CN114945745A - 带有倾斜轴线和/或锥形转子的铰接叶片风力涡轮机 - Google Patents

带有倾斜轴线和/或锥形转子的铰接叶片风力涡轮机 Download PDF

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Abstract

一种风力涡轮机，其包括塔架、安装在塔架上的机舱、可旋转地安装在机舱上的轮毂、连接到轮毂的叶片承载结构、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，由此每个风力涡轮机叶片被布置为相对于叶片承载结构在最小枢转角和最大枢转角之间执行枢转移动，每个风力涡轮机叶片在外部末端和内部末端之间延伸，其中，每个风力涡轮机叶片具有在铰链和外部末端之间延伸并具有第一长度(L1)的外部部分，以及在铰链和内部末端之间延伸并具有第二长度(L2)的内部部分，其中叶片承载结构的锥角大于零和/或转子轴线的倾斜角大于零，并且其中从塔架在由铰链在塔架通道处的位置限定的竖直位置到叶片承载结构和轮毂之间的连接点的水平距离(L0)等于或小于第二长度(L2)。

Description

带有倾斜轴线和/或锥形转子的铰接叶片风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机，其包括塔架、机舱和包括叶片承载结构的轮毂，以及这种风力涡轮机的用途。一个或多个风力涡轮机叶片各自经由铰链枢转地连接到叶片承载结构。本发明的风力涡轮机还包括倾斜的转子轴线和/或锥形叶片承载结构。
背景技术
通常控制风力涡轮机以提供期望的功率输出以及控制风力涡轮机上的负载。对于水平轴风力涡轮机，即具有围绕基本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桨距角来获得。在这种情况下，通过围绕纵向轴线旋转风力涡轮机叶片来调整风力涡轮机叶片相对于来风的攻角。
如上所述的传统桨距控制需要基于传感器的控制器以及机械零件(例如呈变桨轴承和驱动单元的形式)。这种控制器和机械零件需要维护。在风力涡轮机位于偏远位置的情况下，这可能是困难的。在这种情况下，失效或故障可能会导致大面积停机，例如由于维护人员交通时间长或备件交货时间长。因此，期望提供一种能够以简单方式进行控制的风力涡轮机，并且其中与传统的桨距控制风力涡轮机相比维护要求降低。
US 4,632,637公开了一种高速、顺风水平轴风力涡轮机，其具有三个周向间隔开的轻质叶片，该叶片具有内支撑臂、径向向外设置的叶片段，径向向外设置的叶片段枢转地连接到支撑臂，以便在强风条件或高旋转速度下顺风直线折叠。
发明内容
本发明的实施例的一个目的是提供一种带有铰接风力涡轮机叶片的风力涡轮机，其中风力涡轮机叶片能够在高风速和/或高旋转速度下向内折叠，并且其中风力涡轮机处或风力涡轮机内的静态和/或动态负载降低。
根据本发明的第一方面，提供了一种风力涡轮机，其包括：
-塔架，
-安装在塔架上的机舱，
-可旋转地安装在机舱上的轮毂，
-连接到轮毂的叶片承载结构，
-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，由此每个风力涡轮机叶片被布置为相对于叶片承载结构在最小枢转角和最大枢转角之间执行枢转移动，每个风力涡轮机叶片在外部末端和内部末端之间延伸，
其中，每个风力涡轮机叶片具有：
-在铰链和外部末端之间延伸并具有第一长度(L1)的外部部分，以及
-在铰链和内部末端之间延伸并具有第二长度(L2)的内部部分，
其中叶片承载结构的锥角大于零和/或转子轴线的倾斜角大于零，
并且其中从
-塔架在由铰链在塔架通道处的位置限定的竖直位置
到
-叶片承载结构和轮毂之间的连接点
的水平距离(L0)等于或小于所述第二长度(L2)。
本发明的一个可能的优点可以是它能够降低施加在内部末端处(在相对于铰链轴线位移L2的位置处)以生成扭矩(τ＝L2×F)用于使一个或多个叶片中的每一个围绕它们各自的铰链枢转所需的力(F)的幅值(注意，诸如F,τ,L2和F的矢量用粗体表示)。虽然通常增加第二长度(L2)可能是有利的，但通常至少通过铰链和塔架在由铰链在塔架通道处的位置限定的竖直位置之间的水平距离给出对第二长度(L2)的限制。然而，通过使叶片承载结构的锥角大于零和/或使转子轴线的倾斜角大于零，铰链和塔架在由铰链在塔架通道处的位置限定的竖直位置之间的距离相对于具有零度锥角和/或倾斜角的风力涡轮机而言相对较大，这又使得第二长度(L2)可以相对较大。
