风力涡轮机叶片上的主动流修正

摘要

风力涡轮机叶片(10)位于风力涡轮机上且包括侧面(12)和尖端(15)。叶片构造为当风流(8)冲击在叶片上时绕轴线(90)旋转。主动流修正设备(20)布置在叶片上。主动流修正设备构造为接收主动流指令且构造为修正邻近叶片的风流。作为结果的风力涡轮机叶片使用这些主动流修正以实现减小的负荷、减小的空气动力学损失、减小的噪声、提高的能量捕获或者其组合。

权利要求

1.一种风力涡轮机，其包括

位于风力涡轮机上的风力涡轮机叶片(10)，其构造为当风流(8)冲击在叶片上时绕轴线(90)旋转；以及布置在叶片上多个位置处的多个主动流修正设备(20)，该主动流修正设备包括多个合成喷气设备，该主动流修正设备构造为接收主动流指令且引导喷气流以修正邻近叶片的风流；和控制器，其构造为基于响应策略提供主动流指令到主动流修正设备，从而修正通过主动流修正设备引导的喷气流，其中，所述响应策略从包括修正每个合成喷气的速度；修正合成喷气的频率；基于合成喷气在叶片上的位置、合成喷气的角度、合成喷气出口的尺寸、合成喷气出口的形状而选择性地促动合成喷气以及其组合的组选择。

2.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中主动流修正设备构造为通过减小风力涡轮机上的负荷来修正风力涡轮机上的负荷。

3.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中主动流修正设备布置在侧面上，且其中主动流修正设备构造为修正流分离。

4.如权利要求3所述的风力涡轮机，其中主动流修正设备构造为通过引入带有沿邻近叶片的风流的大动量分量和旋涡的不稳定喷气流来抑制流分离。

5.如权利要求3所述的风力涡轮机，其中主动流修正设备构造为通过引入带有分裂邻近叶片的风流的大动量分量的不稳定喷气流来促进流分离。

6.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述叶片具有尖端，且主动流修正设备布置在所述尖端上，主动流修正设备构造为修正尖端涡流。

7.一种运行风力涡轮机的方法，该涡轮机包括当风流(8)冲击在叶片上时可绕轴线(90)旋转的叶片(10)，该方法包括：获得风力涡轮机的至少一个运行条件的当前状态；以及

响应于该至少一个运行条件的当前状态主动修正邻近叶片的风流，

其中，所述主动修正邻近叶片的风流包括基于响应策略使用合成喷气，且其中，所述响应策略从包括修正合成喷气的速度；修正合成喷气的频率；基于合成喷气在叶片上的位置、合成喷气的角度、合成喷气出口的尺寸、合成喷气出口的形状而选择性地促动合成喷气以及其组合的组选择。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个运行条件从包括风流速度、风流方向、涡轮机转子速度、俯仰角、偏航角及其组合的组选择。

9.一种风力涡轮机叶片(10)组件，其包括：

风力涡轮机叶片，其包括侧面(12)和尖端(15)，叶片构造为当风流(8)冲击在叶片上时绕轴线(90)旋转；以及多个主动流修正设备(20)，其布置在叶片上多个位置处，该主动流修正设备包括多个合成喷气，构造为接收主动流指令并引导喷气流以修正邻近叶片的风流；和控制器，其构造为基于响应策略提供主动流指令到主动流修正设备，从而修正通过主动流修正设备引入的喷气流，其中，所述响应策略从包括修正每个合成喷气的速度；修正合成喷气的频率；基于合成喷气在叶片上的位置、合成喷气的角度、合成喷气出口的尺寸、合成喷气出口的形状而选择性地促动合成喷气以及其组合的组选择。

10.如权利要求9所述的风力涡轮机叶片组件，其中主动流修正设备布置在侧面上，且其中主动流修正设备构造为修正邻近叶片的风流的流分离。

11.如权利要求9所述的风力涡轮机叶片组件，其中主动流修正设备布置在尖端上，且主动流修正设备构造为修正尖端涡流。

说明书

风力涡轮机叶片上的主动流修正

技术领域

[0001] 本发明一般地涉及风力涡轮机领域，更特定地涉及风力涡轮机的主动流修正，以降低负荷、降低空气动力学损失、改善能量捕获、降低噪声以及其组合。

背景技术

[0002] 在可再生能源产生领域，风力涡轮机越来越重要。 近年来，风力涡轮机技术已被应用于大规模功率产生用途中。 在给定的风力条件下最大化风力涡轮机的性能而最小化系统负荷是在获取风能方面存在的诸多挑战中的一个。 导致能量成本最小化的改进的风力涡轮机的性能参数的非限制性的例子包括：最大化的空气动力学效率、最大化的能量输出、最小化的风力涡轮机系统负荷、最小化的噪声以及其组合。 风力涡轮机系统负荷的例子包括极限负荷(运行和停车/空载)以及疲劳负荷。

