CN101865081B - 一种利用前缘舵片调节旋转叶片输出功率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电机，是一种利用前缘舵片调节旋转叶片输出功率的装置及方法。通过在旋转叶片前缘加装一定数量的舵片，利用舵片在不同姿态角下产生的强旋涡流动对叶片上表面的流动特性进行主动干预，改变其原有的气动特性，使叶片在较大运行工况范围内保持稳定的输出功率；舵片具有滚转和俯仰两个转动自由度，实际控制过程中，既可以使所有舵片保持统一的姿态角，又可以根据需要单独调整每一个舵片的姿态角。本发明提供的装置，设计更加简单，控制更加灵活和精细，能够有效改善旋转叶片在大风速非设计工况时的气动性能，提高风力发电机组的运行效率。

Description

一种利用前缘舵片调节旋转叶片输出功率的装置及方法

技术领域

本发明是一种利用前缘舵片调节风力发电机旋转叶片输出功率的装置及方法。

背景技术

旋转叶片作为一种能量转换装置，在风力发电行业得到了广泛应用。通过旋转叶片的作用，风力发电机将风能转换为电能，并予以输出。

为了最大限度地从空气中提取风能、提高风力发电机的运行效率，在设计风力发电机时通常都需要对旋转叶片进行优化设计。优化设计后的旋转叶片能够以最佳的气动性能在某一指定的设计工况下(如额定风速等)运行，使风力发电机的发电效率最高。

但在风机的实际运行过程中，受自然条件(如气候、地形、地貌等)的影响，作用于旋转叶片的气流总是复杂、多变的。因此，除了特定的设计工况(即额定工况)外，风力发电机还必须具备在非设计工况下运行的能力。在这些非设计工况下，气流的速度大小、方向可能大幅偏离额定风速条件。在这一类非设计工况下运行时，旋转叶片的气动性能将不可避免地偏离设计状态，导致风力发电机的运行效率大幅下降；极端状态下，甚至可能影响发电机组的安全运行。因此，为了保证旋转叶片在所有工况下稳定运行，风力发电机都必须设置一套控制系统，以此来调整叶片在非设计工况下的气动特性和整个风力发电机的输出功率。

目前，风力发电机的功率控制方法主要有两种：变桨距控制和失速控制。

(1)变桨距控制

通过调整叶片桨距角，该控制方法可以减小叶片在大风速非设计工况下的气流攻角，从而使旋转叶片的输出功率在较大风速范围内保持稳定。

(2)失速控制

失速控制又可以细分为主动失速控制和被动失速控制两种。失速是一种常见的流动状态。当气流攻角超过一定范围时，气动构型(如翼型、风机叶片等)表面将发生大面积流动分离，从而导致其气动性能大幅下降。失速控制就是利用这一规律来抑制旋转叶片的输出功率在大风速非设计工况时过度增长，以达到保护发电机组的目的。

变桨距控制是当前大型风力发电机发展的主流。但该控制方法也存在比较明显的缺陷，主要包括如下几个方面：

(1)控制机构复杂且昂贵；

(2)相对应气流变化速度来说，变桨距的控制速度比较缓慢，流动响应时间长、反应滞后；

(3)风速变化所导致的旋转叶片各展向位置的局部攻角变化是非线性的，但变桨距控制只能在叶根处统一调整叶片攻角，因此变桨距控制所引入的攻角修正效果对叶片各展向位置来说是不一样的，这导致相应位置的气动性能也各不相同，叶片受力不均；

