带有叶片连接构件的变桨控制风力涡轮机的制作方法

1.本发明涉及一种变桨控制风力涡轮机，该变桨控制风力涡轮机包括塔架，安装在塔架上的机舱，可旋转地安装在机舱上的轮毂，以及经由变桨机构连接到轮毂的至少三个风力涡轮机叶片。


背景技术：

2.在风力涡轮机运行期间，风力涡轮机的部件会受到各种负载的影响。例如，风力涡轮机的风力涡轮机叶片受到源自作用在风力涡轮机叶片上的重力的负载，源自风力涡轮机叶片上的风压的负载，源自风向或风速变化、湍流等的负载的影响。作用在风力涡轮机叶片上的重力主要导致风力涡轮机叶片上的边缘(edgewise)负载，而作用在风力涡轮机叶片上的风主要导致风力涡轮机叶片上的挥舞(flapwise)负载。
3.随着风力涡轮机尺寸的增加，风力涡轮机上的负载也在增加。为了处理这种增加的负载，可以增加用于制造风力涡轮机的材料的量。然而，这增加了风力涡轮机的重量以及制造成本。


技术实现要素：

4.本发明的实施例的目的是提供一种变桨控制风力涡轮机，其中与相同长度的现有技术风力涡轮机相比，风力涡轮机叶片上的边缘和/或挥舞负载减小。
5.本发明提供了一种变桨控制风力涡轮机，该变桨控制风力涡轮机包括塔架，安装在塔架上的机舱，可旋转地安装在机舱上的轮毂，以及至少三个风力涡轮机叶片，其中每个风力涡轮机叶片在经由变桨机构连接到轮毂的根端和梢端之间延伸，该风力涡轮机还包括至少三个叶片连接构件，每个叶片连接构件在一个风力涡轮机叶片上的连接点和相邻的风力涡轮机叶片上的连接点之间延伸，其中给定风力涡轮机叶片上的连接点被布置在距风力涡轮机叶片的根端一定距离并且距风力涡轮机叶片的梢端一定距离处。
6.其中，风力涡轮机还包括至少三个预张紧构件，每个预张紧构件连接到叶片连接构件中的一个并且连接到轮毂部分，每个预张紧构件由此在其所连接的叶片连接构件中提供预张紧力。
7.因此，本发明提供了一种变桨控制风力涡轮机，即包括能够围绕基本纵向的变桨轴线旋转，以便在风力涡轮机运行期间调整风力涡轮机叶片和来风之间的攻角的风力涡轮机叶片的风力涡轮机。
8.该风力涡轮机包括塔架和安装在塔架上的机舱。风力涡轮机还包括可旋转地安装在机舱上的轮毂和至少三个风力涡轮机叶片。每个风力涡轮机叶片在经由变桨机构连接到轮毂的根端和梢端之间延伸。因此，相对于机舱，风力涡轮机叶片与轮毂一起旋转，而风力涡轮机叶片的梢端指向远离轮毂的地方。由于风力涡轮机叶片经由变桨机构连接到轮毂，每个风力涡轮机叶片能够相对于轮毂旋转，即进行变桨移动。轮毂和风力涡轮机叶片形成风力涡轮机的转子。因此，该风力涡轮机类型是水平轴风力涡轮机(hawt)，其主轴线通常在
水平方向10
°
内。叶片根部经由变桨机构连接到轮毂，意味着叶片根部用变桨机构连接到轮毂，因此叶片可在纵向变桨轴线上变桨。
9.机舱通常经由偏航系统安装在塔架上，该偏航系统允许机舱相对于塔架旋转，以便按照风的方向适当定位转子。
10.风力涡轮机还包括至少三个叶片连接构件。每个叶片连接构件在一个风力涡轮机叶片上的连接点和相邻的风力涡轮机叶片上的连接点之间延伸。因此，每个连接构件将两个相邻的风力涡轮机叶片相互连接。给定风力涡轮机叶片上的连接点被布置在距叶片的根端一定距离(诸如风力涡轮机叶片从根端到梢端的长度的至少10％)处，并且被布置在距风力涡轮机叶片的梢端一定距离(诸如风力涡轮机叶片从根端到梢端的长度的至少10％)处。因此，连接点既不布置在根端处，也不布置在梢端处，而是布置在这两个末端之间的位置处，并且与每个端部的距离都不为零，到每个端部的距离诸如为风力涡轮机叶片从根端到梢端的长度的至少10％。
