專利名稱：帶有可控的空氣動力學渦旋元件的風力渦輪葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及風力渦輪領(lǐng)域，且更具體而言，涉及具有空氣動力學表面構(gòu)型的渦輪葉片。
背景技術(shù)：
渦輪葉片是風力渦輪的主要元件，其用于將風能轉(zhuǎn)換為電能。該葉片的工作原理類似于飛機機翼的工作原理。該葉片具有翼型件的截面輪廓，使得在運行期間，空氣流經(jīng)該葉片而在兩側(cè)面之間產(chǎn)生壓差。因此從壓力側(cè)朝向吸力側(cè)導向的升力作用在葉片上。該升力在主轉(zhuǎn)子軸上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，該主轉(zhuǎn)子軸通過齒輪連到發(fā)電機上，以產(chǎn)生電力。越過葉片前沿的空氣流主要是在粘附流區(qū)域中的層流。升力主要在這個粘附流區(qū)域中產(chǎn)生。隨著空氣朝著葉片后沿移動，流分離發(fā)生且空氣流過渡到隔離流區(qū)域，此處該流更加湍流化。流分離取決于許多因素，諸如引入空氣流特征(例如雷諾數(shù)、風速、流入大氣湍流)和葉片特征(例如翼型件截面、葉片弦和厚度、扭轉(zhuǎn)分布、槳距角等)。隔離流區(qū)域還導致主要由上游粘附流區(qū)域和下游隔離流區(qū)域之間的壓差引起的阻力的增加。因此，為了在風力渦輪的正常運行期間增加能量轉(zhuǎn)換效率，期望在減小阻力的同時增加升力。為了這個目的，通過使流分離更靠近葉片后沿(也即在葉片的下游區(qū)域中) 而增大粘附流區(qū)域并減小隔離流區(qū)域會是有利的。同樣，大體期望具有穩(wěn)定的流分離，以便增加葉片的工作穩(wěn)定性并減少其噪音產(chǎn)生。在本領(lǐng)域中已知的是通過在葉片表面上增加微坑、凸出或其它結(jié)構(gòu)來改變風力渦輪葉片的空氣動力學特性。這些結(jié)構(gòu)通常被稱為“渦旋產(chǎn)生器”，并用于在葉片表面上產(chǎn)生空氣流的微湍流區(qū)域。這導致了在大體上更靠近葉片根部的葉片的相對低速區(qū)域中的流過渡穩(wěn)定性。在更接近葉片尖端的葉片的相對更高速區(qū)域處，該渦旋產(chǎn)生器用于使空氣流的流分離朝葉片后沿延伸，以產(chǎn)生更多提升并減少阻滯。已知靜態(tài)或固定渦旋產(chǎn)生元件。例如參考W02007/065434 ;W000/15961和美國專利No. 7604461。這些參考資料中的渦旋元件具有限定的不變的形狀、尺寸和構(gòu)型，且因此用于改變空氣流狀況的元件的通用性受到了限制。還已知相對于葉片表面部署的可縮進的或樞軸式渦旋產(chǎn)生器。例如參考美國專利 No. 4039161 ；美國專利 No. 5253828 ；美國專利 No. 6105904 ；美國專利 No. 6427948 和 W02007/005687。EP1896323B1描述了平面構(gòu)件的形式的樞軸式渦旋產(chǎn)生器，其在縮進狀態(tài)中處于流控制表面上而在伸出狀態(tài)中從該表面以一定角度樞軸轉(zhuǎn)動。該渦旋產(chǎn)生器可從由加熱器促動的形狀記憶合金形成。該參考資料描述了可使用其它類型的促動器(包括雙壓電晶片促動器)向渦旋產(chǎn)生器施加樞軸轉(zhuǎn)動的動作。美國專利No. 7293959描述了具有為沿著葉片吸力側(cè)的后沿和前沿以縱向方向延伸的柔性襟翼的形式的升力調(diào)節(jié)工具的風力渦輪葉片。該襟翼在高風速時被激活以減小葉片的提升。該激活工具可為壓電的。
