专利名称：风轮机叶片中的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及风轮机叶片，该风轮机叶片具有由气动致动器致动的用于改变叶片的空气动力表面或形状的装置。
背景技术：
大多数现代的风轮机叶片在运行过程中被连续控制和调节以确保风轮机在所有运行条件下——例如在不同的风速或电厂的不同要求下——都具有最佳性能。还希望调节风轮机以解决风速局部快速变化的问题——所谓的阵风。此外，由于例如塔的运行或者实际风速随离地面的距离变化(风廓线)，每一个叶片上的载荷也不同，因此，能够单独调节每一个风轮机叶片对于确保载荷平衡从而减少转子的摇摆和倾斜是有利的。调节转子上载荷的已知且有效的方法是使叶片俯仰(pitching)。然而，随着现代风轮机叶片的逐渐加长(目前为60米或更长)，使叶片俯仰这种调节方法变得较为缓慢，其无法足以快速地改变叶片的位置以解决例如阵风或者其它载荷快速变化的问题。调节叶片的另一个方法是通过改变叶片部分或整个长度方向上的空气动力表面或形状，从而相应地增加或降低叶片的升力或阻力。已知改变翼片形状的不同装置，例如不同类型的可移动或可调节襟翼(例如后缘襟翼、前缘副翼或克鲁格(Krueger)襟翼、位于后缘附近压力侧的昆尼(Gurney)襟翼、副翼、或失速诱导襟翼)、用于控制边界层分离的涡流发生器、安装在叶片表面中的自适应弹性元件、改变表面粗糙度的装置、可调开口或孔、或者可移动补翼。此处以及下文将这些不同类型的装置总体称为空气动力装置或用于改变叶片的空气动力表面或形状的装置。与使整个叶片俯仰相比，相对小的空气动力装置的一个重要的优点是，由于惯性小，因而可快速响应。上述各种空气动力装置的已知的不同系统的一个缺点是如何致动和控制这些空气动力装置。为了使装置达到调节风轮机的潜能，要求空气动力表面改变装置能够快速且重复操作。因此能量消耗相当大。在已知系统中，空气动力装置通过电源连线直接从轮毂获得动力。但是，由于闪电现象不可避免，不希望使用电缆。此外，已知系统的运行速度也会产生问题。并且，已知系统的机械稳定性差。
发明内容
本发明的实施方式的目的是克服或至少部分减少上述已知用于控制和致动改变风轮机叶片的空气动力表面的装置的系统的不利之处。本发明实施方式的另一个目的是提供一种具有控制装置的风轮机叶片，该控制装置用于快速致动改变长的风轮机叶片的空气动力表面或形状的装置。根据本发明，上述目的通过下述风轮机叶片实现，该风轮机包括-叶片本体，-至少一个用于改变叶片的空气动力表面或形状的装置，该装置可移动地连接至叶片本体，
-至少一个用于控制所述装置的位置和/或运动的气动致动器，-一压力室，该压力室通过阀系统与气动致动器连接并向该气动致动器提供动力， 所述阀系统用于控制致动器的致动，和-至少一个信号通信通路，该通信通路用于传输控制信号和连接阀系统与通过信号操作阀系统的控制单元。由此得到控制和操作风轮机叶片上的空气动力装置的系统，由于空气动力装置的惯性小，并且由于所述压力致动系统及其被控制的方式，该系统可快速且精确地控制所述空气动力装置的位置和运动。通过气动致动器致动空气动力装置，在很大程度上可避免叶片内设置任何电线。因此可减小或避免与闪电相关的危险。与例如通过调节压力箱中的压力或者调节将驱动介质导向致动器的压力软管中的压力来直接控制驱动介质相比，通过阀系统可以按照希望的方式更加精确且快速地控制向致动器提供动力的驱动气体的精确量和时机。考虑到风的快速变化和波动(例如阵风或由于塔通道所致)，最佳控制风轮机叶片的前提是快速响应控制系统。由此，通过减少致动系统的反应时间，风轮机可以对条件的改变做出更快的反应从而在某些情况下产生更高的动力输出，使得转子更加平稳，或者在其它情况下使得风轮机某些部件的磨损较少。使用压力室对于确保加压驱动介质可重复或连续向致动器提供动力是有利的。上述压力控制系统的另一有利之处为，可使用轻质材料例如塑料材料，从而使得系统廉价且重量轻。