主动流动控制装置和用于影响风力涡轮机叶片的流体边界层的方法

摘要

公开一种主动流动控制装置(10)和用于影响风力涡轮机叶片(100)的流体边界层的方法，以及包括多个该装置的独立模块(40)和包括该装置和/或模块的风力涡轮机叶片。一个或更多个流动效应器(14)在旋转平面内可以摆动运动(A)来回旋转。该流动效应器(14)还可在横向于旋转平面的方向上在缩回位置与伸展位置之间移动。

说明书

技术领域

本发明构思的技术领域是对风力涡轮机叶片的流体边界层动力学特性的主动控制。

更具体而言，本发明构思涉及主动流动控制装置和用于影响风力涡轮机叶片的流体边界层的方法。该发明构思还涉及包括多个该主动流动控制装置的独立模块，以及涉及包括多个该主动装置或多个该模块的风力涡轮机叶片。

背景技术

已知通过利用涡轮机叶片上的涡流发生器来改善风力涡轮机的性能。涡流发生器用于使较快的流动空气从自由空气流拉入边界层，以通过提供强紊流边界层来避免流动分离和过早失速。

当流动在表面上从前缘流到后缘时被称作“附着”(参见图8a)。然而，当迎角超过某一临界角时，流动达不到后缘，而在分离线处离开叶片表面(图8a和8b)。超过该线后，流动方向反向，即，其从后缘回流至分离线。失速急剧降低叶片的升力，因此急剧降低由风力涡轮机产生的功率，并由此急剧降低风力涡轮机的经济性。

在最简单的形式中，涡流发生器是许多小翅片，这些小翅片与叶片的前缘相邻布置且从叶片垂直向外延伸，同时与风穿过叶片的流动方向形成一角度，由此产生涡流。

通过相对于流动方向以交替的正反角布置翅片，而产生沿叶片外形的反转涡流。结果，向叶片的边界层供应更多的能量，由此增大叶片外形周围的气流离开叶片表面并使叶片失速之处的风速。

然而，使用涡流发生器还导致叶片的气动阻力增大。

WO 99/50141公开了一种流动效应器，该流动效应器可展开到翼面中并可从翼面缩回，以影响翼上的流体边界层。流动效应器显示为多个成对的相对倾斜的涡流发生器，以产生反转涡流。该文献涉及军用航空器的流动控制。

总体目的是加强风力涡轮机叶片的流动表面处的流体边界动力学特性的控制。以下将进一步描述该目的和其它目的。

发明内容

根据第一方面，提供一种与风力涡轮机发电机叶片一起使用的流动控制装置，所述装置包括用于影响所述叶片处的流体边界层的一个或更多个流动效应器，其中，所述一个或更多个流动效应器可在旋转平面中以摆动运动来回旋转。所述一个或更多个流动效应器的可旋转的来回摆动运动由于通过所述摆动的流动效应器形成的有效涡流而用于在风力涡轮机操作期间在叶片上流体的高效附着。

所述一个或更多个流动效应器还可沿横向于所述旋转平面的方向在缩回位置与伸展位置之间移动。因此，当不需要所述一个或更多个流动效应器作用时，它们可缩回并与所述叶片的表面齐平。当需要所述流动效应器作用时，它们可从所述叶片的表面延伸，并且影响所述叶片上的流动，并由此改善流动的附着。

在它们的完全或部分伸展位置中，所述一个或更多个流动效应器将影响流体边界层。在它们的缩回位置中，所述一个或更多个流动效应器优选至少与所述风力涡轮机叶片齐平，即，在它们的最大缩回位置中，它们优选不突出到所述流体边界层中。

所述流动控制装置的所述一个或更多个流动效应器可包括一个或更多个涡流发生器。在优选实施方式中，各装置包括一对布置成产生反转涡流的涡流发生器。所述成对的涡流发生器通常相对倾斜而形成V形结构，以朝进来的空气流打开或关闭。产生的这些涡流可沿叶片外形相对于彼此反转，并向所述叶片的表面处的边界层供应能量，由此提高气流离开所述表面和所述叶片失速之处的风速。

