CN112384692A - 具有在中间位置铰接的叶片的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

公开了一种风力涡轮机(1)，该风力涡轮机包括塔架(2)、机舱(3)以及轮毂(7)。轮毂(7)包括叶片承载结构(4)，该叶片承载结构具有连接至其的一个或多个风力涡轮机叶片(5)。风力涡轮机叶片(5)中的每一个都限定空气动力学轮廓，该空气动力学轮廓具有沿着风力涡轮机叶片(5)的长度变化的弦。风力涡轮机叶片(5)中的每一个在风力涡轮机叶片(5)的铰链位置处经由铰链(6)连接至叶片承载结构(4)，每个风力涡轮机叶片(5)由此被布置成相对于叶片承载结构(4)在最小枢转角与最大枢转角之间执行枢转运动。铰链位置被布置在距内稍端(5a)一段距离并且距外稍端(5b)一段距离处，并且铰链位置处的弦大于或等于内稍端(5a)处的弦并且大于外稍端(5b)处的弦。

Description

具有在中间位置铰接的叶片的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括塔架、机舱以及包括叶片承载结构的轮毂。一个或多个风力涡轮机叶片经由铰链枢转地连接至叶片承载结构。

背景技术

风力涡轮机通常被控制以便提供所希望的功率输出并且以便控制风力涡轮机上的载荷。对于水平轴线风力涡轮机即具有围绕基本上水平的旋转轴线旋转的转子的风力涡轮机来说，这可以通过控制风力涡轮机叶片的桨距角来获得。在这种情况下，通过使风力涡轮机叶片围绕纵向轴线旋转来调节风力涡轮机叶片相对于来风的迎角。

如上所述的传统俯仰控制需要基于传感器的控制器以及机械部件，例如，呈俯仰轴承和驱动单元的形式的机械部件。这样的控制器和机械部件需要维护。这在风力涡轮机被定位在远程位置处的情况下可能是困难的。在这种情况下，例如由于维护人员的长的运输时间或备件的长的交付时间，故障或停机可能导致大量的停工时间。因此，令人希望的是提供这样一种风力涡轮机，该风力涡轮机能够以一种简单的方式进行控制，并且与传统的桨距控制的风力涡轮机相比能够减少维护要求。

US 4,632,637披露了一种高速顺风水平轴线风力涡轮机，该风力涡轮机具有三个周向间隔开的轻质叶片，这些叶片具有内部支撑臂和径向向外安置的叶片区段，这些叶片区段枢转地连接至支撑臂，以便在大风条件或高旋转速度下沿顺风方向笔直折叠。

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力涡轮机叶片的风力涡轮机，其中这些风力涡轮机叶片在高风速和/或高旋转速度下自动地并且有效地向内折叠，并且其中这些风力涡轮机叶片被配置成用于从风中有效地提取能量。

本发明的实施方式的另一个目的是提供一种具有铰接的风力涡轮机叶片的风力涡轮机，其中与类似的现有技术风力涡轮机相比，用于这些风力涡轮机叶片的材料的量减少了。

本发明提供了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括：塔架；经由偏航系统安装在塔架上的机舱；以可旋转的方式安装在机舱上的轮毂，该轮毂包括叶片承载结构；以及连接至叶片承载结构的一个或多个风力涡轮机叶片，

其中，风力涡轮机叶片中的每一个都限定空气动力学轮廓，该空气动力学轮廓具有沿着风力涡轮机叶片的长度在内稍端与外稍端之间变化的弦，并且其中，所述风力涡轮机叶片中的每一个在所述风力涡轮机叶片的铰链位置处经由铰链连接至所述叶片承载结构，每个风力涡轮机叶片由此被布置成相对于叶片承载结构在最小枢转角与最大枢转角之间执行枢转运动，所述铰链位置被布置在距所述内稍端一段距离并且距所述外稍端一段距离处，并且其中，所述铰链位置处的弦大于或等于所述内稍端处的弦并且大于所述外稍端处的弦。

因此，本发明的风力涡轮机包括塔架，该塔架具有经由偏航系统安装在其上的机舱。相应地，机舱可以围绕基本上竖直的旋转轴线相对于塔架旋转，以便将风力涡轮机的转子引导到来风中。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于偏航驱动机构而主动旋转。作为替代方案，偏航系统可以是被动偏航系统，在该被动偏航系统中，机舱根据风向自动旋转而不使用偏航驱动机构。

机舱可以是具有封闭该机舱的内部的外壁的传统机舱，该机舱容纳风力涡轮机的不同部件，如发电机、传动系等。作为替代方案，机舱可以仅仅是一种能够相对于塔架执行偏航运动的结构。在这种情况下，上述一些或所有部件可以布置在机舱之外，例如，布置在塔架的内部部分中。

轮毂以可旋转的方式安装在机舱上。轮毂包括叶片承载结构，该叶片承载结构具有连接至其的一个或多个风力涡轮机叶片。因此，风力涡轮机叶片与轮毂和叶片承载结构一起相对于机舱旋转。

风力涡轮机优选地是水平轴线风力涡轮机。

风力涡轮机叶片中的每一个都限定空气动力学轮廓，该空气动力学轮廓具有沿着风力涡轮机叶片的长度在内稍端与外稍端之间变化的弦。

空气动力学轮廓可具有吸入侧和压力侧，吸入侧和压力侧都在空气动力学轮廓的前缘和后缘之间延伸。因此，吸入侧和压力侧在前缘和后缘汇合。流过空气动力学轮廓的空气从前缘分别沿着吸入侧和压力侧并且朝向后缘流动。在后缘处，来自吸入侧的空气流和来自压力侧的空气流重新结合。空气流沿着吸入侧和压力侧行进的距离的差异引起空气动力学轮廓上的空气动力学升力，从而使得风力涡轮机叶片能够从风中提取能量。因此，风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓确保了这些风力涡轮机叶片能够从风中提取能量。

