用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的雙用途縫翼－擾流板的制作方法
【專利摘要】安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片（22）的前向吸力側(cè)（40）之上的氣動(dòng)縫翼（30）和關(guān)閉或減小縫翼和葉片之間的間隙（31）的機(jī)構(gòu)（51A?F）。所述縫翼可樞轉(zhuǎn)以減小所述間隙，或者可通過例如可延伸的閘門（58）或蝶板（59）或阻尼板（60）之類的裝置來減小所述間隙。當(dāng)風(fēng)況滿足或超過例如額定風(fēng)況之類的預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，控制邏輯（64）激活所述機(jī)構(gòu)的促動(dòng)器（70）以關(guān)閉或減小所述間隙。這通過在所述縫翼的下游葉片的吸力側(cè)之上分離氣流（53）而減小了葉片上的風(fēng)力載荷。然后，葉片在額定風(fēng)況期間能夠維持比現(xiàn)有技術(shù)中更高的攻角，從而允許它們?cè)陉囷L(fēng)中更快地失速，以限制峰值氣動(dòng)載荷。
【專利說明】
用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的雙用途縫翼一擾流板
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明一般涉及風(fēng)力渦輪機(jī)的領(lǐng)域，并且更具體而言，涉及一種用于在強(qiáng)風(fēng)中減小風(fēng)力渦輪機(jī)上的氣動(dòng)載荷的裝置，并且特別是涉及一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的雙用途的縫翼和擾流板。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)力渦輪機(jī)葉片靠近葉片根部具有厚的翼型部段，以使得由于高結(jié)構(gòu)效率而能夠?qū)崿F(xiàn)低質(zhì)量設(shè)計(jì)。然而，結(jié)構(gòu)效率以氣動(dòng)效率的降低為代價(jià)。使用在厚的葉片部段上可包括縫翼和/或襟翼的多段翼型一般在維持結(jié)構(gòu)效率的同時(shí)改善氣動(dòng)性能。
[0003]全翼展葉片變槳控制(pitch control)通過改變沿葉片的攻角有效地控制氣動(dòng)轉(zhuǎn)子功率。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)以額定功率輸出操作時(shí)，葉片被變槳調(diào)節(jié)為更朝向順槳(towardsfeather)(“迎風(fēng)”)，這減小攻角以及產(chǎn)生的氣動(dòng)力。然而，這在能夠快速增加攻角的陣風(fēng)期間產(chǎn)生升力產(chǎn)生潛力的較大增加(圖10)，從而導(dǎo)致葉片和其他渦輪機(jī)部件上急劇增加的氣動(dòng)力和氣動(dòng)載荷。這對(duì)從葉片到塔的基部的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)施的所有部分施加了高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度余量要求，伴隨著由此導(dǎo)致的重量和費(fèi)用。
【附圖說明】
[0004]鑒于附圖在以下描述中解釋本發(fā)明，附圖示出了:
圖1是具有縫翼的現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的吸力側(cè)視圖。
[0005]圖2是具有縫翼的現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的內(nèi)側(cè)部分的透視圖。
[0006]圖3是沿圖1的線3— 3所取的具有縫翼的厚翼型部段的橫剖面圖。
[0007]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的縫翼/擾流板樞轉(zhuǎn)的實(shí)施例。
[0008]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的另一縫翼/擾流板樞轉(zhuǎn)的實(shí)施例。
[0009]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的閘門的實(shí)施例。
