用于风力涡轮机叶片的活动控制面的制作方法

专利名称：用于风力涡轮机叶片的活动控制面的制作方法
用于风力涡轮机叶片的活动控制面与其他申请的关系本申请是2007年4月27日提交的国际专利申请号为PCT/US2007/010438的申请 的部分继续申请，该申请指出美国有权要求2006年4月27日提交的申请号为60/795，956 的美国临时专利申请的递交日期的权益，而且另外要求2007年11月6日提交的申请号为 61/001，999的美国临时专利申请的递交日期的权益。这些申请的公开内容通过引用并入本文。发明背景 发明领域本发明通常涉及弹性系统，尤其涉及具有可变的空气动力学结构并且尤其适用于 在风力涡轮机中使用的弹性翼型装置(resilient air foilarrangement)。现有技术描述疲劳载荷决定了所有风力涡轮机部件的使用寿命。风力涡轮机的叶片旨在用于捕 获风能。随着风力情况(风速和风向)的变化，能量转移至发电机，施加在叶片、齿轮箱和 塔(或支柱)上的机械和结构载荷相应地改变。重要的是在保护基础部件(叶片、齿轮箱、 塔等)不受可能导致失效的破坏应力时，在低风速的情况下捕获风能。疲劳载荷是主要的风力涡轮机设计驱动力。当在低速和中速风力情况下有效地捕 获能量时，叶片必须设计成能够承受高风力阵风。众多的研究显示，风力涡轮机叶片上的疲 劳载荷能随着分布式、快速响应的、活动的空气动力学载荷控制设备，例如小后缘翼片的使 用而大大地减少。风力涡轮机技术当前面临的祧战涡轮机的理论最高效率为59. 3%。现代的风力涡轮机操作令人惊讶地接近用作说 明的约50%的效率。瑞利(Rayleigh)风速分布提供了一些挑战，即能使效率额外地增加极 少的百分点。较大的叶片捕获更多的能量，因为所捕获的能量与扫掠面积直接相关。当阵风冲 击叶片时，较大的叶片还对叶片根部和基础结构施加极大的应力。有必要减少叶片的疲劳 损坏，以及转移至齿轮箱的载荷应力。载荷应力的这种减少对于风力涡轮机系统的使用寿 命是非常关键的。原材料成本的增加迫使涡轮机成本上升，且风力产生的能量成本(COE)目前仅仅 在风力较高的风场具有竞争力，这些风场往往远离人口中心(因此需要建设昂贵的传输线 路来将电输送至市场)。然而，这是减少涡轮机COE的机会。疲劳载荷和控制方法改进COE的一种方式是限制旋翼必须经受的疲劳载荷。振荡(疲劳)载荷是由于 旋翼偏航误差、风切变、风向上流、轴倾斜、阵风以及风流动中的湍流产生的。这些疲劳载 荷在涡轮机设计中通常是主要考虑因素。如果这些载荷的等级可以降低，那么某些材料可 以从旋翼、塔和驱动系统中移除，从而相应地减少涡轮机的资金成本和C0E。可选择地，较
5大直径的旋翼可以放置在现有的塔和驱动系统上，从而导致附加能量的捕获并且减少C0E。 控制疲劳载荷的方法包括叶片距(共同地或独立地)、被动弯扭耦合(passive bend-twist coupling)、常规翼片和控制面的活动变形。叶片距控制提供一种装置，该装置用于在其纵轴周围为所有的叶片共同地定距， 从而改变冲击的有效角。这种共同的定距控制装置用来限制平均载荷，而不能有效地控 制由于阵风和湍流产生的极大的载荷。研究者试图独立控制叶片而不是共同定距，称为 "IBC-独立叶片控制”。现代涡轮机上的大型叶片造成了沿着叶片长度的不均勻流动，因此 整个叶片的定距并非有效。叶片必须局部控制才有效。另外，大叶片并不能足够快速地定 距，以减轻由于阵风和湍流引起的疲劳载荷。最近研究者已经开始调查被动弯扭耦合。完成该弯扭耦合的一种方式是设计叶片 以便当风吹得过于强烈时可以弯曲，从而遮挡部分的风。这就是所谓的被动控制。当常规 的涡轮机在高风力下为了安全起见必须关闭时，被动控制的叶片能够继续运转。这种系统 的缺点包括需要调整叶片的设计以及各个风场的结构。因此，用于局部控制叶片形状的活 动装置有望减少疲劳载荷、增加能量捕获以及减少风能的成本。减少随机发生的以及沿着叶片长度改变的疲劳载荷的真正有效的方法是根据外 部风力的情况迅速地将叶片的某些部分变形。这种表面可能是叶片的前缘或后缘。虽然本 发明描述的方法适用于任何这样的控制面，但是后缘变形似乎是首选的控制疲劳载荷的方 法。面临的挑战是要设计这样一个系统，该系统能够快速响应风力情况的变化，并且是可靠 的、耐用的且有成本效益的。常规的后缘翼片，例如通常用于飞机上的翼片，是铰链式翼片，并作为高升力装置 在起飞和着陆过程中使用。通常在巡航过程中，铰链式翼片都没有展开，因为它们由于因刚 性铰链式装置使流动面急剧地变化而导致的流动分离使得产生了极大的拖拽力。如果在风 力涡轮机中使用铰链式翼片，这将非常低效且非常不可靠。常规的铰链式翼片不适用于风 力涡轮机叶片的应用，因为表面不连续性会引起由于空气动力学特性，例如升/阻比差而 导致的叶片失速、噪音以及动力损失。设计将控制面变形的顺应式结构形状的过程是一个涉及空气动力学、结构力学和 运动学的各学科间高度交叉的过程。这些组成部分都是相互关联的，使得最终的顺应式结 构设计在很大程度上取决于所有的三个(

图1)。从本质上讲，空气动力分析驱使着理想的 空气动力学形状，并且预测这些形状经受的压力分布。运动学涉及给定设计限制即可实现 的形状，如限制表面周边(surface perimeter)的伸长率和减少涉及结构应力的曲率转变。 请注意，该结构在中间目标形状(称为中间应变位置)的范围可以最优化，从而降低了整个 形变外壳(shape change envelope)的力和应力。这将使目标形状设计更加重要，因为中 间应变形状必须能够准确地变成最终的目标形状。本发明的目的是提供一种装置，该装置积极地促使风力涡轮机叶片的某些部分变 形，以配合不断变化的风力情况。在这种情况下，可以将疲劳载荷减到最少。因此，例如，当 阵风冲击叶片时，活动控制使预先确定的曲面或形状变形，以限制转移到叶片、齿轮箱和塔 的载荷和应力。这允许较长的叶片安全地用于捕获更多的能量而免于承担由阵风或风切变 引起的灾难性故障的风险。