11.风力涡轮机还包括至少三个预张紧构件。每个预张紧构件连接到叶片连接构件中的一个并且连接到轮毂部分。因此，预张紧构件将叶片连接构件拉向轮毂，由此预张紧构件向叶片连接构件提供张紧力，因此由叶片连接构件连接的叶片朝向彼此张紧。
12.在本文中，连接构件和预张紧构件中的术语“构件”应被广义地解释为涵盖任何合适种类的张紧构件，诸如金属丝(例如钢丝)、聚合物纤维(例如聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚酯、芳纶、无机纤维(例如碳纤维)的编织绳或捻绳，或此类材料的混合绳，复合拉挤物，金属棒等。
13.叶片连接构件的刚度可以与预张紧构件的刚度不同，或者叶片连接构件和预张紧构件的刚度可以是相同的。
14.在本文中，术语“轮毂部分”应被解释为是指轮毂，或连接到轮毂的部件或元件，其含义是它与轮毂一起相对于机舱旋转。这样的部件或元件可以连接到轮毂的外表面，从轮毂上突出，定位在轮毂内部，或以任何其他合适的方式定位，只要它与轮毂一起旋转即可。
15.预张紧构件可以例如在与风力涡轮机叶片上的连接点中的每一个有一定距离的位置连接到叶片连接构件，例如与连接点的距离基本相等，即沿着叶片连接构件大约在风力涡轮机叶片的一半处。
16.预张紧的叶片连接构件使风力涡轮机叶片彼此相互支撑，其含义是风力涡轮机叶片上的负载(特别是边缘负载和挥舞负载)经由预张紧的叶片连接构件在风力涡轮机叶片之间“共享”。因此，在风力涡轮机运行期间，风力涡轮机叶片上的负载可以用减小的材料厚度来处理。此外——或者替代地——与相同长度的现有技术叶片相比，可以用相同或减小的重量和/或用相同或减小的制造成本来实现这一点。
17.由于叶片连接构件中的预张紧是借助于将叶片连接构件和轮毂部分相互连接的预张紧构件提供的，因此有可能从轮毂控制预张紧构件以及叶片连接构件中的预张紧力，从而为维护或调整预张紧力提供方便的路径。此外，有可能调整在给定的预张紧力下，平均挥舞负载受到多大的影响。例如，短的预张紧构件将导致平均挥舞弯曲力矩的更大转变，而长的预张紧构件将导致边缘弯曲力矩振幅的更大减小。最后，通过使用预张紧构件，减少了叶片连接构件的松弛风险，因为预张紧系统可以比叶片连接构件更软，或者预张紧构件的张紧力和/或长度可以主动调整。
18.预张紧构件可以被布置为在叶片连接构件中提供可调整的预张紧力。叶片连接构件中的张紧力可以基于预张紧构件中的张紧力和预张紧构件与叶片连接构件之间的夹角来确定。
19.根据该实施例，可以通过适当调整预张紧构件或连接到预张紧构件的可调整的预张紧机构来调整叶片连接构件中的预张紧力。例如，预张紧力可以在安装期间进行调整，以便准确地获得期望的预张紧力和/或以便适当地平衡相应叶片连接构件中相对于彼此的预张紧力。
20.替代地或附加地，预张紧力可以在风力涡轮机运行期间持续或反复地调整。这可以例如与为了确保预张紧力在当时的运行条件(例如关于环境条件，如风速、风切变、湍流条件、温度、湿度等)和/或风力涡轮机条件(如叶片的方位角、叶片的桨距角和梢部速度/旋转(角)速度)下是合适的相关。