盡管在上文引用的參考資料中所討論的渦旋產(chǎn)生器因為它們被部署為活動狀態(tài)而可被認為是“動態(tài)”的，這些元件在“靜止”狀態(tài)中的用處最小。因此，本行業(yè)將從這樣的風力渦輪葉片中受益該風力渦輪葉片具有在更寬范圍的風和空氣流狀況下在活動和非活動兩個狀態(tài)中提供了增強的空氣動力學表面特性的動態(tài)渦旋產(chǎn)生元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各方面和優(yōu)點將在下文的描述中部分地闡述，或者根據(jù)本描述它們可以是顯然的，或者它們可以通過對本發(fā)明的實施而被了解。根據(jù)本發(fā)明的各方面，提供了具有吸力側(cè)表面和壓力側(cè)表面的風力渦輪葉片。多個動態(tài)渦旋元件形成在這些表面的任一個或兩個上。該渦旋元件可被激活或可部署到相對于該表面的中性面向內(nèi)凹進的第一縮進位置，渦旋元件在該位置中形成為限定了凹進的渦旋產(chǎn)生元件，以及相對于該表面的中性面向外凸出的第二伸出位置，渦旋元件在該位置中形成為限定了凸出的渦旋產(chǎn)生元件。在一個具體的實施例中，相應的葉片表面包括在其中形成于各個渦旋元件的位置處的凹陷。該渦旋元件可由布置在該凹陷上方的柔性材料層制成。該材料層在第一縮進位置中順應進入該凹陷中而在第二伸出位置中在該凹陷上方向外展開?？膳c該材料層一起構(gòu)造激活機構(gòu)以在相應的位置之間移動或部署該材料層。在一個特別獨特的實施例中，該材料層包括壓電材料而該激活機構(gòu)包括連接到該壓電材料的可控電源。供應到該壓電材料的功率的特性決定了該材料相對于葉片表面的中性面呈現(xiàn)伸出的還是縮進的構(gòu)型。該功率特性可變化，以在伸出的構(gòu)型中產(chǎn)生渦旋元件的相應地變化的形狀。該多個渦旋元件可供應有共同的受控電源，使得它們動作一致，或者為了更精確的控制，它們可單獨地供應和控制。備選地，該渦旋元件可細分為組，且各組單獨地控制。在又一個實施例中，風力渦輪葉片除了動態(tài)渦旋元件還可包括靜態(tài)渦旋元件。該靜態(tài)元件可與動態(tài)渦旋元件隔離或關(guān)于動態(tài)渦旋元件散布。動態(tài)渦旋元件的具體形狀和構(gòu)型不是限制性因素。在一個具體的實施例中，元件在縮進和展開的兩個構(gòu)型中大體上是半球形的形狀。渦旋元件的任何期望的形狀、定向或其它幾何特征在本發(fā)明的范圍和實質(zhì)中。在另一個獨特的實施例中，渦旋元件也可構(gòu)造為呈現(xiàn)第三中性位置，其中該元件與葉片表面的中性面共同延伸(co-extensive)而因此與該葉片表面基本齊平。本發(fā)明還包括具有一個或多個配置有如本文描述的動態(tài)渦旋元件的渦輪葉片的風力渦輪。本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點通過參照下文描述和所附權(quán)利要求將被更好地理解。結(jié)合在本申請文件中并構(gòu)成本申請文件的一部分的附圖示出了本發(fā)明的實施例，且與本說明一起用于解釋本發(fā)明的原理。


在本申請文件中闡述了本發(fā)明的針對本領(lǐng)域一般技術(shù)人員而言完整和可實施的公開，包括其最佳模式，其參照了附圖，其中