前缘和后缘都在内稍端与外稍端之间延伸。因此，前缘和后缘沿着风力涡轮机叶片的整个长度延伸。

在本上下文中，用语“内稍端”应被解释为是指风力涡轮机叶片的被布置成最接近轮毂的末端。类似地，在本上下文中，用语“外稍端”应被解释为是指风力涡轮机叶片的被布置成最远离轮毂的末端。应注意，用语“最接近轮毂”和“最远离轮毂”是指在风力涡轮机的正常操作期间发生的枢转角间隔内的稍端的位置。因此，每个风力涡轮机叶片沿着该风力涡轮机叶片的内稍端与外稍端之间的纵向方向延伸。在本上下文中，用语“纵向方向”应被解释为是指风力涡轮机叶片比在任何其它方向上更长的方向。因此，内稍端和外稍端形成了风力涡轮机叶片在这个纵向方向上的末端。

在本上下文中，用语“弦”应被解释为是指风力涡轮机叶片的前缘与后缘之间的距离。因此，这个距离根据沿着风力涡轮机叶片的长度的位置而变化。

风力涡轮机叶片中的每一个在风力涡轮机叶片的铰链位置处经由铰链连接至叶片承载结构。由此，每个风力涡轮机叶片都被布置成经由铰链相对于叶片承载结构执行枢转运动。这些枢转运动优选地围绕一条枢转轴线发生，该枢转轴线被布置成基本上垂直于风力涡轮机叶片的纵向方向。因此，在风力涡轮机叶片的枢转运动过程中，内稍端和外稍端是风力涡轮机叶片在铰链位置的两侧被移动最长距离的部分，并且风力涡轮机叶片的纵向方向被枢转。

由此在每个风力涡轮机叶片与叶片承载结构之间限定枢转角，这取决于铰链以及由此风力涡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力涡轮机叶片相对于叶片承载结构并且由此相对于轮毂延伸的方向。这进而确定了转子的直径，并且由此确定风力涡轮机从风中提取能量的能力。

铰链可以是或包括轴承，例如轴颈轴承、滚柱轴承或任何其它合适类型的轴承的形式。

枢转角可在限定最小转子直径的最小枢转角与限定最大转子直径的最大枢转角之间变化。

铰链位置在风力涡轮机叶片上布置在距内稍端一段距离并且距外稍端一段距离处。因此，与传统的桨距控制的风力涡轮机相反，风力涡轮机叶片在不在风力涡轮机叶片的端部处的位置处铰接至叶片承载结构，在传统的桨距控制的风力涡轮机中，风力涡轮机叶片在风力涡轮机叶片的根端处附接至轮毂。

铰链位置处的弦大于或等于内稍端处的弦并且大于外稍端处的弦。这是可能的，这是因为叶片载荷在叶片的内部部分和外部部分上朝向铰链增加，并且因为风力涡轮机叶片的内部部分和外部部分都不需要使空气动力学轮廓朝向圆形形状改变，而这是对经由桨距系统连接至轮毂的更经典的风力涡轮机叶片的要求。由此，风力涡轮机叶片的被布置在铰链位置与外稍端之间的部分以及风力涡轮机叶片的被布置在铰链位置与内稍端之间的部分可以限定最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，例如由于更低的载荷以及由于不需要将叶片轮廓转化成圆形形状而可以避免过量的风力涡轮机叶片材料。由此，与传统的风力涡轮机叶片相比，可以减少风力涡轮机叶片的重量。此外，发现风力涡轮机叶片的这种形状减少了稍端损失，并且基于发现的深度调查，当叶片接近最小枢转角时产生了更稳定的枢转控制。

风力涡轮机叶片中的每一个的铰链位置可以位于限定最大弦的位置处。根据这个实施方式，铰链位置限定了沿着风力涡轮机叶片的长度弦最大的位置。因此，弦在任何其它位置将小于铰链位置。

作为替代方案，沿着风力涡轮机叶片的长度可以存在这样的位置，该位置处的弦大于铰链位置处的弦，只要铰链位置处的弦大于或等于内稍端处的弦并且大于外稍端处的弦即可。

风力涡轮机叶片中的每一个的空气动力学轮廓的弦可以从铰链位置朝向内稍端并且从铰链位置朝向外稍端减小。根据这个实施方式，弦在铰链位置处最大，并且朝向内稍端和外稍端处的最小弦连续地减小。

作为替代方案，弦可以以非单调的方式从铰链位置朝向内稍端和/或朝向外稍端变化。

风力涡轮机叶片中的每一个在该风力涡轮机叶片处于静止时具有这样的质心，该质心被定位在铰链位置与风力涡轮机叶片的内稍端之间。根据这个实施方式，风力涡轮机叶片的质心被布置在风力涡轮机叶片的被布置成更靠近轮毂而不是更靠近铰链位置的部分。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于风力涡轮机叶片中的每一个。由此，离心力将倾向于在向外的方向上推动风力涡轮机叶片的被布置在铰链位置与内稍端之间的部分，即，风力涡轮机叶片的布置质心的部分。这将致使这些风力涡轮机叶片经由铰链枢转，使得这些风力涡轮机叶片朝向这样一个位置旋转，在该位置这些风力涡轮机叶片的纵向方向被布置成基本上平行于轮毂的旋转轴线。由此，风力涡轮机叶片以转子的直径减小的方式枢转。旋转速度越高，风力涡轮机叶片朝向这个位置枢转得越远。

