CN103032260B - 具有被动式改变的后缘的风力涡轮机转子叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及并公开一种风力涡轮机转子叶片，该风力涡轮机转子叶片包括根部和翼型部分，翼型部分从根部延伸并且由前缘和后缘限定。翼型部分进一步包括主翼型部段和后缘部段，后缘部段沿展向延伸的铰接线枢转连接至主翼型部段。被动扭转元件联接在主翼型部段与后缘部段之间。扭转元件向中间位置偏置，其中后缘部段相对于主翼型部段弦向枢转至低风速位置。根据扭转元件的偏置力和翼型部段上方的风速，后缘部段相对于主翼型部段从低风速位置自致动至风速增加位置。

Description

具有被动式改变的后缘的风力涡轮机转子叶片

技术领域

本发明总体涉及风力涡轮机，并且具体而言涉及风力涡轮机转子叶片，所述风力涡轮机转子叶片具有根据变化的风况作出反应并且改变位置的被动式后缘部件。

背景技术

风能被认为是目前可获得的最清洁、最具环境友善性的能源之一，并且风力涡轮机在这方面已不断获得关注。现代的风力涡轮机典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱、以及一个或多个转子叶片。转子叶片利用已知的翼型原理捕获来自风的动能并且通过旋转能量传递动能以使轴转动，该轴将转子叶片联接至齿轮箱，或者如果未使用齿轮箱，则将转子叶片直接联接至发电机。发电机接着将机械能转化为可以配置于公用电网的电能。

风力涡轮机叶片大体设计成用于最佳风速，并且因此在处于其它风速时效率较低。先前对增大用于涡轮机叶片的风速的有效范围的尝试涉及主动系统，所述主动系统能够通过移动或调整附属物、襟翼、或者在主动反馈控制回路中连接至叶片的其它控制表面来修改或改变叶片的空气动力学外形。机电系统典型地结合在叶片内以用于移动控制表面。例如参考美国专利No.7,922,450，该专利对这样的叶片进行描述：该叶片具有响应于叶片上的空气动力学负载通过内部压电致动器移动的后缘部段。

还为了负载控制目的引入了这些系统，其中高风况中的叶片上的负载通过由主动控制表面来改变叶片的空气动力学外形而减小。已经在通过增加转子叶片的长度和表面积来增加风力涡轮机的能量输出方面做出了努力。然而，偏转力的大小和转子叶片的负载大体取决于叶片长度、以及风速、涡轮机操作状态、叶片刚度、以及其它的变量。该增大的负载不仅在转子叶片和其它的风力涡轮机部件上产生疲劳，而且还增加了转子叶片突然的灾难性故障的风险，例如当过度负载造成叶片偏转从而导致塔架撞击时。

因此，负载控制是现代风力涡轮机的操作中的关键考虑因素。除了主动桨距控制系统，将改变单独的转子叶片的空气动力学特性作为负载控制的方法也是已知的，例如通过构造在叶片表面上的可控的涡元、襟翼、调整片(tab)等。例如，美国专利No.6,972,498描述了各种风力涡轮机叶片构造，其中可收缩的延伸部设置在叶片基段上以减小叶片在高负载状况下的有效长度。在特定实施例中，叶片延伸部通过折刀机构(jackknifes)铰接至叶片基段，使其处于完全延伸位置与完全收缩位置之间在完全收缩位置中，叶片延伸部折叠到叶片基段中。

因此，业界将通过这样的改进的风力涡轮机叶片设计而受益：该风力涡轮机叶片设计具有增大的有效风速范围，同时还避免了与主动增强系统相关的费用和相对较复杂的部件。

发明内容

本发明的各个方面以及优点将会在下文的描述中进行部分阐述，或者是通过描述可以显而易见的，或者是可以通过实施本发明而学到。

根据本发明的各个方面，一种风力涡轮机转子叶片包括根部和翼型部分，翼型部分从根部延伸并且由叶片的前缘和后缘限定。翼型部分进一步包括主翼型部段和后缘部段，后缘部段沿展向延伸的铰接线枢转连接至主翼型部段。被动扭转元件联接在主翼型部段与后缘部段之间。扭转元件向中间位置偏置，其中后缘部段相对于主翼型部段弦向枢转至低风速位置。在该低风速位置中，叶片具有的空气动力学外形在处于降低的风速时捕获能量方面更加有效。随着风速增加，后缘部段与根据翼型部段上方的风速的扭转元件的偏置力相反地相对于主翼型部段从低风速位置自致动至风速增加位置。随着风速增加，后缘部段进一步移离中间低风速位置，到达高风速位置。

