控制繞流的葉片及方法和具有該葉片的風力機的製作方法

2023-07-03 07:30:16

專利名稱：控制繞流的葉片及方法和具有該葉片的風力機的製作方法
技術領域：
本發明涉及風力發電設備的技術領域，尤其涉及一種用於風力機的控制繞流的葉片及其方法和具有該葉片的風力機。
背景技術：
人類社會邁入21世紀，因為化石燃料在過去2個世紀大量使用而帶來的環境問題以及化石燃料的枯竭，促使風能等可再生的清潔能源越來越廣泛的應用，大型的併網水平軸風力發電機組(以下簡稱風力機)成為利用風能的主要形式。風力機一般主要包括捕風裝置、電能的轉換裝置、支撐裝置以及控制系統。風輪
作為捕風裝置，承擔著吸收風能的作用，其設計的優劣直接決定著機組的性能及可靠性。最近十年，隨著新材料、新技術的使用，風輪直徑從十幾米、幾十米增加到現在一百多米，風力機的功率由千瓦級提升至兆瓦級，有效的降低了風力發電的度電成本，因此風力機的大型化成為風電行業的趨勢。同時，隨著風力機的大型化，機組載荷隨風輪直徑的增加呈指數關係增大，這給風力機的設計帶來巨大的挑戰，而現在主流變速變槳風力機普遍使用的調槳系統並不能夠及時的卸除因陣風突變所帶來的載荷，從而影響了風力機的安全可靠性和疲勞壽命。風與風輪作用產生氣動力，從而驅動風輪轉動、完成風能轉化為機械能的過程，因此，風力機的載荷主要來源於風輪的載荷。風輪的重力載荷、慣性載荷、氣動載荷及操作附加載荷(如變槳、偏航、剎車等操作帶來的載荷)構成了葉輪載荷，其中風輪的氣動載荷是風力機葉輪載荷主要的組成部分。風輪的氣動載荷，源自風輪葉片每個截面的葉素(以下簡稱翼型)。因為存在入流攻角和翼型自身的彎度，來流介質在翼型的壓力面被翼型阻滯，形成低速流動的高壓區，在吸力面形成高速流動低壓區。此繞流過程中能量的轉化分為兩部分1)來流介質的動能轉化為壓力能；2)來流介質與翼型表面摩擦產生的熱能，其中的壓力能佔絕大部分。翼型受工作介質壓力能作用而產生升力和形狀阻力，其中的升力即通常所述升力，翼型的形狀阻力與摩擦阻力之和即通常所述的阻力。在較小的攻角範圍內，翼型的升力比阻力要大一到兩個數量級，因此翼型的升力決定了整個葉片的氣動力。所以，直接對翼型升力進行控制，亦即對風輪捕風能力及載荷進行了直接控制。翼型的升力係數隨攻角的變化而發生變化，在攻角減小時翼型的升力係數減小，對於風輪葉片而言，其升力亦隨攻角的減小而減小。如前所述的變槳風力機的調槳系統，其對葉片槳距角的調節，實質就是對葉片攻角的調節。當陣風突變，調槳系統調整葉片槳距角朝順槳方向變化，由於減小葉片攻角從而減小升力，起到了限制功率和降低載荷的作用。但是，隨著風力機的大型化，葉片質量不斷增大因此自身的慣性增加，現有的調槳系統必然跟不上風速的變化，因此在減小升力、限制功率和降低載荷的作用上起不到預想的效果
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術中存在的不足，提供一種控制繞流的葉片，其可以根據需要快速幹擾葉片周圍空氣流動的繞流結構，減小葉片的升力，從而控制風輪的載荷和限制功率；本發明還提供一種控制葉片繞流的方法和使用該葉片的風力機。為實現本發明的上述目的，本發明的控制繞流的葉片包括具有吸力面和壓力面的葉片本體；設置在吸力面上的凹槽；設置在凹槽中的流動控制裝置，用於在風況變化超過設定閥值時幹擾葉片本體周圍空氣流動的繞流結構。其中，凹槽在葉片展向起始位置約50%至85%。特別的，所述流動控制裝置包括設置在所述凹槽中的擾流片，其與葉片本體鉸接；設在葉片本體與擾流片之間的控制機構，用於控制擾流片的彈出角度，以便改變葉片本體周圍空氣流動的繞流結構。特別的，所述控制機構為電磁發生裝置，當風況變化未超過設定閥值時，電磁發生 裝置產生和擾流片相異的磁極，將流動控制裝置吸附在葉片本體表面，保持葉片本體氣動外形的完整；當風況變化超過設定閥值時，電磁發生裝置產生和擾流片同性的磁極，擾流片被磁力推出，幹擾葉片本體周圍空氣流動的繞流結構。