(4)变桨距控制在偏航状态下失效，因此当风机处于偏航状态时必须先通过对风装置对风，然后再根据流动状态进行变桨距控制。

正是由于存在上述缺陷，因此在风机的实际运行过程中，变桨距控制可能导致大幅度(如100％)的功率波动。

与变桨距控制方法相比，失速控制具有控制方式简单等优点，因此是早期开发风力发电机的首选，但其缺点也十分突出：

(1)失速导致叶片气动性能急剧下降，且流动的非定常特征突出，从而导致风机发电效率大幅降低、输出功率的非定常脉动特征大幅增强；

(2)失速加剧了叶片自身的气动弹性变形，长期运行在失速区内，将导致风机的使用寿命大幅下降；

(3)失速控制同样不适用于偏航状态。

此外，也有一些专利技术采用旋涡发生器来修正风机叶片的输出功率，如CN101539119-A、US20090285682A1、WO2009080316-A2、WO2009026928-A2等。这类专利技术中，利用旋涡发生器产生的扰动涡流，可以促使叶片上、下表面的流动提前分离和失速。但是，由于这些旋涡发生器通常尺度很小(如毫米量级)，且多布置在叶片上、下表面。一旦这些区域已经发生流动分离，则旋涡发生器将不再起作用。因此，这些控制方案适用的工况范围较小，控制效果比较有限。

发明内容

针对旋转叶片在大风速非设计工况下的功率控制问题，本专利提出了一种基于前缘舵片来控制叶片出力的新方法及相关的控制舵片设计方案。

本专利的中心思想是在旋转叶片前缘安装一系列控制舵片，在各气流状态下通过调整舵片的控制状态(如滚转姿态角φ和俯仰姿态角Δα)来保证持续稳定的风机叶片出力和发电功率输出。图1和图2分别对应舵片的两种控制状态。其中，图1对应舵片在设计工况(如额定风速)时的控制状态，图2则对应舵片在大风速非设计工况时的控制状态。

本专利的技术方案如下：

在风力发电机的旋转叶片上增加一系列舵片，所述舵片位于旋转叶片前缘；所述舵片通过连接杆件和叶片内的控制机构相连；所述舵片由控制机构控制执行两种动作：绕舵片自身对称轴作滚转运动和沿旋转叶片展向作俯仰运动，其运动范围分别对应于滚动姿态角φ和俯仰姿态角Δα；每一个舵片(6)的姿态角都能够单独调整，所有舵片的姿态角也能够统一调整。

相邻舵片的间距l取值为叶片弦长c的1/8～1/2；舵片自身的长度a取值为相邻舵片间距l的5％～30％。

所述舵片位于旋转叶片50％展长至叶尖(5)之间的叶片前缘。

所述滚转姿态角φ的控制范围0°～180°，俯仰姿态角Δα的控制范围为-60°～30°。

所述舵片的制造材料可以采用玻璃纤维/碳纤维复合材料、强化铝、钢或其他金属材质。

所述舵片为三角翼形状，舵片截面形状为双弧形；舵片形状角(后掠角)Λ的取值范围为30°～80°，长a的取值范围为舵片间距l的0.05～0.3倍，宽b＝2a×cotΛ，厚度t≤0.1a。

舵片与叶片前缘的安装间隙δ小于舵片长度a的0.2倍。

本发明同时提供一种利用上述调节装置调节旋转叶面输出功率的方法，步骤如下：在风力发电机运行过程中，控制系统根据风速和电机输出功率的变化，持续对舵片的滚转姿态角φ和俯仰姿态角Δα进行调整，直至风机输出功率落在合理的区间范围内。

本专利技术的主要优势如下：

(1)由于前缘舵片体积小，其自身所受气动力也很小。因此，相对于变桨距控制来说，本专利技术可以更敏捷地对气流的瞬时扰动予以响应，控制速度快、响应时间短；

(2)由于舵片体积小、自身所受气动力小，所以用于操纵舵片的控制系统可以设计得非常简单，并且可以非常灵活地布置在叶片内部空腔中；

(3)本专利在旋转叶片前缘安装了一系列控制舵片，并且可以根据需要对每个舵片的姿态角进行单独控制，从而对叶片各展向位置的气动状态进行精细控制，这一优点是当前各控制方法所不具备的；

(4)当处于偏航状态时，叶片各展向位置的局部攻角将随叶片旋转而周期性变化。在本专利中，通过实时调整前缘舵片的滚转姿态角φ，可以有效消除这一类由于非对称性气流所导致的叶片出力周期性脉动。

