CN102444544A

CN102444544A - 在风力涡轮机中分配空气的***和方法

Info

Publication number: CN102444544A
Application number: CN2011103108777A
Authority: CN
Inventors: B·纳努库坦; S·波斯; G·内奥吉; S·阿萨里肯迪; 王京
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: US20110142623A1; CN102444544B; US8038398B2; EP2439408A2; EP2439408A3

Abstract

本发明涉及一种用于与风力涡轮机结合使用的空气分配***。所述风力涡轮机包括连接到塔筒的机舱和以可旋转方式通过转子轴连接到所述机舱的转子。所述转子包括至少一个连接到轮毂的转子叶片。所述空气分配***包括界定在所述转子轴内的导管。所述导管在所述机舱与所述转子之间形成流连通。气流控制装置与所述导管连接形成流连通。所述气流控制装置配置成选择性地将空气从所述机舱导送至所述转子，以及从所述机舱导送至环境空气。

Description

在风力涡轮机中分配空气的***和方法

背景技术

本发明大体上涉及在风力涡轮机中分配空气的***和方法。

至少一些已知的风力涡轮机塔筒包括固定在塔筒顶部的机舱。所述机舱包括通过转子轴连接到发电机的转子装置。在已知的转子装置中，多片叶片自转子延伸而出。所述叶片朝向一定方向定向，这样穿过叶片的风就会使转子转动、并使转子轴旋转，从而驱动发电机发电。

在至少一些已知的风力涡轮机中，塔筒和/或机舱中设置了各种风力涡轮机部件。在已知风力涡轮机的运行过程中，风力涡轮机部件产生热量，使塔筒和/或机舱的温度升高。随着塔筒和/或机舱温度升高，风力涡轮机部件的运行可能会受到负面影响。

由于许多已知的风力涡轮机要向公用设施电网提供电力，因此至少一些风力涡轮机会采用较大型部件(例如直径超过30米的转子)，这有助于提供较大量电力。但是，较大型部件通常容易受到因风切变、偏航角误差和/或湍流而造成的负载增加(如负载不对称)的影响。另外，至少一些已知的风力涡轮机易受环境温度影响，可能会导致已知转子叶片上结冰。已知转子叶片上的结冰可能会导致转子叶片和/或风力涡轮机的其他部件的疲劳循环次数显著增加。随着风力涡轮机部件的磨损程度趋于严重，风力涡轮机的发电效率也会降低。

发明内容

一方面，本发明提供与风力涡轮机结合使用的空气分配***。风力涡轮机包括连接到塔筒的机舱，和以可旋转的方式通过转子轴连接到机舱的转子。转子包括连接到轮毂的至少一片转子叶片。空气分配***包括设在转子轴内的导管。导管会在机舱与转子之间形成流连通。气流控制装置与导管连接形成流连通。气流控制装置配置成选择性地将空气从机舱导送至转子，以及从机舱导送至环境空气。

气流控制装置包括设置在所述机舱内的第一流量控制装置，第一流量控制装置连接到所述导管，以将空气从所述机舱经由所述导管导送至所述转子。机舱包括界定孔的外壳，所述孔在所述机舱与环境空气之间形成流连通，第一流量控制装置连接到所述外壳，以选择性地将空气从所述机舱经由所述导管导送到所述转子，以及经由所述孔导送至环境空气。

本发明空气分配***进一步包括与气流控制装置连接形成流连通的主动流控制装置，所述主动流控制装置经配置可将空气从所述气流控制装置导送至所述转子叶片，以有助于操纵横跨所述转子叶片的边界层。

本发明空气分配***还包括与所述气流控制装置连接形成流连通的除冰装置，除冰装置配置成将空气从所述气流控制装置导送至所述转子叶片，以有助于防止所述转子叶片上结冰。

气流控制装置进一步包括一个设置在所述轮毂内的第二流量控制装置，所述第二流量控制装置连接到所述主动流控制装置和所述除冰装置，以选择性地将空气从所述第一流量控制装置导送至所述主动流控制装置和所述除冰装置中的至少一个。所述第二流量控制装置可与所述第一流量控制装置连接形成流连通，以将空气从所述塔筒导送至所述第一流量控制装置。

另一方面，本发明提供一种风力涡轮机。风力涡轮机包括塔筒、连接到塔筒的机舱、设置在机舱中的发电机、包括至少一片连接到轮毂的转子叶片的转子，和以可旋转的方式将转子连接到发电机的转子轴。空气分配***连接到机舱。空气分配***包括一个穿过转子轴设置的导管。导管会在机舱与转子之间形成流连通。气流控制装置与导管连接以形成流连通。气流控制装置配置成选择性地将空气从机舱导送至转子，以及从机舱导送至环境空气。

机舱包括一个外壳，其界定至少一个在所述机舱与环境空气之间形成流连通的孔，所述气流控制装置包括设置在所述机舱内的第一流量控制装置，所述第一流量控制连接到所述导管和所述孔，所述第一流量控制装置配置成选择性地从所述机舱经由所述导管和经由所述机舱孔导送空气。