在各流动控制装置中还可以仅具有一个单一的涡流发生器，并且还使单一涡流流动控制装置成对布置，以产生反转涡流。

主动流动效应器可在旋转平面中以摆动运动来回旋转以及可沿横向于所述旋转平面的方向伸展/缩回，这种设置导致主动流动控制装置具有两个自由度。在优选实施方式中，流动效应器基本垂直于所述旋转平面延伸。

在不对所要求保护的范围有任何限制的情况下，在下列说明中，将伸展/缩回运动称作“竖直运动”，同时将来回旋转称作“水平摆动”。

本发明构思提出可以以各种频率和幅度控制竖直伸展以及控制水平摆动的频率和幅度。由此，可实现相交流的混合(即沿翼展方向)的较大且受控制地增加，而导致在相反压力梯度下有效抑制失速。同时，在较低迎角和/或在运输期间，可使流动效应器分别完全或部分地缩回，以降低阻力和噪声，并避免损坏流动效应器。

本发明构思提供流动效应器的水平摆动的可能性、并可以使其通过将流动引向叶片上的有关区域而产生增大的相交流混合。这还提供了不需要在叶片的整个翼展范围内设置流动控制装置的优点。

所述流动控制装置可包括壳体或框架，该壳体或框架铰接地支撑所述一个或更多个流动效应器，并且该壳体适于来回旋转，以实现所述水平摆动。

所述流动控制装置可包括第一驱动装置，该第一驱动装置用于实现所述竖直运动，即，用于使所述一个或更多个流动效应器在所述伸展位置与所述缩回位置之间移动。为了控制目的，所述第一驱动装置可布置成将所述一个或更多个流动效应器定位在所述伸展位置与所述缩回位置之间的任意选择的位置中。在所述缩回位置中，所述流动增强装置优选与叶片表面完全齐平。该第一驱动装置可优选被布置在上述壳体内。

为了进一步提高高能量空气与自由流的混合，以取代边界层空气，所述流动控制装置还可以包括用于使所述一个或更多个流动效应器产生振动的振动驱动装置。所述振动的方向可横向于所述旋转平面，并且尤其可与供所述一个或更多个流动效应器在其中伸展和缩回的方向一致。

用于产生竖直展开运动的上述第一驱动装置还可用于产生振动，借此，该振动将叠加在竖直展开运动上。

根据第二方面，提供一种流动控制模块，该流动控制模块包括支撑主体，该支撑主体适于被安装在风力涡轮机叶片中，并且支撑多个流动控制装置。所述流动控制装置在所述模块中可以以线性分布的方式布置，或者以其它合适的构造布置。

为了能够使所述模块的流动效应器进行摆动运动，这些流动效应器可由所述模块主体可旋转地支撑。

所述模块的所述流动控制装置可被驱动地互连成一组或多组，由此所述摆动运动对每组中的所有流动效应器是共同的。

根据其它方面，提供一种用于影响风力涡轮机叶片的流动表面处的流体边界层的方法，该方法包括：

控制一个或更多个流动效应器的展开/缩回度的步骤，所述一个或更多个流动效应器可展开至所述流体边界层中并可从所述流体边界层缩回，并且

当所述一个或更多个流动效应器至少部分展开至所述流体边界层中时，控制所述一个或更多个流动效应器在基本平行于所述流动表面的旋转平面中以摆动运动来回旋转的步骤。

在优选实施方式中，所述方法进一步包括还控制所述流动效应器的振动的步骤，尤其是横向于所述叶片的流动表面的振动。该振动将有效地有助于增强混合。振动频率范围将取决于各个安装和实际操作条件。然而，可行的振动频率范围可以是40-70Hz，如果检测到即刻失速风险，则该范围可临时增大到例如90-100Hz。

