带有可控的空气动力学涡旋元件的风力涡轮叶片

摘要

本发明涉及带有可控的空气动力学涡旋元件的风力涡轮叶片。一种具有吸力侧表面(20)和压力侧表面(22)的风力涡轮叶片(16)。多个动态涡旋元件(24)形成在该吸力侧表面(20)或该压力侧表面(22)中的至少一个上。该涡旋元件(24)可在相对于涡旋元件形成于其上的表面的中性面向内凹进的第一缩进位置和相对于该表面的中性面向外凸出的第二伸出位置之间被激活。

说明书

技术领域

本发明大体上涉及风力涡轮领域，且更具体而言，涉及具有空气 动力学表面构型的涡轮叶片。

背景技术

涡轮叶片是风力涡轮的主要元件，其用于将风能转换为电能。该 叶片的工作原理类似于飞机机翼的工作原理。该叶片具有翼型件的截 面轮廓，使得在运行期间，空气流经该叶片而在两侧面之间产生压差。 因此从压力侧朝向吸力侧导向的升力作用在叶片上。该升力在主转子 轴上产生转矩，该主转子轴通过齿轮连到发电机上，以产生电力。

越过叶片前沿的空气流主要是在粘附流区域中的层流。升力主要 在这个粘附流区域中产生。随着空气朝着叶片后沿移动，流分离发生 且空气流过渡到隔离流区域，此处该流更加湍流化。流分离取决于许 多因素，诸如引入空气流特征(例如雷诺数、风速、流入大气湍流)和 叶片特征(例如翼型件截面、叶片弦和厚度、扭转分布、桨距角等)。 隔离流区域还导致主要由上游粘附流区域和下游隔离流区域之间的 压差引起的阻力的增加。

因此，为了在风力涡轮的正常运行期间增加能量转换效率，期望 在减小阻力的同时增加升力。为了这个目的，通过使流分离更靠近叶 片后沿(也即在叶片的下游区域中)而增大粘附流区域并减小隔离流区 域会是有利的。同样，大体期望具有稳定的流分离，以便增加叶片的 工作稳定性并减少其噪音产生。

在本领域中已知的是通过在叶片表面上增加微坑、凸出或其它结 构来改变风力涡轮叶片的空气动力学特性。这些结构通常被称为“涡 旋产生器”，并用于在叶片表面上产生空气流的微湍流区域。这导致 了在大体上更靠近叶片根部的叶片的相对低速区域中的流过渡稳定 性。在更接近叶片尖端的叶片的相对更高速区域处，该涡旋产生器用 于使空气流的流分离朝叶片后沿延伸，以产生更多提升并减少阻滞。

已知静态或固定涡旋产生元件。例如参考WO2007/065434； WO00/15961和美国专利No.7604461。这些参考资料中的涡旋元件具 有限定的不变的形状、尺寸和构型，且因此用于改变空气流状况的元 件的通用性受到了限制。

还已知相对于叶片表面部署的可缩进的或枢轴式涡旋产生器。例 如参考美国专利No.4039161；美国专利No.5253828；美国专利 No.6105904；美国专利No.6427948和WO2007/005687。

EP1896323B1描述了平面构件的形式的枢轴式涡旋产生器，其在 缩进状态中处于流控制表面上而在伸出状态中从该表面以一定角度 枢轴转动。该涡旋产生器可从由加热器促动的形状记忆合金形成。该 参考资料描述了可使用其它类型的促动器(包括双压电晶片促动器)向 涡旋产生器施加枢轴转动的动作。

美国专利No.7293959描述了具有为沿着叶片吸力侧的后沿和前 沿以纵向方向延伸的柔性襟翼的形式的升力调节工具的风力涡轮叶 片。该襟翼在高风速时被激活以减小叶片的提升。该激活工具可为压 电的。

尽管在上文引用的参考资料中所讨论的涡旋产生器因为它们被 部署为活动状态而可被认为是“动态”的，这些元件在“静止”状态中 的用处最小。

因此，本行业将从这样的风力涡轮叶片中受益：该风力涡轮叶片 具有在更宽范围的风和空气流状况下在活动和非活动两个状态中提 供了增强的空气动力学表面特性的动态涡旋产生元件。

发明内容

本发明的各方面和优点将在下文的描述中部分地阐述，或者根据 本描述它们可以是显然的，或者它们可以通过对本发明的实施而被了 解。

根据本发明的各方面，提供了具有吸力侧表面和压力侧表面的风 力涡轮叶片。多个动态涡旋元件形成在这些表面的任一个或两个上。 该涡旋元件可被激活或可部署到相对于该表面的中性面向内凹进的 第一缩进位置，涡旋元件在该位置中形成为限定了凹进的涡旋产生元 件，以及相对于该表面的中性面向外凸出的第二伸出位置，涡旋元件 在该位置中形成为限定了凸出的涡旋产生元件。

