CN112703314B - 具有带空气动力学特性的叶片承载结构的风力涡轮机 - 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)；经由偏航系统安装在塔架(2)上的机舱(3)；可旋转地安装在机舱(3)上的轮毂(4)，轮毂(4)包括叶片承载结构(5)；以及经由铰链(7)连接到叶片承载结构(5)的一个或多个风力涡轮机叶片(6)。每个风力涡轮机叶片(6)由此被布置成相对于叶片承载结构(5)在最小枢转角和最大枢转角之间进行枢转运动。叶片承载结构(5)设置有一个或多个元件(8)，所述一个或多个元件被构造成通过增大叶片承载结构的升力和/或减小叶片承载结构的阻力来改进叶片承载结构(5)的表面的空气动力学特性。升力的增大和/或阻力的减小作为叶片承载结构(5)和来风之间的迎角(AOA)的函数而变化。

Description

具有带空气动力学特性的叶片承载结构的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种具有一个或多个叶片的风力涡轮机，所述叶片枢转地连接到叶片承载结构。本发明的风力涡轮机提高了转子的扫掠区域的利用。

背景技术

风力涡轮机通常设置有风力涡轮机叶片，风力涡轮机叶片通常被设计为从风力涡轮机的转子径向延伸的一体件，并且被设计成具有机翼型形状。这种形状提供了作用在叶片上的优化的升力和阻力，这然后导致风力资源的优化利用。此外，这些风力涡轮机叶片可以是俯仰控制的，即，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。

替代地，风力涡轮机可设置有风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片经由铰链连接到叶片承载结构，从而允许改变限定在风力涡轮机叶片和叶片承载结构之间的枢转角。在这种风力涡轮机中，当枢转角变化时，风力涡轮机的转子的直径以及由此转子扫过的面积变化。这种风力涡轮机类型的叶片承载结构通常不具有有利的空气动力学特性，因此其并不有助于风力涡轮机的能量转换。然而，它占据转子的扫掠区域的一部分，并且因此由叶片承载结构占据的区域可以被认为是扫掠区域的不活动部分。

US4,632,637公开了一种高速顺风水平轴风力涡轮机，该风力涡轮机具有三个周向间隔开的轻质叶片，这些叶片具有内支撑臂、径向向外设置的叶片节段，这些叶片节段枢转地连接到支撑臂，以便在高风力状况或高旋转速度下顺风笔直地折叠。

发明内容

本发明的实施方式的目的是提供一种具有铰接叶片的风力涡轮机，与现有技术的具有铰接叶片的风力涡轮机相比，该风力涡轮机具有提高的空气动力学性能，特别是在低风速下。

本发明的实施方式的另一目的是提供一种风力涡轮机，与现有技术的具有铰接叶片的风力涡轮机相比，该风力涡轮机具有增大的有效扫掠区域，特别是在低风速下。

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；可旋转地安装在机舱上的轮毂，该轮毂包括叶片承载结构；以及经由铰链连接到叶片承载结构的一个或多个风力涡轮机叶片，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和最大枢转角之间进行枢转运动，

其中，所述叶片承载结构设置有一个或多个元件，所述一个或多个元件被构造成通过增大所述叶片承载结构的升力和/或减小所述叶片承载结构的阻力来改进所述叶片承载结构的表面的空气动力学特性，并且

其中，升力的增大和/或阻力的减小作为叶片承载结构与来风之间的迎角(AOA)的函数而变化。

因此，本发明提供了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括连接到叶片承载结构的一个或多个风力涡轮机叶片。风力涡轮机可以仅包括一个机舱，在这种情况下，风力涡轮机是单转子类型的。在这种情况下，机舱通常安装在塔架的顶部上。替代地，风力涡轮机可以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，机舱中的至少一些可直接安装在塔架上和/或机舱中的至少一些可经由承载结构例如包括在远离塔架的中心轴线的方向上延伸的臂安装在塔架上。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共同的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一起偏航。

在任何情况下，由于(一个或多个)机舱经由偏航系统安装在塔架上，所以它们可相对于塔架围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，其中机舱借助于偏航驱动机构主动地旋转，例如基于风向的测量。作为替代，偏航系统可以是被动偏航系统，其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、传动系等。作为替代，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被布置在机舱的外部，例如被布置在塔架的内部部分中。

轮毂可旋转地安装在机舱上。轮毂包括叶片承载结构，叶片承载结构具有连接到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风力涡轮机。

风力涡轮机叶片中的每一个都经由铰链连接到叶片承载结构。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。因此，根据铰链的位置以及因此根据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与叶片承载结构之间限定了枢转角。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由此相对于轮毂延伸所沿的方向。这又确定了转子的直径，并由此确定了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。

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

根据本发明，叶片承载结构设置有一个或多个元件，该一个或多个元件被构造成通过增大叶片承载结构的升力和/或减小叶片承载结构的阻力来改进叶片承载结构的表面的空气动力学特性。

叶片承载结构占据转子的扫掠区域的一部分，如果能够改进其空气动力学特性，则可以利用该扫掠区域的一部分。这些元件可以具有不同的形式，并且可以定位在叶片承载结构上的不同位置处，如将在下面描述的。元件的形式和位置导致施加在叶片承载结构上的阻力减小和/或升力增大，尤其是在低风速下。通过降低叶片承载结构的阻力和/或增大叶片承载结构的升力，在其上具有元件的叶片承载结构有助于风力涡轮机的能量转换。因此，由叶片承载结构占据的扫掠区域的一部分也用于能量生产，即，其被“启动”，并且因此在更大程度上利用了总扫掠区域。