并且，叶片的操作系统还可使得叶片的结构紧凑且坚固，特别是操作系统的许多部件可部分或完全嵌入在叶片本体的部件内，这使得叶片的结构更加紧凑和坚固。在本发明的一个实施方式中，上述风轮机叶片的通信通路具有一电源线。由此可以根据来自例如位于风轮机机舱中的中央控制单元的信号快速有效地连续调节和改变风轮机叶片的空气动力表面。电源线中的控制信号为电波或光波或者其它电磁波。根据另一个实施方式，风轮机叶片中的通信通路具有用于传输压力控制信号的压力管。在本实施方式中，一个或多个压力管内具有液体例如水和/或液压油，或气体例如空气。通过使用压力管和液压或气压装置控制阀系统，如果不能完全避免，也可使风轮机叶片内电线的使用最少化。在另一个实施方式中，压力管内具有分子量低于^.9kg/kmol的气体，例如氦气 He,氨气NH3,氢气H2,羟基0H，甲烷CH4,天然气、乙炔C2H2，或氖气Ne。根据混合物中不同气体的实际含量，干燥空气的分子量为28. 96kg/kmol (例如1983年Chemical Rubber公司(CRC)所确定的，美国佛罗里达州博卡拉顿(Boca Raton)市CRC出版有限公司出版的 63 版《CRC 物理和化学手册》，主编Weast，Robert C. (CRC Handbook of Chemistry and Physics)).由于根据本发明的气体的分子量低于28. 96kg/kmol因而低于空气的分子量， 因此声音在气体中的速度相应较高。由于压力信号以声速在气体内传播，因此当控制信号从控制单元被送向阀系统时，控制信号的滞后减小。信号输送的距离越长，信号滞后的减小相应地越大。考虑到风轮机叶片长度增加的技术趋势，并且由于许多空气动力装置被安装在距离叶片根部一定的距离(可能为控制信号终止的地方)，信号传输所需时间的减少更加有利。使用氦气更加有利，因为氦气轻，加之其无腐蚀、无毒且廉价的性质并且较易获取。根据本发明的另一个实施方式，上述任何一个风轮机叶片中的压力室至少部分地由风轮机叶片的梁壁的一个或多个部分构成，或者至少部分地位于风轮机叶片的内部梁内。由此使得重量减轻，这是有利的。并且，操作系统的这种正压或负压室的结构可设置在沿风轮机叶片整个长度向下的任何位置，因此例如可设置在叶片上任何靠近任何类型的空气动力装置的位置处，无论该空气动力装置位于叶片根部、稍部附近或两者之间。使用叶片的梁或者内部梁还可使一个或多个压力室的尺寸较大且坚固，并且使辅助材料的使用最少。在本发明的另一个实施方式中，风轮机叶片还包括一个或多个连接压力室与风轮机叶片的外表面的管道，在风轮机处于使用状态时，该管道可引导空气流流入或流出压力室，从而通过叶片本体上的压力差加压压力室。由此，叶片周围的局部压能被导向压力室并被驱动系统用以提供操作空气动力装置的操作动力，因而空气动力装置可以至少部分地被在其附近就地收集的动压能驱动。因此，可将能够利用叶片外部的动压能向空气动力装置提供致动能量的驱动系统就地设置，或者设置在风轮机叶片内更加向外的需要操作能量的地方。在本发明的一个实施方式中，至少一个管道末端位于所述风轮机的前缘附近、吸力侧，和/或后缘附近。有利地，管道的末端可以位于高压区或者低压区域——例如风轮机的前缘附近、吸力侧，和/或后缘附近一一以获得最大的动力。在本发明的另一个实施方式中，至少一个管道的末端位于所述风轮机叶片的梢部。本发明还涉及根据上述任一实施方式所述的风轮机，其中控制单元设置在叶片的根部，出于重量考虑这是有利的。另外，根据另一个实施方式，压力室与压力调节装置相连，该压力调节装置被设置在叶片根部用于向压力室加压，由此，压力调节装置最小地影响风轮机叶片的重量。在一个实施方式中，压力调节装置包括压缩机或泵。根据本发明的另一个实施方式，改变叶片的空气动力表面或形状的装置至少包括一个可移动后缘、副翼、襟翼、涡流发生器、结合于叶片表面中的自适应弹性元件、改变表面粗糙度的结构、叶片表面上用于改变表面性质的可调开口、和可移动补翼。根据另一方面，本发明涉及一风轮机，该风轮机包括塔、安装在塔一端的机舱、和转子，该转子包括至少一个根据上述任一实施方式所述的风轮机叶片。