专利名称：具有可变空气动力学轮廓的风轮机叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉;OL轮机叶片。特别地，本发明涉及具有空气动力学轮廓的 风轮^i叶片，该轮廓可通过主动弹性件的变形调节，该主动弹性件布置成 能在该轮廓处接近风轮机叶片的表面。
背景技术：
已经提出使用其外部形状可能在使用期间改变的风轮机叶片。尤其是，
在WO 02/051730中公开了为风轮机叶片提供朝向根部的可活动或变形的 部分，此处的弦长度最大。因此叶片最宽部分的弦长度在疾风中可以减小， 以减少应变。
还提出通过将轮廓向上或向下弯曲来使前缘和/或后缘变形。例如，在 WO 2004/088130中提议利用智能材料或液力活塞组件来使前缘区或后缘 折翼弯曲。叶片壁部分由被动柔性橡胶制成，在使用期间，该被动柔性橡 胶伸展以适应智能材料或者液力活塞组件。在一个实施例中，橡胶包括隔 离的空隙。
发明内容
本发明的目的^l:提供一种具有可调空气动力学轮廓(翼型、叶型)的 改进的风轮机叶片。
本发明的另一目的是提供一种用于操作具有可调空气动力学轮廓的风 轮机的改进的方法。
本发明的一个或多个上述和其它目的通过一种风轮机叶片实现，所述 风轮机叶片具有吸力侧和压力侧，所述吸力侧和压力侧在前缘和后缘处连 接，该叶片还包括弹性件，所述弹性件布置成能接近风轮机叶片的表面(与 风轮机叶片的表面相通地布置)。主动弹性件可从第一形状变形到第二形
状，并且在主动弹性件处于第一形状情况下翼型(翼面，airfoil)的最大 升力系数CL， max i大于在主动弹性件处于第二形状情况下翼型的最大升力 系数Cl，
max 2 >
所谓主动弹性件(active elastic member)在本文中是指叶片的厚度在 弹性件变形时改变。为了在最大升力系数下实现所希望的变化，主动弹性 件的至少一个位置处厚度通常应增加至少10%。优选的是，至少10%是除 了通过任意地弯曲末端区域和/或后缘区域所实现的厚度的可能增加之外 的增加量，因为这可用于主动弹性件处最大升力系数的4艮精细的调谐。
主动弹性件可以例如部分或全部用橡g材料或其它聚合物基材料制造。
所谓将主动弹性件布置成能接近表面(利用表面布置，arranged with access to the surface)在本文中是指当主动弹性件变形时表面也变形。换 句话说，布置成能接i^面包括下述情况主动弹性件部分或完全被诸如 油漆、热塑性涂层的表面层、诸如智能材料的致动器装置、接闪器或避雷 针等覆盖。
主动弹性件可以作为整体薄板或松散构件设置在刚性的全部或基本全 部的叶片壁部分上，例如当传统的叶片通过布置主动弹性件于其上而升级 时。致动器装置和/或用于接收流体的隔间在这种情况下可以布置在原始的 叶片壁和主动弹性件之间。主动弹性件也可以作为连接以在其中形成一个 或多个隔间或凹部的两个或多个薄板或整体薄板或松散构件提供。这种主 动弹性件同样可以布置在刚性的全部或基本全部的叶片壁部分上，或者布 置在更开放的结构如一个或多个刚性肋或其它刚性支承结构上。
风轮^L叶片的空气动力学形状通常通过插在多个翼型，即垂直于叶片 长度的叶片横断面之间形成，此处每个翼型都对一特定厚度优化到弦长比， 所述弦长比再通过叶片的结构要求控制。本发明涉及包括至少一个翼型的 风轮机叶片，所述叶片可以在使用期间通过增加翼型的厚度改变形状和空 气动力学性能。
当来风的速度高于一较低的水平例如llm/s-13m/s时，则风轮机达到 标称功率输出，并且风轮机的运行是防止或限制风轮机的损坏比优化能量
输出更重要。这在传统上是通过俯仰叶片定而降低效率实现的，那样减少
来风的迎角并因而减少叶片上的升力。当来风的速度很高如超过22-25m/s 时，使风轮才几停止。然而，如果当来风速度高于低水平时叶片的升力减小， 则可以扩;^运行的窗口。当升力的减少集中在远离才艮部的叶片部分中时， 升力的减少与转子半径的实际减小相对应，这在传统的俯仰或主动失速上 十分有利，因为在叶片上的荷载更有利得多，并且叶片的应变显著减小。 而且，如果叶片的升力调节足够快，则各叶片或甚至单个叶片可以按照叶 片受到的瞬时来风例如在阵风期间优化，或者一如果在风轮机的前面测量 来风速度一叶片可以甚至在例如阵风到达之前优化，因此大大减少了叶片 的疲劳恶化。
在优选实施例中，按照本发明所述的风轮机叶片还包括叶片张紧装置， 所述叶片张紧装置布置在叶片中以建立(确定)叶片的张力。叶片张紧装 置可有利地是布置在叶片壁或者叶片的叶梁中的应变仪，因为这可在叶片 内对张力进4亍^Mt确和4艮局部的测量。在另一实施例中，叶片张紧装置包 括光纤或传导纤维。叶片张紧装置例如经由机械装置、经由电连接或经由 无线连接功能性地连接到 一控制单元。该控制单元能控制主动弹性件的形 状，并可以是比如处理器或计算机。控制单元可以连接到一个以上风轮机 叶片上，并优选与风轮机的主控制单元成为整体。在替代性但仍然优选的 实施例中，控制单元布置在叶片中,以l更各个叶片自主地起作用。
在另一优选实施例中，风轮机叶片还包括布置在叶片的末端附近的风 速计。该风速计可以是用于测量来风速度、在叶片的一个或多个表面上的 有效风和/或风在叶片上的入流角的一定范围的装置。有利的例子是用于测 量叶片前面风速的激光风速计或者用于测量在叶片表面处的入流角或风速 的空速管(皮托管)。风速计在功能上连接到控制单元上。控制单元和连 接如上所述。
弦线是前缘和后缘之间的直线。室是通过连接压力侧壁和吸力侧壁之 间中部各点所形成的曲线。因此，对于不对称的翼型来it,室将偏离弦线。
现有技术的风轮机叶片通常具有其中室偏离弦线的的翼型，因为这可 允许较大的升力系数，并因此需要较短的弦用于恒定能量输出。实验表明，
相对于弦线改变室线的翼型形状的变化十分理想，因为这往往导致升力较 大的变化。
在优选实施例中，主动弹性件从第 一形状变形到第二形状造成在室中
翼型与主动弹性件一起变动，室中的变动是对于相当于至少10%弦线的一 部分翼型与弦线垂直的至少0.25%弦的距离。这比如可以是如果室线^Mt
0.027%和在80%弦处的0.021%弦来实现，但至少10%弦线的范围也可以 分成多个间隔。
在优选实施例中，主动弹性件从第 一形状变形到第二形状造成在室中 翼型与主动弹性件一起变化，室中的变动对于相当于至少15%弦线的一部 分翼型来说，是垂直于弦线的至少0.25%的弦，优选至少0.30%弦，的距 离。在另一优选实施例中，主动弹性件从第一形状变形到第二形状造成在 室中翼面与主动弹性件一起变动，室中的变动对于相当于至少10%弦线的 一部分翼面来说，是垂直于弦线的至少0.30%弦的距离。
实验工作表明，最大升力系数对翼面厚度的最高灵^t度以及因此布置 主动弹性件的最有效区域是与叶片翼面的压力侧相通的(利用叶片翼面的 压力侧)。当主动弹性件布置在现有叶片上时，这意味着有利的位置是在 叶片翼面的压力侧上。更具体地说，发现将主动弹性件设置在压力侧上后 缘与距前缘约40。/。弦长之间的区域中十分有利。在最优选的实施例中，主 动弹性件是布置在后缘与距前缘约50%弦长之间的区域中。因此，主动弹 性件通常是布置在叶片翼面的最大厚度与后缘之间的区域中，因此叶片的 最大厚度不受主动弹性件的影响，而最大厚度与后缘之间的形状在〗吏用期 间进行调节并可以进一 步修改。
主动弹性件不必一直延伸到后缘，但已发现，这种安排在结构上有利， 增加后缘的厚度也显著影响最大升力系数的大小。应理解，例如表述"在 后缘与距前缘约50%弦长之间"不仅包括从正好50弦-%到100弦-%的主 动弹性件，而且包括完全或基本布置在翼面该部分内的主动弹性件。
而且，现已发现，在距前缘约50-90%弦长之间的主动弹性件是有利的， 尤其是在距前缘约60-95%之间的主动弹性件十分有利。
在特别有利的实施例中，主动弹性件布置成对于特定的翼面来说，主
动弹性件"^殳置在翼面的压力侧上，且主动弹性件在弦的约50-70%处开始， 优选主动弹性件在弦的约55-65%如弦的约60%处开始，并且主动弹性件 在弦的约80-卯％处终止，优选主动弹性件在弦的约卯-98%如弦的约95% 处终止。主动弹性件的这些安排尤其有利，因为室可以在使翼面的升力改 变很多的区域中改变。
可以理论化的是，这些安排的优点是基于下述事实，即叶片的这部分 通常具有朝吸力侧相对于弦线显著变动的室，及主动弹性件的伸展将在朝 翼面的压力侧变动室时;fW效，并因此通常减小了翼面的不对称性。然而， 在极个别情况下，室甚至可以变动到弦线的压力侧。
