包括阻力装置的风力涡轮机的制作方法

1.本发明涉及一种包括阻力装置的风力涡轮机。


背景技术：

2.风力涡轮机越来越多地被用于产生电能。风力涡轮机通常包括塔架和安装在塔架上的机舱，轮毂被附接到该机舱。转子被安装在该轮毂处并且耦接到发电机。多个叶片从该转子延伸。这些叶片以如下方式定向，即：使得越过叶片的风使转子转动，从而驱动发电机产生电。因此，叶片的旋转能被传递到发电机，然后该发电机将机械能转化成电并将该电传输到电网。
3.存在很长一段时间发电机未连接到电网，并且因此，无法将产生的能量从风力涡轮机向外传输。在安装和连接到电网之间的空转期期间，或者在风力涡轮机的寿命结束之后，当风力涡轮机从电网断开并退役（即，停止使用）时，就是这种情况。
4.在这些时候，风力涡轮机不会停止旋转，这是因为风会继续使叶片移动。然而，发电机无法充当“制动器”并将机械能转化成电，这是因为电无法被输送到电网。因此，风力涡轮机在空转模式下操作并且不产生电。然而，由于风力涡轮机中累积的能量增加，风力涡轮机部件的疲劳在空转模式操作时增加。
5.在风力涡轮机的空转模式期间，由于风力涡轮机的旋转产生的能量尽可能地减少，以最小化部件的疲劳。例如，机舱被旋转到特定的偏摆角和/或叶片被旋转到特定的桨距角，以最小化风力涡轮机载荷。该方法从现有技术中是已知的，如例如在ep 2 631 470 a1中公开的。
6.另外，在风力涡轮机的正常操作期间，风力涡轮机的上部部分的振荡大大增加了塔架和基础的疲劳。由于允许风的流线在风力涡轮机上方和周围流动的风力涡轮机的空气动力学设计，因此在机舱和塔架振荡的情况下风力涡轮机的气动阻尼非常低。这导致风力涡轮机不能无限期地防止振荡发生，这可能导致由疲劳造成的塔架和基础的损坏。
7.风力涡轮机的技术的当前发展趋向于增加风力涡轮机的尺寸以便收集更多的风能，而具有更长的叶片和更高的塔架。由于风力涡轮机的增加的尺寸和风力涡轮机产生的更高载荷，风力涡轮机部件在空转状态下的疲劳载荷以及风力涡轮机在操作期间的振荡大大增加。从现有技术已知的用于使风力涡轮机部件在长时间段内的疲劳最小化的方法不足以避免由于风力涡轮机的低结构阻尼而导致的增加的疲劳载荷所造成的风力涡轮机的损坏。
8.最小化部件的疲劳并避免风力涡轮机损坏的另一解决方案是增加钢材的量，并且由此加强塔架和基础，使得这些部件能够承受空转期间的疲劳。然而，由于需要附加的材料，该解决方案成本高昂，并且由于涡轮机的重量已经增加，该重量将通过添加材料进一步增加，因此该解决方案可能不适于新一代风力涡轮机。


技术实现要素：

9.本发明的一个目的在于提供一种克服上述问题的用于风力涡轮机的解决方案，以减少风力涡轮机的疲劳。
10.这通过根据权利要求1所述的包括阻力装置的风力涡轮机来实现。
11.根据本发明的风力涡轮机包括塔架、布置在塔架的上端处的机舱、连接到机舱的轮毂以及从轮毂延伸的多个叶片。
12.根据本发明的风力涡轮机还包括用于增加风力涡轮机在空气中的阻力和/或用于增加气动阻尼的阻力装置，所述阻力装置包括构造成垂直于气流定向的平面表面。
13.该风力涡轮机为水平轴线风力涡轮机，这意味着该风力涡轮机的旋转轴线与地面平行。这种风力涡轮机使用转子叶片的气动升力来产生旋转运动。为了高效的性能和发电，该水平轴线风力涡轮机被设计成最小化阻力，该阻力为平行于流作用的力，同时最大化升力，该升力为垂直于流作用的力。
14.然而，在空转期间，不期望风力涡轮机旋转。换言之，要尽可能地减小作用在叶片上的升力，以降低叶片的旋转速度或使叶片完全停止。到目前为止，这通过改变叶片的迎角以尽可能地减小升力来实现。