空气分配***进一步包括分别与所述气流控制装置连接形成流连通的主动流控制装置和除冰装置。所述主动流控制装置配置成将空气从所述气流控制装置导送至所述转子叶片，以有助于操纵横跨所述转子叶片的边界层；所述除冰装置配置成将空气从所述气流控制装置导送至所述转子叶片，以有助于防止沿着所述转子叶片结冰。

气流控制装置进一步包括一个设置在所述轮毂内的第二流量控制装置，所述第二流量控制装置连接到所述主动流控制装置和所述除冰装置，以选择性地将空气从所述第一流量控制装置导送至所述主动流控制装置和所述除冰装置中的至少一个。所述第二流量控制装置与所述第一流量控制装置连接形成流连通，以将空气从所述塔筒导送至所述第一流量控制装置。

涡轮机进一步包括至少一个设置在邻近所述塔筒的外表面的封闭体，所述第二流量控制装置与所述封闭体连接形成流连通，以将空气从所述封闭体导送至所述第一流量控制装置。

再一方面，本发明提供在风力涡轮机中分配空气的方法。其中，风力涡轮机包括连接到塔筒的机舱，和通过转子轴连接到机舱的转子。转子包括至少一片连接到轮毂的转子叶片。本方法包括将气流控制装置与机舱、转子和环境空气相连接以形成流连通连接。气流控制装置以多种运行模式中的某种模式运行。在多种运行模式的第一种运行模式中，气流控制装置将空气从机舱导送至转子。在多种运行模式的第二种运行模式中，气流控制装置将空气从机舱导送至环境空气。

本发明方法进一步包括：

在所述转子轴内界定一个导管，所述导管在所述机舱与所述轮毂之间形成流连通；以及以所述第一种运行模式运行所述气流控制装置，以将空气从所述机舱经由所述转子轴导送至所述轮毂。

界定一个穿过所述机舱的外壳的孔，所述孔形成所述机舱与环境空气之间的流连通；以及以所述第二种运行模式运行所述气流控制装置，以将空气从所述机舱经由所述孔导送至环境空气。

本发明方法还包括将主动流控制装置连接到所述转子叶片和所述气流控制装置；以所述第一种运行模式运行所述气流控制装置，以将空气从所述机舱导送至所述主动流控制装置。

本发明方法还包括将除冰装置连接到所述转子叶片和所述气流控制装置；以及以所述多种运行模式的第三种运行模式运行所述气流控制装置，以在所述第三种运行模式中将空气从所述机舱导送至所述除冰装置。

本发明方法进一步还可包括将所述气流控制装置与所述塔筒连接形成流连通；以及在所述第一种运行模式和所述第二种运行模式中的一种运行模式中运行所述气流控制装置，以将空气从所述塔筒导送至所述机舱。