在风轮机中转换的能量随着叶片的半径增加而增加，因此大部分能量 源自叶片的外面部分。因此，叶片远离叶根的部分的升力改变将得到对能 量生产更大的影响。在优选实施例中，主动弹性件是布置在叶片最外面的 50半径-%中，如至少一部分是在叶片的50-90半径-%之间，或者至少一 部分是在叶片的60-95半径-%之间，而主动弹性件布置在叶片的最外面25 半径-%中甚至更有利。叶片的外面部分中最大升力系数的改变将在减小疲 劳荷载和能量生产方面有与实际减小转子的半径相同的效果。因此，本发
动力转子半径，并因此可认为是更多结构上i杂的叶片的;用品。当翼面
具有很低的最大升力系数如对称的翼面或基本上是零升力轮廓时，当主动 弹性件处于具有4艮低最大升力轮廓的形状时，当主动弹性件处于其在低最 大升力系数的形状时，情况尤其是这样。
在十分优选的实施例中，按照本发明所述的风轮机叶片包括多个主动 弹性件。例如，叶片可以包括2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 IO或者更多的主 动弹性件。具有多个主动弹性件改善了对叶片的轮廓优化作用的灵活性。 当各个叶片相对于来风或叶片的张力连续优化时，这是尤其重要的。优选 将多个弹性件中的一个以上布置成与叶片的压力側相通。优选的是，将大 多数主动弹性件布置在叶片轮廓的厚度与后缘之间的区域中，因为这是实 现主动弹性件的最大作用的区域，如别的地方所述。
多个风速计可有利地沿叶片在纵向上分布，从而每个风速计都布置在 多个主动弹性件中不同的弹性件附近。风速计功能性地连接到控制单元， 所述控制单元能单独控制多个主动弹性件的形状。控制单元、连接部分和 相关类型的风速计已在上面说明。
多个主动弹性件中至少两个优选基本首尾相连地布置，以4吏第 一主动 弹性件在叶片的长度上从第二主动弹性件延伸。这允许相邻主动弹性件更 好地配合并且有利于控制各构件，并形成从一个主动弹性件到另 一个主动 弹性件的平稳过渡。
在另一实施例中，多个主动弹性中的至少两个并排布置，以^l第一主 动弹性件基本上垂直于叶片的长度从第二主动弹性件延伸。这尤其与很大 的风轮机叶片有关，在这些风轮机叶片中单个主动弹性或者首4^目连布置 的多个主动弹性太慢以致不能致动。
在有利的实施例中，多个主动弹性件中的至少两个布置成在叶片的长 度上和/或基本上垂直于叶片的长度部分地重叠。叠加的主动弹性件可供一 特别方便的控制装置用于风轮机叶片的多步控制，因为多个步骤可以通过 开/关控制各个主动弹性件的步骤的组合实现。尤其优选的是，叠加主动弹
性件是尺寸上不同。例如，尺寸的1/2-2/3可用于4级，而1/2-1/2只可用 于3级。
主动弹性件的尺寸应选择为综合考虑在风轮^L叶片的尺寸、单个主动 弹性件的尺寸和主动弹性件的数目。数目应不是太小，因为这导致大量的 主动弹性件或者对最大升力系数仅有有限的影响。在一优选实施例中，多 个主动弹性件的至少其中之一在叶片的长度上延伸2-30米，优选主动弹性 件延伸5-20米。优选的是，多个主动弹性件中的至少两个在叶片的长度上 延伸8-15米。
对很大的风轮机叶片来说，旋转速度通常较慢，因此具有较慢旋转模 式的较大主动弹性件是可接受的。可以看出，多个主动弹性件的至少其中 之一有利的是可以延伸风轮机长度的3%-50%。优选的是，多个主动弹性 件的至少其中之一延伸风轮机叶片长度的5%-40%。最后，另外优选的是 多个主动弹性件中有至少两个延伸风轮机叶片长度的10%-25%。这通常是合理地保持主动弹性件的数目。
在一优选实施例中，按照本发明所述的风轮机叶片还包括单独控制主 动弹性的形状的装置。这允许高自由度优化主动弹性件的构型，即，可使 主动弹性件不变形，可使主动弹性件部分变形以及使主动弹性件完全变形。 而且，单独控制可用于与最大升力系数变化有关的半径，以便升力系数可 以相对于来风比如阵风的局部变化和/或由于地面上方高度变化所产生的 变化进行优化。用于单独控制主动弹性件的形状的装置可以比如包括多个 流体分配系统中的 一个或多个、单个流体分配系统与单独可控制的用于控 制流体流入和/或流出主动弹性件的阀的组合、用于每个主动弹性件的压力
表、用于确定流体输送i^/出主动弹性件的流量测量装置。
在另 一优选实施例中，按照本发明所述的风轮机叶片还包括控制至少 两个主动弹性件组合的形状的装置。这允许具较少传感器和/或分配系统的 更简单的设计。
在按照本发明的风轮机叶片的另 一有利构型中，主动弹性件的第二形 状是主动弹性件的松驰状态。松弛状态与平衡状态相对应，其中比如控制 流体的压力与外部压力相对应。换句话说，主动弹性件的平衡状态在该实 施例中是轮廓的最大升力系数小于最大可能值的情况。因此，如果用于控 制一个或多个主动弹性件的装置比如由于闪电沖击未完全^f皮闪电保护系统 转移、由于系统的机械故障或者由于传感器故障而不超支，则系统转变到 升力较低的状态，并因此减少了系统将过速或脱离控制的可能。实际上这 起到进一步安全预防措施的作用并且得到更可靠的风轮机。这可通过将附 加的偏压装置连接入或功能性地连接到主动弹性件，通过利用真空作为控 制流体，或者通过充填作用来排空或充满主动弹性件的隔间来实现。
翼型在主动弹性件处于第一形状情况下的最大升力系数CL， max i和翼 型在主动弹性件处于第二形状情况下的最大升力系数CL， max 2之间的差值 将是实现来风的很宽的工作范围的重要部分。在优选实施例中，最大升力 系数CL, max i至少比轮廓在主动弹性件处于第二形状情况下的最大升力系
数CL，鹏x2大10。/。。在另一优选实施例中，翼型在主动弹性件处于第一形
状情况下的最大升力系数CL， max i至少比翼型在主动弹性件处于第二形状
情况下的最大升力系数CL，max2大15。/"然而，甚至更优选的是翼型在主 动弹性件处于第一形状情况下的最大升力系数CL, max i至少比翼型在主动 弹性件处于第二形状下的最大升力系数CL， max 2大20%。令人惊奇的是， 仅是这些较小的差值就足以调谐叶片性能，但可以看出，这可用于叶片的 空气动力性能的很精细的调谐一尤其是当多个主动弹性件存在时。
风轮机通常在迎角cx小于ot max的范围内运行，此处a max是与最大升 力系数相对应的迎角。因此，对a max周围的迎角范围的升力差也是重要的。
已经发现，主动弹性件处于第一形状和第二形状情况下翼型的升力系数的
差值厶Ct将比迎角在oc鹏x-5。至a咖x之间的所有值下的升力系数的最大 值大10%。优选的是，对于a咖x-5。至ot咖x之间的所有迎角来说，厶Cl 比其中最大的升力系数大20%，如ACi^25。/。或甚至ACl >50%。在尤其 有利的实施例中，要使ACl高于所限定的值，a的范围应当是0。至a max+2。，更优选的是其中ACL应当高于限定值的a的范围是-2。至a
max+3。。低的Ot值对应于猛烈的来风，而高的CX值对应于在接近CXmM的
低风下运行。
翼型的最大升力系数可以在本发明的发明思想范围内显著改变。然而，
在优选实施例中，在主动弹性件处于第一形状情况下的最大升力系数Cb max i为大于1.2和/或翼型在主动弹性件处于第二形状情况下的最大升力系 数CL，max2为低于1.0，此处最大升力系数对应于Re在1-10百万的范围内 以及流过光滑轮廓表面的二维流。特别地，已经发现，CL， max i大于1.25 和/或CL, max 2低于0.9是有利的，此处最大升力系数对应于Re在1-10百 万的范围内以及流光滑轮廓表面的二维流。可以看到，在使用条件下的实 际值通常偏离这些值，且这些值只理解为在风洞试验或建立模型时有益。
由轮廓在使用期间所经历的雷诺(Reynolds)数可以根据叶片上的径 向位置和叶片的长度显著改变。典型的雷诺数的值在l-10百万之间改变。
在按照本发明所述的十分优选的实施例中，主动弹性件包括用于接收 流体的隔间，或者主动弹性件与风轮机叶片的刚性部分如叶片壁部分结合 形成用于接收流体的隔间。隔间如此布置，以使隔间的充满或排空导致主 动弹性件形状的改变；尤其是，隔间如此布置，以^更在充满或排空隔间时 叶片在主动弹性件处的厚度改变。利用这个隔间来致动主动弹性件的变形 十分有利，因为它能4艮精密、快速而可重现的控制主动弹性件的形状。
