技术领域
[0001] 本
发明涉及一种风轮机
转子叶片。具体地，本发明涉及这样一种风轮机叶片，这种风轮机叶片具有用于改变叶片的空
气动力学表面和弯度（camber）以便减轻作用在风轮机转子上的负载的装置。
背景技术
[0002] 现代风轮机在操作期间受到控制，以便优化风轮机在不同操作状况下的性能。不同的操作状况可由于风速和阵风的变化而出现，所述阵风是风速的局部快速变化。已知的是通过使转子的叶片变桨来调节
水平轴风轮机的转子的旋转速度。这通常通过使叶片绕其纵向轴线转动以影响转子叶片的
空气动力学迎
角来实现，这是用于变桨控制风轮机以及主动
失速控制风轮机的方法。
[0003] 风轮机由于
风力状况而经受高度易变性质的负载。在现代风轮机中，由于转子通常能够控制其变桨角，因此变桨不仅可以用于控制转子的速度，而且还可用于减少叶片上负载的变化。然而，由于现代风轮机叶片的长度大，并且绕变桨轴线旋转的
质量的相关惯量高，所以叶片变桨机构不能理想地对在短时间段内出现的风速变化快速地作出反应。此外，风轮机叶片的长度随着新技术的出现而增大，并且叶片由于其更大的长度而变得更具有柔性。因此，在风轮机叶片的长度增加的情况下，当叶片变桨时，在具有叶片上的主要负载的叶尖处，存在改变变桨的较长时滞。此外，通过使用变桨系统来控制叶片上的负载可能是有问题的，因为在持续使用时，叶片变桨
轴承可能会受到损坏。
[0004] 可通过这样一种装置来调节作用在风轮机转子的叶片上的负载，该装置例如通过能
变形的
后缘或能调节的
襟翼来改变叶片的
空气动力学表面或形状，所述能变形的后缘或能调节的襟翼可包括后缘襟翼、前缘襟翼、
翼型、扰流器、缝翼和古奈襟翼（gurney flap）。这种空气动力学装置是有利的，这是因为这种空气动力学装置相比于整个风轮机叶片的尺寸而言是小的，因此这种空气动力学装置由于其相对小的惯量而能实现更快的响应时间。
WO2008/132235中描述了一个具有能变形的后缘的风轮机叶片的
实施例。然而，襟翼具有其自身的局限性，这是因为由于襟翼对于叶片上的升力改变的影响是小的，因而襟翼不能减轻全部负载。
[0005] 如上所述，风轮机转子会经受各种负载。这些负载总体上可被分为两类：
[0006] 低频高幅负载（所谓的1P振动）；以及
[0007] 高频低幅负载。
[0008] 低频高幅负载由于风力剪切（风速随着地面上的高度增加而增加）、
偏航错误（当转子轴线与风力方向不对准时，风朝向转子的交叉流动）以及
塔架遮挡（由供转子经由
机舱进行安装的塔架引起的流动减速导致的阻碍）而出现。高频低幅负载由于例如紊流和叶片振动而出现。
[0009] 诸如后缘襟翼的装置的
缺陷在于，这种装置不能有效减轻源自低频高幅负载的高幅振动。本发明的目的在于提供这样一种转子叶片，这种转子叶片既能够减轻低频高幅负载又能减轻高频低幅负载。
发明内容
[0010] 根据本发明，提供了一种风轮机叶片，这种风轮机叶片沿纵向方向从根端延伸到尖端并且沿横向于所述纵向方向的翼弦方向限定前缘和后缘之间的空气动力学翼型剖面，该空气动力学翼型剖面具有沿所述翼弦方向的有效弯度；所述风轮机叶片包括：
[0011] 叶片本体；
[0012] 第一装置，该第一装置用于改变所述叶片的空气动力学表面或形状，所述第一装置相对于所述叶片本体的
位置和/或运动由第一致动机构控制；
[0013] 第二装置，该第二装置用于改变所述翼型剖面的有效弯度；
[0014] 其中，在使用时，所述第一装置以最高达第一最大
频率的频率改变所述叶片的所述空气动力学表面或形状，并且所述第二装置以最高达第二最大频率的频率改变所述翼型剖面的有效弯度，所述第二最大频率大于所述第一最大频率。
[0015] 因为第一装置能减轻低频高幅负载并且第二装置能减轻高频低幅负载，所以本发明克服了与
现有技术有关的问题。
[0016] 翼型剖面的弯度或
