专利名称：包括后缘副翼和压电致动器的风轮机叶片的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及风轮机叶片，尤其是带有可替换的后缘部分的风轮机叶片，该后 缘部分也称为副翼，用于改变叶片的空气动力学外形并由此影响整个叶片结构上的升力和 曳力。特别地，本实用新型涉及一种用于使叶片的后缘部分相对于主体叶片部分移动的致 动器结构，该致动器结构包括压电元件的堆叠。
背景技术：
已知后缘副翼影响风轮机叶片的空气动力学特性。 W02004/088130 (Forskningscenter RlS0,Bak et al.)公开了一种包括一个或多个可变形 的后缘翼型部分的风轮机叶片，该可变形的后缘翼型部分包括用于提供形状变化的致动器 装置。W02004/088130公开了 “智能材料”和集成在可变形材料中的机械致动器的使用，该 可变形材料改变前缘和后缘部分的外部几何形状并从而改变叶片部分的空气动力学受力。 所谓“智能材料”是指一旦供给电压就会变形的材料。优选的材料包括形状记忆合金、压 电材料、磁致伸缩材料、电流变液、电致变色材料、电活性聚合物、手性材料、导电聚合物、光 敏材料、厚的和薄的膜、光学纤维、可调的电介质、自监测材料、自组装材料、自修复/复原 材料、生物材料、电供应、电源和自动力、多层和复合材料和/或“智能复合材料”。
实用新型内容本实用新型的实施例的一个目的是提供以W02004/088130中公开的基于压电的 致动器为基本原理的实施例，该实施例精确、可靠、具有长的使用寿命、能快速响应空气动 力学负荷中的改变或控制指令并且能抗闪电和抗疲劳。在本实用新型的第一方面中，提供了一种风轮机叶片，该叶片包括叶片主体和可 移除地连接到该叶片主体的后缘(尾缘)部分，该叶片还包括-至少一个致动器结构，该致动器结构位于叶片内部，并布置成使后缘部分和叶片 主体相互连接，该致动器结构包括由复数个压电元件构成的堆叠，以使该压电元件的堆叠 能够作为线性致动器运行；-该致动器结构设置成能够使后缘部分相对于叶片主体移动或变形。可通过例如经由电极向压电元件的堆叠供给电压来控制致动器结构。已发现，使 用压电元件的堆叠可使致动器结构可靠、稳定且抗疲劳。而且，这也是容易控制的，例如响 应于供给的电压。对致动器结构的控制可借助于控制系统方便地实现，该控制系统向压电 元件供给电压，例如响应于叶片上的空气动力学负荷的变化、绝对的或相对的风速、湍流、 转子转速、所需动力输出或其它参数。虽然在此一直使用术语“压电元件”，但应当理解，压电元件可以包括随后的任一 元件或材料或由以下的任一元件或材料替代，以便同样实现本实用新型的效果和优点，所 述元件或材料包括形状记忆金属、压电材料、磁致伸缩材料、电流变液、电致变色材料、电 活性聚合物、手性材料、导电聚合物、光敏材料、厚的和薄的膜、光学纤维、可调的电介质、自
4监测材料、自组装材料、自修复/复原材料、生物材料、电供应、电源和自动力、多层和复合 材料和/或“智能复合材料”。本实用新型还提供一种风轮机，尤其是一种水平轴线风轮机，它包括一个或多个 根据本实用新型第一方面的叶片。在其中叶片包括与压电元件接触的电极的实施例中，风 轮机优选包括控制系统，以用于控制通过电极向压电元件的堆叠供给的激活电压，以便从 而控制致动器结构。该控制系统可包括风速仪和/或用于测量至少一个叶片上的负荷的 负荷仪表，以便允许控制系统响应于风速和/或叶片上的负荷来控制该至少一个致动器结 构。用以控制压电元件的电压可借助于一个或多个电极来提供，该电极设置成与压电 元件接触。例如，可设置控制系统以用于通过所述电极控制向压电元件的堆叠供给的激活 电压，以便从而控制致动器结构。该控制系统可响应于外部输入，例如风速测量结果或所 测量的叶片负荷-如叶片表面上的压力，来借助于叶片根部处的一个或多个转矩传感器或 借助于叶片表面的一个或多个压力量表来控制压电元件的堆叠并且因此控制致动器结构。 对致动器结构的控制还也可以或可选择地响应于所需的动力输出或风场的湍流度来完成。 