因此，根据这个实施方式，转子的直径随着轮毂的旋转速度增加而自动减小。因此，转子直径且由此风力涡轮机从风中提取能量的能力是根据占主导的风速来自动调节的，而不需要复杂的控制算法或需要机械零件(如桨距机构等)的维护。

可替换地或另外地，作用于风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓的空气动力学力可以引起风力涡轮机叶片枢转，使得转子的直径随着风速增大而减小。在优选实施方式中，离心力和空气动力学力随着风速增大而协作以减小转子直径，即，它们不互相抵消。对于一些风力涡轮机，例如小型风力涡轮机，离心力可能是关于确保这些风力涡轮机叶片朝向更小的转子直径枢转的主要因素。对于其它风力涡轮机，例如较大的风力涡轮机，空气动力学力可能是主要因素。

风力涡轮机可以进一步包括平衡质量体，该平衡质量体在与轮毂的附接位置相对的位置布置在机舱上。轮毂和平衡质量体布置在机舱的位于机舱的限定朝向塔架的接口的区域的相反两侧的部分上，从这一方面来说，轮毂和平衡质量体可以优选地布置在塔架的相反两侧。轮毂和与其连接的风力涡轮机叶片通常相对较重，并且作用于轮毂和风力涡轮机叶片的重力可由此在风力涡轮机中引入实质性载荷。通过以上述方式将平衡质量体定位在机舱上，由作用于轮毂和风力涡轮机叶片的重力引起的载荷、尤其是倾斜力矩至少部分地被抵消。平衡质量体的重量可以被选择为使得其精确地平衡轮毂和风力涡轮机叶片的重量。

风力涡轮机可以是顺风风力涡轮机。根据这个实施方式，转子背离来风，即，风在已经经过机舱之后到达风力涡轮机叶片。顺风风力涡轮机非常适合于应用被动偏航系统，即，在不使用偏航驱动和控制系统的情况下自动地将风力涡轮机的转子朝向来风引导的偏航系统。这进一步减少了对易于需要维护的部件的需要。此外，在顺风风力涡轮机中，被动冷却系统可以相对于转子布置在逆风方向上，从而能够改进各种风力涡轮机部件的冷却。

作为替代方案，风力涡轮机可以是逆风风力涡轮机，在这种情况下，转子面向来风。

风力涡轮机可以进一步包括偏置装置，该偏置装置将这些风力涡轮机叶片朝向提供该风力涡轮机的最大转子直径的位置偏置。根据这个实施方式，当没有其它力作用于这些风力涡轮机叶片时，这些风力涡轮机叶片将处于提供最大转子直径的位置。特别地，当风速低并且轮毂因此不旋转、或仅以低旋转速度旋转时，没有或仅小的离心力作用于风力涡轮机叶片。由于偏置装置将这些风力涡轮机叶片朝向最大转子直径偏置，所以在这些条件下转子直径是大的。由此确保了风力涡轮机能够从风中提取尽可能多的能量。还确保了这些风力涡轮机叶片实际上处于它们能够捕获风的位置并且一旦风速增大就致使轮毂旋转。

另一方面，风速越高则轮毂以越高的旋转速度旋转，且由此作用于风力涡轮机叶片的离心力越大。在某些点处，离心力变得足够大以至少部分地克服偏置装置的偏置力，并且由此风力涡轮机叶片将开始朝向限定最小转子直径即转子直径减小的位置枢转。由于偏置力，确保了以平滑且逐渐的方式获得转子直径的这种减小。

偏置装置可以例如包括安装在风力涡轮机叶片上的弹簧。

风力涡轮机可进一步包括端部止动机构，该端部止动机构布置成在接近最小枢转角的区域中和/或接近最大枢转角的区域中减缓风力涡轮机叶片的枢转运动。根据这个实施方式，确保了这些风力涡轮机叶片的枢转运动在最小枢转角和/或最大枢转角下不会突然停止。相反，端部止动机构确保了枢转运动以平滑且逐渐的方式停止。这保护了风力涡轮机叶片以及布置在风力涡轮机叶片附近的部件免于由碰撞引起的损坏。

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力涡轮机叶片上的弹簧和/或风力涡轮机叶片在最小枢转角和/或最大枢转角时所抵接的弹性衬垫。这些弹簧可以例如呈布置在铰链中的扭转弹簧或安装在叶片承载结构与风力涡轮机叶片之间的可压缩弹簧的形式。可压缩弹簧可以例如在中等枢转角下处于中性状态，在较小枢转角下处于压缩状态，而在较大枢转角下处于拉伸状态，或反之亦然。在这种情况下，可压缩弹簧能够减缓风力涡轮机叶片在小枢转角以及大枢转角下的枢转运动。

风力涡轮机可以进一步包括止动机构，该止动机构被布置成用于在紧急情况下将这些风力涡轮机叶片移动到安全枢转角。根据这个实施方式，在紧急情况下保护了这些风力涡轮机叶片。也不排除在出于除紧急情况之外的其它原因而希望停止风力涡轮机的操作并且将风力涡轮机叶片移动到安全枢转角的情况下激活止动机构。

安全枢转角可以这样布置这些风力涡轮机叶片，使得每个风力涡轮机叶片沿着基本上平行于轮毂的旋转轴线的方向延伸。风力涡轮机叶片的该位置限定最小转子直径并且有时被称为“桶模式”。在止动机构出于除紧急情况之外的其它原因而被激活的情况下，该安全枢转角可以将这些风力涡轮机叶片布置成相对于轮毂的旋转轴线成一个小角度。这个角度可以取决于风速。

