。
条款3.前述条款中任一项的转子叶片组件，其中，多个内部空气通道中的至少一个从表面中的一个或多个之间的公共接合部延伸到多个孔中的孔到在表面中的一个上在转子叶片的叶片末梢上或与其相邻的多个孔中的孔。
条款4.前述条款中任一项的转子叶片组件，其中，多个内部空气通道中的至少一个从表面中的一个或多个之间的公共接合部延伸到在前缘上或与前缘相邻的多个孔中的孔。
条款5.前述条款中任一项的转子叶片组件，其中，多个内部空气通道中的至少一个从表面中的一个或多个之间的公共接合部延伸到在后缘上或与后缘相邻的多个孔中的孔。
条款6.前述条款中任一项的转子叶片组件，其中，如果压力梯度导致转子叶片上的空气动力学负载增加，则多个内部空气通道被动地引导来自表面中的至少一个上的多个孔中的一个或多个的气流，以从表面中的至少一个上的孔中的另一个产生空气特征，以减少空气动力学负载。
条款7.前述条款中任一项的转子叶片组件，其中，如果压力梯度导致转子叶片上的空气动力学负载减少，则多个内部空气通道被动地引导来自表面中的至少一个上的多个孔中的一个或多个的气流，以从表面中的至少一个上的孔中的另一个产生空气特征，以增加空气动力学负载。
条款8.前述条款中任一项的转子叶片组件，其中，气流特征包括气流束，并且气流束是空气屏障或空气射流。
条款9.前述条款中任一项的转子叶片组件，其中，多个孔中的每个配置为基于压力梯度的方向从空气入口可逆地切换到空气出口。
条款10.一种风力涡轮，包括：
塔；
安装在塔顶部上的机舱；
转子，转子包括联接到机舱的可旋转毂，可旋转毂包括从其向外延伸的至少一个转子叶片组件，至少一个转子叶片组件包括：
转子叶片，转子叶片具有用于与可旋转毂接合的根部部分和从根部部分延伸并经历空气动力学负载的翼型部分，根部部分和翼型部分限定内部区域；和
在内部区域内的被动气流修改组件，被动气流修改组件包括：
用于引导气流的多个内部空气通道，多个内部空气通道中的每个从内部区域内的公共接合部延伸到由翼型部分限定的多个孔中的一个；
其中多个内部空气通道基于转子叶片周围的压力梯度被动地引导多个孔之间的气流以沿转子叶片的翼型部分产生可变气流特征，从而影响由转子叶片经历的空气动力学负载，并且其中多个孔中的每个配置为基于压力梯度的方向从空气入口可逆地切换到空气出口。
条款11.条款10的转子叶片组件，其中，如果压力梯度导致转子叶片上的空气动力学负载增加，则多个内部空气通道被动地引导来自多个孔中的一个或多个的气流，以产生可变空气特征，以减少空气动力学负载。
条款12.条款11的转子叶片组件，其中，如果压力梯度导致转子叶片上的空气动力学负载减少，则多个内部空气通道被动地引导来自多个孔中的一个或多个的气流，以产生可变空气特征，以增加空气动力学负载。
条款13.条款1012的转子叶片组件，其中可变气流特征包括气流束，并且气流束是空气屏障或空气射流。
条款14.一种在风力涡轮的转子叶片的操作期间被动地修改风力涡轮的转子叶片周围的压力梯度的方法，方法包括：
提供转子叶片，转子叶片在叶片根部和叶片末梢之间延伸，并且具有限定吸力侧表面、压力侧、前缘和后缘的表面，表面布置在一起以限定空气动力学壳体，空气动力学壳体配置为经历空气动力学负载；
在转子叶片的内部区域内提供多个内部空气通道，多个内部空气通道中的每个从内部区域内的公共接合部延伸到转子叶片的表面中的一个上的多个孔中的一个；
允许转子叶片围绕风力涡轮的可旋转毂旋转，使得转子叶片经历压力梯度；并且
基于压力梯度被动地引导气流通过多个孔之间的多个内部空气通道，以在转子叶片的表面中的一个上的多个孔中的另一个处产生气流特征，从而改变压力梯度。
条款15.条款14的方法，其中，多个孔中的一个或多个沿转子叶片的翼型部分的前缘定位或与其相邻定位。
条款16.条款14-15的方法，其中多个孔中的一个或多个沿转子叶片的翼型部分的后缘定位或与其相邻定位。
条款17.条款14-16的方法，其中，多个孔中的一个或多个定位在转子叶片的叶片末梢或叶片根部中的至少一个上或与其相邻定位。
条款18.条款14-18的方法，其中，如果压力梯度导致转子叶片上的空气动力学负载增加，则多个内部空气通道被动地引导来自表面中的至少一个上的多个孔中的一个或多个的气流，以从表面中的至少一个上的孔中的另一个产生空气特征，以减少空气动力学负载。