在特定实施例中，叶片包括沿后缘展向对齐的多个枢转连接的后缘部段，这些后缘部段中的每一个都包括相应的被动扭转元件。在备选实施例中，单个的后缘部段可以沿叶片延伸并且包括扭转元件中的一个或多个扭转元件。

扭转元件可以构造成使得在叶片的设计最佳风速下，后缘部段相对于叶片的弦向轴线处于与主翼型部段成直线的位置。因此，后缘部段能够可变地定位在低风速位置与成直线的位置之间的任何位置处。在该实施例中，可以期望包括被限定在后缘部段与主翼型部段之间的止动件，该止动件防止后缘部段移动超过成直线的位置。

扭转元件可以通过各种方式构造。例如，在一个实施例中，扭转元件是扭转弹簧，该扭转弹簧具有连接至固定的主翼型部段的一个弹簧片和连接至枢转的后缘部段的另一个弹簧片。在备选实施例中，扭转元件可以是预形成为处于中间位置的弹性构件，例如均匀的弹性体材料。弹性构件可以呈在后缘部段或多个后缘部段与主翼型部段之间展向延伸的带构件的形式。带构件可以是连续的或间断的。

应当理解，本发明并不限于后缘部段的任何特定尺寸或翼弦大小，并且这种大小可以从叶片的根部至尖端发生变化，或者在不同的后缘部段之间发生变化。在某些实施例中，主翼型部段沿叶片的翼展延伸叶片翼弦的至少50％(朝向后缘从前缘截取)。因此，在该实施例中，叶片的后缘部段小于叶片翼弦的50％。

本发明还包括任何形式的具有一个或多个转子叶片的风力涡轮机构造，所述转子叶片构造成具有如本文所述的后缘延伸部。

参照下文的描述以及所附权利要求，本发明的这些和其它的特征、方面以及优点将变得更好理解。结合在本说明书中并且构成本说明书一部分的附图显示了本发明的实施例并且与描述一起用于对本发明的原理进行解释。

附图说明

参照附图，说明书中阐述了面向本领域普通技术人员的本发明的完整公开，这种公开使得本领域普通技术人员能够实现本发明，包括本发明的最佳模式，在附图中：

图1是传统的风力涡轮机的透视图；

图2是根据本发明的各个方面的风力涡轮机转子叶片的实施例的横截面图；

图3是根据本发明的各个方面的风力涡轮机转子叶片的实施例的透视图；

图4是结合了被动致动的后缘部段的风力涡轮机转子叶片的实施例的横截面图；

图5是结合了被动致动的后缘部段的风力涡轮机转子叶片的备选实施例的横截面图；以及

图6是结合了被动致动的后缘部段的风力涡轮机转子叶片的又一个实施例的横截面图。

附图标记列表：

10	风力涡轮机
		12	塔架
14	机舱
		16	转子叶片
18	转子毂
		20	上壳体构件
22	下壳体构件
		24	前缘
25	内部腔

26	后缘
		27	内部支承结构
28	根部
		30	尖端
32	翼型部分
		34	主翼型部分
36	后缘部段
		38	铰接线
40	座

42	面
		44	扭转元件
46	弦向轴线
		47	后缘轴线
48	展向方向

49	翼弦
		50	止动件
52	扭转弹簧
		58	弹性构件
60	带构件

具体实施方式

现在将详细地参照本发明的实施例，其中的一个或多个示例示于附图中。每个示例都以对发明进行解释的方式给出，并不对本发明构成限制。实际上，对于本领域技术人员而言显而易见的是，能够在不偏离本发明的范围或者精神的前提下对本发明进行多种改型和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或者进行描述的特征能够用于另一个实施例，从而产生又一个实施例。因此，期望的是，本发明覆盖落入所附权利要求及其等同形式的范围内的这些改型以及变型。

