CN112703313B - 在襟翼方向上限定角度的铰接风力涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有风力涡轮机叶片(5)的水平轴线风力涡轮机(1)，风力涡轮机叶片(5)包括铰链(6)，铰链被布置成在距风力涡轮机叶片(5)的内梢端(5a)非零距离且距风力涡轮机叶片(5)的外梢端(5b)非零距离处将风力涡轮机叶片(5)连接至风力涡轮机(1)的叶片承载结构(4)。铰链区域与外梢端(5b)之间布置有外叶片部分(7)，并且铰链区域与内梢端(5a)之间布置有内叶片部分(8)。外叶片部分(7)从铰链区域沿着第一方向延伸，并且内叶片部分(8)从铰链区域沿着第二方向延伸，并且第一方向和第二方向之间形成角度α，其中，0°<α<90°。

Description

在襟翼方向上限定角度的铰接风力涡轮机叶片

技术领域

本发明涉及一种水平轴线风力涡轮机，其中风力涡轮机叶片经由铰链连接至风力涡轮机的叶片承载结构。根据本发明的风力涡轮机叶片减少了风力涡轮机上的负载，特别是减少了风力涡轮机的风力涡轮机叶片、轮毂、传动系和塔架上的负载，并且改善了风力涡轮机的能量转换。

背景技术

风力涡轮机通常被控制以便提供期望的功率输出并且以便控制风力涡轮机上的负载。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，这可以通过控制风力涡轮机叶片的变桨角实现。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。

作为替代方案，风力涡轮机可以设置有这样的风力涡轮机叶片，这些风力涡轮机叶片经由铰链连接至叶片承载结构，从而允许在风力涡轮机叶片和叶片承载结构之间限定的枢转角变化。在这样的风力涡轮机中，风力涡轮机的转子的直径以及由此转子扫过的面积在枢转角发生变化时发生变化。

为了允许风力涡轮机叶片如上所述枢转，风力涡轮机叶片必须安装在轮毂上，使得风力涡轮机叶片的至少一部分在水平方向上布置在距塔架一段距离处。这将允许风力涡轮机叶片的内部部分经过塔架和机舱，而没有在其之间发生碰撞的风险。然而，其还导致风力涡轮机叶片的质心沿着水平方向定位在距塔架一段距离处，并且这会将不均匀负载引入到风力涡轮机上，尤其是引入到轮毂、传动系和塔架上。此外，随着风力涡轮机叶片朝向更大的枢转角枢转，质心将进一步远离塔架移动。为了限制这种影响，存在对风力涡轮机叶片的长度的限制，并且由此存在对风力涡轮机的最大可获得的转子直径的限制。

US 4,632,637公开了一种高速顺风水平轴线风力涡轮机，其具有三个周向间隔开的轻质叶片，这些叶片具有内支撑臂以及径向向外布置的叶片段，这些叶片段枢转地连接至支撑臂，以便在高风况或高转速下顺风折叠成直的。

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，在这种风力涡轮机中，风力涡轮机上的负载在不降低功率生产的情况下被减小。

本发明的实施方式的另一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，在这种风力涡轮机中，最大转子直径在不增加风力涡轮机上的负载的情况下增大。

本发明提供了一种风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片限定内梢端与外梢端之间的空气动力学轮廓，所述风力涡轮机叶片包括：

铰链，其被布置成在所述风力涡轮机叶片的铰链区域中将所述风力涡轮机叶片连接至风力涡轮机的叶片承载结构，所述铰链区域被布置在距所述内梢端一段距离且距所述外梢端一段距离处；

外叶片部分，其被布置在所述铰链区域和所述外梢端之间；以及

内叶片部分，其被布置在所述铰链区域与所述内梢端之间，

其中，所述外叶片部分从所述铰链区域沿着第一方向延伸，并且所述内叶片部分从所述铰链区域沿着第二方向延伸，并且其中，所述第一方向和所述第二方向之间形成角度α，其中，0°<α<90°。

本发明还提供了一种水平轴线风力涡轮机，其包括塔架、经由偏航系统安装在所述塔架上的机舱、以可旋转的方式安装在所述机舱上的轮毂以及限定内梢端与外梢端之间的空气动力学轮廓的至少一个风力涡轮机叶片，所述轮毂包括叶片承载结构，所述风力涡轮机叶片包括：

铰链，其在所述风力涡轮机叶片的铰链区域中将所述风力涡轮机叶片连接至所述叶片承载结构，所述铰链区域被布置在距所述内梢端非零距离且距所述外梢端非零距离处，所述风力涡轮机叶片由此被布置成相对于所述叶片承载结构在最小枢转角和最大枢转角之间进行枢转运动；

外叶片部分，其被布置在所述铰链区域和所述外梢端之间；并且

内叶片部分，其被布置在所述铰链区域与所述内梢端之间，

其中，所述外叶片部分从所述铰链区域沿着第一方向延伸，并且所述内叶片部分从所述铰链区域沿着第二方向延伸，并且其中，所述第一方向和所述第二方向之间形成角度α，其中，0°<α<90°。

因此，本发明涉及具有至少一个风力涡轮机叶片的水平轴线风力涡轮机。风力涡轮机叶片限定内梢端与外梢端之间的空气动力学轮廓。风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓确保了风力涡轮机叶片能够从风提取能量。

在本上下文中，用语“内梢端”应当被解释为意指风力涡轮机叶片的被布置成最靠近上面安装了该风力涡轮机叶片的风力涡轮机的轮毂的那个末端。类似地，在本上下文中，用语“外梢端”应当被解释为意指风力涡轮机叶片的被布置成最远离轮毂的那个末端。

风力涡轮机叶片包括铰链、外叶片部分和内叶片部分。铰链被布置成将风力涡轮机叶片连接至风力涡轮机的叶片承载结构。由此，风力涡轮机叶片被布置成经由铰链相对于叶片承载结构进行枢转运动。由此，取决于铰链的位置以及由此风力涡轮机叶片相对于叶片承载结构的位置，在风力涡轮机叶片和叶片承载结构之间限定出枢转角。因此，枢转角限定了给定的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。这进而确定转子的直径，从而确定了风力涡轮机从风提取能量的能力。

