專(zhuān)利名稱：一種利用前緣舵片調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)葉片輸出功率的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種利用前緣舵片調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片輸出功率的裝置及方法。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)葉片作為一種能量轉(zhuǎn)換裝置，在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉 片的作用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，并予以輸出。為了最大限度地從空氣中提取風(fēng)能、提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率，在設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā) 電機(jī)時(shí)通常都需要對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的旋轉(zhuǎn)葉片能夠以最佳的氣動(dòng)性 能在某一指定的設(shè)計(jì)工況下(如額定風(fēng)速等)運(yùn)行，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率最高。但在風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受自然條件(如氣候、地形、地貌等)的影響，作用于 旋轉(zhuǎn)葉片的氣流總是復(fù)雜、多變的。因此，除了特定的設(shè)計(jì)工況(即額定工況)外，風(fēng)力發(fā) 電機(jī)還必須具備在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行的能力。在這些非設(shè)計(jì)工況下，氣流的速度大小、方向 可能大幅偏離額定風(fēng)速條件。在這一類(lèi)非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)葉片的氣動(dòng)性能將不可 避免地偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率大幅下降；極端狀態(tài)下，甚至可能影響發(fā) 電機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，為了保證旋轉(zhuǎn)葉片在所有工況下穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)都必須設(shè) 置一套控制系統(tǒng)，以此來(lái)調(diào)整葉片在非設(shè)計(jì)工況下的氣動(dòng)特性和整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功 率。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制方法主要有兩種變槳距控制和失速控制。(1)變槳距控制通過(guò)調(diào)整葉片槳距角，該控制方法可以減小葉片在大風(fēng)速非設(shè)計(jì)工況下的氣流攻 角，從而使旋轉(zhuǎn)葉片的輸出功率在較大風(fēng)速范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。(2)失速控制失速控制又可以細(xì)分為主動(dòng)失速控制和被動(dòng)失速控制兩種。失速是一種常見(jiàn)的流 動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)氣流攻角超過(guò)一定范圍時(shí)，氣動(dòng)構(gòu)型(如翼型、風(fēng)機(jī)葉片等)表面將發(fā)生大面積 流動(dòng)分離，從而導(dǎo)致其氣動(dòng)性能大幅下降。失速控制就是利用這一規(guī)律來(lái)抑制旋轉(zhuǎn)葉片的 輸出功率在大風(fēng)速非設(shè)計(jì)工況時(shí)過(guò)度增長(zhǎng)，以達(dá)到保護(hù)發(fā)電機(jī)組的目的。變槳距控制是當(dāng)前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展的主流。