圖1是傳統(tǒng)風力渦輪的透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的各方面的風力渦輪葉片的一個實施例的透視圖；圖3是風力渦輪葉片的一個實施例的圖解側(cè)視圖；圖4是風力渦輪葉片的一個備選實施例的透視圖；圖5是風力渦輪葉片的一個備選實施例的圖解側(cè)視圖；圖6是相對于渦輪葉片的表面處在伸出位置中的渦旋元件的一個具體實施例的圖解側(cè)視和運行圖；圖7是圖6的渦旋元件在相對于渦輪葉片的表面的縮進位置中的圖解側(cè)視和運行圖；圖8是渦旋元件的半球形實施例的圖解俯視圖；以及，圖9是渦輪轉(zhuǎn)子輪轂和葉片的主視圖。部件列表風力渦輪10塔架12機艙14渦輪葉片16轉(zhuǎn)子輪轂18吸力側(cè)表面20壓力側(cè)表面22渦旋元件M渦旋產(chǎn)生器25凹陷 26蒙皮28柔性材料層30壓電材料32導線；34保持環(huán)36激活機構(gòu)38電源 40傳感器42傳感器線路44中央電源46控制器48渦旋元件組50
具體實施例方式現(xiàn)將對本發(fā)明的實施例進行詳細參照，在附圖中示出了實施例的一個或多個實例。各個實例通過對本發(fā)明的解釋而非對本發(fā)明的限制的方式提供。事實上，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將會顯然的是，在本發(fā)明中可以不脫離本發(fā)明的范圍或精神而作出多種修改和變化。例如，作為一個實施例的部分來示出或描述的特征可與另一個實施例一起使用而產(chǎn)出一個另外的其它實施例。因此，本發(fā)明意圖包括處于所附權(quán)利要求及其等價物的范圍中的這樣的修改和變化。圖1示出了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的風力渦輪10。該風力渦輪10包括塔架12，機艙14安裝在其上。多個渦輪葉片16安裝到轉(zhuǎn)子輪轂18上，而該轉(zhuǎn)子輪轂則連接到使主轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動的主凸緣上。風力渦輪功率產(chǎn)生和控制部件容納在機艙14中。提供圖1的視圖僅是為了說明性目的，其將本發(fā)明置于示例性的使用領(lǐng)域中。應該明白本發(fā)明不限于任何特定類型的風力渦輪構(gòu)型。圖2和圖4描繪了結(jié)合了本發(fā)明的各方面的風力渦輪葉片16的實施例。該葉片 16包括吸力側(cè)表面20和壓力側(cè)表面22。多個動態(tài)渦旋元件M形成在表面20和22中的任一個或兩者上。在圖2和圖4示出的實施例中，渦旋元件M被描繪為在吸力側(cè)20上。 渦旋元件M是“動態(tài)”的，因為它們在不同的運行位置之間激活或部署。具體而言，渦旋元件M被激活到第一縮進位置，其中元件M相對于該元件形成于其上的相應表面的中性面向內(nèi)凹進。在圖7中描繪了在該縮進狀態(tài)中的渦旋元件M的一個實施例。如圖6中所描繪的，渦旋元件M被部署或激活到相對于渦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。因此應該明白渦旋元件M在第一狀態(tài)中形成凹進的渦旋產(chǎn)生器而在第二狀態(tài)中形成凸出的渦旋產(chǎn)生器。渦旋元件M可與傳統(tǒng)的固定渦旋產(chǎn)生器25 (諸如固定鰭狀物、楔形物等等)在渦輪葉片表面上以任何樣式組合使用，以修改葉片16的空氣動力學特性。例如，在圖2中描繪的實施例中，涂黑的元件是位于葉片16的尖端段處的動態(tài)渦旋元件M (凹進或凸出)，而較淺的元件是靜態(tài)或固定渦旋產(chǎn)生器25。