21.通过设计预张紧构件来为叶片连接构件提供可调整的预张紧力，有可能以一种简单的方式准确地获得期望的预张紧力，甚至可能使预张紧力适应当时的运行条件。
22.调整预张紧力的一种方式例如可以是在可旋转构件上卷起或松开预张紧构件，从而调整预张紧构件的长度，伸出/收回形成预张紧构件的一部分或作用于预张紧构件的线性致动器(诸如液压致动器)。
23.连接点可以布置在风力涡轮机叶片的外表面之外。
24.根据该实施例，叶片连接构件在布置在风力涡轮机叶片的外表面之外(诸如相对于风力涡轮机叶片的外壳体而言的外部)的位置连接到相应的风力涡轮机叶片。例如，叶片连接构件可以连接到布置在风力涡轮机叶片之外(诸如在叶片的壳体之外)但与之相连的结构上。
25.在本发明的一个方面，一个风力涡轮机叶片的连接点邻近彼此布置，诸如靠近彼此或甚至共享连接点的一些结构元件。在特定情况下，两个叶片连接构件(在相反端部连接到不同的叶片)连接到一个叶片上的同一个连接点(7)。这样做的好处是，当张紧力施加于叶片连接构件时，那么叶片会受到一个合力的影响，因此叶片不会暴露于叶片连接构件在两个不同方向上的张紧力。此外，当连接点邻近彼此或两个叶片连接构件使用同一连接点时，有可能将两个叶片连接构件的连接点布置得更靠近叶片变桨轴线或甚至在叶片变桨轴线上。
26.通过将连接点布置在风力涡轮机叶片之外，风力涡轮机叶片的表面可以基本保持完整。此外，风力涡轮机叶片可以在不影响叶片连接构件的情况下，至少在变桨轴线相对于连接点精心定位的情况下进行变桨移动。将叶片连接构件连接到风力涡轮机叶片的结构可以例如设置有覆盖物，该覆盖物改善该结构的空气动力学特性(例如在增加升力和/或减少阻力方面)，以最小化对风力涡轮机叶片的空气动力学特性的影响。
27.叶片连接构件可以经由安装在风力涡轮机叶片上或形成风力涡轮机叶片的一部分的轴承结构连接到相应的风力涡轮机叶片。轴承结构可以例如是或包括滚子轴承、滑动轴承、球形轴承或任何其他合适种类的轴承。
28.轴承结构确保了风力涡轮机叶片被允许经由轴承结构相对于叶片连接构件旋转。因此，风力涡轮机叶片可以在不影响叶片连接构件的情况下进行变桨移动，从而避免了在变桨期间对叶片连接构件施加不期望的负载、扭曲或张紧力。当叶片连接构件经由轴承结
构连接到风力涡轮机叶片时，优选的是，变桨轴线在叶片连接构件的展向位置穿过叶片。特别是，发现变桨轴线在该展向位置穿过由轴承结构形成的形状是有利的。
29.在轴承结构是或包括球形轴承的情况下，叶片连接构件能够相对于风力涡轮机叶片围绕连接点自由旋转。因此，在连接点上，只有张紧力在叶片连接构件和风力涡轮机叶片之间被传递。
30.在轴承结构从风力涡轮机叶片突出或相对于风力涡轮机叶片周向布置的情况下，轴承结构可以设置有整流罩或类似的空气动力学结构，以改善风力涡轮机叶片在轴承结构区域的空气动力学特性。
31.风力涡轮机叶片上的连接点可以优选地布置在距根端一定距离处，该距离在风力涡轮机叶片从根端到梢端的长度的10％和60％之间，诸如风力涡轮机叶片的长度的20％和50％之间，诸如风力涡轮机叶片的长度的25％和40％之间，诸如风力涡轮机叶片的长度的约30％。在其他情况下，风力涡轮机叶片上的连接点优选地布置在距根端一定距离处，该距离在风力涡轮机叶片从根端到梢端的长度的25％和60％之间，诸如在风力涡轮机叶片的长度的35％和55％之间，诸如在风力涡轮机叶片的长度的40％和50％之间。