[0010]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的蝶板的實(shí)施例。
[0011]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的阻尼器的實(shí)施例。
[0012]圖9示出了用于本發(fā)明的控制系統(tǒng)的實(shí)施例。
[0013]圖10是如在本領(lǐng)域中已知的升力系數(shù)隨攻角的變化圖。
[0014]圖11示出了在轉(zhuǎn)子輪轂中具有促動(dòng)器的縫翼/擾流板樞轉(zhuǎn)的實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0015]圖1示出了具有徑向定向的葉片22的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子20的下風(fēng)側(cè)，所述徑向定向的葉片22有時(shí)稱為主翼(main airfoil)，其大致在平面23或旋轉(zhuǎn)盤中旋轉(zhuǎn)。在該視圖中看到葉片的吸力側(cè)40，其中，風(fēng)被導(dǎo)引成大致穿過頁(yè)面的平面/進(jìn)入到頁(yè)面的平面中。該圖中僅圖示了旋轉(zhuǎn)的元件，其中，未示出風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電設(shè)備的典型的機(jī)艙和塔。每個(gè)主葉片22具有徑向內(nèi)側(cè)端或根部端24，所述徑向內(nèi)側(cè)端或根部端24是較厚的，以承受法向于葉片翼型的翼弦的翼面向載荷(flapwise loads)。根部24被附接到共同的輪轂26，所述輪轂26可具有稱為整流罩28的蓋。每個(gè)葉片可具有氣動(dòng)縫翼30，其通過例如氣動(dòng)支柱32之類的支撐結(jié)構(gòu)安裝在每個(gè)葉片22的前部之上。通過作為高效的小翼型件以及通過延遲并且減少在主翼的吸力側(cè)上的流動(dòng)分離二者，縫翼在所述厚的翼型部段上提供了增加的氣動(dòng)效率和增加的升力。
[0016]圖2是在前緣42和后緣44之間具有壓力側(cè)38和吸力側(cè)40的葉片22的內(nèi)側(cè)部分36的透視圖。葉片的橫剖面輪廓可從根部24處的圓柱形PC逐漸過渡到處于肩部47處及越過所述肩部47的翼型形狀PA，所述肩部47是葉片22的最長(zhǎng)弦長(zhǎng)的位置。在正常操作中，貫穿縫翼30在其內(nèi)側(cè)端30A和外側(cè)端30B之間的翼展，縫翼30可具有高效的翼型形狀和攻角。主翼22和縫翼30具有相應(yīng)的弦長(zhǎng)Cl、C2。
[0017]圖3示出了在前緣42和后緣44之間具有弦長(zhǎng)CI的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片22的厚的內(nèi)側(cè)翼型剖面?？p翼30在氣動(dòng)支柱32上以給定的間隙距離31安裝在翼型的前吸力側(cè)部分之上。還示出了旋轉(zhuǎn)平面23、絕對(duì)風(fēng)向46、相對(duì)風(fēng)向48以及受翼型之上的縫翼影響的流線50。所述縫翼有助于防止吸力側(cè)40上方的流動(dòng)分離。
[0018]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的縫翼/擾流板的實(shí)施例51A。通過借助例如位于葉片中、支撐支柱32中或轉(zhuǎn)子輪轂中的例如伺服電機(jī)、機(jī)電螺線管或液壓活塞之類的裝置來促動(dòng)的樞軸或樞轉(zhuǎn)軸承54，縫翼30的后緣52朝向主翼22樞轉(zhuǎn)。在所示的樞轉(zhuǎn)位置，縫翼30失速，并且部分或完全地關(guān)閉縫翼和主翼之間的間隙，從而使縫翼起到擾流板的作用。這使氣流53與主翼的吸力側(cè)40分離，從而引起升力損失。在高操作風(fēng)速期間(在已實(shí)現(xiàn)額定功率之后)采用這種效果減小配有擾流板縫翼的內(nèi)側(cè)葉片部段所產(chǎn)生的升力和功率的量。為了補(bǔ)償這種降低的內(nèi)側(cè)功率產(chǎn)生，整個(gè)葉片隨后必須被變槳調(diào)節(jié)成使得外側(cè)葉片以更接近失速的更高的攻角運(yùn)行，并且因此，對(duì)整個(gè)葉片(內(nèi)側(cè)和外側(cè))而言，在陣風(fēng)的情況下大的氣動(dòng)載荷變化的可能性減小。