具有相对较大的第二长度(L2)的另一个可能的优点是相对较大的内部区域(诸如与转子轴线同轴并且具有与一个或多个铰链相切的表面的圆柱体内部的区域)可以被内部部分扫过。这在低和/或中风速下可能特别有利，其中从风中提取尽可能多的能量是有益的。
具有相对较大的第二长度(L2)的另一个可能的优点是，可能期望将风力涡轮机叶片的质心定位在或定位成靠近穿过铰链并正交于穿过内部末端和外部末端两者的线的平面的内部部分侧，并且在相对较大的第二长度(L2)的情况下，质心的这种定位可以用较小的质量(诸如内部部分中的较小质量)来实现。
水平距离L0可以看作是塔架在铰链通过塔架的竖直(高度)位置与叶片承载结构和轮毂之间的连接点之间的距离，即两个平行的竖直平面之间的距离，其中一个平面与塔架在铰链于塔架通过期间掠过的水平平面中相交或相切，而另一个平面与叶片承载结构和轮毂之间的连接点相交。
本发明的风力涡轮机包括塔架(诸如竖直塔架，诸如轴线与竖直轴线平行的塔架)，塔架上安装有机舱。塔架可以是管状的(诸如包括管状元件，诸如由单个管状元件组成)。塔架可以至少在铰链在塔架通道处的位置限定的竖直位置处具有圆形对称(诸如圆形)横截面(在水平平面中)。
机舱可以是具有包围机舱的内部的外壁的传统机舱，机舱容纳风力涡轮机的各种部件(诸如发电机、传动系等)。作为替代方案，机舱可以简单地是一种结构，诸如能够相对于塔架执行偏航移动的结构，其中上述部件中的一些或所有可以布置在该(机舱)结构外部，例如布置在塔架的内部。
轮毂可旋转地安装在机舱上。该轮毂包括叶片承载结构，该叶片承载结构具有连接到其上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限定了具有弦的空气动力学轮廓，该弦沿着风力涡轮机叶片的长度在内部末端和外部末端之间变化。空气动力学轮廓可以具有吸力侧和压力侧，吸力侧和压力侧两者都在空气动力学轮廓的前缘和后缘之间延伸。前缘和后缘各自在内部末端和外部末端之间延伸。因此，前缘以及后缘沿着风力涡轮机叶片的整个长度延伸。
在本上下文中，术语“内部末端”应被解释为表示风力涡轮机叶片布置得离轮毂最近的端点。类似地，在本上下文中，术语“外部末端”应被解释为表示风力涡轮机叶片布置得离轮毂最远的端点。应注意，“离轮毂最近”和“离轮毂最远”是指在风力涡轮机的正常操作期间出现的枢转角区间内的末端的位置。因此，每个风力涡轮机叶片在风力涡轮机叶片的内部末端和外部末端之间沿着纵向方向延伸。在本上下文中，术语“纵向方向”应解释为表示风力涡轮机叶片比在任何其他方向上更长的方向，其中涵盖了叶片可能会或可能不会在内部末端和外部末端之间形成直线的情况。因此，内部末端和外部末端形成风力涡轮机叶片在该纵向方向上的端点。
风力涡轮机叶片可以具有：具有例如10-20m内、诸如14.5m的第二长度(L2)的内部部分；具有例如50-100m内、诸如73.5m的第一长度(L1)的外部部分；以及25-75m内、诸如51m的沿着穿过叶片承载结构和轮毂之间的连接点的直线从铰链到转子轴线的距离(L3)。在特定实施例中，风力涡轮机设置有L1＝73.5m、L2＝14.5m、L3＝51m，此外在该特定实施例中，叶片承载结构的锥角为12.5°和/或转子轴线的倾斜角为3.5°。在另一特定实施例中，风力涡轮机设置有L2＝15.7m、L1＝72m，L3＝53.7m，13.5°的叶片承载结构的锥角，以及3.5°的转子轴线的倾斜角。在一个实施例中，叶片承载结构的锥角为3°和/或转子轴线的倾斜角为6°。为了避免叶片的内部或外部末端和塔架之间碰撞，使叶片承载结构的锥角和转子轴线的倾斜角之和为至少10°、诸如至少15°、诸如至少19°可能是有利的。