進一步的，所述電磁發生裝置連接控制元件，該控制元件接收由風況檢測元件檢測的葉片本體周圍環境瞬時風況變化的信息，並將瞬時風況信息與設定閥值比較，當風況變化超過設定閥值時，根據預定策略生成擾流片彈出角度的控制信息，以便電磁發生裝置根據該控制信息產生與擾流片彈出角度相對應的磁場。特別是，所述控制元件還連接角度檢測元件，該角度檢測元件檢測擾流片所彈出的角度，並將檢測信息傳送至控制元件，控制元件收到角度檢測元件的信息後，將彈出角度信息與控制元件所發出的控制角度信息作比較，並調整擾流片的彈出角度。優選的，所述預定策略包括預先制定載荷控制範圍、功率限制水平與擾流片彈出角度的關係，預先制定載荷控制範圍、功率限制水平與瞬時風況信息的關係，以便通過控制擾流片在瞬時風況下的彈出角度，從而控制載荷、限制功率。特別的，所述凹槽寬度為葉片本體弦長的9%_11%。優選的，所述凹槽寬度為葉片本體弦長的10%。特別的，所述凹槽與葉片本體前緣的距離為葉片本體弦長的68%_75%。優選的，所述凹槽與葉片本體前緣的距離為葉片本體弦長的70%。本發明提供的一種控制葉片繞流的方法，包括如下步驟在葉片本體的吸力面上沿表面法向切除部分材料以形成凹槽；在凹槽中設置控制機構；將擾流片安置於控制機構的上方及凹槽內，並將該擾流片鉸接在葉片本體的吸力面上；其中，控制機構用於控制擾流片的彈出角度，當風速或風向在單位時間內的變化超過設定閥值時，控制機構使擾流片開啟，改變葉片本體周圍空氣流動的繞流結構。特別的，所述凹槽寬度為葉片本體弦長的9%_11%。優選的，所述凹槽寬度為葉片本體弦長的10%。特別的，所述凹槽與葉片本體前緣的距離為葉片本體弦長的68%_75%。優選的，所述凹槽與葉片本體前緣的距離為葉片本體弦長的70%。
特別是，該繞流控制方法亦適用於其他由翼型組成工作主體的裝置，如飛機機翼、垂直軸風力機等。本發明還提供一種具有該控制繞流葉片的風力機。相對於現有技術，本發明的有益效果體現在如下方面I)本發明在設於葉片吸力面上的凹槽中設有流動控制裝置，該流動控制裝置在風況變化超過閥值時可以幹擾葉片本體周圍空氣流動的繞流結 構，從而使葉片本體升力減小，控制風輪的載荷和限制功率；2)本發明的葉片具有流動控制裝置，因此對風況的反應更加靈敏，使得風力機能夠適應風況更加惡劣的風區；3)本發明的流動控制裝置能夠控制風輪的載荷，因此在同等結構載荷的水平下，可以設計出更加輕型的風力機機組零部件，從而降低機組的成本；4)本發明的流動控制裝置能夠控制風輪的載荷，因此在同等結構載荷的水平下，可以設計出更長或實度更大的葉片，從而使風力機的發電量更大；5)本發明的流動控制裝置中的電磁發生裝置可根據風況變化是否超過設定閥值而產生與擾流片相異或相同的磁極，控制擾流片的彈出角度，從而改變葉片本體周圍空氣流動的繞流結構，改變葉片本體的升力；6)本發明的控制元件與角度檢測元件連接，從而可以隨時調整擾流片的彈出角度，改變葉片本體的升力，控制風輪的載荷和限制功率。下面結合附圖對本發明進行詳細說明。


圖I為本發明的控制繞流的葉片的俯視圖；圖2為本發明的控制繞流的葉片的主視圖；圖3為圖2所示的控制繞流的葉片的A部分放大圖；圖4為圖2所示的控制繞流的葉片的B-B向剖視圖；圖5為圖4所示的控制繞流葉片的C部分放大圖。附圖標記說明I-葉片本體；2_吸力面；3_壓力面；4-凹槽；5_擾流片；6_電磁發
生裝置。
具體實施例方式如圖1-4所示，本發明的控制繞流的葉片包括具有吸力面2和壓力面3的葉片本體I ;設置在吸力面2上的凹槽4 ;設置在凹槽4中的流動控制裝置。當風況變化(風速或風向在單位時間的瞬變)超過設定閥值時，流動控制裝置幹擾葉片本體I周圍空氣流動的繞流結構，從而使葉片本體I的升力減小，實現控制風輪的載荷和限制功率的目的。優選的，如圖2所示，凹槽布置在葉片展向起始位置的50%至85%，該區段是葉片捕捉風能的主要出力段。如圖3、5所示，流動控制裝置包括設置在凹槽4中的擾流片5和設於葉片本體I與擾流片5之間的控制機構。