止动机构可以包括释放机构以及将释放机构与这些风力涡轮机叶片中的每一个互连的至少一个弹簧偏置线。在本上下文中，用语“线”应被解释为是指将释放机构与风力涡轮机叶片中的每一个互连的部分。线能够向风力涡轮机叶片提供拉力。线可以例如呈传统钢丝、绳索、链条、带等的形式。在线是带的形式的情况下，其可以例如是碳纤维带，其是非常耐久的并且能够经受滑轮等上的重复运动。

根据这个实施方式，弹簧偏置线在正常操作过程中将这些风力涡轮机叶片保持在所希望的位置。然而，由于弹簧偏置，在作用于风力涡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，允许风力涡轮机叶片朝向较小的转子直径枢转。由此确保了转子直径自动地适配于风速，如上所述。

在必须停止风力涡轮机的情况下，释放机构被激活，并且由此弹簧偏置线从该释放机构被释放。由此，这些风力涡轮机叶片不再被线保持在位，并且它们立即朝向安全位置移动。

弹簧偏置线可以是具有弹簧部分的刚性线。作为替代方案，弹簧偏置线可以呈弹性绳的形式。

每个风力涡轮机叶片可以通过单独的弹簧偏置线被连接至释放机构。单独的线可进一步连接至单独的释放机构。作为替代方案，每个风力涡轮机叶片可以经由单独的连接线连接至例如在塔架内延伸的公共线。在这种情况下，公共线可以是弹簧偏置的，而连接线是刚性的，或连接线可以是弹簧偏置的，而公共线是刚性的。作为替代方案，连接线以及公共线都可以是弹簧偏置的。

释放机构可以例如呈绞盘的形式，弹簧偏置线卷绕在该绞盘上。在这种情况下，可以通过从绞盘移除制动机构而容易地释放释放机构，从而允许其自由旋转并且释放弹簧偏置线。释放机构可以布置在塔架的下部处，在该塔架的下部处，释放机构可以被维护人员容易地触及。

叶片承载结构可以包括一个或多个臂，并且风力涡轮机叶片中的每一个可以安装在叶片承载结构的臂中的一个上。

风力涡轮机叶片中的每一个可包括包含内稍端的内部部分和包含外稍端的外部部分，并且内部部分和外部部分可彼此结合。根据这个实施方式，这些风力涡轮机叶片中的每一个都是由彼此结合以形成风力涡轮机叶片的分开的部分制成的，从这一方面来说，这些风力涡轮机叶片是分段的。这使得可以更容易地运输风力涡轮机叶片，这是因为风力涡轮机叶片的这些部分可以被分开运输，并且风力涡轮机叶片可以在风力涡轮机的站点进行组装。内部部分和外部部分可在铰链位置处或铰链位置附近的区域中彼此结合。由于在任何情况下铰链的存在都会干扰风力涡轮机叶片的几何形状和结构，因此在这个区域中将内部部分和外部部分彼此结合不会对几何形状和结构引入显著的进一步干扰。

作为替代方案，内部部分和外部部分可以在远离铰链位置的区域中彼此结合。例如，铰链位置可以被布置在风力涡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结合将被布置在铰链位置与内稍端之间。这可以导致风力涡轮机叶片的质心被布置在铰链位置与内稍端之间。可替换地，铰链位置可以被布置在风力涡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结合将被布置在铰链位置与外稍端之间。这可以减小风力涡轮机叶片的最长部分的最大运输长度。

这些风力涡轮机叶片中的每一个可以进一步包括包含铰链位置的铰链部分，并且该铰链部分可以将内部部分与外部部分互连。根据这个实施方式，铰链被安装在风力涡轮机叶片的单独的部分即铰链部分上。由此，铰链部分可以被设计成满足铰链位置处对例如关于强度和材料厚度的要求，而不必考虑可能与风力涡轮机叶片的其它部分相关的其它要求，例如对关于重量、空气动力学特性、柔性等的要求。

风力涡轮机叶片中的每一个的铰链可以嵌入在风力涡轮机叶片中。根据这个实施方式，实际的铰链不从风力涡轮机叶片的外表面突出，且由此在铰链区域维持了风力涡轮机叶片的空气动力学特性，因此发电损失少。作为替代方案，铰链可以附接到风力涡轮机叶片的外表面。

风力涡轮机叶片中的每一个可以设置有至少一个小翼。小翼可以被布置在风力涡轮机叶片中的每一个的内稍端处或附近和/或外稍端处或附近。小翼可以朝向风力涡轮机叶片的吸入侧和/或朝向压力侧延伸。为风力涡轮机叶片设置至少一个小翼，这使得能够设计更短的风力涡轮机叶片，同时保持长的风力涡轮机叶片的空气动力学特性。这在内稍端处是特别有益的，这是因为这将缩短内部叶片，从而导致内稍端与塔架之间更大的最小可能距离。这种作用将减小所需的悬伸，即从主轴承到轮毂中心的所需距离，并且因此减小主轴承上的载荷。外稍端处的小翼是有益的，这是因为这将减小外部叶片部分的长度，从而导致较不复杂的叶片运输并且因此导致较低的运输成本。小翼可以例如被设计成使得稍端涡流的形成被减少或改变，由此减少来自从内稍端和/或外稍端朝向铰链位置作用的下冲的影响。

应当注意，小翼可以具有超过内稍端处或外稍端处的弦、并且甚至超过铰链位置处的弦的宽度，只要每个稍端处的弦小于或等于铰链位置处的弦即可。在具有小翼的所有实施方式中，稍端处的弦被限定为在小翼开始之前风力涡轮机叶片的弦，即，叶片结构的保持小翼的端部处的弦。例如，在具有小翼的所有实施方式中，稍端可以被定义为在小翼更内侧的风力涡轮机叶片上发现的风力涡轮机叶片的弦最小的位置。

