CN101922407B - 能够以扭转的方式加载的风力涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够以扭转的方式加载的风力涡轮叶片(20)，其包括：固定到风力涡轮叶片的主体上的弹性部件(22)；以及用于活动性地使弹性部件(22)移位且使叶片(20)在翼展方向轴线上以扭转的方式变形的调节器(26)。

Description

能够以扭转的方式加载的风力涡轮叶片
技术领域
本文公开的主题大体涉及具有形成有主梁的特定叶片结构的流体反作用表面，且更具体地讲，涉及风力涡轮叶片的扭转加载。
背景技术
风力涡轮是用于将风中的动能转换成机械能的机器。如果机械能被机器直接用来(例如)泵水或磨麦子，则风力涡轮可称为风车。类似地，如果机械能被转换成电，则机器也可称为风力发电机或风力发电站。
风力涡轮通常根据叶片旋转所围绕的竖直轴线或水平轴线来进行分类。在图1中示意性地示出了一种所谓的水平轴风力发电机，且可从通用电气公司获得该风力发电机。风力涡轮2的这种特定的构造包括塔架4，塔架4支承包围传动系8的机舱6。叶片10布置在毂9上，以在机舱6的外部的传动系8的一端处形成“转子”。转子驱动齿轮箱12，齿轮箱12连接到传动系8的另一端处的发电机14上，发电机14与控制系统16一起布置在机舱6的内部，控制系统16可接收来自风速计18的输入。一般的齿轮箱的功能是将具有低rpm的高扭矩转换成具有高rpm的低扭矩。也可用诸如液压系统的其它扭矩/速度转换机构来实现这一点。备选传动系以使得转子和发电机的旋转速度相等的方式来连接转子和发电机。
当叶片在“转子平面”中转动时，叶片10从运动的空气中产生升力和捕获动量，然后该动量被赋予到转子上。各个叶片10通常在其“根部”端处固定到毂9上，且然后沿径向向外侧“延展”到自由的“尖”端。叶片10的前部或“前缘”连接叶片的首先接触到空气的最前面的点。叶片10的后部或“后缘”是已被前缘分开的空气流在经过叶片的吸力面和压力面之后重新结合的地方。“弦线”沿横穿叶片的典型空气流的方向连接叶片的前缘和后缘。弦线的长度简称为“弦长”。当垂直于流向观看时，叶片10的形状被称为“平面图”。叶片10的厚度在平面图和弦上通常是变化的。
通常通过这样的方式来制造叶片10：将各种“壳体”和/或“肋”部分固定到沿着叶片的内部沿翼展方向延伸的一个或多个“梁”部件上，以承载叶片上的大部分重量和空气动力。梁通常构造成I形柱，该I形柱具有在固定到叶片的吸力面和压力面的内侧上的两个法兰(称为“帽”或“梁帽”)之间延伸的腹板(称为“抗剪腹板”)。但是，也可使用其它梁构造，包括但不限于“C形柱”、“D形柱”、“L形柱”、“T形柱”、“X形柱”、“K形柱”和/或箱形柱。也可在没有帽的情况下使用抗剪腹板。
“迎角”是用来描述叶片10的弦线和表示叶片与空气之间的相对运动的向量之间的角度的术语。“变桨”指的是沿着翼展方向轴线将整个叶片10的迎角旋转成迎向风或不迎向风，以便控制旋转速度和/或对来自风的动力的吸收。例如，使叶片“朝向顺桨”变桨会使叶片10的前缘旋转成迎向风，而使叶片“朝向失速”变桨会使叶片10的前缘旋转成不迎向风。
由于叶片10相对于空气的速度会沿着旋转叶片的翼展提高，所以叶片的形状通常被扭转，以便在沿着叶片的翼展的大多数点处保持大体恒定的迎角。但是，这种固定的扭转角一般仅对风力涡轮2的一组操作参数而言是最佳的。
发明内容
本文通过在各种实施例中提供能够以扭转的方式加载的风力涡轮叶片来解决与这样的传统措施相关联的这些和其它缺点，该风力涡轮叶片包括固定到风力涡轮叶片的主体上的加载部件；以及用于活动性地使加载部件移位且使叶片在翼展方向轴线上以扭转的方式变形的调节器。
附图说明
现在将参照以下附图(“图”)来对本技术的各方面进行描述，附图未必是按比例绘制的，但在几幅图的所有各个图中使用相同的参考标号来指明对应的部件。
