CN112272737B - 带有具有在叶片的内梢端和外梢端之间的铰链位置的铰接叶片的风轮机 - Google Patents

Abstract

公开了一种包括塔架(2)、机舱(3)和轮毂(7)的风轮机(1)。所述轮毂(7)包括叶片承载结构(4)，一个或更多个风轮机叶片(5)连接到所述叶片承载结构(4)。每个所述风轮机叶片(5)限定了空气动力学轮廓，所述空气动力学轮廓具有沿着所述风轮机叶片(5)的长度变化的厚度。每个所述风轮机叶片(5)经由所述风轮机叶片(5)的铰链位置处的铰链(6)连接到所述叶片承载结构(4)，每个所述风轮机叶片(5)由此被布置成在最小枢转角和最大枢转角之间执行相对于所述叶片承载结构(4)的枢转移动。所述铰链位置被布置成与所述内梢端(5a)间隔开并且与所述外梢端(5b)间隔开，并且所述铰链位置处的厚度或厚弦比大于所述内梢端(5a)处的厚度或厚弦比且大于所述外梢端(5b)处的厚度或厚弦比。

Description

带有具有在叶片的内梢端和外梢端之间的铰链位置的铰接叶 片的风轮机

技术领域

本发明涉及包括塔架、机舱和包括叶片承载结构的轮毂的风轮机。一个或更多个风轮机叶片经由铰链枢转地连接到叶片承载结构。

背景技术

为了提供期望的电力输出并且为了控制风轮机上的负载，通常对风轮机进行控制。对于水平轴风轮机(即，具有绕大体水平的旋转轴线旋转的转子的风轮机)，这可通过控制风轮机叶片的桨距角来获得。在这种情况下，通过将风轮机叶片绕纵向轴线旋转来调节风轮机叶片相对于到来的风的攻角。

如上所述的传统桨矩控制需要基于传感器的控制器以及例如采用变桨轴承和驱动单元形式的机械零件。这样的控制器和机械零件需要维护。在风轮机处于远程位置的情况下，这可能是困难的。在这种情况下，例如由于维护人员的运送时间长或备件的交货时间长，失效或故障会导致大量的停机时间，因此，期望提供可按简单的方式进行控制并且与传统的桨矩受控制的风轮机相比维护要求降低的风轮机。

US 4,632,637公开了一种高速的顺风水平轴的风轮机，其具有三个沿圆周间隔开的轻质叶片，该轻质叶片具有在内部支撑臂径向外侧设置的叶片段，所述叶片段枢转地连接到所述支撑臂，从而在大风条件或高旋转速度下顺风地笔直折叠。

CA 1238582公开了具有包括呈接近90°角度的内部部分和外部部分的臂构件的风轮机。叶片枢转地附接到各外臂部分。外臂部分在内梢端和外梢端之间与叶片的空气动力学轮廓的前缘和后缘基本上平行地延伸穿过叶片。

DE 81 22 496公开了具有枢转地安装在轮毂上的多个风轮机叶片的风轮机。风轮机叶片包括连接到枢转部的空气动力学轮廓，该枢转部并非空气动力学轮廓的一部分。枢转部形成了风轮机叶片和轮毂之间的连接。

发明内容

本发明的实施方式的目的是提供一种具有铰接的风轮机叶片的风轮机，其中，风轮机叶片在高风速和/或高旋转速度下自动且高效地向内折叠，并且其中，风轮机叶片被配置用于从风中高效提取能量。

本发明的实施方式的其他目的是提供一种具有铰接的风轮机叶片的风轮机，其中，与类似的现有技术的风轮机相比，用于该风轮机叶片的材料的量减少。

根据第一方面，本发明提供了一种风轮机，所述风轮机包括塔架、机舱、轮毂以及一个或更多个风轮机叶片，所述机舱经由偏航系统安装在所述塔架上，所述轮毂能旋转地安装在所述机舱上，所述轮毂包括叶片承载结构，所述一个或更多个风轮机叶片连接到所述叶片承载结构，

其中，每个所述风轮机叶片沿着纵向方向在内梢端和外梢端之间延伸，并限定了具有吸力侧和压力侧的空气动力学轮廓，所述吸力侧和所述压力侧都都在前缘和后缘之间延伸，所述前缘和所述后缘都在所述内梢端和所述外梢端之间延伸，所述空气动力学轮廓还具有沿着所述风轮机叶片的所述纵向方向在所述内梢端和所述外梢端之间的变化的厚度，并且其中，每个所述风轮机叶片经由所述风轮机叶片的铰链位置处的铰链连接到所述叶片承载结构，每个所述风轮机叶片由此被布置成绕与所述风轮机叶片的所述纵向方向基本垂直布置的枢转轴线在最小枢转角和最大枢转角之间执行相对于所述叶片承载结构的枢转移动，所述铰链位置被布置成与所述内梢端间隔开并且与所述外梢端间隔开，并且其中，所述铰链位置处的所述厚度大于所述内梢端处的所述厚度且大于所述外梢端处的所述厚度。

因此，本发明的风轮机包括塔架，机舱经由偏航系统安装在塔架上。因此，机舱可相对于塔架绕基本竖直的旋转轴线旋转，以便将风轮机的转子引导进入到来的风中。偏航系统可以是主动偏航系统，在该主动偏航系统中，机舱例如基于风向的测量借助偏航驱动机构主动地旋转。作为替代方式，偏航系统可以是被动偏航系统，在该被动偏航系统中，机舱在不使用偏航驱动机构的情况下根据风向自动地旋转。

机舱可以是传统的机舱，其具有包围机舱内部的外壁，机舱容纳风轮机的各种部件，诸如发电机、传动系等。作为替代方式，机舱可以简单地是能够执行相对于塔架的偏航移动的结构。在这种情况下，上述部件中的一些或全部可布置在机舱的外部，例如，布置在塔架的内部部分中。