在一个具体的实施例中，相应的叶片表面包括在其中形成于各个 涡旋元件的位置处的凹陷。该涡旋元件可由布置在该凹陷上方的柔性 材料层制成。该材料层在第一缩进位置中顺应进入该凹陷中而在第二 伸出位置中在该凹陷上方向外展开。可与该材料层一起构造激活机构 以在相应的位置之间移动或部署该材料层。在一个特别独特的实施例 中，该材料层包括压电材料而该激活机构包括连接到该压电材料的可 控电源。供应到该压电材料的功率的特性决定了该材料相对于叶片表 面的中性面呈现伸出的还是缩进的构型。该功率特性可变化，以在伸 出的构型中产生涡旋元件的相应地变化的形状。该多个涡旋元件可供 应有共同的受控电源，使得它们动作一致，或者为了更精确的控制， 它们可单独地供应和控制。备选地，该涡旋元件可细分为组，且各组 单独地控制。

在又一个实施例中，风力涡轮叶片除了动态涡旋元件还可包括静 态涡旋元件。该静态元件可与动态涡旋元件隔离或关于动态涡旋元件 散布。

动态涡旋元件的具体形状和构型不是限制性因素。在一个具体的 实施例中，元件在缩进和展开的两个构型中大体上是半球形的形状。 涡旋元件的任何期望的形状、定向或其它几何特征在本发明的范围和 实质中。

在另一个独特的实施例中，涡旋元件也可构造为呈现第三中性位 置，其中该元件与叶片表面的中性面共同延伸(co-extensive)而因此与 该叶片表面基本齐平。

本发明还包括具有一个或多个配置有如本文描述的动态涡旋元 件的涡轮叶片的风力涡轮。

本发明的这些和其它特征、方面和优点通过参照下文描述和所附 权利要求将被更好地理解。结合在本申请文件中并构成本申请文件的 一部分的附图示出了本发明的实施例，且与本说明一起用于解释本发 明的原理。

附图说明

在本申请文件中阐述了本发明的针对本领域一般技术人员而言 完整和可实施的公开，包括其最佳模式，其参照了附图，其中：

图1是传统风力涡轮的透视图；

图2是根据本发明的各方面的风力涡轮叶片的一个实施例的透视 图；

图3是风力涡轮叶片的一个实施例的图解侧视图；

图4是风力涡轮叶片的一个备选实施例的透视图；

图5是风力涡轮叶片的一个备选实施例的图解侧视图；

图6是相对于涡轮叶片的表面处在伸出位置中的涡旋元件的一个 具体实施例的图解侧视和运行图；

图7是图6的涡旋元件在相对于涡轮叶片的表面的缩进位置中的 图解侧视和运行图；

图8是涡旋元件的半球形实施例的图解俯视图；以及，

图9是涡轮转子轮毂和叶片的主视图。

部件列表

风力涡轮10

塔架12

机舱14

涡轮叶片16

转子轮毂18

吸力侧表面20

压力侧表面22

涡旋元件24

涡旋产生器25

凹陷26

蒙皮28

柔性材料层30

压电材料32

导线34

保持环36

激活机构38

电源40

传感器42

传感器线路44

中央电源46

控制器48

涡旋元件组50

具体实施方式

现将对本发明的实施例进行详细参照，在附图中示出了实施例的 一个或多个实例。各个实例通过对本发明的解释而非对本发明的限制 的方式提供。事实上，对本领域技术人员来说将会显然的是，在本发 明中可以不脱离本发明的范围或精神而作出多种修改和变化。例如， 作为一个实施例的部分来示出或描述的特征可与另一个实施例一起 使用而产出一个另外的其它实施例。因此，本发明意图包括处于所附 权利要求及其等价物的范围中的这样的修改和变化。

图1示出了传统结构的风力涡轮10。该风力涡轮10包括塔架12， 机舱14安装在其上。多个涡轮叶片16安装到转子轮毂18上，而该 转子轮毂则连接到使主转子轴转动的主凸缘上。风力涡轮功率产生和 控制部件容纳在机舱14中。提供图1的视图仅是为了说明性目的， 其将本发明置于示例性的使用领域中。应该明白本发明不限于任何特 定类型的风力涡轮构型。