发明内容
上述的和其他的目的通过本发明来实现，本发明提供具有至少一个翼型叶片的类 型的风力涡轮机，该翼型叶片具有用于响应于冲击气流而对发电机施加扭矩的纵向构造。 根据本发明，上述风力涡轮机设置有用于响应于旋转力的应用来产生电能的发电机。顺应 式翼型边缘装置(compliantairfoil edge arrangement)沿着翼型叶片的边缘设置，用于 翼型叶片的纵向尺度的至少一部分。另外，变形驱动装置(morphing drive arrangement) 改变顺应式翼型边缘装置的构造，从而改变翼型叶片以及顺应式翼型边缘装置的空气动力 学特性。在本发明的一个实施方式中，提供了一种传感器，该传感器用于提供响应所述顺 应式翼型边缘的预先确定的运转情况的数据。由传感器发出的数据适用于控制，例如通过 控制器响应于由所述传感器发出的数据而控制变形驱动的运转。在一些实施方式中，传感 器监视可能影响风力涡轮机的运转的周围情况，而且在这样的实施方式中，传感器被放置 在风力涡轮机的附近，以在接近风力涡轮机的场地的远处作为例证。在其他的实施方式中， 遥感器将为多个风力涡轮机提供数据。在本发明的一个实施方式中，顺应式翼型边缘设置为翼型叶片的后缘。在本发明的进一步实施方式中，变形驱动装置具有沿着翼型叶片的至少一部分纵 向延伸的推-拉轴杆。联动装置(linkage arrangement)使推-拉轴杆的纵向运动转换为 跨纵向运动(translongitudinal motion)。在一些实施方式中，变形驱动装置具有电动机械执行机构，该电动机械执行机构 提供用于改变顺应式翼型边缘装置的构造的驱动力。在其他实施方式中，变形驱动装置包 括提供用于改变顺应式翼型边缘装置的构造的驱动力的液压执行机构。在液压执行机构实 施方式中，还提供了一种用于提供加压液压流体的液压泵。同样，液压线路、或管道设置成 沿着翼型叶片延伸，以提供液压泵与液压执行机构之间的流体连接。在液压执行机构实施方式的一些实施方式中，变形驱动装置包括用于给液压泵提 供机械能的电动机。然而，在其他实施方式中，变形驱动装置包括用于响应于由翼型叶片施 加的扭矩来给液压泵提供机械能的连接装置。按照本发明，风力涡轮机的运转通过采用提供响应风力涡轮机的预先确定的运转 情况的数据的传感器来改进。在各种实施方式中，这样的预先确定的情况对应于风速、涡轮 机旋转、叶片载荷、执行机构载荷、支柱载荷等。控制装置响应于由传感器发出的数据来控 制液压泵的运转。根据想要由传感器产生的数据的类型，传感器设置在翼型叶片、发电机的 壳、支撑风力涡轮机的支柱等上。另外，在一些实施方式中，传感器设置成提供响应顺应式 翼型边缘装置的变形程度的数据。在一些实施方式中，这种传感器可以是旋转编码器。另 外，如前所述，在本发明的一些实施方式中，传感器位于风力涡轮机附近。在本发明的特定的示例性实施方式中，提供了用于控制液压压力对液压执行机构 的应用的液压阀。在一些实施方式中，液压阀为电力驱动的。作为例证，这种电力驱动是通 过螺线管或类似的电力装置实现的。然而，在其他的实施方式中，上述液压阀是机械驱动 的。例如，这种机械驱动是通过电缆索或轴实现的。在本发明的有利的实施方式中，顺应式翼型边缘装置被设置成可更换的盒式件 (replaceable cartridge)，该可更换的盒式件可移动地安装在翼型叶片上。上述可更换的
7盒式件在翼型叶片的纵向构造的约10%至90%之间延伸，并在本发明的可行的特定示例 性实施方式中，在翼型叶片的纵向构造的约25%上延伸。在一些实施方式中，上述可更换的 盒式件被跨纵向地推入与翼型叶片连接。然而，在其他实施方式中，上述可更换的盒式件通 过沿着翼型叶片的槽或夹缝纵向滑动翼型叶片来安装。仍然在本发明的进一步实施方式中，还提供了传动杆，该传动杆沿着顺应式翼型 边缘装置延伸，以有利于顺应式翼型边缘装置与变形驱动装置的连接。在有利的实施方式 中，传动杆与顺应式翼型边缘装置整体形成。在其他实施方式中，传动杆将预先确定的刚 度特性赋予顺应式翼型边缘装置。在其他实施方式中，提供了刚度控制构件(stiffness control element)，该刚度控制构件用于将预先确定的刚度特性赋予顺应式翼型边缘装 置。在一些实施方式中，用于变形驱动装置的可移动支架由线性轴承装置提供。除了 支撑上述变形驱动装置以外，线性轴承装置将减少实现顺应式翼型边缘装置的变形所需的
能量的量。在本发明的特别有利的实施方式中，顺应式翼型边缘装置设置有在顶点处彼此相 连的上表面和下表面。上述上表面和下表面设置成在顶点处彼此滑动。根据本发明的进一步装置方面，提供了一种用于翼型的边缘变形装置，该边缘变 形装置具有顺应式翼片装置，该顺应式翼片装置具有上顺应式表面和下顺应式表面，该上 顺应式表面和下顺应式表面在远端部彼此可滑动。上驱动构件和下驱动构件各自与在远端 部附近的上顺应式表面和下顺应式表面中的相应地相关的一个相连。另外，驱动装置经由 上驱动构件和下驱动构件将相应的驱动力施加于上顺应式表面和下顺应式表面。在一个实施方式中，上驱动构件和下驱动构件设置有上纵向构件和下纵向构件， 该上纵向构件和下纵向构件在上顺应式表面和下顺应式表面中的相应地相关的顺应式表 面与驱动装置之间传递力。在一些实施方式中，纵向构件为驱动缆索，而在其他的实施方式 中可为杆。在进一步的实施方式中，边缘变形装置包括用于提供机械能的电动机。