风力涡轮机叶片的便利操纵

摘要

本发明涉及风力涡轮机叶片的便利操纵。本文描述了有助于风力涡轮机叶片的操纵的装置，该装置包括充气构件（110、220a、220b、310、410、510、610a、610b、610c、710a、710b1、710b2、710c、820a、820b、910），其适于设置在风力涡轮机叶片（101、201、301、401、701、801、901）处以便充气构件覆盖风力涡轮机叶片的至少一部分，其中当充气构件设置在风力涡轮机叶片处并且充气时，带有所设置的充气构件的风力涡轮机叶片的气动阻力系数小于该风力涡轮机叶片的气动阻力系数。此外，本文描述了用于操纵风力涡轮机叶片的系统和有助于操纵风力涡轮机叶片的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及操纵风力涡轮机的叶片的领域，具体地在这样的叶片的安装期间的操纵的领域。

背景技术

在风力涡轮机上安装叶片期间，叶片的特征性形状会经历由于经过的风所导致的不可预料的阻力效应。这样的阻力效应会在叶片悬挂于提升器械（例如吊车）时导致叶片以不可控方式偏航或摇摆。

为了补偿水平运动，提升器械可以装备有钉线（tack-wire）。不过这样的钉线对吊车施加了较大的力。

US 7 374 405 B2涉及用于操纵转子叶片的设备。该设备包括与转子叶片接收器件连接的承载元件。该接收器件包括被构造成在操纵时封罩转子叶片的至少三个侧面的承载框架。遍布转子叶片接收器件可以提供多个充气垫。不过，这种方案的一个缺点在于，需要大型且昂贵的承载框架来承载叶片。

需要一种操纵风力涡轮机叶片的改进且简化的方式。

发明内容

这种需求可以通过根据独立权利要求所述的主题来满足。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，提供了有助于风力涡轮机叶片的操纵的装置。所述装置包括充气构件，其适于被设置在风力涡轮机叶片处以便所述充气构件覆盖所述风力涡轮机叶片的至少一部分。当充气构件被设置在风力涡轮机叶片处并且充气时，带有所设置的充气构件的风力涡轮机叶片的气动阻力系数小于该风力涡轮机叶片的气动阻力系数。

本发明的这一方面是基于如下构思，即：通过使用充气构件覆盖风力涡轮机叶片的至少一部分，相比于叶片本身的气动阻力系数，能够减小气动阻力系数。因此，带有已充气的充气构件的叶片比单独叶片要更不易受风和湍流影响。因此，能够有助于操纵叶片，例如在风力涡轮机的机舱或转子处安装叶片期间，这是因为更小的力将由于风和/或湍流的影响而被施加于提升器械。

气动阻力系数（通常被称为c_d、c_x或c_w）是用于衡量物体在流体环境（例如空气）中的阻力或抵抗力的无量纲量。较小的阻力系数表明物体将具有较小的气动阻力。阻力系数与物体的具体表面面积相关联。

充气构件可以优选地是由适当回弹、非回弹或弹性材料（例如塑料）制成的任意可充气结构，例如袋状或气囊状结构。当充气构件被充气（例如通过向充气构件的入口供给加压空气）时，其外表面成为圆形形状。因此，当风力涡轮机叶片的至少一部分被已充气结构覆盖时，相比于没有充气构件的叶片的相对平坦表面的对应气动阻力系数，圆形形状将减小气动阻力系数。

在本文中，除非另有说明，否则带有和不带有充气构件的气动阻力系数的比较将被理解为涉及相对于风力涡轮机叶片的相同方向。换言之，当提到带有所设置的充气构件的（即与其一起的）风力涡轮机叶片的气动阻力系数小于（即不带有充气构件的）风力涡轮机叶片的气动阻力系数时，应该理解成涉及的是相对于风力涡轮机叶片的相同流动方向。因此，该比较涉及相对于叶片的给定流动方向，具体地在与风力涡轮机叶片的相对平坦侧面垂直的方向上具有显著分量的流动方向。

根据本发明进一步的实施例，充气构件适于被设置在风力涡轮机叶片的一侧或者周向地围绕风力涡轮机叶片。

通过将充气构件设置在风力涡轮机叶片的一侧，充气构件可以覆盖叶片的该侧的至少一部分。

通过将充气构件设置成周向围绕风力涡轮机叶片，通过充气构件完全覆盖了风力涡轮机叶片的至少一个区段，即沿该区段的整个周边覆盖。

在许多情况下，具体地当充气构件被设计成覆盖风力涡轮机叶片的一长段时，与将充气构件设置成周向围绕叶片相比，更易于将该充气构件设置在叶片的侧面。这是因为，将充气构件设置成周向围绕叶片需要将充气构件拉动到叶片上（类似于将袜子穿到腿上），由于叶片具有显著的长度和尺寸，所以这会是费力的工作。