图2和图4描绘了结合了本发明的各方面的风力涡轮叶片16的 实施例。该叶片16包括吸力侧表面20和压力侧表面22。多个动态涡 旋元件24形成在表面20和22中的任一个或两者上。在图2和图4 示出的实施例中，涡旋元件24被描绘为在吸力侧20上。涡旋元件24 是“动态”的，因为它们在不同的运行位置之间激活或部署。具体而言， 涡旋元件24被激活到第一缩进位置，其中元件24相对于该元件形成 于其上的相应表面的中性面向内凹进。在图7中描绘了在该缩进状态 中的涡旋元件24的一个实施例。如图6中所描绘的，涡旋元件24被 部署或激活到相对于涡旋元件形成于其上的表面的中性面向外凸出 的第二伸出位置。因此应该明白涡旋元件24在第一状态中形成凹进 的涡旋产生器而在第二状态中形成凸出的涡旋产生器。

涡旋元件24可与传统的固定涡旋产生器25(诸如固定鳍状物、楔 形物等等)在涡轮叶片表面上以任何样式组合使用，以修改叶片16的 空气动力学特性。例如，在图2中描绘的实施例中，涂黑的元件是位 于叶片16的尖端段处的动态涡旋元件24(凹进或凸出)，而较浅的元件 是静态或固定涡旋产生器25。在图4的实施例中，动态涡旋元件24 同静态涡旋产生器25一样沿着叶片16的长度定位。另外，多个涡旋 元件24可分为不同的组，其中这些组中的第一个组包括所有在伸出 位置中的涡旋元件24，而分开的不同组包括所有在缩进或凹进位置中 的涡旋元件24。

涡旋元件24形成于其上的叶片16的表面20、22形成为具有对 应于涡旋元件24之间的叶片的光滑表面的中性面。参照图6，处于其 展开状态中的涡旋元件24在环绕该涡旋元件24的中性面上方延伸了 高度H。类似地，在图7的涡旋元件24的构型中，元件24相对于环 绕该涡旋元件24的表面的中性面具有凹进深度D。

具体参照图6和图7，叶片16包括由诸如模制材料、层压材料等 等的任何合适材料形成的外蒙皮28。在该蒙皮材料28中在各个涡旋 元件24的位置处形成了凹陷26。涡旋元件24包括布置在凹陷26上 方的柔性材料层30。在涡旋元件24的缩进位置中，该柔性材料层30 顺应进入凹陷26而限定了凹进的涡旋产生器。如图6中所描绘，在 涡旋元件24的第二伸出位置中，柔性材料层30在凹陷26上方向外 展开而相对于蒙皮28的中性面限定了凸出的涡旋产生器。柔性材料 层30可由足够柔韧以顺应进入凹陷26和从该凹陷向外展开、同时经 受风力涡轮叶片的环境状况的任何材料限定。应该明白本发明不限于 任何特定类型的柔性材料层30。可使用保持环或其它结构36来将柔 性材料层30附连到蒙皮28。如图6和图7所示，该环36可嵌入到环 绕凹陷26限定的凹槽或沟道中。在一个备选的实施例中，柔性材料 层30可粘接或机械地紧固到凹陷26周围的蒙皮28。

提供了大体上为38的激活机构以在缩进和伸出状态之间部署柔 性材料层30。激活机构38可为任何形式的适当的系统或机构，诸如 气动系统、液压系统、电/机械系统等等。例如在未在图中示出的一个 具体实施例中，凹陷26可供应有加压空气源以将柔性材料层30展开 到图6所示的位置。如图7中所描绘，要缩进层30，可以施加吸力， 以移除该空气而将层30拉入与凹陷26顺应。激活机构38也可改变 在伸出状态中的涡旋元件的凸出程度或范围。例如，气动或液压系统 可为能够可变化地调节的，以使得涡旋元件相对于蒙皮28的中性表 面以变化的程度凸出。

在一个特别独特的实施例中，激活机构38包括与柔性层材料30 相结合的压电材料32。该压电材料32可为嵌入或以其它方式附连到 柔性层材料30的部分上的带状物的形式(如图8所示)。在一个备选的 实施例中，该压电材料32可为以任何期望的样式或构型贯穿柔性材 料层30而分布的纤维的形式。

压电促动器的运行是众所周知的，且因而在此处不需详细描述。 大体上，传统的压电纤维复合材料促动器包括装入保护性聚合物基体 材料中的一层挤压成型的压电纤维。交叉梳状电极刻蚀或否则沉积到 纤维的顶部和底部上的聚合物薄膜层上，以形成可容易地嵌入到多种 类型表面中或布置在它们上的促动器层压薄片。供应到压电材料的功 率的频率和电压特性支配了该材料被激活时呈现的形状。在本发明的 实施中可能有用的一种具体类型的压电材料32在例如美国专利 No.6629341中描述。然而应该明白，其它压电材料可能也是合适的。

