风轮机叶片以及用于控制叶片上的载荷的方法

专利名称：风轮机叶片以及用于控制叶片上的载荷的方法
技术领域：
本发明涉及一种风轮机叶片，该风轮机叶片包括叶片体和升力调节装置，所述升 力调节装置适于借助由致动控制器控制的致动装置而相对于所述叶片体运动，其中，所述 致动控制器基于来自传感器的输入而控制所述升力调节装置的设置。本发明的另一方面涉及一种用于调节风轮机叶片的升力和控制叶片上的载荷的 方法。
背景技术：
最近几十年，现代风轮机的尺寸增大了很多，并且目前具有长度达到100m的叶 片，并且未来能够预见甚至更长的叶片。风轮机叶片通常以三个一组布置在毂上，以构成转 子。该转子又连接至布置在塔顶上的机舱中的主轴。作为一实施例，具有100m的叶片的转 子掠过31000m2以上的转子区域。随着尺寸的增大，结构(例如叶片)上的载荷也增大很多。原因之一在于风轮机 接收的能量随着叶片长度增大的平方而增大。而且，风速在整个转子上并不恒定，因此随着 叶片尺寸的增大叶片经受的风的变化就更大。风在转子区域的不同位置处的局部变化是由 于风切变(即，靠近地面的风速比更高处的风速低)、紊流、风障、塔盲区等。所有这些因素 均增加了风轮机上的疲劳载荷和极限载荷。过去几年为改善叶片的空气动力学特性进行了许多研究，并且提出了关于风轮机 的调节的各种解决方法。例如如今的标准是调节叶片的桨距。然而，仍存在改善空间。通过使风轮机的载荷能够降低，可以明显降低使用这种风轮机发电的成本。控制 风轮机的载荷使得可以降低部件成本，这是由于对这些部件强度的限制较少，因为所述部 件可免于过载和疲劳。而且，控制风轮机的载荷将提供比如今甚至更大的风轮机，而导致功 率输出更高。另外，控制风轮机的载荷能够使风轮机放置场所中的风轮机之间的间隙更紧 密，这对风轮机放置场所的经济性具有重要意义。已进行各种努力来减轻叶片上的载荷，例如通过使叶片具有可变几何形状。例如， WO 2004/088130A1公开一种具有可变几何形状的风轮机叶片。该叶片包括可变形的前缘和 /或后缘。通过监控叶片流入测量值、流动压力、应变仪以及加速计来控制变形。WO 2004/074681A1中可见另一个示例，该示例涉及基于局部叶片流量测量来控制 风轮机的空气动力学载荷的方法。所述叶片包括可动的后缘翼。WO 2004/099608A1公开一种具有活动翼的风轮机叶片。所述翼能够借助致动装置 得以调节，因此改变叶片的空气动力学特性。安装在叶片外壳的内表面上或者将叶片外壳 的内表面互连的支柱上的应变仪测量叶片上的载荷并用于调节所述翼。然而，这些构想没有投入商业使用的风轮机。认为上述系统较复杂，因此该系统的 预想的高价格和稳健性差而阻碍上述构想投入商业使用。本发明的目的是提供一种具有快速响应的升力调节装置的风轮机叶片。

发明内容
根据本发明，该目的通过引言中概述的风轮机叶片实现，其中，所述传感器为适于 感测来自作用在所述升力调节装置上的风量的力的力传感器。由此实现所述传感器感测来 自直接作用在所述升力调节装置上(而不是通常作用在叶片上)的风量的力，这意味着惯 性效应得以限制，因此大大减少响应时间的延迟。与用于局部风速测量的传感器(例如叶 片中的皮托管或内置式压力传感器)相比，这样的力传感器非常稳健。而且，该力传感器的 价格较低。另外，将传感器布置在所述升力调节装置处便于安装和维修，甚至能够利用根据 本发明的升力调节装置对现有叶片进行改进。根据一实施方式，所述传感器为应变仪或压力仪，该应变仪或者压力仪为特别稳 健且廉价类型的传感器。根据可选实施方式，所述传感器为压电阵列。这样的压电阵列可提供关于力的更 详细的信息，因此提供更精确的调节，这将进一步减轻所述叶片上的载荷。压电阵列还可同 时兼用作致动器装置和传感器装置。根据本发明的所述升力调节装置可布置在翼的任意合适位置处，并且其可呈任意 合适的形式。然而，根据一实施方式，所述升力调节装置为后缘翼。