带有铰接叶梢的叶片的制作方法

专利名称：带有铰接叶梢的叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于具有改良操作性能的现有技术发展水平的 风力发电装置的叶片以及带有这种叶片的风力发电装置。本发明还 涉及对运行中的风力发电装置的操作进行改进的方法。
背景技术：
可从风力发电装置中得到的功率输出直接取决于转子面积的大 小以及叶片有效长度的大小。作为经验法则，叶片长度减短1%意味
着功率输出减少2-3%。作为尽量节约材料和重量的结果，风力发电 装置上的叶片通常非常柔软，因此由风造成弯曲可能会相当大。由 此叶片变形导致转子面积减少，因此导致在功率产量上出现不希望 的减少。
此外在新型风力发电装置的设计中，叶片变形通常是尺寸上的一 个限制因素，因为人们必须保证叶片不会撞到塔体。更加远离塔体 的转子结构是不受欢迎的，因为主轴长度上的增加会引起塔体上的 动量变大以及在毂内的齿轮和轴承上出现不想要的作用力。
因为取决于风速，因此期望既增加转子以更大程度地利用风力和 增加功率输出(在低风速的情况下)又改变叶片形状以使它们不会 撞到塔体(在高风速的情况下)。
从EP 1019631中知道可以制造预弯曲的叶片，其在一定程度上 补偿了由风引起的弯曲。然而，仅在特定的设计风速下才能得到叶 片的整个净长度。在所有的其它风速的情况下，叶片将仍然向着风 或向后弯曲。
从具有可响应于风状态而移出或移入的叠缩式叶片的风力发电 装置中可以知道另一种改变风力发电装置的转子直径的方法。然而，
纯粹从空间观点来看，其原理涉及叶片部件要移入彼此，这是不理 想的。但是，缺陷在于叶片的刚性和因此其产出会通过使翼片部件 完全或部分容纳在其中而非常显著地变化。因此，在其所有的配置 中，不可能设计出具有最佳刚性性质的叠缩式叶片。
DE3150715教导了一种风力发电装置，其中可绕着铰链以相对 于各叶片的纵向轴线的(优选地)45度的角转动叶片的最远端部分。 通过设置在叶片外部的弹簧和平衡重物来平衡各个叶梢，因此叶梢 能够设成三种主要方式并因此影响旋转次数在低风速下和启动期 间，叶片末端将逆着风稍微向上转动以提供改善的旋转动量，在正 常操作中叶片将是笔直的，在风速升高的情况下，风将使叶梢进一 步弯曲，这将具有制动效果。然而这种结构意味着不管是在低风速 还是在高风速的情况下，风力发电装置的转子面积都将减少。同样， 在风使叶梢转动时增加了叶片与塔体碰撞的风险。最后，从空气动 力学和操作的角度来看，所描述的以设置在叶片外部的平衡重物和
弹簧为特征的这种结构是不利的。

发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于风力发电装置的叶片，消除 上述由叶片弯曲引起的转子面积减少的问题。另一个目的是在需要 的时候能够调整风力发电装置的叶片和塔体之间的距离。
本发明因此涉及一种用于风力发电装置的叶片，其包括至少设置 在叶片内部的至少一个可控制的致动器，该致动器包括例如电动、 液压和/或气动活塞，以及横向于叶片纵向方向的至少一个接头，通 过致动器控制将叶片的最远端部分绕着该接头从叶片原始旋转面上 向外转动，从而能够在运转中对转子面积进行控制。