风力涡轮机叶片中的每一个经由风力涡轮机叶片的铰链位置处的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为经由铰链相对于叶片承载结构执行枢转移动。枢转移动优选地围绕枢转轴线发生，该枢转轴线布置为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移动期间，内部末端和外部末端是风力涡轮机叶片在铰链位置任一侧的移动最长距离的部分，并且风力涡轮机叶片的纵向方向是枢转的。
因此，取决于铰链的位置以及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枢转角。因此，枢转角限定了给定风力涡轮机叶片沿着其相对于叶片承载结构并由此相对于轮毂延伸的方向。这又确定了转子的直径，从而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(例如呈轴颈轴承、滚子轴承或任何其他合适类型的轴承的形式)。每个风力涡轮机叶片的铰链位置可以在限定最大弦的位置处和/或在限定风力涡轮机叶片的最大厚度的位置处和/或在限定最大厚度弦长比的位置处。风力涡轮机叶片中的每一个的铰链可嵌入风力涡轮机叶片中，或者铰链可以附接到风力涡轮机叶片的外表面。
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。
铰链位置布置在风力涡轮机叶片上距内部末端对应于第二长度(L2)的距离、距外部末端对应于第一长度(L1)的距离的位置处。因此，风力涡轮机叶片在不是风力涡轮机叶片的端部的位置处铰接到叶片承载结构，这与风力涡轮机叶片在风力涡轮机叶片的根端附接到轮毂的常规桨距控制风力涡轮机相反。
“叶片承载结构的锥角”被理解为转子平面与铰链和叶片承载结构与轮毂之间的连接点之间的线之间的角度(其中该角度被理解为最小角度，即角度值始终小于90°)。应理解，大于零的锥角意味着铰链在远离塔架的方向上相对于转子平面间隔开。
“叶片承载结构与轮毂之间的连接点”可以理解为叶片承载结构与轮毂之间的内部连接点，诸如在沿着转子轴线的方向上离塔架轴线最近的连接点和/或沿着转子轴线在轮毂和叶片承载结构在结构上分成与风力涡轮机叶片的数量相对应的数量的分支的位置处的点。
对于转子的任意部分，“转子平面”被理解为该部分在其中旋转的平面，并且所述平面被定义为使其法线向量平行于转子轴线。
“转子轴线的倾斜角”被理解为转子轴线与水平平面之间的角。可以理解，转子轴线与主轴的轴线(诸如主轴的穿过转子中心的轴线)重合。应理解，大于零的倾斜角意味着转子轴线在远离塔架轴线和/或机舱并朝向轮毂的方向上指向上方(诸如对于顺风风力涡轮机，竖直位置沿着转子轴线在风向上向上增加，对于逆风风力涡轮机，竖直位置沿着转子轴线逆着风向向上增加)。
水平距离(L0)被理解为诸如在塔架的任意部分和连接点之间的最小水平距离。水平距离是从塔架的任意部分(诸如塔架壁的外表面)测量的。
距离被理解为在零风的静止期间测量。水平距离(L0)、第一长度(L1)、第二长度(L2)和第三长度(L3)中的任何一个均大于零。
在实施例中，倾斜角在区间[0.1°；20.0°]内，诸如[1.0°；15.0°]，诸如[2.0°；10.0°]，诸如[2.5°；5.0°]，诸如[3.0°；4.0°]，诸如3.5°。具有大于零的倾斜角(诸如在所述区间内)的优点可以在于它能够使铰链远离塔架轴线移动。另一个可能的优点可以是倾斜导致扫掠面积的减小为零或很少。另一个可能的优点可以是例如由于机舱、轮毂和转子的质心不会随着转子轴线倾斜而远离塔架轴线移动，大于零的倾斜不会增加轴承(诸如用于机舱、轮毂和转子的轴承)处围绕正交于转子轴线并与转子轴线相交的水平轴线的扭矩或力矩。
在实施例中，锥角在区间[0.1°；45.0°]内，诸如[1.0°；40.0°]，诸如[2.5°；30.0°]，诸如[5.0°；20.0°]，诸如[7.5°；25.0°]，诸如[10.0°；20.0°]，诸如[10.0°；15.0°]，诸如12.5°。具有大于零的锥角(诸如在所述区间内的锥角)的优点可以在于它能够使铰链远离塔架轴线移动。