這種效果也能在停放狀態(tài)或其他非操作狀態(tài)期間部署，使得擾流板限制在極端風(fēng)速的情況下裝配的部段所能產(chǎn)生的最大可能的升力。一個(gè)益處在于，使得更長(zhǎng)的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片成為可能，從而允許更高效率的風(fēng)力渦輪機(jī)。另一個(gè)益處是通過降低整體強(qiáng)度要求和重量降低了安裝成本。另一個(gè)益處是減少了變槳活動(dòng)，并且因此，減少了對(duì)變槳控制系統(tǒng)的磨損。另一個(gè)益處是變槳系統(tǒng)的成本降低，這是因?yàn)樗恍枰敲纯?，以那么快地?duì)陣風(fēng)作出反應(yīng)。樞轉(zhuǎn)軸承54的軸線可位于沿所述縫翼的任何位置處，例如，在一個(gè)實(shí)施例中位于縫翼30的氣動(dòng)中心處，以最小化促動(dòng)力，或者在其他非限制性實(shí)施例中，位于與縫翼的前緣相距縫翼弦長(zhǎng)的25-50%處。
[0019]圖5示出了縫翼/擾流板的實(shí)施例51B，其中，縫翼30的前緣56在強(qiáng)風(fēng)中朝向主翼22樞轉(zhuǎn)。通過該樞轉(zhuǎn)動(dòng)作，可部分或完全地關(guān)閉縫翼30和主翼22之間的間隙的最小長(zhǎng)度。在促動(dòng)器的控制下，縫翼30繞支撐支柱32上的樞轉(zhuǎn)軸承54樞轉(zhuǎn)，所述促動(dòng)器例如伺服電機(jī)、機(jī)電螺線管、液壓活塞或位于葉片22中或之上、支撐支柱32中或轉(zhuǎn)子輪轂中的其他合適的裝置。實(shí)施例51A和51B可使用相同或相似的硬件，差別在于樞轉(zhuǎn)方向，所述樞轉(zhuǎn)方向可基于風(fēng)況和所需的氣動(dòng)制動(dòng)的量來確定。
[0020]圖6示出了縫翼/擾流板的實(shí)施例51C，其中，可延伸的閘門58在間隙31中形成閘門閥，所述閘門閥部分或完全地關(guān)閉縫翼30和主翼22之間的間隙。作為非限制性示例，通過例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺旋傳動(dòng)或小齒輪傳動(dòng)、機(jī)電螺線管或者液壓活塞之類的主翼中的促動(dòng)器，閘門58可以伸出和縮回。
[0021]圖7示出了縫翼/擾流板的實(shí)施例51D，其中，可旋轉(zhuǎn)的蝶板59部分或完全地關(guān)閉縫翼30和主翼22之間的間隙。通過處于支柱32中、主翼22中或轉(zhuǎn)子輪轂中的促動(dòng)器可使所述蝶板旋轉(zhuǎn)。
?0022] 圖8示出了縫翼/擾流板的實(shí)施例51Ε，其中，阻尼板(或風(fēng)擋板，damper plate)62形成部分或完全地關(guān)閉縫翼30和主翼22之間的間隙31的閥。通過處于支柱32中或主翼中或轉(zhuǎn)子輪轂中的促動(dòng)器，可使阻尼板60旋轉(zhuǎn)。在實(shí)施例51C、51D和51E中，縫翼30相對(duì)于葉片22可以是固定和靜止的。
[0023]圖9示出了控制邏輯單元64，當(dāng)達(dá)到一個(gè)或多個(gè)預(yù)定閾值時(shí)，所述控制邏輯單元64使用可獲得的傳感器輸入，例如風(fēng)速66、槳距(pitch)67和轉(zhuǎn)子速度68和/或?qū)С龅膮?shù)，通過促動(dòng)器70來激活本文中的實(shí)施例的擾流板功能。例如，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到或超過額定條件時(shí)，可以激活擾流板功能(即，減小間隙)。例如，這可通過風(fēng)速以及例如風(fēng)變率(w i n dvariability)或轉(zhuǎn)子上的氣動(dòng)載荷之類的可能的其他因素來確定。風(fēng)變率例如可由風(fēng)速的瞬時(shí)變化或通過例如統(tǒng)計(jì)方差之類的導(dǎo)出度量方法(derived metrics means)或高階風(fēng)速導(dǎo)數(shù)的組合得到。