中弧线（mean camber line）是这样的曲线，该曲线由翼型剖面的上表面和下表面中间的线限定。翼型剖面的弯度影响翼型上的空气流，并因此影响翼型所产生的升力。然而，根据本发明，如果一个装置影响翼型上的空气流而不使翼型剖面的物理几何参数发生变化，那么这将被称为有效弯度的变化。
[0017] 用于改变所述翼型剖面的有效弯度的所述第二装置可改变所述叶片的所述空气动力学表面或形状，并且所述第二装置相对于所述叶片本体的位置和/或运动可由第二致动机构控制。
[0018] 所述第一装置可以进行操作，以最高达1Hz的频率来改变所述叶片的所述空气动力学表面或形状。所述第二装置可以进行操作，以最高达15Hz的频率来改变所述翼型剖面的有效弯度。
[0019] 所述第一装置的弦长可在所述风轮机叶片的弦长的5%至50%之间。所述第二装置的弦长可小于所述风轮机叶片的弦长的10%。第一装置和第二装置的弦长是指这些装置的边缘之间沿翼弦方向的距离，即，每个装置的前端和后端之间的距离。所述第二装置的弦长可最长达所述第一装置的弦长的50%。
[0020] 所述第一装置和所述第二装置可彼此相邻地设置在所述后缘上。
[0021] 所述第一装置和所述第二装置形成所述后缘的一部分，并且所述第一装置和所述第二装置可彼此分离地设置在所述后缘上。
[0022] 所述第一装置可形成所述后缘的一部分，并且所述第一装置可围绕所述第二装置。
[0023] 所述第一装置可以是后缘襟翼或能变形的后缘。
[0024] 所述第一装置和所述第二装置可具有：沿所述风轮机叶片的前缘方向的前端以及沿所述风轮机叶片的后缘方向的后端；其中，所述第一装置的所述前端被连接到所述叶片本体以相对于所述叶片本体旋转；并且所述第二装置的所述前端被连接到所述第一装置的所述后端以相对于所述第一装置旋转。
[0025] 控制所述第一装置的位置和/或运动的所述第一致动机构可以是气动致动机构。
[0026] 控制所述第一装置的位置和/或运动的所述第一致动机构可以是热电
致动器或形状记忆
合金致动器。
[0027] 所述第二装置可以是后缘襟翼或能变形的后缘。
[0028] 所述第二装置可包括被设置成从所述翼型剖面的表面凸出的微
凸块，该微凸块被
定位在与所述后缘相距弦长的10%的距离内。
[0029] 所述第二装置可包括
流体喷射或吸入机构，该流体喷射或吸入机构设置成在与所述后缘相距弦长的10%的距离内从所述翼型剖面的表面喷射或吸入流体。
[0030] 所述第二装置可包括
电极，所述电极在与所述后缘相距弦长的10%的距离内位于所述风轮机叶片的外表面上；其中，所述电极被施加
电压，以在这些电极之间产生
等离子体。
[0031] 优选地，沿所述风轮机叶片的纵向方向设置有多个所述第一装置。优选地，沿所述风轮机叶片的纵向方向设置有多个所述第二装置。
[0032] 本发明可以被实施为风轮发
电机，这种风轮发电机具有至少两个根据前述
权利要求中任一项所述的叶片。优选地，所述风轮发电机是水平轴风轮发电机。
附图说明
[0033] 现将以实施例的方式参考附图来描述本发明，附图中：
[0034] 图1示出了风轮机叶片的剖面的第一实施例；
[0035] 图2示出了风轮机叶片的剖面的第一实施例；
[0036] 图3是示出本发明对作用在风轮机转子上的负载的影响的图；
[0037] 图4示出了处于驻车状况下的风轮机叶片的剖面；
[0038] 图5示出了处于低速状况下的风轮机叶片的剖面；
[0039] 图6示出了位于后缘附近的气动致动器的实施例；
[0040] 图7a和图7b示出了风轮机叶片的剖面的第二实施例；
[0041] 图8示出了位于后缘附近的风轮机叶片的剖面的第三实施例；
[0042] 图9a、图9b和图9c示出了位于后缘附近的风轮机叶片的剖面的第四实施例；
[0043] 图10a和图10b示出了风轮机叶片的剖面的第五实施例；以及
[0044] 图11a、图11b、图11c、图11d和图11e示出了不同配置的风轮机叶片的平面图。
具体实施方式
