CN105980701B - 用于减轻风力涡轮机的转子叶片上的应变的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有气动装置的用于风力涡轮机的转子叶片（20），并且涉及一种这样的转子叶片（20）的气动装置（30）。所述转子叶片（20）包括主体（29），其限定了所述转子叶片（20）的压力侧（252）和吸力侧（251）。所述主体（29）包括主体后缘部段（291）。此外，所述转子叶片（20）还包括气动装置（30），所述气动装置（30）具有：附接部段（31），其用于将所述气动装置（30）附接到所述主体后缘部段（291）；气动部段（33），其用于影响所述转子叶片（20）的气动特性；以及屈曲部段（32），其用于控制所述气动部段（33）相对于所述主体（29）的定向和/或形状。所述气动装置（30）被构造成使得：‑对于沿挥舞方向（41）作用在所述屈曲部段（32）上的力分量（51），所述气动装置（30）弹性变形，‑如果大约为所述屈曲部段（32）的稳定极限（53）的大小的力分量（51）沿挥舞方向（41）作用在所述屈曲部段（32）上，则所述气动装置（30）急剧变形，‑如果所述屈曲部段（32）急剧变形，则所述气动部段（33）相对于所述主体（29）的构造被改变，以及‑所述转子叶片（20）上的载荷由于所述气动部段（33）的构造的改变而减轻。
Description
本发明涉及一种用于风力涡轮机的转子叶片，其包括用于影响转子叶片的气动特性的气动装置。此外，本发明还涉及这样的转子叶片的气动装置。
减小可由例如阵风、超速、急停或之类的事件引起的极端载荷的机构用于风力涡轮机而言是期望的。减小极端载荷是有利的，因为这潜在地增加风力涡轮机的寿命和耐用性。防止或至少缓解极端载荷的发生和影响的有益结果在于，这将使得能够设计和提供与现有技术相比具有更大的转子直径的风力涡轮机。
在飞机领域中，可伸缩襟翼是用于减小飞机机翼上的高载荷的常用手段。特别是，通过在飞机机翼上移出可伸缩襟翼，起飞和降落时的升力被最大化；而在巡航期间，气动阻力通过缩回襟翼而减小。缩回功能通常通过包括电、液压和/或机械致动器的机构来实现。可伸缩襟翼通常受到飞行计算机系统和/或飞行员控制。
在风力涡轮机中，应用在正常操作期间最大化升力但在极端载荷期间减小它的相似概念也将是有利的。然而，如从飞机已知的这种致动和控制系统具有相对高成本、高耐用性要求以及对维修系统而言难以接近的缺点。
因此，对于风力涡轮机的转子叶片，被动或半被动的系统，即，被动地或半被动地响应于作用在转子叶片上的载荷和力的系统，似乎是有希望的和高效的解决方案。
美国专利申请2011/0042524 A1提出了用于风力涡轮机的转子叶片的被动自适应结构。特别是，它公开了在极端载荷施加在转子叶片上的情况下如何实现被动地改变其形状的转子叶片的不同的概念和实施例。例如，可通过屈曲区域来提供建立转子叶片的腹板（web）并且支撑转子叶片的壳体的结构元件。替代性地，所述壳体自身可以包括屈曲区域。所提出的被动自适应结构的缺点在于它需要显著地改变并且重新设计转子叶片。因此，不可能通过所提出的概念来改装现有的转子叶片。此外，实施所提出的概念的新的转子叶片的设计似乎还暗示着相当大的成本和努力。
要注意的是，国际专利申请WO 2011/088834 A2和国际专利申请WO 2014/049330A1二者都公开了自适应元件，然而，所述自适应元件未解决挥舞向力（flapwise force），而是旨在补偿转子叶片的摆振变形（edgewise deformation）。
因此，将期望提供一种减小风力涡轮机的转子叶片上的载荷的替代性概念。特别是，应当缓解作用在转子叶片上的极端载荷、即最大载荷的发生和/或影响。
该目标通过独立权利要求来解决。有利的改进方案和修改在从属权利要求中描述。
根据本发明，提供了一种用于风力涡轮机的转子叶片，其中，所述转子叶片包括主体，所述主体限定了转子叶片的压力侧和吸力侧。此外，所述转子叶片还包括气动装置，其中，所述气动装置包括：附接部段，其用于将气动装置附接到所述主体的主体后缘部段；气动部段，其用于影响转子叶片的气动特性；以及屈曲部段，其用于控制气动部段相对于主体的构造。所述气动装置被构造成使得：
- 对于沿挥舞方向作用在所述屈曲部段上的力分量，所述气动装置弹性变形；
- 如果大约为所述屈曲部段的稳定极限的大小的力分量沿挥舞方向作用在所述屈曲部段上，则所述气动装置急剧变形；
- 如果所述屈曲部段急剧变形，则所述气动部段相对于所述主体的构造被改变；以及