其中，擾流片5採用磁性材料製作而成，其寬度可以固定或沿著葉尖方向逐漸變小；其與葉片本體I通過鉸接軸鉸接，該鉸接軸沿著葉片本體的展向固定在吸力面的主梁上，因此擾流片5可以繞鉸接軸旋轉一定角度，而為了使擾流片5的旋轉角度不超過最大偏轉角度，可以在凹槽4與擾流片間設置角度限位機構，如在凹槽中固定至少一個限位彈簧以限制擾流片5的偏轉角度,設計時應使擾流片5旋轉至最大偏轉角度時，該限位彈簧的變形量達到最大值。控制機構用於控制擾流片5的彈出角度，以便改變葉片本體I周圍空氣流動的繞流結構。優選的，如圖5所示，控制機構採用電磁發生裝置6，該電磁發生裝置6包括沿著葉片本體I的展向做多點布置的多個電磁鐵，當風況變化未超過設定閥值時，電磁發生裝置產生使電磁鐵具有和擾流片相異磁極的磁場，因此電磁鐵將擾流片吸附在葉片本體的表面，從而保持葉片本體氣動外形的完整；而當風況變化超過設定閥值時，電磁發生裝置產生使電磁鐵具有和擾流片相同磁極的磁場，因此擾流片被電磁鐵的磁力推出，從而幹擾葉片本體周圍空氣流動的繞流結構。為了更好的控制擾流片彈出後的角度，電磁發生裝置連接著控制元件，該控制元件可以接收由風況檢測元件檢測到的葉片本體周圍環境瞬時風況變化的信息，並將瞬時風 況信息與設定閥值比較。當風況變化超過設定閥值時，根據預定策略生成擾流片彈出角度的控制信息，電磁發生裝置根據該控制信息產生與擾流片彈出角度相對應的磁場，從而使擾流片被彈出，此時葉片本體的氣動外形不再保持完整，流動介質繞流發生改變，使得葉片本體的升力減小；同時，該控制元件所連接的角度檢測元件可以檢測擾流片所彈出的角度，並將檢測信息傳送至控制元件，控制元件收到角度檢測元件的信息後，將彈出角度信息與控制元件所發出的控制角度信息作比較，然後調整擾流片的彈出角度，從而達到精確控制擾流片彈出角度的目的，使得葉片的載荷達到設定的期望水平。而預定策略包括預先制定載荷控制範圍、功率限制水平與擾流片彈出角度的關係，預先制定載荷控制範圍、功率限制水平與瞬時風況信息的關係，以便通過控制擾流片在瞬時風況下的彈出角度，控制載荷、限制功率。本發明還可以在葉片本體的吸力面上設有多個流動控制裝置，相應的需要在葉片本體的吸力面上設置多個凹槽，並且相應的在每個凹槽中設置控制元件和風況檢測元件，以便控制每個流動控制裝置中的擾流片在瞬時狀態下的彈出角度。由於本發明的控制繞流的葉片具有流動控制裝置，因此對風況的反應更加靈敏，使得風力機能夠適應風況更加惡劣的風區；而流動控制裝置能夠控制風輪的載荷，因此在同等結構載荷水平下可以設計出更加輕型的機組零部件，如葉片、輪轂等，從而降低機組成本，或者設計出更長或實度更大的葉片而使風力發電機組的發電量更大。本發明的控制葉片繞流的方法包括如下步驟I)在葉片本體的吸力面上沿表面法向切除部分材料以形成凹槽；2)在凹槽中設置控制機構；3)將擾流片安置於控制機構的上方及凹槽內，並將該擾流片鉸接在葉片本體的吸力面上；其中，控制機構用於控制擾流片的彈出角度，當風速或風向在單位時間內的變化超過設定閥值時，控制機構使擾流片開啟，改變葉片本體周圍空氣流動的繞流結構。該方法的第I)步驟中，切除部分材料所形成的凹槽的寬度為葉片本體弦長的9%-11 %，且凹槽朝向葉片本體前緣的前端與葉片本體前緣的距離為葉片本體弦長的68%-75%。優選的，凹槽的寬度為葉片本體弦長的10%，凹槽與葉片本體前緣的距離為葉片本體弦長的70%。本發明的控制繞流的葉片可以應用於變速變槳及其他類型的風力機中。當該葉片應用於變速變槳風電發電機中時，流動控制裝置以風速變化量作為動作的信號，將某個風速變化量作為設定閥值，當瞬時風速變化量小於此設定閥值時，流動控制裝置不執行相應動作，則葉片保持原氣動外形，風力機使用調槳系統運行；當瞬時風速變化量大於此設定閥值時，流動控制裝置執行相應動作，在葉片吸力面上改變葉片的氣動外形從而實施流動控制。本發明的控制繞流的方法不局限於風力機葉片的應用，還可應用於由翼型(葉片某截面葉素)所組成、可完成工作主體功能的外型形式，例如飛機機翼等。