利用本发明提供的装置和方法，可以使风力发电机的旋转叶片更敏捷地对气流的瞬时扰动予以响应，控制速度快、响应时间短；用于操纵舵片的控制系统设计比较简单，并且可以非常灵活地布置在叶片内部空腔中；可以根据需要对每个舵片的姿态角进行单独控制，从而对叶片各展向位置的气动状态进行精细控制，这一优点是当前各控制方法所不具备的；本专利技术能够有效改善旋转叶片在大风速非设计工况时的气动性能，提高风力发电机组的运行效率。

附图说明

图1：旋转叶片与前缘舵片结构示意图(适用于设计工况)：

(a)旋转叶片及舵片；

(b)舵片与叶片前缘的连接状态示意图；

(c)是(b)的侧视剖面图；

(d)舵片结构尺寸；

图2：旋转叶片与前缘舵片结构示意图(适用于非设计工况)；

图3：舵片在叶片偏航等非对称流动中的控制状态示意图；

图4：舵片形状示例：

(a)舵片表面形状(图2(b)中A-A视图)；

(b)截面形状；

图5：控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

本专利的实施案例的整体结构如图1和图2所示。

图1是风力发电机旋转叶片及本专利设计的控制舵片结构示意图。图1(a)中：结构1表示旋转叶片上表面(吸力面)；结构2表示叶片前缘；结构3表示叶片后缘；结构4表示叶片根部，它是叶片与风机转轴的连接面；结构5表示叶梢(即叶尖)；结构6是本专利设计的控制舵片，本专利在叶片前缘2沿展向(即从叶根4指向叶梢5)布置了一系列控制舵片。相对于叶片来说，本专利设计的舵片结构尺寸很小，舵片本身所受的气动力也相对较小。因此，舵片的制造材料可以采用玻璃纤维/碳纤维复合材料、强化铝、钢或其他金属材质等。

图1(a)中，U表示风场风速，L表示叶片展长(即从叶根4或风机转轴轴心至叶梢5之间的径向距离)，c表示叶片最大弦长(即从叶片前缘2至叶片后缘3之间的距离)，l表示相邻舵片的间距。过大或过小的舵片间距都是应该避免的。本专利中，舵片间距取l＝(1/8～1/2)c。对于旋转叶片，并不需要在叶片全展长范围内都加装舵片。研究结果表明，在叶根4至50％展长的叶片内段加装舵片时，其控制效果不明显。因此，图1(a)中，舵片主要安装在展向位置大于50％L的叶片外段。

图1(b)描述了在设计工况(额定风速条件)时单个舵片与叶片之间的相对位置(局部放大图)。图1(b)中：结构7表示旋转叶片前缘开缝；结构8表示连接杆件，它直接穿过叶片前缘开缝7，将舵片与安装在叶片内部空腔中的控制机构10连接起来；结构9则表示叶片空腔中用于固定控制机构10的底座；结构11表示旋转叶片下表面。

图1(c)是图1(b)的侧视图。其中δ表示舵片与旋转叶片前缘之间的安装间隙。图1(d)则给出了舵片自身的结构尺寸。其中，a、b、t分别表示舵片的长、宽、高(厚度)。此外，利用舵片的形状角Λ(即舵片前缘的后掠角)来描述舵片形状。显然，a、b和Λ之间满足几何关系：b＝2a×cotΛ。这样，舵片的尺寸大小将主要取决于长度a。本专利中，取a＝(0.05～0.3)l，其中l是相邻舵片的间距，如图1(a)所示。舵片形状角(后掠角)Λ是影响控制效果的重要参数。本专利中，取Λ＝30°～80°。舵片厚度t也对控制效果具有一定影响。本专利中，宜选取相对厚度小于10％的薄片结构，即t/a≤10％。此外，为了避免舵片与叶片前缘之间的间隙流动对控制效果可能造成的不利影响，可以将安装间隙δ控制在合理范围内。本专利中，取δ＜0.2a。