轮毂被能旋转地安装到机舱。所述轮毂包括叶片承载结构，所述叶片承载结构使一个或更多个风轮机叶片连接到其上。因此，风轮机叶片随轮毂和叶片承载结构一起相对于机舱旋转。

风轮机优选地是水平轴风轮机。

每个风轮机叶片沿着纵向方向在风轮机叶片的内梢端和外梢端之间延伸。在本背景下，术语“内梢端”应该被解释为意指风轮机叶片的最靠近轮毂布置的末端。类似地，在本背景下，术语“外梢端”应该被解释为意指风轮机叶片的最远离轮毂布置的末端。应该注意，术语“最靠近轮毂”和“最远离轮毂”是指在风轮机正常运行期间出现的枢转角间隔内的梢端位置。此外，在本背景下，术语“纵向方向”应该被解释为意指风轮机叶片沿着该纵向方向比任何其他方向上长的方向。因此，内梢端和外梢端形成风轮机叶片的在该纵向方向上的末端。

每个风轮机叶片限定具有吸力侧和压力侧的空气动力学轮廓。吸力侧和压力侧二者都在空气动力学轮廓的前缘和后缘之间延伸。因此，吸力侧和压力侧在前缘和后缘处相交。在空气动力学轮廓上流动的空气分别从前缘沿着吸力侧和压力侧朝向后缘流动。在后缘处，来自吸力侧的气流和来自压力侧的气流重新汇合。空气流沿着吸力侧和压力侧的行进距离的差异造成空气动力学轮廓上的空气动力学升力，由此使风轮机叶片能够从风中提取能量。因此，风轮机叶片的空气动力学轮廓确保了风轮机叶片能够从风中提取能量。

前缘和后缘都在内梢端和外梢端之间延伸。因此，前缘以及后缘在所述纵向方向上沿着风轮机叶片的整个长度延伸。

空气动力学轮廓还具有在内梢端和外梢端之间沿着风轮机叶片的纵向方向变化的厚度。

在本背景下，术语“厚度”应该被解释为意指风轮机叶片的给定横截面处的与风轮机叶片的弦垂直的风轮机叶片的压力侧和风轮机叶片的吸力侧之间的最大距离。

因此，该距离随着沿着风轮机叶片的长度(即，沿着风轮机叶片的纵向方向)且在内梢端和外梢端之间的位置的变化而变化。

每个风轮机叶片经由风轮机叶片的铰链位置处的铰链连接到叶片承载结构。由此，每个风轮机叶片被布置成经由铰链且绕着与风轮机叶片的纵向方向基本垂直布置的枢转轴线执行相对于叶片承载结构的枢转移动。因此，在风轮机叶片枢转移动期间，内梢端和外梢端是风轮机叶片的在铰链位置的任一侧移动达最长距离的部分，并且风轮机叶片的纵向方向枢转。

因此，在每个风轮机叶片与叶片承载结构之间限定枢转角，该枢转角取决于铰链的位置并由此取决于风轮机叶片相对于叶片承载结构的位置。因此，枢转角限定了给定风轮机叶片的纵向方向相对于叶片承载结构并由此相对于轮毂延伸所沿着的方向。这进而确定了转子的直径，由此确定了风轮机从风中提取能量的能力。

铰链可以是轴承或包括轴承，例如轴颈轴承、滚珠轴承或任何其他合适种类的轴承的形式。

枢转角可以在限定最小转子直径的最小枢转角和限定最大转子直径的最大枢转角之间变化。

铰链位置布置在风轮机叶片上，与内梢端间隔开并且与外梢端间隔开。因此，与其中风轮机叶片在风轮机叶片的根端处附接到轮毂的常规桨距受控制的风轮机相反，风轮机叶片被铰接到叶片承载结构的并非风轮机叶片端部的位置处。此外，风轮机叶片的在铰链位置任一侧朝向相应的梢端延伸的部分各自形成空气动力学轮廓的一部分，由此有助于从风中提取能量。

铰链位置处的厚度大于内梢端处的厚度且大于外梢端处的厚度。这是可以的，因为叶片负荷朝向叶片内部部分和外部部分二者上的铰链增加，并且因为风轮机叶片的内部部分和外部部分都不需要将空气动力学轮廓朝向圆形改变，该改变是对经由桨距系统连接到轮毂的更经典的风轮机叶片的要求。因此，风轮机叶片的布置在铰链位置和外梢端之间的部分以及风轮机叶片的布置在铰链位置和内梢端之间的部分可限定更佳的空气动力学轮廓和叶片几何形状，即，有助于从风中提取更多能量的轮廓和几何形状。此外，例如由于负荷较低以及由于不需要将叶片轮廓转移到圆形形状，可以避免过量的风轮机叶片材料。因此，与传统的风轮机叶片相比，风轮机叶片的重量可减轻。此外，发现风轮机叶片的这种形状减少了末梢损失，并且基于深入研究发现，当叶片接近最小枢转角时，产生更稳定的枢转控制。

每个风轮机叶片的铰链位置可在限定最大厚度的位置处。根据该实施方式，铰链位置限定了沿着风轮机叶片的长度厚度最大的位置。因此，在沿着风轮机叶片的纵向方向的任何其他位置处的厚度将小于铰链位置。

作为替代方式，可以存在沿着风轮机叶片的长度厚度大于铰链位置的位置，只要铰链位置的厚度大于内梢端处的厚度以及外梢端处的厚度。

每个风轮机叶片的空气动力学轮廓的厚度可从铰链位置朝向内梢端并且从铰链位置朝向外梢端减小。根据该实施方式，厚度在铰链位置处最大，并且在内梢端和外梢端处朝向最小弦连续减小。

作为替代方式，厚度可从铰链位置朝向内梢端和/或朝向外梢端以非单调方式变化。

每个风轮机叶片具有静止的风轮机叶片的质心，该质心处于风轮机叶片的铰链位置和内梢端之间。根据该实施方式，风轮机叶片的质心布置在风轮机叶片的被布置成比铰链位置更靠近轮毂的部分中。在这种情况下，当轮毂相对于机舱旋转时，离心力在质心的位置处作用在每个风轮机叶片上。由此，离心力将往往会将风轮机叶片的布置在铰链位置和内梢端之间的部分(即，风轮机叶片的布置有质心的部分)在向外的方向上推动。这将造成风轮机叶片经由铰链枢转，使得风轮机叶片朝向其中风轮机叶片的纵向方向布置成基本上平行于轮毂的旋转轴线的位置旋转。由此，风轮机叶片枢转，使得转子的直径减小。旋转速度越高，风轮机叶片将朝向该位置枢转得越远。