所述后缘翼可以极大地 减轻风轮机叶片上的载荷，并且与前缘翼相比不容易发生故障。应理解的是，所述翼可以是叶片的一体部分，并且甚至可形成叶片的从根部区域 至叶片尖端处的位置或靠近叶片尖端的位置的整个后缘部。然而，根据一实施方式，所述翼 包括多个单独可动的翼节段。由此可精确地适于对所述叶片处的任意部分处的瞬时载荷状 态进行调节。为了提供所述叶片的从毂到尖端的载荷的基本连续的调节，所述翼节段可沿所述 叶片的纵向并排布置。尽管通过仅覆盖所述叶片长度的较小部分的升力调节装置可提供一些有益效果， 但是建议沿所述叶片的长度的一较大部分布置升力调节装置，例如沿着叶片长度的四分之 一以上布置。由此实现对升力的有效调节。根据一实施方式，所述升力调节装置适于沿所述叶片的纵向提供基本连续的形状 变化。由此可提供逐渐变化，并且可大大降低产生噪声的风险。可通过由柔性材料(例如 橡胶)制成的共用外层覆盖多个翼节段来提供连续的形状变化。在一实施方式中，所述致动控制器适于接收涉及下列参数中的一个或多个参数的 数据风速、风切变、在一个或更多个叶片上的至少一个位置的局部流动的风速、叶片振动、 天气条件(例如空气密度、紊流、雨和雪)、所述致动装置的功率消耗、实际叶片载荷以及叶 片载荷历程。风切变应理解成由所述转子掠过的区域上的风速的差。例如通常可以看到，风速 在所述转子平面的顶部比在底部高，这是由于地面和地面上的物体对流动空气的阻力所致。术语“叶片载荷历程”应理解为，例如条件监控系统、主风轮机控制器或者其它部 分能够(基于叶片载荷的历史观察数据)推断出为了使叶片能够持续到下一维护请求而必 须减小叶片上的载荷，因为所述叶片持续了给定时间段或者其它时间段。通过向致动控制器提供其他数据，可以针对给定情况对叶片的载荷进行更精确的
5调节，同时可考虑其它参数。在本发明的一个方面中，所述升力调节装置通过至少一个铰链与所述叶片连接， 以允许所述升力调节装置相对于所述叶片移动，并且其中，所述传感器适于感测绕所述铰 链作用在所述升力调节装置上的转矩。将所述升力调节装置铰接在所述叶片体上的有利之处在于，所述铰链是允许所述 升力调节装置相对于所述叶片体移动的简单且稳健的方式。另外，允许以简单且精确的方式感测来自作用在所述升力调节装置上的风量的 力，这是因为该力能够作为绕所述铰链作用在所述升力调节装置上的转矩的差而被非常精 确地测量到。另一个实施方式涉及一种包括如上所述的风轮机叶片的风轮机。装配有根据本发 明的风轮机叶片的风轮机能够在更大的风中操作，由此更好地利用风能。另外，所述风轮机 受到较小的应力和应变，因此，预期寿命较长，同时故障之间的平均时间较长，这对于风轮 机的经济性(由于位置通常较远因此维护昂贵)是重要的参数。在风轮机的另一实施方式中，一个叶片的致动控制器适于接收来自风轮机的另一 个叶片的致动控制器的输入。由此即使传感器有故障也可以操作叶片的升力调节装置，因 为可使用来自所述风轮机的另一个叶片的致动控制器的数据。可使用来自不同致动控制器 的其他数据来评估数据质量，从而能够检测传感器是否有故障。另一个优点在于所述致动 控制器能够考虑到“未来”位置(即，其中正被讨论的叶片即将到来的位置)的叶片数据。 因此，可预先考虑塔盲区等之类的局部流动现象。本发明在任何类型的风轮机(例如失速调节风轮机)上都会提供明显的优点。然 而，根据一实施方式，所述风轮机包括适于接收来自所述叶片中的一个或多个叶片的致动 控制器的输入的桨距控制器。由此如果例如所述升力调节装置的致动控制器指示所述叶片 过载，则所述桨距控制器可以对叶片的桨距采取必要的动作。另外，本发明涉及用于调节风轮机叶片的升力的方法，其中，所述叶片包括叶片体 和升力调节装置，该升力调节装置适于借助至少一个致动装置相对于所述叶片体移动，该 方法包括下列步骤 通过至少一个传感器监控来自作用在所述升力调节装置上的风量的力； 从所述传感器提供对应于所述力的输出信号；以及 基于来自所述传感器的输出信号相对于所述叶片体控制所述升力装置的设置。