用于风力涡轮机的涡轮机叶片的制作方法

本发明涉及用于风力涡轮机的涡轮机叶片，该涡轮机叶片包括具有前缘的叶片主体。

背景技术：

1、如公知的，风力涡轮机被用于发电。涡轮机包括塔架、处于塔架的顶部上的机舱和发电机，该发电机被耦接到轮毂，通常三个涡轮机叶片被附接到该轮毂，所述涡轮机叶片通常也称为转子叶片。涡轮机或转子叶片与吹动的风相互作用，以便使轮毂旋转并驱动发电机。这样的风力涡轮机的设置及其功能是公知的。

2、例如参见ep 1 613 860 b1，还已知使用其翼型几何构型可改变的涡轮机叶片，以用于控制作用在叶片上的气动力，例如用于增加由叶片部段等产生的升力。为了改变几何构型，通常相应的装置以襟翼等形式设置在叶片的后缘处，该装置可以是布置在叶片或相应的后缘处的附加物件，或者该装置可被集成在叶片主体或相应的其后缘中，如ep 1 613860b1中所示。

3、此外，改变前缘处的翼型叶片的形状或相应的剖面几何构型可影响空气动力学参数，例如用于平衡升力分布以及用于减小力矩不平衡的幅度。ep 1 613 860 b1中公开了叶片的前缘的形状改变机构。该叶片包括具有翼型形状的叶片主体，该翼型形状具有前缘区域，该前缘区域是该叶片主体的一部分。前缘区域的蒙皮以及因此相应的叶片主体区域的蒙皮由橡胶或类似物制成。在该区域中的蒙皮内集成了一片或多片智能材料，该智能材料可被主动控制以使前缘移动，以便使其相应地朝向吸力侧或朝向压力侧向上或向下弯曲。相应的智能材料片被布置在叶片主体中，相应地布置在上侧或吸力侧和下侧或压力侧处的前缘蒙皮中。取决于控制哪个智能材料片延伸，叶片主体前缘向上或向下弯曲。

4、尽管该实施例允许控制叶片的翼型几何构型并且因此控制叶片的空气动力学特性，但是叶片或相应的叶片主体的设置非常复杂，这是因为此已知的系统需要用足够柔性以弯曲的材料来构建前缘，并且将相应的智能材料片集成到叶片主体蒙皮和相应的致动装置中。其还需要提供附加的结构措施来维持叶片的机械参数，即相应的叶片的刚度和硬度。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提供一种改进的涡轮机叶片。

2、为解决该目的，一种包括具有前缘的叶片主体的用于风力涡轮机的涡轮机叶片的特征在于，所述叶片主体设置有变形设备(formchanging device)，所述变形设备覆盖所述前缘并且至少部分地沿所述前缘延伸，所述变形设备包括固定到所述叶片主体的壳体，所述壳体能够通过致动装置在靠近所述前缘的第一位置与远离所述前缘的第二位置之间移动。

3、本发明的涡轮机叶片包括具有后缘和前缘的叶片主体，如公知的，该叶片主体例如制造为由树脂嵌入式纤维垫制成的纤维复合部分，以用于相应地在叶片主体蒙皮或壳体中提供叶片主体的相应机械属性。此外，由于这种设置，该前缘也极为刚性和刚硬。因此，叶片主体的壳体本身在其形状或几何构型方面不是柔性的或可变的。为了允许改变或调整前缘区域处的翼型几何构型，本发明提供了附接到叶片主体的变形设备或形状变化设备，该变形设备覆盖叶片主体的前缘并且至少部分地在前缘的长度上延伸。因此，该变形设备是附加物件，其被固定到具有通常设置并具有圆形前缘的叶片主体，如公知的那样。