参照附图，图1示出了水平轴线风力涡轮机10的透视图。应当理解，风力涡轮机10可以是竖直轴线风力涡轮机。在所示实施例中，风力涡轮机10包括支承在基底上的塔架12、安装在塔架12上的机舱14、以及转子毂18，转子毂18联接至容纳在机舱14内的发电设备。转子18包括联接至毂20并且从毂20径向向外延伸的转子叶片16，例如附图中所示的三个转子叶片16。然而，在备选实施例中，转子18可以包括多于或少于三个的转子叶片16。

参照图2，风力涡轮机叶片16中的每一个都包括上壳体构件20和下壳体构件22，内部腔25被限定在壳体构件之间。上壳体构件20可以构造成叶片16的吸力侧表面，而下壳体构件20可以构造成叶片的压力侧表面。叶片16包括前缘24和后缘26，以及根部28、和尖端部30。如本领域内众所周知的，上壳体构件20、以及下壳体构件22沿前缘24和后缘26在的相应的粘结线处结合在一起。也可以提供任何形式的内部结构构件27，例如抗剪腹板、翼梁缘条等。

转子叶片16可以大体具有使得风力涡轮机10能够根据设计准则起作用的任何合适的长度。例如，转子叶片16可以具有处于从大约9米(m)至大约100m的范围内的长度。转子叶片16围绕毂18隔开，以便于将来自风的动能转化成可用的机械能，并且接着转化成电能。具体而言，毂18可以联接至布置在机舱14内的发电机(未示出)，以用于产生电能。此外，转子叶片16通过将叶片根部28在多个负载传递区域处联接至毂18而配合至毂18。因此，在转子叶片16上产生的任何负载都通过负载传递区域传递至毂18。

参照图2和图3，风力涡轮机转子叶片16的一个实施例包括翼型部分32，翼型部分32从根部28延伸至叶片尖端30。翼型部分32在前缘24与后缘26之间由上壳体构件20和下壳体构件22限定。翼型部段32分为主翼型部段34和后缘部段36。铰接线38划定主翼型部段34与后缘部段36的轮廓。因此，后缘部段36可以被限定为翼型32的从后缘26延伸至铰接线38的部分。后缘部段36沿展向延伸的铰接线38枢转连接至主翼型部段34(由图3中的箭头48表示展向方向)。

参照图4和图5，被动扭转元件44联接在主翼型部段34与后缘部段36之间。该扭转元件44向图4中所表示的中间位置偏置，其中后缘部段36相对于主翼型部段34弦向枢转至低风速位置(由图3中的箭头49表示弦向方向)。参照图4，叶片16具有翼弦轴线46。在后缘部段36的中间位置中，后缘部段36的轴线47朝向下壳体构件22(可以被看作是叶片16的压力侧)成角度或枢转。因此，后缘部段36相对于主翼型部段34沿弦向方向枢转。

图4中后缘部段36的中间位置对应于后缘部段36的低风速位置，其中叶片16的空气动力学外形相对于叶片设计成用于最佳风速(图2)的外形被修改，以便在处于较低风速时更好地捕获风能。从该中间低风速位置开始，后缘部段36与根据风速的扭转元件44的偏置力相反地相对于主翼型部段34自致动至风速增加位置。随着叶片16上的风速(和负载)增加，后缘部段36相对于主翼型部段34的枢转位置提高。

图5示出了风力涡轮机叶片16的一个实施例，其中后缘部段36相对于主翼型部段34枢转至风速增加位置(以实线示出)。在该位置中，后缘部段36的轴线47与主翼型部段34的轴线46对齐。后缘部段36的该位置可以对应于风力涡轮机叶片16的为最佳风速设计的总体空气动力学外形。应当理解，后缘部段36的风速增加位置能够根据风速对应于图4中所示的中间位置与图5中所示的最佳风速位置之间的部段36的任何位置。