由此可实现用于调节风轮机叶片的升力的特别简单且稳健的方法。由于惯性效应 被限制，因此大大降低响应时间的延迟。与用于局部风速测量的传感器(例如叶片中的皮 托管或者内置式压力传感器)相比，这样的传感器在载荷方面可以非常稳健。而且，传感器 的价格较低。另外，将传感器布置在所述升力调节装置处便于更简单地安装和维修，甚至能 够利用根据本发明的升力调节装置对现有叶片进行改进。在本发明的一个方面中，该方法还包括下列步骤 将来自所述传感器的输出信号传送至致动控制器；以及 基于来自所述致动控制器的输入相对于所述叶片控制所述升力调节装置的设 置，其中，基于来自所述力传感器的输出信号而形成所述输入。向致动控制器(该致动控制器又控制所述升力调节装置的设置)提供传感器信号的有利之处在于，致动控制器使得能够对所述升力调节装置的设置进行更复杂的控制，例 如可基于来自传感器的输出信号之外的其它参数来控制所述升力调节装置的设置，传感器 输出与升力调节装置的设置之间的关系可以非线性的方式或者其它方式来控制。在本发明的一个方面中，该方法还包括下列步骤 从风轮机主控制器向所述致动控制器提供设置点信号；以及 直接或部分地基于来自所述传感器的输出信号与所述设置点信号之间的差来控 制所述升力调节装置的设置。其有利之处在于，由此可以直接或者部分地基于最优载荷控制策略而控制升力调 节装置的设置，并且由此将升力调节装置的控制作为更大策略的一部分，以抑制振动、控制 不同的风轮机载荷及其它方面。所述风轮机主控制器可以例如是控制转子的操作(包括叶 片的变桨距操作)的控制器，可以是控制整个风轮机的总体操作的总控制器，或者可以是 风轮机中的或者对风轮机进行遥控操作的任意其它类型的最优控制器。在本发明的一个方面中，该方法还包括下列步骤 将来自所述传感器的输出信号传送至风轮机主控制器；并且 基于来自所述主控制器的输入相对于所述叶片控制所述升力调节装置的设置， 其中，基于来自所述力传感器的输出信号形成所述输入。使所述风轮机主控制器控制所述升力调节装置的设置的有利之处在于，不必在风 轮机中安装多余的控制器，并且能基于来自作用于所述升力调节装置上的风的力之外的其 它参数以简单的方式控制所述升力调节装置。在本发明的一个方面中，该方法还包括基于来自第一致动控制器的输入而控制位 于第一叶片上的第一升力调节装置的设置的步骤，其中，基于来自第二致动控制器的输出 信号而附加地形成所述输入，其中，所述第二致动控制器控制位于另一叶片上的第二升力 调节装置。附加地基于另一个叶片中的致动控制器的输出来控制所述升力调节装置的设置 的有利之处在于，能够实现更加均勻的风轮机载荷，并且第一控制器的经历可由其后的控 制器分享，以能够预期给定的载荷状态并且由此更好地处理。在本发明的一个方面中，所述叶片包括均由独立的致动控制器控制的多于一个的 升力调节装置，并且其中，该方法还包括检查所述独立致动控制器中的至少两个致动控制 器的整体一致性的步骤，以确保所述升力调节装置协调作用。检查独立致动控制器中的至少两个致动控制器的整体一致性的有利之处在于，由 此可以以简单的方式免于检查不同的控制器和升力调节装置，并且如果例如因局部紊流现 象、局部结冰、局部叶片表面的不规则性、鸟撞击或其它因素而导致产生的由力传感器感测 到的力突然局部变化，则这可以防止一个升力调节装置发生故障。本发明的另一个方面涉及一种用于控制风轮机叶片上的载荷的方法，所述方法包 括下列步骤提供可由致动器调节的升力调节装置；提供基于来自传感器的输入控制所述致动器的控制器；以及采用基于来自所述传感器的、关于所述升力调节装置的载荷的输入而调节所述升 力调节装置的控制策略。