- 所述转子叶片上的载荷由于所述气动部段的构造的改变而减轻。
所述转子叶片适于用在风力涡轮机中。特别地，它是风力涡轮机的转子叶片。
风力涡轮机指的是将来自风的动能转换成旋转能的装置。所述旋转能随后被用于产生电。风力涡轮机还被称为风力发电站。
所述主体构建成转子叶片的主要部分。所述主体原则上构建成用于风力涡轮机的完全可操作和完全工作的转子叶片。本发明示出了可如何修改这样的主体，使得获得改进的转子叶片。
所述主体限定了转子叶片的外表面，即形状，除了转子叶片的通过气动装置实现的部分。所述形状特别是涉及转子叶片的气动形状，对于转子叶片的气动效率，并且因此，对于包括这样的转子叶片的风力涡轮机的性能，所述转子叶片的气动形状具有显著的重要性。
所述主体包括主体后缘部段，所述气动装置被附接在所述主体后缘部段处。在气动装置未附接到的转子叶片的这些翼展向区域中，所述主体后缘部段就表示转子叶片的后缘部段。
同样，前缘部段能够被归于所述主体，所述前缘部段被称为主体前缘部段。所述主体前缘部段表示整个转子叶片的前缘部段。
所述气动装置被细分成三个部段：附接部段、屈曲部段和气动部段。
所述气动装置可以被构建为一个单件。替代性地，它也可由若干分离件制成，所述若干分离件被连接到彼此，以便形成气动装置。所述附接部段的目的在于实现气动装置到主体的可靠和持久的附接。所述气动装置可以被附接在主体后缘部段的压力侧处或主体后缘部段的吸力侧处。它甚至可以被附接到压力侧和吸力侧二者。
在气动装置附接到主体之后，在主体和气动装置之间可能存在间隔，即，狭缝。
优选地，这两个部分被紧密地连接到彼此，使得提供从主体到气动装置的平滑过渡。这具有如下优点，即：通过例如减少主体和气动装置之间的界面处的涡流和漩涡，改进了气动特性。
所述气动装置的气动部段的功能是有利地影响转子叶片的气动特性。例如，这涵盖了增加转子叶片的升力。替代性地或附加地，它还可以降低在风力涡轮机的操作期间转子叶片所发出的噪声。其他功能也是可能的，例如，加强转子叶片的结构。
所述气动装置的屈曲部段的功能是控制气动部段相对于主体的构造。术语“构造”在此背景下涉及气动部段相对于主体的定向和/或形状。因此，也可以说，所述屈曲部段旨在控制气动部段相对于主体的定向和/或形状。
所述气动装置被构造成使得它满足以下特性：如果力分量沿挥舞方向作用在屈曲部段上，它以可逆的方式变形。应当理解的是，任何力都由力分量构成。举例来说，在笛卡尔坐标系中，力由沿x轴方向的第一力分量、沿y轴方向的第二力分量以及沿z轴方向的第三力分量构成。
在转子叶片的惯性参照系中，能够限定沿转子叶片的挥舞方向的第一力分量、沿转子叶片的摆振方向的第二力分量以及沿垂直于挥舞方向和摆振方向的方向的第三力分量。
在本申请的背景下，“沿挥舞方向作用的力分量”指的是作用在转子叶片上的力的沿挥舞方向的力分量。所述挥舞方向被限定为从吸力侧到压力侧或者相反的方向。换言之，所述挥舞方向垂直于翼展并且垂直于弦。
因此，本发明提供了屈曲部段，其在力沿挥舞方向作用在屈曲部段上的情况下屈曲。所述屈曲部段不旨在当例如单纯沿摆振方向作用的力作用在它上时屈曲。
此外，应当理解的是，所述屈曲部段的变形的弹性和可逆的行为仅对于对屈曲部段施加的力的相关范围是有效的。因此，除了稳定极限，还存在屈曲部段的弹性极限。对于超过所述弹性极限的力，屈曲部段可永久变形，换言之，非弹性变形。
所述气动装置的另一特征在于，它在大约为屈曲部段的稳定极限的大小的力沿基本上挥舞方向作用在屈曲部段上的情况下急剧变形（deform abruptly）。在此背景下，概念“大约”包括多达20%的偏差。
换言之，能够给屈曲部段指定预定的力。该预定的力也被称为稳定极限，在所述稳定极限处，所述屈曲部段突然并且强烈地变形。要注意的是，这还通过选择概念“屈曲”来表达。
对于处于稳定极限和弹性极限之间的力，如果另一力或载荷被施加于所述屈曲部段，则进一步变形的增加可能不同。换言之，对于处于稳定极限和弹性极限之间的载荷，存在若干可能性。作为屈曲部段变形的结果，气动部段的构造、即定向和/或形状被改变。特别地，它被改变成使得转子叶片上的载荷被减轻。
本发明的一个关键方面在于，通过提供和小心地选择包括屈曲部段的气动装置，可以提供具有如下气动装置的转子叶片，即：所述气动装置在作用在气动装置上的相关载荷的广泛范围中提高升力，但在极端、即最大载荷的范围中降低升力。由于对所提供的转子叶片相当有益，该控制机制被动地执行。这具有如下优点，即：与主动促动的控制机制相比，系统的维护更容易，并且成本更低。此外，不需要显著地重新设计转子叶片。