32.根据该实施例，风力涡轮机叶片上的连接点被布置在远离风力涡轮机叶片的根端以及梢端的位置。
33.沿着风力涡轮机叶片的连接点的位置可以以适当地平衡需要考虑在内的各种问题的方式来选择。例如，将连接点定位成靠近风力涡轮机叶片的梢端，会导致通过叶片连接构件对风力涡轮机叶片进行非常有效的支撑。然而，这样做的代价是，在转子旋转期间，叶片连接构件会产生很大的阻力，从而降低能量产生。另一方面，将连接点定位成靠近风力涡轮机叶片的根端，会导致叶片连接构件造成的阻力降低，从而使对风力涡轮机的能量生产的不利影响最小化。然而，叶片连接构件对风力涡轮机叶片的支撑将不是非常有效。通过将连接点定位在距根端一定距离处(该距离在风力涡轮机叶片的长度的10％和60％之间)，这些考虑因素以如下方式得以平衡：获得了有效的支撑，而不会引入不可接受的阻力。此外，通过将连接点定位在这个区域内，确保了叶片连接构件在风力涡轮机叶片的结构刚度足够高的地方附接到风力涡轮机叶片。例如，风力涡轮机叶片的结构刚度朝向梢端降低，因此，将叶片连接构件连接得太靠近梢端可能会造成风力涡轮机叶片的显著预变形，这可能会阻碍叶片的变桨能力。
34.风力涡轮机叶片上的连接点可以布置在其中风力涡轮机叶片的厚度与弦长的比率在20％和50％之间，诸如在25％和35％或30％和45％之间的位置。如上所述，这也是风力涡轮机叶片的在有效支撑和引入的阻力之间取得平衡，并具有风力涡轮机叶片的足够结构刚度的区域。
35.风力涡轮机叶片可以各自包括两个独立的部分，包括根端的内侧叶片部分和包括梢端的外侧叶片部分，内侧叶片部分和外侧叶片部分在分割位置处彼此连接，风力涡轮机叶片上的连接点可以布置在分割位置。
36.根据该实施例，每个风力涡轮机叶片由两个部分、即内侧叶片部分和外侧叶片部分形成，它们可以单独制造，随后相互连结，以形成风力涡轮机叶片。这有时被称为“分体式风力涡轮机叶片”。这也使得叶片部分可以被单独运输到风力涡轮机的现场，从而即使是大型风力涡轮机叶片也可以在不引入过多运输成本的情况下被运输。
37.当使用这种分体式风力涡轮机叶片时，发现将连接点、即叶片连接构件连接到风力涡轮机叶片的点布置在内侧叶片部分和外侧叶片部分相互连接的分割位置是有利的，因为可以在这个位置向风力涡轮机叶片添加合适的构件附接结构，而不会明显降低风力涡轮机叶片的强度或风力涡轮机叶片的空气动力学特性。例如，在叶片连接构件经由轴承结构连接到风力涡轮机叶片的情况下，轴承结构可以有利地形成内侧叶片部分和外侧叶片部分之间的接口。
38.轮毂可以包括从轮毂基本上沿着由轮毂的旋转轴线定义的方向延伸的轮毂构件，并且预张紧构件可以连接到轮毂构件。轮毂构件可以例如在由风力涡轮机的转子定义的转子平面前面延伸，即在风力涡轮机是逆风风力涡轮机的情况下朝向来风。
39.根据该实施例，预张紧构件不是直接连接到轮毂上，而是连接到形成轮毂部分的构件上，该轮毂部分从轮毂沿着由轮毂的旋转轴线定义的方向延伸。此外，预张紧构件和轮毂构件之间的连接点可以沿着轮毂的旋转轴线定义的方向，定位在距风力涡轮机叶片连接到轮毂的点一定距离处。因此，预张紧构件不仅朝向轮毂，而且还沿着轮毂的旋转轴线的方向拉动叶片连接构件，从而使其远离塔架。这也导致风力涡轮机叶片在该方向上被拉动，这对风力涡轮机叶片有类似于引入锥角将具有的效果。这减少了叶片根部的边缘负载，特别是挥舞负载，以及确保了塔架间隙。