因此，根据该实施方式，随着轮毂的旋转速度增加，转子的直径自动地减小。因此，转子直径由此风轮机从风中提取能量的能力根据主导风速被自动地调整，而无需复杂的控制算法或需要机械零件(诸如，变桨机构等)进行的维护。

另选地或另外地，作用在风轮机叶片的空气动力学轮廓上的空气动力可致使风轮机叶片枢转，使得转子的直径随着风速增大而减小。在优选的实施方式中，离心力和空气动力进行协作，以随着风速的增加而减小转子直径，即，它们彼此不抵消。对于一些风轮机(例如，小风轮机)，离心力可以是相对于确保风轮机叶片朝向较小转子直径枢转的主导因素。对于其他风轮机(例如，较大的风轮机)，空气动力可以是主导因素。

风轮机还可包括布置在机舱上的与轮毂的附接位置相对的位置处的平衡质量。轮毂和平衡质量可优选地布置在塔架的相对侧，在这种意义上，轮毂和平衡质量布置在机舱的处于机舱的如下区域的相对侧处的部分上，该区域限定了朝向塔架的接口。轮毂和连接到其上的风轮机叶片通常会相对重，并且作用在轮毂和风轮机叶片上的重力可由此在风轮机中引入实质性负荷。通过以上述方式在机舱上设置平衡质量，至少部分抵消了由重力作用在轮毂和风轮机叶片上引起的负荷，特别是倾斜力矩。平衡质量的重量可以被选择，使得该重量精确平衡轮毂和风轮机叶片的重量。

风轮机可以是顺风风轮机。根据该实施方式，转子背离到来的风，即，风在经过了机舱之后到达风轮机叶片。顺风风轮机非常适合于应用被动偏航系统，即，不使用偏航驱动器和控制系统而将风轮机的转子自动地朝向带来的风引导的偏航系统。这进一步减少了对往往会需要维护的部件的需求。此外，在顺风风轮机中，可相对于转子逆风地布置被动冷却系统，由此使得能够改善各种风轮机部件的冷却。

作为替代方式，风轮机可以是逆风风轮机，在这种情况下，转子面对到来的风。

风轮机还包括将风轮机叶片朝向提供风轮机的最大转子直径的位置偏置的偏置装置。根据该实施方式，当没有其他力作用在风轮机叶片上时，风轮机叶片将处于提供最大转子直径的位置。具体地，当风速低并且轮毂因此不旋转或者仅以低旋转速度旋转时，没有或仅很小的离心力作用在风轮机叶片上。由于偏置装置使风轮机叶片朝向最大转子直径偏置，因此在这些条件下转子直径大。由此，确保了风轮机能够从风中提取尽可能多的能量。还确保了风轮机叶片实际上处于能够捕获风并且一旦风速增加就致使轮毂旋转的位置。

另一方面，当风速较高时，轮毂以较高的旋转速度旋转，由此作用在风轮机叶片上的离心力较大。在某个点，离心力变得大得足以至少部分地克服偏置装置的偏置力，由此风轮机叶片将开始朝向限定最小转子直径的位置枢转，即，转子直径减小。由于偏置力，确保以平滑渐进的方式获得转子直径的这种减小。

偏置装置可例如包括安装在风轮机叶片上的弹簧。

风轮机还包括端部止动机构，端部止动机构被布置成使风轮机叶片在最小枢转角附近的区域中和/或最大枢转角附近的区域中的枢转移动变慢。根据该实施方式，确保了风轮机叶片的枢转移动没有在最小枢转角和/或最大枢转角处突然停止。替代地，端部止动机构确保枢转移动以平稳渐进的方式停止。这保护了风轮机叶片以及布置在风轮机叶片附近的零件免受因碰撞引起的损坏。

端部止动机构可包括弹簧和/或阻尼器。例如，端部止动机构可包括安装在风轮机叶片上的弹簧和/或风轮机叶片在最小枢转角时和/或在最大枢转角时抵靠的弹性垫。弹簧可例如采用布置在铰链中得扭力弹簧或安装在叶片承载结构与风轮机叶片之间的可压缩弹簧的形式。可压缩弹簧可例如在中间枢转角时处于中性状态，在较小枢转角时处于压缩状态并且在较大枢转角时处于拉伸状态，或者反之亦然。在这种情况下，可压缩弹簧能够在小枢转角时以及在大枢转角时使风轮机叶片的枢转移动变慢。

风轮机还包括被布置成在紧急情况下将风轮机叶片移动到安全枢转角的止动机构。根据该实施方式，在紧急情况下保护风轮机叶片。同样不排除，在出于紧急之外的其他原因期望停止风轮机的运行并将风轮机叶片移动到安全枢转角的情况下启动止动机构。

安全枢转角可布置风轮机叶片，使得每个风轮机叶片沿着与轮毂的旋转轴线基本上平行的方向延伸。风轮机叶片的该位置限定了最小转子直径，有时也被称为“筒模式”。在出于紧急情况之外的其他原因启动止动机构的情况下，安全枢转角可将风轮机叶片相对于轮毂的旋转轴线以小角度布置。该角度可取决于风速。

止动机构包括释放机构以及使释放机构与每个风轮机叶片互连的至少一根弹簧偏置线材。在本背景下，术语“线材”应该被解释为意指将释放机构与风轮机叶片之一互连的零件。线材可以能够向风轮机叶片提供拉力。线材可例如是传统的钢丝、绳索、链条、带等的形式。在线材是带的形式的情况下，它可例如是碳纤维带，它非常耐用并能够承受在皮带轮等上方的反复移动。

根据该实施方式，弹簧偏置线材在正常运行期间将风轮机叶片保持在所期望位置。然而，由于弹簧偏压，在作用在风轮机叶片上的离心力足以至少部分地克服弹簧的偏置力的情况下，使风轮机叶片能够朝向较小的转子直径枢转。因此，如上所述，确保了转子直径针对风速自动地调整。