风力涡轮机叶片中的每一个可以设置有平衡质量体。例如，平衡质量体可以布置在内部叶片部分中，即，布置在风力涡轮机叶片的被布置在内稍端与铰链位置之间的部分中。与不具有平衡质量体的相同风力涡轮机叶片相比，以这种方式应用平衡质量体使静止时的风力涡轮机叶片的质心在朝向内稍端的方向上移动。由此，通过以适当的方式选择和定位平衡质量体，静止时的风力涡轮机叶片的质心的位置可以被定位在任何希望的位置处。例如，静止时的风力涡轮机叶片的质心可以被布置在风力涡轮机叶片的被布置成更靠近轮毂而不是更靠近铰链的部分中，由此，由于离心力的作用，确保了风力涡轮机叶片随着旋转速度增加而自动地朝向更大的枢转角枢转，如上所述。

平衡质量体可以例如是设置在内稍端处或附近的小翼或可以布置在设置在内稍端处或附近的小翼中。

风力涡轮机可以进一步包括至少一个能展开的空气制动器。根据这个实施方式，在希望停止风力涡轮机的操作的情况下，可以展开至少一个空气制动器，由此导致轮毂的旋转运动停止。可以在风力涡轮机叶片中的每一个上都布置能展开的空气制动器。可替换地或另外地，一个或多个能展开的空气制动器可以被布置在叶片承载结构上，例如在承载风力涡轮机叶片的每个臂上都布置一个能展开的空气制动器。能展开的空气制动器可以例如是在正常操作期间在风力涡轮机叶片中和/或在叶片承载结构中缩回的平面元件的形式，并且当它们展开时，可移动到它们从风力涡轮机叶片或叶片承载结构突出的位置。

风力涡轮机叶片中的每一个的铰链位置可以处在限定风力涡轮机叶片的最大厚度的位置处。根据这个实施方式，铰链在风力涡轮机叶片的弦以及厚度最大的位置处附接至风力涡轮机叶片。由此确保了沿着风力涡轮机叶片的整个长度获得风力涡轮机叶片的最佳空气动力学特性，并且可以避免任何过量的叶片材料。

可替换地或另外地，风力涡轮机叶片中的每一个的铰链位置可以处在限定最大厚度弦之比的位置处。在本上下文中，用语“厚度弦之比”应被解释为意指在沿着风力涡轮机叶片的纵向方向发现的给定截面处，空气动力学轮廓的厚度即吸入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比。空气动力学轮廓的空气动力学性能强烈取决于空气动力学轮廓的厚度弦之比(t/c)。更具体地，例如呈在相关迎角间隔上的最大升力阻力比的形式的性能随着t/c减小而增加，并且因此期望设计具有尽可能低的t/c的空气动力学轮廓，然而低至某个最小水平，例如15％。因此，通过将风力涡轮机叶片设计成使得t/c在铰链位置处比在内稍端和外稍端中的每一个处更高，可以确保在风力涡轮机叶片的内侧部分处以及风力涡轮机叶片的外侧部分处优化了风力涡轮机叶片的空气动力学性能。

风力涡轮机叶片中的每一个可以在翼展方向(edge-wise direction)上弯曲。例如，内部叶片部分的至少一部分和/或外部叶片部分的至少一部分可以在翼展方向上遵循弯曲路径，而不是遵循直线。在本上下文中，用语“翼展方向”应被解释为意指与风力涡轮机叶片在其与风力涡轮机的轮毂一起旋转时的移动一致或相反的方向。因此，根据这个实施方式，内部叶片部分和/或外部叶片部分朝向前缘或朝向后缘弯曲。

风力涡轮机叶片在翼展方向上弯曲有时被称为“扫掠”。当设置有扫掠的风力涡轮机叶片经过风力涡轮机的塔架时，塔架被逐渐经过，这是因为扫掠确保了在任何给定时间仅风力涡轮机叶片的一部分被布置成邻近塔架。这减小了塔架通过的过程中风力涡轮机上的载荷、尤其是风力涡轮机叶片和塔架上的载荷。

此外，扫掠使得风力涡轮机叶片能够在转子的完全旋转过程中执行扭转。这抵消了作用于风力涡轮机叶片的吸力的摆动，由此减小了风力涡轮机叶片上的载荷。

最后，扫掠导致风力涡轮机叶片的局部扭转，该局部扭转使风力涡轮机叶片响应于增加的拍打载荷(flap-wise load)而朝向较低的迎角旋转。这也减小了风力涡轮机叶片上的载荷。

内部叶片部分可以在翼展方向上弯曲，而外部叶片部分在翼展方向上遵循直线，或反之亦然。可替换地，内部叶片部分以及外部叶片部分可以在翼展方向上弯曲。内部叶片部分和外部叶片部分中的每一个可以在朝向前缘的方向上或者在朝向后缘的方向上弯曲。在内叶片部分以及外叶片部分在翼展方向上弯曲的情况下，它们可以在相同方向上弯曲，即，两者都在朝向前缘的方向上或在朝向后缘的方向上弯曲，或者它们可以在相反的方向上弯曲，即，这些叶片部分之一在朝向该前缘的方向上弯曲并且另一个在朝向该后缘的方向上弯曲。

可替换地或另外地，内部叶片部分和/或外部叶片部分可以被设计成具有扭转，即，在风力涡轮机叶片的截面中发现的每个2D翼面分别围绕内部叶片部分和外部叶片部分的纵向轴线的旋转。

风力涡轮机叶片中的每一个可以包括沿着风力涡轮机叶片平行布置的多个纤维，并且风力涡轮机叶片可以包括这样的区域，在该区域中，纤维的定向偏离纤维的基本上平行于风力涡轮机叶片的前缘或后缘的主要定向。