15.根据本发明的降低叶片的旋转速度的另一方法是增加叶片的阻力系数，例如通过使叶片上的阻力装置的平面表面垂直于气流，这会大大增加叶片结构的阻力系数。气流将无法从翼型件的前缘滑过叶片的翼型件的上表面和/或下表面，这是因为它将碰到该平面表面，从而导致层流和湍流的分离，这导致最小的升力或根本没有升力。因此，涡轮机将不旋转，或者将以非常低的旋转速度旋转。
16.根据本发明的一个优选实施例，所述阻力装置还包括框架，所述框架为所述阻力装置提供结构稳定性。该框架围绕该平面表面，并且进一步有助于拉紧该平面表面。
17.根据本发明的另一个优选实施例，所述框架包括钢丝绳。钢丝绳包括若干股缆线，其绞合成螺旋状，从而形成复合绳索。这样的钢丝绳的柔性允许使例如处于叶片之间或机舱上的平面表面从折叠状态扩展至扩展状态。它还简化了框架与叶片的附接，例如通过将钢丝绳穿过叶片上的环。
18.根据本发明的另一个优选实施例，所述阻力装置通过附接装置来附接，以确保所述阻力装置不脱离和/或所述平面表面被拉紧，以增加阻力系数。该特征避免了阻力装置脱离并损坏风力涡轮机或其他物体，并且改善了工人的安全性。另外，由于更多的空气表面被覆盖，被拉紧的平面表面增加了阻力装置的阻力系数，以及阻力装置停止气流或降低气流的速度的能力。
19.根据本发明的另一个优选实施例，所述附接装置包括附接到环的钩。对于附接装置，这是一种简单且低成本的替代方案。例如，该钩可被附接到阻力装置，并且该环附接到叶片，以用于将阻力装置附接到叶片。
20.根据本发明的另一个优选实施例，所述附接装置包括附接到环的钩环。附接装置的该变体比钩更安全，这是因为钩环通常包括门构件，该门构件仅通过按压或转动它来打开。该门构件可包括弹簧或类似的弹性装置，以在没有压力施加于该门构件的情况下返回到闭合位置。因此，一旦安装，该钩环就将保持闭合。
21.根据本发明的另一个优选实施例，通过将框架的钢丝绳引入所述环中来完成所述
附接。为此，可打开该环，使得钢丝绳穿过该环的内部部分，并且随后闭合，以将钢丝绳锁定在该环的内部部分处。该平面表面可包括开口，以允许该环穿过该开口闭合。
22.根据本发明的另一个优选实施例，所述阻力装置借助于每个叶片周围的缆线来附接到叶片。由于叶片从末端到根部具有增加的直径，通过将阻力装置与每个叶片周围的缆线耦接，阻力装置随后将被固定到叶片，这是因为叶片的增加的直径以及每个叶片之间的阻力装置表面的张力阻止缆线从其位置移位，从而将阻力装置锁定在其安装位置。
23.根据本发明的另一个优选实施例，所述阻力装置被附接到所述机舱。这样的阻力装置增加了风力涡轮机的气动阻尼并减少了塔架的振荡，从而防止塔架和基础处的疲劳所造成的损坏。
24.根据本发明的另一个优选实施例，所述阻力装置被附接到所述塔架，从而增加了风力涡轮机的气动阻尼。
25.根据本发明的另一个优选实施例，旋转元件被安装在所述塔架上，以在所述阻力装置被附接到所述塔架时允许所述机舱偏摆。因此，阻力装置被附接到塔架的旋转元件。该旋转元件可以是塔架周围的环或缆线。
26.根据本发明的另一个优选实施例，所述阻力装置被布置在叶片和风力涡轮机的后部部分之间的位置。因此，该阻力装置增加了风力涡轮机的气动阻尼。
27.根据本发明的另一个优选实施例，所述平面表面在平行于所述机舱的纵向轴线的方向上延伸。
28.根据本发明的另一个优选实施例，所述平面表面在垂直于所述机舱的纵向轴线的方向上延伸。
29.根据本发明的另一个优选实施例，所述阻力装置被附接到至少两个叶片，其中，所述平面表面在所述两个叶片之间延伸。该特征大大增加了叶片的阻力系数，并显著减小了作用在叶片上的风的升力，这是因为气流被阻力装置的平面表面阻止。