风力涡轮机叶片中的每一个可以具有定位在穿过铰链且正交于穿过内部末端和外部末端两者的线的平面的内部部分侧的风力涡轮机叶片质心，诸如在铰链位置和风力涡轮机叶片的内部末端之间和/或在距所述平面等于或小于第四长度L4的20％、诸如等于或小于第四长度L4的10％、诸如等于或小于第四长度L4的5％、诸如等于或小于第四长度L4的2％、诸如等于或小于第四长度L4的1％的距离内，所述第四长度L4由从内部末端到外部末端的总距离给出。根据该实施例，转子的直径随着轮毂的旋转速度的增加而自动减小。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如下方式枢转：转子的直径随着风速的增加而减小。在一个实施例中，离心力和空气动力协同作用以随着风速的增加而减小转子直径，即它们不会相互抵消。
在实施例中，风力涡轮机还包括偏置机构，该偏置机构被布置为向一个或多个风力涡轮机叶片施加偏置力，该偏置力使所述一个或多个风力涡轮机叶片朝向最大枢转角和/或最小枢转角偏置。该偏置力可以是施加在风力涡轮机叶片上的拉力和/或推力。
偏置力可以例如借助于附接到风力涡轮机叶片的内部部分的金属线来施加，该金属线拉动风力涡轮机叶片，诸如将风力涡轮机叶片朝向最大枢转角拉动。
作为替代方案，偏置力可以借助于作用在风力涡轮机叶片上的一个或多个弹簧来施加，所述弹簧例如是被布置为将风力涡轮机叶片朝向例如最大枢转角拉动或推动的可压缩弹簧。
作为另一替代方案，偏置力可以呈力矩的形式。在这种情况下，偏置力可以借助于布置在铰链中的扭簧来施加，该扭簧将风力涡轮机叶片朝向例如最大枢转角拉动或推动。
作为另一替代方案，偏置力可以借助于液压机构施加，该液压机构连接到风力涡轮机叶片并且被布置为将风力涡轮机叶片朝向例如最大枢转角拉动或推动。
偏置机构可以借助于合适的连接接口(例如，包括钩子、孔眼或类似物)附接到风力涡轮机叶片。
应注意，偏置机构可以被布置为仅将一个或多个风力涡轮机叶片朝向最大枢转角偏置(诸如经由拉动或推动)，或者仅将一个或多个风力涡轮机叶片朝向最小枢转角偏置(诸如经由拉动或推动)，或被布置为用于两者(视情况而定)，被布置为将一个或多个风力涡轮机叶片朝向最大枢转角和最小枢转角(在不同时间点)偏置(诸如经由拉动和/或推动)。偏置的一个可能的优点可以是它使叶片能够进行(受控)枢转。在实施例中，偏置力被施加为作用在一个或多个风力涡轮机叶片中的每一个的内部部分上的力，诸如在叶片的内部部分的远侧(诸如最远侧的25％、20％、10％或5％)部分处，其中“远侧”是相对于铰链而言的(即，力施加在内部部分的与铰链相对的端部处)，其中力的方向包括相对于铰链轴线的切向分量，诸如由相对于铰链轴线的切向分量组成。
根据具有偏置机构的实施例，风力涡轮机叶片可以通过偏置机构布置在提供最小或最大转子直径的位置，特别是当没有其他力作用在风力涡轮机叶片上时。
特别地，当风速低且轮毂因此不旋转或仅以低旋转速度旋转时，没有或只有很小的离心力作用在风力涡轮机叶片上。由于偏置装置可以将风力涡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可以布置得较大。从而确保了风力涡轮机能够从风中提取尽可能多的能量。还确保了风力涡轮机叶片实际上处于它们能够捕捉风并且一旦风速增加就使轮毂旋转的位置。另一方面，当风速较高时，轮毂以较高的旋转速度旋转，因此作用在风力涡轮机叶片上的离心力较大。在某些点，空气动力和离心力可能变得足够大以至少部分地克服偏置装置的偏置力(诸如在被动偏置装置的情况下，诸如基于重力和/或弹簧力)，从而风力涡轮机叶片可以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，可以确保转子直径的这种减小以平滑和渐进的方式获得。
风力涡轮机还可以包括端部止动机构，该端部止动机构被布置为在靠近最小枢转角的区域中和/或在靠近最大枢转角的区域中减缓风力涡轮机叶片的枢转移动。该端部止动机构可以包括弹簧和/或阻尼器。风力涡轮机还可以包括被布置为例如在紧急情况下将风力涡轮机叶片移动到安全枢转角的止动机构。该安全枢转角可以至少沿着与轮毂的旋转轴线基本平行的方向布置每个风力涡轮机叶片的外端。风力涡轮机叶片的这个位置限定了最小转子直径，并且有时被称为“筒模式(barrel mode)”。在止动机构因紧急情况以外的其他原因被激活的情况下，安全枢转角可以将风力涡轮机叶片布置为相对于轮毂的旋转轴线成小角度。这个角度可以取决于风速。