条款19.条款18的方法，其中，如果压力梯度导致转子叶片上的空气动力学负载减少，则多个内部空气通道被动地引导来自表面中的至少一个上的多个孔中的一个或多个的气流，以从表面中的至少一个上的孔中的另一个产生空气特征，以增加空气动力学负载。
条款20.条款14-19的方法，其中，气流特征包括气流束，并且气流束是空气屏障或空气射流。
本书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并使本领域中的任何技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。尽管在前面已经公开了各种具体实施例，但是本领域中的技术人员将认识到，权利要求书的精神和范围允许同样有效的修改。特别地，上述实施例的相互非排他性特征可以彼此组合。本公开的可取得专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有与权利要求书的文字语言并非不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的文字语言没有实质差异的等效结构元件，则这些其它示例意图在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种风力涡轮的转子叶片组件，所述转子叶片组件包括：
转子叶片，其在叶片根部和叶片末梢之间延伸并且具有限定吸力侧表面、压力侧、前缘和后缘的表面，所述表面布置在一起以限定空气动力学壳体，所述空气动力学壳体配置为经历空气动力学负载；
被动气流修改组件，其布置在所述表面中的一个或多个之间，所述被动气流修改组件包括：
用于引导气流的多个内部空气通道，所述多个内部空气通道中的每个从所述表面中的一个或多个之间的公共接合部延伸到由所述空气动力学壳体限定的多个孔中的一个；
其中，所述多个内部空气通道基于所述空气动力学壳体周围的压力梯度被动地引导来自所述表面上的不同位置的气流以在所述表面中的至少一个上的另一位置处产生气流特征，从而改变所述压力梯度。
2.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其中，所述多个内部空气通道中的至少一个从所述表面中的一个或多个之间的公共接合部延伸到在所述表面中的一个上与所述叶片根部相邻的所述多个孔中的孔。
3.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其中，所述多个内部空气通道中的至少一个从所述表面中的一个或多个之间的公共接合部延伸到在所述表面中的一个上与所述转子叶片的叶片末梢相邻的多个孔中的孔。
4.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其中，所述多个内部空气通道中的至少一个从所述表面中的一个或多个之间的公共接合部延伸到与所述前缘相邻的所述多个孔中的孔。
5.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其中，所述多个内部空气通道中的至少一个从所述表面中的一个或多个之间的公共接合部延伸到与所述后缘相邻的所述多个孔中的孔。
6.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其中，如果所述压力梯度导致所述转子叶片上的空气动力学负载增加，则所述多个内部空气通道被动地引导来自所述表面中的至少一个上的所述多个孔中的一个或多个的气流以从所述表面中的至少一个上的所述孔中的另一个产生空气特征以减少所述空气动力学负载。
7.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其中，如果所述压力梯度导致所述转子叶片上的空气动力学负载减少，则所述多个内部空气通道被动地引导来自所述表面中的至少一个上的所述多个孔中的一个或多个的气流以从所述表面中的至少一个上的所述孔中的另一个产生空气特征以增加所述空气动力学负载。
8.根据权利要求7所述的转子叶片组件，其中，所述气流特征包括气流束，并且所述气流束是空气屏障或空气射流。
9.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其中，所述多个孔中的每个配置为基于所述压力梯度的方向从空气入口可逆地切换到空气出口。
10.一种风力涡轮，包括：
塔；