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

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

铰链被布置在风力涡轮机叶片的铰链区域中。因此，铰链区域限定了风力涡轮机叶片的处在布置铰链的位置处和周围那的一部分。铰链区域被布置在距内梢端非零距离且距外梢端非零距离处。因此，铰链区域且由此铰链不是被布置在风力涡轮机叶片的端部处。

外叶片部分被布置在铰链区域与外梢端之间。因此，外叶片部分包括外梢端并且相对于铰链区域向外布置。

类似地，内叶片部分被布置在铰链区域与内梢端之间。因此，内叶片部分包括内梢端并且相对于铰链区域向内布置。

外叶片部分从铰链区域沿着第一方向延伸，并且内叶片部分从铰链区域沿着第二方向延伸。第一方向与第二方向之间形成角度α，其中，0°<α<90°。因此，沿着风力涡轮机叶片的长度，更具体地在铰链区域中，限定出弯曲。弯曲可以被精确地限定在铰链位置处，即被精确地限定在风力涡轮机叶片与叶片承载结构铰接的地方。可替代地，弯曲可以仅被限定在铰链区域中，即限定在铰链附近的位置处。

与内叶片部分和外叶片部分之间没有角度的风力涡轮机叶片的情况相比，内叶片部分和外叶片部分之间的角度α允许风力涡轮机叶片枢转到这样的位置，该位置将外梢端沿着水平方向布置得更远离轮毂和/或更远离铰链的位置。由此，转子直径在限定最小枢转角且由此限定最大转子直径的位置增大。此外，即使叶片承载结构是顺风预锥形的，其也允许外叶片部分朝向风成为预锥形的。因此，尤其是在低风速下，最大可获得的转子直径以及由此风力涡轮机的功率产生增加。

此外，角度α允许风力涡轮机叶片和叶片承载结构之间的附接点移动得更靠近塔架，而在大的枢转角处没有风力涡轮机叶片和塔架之间产生碰撞的风险，这是因为内梢端在大的枢转角处被布置得更远离塔架，从而确保了所需的间隙，而无需引入锥形，或无需具有减小的锥角。由此，风力涡轮机叶片的质心可移动得更靠近塔架，从而减小风力涡轮机上的负载，尤其是减小轮毂、传动系和塔架上的负载。此外，当风力涡轮机叶片处于限定最小枢转角的位置时(这通常是在低风速下的情况)，风力涡轮机叶片的质心的该位置降低了转子的惯性。这种低惯性可容易地由作用在风力涡轮机叶片上的风克服，从而容易在切入风速下起动风力涡轮机。在低转速下，在传动系中引入了高损耗。风力涡轮机的容易起动允许转子快速移动到引入高损耗的转速区域之外，从而可以改善风力涡轮机在低风速下的总体功率产生。

根据本发明的风力涡轮机是水平轴线风力涡轮机。因此，与轮毂的旋转轴线沿着基本上竖直的方向布置的竖直轴线风力涡轮机相反，轮毂的旋转轴线沿着基本上水平的方向布置。

角度α可以在襟翼方向上。根据该实施方式，角度α可以围绕由铰链限定的枢转轴线布置。

对于静止的风力涡轮机叶片，风力涡轮机叶片可以具有位于铰链和风力涡轮机叶片的内梢端之间即位于内叶片部分中的质心。在这种情况下，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的部分中。当轮毂相对于机舱旋转时，离心力在质心的位置处作用在风力涡轮机叶片上。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与内梢端之间的部分，即，风力涡轮机叶片的布置质心的部分。这将导致风力涡轮机叶片经由铰链枢转，使得风力涡轮机叶片朝向其中风力涡轮机叶片的纵向方向基本上平行于轮毂的旋转轴线布置的位置旋转。由此，风力涡轮机叶片以这样的方式枢转，即，枢转角增大而转子的直径减小。转速越高，风力涡轮机叶片将越朝向该位置枢转。

因此，根据该实施方式，随着轮毂的转速增加，转子的直径自动减小。因此，转子直径且由此风力涡轮机从风提取能量的能力根据主要风速而自动调节，而不需要复杂的控制算法或需要机械部件(例如变桨机构等)的维护。

可替代地或附加地，作用在风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓上的空气动力可以使风力涡轮机叶片以这样的方式枢转，即，转子的直径随着风速增加而减小。在优选实施方式中，离心力和空气动力在随着风速增加而减小转子直径方面协作，即，它们不彼此抵消。这例如可以在风力涡轮机叶片的质心被布置在内叶片部分中时获得，如上所述。对于一些风力涡轮机，例如小型风力涡轮机，关于确保风力涡轮机叶片朝向较小转子直径枢转，离心力可能是主导因素。对于其它风力涡轮机，例如较大的风力涡轮机，空气动力可能是主导因素。

在其它实施方式中，风力涡轮机叶片的质心可以布置在铰链位置处或外叶片部分中。当转速增加时，这导致中性离心力或朝向使风力涡轮机叶片朝向限定最小枢转角的位置移动起作用的离心力。

外叶片部分和内叶片部分可以是彼此接合的两个单独的部分。根据该实施方式，风力涡轮机叶片在其由彼此接合以形成风力涡轮机叶片的单独的部分制成的意义上被分段。这使得更容易运输风力涡轮机叶片，这是因为风力涡轮机叶片的部件可以单独运输，并且风力涡轮机叶片可以在风力涡轮机的现场组装。铰链区域可形成外叶片部分或内叶片部分的一部分，或其可由外叶片部分的一部分和内叶片部分的一部分形成。作为替代方案，铰链区域可以形成接合到外叶片部分以及内叶片部分的单独的叶片部分的一部分。