连接装置 将该电动机连接至上纵向构件和下纵向构件。电动机可为旋转型的，或在其他实施方式中， 电动机为线性型的。该连接装置包括连接至上纵向构件和下纵向构件的纵向可移置构件 (longitudinally displaceableelement)。在一些实施方式中，上述纵向可移置构件为缆 索，而在其他的实施方式中，上述纵向可移置构件可为杆。在纵向可移置构件为缆索的实施 方式中，在一些这样的实施方式中，提供了用于将该缆索连接至电动机的滑轮。在本发明的一些实施方式中，还提供了翼型体和用于将翼型体接合到顺应式翼片 装置的连接件。在特定的实施方式中，驱动装置的至少一部分放置在翼型体内部。按照本发明的进一步方面，提供了用于风力涡轮机叶片的翼型装置。上述翼型装 置设置有具有纵向构造和边缘的叶片体。另外，还提供了顺应式翼型边缘装置，该顺应式翼 型边缘装置沿着叶片体的边缘设置，用于叶片体的纵向尺度的至少一部分。在本发明的该进一步方面的一个实施方式中，还提供了变形装置，该变形装置用 于通过重新配置顺应式翼型边缘装置来改变翼型装置的空气动力学特性。在一些实施方式 中，提供了在叶片体内的多个变形装置。在一些实施方式中，上述多个变形装置为独立地可 操作的，以实现顺应式翼型边缘装置上的扭曲构造。
8
在进一步的实施方式中，变形装置包括用于提供机械能的电动机。另外，连接装 置将上述电动机连接至顺应式翼型边缘装置。在一些这种实施方式中，上述连接装置包括 用于沿着叶片体纵向施加往复力的纵向可移置驱动构件(longitudinally displaceable actuation element)。横向可移置驱动构件将纵向可移置驱动构件连接至顺应式翼型边缘 装置。在一些实施方式中，叶片体具有用于将叶片连接至风力涡轮机的连接部，且电动机放 置在上述连接部中。然而，在其他的实施方式中，上述电动机放置在上述叶片体内。仍然在进一步的实施方式中，提供了便于横向可移置驱动构件的移置的线性轴 承。附图简述通过阅读以下详细说明连同附图，有利于理解本发明，其中图1是表示根据本发明的原理构建的具有可变形前缘的叶片的剖面图；图2是表示图1所示的叶片的变形装置的剖面图，其中没有叠加的可变形盖子；图3是表示图1所示的叶片的变形装置的一部分的等角视图，其中没有叠加的可 变形盖子，这有助于说明纵向运动转换为旋转移动的方式；图4是表示图1所示的叶片的变形装置的一部分的等角视图，其中没有叠加的可 变形盖子，这有助于说明纵向运动转换为旋转移动的方式；图5是表示图1所示的叶片的变形装置的剖面图，大体上在中间方位上显示该叶 片的可变形部分；图6显示执行机构布置以及有关叶片跨度的代表性的长度比例；图7是表示修改的翼片执行机构的示意图；图8 (a)、8 (b)和8 (C)是表示设置有网状结构(web-like structure)且由可变厚 度芯层(图8(b))或复合层压板(图8(c))形成的成层结构装置的简化示意图；图9是表示没有网状结构的成层结构装置的简化示意图；图10是表示带有特制的芯层结构的成层结构装置的简化示意图，以多孔材料形 成的芯层结构为例；图11是表示具有带有连接顶部构件和底部构件的芯层的分裂式翼片的装置的简 化示意图；图12是表示固定-固定式装置的简化示意图，其中，下表面的内向运动实现翼片 形状的变化；图13是表示具有可变厚度的表面周边以使周边刚度的“特制”达到理想轮廓的最 佳匹配的标准翼型的简化示意图；图14是表示具有可变厚度的表面周边以使周边刚度的“特制”达到理想轮廓的最 佳匹配的变薄/变厚的翼型的简化示意图；图15是表示根据本发明的原理构建的分裂式翼片翼型装置的简化示意图；图16是表示用于风力发电类型的风力涡轮机的简化示意图；图17是表示图16所示的风力涡轮机的翼型叶片的简化剖视示意图；图18(a)是表示用于风力涡轮机的翼型叶片的简化剖视示意图，而图18(b)是图 18(a)所示的翼型叶片的一部分的放大，显示驱动机械装置；图19是表示利用线性轴承与翼片执行机构结合的风力涡轮机的翼型叶片的简化
9剖视示意图；图20是表示图19所示的翼型叶片的简化示意图，示出用于在致动时实现翼型叶 片的扭曲的双重执行机构；图21是表示翼型叶片的简化示意图，示出用于实现顺应性变形的双重液压或气 动执行机构，包括在致动时翼型叶片的扭转，且还进一步示出延伸通过翼型叶片的内部的 压力线；图22是表示显示根据本发明构建的自适应翼片模块的安装的风力涡轮机叶片的 简化剖面透视图；图23是表示安装在图22所示的风力涡轮机叶片上的自适应翼片模块的简化剖面 透视图；图24是表示安装在图22所示的风力涡轮机叶片上的自适应翼片模块的简化剖面 透视图，以及进一步示出在本发明的特定的示例性实施方式中的自适应翼片模块跨度了风 力涡轮机叶片的约25% ；以及图25是表示安装在图23所示的风力涡轮机叶片上的自适应翼片模块的简化剖面 放大示意图；详细说明图1是表示具有可变形前缘20的叶片边的剖面图。如该图所示，叶片10另外还 设置有中央支撑翼梁12和后缘14。上述可变形前缘具有叠加的顺应式盖子，该叠加的顺应 式盖子具有上部22、下部23，该上部和下部由中间的前部25连接起来。图2是表示叶片边的变形装置20的剖面图，该变形装置被放大以显示其结构细 节。在本图中，重叠的可变形盖子已经被移除。如图2所示，翼梁12已经连至支架30，该支架30具有连接旋转构件40的枢轴32， 该旋转构件40可沿着箭头41和42的方向绕着枢轴32旋转。旋转构件40与臂部44 一起 整体形成，该臂部44与连接部45连接。旋转构件40响应于凸轮杆60的纵向运动是可旋 转的。上述凸轮杆由具有凸轮杆支撑部52的凸轮系统支撑件50支撑。在本图中，凸轮杆 60可沿着附图平面的内外纵向活动。