[0003] 通常，在风力涡轮机叶片上的流分离导致失速，这通常是风力涡轮机叶片设计中的限制因素。 当发生失速时，叶片所产生的升力将明显下降且转矩中的一大部分，即由风给与风力涡轮机的驱动力将消失。提供了对分离控制的能力(减小或延迟)的解决措施将允许风力涡轮机叶片使升力最大化。 一些被动流控制解决措施已被应用于矫正边界层分离问题，例如涡流发生器，但是在这些解决措施中，没有提供在流控制变得不必要或不希望时停止流控制。 例如，在风力涡轮机设计中主要的限制之一是由系统负荷所引发的。 当分离控制解决措施被应用于提高升力时，叶片经受更高的负荷，如果风力条件变化到超过正常运行或预期的水平时，该负荷可能达到诱发故障的水平。

[0004] 一个有效的增加风力涡轮机的能量输出的方法是增加叶片的掠扫面积，例如通过增加转子尺寸(直径)。 因为结构和材料的限制而产生的在更大的转子(更厚且更大的翼弦长度)上的更高的系统负荷以及叶片/塔架间隙典型地限制了转子的增大。风力条件的改变提出了另一个挑战，例如阵风或暴风将导致不希望的风力涡轮机叶片的负荷，因为产生的升力波动或增加到非常高的水平。 这些负荷限制经常导致风力涡轮机系统中叶片和其它部件的成本的增加，在系统级度量方面，例如能量成本，这减小或消除了由于增大的转子所带来的利益。

[0005] 在获取风能方面存在的另一个挑战涉及到由在叶片尖端的风流所产生的尖端涡流的不希望的影响。 这些尖端涡流除导致能量获取损失外还导致从叶片尖端端部发出的不希望的噪声。

发明内容

[0006] 存在对主动分离控制方法和系统的需求，该方法和系统提供按需求操作升力产生的能力和利用该能力的叶片设计概念，以减小系统负荷而实现更高性能的风力涡轮机。 该主动流修正方法可以附加地或可替代地用于通常使得风力涡轮机更高效且噪声更小。

[0007] 本发明的实施例致力于通过使用主动流修正来改进风力涡轮机的性能，以减小负荷、减小空气动力学损失、减小空气动力学噪声或其组合。

[0008] 本发明的几个方面在于风力涡轮机中，包括风力涡轮机叶片和风力涡轮机叶片组件。在这些方面，风力涡轮机被构造为当受到风流的冲击时绕轴线旋转。 构造为接收主动流指令的主动流修正设备布置在叶片上，且主动流修正设备构造为修正邻近叶片的风流。

[0009] 本发明的另外一个方面在于通过得到风力涡轮机的至少一个运行条件的当前状态且响应当前状态主动修正邻近叶片的风流以改进性能来运行风力涡轮机的方法。

[0010] 本发明的另外一个方面是风力涡轮机叶片的设计，包括使用在风力涡轮机叶片上的主动流修正设备以减小负荷和实现比不带有主动流修正设备的运行规程范围内尺寸大的风力涡轮机叶片。 在该应用中，风力涡轮机将以更小的叶片产生需要的升力或用于功率产生的最大化的升力。 在不利的风力条件下，风力涡轮机将被关闭以使得在这些条件下系统负荷减小。 通过这个选择系统负荷限制的装置，风力涡轮机转子可以增大为更大的尺寸而实现更高的能量捕获，而运行于与叶片设计不包括使用流分离控制系统相比相同的负荷限制下。

[0011] 本发明的另一个方面是风力涡轮机的叶片设计，包括使用在风力涡轮机叶片尖端上的主动流修正设备，以具有比不带有主动流修正设备的运行规程范围内低的空气动力学损失和噪声。

[0012] 本发明的另一个方面是风力涡轮机的叶片设计，它合并了主动流修正系统，该系统可以用于间歇地或持续地减小由于变化的风力条件导致的不希望的负荷(例如通过开始分离和减小升力)，以提供改进的性能。

