CN102686877B - 抗振装置和固定风力涡轮机叶片以防止振动的技术 - Google Patents

Abstract

此发明涉及一种操作风力涡轮机（1）以便在风力涡轮机叶片（5）处于静止或低速空转时防止其振动的方法，以及涉及一种风力涡轮机叶片抗振装置（10）。该装置包括将可释放地安装的叶片覆盖物（10），它为叶片区域提供非空气动力学的外表面。该装置被发现可防止气流贴附于叶片上，并且周期性地以称作涡流溢放的现象脱离，从而防止此叶片的振动成为问题。叶片覆盖物可包括网状材料的套筒（10），套筒可在叶片被安装之前或在安装现场由维护工程师通过导引绳索16和17被安放于叶片上。

Description

抗振装置和固定风力涡轮机叶片以防止振动的技术

技术领域

本发明涉及一种抗振装置及固定风力涡轮机叶片以防止振动的技术。

背景技术

图1中描绘了一种典型的水平轴风力涡轮机作为参考。图1中描绘了风力涡轮机1，其包括风力涡轮机塔架2，在该塔架上安装有风力涡轮机机舱3。包括至少一支风力涡轮机叶片5的风力涡轮机叶轮4安装于轮毂6上。

轮毂6通过由机舱前部伸出的轴（图中未显示）与机舱3连接。机舱3可利用位于塔架1顶端的偏航驱动装置被转动，以改变叶轮的轮毂6和叶片5的朝向。叶片具有空气动力学外形，因此在风吹过其表面时会受到“升力”或由风产生的压力作用。叶片空气动力学外形的前锋面与入射风相遇的角度或桨距可利用变桨驱动装置来改变，变桨驱动装置使叶片5相对轮毂6转动。

图1中展示的风力涡轮机可以为一种小型的家用或轻型多用途应用为目的而设计的型号，或可以为一种大型的例如那些适合在风场中大规模发电而使用的型号。一台典型的商用风力涡轮机，例如一台设计发电能力为3MW的风力涡轮机，其直立后高度大约可达100米并具有长度约40米或更长的叶片。风力涡轮机叶片的尺寸，并且尤其是当叶片在风中转动时它们扫过的面积与风力涡轮机能够从风中汲取的能量密切相关。在商用产能中，风力涡轮机由于上述原因会具有庞大的尺寸，从而可以提供最大限度的发电能力。

在一般发电过程中，偏航驱动装置使机舱3旋转从而使风力涡轮机的叶片5指向风向。而且，叶片的桨距可被调整，从而使其由风中受到的力保持在安全运行参数范围内，同时由入射风中产出尽可能多的能量。

当风力涡轮机不发电时，例如在并网之前或维护中时，风力涡轮机的叶片应通过偏航驱动装置和变桨驱动装置尽可能远离风向，以使叶片不会受到来自入射风的过大力。在此情况下，风力涡轮机叶片可被牵引至静止状态并锁定。

当风力涡轮机的叶片被锁定于静止状态时，它们很容易发生侧向叶片振动（侧向为从叶片前缘到叶片后缘的方向），此现象在风从侧面撞击叶片时由横过叶片或叶片周边的气流造成。如果风力涡轮机叶片可相对于风向顺桨，那么风可以由此叶片周围顺畅流过，但在缺乏持续调整叶片桨距的能量的情况下，风向将不可避免地改变，并导致叶片周围的气流不顺畅的状况。最坏情况是入射风与叶片的平坦表面之一垂直地相遇，并且入射风不得不在叶片前缘及后缘周围流过。如果此振动达到足够大的等级，可导致其对风力涡轮机叶片结构产生物理损伤，修复该损伤需耗费财力与时间。

此问题是由叶片从风中收浆时叶轮叶片周围尤其是前缘的空气的极其不稳定流动引起的。空气在叶片的弯曲表面周围流动，但无法以层流形式保持贴附于叶片表面，这是因为叶片未正确变桨以支持升力。因此，层流可能会短暂出现但随即就消失，导致在叶片的背风面形成涡流。此种情况经常被称为涡流溢放现象，其具有以下特点，即在空气中的分离倾向于以节律气流的形式由叶片的一侧转移至另一侧。这些振动通常是先在叶尖发生，因为在此处，较小的直径和较轻的框架由空气产生的节律转移力的抵抗较小。如果由气流产生的节律振动与叶片自身的共振频率对应，叶片最终会遭受灾难性故障。