附图说明

图1为包括示例性空气分配***的示例性风力涡轮机的透视图。

图2为图1所示的风力涡轮机一部分的局部放大透视截面图，风力涡轮机包括示例性空气分配***。

图3为用于图1所示风力涡轮机的示例性转子轴的截图面。

图4为用于图1所示风力涡轮机的示例性转子的一部分的局部截面图。

图5为说明用于图1所示空气分配***的示例性控制***的方框图。

图6为说明在图1所示风力涡轮机中分配空气的示例性方法的流程图。

元件符号列表：

10风力涡轮机 12塔筒

14支撑表面 16机舱

18发电机 20齿轮箱

22转子 24转子轴

26轮毂 28转子叶片

30空气分配*** 32风向

34旋转轴 36变桨调整***

38变桨轴 40气流控制装置

42主动流控制装置 44除冰装置

46控制*** 48外壳

50内表面 52机舱腔

54孔 56环境空气

58测风塔 60速度传感器

62主体 64第一端

66第二端 68转子法兰

70轴支撑轴承 72输入轴

74缩紧盘 76高速轴

78内表面 80塔筒腔

82支撑平台 84中线轴

86电力变压器 88电力转换器

90封闭体 92外表面

93导管 94传动***

96传动***支撑装置 98底座支架

100发电机机架 102底座开口

104内表面 106轮毂腔

108变桨传动 110变桨轴承

112变桨传感器 114温度传感器

116流量控制装置 118内表面

120轴导管 122第一开口

124第二开口 126中线轴

128前表面 130端表面

132外表面 134内孔

136第一表面 138第二表面

140第一流量控制装置 142第二流量控制装置

144第三流量控制装置 146第一导管

148第二导管 150导管

152导管 154根端

156梢端 158吸入侧壁

160压力侧壁 162前缘

164后缘 166转子叶片腔

168内表面 170开口

172边界层 174歧管

176孔 178单列

180除冰导管 182第一除冰导管

184第二除冰导管 202存储区

204处理器 206传感器接口

208传感器 210控制接口

212风力涡轮机控制装置 300分配空气的方法

302在转子轴内界定一个导管 304界定一个穿过机舱的外

壳的孔

306将一个气流控制装置与 308以第一种运行模式或第

轴导管和孔相连接以形二种运行模式运行气流

成流连通控制装置

310在第一种运行模式中从机 312在第二种运行模式中从

舱经由轴导管导送气流机舱经由孔导送气流

详细描述参看附图以举例说明的方式解释本发明的实施例，以及优点和特点。

具体实施方式

本发明各实施例用于在风力涡轮机的机舱与轮毂之间导送空气，以调节风力涡轮机内的温度。具体而言，本发明的风力涡轮机包括一个空气分配***，所述空气分配***配置成选择性地将空气从机舱导送至轮毂，以及从机舱导送至环境空气。此外，本发明的空气分配***包括一个主动流控制装置，所述装置用于调节风力涡轮机转子叶片的气动效率，以提高风力涡轮机的年发电量。本专利申请文件中所用术语“气动效率”指转子叶片的气动升力与气动阻力之比。本专利申请文件中所用术语“年发电量”指风力涡轮机在一个日历年中产出的累计电能。另外，空气分配***包括一个除冰装置，该装置有助于提高转子叶片的温度，以防止在转子叶片上结冰。

图1为示例性风力涡轮机10的透视图。在较佳实施例中，风力涡轮机10为水平轴风力涡轮机。或者，风力涡轮机10也可以为垂直轴风力涡轮机。在该较佳实施例中，风力涡轮机10包括从支撑表面14延伸的塔筒12、安装在塔筒12上的机舱16、设置在机舱16内的发电机18，以及连接到发电机18的齿轮箱20。转子22通过转子轴24以可旋转的方式连接到齿轮箱20。转子22包括可旋转的轮毂26和至少一片从轮毂26向外延伸的转子叶片28。风力涡轮机10还包括用于选择性地在塔筒12、机舱16以及转子22之间导送空气的空气分配***30。

在该较佳实施例中，转子22包括三片转子叶片28。在一个替代实施例中，转子22包括多于或少于三片转子叶片28。转子叶片28环绕轮毂26间隔设置，以有助于转子22旋转，从而将来源于风力的动能转换成可用的机械能，并随后转换成电能。在较佳实施例中，每片转子叶片28的长度介于约30米(m)(99英尺(ft))到约120m(394ft)之间。或者，转子叶片28的长度可为让风力涡轮机10拥有此处描述的功能的任意适宜长度。例如，转子叶片长度的其他非限制性实例包括10m或10m以下、20m、37m，或大于120m的长度。随着风从方向32击打转子叶片28，转子22围绕旋转轴34旋转。随着转子叶片28旋转并受到离心力的作用，转子叶片28也受到各种力和力矩的作用。鉴于此，转子叶片28可从中性位置或非偏转位置转向和/或旋转至偏转位置。每片转子叶片28的桨距角或叶片间距，即决定转子叶片28相对于风向32的角度的角，可通过变桨调整***36进行更改，以通过相对于风矢量调整转子叶片28围绕变桨轴38的角位置来控制振荡、负载，和/或风力涡轮机10产生的电力。

在较佳实施例中，空气分配***30包括气流控制装置40，所述气流控制装置以可操作的方式连接到主动流控制装置42和除冰装置44，以选择性地将空气从机舱16导送至主动流控制装置42和除冰装置44。气流控制装置40也连接到塔筒12、机舱16和轮毂26，以选择性地在塔筒12、机舱16和轮毂26之间导送空气。主动流控制装置42连接到至少一片转子叶片28，以操纵横跨转子叶片28的边界层。除冰装置44连接到至少一片转子叶片28，以提高转子叶片28的温度。空气分配***30还包括与气流控制装置40、主动流控制装置42和除冰装置44以可操作连通的方式连接的控制***46。

在风力涡轮机10运行时，多种风力涡轮机部件，例如发电机18、齿轮箱20和/或变桨调整***36，可提高风力涡轮机10内的温度。气流控制装置40选择性地将空气从塔筒12导送至机舱16，以及从机舱16导送至轮毂26，以有助于降低塔筒12、机舱16和/或轮毂26的温度。另外，气流控制装置40将空气从轮毂26导送至主动流控制装置42和/或除冰装置44。主动流控制装置42将空气从气流控制装置40导送通过转子叶片28，以有助于操纵横跨转子叶片28的边界层。除冰装置44将空气从气流控制装置40导送通过转子叶片28，以有助于提高转子叶片28的温度，从而减少转子叶片28上冰的累积。

图2为放大的局部透视截面图，介绍风力涡轮机10的一部分。图3为转子轴24沿着图2中的截面线3-3的截面图。图3所示的相同部件已用图2中所使用的相同参考编号标出。在较佳实施例中，机舱16包括具有内表面50的外壳48。内表面50界定机舱腔52。至少一个孔54穿过外壳48延伸，以在机舱腔52与环境空气56之间形成流连通。转子轴24、齿轮箱20、发电机18和空气分配***30至少部分设置在机舱腔52内。机舱16还包括至少一个测风塔58，所述测风塔包括传感器60(例如风速计)。例如，传感器60配置成感测风向和/或风矢量，并将指示风向32和/或风矢量的信号传输至控制***46。