但該控制方法也存在比較明顯的 缺陷，主要包括如下幾個(gè)方面(1)控制機(jī)構(gòu)復(fù)雜且昂貴；(2)相對(duì)應(yīng)氣流變化速度來(lái)說(shuō)，變槳距的控制速度比較緩慢，流動(dòng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、反 應(yīng)滯后；(3)風(fēng)速變化所導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)葉片各展向位置的局部攻角變化是非線性的，但變槳 距控制只能在葉根處統(tǒng)一調(diào)整葉片攻角，因此變槳距控制所引入的攻角修正效果對(duì)葉片各 展向位置來(lái)說(shuō)是不一樣的，這導(dǎo)致相應(yīng)位置的氣動(dòng)性能也各不相同，葉片受力不均；(4)變槳距控制在偏航狀態(tài)下失效，因此當(dāng)風(fēng)機(jī)處于偏航狀態(tài)時(shí)必須先通過(guò)對(duì)風(fēng) 裝置對(duì)風(fēng)，然后再根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行變槳距控制。
正是由于存在上述缺陷，因此在風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，變槳距控制可能導(dǎo)致大 幅度(如100% )的功率波動(dòng)。與變槳距控制方法相比，失速控制具有控制方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此是早期開(kāi)發(fā)風(fēng) 力發(fā)電機(jī)的首選，但其缺點(diǎn)也十分突出(1)失速導(dǎo)致葉片氣動(dòng)性能急劇下降，且流動(dòng)的非定常特征突出，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)發(fā) 電效率大幅降低、輸出功率的非定常脈動(dòng)特征大幅增強(qiáng)；(2)失速加劇了葉片自身的氣動(dòng)彈性變形，長(zhǎng)期運(yùn)行在失速區(qū)內(nèi)，將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的使 用壽命大幅下降； (3)失速控制同樣不適用于偏航狀態(tài)。此外，也有一些專(zhuān)利技術(shù)采用旋渦發(fā)生器來(lái)修正風(fēng)機(jī)葉片的輸出功率，如 CN101539119-A、US20090285682A1、W02009080316-A2、W02009026928-A2 等。這類(lèi)專(zhuān)利技術(shù) 中，利用旋渦發(fā)生器產(chǎn)生的擾動(dòng)渦流，可以促使葉片上、下表面的流動(dòng)提前分離和失速。但 是，由于這些旋渦發(fā)生器通常尺度很小(如毫米量級(jí))，且多布置在葉片上、下表面。一旦這 些區(qū)域已經(jīng)發(fā)生流動(dòng)分離，則旋渦發(fā)生器將不再起作用。因此，這些控制方案適用的工況范 圍較小，控制效果比較有限。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片在大風(fēng)速非設(shè)計(jì)工況下的功率控制問(wèn)題，本專(zhuān)利提出了一種基于前 緣舵片來(lái)控制葉片出力的新方法及相關(guān)的控制舵片設(shè)計(jì)方案。本專(zhuān)利的中心思想是在旋轉(zhuǎn)葉片前緣安裝一系列控制舵片，在各氣流狀態(tài)下通過(guò) 調(diào)整舵片的控制狀態(tài)(如滾轉(zhuǎn)姿態(tài)角Φ和俯仰姿態(tài)角△ α)來(lái)保證持續(xù)穩(wěn)定的風(fēng)機(jī)葉片 出力和發(fā)電功率輸出。圖1和圖2分別對(duì)應(yīng)舵片的兩種控制狀態(tài)。其中，圖1對(duì)應(yīng)舵片在 設(shè)計(jì)工況(如額定風(fēng)速)時(shí)的控制狀態(tài)，圖2則對(duì)應(yīng)舵片在大風(fēng)速非設(shè)計(jì)工況時(shí)的控制狀 態(tài)。本專(zhuān)利的技術(shù)方案如下在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片上增加一系列舵片，所述舵片位于旋轉(zhuǎn)葉片前緣；所述 舵片通過(guò)連接桿件和葉片內(nèi)的控制機(jī)構(gòu)相連；所述舵片由控制機(jī)構(gòu)控制執(zhí)行兩種動(dòng)作繞 舵片自身對(duì)稱軸作滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿旋轉(zhuǎn)葉片展向作俯仰運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)范圍分別對(duì)應(yīng)于滾動(dòng)姿 態(tài)角Φ和俯仰姿態(tài)角△ α ；每一個(gè)舵片(6)的姿態(tài)角都能夠單獨(dú)調(diào)整，所有舵片的姿態(tài)角 也能夠統(tǒng)一調(diào)整。