在圖4的實施例中，動態(tài)渦旋元件M同靜態(tài)渦旋產(chǎn)生器25 —樣沿著葉片16的長度定位。另外，多個渦旋元件M可分為不同的組，其中這些組中的第一個組包括所有在伸出位置中的渦旋元件M，而分開的不同組包括所有在縮進或凹進位置中的渦旋元件M。渦旋元件M形成于其上的葉片16的表面20、22形成為具有對應于渦旋元件24 之間的葉片的光滑表面的中性面。參照圖6，處于其展開狀態(tài)中的渦旋元件M在環(huán)繞該渦旋元件M的中性面上方延伸了高度H。類似地，在圖7的渦旋元件M的構(gòu)型中，元件M相對于環(huán)繞該渦旋元件M的表面的中性面具有凹進深度D。具體參照圖6和圖7，葉片16包括由諸如模制材料、層壓材料等等的任何合適材料形成的外蒙皮觀。在該蒙皮材料觀中在各個渦旋元件M的位置處形成了凹陷26。渦旋元件M包括布置在凹陷沈上方的柔性材料層30。在渦旋元件M的縮進位置中，該柔性材料層30順應進入凹陷沈而限定了凹進的渦旋產(chǎn)生器。如圖6中所描繪，在渦旋元件 M的第二伸出位置中，柔性材料層30在凹陷沈上方向外展開而相對于蒙皮觀的中性面限定了凸出的渦旋產(chǎn)生器。柔性材料層30可由足夠柔韌以順應進入凹陷沈和從該凹陷向外展開、同時經(jīng)受風力渦輪葉片的環(huán)境狀況的任何材料限定。應該明白本發(fā)明不限于任何特定類型的柔性材料層30?？墒褂帽３汁h(huán)或其它結(jié)構(gòu)36來將柔性材料層30附連到蒙皮觀。 如圖6和圖7所示，該環(huán)36可嵌入到環(huán)繞凹陷沈限定的凹槽或溝道中。在一個備選的實施例中，柔性材料層30可粘接或機械地緊固到凹陷沈周圍的蒙皮觀。提供了大體上為38的激活機構(gòu)以在縮進和伸出狀態(tài)之間部署柔性材料層30。激活機構(gòu)38可為任何形式的適當?shù)南到y(tǒng)或機構(gòu)，諸如氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電/機械系統(tǒng)等等。例如在未在圖中示出的一個具體實施例中，凹陷沈可供應有加壓空氣源以將柔性材料層30展開到圖6所示的位置。如圖7中所描繪，要縮進層30，可以施加吸力，以移除該空氣而將層30拉入與凹陷沈順應。激活機構(gòu)38也可改變在伸出狀態(tài)中的渦旋元件的凸出程度或范圍。例如，氣動或液壓系統(tǒng)可為能夠可變化地調(diào)節(jié)的，以使得渦旋元件相對于蒙皮 28的中性表面以變化的程度凸出。在一個特別獨特的實施例中，激活機構(gòu)38包括與柔性層材料30相結(jié)合的壓電材料32。該壓電材料32可為嵌入或以其它方式附連到柔性層材料30的部分上的帶狀物的形式(如圖8所示)。在一個備選的實施例中，該壓電材料32可為以任何期望的樣式或構(gòu)型貫穿柔性材料層30而分布的纖維的形式。壓電促動器的運行是眾所周知的，且因而在此處不需詳細描述。大體上，傳統(tǒng)的壓電纖維復合材料促動器包括裝入保護性聚合物基體材料中的一層擠壓成型的壓電纖維。交叉梳狀電極刻蝕或否則沉積到纖維的頂部和底部上的聚合物薄膜層上，以形成可容易地嵌入到多種類型表面中或布置在它們上的促動器層壓薄片。供應到壓電材料的功率的頻率和電壓特性支配了該材料被激活時呈現(xiàn)的形狀。在本發(fā)明的實施中可能有用的一種具體類型的壓電材料32在例如美國專利No. 6629341中描述。然而應該明白，其它壓電材料可能也是合適的。圖6到圖8將單獨的渦旋元件M描繪為大體上半球形的形狀。