图1是传统风力涡轮的示意性侧视图。
图2是用于与图1所示的风力涡轮一起使用的风力涡轮叶片的翼展方向部分的示意性正视图。
图3是图2中的梁的示意性截面图。
图4是用于与图2所示的风力涡轮叶片一起使用的梁的示意性正视图。
图5是图2所示的风力涡轮叶片的扭矩-翼展(关系)的图示。
图6是扭转变形-翼展方向位置(关系)的图示。
图7是电功率-风速(关系)的图示。
部件列表：
2风力涡轮
4塔架
6机舱
8传动系
9毂
10叶片
12齿轮箱
14发电机
16控制系统
18风速计
20叶片
22弹性部件
24梁
26调节器
28缆绳
30滑轮
32张紧器
33隔离元件
34功率曲线
36功率曲线
具体实施方式
图2是用于图1所示的风力涡轮2或任何其它风力涡轮的能够以扭转的方式加载的叶片20的翼展方向部分的示意性正视图。例如，可使用叶片20来代替图1所示的传统叶片10。
叶片20包括固定在风力涡轮叶片20的主体的一个或多个位置处的一个或多个加载部件22。例如，如图2所示，加载部件22可固定到梁24上。虽然图2示出了加载部件22缠绕在梁24的内部的周围，但是加载部件22也可布置成其它构造，包括布置在梁的外部上。还提供了调节器26，以活动性地使加载部件22移位，且使叶片20在其翼展方向轴线上以扭转的方式变形。也可用汽缸或波纹管中的空气压力来提供合适的弹性。
在各实施例中，加载部件22可沿着其加载轴线尽可能地硬，且沿着弯曲轴线尽可能地柔性，使得其不干涉叶片10的弯曲变形。例如，柔性在线性或非线性的构造中可为有弹性的。也可以以使得梁帽以扭转的方式受加载的方式来布置加载部件22。
如在图3所示的梁24的示意性截面图中所示，加载部件22包括绳索或缆绳28。缆绳28由滑轮30可滑动地支承在梁24的内侧上。虽然显示了在梁24的拐角中的三个滑轮30，但是也可使用任何其它数量和/或布置。备选地或另外，缆绳28可由钩或环支承。提供了张紧器32，以活动性地使缆绳28拉紧和/或放松。例如，张紧器32可为缆绳卷绕器，控制系统16(图1)或变桨驱动器响应于风力涡轮2的一个或多个操作参数来控制该缆绳卷绕器。
还可提供缆绳28的其它布置。例如，如在图4中针对I形梁24所示，缆绳28可布置成以便在梁的相对侧上的上法兰和下法兰之间延伸。也可在梁24的相对侧上提供第二缆绳，以使梁沿相反的方向旋转地变形。
可在叶片20的不同区段中提供多个加载部件22和调节器26。例如，由于叶片20在根部附近与在尖端处相比比较硬，所以扭转负载可集中在具有比平均硬度更低的硬度的区域中，以便实现最大变形。备选地或另外，如图5所示，可通过旋转和/或递增式步进来提供加载。例如，与更靠近尖端的叶片的区段相比，可在叶片20的根部附近提供更高水平的扭矩T，以便沿着翼展实现期望的变形率。如果使用了不止一个位置，可通过提供安装在叶片结构(例如肋)与加载部件22之间的柔性隔离元件33来调节在特定点处施加的扭转量。然后可独立地控制叶片20的各个产生的区段中的扭矩和对应的变形，以便沿着叶片20的翼展实现各种变形率。还可提供其中不传递负载的扭转旋转范围。
例如，预期以上描述的技术将提供可从通用电气公司获得的典型的四十米叶片10，其具有沿着翼展L的长度(单位米)大致按指数增长的扭转变形D(单位度)，如图6所示。在使用梁的高度的70％和宽度的60％的情况下，使用附连在梁24内部的缆绳28来使尖端旋转约4度所需的力预期为约40kN。直径为11mm的芳族聚酰胺绳索将在此负载下在所使用的长度上伸长约2％，这就意味着在约80米上伸长2％或约1.5米。然后可使用绞盘或线性促动器来对该绳索加载。
图7显示了典型的叶片34的功率曲线34和用于具有图6所示的扭转变形的叶片20的功率曲线36。图7示出了能够以扭转的方式变形的叶片20的预期将会获得的增大的功率(特别地，刚好在额定风速以下)，借此年发电量预期会提高约1.1％。