该控制可以响应于风速、湍流、负荷等的即时测量结果来进行，或者可以响应于平均值来进 行，例如根据抽样超过例如2到5秒一直到24小时的时间段的值。在压电元件的堆叠一种适宜的构型中，相邻的压电元件布置成极性方向相交替， 由此可将电极布置在相邻的压电元件之间，相邻的压电元件由于都与相同的电极接触而享 有共同的电极。这种构型节省空间和成本。然而，其中相邻的电极以单向的电极方向布置 的其它构型也是可能的。为避免压电元件的堆叠由于空气动力学负荷对叶片主体或后缘部分的影响而进 入拉伸应力状态，该压电元件的堆叠可借助拉紧(张紧，拉伸)结构的压缩负荷而保持。特 别地，后缘部分上的交替风力负荷，也就是副翼上的交替风力负荷，可使得压电元件的堆叠 进入拉伸应力状态，然而通过将元件保持在压缩负荷下可以避免这种危险。拉紧结构可包 括机械拉紧元件，以用于向压电元件的堆叠提供所需的压缩负荷。为了保护压电元件的堆叠免遭闪电影响或其它不期望的或不可控的电的影响，该 致动器结构优选与叶片表面电绝缘。例如，致动器结构可包括位于压电元件的堆叠两端的 电绝缘元件，从而一方面在压电元件与控制系统之间提供电绝缘，另一方面在压电元件与 周围环境之间提供电绝缘。任选的，可围绕压电元件的堆叠设置外周绝缘元件或绝缘层，以 及提供进一步的保护。例如绝缘元件或绝缘层可包括陶瓷材料、塑料或聚合物材料、木材，或例如包括一 种或多种上述材料的合成材料。它们应该具有足够的厚度来承受闪电的攻击。在本实用新型的一个实施例中，后缘部分在一连接点处枢转地连接到叶片主体 上，该连接点位于叶片的上、下表皮之间。致动器结构的第一端优选与叶片主体连接，并优 选在枢转接点处连接；该致动器的与所述第一端相对的第二端优选与后缘部分连接，并优 选也在枢转接点处连接。致动器结构的第二端和后缘部分的连接点优选在离后缘部分与主 要叶片部分的连接点有一定距离的点上。这样，能向后缘部分施加力矩。连接到叶片主体上的致动器结构的第一端可方便地连接到该叶片主体中的翼梁 上。致动器结构的直接或间接连接到后缘部分上的端部可连接到起支柱作用的杆上，这样可以使得力矩放大。可设置多个致动器结构。例如，可在叶片的弦向横截面中在叶片主体和后缘部分 之间的枢轴互连部的相对端设置致动器结构，以便由此实现两个致动器部分围绕枢轴点向 后缘部分提供共同力矩。在其它实施例中，多个致动器结构可设置用来控制多个分离的副 翼(也就是后缘部分)，所述副翼沿叶片的翼展方向彼此邻近地或相互隔开地布置。在这种 实施例中，分离的后缘部分可以单独地控制，或者它们可通过全部后缘部分所共有的控制 指令来控制。可在压电元件的堆叠的内部包括力传感器。例如，可将一个压电元件构造成是虚 设的(不设置)，它的电信号可被接收以便通过确定在其中产生的电压或电荷的量来测量 经过该处的动态力(动力学力)。更进一步的，致动器结构可包括用于检测该致动器结构的位移的位移传感器。例 如，位移传感器可以是接触或非接触的，例如与致动器结构邻近或接近的光学位移传感器。由力传感器和/或位移传感器产生的输出信号可传送到用于控制后缘部分的移 动的控制系统，以便允许该控制系统将这些信号用于控制目的。在一个实施例中，控制系统 可利用测定的力来进一步使后缘部分偏转-如果测定的压力低于确定的值，指示低负荷， 或类似地减小偏转_如果穿过致动器结构的力超过一阈值。而且，致动器结构测量的位移 可被控制系统使用，来传送更进一步的信号到用于控制叶片的桨距的系统上。例如，当在给 定情形下偏转已经是最大值时-其中风轮机的叶片上需要更多的推力，可减小叶片的桨距 以实现所需的推力或负荷的增加。可选择地，如果致动器的位移不在其最大值，风轮机的整 体控制系统可构造成决定是否(a)减小桨距、或(b)使后缘部分进一步偏转、或(c)执行动 力产生控制器中的改变，例如改变风轮机的同步发电机的转子的磁性程度。这样的决定例 如可基于风速、湍流程度、叶片负荷、转子转速、产生的动力等。通常，对后缘部分的致动器结构的控制可优选与风轮机的其它控制元件联接或集 成。
图1总体示出风轮机；图2示出根据本实用新型的风轮机叶片的横截面；图3示出用于本实用新型的风轮机叶片的致动器结构的第一实施例；图4示出用于本实用新型的风轮机叶片的致动器结构的第二实施例。