[0045] 图1示出了风轮机叶片的剖面的第一实施例。在该实施例中，叶片区段10由叶片本体11、变形部（morphing part）12和快速后缘襟翼13形成。在该实施例中，变形部12是第一装置，后缘襟翼13是第二装置。叶片的前缘被标记为14，后缘被标记为15，压力侧被标记为16，并且吸入侧被标记为17。在叶片区段10的前缘14处设置有皮托管18，用于监测叶片区段10的局部压力、相对风速以及迎角。叶片区段内设置有用于对皮托管18进行
信号收集的
控制器19。致动器功率控制单元被标记为20，该致动器功率控制单元用于向致动器（未示出）提供功率以便使变形部12和后缘襟翼13运动。
[0046] 图2示出了变形部12和后缘襟翼13在使用期间如何操作。变形部12相对于叶片本体11挠曲，并且后缘襟翼13相对于变形部12和叶片本体11挠曲。在如图1和图2所示的第一实施例中，变形部12的前端直接连接至叶片本体11，并且相对于该叶片本体挠曲。后缘襟翼13在前端安装到变形部12的后端，并且相对于该变形部挠曲。叶片本体11是风轮机叶片11的刚性部分，并且可形成结构化翼梁的一部分。
[0047] 在该实施例中，变形部12的弦长是叶片区段10的弦长的30%。在该实施例中，后缘襟翼13的弦长是叶片区段10的弦长的5%。变形部12以0.1Hz的频率操作，但是还可以以最高达1Hz的频率操作。变形部12关于其平衡位置在+/-15度的运动范围内操作，但是还可以关于其平衡位置在+/-25度的运动范围操作。后缘襟翼13以最高达10Hz的频率操作，在其平衡位置的每个方向上运动3度。
[0048] 在如图1和图2所述的第一实施例中，示出了变形部12和后缘襟翼13，但是引起叶片的弯度或有效弯度发生变化的其他装置也是可能的，如将在下文的其他实施例中所述的那样。
[0049] 叶片区段10的升力系数CL被定义为：
[0050]
[0051] 其中，L’是作用在叶片区段10上的升力，ρ是空气
密度，V是叶片区段在空气流中的相对速度，并且C是叶片区段的弦长。
[0052] 为了减轻作用在叶片区段10上的负载，有必要尽可能地保持CL×V2恒定。在本发明中，随着叶片区段10所经历的相对风速变化，叶片区段的升力系数也发生变化以进行补偿。这是通过致动变形部12或后缘襟翼13来实现的。致动变形部12或后缘襟翼13能使叶片区段10的有效弯度发生变化，并因此增大或减小局部升力系数。
[0053] 应注意的是，尽可能地保持CL×V2恒定是一种良好的近似法。然而，这还取决于叶片的迎角（alpha），在这种情况下，期望的是保持L'cos(alpha)+D'sin(alpha)以及D'cos(alpha)-L'sin(alpha)恒定（其中，L'是局部叶片区段上的升力，D'是局部叶片区段上的阻力）。
[0054] 此外，上述情况仅指局部叶片区段。如果变形部12和后缘襟翼13未被设置在整个风轮机叶片的跨度上，那么期望的是尽可能地保持作用在整个叶片上的力和力矩恒定。因此，风轮机叶片的具有变形部12和后缘襟翼13的那些区段必须补偿不具有变形部12或后缘襟翼13的那些区段的负载（力和力矩）的变化。这意味着目标不再是试图保持具有变形部12和后缘襟翼13的那些局部叶片区段中的力恒定，而是经由变形部12和后缘襟翼13来使升力发生变化以进行补偿，从而保持作用在整个风轮机叶片上的力恒定。
[0055] 对于当前的风力状况，控制器19将计算变形部12和后缘襟翼13应当如何挠曲以保持作用在叶片区段或整个叶片上的负载恒定。
[0056] 图3示出了正常高风力状况下的图形，x轴是时间，并且y轴是CL×V2：
[0057] 线30代表变形部12或后缘襟翼13均未被致动的情况下的CL×V2和时间。
[0058] 线31代表后缘襟翼13被致动但变形部12未被致动的情况下的CL×V2和时间。
[0059] 线32代表变形部12被致动但后缘襟翼13未被致动的情况下的CL×V2和时间。
[0060] 线33代表后缘襟翼13和变形部12均被致动的情况下的CL×V2和时间。