[0013] 本发明的另一个方面是风力涡轮机的叶片设计，它合并了主动流修正系统，该系统可以用于间歇地或持续地调节由于变化的风力条件导致的升力产生和由此产生的功率输出的变化(例如如果需要，通过开始分离和减小升力，或通过需要时由抑制分离来提高升力和功率)。

附图说明

[0014] 通过参考附图阅读如下的详细描述，将更好的理解这些和其它本发明的特征、方面和优点，在所有附图中相同的符号代表相同的部件，各图为：

[0015] 图1是根据本发明一个方面的风力涡轮机的侧视示意图。

[0016] 图2是图1中实施例中有用的风力涡轮机叶片组件的部分透视图。

[0017] 图3是根据本发明一个实施例的图2中叶片的横截面图。

[0018] 图4是根据本发明另一个实施例的图2中叶片的横截面图。

[0019] 图5是根据本发明另一个实施例的图2中叶片的部分透视图。

具体实施方式

[0020] 图1图示了根据本发明一个实施例的风力涡轮机100。 风力涡轮机100包括风力涡轮机叶片10，该叶片构造为当受到入射风流冲击时绕轴线90旋转，例如受到所示的风流8时。 要理解，此处使用的术语“一个”、“一”和“该”表示“至少一个”和其多个变化，除非另作特定地提及或通过上下文指出。 旋转轴线90沿着图1中轴系的Z轴，且叶片10的旋转平面是x-y平面，x轴从纸面出来。主动流修正设备20进一步布置在叶片10上，且叶片和主动流修正设备20一起形成风流涡轮机叶片组件17(在图2中示出)。主动流修正设备20构造为修正邻近叶片的风流8，因此修正风力涡轮机上的负荷。术语“邻近叶片的风流”被理解为指邻近叶片(包括叶片表面和尖端)的风流的部分而不指整个风流8。邻近叶片的风流不局限性地包括叶片表面上的风流区域和叶片尖端端部附近的尖端涡流。

[0021] 图2图示了风力涡轮机叶片组件17，其包括风力涡轮机叶片10和多个根据本发明方面以不同方位布置在叶片10上的主动流修正设备20。 叶片10包括侧面12和尖端15，且可布置在叶片上的主动流修正设备选择性地以不同的角度布置在侧面12上(意为布置在至少一个侧面上)和尖端15上。 侧面12具有长度13和宽度14，该宽度可沿长度变化，且尖端15包括叶片10的端部部分。 主动流修正设备20还可以布置在与侧面12相对的第二侧面(图中未绘出)上。

[0022] 主动流修正设备20典型地构造为以依赖于时间的方式释放具有希望的强度和希望的频率的喷气。该设备20的非限制性的例子包括压电合成的喷气或零质量促动器、其它合成喷气设备和更特定地二重双压电晶片合成喷气(DBSJ)设备。 DBSJ设备是特别有益的，因为该设备具有低的功率需求、低的重量负担、大的控制权(喷气强度)、良好的频率和辐度范围以及结构紧凑，因此允许容易地与风力涡轮机系统集成。 在其它实施例中，主动流修正设备20系统可以构造为使用合成喷气以外的其它方法来修正风流。例如可以替代地或附加地使用其它非零质量流促动设备，例如触发(flip-flop)喷气和提供了脉冲速度的喷气的流体振荡器。

[0023] 如在图1中所示，风力涡轮机100也典型地包括将机械能转化为电能的风力涡轮发电机30、将从风力涡轮机叶片所获取的机械能提供给发电机30的齿轮机构40、偏航机构60、运行条件监测设备70和叶片俯仰机构80。 控制器50可操作地连接到至少运行条件监测设备70上，以得到风力涡轮机运行条件的当前状态，还连接到主动流设备20上，以在运行中为风力涡轮机提供主动流控制。 控制器50可以进一步连接到发电机30、齿轮机构40、偏航机构60和叶片俯仰机构80，用于控制风力涡轮机运行或接收输入。 注意的是，在控制器50和主动流修正设备20以及控制器50和俯仰机构80之间的连接在图1中仅通过使用连接线以图示目的示出，并不是必须指示为导线，而可以包括任何合适的用于可操作地连接设备的装置。