要注意的是，概念“后缘部段”指的是转子叶片沿弦向方向属于从后缘测量的弦长的外20%的部段。
同样，“前缘部段”指的是转子叶片的由从前缘确定的弦长的外20%构成的部段。
在本发明的一个实施例中，气动装置被成形为襟翼。
襟翼也可以被描述为翼板（panel）。附接到转子叶片的后缘部段的襟翼已被证明是改进转子叶片的升力特性和性能的高效方式。
襟翼可以被设计为转子叶片的平面翼板延伸部。它也可以具有略微翼型的轮廓。优选地，所述气动装置的气动部段包括用于减少噪声的发射的多个锯齿。
锯齿状的气动部段甚至可以进一步提高升力，并且因此，提高转子叶片的性能。此外，噪声还由于如下事实而降低，即：通过用相对转子叶片的翼展向方向以预定的角度定向的后缘来替代沿基本上翼展向方向直的和平坦的后缘，使涡流偏离和/或分裂。这具有如下有益的效果，即：缓解和减少了涡流和在转子叶片的后缘处产生的噪声。
在本发明的另一实施例中，屈曲部段包括非线性的弹簧，其用于在大约为屈曲部段的稳定极限的大小的力沿基本上挥舞方向作用在屈曲部段上的情况下，实现急剧的变形。
弹簧可以是具有非线性的力-偏转比的常规弹簧。
实现屈曲部段的屈曲功能的另一种方式是选择屈曲部段的材料。优选地，屈曲部段由橡胶或硅胶制成，以便在大约为稳定极限的大小的力作用在屈曲部段上的情况下实现急剧变形。这些材料还具有如下优点，即：它们具有较长的寿命，并且即使在例如海上风力涡轮机的恶劣条件下，也可以持续在良好的状态下。
整个气动装置可由这样的屈曲材料制成。替代性地，仅屈曲部段本身由屈曲材料制成，而附接部段和/或气动部段是硬的和刚性的。显然，在作用在气动装置上的特定的力下，甚至气动装置的这些部段也可能变形并最终破裂，从而不再是刚性的。
在另一实施例中，附接部段包括装置前缘部段和装置后缘部段。所述气动装置利用装置前缘部段附接到主体后缘部段。此外，所述装置后缘部段还构建成转子叶片的后缘部段。
换言之，在其中气动装置被附接到转子叶片的主体的转子叶片的该特定的翼展向部段中，装置后缘部段变为整个转子叶片的后缘部段。在转子叶片的其余部分中，主体后缘部段表示转子叶片的后缘部段。
关于所述气动装置的翼展向尺寸，所述气动装置可以覆盖整个转子叶片。优选地，气动装置被附接到转子叶片的特定的翼展向部分。例如，转子叶片的外部三分之一可以包括如上所述的气动装置。
在另一实施例中，气动装置包括用于减少气动装置沿基本上挥舞方向的变形的至少一个稳定器。特别是对于小于屈曲部段的稳定极限的力，所述稳定器减少气动装置的变形。
所述稳定器也被称为稳定元件或稳定装置。
有利的是，如果对于小于屈曲部段的稳定极限的力，所述气动装置不显著变形。换言之，优选的是，气动装置是相当刚硬的，直到稳定极限，并且仅到那时，才相当大地变形。要注意的是，在这种情况下，急剧地发生显著变形。为了确保气动装置的变形对于较小的力较小，使用所述稳定器。要注意的是，对于较大的力，例如对于处于稳定极限和弹性极限之间的力，所述稳定器也可沿基本上挥舞方向变形。
在一个优选实施例中，所述稳定器沿转子叶片的基本上弦向方向延伸。
假定气动装置被成形和附接到主体，使得它包括朝向转子叶片的根部部段的第一边缘和朝向转子叶片的末端的第二边缘，并且假定这些边缘基本上沿转子叶片的弦向方向延伸，有利的是，将稳定器放置和设计成使得稳定器也沿基本上弦向方向延伸。界定了所述气动装置的边缘，对朝向转子叶片的根部部段的边缘而言，也被称为径向内边缘，并且对朝向转子叶片的末端部段的边缘而言，称为径向外边缘。
在另一实施例中，所述稳定器在气动装置的径向内边缘处界定了气动装置，并且另一稳定器在气动装置的径向外边缘处界定了气动装置。
换言之，所述气动装置包括稳定器和至少另一个稳定器。在若干气动装置沿转子叶片的翼展向方向一个挨着另一个布置的情况下，第一气动装置的所述另一稳定器可以被紧密地连接或甚至附接到相邻的第二气动装置的稳定器。
在本发明的另一实施例中，稳定器与屈曲部段构建成小于150度、特别是小于120度的角度。
优选地，稳定器与屈曲部段构建成基本上90度的角度。
这使得能够实现稳定和可靠的构造，以便抵抗沿挥舞方向的力加强所述气动装置。
在另一实施例中，稳定器朝向转子叶片的压力侧或吸力侧弯曲。
如果在第一替代方案中，稳定器朝向压力侧弯曲，并且力沿从压力侧到吸力侧的方向施加在气动装置上，则当气动装置变形时，稳定器也弯曲或扭曲。
如果在第二替代方案中，稳定器朝向吸力侧弯曲或构造，并且施加在气动装置上的力从压力侧到吸力侧，则在屈曲区域处，稳定器可被压缩。