许多风力涡轮机因此包括机械或液压设备，这种设备可在风力涡轮机叶片产生的振动发展为足以损坏叶片的等级前将其抑制。虽然这种设备的确可以解决此类问题，但其价格昂贵且难于安装。因此我们注意到了对于克服叶片上的这种振动的装置和方法的需要。

发明内容

在第一方面，本发明提供了一种操作风力涡轮机的方法，用于抑制当所述风力涡轮机处于非运行模式时由所述叶片上的气流引起的振动，所述方法包括：将风力涡轮机叶片可释放地锁定在位；将可释放地安装的临时叶片覆盖物固定到所述风力涡轮机叶片上，使得所述叶片覆盖物覆盖叶片表面的区域并提供非空气动力学的外表面，以便在所述叶片上的气流中产生湍流。在叶片表面周围流动的空气因此无法充分地贴附于叶片而产生层流，即便是短暂层流也无法产生，结果，节律涡流溢放现象发生的可能性以及发生的任何涡流溢放振动的等级会被大幅地降低。

在一个实施例中，所述叶片覆盖物是套筒，且所述方法包括：将第一导引绳索安装到位于所述套筒一端的安装点上；将所述套筒拉至所述风力涡轮机叶片上；将所述导引绳索系到所述风力涡轮机上，从而将所述套筒固定在位。这允许套筒在制造时被安装，因此当叶片被安装于风力涡轮机上时，叶片覆盖物保持在位直到风力涡轮机准备使用前，或者套筒也可在施工现场进行安装。

在一个实施例中，套筒由网状结构形成，因发现其安装就位后将为叶片提供非空气动力学的表面，并具有相对轻量及容易制造等优势。此外，此叶片覆盖物可以是在其表面具有突出部或凹部以形成非空气动力学的外表面的套筒。

在一个实施例中，此方法包括：将所述第一条导引绳索的一端从所述风力涡轮机的机舱或轮毂中下放至地面上的维护工程师。地面上的维护工程师能够将导引绳索安装到套筒上。

在一个实施例中，此方法包括在地面上将第二导引绳索安装到所述套筒上，使得拉动所述第一和第二导引绳索的所述端部能够拉动所述套筒以收紧长度。地面上的维护工程师能够安装第二导引绳索，以便在将套筒朝叶片向上升起时提供定位绳索。

在进一步的实施例中，所述叶片覆盖物包括用于与所述叶片的所述表面直接连接的粘合表面部分，并且所述方法包括将所述粘合表面部分连接到所述叶片表面。这允许表面部分可在运输或安装前被轻易安装到叶片上。

在一个实施例中，所述叶片覆盖物由网状材料形成。网状材料优选地具有开口网格，开口网格具有在至少一个方向上介于25毫米至100毫米范围内的网格间隔。所述叶片覆盖物也可以在其表面具有突出部或凹部，从而形成所述非空气动力学的外表面，优选地所述突出部或凹部具有介于5毫米至10毫米之间的深度。

一种风力涡轮机叶片抗振装置也被提供。

附图说明

下面参考附图及实例以进一步描述本发明，其中：

图1是风力涡轮机的示意图；

图2是根据本发明的风力涡轮机的示意图，包括安装到风力涡轮机叶片上的抗振设备；

图3是用于风力涡轮机叶片的抗振套筒的第一实例的侧视图;