转子轴24包括在第一端64与相对的第二端66之间延伸的主体62。第一端64连接到转子22。具体而言，转子轴24包括连接到转子轴第一端64的转子法兰68。轮毂26连接到转子法兰68，这样轮毂26即可围绕轴34旋转，从而有助于让转子轴24围绕轴34旋转。至少一个轴支撑轴承70连接至转子轴24，以有助于转子轴24的径向支撑和对齐。或者，风力涡轮机10可包括可让风力涡轮机10执行此处所述的功能的任意数量的支撑轴承。第二端66以可旋转的方式连接到齿轮箱20。齿轮箱20包括配置成接纳转子轴24的第二端66的输入轴72。缩紧盘74连接到输入轴72、并从输入轴72向外径向延伸，这样输入轴72即位于缩紧盘74与转子轴24之间。缩紧盘74配置成压缩输入轴72，以有助于将输入轴72通过摩擦配合连接至转子轴24。图2中所示的高速轴76连接在齿轮箱20与发电机18之间。

塔筒12包括界定塔筒腔80的内表面78，所述塔筒腔在支撑表面14(图1中所示)与机舱16之间延伸。塔筒12连接到机舱16，这样塔筒腔80即与机舱腔52形成流连通。塔筒12包括一个或多个连接到塔筒12的内表面78的支撑平台82。每个支撑平台82均沿着塔筒12的中线轴84垂直间隔设置，且配置成支撑多种设备，例如电力变压器86和电力转换器88。电力变压器86和电力转换器88均通过电导管缆(未图示)来电连接到发电机18和电网(未图示)，以在发电机18与电网(未图示)之间输送电力。在较佳实施例中，电力变压器86和电力转换器88均设置在塔筒12内。在一个实施例中，电力变压器86和/或电力转换器88可设置在至少一个封闭体90内，所述封闭体设置在邻近塔筒12的外表面92的位置。在该实施例中，导管93连接在外表面92与封闭体90之间，以在封闭体90与塔筒腔80之间形成流连通。或者，封闭体90可连接到外表面92。

在风力涡轮机10运行时，转子轴24以可旋转的方式驱动齿轮箱20，所述齿轮箱随后驱动高速轴76。高速轴76以可旋转的方式驱动发电机18，以有助于发电机18产生电力。在一个实施例中，风力涡轮机10不包括齿轮箱20。在该实施例中，转子轴24的第二端66通过输入轴72连接到发电机18。在某些情况下，转子轴24、发电机18、齿轮箱20、高速轴76，以及任何相关的紧固和/或支撑装置(包括但不限于轴支撑轴承70)被作为传动***94。在较佳实施例中，传动***94由传动***支撑装置96支撑。传动***支撑装置96包括底座支架98和自底座支架98悬臂设置的发电机机架100。齿轮箱20、转子轴24以及轴支撑轴承70均由底座支架98支撑。发电机18由发电机机架100支撑。底座支架98界定底座开口102，所述开口102在塔筒腔80与机舱腔52之间形成流连通。

在较佳实施例中，轮毂26包括界定轮毂腔106的内表面104。轮毂26连接到机舱16，这样轮毂腔106即与机舱腔52流连通。变桨调整***36包括至少一个设置在轮毂腔106内的变桨传动108。至少一个变桨轴承110连接到轮毂26和相应的转子叶片28，以从轮毂26支撑相应的转子叶片28，并让相应的转子叶片28围绕变桨轴38旋转。每个变桨传动108连接到相应的变桨轴承110，以调节相关转子叶片28沿着变桨轴38的桨距角。图2中仅显示了三个变桨调整***36中的一个。变桨调整***36包括变桨传感器112，所述变桨传感器用于将指示转子叶片28的桨距角的信号传输至控制***46。

风力涡轮机10还包括多个连接到塔筒12、机舱16、轮毂26和/或转子叶片28的温度传感器114。温度传感器114配置成感测塔筒12、机舱16、轮毂26和/或转子叶片28的温度，并将指示温度的信号传输至控制***46。

在较佳实施例中，气流控制装置40包括至少一个与塔筒腔80、机舱腔52、轮毂腔106和孔54连接的流量控制装置116，以形成流连通连接的装置。流量控制装置116为，例如，泵、压缩机、风扇、鼓风机，和/或适于控制气流的装置。在较佳实施例中，流量控制装置116经配置可将空气从塔筒腔80和/或机舱腔52导送至轮毂腔106。流量控制装置116进一步经配置将空气从机舱腔52经由孔54导送至环境空气56。并且，流量控制装置116经配置可选择性地将空气从塔筒腔80和/或机舱腔52导送至轮毂腔106和孔54。