另一方面，通常可以通过使用充气构件周向围绕风力涡轮机叶片来实现最佳效果（即最小的最终气动阻力系数）。首先，相对于流动方向的“后侧”形状对于最终气动阻力系数也是重要的。此外，通过沿叶片的整个周边提供气动特性，风向相对于叶片方向的变化将具有更小的影响。

应该注意到的是，通过设置两个充气构件，其中在风力涡轮机叶片的相对侧各有一个，可以获得周向环绕设置一个充气构件的优点。

根据本发明进一步的实施例，充气构件适于覆盖风力涡轮机叶片的纵向区段。

如上所述，可以通过在风力涡轮机叶片的一侧或两侧的充气构件来覆盖该纵向区段，或者可以通过充气构件周向围绕该纵向区段。

在本文中，术语“风力涡轮机叶片的纵向区段”指的是叶片的一部分（沿其纵向方向）以及整个叶片二者。换言之，充气构件可以覆盖完整叶片或者仅沿叶片的纵向方向覆盖叶片的一个（合理）区段。在充气构件被设计成仅覆盖叶片的一部分的实施例中，可以通过彼此相邻地设置更多的充气构件来覆盖完整叶片。因为现代风力涡轮机叶片可高达75m长或甚至更长，所以与被设计成覆盖整个叶片的充气构件相比，被设计成仅覆盖叶片长度的一部分（例如一半、三分之一或四分之一等）的充气构件可以更易于运输和操纵。

根据本发明进一步的实施例，充气构件适于在充气构件的可充气容积内包含风力涡轮机叶片。

这可以通过使得充气构件足够大以便完整封罩或围绕整个风力涡轮机叶片来实现。替代性地，充气构件可以仅围绕涡轮机叶片的一个纵向区段并且（例如借助于紧密捆绑）被适当地密封于叶片表面以便形成可充气容积。在两种情况下，当充气构件被充气时，风力涡轮机叶片将被用于给充气构件充气的空气（或其他适当气体）围绕并且与其直接接触。

根据本发明进一步的实施例，充气构件包括内壁和外壁，其一同形成充气构件的可充气容积。

在本文中，内壁可以指代充气构件计划与风力涡轮机叶片的表面的至少一部分直接接触的部分，而外壁可以指代当充气构件被设置在风力涡轮机叶片处并被充气时充气构件计划构成充气构件的气动表面的部分。

在一些实施例中，内壁被专门设计成匹配风力涡轮机叶片的表面的形状和/或具有有助于将其设置或将其紧固到风力涡轮机叶片的特定特性（例如表面摩擦）。在另一些实施例中，充气构件可以在使得内壁和外壁的设计和特性基本相同的意义上是对称的。

根据本发明进一步的实施例，内壁包括适于将充气容积分离于风力涡轮机叶片的膜。

该膜可以具有有助于将充气构件保持在风力涡轮机叶片处的预期位置的摩擦特性。此外，该膜可以被成形为匹配将被覆盖的风力涡轮机叶片（的一部分）的形状。此外，与外壁相比，膜可以呈现更小的回弹性或弹性，以便在充气构件充气期间其比外壁拉伸得更少。

根据本发明进一步的实施例，充气构件包括适于允许提升器械接合风力涡轮机叶片的通路。

该通路可以延伸通过充气构件以便绳或带能够延伸通过该通路并且接合于风力涡轮机叶片，例如通过缠绕涡轮机叶片而接合。

根据本发明进一步的实施例，该装置进一步包括适于接合于提升器械的提升构件。

该提升构件可以由一个或更多个绳或带状构件构成，其被构造到充气构件中或形成其一部分并且适于例如通过钩或类似物来接合于提升器件。绳或带状构件优选地沿充气构件的周边的至少一部分延伸以便提升力能够被施加到充气构件。

根据本发明进一步的实施例，该装置进一步包括用于给充气构件充气和/或放气的阀构件。

该阀构件可以被形成为可以通过直接操作螺钉或借助于远程控制而可控（即打开和关闭）的单个阀门。替代性地，一种阀门类型可以被提供用于向充气构件内供给气体以便给其充气（例如通过供给加压空气），并且诸如可移除塞的单独阀门可以被提供用于给充气构件放气。在后一情况下，塞可以具有丝线或线缆，以便能通过拉动丝线或线缆来移除塞。