图4是用于风力涡轮机叶片的抗振套筒的第一实例在闭合状态的顶视图；

图5是用于风力涡轮机叶片的抗振套筒的第一实例在开放状态的顶视图；

图6是用于将根据第一实例的抗振装置安装到风力涡轮机叶片上的技术的示意图；以及

图7是用于风力涡轮机叶片的抗振装置的第二实例的示意图。

具体实施方式

本发明的第一实例现将参照附图中的图2和图3进行更详细地描述。

该实例抗振装置包括套筒10，当风力涡轮机叶片在静止位置时，该套筒被安装在风力涡轮机叶片5的尖端。套筒10的安装可以在运行中的风力涡轮机的风力涡轮机叶片已被锁定在保养或维修位置时现场进行。另外，在将风力涡轮机叶片5安装在风力涡轮机塔架2上之前，以及在风力涡轮机与电网连接以输出电力之前，套筒10可在工厂中被安装于风力涡轮机叶片5上。在以上这两种情况下，因而，风力涡轮机可被认为处在非运行模式。一旦套筒被安装就位，如有需求，风力涡轮机叶片即可被解锁并且可闲置于顺桨位置。

图3中更详细地展示了示例抗振套筒10的结构。套筒10包括大体网状或其它粗糙材料11，它具有至少一个敞口端12以便部署到风力涡轮机叶片5的尖端上。在图3中展示的实例中，套筒10为袜子或口袋形状并且套筒10的与敞口端12相反的端部13因而被封闭。在其他实例中，端部13也可以为敞口的，在此情况下，套筒10更接近于具有两个敞口端的管状风袋的形状。尽管套筒10可以被认为大致是管状，因为其长度尺寸大于其宽度，应理解的是，套筒10朝其端部13逐渐变小以期更紧贴地适应风力涡轮机叶片尖端的较小直径。此外，套筒也可具有扁形的横截面，从而与远离根部的叶片的扁形横截面相适应。

套筒10的敞口端12包括弹性加固装置14，此装置既可为套筒的敞口端12提供结构强度，又可在默认位置保持套筒的端部12张开以使得在叶片尖端5上定位套筒10更加简便。此结构在图5中有更清晰的展示。弹性加固装置14可由金属、塑料或其他所需的适合材料制成。

在图4和图5中更清楚地看到，弹性加固装置14在其中心具有环状或眼状结构15，用以为两条导绳或导索16和17中的一个导绳或导索提供安装点，套筒10可通过导绳或导索被升起至指定位置。此弹性加固装置14被附在套筒10上，使得环状结构15可被方便地置于套筒10的一端。另一条导绳17被固定于第二环状或眼状结构18上，第二环状或眼状结构安装在套筒10的另一端13位于正下方并且位于套筒的同一边缘上。优选地，套筒的该边缘包括连接在两个环状结构15与18之间的加固索19，例如绳索或缆绳。事实上，环状结构18可被直接安装到加固索19上。加固索19可在导索16和17上的力变大时，例如套筒10被拉入指定位置时，防止套筒10受到损伤。

在一个实施例中，套筒10可由单片材料制成，使加固索19位于其中心，并且材料的边缘通过任何适合的手段例如缝合或缝纫被折叠和连接在一起。在此情况下，套筒10的与加固索相反的边缘可包括缝合线20。

构成套筒10的材料11可以是能够形成上述袜子或口袋形状的任何材料，但该材料不能过于粗糙，以致在套筒10被安装时对风力涡轮机叶片表面造成损伤。因此，柔软且易弯曲的纤维材料是具有优势的，例如但不限于有机纤维如***、剑麻、黄麻和棉；合成或人造纤维如聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯或任何适合的热塑性纤维材料；及单丝材料如聚乙烯或橡胶。在此处描述的实例中，该网状结构的编织或网格尺寸在掩模中的范围应介于10×10毫米至100x100毫米之间。根据不同的应用，它也可具有更细或更大的开口网格。

套筒10可在制造过程中被固定在风力涡轮机叶片的端部上，用绳索或滑轮（未展示）安装于叶片根部，即叶片连接到轮毂处。另外，如上所述，套筒10的重要优势为：在风力涡轮机处于非工作模式下且叶片被锁定以进行维修或维护时可通过维护工程师将套筒固定于风力涡轮机叶片的端部上。