相鄰舵片的間距1取值為葉片弦長(zhǎng)c的1/8 1/2 ；舵片自身的長(zhǎng)度a取值為相 鄰舵片間距1的5% 30%。所述舵片位于旋轉(zhuǎn)葉片50%展長(zhǎng)至葉尖(5)之間的葉片前緣。所述滾轉(zhuǎn)姿態(tài)角Φ的控制范圍0° 180°，俯仰姿態(tài)角Δα的控制范圍 為-60° 30°。所述舵片的制造材料可以采用玻璃纖維/碳纖維復(fù)合材料、強(qiáng)化鋁、鋼或其他金 屬材質(zhì)。所述舵片為三角翼形狀，舵片截面形狀為雙弧形；舵片形狀角(后掠角)Λ的取值 范圍為30° 80°，長(zhǎng)a的取值范圍為舵片間距1的0.05 0.3倍，寬b = 2aX cotA，厚度 t < 0. la。舵片與葉片前緣的安裝間隙8小于舵片長(zhǎng)度a的0. 2倍。本發(fā)明同時(shí)提供一種利用上述調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)葉面輸出功率的方法，步驟如 下在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速和電機(jī)輸出功率的變化，持續(xù)對(duì)舵片的滾 轉(zhuǎn)姿態(tài)角 和俯仰姿態(tài)角△ a進(jìn)行調(diào)整，直至風(fēng)機(jī)輸出功率落在合理的區(qū)間范圍內(nèi)。本專(zhuān)利技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)如下(1)由于前緣舵片體積小，其自身所受氣動(dòng)力也很小。因此，相對(duì)于變槳距控制來(lái) 說(shuō)，本專(zhuān)利技術(shù)可以更敏捷地對(duì)氣流的瞬時(shí)擾動(dòng)予以響應(yīng)，控制速度快、響應(yīng)時(shí)間短；(2)由于舵片體積小、自身所受氣動(dòng)力小，所以用于操縱舵片的控制系統(tǒng)可以設(shè)計(jì) 得非常簡(jiǎn)單，并且可以非常靈活地布置在葉片內(nèi)部空腔中；(3)本專(zhuān)利在旋轉(zhuǎn)葉片前緣安裝了一系列控制舵片，并且可以根據(jù)需要對(duì)每個(gè)舵 片的姿態(tài)角進(jìn)行單獨(dú)控制，從而對(duì)葉片各展向位置的氣動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)控制，這一優(yōu)點(diǎn)是 當(dāng)前各控制方法所不具備的；(4)當(dāng)處于偏航狀態(tài)時(shí)，葉片各展向位置的局部攻角將隨葉片旋轉(zhuǎn)而周期性變化。 在本專(zhuān)利中，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整前緣舵片的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)角 ，可以有效消除這一類(lèi)由于非對(duì)稱性 氣流所導(dǎo)致的葉片出力周期性脈動(dòng)。利用本發(fā)明提供的裝置和方法，可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片更敏捷地對(duì)氣流的 瞬時(shí)擾動(dòng)予以響應(yīng)，控制速度快、響應(yīng)時(shí)間短；用于操縱舵片的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，并 且可以非常靈活地布置在葉片內(nèi)部空腔中；可以根據(jù)需要對(duì)每個(gè)舵片的姿態(tài)角進(jìn)行單獨(dú)控 制，從而對(duì)葉片各展向位置的氣動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)控制，這一優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)前各控制方法所不具 備的；本專(zhuān)利技術(shù)能夠有效改善旋轉(zhuǎn)葉片在大風(fēng)速非設(shè)計(jì)工況時(shí)的氣動(dòng)性能，提高風(fēng)力發(fā) 電機(jī)組的運(yùn)行效率。