4、如所述，该变形设备覆盖前缘，但用于改变整体几何构型，并且由此改变叶片在前缘区域中的空气动力学属性。为了改变几何构型，该变形设备包括固定到叶片主体的壳体。该壳体覆盖叶片主体的前缘。该壳体被耦接到致动装置，该致动装置适于使该壳体相对于叶片主体或相应的由该壳体覆盖的叶片主体前缘移动。在第一位置，该壳体靠近前缘定位，相应地被装配到前缘。该壳体可从该第一位置移动并相对于前缘远离移动到第二位置，在该第二位置，它与前缘隔开，并且在前缘和壳体之间给出一定的自由空间。通过使壳体相对于叶片主体或相应的前缘移动，可显著改变整体几何构型并因此改变空气动力学属性。根据当前状况，例如可以产生正弯度，从而产生增加的升力，并且由此在低于特定额定风速的风速下提高风力涡轮机的发电量。可替代地，还可以产生负弯度，从而减小由叶片产生的升力，并且由此减小涡轮机上的负载，这在某些风力条件下可能是有益的，尤其是在功率曲线的肩部附近，这是叶片设计的设计驱动因素。因此，根据本发明的变形设备为用于调节风力涡轮机的功率输出和叶片或相应的涡轮机处的负载水平的控制机构提供了另一个自由度。可以增加额定功率之前的发电量，以提高涡轮机的年能量产量，同时其还可用于在某些条件下降低负载水平。还可以将该变形设备用于除冰目的，以防冰积聚在前缘区域处，从而覆盖变形设备。通过简单地致动该致动装置并移动壳体，可破坏并移除该冰。

5、关键的是，该变形设备的壳体通过该致动装置相对于刚性的叶片主体或相应的前缘区域移动。该移动可以是简单的线性移动，使得致动装置在将壳体从第一位置移动到第二位置时简单地以线性移动将壳体推离前缘区域。但其也可以是一种弯曲移动，其中致动装置使壳体向上或向下相应地向叶片的吸力侧或压力侧弯曲。当然，两种移动也可以是叠加的或同时的，使得对壳体施加特定的线性和弯曲移动。很明显，在移动或相应的移动方向方面存在多个自由度，并且因此，在整体剖面形状和空气动力学几何构型方面也存在多个自由度。

6、根据第一实施例，所述壳体利用两个纵向端固定到所述叶片主体的吸力侧表面和压力侧表面，并且包括至少一个弹性部段，当所述壳体从所述第一位置移动到所述第二位置时，所述弹性部段被伸展。覆盖前缘的壳体利用两端固定到叶片主体，即上部和下部相应的吸力侧和压力侧，使得壳体被牢固地附接到叶片主体，同时在壳体的长度上覆盖前缘。从壳体到叶片主体的气密过渡在两个纵向端区域处是优选的。为了允许通过致动装置启动壳体相对于叶片主体的移动，壳体包括至少一个弹性部段，这意味着壳体本身至少在某一部分中是弹性的，相应地由弹性材料制成。当壳体被致动装置从第一位置移出时，该弹性部段被伸展或拉伸。该壳体仍利用两端固定，并且因此前缘仍然被该壳体包围或包封，而该壳体在其形状上改变。通过伸展和拉伸弹性部段，由于弹性部段的弹性性质而产生恢复力，当致动装置再次将壳体从第二位置缩回到第一位置时，该恢复力确保壳体或相应的伸展的弹性部分将返回到其未拉伸的形状。由于该壳体包括至少一个弹性部段，因此要提到的是，该壳体的其余的一个或多个部段是非弹性的，相应地为刚性的或比该弹性部段要刚性得多。

7、在该替代方案的另一实施例中，所述壳体可包括靠近或固定到所述吸力侧表面的第一弹性部段和靠近或固定到所述压力侧表面的第二弹性部段以及连接所述第一弹性部段和所述第二弹性部段的更刚性的第三部段。在该实施例中，所述第一弹性部段和所述第二弹性部段在壳体从第一位置移出时伸展或拉伸。两个弹性部段由第三部段连接，该第三部段更刚性或是完全刚性和刚硬的，并且根据前缘的形状相对应地弯曲。致动装置例如可被耦接到该刚性的第三部段，并且将其推动以便移动壳体，相应地改变壳体几何构型。壳体或相应的弹性部段优选地借助于相应的固定元件直接固定到叶片主体，同时当然可能的是，每个第一和第二弹性部段连接到更刚性的连接部段，壳体通过该连接部段连接到叶片主体。