在利用振动的实施方式中，振动可被致动成“最终”失速防止措施，以增大混合。例如，可采用以下顺序的控制模式：

模式Ⅰ.用于低迎角，流动效应器可完全缩回(与叶片齐平)，以降低阻力。

模式Ⅱ.随着迎角的增大，流动效应器逐渐展开至边界层中，以增大其混合。

模式Ⅲ.随着仰角进一步增大且叶片开始失速，流动效应器被致动(开始振动)，以进一步增大混合。

流动效应器的水平摆动运动可以以模式2和/或模式Ⅲ致动。

通过利用一个或更多个传感器来优选调节这些控制模式，所述一个或更多个传感器用于检测迎角的大小或任何其它相关流动控制参数。

为了获得最有效且高效的操作，流动效应器在叶片表面上的高度优选被主动且连续地控制，以与局部边界层厚度相配，该局部边界层厚度又取决于雷诺数。该雷诺数与叶片的翼展上的雷诺数不同，也不是风速的函数。从而，可基于局部操作雷诺数在叶片的翼展上主动利用各种高度水平或展开度。沿叶片翼展可具有不同的竖直伸展度。例如，可优选在叶片根部具有较大伸展。

因此，用于主动控制展开度的一个控制参数可涉及局部边界层厚度或局部雷诺数和压力分布。

各情况下的输入控制参数取决于控制目标，该控制目标在目前情况下可能很多。可行的局部控制参数包括下列参数中的一个或更多个：

-沿叶片的翼展的数个截面上的压力分布

-流入角/迎角

-雷诺数

-边界层厚度

-局部风速测量和/或风向测量

更全局的输入参数可涉及加载：

-叶片尖端移位

-根部沿翼转矩

另外，在风力涡轮机的完全旋转期间，因风速下降到基级的情况，或者因为疾风、偏航失准、空气动力载荷不平衡等还可以上下地主动控制流动效应器。

如果测量表面上的压力，则风力涡轮机叶片可以是形成局部控制参数的一种方式。该测量本身通过使用位于风力涡轮机叶片的表面中的压力传感器来进行。该压力可被局部测量并可局部致动流动效应器。然而，流动效应器可遍布于风力涡轮机叶片的翼展上，即，从根部到尖端，并且从前缘到后缘。自然地，压力传感器也可遍布于风力涡轮机叶片的翼展上。

本发明的流动控制装置的特定应用是将一个或更多个该流动控制装置定位在风力涡轮机叶片的尖端，以修正并消除叶片翼端涡流的几何形状。

主动流动控制装置将用作：

1.虚拟小翼

2.尖端/尾流涡旋消散器

如果用作叶片尖端/尾流涡旋消散器，则主动流动控制装置修正尾流附近区域的布局，以分配增大区域上的环流并降低加载于下游涡轮机上的尾流。在大型风电场(例如离岸电场)中操作涡轮机时，这具有主要影响。如果用作虚拟小翼/尾流涡旋消散器，则主动流动控制装置将用于抑制翼端涡流引起的噪声。

如今，通过减载(降低RPM)涡轮机和较小地变桨距(pitching lessaggressive)来进行噪声调节。然而，这样做降低了涡轮机的功率输出。为了抑制该结果，主动流动控制装置可用于控制/屏蔽由叶片发出的噪声。

本发明的流动控制装置的另一个特定应用是将一个或更多个流动控制装置定位在风力涡轮机叶片的根部处，以抑制根部处的3D和失速流动。

风力涡轮机叶片沿其整个长度的空气动力学效率不同。可对叶片根部进行特定的设计考虑，以允许叶片承受其自身重量并允许叶片被安装在涡轮机上。这些设计因素对叶片的性能具有负面影响。

上述的发明的各方面具有许多优点：

1.在低速下，风力涡轮机叶片可以以光滑叶片外形(降低阻力)操作，同时在需要时流动效应器可在高风速下以被调节的方式逐渐展开。

2.低迎角下无阻力损失(与现有技术的固定涡流发生器不同)

3.低风速下无噪声损失(与现有技术的固定涡流发生器不同)