一种根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述第二长度(L2)和所述第一长度(L1)之间的比率(L2/L1)在区间[0.01；0.50]内，诸如[0.5；0.40]，诸如[0.10；0.30]，诸如[0.15；0.25]，诸如0.20。一种根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述第二长度(L2)和第三长度(L3)之间的比率(L2/L3)在区间[0.01；0.90]内，诸如[0.01；0.60]，诸如[0.10；0.45]，诸如[0.20；0.40]，诸如0.28，其中，所述第三长度(L3)由沿着穿过叶片承载结构和轮毂之间的连接点的直线从铰链到转子轴线的距离给出。
通常，铰链的轴线与转子轴线之间的距离等于或大于第二长度(L2)。铰链轴线可以被布置为基本正交于(诸如正交于)转子轴线。铰链轴线可以被布置为相对于转子轴线基本相切(诸如相切)。
在实施例中，机舱经由偏航系统安装在塔架上。因此，风力涡轮机包括塔架，该塔架带有经由偏航系统安装在其上的机舱。因此，机舱可以相对于塔架围绕基本竖直的旋转轴线旋转，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，其中机舱借助于偏航驱动机构(例如基于风向的测量值)主动旋转。作为替代方案，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。
在实施例中，叶片承载结构包括一个或多个臂，每个风力涡轮机叶片安装在所述臂中的一个上。一个或多个臂架中的每一个是从轮毂延伸到风力涡轮机叶片的铰链的细长元件(诸如直的细长元件)。在每个风力涡轮机叶片都安装在臂中的一个上的情况下，叶片承载结构和轮毂之间的连接点由轮毂和臂的轴线之间的相交点给出。在实施例中，每个臂的轴线相对于正交于转子轴线的平面(诸如转子平面)形成一个角度，其中所述角度对应于锥角。
在实施例中，外部叶片部分从铰链区域沿着第一方向延伸，并且内部叶片部分从铰链区域沿着第二方向延伸，并且其中第一方向和第二方向在它们之间形成角度α，其中0°<α<90°。因此，沿着风力涡轮机叶片的长度限定弯曲部，更具体地在铰链区域中限定弯曲部。弯曲部可以精确地限定在铰链位置处，即精确地在风力涡轮机叶片铰接到叶片承载结构的位置处。替代地，弯曲部可以仅限定在铰链区域中，即在靠近铰链的位置处。角度α可以在5°至45°的范围内，诸如在10°和40°之间，诸如在15°和35°之间，诸如在20°和30°之间，诸如约为25°。角度α被理解为在从内部末端到铰链的第一矢量和从铰链到外部末端的第二矢量之间测量，诸如其中对于内部和外部部分平行的直的风力涡轮机叶片而言，角度α为零。弯曲部的一个优点可以在于它能够增加源自作用在内部部分上的离心力的围绕铰链轴线的枢转扭矩，部分是因为弯曲部可以被布置为使质量远离转子轴线移动(即，增加离心力)，部分是因为它可以被布置为最小化转子轴线和源自铰链轴线到内部部分的部分的矢量之间的角度(即，对于作用在内部部分上的给定的径向取向的离心力，最大化枢转扭矩)。
在实施例中，风力涡轮机是顺风风力涡轮机。根据这些实施例，转子背向来风，即风在已经通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器和控制系统的情况下自动引导风力涡轮机的转子朝向来风的偏航系统。这进一步减少了对易于需要维护的部件的需求。此外，在顺风风力涡轮机中，被动冷却系统可以相对于转子逆风布置，从而能够改进对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。
在实施例中，最小枢转角和最大枢转角之间的角度区间包括一个角度，在该角度，一个或多个叶片内的至少一个叶片的内部部分与塔架之间的距离是全局最小值，诸如其中所述角度区间包括可选地在所述角度的两侧的一个或多个角度值，对于所述一个或多个角度值，所述距离较大。可以理解，全局最小值被理解为在完整(2π或360°)旋转期间表现出的最小距离。换言之，在所述最小-最大区间内存在一个角度，在该角度，内部部分尽其可能地接近——对于任意角度——塔架。
