[发明专利]具有被动式改变的后缘的风力涡轮机转子叶片

说明书

技术领域

本发明总体涉及风力涡轮机，并且具体而言涉及风力涡轮机转子叶片，所述风力涡轮机转子叶片具有根据变化的风况作出反应并且改变位置的被动式后缘部件。

背景技术

风能被认为是目前可获得的最清洁、最具环境友善性的能源之一，并且风力涡轮机在这方面已不断获得关注。现代的风力涡轮机典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱、以及一个或多个转子叶片。转子叶片利用已知的翼型原理捕获来自风的动能并且通过旋转能量传递动能以使轴转动，该轴将转子叶片联接至齿轮箱，或者如果未使用齿轮箱，则将转子叶片直接联接至发电机。发电机接着将机械能转化为可以配置于公用电网的电能。

风力涡轮机叶片大体设计成用于最佳风速，并且因此在处于其它风速时效率较低。先前对增大用于涡轮机叶片的风速的有效范围的尝试涉及主动系统，所述主动系统能够通过移动或调整附属物、襟翼、或者在主动反馈控制回路中连接至叶片的其它控制表面来修改或改变叶片的空气动力学外形。机电系统典型地结合在叶片内以用于移动控制表面。例如参考美国专利No.7,922,450，该专利对这样的叶片进行描述：该叶片具有响应于叶片上的空气动力学负载通过内部压电致动器移动的后缘部段。

还为了负载控制目的引入了这些系统，其中高风况中的叶片上的负载通过由主动控制表面来改变叶片的空气动力学外形而减小。已经在通过增加转子叶片的长度和表面积来增加风力涡轮机的能量输出方面做出了努力。然而，偏转力的大小和转子叶片的负载大体取决于叶片长度、以及风速、涡轮机操作状态、叶片刚度、以及其它的变量。该增大的负载不仅在转子叶片和其它的风力涡轮机部件上产生疲劳，而且还增加了转子叶片突然的灾难性故障的风险，例如当过度负载造成叶片偏转从而导致塔架撞击时。

因此，负载控制是现代风力涡轮机的操作中的关键考虑因素。除了主动桨距控制系统，将改变单独的转子叶片的空气动力学特性作为负载控制的方法也是已知的，例如通过构造在叶片表面上的可控的涡元、襟翼、调整片(tab)等。例如，美国专利No.6,972,498描述了各种风力涡轮机叶片构造，其中可收缩的延伸部设置在叶片基段上以减小叶片在高负载状况下的有效长度。在特定实施例中，叶片延伸部通过折刀机构(jackknifes)铰接至叶片基段，使其处于完全延伸位置与完全收缩位置之间在完全收缩位置中，叶片延伸部折叠到叶片基段中。

因此，业界将通过这样的改进的风力涡轮机叶片设计而受益：该风力涡轮机叶片设计具有增大的有效风速范围，同时还避免了与主动增强系统相关的费用和相对较复杂的部件。

发明内容

本发明的各个方面以及优点将会在下文的描述中进行部分阐述，或者是通过描述可以显而易见的，或者是可以通过实施本发明而学到。

根据本发明的各个方面，一种风力涡轮机转子叶片包括根部和翼型部分，翼型部分从根部延伸并且由叶片的前缘和后缘限定。翼型部分进一步包括主翼型部段和后缘部段，后缘部段沿展向延伸的铰接线枢转连接至主翼型部段。被动扭转元件联接在主翼型部段与后缘部段之间。扭转元件向中间位置偏置，其中后缘部段相对于主翼型部段弦向枢转至低风速位置。在该低风速位置中，叶片具有的空气动力学外形在处于降低的风速时捕获能量方面更加有效。随着风速增加，后缘部段与根据翼型部段上方的风速的扭转元件的偏置力相反地相对于主翼型部段从低风速位置自致动至风速增加位置。随着风速增加，后缘部段进一步移离中间低风速位置，到达高风速位置。

在特定实施例中，叶片包括沿后缘展向对齐的多个枢转连接的后缘部段，这些后缘部段中的每一个都包括相应的被动扭转元件。在备选实施例中，单个的后缘部段可以沿叶片延伸并且包括扭转元件中的一个或多个扭转元件。

扭转元件可以构造成使得在叶片的设计最佳风速下，后缘部段相对于叶片的弦向轴线处于与主翼型部段成直线的位置。因此，后缘部段能够可变地定位在低风速位置与成直线的位置之间的任何位置处。在该实施例中，可以期望包括被限定在后缘部段与主翼型部段之间的止动件，该止动件防止后缘部段移动超过成直线的位置。

扭转元件可以通过各种方式构造。例如，在一个实施例中，扭转元件是扭转弹簧，该扭转弹簧具有连接至固定的主翼型部段的一个弹簧片和连接至枢转的后缘部段的另一个弹簧片。在备选实施例中，扭转元件可以是预形成为处于中间位置的弹性构件，例如均匀的弹性体材料。弹性构件可以呈在后缘部段或多个后缘部段与主翼型部段之间展向延伸的带构件的形式。带构件可以是连续的或间断的。