如圖8中所描繪， 這種形狀可通過使用不同的均等地間隔開的壓電材料件來實現(xiàn)，其引起柔性材料層30在施加到材料32的某電壓/頻率處以大體上均勻的半球形的形狀向外凸出，以及在渦旋元件 24的縮進位置中向內(nèi)順應為凹陷沈的大體上為半球形的形狀。也可控制供應到壓電材料32的功率特性，以產(chǎn)生變化的伸出程度，以及因此渦旋元件的變化的形狀。然而應該容易明白，渦旋元件M不限于任何特定的形狀或構(gòu)型，且可使用壓電材料32的任何形式或構(gòu)型來實現(xiàn)渦旋元件的任何期望的形狀，包括楔形形狀、襟翼等等。壓電材料32可通過導線34由電源進行供應。該導線34可結(jié)合到保持環(huán)結(jié)構(gòu)36 中，其因此可作為用于與特定渦旋元件M相關(guān)聯(lián)的所有多個壓電材料件32的電分配匯流管或總線。其它用于向壓電材料32供應功率的構(gòu)型處于本發(fā)明的范圍和精神中。在一個具體的實施例中，如圖3中所描繪，在葉片16上的所有或不同組的渦旋元件M可由共同的可控電源40供應。通過這種構(gòu)型，與相同電源40連通的所有渦旋元件M 將呈現(xiàn)相同的運行狀態(tài)。換言之，取決于由共同電源40供應的功率的特性，連接到相同電源40的一組中的所有元件M將或者展開或者縮進。在圖3所示的實施例中，在吸力側(cè)表面20上的渦旋元件M由單個電源40供應，而在壓力側(cè)表面22上的元件M由不同的電源 40供應。因此，通過這種安排，在吸力側(cè)上的元件M可部署為如圖6所示的展開狀態(tài)，而在壓力側(cè)22上的元件M可被激活進入如圖7所示的凹進狀態(tài)。圖4和圖5示出了一個實施例，其中在相應的表面20、22上的渦旋元件M由相應的電源40單獨地控制。以這種方式， 可設計凹進和展開的渦旋元件M的任何期望的樣式或構(gòu)型，如圖4所描繪，其中涂黑的元件M意圖描繪展開的渦旋元件，而陰影更淺的元件M意圖描繪凹進的渦旋元件。參照圖6和圖7，在某些情形下可能希望渦旋元件M呈現(xiàn)第三運行狀態(tài)，其中，如圖6和圖7中的虛線所描繪，渦旋元件M的表面與葉片的環(huán)繞表面的中性面共同延伸?？赡艽嬖谟羞@樣的風和空氣流狀況，其中由于渦旋元件引進的阻滯，渦旋元件的有用性或合意性是最小的，且可能是有害的。在這種狀況下，柔性材料層30可被部署為圖6和圖7中的虛線構(gòu)型所示的平坦輪廓狀態(tài)，其中元件M變?yōu)榛旧喜黄鹱饔?。圖9描繪了帶有多個根據(jù)本發(fā)明的各方面構(gòu)造的葉片16的轉(zhuǎn)子輪轂18。在這個具體的實施例中，各個葉片16包括多組50如本文描述的渦旋元件M。各組50和與各個葉片16相關(guān)聯(lián)的控制器48相連通。取決于用于各個葉片16的控制方案，控制器48支配供應到單獨的組50或供應到各個組50中的單獨的渦旋元件的電源的特性。而相應的控制器 48轉(zhuǎn)而與可在輪轂18或機艙14(圖1)中可操作地構(gòu)造的中央控制器/電源46聯(lián)系。單獨的控制器48可響應在葉片16的表面上提供的任何形式的傳感器42檢測到的由單獨的葉片16經(jīng)歷的相應的風或其它環(huán)境狀況而供應有控制信號。例如，傳感器42可為載荷傳感器，失速傳感器或可用于確定葉片16的空氣動力學狀況的任何其他類型的傳感器。傳感器42可通過線路44向單獨的相應控制器48供應信號，以用于與各個相應葉片16相關(guān)聯(lián)的渦旋元件M的近似實時的控制。仍參照圖9，還應該明白，盡管單獨的相應的葉片控制可能是合乎需要的，但這樣的控制不是強制性的，且本發(fā)明包括基于通過傳感器42由任何一個或所有葉片16感測到的狀況來共同控制與葉片16相關(guān)聯(lián)的所有渦旋元件M。盡管本主題已相對于具體的示例性實施例及其方法進行了詳細描述，但將明白， 本領(lǐng)域的技術(shù)人員在獲得對前述內(nèi)容的理解后，可能很容易對這樣的實施例作出變換、變化和等價物。因此，本公開的范圍通過實例而非通過限制(確定)，且本主題公開不排除包括對本領(lǐng)域一般技術(shù)人員來說將會容易地明白的對本主題的這樣的修改、變化和/或附加。