在必须使风轮机停止的情况下，释放机构被启动，由此弹簧偏置线材被从释放机构释放。因此，风轮机叶片不再被线材保持就位，并且它们立即朝向安全位置移动。

弹簧偏置线材可以是具有弹簧部分的刚性线材。作为替代方式，弹簧偏置线材可以是弹性绳索的形式。

每个风轮机叶片可经由单独的弹簧偏置线材连接到释放机构。单独的线材还可连接到单独的释放机构。作为替代方式，各风轮机叶片可经由单独的连接线材连接到例如在塔架内部延伸的公共线材。在这种情况下，公共线材可以是弹簧偏置的，而连接线材是刚性的，或者连接线材可以是弹簧偏置的而公共线材是刚性的。作为替代方式，连接线材和公共线材可以是弹簧偏置的。

释放机构可例如是其上卷绕有弹簧偏置线材的绞盘的形式。在这种情况下，释放机构可通过从绞盘上取下制动机构而容易地被释放，由此使其能够自由地旋转并释放弹簧偏置线材。释放机构可布置在塔架的下部部分处，维修人员可容易地在该下部部分处触及释放机构。

叶片承载结构可包括一个或更多个臂，并且每个风轮机叶片可安装在叶片承载结构的臂中的一个上。

每个风轮机叶片可具有包括内梢端的内部部分和包括外梢端的外部部分，并且内部部分和外部部分可被彼此接合。根据该实施方式，风轮机叶片被分段，在这种意义上，它们各自由彼此接合以形成风轮机叶片的单独的零件制成。这使得运输风轮机叶片更容易，因为风轮机叶片的零件可被分开运输，并且风轮机叶片可在风轮机的现场被组装。内部部分和外部部分可在铰链位置处或附近的区域中彼此接合。由于铰链的存在无论如何都会干扰风轮机叶片的几何形状和结构，因此在该区域中将内部部分和外部部分彼此接合没有引入对几何形状和结构的显著的进一步干扰。

作为替代方式，内部部分和外部部分可在背离铰链位置的区域中彼此接合。例如，铰链位置可布置在风轮机叶片的外部部分中，在这种情况下，内部部分与外部部分之间的接头将布置在铰链位置和内梢端之间。这会导致风轮机叶片的质心布置在铰链位置和内梢端之间。另选地，铰链位置可布置在风轮机叶片的内部部分中，在这种情况下，内部部分与外部部分之间的接头将布置在铰链位置和外梢端之间。这可使风轮机叶片的最长部分的最大运输长度减小。

每个风轮机叶片还可包括具有铰链位置的铰链部分，并且铰链部分可将内部部分与外部部分互连。根据该实施方式，铰链被安装在风轮机叶片的单独部分(即，铰链部分)上。因此，铰链部分可被设计成满足在铰链位置处得要求(例如相对于强度和材料厚度)，而不必考虑对于风轮机叶片的其他部分而言相关的其他要求(例如相对于重量、空气动力学特性等)。

每个风轮机叶片的铰链可被内置在风轮机叶片中。根据该实施方式，实际的铰链没有从风轮机叶片的外表面突出，由此风轮机叶片的空气动力学特性在铰链区域中得以保持，从而导致相对于电力产生的损失较小。作为替代方式，铰链可附接到风轮机叶片的外表面。

每个风轮机叶片可设置有至少一个翼翅。翼翅可被布置在每个风轮机叶片的内梢端处或附近和/或外梢端处或附近。翼翅可朝向风轮机叶片的吸力侧和/或朝向压力侧延伸。为风轮机叶片设置至少一个翼翅允许如下设计，该设计在保持长风轮机叶片的空气动力学特性的同时具有较短风轮机叶片。这在内梢端处是特别有利的，因为这将缩短内部叶片，从而导致内梢端与塔架之间的最小可能距离较大。这样的效果将使所需的悬垂(即，所需的从主轴承到轮毂中心的距离)减小，如此，使主轴承上的负荷减小。外梢端处的翼翅是有益的，因为这将使外部叶片部的长度减小，从而导致叶片运输的复杂性较低，如此，使运输成本降低。翼翅可例如以减少或改变末梢涡流的形成这样的方式设计，由此使从内末梢和/或外末梢朝向铰链位置作用的向下冲洗的影响减小。

每个风轮机叶片可设置有平衡质量。例如，平衡质量可布置在内部叶片部中，即，布置在风轮机叶片的布置在内梢端和铰链位置之间的部分中。与没有平衡质量的相同风轮机叶片相比，以这种方式施用平衡质量使静止的风轮机叶片的质心在朝向内梢端的方向上移动。由此，通过以适当的方式选择和定位平衡质量，静止的风轮机叶片的质心位置可处于任何所期望的位置处。例如，静止的风轮机叶片的质心可布置在风轮机叶片的比铰链更靠近轮毂布置的部分中，由此确保了由于如上所述的离心力，风轮机叶片随着旋转速度增大而朝向较大的枢转角自动地枢转。

平衡质量可例如布置在内梢端处或附近的翼翅中。

风轮机还可包括至少一个可展开的空气制动器。根据该实施方式，在期望停止风轮机的运行的情况下，可展开至少一个空气制动器，由此致使轮毂的旋转移动停止。可展开的空气制动器可布置在每个风轮机叶片上。另选地或另外地，一个或更多个可展开的空气制动器可布置在叶片承载结构上，例如，在承载风轮机叶片的每个臂上。可展开的空气制动器可例如是平面元件的形式，其在正常运行期间缩回到风轮机叶片中和/或叶片承载结构中，并且在它们被展开时，移动到它们从风轮机叶片或叶片承载结构突出的位置。

每个风轮机叶片的铰链位置可在限定风轮机叶片的最大弦的位置处。根据该实施方式，铰链在使弦以及风轮机叶片的厚度最大的位置处附接到风轮机叶片。因此，确保了沿着风轮机叶片的整个长度获得风轮机叶片的最佳空气动力学特性，并且可避免任何多余的叶片材料。