安装在所述塔顶部上的机舱；
转子，所述转子包括联接到所述机舱的可旋转毂，所述可旋转毂包括从其向外延伸的至少一个转子叶片组件，所述至少一个转子叶片组件包括：
转子叶片，所述转子叶片具有用于与所述可旋转毂接合的根部部分和从所述根部部分延伸并经历空气动力学负载的翼型部分，所述根部部分和所述翼型部分限定内部区域；和
在所述内部区域内的被动气流修改组件，所述被动气流修改组件包括：
用于引导气流的多个内部空气通道，所述多个内部空气通道中的每个从所述内部区域内的公共接合部延伸到由所述翼型部分限定的多个孔中的一个；
其中所述多个内部空气通道基于所述转子叶片周围的压力梯度被动地引导所述多个孔之间的气流以沿所述转子叶片的翼型部分产生可变气流特征，从而影响由所述转子叶片经历的所述空气动力学负载，并且其中所述多个孔中的每个配置为基于所述压力梯度的方向从空气入口可逆地切换到空气出口。
11.根据权利要求10所述的转子叶片组件，其中，如果所述压力梯度导致所述转子叶片上的空气动力学负载增加，则所述多个内部空气通道被动地引导来自所述表面中的至少一个上的所述多个孔中的一个或多个的气流以从所述表面中的至少一个上的所述孔中的另一个产生空气特征以减少所述空气动力学负载。
12.根据权利要求11所述的转子叶片组件，其中，如果所述压力梯度导致所述转子叶片上的空气动力学负载减少，则所述多个内部空气通道被动地引导来自所述表面中的至少一个上的所述多个孔中的一个或多个的气流以从所述表面中的至少一个上的所述孔中的另一个产生空气特征以增加所述空气动力学负载。
13.根据权利要求12所述的转子叶片组件，其中所述气流特征包括气流束，并且所述气流束是空气屏障或空气射流。
14.一种在风力涡轮的转子叶片的操作期间被动地修改所述风力涡轮的转子叶片周围的压力梯度的方法，所述方法包括：
提供所述转子叶片，所述转子叶片在叶片根部和叶片末梢之间延伸并且具有限定吸力侧表面、压力侧、前缘和后缘的表面，所述表面布置在一起以限定空气动力学壳体，所述空气动力学壳体配置为经历空气动力学负载；
在所述转子叶片的内部区域内提供多个内部空气通道，所述多个内部空气通道中的每个从所述内部区域内的公共接合部延伸到所述转子叶片的表面中的一个上的多个孔中的一个；
允许所述转子叶片围绕所述风力涡轮的可旋转毂旋转使得所述转子叶片经历压力梯度；并且
基于所述压力梯度被动地引导气流通过所述多个孔之间的所述多个内部空气通道以在所述转子叶片的表面中的一个上的所述多个孔中的另一个处产生气流特征，从而改变所述压力梯度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述多个孔中的一个或多个沿所述转子叶片的前缘定位或与所述转子叶片的前缘相邻定位。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述多个孔中的一个或多个沿所述转子叶片的翼型部分的后缘定位或与所述转子叶片的翼型部分的后缘相邻定位。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述多个孔中的一个或多个定位在所述转子叶片的叶片末梢或叶片根部中的至少一个上或与所述转子叶片的叶片末梢或叶片根部中的至少一个相邻定位。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，如果所述压力梯度导致所述转子叶片上的空气动力学负载增加，则所述多个内部空气通道被动地引导来自所述表面中的至少一个上的所述多个孔中的一个或多个的气流以从所述表面中的至少一个上的所述孔中的另一个产生空气特征以减少所述空气动力学负载。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，如果所述压力梯度导致所述转子叶片上的空气动力学负载减少，则所述多个内部空气通道被动地引导来自所述表面中的至少一个上的所述多个孔中的一个或多个的气流以从所述表面中的至少一个上的所述孔中的另一个产生空气特征以增加所述空气动力学负载。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述气流特征包括气流束，并且所述气流束是空气屏障或空气射流。
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