根据一实施方式，所述传感器输入涉及所述升力调节装置上的压力分布。由此可 非常精确地对升力调节装置的载荷进行确定。根据可选实施方式，所述传感器输入涉及所述致动器的功率消耗，例如通过使用 电力变压器来测量用于所述升力调节装置的致动器的功率消耗。由此可非常稳健地对升力 调节装置的载荷进行确定。根据另一可选实施方式，所述传感器输入涉及由所述升力调节装置处的应变仪测 量的应变。由此可非常稳健地对升力调节装置的载荷进行确定。根据另一可选实施方式，所述传感器输入涉及通过所述升力调节装置处的测压元 件测量的载荷。由此可非常稳健地对升力调节装置的载荷进行确定。


下面将参照附图更加详细地描述本发明的实施方式，附图中图1示出普通的风轮机；图2是示出不同迎角下的压力分布的曲线图；图3示出不同翼角下的压力分布；图4示出不同翼角下的升力值；图5是示出具有翼的现有技术叶片的示意图；图6是示出根据本发明原理的叶片的截面的示意图；图7示出压力与迎角和翼角的函数关系；图8是示出根据本发明的叶片的可选实施方式的后缘的细节的示意性剖视图；图9是根据本发明的叶片的实施方式的等距视图；图10示出理想的风轮机功率曲线与实际功率曲线的实施方式；图11示出用于根据本发明的风轮机的控制系统的实施方式；图12示意性地示出用于各种翼角的升力与迎角；图13示意性地示出用于各种翼角的翼铰链力矩与迎角；图14示出迎角为8°且翼角为-20°时翼面的速度等值线图；图15示出迎角为8°且翼角为+20°时翼面的速度等值线图；以及图16示出迎角为8°且翼角为-20°时翼面的压力等值线图。
具体实施例方式图1中示出普通类型的现代风轮机10。风轮机10包括顶部上具有机舱12的塔 11。风轮机10包括由三个叶片1组成的转子，该叶片1使其根部17安装在毂13上。风将 致动转子的叶片1，以由此使转子如由箭头所示旋转。毂13与机舱12中的轴(未示出)连 接，通常该轴与用于发电的发电机(未示出)连接。所述轴可通过齿轮与发电机连接。图 1的风轮机10的叶片1的桨距可调节，因此能够绕其纵轴线转动。为了实现这一点，叶片1 通过变桨轴承14与毂13连接，并且设置用于使叶片变桨距的装置，例如电动机、液压马达 或者机械装置(例如活塞)。各叶片1包括前缘15、后缘16、根部17以及尖端18。各叶片1经受风力。叶片1上的力是局部翼面处(即，叶片1的横截面)的局部 力作用的总和。翼面上的力是局部翼剖面上的迎角a的函数。迎角a产生一定的压力分布(在吸入侧为负而在压力侧为正)，从而形成升力。压力分布通常标记为(CP)，作为CP积 分的升力标记为(CJ。图2示出了两个不同迎角a下的两种压力分布。以实线示出涉及最大迎角a的 压力分布。压力分布以及相应的升力还可通过翼角0改变。图3示出了这样的实施例。以 实线绘出涉及所示翼角0的压力分布。在图4中，示出在迎角为a的情况下用于不同翼 设置的升力值Q的对应设置。图5是示出根据WO 2004/074681A1的现有技术的风轮机叶片1的原理的示意图。 该风轮机叶片1包括叶片体2和可动后缘翼7，该可动后缘翼7基于来自叶片1的前缘15 处的流量传感器26的测量值借助由致动控制器5控制的致动器4调节。通过5孔皮托管 (pitot tube)检测并在翼面中计算出迎角a，迎角a用作调节翼剖面上的升力系数(即， 改变整个涡轮机叶片1上的载荷)的初始输入。用虚线表示翼7的正常位置，而用实线表 示翼7的调节位置。图6的示意图中示出根据本发明的风轮机叶片1。叶片1包括叶片体2和升力调 节装置3，该升力调节装置3在这里作为后缘翼7示出。翼7的位置由致动装置(这里呈线 性致动器4的形式)调节。与图5中一样，用虚线表示翼7的正常位置，而用实线表示翼7 的调节位置。在所示的实施方式中，示意性地示出翼7通过翼铰链19连接至叶片体2。翼7还 在翼连接点20处连接至致动器，该致动器又在锚接点21处连接至叶片1。本领域技术人员 清楚的是，这仅为一实施例，例如可设置不同类型的致动装置，例如电动线性致动器、液压 线性致动器、螺旋轴等。另外，如以下将更详细地讨论的那样，可使用压电阵列9。由致动控 制器5基于来自适于感测作用在翼7上的力的力传感器6的数据控制翼7的位置。