因此，风力涡轮机叶片还可以包括将内叶片部分和外叶片部分互连的铰链部分。根据该实施方式，铰链部分可以形成铰链区域，或者铰链区域可以是铰链部分的一部分，或者铰链区域可以由铰链部分(的一部分)和外叶片部分和/或内叶片部分的一部分形成。在任何情况下，铰链都被定位在铰链部分上。此外，根据该实施方式，铰链安装在风力涡轮机叶片的单独部分上，并且铰链部分可以被设计成满足铰链位置处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，例如关于重量、空气动力学性质、柔性等的要求。

可替代地，外叶片部分和内叶片部分可以形成一体。

角度α可以在5°至45°的范围内，诸如在10°至40°之间，诸如在15°至35°之间，诸如在20°与30°之间，诸如大约为25°。

最佳角度α取决于风力涡轮机的额定转子速度。例如，对于最大转子直径为234m的2.2MW风力涡轮机，施加相对低的转子速度，例如大约8rpm。在这种情况下，最佳角度α约为25°。最佳角度α随着额定转子速度的增加而减小，从而以最大转子直径减小。因此，对于具有10m的最大转子直径和大约300rpm的额定转子速度的非常小的风力涡轮机，最佳角度α仅是几度，即1°到4°。由此，对于处于上面描述的那些尺寸之间的风力涡轮机尺寸而言，最佳角度在间隔4°到25°内。对于甚至更大的风力涡轮机，最佳角度α高于25°，例如高达40°以上。

角度α的最佳值是基于与空气动力相比的转子惯性和离心力的要求而找到的。而且，最佳角度α可以是基于对在低风速下相对高的转子速度的要求的，这是因为这导致较少的发电机损失。

内叶片部分和/或外叶片部分可以在襟翼方向上弯曲。根据该实施方式，内叶片部分的至少一部分和/或外叶片部分的至少一部分沿襟翼方向遵循弯曲路径，而不是遵循直线。这可以根据沿着风力涡轮机叶片的长度的位置来增加或减小外叶片部分和内叶片部分之间的角度。这可进一步增大最大转子直径和/或改善塔架间隙。弯曲可以沿着整个内叶片部分或外叶片部分，或者其可以仅沿着内叶片部分或外叶片部分的一部分，例如处在靠近内梢端或外梢端的区域中。

内叶片部分可以在襟翼方向上弯曲，而外叶片部分在襟翼方向上遵循直线，或反之亦然。可替代地，内叶片部分以及外叶片部分可以在襟翼方向上弯曲。内叶片部分和外叶片部分中的每一者可以在向外的方向上即远离轮毂或者在向内的方向上即朝向轮毂弯曲。在内叶片部分以及外叶片部分在襟翼方向上弯曲的情况下，它们可以在相同的方向上弯曲，即，都在向外的方向上弯曲或者都在向内的方向上弯曲，或者它们可以在相反的方向上弯曲，即，其中一个叶片部分在向外的方向上弯曲而另一个在向内的方向上弯曲。

根据优选实施方式，外叶片部分沿襟翼在向外的方向上弯曲，而内叶片部分遵循直线。风力涡轮机叶片的这种设计减小了怠速期间的转子惯性，从而允许风力涡轮机在低风速下更容易地切入，如上所述。此外，获得了甚至更大的最大转子直径，从而导致在最小枢转角和低风速下有增加的功率产生。

可替代地或另外地，内叶片部分和/或外叶片部分可以在边缘方向上弯曲。根据该实施方式，内叶片部分的至少一部分和/或外叶片部分的至少一部分在边缘方向上遵循弯曲路径，而不是遵循直线。在本上下文中，用语“边缘方向”应当被解释为意指风力涡轮机叶片随着其和风力涡轮机的轮毂一起旋转时该风力涡轮机叶片运动所沿的方向或相反的方向。因此，根据该实施方式，内叶片部分和/或外叶片部分朝向前缘或朝向后缘弯曲。

风力涡轮机叶片在边缘方向上弯曲有时被称为“扫掠”。当设置有扫掠的风力涡轮机叶片经过风力涡轮机的塔架时，塔架是被逐渐经过的，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与塔架相邻。这减少了经过塔架期间风力涡轮机上的负载，尤其是风力涡轮机叶片上和塔架上的负载。

此外，扫掠允许风力涡轮机叶片在转子的完整旋转期间进行扭转扭曲。这抵消了作用在风力涡轮机叶片上的吸力的摆动，从而减少了风力涡轮机叶片上的负载。

最后，扫掠导致了风力涡轮机叶片的局部扭曲，该局部扭曲响应于增加的襟翼负载而使风力涡轮机叶片朝向较低迎角旋转。这也减少了风力涡轮机叶片上的负载。

内叶片部分可以在边缘方向上弯曲，而外叶片部分在边缘方向上遵循直线，或者反之亦然。可替代地，内叶片部分以及外叶片部分都可以在边缘方向上弯曲。内叶片部分和外叶片部分中的每一者都可以在朝向前缘的方向上或在朝向后缘的方向上弯曲。在内叶片部分以及外叶片部分都在边缘方向上弯曲的情况下，它们可以在相同的方向上弯曲，即都在朝向前缘的方向上弯曲或者都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，叶片部分中的一个叶片部分在朝向前缘的方向上弯曲，而另一个叶片部分在朝向后缘的方向上弯曲。

风力涡轮机叶片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与风力涡轮机叶片的前缘或后缘基本平行的主定向。

风力涡轮机叶片通常由包括纤维和树脂的纤维玻璃制造。纤维可沿着风力涡轮机叶片的纵向方向平行布置，并且，特别是关于风力涡轮机叶片的偏转和扭转，该方向确定了风力涡轮机叶片如何反作用于由风施加到风力涡轮机叶片的负载，尤其是襟翼负载。然而，根据该实施方式，纤维在风力涡轮机叶片的一区域中沿着不同的方向布置，即，纤维在该区域中被布置成离轴(off axis)。这具有这样的结果：风力涡轮机叶片的该区域与风力涡轮机叶片的其余部分相比对在襟翼方向上的偏转作出不同的反应。这致使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襟翼负载而朝向较低迎角旋转。这也减少了风力涡轮机叶片上的负载。在传统的变桨控制风力涡轮机中，这种扭转行为是不期望的，这是因为它在变桨机构上引入了扭转负载。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没有经由变桨系统连接至轮毂。