可以看出，这种隔间可以用来逐步变形，比如完全充满或全部排空， 和/或连续变形，比如将隔间充装到最大含量的连续百分率。优选的是，风 轮机叶片还包括接收阀，以便控制流体输送到隔间。接收阀有利的是布置 在待控制的隔间附近，因为这样减少阀和隔间之间的死体积。而且，接收 阀在功能上连接到待控制的隔间上。阀可以比如;l磁力阀或者其它可通过 控制装置的自动化以开/关方式或连续操纵的阀。流体可以从流体分配系统 接收，或者一如果流体是空气一则任选地但不一定从叶片的表面接收。接 收岡有利的是可以布置在隔间朝向叶片根部的端部附近，因为由于在风轮 机运行期间作用在流体上的离心力，这使流体能更快地移动到隔间中。而 且，用于4吏流体移动通过流体分配系统的装置如泵通常占据一部分空间， 而更多的空间可在叶片的叶根部分中使用。
优选的是，风轮机叶片还包括一放泄阀，以便控制从隔间输送流体。 放泄阀有利的是布置在待控制的隔间附近，因为这减少了阀和隔间之间的 死体积。而且，放泄阀在功能上连接到待控制的隔间上。阀可以比如^1磁 力阀或者另外可通过控制装置的自动化以开/关方式或者连续地操纵的阀。 流体可以放泄到流体分配系统，或者一如果流体是空气一任选地但不一定 放泄到叶片的表面。放泄阀有利的是可以布置在隔间朝向叶片叶尖的端部 附近，因为能使流体由于在风轮才^行期间作用在流体上的离心力而更快 地从隔间移出。
在优选实施例中，叶片还包括检测装置，以便通过确定隔间中是否存 在流体和/或中存在的流体量比如流体的体积或压力进一步控制充满或排 空隔间。优选的检测装置是压力表和流量计，但其它检测装置可能也适用。 检测装置在功能上连接到隔间上，并且上述检测装置能比如通过隔间中的 流体的压力或者流体流到隔间和/或从隔间流出的流量确定隔间中流体的 体积。
可以看出，待进入隔间的流体有利的是通过流体分配系统分配在叶片 内部。流体分配系统优选的是通过接收阀和/或放泄阀与隔间连通，以用于
控制输送流体到隔间和/或从隔间输送出流体。流体分配系统可以是单管道
(one-string)系统或者双管道(two-string )系统，这与隔间的数目和操 作有关。
十分优选的是，流体分配系统与用于输送流体的装置连通。用于输送 流体的装置也被风轮机叶片包括在内，并且通常布置在叶片的根部附近。 用于输送流体的装置的优选例子是真空泵(用于是气体的流体)和高压泵 (用于是气体或液体的流体)。
流体可以是气体或液体。气体是优选的，因为气体的可压缩性通常高 于液体，并因此可以通过简单的装置如压力容器达到短的响应时间。而且， 气体比较轻，因此增加叶片的重量不像液体那样多。气体可以具有任何组 成，比如氮气、氩气或空气。空气是优选的，因为容易获得并且成本低。 当利用周围空气时，优选在使用前使空气脱水，以防止7jC在系统内部冷凝。 而且，空W有利的，因为它可以在没有任何环境排放的情况下从叶片的 表面放泄。优选的液体是含有合适添加剂的水和其它合适的液压流体。
或者，布置在翼型的最大厚度与后缘之间的轮廓和后缘之间压力侧上 的主动弹性件的形状可以通过隔间中流体之外的其它致动器装置致动。这 类其它致动器装置可以比如包括智能材料、线性致动器、机械装置、可通 过气体或流体伸展的活塞、压电材料等。可供选择的致动器装置通常连接 到翼型的刚性部分和主动弹性装置二者上。几种可供选择的致动器装置(比 如智能材料和压电材料及某些机械装置)在只需要电输入致动和不转移比 如流体时是有利的。这从布置观点来看可能是有利的。
在另一方面，本发明涉及具有主动弹性件和折翼(flap)的组合的风 轮;feiL叶片，上述折翼布置在翼型的后缘附近。折翼在下述意义上是活动的， 即它可通过致动器装置在第 一位置和第二位置之间致动，并且在折翼处于 第一位置情况下翼型的最大升力系数大于在折翼处于第二位置情况下翼型 的最大升力系数。可以看出，主动弹性件与折翼的组合十分有利，因为折 翼可以在由一个或多个主动弹性所实现的更精密的减小不足的情况下增加 最大升力系数的减小。这可以比如是在极端风中或者用于很长风轮机叶片 的情况，此处来风中的差异基本上是在叶片的最高位置和最4氐位置之间变
动。致动折翼可以与致动主动弹性件同步，但致动折翼至少应与致动主动 弹性件协调。
折翼可以用一个或多个步骤致动，其中一个步骤是使最大升力系数最 大化，或者折翼可以在一最大升力系数最大化的位置和折翼朝吸力侧方向 弯曲以产生较低最大升力系数的位置之间连续地致动。
在优选实施例中，折翼W巨前缘的弦长的80-90%延伸到后缘，因为这 可用来4吏叶片的主要部分在结构上坚硬。已经发现，当折翼W巨前缘的弦 长的约85%延伸到后缘时，最大升力系数足够通过致动调节。
致动折翼可以包括叶片的刚性部分绕一枢轴点的部分旋转或者后缘结 构的多个分布的弯曲。
在本发明的实施例中，作为安全防护措施优选的是折翼的松驰状态是 第二位置，在上述^驰状态中，折翼处于最不可能发生的情况一即控制系 统失效的状态，而在上述第二位置处，与折翼的第一位置相比，折叠是朝 向轮廓的吸力侧方向。在这种布置下，叶片不太可能超速或甚至脱离控制。
在十分优选的实施例中，按照本发明所述的风轮机叶片包括多个布置 在后缘附近的折翼。例如，叶片可以包括2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10 个或更多的折翼。具有多个折翼改善了在使用期间优化叶片翼型的灵活性。 当单个叶片对来风或者叶片的张力连续进行优化时，这点尤其重要。
折翼的尺寸，亦即在叶片的纵向方向上的长度应选择作为风轮机的尺 寸、单个折翼的尺寸和合理的折翼数目之间的综合考虑。折翼不应太小， 因为这导致大量的折翼，同时每个折翼只对最大升力系数产生很有限的影 响。在优选实施例中，多个折翼的至少其中之一在叶片的长度上伸展2-20 米，优选在叶片的长度上伸展5-15米。优选多个折翼中的至少两个在叶片 的长度上伸展5-15米。折翼可以或者不可以遵循主动弹性件的尺寸，但优 选折翼的端部基本布置在对应主动弹性件的端部处，因为这是在结构上更 有益，且防止主动弹性件的扭绞。
对很大的风轮机叶片来说，旋转速度通常较慢，因此具有较'ft^作用 模式的大折翼是容许的。可以看出，多个折翼的至少其中之一有利的是可 以伸展风轮机叶片长度的3%-50%。优选的是多个折翼构件的至少其中之
一伸展风轮机叶片长度的5%-40%。最后，更进一步优选的是多个折翼中 有至少两个折翼伸^X轮机叶片长度的10%-25%。通常这将合理地保持折 翼的数目。
在本发明的十分优选的实施例中，将多个折翼布置成在叶片的长度方 向上一个向另一个伸展，且在相邻折翼之间布置一弹性连接器，以4更折翼 在叶片的纵向方向上形成没有阶梯的连续表面。如果伸展的折翼分开一短 距离如10-50cm以便提供用于弹性连接器的空间，并且弹性连接器连接到 两个折翼的端面上和叶片的刚性部分上，则可以实现这点。
即使折翼的致动器装置可以用别的方法致动，但十分优选的是折翼的 致动器装置可通过流体，尤其是通过与主动弹性件相同的流体(如果主动 弹性件可通过流体致动的话)致动，因为这可形成更简单的控制系统。而 且，折翼的致动器装置有利的是可以在功能上连接到流体分配系统上，所 述流体分配系统与主动弹性件连通。这可使流体分配系统的设计更简单， 它减少了对整个流体分配系统的空间要求，并且减少了系统的总重量。
其它类型致动折翼的致动器装置包括智能材料一 即在材料上的电位改 变时改变形状的材料、线性致动器、机械装置、可通过气体或流体伸展的 活塞、压电材料。优选的是，只需要电信号致动的致动器装置是有利的， 因为这种致动器装置较容易布置在叶片中。
可以看出，当翼型在表面中没有显著的阶梯并具有弄圆(倒圆)的形 状，以便在使用期间翼型上(除了后缘之外)没有分开气流时，得到最有 益的结果。为了减小朝向小阶梯的灵敏度，上述小阶梯在叶片的刚性部分 和主动弹性件之间不可避免的，优选的是翼型具有一钝的前缘。优选的形 状在申请人的专利申请WO2005IB052355中公开，所述专利申请结合在本 文中以作参考。
另一方面，本发明涉及用于安装在风轮机叶片上的子单元。该风轮机 叶片具有吸力侧和压力侧，所述吸力侧和压力侧在前缘和后缘处连接，以 形成刚性叶片表面。该子单元包括主动弹性件，其具有如本发明的其它方 面的一个或多个实施例所述的性能和形状。主动弹性件在形状和尺寸方面 适于连接到风轮机叶片的刚性表面部分上，以便在风轮机一该风轮机包括其上安装有该子单元的风轮机叶片 一的运行期间，主动弹性件可从第一形 状变形到第二形状。这可以通过比如致动器装置实现，所述致动器装置如 本发明的其它方向中的一个或多个的实施例所述，如线性致动器装置或至 少部分由主动弹性件形成的流体进和/或出的隔间。与本发明的第 一方面类 似，该子单元和风轮机叶片的组合结构在处于第一形状时的最大升力系数