升力的增大和/或阻力的减小作为叶片承载结构和来风之间的迎角(AOA)的函数而变化。

因此，被构造成增大叶片承载结构的升力和/或减小叶片承载结构的阻力的元件以这样的方式布置和设计，即它们的功能随着迎角的改变而改变。叶片承载结构的横截面中的局部迎角被定义为由叶片承载结构的相关区段例如臂的一个区段限定的翼弦与相对风速之间的角度，其中相对风速是局部来风速度矢量与结构的局部旋转速度矢量的合成矢量。

在叶片承载结构的相关区段具有圆形或椭圆形形式的横截面，即不是机翼的情况下，翼弦可定义为横跨平行于叶片承载结构部件的旋转平面的圆形或椭圆形的线。因此，迎角随着风力涡轮机的旋转速度的改变而改变。这些元件可以以这样的方式定位，即它们在一些迎角下增大升力，而在一些其它迎角下它们不影响升力。类似地，元件可以以这样的方式定位，即它们在一些迎角下减小阻力，而在一些其它迎角下它们不影响阻力。

元件可以以这样的方式设计，即在低旋转速度下，即在低风速下，尤其是在风力涡轮机的启动期间出现的迎角下，元件增大叶片承载结构的升力系数，但是在不需要这样增大时，在较高风速下的迎角下，不增大升力系数，或者仅在较小程度上增大升力系数。这可以例如通过沿着径向方向和/或沿着叶片承载结构的圆周适当地分布元件来实现。下面将参考附图更详细地描述满足这些状况的元件的具体设计。

类似地，元件可以以这样的方式设计，即在高迎角下，即例如在怠速和/或停放状况下出现的低旋转速度和高风速的组合下，元件减小叶片承载结构的阻力系数，但是在低风速下的迎角下不减小阻力系数，或者仅在较小程度上减小阻力系数。这也可以通过适当地分布元件来实现，类似于上述情况。

元件也可以以这样的方式设计，即在相同的迎角范围内获得最高升力和最低阻力。

升力增大元件的示例包括但不限于格尼襟翼(gurney flap)、涡流发生器和失速龙头。作为另一个示例，例如呈前缘部分和后缘部分形式的机翼可以安装在叶片承载结构上，以便增大叶片承载结构的升力。作为另一个示例，叶片承载结构可设置有一个或多个孔或通道，以允许气流流出或流入叶片承载结构，以便改变叶片承载结构的边界层，从而增大叶片承载结构的升力。升力产生元件的另一个示例可由两个弯曲的轮廓形成，这两个弯曲的轮廓彼此抵靠定位以形成壳状结构。该元件在下文中被称为“海壳”。升力产生元件的又一示例可以是模仿鲸鱼状曲线的波状表面图案的形式。这种类型的元件在下文中被称为“鲸鱼曲线”。

阻力减小元件的示例包括但不限于机翼、流出/进入孔的气流或类似物。作为另一个示例，也可以使用模仿鲨鱼皮的元件，该元件自然地产生，用于减小水流的阻力，导致鲨鱼在水中的有效率的运动。这种类型的元件在下文中被称为“鲨鱼皮”。阻力减小元件的又一示例是类似于高尔夫球表面的凹陷表面。这种表面与边界层分离，提供更小和更稳定的尾流，从而减小阻力。所有这些元件可与升力产生元件一起工作，从而显著地改进叶片承载结构的空气动力学特性。

因此，元件以这样的方式定位在叶片承载结构上，即在任何给定的迎角下，获得升力的适当增大和/或阻力的适当减小。因此，转子区域的先前“不活动”部分以在给定迎角下且因此在给定风力状况下是适当的方式被“启动”。因此，风力涡轮机从风中提取能量的能力得到改进，但是仅改进到在给定盛行风状况下必要或适当的程度。

因此，升力的增大可以作为迎角的函数以这样的方式变化，即升力随着迎角的增大而减小。预期迎角在低风速下最小，而在高风速下最大。因此，根据该实施方式，在大迎角和由此的高风速下升力的增大小于在小迎角和由此的低风速下升力的增大。因此，在低风速下，在希望从风中提取尽可能多的能量的情况下，元件提供升力的大的增大，从而显著地改进叶片承载结构的空气动力学特性。然而，在更大的迎角以及由此更高的风速下，在与改进从风中提取能量无关的情况下，升力的增大被减小，由此减小了对源自由叶片承载结构扫过的转子区域的部分的能量生产的贡献。

替代地或另外，阻力的减小可作为迎角的函数以这样的方式变化，即阻力随迎角增大而减小。根据该实施方式，在大迎角和由此的高风速下阻力的减小大于在小迎角和由此的低风速下阻力的减小。因此，叶片承载结构的阻力在低风速下比在高风速下更大。因此，在极高风速下，例如风暴和/或停放或怠速状况下，在迎角非常大的情况下，叶片承载结构的阻力低，从而确保在最大可能程度上保护风力涡轮机抵抗强风。