具体实施方式
如图1所示，风轮机90包括塔架(塔筒)92和位于塔架顶部的机舱94，该机舱容 纳机械部件，例如齿轮箱、发电机等(未示出)。在机舱的迎风端，轮毂96支承多个风轮机 叶片100。图2示出根据本实用新型的风轮机叶片100的横截面。该叶片包括叶片主体102 和后缘部分104。该叶片100包括上表皮101和下表皮103。叶片主要部分的后部(尾 部)105和107可以是柔性的、弹性的或有弹力的，可例如由适当的层压材料制成。叶片主 体102包括翼梁106和108。在翼梁108的第一突起110处，后缘部分104在枢轴112处可
6移除地连接到叶片主体。在翼梁108的第二和第三突起114和116处，第一和第二致动器 结构118和120的第一端分别通过枢轴122和124与之连接。致动器118和120各自的相 对的第二端通过另外的枢轴126和128连接到后缘部分104的支柱130和132上。各致动器结构118和120均包括由多个压电元件134构成的堆叠，例如压电材料 环或圆形压电材料板。压电元件134的堆叠和由此致动器机构118及120布置成允许致动 器结构作为线性致动器进行操作，以便使得后缘部分104能相对于叶片主体部分102移动、 变形或偏转。当后缘部分104(副翼)绕枢转接点112枢转时，致动器118和120的位移导致该 后缘部分104相对于叶片主体部分102偏转。致动器的操作适当地由控制系统控制，该控 制系统可以例如使得上部致动器118延伸自身长度且同时下部致动器120减小自身的长 度，以用于使后缘部分104偏转。同样的，为了减小后缘部分104的偏转，可操作上部致动 器118以减小其长度，且操作下部致动器120以增大其长度。可以看出，在图2所示的实施 例中，致动器结构118和120相配合以提供围绕枢转接点112的力矩，该枢转接点从126和 128的攻击点处移置，其中支柱130和132起到力放大器的作用。图3更详细地示出致动器结构118和120的第一实施例。除压电元件134的堆叠 以外，所示的致动器结构还包括力传感器136，该力传感器的形式为虚设的压电元件，该力 传感器的电信号可被分接以便通过确定在其中产生的电压或电荷的量来测量连续穿过的 动态力。与压电元件的堆叠相邻的是陶瓷材料的绝缘环138和140，用于保护致动器免受闪 电电流。压电元件的堆叠和力传感器在螺栓142和螺母144的压缩载荷下保持在一起，以 在后缘部分104上存在交变风力负荷的情况下避免压电元件的堆叠进入拉伸应力状态。螺 栓头可选地容纳在壳体元件144内。用于向压电元件的堆叠提供操作电压、电荷或电流的 电极(未示出)连接到该压电元件的堆叠上。图4示出总体在图2中示出的致动器结构118和120的第二实施例。虽然图4中 的实施例在自身配置上不同于图3中的实施例，但图4中的与图3类似的元件采用相同的 附图标记。致动器118、120包括压电元件134的堆叠，在所述压电元件134之间布置有第 一激活电极146和第二激活电极148。相邻的压电元件享用共同的电极146和148，如图4 中的箭头所示的，压电元件按照其极性方向布置。力传感器(未示出)可选地包含在压电 元件134的堆叠中。在压电元件的堆叠的相应端部，设有陶瓷材料的绝缘环来防止闪电。压电元件134的堆叠和绝缘环138、140容纳在U型半壳体150和152中，所述半壳 体150、152通过螺栓154和156保持在一起，由此压电元件的堆叠在压缩载荷下被保持，以 便在后缘部分104上存在交变风力负荷的情况下避免压电元件的堆叠进入拉伸应力状态。半壳体150和152形成有向后卷的连接部158和160，以分别连接到叶片主要部分 的翼梁108和后缘部分。除图中示出的元件外，还可设置位移传感器以用于测量或确定致动器118和120 的位移。在此所示出的实施例中，压电元件的堆叠134优选由电极控制，例如图4的实施例 中所示的电极146和148，可响应于控制系统(未示出)产生的控制指令来向所述电极提供 电荷或电流。