通过这种方法可获得这样的优点，即能够在风力发电装置处于运 转状态的同时以不同角度转动叶梢，从而改变叶片形状以任意地补 偿由风引起的叶片弯曲。因此能够在不同的风速下使转子面积最大 化，从而能够得到更高的功率输出。这种转动可以是逆着风向上的以补偿由风引起的弯曲，或在叶片被制成过于弯曲的情况下，在风 速相对低时顺着风向下。根据本发明的叶片的另一个有利功能是， 叶梢还能够进行足够多的转动以使转子面积减少，而这种减少在需 要减少负栽的高风速情况下是必要的。另外，叶梢的转动可以用作 风力发电装置上的刹闸。如本发明描述的叶梢转动作为在运转中增 加叶梢与塔体之间距离的简单有效方式也是有利的，其中所述距离 可能是一个受限和连系尺寸参数(特别是在高风速的情况下)。这 样就能够将转子设置成更靠近塔体，和减少风力发电装置的主轴长 度，这也就导致了齿轮和轴承上的作用力和负载的减少。此外，根 据本发明，这种接头意味着叶片能够被制造成更有弹性，从而节约 了重量和材料，继而也就具有更低的生产成本。在叶梢始终垂直于 叶片纵向方向旋转时，还达到了叶梢可用作具有降噪和改进性能特 性的小翼。最后，叶梢的转动将便于将现在稍微更短一些的叶片从 其生产地点运送到风力发电装置的部署地点。可以通过可控制的致 动器，或作为局部或平均风速的函数，而且作为例如叶片上的负载、 振动、噪声、当前的风梯度、叶片弯曲、紊流强度、偏航误差、倾 角、偏航位置、涡轮输出、空气密度或当前涡轮转速等大量其它运 转参数的函数，单独地或共同地对叶梢的转动进行控制。
本发明还涉及一种如上所述的用于风力发电装置的叶片，其中接 头大体沿着叶片轮廓的弦布置。因此在通过拉力以及气压力使接头 转动时，接头能够移动。
根据另 一个实施例，如上所述的叶片中的接头被设置成相对叶片
纵向方向成在-60度至+60度之间的角度，并且设置成与叶片根部 的距离为叶片长度的80%-90%。
此外，本发明涉及一种如上所述的用于风力发电装置的叶片，其 至少在接头周围的区域上是由弹性材料诸如橡胶制成。从而实现了 在对叶片周围的风流动图象破坏最小的情况下从未转动部分到转动 部分的平滑过渡，因此由转动引起的功率损失同样地降到最小。相 比于叶片和叶梢之间的緩慢(edged)或非弹性过渡，这种平滑过渡
还使得噪声得到降低。
根据本发明的另一个实施例，叶片包括旋转接头或在叶片纵向方 向上有一定伸展性的弹性接头。通过后者实现了叶片的更渐进的转 动，继而对叶片壳体材料的弹性要求更小了。
此外，本发明涉及如上所述的用于风力发电装置的叶片，其中叶 片包括包含例如电动、液压或气动活塞的且配置成也能够支撑接头 的致动器。从而以在一定程度上简单有效的方式实现叶梢在所需要 的位置上的固定。
根据另一个实施例，如上所述，可以通过一种简单廉价的实现所 要求的动力传递的方法、即通过一个或多个牵线来使叶梢绕着接头 转动。
此外，本发明涉及一种具有根据上述实施例中的一个或多个的叶 片的风力发电装置。
此外，本发明涉及一种改进风力发电装置的操作的方法，该方法
包括通过至少一个可控制的致动器控制将叶片的最远端部分绕着 横向于叶片纵向方向的至少一个接头以某一角度从叶片原始旋转面 上向外转动，从而在运行期间控制转子面积。从而能够改变和/或增 加转子面积，或增加风力发电装置上的叶片和塔体之间的距离。如 上所述，其优点在关于用于风力发电装置的叶片的上文中。
本发明还涉及如上所述的方法，该方法还包括测量风速和/或 叶片变形量，且基于此确定叶梢的转动。从而可以得到以下优点， 即可以作为叶片风速和行为的函数的方式连续地确定给出叶片的最 佳整体形状的叶梢角度。
根据又一个实施例，接头通过至少一个致动器相对于叶梢被支 撑，从而能够有效地控制和维持叶梢角度。