内叶片部分可以设置有平衡质量。平衡质量可定位在沿着内叶片部分的任何位置处，诸如定位在铰链区域附近、内梢端附近、或定位在其之间。与没有平衡质量的相同风力涡轮机叶片相比，通过以这种方式施加平衡质量，使得静止的风力涡轮机叶片的质心在朝向内梢端的方向上移动。因此，通过以适当的方式选择和定位平衡质量，静止的风力涡轮机叶片的质心的位置可以定位在任何期望的位置处。例如，静止的风力涡轮机叶片的质心可定位在铰链与风力涡轮机叶片的内梢端之间，从而确保风力涡轮机叶片由于离心力的作用随着转速增大而朝向较大的枢转角自动枢转，如上所述。

此外，通过将平衡质量放置在靠近内梢端的内叶片部分处，且因此使质心位于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，改善了风力涡轮机叶片上的升力。

内叶片部分和/或外叶片部分可设置有小翼。根据该实施方式，小翼可布置在风力涡轮机叶片的内梢端处或附近和/或外梢端处或附近。为内叶片部分和/或外叶片部分设置小翼通过改善梢端处或附近的空气动力学性质而改善了风力涡轮机叶片的效率。小翼可具有精确选择的重量，从而用作平衡质量，其可用于将静止的风力涡轮机叶片的质心定位在期望位置处，如上所述。

风力涡轮机还可包括偏置机构，该偏置机构被布置成向风力涡轮机叶片施加偏置力，该偏置力将风力涡轮机叶片朝向限定风力涡轮机叶片相对于叶片承载结构的最小枢转角的位置偏置。根据该实施方式，风力涡轮机叶片在最小枢转角和最大枢转角之间相对于叶片承载结构进行枢转运动，其中，朝向限定最大枢转角的位置的枢转运动是抵抗所施加的偏置力而进行的。

偏置力可以例如通过附接到风力涡轮机叶片的内叶片部分的线材施加，这将风力涡轮机叶片向外拉动，即，朝向最小枢转角拉动。

作为替代方案，偏置力可以借助于作用在风力涡轮机叶片中的一个或多个弹簧例如被布置成用于朝向最小枢转角拉动或推动风力涡轮机叶片的可压缩弹簧来施加。

作为另一替代方案，偏置力可以是力矩的形式。在这种情况下，偏置力可以借助于布置在铰链中的朝向最小枢转角拉动或推动风力涡轮机叶片的扭转弹簧来施加。

作为另一替代方案，偏置力可以借助于连接至风力涡轮机叶片并且被布置成用于朝向最小枢转角拉动或推动风力涡轮机叶片的液压机构来施加。

偏置机构可借助于合适的例如包括钩、孔眼等的连接接口附接到风力涡轮机叶片。

在风力涡轮机叶片设置有小翼的情况下，偏置机构可以连接至小翼。这是合适的连接位置，这是因为小翼通常是能够处理由偏置机构施加的力和负载的坚固且稳定的结构。

可替代地或附加地，风力涡轮机还可以包括偏置机构，该偏置机构被布置为向风力涡轮机叶片施加偏置力，该偏置力将风力涡轮机叶片朝向限定相对于叶片承载结构的最大枢转角的位置偏置。这类似于上述实施方式。然而，根据该实施方式，朝向最小枢转角的枢转运动是抵抗偏置力进行的。除此之外，上文阐述的关于如何施加偏置力的备注同样适用于此。

叶片承载结构可包括一个或多个臂，每个臂具有与其连接的风力涡轮机叶片。根据该实施方式，叶片承载结构是这样一种类型，其具有从轮毂延伸的一个或多个臂，并且每个臂承载风力涡轮机叶片。臂可相对于轮毂沿径向方向延伸。从而，给定风力涡轮机叶片的铰链的位置且由此叶片承载结构与风力涡轮机叶片之间的连接点的位置沿着径向方向布置在距轮毂一段距离处。

每个臂可以从轮毂沿着相对于竖直方向形成角度β的方向延伸，其中，0°<β<30°。根据该实施方式，臂不在竖直平面内延伸，而是形成锥体，其顶点布置在轮毂的旋转轴线上。这将给定风力涡轮机叶片的铰链并且由此将叶片承载结构与风力涡轮机叶片之间的连接点的位置沿着水平方向定位在距轮毂一段距离处。该距离有时被称为悬突(overhang)。角度β可以被称为锥角。

每个风力涡轮机叶片的铰链的旋转轴线可以相对于在轮毂的旋转轴线和铰链的中心之间延伸的线条布置，使得铰链的旋转轴线和前述线条之间形成不同于90°的角度Φ。前述线条可以例如垂直于轮毂的旋转轴线延伸。角度Φ优选地形成在由前述线条和铰链的旋转轴线跨越的平面中。

由于角度Φ不同于90°，给定叶片的枢转运动是围绕不垂直于例如承载风力涡轮机叶片的臂布置而是相对于其偏斜的旋转轴线进行的。这具有这样的结果：当风力涡轮机叶片进行枢转运动时，其也绕其扭转轴线旋转。因此，当枢转角改变时，迎角且由此风力涡轮机叶片从风中提取能量的能力也改变。此外，选择Φ≠90°具有样的结果：叶片承载结构的扭转运动不与风力涡轮机叶片的边缘方向运动直接耦合。这从部分边缘/襟翼耦合的叶片运动对叶片承载结构中的扭转运动引入了大量的阻尼。此外，选择Φ≠90°具有样的结果：在叶片振动期间铰链对叶片运动方向具有直接影响。由于空气弹性阻尼相对于来风对该振动方向敏感，所以阻尼可以通过偏斜铰链角度来调整，并且因此是用于减小例如边缘方向叶片振动的风险的有效方法。