在所示 的实施方式中，传感器6是致动器4上的应变仪。致动控制器5可包括信号处理装置、用于 数据处理的装置以及致动器功率控制器。根据该实施方式，提供了一种检测迎角a的稳健方式，即，通过确定作用在翼表 面上的压力为迎角a与翼角0的函数。对于小的迎角a与小的翼角0，该函数是线性 函数，并在图7中示出。对于较大角，该函数是较复杂的函数。因此，通过调节致动器并测 量作用在翼上的力(该力由作用在翼上的压力分布引起)得知翼角日，因此可推导出迎角 a。由此作用于翼上的力与迎角a对应。迎角a作为输入向控制策略提供特别合适的参 数，这是由于该角度也唯一地确定来自空气动力的局部叶片载荷。为了提供载荷状态最可 行的画面，从各翼传感器6和各叶片1收集所有载荷数据。根据致动控制器中设置的所有 载荷减小策略，重新调节翼位置，以使叶片1和涡轮机结构上的载荷最小，同时保持或者甚 至增加功率输出。重要的是应注意，如这里所述为了申请的目的，可不必严格地获知迎角a，其在这 里仅为了示意的目的进行描述。图6中示意性地示出后缘翼7上的空气动力载荷22。如上所述，该载荷22取决 于后缘翼7的位置。由此，叶片的载荷通常可针对具体流场和可能的瞬时流动状态进行调 节，以由此减小叶片1上的载荷。后缘翼7的空气动力载荷22直接由致动器4上的传感器 6测量。来自传感器6的数据通过传感器线路24馈送至致动控制器5。继而致动控制器5
9对来自传感器6的数据进行评价，并基于该评价而通过致动器控制线路23向致动器4发送控制信号，用于对后缘翼7的位置进行可能的调节。如本领域技术人员将明白，升力调节装置3可以是任意类型的翼，并且可与图6中 所示的和上述讨论的可动后缘部不同。例如升力调节装置3可以是薄的表面型翼，该表面 型翼可嵌设在叶片1的凹部中。在图8中示出本发明的可选实施方式，该图8是叶片1的后缘部的剖视图。叶片 1包括叶片体2和单独的可变形的后缘翼7。翼7可由柔性材料制成以可变形。在所示的 实施方式中，翼7与安装件25连接。另外，传感器6定位成跨设在叶片体2与安装件25之 间，以感测后缘翼7相对于叶片体2的相对运动。而且，传感器6与用于对感测数据进行评 价并对翼7进行可能的调节的致动控制器连接。图9中示出了本发明的一个实施方式，该图9是风轮机叶片1的一部分的呈等距 视图方式的示意图。叶片1包括具有后缘翼7的后缘16。翼7通过翼铰链19与叶片体连 接，以可上下移动。在图示中，沿叶片1的纵向在四个位置处设置致动器(未示出)，用于 调节相应位置处的翼7的位置。相应位置处的空气动力载荷22由力传感器(未示出)测 量，并且由共同的致动控制器5对数据进行评价，该致动控制器5通过致动器控制线路23 发送致动器控制信号，以调节各个致动器。如图所示，后缘翼7可沿叶片1的纵向形成连续 变化的曲线。该实施方式产生的噪音较低，这是由于所有调节均使后缘16的形状发生平滑 变化。在一可选实施方式中，传感器6是定位在风轮机叶片1的后缘翼7上的压力传感 器。来自压力传感器的信号通过信号线27分布到数据收集装置28。信号线可以是塑料管， 以将压力传感器处的压力传送至数据收集装置28。压力传感器在翼7处的位置被相对保 护，并且可允许对现有叶片1进行改进。在一可选实施方式中，传感器6是定位在风轮机叶片1的后缘翼7上的压电膜片， 以测量动压。来自压力传感器的信号通过电信号线27分布到数据收集装置28，以将压电膜 片处的压力传送至数据收集装置28。如上所述，可想到采用压电阵列9。压电阵列9可用作致动器和/或力传感器。通 过压电阵列或致动器，可以提供当通电流时形状改变的材料。压电阵列9的优点在于它们 在实践上是免维护的。预想到通过根据本发明的风轮机叶片1，可以明显降低疲劳与极限载荷。具体而 言，预期叶片弯矩可减小25%，塔弯矩可减小15%，并且横摆/倾斜力矩也可减小15%。另 夕卜，预期根据本发明的风轮机叶片1使得其可以在较大的风量下工作，因为可通过调节升 力调节装置3减轻叶片的载荷。