风力涡轮机叶片通常由包括纤维和树脂的玻璃纤维制成。这些纤维可以沿着风力涡轮机叶片的纵向方向平行布置，并且这个方向确定了风力涡轮机叶片如何对由风施加到该风力涡轮机叶片的载荷、特别是拍打载荷、特别是关于该风力涡轮机叶片的偏转和扭转的载荷作出反应。然而，根据这个实施方式，这些纤维在风力涡轮机叶片的一个区域中是沿着不同方向布置的，即，在该区域中，纤维被布置为‘离轴(off axis)’。这具有的结果是，风力涡轮机叶片的这个区域与该风力涡轮机叶片的剩余部分相比对拍打方向(flap-wisedirection)上的偏转作出不同的反应。这导致风力涡轮机叶片扭转，从而导致风力涡轮机叶片响应于增加的拍打载荷而朝向较低的迎角旋转。这也减小了风力涡轮机叶片上的载荷。在传统的桨距控制的风力涡轮机中，这种扭转行为是不希望的，这是因为它在桨距机构上引入了扭转载荷。然而，对于具有铰接叶片的风力涡轮机而言，这不是问题，这是因为风力涡轮机叶片不是经由桨距系统连接至轮毂的。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1是根据本发明的一个实施方式的风力涡轮机的后视图，

图2是图1的风力涡轮机的侧视图，其中风力涡轮机叶片处于第一位置，

图3是图1和图2的风力涡轮机的侧视图，其中风力涡轮机叶片处于第二位置，

图4是图1至图3的风力涡轮机的机舱的截面视图，

图5展示了根据本发明的一个实施方式的风力涡轮机，其中风力涡轮机叶片处于三个不同位置，

图6示出了根据本发明的一个实施方式的用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片，

图7示出了处于三个不同位置的图6的风力涡轮机叶片，

图8示出了图6和图7的风力涡轮机叶片的细节，

图9示出了包括能展开的空气制动器的叶片承载结构，

图10和图11展示了根据本发明第一实施方式的用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片的铰链，

图12和图13展示了根据本发明的第二实施方式的用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片的铰链，并且

图14至图16是根据本发明的三个实施方式的风力涡轮机的侧视图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施方式的风力涡轮机1。风力涡轮机1包括塔架2和安装在塔架2上的机舱3。轮毂(不可见)以可旋转的方式安装在机舱3上，该轮毂包括具有三个臂的叶片承载结构4。风力涡轮机叶片5经由铰链6连接至叶片承载结构4的每个臂。因此，风力涡轮机叶片5与轮毂一起相对于机舱3旋转，并且风力涡轮机叶片5可以经由铰链6相对于叶片承载结构4执行枢转运动。

每个风力涡轮机叶片5限定空气动力学轮廓，该空气动力学轮廓具有沿着风力涡轮机叶片5的长度在内稍端5a与外稍端5b之间变化的弦。铰链6被布置在风力涡轮机叶片5的铰链位置处，铰链位置6与内稍端5a相距一段距离并且与外稍端5b相距一段距离，并且风力涡轮机叶片5的弦在铰链位置处比在内稍端5a处以及外稍端5b处大。

图2是图1的风力涡轮机1的侧视图。在图2中可以看到轮毂7。风力涡轮机叶片5处于它们限定风力涡轮机1的最大转子直径的位置。风力涡轮机叶片5通过将每个风力涡轮机叶片5经由线9连接至布置在塔架2内的配重8而被朝向这个位置偏置。配重8拉动线9，并由此朝向图2所示的位置拉动风力涡轮机叶片5。因此，当没有其它力作用于风力涡轮机叶片5时，风力涡轮机叶片5将处于图2所示的位置，并且将限定最大转子直径。这是风速低的情况，因此轮毂7以低旋转速度旋转。

图3是图1和图2的风力涡轮机1的侧视图。在图3中，风速高于图2所示的情况。由此，由于轮毂7的更高的旋转速度，离心力作用于风力涡轮机叶片5。每个风力涡轮机叶片5的质心被定位在铰链6与内稍端5a之间的位置处。因此，作用于风力涡轮机叶片5的离心力试图使风力涡轮机叶片5朝向图3所示的位置枢转。另外，作用于风力涡轮机叶片5的空气动力学力试图使风力涡轮机叶片5朝向图3所示的位置枢转。在图3所示的情况下，离心力与作用于风力涡轮机叶片5的空气动力学力相结合而平衡了作用于风力涡轮机叶片5的相同方向上的总力向量，该总力向量源自配重8和线9。通常，风力涡轮机叶片5的枢转角随着增加的旋转速度和风速而改变，直到在风力涡轮机叶片5上的所有力之间都发现新的平衡状态。显然，还包括风力涡轮机叶片5上的所有其它次级力和力矩，例如铰链6处的轴承摩擦。

风力涡轮机叶片5在图2所示位置与图3所示位置之间的枢转逐渐发生，并且风力涡轮机叶片5的确切位置是源自配重8的力与离心力之间的平衡的结果。

在图3所示的情况下，转子直径显著小于图2所示的情况。因此，增大的风速自动导致转子直径更小，并且减小的风速自动导致转子直径更大。因此，转子直径自动地适配于占主导的风况。

图4是图1至图3的风力涡轮机的机舱3的截面视图。可以看出如何引导线9穿过机舱3并进入塔架2中。

图5展示了在三个不同风速下的根据本发明的一个实施方式的风力涡轮机1。风力涡轮机1可以例如是图1至图3的风力涡轮机。

最左边的图示出了处于低风速的风力涡轮机1。在这种情况下，轮毂7的旋转速度低，因此作用于风力涡轮机叶片5的离心力小。因而，转子直径最大。

中间的图示出了处于比最左边的图的风速快的风速的风力涡轮机1。因此，轮毂7的旋转速度较高，且作用于风力涡轮机叶片5的离心力较大。此外，作用于风力涡轮机叶片5的空气动力学力也较大。因此，风力涡轮机叶片5已经朝向限定较小转子直径的位置枢转。