根据本发明的第二方面，提供了根据第一方面的风力涡轮机用于生产电力的用途。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于控制根据第一方面的风力涡轮机的方法，所述方法包括使一个或多个叶片内的至少一个叶片枢转。
在实施例中，该方法包括将所述至少一个叶片枢转到一个枢转角，在该枢转角，一个或多个叶片内的至少一个叶片的内部部分与塔架之间的距离是全局最小值。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本发明，其中：
图1是根据本发明的实施例的风力涡轮机的正视图，
图2-4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显示了图1的风力涡轮机，其中转子处于另一个角位置，
图6显示了另一个风力涡轮机，其中转子轴线的倾斜角大于零，
图7显示了具有偏置机构的另一个风力涡轮机。
具体实施方式
图1是根据本发明的实施例的风力涡轮机1的正视图。所描绘的风力涡轮机1是顺风风力涡轮机并且包括塔架2和经由偏航系统安装在塔架2上的机舱(不可见)。A是可旋转地安装在机舱上的轮毂3，轮毂3包括具有三个臂的叶片承载结构4。三个风力涡轮机叶片5各自经由铰链在风力涡轮机叶片5的铰链区域中连接到叶片承载结构4。风力涡轮机叶片5由此被布置为相对于叶片承载结构4在最小枢转角和最大枢转角之间执行枢转移动。
每个风力涡轮机叶片5在内部末端5a和外部末端5b之间限定空气动力学轮廓。铰链6布置在距内部末端5a一定距离并且距外部末端5b一定距离处。因此，限定了在铰链6和外部末端5b之间延伸的外部叶片部分7以及在铰链6和内部末端5a之间延伸的内部叶片部分8。
铰链6允许风力涡轮机叶片5相对于叶片承载结构4执行枢转移动。由此在风力涡轮机叶片5和叶片承载结构4之间限定枢转角，这取决于铰链6的位置，由此取决于风力涡轮机叶片5相对于叶片承载结构4的位置。这确定了转子的直径，由此确定了风力涡轮机1从风中提取能量的能力。
外部叶片部分7从铰链6沿着第一方向延伸，内部叶片部分8从铰链6沿着第二方向延伸。第一方向和第二方向在它们之间形成角度α。风力涡轮机叶片5由此在铰链6处或附近形成弯曲部。在图2-4中可以看出，α约为25°，并且它是在挥舞(flap-wise)方向上。进一步可以看出，弯曲部大致形成在铰链6的位置处。
图2-4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。枢转角可以在限定最大转子直径的最大枢转角(如图2所示)和限定最小转子直径的最小枢转角(如图4所示)之间变化。图3显示了风力涡轮机叶片5处于最大和最小转子直径(即最大和最小枢转角)之间的中间枢转角。
在图2中，风力涡轮机叶片5布置在限定最大枢转角并由此限定最大转子直径的位置。因此，内部叶片部分8布置为紧邻叶片承载结构4。该图显示了由内部叶片部分8和外部叶片部分7之间的角度α限定的弯曲部。图2还显示了机舱9。
图3显示了风力涡轮机1，其中风力涡轮机叶片5处于最小和最大枢转角之间的枢转角，并且转子直径与图2中所示的最大转子直径相比减小。可以看出，内部叶片部分8已移离叶片承载结构4，并且内部末端5a已移近塔架2。图3还指示了在铰链6和外部末端5b之间延伸的外部部分(其通常可互换地称为外部叶片部分)7的第一长度L1，在铰链6和内部末端5a之间延伸的内部部分(其通常可互换地称为内部叶片部分)8的第二长度L2，由沿着穿过叶片承载结构和轮毂3之间的连接点的直线从铰链6到转子轴线321的距离给出的第三长度L3，以及由从内部末端5a到外部末端5b的总距离给出的第四长度L4。
图4显示了风力涡轮机1，其中风力涡轮机叶片5被枢转，使得它们限定最小枢转角并且由此限定最小转子直径。因此，内部叶片部分8已被进一步移离叶片承载结构4并且内部末端5a已被移动得更靠近塔架2。每个铰链6与在所描绘的视图中正交于纸平面的铰链轴线相关联。图4还指示了叶片承载结构的锥角的锥角γ，在所描绘的实施例中，该叶片承载结构包括臂4，臂4相对于正交于转子轴线321的平面成一个角度，其中所述角度对应于锥角γ。