这将极大地降低由风轮机10发电的成本，因为风能随着风 速的增加而显著增加。可通过模拟风场和涡轮结构的气动弹性计算或者简单地通过转换成控制方案的 实践经验来形成控制策略，比如说通过模糊逻辑和神经网络。作用在翼3上的力与迎角α 对应。迎角α作为输入向控制策略提供初始参数，这是由于角α还唯一地确定局部叶片 载荷。从各翼传感器6和各叶片1收集所有载荷数据。根据设置在致动控制器5中的整体 载荷减少策略，可重新调整翼位置，以使叶片1和涡轮结构上的载荷最小，同时保持或者甚 至提高功率输出。
本领域技术人员将清楚，上述说明仅代表一些可行的实施方式，当然各种不同的 变更和补充细节也是可行的。作为一实施例，可利用气体力学或水力学改变叶片(例如后 缘16)的形状，例如通过在叶片1的弹性室中引入液压油，以使其变形。另外，致动控制器5可以是用于所有叶片1的中央控制器，因此不定位在单独的叶 片1中。可通过利用无线通信进行与致动控制器5的通信，由此避免复杂的布线系统。
尽管所示的实施方式涉及具有三个叶片1的风轮机10，但是本领域技术人员将认 识到可使用其它任何数量的叶片1，例如一片、两片或三片以上。可使用优选法，以使叶片1的跨度上的升力调节装置3的数量最少，但仍使载荷减 轻潜力最大。由此本发明不限制升力调节装置3或者致动器4的任何具体数量。图10示出理想的风轮机功率曲线29与实际的真实功率曲线30的实施方式。在所示的曲线图中，横坐标轴表示风速V，纵坐标轴表示风轮机输出功率P。理想 的风轮机功率曲线29是风轮机输出功率P理想地顺应给定风速从而使风轮机效率最大的 曲线，但由于风速的波动、紊流、涡轮调节系统中的潜在因素及其它因素，因此实际功率曲 线30将绕理想曲线29振荡。明显的是，风轮机10能越快地适应新的风速状态，则绕理想曲线29的波动将变得 越小，因此风轮机的效率就越高。传统的桨距控制系统必须总是测量风速、功率输出、载荷 或者其它量，并随后使整个风轮机叶片1旋转，以适应新的风速、功率或载荷状态，而根据 本发明的升力调节装置3使叶片1更快地适应新的风速状态，由此降低实际功率曲线30绕 理想功率曲线29的波动，因此提高风轮机10的整体效率。图11示出用于根据本发明的风轮机10的控制系统的实施方式。在该实施方式中，风轮机10包括主控制器32，该主控制器32尤其与功率控制器 36、桨距控制器31以及一个或多个致动控制器5通信，功率控制器36用于控制风轮机10 向公共电网34的功率输出，桨距控制器31用于控制各个的风轮机叶片1的桨距角，致动控 制器5用于响应于作用在翼3上的风力来控制升力调节装置3。升力调节装置3能够例如 附加地接收来自主控制器32或者来自桨距控制器31的设置点信号，由此基于来自力传感 器6 (测量作用在翼3上的风力)的输出信号与设置点信号之间的差来直接或者部分地控 制升力调节装置3的设置。在本发明的另一个实施方式中，可由另一个风轮机主控制器(例如桨距控制器31 或者主控制器32)控制升力调节装置3。图12示意性地示出用于各种翼角β的升力Cl与迎角α，图13示意性地示出用 于各种翼角β的翼铰链力矩CM与迎角α，翼铰链力矩CM即表示为绕翼铰链19的合成力 矩的、作用在升力调节装置3上的风力。对于图12和13，标记“ X ”的曲线是翼角为+20°的情形，标记“ ”的曲线是翼角 为+10°的情形，标记“Δ”的曲线是翼角为+0°的情形，标记“〇”的曲线是翼角为-10° 的情形，标记“□”的曲线是翼角为-20°的情形。图12和13中的曲线所基于的所有测量在这样的风轮机叶片1上进行，即，该风 轮机叶片1具有Risoe Β1-18外形，并且其升力调节装置3构成叶片1的整个弦长的近似 10%。弦长为叶片1的前缘15与后缘16之间的直接距离，S卩，基本为叶片1的宽度。在图12中，示出了在迎角α的情况下用于不同翼设置的升力系数值Cl的对应设置。