优选地，波纹部被设置用于更有利的构造，特别是在气动装置由于大约为稳定极限的大小的力已急剧且相当大地变形之后的状态下。换言之，在大约为屈曲部段的稳定极限的大小的力沿基本上挥舞方向作用在屈曲部段上的情况下，所述波纹部能够更精确地控制屈曲部段的急剧变形。
在本发明的另一实施例中，气动装置的屈曲部段包括第一端和第二端，其中，第一端被附接到主体后缘部段，并且第二端被附接到气动装置的气动部段。
换言之，在该实施例中，气动装置不仅经由气动装置的附接部段，而且还附加地经由屈曲部段自身附接到转子叶片的主体。
这具有如下总体优势，即：具有替代性的设计选择。此外，这还具有如下特定优点，即：气动部段可以与例如扰流器、襟翼和之类的常规的气动装置相似地来设计。
要注意的是，气动装置可以被构建为一个单一的单件，或可由附接在一起的若干件制成。例如，屈曲部段可与气动部段和附接部段分开制造。换言之，屈曲部段可以形成第一部分，并且气动部段和附接部段可以形成第二部分。
在另一实施例中，气动装置包括用于将气动装置的气动部段连接到主体后缘部段的多个连接构件。每个连接构件包括屈曲部段和附接部段。
在这种情况下，附接部段和屈曲部段形成第一部分，所述第一部分在本文中被表示为“连接构件”，并且气动装置构建成第二部分。该实施例还具有如下优点，即：例如常规的襟翼之类的气动装置能够如现有技术中一样来制造和提供，并且仅襟翼到其余的转子叶片的连接需要通过在其中包括屈曲特性来重新设计。
此外，本发明还针对如上所述的转子叶片的气动装置。已在转子叶片的背景下描述的特征和元件也适用于这样的气动装置。
现在参考附图，仅借助于示例来描述本发明的实施例，附图中：
图1示出了一种风力涡轮机；
图2示出了风力涡轮机的转子叶片；
图3以力-偏转曲线示出了屈曲的原理；
图4示出了气动装置，其包括柔性屈曲部段、刚性附接部段和刚性气动部段；
图5示出了处于未变形状态下的气动装置的第一实施例；
图6示出了处于变形状态下的气动装置的第一实施例；
图7示出了处于未变形状态下的气动装置的第二实施例；
图8示出了处于变形状态下的气动装置的第二实施例；
图9示出了气动装置的第二实施例的剖视图；
图10示出了处于未变形状态下的气动装置的第三实施例；
图11示出了处于变形状态下的气动装置的第三实施例；
图12示出了附接到转子叶片的主体的气动装置的第四实施例；
图13示出了气动装置的第四实施例的放大视图；
图14示出了气动装置的第五实施例；
图15示出了气动装置的第六实施例；
图16和图18示出了处于未变形状态下的气动装置的第七实施例；
图17和图19示出了处于变形状态下的气动装置的第七实施例；
图20示出了包括多个连接构件的气动装置的第八实施例；以及
图21和图22分别示出了处于未变形状态和变形状态下的第八实施例的连接构件。
附图中的图示采用示意性的形式。应当注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件可配有相同的附图标记。
在图1中，示出了风力涡轮机10。风力涡轮机10包括机舱12和塔11。机舱12被安装在塔11的顶部处。机舱12被安装成借助于偏航轴承关于塔11可旋转。机舱12关于塔11的旋转轴线被称为偏航轴线。
风力涡轮机10还包括具有三个转子叶片20（图1中描绘了其中两个转子叶片20）的轮毂13。轮毂13被安装成借助于主轴承关于机舱12可旋转。轮毂13被安装成绕转子的旋转轴线14可旋转。
此外，风力涡轮机10还包括主轴，其将轮毂13与发电机15的转子连接。轮毂13被直接连接到所述转子，因而风力涡轮机10被称为无传动装置的直驱式风力涡轮机。作为替代方案，轮毂13也可以经由齿轮箱连接到所述转子。这种类型的风力涡轮机被称为齿轮传动式的风力涡轮机。
发电机15被容纳在机舱12内。它包括所述转子和定子。发电机15被布置和制备成用于将来自所述转子的旋转能转换成电能。
此外，图1还可视化了针对转子叶片20的惯性参照系限定的挥舞方向（flapwisedirection）41。挥舞方向41垂直于俯仰轴线16，并且垂直于弦线（图1中不可见）。
图2示出了风力涡轮机的转子叶片20。转子叶片20包括具有根部211的根部部段21和具有末端221的末端部段22。根部211和末端221实质上通过依循转子叶片20的形状的翼展（span）26来连接。如果转子叶片为矩形形状的物体，则翼展26将是直线。然而，当转子叶片20以变化的厚度为特征时，翼展26也是略微弧形或弯曲的。要注意的是，如果转子叶片20自身是弯曲的，则翼展26也将是弯曲的。
转子叶片20包括主体29和气动装置30，其中，气动装置30被附接到主体29。主体29包括具有主体前缘294的主体前缘部段293。同样，主体29也包括具有主体后缘292的主体后缘部段291。主体后缘部段291围绕主体后缘292。主体前缘部段293围绕主体前缘294。