另选地或另外地，每个风轮机叶片的铰链位置可在限定最大厚弦比的位置处。以下将进一步详细对此进行描述。

每个风轮机叶片可在边缘方向上弯曲。例如，内部叶片部的至少一部分和/或外部叶片部的至少一部分可在边缘方向上遵循弯曲路径，而非遵循直线。在本背景中，术语“边缘方向”应该被解释为意指在风轮机叶片随着风轮机的轮毂一起旋转时顺着风轮机叶片的移动或与该移动相反的方向。因此，根据该实施方式，内部叶片部和/或外部叶片部朝向前缘或者朝向后缘弯曲。

将风轮机叶片在边缘方向上弯曲有时被称为“扫掠”。当设置有扫掠的风轮机叶片经过风轮机的塔架时，塔架是被逐渐经过的，因为扫掠确保了风轮机叶片的仅一部分在任何给定时间与塔架相邻地布置。这减少了塔架经过期间风轮机上的负荷，特别是风轮机叶片上和塔架上的负荷。

此外，扫掠使风轮机叶片能够在转子完整旋转期间执行扭转扭曲。这消除了作用在风轮机叶片上的吸力的摆动，由此减少了风轮机叶片上的负荷。

最终，扫掠导致风轮机叶片的局部扭曲，这响应于增加的襟翼方向负荷而使风轮机叶片朝向较小的攻角旋转。这还减少了风轮机叶片上的负荷。

内部叶片部可在边缘方向上弯曲，而外部叶片部在边缘方向上遵循直线，或者反之亦然。另选地，内部叶片部以及外部叶片部可在边缘方向上弯曲。内部叶片部以及外部叶片部中的每个可在朝向前缘的方向上或者在朝向后缘的方向上弯曲。在内部叶片部以及外部叶片部在边缘方向上弯曲的情况下，它们可在同一方向上弯曲，即，二者都在朝向前缘的方向上或在朝向后缘的方向上弯曲，或者它们可在相反的方向上弯曲，即，叶片部之一在朝向前缘的方向上弯曲而另一个在朝向后缘的方向上弯曲。

另选地或另外地，内部叶片部和/或外部叶片部可被设计为有扭曲，即，风轮机的横截面中发现的绕内部叶片部和外部叶片部分别的纵向轴线的各2D翼型的旋转。

每个风轮机叶片可包括沿着风轮机叶片平行布置的多根纤维，并且风轮机叶片可包括其中纤维的取向偏离纤维的主取向的区域，该纤维的主取向基本上平行于风轮机叶片的前缘或后缘。

风轮机叶片常常由包含纤维和树脂的玻璃纤维制成。纤维可沿着风轮机叶片的纵向方向平行地布置，并且该方向确定风轮机叶片如何对风施加到风轮机叶片(特别地，相对于风轮机叶片的偏转和扭曲)的负荷(特别是襟翼方向的负荷)做出反应。然而，根据该实施方式，纤维在风轮机叶片的区域中沿着不同的方向布置，即，纤维在该区域中被布置为“离轴”。这带来的结果是，与风轮机叶片的其余部分相比，风轮机叶片的该区域以不同的方式对襟翼方向上的偏转做出反应。这造成风轮机叶片扭曲，从而导致风轮机叶片响应于襟翼方向负荷增加而朝向较小的攻角旋转。这还减少了风轮机叶片上的负荷。在传统的桨矩受控制的风轮机中，这种扭曲行为是不期望的，因为它在变桨机构上引入了扭转负荷。然而，对于具有铰接的叶片的风轮机，这并不是问题，因为风轮机叶片未经由变桨系统连接到轮毂。

根据第二方面，本发明提供了一种风轮机，所述风轮机包括塔架、机舱、轮毂以及一个或更多个风轮机叶片，所述机舱经由偏航系统安装在所述塔架上，所述轮毂能旋转地安装在所述机舱上，所述轮毂包括叶片承载结构，所述一个或更多个风轮机叶片连接到所述叶片承载结构，

其中，每个所述风轮机叶片沿着纵向方向在内梢端和外梢端之间延伸，并限定了具有吸力侧和压力侧的空气动力学轮廓，所述吸力侧和所述压力侧都在前缘和后缘之间延伸，所述前缘和所述后缘都在所述内梢端和所述外梢端之间延伸，所述空气动力学轮廓还具有在所述内梢端和所述外梢端之间沿着所述风轮机叶片的所述纵向方向变化的厚度，并且其中，每个所述风轮机叶片经由所述风轮机叶片的铰链位置处的铰链连接到所述叶片承载结构，每个风轮机叶片由此被布置成绕与所述风轮机叶片的所述纵向方向基本上垂直布置的枢转轴线在最小枢转角和最大枢转角之间执行相对于所述叶片承载结构的枢转移动，所述铰链位置被布置成与所述内梢端间隔开并且与所述外梢端间隔开，并且其中，所述铰链位置处的厚弦比大于所述内梢端处的厚弦比且大于所述外梢端处的厚弦比。

本发明的第二方面的风轮机非常类似于本发明的第一方面的风轮机。因此，以上参考本发明的第一方面阐述的评论同等地适用于本发明的第二方面的风轮机。

然而，在本发明的第二方面的风轮机中，铰链位置处的厚弦比大于内梢端处的厚弦比且大于外梢端处的厚弦比。

在本背景下，术语“厚弦比”应该被解释为意指在沿着风轮机叶片的纵向方向发现的给定横截面处的空气动力学轮廓的厚度(即，吸力侧和压力侧之间的最大距离)与弦(即，前缘和后缘之间的线性距离)之间的比率。空气动力学轮廓的空气动力学性能对空气动力学轮廓的厚弦比(t/c)的依赖性强。更具体地，例如相关攻角间隔内的最大升力-阻力比率形式的性能随着t/c减小而增大，因此期望设计具有尽可能低的t/c的空气动力学分布，但是低至一定最小水平(例如，15％)。因此，通过按t/c在铰链位置比在内梢端和外梢端中的每个处高这样的方式设计风轮机叶片，可确保在风轮机叶片的内侧部分以及风轮机叶片的外侧部分处风轮机叶片的空气动力学性能最优。