4.由于边界层处的空气混合增加，因此最大升力可能比现有技术的固定涡流发生器高。

5.由于自由度的数量增多(展开/缩回和摆动以及(可任选地)振动)，因此可以以非常有效的方式主动且连续地调节对流体边界表面的影响。

6.可以在风力涡轮机叶片的尖端和/或根部的附近利用本发明的构思，以消除针对这些部位的反向流动动力学状态。

附图说明

现在将参照附图通过非限制性实施方式来描述本发明构思和其它优点。

图1是根据本发明构思的实施方式的流动控制装置的立体图。

图2是设置有布置在模块中的多个流动控制装置的风力涡轮机叶片的立体图。

图3是用于使多个流动控制装置摆动的示意的简化的驱动机构的立体图。

图4是设置有多个流动控制装置的流动控制模块的实施方式的示意性立体图。

图5是设置有流动控制模块和不同传感器的风力涡轮机叶片的立体图。

图6是图5中的流动控制模块的俯视图。

图7是安装在风力涡轮机叶片中的模块的剖视图。

图8a是风力涡轮机叶片处的流体边界层的第一状态的示意图。

图8b是图8a中标出部分的放大图。

图9是风力涡轮机叶片处的流体边界层的第二状态的示意图。

具体实施方式

图1示意性示出待被安装在风力涡轮机(未示出)的叶片100(图2)中的主动流动控制装置10的实施方式。主动流动控制装置10包括：框架或壳体12(由筒状壁和底形成)；和一对翅状流动效应器14，这对流动效应器14通过枢轴16在它们的尖端处铰接地支撑在壳体12中。

流动效应器14用于控制流体边界层动力学特性，以抵消并控制空气边界层分离并以便提供叶片的流动表面的总体有益操作。流动效应器14还可用于叶片的尖端和/或根部处的特定目的。

图8a示意地示出朝风力涡轮机叶片100流动并在形成边界层BL的叶片表面102上流动的气流F。在图8a中的情形下，当在图8b中以较大比例观看时，流动F达不到叶片100的后缘101。边界层BL在分离线或过渡区域103处与叶片表面102分离。超过该区域103，流动方向在形成紊流边界层的104处反向。

图9示意地示出使用流动效应器14可如何影响边界层动力学特性，从而使分离被充分延迟，如在105处所表示的。

在所示的实施方式中，流动效应器14呈两个相对倾斜的反转涡流发生器14的形式。在风力涡轮机叶片100操作期间，涡流发生器14的侧表面产生涡流，该涡流沿叶片外形相对于彼此反转，并向叶片表面处的边界层供应能量，借此可提高气流离开该表面并且叶片失速之处的风速。更具体而言，所产生的涡流结构与来自自由流的高能量空气混合，以取代因与表面相互作用而已丧失动能的边界层流体。因此，借助对边界表面层供应能量，流动效应器可抑制失速。

壳体12被布置成通过使形成旋转轴线的主轴18旋转而以摆动运动如由箭头A所示来回旋转。当安装到叶片100时且在操作期间，壳体12和支撑在其中的流动效应器14被布置成在几何旋转平面中来回旋转。该旋转平面可与叶片表面102基本平行。下面，该运动将被称作“水平摆动”。

用于产生水平摆动(A)的驱动装置可以与装置10成一体，或者，如在图3中所示的实施方式中一样，被设置成公用驱动装置50，用于同时控制呈推拉杆机构的形式的多个流动控制装置10-1、10-2、10-3。公用平移杆52的来回线性运动(箭头D)通过连杆臂54传递到固定地连接到流动控制装置10-1、10-2和10-3的主轴18的臂56，以使流动效应器14以合适的且优选可调节的频率和幅度摆动。通过任何合适的驱动装置产生杆52的线性运动。

驱动装置20布置在壳体12内，如箭头B所示，以使涡流发生器14在一方面的展开位置与另一方面的缩回位置之间绕枢轴16以枢转运动移动。该移动在下面被称作竖直展开运动，并且横向于旋转平面引导。