最后，本发明还涉及如上所述的方法，其包括能够使叶梢绕着大 体平行于叶梢的纵向轴线的轴线旋转。因此还能够选择如何转动叶 梢，这在叶片例如是倾斜的或扭转的情况下是有利的。


下面参考这些图对本发明进行描述，其中
图l示出了风力发电装置的典型功率曲线；
图2示出了在前斜视图中看到的、具有根据本发明的转动的叶梢 的风力发电装置；
图3示出了从侧面向内看去的、从毂开始向下并具有根据本发明
的用于改变转子面积的转动的叶梢的风力发电装置；
图4示出了从侧面向内看去的、从毂开始向下并具有根据本发明 的其叶梢被转动以增加转子面积的预弯曲叶片的风力发电装置；
图5示出了从侧面向内看去的、从毂开始向下并具有根据本发明 的用于增加叶梢与塔体之间的距离的转动的叶梢的风力发电装置；
图6示出了根据本发明的用于风力发电装置的叶片的最远端部 分，其中一方面是从上面看过去的，另一方面是从侧面向内看去的；
图7示出了根据本发明的用于风力发电装置的叶片的最远端部 分的另一个实施例，其中一方面是从上面看过去的，另一方面是从 侧面向内看去的；
图8示出了根据本发明的具有弹性接头的用于风力发电装置的 叶片的最远端部分，其中一方面是从上面看过去的，另一方面是从 侧面向内看去的；
图9示出了具有接连两个接头的用于风力发电装置的叶片的最 远端部分的替换实施例，其中一方面是从上面看过去的，另一方面 是从侧面向内看去的；以及
图10示出的与图9相同，但是具有另一个可转动接头位置，其 中一方面是从上面看过去的，另一方面是从侧面向内看去的。
具体实施例方式
图l示意性地示出了风力发电装置的典型功率曲线。该曲线示出 了作为风速V的函数所得到的功率P。在速度为V。的启动风下风力 发电装置开始输出电流，从此功率量在风速达到K之前随着风速增
加而增加。在面积101中，风力发电装置被构造成使风力发电装置的 功率输出和生产率最大。在风速Vi下，风力发电装置产生最大功率Pmax。速度的大小取决于各种因素，诸如包括例如发电机尺寸在内的 经济因素以及要建立风力发电装置的地方的风力条件。从风速Vi开始直至停止速度V2，风力发电装置被构造成产生恒定的最大效益 Pmax。通常不会开发实际可以从高风速中得到的额外功率，因为与一 方面这种升高风速的频率和另一方面由相应更高的风力负载(为更 坚固的齿轮、塔体、发电机等形式)引起的额外生产成本相比，这 是无收益的。在区域102中，在Vi和V2之间的速度下，风力发电装 置通常被构造成使风力发电装置上的负载最小。同样的，在形成具 有相对柔软的叶片的风力发电装置的尺寸时， 一般考虑叶片不能变 形和弯曲很大以至于会撞到塔体的程度(在考虑弯曲的情况下形成 尺寸)，这恰好在高风速下的面积102中是不可忽视的参数。
图2示出了具有坐落在毂203中并与其一起旋转的三个叶片202 的风力发电装置201。被叶片202扫过的旋转面积204的面积大小决 定了风力发电装置能从风中提取多少能量，并因此决定了其功率输 出。根据经验法则，半径变小1%将意味着产生的功率减少2-3%。 因此叶片的有效长度对于风力发电装置的生产率来说是关键的。根 据用于叶片202的材料，它们可具有相当的挠性，这种挠性在风负载 的作用下导致叶梢发生相对大的变形和弯曲。作为一个实例，在对 应于普通运行条件的风速的情况下，长度为30米的玻璃纤维叶片能 够弯曲多达6米。因此，这种弯曲在相当大的程度上减少了转子面 积204。根据运用本发明的一个实施例，为了补偿叶片的这种变形， 各个叶片202设有接头206，叶梢205能够绕着该接头转动。在叶梢 未被转动的情况下由叶片扫过的面被指定为原始旋转面。根据该运 用实施例，叶梢205从原始旋转面上向外转动，由此增加转子面积。