以上描述的技术提供了优于传统措施的各种优点。该技术允许叶片20以扭转的方式变形，使得在偏离设计的风速下的给定桨距的迎角更接近最优值。然后可在更宽的风速范围上获得叶片长度上的最优迎角。因此可提高能量捕捉。
应当强调的是，以上描述的实施例以及特别是任何“优选”实施例仅是各种实施方式的实例，这里阐述了这些实例，以提供对本技术的各方面的清楚理解。普通技术人员将能够在基本不偏离仅由所附的权利要求书的恰当解释所限定的保护范围的情况下修改这些实施例中的许多实施例。

Claims (14)

1.一种能够以扭转的方式加载的风力涡轮叶片，包括：
固定到所述风力涡轮叶片的梁上的加载部件；以及
用于活动性地使所述加载部件移位且使所述梁在翼展方向轴线上以扭转的方式变形的调节器。
2.根据权利要求1所述的能够以扭转的方式加载的风力涡轮叶片，其特征在于，所述变形是所述梁的材料的弹性变形。
3.根据权利要求1所述的能够以扭转的方式加载的风力涡轮叶片，其特征在于，所述加载部件包括张紧部件。
4.根据权利要求1所述的能够以扭转的方式加载的风力涡轮叶片，其特征在于，所述张紧部件包括缆绳。
5.根据权利要求4所述的能够以扭转的方式加载的风力涡轮叶片，其特征在于，所述调节器包括缆绳张紧器。
6.根据权利要求1所述的能够以扭转的方式加载的风力涡轮叶片，其特征在于，所述调节器包括张紧器。
7.根据权利要求1所述的能够以扭转的方式加载的风力涡轮叶片，其特征在于，所述能够以扭转的方式加载的风力涡轮叶片进一步包括用于控制所述调节器的控制器。
8.一种能够以扭转的方式加载的风力涡轮叶片，包括：
固定到所述风力涡轮叶片的主体上的加载部件；和
用于活动性地使所述加载部件移位且使所述叶片在翼展方向轴线上以扭转的方式变形的调节器；
其中，所述加载部件包括张紧部件，
其中，所述张紧部件包括缆绳；和
用于沿着所述风力涡轮叶片的主体对所述缆绳布线的至少一个滑轮。
9.一种风力涡轮，包括：
塔架；
连接到布置在所述塔架上的发电机上的齿轮箱；
用于使所述齿轮箱旋转且驱动所述发电机的、具有梁的叶片；
固定到所述梁上且沿着所述梁在翼展方向上延伸的加载部件；以及
用于活动性地使所述加载部件移位且使所述梁在翼展方向轴线上以扭转的方式变形的调节器。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮，其特征在于，所述风力涡轮进一步包括用于控制所述调节器的控制器。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮，其特征在于，所述加载部件包括张紧部件。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮，其特征在于，所述张紧部件包括缆绳。
13.一种风力涡轮，包括：
塔架；
连接到布置在所述塔架上的发电机上的齿轮箱；
用于使所述齿轮箱旋转且驱动所述发电机的、具有梁的叶片；
固定到所述梁上的加载部件； 
用于活动性地使所述加载部件移位且使所述叶片在翼展方向轴线上以扭转的方式变形的调节器；
用于控制所述调节器的控制器；
其中，所述加载部件包括张紧部件；
其中，所述张紧部件包括缆绳；以及
用于沿着所述梁对所述缆绳布线的至少一个滑轮。
14.一种风力涡轮，包括：
塔架；
连接到布置在所述塔架上的发电机上的齿轮箱；
用于使所述齿轮箱旋转且驱动所述发电机的、具有梁的叶片；
固定到所述梁上的加载部件； 
用于活动性地使所述加载部件移位且使所述叶片在翼展方向轴线上以扭转的方式变形的调节器；以及
其中，所述加载部件包括第一加载部件和在与所述第一加载部件不同的位置处固定到所述梁上的第二加载部件。
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