图5显示了风力涡轮机1，其中转子旋转了半圈(π或180°)，使得叶片指向竖直向下并在塔架通道处被描绘。图5显示了从塔架2在由铰链6在塔架通道处的位置限定的竖直位置的水平(其中水平平面由虚线522指示)距离(其中叶片承载结构和轮毂3之间的连接点由臂4和轮毂3之间的连接点限定)。图5还指示了大于水平距离L0的第二长度L2。图5还指示了从塔架2在塔架邻接机舱的竖直位置(如虚线524所示)到叶片承载结构和轮毂之间的连接点的(上部)水平距离L5，在图5所描绘的实施例中，该(上部)水平距离L5小于(下部)水平距离(L0)(由于塔架的锥形形状，在向上的方向上具有减小的直径)。然而，在替代实施例中，(上部)水平距离L5大于(下部)水平距离L0，诸如塔架的上部部分与轮毂和轮毂臂(大致为“悬垂”)之间的连接部之间的水平距离小于铰链和塔架在塔架通道处的位置之间的水平距离。这可以例如通过倾斜塔架(例如倾斜图5中的塔架以使上部部分朝向右手侧移动)和/或通过将塔架布置为横截面取决于竖直方向(诸如在向下方向上直径减小和/或具有腰在铰链通过塔架期间的竖直位置处或附近的沙漏形状)来实现。
图6示出了顺风风力涡轮机601，其类似于图1-5的风力涡轮机1，除了图6的风力涡轮机601还具有大于零的转子轴线的倾斜角θ之外，其中倾斜角θ表示为转子轴线621和虚线623所指示的水平平面之间的角度。大于零的倾斜角θ意味着转子轴线在远离塔架轴线和/或机舱609并且朝向轮毂603的方向(如箭头625所指示)上指向上(诸如朝向轮毂上被转子轴线穿过并且相对于机舱最远地放置的点)，该方向与顺风风力涡轮机601的风向相同，其在图6中被显示为从左到右的方向，因为轮毂603在图6中被放置在机舱609的右手侧。图6还显示了从塔架2在由铰链606在塔架通道处的位置限定的竖直位置的水平(其中水平平面由虚线622指示)距离L0(其中叶片承载结构和轮毂之间的连接点由臂604和轮毂603之间的连接点限定)。图6还指示了大于水平距离L0的第二长度L2。
图7显示了风力涡轮机701，其类似于图1-5的风力涡轮机1，除了图7的风力涡轮机701还具有偏置机构710之外，该偏置机构710呈液压马达形式，其安装在臂704上并被布置为施在内部部分708的远侧端部的攻点处作用拉力(在箭头712所指示的方向上)，该拉力产生围绕铰链706的扭矩τ，扭矩τ进而使风力涡轮机叶片705在逆时针(在所描绘的视图中)方向上围绕铰链706旋转。类似的偏置机构被布置为与每个风力涡轮机叶片连接(尽管为了清楚起见仅在图中针对一个风力涡轮机叶片示出)。
根据本发明的替代方案，提供了一种风力涡轮机，其包括：
-塔架，诸如倾斜塔架，诸如具有相对于竖直方向形成大于零的角(诸如至少1°、2°、5°或10°)的塔架轴线的塔架，
-安装在塔架上的机舱，
-可旋转地安装在机舱上的轮毂，
-连接到轮毂的叶片承载结构，
-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，由此每个风力涡轮机叶片被布置为相对于叶片承载结构在最小枢转角和最大枢转角之间执行枢转移动，每个风力涡轮机叶片在外部末端和内部末端之间延伸，
其中每个风力涡轮机叶片具有：
-在铰链和外部末端之间延伸并具有第一长度(L1)的外部部分，以及
-在铰链和内部末端之间延伸并具有第二长度(L2)的内部部分，
其中从
-塔架在塔架邻接机舱的竖直位置，
到
-叶片承载结构和轮毂之间的连接点
的上部水平距离(L5)小于从
-塔架在由铰链在塔架通道处的位置限定的竖直位置
到
-叶片承载结构和轮毂之间的连接点
的下部水平距离(L0)，
并且其中，下部水平距离(L0)等于或小于第二长度(L2)。
根据该替代方案，一边是叶片承载结构和轮毂之间的连接点，另一边是塔架，两者之间的水平距离在铰链在塔架通道处穿过塔架的下部竖直位置(通常是转子旋转期间铰链的最低位置)处大于塔架邻接机舱的上部位置(通常是塔架的顶部部分)处。所述连接点和塔架之间的水平距离因此可以在向下的方向上增加(这可以通过如下方式实现：将塔架的轴线布置为相对于竖直线呈现非零角度和/或布置塔架面向铰链在旋转期间所追踪的平面的外部形状，使得到该平面的距离在向下方向上增加)。例如与其中所述水平距离恒定或在向下方向上均匀增加的塔架相比，这对于为具有较大第二长度(L2)的内部部分留出更多空间是有利的。在根据该替代方案的实施例中，诸如对于倾斜塔架，塔架的至少一部分经由偏航系统安装在地基上。