8、在该实施例的替代方案中，所述壳体可包括靠近或固定到所述吸力侧表面的第一更刚性部段和固定到所述压力侧表面的第二更刚性部段以及连接所述第一更刚性部段和所述第二更刚性部段的弹性部段。在该实施例中，当壳体移动相应地改变其几何构型时，中间部段、即弹性的第三部段被拉伸。处于壳体的纵向端处的更刚性部段借助于相应的固定装置紧紧地固定到叶片主体并且不会移动，只有弹性的中间部段被拉伸。此外，该实施例还允许壳体几何构型以及因此叶片几何构型的显著变化。

9、在第三实施例中，所述壳体利用两个纵向端固定到吸力侧表面和压力侧表面并且是完全弹性的。在该实施例中，壳体不包括刚性部段，可选地可能除了布置在弹性壳体的端部处以用于将其连接到叶片主体的两个小的纵向连接部段。当致动装置将壳体从第一位置移动到第二位置并且因此改变其几何构型时，壳体在其整个区域上被完全拉伸。因此，这里壳体完全由弹性材料制成，而不是如先前的实施例那样只是部分地由弹性材料制成，其中壳体也由更刚性或非弹性的材料分段制成。

10、如提到的，无论其以何种方式设置，壳体都利用两个纵向端牢固地固定到叶片主体。这种固定可按照各种形式实现。例如，壳体可通过如螺栓或螺钉的相应固定装置固定到叶片主体。优选地，壳体通过使用相应的胶或树脂将其胶合到叶片主体来固定，该胶或树脂允许非常牢固的附接以及从壳体到叶片主体的平滑过渡，这在空气动力学属性方面是有利的。

11、先前描述的实施例涉及利用两个纵向端固定到叶片主体并且至少部分或完全弹性的壳体，该弹性允许通过拉伸它来改变壳体的形式或形状。该至少部分或完全弹性的壳体的替代性实施例提出壳体是刚性的并且仅以一个纵向端可枢转地固定到吸力侧表面或压力侧表面。在该实施例中，壳体是刚性和刚硬的，并且由不具有相关弹性性质的相应材料构成。因此，当从第一位置移动到第二位置时，壳体的大致几何构型或形状不会改变，但壳体相对于前缘的位置会通过使其枢转而改变。为了允许这种枢转移动，刚性壳体仅在一个纵向端处固定到叶片主体，该固定提供了一种枢转轴线，当致动装置将其移出第一位置时，壳体可围绕该枢转轴线旋转。优选地，壳体被固定到叶片的吸力侧，并且因此用另一个未固定端从压力侧升起，该未固定端在第一位置搁置在压力侧处。如果需要，布置结构也可相反，并且壳体可被固定到压力侧。

12、因此，本发明涵盖了两种主要的壳体实施例，第一个包括具有至少一个弹性部段和至少一个刚性部段的壳体，或者具有完全弹性的壳体，并且第二个替代方案具有完全刚性和刚硬但可枢转的壳体。根据本发明，壳体的弹性部段或整个弹性壳体可由垫状或箔状的基于弹性聚合物的材料制成，例如弹性体或橡胶材料。刚性部段或整个刚性壳体可由具有或不具有集成纤维的基于刚性聚合物的材料制成。该一个或多个部段或该整个壳体例如可由树脂制成，例如具有嵌入的玻璃或碳纤维。因此它可仅由聚合物基体材料制成，或者被制造为纤维复合物件。要注意的是，上面提到的材料并非限制性的，而仅是示例，因为各种弹性和非弹性材料都适合用于构建相应的壳体。