最右边的图示出了处于高风速的风力涡轮机1。在这种情况下，轮毂7的旋转速度非常高，因此作用于风力涡轮机叶片5的离心力大。此外，高风速下的空气动力学力将风力涡轮机叶片5推入所示位置。其结果是这些风力涡轮机叶片5已经枢转到限定最小转子直径的位置。可见，这些风力涡轮机叶片5被布置成基本上平行于轮毂7的旋转轴线。该位置有时被称为“桶模式”。

图6示出了用于根据本发明的一个实施方式的风力涡轮机的风力涡轮机叶片5。风力涡轮机叶片5经由铰链6连接至形成轮毂7的一部分的叶片承载结构4。由此，风力涡轮机叶片5能够相对于叶片承载结构4执行枢转运动。风力涡轮机叶片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，风力涡轮机叶片5被布置成其纵向方向基本上平行于轮毂7的旋转轴线。该位置限定最大枢转角10。此外，如上所述，该位置限定最小转子直径。

弹性垫形式的端部止动机构11安装在叶片承载结构4上。当风力涡轮机叶片5枢转到限定最小枢转角10的位置时，风力涡轮机叶片5抵靠端部止动机构11，从而产生枢转运动的软止动。由此避免了风力涡轮机叶片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在三个不同的枢转角处的图6的风力涡轮机叶片5。可以看到，这些不同的枢转角产生了风力涡轮机叶片5与轮毂7的旋转轴线12之间的不同距离，并且由此产生了不同的转子直径。

图8示出了图6和图7的风力涡轮机叶片5的细节。可见，铰链6被嵌入在风力涡轮机叶片5中。作为替代方案，铰链6可以安装在风力涡轮机叶片5的外表面上。

图9示出了叶片承载结构4，该叶片承载结构承载风力涡轮机叶片5并且具有安装在其上的能展开的空气制动器13。

在图9的左侧部分中，能展开的空气制动器13处于缩回位置，在该缩回位置，空气制动器与叶片承载结构4的外表面几乎齐平。当能展开的空气制动器13处于该位置时，其不执行制动动作，即，能展开的空气制动器13不限制叶片承载结构4的旋转运动，从而不限制轮毂7的旋转运动。

在图9的右侧部分中，能展开的空气制动器13处于展开位置，在该展开位置，空气制动器从叶片承载结构4的外表面突出。当能展开的空气制动器13处于该位置时，由于风阻力，其限制叶片承载结构4的旋转运动，从而限制轮毂7的旋转运动。由此，能展开的空气制动器13执行制动动作。

在正常操作期间，能展开的空气制动器13可处于图9的左侧部分所示的缩回位置。当需要风力涡轮机的制动时，能展开的空气制动器13可移动至图9的右侧部分示出的展开位置，以便提供制动动作。

图10和图11从两个不同的角度示出了根据本发明的第一实施方式的用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片5。风力涡轮机叶片5经由铰链6连接至叶片承载结构4。铰链6经由附接至风力涡轮机叶片5的外表面的两个支架14连接至风力涡轮机叶片5。

图12和图13示出了根据本发明的第二实施方式的用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片5。图12示出了整个风力涡轮机叶片5，而图13示出了风力涡轮机叶片5的细节。风力涡轮机叶片5经由铰链6连接至叶片承载结构4。铰链6具有被嵌入在风力涡轮机叶片5中的部分，因此实际的铰链6不会从风力涡轮机叶片5的外表面突出。

图12和图13中示出的叶片承载结构4的部分包括直接连接至铰链6的缸15。杆16被接纳在缸15中。杆16枢转地安装在风力涡轮机叶片5的突出部17上。通过以受控的力向内或向外移动杆16，风力涡轮机叶片5将围绕铰链6在最小枢转角与最大枢转角之间枢转。

图14是根据本发明的一个实施方式的风力涡轮机1的侧视图。图14的风力涡轮机1非常类似于图1至图3的风力涡轮机1，并且因此在此将不对其进行详细描述。

在图14的风力涡轮机1中，每个风力涡轮机叶片5在内稍端5a处设置有小翼18。小翼18远离叶片承载结构4并且朝向风力涡轮机叶片5的压力侧延伸。小翼18使得能够将风力涡轮机叶片5设计成用较短的风力涡轮机叶片5就可获得特定的空气动力学特性。具体地，通过在内稍端5a处如图14所示地设置小翼18，缩短了风力涡轮机叶片5的被布置在铰链6与内稍端5a之间的部分，由此使得能够减小悬伸，即，减小塔架2和轮毂7之间所需的距离。

应注意的是，小翼18可以可替换地朝向叶片承载结构4并且朝向风力涡轮机叶片5的吸入侧延伸。作为另一个替代方案，这些风力涡轮机叶片5可以在内稍端5a处设置朝向风力涡轮机叶片5的压力侧以及抽吸侧延伸的小翼18。

图15是根据本发明的一个替代实施方式的风力涡轮机1的侧视图。图15的风力涡轮机1非常类似于图14的风力涡轮机1，并且因此在此将不对其进行详细描述。

在图15的风力涡轮机1中，风力涡轮机叶片5的内稍端5a未设置小翼。相反，每个风力涡轮机叶片5在外稍端5b处设置小翼19。小翼19朝向风力涡轮机叶片5的吸入侧延伸。类似于图14的实施方式，图15中所示的小翼19使得能够将风力涡轮机叶片5设计成用较短的风力涡轮机叶片5就可获得特定的空气动力学特性。特别地，通过在外稍端5b处如图15所示地设置小翼19，使得能够减小风力涡轮机叶片5的布置在铰链6与外稍端5b之间的部分的长度，从而使叶片运输较不复杂。