叶片承载结构可包括一个或多个臂，每个风力涡轮机叶片安装在臂中的一个上，并且元件中的一个或多个可被布置在臂上。臂可以在风力涡轮机的径向方向上延伸。此外，风力涡轮机叶片可以安装在臂上，使得当叶片被布置在限定最小枢转角的位置时，叶片用作臂的延伸部，即，叶片和臂可以沿着基本平行的方向延伸。臂可以是圆柱形或锥形圆柱形，以向风力涡轮机叶片提供所需的支撑。每个臂可以具有以这样的方式被布置在其上的元件，即与没有任何元件的“裸”臂相比，所产生的臂具有改进的空气动力学特性。

元件中的一个或多个可以沿着臂的径向方向和/或沿着臂的圆周分布在臂上。在径向方向上和围绕臂的圆周放置的两个元件都可以定位成使得它们增大用于能量生产的扫掠区域。沿着臂的圆周放置的元件提高了施加在臂上的升力和/或降低了施加在臂上的阻力，从而在需要时改进了臂的空气动力学特性。即，可以以这样的方式选择元件并仔细地将其围绕臂的圆周定位和/或沿着臂的长度定位，即在一些位置它们以一种方式经受风，而在其它位置它们以另一种方式经受风。因此，叶片承载结构的臂的空气动力学特性可以以这样的方式设计，即在通常在低风速下出现的一些迎角下，空气动力学特性显著地改变，而在通常在高风速下出现的其它迎角下，空气动力学特性的改变是微不足道的，如上所述。元件在臂上的具体分布可以取决于它们的尺寸和结构。以下将在具体描述每个元件时公开关于各种类型的元件的分布的细节。

替代地或附加地，一个或多个元件可以被布置在叶片承载结构的任何其它部分上，这些任何其它部分包括铰链的一部分、将叶片承载结构连接到轮毂的一部分以及轮毂本身。

每个风力涡轮机叶片可限定内梢端和外梢端之间的空气动力学轮廓，并且铰链可被布置在风力涡轮机叶片上，与内梢端相距一定距离，并且与外梢端相距一定距离。空气动力学轮廓可以是机翼。在本上下文中，术语“内梢端”应被解释为表示风力涡轮机叶片的最靠近风力涡轮机的轮毂布置的末端。类似地，在本上下文中，术语“外梢端”应被解释为表示风力涡轮机叶片的被布置成最远离轮毂的另一末端。铰链可被布置在距内梢端非零距离处和距外梢端非零距离处。因此，风力涡轮机叶片可以在不是风力涡轮机叶片的端部处的位置处铰接到叶片承载结构。这种布置可导致风力涡轮机叶片与叶片承载结构之间的空气动力学相互作用，从而改进叶片承载结构的空气动力学特性。

在本发明的一个实施方式中，当风力涡轮机叶片处于限定最小枢转角的位置时，风力涡轮机叶片的一部分可被布置成邻近叶片承载结构的一部分，从而在风力涡轮机叶片与叶片承载结构之间形成重叠区域，并且元件可被布置在叶片承载结构上位于重叠区域之外。

当风力涡轮机叶片与叶片承载结构形成最小枢转角时，这些风力涡轮机叶片定位在距叶片承载结构的最小距离处，并且重叠区域可形成在它们之间。叶片承载结构的一部分可以与限定重叠区域的叶片的内部部分结合，有助于风力涡轮机的转换效率，因为叶片承载结构的部分和风力涡轮机叶片的相邻部分可以一起工作，从而在叶片的内部部分和与叶片的内部部分相邻的叶片承载结构引导流动时提高升力。重叠区域的尺寸取决于与叶片承载结构重叠的叶片的内部部分的尺寸。为了使该重叠区域的尺寸最大化，叶片的内部部分可以被制造得更大。然而，这可能不是一种选择，因为大的内部部分可能在叶片枢转时与风力涡轮机的轮毂和/或机舱碰撞。因此，将总是存在叶片承载结构的不用于发电的区域。根据本发明，该区域可以通过在其上布置元件而重新设计，从而改进具有元件的叶片承载结构部分的空气动力学特性。这在风力涡轮机的启动期间是特别重要的，因为其将允许风力涡轮机更快地加速并且在启动后立即开始电力生产。

另一方面，当风力涡轮机叶片被布置在限定较大枢转角的位置处时，这可能是在较高风速的情况下，风力涡轮机叶片定位在距叶片承载结构较大距离处。在这种情况下，扫掠区域的与叶片承载结构的重叠区域对应的部分对升力系数没有贡献，因为在该区域中没有布置元件，并且因为风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓也没有被布置在该区域中。这是期望的，因为在这种情况下，高升力可能是不期望的，并且在高风速下可能对风力涡轮机具有有害影响，因为转子已经以高旋转速度旋转并且不需要进一步增大。因此，将元件定位在重叠区域之外提供了一种结构，其中叶片承载结构的空气动力学特性在低风速下得到改进，但在高风速下没有得到改进。

作为替代，一种类型的元件可以被布置在重叠区域之外的叶片承载结构上，而另一种类型的元件可以被布置在重叠区域中。例如，在小迎角下提供升力显著增大的元件可以设置在重叠区域之外。在重叠区域中，可选择与内部叶片部分配合以在小迎角下增大升力的元件。这种元件的一个示例是空气动力学轮廓。

元件中的至少一个可以被构造成增大叶片承载结构的升力。根据该实施方式，叶片承载结构的空气动力学特性以作用在叶片承载结构上的升力增大的方式得到改进。这将允许叶片承载结构增大整个转子的升力，从而允许风力涡轮机叶片和叶片承载结构的组合从风中提取更多的能量。