附图说明

现在，将参照附图来更加详细地描述本发明，在附图中：

图1是根据本发明的实施方式的风轮机的后视图，

图2是图1的风轮机的侧视图，其中风轮机叶片处于第一位置，

图3是图1和图2的风轮机的侧视图，其中风轮机叶片处于第二位置，

图4是图1至图3的风轮机的机舱的剖视图，

图5例示了根据本发明的实施方式的风轮机，其中风轮机叶片处于三个不同位置，

图6示出了根据本发明的实施方式的风轮机的风轮机叶片，

图7示出了处于三个不同位置的图6的风轮机叶片，

图8示出了图6和图7的风轮机叶片的细节，

图9示出了包括可展开的空气制动器的叶片承载结构，

图10和图11例示了根据本发明的第一实施方式的用于风轮机的风轮机叶片的铰链，

图12和图13例示了根据本发明的第二实施方式的用于风轮机的风轮机叶片的铰链，以及

图14至图16是根据本发明的三个实施方式的风轮机的侧视图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施方式的风轮机1。风轮机1包括塔架2和安装在塔架2上的机舱3。轮毂(不可见)被能旋转地安装在机舱3上，轮毂包括具有三个臂的叶片承载结构4。风轮机叶片5经由铰链6连接到叶片承载结构4的每个臂。因此，风轮机叶片5相对于机舱3随轮毂一起旋转，并且风轮机叶片5可以经由铰链6相对于叶片承载结构4执行枢转移动。

每个风轮机叶片5限定了厚度沿着风轮机叶片5的在内梢端5a和外梢端5b之间的长度而变化的空气动力学轮廓。铰链6被布置在风轮机叶片5的铰链位置处，铰链位置6与内梢端5a间隔开，也与外梢端5b间隔开，并且风轮机叶片5在铰链位置处的厚度比在内梢端5a处以及在外梢端5b处的厚度大。

图2是图1的风轮机1的侧视图。在图2中可看到轮毂7。风轮机叶片5处于它们限定风轮机1的最大转子直径的位置。通过将每个风轮机叶片5经由线材9连接到布置在塔架2内部的配重8，将风轮机叶片5朝向该位置偏置。配重8拉动线材9，由此将风轮机叶片5拉向图2中示出的位置。因此，当没有其他力作用在风轮机叶片5上时，风轮机叶片5将处于图2中示出的位置，并且将限定最大转子直径。当风速低并且轮毂7因此以低旋转速度旋转时，就是这种情况。

图3是图1和图2的风轮机1的侧视图。在图3中，风速高于图2中例示的情形。因此，由于轮毂7的旋转速度较高，离心力作用在风轮机叶片5上。各风轮机叶片5的质心处于铰链6和内梢端5a之间的位置处。因此，作用在风轮机叶片5上的离心力试图使风轮机叶片5朝向图3中例示的位置枢转。另外，作用在风轮机叶片5上的空气动力试图使风轮机叶片5朝向图3中例示的位置枢转。在图3中例示的情形下，离心力与空气动力相结合地作用在风轮机叶片5上使源自配重8和线材9的作用在风轮机叶片5上的同一方向上的总力矢量平衡。通常，风轮机叶片5的枢转角随着旋转速度和风速的增加而变化，直到在风轮机叶片5上的所有力之间找到新的平衡状态为止。显而易见，还包括风轮机叶片5上的诸如在铰链6处的轴承摩擦这样的所有其他辅助力和力矩。

风轮机叶片5在图2中示出的位置和图3中示出的位置之间的枢转是逐渐发生的，并且风轮机叶片5的精确位置是源自配重8的力与离心力之间的平衡的结果。

在图3中例示的情形下，转子直径显著小于图2中例示的情形。因此，增大的风速自动地导致较小的转子直径，而减小的风速自动地导致较大的转子直径。因此，转子直径被针对主导风况自动调整。

图4是图1至图3的风轮机的机舱3的剖视图，可看出线材9是如何被引导穿过机舱3进入塔架2的。

图5例示了三个不同风速下的根据本发明的实施方式的风轮机1。风轮机1可以例如是图1至图3的风轮机。

最左侧的图示出了低风速下的风轮机1。在这种情况下，轮毂7的旋转速度低，因此作用在风轮机叶片5上的离心力小。因此，转子直径最大。

中间的图示出了比最左侧的图的风速高的风速下的风轮机1。因此，轮毂7的旋转速度较高，并且作用在风轮机叶片5上的离心力较大。另外，作用在风轮机叶片5上的空气动力也较大。结果，风轮机叶片5已经朝向限定较小转子直径的位置枢转。

最右侧的图示出了高风速下的风轮机1。在这种情况下，轮毂7的旋转速度非常高，因此作用在风轮机叶片5上的离心力大。另外，高风速下的空气动力将风轮机叶片5推到所示出的位置。这带来的结果是，风轮机叶片5已经向着限定最小转子直径的位置枢转。可看出，风轮机叶片5基本上平行于轮毂7的旋转轴线布置。该位置有时被称为“筒模式(barrelmode)”。

图6示出了根据本发明的实施方式的风轮机的风轮机叶片5。风轮机叶片5经由铰链6连接到形成轮毂7的一部分的叶片承载结构4。由此，风轮机叶片5能够相对于叶片承载结构4执行枢转移动。风轮机叶片5相对于叶片承载结构4的位置限定了枢转角10。在图6中，风轮机叶片5被布置成其纵向方向基本上平行于轮毂7的旋转轴线。该位置限定了最大枢转角10。此外，如上所述，该位置限定了最小转子直径。

弹性垫形式的端部止动机构11被安装在叶片承载结构4上。当风轮机叶片5枢转到限定最小枢转角10的位置时，风轮机叶片5抵靠端部止动机构11，从而导致针对枢转移动的软止动。由此，避免了风轮机叶片5与叶片承载结构4之间的碰撞。

图7示出了处于三个不同位置(即，处于三个不同枢转角)的图6的风轮机叶片5。可看出，不同的枢转角导致风轮机叶片5与轮毂7的旋转轴线12之间的不同距离，由此导致不同的转子直径。