参照图3，在较佳实施例中，转子轴24具有界定轴导管120的内表面118，所述轴导管在第一端64与第二端66之间延伸。轴导管120在第一开口122与第二开口124之间延伸，且大体沿着转子轴24的中线轴126延伸。轴导管120在机舱腔52与轮毂腔106之间形成流连通。第一开口122由转子法兰68的前表面128界定，且在轮毂腔106与轴导管120之间形成流连通。第二开口124由第二端66的端表面130界定，且在机舱腔52与轴导管120之间形成流连通。端表面130在外表面132与内表面118之间延伸。在一个替代实施例中，第二开口124由转子轴24的外表面132界定，且在外表面132与内表面118之间延伸。在较佳实施例中，齿轮箱20界定了在第一表面136与第二表面138之间延伸的内孔134，且其大小经调整以接纳转子轴24和输入轴72。转子轴24连接到齿轮箱20，这样转子轴24至少一部分延伸穿过内孔134。在较佳实施例中，第二端66从第二表面138沿着轴126向外延伸。在一个替代实施例中，第二端66设置在内孔134内。

参照图2，在较佳实施例中，气流控制装置40包括设置在机舱16内的第一流量控制装置140、设置在轮毂26内的第二流量控制装置142，以及设置在塔筒12内的第三流量控制装置144。第一流量控制装置140连接到轴导管120(图3中所示)，以将空气从机舱腔52经由轴导管120导送至轮毂腔106。第一流量控制装置140还连接到孔54，以将空气从机舱腔52经由孔54导送至环境空气56。第一流量控制装置140经配置可选择性地将空气从机舱腔52导送至轮毂腔106和/或环境空气56。在一个实施例中，第一流量控制装置140包括第一导管146和第二导管148。第一导管146连接在第一流量控制装置140与第二开口124(图3中所示)之间，以在第一流量控制装置140与轴导管120之间形成流连通。第二导管148连接在第一流量控制装置140与孔54之间，以在第一流量控制装置140与孔54之间形成流连通。

在较佳实施例中，第二流量控制装置142设置在轮毂26内，且配置成将空气从轮毂腔106导送至转子叶片28。第二流量控制装置142与轴导管120连接以形成流连通，以从第一流量控制装置140接收空气。在一个实施例中，第二流量控制装置142包括连接在第二流量控制装置142与第一开口122之间的导管150，以在第二流量控制装置142与轴导管120(图3中所示)之间形成流连通。或者，第二流量控制装置142不包括导管150，且配置成接收从轴导管120排入轮毂腔106中的空气。在较佳实施例中，第二流量控制装置142连接到主动流控制装置42，以将空气从轮毂腔106和/或轴导管120导送至主动流控制装置42。第二流量控制装置142进一步连接到除冰装置44，以将空气从轮毂腔106和/或导管150导送至除冰装置44。在较佳实施例中，第二流量控制装置142经配置可选择性地将空气从第一流量控制装置140导送至主动流控制装置42和/或除冰装置44。

在较佳实施例中，第三流量控制装置144设置在塔筒12内，且经配置可将空气从塔筒腔80导送至机舱腔52。并且，第三流量控制装置144经配置可将空气从塔筒腔80导送至第一流量控制装置140。在一个实施例中，第三流量控制装置144包括至少一个导管152，其连接在第三流量控制装置144与第一流量控制装置140之间。或者，第三流量控制装置144不包括导管152，且经配置可将空气从塔筒腔80经由底座孔102排入机舱腔52中。在进一步实施例中，第三流量控制装置144与封闭体90连接形成流连通，以从封闭体90接收空气。

图4为转子22的一部分的局部截面图。图4中所示的相同部件已用图2和图3中所使用的相同参考编号标出。在较佳实施例中，转子叶片28均相同，且每个都包括配置成有助于将转子叶片28安装到轮毂26上的第一或根端154，以及位于与根端154相对位置的第二或梢端156。转子叶片28进一步包括第一或吸入侧壁158以及协同的第二或压力侧壁160。压力侧壁160沿前缘162、并沿相对的后缘164连接到吸入侧壁158。吸入侧壁158和压力侧壁160连接在一起以界定转子叶片腔166，所述转子叶片腔在根端154与梢端156之间沿着转子叶片28的至少一部分延伸。具体而言，压力侧壁160和吸入侧壁158均包括界定转子叶片腔166的内表面168。在较佳实施例中，压力侧壁160和吸入侧壁158连接在一起以在根端154处形成开口170。转子叶片28在根端154处连接到轮毂26，这样开口170即在轮毂腔106与转子叶片腔166之间形成流连通。