该风轮机的优点与上述结合不同实施方式描述的风轮机叶片的优点相同。在一个实施方式中，上述风轮机包括控制单元，该控制单元通过信号通信通路与至少一个风轮机叶片中的阀系统相连。通过将控制单元设置在风轮机叶片的外部，例如机舱内或者轮毂内，使得控制单元不会增加叶片的重量，尽量使叶片的重量低是有利的，以便使得齿轮、轴承等中的载荷最小。在另一个实施方式中，上述风轮机包括控制单元，该控制单元通过信号通信通路与转子的每一个风轮机叶片中的阀系统连接。通过将控制单元与风轮机一个以上的叶片中的驱动系统连接，这些叶片可以作为整体被调节和控制，例如同时调节或者适当地滞后从而循环调节。另外，将所有风轮机叶片与共同的控制单元连接，可控制叶片从而使转子的摇摆最小化。在本发明的另一个实施方式中，上述任一个风轮机包括压力调节装置，该压力调节装置与至少一个风轮机叶片中的压力室连接，或者与转子的每一个风轮机叶片中的压力室连接。根据另一方面，本发明涉及一种风轮机叶片，包括-叶片本体，-至少一个用于改变叶片空气动力表面或形状的装置，所述装置可移动地连接至叶片本体，-至少一个用于控制所述装置的位置和/或运动的气动致动器，-与所述气动致动器连接并向所述气动致动器提供动力的压力导向装置，和-所述压力导向装置包括分子量低于观.9kg/kmol的气体，例如氦气He，氨气NH3, 氢气H2，羟基0H，甲烷CH4,天然气、乙炔C2H2，或氖气Ne。通过这种控制系统，分子量低的驱动气体在缩短调节时间方面是有利的，因为如上所述，压力以声速在气体内传播，而该声速与气体的分子量成反比例关系。其它优点与上述风轮机叶片相同。在本发明的一个实施方式中，上述风轮机叶片的压力导向装置包括将驱动气体导向致动器的压力箱或压力软管。其优点与上文结合不同实施方式所描述的风轮机的优点相同。在本发明的一个实施方式中，压力导向装置可与压力调节装置连接，该压力调节装置被设计为向压力导向装置加压，例如为压缩机或者泵。在本发明的一个实施方式中，压力导向装置通过阀系统与致动器连接，该阀系统用于控制致动器的致动，所述叶片还包括至少一个信号通信通路，该信号通信通路用于传输控制信号和用于将阀系统与通过所述信号操作所述阀系统的控制单元连接。
下文参照附图对本发明的不同实施方式进行说明，其中图1为现有技术的风轮机叶片的示意图，该风轮机具有形式为可移动后缘和涡流发生器的可移动空气动力装置；图2为根据本发明的实施方式的风轮机叶片的示意图，该图示出形状为可移动后缘的空气动力装置的控制系统；图3为根据本发明实施方式的风轮机叶片的示意图，其中空气动力装置由分子量低于28. 9kg/kmol并由此比空气低的气体驱动；图4为风轮机转子的示意图，该转子具有三个带空气动力装置的风轮机叶片，所述空气动力装置由控制单元控制并由来自每一个叶片中的压力箱的压力驱动；图5示出根据本发明由压力控制和操作的活动后缘的实施方式，图6为具有根据本发明的操作机构的风轮机叶片的示意图；图7示出根据本发明的操作机构的连接，该操作机构与内部正压力室或负压力室连接，和图8示出根据本发明的实施方式的部分风轮机叶片的横截面透视图。
具体实施例方式图1示出现有技术的风轮机叶片100，并示出被称为空气动力装置101的一些例子。在风轮机运行过程中，当与叶片本体107相连的空气动力装置被操作时，其改变风轮机 100的空气动力表面或形状105从而改变风轮机的升力和/或阻力系数。在该图示出的例子中，通过改变沿叶片长度设置在外部一定距离处的可移动后缘襟翼102的位置，或者通过致动多个可移动涡流发生器103(在该例子中，涡流发生器设置在风轮机叶片吸力侧上靠近根部104处)，可改变和调节风轮机叶片100的空气动力形状105。如上文背景技术中所述，这种空气动力装置101的例子为不同的可移动或可调节襟翼，例如后缘襟翼102、前缘副翼或Krueger襟翼、位于后缘附近压力侧的Gurney襟翼、副翼、或失速诱导襟翼，用于控制边界层分离的涡流发生器103，安装在叶片表面中的自适应弹性元件，改变表面粗糙度的装置，可调开口或孔，或者可移动补翼。