图3是表示图1的叶片边的部分变形装置20的等角视图。先前描述的结构构件 为类似指定的。在本图中，叠加的可变形盖子为了清楚起见未被示出。另外，可旋转构件40 未被示出，但是示出了经由滚针轴承48a和48b连接到上述可旋转构件的凸轮47a和47b， 上述滚针轴承使凸轮的旋转更加容易。示出的凸轮47a和47b与凸轮杆60的沟槽62啮合。 下文中将要描述的凸轮纵向关于叶片丛的纵轴11纵向固定，因此，随着凸轮杆60朝着箭 头61的方向移动，凸轮将沿着箭头49的方向横向移动。图4是表示图1所示的叶片丛的变形装置的一部分的等角视图，而叠加的可变形 盖子已经被移除。先前描述的结构构件为类似指定的。本图示出，随着凸轮杆60沿着箭头 61的方向移动，旋转构件40将关于枢轴32沿着箭头42的方向旋转。因此，臂部44和连接 部45将向下移动。相反，当凸轮杆60沿着与箭头61所指的方向相反的方向移动时，旋转 构件40将沿着与箭头42所指的方向相反的方向旋转，并且连接部45将相应地向上移动。图5是表示图1的叶片边的变形装置的剖面图。先前描述的结构构件为类似指 定的。在本图中，安装了可变形盖子，以形成叶片边的前缘。上述可变形盖子由上部22和下部23组成，其中该上部22和下部23在前部25连接起来。上部22在连接接合部77处 固定地连接至翼梁12。然而，下部23在滑动接合部78处可滑动地连接至翼梁12。另外在 本图中还示出了网结构71和72 (在横截面中示出)，其中该网结构71和72各自的上端与 可变形盖子的上部22连接，并且其下端在传动联杆74的接合部75处与上部23连接。示 出的传动联杆74与旋转构件40的连接部45连接。当凸轮杆60被迫沿着凸轮杆支撑部52 纵向运动时，旋转构件40旋转，如下所述，于是旋转构件的连接部45迫使传动联杆74上下 运动。执行机构诜择致动前缘翼片的一种方法是用推杆(或有恒定张力的杆)沿着叶片间距来提供纵 向运动。这种方法使得执行机构远离高离心力位置向内定位。尽管调查了各种致动策略， 但是为了开发用于将执行机构的运动与顺应式结构连接起来的合适的方法，执行机构的运 动(线性的、旋转的或其他的)连同系统封装都应当被考虑。理想的情况下，执行机构的位 置有助于对前缘系统尽可能地施加杠杆作用(或增加前缘的刚度)。为了维持高的结构刚 度和完整性，这可能是必须的(就任何不良气动弹性现象，如由气动压力载荷导致的临界 发散或形变)。然后，执行机构特征能够被输入至顺应式机械设计算法中，以优化系统性能。(a)旋转式执行机构、(b)线性执行机构、(C)有或无减速传送装置、(d)嵌入式驱 动理念以及(e)可选择的驱动方案的信息和数据都已经被编辑。执行机构的最终选择取决 于许多因素，这些因素包括驱动顺应式控制面所需的可靠性/耐用性、力/位移、需要传 送系统、包装、重物(包括驱动电子设备)以及功率容量。由于具体的考虑(标准)以及权 衡，可能存在不同的解决方案。图6是显示执行机构104的布置以及关于叶片跨度的代表性长度比例的叶片IM 的简化示意图。本图中所示的叶片■具有经由平衡弹簧106连接的执行机构104以及张 力杆108至凸轮系统110，该凸轮系统110将线性运动转换成旋转运动，其中该运动被施加 于顺应式翼片109。在本实施方式中，上述执行机构被设定成产生根据箭头111的运动。离 心力被示出将沿着箭头112朝向叶片尖端114的方向。叶片的中心被指定为116。图7是表示修改的翼片执行机构_的简化示意图。在本图中，先前讨论的结构 构件为类似指定的。执行机构104经由调整弹簧132连接至张力杆133。与图6的实施方 式相比，图7的实施方式具有连接至第二张力杆136的重定向滑轮134。在本实施方式中， 张力杆136具有在距重定向滑轮134的远端处附于其的平衡质量138。图7表示的修改产生了离心力的稳定的偏移，而不需要重且硬的平衡弹簧。由于 在最后的10%的叶片跨度中无翼片区以及因为这里的高G载荷，可以用相对较小的质量来 产生平衡力以抵消离心力，它由于重定向滑轮134的作用而部分地反向，在一些实施方式 中，重定向滑轮134被配置成齿条齿轮(未示出)或滑轮系统。本实施方式中的线性调整 弹簧有更多的自由作为“刚度调整”来最大限度地减少所需工作频率的系统的阻抗。通过这 种方式，减小了执行机构力的振幅。同样，因为将线性弹簧调整的比平衡弹簧软，从而能够 大幅度减少执行机构偏置力。对前缘中包装空间的分析表明，有空间放置第二薄的张力杆 136，在一些实施方式中，其可以配置成具有 1/8"的截面直径，而且仍然有足够的长度和 刚度来支撑位于旋翼末端114的平衡质量138。当然，平衡质量138增加了系统的附加的重 量以及复杂性，但是该附加的重量可能大大地少于一些12重型螺旋拉伸平衡弹簧的附加
11质量。如图7所示，上述线性执行机构位于叶片的中心116的附近，因此将执行机构与高 离心载荷分离。该线性执行机构利用张力杆将动力传送至前缘翼片，其中传送的最大刚度 使用碳纤维杆的拉伸/压缩而不是扭转或弯曲(更高的结构效率)来获得。平衡弹簧将抵 消作用在张力杆上的离心载荷。线性执行机构的运动将转换为旋转运动，以利用设计的非常紧凑、重量轻以及在 旋转方向不易弯曲的凸轮式系统来驱动主旋转联杆。沿着翼片跨度，在间隔中将有凸轮台。 间距应当根据元件空间、凸轮系统的机械优点(张力杆的冲程与传动联杆的旋转)以及凸 轮系统的刚度和容许的拖拽(阻尼)来确定。驱动杆始终处于拉紧状态是本发明中张力杆方式的重要方面。因此，同样地，在这 种实施方式中，驱动力构成但是减小了张力。这接近于避免驱动杆扣住的系统设计，这和压 缩的情况一样。