在较佳实施例中，主动流控制装置42连接到每个转子叶片28，且配置成将空气从转子叶片28排入横跨转子叶片28的边界层中(用箭头172表示)，以操纵边界层172、并有助于提高转子叶片28的气动效率。主动流控制装置42包括设置在相应的转子叶片腔166内、且连接至内表面168的歧管174。多个孔176延伸穿过压力侧壁160和/或吸入侧壁158，且连接至歧管174以在歧管174与环境空气56之间形成流连通。在较佳实施例中，孔176在大体沿着相应转子叶片28的变桨轴38延伸，并轴向对齐成一个单列178。在一个实施例中，孔176界定在位于或邻近转子叶片28的后缘164处。在一个替代实施例中，孔176界定在位于或邻近转子叶片28的前缘162和/或后缘164处。在进一步的替代实施例中，孔176以让主动流控制装置42拥有此处描述的功能的方式，在沿着转子叶片28的长度的任何合适位置处以任意合适的阵列、以单行或以多行的方式对齐排列。运行时，歧管174从气流控制装置40处接受空气，并经由孔176将气流排入边界层172中。在一个实施例中，歧管174连接到第二流量控制装置142。或者，气流控制装置40不包括第二流量控制装置142。在此类实施例中，主动流控制装置42配置成经由轮毂腔106从第一流量控制装置140接收空气。在进一步的替代实施例中，主动流控制装置42连接到轴导管120(图3中所示)，以从第一流量控制装置140接收空气。

在较佳实施例中，除冰装置44连接到每个转子叶片28，以有助于提高转子叶片28的温度，从而减少转子叶片28上冰和/或雪的累积。除冰装置44包括至少一个设置在转子叶片腔166内、且连接到内表面168的除冰导管180。在一个实施例中，除冰装置44连接到歧管174。在该实施例中，歧管174配置成将空气从气流控制装置40导送通过除冰导管180，以有助于提高转子叶片28的温度。在较佳实施例中，除冰导管180位于邻近前缘162和/或后缘164的位置，以有助于分别在前缘162和/或后缘164处将热量从除冰导管180转移至转子叶片28。在一个替代实施例中，除冰装置44包括位于邻近前缘162处的第一除冰导管182和位于邻近后缘164处的第二除冰导管184。在该较佳实施例中，除冰导管180连接到第二流量控制装置142，以从第二流量控制装置142接收空气。或者，气流控制装置40不包括第二流量控制装置142。在此类实施例中，除冰装置44配置成经由轮毂腔106从第一流量控制装置140接收空气。在进一步的替代实施例中，除冰装置44连接到轴导管120(图3中所示)，以从第一流量控制装置140接收空气。

图5为介绍示例性控制***46的方框图。在该较佳实施例中，控制***46为包括计算机***等任何合适的基于处理器或微处理器的***的实时控制器，所述***包括微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路，和/或能够执行此处描述的功能的其他任何电路或处理器。在一个实施例中，控制***46可为包括只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM)的微处理器，例如具有2Mbit ROM和64Kbit RAM的32位微型计算机。本专利申请文件所用术语“实时”是指在输入变动影响结果之后的相当短时间内产生的结果，且该时间段为可根据结果的重要性和/或***处理输入并生成结果的能力来进行选择的设计参数。

在较佳实施例中，控制***46包括一个存储区202，其配置成存储可执行的指令和/或代表和/或指示风力涡轮机10的运行条件的一个或多个运行参数。运行参数可代表和/或指示(但不限于)塔筒温度、转子叶片温度、桨距角、风速和/或风向。控制***46进一步包括连接到存储区202的处理器204，所述处理器经过编程以至少部分地根据一个或多个运行参数来确定一个或多个风力涡轮机控制装置212，例如气流控制装置40，的运行情况。在一个实施例中，处理器204可包括一个处理单元，例如，但不限于，一个集成电路(IC)、一个专用集成电路(ASIC)、一个微型计算机、一个可编程逻辑控制器(PLC)和/或其他任何可编程电路。或者，处理器204可包括多个处理单元(例如在多核配置中)。

在该较佳实施例中，控制***46包括一个传感器接口206，所述传感器接口连接到至少一个传感器208，例如速度传感器60、变桨传感器112和/或温度传感器114，以接收来自传感器208的一个或多个信号。每个传感器208生成并传送与风力涡轮机10的一个运行参数相对应的信号。并且，每个传感器208可不间断、周期性或一次性传输信号，例如，尽管预期还存在其他信号时序。此外，每个传感器208可以模拟形式或数字形式传输信号。控制***46通过处理器204处理信号以生成一个或多个运行参数。在某些实施例中，处理器204经过编程(例如使用存储区202中的可执行指令)以对传感器208生成的信号抽样。例如，处理器204可接收来自传感器208的一个连续信号，并且作为响应，根据所述连续信号周期性地(例如每五秒一次)计算空气分配***30的运行模式。在某些实施例中，处理器204对从传感器208接收的信号进行规格化。例如，传感器208可产生具有与运行参数值成正比的参数(例如电压)的模拟信号。处理器204可经过编程以将模拟信号转换成运行参数。在一个实施例中，传感器接口206包括将传感器208产生的模拟电压信号转换成可供控制***46使用的一个多位数字信号的模/数转换器。