气动装置30包括具有装置前缘的装置前缘部段。气动装置30还包括具有装置后缘304的装置后缘部段。
如已提到的，转子叶片20被限定为主体29和气动装置30的结合。后缘部段23和前缘部段24作为一个整体被分配给转子叶片20。由于气动装置30被附接到主体后缘部段291且未附接到主体前缘部段293，因此主体前缘部段293变为（整个）转子叶片20的前缘部段24，即，与之重合。同样，主体前缘294变为（整个）转子叶片20的前缘241，即，与之重合。
至于转子叶片20的后缘部段23，对于没有附接的气动装置的这些翼展向区域，主体后缘部段291变为转子叶片20的后缘部段23。相反，对于气动装置30被附接到转子叶片20的主体29的那些翼展向区域，装置后缘部段变为转子叶片20的后缘部段23。同样，主体后缘292或装置后缘304变为（整个）转子叶片20的后缘231。
在每个翼展向位置处，能够限定将前缘241与后缘231连接的弦线27。要注意的是，弦线27垂直于翼展26。在弦线包括最大弦长的区域中限定肩部28。
此外，转子叶片20还能够被分成内侧部段（inboard section）和外侧部段（outboard section），所述内侧部段包括转子叶片20与根部部段21相邻的一半，所述外侧部段包括转子叶片20与末端部段22相邻的一半。
图2还示出了针对转子叶片20的惯性参照系限定的摆振方向（edgewisedirection）42。摆振方向42基本上与弦线27的定向上的方向一致。要注意的是，所述挥舞方向（图2中未示出）垂直于摆振方向42。
图3图示了屈曲的原理。屈曲的原理也被称为材料的非线性变形。这能够通过材料的力-变形曲线来可视化。图3示出了沿转子叶片的挥舞方向作用的力分量51，所述力分量51随着转子叶片在挥舞方向上的偏转52变化。能够看到的是，对于最多达稳定极限53的较小的力，参见曲线的第一部分540，所发生的偏转的量是适度的。这在达到稳定极限53时突然改变，换言之，急剧改变。在曲线的第二部分541中，为了获得转子叶片的相当大的偏转52，仅需要所施加的力51的少量增加。还要注意的是，在图3中的示例性图示中，所施加的力51和偏转52之间的关系在曲线的第一部分540中是线性的，但在曲线的第二部分541中是非线性的。
图4示出了包括附接部段31、屈曲部段32和气动部段33的气动装置30的一个示例。附接部段31被布置和制备成用于附接到转子叶片的主体。根据附接部段被构造成附接到主体的区域的尺寸和轮廓，来选择附接部段31的形状和尺寸。在气动装置30的附接状态下朝向转子叶片的前缘部段的附接部段的边缘部段被称为装置前缘部段301。装置前缘部段301的边缘被称为装置前缘305。
同样，最远离转子叶片的前缘部段的边缘部段被称为装置后缘部段302。装置后缘部段302的边缘被称为装置后缘304。
屈曲部段32处于附接部段31和气动部段33之间。屈曲部段32在图4的示例中包括稳定器39和另一稳定器391。
图4的实施例示出了具有柔性屈曲部段32的气动装置30。所述柔性屈曲部段由橡胶制成。这种材料选择确保了在达到预定的力水平的情况下屈曲部段32能够急剧变形，即，所述力水平被称为屈曲部段32的稳定极限。将橡胶材料用于屈曲部段32的另一优点在于，它非常适于承受显著的局部变形，而不磨损。与柔性屈曲部段32相反，气动部段33和附接部段31由硬的和刚性的材料制成。例如，气动装置30可借助于螺栓、铆钉或粘合剂来附接到转子叶片的主体。
图5至图22图示了本发明的示例性实施例。
图5示出了气动装置30的第一实施例，其包括三个已描述过的部段，即，附接部段31、屈曲部段32和气动部段33。在第一实施例中，屈曲部段32和气动部段33结合在一起。这意味着，气动装置30的一个大的部段既能够在沿挥舞方向施加的力（或，一般而言，沿挥舞方向的力分量）达到或超过屈曲部段的稳定极限的情况下急剧变形，又能够影响气动装置30的气动特性。
第一实施例被成形为呈U形。换言之，它包括一个平面和两个稳定器，即，稳定器39和另一稳定器391，所述两个稳定器39、391与所述平面垂直地布置。
在图6中能够看到，如果力沿挥舞方向施加在气动装置上，则产生弯矩55，并且气动装置30变形。气动装置30的变形发生在平面部段和稳定器39、391二者处。结果，气动装置30向上弯曲，并且因此，将以期望的方式影响转子叶片的气动特性。特别是，可以降低转子叶片的升力。要注意的是，所述变形是可逆的，并且它完全被动地发生。