这将也能从图3中看出，其中图3以侧视图示出了风力发电装置 201的最下端部分。风力发电装置顶着风向上转动，其中风的方向用 箭头301表示。用虚线302画出处于未变形状态下的叶片202的轮廓，且用实线303画出了处于变形状态下的叶片202的轮廓。此时叶梢绕 着沿叶片一段距离设置的接头206抵靠着风向上转动角度304。如图 所示，这种转动导致叶片从毂中伸出的增加量305，从而导致转子面 积相应增加。优选地，在与毂的距离为叶片总长度的80%-90%之 间的地方设置接头206。根据本发明，叶片也可以设有多个接头。
图4示出了一种具有预弯曲叶片202的风力发电装置。同样，虛 线示出了未变形的叶片302，实线示出了由风301引起变形的叶片 303。在低风速的情况下，预弯曲叶片的变形还不足以发生弯曲，因 此能够实现最大转子面积。在这种情况下，可以通过让叶片的最外 端部分205绕着接头206转动角度304形成叶片从毂203中伸出的增 加量305来增加转子面积。此时，叶梢205朝着与风301 —致的方向 转动。
从增加叶片与塔体之间的距离的视角出发可以使用如上图所示 的具有铰接叶梢的叶片。这在图5中得到说明，其类似于图3和4， 在叶片202处于最低位置的情况下，以侧视图示出了风力发电装置。 风力发电装置逆着使叶片沿朝向塔体401的方向弯曲的、具有风向 301的风转动。就这方面来讲，当然不希望叶片在旋转期间撞到塔体。 另一方面，希望尽可能靠近塔体401地放置叶片202和毂203以减少 主轴长度，从而减少齿轮和轴承上的负载和力。在能够使叶梢关于 接头206转动时，叶片202与塔体401之间的临界距离变大。此外， 转动可以用作特别是在高风速的情况下需要的风力发电装置上的刹 闸。最后，通过转动成近似垂直于叶片的其它部分(如图5中画出 的那样)，叶梢205可以用作小翼。小翼特别是在汽车和飞机领域为 人们所熟知并且起到这样的效果，即，使叶梢周围的涡流形成最小， 因而相当大地减少了来自旋转叶片的噪声和增加了空气动力性能。
图6-10示出了根据本发明的具有一个或多个接头206的叶片的 不同实施例。这些图的共同点在于它们示出了叶片的最远端部分， 其中一方面是从上方垂直于叶片的纵向方向501和叶片轮廓的弦 (cord) 502看到的(在左边示出)，另一个方面是从叶片边缘向内 看到的(在右边示出)。虚线表示叶梢的未弯曲和部分弯曲状态。
图6示出了一个实施例，其中横向于叶片的纵向方向501设置旋 转接头206。例如，接头可以配置为铰链或类似物。在示出的实例中， 接头206设置成大致垂直于叶片的纵向方向501，但是也可以选择将 其相对于纵向轴线成角度601地放置。这在图7中得到说明。在这里， 关于图6的左边，叶片轮廓被详细地示出以清楚示出接头206沿叶片 轮廓503中的弦502的位置。还可以选择以其它一些方式设置接头， 例如在一段叶片壳体的最外端。接头的位置决定了叶梢205的最终位 置，因此接头的最佳结构一方面取决于接头被使用时所处的风速和 其用途(例如用作小翼或为了增加转子面积)，另一方面取决于叶 片的特定设计参数，诸如叶片沿其长度的扭转量、叶片是否为斜度 可调整的以及叶片的长/宽比。在图6所示的实例中，使旋转接头转 动角度504。这可以通过例如能够如箭头507所示那样移动的一个或 多个液压活塞506进行控制。 一方面，活塞能够提供功率以使叶梢 205转动所需要的角度；另一方面，活塞支撑接头，并且抵消来自风 的压力并且将叶梢205固定所需要的位置上(不管是未转动状态还是 转动状态下)。液压活塞可以设在叶片轮廓503上以施加压力或进行 拖拉。根据另一个实施例，所需要的拉力也可以由一个或多个牵线、 或牵线与一个或多个活塞的组合来供应。此外，其它类型的已知致