上述升力增大元件中的一些，例如格尼襟翼、海壳、涡流发生器和失速龙头，也可以通过增大升力来影响叶片承载结构上的阻力。然而，阻力的增大小于升力的增大，并且与升力的增大相比甚至可以忽略不计，并且上述元件的总体效果由此产生升力的增大。此外，格尼襟翼、海壳、涡流发生器和失速龙头可以以这样的方式优化，即它们仅在特定迎角间隔内增大叶片承载结构的升力系数，而在这些特定区间之外，元件将不产生升力或仅产生微小的升力。因此，当不希望高升力时，这些元件在高风速下不会产生额外的升力，并且可能对风力涡轮机具有有害的影响。

格尼襟翼可以以这样的方式设计和定位在叶片承载结构臂上，即它们对于给定的迎角增大空气循环，从而在低风速下产生升力。格尼襟翼可以具有不同的长度，并且可以沿着臂和围绕臂分布，使得每个襟翼经历不同的迎角，从而单独地有助于升力系数。格尼襟翼通常从叶片承载结构臂的后缘或后缘附近的位置突出。更准确地说，格尼襟翼可以从叶片承载结构臂突出，其中格尼襟翼接近高风速的停滞压力。在臂具有圆柱形横截面的情况下，臂的后缘是臂的不面向风的部分。

涡流发生器，如格尼襟翼，可以增大给定迎角的风力循环，从而在低风速下产生升力。此外，涡流发生器还可用于降低来自叶片承载结构的噪声发射，因为构造在边界层中的涡流被分成更小的涡流，空气可更容易地吸收该更小的涡流。此外，这将总噪声的频谱朝向在较高频率下具有更多能量改变，这在距风力涡轮机的一定距离上耗散得更快。

失速龙头，如格尼襟翼，可以沿着叶片承载结构臂被布置在仔细选择的位置上，以修改臂的空气动力学特性并增大臂的升力系数。如果所述臂是机翼的形式，那么可以布置失速龙头的位置是在经受正迎角的臂的侧面上或者在臂的前缘上。失速龙头在选定位置处开启流动分离，尤其是当臂进入失速时。

当空气循环穿过形成在叶片承载结构中的孔时，可以产生进入/离开孔的气流。一些孔可以被构造成抽吸沿着叶片承载结构循环的空气。替代地或附加地，孔可以被构造成吹送沿着臂循环的空气。在这种情况下，孔可以连接到可操作的空气源。通过使用形成在叶片承载结构中的抽吸孔和/或吹送孔，能够产生作用于叶片承载结构上的额外升力。此外，进入/离开孔的气流可以降低由叶片承载结构产生的噪声，并且其可以导致由叶片承载结构产生的载荷的降低。

如上所述，海壳可由彼此抵靠定位的两个弯曲轮廓形成。弯曲部可以彼此结合并且也结合到叶片承载结构。这两个弯曲轮廓可以被优化以用于在如上所述的特定迎角间隔中增大升力。海壳可以由塑料或其它材料形成。将塑料轮廓结合到叶片承载结构的表面使得海壳是可以持续长时间段的极坚固的解决方案。

鲸鱼曲线可以通过例如结合到叶片承载结构而增加。它们具有与鲸鱼必须帮助它们在水中游泳的形状相似的形状。鲸鱼曲线引导流动穿过流体，并且在风力涡轮机的情况下是围绕叶片承载结构，从而产生作用在叶片承载结构的布置有鲸鱼曲线的部分上的升力。

叶片承载结构可以包括孔，空气可以流动穿过所述孔，从而根据孔在叶片承载结构上的位置产生离开孔的气流或进入孔中的气流。当叶片承载结构旋转时，沿着其表面产生空气边界层，从而产生湍流。通过借助于孔在叶片承载结构的表面中或远离叶片承载结构的表面抽吸和/或吹送空气，空气的边界层被连续地移除，从而减小作用在叶片承载结构上的阻力。此外，产生的气流可以减小施加在叶片承载结构上的噪音和载荷。

如上所述，模仿鲨鱼皮的鲨鱼皮元件因此被构造成减小叶片承载结构的阻力系数。它们包括也称为真皮小齿的微小鳞片，微小鳞片的形状类似于小肋条并且在风力流的方向上对齐。鲨鱼皮的垫可以附接到叶片承载结构，从而减小施加到叶片承载结构的阻力。

替代地或附加地，元件中的至少一个可以是涡流产生元件。例如，被布置在叶片承载结构上的涡流产生元件中的至少一个可以是涡流发生器、失速龙头、格尼襟翼、“海壳”、气流吹送装置、边界层抽吸装置或类似装置的形式。气流吹送装置和边界层抽吸装置可以是沿着叶片承载结构形成在不同位置处的孔的形式。所有提到的涡流产生元件的示例可以被设计成控制沿着叶片承载结构的湍流分离流，尤其是在低速时，从而改进叶片承载结构的空气动力学特性。

元件中的至少一个可被构造成沿着叶片承载结构的表面引导流动。例如，被布置在叶片承载结构上引导沿着其流动的元件中的至少一个可以是“鲸鱼曲线”、流出/进入孔的气流、边界层抽吸装置或类似物的形式。所有这些元件如何引导流动的方式已经在上面描述，因此在此不作详细描述。