图6到图8将单独的涡旋元件24描绘为大体上半球形的形状。 如图8中所描绘，这种形状可通过使用不同的均等地间隔开的压电材 料件来实现，其引起柔性材料层30在施加到材料32的某电压/频率处 以大体上均匀的半球形的形状向外凸出，以及在涡旋元件24的缩进 位置中向内顺应为凹陷26的大体上为半球形的形状。

也可控制供应到压电材料32的功率特性，以产生变化的伸出程 度，以及因此涡旋元件的变化的形状。

然而应该容易明白，涡旋元件24不限于任何特定的形状或构型， 且可使用压电材料32的任何形式或构型来实现涡旋元件的任何期望 的形状，包括楔形形状、襟翼等等。

压电材料32可通过导线34由电源进行供应。该导线34可结合 到保持环结构36中，其因此可作为用于与特定涡旋元件24相关联的 所有多个压电材料件32的电分配汇流管或总线。其它用于向压电材 料32供应功率的构型处于本发明的范围和精神中。

在一个具体的实施例中，如图3中所描绘，在叶片16上的所有 或不同组的涡旋元件24可由共同的可控电源40供应。通过这种构型， 与相同电源40连通的所有涡旋元件24将呈现相同的运行状态。换言 之，取决于由共同电源40供应的功率的特性，连接到相同电源40的 一组中的所有元件24将或者展开或者缩进。在图3所示的实施例中， 在吸力侧表面20上的涡旋元件24由单个电源40供应，而在压力侧 表面22上的元件24由不同的电源40供应。因此，通过这种安排， 在吸力侧上的元件24可部署为如图6所示的展开状态，而在压力侧 22上的元件24可被激活进入如图7所示的凹进状态。图4和图5示 出了一个实施例，其中在相应的表面20、22上的涡旋元件24由相应 的电源40单独地控制。以这种方式，可设计凹进和展开的涡旋元件 24的任何期望的样式或构型，如图4所描绘，其中涂黑的元件24意 图描绘展开的涡旋元件，而阴影更浅的元件24意图描绘凹进的涡旋 元件。

参照图6和图7，在某些情形下可能希望涡旋元件24呈现第三运 行状态，其中，如图6和图7中的虚线所描绘，涡旋元件24的表面 与叶片的环绕表面的中性面共同延伸。可能存在有这样的风和空气流 状况，其中由于涡旋元件引进的阻滞，涡旋元件的有用性或合意性是 最小的，且可能是有害的。在这种状况下，柔性材料层30可被部署 为图6和图7中的虚线构型所示的平坦轮廓状态，其中元件24变为 基本上不起作用。

图9描绘了带有多个根据本发明的各方面构造的叶片16的转子 轮毂18。在这个具体的实施例中，各个叶片16包括多组50如本文描 述的涡旋元件24。各组50和与各个叶片16相关联的控制器48相连 通。取决于用于各个叶片16的控制方案，控制器48支配供应到单独 的组50或供应到各个组50中的单独的涡旋元件的电源的特性。而相 应的控制器48转而与可在轮毂18或机舱14(图1)中可操作地构造的 中央控制器/电源46联系。单独的控制器48可响应在叶片16的表面 上提供的任何形式的传感器42检测到的由单独的叶片16经历的相应 的风或其它环境状况而供应有控制信号。例如，传感器42可为载荷 传感器，失速传感器或可用于确定叶片16的空气动力学状况的任何 其他类型的传感器。传感器42可通过线路44向单独的相应控制器48 供应信号，以用于与各个相应叶片16相关联的涡旋元件24的近似实 时的控制。

仍参照图9，还应该明白，尽管单独的相应的叶片控制可能是合 乎需要的，但这样的控制不是强制性的，且本发明包括基于通过传感 器42由任何一个或所有叶片16感测到的状况来共同控制与叶片16 相关联的所有涡旋元件24。

尽管本主题已相对于具体的示例性实施例及其方法进行了详细 描述，但将明白，本领域的技术人员在获得对前述内容的理解后，可 能很容易对这样的实施例作出变换、变化和等价物。因此，本公开的 范围通过实例而非通过限制(确定)，且本主题公开不排除包括对本领 域一般技术人员来说将会容易地明白的对本主题的这样的修改、变化 和/或附加。