动器可用于转动叶梢。
根据本发明的一个实施例，用于各个叶片的动力机械装置连接到 中央控制单元，该中央控制单元连接到气象台。该中央控制单元接 收到关于风速的信息，基于这些信息来确定和控制叶梢的最佳转动。 或者，也可以基于叶片的弯曲或负载的测量结果控制叶梢的转动， 其中测量结果可以例如通过用应力计、光纤维传感器或GPS对一个 或多个叶片进行连续测量得到，或者通过用例如红外线或类似的对 叶梢与塔体之间的距离进行测量得到。
为了确保尽可能地不干扰叶片周围的流场，在接头位置周围的区 域中，叶片壳体是用弹性材料制成。因此，可以实现从未转动叶梢 连续过渡到转动叶梢。此外，在叶片回复到其起始位置上时，可重 新获得叶片的原始平滑表面。根据本发明的另一个实施例，整个叶 梢是由弹性材料制成。其实例为橡胶。
图7说明了具有可绕着旋转接头206诸如铰链转动的叶梢205 的叶片。与图6中示出的实施例相反，虽然此处还横向于叶片纵轴 501设置接头206，但是接头被设置成相对于纵轴成角度601而不是 如图6所示的设置成与之垂直。这样导致了叶梢205的另一种转动结 构，其可根据叶片是否倾斜或扭转以及其倾斜量或扭转量，更直接 地逆着风向上转动并因此得到更大的最终转子面积。
图8示出了本发明的一个实施例，其中叶片中的接头206被配置 为在叶片的纵向方向501上有一定伸展量的弹性接头。因此叶梢205 的转动要通过某一段叶片发生。这可能是有利的，因为从未转动叶 片到叶梢的过渡延伸了较长的距离并因此变得递增渐进的。因此， 可以减少叶片壳体材料在各点上的所要求弹性变形，且可相应地减 少材料上的负载。通过此实施例，可以得到与具有如上图6和7所示 的旋转接头的例子相同的最终角度504，且可以通过例如液压活塞或 其它致动器和/或牵线以同样的方式对转动进行控制。
还可以在叶片上连续放置几个接头，因此在几次操作中或在几个 地方同时转动叶梢，这样也可以如上述那样减少叶片材料上的负载。 叶梢205的转动也可以与叶梢绕着叶片的纵轴501的旋转结合在一 起。这在图9和10中得到说明。在图9中，如上所述那样，首先绕 着横向于叶片纵轴的根据本发明的旋转接头206以角度504转动叶梢 205。然后绕着叶片的纵轴501如箭头801所示地旋转叶梢。在图10 中，对这两个旋转接头的顺序进行了转换以到达这样的效果，即首 先如箭头801所示地绕着纵轴501旋转叶梢205，然后绕着横向于叶 片纵轴的旋转接头206转动叶梢，随之得到另一个最终转动位置。如 前所述，形成叶梢的最佳转动的接头方式、数量以及类型取决于几 个不同的参数，诸如叶片沿其长度的扭转，以及取决于当前风速的 叶片转动目的。
将能理解在本说明书和图中提及的发明可被改进和改变，同时继 续包括在由以下权利要求所限定的保护范围内。
权利要求
1.一种用于风力发电装置的叶片(202)，其特征在于，其包括至少一个可控制致动器(506)，其设置在叶片内部并且包括例如电动、液压和/或气动活塞；至少一个接头(206)，其横向于叶片的纵向方向(501)，可通过所述可控制致动器控制叶片的最远端部分(205)绕着接头(206)从叶片原始旋转面向外转动一角度，从而能够在运行中控制转子面积(204)。