[0061] 在正常高风力状况下，如从图3可看出的，后缘襟翼13有效地减轻了高频低幅变化。但是后缘襟翼13不足以减轻高幅变化，如从线31可看出的，后缘襟翼不能在高幅变化2
期间使CL×V 恒定。然而，这些高幅变化具有1P的频率，并且是由于风力剪切、偏航错误或塔架遮挡的原因而出现的，并且这些高幅变化是可预测的。通过以1P的频率使用叶片的变形部12，消除了这些峰值。
[0062] 图3的y轴代表参数CL×V2。然而，该参数可以是被减缓的任何参数，例如风轮机叶片襟翼根部力矩、叶片中间跨度力矩或整个叶片的升力系数。通过致动变形部12和后缘襟翼13的组合，允许更好地减轻作用在转子上的负载。这是因为后缘襟翼13仅被设计成减轻高频小幅负载，因此相比于叶片区段10的弦，后缘襟翼可具有较小的弦并且具有小的运动幅值，因此后缘襟翼13相比于具有大运动幅度的大的快速运动后缘襟翼来说更为可靠。变形部12缓慢地运动，且因此相比于具有类似弦和运动幅值的快速运动部件来说也更为可靠。“可靠”是指变形部12和后缘襟翼13在其需要被更换（或变形部12和后缘襟翼13的相关部件需要被更换）之前能够在风轮机中操作更长的时间。
[0063] 当风轮机处于驻车状况时，也就是说当转子不转动（例如，由于高风力）时，变形部12可以如图4所示地被
锁止并且后缘襟翼13不被致动。通过将变形部12设置到该位置，叶片区段10的升力得以减少，使得作用在风轮机上的极端负载（例如，来自于阵风和高风力）减少。
[0064] 在风轮机中，尤其是由于转子能够在较低
切入风速下开始转动，期望在低风速下增加由叶片产生的升力，以便增加功率生成。图5示出了变形部12如何用于增加叶片区段10的中弧线，以便得到高升力曲线。这降低了切入风速并且增加了功率生成。变形部12运动到这样的位置，在该位置中，所述变形部产生最大升力（并且变形部可被锁定在该位置），并且后缘襟翼13也可用于减少作用在转子上的负载的小
波动。
[0065] 在该第一实施例中，变形部12借助于气体力学来致动，如图6所示（为了清楚起见，图6中省略了后缘襟翼13）。变形部12包括由柔性材料形成的压力表层41，使得当变形部12挠曲时叶片型面保持平滑的上表面。变形部12以可移动的方式连接至叶片本体11并且能够绕
铰链43旋转。在两个压力腔45和46之间布置有杠杆元件或导叶44。当腔45被加压而腔46被减压时，根据图6中的取向，杠杆元件44被强制向下。这向变形部施加了旋转运动，使得变形部绕铰链43向上挠曲。当腔45被减压而腔46被加压时，根据图6中的取向，杠杆元件44被强制向上。这向变形部施加了旋转运动，使得变形部绕铰链43向下挠曲。如图6所示，设置有中心位于旋转铰链43的径向表面47，以使得在变形部被致动时该变形部12能够运动，同时仍保持下部叶片表层42的连续性。腔45和46可采用沿着风轮机叶片的纵向轴线的热塑性软管的形式。
[0066] 在该第一实施例中，后缘襟翼13由电机（未示出）致动，以使得后缘襟翼13相对于叶片本体11和变形部12旋转。后缘襟翼13还可借助于
压电致动器进行挠曲。
[0067] 虽然在上文参考变形部12和后缘襟翼13描述了本发明，但是能够使叶片区段10的弯度或有效弯度发生变化以便增加或减小叶片区段10的升力系数的其他配置也是可能的，使得第一装置能够以第一速度或频率使弯度发生变化，并且第二装置能够以第二速度或频率使弯度发生变化。
[0068] 在图7a和图7b所示的第二实施例中，使用热电致动器50来改变叶片区段10的空气动力学剖面，以使得叶片区段10的变形部能减轻低频高幅负载和振动。使用时，将电压施加到热电致动器上，使得所述热电致动器随着
电流产生热量而收缩（图7a）或伸展（图7b），从而施加大的热
应力，导致热电致动器的形状发生变化。上表层51和下表层52通过机构（未示出）连接至热电致动器50，使得当热电致动器的形状发生变化时，叶片型面也发生变化，从而使得叶片区段10的弯度也发生变化。在该实施例中，热电致动器50以及上表层51和下表层52形成变形部，其等效于第一实施例中的变形部12。形状