[0024] 在一个实施例中，主动流修正设备20通过控制邻近叶片的流分离而提供了在围绕叶片的风流中的主动流修正并因此修正了风力涡轮机叶片的负荷。 根据一个技术，主动流修正构造为促进邻近叶片的风流中的流分离，因此恶化了风力涡轮机可利用的升力。该技术响应于阵风时使用且减小了系统负荷。 根据另一个技术，主动流修正通过向邻近叶片的风流添加不稳定的空气动力学动量和涡旋而防止了邻近叶片的风流中的流分离。 这导致了风力涡轮机可利用升力的增加，并因此对于给定的叶片尺寸产生了更多的功率，或可以用减小的叶片尺寸(即具有较小的翼弦长度、减小的厚度或其组合)产生相同的功率。 能有效地减轻系统负荷的能力允许使用大的转子直径，而从大转子叶片获取更多功率的能力另外证明使用该大转子直径是正确的。 这些技术增加了可使用的叶片的尺寸和从该叶片可利用的功率，其结果是改进的转子叶片。 这些技术将在如下更详细的讨论。

[0025] 如上所讨论，本发明的一个方面在于从给定的叶片尺寸能够获得更多的功率或能够使用更小的叶片产生与使用更大的叶片(无主动流修正)相同的功率。这能够实现是通过使用主动流修正以提高可利用的升力以及在叶片设计中考虑到使用主动流修正而提高可利用升力。提高的可利用升力还使得从更小和更薄的翼片提供相同量的功率。 在一些实施例中，升力提高是默认设置，而在极端风力条件下(或风力涡轮机停车)，主动流控制可以被关闭，因此减轻了不希望的风力涡轮机的负荷条件。

[0026] 本发明的另一个方面如上所述在于实现更大的叶片尺寸(大于无主动流修正的可能尺寸)而设计风力涡轮机仍然满足运行规程。 大的叶片有利地提供了更高的对可利用风能的收获(通过提高可利用升力)，但在极端风力条件下产生了挑战。 在这些条件下，主动流修正用于通过减小可利用升力来恶化空气动力学性能，因此减小叶片所经受的升力。 这在极端风力条件下减小了系统负荷。

[0027] 更特定地，如图3至4所示，在几个实施例中，主动流修正设备20布置在叶片10的侧面12上。 主动流修正设备构造为通过修正邻近叶片10的风流来控制流分离。

[0028] 例如在图3的实施例中，流分离通过主动流修正设备被抑制(意为减小、延迟或其组合)。 例如图3的目的，流分离点呈现在位于位置18处，位置18与无主动流修正时自然地作为结果的上游位置16相对。 在一个实施例中，流分离通过引入不稳定(依赖于时间的)喷气流22而抑制，喷气流22具有大体上沿邻近叶片的风流的大的动量分量和涡旋，如也由图3中的实施例所图示。 图3中喷气流22在邻近叶片的风流中添加了动量和涡旋。 当通过主动流修正添加了动量和涡旋时，边界层的动量不足至少部分地被补充，且流分离被抑制而可利用升力被提高。 图3中所示的、其中的分离被抑制的流有助于提高升力，因此对于给定叶片尺寸增加了涡轮机性能，或对于给定性能水平减小了叶片的翼弦长度。 主动流修正设备可以以特定的角度向入射风流添加动量和涡旋，且该角度可以根据希望的性能条件变化。

[0029] 在图4中图示的另一个实施例中，通过主动流修正设备促进流分离。例如图4中的目的，流分离点呈现在位于位置18处，位置18与无主动流修正时自然地作为结果的下游位置16相对。 在图4的实施例中，通过引入不稳定喷气流22促进流分离，喷气流22具有大体上分裂邻近叶片的风流的大的动量分量。图4中的不稳定喷气流22开始了邻近叶片的风流中的流分离。分裂喷气流22可以是倾斜的喷气流，它阻碍了邻近叶片的自然风流。 在图4中展示的被促进的流分离引起了减小的升力，且可以被有利地使用于减轻不希望的负荷条件。此不希望的条件包括引起了增加的叶片负荷(增加的升力)和涡轮机负荷的风流速度增加的情形。 如讨论的实施例有利地通过主动地修正如图4所展示的邻近叶片的风流在某些情形中几乎是即时地提供了人工的升力的降低。 如所讨论，主动流修正设备可以以特定的角度向入射风流添加分裂的动量，且该角度可以根据希望的性能条件变化。

[0030] 根据本发明的另一个发明，有利地施加主动流修正以减小风力涡轮机损失(且因此增加空气动力学效率)，以减小邻近叶片尖端15产生的空气动力学噪声，或用于损失和噪声减小的组合。 在通过图5图示的实施例中，主动流修正设备20布置在叶片10的尖端15上。 根据该技术的一个方面，主动流修正设备构造为通过修正邻近叶片10的风流来修正尖端涡流24。在通过图5所示的实施例中，通过引入不稳定喷气流23来修正尖端涡流24，该不稳定喷气流23导致尖端涡流24(虚线)被移动到另一个位置，如通过尖端涡流26所图示。在其它情形中，添加的喷气流可以用于影响尖端涡流的开始和发展或修正尖端涡流24的演化和轨迹。 通常，喷气23修正了尖端附近的流结构，且导致涡流的快速消散，或导致尖端涡流24离开尖端的位移，或导致被形成的尖端涡流强度的减小。

