[发明专利]具有阻尼元件的风轮机叶片

说明书

技术领域

本发明涉及抑制风轮机叶片的振动。更具体地，本发明涉及用于抑制风轮机叶片翼展振动(edgewise vibration)的元件、包括所述元件的风轮机叶片以及用于通过所述元件抑制翼展振动的方法。

背景技术

存在与风轮机的叶片相关联的两种主要类型的固有振动(即，共振振荡)。拍打振动(flapwise vibration)发生在与叶片的前缘和后缘垂直的平面内。翼展振动发生在经过前缘和后缘的平面内。这两类振动都在叶片上施加相当大的负载，这些负载会加剧疲劳损坏并导致失效。因此，避免引发这种振动是重要的。

在叶片进入被称作失速的操作条件下时尤其如此。在失速期间，叶片的上表面上方的空气流变得愈加紊乱。如果紊流或者其它因素引起叶片的固有振动，则气动力趋于增强这些运动。这是因为被称作负气动阻尼的原理而发生的。

在上述情况下存在高损坏风险，在企图利用失速来控制功率输出的失速控制涡轮机中尤为如此。具体地，在操作期间引发固有振动的气动力是叶稍速度的平方的函数。这些力在失速期间相当大，因为该失速条件发生在较高的风速下。

桨距控制涡轮机发生上述情况不像失速控制涡轮机那样多。这是因为当检测到负气动阻尼时桨距控制涡轮机的叶片能够改变桨距以改变空气动力。然而，上述情况仍有可能短时期发生。桨距控制涡轮机的叶片当在伴随极大风的暴风期间“驻车”时也可经受固有振动的增强。然而，在这种情况下，引发叶片固有振动的气动力是风速的平方的函数。

存在两个抵消负气动阻尼的主要原理：1)被称作动态失速的另一个空气动力学原理；以及2)结构阻尼。尽管动态失速在降低翼展振动方面起着重要作用，但在降低拍打振动方面仅具有微小作用。因此，防止翼展振动的主要因素是叶片的结构阻尼。

已提出几种方式来提高结构叶片的阻尼。例如，WO 95/21327公开了一种叶片，该叶片具有沿不期望振荡方向取向的振荡降低元件。尽管该专利申请首先利用通用术语描述了振荡降低元件，并且利用常用符号对其进行了图示，但所公开的大多数实施方式是调频液体阻尼器。这些阻尼器被具体地设计成(即被调整成)具有与叶片的主要固有频率基本对应的固有频率。这样，它们抑制振动的效率取决于频率。它们通常还需要维护并且可能难以接近和安装。

还已知无源阻尼器。WO 99/43955中公开了无源阻尼器的一个示例。然而，由于无源阻尼器通常难以设计并实施，因此，所提出的充分解决方案数量有限。在该方面具有很大的改进余地。

发明内容

通过以下公开内容提供一种用于风轮机的叶片。所述叶片大体上包括：外壳主体；内梁，该内梁支撑所述外壳主体的至少一部分；以及阻尼元件，该阻尼元件联接到所述外壳主体或所述内梁至少其中之一(所述阻尼元件可被联接到所外壳主体和/或所述内梁)。所述外壳主体由在前缘和后缘之间延伸的第一外壳和第二外壳限定。所述阻尼元件被构造成相对于所述外壳主体运动以消除所述叶片的振动。另选地，所述阻尼元件在所述第一外壳和所述第二外壳之间的拍打方向上比在所述前缘和所述后缘之间的翼展方向上具有更大的自由度。

所述阻尼元件的不同实施方式作为实施例被公开。术语“阻尼装置”是指这些实施方式中的一些或全部，以及这些实施方式的等同例。所述阻尼元件例如可包括：第一部分，该第一部分联接到所述外壳主体和/或所述内梁；第二部分，该第二部分联接到所述外壳主体和/或所述内梁；以及接合材料，所述接合材料联接所述第一部分和所述第二部分。所述接合材料的刚度小于所述第一部分和所述第二部分的刚度，但是阻尼性能大于所述第一部分和所述第二部分的阻尼性能。

可以存在位于叶片中的单个阻尼元件或者联接到叶片的多个阻尼元件。另外，所述阻尼元件可以至少部分地与所述叶片一起形成，或者单独地附接到所述叶片。这样，以下公开内容提供一种独立的阻尼元件以及结合该元件的风轮机叶片。所述独立的阻尼元件可包括盒，该盒被构造成联接至所述内梁并且相对于所述外壳主体运动以消除所述叶片的振动。与下述的所有阻尼元件一样，所述盒在所述第一外壳和所述第二外壳之间的拍打方向上比在所述前缘和所述后缘之间的翼展方向上具有更大的自由度。

最后，还提供一种结合有所述叶片和所述阻尼元件的风轮机，以及消除这样的风轮机叶片中的翼展振动的方法。因此，所述方法包括操作所述风轮机，使得所述叶片经受翼展振动。作为响应，所述阻尼元件主要在所述拍打方向上相对于所述外壳主体运动，以抑制所述翼展振动。术语“主要”在本文中涉及所述阻尼元件的自由度；在所述拍打方向上的相对运动比在所述翼展方向上的相对运动大。