具有空气动力学小翼的风力涡轮机转子叶片

摘要

本发明涉及具有空气动力学小翼的风力涡轮机转子叶片，具体而言，涉及一种风力涡轮机，包括多个转子叶片，且各叶片均具有连接到转子轮毂上的根部和从该根部径向向外延伸的翼型件部。该翼型件部还包括主翼面区段和小翼，小翼可枢转地连接到所述主翼面区段上，以便从直线位置枢转至关节位置，在直线位置上该转子叶片具有第一扫掠长度，在关节位置上该转子叶片具有第二扫掠长度。在关节位置上，小翼可相对于主翼面区段的纵向轴线枢转不超过90度。可展开的套筒连接到小翼上，以便在小翼的关节位置上在小翼与主翼面区段之间延伸。在小翼的直线位置上该套筒可收起在主翼面区段或小翼中的任一者或两者内。

说明书

技术领域

本发明主题总体涉及风力涡轮机，且具体地涉及具有空气动力学 小翼构造的风力涡轮机转子叶片。

背景技术

风力被认为是当前可获得的最清洁、最环境友好的能源之一，并 且风力涡轮机在这方面已经获得了增加的关注。现代风力涡轮机典型 地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或更多转子叶片。转子 叶片使用已知的翼面原理从风捕获动能并通过旋转能传递此动能以 使得将转子叶片联接到齿轮箱上或者如果未使用齿轮箱则直接联接 到发电机上的轴旋转。发电机然后将机械能转换成可运用于公用电网 的电能。

为了确保风力保持为可用的能源，已经做出了努力来通过改变风 力涡轮机的尺寸以及容量来增加能量输出。一种此类改变为增加转子 叶片的长度和表面积。然而，转子叶片的偏转力以及负载的大小通常 是叶片长度以及风速、涡轮机操作状态、叶片硬度以及其它变量的函 数。此增加的负载不仅在转子叶片和其它风力涡轮机部件上产生疲 劳，并且还可能增加转子叶片的突然灾难性失效的风险，例如当过度 负载导致叶片的偏转从而导致塔架撞击时。

局部控制因而是现代风力涡轮机的操作中的关键性考虑。例如， 主动变桨控制系统被广泛用于在高负载条件下通过改变叶片的桨距 而减小转子叶片上的负载。美国专利申请出版物No.2010/0092288描 述了带有根端轴承的桨距可调节叶片，其具有相对于叶片的纵向轴线 成角度的变桨轴线。通过此构造，叶片在变桨时移入及移出转子平面， 这实质上改变了叶片的有效长度。还已知改变单个转子叶片的空气动 力学特性作为负载控制的手段，例如利用构造在叶片表面上的可控涡 流元件、襟翼、突片等。

美国专利No.6,972,498描述了各种风力涡轮机叶片构造，其中在 基部叶片节段上设置了可收回延伸部，以减小高负载条件下叶片的有 效长度。在一个特定实施例中，叶片延伸部铰接到基部叶片节段上并 在完全延伸位置和完全收回位置之间对折，其中该叶片延伸部折叠到 基部叶片节段中。用于此类装置的铰接接头导致沿叶片边缘的开口区 段，这会产生噪音并且负面地影响处于叶片延伸部的收回(部分或完全) 位置上的叶片的空气动力学性能。

因此，行业将从用于减小高负载条件下风力涡轮机转子叶片的有 效长度的改善的系统受益。

发明内容

在以下描述中将部分地陈述本发明的多个方面和优点，或者可从 该描述变得明显，或者可通过本发明的实践而获悉。

根据本发明的多个方面，提供了具有多个转子叶片的风力涡轮 机。各转子叶片均具有联接到转子轮毂的根部，以及从转子轮毂径向 向外延伸的翼型件部。翼型件部还包括主翼面区段和小翼。小翼可枢 转地联接到主翼面区段上并从直线位置向关节位置(articulated  position)枢转，在直线位上转子叶片具有第一扫掠长度，在关节位置 上转子叶片具有小于该第一扫掠长度的第二扫掠长度。可展开的套筒 连接到小翼上，以便在小翼的关节位置上在小翼与主翼面区段之间延 伸。套筒在小翼的关节位置上提供桥接小翼和主翼面区段之间的间隙 的空气动力学表面，并且在小翼的直线位置上可收起在主翼面区段或 小翼内。