角度Φ可以有利地选择为使得75°<Φ<90°或90°<Φ<105°。在Φ<90°的情况下，可以在枢转运动期间保持接近恒定的迎角。在Φ>90°的情况下，有可能被动地控制风力涡轮机叶片将失速的风速，因此使风力涡轮机叶片朝向最大枢转角移动。

风力涡轮机可以仅包括一个机舱，在这种情况下，风力涡轮机是单个转子类型。在这种情况下，机舱通常将被安装在塔架的顶部上。可替代地，风力涡轮机可包括两个或更多个机舱，在这种情况下，风力涡轮机是多转子类型的。在这种情况下，至少一些机舱可直接安装在塔架上，和/或机舱中的至少一些可经由例如包括在远离塔架的中心轴线的方向上延伸的臂的承载结构安装在塔架上。此外，所有的转子可包括如上所述的铰接的风力涡轮机叶片，或者一些转子可包括铰接的风力涡轮机叶片，而一个或多个转子可包括常规的可俯仰的风力涡轮机叶片。每个机舱可以经由单独的偏航系统安装在塔架上，或者两个或更多个机舱可以经由公共偏航系统安装在塔架上，在这种情况下，这些机舱相对于塔架被偏航在一起。

在任何情况下，由于机舱经由偏航系统安装在塔架上，因此其可相对于塔架绕基本上竖直的旋转轴线旋转，以便将风力涡轮机的一个或多个转子引导到来风中。偏航系统可以是主动偏航系统，在这种主动偏航系统中，例如基于风向的测量，机舱借助于偏航驱动机构主动地旋转。作为替代方案，偏航系统可以是被动偏航系统，在这种被动偏航系统中，机舱在不使用偏航驱动机构的情况下根据风向自动旋转。作为另一替代方案，偏航系统可以是主动偏航系统和被动偏航系统的组合，在某种意义上，偏航系统可以在一些情况下主动地工作并且在其它情况下被动地工作。

机舱可以是具有包围机舱内部的外壁的传统机舱，机舱容纳风力涡轮机的各种部件，例如发电机、传动系统等。作为替代方案，机舱可以简单地是能够相对于塔架进行偏航运动的结构。在这种情况下，上述部件中的一些或全部可以布置在机舱外部，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。轮毂包括具有连接至其的一个或多个如上所述的风力涡轮机叶片的叶片承载结构。因此，风力涡轮机叶片连同轮毂和叶片承载结构一起相对于机舱旋转。

因此，每个风力涡轮机叶片被布置成经由铰链相对于叶片承载结构进行枢转运动。由此，取决于铰链的位置且由此取决于风力涡轮机叶片相对于叶片承载结构的位置，在每个风力涡轮机叶片和叶片承载结构之间限定出枢转角。此外，如上所述，风力涡轮机叶片包括从铰链区域延伸且在其间具有角度的外叶片部分和内叶片部分。

风力涡轮机可以是顺风风力涡轮机。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1是根据本发明的实施方式的风力涡轮机的前视图；

图2至图4是图1的风力涡轮机的侧视图，其中风力涡轮机叶片处于三个不同的枢转角；

图5示出了图1至图4中所示的风力涡轮机的一部分；

图6和图7示出了根据本发明的两个不同实施方式的风力涡轮机叶片的外叶片部分；

图8和图9示出了根据本发明的各种实施方式的风力涡轮机叶片的可能弯曲方向；

图10示出了暴露于垂直风切变的风力涡轮机；

图11是根据本发明的实施方式的风力涡轮机叶片的截面图；

图12是示出了图11的风力涡轮机叶片上的迎角作为时间的函数的曲线图；

图13示出了根据本发明的实施方式的处于两个不同枢转角的风力涡轮机叶片；

图14示出了根据本发明的实施方式的作为风力涡轮机的转子速度的函数的转子惯性；

图15示出了根据本发明的实施方式的处于最大枢转角的风力涡轮机叶片；以及

图16a至图16c示出了根据本发明的替代实施方式的风力涡轮机叶片。

具体实施方式

图1至图4示出了根据本发明的实施方式的风力涡轮机1。

图1是风力涡轮机1的前视图。风力涡轮机1包括塔架2和经由偏航系统安装在塔架2上的机舱(不可见)。轮毂3以可旋转的方式安装在机舱上，轮毂3包括带有三个臂的叶片承载结构4。三个风力涡轮机叶片5各自经由风力涡轮机叶片5的铰链区域中的铰链6连接至叶片承载结构4。因此，风力涡轮机叶片5被布置成相对于叶片承载结构4在最小枢转角和最大枢转角之间进行枢转运动。

每个风力涡轮机叶片5都限定了内梢端5a和外梢端5b之间的空气动力学轮廓。铰链6布置在距内梢端5a非零距离并且距外梢端5b非零距离处。由此，限定了在铰链6和外梢端5b之间延伸的外叶片部分7以及在铰链6和内梢端5a之间延伸的内叶片部分8。

铰链6允许风力涡轮机叶片5相对于叶片承载结构4进行枢转运动。由此，取决于铰链6的位置且由此风力涡轮机叶片5相对于叶片承载结构4的位置，在风力涡轮机叶片5和叶片承载结构4之间限定出枢转角。这确定了转子的直径，从而确定了风力涡轮机1从风中提取能量的能力。

外叶片部分7从铰链6沿着第一方向延伸，并且内叶片部分8从铰链6沿着第二方向延伸。第一方向和第二方向之间形成角度α。由此，风力涡轮机叶片5在铰链6处或附近形成弯曲。在图2至图4中，可以看出，α大约为25°，并且它在襟翼方向。还可以看出，弯曲大致形成在铰链6的位置处。