图7和图8示出了本发明的第二实施例。它们示出了另一气动装置30，其具有包括装置前缘部段301的附接部段31和屈曲部段32以及气动部段33。气动部段33包括装置后缘部段302，并且包括多个锯齿38。锯齿38的目的主要是降低在转子叶片绕转子的旋转轴线旋转期间产生的噪声。
在图7的示例中，气动装置被布置和制备成用于在转子叶片的主体的压力侧处附接在后缘部段处。此外，它被布置和制备成使得力分量51作用在气动装置30上，使得如果力分量51达到屈曲部段32的稳定极限，则由于弯矩55，气动部段33朝向转子叶片的吸力侧向上弯曲，并且屈曲部段32也至少部分地朝向转子叶片的吸力侧向上弯曲。要注意的是，如在图8中能够很好地分辨的，稳定器39、391也在变形期间弯曲。
图9示出了第二实施例的剖视图。能够看到的是，稳定器39和另一稳定器391相对于气动部段的平面部分包括大约130度的角度。具有大约130度的角度具有如下优点，即：在对小于稳定极限的力而言的气动装置的高稳定性和对高于稳定极限的力而言的正变形能力之间，它是良好的折衷方案。
图10和图11示出了气动装置30的第三实施例，其包括附接部段31、屈曲部段32和气动部段33。同样，气动部段33包括多个锯齿38，其用于降低风力涡轮机的转子叶片所产生的噪声。此外，类似于如图7至图9中所示的实施例，气动装置30也包括稳定器39和另一稳定器391，对于小于屈曲部段32的稳定极限的力，二者用于减小气动装置30的沿基本上挥舞方向的变形。在如图10中所示的实施例中，屈曲元件32包括波纹部（corrugation）37。因此，获得了波纹铰链元件。这具有有利于屈曲元件32的变形的优点，如在图11中能够看到的。这具有如下效果，即：与稳定器39在变形时弯曲且扭曲的如图7至图9中所示的先前的实施例相反，稳定器39保持基本上不变，并且仅波纹部37周围的区域变形。
图12示出了本发明的第四实施例。它示出了气动装置30，所述气动装置30在具有气动装置30的主体后缘部段291处附接到主体29。气动装置30的可逆变形基本上由于弯矩55而发生。
图13示出了附接到如图12中所示的转子叶片的主体29的气动装置30的放大视图。气动装置30在主体后缘部段291处附接到主体29。更具体而言，气动装置30被附接在转子叶片的压力侧252处。所述气动装置在径向内边缘34处包括稳定器39，并且在径向外边缘35处包括另一稳定器391。屈曲部段32包括波纹部，其用于使得能够实现气动装置30的更精确和受控的变形运动。由于气动装置30被附接到主体后缘部段291，因此装置后缘部段302变为整个转子叶片的后缘部段23。同样，装置后缘304变为（整个）转子叶片的后缘231。
图14示出了本发明的第五实施例，即，分段的气动装置。换言之，它描述和公开了多个气动装置30，其沿转子叶片的翼展一个挨着另一个。由于气动装置30包括稳定器39，并且第一气动装置的相邻的稳定器与另一气动装置的相邻的另一稳定器紧密地连接。由于稳定器39、391更密集地隔开，因此该实施例在后缘处产生对气流的更多控制。还要注意锯齿38，其用于降低空气动力学噪声（aerodynamically induced noise）。
图15示出了本发明的第六实施例。它示出了附接部段31、气动部段33和屈曲部段32，其中，屈曲部段32被形成为非线性的弹簧371。
处于未加载状态下的弹簧371在图15的右手侧上以“1”来描绘。弹簧的非线性的特征意味着，对于小于弹簧的稳定极限的力的整个范围，气动部段33相对于附接部段31的偏差是相对小的，参见图15的右手侧上的状态“2”。然而，当达到稳定极限时，气动装置33相对于附接部段31的角度的定向的急剧改变是可能的，参见图15的右手侧上的状态“3”。
图16至图19以剖视图示出了风力涡轮机的转子叶片20的气动装置30的第七实施例。
转子叶片20包括主体29和气动装置30。气动装置30包括附接部段31、屈曲部段32和气动部段33。气动装置30在主体后缘部段291处被连接到主体29。气动装置30经由气动装置30的附接部段31连接到主体后缘部段291。
主体29包括前缘241和主体后缘292。通过直线来连接前缘241和主体后缘292。所述直线被称为弦线27。
此外，主体29还包括前缘部段24，如从前缘241看到的，所述前缘部段24通过在20%弦长的弦向位置271处垂直于弦线27的线来界定。同样，主体后缘部段291通过线272来限定和界定，如从前缘241看到的，所述线272在80%弦长的弦向位置272处垂直于弦线27。