根据本发明的第二方面，提供用于操纵风力涡轮机叶片的系统。所述系统包括（a）根据第一方面或上述任意实施例所述的装置，以及（b）用于将风力涡轮机叶片提升到预定位置的提升器械。提升器械适于接合于风力涡轮机叶片和/或所述装置。

本发明的该方面是基于如下构思，即：通过结合根据第一方面或上述任意实施例所述的装置和用于风力涡轮机叶片的提升器械，能够有助于例如在风力涡轮机的机舱或转子处安装叶片期间操纵这样的叶片，这是因为所述装置的充气构件能够确保更小的力将由于风和/或湍流的影响被施加到提升器械。

提升器械可以是装备有线缆、连接器等的吊车，以用于提升风力涡轮机叶片，以便例如在风力涡轮机转子处安装该叶片。预定位置可以例如是风力涡轮机的转子或机舱附近或者其可以是卡车或用于运输风力涡轮机叶片的其他运输单元上方的位置。提升器械适于接合风力涡轮机叶片，例如通过绕叶片缠绕一个或更多个绳或带状构件，或者适于接合充气装置，例如通过绕装置的充气构件缠绕一个或更多个绳或带状构件或通过将钩连接到装置的对应接合构件。提升器械还可以适于以任意前述方式接合所述叶片和所述装置二者。

根据本发明的第三方面，提供有助于操纵风力涡轮机叶片的方法。所述方法包括（a）在风力涡轮机叶片处设置充气构件以便充气构件覆盖风力涡轮机叶片的至少一部分，以及（b）给充气构件充气以便带有所设置的充气构件的风力涡轮机叶片的气动阻力系数变得小于该风力涡轮机叶片的气动阻力系数。

本发明的这一方面是基于如下构思，即：通过将充气构件设置成使其覆盖风力涡轮机的叶片的至少一部分并且给充气构件充气，相比于叶片本身（即不带充气构件）的气动阻力系数，能够减小气动阻力系数。因此，与单独叶片相比，与已充气的充气构件一起的叶片更不易受风和湍流的影响。因而，能够有助于例如在风力涡轮机的机舱或转子处安装叶片期间操纵该叶片，这是因为更小的力将由于风和/或湍流的影响而被施加于提升器械。

可以通过向充气构件供给气体，例如加压空气，来实现充气。因此，充气构件的表面的至少一部分形成圆形形状，其与叶片表面的对应部分（即叶片表面被充气构件覆盖的部分）相比具有更小的气动阻力系数。

根据本发明进一步的实施例，该方法还包括（a）将风力涡轮机叶片和已充气的充气构件提升到预定位置，以及（b）给充气构件放气。

可以通过利用吊车或类似提升器械来执行该提升。

可以通过打开远程可控阀门或通过从充气构件拉动塞（例如通过拉动与塞连接的线缆）来实现所述放气。

根据本发明进一步的实施例，该方法还包括移除充气构件。

一旦涡轮机叶片已经根据计划被操纵，例如安装在风力涡轮机的转子处，则可以移除充气构件。可以通过预先给充气构件放气和/或通过将风力涡轮机叶片设置成使其指向下来有助于移除。后者可以通过旋转已经安装了叶片的风力涡轮机的转子来实现。

应该注意到，已经参考不同主题描述了本发明的实施例。具体而言，已经参考方法型权利要求描述了一些实施例，而参考设备型权利要求描述了另一些实施例。不过，除非另有提示，本领域的技术人员将从上文和下文描述中得出，除了属于一种主题类型的特征的任意组合之外，涉及不同主题的特征的任意组合，具体是方法型权利要求的特征和设备型权利要求的特征的组合，也被认为被本申请所公开。

从之后描述的实施例示例可以显而易见到本发明的上述方面和其他方面，并且参考实施例示例解释了各方面。此后，将参考实施例的示例更加具体地描述本发明，不过本发明不限于这些示例。