控制***46还包括配置成控制空气分配***30的运行的控制接口210。在某些实施例中，控制接口210以可操作的方式连接到一个或多个风力涡轮机控制装置212，例如，气流控制装置40(图2中所示)。

控制接口210与控制装置212之间以及传感器接口206与传感器208之间可存在多种连接。此类连接可包括，但不限于，一个电导体、一个低级串行数据连接(例如推荐标准(RS)232或RS-485)、一个高级串行数据连接(例如通用串行总线(USB)或电气电子工程师学会(IEEE)1394(也称为FIREWIRE))、一个并行的数据连接(例如IEEE 1284或IEEE 488)、一个短距离无线通信信道(例如蓝牙)和/或专用(例如无法从风力涡轮机10的外部访问)网络连接，有线或无线。

在该较佳实施例中，空气分配***30配置成选择性地以第一种或除冰模式、第二种或主动流控制模式和/或第三种或温度控制模式运行。在一个实施例中，空气分配***30配置成分别以除冰模式、主动流控制模式和温度控制模式中的每一模式来运行。或者，空气分配***30可同时以除冰模式、主动流控制模式和温度控制模式中的每一模式来运行。本专利申请文件所用术语“除冰模式”是指这样的运行模式：气流控制装置40将空气从机舱腔52导送至除冰装置44，以有助于提高转子叶片28的温度。本专利申请文件所用术语“主动流控制模式”是指这样的运行模式：气流控制装置40将空气从机舱腔52导送至主动流控制装置42，以有助于操纵横跨转子叶片28的边界层172。本本专利申请文件所用术语“温度控制模式”是指这样的运行模式：气流控制装置40将空气从塔筒腔80和/或机舱腔52经由机舱孔54导送至环境空气56。

在空气分配***30以除冰模式运行时，第一流量控制装置140将空气从机舱腔52经由轴导管120导送至轮毂腔106。除冰装置44在邻近前缘162和/或后缘164处将空气导送通过转子叶片28，以有助于提高转子叶片28的温度。在空气分配***30以主动流控制模式运行时，第一流量控制装置140将空气从机舱腔52经由轴导管120导送至轮毂腔106。主动流控制装置42经由孔176将空气排入边界层172，以有助于通过操纵边界层172来调整转子叶片28的气动效率。处于温度控制模式时，第一流量控制装置140从第三流量控制装置144接收空气，并将空气经由机舱孔54导送至环境空气56。在除冰模式、主动流控制模式和温度控制模式中的每一模式中，均可对第三流量控制装置144进行操作以将空气从塔筒腔80导送至机舱腔52，从而有助于降低塔筒腔的温度。

在该较佳实施例中，控制***46从温度传感器114接收指示转子叶片28的温度的信号。控制***46配置成在确定转子叶片28的温度低于预定义的温度时以除冰模式运行空气分配***30。控制***46进一步配置成从传感器60接收指示风速的信号，并从变桨传感器112接收指示转子叶片28的桨距角的信号。控制***46配置成根据风速和转子叶片28的桨距角计算转子叶片28的气动效率。在确定转子叶片28的气动效率与预设的气动效率不同时，控制***46配置成主动流控制模式运行空气分配***30。控制***46进一步配置成从温度传感器114接收指示塔筒腔80内的温度的信号，并在所感测到的温度高于预定义的温度时让空气分配***30以温度控制模式运行。

图6为介绍在风力涡轮机10内分配空气的示例性方法300的流程图。在该较佳实施例中，方法300包括在转子轴24内界定轴导管120(步骤302)和界定穿过外壳48的孔54(步骤304)。气流控制装置40与轴导管120和孔54相连接以形成流连通(步骤306)。气流控制装置40以第一种运行模式或第二种运行模式运行(步骤308)。气流控制装置40在第一种运行模式中从机舱16经由轴导管120导送空气(步骤310)，并在第二种运行模式中从机舱16经由孔54导送空气(步骤312)。

此处所述的***、方法和设备的示例性技术效应包括以下各项中的至少一项：(a)从传感器向控制***传送至少一个指示风速的第一监控信号；(b)传送至少一个指示转子叶片的变桨的第二信号；(c)由控制***根据该第一信号和第二信号计算转子叶片的气动效率；(d)将计算出的气动效率与预设气动效率进行比较；以及(e)在计算出的气动效率与预设气动效率不同时运行气流控制装置。

上面描述的***、方法和设备有助于选择性地将空气从风力涡轮机的机舱导送至轮毂。具体而言，此处描述的空气分配***包括气流控制装置，所述气流控制装置配置成选择性地将空气从机舱导送至轮毂，并从轮毂导送至环境空气，以调整风力涡轮机内的温度。通过调整风力涡轮机内的温度，维持多种风力涡轮机部件的成本即可降低。此外，此处描述的空气分配***包括用于调整风力涡轮机转子叶片的气动效率的主动流控制装置和有助于提高转子叶片的温度以防止转子叶片上结冰的除冰装置。如此，风力涡轮机的年发电量将会增加。