对于向下偏转的翼的负翼角β，升力增大。对于向上偏转的翼的正翼角β，升力减小。 在6百万雷诺数的流量条件下从翼面的计算流体动力学(CFD)模拟而获得多个值。在图13中，示出了在迎角α的情况下用于不同翼设置的翼铰链力矩系数CM值的 对应 设置。该图示出了翼铰链力矩CM是迎角α与翼角β的函数。因此，通过调节致动器 并测量翼铰链力矩CM(其由作用在翼上的压力分布引起)得知翼角β，可推导出迎角a。 由此，翼铰链CM可与迎角α对应。图14示出迎角α为8°且翼角β为-20°的翼面的速度等值线图，图15示出迎 角α为8°且翼角β为+20°的翼面的速度等值线图，图16示出迎角α为8°且翼角β 为-20°的翼面的压力等值线图。这些结果在6百万雷诺数的流量条件下从计算流体动力学(CFD)模拟而获得。由 于不同翼角β (尤其靠近翼面的后缘16)，图表突出了绕翼面的空气流量的差。根据这些结 果，针对不同的迎角α和翼设置β计算出升力系数Cl和翼铰链力矩系数CM，并且在图12 和图13中的曲线中示出。列表1、风轮机叶片2、叶片体3、升力调节装置4、致动器5、致动控制器6、传感器7、后缘翼8、线性致动器9、压电阵列10、风轮机11、塔12、机舱13、毂14、变桨轴承15、前缘16、后缘17、根部18、尖端19、翼铰链20、翼连接点21、致动器锚接点22、气体动力载荷23、致动器控制线路24、传感器线路25、安装件
26、流量传感器27、信号线28、数据收集装置29、理想的功率曲线30、实际的功率曲线31、桨距控制器32、风轮机主控制器33、齿轮箱34、公共电网35、电转换器36、功率控制器P、风轮机功率输出V、风速Cl、升力系数α、迎角CM、翼铰链力矩系数 β、翼角
权利要求
一种风轮机叶片，该风轮机叶片包括叶片体和升力调节装置，该升力调节装置适于借助由致动控制器控制的至少一个致动装置而相对于所述叶片体运动，其中，所述致动控制器基于来自传感器的输入来控制所述升力调节装置的设置，其中，所述传感器是适于感测来自作用在所述升力调节装置上的风量的力的力传感器。
2.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其中，所述传感器是应变仪或压力仪。
3.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其中，所述传感器为压电阵列。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的风轮机叶片，其中，所述升力调节装置为后缘翼。
5.根据权利要求4所述的风轮机叶片，其中，所述翼包括多个单独可动的翼节段。
6.根据权利要求5所述的风轮机叶片，其中，所述翼节段沿所述叶片的纵向并排布置。
7.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其中，所述升力调节装置沿所述叶片的长度的 一较大部分布置，例如沿着所述叶片长度的四分之一以上布置。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的风轮机叶片，其中，所述升力调节装置适于提 供沿所述叶片的纵向基本连续的形状变化。
9.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机叶片，其中，所述致动控制器适于接收涉 及下列参数中的一个或更多个参数的数据风速；风切变；在一个或更多个叶片上的至少一个位置局部流动的风速；叶片振动；天气条件，例如空气密度、紊流、雨和雪；所述致动装置的功率消耗；实际叶片载荷；以及叶片载荷历程。
10.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机叶片，其中，所述升力调节装置通过至少 一个铰链与所述叶片连接，以允许所述升力调节装置相对于所述叶片移动，并且其中，所述 传感器适于感测绕所述铰链作用在所述升力调节装置上的转矩。