图8 (a)、8 (b)和8 (c)是表示设置有网状结构202的成层结构装置■的简化示 意图，在本发明的该具体的示例性实施方式中，该网状结构202与顺应式外壳(compliant skin) 210结合，这将在下面连同图8(b)和图8(c)进行更加详细的描述。参照图8(a)，示 出的成层结构装置■设置有传动杆204，该传动杆204通过执行机构208的运转将线性力 应用到后部翼梁206。传动杆204的运动被传送到顺应式外壳210，该顺应式外壳的运动通 过滑动连接件214来调节，在本发明的一些实施方式中，该滑动连接件214可以被设定为弹 性体面板(未示出)。在本发明特定的该具体的示例性实施方式中，图8(b)表示由可变厚度芯层 210(a)形成的顺应式外壳210。可选择地，图8 (c)示出了顺应式外壳210是多层复合层压 板210(b)，其中，为了便于控制厚度，上述层为交错的。如图所示，复合层压板层利用层压粘 合剂211彼此粘结。复合层按照层方位、纤维编织、粘合剂的选择等观点来配置，以达到理 想的顺应式结构刚度和强度。图9是表示不具有图8(a)中描述的网状结构的成层结构装置■的简化示意图。 在本图中，先前讨论的结构构件为类似指定的。图10是表示带有特制的芯层结构252的成层结构装置■的简化示意图，以多孔 材料形成的芯层结构为例。在本发明的该特定的示例性实施方式中，芯层结构252被配置 成在由箭头256显示的大体垂直的方向上具有高刚度特性，以及在箭头258显示的大体水 平的方向上具有低刚度特性。图11是表示固定-固定式装置270的简化示意图，其中，下表面272的内向运动 实现翼片形状的变化。在本实施方式中，两个执行机构276和278通过对抗性驱动缆索277 和279中的相应地相关的驱动缆索而连接到后缘末端翼梁281和282中的相应地相关的后 缘末端翼梁。在一些实施方式中，驱动缆索277和279可以用杆(未示出)来替代。末端 翼梁281和282被配置成在滑动连接件285处彼此滑动。图12是表示具有可变厚度的表面周边302以使周边刚度的“特制”达到理想轮廓 的最佳匹配的标准翼型的简化示意图。当执行机构305如箭头307的方向所示向内运 动操作时，可变厚度的表面周边302的轮廓被促使成为虚线表示的构造并且被指定为309。 在本实施方式中，在顶面或底面上都没有滑动连接件或弹性体表面，因此被称为“固定-固定式”结构。图13是表示具有使周边刚度的“特制”达到理想轮廓的最佳匹配的可变厚度的表 面周边322的标准翼型^的简化示意图。也就是说，为便于有利的轮廓特性的设计，不同 的翼厚度使周边刚度为“特制的”。翼型的变薄通过促使执行机构326和328以箭头的方向 向内牵引而实现。图14是表示翼型·的简化示意图，如图13的上述相关讨论，该翼型·已经通 过执行机构的运转“变薄”。图15是表示根据本发明的原理构造的分裂式翼片翼型装置_的简化示意图。如 本图所示，分裂式翼片翼型装置_具有顺应式结构外壳410，在本发明的该特定的示例性 实施方式中，该顺应式结构外壳410由复合层(没有特别地指定)形成。上述复合层具有 预确定的层方位和纤维编织，各种层彼此通过粘合剂(未示出)保持。在本实施方式中，顺 应式结构外壳410具有随其表面变化的厚度，以达到理想的顺应式特性。分裂式翼片翼型装置_被示出具有末端滑动连接件414，该滑动连接件414由上 部的后缘末端翼梁416和下部的后缘末端翼梁418形成。上述上部的后缘末端翼梁和下部 的后缘末端翼梁中的每一个都分别与对抗性驱动缆索420和422中的一个连接。另外，在本实施方式中还提供了与驱动电动机432的轴连接的驱动滑轮430。驱动 缆索环434围绕驱动滑轮430和惰轮436布置。在本发明的该特定的示例性实施方式中， 驱动缆索420与缆索环434的上段连接，而驱动缆索422与缆索环434的下段连接。因此， 当驱动电动机432在弯曲的箭头的方向上旋转时，驱动缆索420的上段和下段在箭头所指 的相反的方向上推进，从而导致驱动缆索420和422在相反的方向推进。在本发明的该方面的实践中，为了便于将张力选择性地施加于各自的驱动缆索， 可以使用其他的机械装置。例如，在一些实施方式中，对抗性驱动缆索420和422并没有牢 固地与驱动缆索环434连接，而是代替地被允许沿其滑动。缆索环434设置有固定至其的 停止器(未示出)，其使驱动缆索仅沿着一个方向推进，因此避免张力同时施加于两个驱动 缆索。图16是表示用于风力发电类型的风力涡轮机_的简化示意图。如本图所示，风 力涡轮机_具有安装在支撑支架512顶端的发电机510。发电机510具有连接至其的毂 520，在本实施方式中，有三个涡轮机机叶片522、524和526附在该毂520上。例如，涡轮机 叶片522具有与毂520啮合的联结部分522'。以箭头530的方向为例，风将使涡轮机叶片 以及毂旋转，从而使发电机510产生电流。在本发明的有利的实施方式中，提供了用于发出 传感器数据(未示出)的传感器515，应用该传感器数据以控制顺应式翼片(本图中没有 特定的指出)变形的程度。在其他的实施方式中，这种传感器(未示出)放置在毂520和 /或支柱512中。另外，在一些实施方式中，可以应用传感器数据来单独地或共同地控制涡 轮机叶片。如前所述，在一些实施方式中，传感器监视可能影响到风力涡轮机运转的周围情 况，而且在这样的实施方式中，传感器放置在风力涡轮机的附近(未示出)，以在风力涡轮 机附近的场地的远处为例。在其他的实施方式中，遥感器将给多个风力涡轮机(未示出) 提供数据。图17是表示翼型叶片的简化剖视示意图，以风力涡轮机_的翼型叶片522为