元件中的至少一个可以是扰流器。在本上下文中，术语“扰流器”应被解释为表示从叶片承载结构沿着具有平行于经过叶片承载结构的风力流的分量但也具有垂直于风力流的分量的方向延伸的元件，即该方向不平行于风力流。由此，扰流器引导沿叶片承载结构的流动，从而增大升力，特别是在小迎角下。此外，在大迎角下，即扰流器定位成接近停滞点的情况下，扰流器可导致低阻力，从而改变停滞压力，导致阻力减小。

元件中的至少一个可以被胶合到叶片承载结构的表面上。上述类型的元件中的大多数，即格尼襟翼、失速龙头、涡流发生器、鲸鱼曲线、海壳和机翼，可以被胶合到叶片承载结构上。此外，用于机翼的狭条或狭槽可例如利用连接栅格胶合到例如轮毂臂的前缘上，和/或一个或多个延伸襟翼可胶合到例如轮毂臂的后缘上。胶合是附接元件的简单方式，尤其是在已经存在的风力涡轮机上，即，不需要制造具有附接的元件的新的叶片承载结构。此外，叶片承载结构可以以简单的方式制造，而不考虑改进空气动力学特性的元件，并且这些元件可以在之后容易地附接。这显著地简化了制造过程。

在本发明的一个实施方式中，至少一个元件可以是主动受控装置。根据该实施方式，只要合适，元件就可以被启动，从而改进叶片承载结构的空气动力学特性，但是当不合适时，元件可以保持在停用状态，从而不改进叶片承载结构的空气动力学特性。因此，能够主动地控制是否应当改进叶片承载结构的空气动力学特性。

诸如格尼襟翼、涡流发生器、失速龙头、叶片承载结构中的孔等元件可由风力涡轮机的控制单元主动地控制。例如，可以以这样的方式控制所述孔，即，它们响应于风力涡轮机的风力状况和/或旋转速度而打开/关闭，或者可以主动地开启或关闭吹送装置。失速龙头可以响应于风力涡轮机的风力状况和/或旋转速度而在叶片承载结构内部被主动地拉出或重新拉出。格尼襟翼和涡流发生器可以例如根据风力涡轮机的操作状况而重新定位或旋转。通过主动地控制这些元件，可以放松对它们的设计的要求，因为将仅需要设计这些元件以改进低风速下风力涡轮机叶片承载结构的空气动力学特性。

在本发明的又一实施方式中，至少一个元件可以是被动装置。根据该实施方式，元件是固定的，即，它们不响应于各种状况而主动地改变，如以上描述的主动受控元件的情况。使被动装置降低了对控制这些元件的要求，从而降低了维护要求。被动装置的示例包括但不限于格尼襟翼、涡流发生器和固定失速龙头。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明，其中

图1是根据本发明的实施方式的风力涡轮机的侧视图，

图2是根据本发明的另一实施方式的风力涡轮机的侧视图，

图3示出了根据本发明的第一实施方式的具有设置有元件的叶片承载结构臂的风力涡轮机的一部分，

图4示出了根据本发明的第二实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构臂，

图5a和图5b示出了根据本发明的第三实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构臂，

图6是示出了作为图5a和图5b所示的叶片承载结构臂的迎角的函数的升力系数的曲线图，

图7示出了根据本发明的第四实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构臂和内部叶片部分，

图8a和图8b示出了根据本发明的第五实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构臂，

图9a和图9b示出了根据本发明的第六实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构臂，

图10a至图10c示出了根据本发明的第七实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构臂，

图11示出了根据本发明的第八实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构臂，以及

图12是示出了作为根据本发明的实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构的迎角的函数的升力系数和阻力系数的曲线图。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施方式的风力涡轮机1的侧视图。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4可旋转地安装在机舱3上，轮毂4包括叶片承载结构5。叶片承载结构5包括三个臂(其中两个是可见的)。风力涡轮机叶片6经由铰链7连接到叶片承载结构5的臂中的每一个。因此，风力涡轮机叶片6与轮毂4一起相对于机舱3旋转，并且风力涡轮机叶片6可以经由铰链7相对于叶片承载结构5进行枢转运动。风力涡轮机叶片6相对于叶片承载结构5在最小枢转角和最大枢转角之间进行枢转运动。图1示出了风力涡轮机叶片6，该风力涡轮机叶片与叶片承载结构5限定了最小枢转角，并由此限定了最大转子直径。

每个风力涡轮机叶片6限定了在内梢端6a和外梢端6b之间的空气动力学轮廓，并且铰链7在风力涡轮机叶片6上被布置成与内梢端6a相距非零距离并且与外梢端6b相距非零距离。由此，风力涡轮机叶片6在不是风力涡轮机叶片6的端部(6a或6b)的位置处铰接到叶片承载结构5。当风力涡轮机叶片6与叶片承载结构臂5形成最小枢转角时，在风力涡轮机叶片6与叶片承载结构5之间形成重叠区域10。

叶片承载结构5设置有被构造成改进叶片承载结构5的表面的空气动力学特性的元件8。元件8沿臂5的径向方向且沿臂5的整个长度分布在臂5上。另外，元件8也可沿臂5的周向方向分布。