图8示出了图6和图7的风轮机叶片5的细节。可看出，铰链6被内置在风轮机叶片5中。作为替代方式，铰链6可被安装在风轮机叶片5的外表面上。

图9示出了叶片承载结构4，叶片承载结构4承载风轮机叶片5并且在其上安装有可展开的空气制动器13。

在图9的左部，可展开的空气制动器13处于缩回位置，在该缩回位置，它几乎与叶片承载结构4的外表面齐平。当可展开的空气制动器13处于该位置时，它不执行制动动作，即，可展开的空气制动器13不约束叶片承载结构4的旋转移动，由此不约束轮毂7的旋转移动。

在图9的右部，可展开的空气制动器13处于展开位置，在该展开位置，它从叶片承载结构4的外表面突出。当可展开的空气制动器13处于该位置时，由于风阻，它约束叶片承载结构4的旋转移动，由此约束轮毂7的旋转移动。由此，可展开的空气制动器13执行制动动作。

在正常运行期间，可展开的空气制动器13可处于图9的左部中例示的缩回位置。当需要制动风轮机时，可展开的空气制动器13可被移动到图9的右部中例示的展开位置，以便提供制动动作。

图10和图11从两个不同角度示出了根据本发明的第一实施方式的风轮机的风轮机叶片5。风轮机叶片5经由铰链6连接到叶片承载结构4。铰链6经由附接到风轮机叶片5的外表面的两个支架14连接到风轮机叶片5。

图12和图13示出了根据本发明的第二实施方式的风轮机的风轮机叶片5。图12示出了整个风轮机叶片5，而图13示出了风轮机叶片5的细节。风轮机叶片5经由铰链6连接到叶片承载结构4。铰链6具有内置在风轮机叶片5中的一部分，由此实际的铰链6没有从风轮机叶片5的外表面突出。

叶片承载结构4的在图12和图13中示出的部分包括直接连接到铰链6的缸体15。杆106被接纳在缸体15中。杆16被枢转地安装到风轮机叶片5的突出部分17上。通过用受控制的力使杆16向内或向外移动，风轮机叶片5将绕铰链6在最小枢转角和最大枢转角之间枢转。

图14是根据本发明的实施方式的风轮机1的侧视图。图14的风轮机1与图1至3的风轮机1非常相似，因此这里将不对其进行详细描述。

在图14的风轮机1中，每个风轮机叶片5在内梢端5a处设置有翼翅18。翼翅18背离叶片承载结构4并朝向风轮机叶片5的压力侧延伸。翼翅18允许风轮机叶片5的如下设计，在该涉及中，以较短的风轮机叶片5获得特定空气动力学特性。具体地，如图14中例示在内梢端5a处设置翼翅18，这使风轮机叶片5的布置在铰链6和内梢端5a之间的部分缩短，由此使悬垂(即，塔架2和轮毂7之间所需的距离)能够减小。

应该注意，另选地，翼翅18可朝向叶片承载结构4并朝向风轮机叶片5的吸力侧延伸。作为另一替代方式，风轮机叶片5可在内梢端5a处设置有朝向风轮机叶片5的压力侧延伸的翼翅18以及朝向吸力侧延伸的翼翅18。

图15是根据本发明的替代实施方式的风轮机1的侧视图。图15的风轮机1与图14的风轮机1非常相似，因此这里将不对其进行详细描述。

在图15的风轮机1中，风轮机叶片5的内梢端5a没有设置翼翅。替代地，每个风轮机叶片5在外梢端5b处设置有翼翅19。翼翅19朝向风轮机叶片5的吸力侧延伸。与图14的实施方式类似，图15中例示的翼翅19允许风轮机叶片5的如下涉及，在该设计中，以较短的风轮机叶片5获得特定空气动力学特性。具体地，如图15中例示的在外梢端5b处设置翼翅19，这使风轮机叶片5的布置在铰链6和外梢端5b之间的部分的长度能够减小，由此导致叶片运输不太复杂。

应该注意，另选地，翼翅19可朝向风轮机叶片5的压力侧延伸。作为另一替代方式，风轮机叶片5可在外梢端5b处设置有朝向风轮机叶片5的压力侧延伸的翼翅19以及朝向吸力侧延伸的翼翅19。

图16是根据本发明的另一替代实施方式的风轮机1的侧视图。图16的风轮机1与图14和图15的风轮机1非常相似，因此这里将不对其进行详细描述。

在图16的风轮机1中，每个风轮机叶片5如以上参考图14描述地在内梢端5a处设置有翼翅18，并且如以上参考图15描述地在外梢端5b处设置有翼翅19。

应该注意，即使图16中例示的翼翅18、19使得内梢端5a处的翼翅18朝向风轮机叶片5的压力侧延伸并且外梢端5b处的翼翅19朝向风轮机叶片5的吸力侧延伸，也可以设想到，翼翅18、19二者都朝向风轮机叶片5的压力侧延伸，翼翅18、19二者都朝向风轮机叶片5的吸力侧延伸，或者内梢端5a处的翼翅18朝向风轮机叶片5的吸力侧延伸，而外梢端5b处的翼翅19朝向风轮机叶片5的压力侧延伸。作为另一替代方式，风轮机叶片5可在内梢端5a和/或外梢端5b端部处设置有朝向风轮机叶片5的压力侧延伸的翼翅以及朝向吸力侧延伸的翼翅。

还应该注意，图14至图16中例示的翼翅18、19可实现各种几何形式和倾斜角，即，翼翅18、19与主风轮机叶片5之间的角度。图14至图16中示出的翼翅18、19是两个可能变型的图示，其中，翼翅18具有尖的翼翅端而翼翅19具有倒圆的翼翅端。在这两种情况下的倾斜角均为约60°。在其他优选实施方式中，倾斜角可以为约90°。

Claims (20)

1.一种风轮机（1），所述风轮机（1）包括塔架（2）、机舱（3）、轮毂（7）以及一个或更多个风轮机叶片（5），所述机舱（3）经由偏航系统安装在所述塔架（2）上，所述轮毂（7）能旋转地安装在所述机舱（3）上，所述轮毂（7）包括叶片承载结构（4），所述一个或更多个风轮机叶片（5）连接到所述叶片承载结构（4），