图2至图4是图1的风力涡轮机1的侧视图，其中风力涡轮机叶片5处于三个不同的枢转角。枢转角可在最小枢转角和最大枢转角之间变化，最小枢转角限定最大转子直径，如图2所示，最大枢转角限定最小转子直径，如图4所示。图3示出了处于最大转子直径和最小转子直径即最小枢转角和最大枢转角之间的中间枢转角处的风力涡轮机叶片5。

在图2中，风力涡轮机叶片5被布置在限定最小枢转角的位置中，并且由此限定最大转子直径。因此，内叶片部分8紧邻叶片承载结构4布置。由内叶片部分8和外叶片部分7之间的角度α限定出的弯曲确保了，与没有这种弯曲的风力涡轮机叶片的情况相比，在该枢转角处外梢端5b沿着径向方向更远离轮毂3布置。这增加了最大转子面积，并且将在下面参考图5更详细地描述。

图3示出了风力涡轮机1，其中风力涡轮机叶片5处在最小枢转角和最大枢转角之间的枢转角，并且与图2中所示的最大转子直径相比转子直径减小了。可以看出，内叶片部分8已经移动而远离叶片承载结构4，并且内梢端5a已经移动得更靠近塔架2。

图4示出了风力涡轮机1，其中风力涡轮机叶片5枢转成使得它们限定最大枢转角并因此限定最小转子直径。因此，内叶片部分8已经移动而进一步远离叶片承载结构4，并且内梢端5a已经移动得更靠近塔架2。

与风力涡轮机叶片5没有设置弯曲的情况相比，风力涡轮机叶片5的弯曲(即，角度α)确保了内梢端5a被布置得更远离塔架2。因此，风力涡轮机叶片5和叶片承载结构4之间的附连点可移动得更靠近塔架2，而没有在大的枢转角处风力涡轮机叶片5和塔架2之间发生碰撞的风险。因此，可以避免锥形，或者可以应用减小的锥角。由此，风力涡轮机叶片5的质心可移动得更靠近塔架2，从而减小风力涡轮机1上的负载，尤其是轮毂3、传动系和塔架2上的负载。此外，当风力涡轮机叶片5处于限定最小枢转角的位置时，风力涡轮机叶片5的质心的该位置降低了转子的惯性，这通常是在低风速下的情况。这将在下面参考图13和图14更详细地描述。

图5示出了图1至图4中所示的风力涡轮机的一部分。虚线轮廓9表示具有与外叶片部分7相同的长度但没有限定角度α的弯曲的外叶片部分，该角度α在上文参考图1至图4进行了描述。

在图5中，风力涡轮机叶片5被布置在限定最小枢转角的位置处。可以看出，与表示没有弯曲的风力涡轮机叶片的虚线轮廓9的外梢端相比，在该枢转角处，外梢端5b被布置为更远离轮毂3的距离为Δ。因此，在最小枢转角处，弯曲提供了风力涡轮机1的增加的转子直径，且由此提供了增加的功率产生。这是理想的，这是因为最小枢转角通常在低风速下发生。

图6和图7示出了根据本发明的两个不同实施方式的风力涡轮机叶片的外叶片部分7。图6示出了从限定铰链区域的铰链部分10沿着直线12延伸的外叶片部分7。直线12不垂直于铰链部分10的安装表面，并且其与方向11形成角度α，附接到铰链部分10的相对的安装表面的内叶片部分(未示出)沿着该角度α延伸。

铰链部分10设置有销，其中一个铰链部分10a被示出为用于将铰链部分10连接至叶片承载结构上的配合部分，从而形成铰链。

图7示出了外叶片部分7，其沿着弯曲线13在襟翼方向上延伸。因此，外叶片部分7和内叶片部分(未示出)之间的角度α在朝向外梢端5b的方向上沿着外叶片部分7增加。

图8和图9示出了根据本发明的各种实施方式的风力涡轮机叶片5的可能弯曲方向。图8示出了经由铰链6铰接到叶片承载结构4上的风力涡轮机叶片5的侧视图。图8示出了风力涡轮机叶片5在襟翼方向上的可能弯曲。在襟翼方向上，内叶片部分8可以相对于叶片承载结构在向外的方向上弯曲，从而具有内梢端5a-3，或者相对于叶片承载结构在向内的方向上弯曲，从而具有内梢端5a-1，或者其可以遵循如由内梢端5a-2所指示的直线。

类似地，在襟翼方向上，外叶片部分7可以相对于叶片承载结构在向外的方向上弯曲，从而具有外梢端5b-3，或者相对于叶片承载结构在向内的方向上弯曲，从而具有外梢端5b-1，或者其可以遵循如由外梢端5b-2所指示的直线。可以应用内梢端5a-1、5a-2、5a-3和外梢端5b-1、5b-2、5b-3的任何组合。

图9示出了风力涡轮机叶片5的前视图以及风力涡轮机叶片5在边缘方向上的可能弯曲。边缘方向上的弯曲可形成图8中所示的襟翼方向弯曲的替代方案，或除了襟翼方向弯曲之外还形成边缘方向弯曲。

根据该实施方式，在边缘方向上，内叶片部分8可以朝向具有内梢端5a-4的前缘弯曲，或者在朝向具有内梢端5a-6的后缘的方向上弯曲，或者其可以遵循如由内梢端5a-5所指示的直线。

类似地，在边缘方向上，外叶片部分7可以朝向具有外梢端5b-4的前缘弯曲，或者在朝向具有外梢端5b-6的后缘的方向上弯曲，或者其可以遵循如由外梢端5b-5所指示的直线。可以应用内梢端5a-4、5a-5、5a-6和外梢端5b-4、5b-5、5b-6的任何组合。

风力涡轮机叶片5在边缘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5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5的一部分被布置成与塔架相邻。这减少了经过塔架期间风力涡轮机上的负载，尤其是减少了风力涡轮机叶片5上和塔架上的负载。