13例。在该图中，先前描述的结构构件为类似指定的。示出的翼型叶片522具有由推/拉杆 560驱动的驱动联动系统550。在本图所示的平面内外，推/拉杆560是线性可移动的。另 外还提供了线性轴承565，在本实施方式中，该线性轴承565与传动杆567连接。传动杆567 的驱动使顺应式翼片570呈现出中间(570a)、向上(570b)或向下(570c)位置，当然还有它 们中间的位置。由向上和向下位置之间的转换产生的外壳的位移在本发明的该特定的示例 性实施方式中通过外壳构件571调节，该外壳构件571为弹性体构件，在其他实施方式中为 滑动连接件。图18(a)是表示用于风力涡轮机_的翼型叶片522的简化示意图，而图18(b) 是显示驱动机械装置550的翼型叶片522的一部分的放大图。驱动机械装置550由驱动杆 577的轴向平移操作，该驱动杆577与驱动电动机575连接。该驱动电动机可以为线性电动 机，而在其他的实施方式中，可以为旋转电动机。在本发明的该特定的示例性实施方式中， 驱动电动机575放置在翼型叶片522的联结部分522'中。在其他的实施方式中，驱动电动 机可被结合到毂520内，而在进一步的实施方式中，毂中的单一的驱动电动机可以用于同 时操作所有的三个翼型叶片的重新配置(见图16)。如图18(b)所示，驱动电动机575的驱动使驱动杆577轴向位移，以往复运动为 例。这使得驱动臂580和582围绕驱动杆上的枢轴连接进行枢轴式转动，从而顺应式翼片 570相应地向上和向下移动。图19是表示用于风力涡轮机(本图中没有示出)的翼型叶片_的简化剖视示 意图。在本实施方式中，与执行机构轴615连接的驱动电动机610使传动杆617在双箭头 所指的方向运动。线性轴承620与翼片执行机构相结合地配合。驱动电动机的操作导致顺 应式翼片625在中间(625a)、向上(625b)和向下(625c)位置之间移动。由向上和向下位 置之间的转换产生的外壳的移动在本发明的该特定的示例性实施方式中通过外壳构件627 调节，该外壳构件627为弹性体构件，而在其他实施方式中为滑动连接件。在本发明的该实 施方式中，驱动电动机放置在翼型叶片_中。图20是表示翼型叶片■的简化示意图，并且进一步示出了多个驱动装置能够设 置在该翼型叶片中。更具体地说，本图显示了分别可操作的双重执行机构610a和610b。因 此，可以实现翼型叶片的均勻和不均勻构造，例如造成该翼型叶片的顺应式翼片的扭曲。图21是表示显示液压(或气动)执行机构710和712的翼型叶片IM的简化示意 图。先前讨论的结构构件为类似指定的。执行机构710和712在致动时实现顺应式变形， 包括顺应式翼片625的扭曲。另外本图还示出了延伸通过翼型叶片的内部的压力线715。 在本发明的实施方式中，压力线715与包含在毂520内部的泵720连接。上述毂和泵在本 图中有示例性的体现。在本实施方式中，蓄电池放置在执行机构710和712附近。然而，在 其他实施方式中，蓄电池安装在毂中。通过各自关联的液压阀710a和712a的操作，来自压力线715的液压压力传递到 执行机构710和712。在该特定的实施方式中，液压阀710a为机械操作的，例如通过缆索 (未示出)。液压阀712a为电子操作的，例如通过螺线管(未示出)。在本发明的特定的示例性实施方式的实践方面，上述泵通过驱动装置722来驱 动，其对毂关于吊舱(本图中没有示出)的旋转作出响应，并从中产生机械能。可选择地， 驱动装置722构成了电动机(没有特定指出)，该电动机可以很容易地维护、修理或更换。在一些实施方式中，该电动机设置成从风力涡轮机得到电能。在一些实施方式中，驱动装置722与一个或多个位置传感器或编码器关联，这提 供了对顺应式翼片625的变形的相应的控制。这种传感器或编码器(未示出)安装在毂 520中，或在电动机本身之中。然而，在其他实施方式中，可以在叶片上提供一个或多个传感 器或编码器，以确保精确地控制顺应式翼片625的变形。在本发明的特定的示例性实施方 式中，编码器730和732向驱动控制器735提供位置信号。上述编码器和电动机控制器已 在本图中示例性地显示。在本发明的一些实施方式中，尤其是在本发明的利益是对现有的 风力涡轮机系统的改进的情况，驱动控制器735被结合到先前存在的系统控制装置(未示 出)。在一些实施方式中，传感器740被安装在翼型叶片上，以提供关于风速、涡轮机旋 转、叶片载荷、执行机构载荷等的数据。在本发明的该特定的示例性实施方式中，通过传感 器740产生的数据被传送给驱动控制器735，并且用于控制驱动装置722的运转。在其他的 实施方式中，其中通过毂相对于吊舱的旋转来致动泵，驱动控制器735的功能将应用于控 制泵和毂之间的连接(未示出)。在其他的实施方式中，将在风力涡轮机附近提供至少一个遥感器736。在一些实施 方式中，遥感器位于场地中，以风力涡轮机的农场(未示出)为例，并且能够提供用于控制 多个风力涡轮机的变形的数据。在特定的实施例中，遥感器736与电动机控制器之间的通 信包括无线链路(没有特别指出)。图22是表示显示根据本发明构件的自适应翼片模块815的安装的风力涡轮机叶 片810的简化剖面透视图。翼片模块815的安装通过朝着风力涡轮机叶片810的前缘沿着 箭头817的方向滑动翼片模块815并且将翼片模块在后部翼梁820上紧固到风力涡轮机叶 片来实现。在其他的实施方式中，翼片模块通过沿着槽或夹缝(未示出)纵向滑动翼片模 块而安装在风力涡轮机叶片810上。图23是表示安装在图22所示的风力涡轮机叶片上的自适应翼片模块的简化剖面 透视图。先前讨论的结构构件为类似指定的。在发明的本实施方式中，翼片模块815很容 易移除，以进行维护、修理和更换。图24是表示安装在图22所示的风力涡轮机叶片上的自适应翼片模块的简化剖面 透视图，以及进一步示出在本发明的该特定的示例性实施方式中的自适应翼片模块跨度了 上述风力涡轮机机叶片的约25%。