CL， max i大于该子单元和带有主动弹性件的风轮机叶片的组合结构在处于 第二形状时的最大升力系数CL，max2。
子单元在升级现有风轮机叶片或者在减少叶片的磨损时尤其有利，上 述升级现有风轮才几叶片可使叶片在例如更大的来风范围内工作，而上述减 少叶片的磨损通过减少由于阵风或极端风所产生的疲劳荷载实现。因为子 单元和尤其是主动弹性件可以简单地粘附到表面上和任选地比如用软管将 流体分配系统布置在叶片的内部，所以安装筒单和不涉及叶片结构的变化 (除了在主动弹性件和流体分配系统之间穿过叶片壁的连接孔的;f艮有限的 影响之外)并因此通常不需要添加另外的增强件。
再一方面，本发明涉及随着叶片的有效空气动力学轮廓的变化操作风 轮机的方法。该方法包括建立来风速度的步骤，并且如果来风速度低于第 一极限值，则使主动弹性件从第二形状变形到第一形状，以使在主动弹性 件处翼型的升力增加。风速计可以是任何类型，而优选的是与本发明的第 一方面有关所述的类型。风速计优选布置在风轮机叶片上，但风速计也可 以布置在风轮机附近，如布置在相邻的风轮^L或结构上，或者风速计可布 置在风轮机的另外部分上，如布置在塔架(塔筒)或引擎抢(吊舱)上。 在特别优选的实施例中，风速计是激光风速计，并布置在轮毂上与水平线 成一角度，因此，风速计将扫掠风轮机前面的区域，因此能根据离地高度
的不同测量瞬时来风速度。这允许4f对其它地方所述的叶片的周期俯仰或 周期半径可变的空气动力学轮廓进行4Nt密的优化。除了或者代替测量来 风速度，风速计有利的是可以测量风在风轮机叶片处的入流角。这可以比 如是有利的，因为这为叶片进一步优化提供数据，其中包括俯仰角。
与上述方法类似，在测量来风速度并确定极限值处，用于控制风轮机 的其它可能的输入参数，如通过应变仪测得的叶片的荷载、风的入流角、
转子速度或者功率输出，也可以确定单独的或耦合的极限值。
第一极P艮值的水平取决于风轮机叶片的实际设计、叶片的主动弹性件
和折翼以及工作位置。典型的第一极限值约为10-16m/s，但在某些情况下 其它值也是合适的。
操作通常进行优化，以便在允许的疲劳荷载水平和/或噪音排放水平内 提供最大的功率输出。而且，操作可以根据平均来风、根据在规定时间范 围内的最大或平均来风、根据当前来风或根据如通过风速计所测得的风的 入流角、根据例如由应变仪测量的叶片荷载、或根据工作参数如转子速度 或功率输出进行控制。相关的极限值水平取决于优化参数，并可以随时间 改变，比如由于允许的噪声排放随一天中的时间变化。
在按照本发明所述方法的另一实施例中，方法还包括下述步骤，即如 果输入值的其中之一如来风速度低于第二极限值，则将折翼从第二位置致 动到第一位置，以^吏翼型在折翼处的升力增加。第二极限值可以与第一极 限值相同，但优选第二极P艮值比第一极限值公差更大，例如对于来风来说， 比如15m/s，因为这允许更多的调节步骤，因此可用于叶片的空气动力性 能的更精细的调谐。
操作带有按照本发明第一方面的任何实施例所述的风轮机叶片的风轮 机的方法的另一实施例包括建立风轮机叶片的张力的步骤，以及一如果张 力低第一极限值一使主动弹性件从第二形状变形到第一形状，以使翼型在 主动弹性件处的升力增加。风轮机叶片的张力优选通过布置在风轮机叶片 中的叶片张紧装置确定，该叶片张紧装置例如布置在叶片壁中或布置在增 强结构例如叶梁中。叶片张紧装置优选是应变仪。利用应变测量作为控制 参数是有利的，因为它直接根据风对叶片的实际影响，并因此将重点放在 叶片上而不是通过设计与叶片的性能间接有关的间接特征如风速上。
在操作带有按照本发明第 一方面的任何实施例所述的风轮机叶片的风 轮机的方法的另 一 实施例中，按照风轮机叶片的张力的变化速率调节主动 弹性件的形状。因此，当叶片由于阵风而开始偏转且不等偏转变大时，主 动弹性件的形状就可以改变到具有低升力的形状。这允许针对极端阵风进 行更精确的控制。
在按照本发明所述方法的另一实施例中，方法还包括下述步骤，即如 果风速低于第二极限值，则将折翼从第二位置致动到第一位置，以使翼型 在折翼处的升力进一步增加。第二极限值可以与第一极限值相同，但优选 第二极限值高于第一极限值，因为这可允许更多的调节步骤，因此可允许 更精细地调谐叶片的空气动力性能。
如果风轮机是俯仰调节式，则按照本发明所述的方法有利的是可以包 括按照所确定的风速和/或张力调节叶片的总俯仰角的步骤，以便可以进一 步优化风轮机的运行。
按照本发明所述的另 一方法涉及风轮机叶片，所述风轮机叶片包括至 少两个布置在距叶片才艮部不同距离处的主动弹性件和至少两个可单独变形 的主动弹性件。该方法包括下述步骤，即对每个主动弹性件确定在上述主 动弹性件处的来风速度，如果来风速度低于那个主动弹性件的局部极限值
比如10m/s，则主动弹性件从第二形状变形到第一形状。这增加了翼型在 所述主动弹性件处的最大升力。
建立在每个主动弹性件处的来风速度可以用间接方法。例如，在本发 明的发明思想内，在叶片上、风轮才几上或者相邻的结构处仅一个位置中测 量来风速度，或者可以根据例如能量输出、叶片的张力等决定来风速度， 并用来根据沿风轮机叶片的相对位置，确定各主动弹性件的期望的构型。
在按照本发明所述的优选实施例中，优化用于调节风轮机运行的M 例如极限值，以在运行期间使风轮机在容许的磨损水平内产生最大能量输 出。在具有经常性强风的位置中，尤其是当比如通过激光风速计在风轮机 的前面测量来风速度时，这种方法尤其有利。在这个实施例的十分有利的 不同方案中，调节足够快，以便考虑阵风，所述阵风通常是造成风轮机叶 片全部疲劳磨损中大部分的原因。高调节频率可以比如通过用气态流体if/ 出隔间来实现，所述隔间至少部分地由主动弹性件形成，因为这种调节装 置很快和可靠。
在按照本发明所述的另 一优选实施例，优化用于调节风轮机运行的参 数例如极限值，以便在操作期间，使风轮机在容许的声音排放水平内产生 最大能量输出。在建筑物附近的位置或者其它经常有人到达的区域中，这
种方法尤其有利。关于声音排放的要求通常随一天的不同时间而变，因此 各参数应当进行调节。
主动弹性件可以用任何通过控制装置和致动器装置可以实现的频率调 节。然而，如果主动弹性件^^单独对仅是緩'隄改变的平均来风或另一输出 参数进行调节，则形状改变的频率和形状改变的速度可能低，如低于
0.1Hz-0.01Hz或甚至更低。这种形状变化的频率只能在有限的程度上可用 于调节来风中的短期变化，且不能考虑在风的湍流中形状的变动。另一方 面，形状的低频率变动能考虑在大多数情况下大部分风的变动。
十分优选的是，以大于10HZ的频率重复进行对单个主动弹性件的形 状的调节。比如，如果阵风到达风轮机，则来风和湍流可以十分快速地改 变。因此，甚至更优选的是，调节以大于20HZ的频率例如以大于40HZ 的频率重复进行。很快速调节的能力偵贝轮机能很接近最佳构型运行，如 来流阵风可以用动力学方法^兌明，而不必用平均构型考虑。快速调节频率 要求主动弹性件的形状可以很快地调节。可以看出，尤其是通过气体* 出隔间调节的主动弹性件可用于4艮快速调节，上述隔间至少部分地由主动 弹性件形成。而且，通过可用电快速调节的致动器装置如压电元件调节的 主动弹性件同样可以适用于主动弹性形状的这种快速调节。
或者，调节各个主动弹性件的形状的频率可涉及叶片的旋转速度。在 优选实施例中，调节用与小于叶片绕旋转轴线旋转的1/8转相对应的频率 重复进行。然而，更优选的是，调节用一与小于叶片绕旋转轴线旋转的1/16 转相对应的频率进行，而甚至更优选的用一与小于叶片绕旋转轴线旋转的 1/40转相对应的频率进行。
在十分优选的实施例中，调节用与风轮机转子的一转相对应的调节的 周期循环。在这个周期内， 一个或多个主动弹性件或者折翼可以调节几次， 但总的构型模式基本上是循环式重复。可以看出，这种周期性变动在考虑 来自比如风轮机故置场中相邻风轮机的尾流和遮蔽影响，和/或来自复杂的 周围地形的影响时尤其有利。这些影响通常是周期性的，但不一定具有与 转子一转相对应的周期。具有转子一转的周期的周期性变化尤其有利的例 子是当风轮机是根据时间平均来风工作时，因此调节主要是考虑来风速度