在图16和图17中，处于前缘241和主体后缘292之间并且基本上“高于”弦线27的部分被称为转子叶片20的吸力侧251，而处于前缘241和主体后缘292之间并且基本上“低于”弦长27的部分被称为压力侧252。
气动装置30首先直接经由附接部段31并且其次经由屈曲部段32连接到主体后缘部段291。
图16和图17之间的差异在于，在图16中屈曲部段32未变形，而在图17中屈曲部段32变形。作为结果，在图16中，从前缘部段24流动到主体后缘部段291的气流11沿压力侧252的方向在主体后缘部段291处偏转。这是对小于稳定极限并且作用在屈曲部段32上的力、即载荷而言预期的情况。在图16中所示的情况下，气流11被偏转，使得与没有任何气动装置30的替代性布置结构相比，转子叶片20的升力增加。
相比之下，图17示出了如下情况，即：其中，屈曲部段32由于沿基本上垂直于弦线27的方向施加在屈曲部段32上的极端载荷而变形。屈曲部段32的变形导致从前缘部段24流动到主体后缘部段291的气流11的偏转。气流11的偏转使得它不是朝向转子叶片20的压力侧252而是朝向转子叶片20的吸力侧251离开主体后缘部段291。这导致转子叶片20上的载荷的减轻或减小。要注意的是，所述减轻是由于被动机制（passive mechanism）。
图18示出了气动装置30如何被附接到主体后缘部段291的详细视图。第一，它示出了气动装置30的附接部段31被附接在主体后缘部段291的预定的第一接触区域295处。第二，它示出了屈曲部段32包括第一端321和第二端322。第一端321在预定的第二接触区域296处被附接到主体后缘部段291。屈曲部段32的第二端322与气动装置30的气动部段33固有地连接。
一旦气动装置30的附接部段31和主体后缘部段291的第一接触区域295被稳固地连接，并且一旦屈曲部段32的第一端321和主体后缘部段291的第二接触区域296被稳固地连接，转子叶片就是完全可操作的。在屈曲部段的稳定极限被明智地设置的假设下，能够有益地利用气动装置30相对于转子叶片20的主体29的柔性布置结构，以便高效地操纵作用在风力涡轮机的转子叶片20上的载荷，并且甚至作为一个整体操纵作用在风力涡轮机上的载荷。
图19示出了具有屈曲部段32的气动装置30的一个示例性设计。屈曲部段32由薄的塑料材料制成。能够看到气动装置30的附接部段31，其被布置和制备成用于连接到转子叶片的预定的第一接触区域（未示出）。此外，还示出了沿转子叶片的挥舞方向作用的压缩力的力分量51。所述压缩力的力分量51超过屈曲部段32的稳定极限，因此屈曲部段32显著变形。为了比较，以虚线示出了未变形的气动部段306。
图20至图22示出了本发明的第八实施例。它包括转子叶片20，所述转子叶片20包括主体29和气动装置30。气动装置30包括多个连接构件303，其用于将气动装置30的气动部段33连接到主体29的主体后缘部段291。每个连接构件303包括屈曲部段32和附接部段31。连接构件303由薄的塑料材料制成。
转子叶片20包括吸力侧251、压力侧252、前缘241和主体后缘292。主体后缘292具有平背（flat back）的形状。至少在如图20中所示的屈曲部段32的未变形状态期间，气动装置30有效地延长了主体29的弦线27（未示出）的弦长。每个连接构件303被成形为略呈弧形的条。微小的曲率给予连接构件303附加的稳定性。
图21图示了同样处于未变形状态下的连接构件303。能够看到的是，它被布置和制备成使得弯矩55作用在连接构件303的端部中的一个上。
最后，图22示出了处于变形状态下的与图21中相同的连接构件303。能够看到作用在连接构件303上的弯矩55的影响。如图20中所示的转子叶片20上的一组变形的连接构件303的影响能够被想象如下：气动装置30的气动部段33将扣向（snap towards）吸力侧251，并且因此，特别是在主体后缘部段291处的风的流动特性显著改变。
Claims (17)
1.用于风力涡轮机的转子叶片（20），
其中，
- 所述转子叶片（20）包括主体（29），所述主体（29）限定了所述转子叶片（20）的压力侧（252）和吸力侧（251），
- 所述主体（29）包括主体后缘部段（291），
- 所述转子叶片（20）包括气动装置（30），
- 所述气动装置（30）包括：附接部段（31），其用于将所述气动装置（30）附接到所述主体后缘部段（291）；气动部段（33），其用于影响所述转子叶片（20）的气动特性；以及屈曲部段（32），其控制所述气动部段（33）相对于所述主体（29）的构造，以及
- 所述气动装置（30）被构造成使得：