参照图4，在某些实施例中可以期望在后缘部段36与主翼型部段34之间结合止动机构50，止动机构50防止后缘部段36枢转超过图5中所示的最佳风速位置。该止动件50可以是任何形式的肩部、障碍物、或者后缘部段36与主翼型部分34之间的任何其它的接合结构。例如，如图4中所示，止动件50可以仅仅被限定为主翼型部段34上的肩部50，肩部50防止后缘部段36枢转超过图5中所示的位置。

在备选实施例中，“止动”功能可以是被动扭转元件的固有特征。例如，扭转元件可以具有限定了止动位置的移动范围。例如，在扭转弹簧52(图4)的情况下，弹簧可以构造成以便在止动位置处具有最大转矩。

再次参照图4和图5，后缘部段36可以通过任何合适的铰链机构枢转连接至主翼型部段34。例如，铰链机构可以包括滑动摩擦构造，该滑动摩擦构造位于被限定在后缘部段36上的圆形面42与被限定在主翼型部段34中具有相应形状的凹部或座40之间。被动扭转元件44可以沿叶片16的展向长度沿座40和面44的界面将两个部件联接在一起(图3)。应当理解，在这方面，可以利用任何形式的合适的铰链机构，以使得能够实现如本文所述的后缘部段36与主翼型部段34之间的枢转移动。

参照图3，应当理解，本发明包括叶片16的各种构造，其中后缘部段36可以沿后缘26的展向长度构造成单个或多个部件。例如，在图3中，示出了多个单独的后缘部段36。这些部段36中的每一个都可以独立地联接和致动至单独的相应的被动扭转元件44。在备选实施例中，单个的后缘部段36可以跨越后缘26的长度并且联接至被动扭转元件44中的一个或多个被动扭转元件44。

扭转元件44可以在本发明的范围和精神内通过各种方式构造。例如，如图4和图5中所示，扭转元件44是扭转弹簧52，扭转弹簧52具有与主翼型部段34相接合的弹簧片以及与后缘部段36相接合的相对的弹簧片，以限定如图4中所示的边缘部段36的中间位置。后缘部段36与扭转弹簧52的偏置相反地枢转至图5中所示的位置。多个扭转弹簧52可以根据任何数量的因素沿后缘部段隔开，例如后缘部段的重量、后缘部段36上预期的负载、部段36的长度等。

图6的实施例示出了被动扭转元件44的备选实施例，其中被动扭转力由弹性构件58提供。该构件58例如可以是预形成为中性形状的弹性弹性体材料的带60(图3)(例如橡胶状材料)，以向由图6中的虚线所示的后缘部段36提供低风速位置。例如，弹性构件58可以是具有预形成的弓形或弯曲横截面外形的纵向延伸的带构件60，其中当后缘36朝向成直线的位置枢转时，该外形变成如图6中所示的相对平的形状。

应当易于理解，可以根据本发明的范围和精神利用任何数量或组合的被动扭转元件，以提供主翼型部段34与枢转后缘部段36之间的被动扭转力。

还应当理解，本发明包括任何方式或构造的结合了一个或多个转子叶片的风力涡轮机，所述转子叶片具有如上文所讨论的被动致动的后缘部段。

本书面描述使用示例对本发明进行了公开(其中包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实施本发明(其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法)。本发明的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的示例。如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这种其它的示例落入权利要求的范围中。

Claims (18)

1.一种风力涡轮机转子叶片，所述风力涡轮机转子叶片包括：

根部；

翼型部分，所述翼型部分从所述根部延伸并且由前缘和后缘限定；

所述翼型部分进一步包括主翼型部段和后缘部段，所述主翼型部段包括吸力侧表面和压力侧表面，所述后缘部段沿展向延伸的铰接线界面枢转连接至所述主翼型部段；

被动扭转元件，所述被动扭转元件联接在所述主翼型部段与所述后缘部段之间，所述扭转元件向中间位置偏置，其中所述后缘部段朝向所述主翼型部段的压力侧表面弦向枢转至低风速位置；并且