在各种实施例中，套筒可为预制构件，诸如弓形壳体，其在小翼 的直线位置上摆动进入主翼面区段，并且在小翼移向关节位置时摆出 主翼面区段。在一个备选实施例中，套筒可包括易弯材料，其折入主 翼面区段或小翼。例如，易弯材料可为材料板、褶皱板等。在又另一 个实施例中，易弯材料可为在小翼的关节位置上在小翼和主翼面区段 之间伸展的弹性板或其他构件。

任何方式的合适致动机构均可以可操作地配套小翼，以便将小翼 移向关节位置、直线位置或在两个位置之间移动。致动机构例如可为 主动装置，其通过控制信号致动以使小翼在直线位置和关节位置之间 移动。该主动装置例如可为电气致动器(即马达)、电机装置、气动或 液压装置等。

在又另外的实施例中，致动机构可包括偏压装置，其构造成将小 翼向直线位置或关节位置的任一位置偏压。主动装置可用来使小翼向 与偏压装置相反的其它相应位置移动。

可能期望包括相对于小翼以及主翼面区段设置的传感器，以指示 小翼何时处于直线位置。传感器可以与涡轮机控制器通信，用于任何 方式的控制功能。

在某些实施例中，可能有用的是在涡轮机叶片的小翼和主翼面区 段之间包括可控锁止机构，且小翼仅在释放锁止时才可向关节位置移 动。在此实施例中，小翼可通过弹簧或其它偏压元件向关节位置偏压， 并且可通过主动致动机构向直线位置收回。

在备选实施例中，风力涡轮机设有多个转子叶片。各转子叶片均 具有联接到转子轮毂的根部，以及从转子轮毂径向向外延伸的翼型件 部。翼型件部还包括主翼面区段和小翼。小翼可枢转地联接到主翼面 区段上并从直线位置向关节位置枢转，在直线位置转子叶片具有第一 扫掠长度，在关节位置转子叶片具有小于该第一扫掠长度的第二扫掠 长度。在小翼和主翼面区段之间沿叶片的侧面设有铰接接头，且小翼 可向相应的侧面枢转。铰接机构可操作地配套小翼，以使小翼向关节 位置移动，其中在关节位置上小翼相对于所述主翼面区段的纵向轴线 枢转不多于90度。

本发明还包括结合任何上述小翼特征或实施例的单个风力涡轮 机转子叶片。

参考以下描述及所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方 面以及优点将变得更好理解。结合在本说明书中并构成本说明书的一 部分的附图图示了本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的 原理。