将抗振套筒10固定于风力涡轮机叶片上的过程在现在将要参照的图6中展示。首先，此叶片5被转动到叶片之一指向地面的位置，并且风力涡轮机被停机。为安全起见，当维护工程师进行工作时，风力涡轮机可被锁定于此位置，至少临时地被锁定于此位置。

位于转子叶片的轮毂中的维护工程师将牵拉导索16由风力涡轮机1的机舱3或轮毂6中的位置下放，与此同时将另一端固定于风力涡轮机机体上。位于地面的维护工程师将牵拉导索16固定于环状结构15上，并将地面导索17由环状结构18中穿过。然后，位于轮毂6或机舱3中的维护工程师向导索16施加力，同时位于地面的维护工程师把持住地面导索17的两端。然后，位于轮毂6或机舱3中的维护工程师可拉动牵拉导索16，从而将套筒10的敞口端拉向风力涡轮机叶片5的尖端。如图5中所示，弹性加固装置14保持套筒10的端部敞开，以使其小心注意地穿在叶片5的尖端上。对在此过程中显而易见地指向地面的叶片尖端具有更好视点的地面工程师在导引套筒10的敞口端13到位是至关重要的。一旦套筒10已被叶片5穿过，位于机舱3或轮毂6中的维护工程师就能进一步拉动牵拉导索16，并将弹性加固装置14沿叶片长度向上滑动直到其无法进一步滑动为止。叶片5在其根部方向逐步增大的直径将意味着其最终会填满套筒10以阻止其进一步移动，否则叶片5的尖端会与套筒10的闭口端13接触。在这种情况下，叶片5的直径将会占据套筒10的材料和弹性加固装置中的松弛，从而套筒将呈现图4中所展示的形状，即被沿叶片弦长方向拉紧。

一旦套筒10就位，在机舱3或轮毂6中的维护工程师将牵拉导索16的未与环状结构15相连的端部固定于风力涡轮机结构上的适合位置（如有需要，可以为此提供专用的系挂点，但这一系挂点不是绝对必要的）。无论如何，轮毂6或叶片根部优选用作系挂点，因为它允许系挂点随风力涡轮机叶片一起旋转。位于地面的维护工程师将地面导索17的一端松开并从低位环状结构18拉动绳索。随后此套筒10即可就位，并可简单地通过释放系于风力涡轮机结构上的牵引导索16使得其与风力涡轮机分离。为了将套筒10安装于风力涡轮机的其它叶片5上，这些叶片需被移动至朝向地面，并重复上述过程。当每支叶片上均被安装套筒后，风力涡轮机叶片5可被锁定在位。

当套筒10在风力涡轮机叶片5上处于适当位置后，可通过在叶片表面上有意形成湍流及防止气流贴附于叶片来防止风力涡轮机叶片的涡流溢放引起的振动。仅当空气可以贴附于叶片时，节律涡流溢放现象才会发生，此时空气贴附、脱离、贴附、和脱离，依次往复。因此我们可以意识到，安装于叶片上以提供粗糙的、非空气动力学表面的套筒10或其它类似结构将导致湍流，并阻止空气贴附于叶片，进而破坏循环，并阻止涡流溢放现象或大幅降低其发生的程度。

由于这一原因，材料优选是网状材料，因发现其可在叶片表面有效地形成湍流并且可通过有效覆盖叶片前缘从而降低涡流溢放。该网的开放式网格或编织确保了在空气与叶片之间存在着不规则表面的空气边界，并且有利地用作套筒10，因为其易于制造，并因而成本低廉。举例而言，该网的网格或编织可在网中留出约25毫米至100毫米大小的开放式空间，呈至少一维或方形，优选尺寸为50毫米。当然，如果该网过于开放，叶片周围空气层流的中断将不会显著减少，从而使该网难以达到预期效果。此外，如果组成该网的编织线的直径范围介于1毫米到5毫米之间，则它是符合要求的，在实际使用中，一般取值为2毫米至3毫米。该网的编织线可采用更大的直径，但该网的重量需要进行仔细评估。

该网状套筒还可以抑制气流方向负空气动力学阻尼引起的振动，该振动导致升力与失速之间的转变。该网具有较差的升力性能，这降低了升力和失速状态之间的力的差异，从而降低了可用于振动的能量总量。