Claims (15)

1.一种风力涡轮机，其包括：
-塔架，
-安装在所述塔架上的机舱，
-可旋转地安装在所述机舱上的轮毂，
-连接到所述轮毂的叶片承载结构，
-经由铰链连接到所述叶片承载结构的一个或多个风力涡轮机叶片，由此每个风力涡轮机叶片被布置为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执行枢转移动，每个风力涡轮机叶片在外部末端和内部末端之间延伸，
其中，每个风力涡轮机叶片具有：
-在所述铰链和所述外部末端之间延伸并具有第一长度(L1)的外部部分，以及
-在所述铰链和所述内部末端之间延伸并具有第二长度(L2)的内部部分，
其中所述叶片承载结构的锥角大于零和/或转子轴线的倾斜角大于零，并且其中从
-所述塔架在由铰链在塔架通道处的位置限定的竖直位置到
-所述叶片承载结构和所述轮毂之间的连接点的水平距离(L0)等于或小于所述第二长度(L2)。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述倾斜角在区间[0.1°；20.0°]内。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述锥角在区间[0.1°；45.0°]内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，还包括偏置机构，所述偏置机构被布置为向所述一个或多个风力涡轮机叶片施加偏置力，所述偏置力使所述一个或多个风力涡轮机叶片朝向所述最大枢转角和/或所述最小枢转角偏置。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其中，所述偏置力被施加为作用在所述一个或多个风力涡轮机叶片中的每一个的内部部分上的力。
6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述铰链的轴线和所述转子轴线之间的距离等于或大于所述第二长度(L2)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述机舱经由偏航系统安装在所述塔架上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述叶片承载结构包括一个或多个臂，每个风力涡轮机叶片安装在所述臂中的一个上。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中，每个臂的轴线相对于正交于所述转子轴线的平面形成一个角度，其中所述角度对应于所述锥角。
10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述外部叶片部分从所述铰链区域沿着第一方向延伸，并且所述内部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在它们之间形成角度α，其中0°<α<90°。
11.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机是顺风风力涡轮机。
12.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，最小枢转角和最大枢转角之间的角度区间包括一个角度，在该角度处，所述一个或多个叶片内的至少一个叶片的内部部分和所述塔架之间的距离是全局最小值。
13.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机用于生产电力的用途。
14.一种用于控制根据权利要求1-12中任一项所述的风力涡轮机的方法，所述方法包括使所述一个或多个叶片内的至少一个叶片枢转。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方法包括将所述至少一个叶片枢转到一个枢转角，在该枢转角处，所述一个或多个叶片内的至少一个叶片的内部部分和所述塔架之间的距离是全局最小值。
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