的垂直变化，并且只对较长时间范围内整个来风速度的变化进行调节。另 一个例子来自塔架的遮蔽，所述塔架的遮蔽通常也是具有转子一转的周期 的周期性影响。这提供一种较筒单的运行，所述较简单的运行尤其适合于
具有很长风轮机叶片如长于40米、50米、60米或更长的很大风轮机，此 处来风速度的垂直变化相当大。
对于通过周变俯仰操作的风轮机来说，尤其有利的是将周变俯仰与翼 型剖面的各个与半径有关的变化叠加，因为这允许更精细地调谐叶片的空 气动力性能，并因此允许较高的功率输出和/或较低的叶片的疲劳磨损。
在优选实施例中，调节至少一个主动弹性件或折翼是逐步进行的，以 ^^主动弹性件或处于第一形状，或处于第二形状。对形成用于按收流体的 隔间的至少 一部分的主动弹性件来说，这优选对应于隔间完全充满或4^P 排空。这种类型的逐步调节相当于开/关调节，并且是有利的，因为形状4艮 清楚并因此限制了校准。
在另一优选实施例中，主动弹性件的形状基本上是连续地调节，因此 将主动弹性件变形成多个阶段，也许变形到在提供最小升力系数的形状和 提供最大升力系数的形状之间的若干阶段，如3、 4、 5、 6、 7、 8个阶段或 者连续地没有任何阶段。对于形成用于接收流体的隔间的至少一部分的主 动弹性件来说，ii^目当于隔间在较小的阶梯部分充装。基本上连续的调节 尤其有利，因为翼型在主动弹性件处的最大升力系数可以很精细地调节， 因而可实现更接近最佳情况的运行。
操作具有按照本发明的风轮机叶片的风轮机的方法的另 一实施例包括 自适应控制算法或人工智能。当风轮机叶片包括若干布置在距叶片根部不 同距离处的可单独调节的轮廓时，这是有利的。例如，可以看出，操作方 法的这个实施例对于包括多个主动弹性和/或多个折翼的风轮机和尤其是 但不限于风轮机叶片尤其有利，此处一个或多个主动弹性件和折翼的至少 其中之一可调节到两个以上形状如连续可调，因为这留下一个或多个主动 弹性件和折翼的大量可能的构型。
在十分优选的实施例中，弹性件和/或折翼与一控制系统结合，所述控 制系统具有快速反应时间及监测器和反馈设计二者，所述反馈设计能使弹
性件和折翼定位用于最大的载荷减少。
当继续不断地监测力时，自适应控制系统将能在对最大载荷减少或功 率减少迭代优化循环期间将折叠和弹性件重新定位。多个主动弹性件与自
适应控制装置的组合通过阻尼叶片摆动的幅度^JRL轮机能有效地减小来自 叶片的固有本征频率的栽荷。而且，风速在展向方向上的变化用主动弹性 件与自适应控制装置的组合有效地减小。
该方法包括下述步骤，即确定来风速度、噪音排放和叶片的应变的至
少其中之一；和根据人工智能来建立叶片的多个主动弹性件和折翼的构型。 建立构型优选涉及叶片的所有主动弹性件和折翼，但在某些情况下，建立 构型只涉及叶片的某些主动弹性件和折翼可能是有利的。所建立的构型应 在风轮机叶片中允许的应变水平内和/或允许的噪音排放水平内优化风轮 机的功率输出。最后，该方法因此包括调节主动弹性件和折翼的步骤。多 个主动弹性件和/或折翼的构型优选在包括叶片的转子的 一转期间优化多
次，如8、 10、 20或更多次，因为这能通过翼型剖面的单独与半径有关的 变化操纵叶片。
所谓人工智能在本文中是指自学习或自调节系统，如可通过模糊逻辑 操作的系统。
本发明还涉及将按照本发明第一方面所述的风轮机叶片用于一可通过 翼型部分的单独与半径有关的变化操作的风轮机。翼型部分的单独与半径 有关的变化用于4艮大的风轮机，如具有直径为约80米、100米、120米或 更大的转子的风轮机尤其有利，因为来风速度用于这种大叶片的周期性变 化变动相当大。这种差别不能用规则的俯仰充分调节，因为对这些大叶片 来说来风速度的变化非常与半径有关。换句话说，叶片朝向叶片根部的部 分来风速度的变化比叶片朝向叶片尖头的部分来风速度小得多。
本发明的另一方面涉及风轮才几，所述风轮机包括至少一个按照本发明 的第一方面所述的风轮机叶片。这种风轮机尤其有利，因为它在使用期间 提供4艮精细的用于优化空气动力学轮廓的方案，因此在许多情况下可供用 比传统风轮机低的疲劳载荷和/或低的噪音排放生产更多的能量。
按照本发明所述的风轮机的优选实施例还包括风速计，所述风速计布
置在风轮机的轮毂上。该风速计功能性地连接到一控制单元，所述控制单 元能控制上述至少一个风轮机叶片的主动弹性件的形状。尤其有利的是利 用激光风速计并以非水平角度布置激光风速计，并且激光风速计是能从激 光风速计朝不同方向测量来风速度的类型。这样，风速度可以在风轮机叶 片的前面多个垂直水平中进行测量，以便可以在使用期间按照瞬间来风速 度调节叶片的空气动力学轮廓。这样，风轮机叶片可以比如在阵风实际上 到达叶片之前考虑到阵风进行调节，因此大大减少了对叶片的疲劳损害。
下面将参照示例性实施例和附图更充分地说明本发明，在附图中
图i示出其主动弹性件处于第一和第二形状下的轮廓;M目应的升力曲
线，
图2示出具有叠加的主动弹性件的轮廓及相应的升力曲线， 图3示出具有主动弹性件和折翼的轮廓和相应的升力曲线， 图4示出按照本发明的风轮机叶片与线性致动器装置的剖视图， 图5示出按照本发明的风轮机叶片与流体分配系统的剖视图， 图6示出按照本发明的风轮机叶片与流体分配系统的剖视图， 图7示出具有首尾相连地布置的主动弹性件的风轮机叶片的一部分， 图8示出操纵按照本发明的风轮机叶片的原理的实施例， 图9示出风轮机叶片及例如在周期性变化下操M轮机叶片的原理。 所有附图都是高度示意性的并且不一定按比例示出，它们仅示出为了 阐明本发明所必需的部分，其它部分省略或者仅仅提及。
具体实施例方式
按照本发明所述的风轮机叶片通常用真空助力树脂浸渍法制造。主增 强件通常布置在叶片壁中或者在叶片壁内的叶梁中。图1A示出风轮机叶 片2的轮廓的实施例，该叶片具有与弦线(对应于X轴线)不同的室。叶 片具有吸力侧4和压力侧6， 二者在前缘8和后缘10中连接。叶片还包括 一设置在压力侧的主动弹性件12。该主动弹性件用虚线示出(标示为
NACA 626151)，并对应于处于伸展状态的主动弹性件。主动弹性件形成 用于接收流体如空气的隔间14的一部分。
在图1B中，示出图1A的相当于弦的0.6-0.9的部分。尤其可以看出， 弹性件处的厚度在主动弹性件伸展时增大。这里，厚度的增加在箭头处约 为30-40%，该处相应于距前缘约0.77弦长度。实验结果表明，在与前缘 相距0.65-0.9弦长度的范围的至少一部分内，厚度增加约10-150%通常得 到合适的叶片性能。
图1C中提供了对于图lA中的轮廓的升力系数Ct随迎角变化的曲线 图。可以看出，与主动弹性件处于变形状态下的轮廓相对应的曲线在全部 所示范围内显示出显著较低的升力系数，特别地，对于具有变形的主动弹 性件的轮廓来说，每个曲线形成为最大升力系数的最大升力也较低。这在 图1D中可更清楚地看出，此处升力系数Ct的减小，与未作修改的 NACA63615轮廓相比，表示为随迎角oc而变。可以看出，在约为01=14。 的临界迎角(对应于最大升力系数)以内的范围内，升力系数减少至少 10%。
示例性的轮廓是NACA63615轮廓，但同样的原理可适用于其它风轮 机叶片。尤其是，优选轮廓具有高的最大升力系数。
图2还涉及按照本发明的风轮机叶片的翼型。图2A示出具有两种另 外的轮廓NACA63615 1和NACA63615 Hl的轮廓。这两种另外的轮廓可 以通过下述方法形成在两个步骤中使主动弹性件变形；将一带有两个隔 间的主动弹性件或者将两个单独的主动弹性件一个在另 一个之上地布置在 图2所示的剖面上。这三种轮廓的升力曲线在图2B中示出。可以看出， 升力系数随着翼型偏离由NACA63615所示的原始未变形的翼型的大小下 降。同样的趋势可在图2C中观察到，图2C示出两个经过调节的翼型的升 力系数相对于原始的未变形翼型的升力系数下降。
图3也涉及用于按照本发明的风轮机叶片的翼型。图3—起示出原始 轮廓、具有变形的主动弹性件的轮廓(NACA63615 1)以及具有变形的主 动弹性件和向上弯曲的折翼16的轮廓。在图3中，更详细示出叶片的后区。 可以看出，为模型化起见，利用了尖锐的后缘，但实际应用的后缘具有一
约为弦长度的约0.1-1%的有限后缘。折翼的弯曲可以与主动弹性件的变形 同时进行，或者如此处所示的作为独立的步骤进行。图3A中所示的三种 轮廓的升力曲线在图3C中示出。可以看出，折翼朝向吸力侧的弯曲大大 加快了升力系数的下降。这在图3D中甚至更明显，图3D示出各轮廓相对 于原始的未变形的轮廓的升力系数的下降。这里，可以看出，带有朝吸力 侧弯曲的折翼的翼型的升力下降在临界迎角之下约为30%或更多。