儘管上文對本發明作了詳細說明，但本發明不限於此，本技術領域的技術人員可 以根據本發明的原理進行修改，因此，凡按照本發明的原理進行的各種修改都應當理解為落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種控制繞流的葉片，其特徵在於，包括 具有吸力面(2)和壓力面(3)的葉片本體(I)； 設置在吸力面(2)上的凹槽(4)； 設置在凹槽(4)中的流動控制裝置，用於在風況變化超過設定閥值時幹擾葉片本體(I)周圍空氣流動的繞流結構。
2.根據權利要求I所述的控制繞流的葉片，其特徵在於，所述流動控制裝置包括 設置在所述凹槽(4)中的擾流片(5)，其與葉片本體(I)鉸接； 設在葉片本體(I)與擾流片(5)之間的控制機構，用於控制擾流片(5)的彈出角度，以便改變葉片本體(I)周圍空氣流動的繞流結構。
3.根據權利要求2所述的控制繞流的葉片，其特徵在於，所述控制機構為電磁發生裝置(6)，當風況變化未超過設定閥值時，電磁發生裝置產生和擾流片相異的磁極，將擾流片吸附在葉片本體表面，保持葉片本體氣動外形的完整；當風況變化超過設定閥值時，電磁發生裝置產生和擾流片同性的磁極，擾流片被磁力推出，幹擾葉片本體周圍空氣流動的繞流結構。
4.根據權利要求3所述的控制繞流的葉片，其特徵在於，所述電磁發生裝置連接控制元件，該控制元件接收由風況檢測元件檢測的葉片本體周圍環境瞬時風況變化的信息，並將瞬時風況信息與設定閥值比較，當風況變化超過設定閥值時，根據預定策略生成擾流片彈出角度的控制信息，以便電磁發生裝置根據該控制信息產生與擾流片彈出角度相對應的磁場。
5.根據權利要求3所述的控制繞流的葉片，其特徵在於，所述控制元件還連接角度檢測元件，該角度檢測元件檢測擾流片所彈出的角度，並將檢測信息傳送至控制元件，控制元件收到角度檢測元件的信息後，將彈出角度信息與控制元件所發出的控制角度信息作比較，並調整擾流片的彈出角度。
6.根據權利要求4所述的控制繞流的葉片，其特徵在於，所述預定策略包括預先制定載荷控制範圍、功率限制水平與擾流片彈出角度的關係，預先制定載荷控制範圍、功率限制水平與瞬時風況信息的關係，以便通過控制擾流片在瞬時風況下的彈出角度，從而控制載荷、限制功率。
7.—種控制葉片繞流的方法，其特徵在於，包括如下步驟 在葉片本體的吸力面上沿表面法向切除部分材料以形成凹槽； 在凹槽中設置控制機構； 將擾流片安置於控制機構的上方及凹槽內，並將該擾流片鉸接在葉片本體的吸力面上； 其中，控制機構用於控制擾流片的彈出角度，當風速或風向在單位時間內的變化超過設定閥值時，控制機構使擾流片開啟，改變葉片本體周圍空氣流動的流結構。
8.根據權利要求7所述的控制葉片繞流的方法，其特徵在於，所述凹槽寬度為葉片本體弦長的9%-11%。
9.根據權利要求7或8所述的控制葉片繞流的方法，其特徵在於，所述凹槽與葉片本體前緣的距離為葉片本體弦長的68%-75%。
10.一種風力機，其特徵在於，具有如權利要求1-6任一項所述的控制繞流的葉片。
全文摘要
本發明公開了一種控制繞流的葉片，其包括具有吸力面和壓力面的葉片本體；設置在吸力面上的凹槽；設置在凹槽中的流動控制裝置，用於在風況變化超過設定閥值時幹擾葉片本體周圍空氣流動的繞流結構。其中，流動控制裝置包括設置在所述凹槽中的擾流片，其與葉片本體鉸接；設在葉片本體與擾流片之間的控制機構，用於控制擾流片的彈出角度，以便改變葉片本體周圍空氣流動的繞流結構。該葉片可以根據需要幹擾葉片周圍空氣流動的繞流結構，從而減小葉片的升力，控制風輪的載荷和限制功率。本發明還提供一種控制葉片繞流的方法和具有該葉片的風力機。
文檔編號F03D7/00GK102758728SQ201210244988
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者張建, 賈海濤, 金寶年 申請人:華銳風電科技(集團)股份有限公司