圖1 旋轉(zhuǎn)葉片與前緣舵片結(jié)構(gòu)示意圖(適用于設(shè)計(jì)工況)(a)旋轉(zhuǎn)葉片及舵片；(b)舵片與葉片前緣的連接狀態(tài)示意圖；(c)是(b)的側(cè)視剖面圖；(d)舵片結(jié)構(gòu)尺寸；圖2 旋轉(zhuǎn)葉片與前緣舵片結(jié)構(gòu)示意圖(適用于非設(shè)計(jì)工況)；圖3 舵片在葉片偏航等非對(duì)稱流動(dòng)中的控制狀態(tài)示意圖；圖4 舵片形狀示例(a)舵片表面形狀(圖2 (b)中A-A視圖)；(b)截面形狀；圖5:控制流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫 助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi) 容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。本專(zhuān)利的實(shí)施案例的整體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。圖1是風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片及本專(zhuān)利設(shè)計(jì)的控制舵片結(jié)構(gòu)示意圖。圖1 (a)中結(jié) 構(gòu)1表示旋轉(zhuǎn)葉片上表面(吸力面)；結(jié)構(gòu)2表示葉片前緣；結(jié)構(gòu)3表示葉片后緣；結(jié)構(gòu)4 表示葉片根部，它是葉片與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的連接面；結(jié)構(gòu)5表示葉梢(即葉尖)；結(jié)構(gòu)6是本專(zhuān) 利設(shè)計(jì)的控制舵片，本專(zhuān)利在葉片前緣2沿展向(即從葉根4指向葉梢5)布置了一系列控 制舵片。相對(duì)于葉片來(lái)說(shuō)，本專(zhuān)利設(shè)計(jì)的舵片結(jié)構(gòu)尺寸很小，舵片本身所受的氣動(dòng)力也相對(duì) 較小。因此，舵片的制造材料可以采用玻璃纖維/碳纖維復(fù)合材料、強(qiáng)化鋁、鋼或其他金屬 材質(zhì)等。圖1(a)中，U表示風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速，L表示葉片展長(zhǎng)(即從葉根4或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸軸心至葉梢 5之間的徑向距離)，c表示葉片最大弦長(zhǎng)(即從葉片前緣2至葉片后緣3之間的距離)，1 表示相鄰舵片的間距。過(guò)大或過(guò)小的舵片間距都是應(yīng)該避免的。本專(zhuān)利中，舵片間距取1 =(1/8 l/2)c。對(duì)于旋轉(zhuǎn)葉片，并不需要在葉片全展長(zhǎng)范圍內(nèi)都加裝舵片。研究結(jié)果表 明，在葉根4至50%展長(zhǎng)的葉片內(nèi)段加裝舵片時(shí)，其控制效果不明顯。因此，圖1(a)中，舵 片主要安裝在展向位置大于50% L的葉片外段。圖1 (b)描述了在設(shè)計(jì)工況(額定風(fēng)速條件)時(shí)單個(gè)舵片與葉片之間的相對(duì)位置 (局部放大圖)。圖1(b)中結(jié)構(gòu)7表示旋轉(zhuǎn)葉片前緣開(kāi)縫；結(jié)構(gòu)8表示連接桿件，它直接 穿過(guò)葉片前緣開(kāi)縫7，將舵片與安裝在葉片內(nèi)部空腔中的控制機(jī)構(gòu)10連接起來(lái)；結(jié)構(gòu)9則 表示葉片空腔中用于固定控制機(jī)構(gòu)10的底座；結(jié)構(gòu)11表示旋轉(zhuǎn)葉片下表面。圖1(c)是圖1(b)的側(cè)視圖。其中8表示舵片與旋轉(zhuǎn)葉片前緣之間的安裝間隙。 圖1(d)則給出了舵片自身的結(jié)構(gòu)尺寸。其中，a、b、t分別表示舵片的長(zhǎng)、寬、高(厚度)。 此外，利用舵片的形狀角A (即舵片前緣的后掠角)來(lái)描述舵片形狀。顯然，a、b和A之 間滿足幾何關(guān)系b = 2aXCOtA。這樣，舵片的尺寸大小將主要取決于長(zhǎng)度a。本專(zhuān)利中， 取&= (0.05 0.3)1，其中1是相鄰舵片的間距，如圖1(a)所示。舵片形狀角(后掠角) A是影響控制效果的重要參數(shù)。本專(zhuān)利中，取A =30° 80°。舵片厚度t也對(duì)控制效 果具有一定影響。本專(zhuān)利中，宜選取相對(duì)厚度小于10%的薄片結(jié)構(gòu)，即t/a彡10%。此外， 為了避免舵片與葉片前緣之間的間隙流動(dòng)對(duì)控制效果可能造成的不利影響，可以將安裝間 隙5控制在合理范圍內(nèi)。本專(zhuān)利中，取5 <0.2a。圖1(b)顯示，舵片6在控制過(guò)程中可以繞自身對(duì)稱軸進(jìn)行滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，記其滾轉(zhuǎn)姿 態(tài)角為 ，且記圖1(b)所示控制狀態(tài)的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)角6=0°。則在控制過(guò)程中，舵片進(jìn) 行滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的范圍為4=0° 180°。