图4中所示的叶片剖面示出可以如何利用线性致动器装置22来致动主 动弹性件12的变形。在图4A中，示出主动弹性件12处于变形的形状。 图4A中的原理图在横断面的平面中有四个线性致动器，树艮据实际叶片 的尺寸可采用更多或更少的致动器，从而，通常是叶片越大，致动器越多。 另外，所需的致动器数量也取决于主动弹性件的挠性。在图4B中，示出 同一叶片的横断面，其中主动弹性件处于未变形状态，而致动器处于压缩 状态。所述致动器示出为位于刚性叶片壁20的顶部，但在许多情况下，致 动器优选与叶片壁成为整体或者没入到叶片壁中。
图5示出带主动弹性件的风轮机叶片的横断面，所述主动弹性件适合 于通过使流体i^A/回到隔间14中而变形。在图5A中，叶片还包括流体分 配系统24。该系统主要由两个管子24形成，所述管子24基本上垂直于该 横断面的平面布置。各管子通过连接配件(未标号)与隔间14连通。所述 管子可例如为一个管子用于将流体分配到隔间中(优选朝向前缘的管子)， 而一个管子用于使从隔间出来的流体返回到用于分配流体的装置如泵(未 示出)。所述管子可连接到更多设置在叶片其它横断面中的隔间上。传感 器26—例如压力计一布置成与隔间连通，以便在使用期间使流体和/或流体 压力存在或消失。图5A所描述的系统可以例如用于循环的气体如空气或 氮气，或者用于循环的流体如水或其他液压流体。
图5B示出按照本发明的风轮机的另一实施例的剖视图。这里，只有 一个分配系统或管子24。该实施例可能特别适用于两种明显不同的情况。
在第一种情况下，它可以在主动弹性件通过压力操作时使用，以便在 使用期间使隔间通过经由接收阀24从分配系统24进入并进入隔间14中的 空气或其它气体伸展。该室可通过关闭接收阀和打开放泄阀28收缩，上述
接收阀将分配系统24连接到隔间上，而上述i文泄阀28打开可使主动弹性 件返回松弛状态，此处隔间通过放泄隔间中的压缩空气而收缩。这要求主 动弹性件的平衡状态与隔间伸展相对应。
在另一种情况下，在图5B中用剖视图示出的叶片可以通过真空操作， 从而，在使用期间，隔间通过经由接收阀28从叶片壁20的表面进入的空 气伸展。应该注意，阀28的用途已经从上一情况的放泄模式改变到目前情 况下的接收模式。隔间14的松弛状态用于待伸展的隔间(如图5B所示)。 从安全的观点来看，这是特别有利的，因为松驰状态提供具有较低最大升 力系数的翼型，并因此在未必有的失效情况下往往会降低对风的响应。为 了使隔间收缩，接收阀28应当关闭，并且连接隔间14与分配系统的阀应 当打开。该分配系统应连接到真空系统如真空泵，以抽出隔间中的空气。
图6是沿图5的叶片长度在用虚线A-A表示的平面中的剖面。分配系 统24的管子因此优选是返回管(溢流管)。这在图6中也可看到，因为与 主动弹性件12的隔间14的连接^:置在该隔间14的朝向叶片末端的端部附 近。阀28设置成连接在隔间14和分配系统之间。该阀可以比如是磁力阀 或其它可通过控制单元(未示出)操纵的阀。在隔间和分配系统之间设置 连接的优点主要是基于在使用期间通过离心力强制流体朝向隔间妁末端部 流动。这在使用期间将有助于排空隔间。
图7中示出一部分风轮机叶片2。在图7中看到的该叶片部分包括两 个主动弹性件12。所述主动弹性件沿叶片的纵向方向连接。相邻主动弹性 件之间的连接部30优选制备成使得对于主动弹性件的任何构型叶片的形 状都没有突然变化。所谓没有突然变化在此也包括叶片纵向方向上的变化， 而不仅是指横向于叶片长度方向的变化。这降低了气流在叶片表面上过早 分开的可能性，亦即离开后缘的可能性。
一般地说，优选的是将主动弹性件和/或折翼布置在叶片的最外部分 上，如叶片长度的最外面的2/3或者更优选地叶片长度的最外面的1/2,因 为叶片的外面部分涉及大部分的功率输出。而且，由于距叶片根部距离的 动量，所以叶片的最外面部分也往往引起大部分疲劳磨损，所述疲劳磨损 可通过按照本发明所述的风轮机和方法显著减少。
图8涉及操纵按照本发明所述的风轮才几叶片的优选总体原理。图8示 出对来风速度的变化的期望响应。这可以是在运行瞬间很活动的弹性件处 的局部来风，或者是沿叶片的长度在一段时间内或者一些位置处取平均值 的4^P来风。X轴示出来风的速度。1和2示出两个极限风速水平。从左 手侧开始，曲线图的左半部示出对于来风的速度减少的反应。在最左侧，
主动弹性件应当成形为第二形状，即具有较低的升力系数CL,腿2。当来风
达到上限值l (用A表示)时，主动弹性件的构型不应发生改变，但当来 风达到下限值2 (用B表示)时，主动弹性件的构型应转换到第一形状， 即具有较高的最大升力系数CL，max k当来风速度与曲线图的右勤目对应逐 渐增加时情况相似。当来风速度达到下限值2 (用C表示)时，则不发生 变化，而当来风速度达到上限值l时，主动弹性件变换到第一形状，即具 有较低的最大升力系数CL，max2。
所述延迟的转换可增加安全限度(裕度)。所述安全P艮度可以按照构 型变化的速度和形成来风速度的速率限定，因此，构型的转换越快和形成 来风速度的速率越快，应当使用的安全限度就越窄。此外，该安全限度保 证主动弹性件在不需要时不前后拍打。这种操作的方法尤其适合于根据平 均来风形成最佳构型。它可以用于仅具有一个主动弹性件的风轮机叶片， 但通过叠加多个类似的控制才莫式一 通常是每个主动弹性件或者是每组主动 弹性件一个控制模式，则可以很容易实现精细控制。
图9A示出具有三个主动弹性件E。、 EP、 Ey及三个折翼Fp Fn和Fm 的风轮^L叶片的示意图。折翼对应于主动弹性件布置。折翼和主动弹性件 可以例如通过人工智能如模糊逻辑，或者其它自学习专家系统操纵。或者， 可提供一组规则以用于调节每个折翼和主动弹性件。图9B中示出一组规 则的例子。在图9B的上部，示出每个主动弹性件处的来风速度。可以看
多。这说明风轮机变得越大，在提;优化的功率输出时;常i周il性俯仰 越差，因为整个叶片的俯仰不能考虑到来风速度的变化中的径向差别。然 而，已经发现，通过利用具有用于在沿叶片长度的不同纵向位置处调节翼 型的装置的风轮机，可以通过在周期性俯仰上叠加才艮据沿叶片长度的纵向位置的变化而变化的翼型变动来大大优化周期性俯仰。这可以例如用按照 本发明的风轮机叶片实现。
在图9B的下面部分中，示出图8所描述的调节方案用于主动弹性件 的实施例。每个主动弹性件Ecc、 Ee和Ey的第一和第二极限值Tl和T2都 用纵向线表示。对于风轮机的这种特定旋转，可以看出，主动弹性件EY 根本不从第一形状改变，而在叶片朝上面位置运动期间，末端主动弹性件 E。在中间主动弹性件Ep之前从第一形状改变到第二形状。因此有效空气动 力学转子直径实际上减小。在叶片朝向下面位置转动时，第一和中间主动 弹性件Ep以4端主动弹性件Ea改变到具有更高升力的形状。图9B中来 风的变化仅考虑来风的垂直变化，但另一些作用如来自相邻风轮机、地形 或风轮机塔架的尾流或遮蔽效应可以以类似的方式考虑。而且，其它输入 参数如输出功率、声发射、载荷等同样可以用来调节主动弹性件和/或折翼 的形状。与一个或两个极限值不同的其它调节类型如优选与适合的调节结 合的连续形状调节也可以用来调节主动弹性件的形状。
样。这是例如当叶片以周期性俯仰工作时存在的问题。如果叶片的空气动 力性能主要通过按照本发明的主动弹性件和/或折翼调节，或者主动弹性件 的工作与俯仰相结合，则可能绕过由于叶片的弹性而引起的延迟,并因此 可以实现更多的优化操作。
而且，当风轮机变得更大时，由叶片所实现的来风速度的变化增加。 这部分地通过俯仰补偿，然而，俯仰不能一次在叶片的整个长度上实现翼 形的最佳取向。因此，与俯仰相结合的翼型形状的调节是对传统的仅通过 俯仰来优化操作的重要改进。
除非本领域技术人员直接意识到最后的实施例实际上不合理，否则本 文所述的本发明的一个实施例的单个特征或特征的组合及其各种变化，都 可以与本文所述的另 一 实施例的特征相结合或者交换。 附图标记列表
2、 风轮才几叶片
4、 吸力侧
6、 压力侧
8、 前缘
10、 后缘
12、 主动弹性件
14、 隔间
16、 折翼
20、 风轮机叶片壁
22、 致动器装置
24、 流体分配系统
26、 压力计
28、 阀
30、 相邻主动弹性件间的连接部