附图说明

图1示出了用于操纵风力涡轮机的叶片的系统的实施例。

图2示出了用于操纵风力涡轮机的叶片的系统的实施例。

图3示出了用于操纵风力涡轮机的叶片的系统的实施例。

图4A示出了风力涡轮机叶片的气动特性的图释。

图4B示出了带有根据实施例的装置的风力涡轮机叶片的气动特性的图释。

图4C示出了带有根据实施例的装置的风力涡轮机叶片的气动特性的图释。

图4D示出了带有根据实施例的装置的风力涡轮机叶片的气动特性的图释。

图5示出了根据实施例的充气构件。

图6示出了根据实施例的充气构件。

图7A示出了根据实施例的设置在风力涡轮机叶片处的充气构件的横截面图。

图7B示出了根据实施例的设置在风力涡轮机叶片处的充气构件的横截面图。

图7C示出了根据实施例的设置在风力涡轮机叶片处的充气构件的横截面图。

图8A至图8F示出了根据实施例安装风力涡轮机叶片的过程的概略图。

图9A至图9F示出了根据实施例安装风力涡轮机叶片的另一过程的概略图。

具体实施方式

附图中的图释是示意性的。应该注意到，在不同附图中，类似或相同元件具有相同附图标记或具有仅首位不同于对应附图标记的附图标记。

图1示出了用于操纵风力涡轮机的叶片101的系统的实施例，例如在安装叶片101期间。叶片101被绳带103支撑，该绳带103绕叶片101的周边的一部分延伸。绳带103围绕叶片101的部分彼此被梁105分开给定距离。绳带103的端部被钩107保持，该钩107从吊车或类似物（未示出）延伸。叶片101被充气袋110围绕并覆盖。充气袋110优选地由塑性材料制成并且包含环状或椭圆形的加强元件112（例如圆形线缆）以便使得充气袋110成形为当使用气体（例如空气）给其充气时其呈现圆形外表面形状。充气袋110包括允许绳带103延伸通过充气袋110的开口114。开口114优选地被密封成当充气袋110被充气并通过借助于吊车（未示出）抬升或降低钩107来操纵（例如提升）时防止气体泄漏到外部。因此，当（例如在风力涡轮机转子处安装叶片期间）提升由已充气的充气袋110覆盖的叶片101时，由于充气袋110的圆形外表面形状，与在没有已充气的袋110的情况下操纵叶片101的情形相比，显著减小了气动阻力系数。

图2示出了例如在安装叶片201期间用于操纵风力涡轮机的叶片201的系统的另一实施例。叶片201被绳带203支撑，该绳带203绕叶片201的周边的一部分延伸。绳带203围绕叶片201的部分彼此被梁205分开给定距离。绳带203的端部被钩（未示出）保持，该钩从吊车或类似物（未示出）延伸。叶片201被两个充气袋211a、211b围绕并至少部分覆盖。充气袋211a、211b优选地由塑性材料制成并且可以包含环状或椭圆形的加强元件（未示出）以便使得充气袋211a、211b成形为当使用气体（例如空气）给它们充气时它们呈现圆形外表面形状。充气袋211a、211b可包括允许绳带203延伸通过充气袋211a、211b的开口（例如切缝）。这样的开口被密封或能够优选地被密封成当充气袋211a、211b被充气并被操纵（例如提升）时防止气体泄漏到外部。因此，当（例如在风力涡轮机转子处安装叶片期间）叶片201被已充气的充气袋211a、211b至少部分覆盖且被提升时，由于充气袋211a、211b的圆形外表面形状，与在没有已充气袋211a、211b的情况下操纵叶片201的情形相比，显著减小了气动阻力系数。

图3示出了图1所示实施例的变型。在图3所示的实施例中，叶片301被已充气的袋310围绕，该已充气的袋310被两个绳带束330至少部分围绕。绳带束330借助于中间绳带332被连接到钩307。在这种实施例中，绳带束330支撑围绕叶片301的已充气的袋310。绳带束330中的绳带彼此分开特定距离并且足够宽以便不勒入已充气的袋310的表面。

图4A示出了经过“裸露的”风力涡轮机叶片401的风440的横截面图。由于叶片401的表面具有固有的高气动阻力系数，所以风440导致气动升力和阻力效果，这向叶片401施加了显著的力。这些力会沿叶片401的长度（垂直于附图平面）显著变化并且因而沿叶片401的长度（即沿与附图平面垂直的方向）向叶片401施加高度变化的局部力。以箭头441和虚线442示出了叶片截面的最终局部运动。