通常，如图1所示，各种不同的空气动力装置101通过某种类型的电源线106直接从轮毂处获得动力。但是，由于闪电现象不可避免，因而不希望使用电缆。或者，各种不同的空气动力装置101通过气动连接装置直接从轮毂处获得动力，但是这要求现代的风轮机叶片的尺寸相当大，60米或更长。根据本发明的一个实施方式，通过控制和致动空气动力装置101的运行的系统减少或解决上述问题，如图2所示。此处，空气动力装置101 (在该例子中显示为活动的后缘襟翼)被气动致动器200致动和操作，气动致动器使能量(例如，形式为压缩空气)转换为将空气动力装置保持在一定位置所需的动力或力。根据要致动的空气动力装置的类型、尺寸和位置等，可以使用不同类型的致动器，例如直线或旋转致动器。致动器200的驱动压力被从位于叶片本体107中的压力室201传递。此处，以及全文中，压力室或者压力贮存器应被理解为涵盖负压系统(真空系统)或正压系统，正压力系统的优点是，具有能够在压力差较大的情况下操作，由此使用体积较小的系统可获得同样大小的力。在一些实施方式中，压力室可以方便地设置在风轮机叶片100的梁602的主梁或内部腹板之间(见图6)。在一个实施方式中，压力室可以由风轮机叶片的梁壁的一个或多个部分构成。压力室与压力调节装置例如压缩机或者泵203连接并由其加压。压力调节装置203可以安装在叶片的根部 104或者风轮机的轮毂或机舱内。参照图2，压力室通过阀系统204与致动器200连接，致动器200基于来自控制单元201的控制信号209控制驱动压力并由此控制空气动力101的位置和运动。阀系统204 通过传输控制信号209的信号通信通路222与操作阀系统的控制单元210连接。信号通信通路可以与控制单元直接连接或者通过信号界面间接连接。控制单元210可以安装在叶片本体107本身内，例如安装在叶片的根部104内，或者可以安装在风轮机的轮毂或机舱内。 操作阀系统的控制单元传输的信号可以基于风轮机的不同系统参数，例如转速、天气条件 (例如风速、温度、湿度)、当前和期望的动力输出、塔或者机舱加速度等。系统参数可以接收自例如安装在叶片、机舱或者塔上的传感器，塔周围，同一风场中的其它风轮机，电厂等。通过阀系统204调节压力室或压力贮存器中的压力，代替在没有可控阀系统的情况下根据所需的驱动压力调节压力室中的压力，可以快速且十分精确地控制驱动压力。此外，与图1所示的现有技术中直接从轮毂到致动器的气动连接装置的控制系统相比，使用压力室或者压力贮存器可确保获得大量的更加稳定的驱动压力源。另外，风轮机叶片100可以包括允许水、小的污染颗粒等从叶片本体107内部排出的一个或多个排放孔231。这种排放孔可以有利地设置在叶片顶端附近和/或后缘附近。风轮机叶片还可以包括在不损坏叶片本体107的材料或其它装置的情况下捕捉闪电并将其安全导向地面的闪电捕捉装置232。将控制信号209传输或发送至控制致动器的阀系统的信号通信通路222例如可以是电源线，这是有利的，因为将电源线嵌入或以其它方式设置在叶片本体内简单且廉价，并且电源线可沿长距离提供快速信号传递。在另一个实施方式中，信号通信通路222可以包括一个或多个用于传输气压或者液压控制信号的压力管。对于液压信号，液压流体可以例如为水、或者某种类型的液压油。 在控制信号为气压的情况下，压力管可以包括气体例如空气。空气是有利的，原因很明显， 空气没有特殊的泄露、易燃等安全要求。所述用于致动和控制改变风轮机叶片的空气动力型面的装置的系统中的全部或者部分不同的部件(导管、进口、阀等)可以有利地由轻质且非导电材料例如塑料制成。由此得到重量轻的系统，这有利于减轻风轮机叶片的重量在转子上产生的不利载荷。另外，考虑到闪电，使用非导电材料也是有利的。此外，在制造时可将本发明的上述系统的一些部件全部或者部分地嵌入在叶片部件内，这提高了系统部件的耐用性。空气动力装置的运行速度以及致动器的运行速度在使风轮机在其运行期间内长时间处于最佳控制方面影响风轮机的效率。