记忆合金（SMA）也可用于使叶片形状发生变化，以取代该热电致动器。
[0069] 热电致动器50或SMA将以与如图1所述的变形部相同的频率（即，0.1Hz至1Hz之间的频率）改变叶片的形状和空气动力学表面。
[0070] 在第三实施例中，图8示出了如何使用微凸块61和62替代后缘襟翼来减轻高频小幅负载。微凸块（或微
电子机械凸块，MEM）是在后缘15的区域中从叶片表面凸出的小凸块。微凸块大致垂直于叶片表面凸出并且能够被致动，以使得微凸块滑出叶片10并且凸出到大约等于
边界层厚度的高度。微凸块配设在叶片10的吸入侧上会导致升力系数减小，而微凸块配设在压力侧上会导致升力系数增加。升力系数的这种变化是由于微凸块61和62改变叶片区段10的有效弯度而发生的。
[0071] 微凸块61和62将以与如图1所述的后缘襟翼相同的频率（即，最高达10Hz的频率）改变叶片区段10的有效弯度。
[0072] 在第四实施例中，图9a、9b和9c示出了如何使用射出口（jet）70和71替代后缘襟翼来减轻高频小幅负载。在叶片区段10的后缘15附近设置有孔（未示出），空气射流通过该孔喷射或吹出，以便改变叶片区段的有效弯度。图9a示出了在不存在吹动的基准情况下围绕叶片区段的典型
流线型。图9b示出了在叶片区段10的压力侧上吹动的射出口70，并且可看出有效中弧线发生了位移以产生更高的升力。图9c示出了在叶片区段10的吸入侧上吹动的射出口71，并且有效中弧线发生了位移以产生较低的升力。还可以通过使用吸入口而不是射出口来改变有效中弧线。
[0073] 射出口70和71将以与如图1所述的后缘襟翼相同的频率（即，最高达10Hz的频率）改变叶片区段10的有效弯度。
[0074] 在另一实施例中，可使用等离子体致动器来替代后缘襟翼13。等离子体致动器在其电极之间产生“电风”。如第五实施例中的图10a和图10b所示，电极80a和80b被设置在叶片区段的吸入侧上，位于后缘附近，电极81a和81b被设置在叶片区段的压力侧上，位于后缘附近。当电压分别被施加在电极80a和80b之间以及81a和81b之间时，形成等离子体，从而产生如箭头82所示的“电风”，该“电风”将通过改变有效中弧线来影响叶片区段10的升力产生。图10a和10b中示出了位于后缘附近的这些电极，但是电极也可被设置在变形部12的前端（即，朝向前缘方向）。
[0075] 电极所产生的等离子体将以与如图1所述的后缘襟翼相同的频率（即，最高达10Hz的频率）来改变叶片区段10的有效弯度。
[0076] 图11a至图11e示出了变形部12和后缘襟翼13在转子叶片1上的配置的实施例。转子叶片1具有根端2和尖端3，所述根端连接至风轮机机舱的
轮毂（未示出）。
[0077] 图11a示出了具有四个后缘襟翼13的一个变形部12。图11b示出了两个变形部12，每个变形部都围绕两个后缘襟翼13。图11c示出了四个变形部12，每个变形部都围绕一个后缘襟翼13。图11d示出了位于叶片1的根端2附近的一个变形部12以及位于叶片1的尖端3附近的四个变形部12，这四个变形部12每个都围绕一个后缘襟翼13。变形部12和后缘襟翼13之间的区域具有由诸如
橡胶或
硅酮的柔性表层材料形成的平滑过渡部。还可在变形部12和后缘襟翼13之间设置柔性重叠几何构形。
[0078] 在图11a至图11d中，后缘襟翼13被示出为由变形部12围绕。但是如图11e所示，变形部12和后缘襟翼13可通过沿着叶片1的后缘并排设置而彼此分离，但是叶片1的设置有后缘襟翼13的那一部分应当受叶片的源自变形部12的几何构形的影响，从而仍具有快速和缓慢运动致动的结合作用。将后缘襟翼13整体形成到变形部12中可类似于整体形成到正常叶片本体11中，这是因为变形部12会致动叶片本体11的更大结构。
[0079] 虽然图11a至图11e是参考变形部12和后缘襟翼13进行描述的，但是它们还可以用关于图7、图8、图9或图10描述的其他实施例来替换。