图10示出了暴露于竖直风切变14即竖直方向z上的风速变化的风力涡轮机1。在图10所示的情况下，风速在靠近塔架2的基部时较低，并且随着高度朝向轮毂3增加而增加。随着风力涡轮机叶片5与轮毂3一起旋转，不同高度处的风速的这种变化在风力涡轮机叶片5上产生了不同的负载。这导致了风力涡轮机叶片5的偏转，该偏转对于转子的每个整圈周期性地变化。这通常会导致风力涡轮机叶片5上的吸入压力的周期性变化和迎角的周期性变化。

图11是根据本发明的实施方式的风力涡轮机叶片5的横截面图以及风力涡轮机叶片5上的局部迎角AOA。风力涡轮机叶片5的横截面中的局部迎角AOA被定义为风力涡轮机叶片5的弦与相对风速之间的角度，其中相对风速是风力涡轮机叶片5的局部来风速度矢量V(z)和局部转速矢量ω·r的合成矢量。在旋转期间，由于风切变，V(z)随着叶片5旋转而改变，且从而迎角AOA改变。

图11的风力涡轮机叶片5具有引入风力涡轮机叶片5的弯曲/扭转联接的设计。这可以例如借助于扫谅来提供，如以上参考图9所描述的，或者借助于离轴光纤放置来提供。这具有这样的结果：风力涡轮机叶片5在襟翼方向上的增加的偏转引起风力涡轮机叶片5朝向较低迎角的扭转扭曲。

图12是示出在没有弯曲/扭转耦合(实线15)且用于图11的风力涡轮机叶片(虚线16)的情况下作为风力涡轮机叶片的时间函数的迎角AOA的曲线图。从曲线15可以看出，对于没有弯曲/扭转耦合的风力涡轮机叶片，作为时间的函数，迎角基本上以正弦方式变化。对于表示图11的风力涡轮机叶片的曲线16，迎角的变化显著降低。这归因于上述弯曲/扭转耦合。迎角的减小的变化显著降低了风力涡轮机叶片上的负载。

应当注意，上面参考图10至图12阐述的备注同样适用于风力涡轮机经受很小的风(wind weer)(即，风速沿水平方向变化，而不是沿竖直方向变化)的情况。很小的风在作为风切变的转子的完全旋转期间引起风力涡轮机叶片的偏转的类似变化，并且因此弯曲/扭转耦合将以与上面在这种情况下描述的相同的方式减小迎角的变化。

图13示出了根据本发明的实施方式的处于两个不同枢转角的风力涡轮机叶片5。风力涡轮机叶片5非常类似于图1至图5中所示的风力涡轮机叶片5，且因此在此将不详细描述。实线示出了处于最小枢转角的风力涡轮机叶片5，并且虚线示出了处于较大枢转角的风力涡轮机叶片5。

风力涡轮机叶片5的惯性可计算为：

其中，i表示风力涡轮机叶片5的无穷小部分，r_i是部分i与转子的旋转轴线之间的距离，并且m_i是部分i的质量。这些无穷小部分中的一个在图13中示出。

当风力涡轮机叶片5被布置在最小枢转角处或附近时，风力涡轮机叶片5的弯曲将风力涡轮机叶片5的质心布置成更靠近转子的旋转轴线。因此，风力涡轮机叶片5的惯性减小，并且能够容易地由作用在风力涡轮机叶片5上的风克服，并且由此容易在切入风速下起动风力涡轮机1。

图14是示出风力涡轮机的作为转子速度的函数的转子惯性的曲线图。可以看出，在低转子速度下，传动系损失相对较高。因此，在风力涡轮机的起动期间，希望将转子速度增加到传动系损失尽可能快地降低的水平。以上参考图13描述的减小的惯性确保了这一点。此外，由风力涡轮机叶片的弯曲提供的增大的转子直径确保了，一旦达到被标记为“区域助推器(Area booster)”的区域，转子速度就更快地增加。

图15示出了根据本发明的实施方式的风力涡轮机叶片5。风力涡轮机叶片5被布置在限定最大枢转角的位置处。由此，外叶片部分7被布置成基本上平行于轮毂3的旋转轴线，而内叶片部分8由于内叶片部分8和外叶片部分7之间的角度α而被布置成与其成一角度。

可以看出，与使用没有弯曲的风力涡轮机叶片的情况相比，内叶片部分8和外叶片部分7之间的角度α使得内梢端5a被布置得更远离塔架2。因此，由于弯曲，风力涡轮机叶片5可以在更靠近塔架2的位置处安装在叶片承载结构4上，并且由此轮毂3、叶片承载结构4和风力涡轮机叶片5的质心可以移动得更靠近塔架2，而不存在风力涡轮机叶片5和塔架2之间发生碰撞的风险，并且不具有增加的锥角。这减少了风力涡轮机1上的不均匀负载。

此外，作用在风力涡轮机叶片5的给定无穷小部分上的离心力可被计算为：

r_i·m_i·ω²

其中，r_i是无穷小部分与轮毂3的旋转轴线之间的距离，m_i是无穷小部分的质量，并且ω是轮毂的转速。

因此，对于给定的转速ω，作用在风力涡轮机叶片5的无穷小部分上的离心力由距离r_i和质量m_i给出。从图15可以看出，内叶片部分8和轮毂3的旋转轴线之间的距离大于使用没有弯曲的风力涡轮机叶片的情况。这允许利用具有较低质量的内叶片部分8获得给定的离心力，且从而获得风力涡轮机叶片5的期望的行为。这降低了风力涡轮机叶片5的总质量，且从而减小了风力涡轮机1上的负载以及制造成本。

图16a至图16c示出了根据本发明的实施方式的处于两个不同枢转角Ψ的风力涡轮机叶片5。风力涡轮机叶片5被示出为处于最小枢转角，并且风力涡轮机叶片5’被示出为处于较大的枢转角。图16a是风力涡轮机叶片5的侧视图，图16b是风力涡轮机叶片5的前视图，并且图16c是沿图16b中所示的线A-A的截面图。

