[發明專利]一種控制風力機葉片載荷與變形的裝置

有效

• 申請號: 201410353519.8
• 申請日: 2014-07-24
• 公開（公告）號: CN104234929B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 顧蘊松;李琳愷;孫之駿
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: F03D1/06
• 分類號: F03D1/06;F03D7/04
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明屬于風力機技術領域，特別是一種風力機輔助裝置。

背景技術

隨著人類社會邁入21世紀，環境污染和傳統石化資源衰竭等問題日益受到重視，新能源開發和使用已成為全世界的共同任務。其中，風能作為可再生的清潔能源的一種，被越來越廣泛地應用，大型的并網水平軸風力發電機組（以下簡稱風力機）成為利用風能的主要形式。

風力機的葉片作為捕風裝置，承擔著吸收風能的作用，其設計的優劣直接決定著機組的性能及可靠性。最近十年，隨著新材料、新技術的使用，葉片長度從十幾米、幾十米增加到一百多米，風力機的功率由千瓦級提升至兆瓦級，有效地降低了風力發電的度電成本。因此，風力機的大型化已成為風電行業的趨勢。然而，隨著葉片尺寸的增加，風力機葉片所受到的氣動載荷呈指數型增加。特別是在大風或突風等惡劣工況下，現有的變速變槳機構并不能快速地卸除這種突變載荷和巨大的結構變形，甚至造成葉片與塔架發生碰撞等事故，從而影響了風力機的安全性和使用壽命。

目前已有公開的專利，比如中國專利《一種風力機葉片可動小翼裝置》（公開號：102996367A，公開日2013.3.27）、《一種帶有葉尖小翼的風力機葉片》（公開號：103485973A，公開日2014.1.1）和《低啟動風速的風力機葉片氣動設計方法》（公開號：102108947A，公開日2011.6.29），通過流動控制手段來對風力機葉片的氣動性能進行控制，如葉片葉尖小翼、葉尖甩開式氣動剎車、后緣襟翼等。但這些控制手段亦存在一定的缺點，如：固定式的葉尖小翼，雖然能增加風力機的輸出功率，但若來流狀態超出設計工況，葉尖小翼將無法起到良好的控制效果；葉尖甩開式氣動剎車在一些大風速情況下能及時降低葉輪轉速，但其剎車過程復雜，還需要復雜的機械控制裝置。一旦工作，則需要停止葉輪旋轉才能將其收回至初始位置。而傳統機械剎車，是通過剎車片的磨損將動能轉化為熱能，不僅會造成剎車效率的下降，而且還增加了額外的能耗。此外，動態響應慢、安裝復雜等亦是現有控制手段普遍存在的問題。

而從空氣動力學角度和現有的風力機葉片工作原理來看，葉片的主要氣動載荷和捕獲能力主要集中在葉片葉尖附近。因此，葉尖附近區域是進行葉片載荷與變形控制的敏感區域，通過在葉尖安裝控制裝置，可以有效地改變整個葉片的載荷分布和結構變形，并能穩定風力機轉速和輸出功率。

發明內容

本發明要解決的問題是提供一種結構簡單的控制風力機葉片載荷與變形的裝置，該裝置適用于各種工況，通過簡單的調整就能快速地卸除因環境引起的風力機葉片上的突變載荷和巨大的結構變形，保證風力機具有穩定的轉速和輸出功率以及安全性。

本發明公開的一種控制風力機葉片載荷與變形的裝置，包括自由轉動式葉片、舵面、舵面驅動裝置。風力機葉片是安裝該控制風力機葉片載荷與變形的裝置的載體，自由轉動式葉片通過第一轉動副安裝到風力機葉片頂端，第一轉動副軸線垂直于風力機葉片的橫截面；舵面通過第二轉動副安裝在自由轉動式葉片后緣，第一轉動副和第二轉動副的軸線平行。

作為上述技術方案的進一步改進，所述舵面驅動裝置為舵機，安裝在自由轉動式葉片內部，舵面通過傳動桿連接到舵機。舵機內嵌于自由轉動式葉片中而不是安裝在自由轉動式葉片表面，是為了保證自由轉動式葉片表面的光滑、無凸起。舵機可通過傳動桿驅動舵面角度快速地變化，改變自由轉動式葉片的氣動外形，從而改變自由轉動式葉片的表面壓力分布和氣動特性。在高風速時，具有較高的氣動剎車功能，能削減風力機的載荷，穩定輸出功率；在低風速時，具有提高風輪轉速的功能，降低啟動風速，平滑輸出功率。舵面相對自由轉動式葉片弦線的轉動角度范圍為-30°~+30°。

作為上述方案的另一種改進，所述第一轉動副包括轉軸和轉軸固定裝置，轉軸一端安裝在轉軸固定裝置內，轉軸可相對轉軸固定裝置轉動，即自由轉動式葉片可繞該轉軸軸線自由轉動，轉動角度范圍為-180°~+ 180°。轉軸與自由轉動式葉片固定連接，轉軸固定裝置固定安裝在風力機葉片內部，或者，轉軸與風力機葉片固定連接，轉軸固定裝置固定安裝在自由轉動式葉片內部。

作為上述技術方案的更進一步改進，所述第二轉動副為鉸鏈。

作為上述技術方案的再進一步改進，所述控制風力機葉片載荷與變形的裝置還包括阻尼調節器，阻尼調節器對轉軸施加阻尼。

作為上述技術方案的再進一步改進，所述阻尼調節器上安裝有鎖緊裝置，用于鎖緊轉軸。