圖1(b)中，舵片與葉片前緣的繞流平行，舵片將 完全浸沒(méi)在葉片前緣的附著流中，也即舵片表面的流動(dòng)也將完成處于附著流狀態(tài)。這樣，圖 1 (b)所示的舵片將不會(huì)對(duì)其后旋轉(zhuǎn)葉片表面的附著流動(dòng)產(chǎn)生任何消極影響，保證葉片在額 定工況下以最佳發(fā)電效率運(yùn)行。因此，圖1(b)所示的舵片狀態(tài)適用于在額定工況下運(yùn)行的 旋轉(zhuǎn)葉片。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，由于風(fēng)場(chǎng)氣候條件的變化，風(fēng)機(jī)葉片在很多時(shí)候都不得不 運(yùn)行在大風(fēng)速非設(shè)計(jì)工況下。如前所述，在大風(fēng)速非設(shè)計(jì)工況條件下，旋轉(zhuǎn)葉片通常都處于 失速狀態(tài)，葉片上表面1的近壁流動(dòng)表現(xiàn)為大范圍邊界層分離，形成較大的流動(dòng)分離區(qū)。在分離區(qū)內(nèi)，流動(dòng)減速且紊亂，導(dǎo)致葉片上表面1處壓力升高(相對(duì)于附著流狀態(tài)來(lái)說(shuō))，降低 葉片氣動(dòng)效率(葉片下表面8與上表面1之間的壓力差是葉片升力等氣動(dòng)特性參數(shù)的主要 來(lái)源)。將葉片前緣的舵片6滾轉(zhuǎn)90° (即小=90° )，如圖2 (a_b)所示，利用舵片6 與旋轉(zhuǎn)葉片前緣繞流相互作用所產(chǎn)生的強(qiáng)旋渦流動(dòng)，可以有效提高旋轉(zhuǎn)葉片在大風(fēng)速非設(shè) 計(jì)工況條件下的氣動(dòng)性能。當(dāng)舵片6處于圖2(b)所示的控制狀態(tài)時(shí)，葉片前緣繞流與三角 翼狀的舵片6之間的相對(duì)攻角(夾角)較大，氣流經(jīng)過(guò)舵片6后將形成強(qiáng)旋渦(流向渦結(jié) 構(gòu))。這些流向渦結(jié)構(gòu)將顯著增強(qiáng)葉片上表面1的近壁流動(dòng)動(dòng)量，增強(qiáng)其抵抗逆壓梯度和流 動(dòng)分離的能力，縮小葉片上表面的分離區(qū)，有效改善葉片的氣動(dòng)性能，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在大風(fēng) 速非設(shè)計(jì)工況下保持比較穩(wěn)定的輸出功率。為了對(duì)葉片在非設(shè)計(jì)工況的輸出功率進(jìn)行精細(xì)控制，本專(zhuān)利進(jìn)一步賦予舵片6 以俯仰運(yùn)動(dòng)自由度A a，如圖2(c)所示。本專(zhuān)利中，舵片進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)的范圍為A a =-60° 30°，在設(shè)計(jì)具體葉片的過(guò)程中，也可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)這一取值范圍進(jìn)行適 當(dāng)擴(kuò)充。Aa <0，表示舵片向下轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2(c)所示，相對(duì)舵片的氣流攻角減??；反之， A a >0，舵片向上轉(zhuǎn)動(dòng)，攻角增大。通過(guò)調(diào)整舵片6的俯仰姿態(tài)角(如圖2(c)所示，舵片6轉(zhuǎn)動(dòng)至6’，反之亦可)，可 以調(diào)整舵片所產(chǎn)生的流向渦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱，從而改變其對(duì)葉片上表面分離區(qū)作用的強(qiáng)度，最 終盡可能減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的脈動(dòng)幅值。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在偏航等非對(duì)稱氣流中時(shí)，葉片表面的展向流動(dòng)及葉片各橫截 面的局部攻角隨葉片旋轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)周期性變化，從而導(dǎo)致葉片受力和輸出功率也表現(xiàn)出相同 的周期特性。當(dāng)前的商用風(fēng)力發(fā)電機(jī)都只能通過(guò)整體轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)輪(對(duì)風(fēng))，使風(fēng)機(jī)重新處于正 風(fēng)而非偏航狀態(tài)。但由于商用風(fēng)力發(fā)電機(jī)都具有龐大的結(jié)構(gòu)尺寸和重量，因此對(duì)風(fēng)過(guò)程通 常都是非常緩慢的。