叶片承载结构5占据转子的扫掠区域的一部分，如果能够改进叶片承载结构的空气动力学特性，则可以利用转子的扫掠区域的一部分。将元件8放置在叶片承载结构5上的仔细选择的位置处导致施加在叶片承载结构5上的降低的阻力和/或增大的升力，尤其是在低风速下。通过降低叶片承载结构5的阻力和/或增大其升力，在其上具有元件8的叶片承载结构5有助于风力涡轮机1的能量转换。从而由叶片承载结构5占据的扫掠区域的部分也用于能量生产，即，该扫掠区域的部分被“启动”，从而在更大程度上利用总扫掠区域。

图2是根据本发明的另一实施方式的风力涡轮机1的侧视图。图2类似于图1，因此在此将不对其进行详细描述。

在图2的实施方式中，元件8被布置在叶片承载结构5上位于重叠区域10之外。即，叶片承载结构5的一部分与限定重叠区域10的内部叶片部分9相结合，有助于风力涡轮机1的转换效率，因为叶片承载结构5的部分和风力涡轮机叶片6的相邻部分可以一起工作，从而由于流动被内部叶片部分9和与内部叶片部分9相邻的叶片承载结构5引导而提高升力。因此，不需要将元件8放置在重叠区域10中。被布置在叶片承载结构5上位于重叠区域10之外的元件8有助于叶片承载结构5的空气动力学特性。这在风力涡轮机1的启动期间特别重要，因为这将允许风力涡轮机1更快地加速并且在启动后立即开始发电。

另一方面，当风力涡轮机叶片6被布置在限定较大枢转角的位置处时，这可能是在较高风速的情况下，风力涡轮机叶片6定位在距叶片承载结构5较大距离处。在这种情况下，扫掠区域的与叶片承载结构5的重叠区域10相对应的部分对升力系数没有贡献，因为在该区域10中没有布置元件8，并且因为风力涡轮机叶片6的空气动力学轮廓也没有被布置在该区域10中。这是期望的，因为在这种情况下，高升力可能是不期望的，并且当转子已经以高旋转速度旋转时高升力可能对高风速下的风力涡轮机具有不利影响，并且高升力不需要进一步增大。因此，将元件8定位在重叠区域10之外提供了一种结构，其中叶片承载结构5的空气动力学特性在低风速下得到改进，但在高风速下没有得到改进。

图3示出了根据本发明的第一实施方式的风力涡轮机1的一部分。风力涡轮机1包括叶片承载结构5，该叶片承载结构具有三个锥形-圆柱形臂，该臂为风力涡轮机叶片6提供所需的支撑，每个臂都设置有涡流发生器8形式的元件8，该元件对于给定的迎角增大风力循环，从而在低风速下产生升力。仅可看到臂中的一个的涡流发生器8。涡流发生器8被放置在叶片承载结构臂5的最靠近轮毂4的部分处，并且远离重叠区域10，从而改进臂5的最宽部分的空气动力学特性，否则该最宽部分不用作风力涡轮机1的扫掠区域。涡流发生器8可以设计成控制沿着叶片承载结构5的湍流分离流，尤其是在低风速下，从而改进叶片承载结构5的空气动力学特性。

图4示出了根据本发明的第二实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构臂5。叶片承载结构臂5设置有呈格尼襟翼8形式的元件8。格尼襟翼8可以以这样的方式设计和定位在叶片承载结构臂5上，即对于给定的迎角，该格尼襟翼增大空气循环，从而在低风速下产生升力。格尼襟翼8具有高度直径比，该高度直径比以百分比(％)的形式定义为格尼襟翼8的高度h与臂5的直径D之间的比率。高度直径比可以在1％到15％的范围内，并且其取决于格尼襟翼沿着叶片承载结构5的精确位置。格尼襟翼8也可以设计成用作涡流产生元件。

图5a和图5b示出了根据本发明的第三实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构臂5。叶片承载结构臂5设置有呈五个格尼襟翼形式的元件8，所述五个格尼襟翼沿着臂5并围绕臂周向地分布，使得每个格尼襟翼8经受不同的迎角，从而单独地对升力系数有贡献。图5a示出了臂5的横截面图，示出了格尼襟翼8如何以不同的附接角围绕臂5的圆周分布。格尼襟翼8在它们的高度直径比(h/D)和它们的长度上彼此不同，即R5具有6％h/D，R10具有5％h/D，R20具有4％h/D，R30具有3％h/D，以及R40具有2％h/D。

图5b示出了臂5的侧视图，其中示出了不同格尼襟翼8之间的长度差。图5b还示出了R5放置成最靠近轮毂，例如距离轮毂5m，而R40放置成离轮毂最远，例如距离轮毂40m距离处。每个格尼襟翼R5至R40在它们围绕臂5放置在不同位置时经受不同的迎角，从而不同地经受来风，并从而单独地对升力系数有贡献。对于每个格尼襟翼R5至R40，作为迎角的函数的升力系数相关性在图6中示出。

图6是示出升力系数C_L作为图5所示叶片承载结构的迎角AOA的函数的曲线图。该曲线图示出每个格尼襟翼R5至R40的五条单独曲线。每个格尼襟翼R5至R40根据其所暴露于的迎角AOA对叶片承载结构的升力系数C_L的贡献不同。格尼襟翼R5至R40所经历的迎角AOA随着转子的旋转速度改变而改变。当风速改变时，转子的旋转速度改变。因此，格尼襟翼R5至R40所经历的迎角随着风速而改变。格尼襟翼R5至R40以这样的方式设计和定位，即它们在低风速下急剧增大升力系数C_L，而在高风速下它们对升力系数C_L的影响较小。这在表格1中解释。例如，在2-22m/s的低风速下，格尼襟翼R5定位在叶片承载结构上，以便经受迎角在45°至56°范围内的情况下的风，从而最大程度地增大叶片承载结构的升力系数，如在图6的曲线图的R5曲线上可见。随着风速增大，格尼襟翼R5将经历更高的迎角，因此叶片承载结构的升力系数C_L更低。从表格1可以看出，在低风速下，所有格尼襟翼R5至R40都经受导致最大升力系数的迎角，而在高风速下则相反。