然而，不是必须采用网状材料作为抗振套筒10，并且从上文描述中可以看出，任何具有粗糙外表面的材料均可被采用，该粗糙外表面或因其材料的编织、或因其表面被特意设计有突出部或凹部。例如，该临时表面部件可以被设计为类似塑料或泡沫包装板或填充材料。例如，5至10毫米的高度对于任何表面形状的突出部或凹部的深度而言已被发现足以对层流造成严重扰乱。

将参照图7描述抗振装置的第二实例。在此实例中，代替套筒10，临时表面部件25通过粘接剂或机械紧固被附着于叶片表面上。与第一实例类似地，临时表面部件25的表面包括在其表面上的产生湍流的突出部或凹部。临时表面部件25可由与制造套筒10相似的材料制造，并可通过底衬及适合的粘接剂直接安装于叶片表面。当在施工现场欲将临时表面部件25贴附于风力涡轮机叶片时，图7中的第二实例与第一实例相比较难实现，但在叶片被安装到风力涡轮机上并且风力涡轮机开始运转以前，第二实例在工厂中被安装于叶片5上则相对容易。通过提供可被维护工程师抓紧的安装于部件上的合适线缆，临时表面部件可被从叶片上剥离。

正如上述实例中一样，优选地，临时表面部件25至少覆盖叶片的前缘，因为涡流分离现象通常会在前缘处出现。

将理解的是，由套筒10或表面部件25提供的临时抗振表面可仅仅覆盖从叶片尖端至叶片中部的叶片区域、或可覆盖叶片的整个长度、或可仅覆盖远离叶片5的尖端的中部区域。正如上文所提到的，通常优选地覆盖叶片5的尖端，因为此区域最易发生振动。将理解的是，风力涡轮机叶片长度一般可达40m长，叶片覆盖物或临时表面部件的长度可介于几米至几十米范围内。

Claims (16)

1.一种操作风力涡轮机的方法，用于抑制当所述风力涡轮机处于非运行模式时由所述风力涡轮机的叶片上的气流引起的振动，所述方法包括：

将风力涡轮机叶片可释放地锁定在位；

将可释放地安装的临时叶片覆盖物固定到所述风力涡轮机叶片上，使得所述叶片覆盖物覆盖叶片表面的区域并提供非空气动力学的外表面，以便在所述叶片上的气流中产生湍流。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶片覆盖物是套筒，且所述方法包括：

将第一导引绳索安装到位于所述套筒一端的安装点上；

将所述套筒拉至所述风力涡轮机叶片上；

将所述导引绳索系到所述风力涡轮机上，从而将所述套筒固定在位。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述叶片覆盖物是由网状材料形成的套筒。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述叶片覆盖物是在其表面具有突出部或凹部的套筒，从而形成所述非空气动力学的外表面。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

将所述第一导引绳索的一端从所述风力涡轮机的机舱或轮毂中下放至地面上的维护工程师。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，包括在地面上将第二导引绳索安装到所述套筒上，使得拉动所述第一和第二导引绳索的端部能够拉动所述套筒以收紧长度。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶片覆盖物包括用于与所述叶片的所述表面直接连接的粘合表面部分，并且所述方法包括将所述粘合表面部分连接到所述叶片表面。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述叶片覆盖物由网状材料形成。

9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述网是开口网格，具有在至少一个方向上介于25毫米至100毫米范围内的网格间隔。

10.如权利要求3所述的方法，其特征在于，塑造所述网的绳索具有介于1毫米至5毫米范围内的直径。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述叶片覆盖物在其表面具有突出部或凹部，从而形成所述非空气动力学的外表面。

12.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述突出部或凹部具有介于5毫米至10毫米之间的深度。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述网是开口网格，具有在至少一个方向上介于25毫米至100毫米范围内的网格间隔。

14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，塑造所述网的绳索具有介于1毫米至5毫米范围内的直径。

15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，塑造所述网的绳索具有介于1毫米至5毫米范围内的直径。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述突出部或凹部具有介于5毫米至10毫米之间的深度。