在本專(zhuān)利中，可以通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整舵片的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)角 ，如圖3所示，利 用舵片在側(cè)滑狀態(tài)下的導(dǎo)流作用和強(qiáng)旋渦流動(dòng)來(lái)削弱甚至消除葉片上表面的非對(duì)稱流動(dòng)， 保持葉片受力和輸出功率的穩(wěn)定。在本實(shí)施例中，取葉片長(zhǎng)L = 5m,葉片根弦長(zhǎng)c = 0. 8m，相鄰舵片間距1 = 0. 3c, 舵片長(zhǎng)a = 0.251，舵片形狀角A =65° (寬b = 2aX cot A)，舵片厚度t = 0. la，舵片 與葉片前緣的安裝間隙為S = 0.15a。舵片采用玻璃鋼材質(zhì)制造。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本 實(shí)施例不對(duì)舵片作打磨、光滑處理，舵片截面形狀直接采用圖4(b)中的矩形。本實(shí)施例中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的風(fēng)速范圍為10m/s-20m/s，其中10m/S是風(fēng)機(jī) 葉片的額定風(fēng)速，葉片轉(zhuǎn)速為1.2轉(zhuǎn)/秒。為了對(duì)控制效果作對(duì)比分析，本實(shí)施例分為兩 步首先，對(duì)不加舵片的風(fēng)機(jī)輸出功率進(jìn)行測(cè)試；然后，按圖1和圖2所示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在 風(fēng)機(jī)葉片前緣加裝舵片，重新測(cè)試舵片在大風(fēng)速非設(shè)計(jì)工況下(即風(fēng)速U> lOm/s)的控制 效果。測(cè)試結(jié)果如下。(1)不加舵片時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出功率在10m/s-20m/s風(fēng)速范圍的波動(dòng)幅值為13%。其 中，15m/s風(fēng)速時(shí)，葉片輸出功率比額定風(fēng)速時(shí)低13% ；20m/s風(fēng)速時(shí)，葉片輸出功率比額定 風(fēng)速時(shí)低10%。(2)采用舵片控制方案后，風(fēng)機(jī)輸出功率的波動(dòng)幅值降至2%。具體控制過(guò)程如 下額定風(fēng)速(U= 10m/s)時(shí)，舵片滾轉(zhuǎn)姿態(tài)角4=0°，俯仰姿態(tài)角A a = 0°，即保持圖1所示狀態(tài)，風(fēng)機(jī)輸出功率與不加舵片時(shí)一致(也即此時(shí)舵片對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片氣動(dòng)特性 的副作用可以忽略)；當(dāng)風(fēng)速增至15m/s時(shí)，舵片滾轉(zhuǎn)姿態(tài)角 =90°，俯仰姿態(tài)角A a =-15°，葉片輸出功率比不加控制時(shí)的輸出功率提高11%，從而使輸出功率的波動(dòng)幅值 降至2% ；風(fēng)速增至20m/s時(shí)，舵片滾轉(zhuǎn)姿態(tài)角 = 90°，俯仰姿態(tài)角A a = -5°，控制 后的葉片輸出功率比額定風(fēng)速時(shí)增大1. 2% (即波動(dòng)幅值)，比不加控制時(shí)的輸出功率提高 9%。 在圖1-圖3所示的結(jié)構(gòu)示意圖中，舵片主要采用三角翼形狀，舵片截面形狀采用 雙弧形。圖4還給出了適用于本專(zhuān)利的其他幾種舵片形狀，如梯形、弧形等，舵片截面則可 以采用菱形、矩形、梯形等。在實(shí)際設(shè)計(jì)舵片結(jié)構(gòu)時(shí)，也可以圖4為基礎(chǔ)，適當(dāng)加以修改。
權(quán)利要求
一種調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片輸出功率的裝置，其特征在于，該裝置主要由多個(gè)舵片(6)組成；所述舵片(6)位于旋轉(zhuǎn)葉片前緣；所述舵片(6)通過(guò)連接桿件(8)和旋轉(zhuǎn)葉片內(nèi)的控制機(jī)構(gòu)(10)相連；所述舵片(6)由控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行兩種動(dòng)作繞舵片(6)自身對(duì)稱軸作滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿旋轉(zhuǎn)葉片展向作俯仰運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)范圍分別對(duì)應(yīng)于滾動(dòng)姿態(tài)角φ和俯仰姿態(tài)角Δα；每一個(gè)舵片(6)的姿態(tài)角都能夠單獨(dú)調(diào)整，所有舵片的姿態(tài)角也能夠統(tǒng)一調(diào)整。