13、如提到的，致动装置用于并适于移动壳体。在第一实施例中，致动装置可以是气动或液压致动装置。它被耦接到包括泵以及例如液压流体储存器等的相应的气动或液压回路。优选地，该致动装置，尤其是气动致动装置，包括布置在叶片主体和壳体之间的至少一个可充胀囊体。该囊体例如可利用气态介质、优选地利用空气来充胀。由于它布置在叶片主体和壳体之间，所以壳体在囊体被充胀时从第一位置移动到第二位置，并且在囊体被放缩时返回到第一位置。这种回到第一位置的恢复移动可能是由壳体的伸展和拉伸的弹性材料引起，或者在完全刚性或刚硬的壳体的情况下借助于如弹簧的某些缩回元件或者由囊体本身引起，这是在其牢固地固定到壳体的情况下。使用这样的囊体或多个囊体是非常有利的，因为可使用气体或优选的空气来将它们充胀和放缩，这不会给叶片增加任何重量。此外，囊体在被放缩时可完全塌缩，使得可确定壳体将总是从第二位置返回到第一位置。

14、在这种囊体布置的另一实施例中，可能的是，从吸力侧到压力侧观察，两个或更多个囊体并排布置，每个囊体可单独充胀。这种致动机构或布置允许通过单独地充胀或放缩该多个囊体中的一个或多个，来广泛地改变壳体的整体几何构型，并因此改变叶片前缘区域。例如，可布置三个囊体，一个更靠近吸力侧，一个处于前缘末梢处，并且一个更靠近压力侧。根据哪个囊体被充胀，可实现伸展或弯曲变形，以便广泛地改变整体剖面形状。这允许甚至减小由叶片部段产生的升力，从而像前缘扰流器设备一样起作用，例如通过仅将靠近叶片的吸力侧的囊体充胀，同时当然还可实现其他效果。

15、附加地或替代地，沿叶片主体的纵向方向观察，两个或更多个囊体可彼此隔开布置，每个囊体可单独充胀。在该实施例中，两个或优选地更多个单独的囊体沿被壳体覆盖的区域的长度局部分布。这些单独的局部囊体中的每一个都可单独充胀。该致动机构允许改变沿翼展方向的几何构型，这可导致在沿前缘的不同位置处的致动的不同水平和几何构型。因此，沿纵向或翼展方向观察，其允许局部改变几何构型，因为在该实施例中，柔性或弹性的壳体仅局部伸展并从其靠近前缘的位置移动。当沿纵向方向观察隔开的囊体被充胀时，前缘设置有一种在前缘处或围绕前缘延伸的突起(tubercle)，已知该突起降低噪声并提高空气动力学性能。沿叶片主体和弹性壳体或壳体的弹性部分之间的前缘布置的单独的可充胀囊体越多，可提供的突起就越多。需要注意的是，这种布置也可与包括从吸力侧到压力侧观察的若干个相邻囊体的先前的布置相结合，从而允许实现这种突起和/或使整个壳体部分或完全地沿其长度移动。

16、在使用一个或多个囊体的替代方案中，致动装置还可包括一个或多个定位缸，该定位缸包括连接到壳体的可移动活塞。该一个或多个缸被布置在叶片主体处，其中活塞被连接到壳体。当活塞从不可移动的缸中移出时，壳体被移动，无论壳体的设置如何。优选地，这些缸同时可控，而当然也可单独地控制每个缸，以在改变壳体形状方面具有另一自由度。

17、在替代方案中，可能的是，致动装置可包括连接到壳体的一个或多个推杆，这些推杆可借助于如电动马达的电动驱动器来移动。例如，该推杆可以是具有旋转螺母的电动主轴驱动器的一部分，该旋转螺母由电动驱动器驱动，而主轴通过旋转螺母移动。该主轴被耦接到壳体，该壳体可通过纵向移动的主轴移动。在替代方案中，该推杆也可被耦接到电动偏心驱动器。该推杆例如被偏心地固定到旋转盘，该旋转盘由电动驱动器旋转。由于这种偏心布置，推杆在盘旋转时移动，从而移动壳体。

18、虽然壳体可能仅在靠近边缘的第一位置与伸展或隔开的第二位置之间移动，但当然可能的是，致动装置适于将壳体移动和固定到一个或多个中间位置或者第一位置和第二位置之间的任何中间位置。这意味着第一和第二位置限定了最大或末端位置，而其间的任何中间位置也可由致动装置控制和固定。

19、最后，本发明还涉及一种风力涡轮机，其包括一个或多个根据先前描述的涡轮机叶片。