2. 如权利要求1所述的用于风力发电装置的叶片，其中接头 (206)大体沿着叶片轮廓的弦(502)设置。
3. 如权利要求1-2中的一项或多项所述的用于风力发电装置的 叶片，其中接头(206 )被设置成相对于叶片的纵向方向(501)成在 -60度到+60度之间的角度(601)。
4. 如权利要求l -3中的一项或多项所述的用于风力发电装置的 叶片，其中接头(206)位于与叶片根部间隔为叶片长度的80%-90% 的地方。
5. 如权利要求l-4中的一项或多项所述的用于风力发电装置的 叶片，其中叶片至少在接头(206)周围的区域上是用弹性材料诸如 橡胶制成。
6. 如权利要求1 - 5中的一项或多项所述的用于风力发电装置的 叶片，其中接头(206 )包括旋转接头。
7. 如权利要求l-6中的一项或多项所述的用于风力发电装置的 叶片，其中接头(206)包括在叶片的纵向方向(501)上具有一定伸 展性的弹性接头。
8. 如权利要求l-7中的一项或多项所述的用于风力发电装置的 叶片，其中叶片包括致动器(506),该致动器包括例如电动、液压 或气动活塞，所述活塞被构造成能够支撑接头(206)。
9. 如权利要求l - 8中的一项或多项所述的用于风力发电装置的 叶片，其中叶片包括被构造成能够绕着接头(206)转动叶片的最外 端部分(205 )的牵线。
10. —种以根据权利要求1-9中的一项或多项所述的叶片为特 征的风力发电装置。
11. 一种改进风力发电装置的操作的方法，其特征在于，其包括 通过至少一个致动器(50)控制叶片的最远端部分(205)绕着横向 于叶片的纵向方向(501)的至少一个接头(206)从叶片原始旋转面 向外转动一角度，从而在运行期间控制转子面积(204)。
12. 如权利要求11所述的方法，其中相对于叶片转动叶片的最 远端部分(205 )，从而增加旋转面积(204)。
13. 如权利要求11所迷的方法，其中叶片的最远端部分(205) 相对于风转动，从而增加风力发电装置上的叶片(202)与塔体(401) 之间的间隔。
14. 如权利要求11-13中的一项或多项所述的方法，还包括测 量风速并基于该分速确定叶梢的转动。
15. 如权利要求11-14中的一项或多项所述的方法，还包括测 量叶片的变形并基于该变形确定叶梢的转动。
16. 如权利要求11-15中的一项或多项所述的方法，还包括通 过至少一个致动器(506 )相对于叶梢(205)支撑接头(206)。
17. 如权利要求11-16中的一项或多项所述的方法，还包括绕 着与叶片的纵向轴线(501)大体平行的轴线旋转叶梢(205)。
全文摘要
本发明涉及一种用于风力发电装置(201)的叶片(202)，其包括可控制的致动器和横向于叶片的纵向方向的至少一个接头(206)，通过致动器控制叶片的最远端部分(205)从叶片原始旋转面向外转动某一角度。从而能够在运转期间对转子面积进行连续控制，且可以增加/减少叶梢和塔体之间的距离。可通过牵线和/或致动器诸如电动、气动或液压活塞来控制接头的转动和支撑。本发明还涉及使用该机构对运行中的风力发电装置的操作进行改进的方法。
文档编号F03D1/06GK101198788SQ200680021746
公开日2008年6月11日 申请日期2006年6月16日 优先权日2005年6月17日
发明者T·瑟伦森 申请人:Lm玻璃纤维有限公司