表格1

图7示出了根据本发明的第四实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构臂5和内部叶片部分9的横截面图。叶片承载结构臂5包括元件8a和8b，这些元件与叶片承载结构5一起形成机翼。元件8a是机翼的前缘部分的形式，元件8b是机翼的后缘部分的形式。如图7所示，通过将前缘部分8a和后缘部分8b安装在具有圆形横截面的叶片承载结构5上，叶片承载结构的升力增大，同时阻力减小。机翼部分8a、8b可螺栓连接或胶合到臂5。

机翼元件8a、8b在臂5与风力涡轮机叶片的内部叶片部分9之间的重叠区域中附接到臂5。在图7中，内部叶片部分9被示出为处于限定最小枢转角的位置，从而将内部叶片部分9被布置成接近机翼元件8a、8b。这允许内部叶片部分9和机翼元件8a、8b配合，以便增大叶片承载结构的升力，特别是在低风速下，并且由此增大小的迎角。这改进了内部叶片部分9的性能，并且防止了在较大迎角范围内的失速。

在图7中，还示出了由于轮毂的旋转V_Rot而产生的来风的方向V_Wind，以及一方面空气与另一方面内部叶片部分9和臂5之间的相对运动的方向。相对于内部叶片部分9和臂5，限定了迎角的所产生的来风的方向是这两者的矢量和。

图8a和图8b示出了根据本发明的第五实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构臂5。叶片承载结构臂5设置有由两个弯曲轮廓8c和8d形成的元件8，这两个轮廓彼此抵靠定位以形成壳状结构。该元件在下文中被称为“海壳”。弯曲轮廓8c和8d彼此结合并且还结合到叶片承载结构5。这两个弯曲轮廓8c和8d可以被优化用于在特定迎角间隔下的增大的升力。替代地或附加地，海壳8可设计成用作涡流产生元件，从而控制沿着叶片承载结构5的分离的湍流。海壳8可由塑料或其它材料形成。将塑料轮廓8c和8d结合到叶片承载结构5的表面使得海壳8成为可以持续长时间段的非常坚固的解决方案。图8a示出了具有海壳8的叶片承载结构5的横截面图，并且图8b示出了具有海壳8的叶片承载结构5的立体图。

图9a和图9b示出了根据本发明的第六实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构臂5。叶片承载结构臂5设置有模仿鲸鱼状曲线的波纹图案形式的元件8。这种类型的元件8在下文中被称为“鲸鱼曲线”。图9a示出了通过例如结合而添加到叶片承载结构5的鲸鱼曲线8。它们具有与鲸鱼必须帮助它们在水中游泳的形状相似的形状。鲸鱼曲线8围绕叶片承载结构5引导气流，从而产生升力，该升力作用在叶片承载结构5的鲸鱼曲线8被布置在该处的部分上。图9b示出了叶片承载结构5的横截面图，其中鲸鱼曲线8被布置在叶片承载结构上。

图10a至图10c示出了根据本发明的第七实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构臂5。根据该实施方式，叶片承载结构臂5设置有模仿鲨鱼皮的元件8，其自然地产生以减小水流中的阻力，从而导致鲨鱼在水中的有效率的运动。这种类型的元件8在下文中被称为“鲨鱼皮”。鲨鱼皮元件8被构造成减小叶片承载结构5的阻力系数。图10a示出了放置到叶片承载结构5的表面上的鲨鱼皮元件8的垫，从而减小了施加到叶片承载结构5的阻力。鲨鱼皮8可以胶合到叶片承载结构5，使得能够以简单的方式制造没有鲨鱼皮8(或任何其它元件8)的叶片承载结构5，从而显著地简化了制造过程。

图10b示出了鲨鱼皮元件8的垫，该垫可以沿着方向AA布置到叶片承载结构5上。

图10c示出了鲨鱼皮8的横截面图。鲨鱼皮8包括也称为真皮小齿的微小鳞片12，该微小鳞片的形状类似于小肋条并且在方向符号13所示的风力流的方向上对齐。

图11示出了根据本发明的第八实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构臂5。根据该实施方式，叶片承载结构臂5设置有涡流发生器8e和扰流器8f。涡流发生器8e被布置在臂5的一部分上，该部分可以被认为是靠近“前缘”并且在“抽吸侧”。扰流器8f被布置在叶片承载结构臂5的一部分上，该部分可以被认为是在“后缘”附近并且在“压力侧”。扰流器8f从叶片承载结构臂5的表面沿着既不垂直于表面也不平行于表面的方向延伸。从插入件可以看出，扰流器8f可以沿着线性方向延伸，或者可以沿着弯曲方向延伸。

当受到气流时，涡流发生器8e产生涡流，该涡流趋向于保持气流朝向叶片承载结构臂5的表面。当受到气流时，扰流器8f在由扰流器8f从叶片承载结构臂5延伸所沿的方向限定的方向上引导空气。