先前讨论的结构构件为类似指定的。在本发明的该特定的示例性实施例方式中，翼片模块815提供士 10°或更多的 曲面变化以及士 10°或更多的翼展方向的扭曲。本发明不限于可移除的顺应式盒式翼片 (removable cartridge flap compliant)，因为在本发明的一些实施方式中，翼片与风力涡 轮机叶片整体形成。另外，在本发明的各种实施方式中，执行机构和传感器可以被结合到风 力涡轮机叶片和/或顺应式翼片。图25是表示安装在如图22-24所示的风力涡轮机叶片810上的自适应翼片模块 815的简化剖面放大图。先前讨论的结构构件为类似指定的。本图示出的翼片模块815在 后部翼梁820上与风力涡轮机叶片810连接。另外，在本发明的该特定的示例性实施方式 中，本图示出了与翼片模块815形成一体的传动杆822。执行机构825将变形力施加于传动杆822，以实现翼片模块815的变形。在一些实施方式中，执行机构825的驱动部分位于风力涡轮机叶片810中，而在其他的实施方式中位 于翼片模块815中。在进一步的实施方式中，提供了如上所述的线性轴承(本图中没有示 出)，尤其是关于图19所示的线性轴承。除了接受变形力以外，传动杆822还提供了刚度来分布驱动力，并且还提供了分 布式弯曲刚度来用于自适应翼片模块815。如前所述，外壳(没有特别指出)的顺应式弯曲和拉直是由弹性体构件827来调 节的。在其他实施方式中，使用滑动连接件代替上述弹性体构件。此外，在发明的本实施方 式中，所包括的翼片翼梁830具有预先确定的刚度特性，在一些实施方式中，该刚度特性可 能沿着不同轴构成不同的刚度特性。虽然就特定的实施方式和应用描述了本发明，但是本领域技术人员可根据本教导 内容产生附加的实施方式而不会超出或偏离本发明在此描述和要求的精神。另外，可以理 解的是，在本公开内容中提供的附图和描述都是为了便于理解本发明，而不应解释为对本 发明范围的限制。
1权利要求
一种风力涡轮机，该类型的风力涡轮机具有至少一个翼型叶片，所述翼型叶片具有用于响应于冲击气流而对发电机施加扭矩的纵向构造，所述风力涡轮机包括发电机，所述发电机用于响应于旋转力的应用来产生电能；顺应式翼型边缘装置，所述顺应式翼型边缘装置沿着所述翼型叶片的边缘设置，用于所述翼型叶片的纵向尺度的至少一部分；以及变形驱动装置，所述变形驱动装置用于改变所述顺应式翼型边缘装置的构造，并因此改变所述翼型叶片以及所述顺应式翼型边缘装置的空气动力学特性。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，还提供了传感器，所述传感器用于提供响应所述顺应式翼型边缘的预先确定的运转情况的数 据；以及控制器，所述控制器用于响应于由所述传感器所发出的数据而控制所述变形驱动的运转。
3.如权利要求2所述的风力涡轮机，其中，所述传感器放置在所述风力涡轮机附近。
4.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述顺应式翼型边缘设置为所述翼型叶片 的后缘。
5.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述变形驱动装置包括沿着所述翼型叶片 的至少一部分纵向延伸的推_拉轴杆。
6.如权利要求5所述的风力涡轮机，其中，还提供了联动装置，所述联动装置用于将所 述推_拉轴杆的纵向运动转换为跨纵向运动。
7.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述变形驱动装置包括电动机械执行机构， 所述电动机械执行机构提供用于改变所述顺应式翼型边缘装置的构造的驱动力。
8.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述变形驱动装置包括液压执行机构，所述 液压执行机构提供用于改变所述顺应式翼型边缘装置的构造的驱动力。
9.如权利要求8所述的风力涡轮机，其中，还提供了 液压泵，所述液压泵用于提供加压液压流体；以及液压线路，所述液压线路沿着所述翼型叶片延伸，以用于提供所述液压泵和所述液压 执行机构之间的流体连接。
10.如权利要求9所述的风力涡轮机，其中，还提供了电动机，所述电动机用于给所述 液压泵提供机械能。
11.如权利要求9所述的风力涡轮机，其中，还提供了连接装置，所述连接装置用于响 应于由所述翼型叶片施加的扭矩来给所述液压泵提供机械能。
12.如权利要求9所述的风力涡轮机，其中，还提供了传感器，所述传感器用于提供响应所述风力涡轮机的预先确定的运转情况的数据；以及控制器，所述控制器用于响应于由所述传感器所发出的数据而控制所述液压泵的运转。
13.如权利要求12所述的风力涡轮机，其中，所述传感器放置在所述翼型叶片上。
14.如权利要求12所述的风力涡轮机，其中，还提供了用于所述发电机的壳，且所述传 感器放置在所述壳上。
15.如权利要求14所述的风力涡轮机，其中，还提供了支撑支架，所述支撑支架用于支 撑所述发电机，且所述传感器放置在所述支架上。
16.如权利要求12所述的风力涡轮机，其中，所述传感器设置成提供响应所述顺应式 翼型边缘装置的变形程度的数据。
17.如权利要求8所述的风力涡轮机，其中，还提供了液压阀，所述液压阀用于控制对 所述液压执行机构的液压压力的应用。
18.如权利要求17所述的风力涡轮机，其中，所述液压阀是电力驱动的。
19.如权利要求18所述的风力涡轮机，其中，所述液压阀是机械式驱动的。
20.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述顺应式翼型边缘装置被设置成安装在 所述翼型叶片上的可更换的盒式件。