40.轮毂构件可以被布置为在预张紧构件和/或叶片连接构件中经由预张紧构件提供可调整的预张紧力和/或可调整的刚度。根据该实施例，如上所述，可调整的预张紧力是借助于连接到轮毂构件或形成其一部分的机构获得的。调整机构可以例如是液压或其他类型的(线性)致动器，诸如电气、气动或机械(诸如弹簧加载)致动器。在这种情况下，轮毂构件可以设置有液压活塞，例如，该液压活塞可沿着轮毂的旋转轴线定义的方向移动。这样的机构可以例如用于调整叶片连接构件中的预张紧力，以便在风力涡轮机的高推力运行期间处理挥舞负载和/或控制塔架间隙。
41.发现非常有利的是，叶片预张紧构件中的每一个的张紧力都可以单独调整，因为这允许改善叶片连接构件中的张紧力平衡。此外，单独调整允许更好地控制和减少叶片连接构件中的松弛风险。这优选地通过使独立的调整机构分别对每个预张紧构件进行致动来实现，所述调整激光诸如是液压或另一种类型的(线性)致动器，诸如电动致动、气动致动、机械弹簧致动或这些的组合。令人惊讶的是，发现通过使用单独调整的预张紧构件，致动器也能够通过调整预张紧构件的有效刚度，用作叶片连接构件和预张紧构件的振动抑制器。此外，精心控制的活塞移动能够减少叶片连接构件和/或预张紧构件的振动，从而减少风力涡轮发电机部件(诸如叶片连接构件、预张紧构件和风力涡轮机叶片)的疲劳磨损，和/或减少风力涡轮发电机的声排放。因此，使用单独调整的预张紧构件被发现是非常有利的。
42.轮毂构件可以包括调整机构，该调整机构包括在轮毂的旋转轴线和叶片连接构件与预张紧构件之间的连接点之间的方向上布置的线性致动器。这允许以简单有效的方式单独调整轮毂和(多个)叶片连接构件之间的连接点之间的距离，从而调整对应的预张紧构件中的张紧力。本发明的该方面中的线性致动器优选地是液压线性致动器(如液压活塞)或气动致动器，因为这允许在高张紧力下进行可控移动，并被发现还能够通过调整预张紧构件的有效刚度和/或通过活塞移动抵消振动，用作叶片连接构件和/或预张紧构件的振动抑制器。发现液压和气动致动器特别有利，因为它们可以基于与张紧力或振动有关的传感器输
入，直接从主模式(其中它控制致动器活塞的长度)变为第一从模式(其中它响应于叶片风负载维持叶片连接线缆或预张紧线缆的张紧力)和/或第二从模式(其中它抑制叶片连接线缆或预张紧线缆的振动)。其他类型的线性致动器也是有用的，例如电动致动器、机械(诸如弹簧类型)致动器或这些的组合(诸如弹簧与液压致动器的组合)。
43.作为替代，预张紧构件可以连接到布置在轮毂内的公共点。轮毂内的公共点可以是“浮动”的，其含义是它可以轻微移动，以便能够在风力涡轮机运行期间在预张紧构件之间共享负载。此外，将预张紧构件连接到公共点允许预张紧构件从该公共点被张紧。这样做的好处是，只需要接近一个位置来张紧所有的预张紧构件，例如通过沿着轮毂的旋转轴线向前/向后移动公共点，或者通过在远离轮毂的旋转轴线的方向上移动公共点来改变所有预张紧构件的张紧力之间的比例。例如，这种移动可以使用一个或多个液压致动器进行。
44.设置和/或调整预张紧构件的预张紧力，因此叶片连接构件可以作为风力涡轮机的安装或调试的一部分一次进行。然而，优选地是多次调整预张紧力，诸如定期调整，例如在测量叶片连接构件中的至少一个或预张紧力构件中的至少一个的预张紧力之后调整。测量可以是经由布置在叶片、叶片连接构件、预张紧构件和/或调整机构中的至少一个传感器的定期监测程序的一部分。在一种情况下，预张紧力在转子旋转期间随着叶片的定向而调整。在另一种情况下，预张紧力的调整是作为变桨过程的一部分，即在变桨之前、期间和/或之后进行调整。