權(quán)利要求
1.一種風力渦輪葉片(16)，所述葉片包括吸力側(cè)表面00)和壓力側(cè)表面02)；形成于所述吸力側(cè)表面或所述壓力側(cè)表面中的至少一個上的多個動態(tài)渦旋元件04)； 以及，所述渦旋元件可激活到相對于所述表面的中性面向內(nèi)凹進的第一縮進位置或相對于所述表面的所述中性面向外凸出的第二伸出位置中的任一個。
2.如權(quán)利要求1所述的風力渦輪葉片(16)，其特征在于，還包括在所述表面(20、22) 中在所述渦旋元件04)中的各個的位置處的凹陷( )，所述渦旋元件包括布置在所述凹陷上方的柔性材料層(30)，其中所述材料層在所述第一縮進位置中順應進入所述凹陷而在所述第二伸出位置中在所述凹陷上方向外展開。
3.如權(quán)利要求2所述的風力渦輪葉片(16)，其特征在于，還包括與所述材料層(30)— 起構(gòu)造以在所述第一縮進位置和所述第二伸出位置之間移動所述材料層的激活機構(gòu)(38)。
4.如權(quán)利要求3所述的風力渦輪葉片(16)，其特征在于，所述材料層(30)包括壓電材料(32)，所述激活機構(gòu)(38)包括連接到所述壓電材料的可控電源00)。
5.如權(quán)利要求4所述的風力渦輪葉片(16)，其特征在于，所述多個渦旋元件04)由共同的受控電源G6)進行供應。
6.如權(quán)利要求4所述的風力渦輪葉片(16)，其特征在于，所述多個渦旋元件04)分為獨立地受控制的組，所述組中的各個組由相應的受控電源GO)進行供應。
7.如權(quán)利要求4所述的風力渦輪葉片(16)，其特征在于，所述多個渦旋元件04)由相應的受控電源GO)單獨地控制。
8.如權(quán)利要求1所述的風力渦輪葉片(16)，其特征在于，所述渦旋元件04)在所述第一縮進位置中以及在所述第二伸出位置中大體上是半球形的。
9.如權(quán)利要求1所述的風力渦輪葉片(16)，其特征在于，所述渦旋元件04)包括與所述表面的所述中性面共同延伸的第三中性位置。
10.如權(quán)利要求1所述的風力渦輪葉片(16)，其特征在于，所述渦旋元件04)形成于所述吸力側(cè)表面OO)和所述壓力側(cè)表面0 上。
11.一種風力渦輪(10)，所述風力渦輪包括多個根據(jù)權(quán)利要求1至10中任何一項形成的渦輪葉片(16)。
全文摘要
本發(fā)明涉及帶有可控的空氣動力學渦旋元件的風力渦輪葉片。一種具有吸力側(cè)表面(20)和壓力側(cè)表面(22)的風力渦輪葉片(16)。多個動態(tài)渦旋元件(24)形成在該吸力側(cè)表面(20)或該壓力側(cè)表面(22)中的至少一個上。該渦旋元件(24)可在相對于渦旋元件形成于其上的表面的中性面向內(nèi)凹進的第一縮進位置和相對于該表面的中性面向外凸出的第二伸出位置之間被激活。
文檔編號F03D11/00GK102278288SQ20111017351
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者熊偉 申請人:通用電氣公司