21.如权利要求20所述的风力涡轮机，其中，所述可更换的盒式件在所述翼型叶片的 纵向构造的约10%至90%之间延伸。
22.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，还提供了传动杆，所述传动杆沿着所述顺 应式翼型边缘装置延伸，以有利于所述顺应式翼型边缘装置与所述变形驱动装置的连接。
23.如权利要求22所述的风力涡轮机，其中，所述传动杆与所述顺应式翼型边缘装置 整体形成。
24.如权利要求22所述的风力涡轮机，其中，所述传动杆将预先确定的刚度特性赋予 给所述顺应式翼型边缘装置。
25.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，还提供了刚度控制构件，所述刚度控制构 件用于将预先确定的刚度特性赋予给所述顺应式翼型边缘装置。
26.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，还提供了线性轴承，所述线性轴承用于可 移动地支撑所述变形驱动装置。
27.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述顺应式翼型边缘装置设置有在顶点相 互连接的上表面和下表面。
28.如权利要求27所述的风力涡轮机，其中，所述上表面和所述下表面设置成在顶点 处彼此滑动。
29.一种用于翼型的边缘变形装置，所述边缘变形装置包括顺应式翼片装置，所述顺应式翼片装置具有上顺应式表面和下顺应式表面，所述上顺 应式表面和所述下顺应式表面在远端部相对于彼此是可滑动的；上驱动构件和下驱动构件，上驱动构件和下驱动构件中的每个在所述远端部附近连接 到所述上顺应式表面和所述下顺应式表面中的相应地相关的一个；以及驱动装置，所述驱动装置用于经由所述上驱动构件和所述下驱动构件将相应的驱动力 施加于所述上顺应式表面和所述下顺应式表面。
30.如权利要求29所述的边缘变形装置，其中，所述上驱动构件和所述下驱动构件包 括上纵向构件和下纵向构件，所述上纵向构件和所述下纵向构件在所述上顺应式表面和所 述下顺应式表面中的相应地相关的顺应式表面与所述驱动装置之间传递力。
31.如权利要求30所述的边缘变形装置，其中，所述纵向构件为驱动缆索。
32.如权利要求30所述的边缘变形装置，其中，所述驱动装置包括电动机，所述电动机用于提供机械能；以及连接装置，所述连接装置用于将所述电动机连接至所述上纵向构件和所述下纵向构件。
33.如权利要求32所述的边缘变形装置，其中，所述电动机为旋转电动机。
34.如权利要求32所述的边缘变形装置，其中，所述连接装置包括与所述上纵向构件 和所述下纵向构件连接的纵向可移置构件。
35.如权利要求34所述的边缘变形装置，其中，所述纵向可移置构件为缆索。
36.如权利要求35所述的边缘变形装置，其中，还提供了滑轮，所述滑轮用于将所述缆 索连接至所述电动机。
37.如权利要求34所述的边缘变形装置，其中，所述纵向可移置构件为杆。
38.如权利要求29所述的边缘变形装置，其中，还提供了 翼型体；以及连接件，所述连接件用于将所述翼型体接合到所述顺应式翼片装置。
39.如权利要求38所述的边缘变形装置，其中，所述驱动装置的至少一部分设置在所 述翼型体内。
40.一种用于风力涡轮机的叶片的翼型装置，所述翼型装置包括 叶片体，所述叶片体具有纵向构造和边缘；以及顺应式翼型边缘装置，所述顺应式翼型边缘装置沿着所述叶片体的所述边缘设置，用 于所述叶片体的纵向尺度的至少一部分。
41.如权利要求40所述的翼型装置，其中，还提供了变形装置，所述变形装置用于通过 重新配置所述顺应式翼型边缘装置来改变所述翼型装置的空气动力学特性。
42.如权利要求41所述的翼型装置，其中，还提供了在所述叶片体中的多个变形装置。
43.如权利要求42所述的翼型装置，其中，所述多个变形装置为独立地可操作的，以使 所述顺应式翼型边缘装置上产生扭曲构造。
44.如权利要求41所述的翼型装置，其中，所述变形装置包括 电动机，所述电动机用于提供机械能；以及连接装置，所述连接装置用于将所述电动机连接至所述顺应式翼型边缘装置。
45.如权利要求44所述的翼型装置，其中，所述连接装置包括纵向可移置驱动构件，所述纵向可移置驱动构件用于沿着所述叶片体纵向施加往复 力；以及横向可移置驱动构件，所述横向可移置驱动构件用于将所述纵向可移置驱动构件连接 至所述顺应式翼型边缘装置。
46.如权利要求45所述的翼型装置，其中，所述叶片体具有将所述叶片连接至所述风 力涡轮机的连接部，并且所述电动机放置在所述连接部中。
47.如权利要求46所述的翼型装置，其中，所述电动机放置在所述叶片体内。
48.如权利要求45所述的翼型装置，其中，还提供了线性轴承，所述线性轴承用于方便 所述横向可移置驱动构件的移置。
全文摘要
一种风力涡轮机具有纵向翼型叶片，该纵向翼型叶片响应于冲击气流而在发电机上施加扭矩。一种顺应式翼型边缘装置沿着该翼型叶片的边缘设置，用于该翼型叶片的纵向尺度的至少一部分。一种变形驱动装置改变顺应式翼型边缘装置的构造，并因此改变翼型叶片的空气动力学特性。一种驱动装置经由上驱动构件和下驱动构件将驱动力施加至上顺应式表面和下顺应式表面。顺应式翼型边缘设置为翼型叶片的后缘。
文档编号F03D11/02GK101978160SQ200880123935
公开日2011年2月16日 申请日期2008年11月6日 优先权日2007年11月6日
发明者保罗·W·凯博利, 德拉甘·马里奇, 斯瑞达·科塔, 格雷戈里·F.·欧文, 詹姆士·D·欧文 申请人:富莱克斯公司