在图11中，还示出了由于轮毂的旋转V_Rot而产生的来风的方向V_Wind，以及空气与臂5之间的相对运动的方向。还示出了由这两个方向得到的并限定迎角(AOA)的来风V_Res相对于臂5的合成方向。

在低风速下，迎角小，并且所产生的风向V_Res接近V_Rot。由此，来风到达涡流发生器8e以及扰流器8f，并且这两者将配合以增大臂5的升力。

在高风速下，迎角大，并且所产生的风向V_Res接近V_Wind。由此，来风到达扰流器8f，但不到达涡流发生器8e。与来风也到达涡流发生器8e的情况下的迎角相比，这导致升力减小以及阻力减小。特别地，在非常高的风速下，其中风力涡轮机被关闭以便保护风力涡轮机，与低迎角下的特性相比，阻力更低，从而提供对风力涡轮机的改进的保护。

图12是示出了作为根据本发明的实施方式的风力涡轮机的叶片承载结构的迎角的函数的升力系数14和阻力系数15的曲线图。叶片承载结构可以是例如图11中所示的叶片承载结构。

可以看出，小迎角下的升力系数14明显比大迎角下的高，并且最大升力系数被限定在指定为“最大升力范围”的迎角间隔内。还可看出，升力系数14随着迎角接近90°而急剧减小。因此，在低风速下，在希望从风中提取尽可能多的能量从而导致小的迎角的情况下，升力系数14大，从而显著地改进叶片承载结构从风中提取能量的能力。另一方面，在高风速下，在风力涡轮机叶片已经从风中提取了足够的能量，从而导致大的迎角的情况下，升力系数14小，从而仅提供来自叶片承载结构的能量生产贡献的小的增大。

还可以看出，在小迎角下的阻力系数15也比在大迎角下的高。阻力系数15在标示为“最大升力范围”的迎角间隔内基本上恒定。在标示为“最小阻力范围”的迎角间隔内，阻力系数15朝向在大约90°的迎角下的最小阻力系数减小。因此，在低风速下，导致小的迎角，引入了阻力。然而，这远远超过了上述增大的升力。在高风速下，导致大的迎角，阻力低。这在非常高的风速下是特别有利的，在非常高的风速下风力涡轮机被关闭以便保护风力涡轮机。在这种情况下，低阻力为风力涡轮机，特别是为叶片承载结构提供了额外的保护。

Claims (13)

1.一种风力涡轮机（1），所述风力涡轮机包括：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（4），所述轮毂（4）包括叶片承载结构（5）；以及经由铰链（7）连接到所述叶片承载结构（5）的一个或多个风力涡轮机叶片（6），每个风力涡轮机叶片（6）由此被布置成相对于所述叶片承载结构（5）在最小枢转角和最大枢转角之间进行枢转运动，

其中，每个所述风力涡轮机叶片（6）均不围绕相应风力涡轮机叶片的纵向轴线旋转，

其中，所述叶片承载结构（5）设置有一个或多个元件（8），所述一个或多个元件被构造成通过增大所述叶片承载结构（5）的升力和/或减小所述叶片承载结构（5）的阻力来改进所述叶片承载结构（5）的表面的空气动力学特性，并且

其中，所述升力的增大和/或阻力的减小作为所述叶片承载结构（5）与来风之间的迎角（AOA）的函数而变化。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机（1），其中，所述升力的增大作为迎角（AOA）的函数以这样的方式变化，即所述升力随着所述迎角（AOA）的增大而减小。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机（1），其中，所述阻力的减小作为迎角（AOA）的函数以这样的方式变化，即所述阻力随着所述迎角（AOA）的增大而减小。

4.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机（1），其中，所述叶片承载结构（5）包括一个或多个臂（5），每个风力涡轮机叶片（6）安装在所述臂（5）中的一个上，并且其中，所述元件（8）中的一个或多个被布置在所述臂（5）上。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机（1），其中，所述元件（8）中的一个或多个沿所述臂（5）的径向方向和/或沿所述臂（5）的圆周分布在所述臂（5）上。

6.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（6）中的每一个限定内梢端（6a）和外梢端（6b）之间的空气动力学轮廓，并且其中，所述铰链（7）在所述风力涡轮机叶片（6）上被布置成与所述内梢端（6a）相距非零距离并且与所述外梢端（6b）相距非零距离。

7.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机（1），其中，当所述风力涡轮机叶片（6）处于限定最小枢转角的位置时，所述风力涡轮机叶片（6）的一部分被布置成邻近所述叶片承载结构（5）的一部分，从而在所述风力涡轮机叶片（6）和所述叶片承载结构（5）之间形成重叠区域（10），并且其中，所述元件（8）被布置在所述叶片承载结构（5）上，位于所述重叠区域（10）之外。

8.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机（1），其中，所述元件（8）中的至少一个是涡流产生元件。

9.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机（1），其中，所述元件（8）中的至少一个被构造成沿着所述叶片承载结构（5）的所述表面引导流动。

10.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机（1），其中，所述元件（8）中的至少一个是扰流器。

11.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机（1），其中，所述元件（8）中的至少一个被胶合到所述叶片承载结构（5）的所述表面上。

12.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机（1），其中，至少一个元件（8）是主动受控装置。

13.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机（1），其中，至少一个元件（8）是被动装置。