其中，每个所述风轮机叶片（5）沿着纵向方向在内梢端（5a）和外梢端（5b）之间延伸，并限定了具有吸力侧和压力侧的空气动力学轮廓，所述吸力侧和所述压力侧都在前缘和后缘之间延伸，所述前缘和所述后缘都在所述内梢端（5a）和所述外梢端（5b）之间延伸，所述空气动力学轮廓还具有在所述内梢端（5a）和所述外梢端（5b）之间沿着所述风轮机叶片（5）的所述纵向方向变化的厚度，并且其中，每个所述风轮机叶片（5）经由所述风轮机叶片（5）的铰链位置处的铰链（6）连接到所述叶片承载结构（4），每个风轮机叶片（5）由此被布置成绕与所述风轮机叶片（5）的所述纵向方向基本垂直布置的枢转轴线在最小枢转角和最大枢转角之间执行相对于所述叶片承载结构（4）的枢转移动，所述铰链位置被布置成与所述内梢端（5a）间隔开并且与所述外梢端（5b）间隔开，并且其中，所述铰链位置处的所述厚度大于所述内梢端（5a）处的所述厚度且大于所述外梢端（5b）处的所述厚度。

2.根据权利要求1所述的风轮机（1），其中，每个所述风轮机叶片（5）的所述铰链位置处于限定最大厚度的位置处。

3.根据权利要求1或2所述的风轮机（1），其中，每个所述风轮机叶片（5）的所述空气动力学轮廓的所述厚度从所述铰链位置朝向所述内梢端（5a）并且从所述铰链位置朝向所述外梢端（5b）减小。

4.根据权利要求1所述的风轮机（1），其中，每个所述风轮机叶片（5）针对该风轮机叶片（5）具有静止的质心，所述质心处于所述风轮机叶片（5）的所述铰链位置和所述内梢端（5a）之间。

5.根据权利要求1所述的风轮机（1），所述风轮机（1）还包括布置在所述机舱（3）上的与所述轮毂（7）的附接位置相对的位置处的平衡质量。

6.根据权利要求1所述的风轮机（1），其中，所述风轮机（1）是顺风风轮机。

7.根据权利要求1所述的风轮机（1），所述风轮机（1）还包括将所述风轮机叶片（5）朝向提供所述风轮机（1）的最大转子直径的位置偏置的偏置装置。

8.根据权利要求1所述的风轮机（1），所述风轮机（1）还包括端部止动机构（11），所述端部止动机构（11）被布置成使所述风轮机叶片（5）在所述最小枢转角附近的区域中和/或所述最大枢转角附近的区域中的枢转移动变慢。

9.根据权利要求8所述的风轮机（1），其中，所述端部止动机构（11）包括弹簧和/或阻尼器。

10.根据权利要求1所述的风轮机（1），所述风轮机（1）还包括被布置成在紧急情况下将所述风轮机叶片（5）移动到安全枢转角的止动机构。

11.根据权利要求10所述的风轮机（1），其中，所述安全枢转角以使每个风轮机叶片（5）沿着与所述轮毂（7）的旋转轴线基本上平行的方向延伸这样的方式布置所述风轮机叶片（5）。

12.根据权利要求10或11所述的风轮机（1），其中，所述止动机构包括释放机构以及使所述释放机构与每个所述风轮机叶片（5）互连的至少一根弹簧偏置线材。

13.根据权利要求1所述的风轮机（1），其中，所述叶片承载结构（4）包括一个或更多个臂，并且其中，每个所述风轮机叶片（5）安装在所述叶片承载结构（4）的所述臂中的一个上。

14.根据权利要求1所述的风轮机（1），其中，每个所述风轮机叶片（5）具有包括所述内梢端（5a）的内部部分和包括所述外梢端（5b）的外部部分，并且其中，所述内部部分和所述外部部分被彼此接合。

15.根据权利要求14所述的风轮机（1），其中，每个所述风轮机叶片（5）还具有包括所述铰链位置的铰链部分，并且其中，所述铰链部分将所述内部部分与所述外部部分互连。

16.根据权利要求1所述的风轮机（1），其中，每个所述风轮机叶片（5）的所述铰链（6）被内置在所述风轮机叶片（5）中。

17.根据权利要求1所述的风轮机（1），其中，每个所述风轮机叶片（5）设置有至少一个翼翅（18，19）。

18.根据权利要求1所述的风轮机（1），所述风轮机（1）还包括至少一个可展开的空气制动器（13）。

19.根据权利要求1所述的风轮机（1），其中，每个所述风轮机叶片（5）的所述铰链位置处于限定所述风轮机叶片（5）的最大弦的位置处。

20.一种风轮机（1），所述风轮机（1）包括塔架（2）、机舱（3）、轮毂（7）以及一个或更多个风轮机叶片（5），所述机舱（3）经由偏航系统安装在所述塔架（2）上，所述轮毂（7）能旋转地安装在所述机舱（3）上，所述轮毂（7）包括叶片承载结构（4），所述一个或更多个风轮机叶片（5）连接到所述叶片承载结构（4），

其中，每个所述风轮机叶片（5）沿着纵向方向在内梢端（5a）和外梢端（5b）之间延伸，并限定了具有吸力侧和压力侧的空气动力学轮廓，所述吸力侧和所述压力侧都在前缘和后缘之间延伸，所述前缘和所述后缘都在所述内梢端（5a）和所述外梢端（5b）之间延伸，所述空气动力学轮廓还具有在所述内梢端（5a）和所述外梢端（5b）之间沿着所述风轮机叶片（5）的所述纵向方向变化的厚度，并且其中，每个所述风轮机叶片（5）经由所述风轮机叶片（5）的铰链位置处的铰链（6）连接到所述叶片承载结构（4），每个风轮机叶片（5）由此被布置成绕与所述风轮机叶片（5）的所述纵向方向基本垂直布置的枢转轴线在最小枢转角和最大枢转角之间执行相对于所述叶片承载结构（4）的枢转移动，所述铰链位置被布置成与所述内梢端（5a）间隔开并且与所述外梢端（5b）间隔开，并且其中，所述铰链位置处的厚弦比大于所述内梢端（5a）处的厚弦比且大于所述外梢端（5b）处的厚弦比。