[0024]圖10示出了風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的升力系數(shù)隨攻角的變化關(guān)系。陣風(fēng)能夠快速地增加風(fēng)速和攻角二者。在正常操作期間，陣風(fēng)在升力72的小幅提高之后引起失速。在后額定(post-rated)(強(qiáng)風(fēng))操作期間，照慣例減小攻角以減小升力。但這使得在失速發(fā)生之前陣風(fēng)能夠引起升力74的較大提高，從而允許氣動(dòng)載荷以及隨后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和疲勞的高峰值。本發(fā)明允許攻角在后額定操作期間保持較高，從而通過使得在陣風(fēng)期間能夠在主翼上實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有技術(shù)中更迅速的失速，來保護(hù)葉片免受過應(yīng)力的影響。
[0025]圖11示出了實(shí)施例51F，其中，每個(gè)縫翼30從轉(zhuǎn)子輪轂26中的相應(yīng)的樞轉(zhuǎn)軸承78延伸。每個(gè)縫翼繞翼展向軸線80樞轉(zhuǎn)，所述翼展向軸線80例如位于與縫翼的前緣相距縫翼弦長(zhǎng)C2的25-50%處或沿縫翼的氣動(dòng)中心定位。該實(shí)施例可利用沒有支撐支柱的懸臂式縫翼來實(shí)現(xiàn)。因此，它提供了相對(duì)簡(jiǎn)單的改型，例如，通過安裝具有附接的縫翼30、促動(dòng)器70以及功率和邏輯連接件76的替換整流罩。
[0026]通過結(jié)合氣動(dòng)載荷控制能力，本發(fā)明建立在多段翼型的使用上。這些附加的能力減小了操作和非操作的氣動(dòng)葉片載荷，并且除全翼展的變槳控制之外，還提供了用于控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩和功率的機(jī)構(gòu)。本文中實(shí)施例的擾流板機(jī)構(gòu)與縫翼具有氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。
[0027]雖然本文已示出和描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，但將顯而易見的是，這些實(shí)施例僅作為示例提供。在不脫離本文中的發(fā)明的情況下，可作出多種變型、改變及替換。因此，本發(fā)明意在僅通過所附權(quán)利要求的精神和范圍限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片的雙用途的縫翼一擾流板裝置，包括: 氣動(dòng)縫翼，其構(gòu)造成用于安裝在所述葉片的前向吸力側(cè)之上；以及 機(jī)構(gòu)，其構(gòu)造成調(diào)節(jié)所述縫翼和所述葉片之間的間隙。2.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括所述縫翼被樞轉(zhuǎn)地安裝在附接到所述葉片的支柱上，所述機(jī)構(gòu)構(gòu)造成使所述縫翼的后緣相對(duì)于所述葉片的吸力側(cè)樞轉(zhuǎn)。3.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括所述縫翼被樞轉(zhuǎn)地安裝在附接到所述葉片的支柱上，所述機(jī)構(gòu)構(gòu)造成使所述縫翼的前緣相對(duì)于所述葉片的吸力側(cè)樞轉(zhuǎn)。4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述機(jī)構(gòu)還包括所述縫翼被樞轉(zhuǎn)地安裝在軸承上，所述軸承處于附接到所述葉片的支柱上，所述軸承包括沿所述縫翼翼展向定向的樞轉(zhuǎn)軸線，其中，所述縫翼被促動(dòng)，以使所述縫翼的前緣或后緣相對(duì)于所述葉片的吸力側(cè)樞轉(zhuǎn)。5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述機(jī)構(gòu)還包括閘門，所述閘門能夠操作來在所述間隙內(nèi)從所述葉片的吸力側(cè)伸出以及縮回到所述吸力側(cè)中。6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述機(jī)構(gòu)還包括能夠旋轉(zhuǎn)的蝶板，所述蝶板位于所述間隙中，并且在所述間隙中形成蝶閥。7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述機(jī)構(gòu)還包括在所述間隙內(nèi)樞轉(zhuǎn)地附接到所述葉片的吸力側(cè)的阻尼板。8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述機(jī)構(gòu)還包括促動(dòng)器和控制邏輯，在風(fēng)況滿足或超過預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)期間，所述控制邏輯激活所述促動(dòng)器以關(guān)閉或減小所述間隙。