30.根据本发明的另一个优选实施例，在每对叶片之间布置一个阻力装置。因此，阻力装置的数量等于叶片的数量，并且每个阻力装置布置在两个不同的叶片之间。通过使阻力装置在每个叶片之间延伸，力在转子的重心上得到平衡，从而避免了由作用在转子平面中的特定点上的增加的阻力引起的任何扭力。
31.根据本发明的另一个优选实施例，所述阻力装置为帆。因此，阻力装置的材料也可以是柔性的，以在不需要阻力装置时容易地折叠，并且在需要阻力装置时能够容易地扩展和拉紧平面表面。例如，例如在叶片的制造期间，阻力装置能够以折叠状态放置在单个叶片上，并且通过展开阻力装置而在安装场所处扩展并附接到第二叶片。
32.根据本发明的另一个优选实施例，所述阻力装置为风筝（kite）。该风筝可包括翅膀、系绳、锚、系带和尾部。该风筝可具有单个附接点或多个附接点。系绳线的长度可调整。使用风筝的一个优点在于它是一种增加风力涡轮机的气动阻尼的具有成本效益的解决方案。另一优点在于风筝在损坏的情况下可容易地更换。
33.这里提出的阻力装置可在不产生电能的空转期间使用。所述阻力装置也可在风力涡轮机的正常操作期间使用，以增加风力涡轮机的气动阻尼。
附图说明
34.为了便于理解本发明的特征并作为本说明书的组成部分，附上一些附图，在这些附图上具有说明性而非限制性的附图标记，呈现了以下附图：图1示出了风力涡轮机的透视图。
35.图2示出了风力涡轮机，其包括附接到每个叶片的处于折叠位置的阻力装置。
36.图3示出了风力涡轮机，其包括布置在每对叶片之间的处于延伸位置的阻力装置。
37.图4示出了借助于环和钢丝绳（wire rope）的阻力装置与叶片的附接。
38.图5示出了借助于环和钩的阻力装置与叶片的附接。
39.图6示出了借助于环和钩环（或称为安全钩、锁扣，carabiner）的阻力装置与叶片的附接。
40.图7示出了包括框架、平面表面、钩环和开口的阻力装置。
41.图8示出了附接到机舱的多个阻力装置。
42.图9示出了附接到机舱的多个阻力装置，其中一些阻力装置也附接到塔架。
43.图10示出了包括多个阻力装置的机舱的顶视图。
44.图11至图13示出了在翼型件上使用阻力装置的气动效应。
具体实施方式
45.图1示出了风力涡轮机1，其包括塔架2、布置在塔架2的上端处的机舱3、连接到机舱3的轮毂4以及从轮毂4延伸的三个叶片5。
46.图2示出了图1的风力涡轮机1，其中，所述风力涡轮机1还包括附接到每个叶片5的一侧的阻力装置10。阻力装置10包括平面表面11，在该图中，该平面表面11处于折叠位置，并且因此无法看到。每个叶片5的另一侧包括呈环21的形式的附接装置20。当阻力装置在叶片5之间展开和延伸时，该附接装置20可用于将每个阻力装置10附接在一对叶片5之间。
47.图3示出了图2的风力涡轮机1，其中，阻力装置10在每对叶片5之间处于展开和延伸位置。阻力装置10是帆14，并且各自包括框架12、平面表面11、钩22和开口13。从阻力装置10各自附接到一个叶片5的图2中所示的折叠位置，阻力装置10可延伸到延伸或展开位置，并牢固地附接到所述一对叶片5中的第二叶片5的环21，从而使平面表面11在叶片5之间延伸。该图中所示的框架12包括钢丝绳16，通过使该钢丝绳16穿过环21，该钢丝绳16被固定到所述一对叶片5中的第二叶片5的环21。为此，可打开环21，使得钢丝绳16穿过环21的内部部分，并且随后闭合以将钢丝绳16锁定在环21的内部部分处。平面表面11包括开口13，以允许环21穿过该开口13闭合。框架12的另一边缘借助于钩22固定到叶片5的另一个环21。通过将阻力装置10附接到第二叶片5的至少两个点，平面表面11可被拉紧并且可避免褶皱，从而提高阻止气流的功效并增加阻力系数。