[0031] 本发明的另一个重要方面是这些主动流修正设备20可以布置在现有叶片实施例的改型上，或用于与新的叶片实施例一起出现。 对于新的叶片实施例，控制分离且因此叶片的负荷水平的能力意味着更新的且更激进的、或至少超过那些包括风力涡轮机的翼片/叶片设计的现有技术水平的更大的翼片和叶片形状变化现在可以应用于风力涡轮机叶片中。 这些新的设计可以优化以提供比目前使用的风力涡轮机高的空气动力学性能(例如升力和升力-阻力比)和效率。

[0032] 如所讨论的策略是那些使用控制器50以主动修正邻近叶片的风流8的策略中的一个。控制器50构造为接收风力涡轮机100运行条件的当前状态，且响应于运行条件的当前状态主动地修正邻近叶片的风流8。运行条件不限制地包括风环境条件，例如风流速度和风流方向。 在某些实施例中，运行条件进一步包括涡轮机转子速度、叶片俯仰角和风力涡轮机偏航角。

[0033] 在一个实施例中，控制器50构造为响应于至少一个运行条件的当前状态提供主动流指令到至少一个主动流修正设备20。 在一个方面中，当出现明显地将升力增加到不希望的水平的突然增加的入射风速或风方向变化时，控制器50促动构造为释放分裂性的不稳定喷气流的主动流修正设备20，如图4中所示。 在另一个方面中，控制器将主动流修正设备维持在被促动的状态下且当检测到可能将系统负荷增加到不希望的水平的入射风速或方向的变化时，关闭主动流修正设备。

[0034] 根据发明的另一个方面，在可利用升力可能因低的风流速度或不利的风流方向而低，且因此产生的功率低的条件下，控制器50促动构造为释放不稳定喷气流的主动流修正设备，不稳定喷气流通过抑制流分离而增加了升力，如图3中图示。 根据另一个方面，控制器50促动邻近叶片尖端的主动流修正设备，消散尖端涡流或使尖端涡流移开尖端，如图5所示。

[0035] 通过使用主动流指令，响应于不同运行条件的合适的响应策略对于本领域技术人员是明显的，且这些明显的策略体现在本发明的范围和精神中。 例如，在主动流修正设备包括合成喷气的实施例中，不同的响应策略不限制地包括修正合成喷气22或23的速度、修正引入合成喷气22或23的频率、合成喷气22在侧面12上的位置、合成喷气23在尖端15上的位置、合成喷气22或23的角度(意为整个喷气、喷气孔或其组合)、合成喷气出口(孔或槽)的尺寸、合成喷气出口(孔或槽)的形状以及其组合。 不同的响应策略可以例如通过如下方式实现：在不同的方位或位置上布置具有不同出口尺寸和形状的多个主动流修正设备20，且选择性的促动主动流修正设备。

[0036] 在一个实施例中，控制器50进一步构造为接收齿轮的当前状态和发电机的功能，且构造为响应于这些条件提供主动流指令。

[0037] 虽然此处仅对本发明的某些特征图示并描述，对于本领域技术人员将发生许多修改和变化。 因此应该理解后附的权利要求书意图于覆盖所有这些发明实际精神内的修改和变化。

[0038] 部件列表

[0039] 8风流

[0040] 10叶片

[0041] 12叶片侧面

[0042] 13侧面长度

[0043] 14侧面宽度

[0044] 15叶片尖端

[0045] 16无主动流修正时的流分离点

[0046] 18带主动流修正时的流分离点

[0047] 20主动流修正设备

[0048] 22从侧面发出的合成喷气

[0049] 23从尖端发出的合成喷气

[0050] 24无主动流修正时的尖端涡流

[0051] 26带主动流修正时的尖端涡流

[0052] 30风力涡轮发电机

[0053] 40齿轮箱

[0054] 50控制器

[0055] 60偏航机构

[0056] 70运行参数测量设备

[0057] 80俯仰控制系统

[0058] 90叶片旋转轴线

[0059] 92支撑风力涡轮机的支柱

[0060] 100风力涡轮机