权利要求一种风轮机叶片，包括叶片主体和可移除地连接到该叶片主体的后缘部分，其特征在于，该叶片还包括至少一个致动器结构，其位于叶片内部，该致动器结构布置成使后缘部分和叶片主体相互连接，该致动器结构包括由多个压电元件构成的堆叠，该压电元件的堆叠能够作为线性致动器进行操作；该致动器结构布置成能够使得后缘部分相对于叶片主体移动或变形。
2.如权利要求1所述的风轮机叶片，其特征在于，还包括电极和控制系统，该电极与压 电元件接触，该控制系统用于控制通过所述电极施加到压电元件的堆叠上的激活电压，从 而控制该致动器结构。
3.如权利要求2所述的风轮机叶片，其特征在于，压电元件以极性方向相交替的方式 布置，其中，电极布置在相邻的压电元件之间，相邻的压电元件享有共同的电极。
4.如前述权利要求之一所述的风轮机叶片，其特征在于，还包括拉紧结构，以用于在压 缩负荷下保持该压电元件的堆叠。
5.如权利要求1-3之一所述的风轮机叶片，其特征在于，致动器结构与叶片主体和后 缘部分的外皮电绝缘。
6.如权利要求5所述的风轮机叶片，其特征在于，致动器结构包括处在压电元件两端 的电绝缘元件。
7.如权利要求6所述的风轮机叶片，其特征在于，该绝缘元件包括陶瓷材料、聚合物材 料或合成材料。
8.如权利要求6所述的风轮机叶片，其特征在于，该绝缘元件具有足以抵抗闪电电流的厚度。
9.如权利要求1-3之一所述的风轮机叶片，其特征在于，后缘部分在位于叶片的上、下 表皮之间的连接点处枢转连接到该叶片主体，其中，致动器结构的第一端连接到叶片主体， 该致动器的与所述第一端相对的第二端在离所述后缘部分的连接点一定距离的点处连接 到后缘部分。
10.如权利要求1-3之一所述的风轮机叶片，其特征在于，所述至少一个致动器结构包 括多个致动器结构。
11.如权利要求9所述的风轮机叶片，其特征在于，所述至少一个致动器结构包括多个 致动器结构，所述多个致动器结构包括第一和第二致动器结构，该第一和第二致动器结构 分别设置在所述后缘部分的连接点处，以便允许它们向该后缘部分施加力矩。
12.如权利要求1-3之一所述的风轮机叶片，其特征在于，还包括处于压电元件的堆叠 内部的力传感器。
13.如权利要求12所述的风轮机叶片，其特征在于，该力传感器包括虚设的压电元件。
14.如权利要求1-3之一所述的风轮机叶片，其特征在于，该致动器结构还包括位移传 感器，以用于检测致动器结构的位移。
15.如权利要求1-3之一所述的风轮机叶片，其特征在于，该后缘部分形成后缘副翼。
16.一种风轮机，包括至少一个风轮机叶片，该风轮机叶片包括叶片主体和可移除地连 接到该叶片主体的后缘部分，其特征在于，该叶片还包括至少一个致动器结构，其位于叶片内部，该致动器结构布置成使后缘部分和叶片主体相互连接，该致动器结构包括由多个压电元件构成的堆叠，该压电元件的堆叠能够作为线 性致动器进行操作；该致动器结构布置成能够使得后缘部分相对于叶片主体移动或变形。
17.如权利要求16所述的风轮机，其特征在于，该叶片还包括电极，该电极与压电元件 接触，其中，该风轮机包括控制系统，以用于控制通过所述电极施加到压电元件的堆叠上的 激活电压，从而控制该致动器结构。
18.如权利要求17所述的风轮机，其特征在于，该控制系统还包括风速仪和/或用来测 量至少一个叶片上的负荷的负荷量表，该控制系统构造成响应于叶片上的即时风速和/或 即时负荷来控制该至少一个致动器结构。
专利摘要本实用新型公开了一种风轮机叶片，包括叶片主体和可移除地连接到该叶片主体的后缘部分，以及处在叶片内部的致动器结构。该致动器使后缘部分和叶片主体相互连接，且包括由多个压电元件构成的堆叠，以便该压电元件的堆叠能够作为线性致动器进行操作。该致动器结构布置成能够使得后缘部分响应于叶片上的空气动力学负荷而相对于叶片主体移动或变形。该致动器结构由控制系统控制，该控制系统响应于例如所检测的风或负荷特征而向该压电元件的堆叠施加电压。
文档编号F03D1/06GK201757024SQ20102021034
公开日2011年3月9日 申请日期2010年3月26日 优先权日2009年3月26日
发明者S·纳拉斯马鲁 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司