9.一種包括如權(quán)利要求1所述的裝置的風(fēng)力渦輪機(jī)。10.—種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片的雙用途的縫翼一擾流板裝置，包括: 縫翼，其安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的吸力側(cè)之上； 機(jī)構(gòu)，其調(diào)節(jié)所述縫翼和所述葉片之間的氣流間隙； 促動(dòng)器，其操作所述機(jī)構(gòu)；以及 控制邏輯，其編程為在風(fēng)況滿足或超過預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)激活所述促動(dòng)器以關(guān)閉或減小所述間隙。11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)包括所述風(fēng)力渦輪機(jī)的額定風(fēng)況。12.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述機(jī)構(gòu)還包括所述縫翼被樞轉(zhuǎn)地安裝在軸承上，所述軸承處于附接到所述葉片的支柱上，所述軸承包括樞轉(zhuǎn)軸線，所述樞轉(zhuǎn)軸線沿所述縫翼翼展向定向，并且定位成與所述縫翼的前緣相距所述縫翼的弦長(zhǎng)的25-50%之間，其中，所述縫翼被促動(dòng)，以使所述縫翼的前緣或后緣朝向所述葉片的吸力側(cè)樞轉(zhuǎn)。13.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述機(jī)構(gòu)還包括所述縫翼經(jīng)由軸承樞轉(zhuǎn)地安裝在附接到所述葉片的支柱上，所述軸承包括沿所述縫翼的氣動(dòng)中心的樞轉(zhuǎn)軸線，其中，所述縫翼被促動(dòng)，以使所述縫翼的前緣或后緣朝向所述葉片的吸力側(cè)樞轉(zhuǎn)。14.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述機(jī)構(gòu)還包括閘門，所述閘門在所述間隙內(nèi)從所述葉片的吸力側(cè)伸出以及縮回到所述吸力側(cè)中。15.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述機(jī)構(gòu)還包括能夠旋轉(zhuǎn)的蝶板，所述蝶板在所述間隙中居中定位，并且在所述間隙中形成關(guān)閉或減小所述間隙的蝶閥。16.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述機(jī)構(gòu)還包括在所述間隙內(nèi)樞轉(zhuǎn)地附接到所述葉片的吸力側(cè)的阻尼板，所述阻尼板樞轉(zhuǎn)以關(guān)閉或減小所述間隙。17.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述縫翼從所述風(fēng)力渦輪機(jī)的輪轂中的縫翼樞轉(zhuǎn)軸承利用懸臂支撐在所述葉片之上，并且所述機(jī)構(gòu)還包括處于所述輪轂中的促動(dòng)器，所述促動(dòng)器使所述縫翼繞樞轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，所述樞轉(zhuǎn)軸線沿所述縫翼翼展向定向，并且定位成與所述縫翼的前緣相距所述縫翼的弦長(zhǎng)的25-50%之間，其中，所述縫翼被促動(dòng)，以使所述縫翼的前緣或后緣朝向所述葉片的吸力側(cè)樞轉(zhuǎn)。18.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述縫翼相對(duì)于所述葉片是固定和靜止的。19.如權(quán)利要求10所述的縫翼一擾流板，其特征在于，所述縫翼通過氣動(dòng)支柱附接到所述葉片，并且所述縫翼相對(duì)于所述葉片保持固定和靜止。20.—種包括如權(quán)利要求10所述的裝置的風(fēng)力渦輪機(jī)。
【文檔編號(hào)】F03D7/02GK105917116SQ201580006051
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2015年1月27日
【發(fā)明人】K.R.迪克松, E.A.梅達(dá)
【申請(qǐng)人】西門子公司