权利要求
1.一种风轮机叶片，具有吸力侧和压力侧，所述吸力侧和压力侧在前缘和后缘处连接，该叶片还具有主动弹性件，所述主动弹性件布置成能接近风轮机叶片的表面，其中，主动弹性件能从第一形状变形到第二形状，在主动弹性件处于第一形状时的翼型的最大升力系数CL，max1大于在主动弹性件处于第二形状时的翼型的最大升力系数CL，max2。
2. 按照权利要求1的风轮机叶片，其特征在于，主动弹性件布置成能 接近叶片翼型的压力侧，优选主动弹性件布置在叶片翼型的压力侧上。
3. 按照权利要求1或2的风轮机叶片，其特征在于，主动弹性件布置 在后缘和距前缘约40%弦长之间的区域中，优选主动弹性件布置在后缘和 距前缘约50%弦长之间的区域中。
4. 按照权利要求2或3的风轮机叶片，其特征在于，用于翼型的主动 弹性件布置如下从弦的约50-70%,优选从弦的约55-65%，例如弦的约60%， 到弦的约80-90% ，优选到弦的约卯-98% ，例如弦的约95% 。
5. 按照权利要求l-4之一的风轮机叶片，其特征在于，所述主动弹性 件布置在叶片的最外面的50半径-%中；优选主动弹性件布置在叶片的最 外面的25半径-%中。
6. 按照权利要求1或5的风轮机叶片，其特征在于，所述主动弹性件 布置在叶片的翼型最大厚度处与后缘之间的区域中。
7. 按照权利要求l-6之一的风轮机叶片，其特征在于，还包括布置在 叶片的末端附近的风速计，所述风速计功能性地连接到一控制单元上，所 述控制单元能控制主动弹性件的形状，优选该风速计是激光风速计或者空 速管。
8. 按照权利要求l-6之一的风轮机叶片，其特征在于，还包括布置在 叶片中以建立叶片的张紧的叶片张紧装置，上述叶片张紧装置功能性地连 接到一控制单元上，所述控制单元能控制主动弹性件的形状，优选叶片张 紧装置是布置在叶片壁或叶片的叶梁中的应变仪，或者是一种包括光纤或 传导纤维的装置。
9. 按照权利要求l-7之一的风轮机叶片，其特征在于，包括多个布置 在叶片压力侧的主动弹性件，优选为2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10或更多 的主动弹性件，更优选的是大部分主动弹性件布置在叶片翼型的最大厚度 与后缘之间的区域中。
10. 按照权利要求9的风轮机叶片，其特征在于，还包括多个沿叶片 在纵向上分布的风速计，其中所述多个风速计中的每个都布置在所述多个 主动弹性件中不同的一个附近，所述多个风速计功能性地连接到控制单元 上，所述控制单元能单个地控制所述多个主动弹性件的形状，优选风速计 是激光风速计或空速管。
11. 按照权利要求9或10的风轮机叶片，其特征在于，所述多个主动 弹性件中的至少一个在叶片的长度上延伸2-30米，优选5-20米；更优选 所述多个主动弹性件中的至少两个在叶片的长度上延伸8-15米。
12. 按照权利要求9-ll之一的风轮机叶片，其特征在于，所述多个主 动弹性件中的至少 一个延伸风轮机叶片的长度的3-50%,优选风轮机叶片 的长度的5-40%;更优选所述多个主动弹性件中的至少两个延伸风轮机叶 片的长度的10-25%。
13. 按照权利要求9或11的风轮机叶片，其特征在于，所述多个主动 弹性件中的至少两个基本上首尾相连地布置，以4吏第一主动弹性件在叶片 的长度上从第二主动弹性件延伸。
14. 按照权利要求9-13之一的风轮机叶片，其特征在于，所述多个主 动弹性件中的至少两个并排布置，以^_第 一主动弹性件基本上垂直于叶片 的长度从第二主动弹性件延伸。
15. 按照权利要求9-14之一的风轮机叶片，其特征在于，所述多个主的长度重叠。
16. 按照权利要求9-15之一的风轮机叶片，其特征在于，还包括单个 地控制主动弹性件的形状的装置。
17. 按照权利要求1-16之一的风轮机叶片，其特征在于，主动弹性件 的第二形状是主动弹性件的松驰状态。
18. 按照权利要求1-17之一的风轮机叶片，其特征在于，在主动弹性 件处于第一形状时翼型的最大升力系数Cl， max i至少比在主动弹性件处于 第二形状时翼型的最大升力系数CL， max i大10%,优选在主动弹性件处于 第一形状时翼型的最大升力系数CL， max i至少比在主动弹性件处于第二形 状时翼型的最大升力系数CL， max 2大15%，更优选在主动弹性件处于第一 形状时翼型的最大升力系数CL, max i至少比在主动弹性件处于第二形状时 翼型的最大升力系数CL， max 2大20% 。
19. 按照权利要求1-18之一的风轮机叶片，其特征在于，主动弹性件 处于第一形状和第二形状时翼型的升力系数的差ACL应大于在a腿-5。 至a腿之间的所有迎角下的升力系数中最大值的10%,优选地ACL大于 在a咖x-5。至otmax之间的所有迎角下的升力系数中最大值的20。/。，例如 厶Cl〉25。/。或甚至厶Cl〉50。/。；更优选地，其中厶CL应当高于上述限定值 的ot的范围为0。至a,x+2。，甚至优选其中厶CL应当高于上述限定值的0C的范围为-2。至0t丽+3。，此处OCmax是对应于最大升力系数的迎角。
20. 按照权利要求1-19之一的风轮机叶片，其特征在于，在主动弹性 件处于第一形状时翼型的最大升力系数CL，咖^大于1.2,以A/或者在主动弹性件处于第二形状时翼型的最大升力系数CL，max2低于1.0，此处最大升力系数对应于Re在1-10百万的范围内以及流过光滑轮廓表面的二维流； 优选CL，maxl大于1.25以;5L/或者Cl,隨2低于0.9，此处最大升力系数对应 于Re在1-10百万的范围内以及流过光滑轮廓表面的二维流。
21. 按照权利要求l-20之一的风轮机叶片，其特征在于，在主动弹性 件处于第一形状时翼型的隔间与在主动弹性件处于第二形状时翼型的隔间 不同，并且隔间中的差别是与用于与弦线的至少10%相对应的一部分翼型 的弦线相垂直的至少0.25%弦的距离；优选隔间中的差别是与用于与弦线的至少15%相对应的 一部分翼型 的弦线相垂直的至少0.25%弦的距离；更优选隔间中的差别是与用于与弦线的至少10%相对应的 一部分翼 型的弦线相垂直的至少0.30%弦的距离，最优选隔间中的差别是与用于与弦线的至少15%相对应的 一部分翼 型的弦线相垂直的至少0.30%弦的距离。
22. 按照权利要求1-21之一的风轮机叶片，其特征在于，在主动弹性 件处于第一形状时翼型的室线与主动弹性件处于第一形状时翼型的弦线垂 直地偏离弦长度的至少1.5%,这是在前缘和后缘之间范围的至少10%中， 优选在前缘和后缘之间范围的至少20%中，例如在前和后缘之间范围的至 少30%中；更优选在主动弹性件处于第一形状时翼型的室线与在主动弹性件处于 第一形状时翼型的弦线垂直地偏离弦长度的至少3%，这是在前缘和后缘 之间范围的至少10%中，优选在前缘和后缘之间范围的至少20%中，例如 在前缘和后缘之间范围的至少30%中。
23. 按照权利要求1-21之一的风轮机叶片，其特征在于，主动弹性件 包括用于接收流体的隔间。
24. 按照权利要求l-23之一的风轮机叶片，其特征在于，主动弹性件 与风轮机的刚性部分结合形成用于接收流体的隔间。
25. 按照权利要求23或24的风轮机叶片，其特征在于，还包括用于 控制流体到所述隔间中的输送的接收阀，所述接收阀布置在待控制的隔间 附近，并且所述接收阀功能性地连接到所述隔间。
26. 按照权利要求25的风轮机叶片，其特征在于，接收阀布置在隔间 的朝向叶片根部的端部附近。
27. 按照权利要求23-26之一的风轮机叶片，其特征在于，还包括用 于控制流体从所迷隔间的输送的放泄阀，所述放泄阀布置在待控制的隔间 附近，并且所述放泄阀功能性地连接到所述隔间。
28. 按照权利要求27的风轮机叶片，其特征在于，放泄阀布置在隔间 的朝向叶片末端的端部附近。
29. 按照权利要求27或28的风轮机叶片，其特征在于，放泄阀布置 成将流体放泄到风轮机叶片的表面。
30. 按照权利要求23-29之一的风轮机叶片，其特征在于，还包括检 测装置如压力计或流量计，该检测装置功能性地连接到隔间，并且所述检 测装置能例如经由隔间中的流体的压力或者流入和/或流出隔间的流体流 量来建立隔间中流体的体积。
31. 按照权利要求23-30之一的风轮机叶片，特征在于，还包括与隔 间连通的流体分配系统，所述流体分配系统优选经由所述接收阀和/或所述 放泄阀与隔间连通。