48.图4示出了借助于叶片5的环21和阻力装置10的框架12的钢丝绳16的阻力装置10与叶片5的附接。钢丝绳16可被固定到叶片5的一个环21，这是通过将钢丝绳16穿过该环21。为此，可打开环21，使得钢丝绳16穿过环21的内部部分，并且随后闭合以将钢丝绳16锁定在环21的内部部分处。平面表面11包括开口13，以允许环21穿过该开口13闭合，从而将阻力装置10固定到叶片5。
49.图5示出了借助于叶片5的环21和阻力装置10的钩22的阻力装置10与叶片5的附
接。为了所述附接，钩22被插入环21中。通过阻力装置10的平面表面11的张力，钩22将不会从环21脱离。为了确保钩22不会脱离，钩22的开口可被设计得刚好足够宽，以能够将钩22插入环21中。
50.图6示出了借助于叶片5的环21和阻力装置10的钩环23的阻力装置10与叶片5的附接。该钩环23包括门构件，该门构件可通过按压或转动它来打开，该门构件将阻力装置10牢固地附接到叶片5。
51.图7示出了包括框架12、平面表面11、钩环23和开口13的阻力装置10。该阻力装置10为帆14。框架12包括钢丝绳16。如在图3、图4和图6中所见，这种阻力装置10可被附接到叶片5。
52.图8示出了附接到机舱3的多个阻力装置10。阻力装置10被附接到机舱3的侧表面，以增加风力涡轮机的气动阻尼。平面表面11在垂直于机舱3的纵向轴线的方向上延伸。框架12包括通过平面表面11延伸的内部结构，以增加阻力装置10的结构稳定性。该内部结构可由诸如杆的刚性元件制成。
53.图9示出了附接到机舱3的多个阻力装置10，其中一些阻力装置10也附接到塔架2。一个阻力装置10以类似于图8中所示的方式附接到机舱3的顶部。另外的阻力装置10借助于旋转元件24来附接到机舱3的下部部分和塔架2两者，以允许机舱3偏摆。该旋转元件24是围绕塔架2的环。
54.图10示出了包括多个阻力装置10的机舱3的顶视图。一些阻力装置10的平面表面11在垂直于机舱3的纵向轴线的方向上延伸。其他阻力装置10的平面表面11在平行于机舱3的纵向轴线的方向上延伸。
55.图11至图13示出了在翼型件32上使用阻力装置10的气动效应。通常，翼型件的形状，在风力涡轮机1的情况下为叶片5的形状，决定了当气流34围绕本体流动时作用在本体上的升力30和阻力31的量。
56.在图11中，翼型件具有简化的类似naca的轮廓。因为移动的流体以层流围绕翼型件32转向而出现升力30，所述流体在这种情况下为气流34。这导致翼型件32上方的低压区和翼型件32下方的高压区，从而导致升力30。另外，由于翼型件32的空气阻力，小于升力30的阻力31作用在翼型件32上。
57.阻力31取决于该翼型件的直接面对气流34的有效面积。因此，如在图12中所见，具有垂直于气流44的方向延伸的平面表面11的阻力装置10具有非常高的阻力系数并且经历高阻力31。由于气流34在阻力装置10的边缘处分离，气流34无法围绕阻力装置10转向。层流转变成湍流，并且没有升力30作用在本体上。
58.如在图13中所见，通过将阻力装置10附接到翼型件32，升力30由于上面提到的效应而显著减小或消失。
59.附图标记1 风力涡轮机2 塔架3 机舱4 轮毂5 叶片
10 阻力装置11 平面表面12 框架13 开口14 帆15 风筝16 钢丝绳17 支撑结构20 附接装置21 环22 钩23 钩环24 旋转元件30 升力31 阻力32 翼型件33 分离34 气流。