附图说明

在本说明书中针对本领域技术人员陈述了本发明的完整的且能 够实施的公开，包括其最佳模式，其参考了附图，其中：

图1是风力涡轮机的透视图；

图2A是带有具有处于直线位置上的小翼的转子叶片的风力涡轮 机的透视视图；

图2B是图2A的风力涡轮机的透视视图，且小翼处于关节位置 以减小转子扫掠面积；

图3是具有带小翼的转子叶片的风力涡轮机的前视图，并图示了 对于小翼的直线位置和关节位置不同的转子扫掠面积；

图4是结合了小翼的转子叶片的透视视图；

图5是具有小翼的第一实施例的转子叶片的一部分的侧面视图；

图6是小翼在关节位置上的图5的转子叶片部分的侧面视图；

图7是具有小翼的第二实施例的转子叶片的一部分的侧面视图；

图8是小翼在关节位置上的图7的转子叶片部分的侧面视图；

图9是具有小翼的第三实施例的转子叶片的一部分的侧面视图；

图10是小翼在关节位置上的图9的转子叶片部分的侧面视图； 以及

图11是带有根据本发明的各方面的转子叶片的风力涡轮机的前 视图。

零部件列表

10    风力涡轮机

12    塔架

14    支撑部

16    机舱

18    转子

20    轮毂

22    转子叶片

24    叶片根部

26    负载传输区域

28    风向

30    翼型件部

32    前缘

34    后缘

35    控制器

36    压力侧

38    吸力侧

40    叶片末梢

42    主翼面区段

44    主翼面区段的端部

46    小翼

48    小翼端部

50    套筒

52    壳体构件

54    易弯材料

55    弹性材料

56    铰接接头

58    致动机构

59    链接

60    传感器/锁止件

62    传输线路

64    传感器系统

66    旋转方向

68    扫掠面积

70    减小的扫掠面积

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，在图中图示了其一个或多个示 例。各示例作为本发明的解释而不是本发明的限制提供。实际上，对 本领域技术人员将会明显的是在本发明中可以做出多种改型和变型， 而不背离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的部分图示或 描述的特征可与另一个实施例一起使用而产生又再一个实施例。因 此，其意图在于本发明覆盖在所附权利要求书及其等价物的范围内的 此类改型和变型。

参考图形，图1图示了水平轴线风力涡轮机10的透视视图。应 该理解的是风力涡轮机10可为竖直轴线风力涡轮机。在图示的实施 例中，风力涡轮机10包括从支撑部14延伸的塔架12、安装在塔架 12上的机舱16以及联接到该机舱16上的转子18。塔架12可由管状 钢或其它合适的材料制成，并在支撑部14和机舱16之间限定空腔(未 图示)。转子18包括可旋转的轮毂20以及联接到轮毂20上并从轮毂 20向外延伸的转子叶片22。如图所示，转子18包括三个转子叶片22。 然而，在一个备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个转子叶 片22。

转子叶片22可大致具有使得风力涡轮机10能够根据设计标准起 作用的任何合适的长度。例如，转子叶片22可具有从大约15米(m) 到大约91m变化的长度。转子叶片22围绕轮毂20隔开，以便于旋转 转子18，从而使得能够从风将动能转换成可使用的机械能，并随后转 换成电能。具体而言，轮毂20可联接到设置在机舱16内的发电机(未 图示)上用于电能生产。另外，转子叶片22通过在多个负载传递区域 26处将叶片根部24联接到轮毂20上而配接到轮毂20上。因此，对 转子叶片22产生的任何负载均经由负载传递区域26传递到轮毂20 上。

如图示的实施例中所示，风力涡轮机还可包括位于机舱16内的 涡轮机控制系统或涡轮机控制器35。然而，应该理解的是控制器35 可设置在风力涡轮机10上或中的任何位置处，支撑部14上的任何位 置处，或者通常任何其它合适的位置处。控制器35可包括合适的处 理器和/或配置成执行本文所述的方法、步骤、操作、计算等的其它处 理功能。例如，在一个实施例中，控制器35可配置成计算机或其它 中央处理单元。此外，控制器35也可包括各种输入/输出通道和/或装 置，用于从传感器和其它测量装置接收输入，并用于将控制信号发送 至风力涡轮机的各种部件。

通过执行风力涡轮机控制命令，控制器35通常可配置成控制风 力涡轮机10的各种操作模式(例如，启动或关机序列)。控制器35还 可配置成控制各转子叶片22的叶片桨距或桨距角(即，决定转子叶片 22相对于风的方向28的投影的角度)，以便通过调整至少一个转子叶 片22相对于风的角度位置控制由风力涡轮机10产生的负载和功率。 例如，控制器35可通过向机舱16内的变桨驱动器或变桨调节系统发 送合适的控制信号来单独或者同时控制转子叶片22的桨距角。此外， 当风的方向28改变时，控制器35可配置成经由机舱16内的偏航驱 动机构控制机舱16相对于偏航轴线38的位置，从而相对于风的方向 28定位转子叶片22。

在风力涡轮机10的运行过程中，风从方向28冲击转子叶片22， 这导致转子18旋转。当转子叶片22旋转并遭受离心力时，转子叶片 22同样遭受各种加载力和弯曲力矩。当空气动力学负载增加时，过度 的力和弯曲力矩会导致一个或更多转子叶片22撞击塔架12，从而导 致重大损害和停机时间。然而，即使没有塔架撞击，过度的负载和弯 曲力矩也会导致转子叶片22和其它风力涡轮机叶片上极大的疲劳。