应注意的是，小翼19可以可替换地朝向风力涡轮机叶片5的压力侧延伸。作为另一个替代方案，这些风力涡轮机叶片5可以在外稍端5b处设置朝向风力涡轮机叶片5的压力侧以及朝向抽吸侧延伸的小翼19。

图16是根据本发明的另一个替代实施方式的风力涡轮机1的侧视图。图16的风力涡轮机1非常类似于图14和图15的风力涡轮机1，并且因此在此将不对其进行详细描述。

在图16的风力涡轮机1中，每个风力涡轮机叶片5设置有处在内稍端5a处的小翼18(如以上参照图14所描述的)以及处在外稍端5b处的小翼19(如以上参照图15所描述的)。

应注意的是，即使图16中展示的小翼18、19是使得内稍端5a处的小翼18朝向风力涡轮机叶片5的压力侧延伸并且外稍端5b处的小翼19朝向风力涡轮机叶片5的吸入侧延伸，还可以设想的是，两个小翼18、19均朝向风力涡轮机叶片5的压力侧延伸，两个小翼18、19均朝向风力涡轮机叶片5的吸入侧延伸，或者内稍端5a处的小翼18朝向风力涡轮机叶片5的吸入侧延伸，而外稍端5b处的小翼19朝向风力涡轮机叶片5的压力侧延伸。作为另一个替代方案，风力涡轮机叶片5可以在内稍端5a和/或外稍端5b处设置朝向风力涡轮机叶片5的压力侧以及朝向抽吸侧延伸的小翼。

应当进一步注意的是，图14至图16中示出的小翼18、19可以获得各种几何形式和倾角，即，小翼18、19与主风力涡轮机叶片5之间的角度。图14至图16中所示的小翼18、19是两种可能的变型的图示，其中小翼18具有尖锐的小翼端，并且小翼19具有圆形的小翼端。在两种情况下，倾角均为约60°。在其它优选实施方式中，倾角可以是约90°。

Claims (19)

1.一种风力涡轮机(1)，该风力涡轮机包括：塔架(2)；经由偏航系统安装在所述塔架(2)上的机舱(3)；以可旋转的方式安装在所述机舱(3)上的轮毂(7)，所述轮毂(7)包括叶片承载结构(4)；以及连接至所述叶片承载结构(4)的一个或多个风力涡轮机叶片(5)，

其中，所述风力涡轮机叶片(5)中的每一个都限定空气动力学轮廓，该空气动力学轮廓具有沿着所述风力涡轮机叶片(5)的长度在内稍端(5a)与外稍端(5b)之间变化的弦，并且其中，所述风力涡轮机叶片(5)中的每一个都在所述风力涡轮机叶片(5)的铰链位置处经由铰链(6)连接至所述叶片承载结构(4)，每个风力涡轮机叶片(5)由此被布置成相对于所述叶片承载结构(4)在最小枢转角与最大枢转角之间执行枢转运动，所述铰链位置被布置在距所述内稍端(5a)一段距离并且距所述外稍端(5b)一段距离处，并且其中，所述铰链位置处的弦大于或等于所述内稍端(5a)处的弦并且大于所述外稍端(5b)处的弦。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)中的每一个的所述铰链位置处于限定最大弦的位置。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)中的每一个的所述空气动力学轮廓的所述弦从所述铰链位置朝向所述内稍端(5a)并且从所述铰链位置朝向所述外稍端(5b)减小。

4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)中的每一个在该风力涡轮机叶片处于静止时具有这样的质心，该质心被定位在所述铰链位置与所述风力涡轮机叶片(5)的所述内稍端(5a)之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机还包括平衡质量体，所述平衡质量体在与所述轮毂(7)的附接位置相对的位置处布置在所述机舱(3)上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机(1)是顺风风力涡轮机。

7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机还包括偏置装置，所述偏置装置将所述风力涡轮机叶片(5)朝向提供所述风力涡轮机(1)的最大转子直径的位置偏置。

8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机还包括端部止动机构(11)，所述端部止动机构布置成在接近所述最小枢转角的区域中和/或在接近所述最大枢转角的区域中减缓所述风力涡轮机叶片(5)的枢转运动。

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

10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机还包括止动机构，所述止动机构布置成在紧急情况下将所述风力涡轮机叶片(5)移动至安全枢转角。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机(1)，其中，所述安全枢转角将所述风力涡轮机叶片(5)布置成使得每个风力涡轮机叶片(5)都沿着基本上平行于所述轮毂(7)的旋转轴线的方向延伸。

12.根据权利要求10或11所述的风力涡轮机(1)，其中，所述止动机构包括释放机构和将所述释放机构与所述风力涡轮机叶片(5)中的每一个互连的至少一个弹簧偏置线。

13.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，其中，所述叶片承载结构(4)包括一个或多个臂，并且其中，所述风力涡轮机叶片(5)中的每一个都被安装在所述叶片承载结构(4)的所述臂中的一个上。

14.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)中的每一个都包括包含所述内稍端(5a)的内部部分和包含所述外稍端(5b)的外部部分，并且其中，所述内部部分和所述外部部分彼此结合。

15.根据权利要求14所述的风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)中的每一个还包括包含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.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)中的每一个的所述铰链(6)被嵌入在所述风力涡轮机叶片(5)中。

17.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)中的每一个都设置有至少一个小翼(18，19)。

18.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机还包括至少一个能展开的空气制动器(13)。

19.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)中的每一个的所述铰链位置位于限定所述风力涡轮机叶片(5)的最大厚度的位置处。

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