- 对于沿挥舞方向（41）作用在所述屈曲部段（32）上的力分量（51），所述气动装置（30）弹性变形，
- 如果大小为所述屈曲部段（32）的稳定极限（53）的力分量（51）沿挥舞方向（41）作用在所述屈曲部段（32）上，则所述气动装置（30）急剧变形，
- 如果所述屈曲部段（32）急剧变形，则所述气动部段（33）相对于所述主体（29）的构造被改变，以及
- 所述转子叶片（20）上的载荷由于所述气动部段（33）的构造的改变而减轻，
其中，所述气动装置（30）包括至少一个稳定器（39），对于小于所述屈曲部段（32）的稳定极限（53）的力分量（51），所述至少一个稳定器（39）用于减小所述气动装置（30）沿基本上挥舞方向（41）的变形。
2.根据权利要求1所述的转子叶片（20），
其特征在于，所述气动装置（30）被成形为襟翼。
3.根据权利要求1或2所述的转子叶片（20），其特征在于，所述气动装置（30）的气动部段（33）包括多个锯齿（38），以减少噪声的发射。
4.根据权利要求1或2所述的转子叶片（20），其特征在于，所述气动装置（30）的至少屈曲部段（32）由橡胶和/或硅胶制成，以在大小为所述屈曲部段（32）的稳定极限（53）的力分量（51）沿挥舞方向（41）作用在所述屈曲部段上的情况下，实现急剧变形。
5.根据权利要求1或2所述的转子叶片（20），其特征在于，所述气动装置（30）的附接部段（31）和/或气动部段（33）相对于沿挥舞方向（41）作用在所述气动装置（30）上的力分量（51）是基本上刚性的。
6.根据权利要求1或2所述的转子叶片（20），其特征在于：
- 所述气动装置（30）包括装置前缘部段（301）和装置后缘部段（302），
- 所述装置前缘部段（301）被附接到所述主体后缘部段（291），以及
- 所述装置后缘部段（302）构建成所述转子叶片（20）的后缘部段（23）。
7.根据权利要求1所述的转子叶片（20），
其特征在于，所述稳定器（39）沿所述转子叶片（20）的基本上弦向方向延伸。
8.根据权利要求1或7所述的转子叶片（20），其特征在于：
- 所述稳定器（39）在所述气动装置（30）的径向内边缘（34）处界定了所述气动装置（30），以及
- 另一稳定器（391）在所述气动装置（30）的径向外边缘（35）处界定了所述气动装置（30）。
9.根据权利要求1或7所述的转子叶片（20），其特征在于，所述稳定器（39）以小于150度的角度（36）附接到所述屈曲部段（32）。
10.根据权利要求1或7所述的转子叶片（20），其特征在于，所述稳定器（39）以基本上90度的角度（36）附接到所述屈曲部段（32）。
11.根据权利要求1或7所述的转子叶片（20），其特征在于，所述稳定器（39）朝向所述转子叶片（20）的压力侧（252）或吸力侧（251）弯曲。
12.根据权利要求1或7所述的转子叶片（20），其特征在于，所述稳定器（39）包括波纹部（37），以在大小为所述屈曲部段（32）的稳定极限（53）的力分量（51）沿挥舞方向（41）作用在所述屈曲部段（32）上的情况下，更精确地控制所述屈曲部段（32）的急剧变形。
13.根据权利要求1或2所述的转子叶片（20），
其特征在于，所述屈曲部段（32）包括非线性的弹簧（371），以在大小为所述屈曲部段（32）的稳定极限（53）的力分量（51）沿挥舞方向（41）作用在所述屈曲部段（32）上的情况下，实现所述急剧变形。
14.根据权利要求1或2所述的转子叶片（20），其特征在于：
- 所述屈曲部段（32）包括第一端（321）和第二端（322），
- 所述第一端（321）被附接到所述主体后缘部段（291），以及
- 所述第二端（322）被附接到所述气动装置（30）的气动部段（33）。
15.根据权利要求1或2所述的转子叶片（20），其特征在于：
- 所述气动装置（30）包括多个连接构件（303），所述多个连接构件（303）用于将所述气动装置（30）的气动部段（33）连接到所述主体后缘部段（291），以及
- 每个连接构件（303）包括屈曲部段（32）和附接部段（31）。
16.根据权利要求9所述的转子叶片（20），其特征在于，所述稳定器（39）以小于120度的角度（36）附接到所述屈曲部段（32）。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的转子叶片（20）的气动装置（30）。
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