参考图3和4，如本领域公知的那样，单个转子叶片22包括相对 于叶片的旋转方向66的前缘32和后缘34(图3)。叶片22包括低压或 “吸力”侧38，以及压力侧36(图5)。

[0037]图2A和2B图示了结合多个风力涡轮机叶片22的 风力涡轮机10的一个实施例。各涡轮机叶片22均具有连接到转子轮 毂20上的根部24，并且还包括从转子轮毂径向向外延伸的翼型件部 30。翼型件部30包括主翼面区段42和限定叶片末梢40的小翼46。 小翼46枢转地连接到主翼面区段42上并且从图2A中图示的直线位 置枢转，其中转子叶片具有第一扫掠长度68，如图3中所示。小翼 46枢转到图2B中所图示的关节位置，其中转子叶片具有第二扫掠长 度70，如图3中所示。因此，从图2A、2B以及3可以轻易理解在小 翼46的关节位置上，转子的扫掠面积被极大地缩小，这导致单个转 子叶片22上降低的负载。

参考图4，在叶片22的翼型件部30内的任何位置处可设置任何 方式的合适的致动机构58，以便使小翼46在直线位置和关节位置之 间移动。图4图形化地将致动机构58描绘为通过合适的链接59连接 到小翼46上的活塞。应该轻易理解的是致动机构58可为任何方式的 主动控制机构，其接收控制信号以收回和/或展开小翼46。例如，致 动机构56可为电动马达、电机致动器、气动或液压系统等。应该轻 易理解的是本发明不限于任何特定类型的致动机构58。

可能期望的是(但不必须)致动机构被结构化地构造并控制以限制 小翼46的致动位置，使得小翼不相对于主翼面区段42的纵向轴线枢 转至大于90度的位置。换言之，防止小翼46枢转至将导致小翼在主 翼面区段42上向后延伸的位置，从而防止对主翼面区段上的气流(或 主翼面区段42的性能)的可能负面影响。图6、8、和10描绘了相对 于主翼面区段42大约90度的关节位置上的小翼46。然而，大于90 度的关节处于本发明的范围和精神内。

还应该理解的是小翼46可以相对于主翼面区段可变地形成关节。 例如，小翼46可在相对于主翼面区段42至大于0度到不大于90度 的范围内的任何位置形成关节。

特别参考图5和6，转子叶片22包括构造在小翼46和主翼面区 段42之间的可展开的套筒50。套筒50构造成以便在小翼的关节位置 上从小翼46的端部48延伸至主翼面区段42的端部44，如图6中特 别图示的那样。套筒50因而在间隙上提供了空气动力学表面，该间 隙否则将在小翼46的关节位置上形成在小翼46和主翼面区段42之 间。除了在此接合点处提供空气动力学表面之外，套筒50还降低了 当小翼46处在关节位置上时由间隙(以及间隙中的暴露结构)产生的噪 音。

图5和6图示了一个实施例，其中可展开的套筒50具有预制弓 形形状。套筒50例如可为相对刚性或半刚性壳体构件52，其如图5 中所示在小翼46的直线位置上摆入主翼面区段42，并且如图6中所 示当小翼46移向关节位置时摆出主翼面区段42。壳体构件52可为可 压缩的，以便安装在主翼面区段内，但在展开以在小翼46的端部48 和主翼面区段42的端部44之间桥接时呈其预制弓形形状，从而在接 合点处提供预制的空气动力学表面。

图7和8图示了可展开的套筒50的备选实施例。在此实施例中， 套筒50由任何方式的易弯材料54形成。该材料54例如可为帆布或 其它合适的板材、褶皱材料、可折叠材料等。材料54因而是“易弯 的”，因为其能够在收起位置上在主翼面区段42或小翼46的一者或 两者内被折叠或者以其它方式减小尺寸，如图7中所示。图8图示了 当其在主翼面部分42的端部44和小翼46的端部48之间展开时的易 弯材料54。材料54可具有一定程度的预制结构(例如用褶皱材料)以便 在小翼46的关节位置形成弓形形状，如图8中所绘。