在图16a和图16b中，示出了垂直于轮毂(未示出)的旋转轴线18延伸并且互连轮毂的旋转轴线18和铰链6的位置的线条17。应当注意的是，线条17是为了说明的目的示出的，而不是风力涡轮机的结构部分。

如在图16b中最佳地看到的，铰链6的旋转轴线19相对于线条17形成略微小于90°的角度Φ。因此，当枢转角Ψ增加时，风力涡轮机叶片5也围绕其扭转轴线旋转。这在图16c中示出，其中风力涡轮机叶片5’相对于风力涡轮机叶片5绕其扭转轴线旋转。

如图16c所示，这以这样的方式影响迎角δ：假定转子的转速ω与风速v_wind之间的关系是固定的，那么风力涡轮机叶片5的迎角δ可以针对任何风速得到控制。在Φ<90°的情况下，可以通过调节枢转角Ψ在风力涡轮机产生功率的整个风速下被动地保持接近恒定迎角δ，如图16c所示。可替代地，在Φ>90°的情况下，有可能被动地控制叶片将失速的风速，因此将其推向最大枢转角。

另外，在铰链角度Φ≠90°度处，叶片承载结构4的扭转运动将不与风力涡轮机叶片5的边缘方向运动直接耦合。这从部分边缘/襟翼耦合的叶片运动对叶片承载结构4中的扭转运动引入了大量的阻尼。

另外，在铰链角度Φ≠90°度处，铰链6对叶片振动期间的移动叶片方向具有直接影响。由于空气弹性阻尼相对于来风来说对该振动方向敏感，所以阻尼可以通过偏斜铰链角度来调整，并且因此是消除例如边缘方向叶片振动的风险的有效方法。

Claims (16)

1.一种水平轴线风力涡轮机(1)，该水平轴线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、以可旋转的方式安装在所述机舱上的轮毂(3)以及限定内梢端(5a)与外梢端(5b)之间的空气动力学轮廓的至少一个风力涡轮机叶片(5)，所述轮毂(3)包括叶片承载结构(4)，所述风力涡轮机叶片(5)包括：

铰链(6)，所述铰链在所述风力涡轮机叶片(5)的铰链区域中将所述风力涡轮机叶片(5)连接至所述叶片承载结构(4)，所述铰链区域被布置在距所述内梢端(5a)非零距离且距所述外梢端(5b)非零距离处，所述风力涡轮机叶片(5)由此被布置成相对于所述叶片承载结构(4)在最小枢转角和最大枢转角之间进行枢转运动；

外叶片部分(7)，所述外叶片部分被布置在所述铰链区域和所述外梢端(5b)之间；以及

内叶片部分(8)，所述内叶片部分被布置在所述铰链区域与所述内梢端(5a)之间，并能够移动而远离所述叶片承载结构(4)；

其中，所述外叶片部分(7)从所述铰链区域沿着第一方向延伸，并且所述内叶片部分(8)从所述铰链区域沿着第二方向延伸，并且其中，所述第一方向和所述第二方向之间形成角度α，其中，0°<α<90°。

2.根据权利要求1所述的水平轴线风力涡轮机(1)，其中，所述角度α在襟翼方向上。

3.根据权利要求1所述的水平轴线风力涡轮机(1)，其中，所述外叶片部分(7)和所述内叶片部分(8)是彼此接合的两个单独的部分。

4.根据权利要求3所述的水平轴线风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)还包括将所述内叶片部分(8)和所述外叶片部分(7)互连的铰链部分(10)。

5.根据权利要求1所述的水平轴线风力涡轮机(1)，其中，所述外叶片部分(7)和所述内叶片部分(8)形成一体。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的水平轴线风力涡轮机(1)，其中，所述角度α在5°至45°的范围内。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的水平轴线风力涡轮机(1)，其中，所述内叶片部分(8)和/或所述外叶片部分(7)在襟翼方向上弯曲。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的水平轴线风力涡轮机(1)，其中，所述内叶片部分(8)和/或所述外叶片部分(7)在边缘方向上弯曲。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的水平轴线风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)包括沿着该风力涡轮机叶片(5)平行布置的多个纤维，并且其中，所述风力涡轮机叶片(5)包括这样的区域，在该区域中，纤维的定向偏离纤维的与所述风力涡轮机叶片(5)的前缘或后缘基本平行的主定向。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的水平轴线风力涡轮机(1)，其中，所述内叶片部分(8)设置有平衡质量。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的水平轴线风力涡轮机(1)，其中，所述内叶片部分(8)和/或所述外叶片部分(7)设置有小翼。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的水平轴线风力涡轮机(1)，该水平轴线风力涡轮机还包括偏置机构，该偏置机构被布置成向所述风力涡轮机叶片(5)施加偏置力，该偏置力将所述风力涡轮机叶片(5)朝向限定相对于所述叶片承载结构(4)的最小枢转角的位置偏置。

13.根据权利要求1至5中任一项所述的水平轴线风力涡轮机(1)，该水平轴线风力涡轮机还包括偏置机构，该偏置机构被布置成向所述风力涡轮机叶片(5)施加偏置力，该偏置力将所述风力涡轮机叶片(5)朝向限定相对于所述叶片承载结构(4)的最大枢转角的位置偏置。

14.根据权利要求1至5中任一项所述的水平轴线风力涡轮机(1)，其中，所述叶片承载结构(4)包括一个或多个臂，每个臂具有连接至该臂的风力涡轮机叶片(5)。

15.根据权利要求14所述的水平轴线风力涡轮机(1)，其中，每个臂从所述轮毂(3)沿着相对于竖直方向形成角度β的方向延伸，其中0°<β<30°。

16.根据权利要求1至5中任一项所述的水平轴线风力涡轮机(1)，其中，每个风力涡轮机叶片(5)的所述铰链(6)的旋转轴线是相对于在所述轮毂(3)的旋转轴线与所述铰链(6)的中心之间延伸的线条(17)布置的，使得所述铰链(6)的所述旋转轴线和所述线条(17)之间形成不同于90°的角度Φ。