图1(b)显示，舵片6在控制过程中可以绕自身对称轴进行滚转运动，记其滚转姿态角为φ，且记图1(b)所示控制状态的滚转姿态角φ＝0°。则在控制过程中，舵片进行滚转运动的范围为φ＝0°～180°。图1(b)中，舵片与叶片前缘的绕流平行，舵片将完全浸没在叶片前缘的附着流中，也即舵片表面的流动也将完成处于附着流状态。这样，图1(b)所示的舵片将不会对其后旋转叶片表面的附着流动产生任何消极影响，保证叶片在额定工况下以最佳发电效率运行。因此，图1(b)所示的舵片状态适用于在额定工况下运行的旋转叶片。

对于风力发电机来说，由于风场气候条件的变化，风机叶片在很多时候都不得不运行在大风速非设计工况下。如前所述，在大风速非设计工况条件下，旋转叶片通常都处于失速状态，叶片上表面1的近壁流动表现为大范围边界层分离，形成较大的流动分离区。在分离区内，流动减速且紊乱，导致叶片上表面1处压力升高(相对于附着流状态来说)，降低叶片气动效率(叶片下表面8与上表面1之间的压力差是叶片升力等气动特性参数的主要来源)。

将叶片前缘的舵片6滚转90°(即φ＝90°)，如图2(a-b)所示，利用舵片6与旋转叶片前缘绕流相互作用所产生的强旋涡流动，可以有效提高旋转叶片在大风速非设计工况条件下的气动性能。当舵片6处于图2(b)所示的控制状态时，叶片前缘绕流与三角翼状的舵片6之间的相对攻角(夹角)较大，气流经过舵片6后将形成强旋涡(流向涡结构)。这些流向涡结构将显著增强叶片上表面1的近壁流动动量，增强其抵抗逆压梯度和流动分离的能力，缩小叶片上表面的分离区，有效改善叶片的气动性能，使风力发电机在大风速非设计工况下保持比较稳定的输出功率。

为了对叶片在非设计工况的输出功率进行精细控制，本专利进一步赋予舵片6以俯仰运动自由度Δα，如图2(c)所示。本专利中，舵片进行俯仰运动的范围为Δα＝-60°～30°，在设计具体叶片的过程中，也可以根据实际情况对这一取值范围进行适当扩充。Δα＜0，表示舵片向下转动，如图2(c)所示，相对舵片的气流攻角减小；反之，Δα＞0，舵片向上转动，攻角增大。

通过调整舵片6的俯仰姿态角(如图2(c)所示，舵片6转动至6’，反之亦可)，可以调整舵片所产生的流向涡结构的强弱，从而改变其对叶片上表面分离区作用的强度，最终尽可能减小风力发电机输出功率的脉动幅值。

当风力发电机运行在偏航等非对称气流中时，叶片表面的展向流动及叶片各横截面的局部攻角随叶片旋转而呈现周期性变化，从而导致叶片受力和输出功率也表现出相同的周期特性。当前的商用风力发电机都只能通过整体转动风轮(对风)，使风机重新处于正风而非偏航状态。但由于商用风力发电机都具有庞大的结构尺寸和重量，因此对风过程通常都是非常缓慢的。在本专利中，可以通过实时调整舵片的滚转姿态角φ，如图3所示，利用舵片在侧滑状态下的导流作用和强旋涡流动来削弱甚至消除叶片上表面的非对称流动，保持叶片受力和输出功率的稳定。

在本实施例中，取叶片长L＝5m，叶片根弦长c＝0.8m，相邻舵片间距l＝0.3c，舵片长a＝0.25l，舵片形状角Λ＝65°(宽b＝2a×cotΛ)，舵片厚度t＝0.1a，舵片与叶片前缘的安装间隙为δ＝0.15a。舵片采用玻璃钢材质制造。为了简化结构设计，本实施例不对舵片作打磨、光滑处理，舵片截面形状直接采用图4(b)中的矩形。