在图9和10的实施例中，可展开的套筒50由弹性板或其它弹性 构件55提供。在小翼的关节位置上，弹性构件55实质上在主翼面区 段42的端部44和小翼46的端部48之间伸展，如图10中所示。弹 性构件55因而在主翼面区段42内需要极少的存储空间，但在小翼46 的关节位置上提供了弓形较小的表面，如图10中可见。

参考各个附图，小翼46在铰接接头56处可枢转，该铰接接头可 由任何合适的铰接结构限定，例如机械铰链、活铰链(living hinge)等。 在一个特定实施例中，小翼46在形成在叶片22的压力侧36上的铰 接接头56处枢转。以此方式，小翼向压力侧36枢转，如图2B中特 别所示。在一个特定实施例中，小翼46相对于主翼面区段42的纵向 轴线枢转至少大约90度。通过向叶片22的压力侧36枢转，小翼46 在关节位置上不造成与塔架12撞击的风险，如由图2B可以理解的那 样。然而，应该理解的是在处于本发明的范围和精神内的实施例中小 翼46可向吸力侧38枢转。

如上所述，致动机构58可包括任何方式的合适的致动器。例如， 致动机构58可包括任何方式的主动装置，其使小翼46在直线位置和 关节位置之间移动。换言之，致动机构58例如可为通过任何方式的 合适链接59附接到小翼46上的马达或机械致动器，以便收回和展开 小翼46。在备选实施例中，致动机构58可包括被动部件，例如弹簧， 或其它偏压构件。此被动部件可用来将小翼46向直线位置或关节位 置的任一个偏压。诸如马达、活塞等的主动装置可用来使小翼46在 抵抗弹簧或其它偏压构件的偏压力的相应相反方向上移动。

总体参考附图，在某些实施例中可能希望在小翼46和主翼面部 分42之间沿铰接线56在任何合适的位置上包括传感器60。此传感器 60可为任何方式的接触开关、簧片开关等，其产生指示小翼46的相 对位置的信号。例如，传感器60可指示小翼46何时处于其如图9中 所示的直线位置。备选地，传感器60可指示小翼46何时处于图10 的关节位置，或者图9的直线位置之外的任何位置。传感器60可用 来向风力涡轮机控制器35提供输入信号，用于相对于风力涡轮机10 任何方式的控制功能。

在某些实施例中，还可能希望在小翼46和主翼面区段42之间包 括锁止机构。在附图中，此锁止机构与传感器60配套，但可为单独 的传感器60的附加。此锁止机构例如可为电磁锁止器，其释放以允 许小翼46在接收到给锁止器60的控制信号时枢转至小翼的关节位 置。在此实施例中，诸如弹簧或类似装置的偏压构件可用作致动机构 58的部件，以便在释放锁止器60时，小翼46在偏压元件的作用力下 自动枢转至其关节位置。为了将小翼46收回至直线位置，致动机构 58可使用任何合适的装置以及适当的链接59以便将小翼收回至直线 位置，在该点上锁止器60被致动以便将小翼46保持在稳固且锁止的 直线位置上。

图11描绘了风力涡轮机10，其中各转子叶片22配套有如本文所 述的小翼46。提供了控制和/或动力传输线路62用于经由风力涡轮机 35协调控制各个小翼46。控制器35又可从各个传感器64接收任何 方式的输入，传感器64适当地设置并配置成感测叶片22上的各种操 作条件，诸如叶片经历的极端或瞬时负载条件。在此类负载条件下， 控制器35经由动力/控制线路62和致动机构58(具有适当的链接59) 可以以受控且协调的方式致动用于多个叶片22的小翼46。为了维持 转子20和叶片22的总体平衡，小翼46经由它们各自的致动机构58 被一致致动。

在瞬时或极端负载条件结束时，小翼46可经由控制器35、传输/ 动力线路62以及致动机构58返回至它们的直线位置。

本书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使 得本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系 统，并执行任何结合的方法。本发明可授予专利的范围由权利要求书 限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示 例具有无异于权利要求书的字面语言的结构性元件，或者如果它们包 括与权利要求书的字面语言并无实质性区别的等价结构性元件，则此 类其它示例意在处在权利要求书的范围内。