根据实际风况，在一情况下，最佳控制意味着使风轮机的功率输出最大化，或者在其它情况下，最佳控制意味着使风作用在风轮机不同部件上的载荷最小化。影响运行速度的一个参数是阀系统和操作阀系统的控制单元之间的通信通路的长度。如果在压力管内使用空气作为传输信号的驱动介质，在20°C的温度下信号(为管内压力变化)以声速大约为344m/s在空气内传播。对于33米长的距离(相应于多数具有后缘襟翼的叶片的通常距离)，压力信号滞后大约为0. 1秒。根据本发明的一个实施方式，使用分子量低于28. 9kg/kmol由此低于空气的分子量(为观.9kg/kmol)的气体或气体混合物作为压力管中的驱动介质。这种气体例如可以为氦气(He)或氢气(H2)。由此使得系统的运行时间增加。声音在气体中速度的平方与该气体的分子量成反比例关系。由此，气体的分子量越小，声音的速度越大。下表列出不同气体的密度和分子量的例子，该表还列出干燥空气的数据用于对比。表内列出的气体的分子量都低于空气的分子量，从而声速更高，由此根据本发明构成通信通路内信号的压力变化速度也更高，因此使得控制系统的操作时间更快。对于氦气，其分子量大约为4. 02，在20°C 的温度下得到的声速为大约927m/s，几乎是空气的三倍。对于与上述相同的33米长的距离，压力信号滞后明显减小，大约为0. 03秒。在其它实施方式中，压力管包括下述任何气体或气体混合物氦气He，氨气NH3,氢气H2，羟基0H，甲烷CH4,天然气、乙炔C2H2，或氖气Ne。
权利要求
1.一种风轮机叶片，包括-叶片本体，-至少一个用于改变所述叶片的空气动力表面或形状的装置，所述装置可移动地连接至所述叶片本体，-至少一个用于控制所述装置的位置和/或运动的气动致动器，-用于为所述气动致动器提供动力供给的压力室，所述压力室经由用于控制所述致动器的所述动力供给的阀系统与所述致动器连接，-至少一个信号通信通路，所述信号通信通路用于传输控制信号和用于将所述阀系统连接至通过所述信号操作所述阀系统的控制单元。
2.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其特征在于，所述至少一个通信通路包括电源连线。
3.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其特征在于，所述至少一个通信通路包括用于传输压力控制信号的压力管。
4.根据权利要求3所述的风轮机叶片，其特征在于，所述压力管包括气体例如空气。
5.根据权利要求3-4所述的风轮机叶片，其特征在于，所述压力管包括分子量低于 28. 9kg/kmol的气体，例如氦气He，氨气NH3,氢气H2，羟基0H，甲烷CH4,天然气、乙炔C2H2，或氖气Ne。
6.根据权利要求3所述的风轮机叶片，其特征在于，所述压力管包括液体，例如水和/ 或液压油。
7.根据上述权利要求中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述一个或多个压力室至少部分地由所述风轮机叶片的梁壁的一个或多个部分构成。
8.根据上述权利要求中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述一个或多个压力室至少部分地设置在所述风轮机叶片的内部梁中。
9.根据上述权利要求中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，还包括一个或多个管道，所述一个或多个管道将所述压力室连接至所述风轮机叶片的外表面，用于在风轮机处于使用状态时引导空气流流入或流出所述压力室，由此通过所述叶片本体上的压力差向所述压力室加压。
10.根据权利要求9所述的风轮机叶片，其特征在于，至少一个所述管道末端位于所述风轮机叶片的前缘附近、吸力侧、和/或后缘附近。
11.根据权利要求9-10所述的风轮机叶片，其特征在于，至少一个所述管道末端位于所述风轮机叶片的梢部。