图4B至图4D示出了本发明的三个实施例，其中叶片401被已充气的袋410围绕，已充气的袋410由于其大体圆形表面形状，所以相比于风力涡轮机叶片401的原始表面具有较小的气动阻力系数。因此，风445与图4A所示的“裸露的”叶片401的情况相比对叶片401具有显著更小的影响。图4B至图4D中的图释仅在已充气的袋410的横截面形状上不同，在图4B中被示为基本圆形，并且在图4C和图4D中是基本椭圆的。在图4C中，椭圆的较长主轴基本与叶片401的宽度维度平行地延伸，而在图4D中，椭圆的较长主轴基本与叶片401的宽度维度垂直地延伸。

图5示出了被设计成以与图1和图3所示类似的方式覆盖整个风力涡轮机叶片（未示出）的充气袋510。

图6示出了包括三个区段的充气袋，所述三个区段即：被设计成近似覆盖最接近转子的三分之一叶片的根部区段610a、被设计成近似覆盖最接近叶片尖端的三分之一叶片的尖端区段610c以及被设计成在根部区段610a和尖端区段610c之间覆盖叶片的剩余部分的中间区段610b。每个区段610a、610b和610c可以具有双壁，即内壁和外壁（未示出），以便当通过例如在内壁和外壁之间提供加压空气来给区段充气时，内壁被压抵于叶片的表面（未示出）并且外壁形成充气袋区段610a、610b、610c的外表面。

图7A示出了围绕叶片701的周边的充气袋710a的横截面图。充气袋710a对应于在图1-6中分别示出的充气袋110、220a、220b、310、410、510、610a、610b和610c中的任意充气袋。

图7B示出了充气袋710b1、710b2的横截面图，所述充气袋710b1、710b2通过内膜771、772分离于叶片701，所述内膜771、772沿叶片701的表面紧密配合。充气袋710b1、710b2可以被成形为单个单元或被成形为两个单独的充气单元。

图7C示出了充气袋710c被设计成仅在叶片701的一侧延伸的实施例。充气袋710c包括内膜771，当充气袋710c被充气时该内膜771沿风力涡轮机叶片701的左手表面紧密配合。充气袋710c可以被绳带（如例如图1和图2所示）或通过其他适当手段相对于叶片701保持就位。

图8A-8F示出了根据实施例的安装风力涡轮机叶片的过程的概略图。在如图8A所示的过程的第一步骤中，叶片801被定位在地面上并且从吊车（未示出）延伸的提升器械（绳带803、梁805和钩807）沿箭头880的方向向下运动并且装配到叶片801。在第二步骤中，如图8B所示，充气袋820a和820b从叶片801的相对端部如箭头881所示被拉上叶片801。一旦充气袋820a、820b已经相对于叶片801和绳带803被适当地设置且密封，则充气袋820a、820b借助于空气泵882被充气。在本实施例中，充气袋820a、820b是双层结构，其包括内膜或壁，当空气泵882供给空气时该内膜或壁紧密配合于叶片801的表面。在断开空气泵882之后，已充气的袋820a和820b所围绕的叶片801被吊车（未示出）提升并且在风力涡轮机塔883的顶部处被定位且安装在转子884处，如图8D所示。在安装转子叶片801之后，例如通过拉动对应的塞或通过远程控制，通过阀门或出口885从已充气的袋820a和820b释放空气。最终，如图8F所示，在从已充气的袋820a和820b释放空气之后，转子884被旋转到指向下以例如通过向下拉动已放气的袋820a、820b而能够容易地将其移除。

图9A-9F示出了根据另一实施例的安装风力涡轮机叶片的过程的概略图。在这种实施例中，如图9A所示，叶片901最初被安装到地面上的转子984。之后，如图8B所示，充气袋910被拉上叶片901。一旦充气袋910已经被适当地安设在叶片901处，则充气袋被充气，如图9C所示。之后，如图9D所示，具有被已充气的袋910覆盖的叶片901的转子984借助于吊车990被设置且安装在塔983的顶部。在安装了具有被已充气的袋910覆盖的叶片901的转子984之后，袋910被放气，如图9E所示，且如果必要的话，转子被旋转直到叶片中的一个基本竖直指向下。下部叶片901（即基本竖直指向下的叶片901）上的袋910被拉离叶片901并被降低到地面。之后，如图9F所示，转子被转动120°，已放气的袋910被拉离叶片901并且针对下一叶片901重复该过程。

应该注意术语“包括”不排除其他要素或步骤，并且冠词“一”或“一种”的使用不排除多个。而且，与不同实施例有关的要素可以相结合。还应该注意到权利要求中的附图标记不被看作限制权利要求的范围。