根据所述被动扭转元件的偏置力和所述翼型部段上方的风速，所述后缘部段相对于所述主翼型部段从所述低风速位置自致动至风速增加的空气动力学位置；并且

其中所述铰接线界面包括设在后缘部段上的圆形面，所述圆形面位于设在主翼型部段中的圆形凹部中。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述风力涡轮机转子叶片包括沿所述后缘展向对齐的多个所述枢转连接的后缘部段，所述后缘部段中的每一个都包括相应的所述被动扭转元件。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述扭转元件构造成使得在所述叶片的设计最佳风速下，所述后缘部段相对于所述叶片的弦向轴线处于与所述主翼型部段成直线的位置。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述风速增加位置被限定在所述低风速位置与所述成直线的位置之间。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述风力涡轮机转子叶片进一步包括被限定在所述后缘部段与所述主翼型部段之间的止动件，所述止动件防止所述后缘部段移动超过所述成直线的位置。

6.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述扭转元件包括扭转弹簧。

7.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述扭转元件包括弹性构件，所述弹性构件预形成为处于所述中间位置。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述主翼型部段沿所述叶片的翼展延伸从所述前缘截取的叶片翼弦的至少50％。

9.一种风力涡轮机的转子叶片，所述转子叶片包括：

根部；

翼型部分，所述翼型部分从所述根部延伸并且由前缘和后缘限定；

所述翼型部分进一步包括主翼型部段和后缘部段，所述后缘部段沿展向延伸的铰接线枢转连接至所述主翼型部段，所述铰接线划定主翼型部段与后缘部段的轮廓；

被动扭转元件，所述被动扭转元件联接在所述主翼型部段与所述后缘部段之间，所述扭转元件向中间位置偏置，其中所述后缘部段相对于所述主翼型部段弦向枢转至低风速位置；根据所述被动扭转元件的偏置力和所述翼型部段上的风速，所述后缘部段相对于所述主翼型部段从所述低风速位置自致动至风速增加位置；并且

其中所述被动扭转元件包括弹性构件，所述弹性构件是带构件，所述带构件在所述后缘部段与所述主翼型部段之间展向延伸。

10.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括：

多个转子叶片，每个所述转子叶片都具有连接至转子毂的根部和翼型部分，所述翼型部分从所述根部径向向外延伸并且由前缘和后缘限定；

所述翼型部分进一步包括主翼型部段和后缘部段，所述主翼型部段包括吸力侧表面和压力侧表面，所述后缘部段沿展向延伸的铰接线界面枢转连接至所述主翼型部段；

被动扭转元件，所述被动扭转元件联接在所述主翼型部段与所述后缘部段之间，所述扭转元件向中间位置偏置，其中所述后缘部段朝向所述主翼型部段的压力侧表面弦向枢转至低风速位置；并且

根据所述被动扭转元件的偏置力和所述翼型部段上的风速，所述后缘部段相对于所述主翼型从所述低风速位置自致动至风速增加的空气动力学位置；并且

其中所述铰接线界面包括设在后缘部段上的圆形面，所述圆形面位于设在主翼型部段中的圆形凹部中。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其特征在于，所述转子叶片包括沿所述后缘展向对齐的多个所述枢转连接的后缘部段，所述后缘部段中的每一个都包括相应的所述被动扭转元件。

12.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其特征在于，所述扭转元件构造成使得在所述叶片的设计最佳风速下，所述后缘部段相对于所述叶片的弦向轴线处于与所述主翼型部段成直线的位置。

13.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风速增加位置被限定在所述低风速位置与所述成直线的位置之间。

14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机进一步包括被限定在所述后缘部段与所述主翼型部段之间的止动件，所述止动件防止所述后缘部段移动超过所述成直线的位置。

15.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其特征在于，所述扭转元件包括扭转弹簧。

16.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其特征在于，所述扭转元件包括弹性构件，所述弹性构件预形成为处于所述中间位置。

17.根据权利要求16所述的风力涡轮机，其特征在于，所述弹性构件是带构件，所述带构件在所述后缘部段与所述主翼型部段之间展向延伸。

18.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其特征在于，所述主翼型部段沿所述叶片的翼展延伸从所述前缘截取的叶片翼弦的至少50％。