12.根据上述权利要求中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述控制单元设置在所述叶片的根部。
13.根据上述权利要求中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述压力室与压力调节装置连接，该压力调节装置被设计为向压力室加压。
14.根据权利要求13所述的风轮机叶片，其特征在于，所述压力调节装置设置在所述叶片的根部。
15.根据权利要求14所述的风轮机叶片，其特征在于，所述压力调节装置包括压缩机或者泵。
16.根据上述权利要求中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述装置包括至少一个可移动后缘、副翼、襟翼、涡流发生器、结合于所述叶片表面中的自适应弹性元件、用于改变表面粗糙度的结构、叶片表面上用于改变表面性质的可调开口、和可移动补翼。
17.一种风轮机，包括塔、安装在塔一端的机舱、和转子，所述转子包括至少一个根据权利要求1-16中任一项所述的风轮机叶片。
18.根据权利要求17所述的风轮机，包括控制单元，该控制单元通过信号通信通路与至少一个风轮机叶片中的阀系统连接。
19.根据权利要求17所述的风轮机，其特征在于，所述控制单元通过信号通信通路与所述转子的每一个风轮机叶片中的阀系统连接。
20.根据权利要求17-19所述的风轮机，包括压力调节装置，该压力调节装置与至少一个风轮机叶片中的压力室连接。
21.根据权利要求17-19所述的风轮机，其特征在于，所述压力调节装置与所述转子的每一个风轮机叶片中的压力室连接。
22.—种风轮机叶片，包括-叶片本体，-至少一个用于改变所述叶片的空气动力表面或形状的装置，所述装置可移动地连接至所述叶片本体，-至少一个用于控制所述装置的位置和/或运动的气动致动器，-为所述气动致动器提供动力供给并连接至所述致动器的压力导向装置，和-其中，所述压力导向装置包括分子量低于观.9kg/kmol的气体，例如氦气He，氨气 NH3,氢气H2,羟基0H，甲烷CH4,天然气、乙炔C2H2，或氖气Ne。
23.根据权利要求22所述的风轮机叶片，其特征在于，所述压力导向装置包括压力箱或者压力软管。
24.根据权利要求22-23中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述压力导向装置可与压力调节装置例如压缩机或者泵连接，所述压力调节装置被设计为向所述压力导向装置加压。
25.根据权利要求22-24中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述压力导向装置经由用于控制所述致动器的所述动力供给的阀系统与所述致动器连接，并且所述叶片还包括至少一个信号通信通路，该信号通信通路用于传输控制信号和用于将所述阀系统连接至通过所述信号操作所述阀系统的控制单元。
全文摘要
本发明涉及一种具有用于改变叶片的空气动力表面或形状的装置的风轮机叶片。这些装置的位置和运动被气动致动器控制，所述气动控制器由来自压力室的压力致动，该压力室通过控制致动的阀系统与致动器连接。该阀系统又被控制单元操作，该控制单元通过信号通信通路将控制信号传输至阀系统。通信通路可以包括使用液体或气体的动力连接装置或压力管。在一个实施方式中，使用分子量低于28.9kg/kmol并且因此比空气低的气体，由此增加从控制单元输送的压力信号的速度并由此增加空气动力装置的操作速度。本发明还涉及风轮机，其包括塔、安装在塔的一端的机舱、和具有至少一个上述风轮机叶片的转子。
文档编号F03D1/06GK102165185SQ200980133083
公开日2011年8月24日 申请日期2009年8月28日 优先权日2008年8月29日
发明者D·韦尔德坎普, M·汉考克, N·D·巴洛 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司