2.如權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，相鄰舵片(6)的間距1取值為葉片弦長(zhǎng) c的1/8 1/2;舵片(6)自身的長(zhǎng)度a取值為相鄰舵片間距1的5% 30%。
3.如權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，所述舵片(6)位于旋轉(zhuǎn)葉片50%展長(zhǎng) 位置至葉尖(5)之間的葉片前緣。
4.如權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，所述滾轉(zhuǎn)姿態(tài)角Φ的控制范圍0° 180°，俯仰姿態(tài)角Δα的控制范圍為-60° 30°。
5.如權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，所述舵片(6)的制造材料采用玻璃纖維 /碳纖維復(fù)合材料、強(qiáng)化鋁、鋼或其他金屬材質(zhì)。
6.如權(quán)利要求2所述的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，所述舵片(6)外形采用三角翼、梯形 或弧形等，舵片橫截面采用為雙弧形、菱形、矩形、梯形等；舵片形狀角Λ的取值范圍為 30° 80°，舵片長(zhǎng)a的取值范圍為舵片間距1的0.05 0.3倍，寬b = 2aX cotA，厚度 t 彡 0. la。
7.如權(quán)利要求2所述的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，舵片(6)與葉片前緣的安裝間隙δ小 于舵片長(zhǎng)度a的0.2倍。
8.一種利用如權(quán)利要求1所述裝置控制旋轉(zhuǎn)葉片輸出功率的方法，其特征在于，在風(fēng) 力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的變化，持續(xù)對(duì)舵片(6) 的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)角Φ和俯仰姿態(tài)角△ α進(jìn)行調(diào)整，直至風(fēng)機(jī)輸出功率落在合理的區(qū)間范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，對(duì)舵片(6)姿態(tài)角Φ和Δα的調(diào)整可以是 對(duì)單個(gè)舵片進(jìn)行獨(dú)立操作，也可以是對(duì)所有舵片進(jìn)行統(tǒng)一操作。
全文摘要
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)，是一種利用前緣舵片調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)葉片輸出功率的裝置及方法。通過(guò)在旋轉(zhuǎn)葉片前緣加裝一定數(shù)量的舵片，利用舵片在不同姿態(tài)角下產(chǎn)生的強(qiáng)旋渦流動(dòng)對(duì)葉片上表面的流動(dòng)特性進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)，改變其原有的氣動(dòng)特性，使葉片在較大運(yùn)行工況范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的輸出功率；舵片具有滾轉(zhuǎn)和俯仰兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，實(shí)際控制過(guò)程中，既可以使所有舵片保持統(tǒng)一的姿態(tài)角，又可以根據(jù)需要單獨(dú)調(diào)整每一個(gè)舵片的姿態(tài)角。本發(fā)明提供的裝置，設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，控制更加靈活和精細(xì)，能夠有效改善旋轉(zhuǎn)葉片在大風(fēng)速非設(shè)計(jì)工況時(shí)的氣動(dòng)性能，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率。
文檔編號(hào)F03D7/00GK101865081SQ20101021524
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月1日
發(fā)明者吳介之, 張日葵 申請(qǐng)人:北京大學(xué)