11.一种风轮机，该风轮机包括根据前述权利要求中任一项所述的风轮机叶片。
12.根据权利要求11所述的风轮机，其中，一个叶片的所述致动控制器适于接收来自 所述风轮机的另一个叶片的控制器的输入。
13.根据权利要求11或12所述的风轮机，其中，该风轮机包括桨距控制器，该桨距控制 器适于接收来自所述叶片中的一个或更多个叶片的致动控制器的输入。
14.一种用于调节风轮机叶片的升力的方法，其中，所述叶片包括叶片体和升力调节装 置，该升力调节装置适于借助至少一个致动装置而相对于所述叶片体运动，其中，该方法包 括下列步骤 通过至少一个传感器监控来自作用在所述升力调节装置上的风量的力； 从所述传感器提供对应于所述力的输出信号；以及 基于来自所述传感器的所述输出信号相对于所述叶片体控制所述升力调节装置的设置。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，该方法还包括下列步骤 将来自所述传感器的所述输出信号传送至致动控制器；以及 基于来自所述致动控制器的输入相对于所述叶片控制所述升力调节装置的设置，其 中，基于来自所述力传感器的所述输出信号形成所述输入。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，该方法还包括下列步骤 从风轮机主控制器向所述致动控制器提供设置点信号；以及 直接或部分地基于来自所述传感器的所述输出信号与所述设置点信号之间的差来控 制所述升力调节装置的设置。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，该方法还包括下列步骤 将来自所述传感器的所述输出信号传送至风轮机主控制器；以及 基于来自所述主控制器的输入相对于所述叶片控制所述升力调节装置的设置，其中， 基于来自所述力传感器的所述输出信号形成所述输入。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中，该方法还包括基于来自第一致 动控制器的输入来控制位于第一叶片上的第一升力调节装置的设置的步骤，其中，附加地 基于来自第二致动控制器的输出信号来形成所述输入，其中，所述第二致动控制器控制位 于另一叶片上的第二升力调节装置。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其中，所述叶片包括均由独立的致动 控制器控制的多于一个的升力调节装置，并且其中，该方法还包括检查所述独立致动控制 器中的至少两个致动控制器的整体一致性的步骤，以确保所述升力调节装置协调地作用。
20.一种用于控制风轮机叶片上的载荷的方法，所述方法包括下列步骤 提供可由致动器调节的升力调节装置； 提供基于来自传感器的输入控制所述致动器的控制器；以及采用基于来自所述传感器的、关于所述升力调节装置的载荷的输入来调节所述升力调 节装置的控制策略。
全文摘要
风轮机叶片(1)包括叶片体(2)和升力调节装置(3，7)，该升力调节装置适于借助由致动控制器(5)控制的至少一个致动装置(4)而相对于所述叶片体(2)运动，其中，所述致动控制器(5)基于来自传感器(6)的输入来控制所述升力调节装置(3，7)的设置。其中，所述传感器(6)是适于感测来自作用在所述升力调节装置(3，7)上的风量的力的力传感器，由此提供具有快速响应的升力调节装置的风轮机叶片。
文档编号F03D7/02GK101874158SQ200880113672
公开日2010年10月27日 申请日期2008年10月29日 优先权日2007年10月29日
发明者伊玛德·阿卜杜拉, 卡斯藤·海因·韦斯特加德, 林智康, 约纳斯·罗姆布雷德 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司