在所示的实施方式中，用于竖直运动的驱动装置20呈压电线性电机20的形式，该线性电机包括：压电叠堆22，该压电叠堆22由壳体12支撑；以及滑动件24，该滑动件24可沿叠堆22线性移动到全缩回位置与全延伸或展开位置之间的任何所选的竖直位置。滑动件24的线性驱动运动通过连接杆26、28和30转换成两个流动效应器14的枢转运动(B)，用于连续地调节其展开/缩回的程度。

在优选的实施方式中，为了进一步提高空气混合效果，涡流发生器14还被布置成如由图1中的箭头C所示进行振动。优选在横向(例如垂直)于旋转平面的方向上产生振动。在所述的实施方式中，还通过枢轴16处的竖直运动产生振动，借此，驱动装置20可用于双重目的，并且该振动叠加在竖直展开/缩回运动上。该振动可在不同的展开度被致动，并且应优选以合适的频率和幅度被主动控制。

如上所述，流动控制装置10适于被安装在风力涡轮机叶片100中。这当然能够通过将装置10一个接一个地安装在叶片表面102中来进行。然而，在如图中所示的一个优选实施方式中，流动控制装置10最初被组装或集成在形成独立模块40的堆叠中(图4)，所述模块40被顺序地安装在叶片100中。可在制造时安装流动控制装置10，或者可在任意时间对现有叶片进行改装。

图4是具有四个流动控制装置10-1至10-4的该独立模块40的立体图，这四个流动控制装置10-1至10-4以隔开的关系线性排列。模块40包括盒状的细长支撑体42，在该细长支撑体42中，可旋转地接收多个流动控制装置10(作为非限定实施例示出四个装置)。

如图2中所示，该模块40可沿叶片100的翼展被安装在不同位置。另外，还可在叶片中布置大量单独的装置10。

在所示的实施方式中，模块40通过插塞108安装在叶片蒙皮107中。可穿过叶片外壳107设置(例如钻出)矩形槽110。这些槽110于是排列有插入的插塞108。插塞108可利用合适的热塑性或热固性材料成型。该材料优选UV稳定，且能够耐受零下温度。ABS塑料或尼龙是合适的选择。

之后，如图7中所示，将承载装置10的模块40插入(通过例如树脂/胶)插塞108中。由于钻出了槽110，因此，为了稳定性目的可能需要叶片结构的一些重新设计。

插塞108可具有一个或更多个孔或槽112，用于接收装置10的主轴18，并且还任选地用于接收通向驱动装置20的电线(未示出)。

如图3中所示，模块40的流动控制装置10-1至10-3可被驱动地互连成一组或更多组，借此，各组中的所有流动效应器进行共同的水平摆动。

图5示意地示出两类传感器，该两类传感器可用于产生用于主动控制不同运动(竖直展开、水平摆动、竖直振动)的控制输入。这些传感器包括：(i)压力计接头60，该压力计接头60用于测量迎角的幅度以及其它流动特性；以及(ii)剪切传感器62，该剪切传感器62用于检测边界层或任何其它流动传感器的状态。

所示出且描述的实施方式可在要求保护的范围内以多种方式修改。

流动效应器14可进行不同的成形或设计，例如，成形或设计为协同旋转的涡流发生器、紊流形成器等。形状可以为矩形、三角形、半圆等，枢转点可被不同地定位。

流动效应器14可以以线性运动伸展/缩回，以替代枢转运动，或者它们的结合。

各流动控制装置10可仅具有一个流动效应器14或多于两个的流动效应器14。

展开驱动装置20可被替换成其它驱动装置，例如气动、液压或电驱动装置。另选地，用于竖直展开运动的驱动力可通过连杆机构等从叶片中的另一个位置传递。

可通过与驱动装置20分开布置的振动驱动装置来有选择地产生竖直振动，驱动装置20使涡流发生器14展开和缩回。

可增加附加振动以进一步提高效果。例如，可在水平摆动运动上叠加涡流发生器14的水平振动，或者可沿使两个流动效应器14互连的杆30提供振动。