本实施例中，风力发电机正常运行的风速范围为10m/s-20m/s，其中10m/s是风机叶片的额定风速，叶片转速为1.2转/秒。为了对控制效果作对比分析，本实施例分为两步：首先，对不加舵片的风机输出功率进行测试；然后，按图1和图2所示结构设计方案在风机叶片前缘加装舵片，重新测试舵片在大风速非设计工况下(即风速U＞10m/s)的控制效果。测试结果如下。

(1)不加舵片时，风机输出功率在10m/s-20m/s风速范围的波动幅值为13％。其中，15m/s风速时，叶片输出功率比额定风速时低13％；20m/s风速时，叶片输出功率比额定风速时低10％。

(2)采用舵片控制方案后，风机输出功率的波动幅值降至2％。具体控制过程如下：额定风速(U＝10m/s)时，舵片滚转姿态角φ＝0°，俯仰姿态角Δα＝0°，即保持图1所示状态，风机输出功率与不加舵片时一致(也即此时舵片对旋转叶片气动特性的副作用可以忽略)；当风速增至15m/s时，舵片滚转姿态角φ＝90°，俯仰姿态角Δα＝-15°，叶片输出功率比不加控制时的输出功率提高11％，从而使输出功率的波动幅值降至2％；风速增至20m/s时，舵片滚转姿态角φ＝90°，俯仰姿态角Δα＝-5°，控制后的叶片输出功率比额定风速时增大1.2％(即波动幅值)，比不加控制时的输出功率提高9％。

在图1-图3所示的结构示意图中，舵片主要采用三角翼形状，舵片截面形状采用双弧形。图4还给出了适用于本专利的其他几种舵片形状，如梯形、弧形等，舵片截面则可以采用菱形、矩形、梯形等。在实际设计舵片结构时，也可以图4为基础，适当加以修改。

Claims (9)

1.一种调节风力发电机叶片输出功率的装置，其特征在于，该装置主要由多个舵片(6)组成；

所述舵片(6)位于旋转叶片前缘；所述舵片(6)通过连接杆件(8)和旋转叶片内的控制机构(10)相连；所述舵片(6)由控制机构执行两种动作：绕舵片(6)自身对称轴作滚转运动和沿旋转叶片展向作俯仰运动，其运动范围分别对应于滚转姿态角φ和俯仰姿态角Δα；每一个舵片(6)的姿态角都能够单独调整，所有舵片的姿态角也能够统一调整。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，相邻舵片(6)的间距l取值为叶片最大弦长c的1/8～1/2；舵片(6)自身的长度a取值为相邻舵片间距l的5％～30％。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述舵片(6)位于旋转叶片50％展长位置至叶尖(5)之间的叶片前缘。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滚转姿态角φ的控制范围0°～180°，俯仰姿态角Δα的控制范围为-60°～30°。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述舵片(6)的制造材料采用玻璃纤维/碳纤维复合材料、强化铝、钢或其他金属材质。

6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述舵片(6)外形采用三角翼、梯形或弧形，舵片横截面采用为双弧形、菱形、矩形、梯形；舵片形状角Λ的取值范围为30°～80°，舵片长a的取值范围为舵片间距l的0.05～0.3倍，宽b＝2a×cotΛ，厚度t≤0.1a。

7.如权利要求2所述的装置，其特征在于，舵片(6)与叶片前缘的安装间隙δ小于舵片长度a的0.2倍。

8.一种利用如权利要求1所述装置控制旋转叶片输出功率的方法，其特征在于，在风力发电机运行过程中，控制系统根据风速和风力发电机输出功率的变化，持续对舵片(6)的滚转姿态角φ和俯仰姿态角Δα进行调整，直至风机输出功率落在合理的区间范围内。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，对舵片(6)滚转姿态角φ和俯仰姿态角Δα的调整是对单个舵片进行独立操作，或是对所有舵片进行统一操作。

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