以上详细描述了用于在风力涡轮机内分配空气的***、方法和设备的各较佳实施例。此处描述的***和方法并不限于具体实施例，然而装置的部件和/或方法的步骤可独立于此处描述的其他部件和/或步骤单独使用。例如，所述方法也可与其他风力涡轮机部件结合使用，且并不限于仅使用此处描述的空气分配***进行实践。同时，较佳实施例可与许多其他风力涡轮机应用结合实施和使用。

尽管本发明的多种实施例的具体特征可能在某些附图中有显示、而并未在其他附图中显示，但这仅仅是出于方便的考量。根据本发明的原则，附图中的任何特征可结合其他任何附图中的任何特征来参照和/或提出权利要求。

该专利申请文件使用了各种实例来揭示本发明(包括最佳模式)，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或***、并实施所涵盖的任何方法。本发明的可专利性范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims

1.一种用于与风力涡轮机(10)结合使用的空气分配***(30)，所述风力涡轮机包括连接到塔筒的机舱(16)以及以可旋转方式通过转子轴(24)连接到所述机舱的转子(22)，所述转子包括至少一个连接到轮毂(26)的转子叶片(28)，所述空气分配***包括：

一个设于所述转子轴内的导管(93)，所述导管在所述机舱与所述转子之间形成流连通；以及

一个与所述导管连接形成流连通的气流控制装置(40)，所述气流控制装置配置成选择性地将空气从所述机舱导送至所述转子，以及从所述机舱送至环境空气(56)。

2.根据权利要求1所述的空气分配***(30)，其特征在于：所述气流控制装置(40)包括设置在所述机舱(16)内的第一流量控制装置，所述第一流量控制装置连接到所述导管(93)，以将空气从所述机舱经由所述导管导送至所述转子(22)。

3.根据权利要求2所述的空气分配***(30)，其特征在于：所述机舱(16)包括界定孔(54)的外壳(48)，所述孔在所述机舱与环境空气(56)之间形成流连通，所述第一流量控制装置连接到所述外壳，以选择性地将空气从所述机舱经由所述导管导(93)送到所述转子，以及经由所述孔导送至环境空气。

4.根据权利要求3所述的空气分配***(30)，其特征在于：所述***进一步包括与所述气流控制装置连接形成流连通的主动流控制装置(42)，所述主动流控制装置配置成将空气从所述气流控制装置导送至所述转子叶片(28)，以有助于操纵横跨所述转子叶片的边界层(172)。

5.根据权利要求4所述的空气分配***(30)，其特征在于：所述***进一步包括与所述气流控制装置(40)连接形成流连通的除冰装置(44)，所述除冰装置配置成将空气从所述气流控制装置导送至所述转子叶片(28)，以有助于防止所述转子叶片上结冰。

6.根据权利要求5所述的空气分配***(30)，其特征在于：所述气流控制装置(40)进一步包括一个设置在所述轮毂(26)内的第二流量控制装置，所述第二流量控制装置连接到所述主动流控制装置和所述除冰装置(44)，以选择性地将空气从所述第一流量控制装置导送至所述主动流控制装置(42)和所述除冰装置中的至少一个。

7.根据权利要求2所述的空气分配***(30)，其特征在于：所述气流控制装置(40)包括设置在所述塔筒(12)内的第二流量控制装置，所述第二流量控制装置与所述第一流量控制装置连接形成流连通，以将空气从所述塔筒导送至所述第一流量控制装置。

8.一种风力涡轮机(10)，其包括：

一个塔筒(12)；

一个连接到所述塔筒的机舱(16)；

一个设置在所述机舱内的发电机(18)；

一个转子(22)，包括至少一个连接到轮毂(26)的转子叶片(28)；

一个转子轴(24)，将所述转子以可旋转方式连接到所述发电机的；以及

一个连接到所述机舱的空气分配***(30)，所述空气分配***包括：

一个穿过所述转子轴设置的导管(93)，所述导管在所述机舱与所述转子之间形成流连通；以及

一个与所述导管连接形成流连通的气流控制装置(40)，所述气流控制装置配置成选择性地通将空气从所述机舱导送至所述转子，以及从所述机舱导送至环境空气(56)。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机(10)，其特征在于：所述机舱(16)包括一个外壳(48)，其界定至少一个在所述机舱与环境空气之间形成流连通的孔(54)，所述气流控制装置(40)包括设置在所述机舱内的第一流量控制装置，所述第一流量控制连接到所述导管(93)和所述孔(54)，所述第一流量控制装置配置成选择性地从所述机舱经由所述导管和经由所述机舱孔导送空气。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮机(10)，其特征在于：所述空气分配***(30)进一步包括与所述气流控制装置(40)连接形成流连通的主动流控制装置(42)，所述主动流控制装置配置成将空气从所述气流控制装置导送至所述转子叶片(28)，以有助于操纵横跨所述转子叶片的边界层(172)。