32. 按照权利要求31的风轮机叶片，特征在于，还包括用于输送流体 的装置，所述装置与流体分配系统连通。
33. 按照权利要求23-30之一的风轮机叶片，其特征在于，所述流体 是气体。
34. 按照权利要求l-33之一的风轮机叶片，其特征在于，还包括布置 在翼型后缘附近的折翼，所述折翼在下述意义上活动，即它能被第一位置 和第二位置之间的致动器装置致动；在折翼处于第一位置时翼型的最大升 力系数大于在折翼处于第二位置时翼型的最大升力系数。
35. 按照权利要求34的风轮机叶片，其特征在于，折翼从弦长度的 80-卯％之间从前缘延伸到后缘,优选折翼从弦长度的85%从前缘延伸到后 缘。
36. 按照权利要求34或35的风轮机叶片，其特征在于，折翼的第二 位置与折翼的第一位置相比朝向翼型的吸力侧，折翼的第二位置是折翼的 木>驰状态。
37. 按照权利要求34-36之一的风轮机叶片，特征在于，包括多个布 置在叶片后缘附近的折翼，优选为布置在后缘附近的2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 IO或更多个折翼。
38. 按照权利要求37的风轮机叶片，其特征在于，所述多个折翼中的 至少一个在叶片的长度上延伸2-20米，优选5-15米；更优选所述多个主 动弹性件中的至少两个在叶片的长度上延伸5-15米。
39. 按照权利要求37或38的风轮机叶片，其特征在于，所述多个折 翼中的一个^1伸风轮机叶片的长度的3%-50% ，优选延伸风轮机叶片的长 度的5%-40%;更优选所述多个折翼中的至少两个延伸风轮机叶片的长度 的10%-25%。
40. 按照权利要求37-35的风轮机叶片，其特征在于，所述多个折翼 布置成在叶片的长度方向上一个接一个延伸，在相邻折翼之间布置有弹性 连接器，以使折翼在叶片的纵向方向上形成没有阶梯的连续表面。
41. 按照权利要求34-40之一的风轮机叶片，其特征在于，致动器装 置能通过流体致动，优选通过与所述主动弹性件相同的流体致动。
42. 按照权利要求41的风轮机叶片，其特征在于，致动器装置功能性 地连接到流体分配系统，该流体分配系统与主动弹性件连通。
43. 用于安装在风轮机叶片上的子单元，该风轮机叶片具有吸力侧和 压力侧，所述吸力侧和压力侧在前缘和后缘处连接以形成刚性叶片表面， 所述子单元包括在形状和尺寸上适于连接到风轮机叶片的刚性表面部分上 的主动弹性件，从而在包括具有所述子单元的所述风轮机叶片的风轮机的 运行期间，所述主动弹性件可从第一形状变形到第二形状，该子单元和风 轮机叶片的组合结构在第一形状时的最大升力系数CL， max !大于该子单元 和带有主动弹性件的风轮机叶片的组合结构在第二形状时的最大升力系数 Cl， max 2>
44. 操作风轮机的方法，该风轮机具有按照权利要求1-42之一的风轮 机叶片，该方法包括以下步骤优选经由布置在风轮机叶片上的风速计建 立来风速度，如果来风速度低于第一极限值例如10m/s，则使主动弹性件 从第二形状变形到第一形状，从而翼型在主动弹性件处的升力增加。
45. 按照权利要求44的方法，其特征在于，还包括下述步骤如果来 风速度低于第二极限值，则将折翼从第二位置致动到第一位置，以使翼型 在折翼处的升力增加，优选第二极限值大于第一极限值，例如为15m/s。
46. 操作风轮机的方法，该风轮机具有按照权利要求1-42之一的风轮 机叶片，该方法包括以下步骤优选经由布置在风轮机叶片中的叶片张紧 装置建立风轮机叶片的张力，如果张力低于第一极限值，则使主动弹性件 从第二形状变形到第一形状，以使翼型在主动弹性件处的升力增加。
47. 操作风轮机的方法，该风轮机具有按照权利要求1-42之一的风轮 机叶片，该方法包括以下步骤优选经由布置在风轮机叶片中的叶片张紧 装置建立风轮机叶片的张力改变速率，如果张力增加比第一极限值更快， 则主动弹性件从第一形状变形到第二形状，以使翼型在主动弹性件处的升 力减小。
48. 按照权利要求46的方法，其特征在于，还包括下述步骤如果张 紧风速低于第二极限值，则将折翼从第二位置致动到第一位置，以使翼型 在折翼处的升力增加。
49. 按照权利要求44-48之一的方法，其特征在于，风轮机是俯仰调 节式，且还包括根据所建立的风速和/或张力调节叶片的总俯仰角的步骤。
50. 按照权利要求44-49之一的方法，其特征在于，风轮机叶片包括 至少两个布置在距叶片根部不同距离处的主动弹性件，所述主动弹性件中 的至少两个可独立地变形，所述方法包括以下步骤对每个主动弹性件建 立在所述主动弹性件处的来风速度，如果来风速度低于那个主动弹性件的 局部极限值如10m/s，则使所述主动弹性件从第二形状变形到第一形状， 以使翼型在所述主动弹性件处的升力增加。
51. 按照权利要求44-50之一的方法，其特征在于，将用于调节风轮 机的运行的参数例如极限值进行优化，以便在运行期间，风轮机将在风轮 机的可以容许的磨损范围内产生最大的能量输出。
52. 按照权利要求44-51之一的方法，其特征在于，将用于调节风轮 机的运行的参数例如极限值进行优化，以便在运行期间，风轮机将在风轮 机的可以容许的声排放的范围内产生最大的能量输出。
53. 按照权利要求44-52之一的方法，其特征在于，以小于约0.1HZ 的频率重复地调节各单个主动弹性件的形状，优选以于小于约0.01HZ的 频率重复地调节各单个主动弹性件的形状。
54. 按照权利要求44-52之一的方法，其特征在于，对各单个主动弹 性件的形状的调节以大于10HZ的频率重复，优选以大于20HZ的频率重 复，更优选以大于40HZ的频率重复。
55. 按照权利要求44-54的方法，其特征在于，对各单个主动弹性件 的形状的调节以与叶片绕旋转轴旋转小于1/8转相对应的频率重复，优选 以与叶片绕旋转轴旋转小于1/16转相对应的频率重复，更优选以与叶片绕 旋转轴旋转小于1/40转相对应的频率重复。
56. 按照权利要求44或54的方法，其特征在于，调节是周期性的， 以便调节的持续时间与风轮机转子旋转一周相对应。
57. 按照权利要求44-56之一的方法，其特征在于，还包括调节叶片 周期的各个俯仰的步骤。
58. 按照权利要求44-57之一的方法，其特征在于，逐步调节至少一 个主动弹性件或折翼的形状，以使主动弹性件处于第一形状或第二形状。
59. 按照权利要求44-57之一的方法，其特征在于，基本连续地调节 至少一个主动弹性件或折翼的形状，以使主动弹性件可以多步骤变形，例 如3、 4、 5、 6、 7、 8个步骤，或者在提供最小的最大升力系数的形状和提 供最大的最大升力系数的形状之间无任何步骤地连续变形。
60. 操作风轮机的方法，该风轮机具有按照权利要求1-42之一的风轮 机叶片，所述风轮机叶片包括多个主动弹性件和/或多个折翼，该方法包括 以下步骤建立来风速度、噪音排放、叶片的应变的至少其中之一；根据 人工智能建立叶片的多个主动弹性件和/或折翼的期望的构型；并相应调节 主动弹性件和折翼，优选该IMt方法的步骤以一频率重复，该频率与风轮 机的旋转频率的至少8倍相对应。
61. 按照权利要求9-42之一的风轮机叶片的使用，其用于能通过单个 半径操作的风轮机，所述半径依赖于翼型剖面的变动。
62. —种风轮机，包括至少一个按照权利要求l-42之一的风轮机叶片。
63. 按照权利要求62的风轮机，其特征在于，还包括布置在风轮机的 轮毂上的风速计，所述风速计功能性地接到一控制单元，该控制单元能控 制所述至少一个风轮机叶片的主动弹性件的形状，优选该风速计是以非水 平角布置的激光风速计，并且能测量距激光风速计不同距离处的来风速度， 从而可在使用期间建立风轮机叶片的前面的多个垂直高度处的风速。
全文摘要
本发明提供了一种风轮机叶片，该风轮机叶片包括主动弹性件，该主动弹性件布置成提供到风轮机叶片的表面的通路。主动弹性件可从第一形状变形到第二形状，并且在主动弹性件处于第一形状时翼型的升力系数大于在主动弹性件处于第二形状时翼型的升力系数。此外，还提供了包括这种风轮机叶片的风轮机以及操作包括这种风轮机叶片的风轮机的方法。
文档编号F03D1/06GK101351640SQ200580052323
公开日2009年1月21日 申请日期2005年10月17日 优先权日2005年10月17日
发明者K·B·戈德斯克, T·S·B·尼尔森 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司