45.风力涡轮机叶片可以限定在区间2
°
到20
°
内、诸如在5
°
到10
°
内的锥角。在本文中，术语“锥角”应被解释为是指基本上垂直于由轮毂的旋转轴线定义的方向的平面与风力涡轮机叶片中的一个沿着其延伸的方向之间的夹角。因此，增加锥角会使风力涡轮机叶片的梢端被定位成进一步远离与轮毂的旋转轴线正交并穿过叶片根部中心的平面。
46.引入锥角提高了塔架间隙，并减小了风力涡轮机叶片的根端处的挥舞负载。
47.风力涡轮机叶片上的连接点可以布置在风力涡轮机叶片的变桨轴线处或附近。在本文中，术语“变桨轴线”应被解释为是指风力涡轮机叶片在进行变桨移动时围绕其旋转的轴线。在本文中，布置在变桨轴线“处或附近”的连接点是指从连接点到变桨轴线的距离(在叶片未被风加载时距离变桨轴线的距离)在a)转子直径的2％，和b)连接点处的两个叶片弦长中的最高距离之内。
48.因此，根据该实施例，当风力涡轮机叶片在变桨期间旋转时，连接点不移动，或只在非常有限的程度内移动。相应地，叶片连接构件也不移动，或只在非常有限的程度内移动。这使叶片连接构件的张紧力变化最小化，并使在连接点上施加的力最小化。此外，这保留了变桨的完全自由。
49.作为替代，风力涡轮机叶片上的连接点可以布置在相对于变桨轴线的偏移位置。在这种情况下，叶片连接构件将在变桨期间移动。在这种情况下，风力涡轮机叶片可以以允许风力涡轮机叶片集体变桨、但只允许在有限的程度内单独变桨的方式相互连接。
50.变桨轴线与连接点的相对位置可以以使变桨负载(即在各种风速下使风力涡轮机叶片变桨所需的负载)最小化的方式有利地选择。特别是，发现将叶片连接构件的连接点布置在如上定义的叶片的变桨轴线处或附近是非常有利的。
51.风力涡轮机叶片可以各自设置有形成在风力涡轮机叶片的外壳体中的至少一个凹槽中，该至少一个凹槽被布置用于接收叶片连接构件的一部分。凹槽可以有利地形成在
风力涡轮机叶片的压力侧。
52.根据该实施例，叶片连接构件在某些桨距角处可被接收在相应的凹槽中，而在其他桨距角处被布置在相应的凹槽之外。这允许连接点被布置在变桨轴线处或附近，即使在风力涡轮机叶片内延伸，并且风力涡轮机叶片仍然可以在不与叶片连接构件发生碰撞的情况下进行变桨移动。
53.风力涡轮机叶片中的每一个可以在根端和梢端之间在至少一个方向上弯曲，从而使风力涡轮机叶片的变桨轴线(至少在连接点处)相对于风力涡轮机叶片位于外部。风力涡轮机叶片可以在挥舞方向和/或边缘方向上弯曲。例如，风力涡轮机叶片的弯曲可以是风力涡轮机叶片的横扫形式。曲线可以沿着风力涡轮机的整个长度延伸，或者只沿着风力涡轮机叶片的长度的一部分延伸。例如，在风力涡轮机叶片被分割成内侧叶片部分和外侧叶片部分的情况下，那么只有其中一个叶片部分(例如外侧叶片部分)可以是弯曲的。替代地或附加地，弯曲可以以内侧叶片部分和外侧叶片部分之间的夹角的形式来引入。
54.根据该实施例，连接点可以布置在变桨轴线处或附近，同时仍然定位在风力涡轮机叶片之外。这允许风力涡轮机叶片在不与叶片连接构件发生碰撞的情况下进行变桨移动。
55.风力涡轮机叶片中的每一个可以沿着纵向方向延伸，纵向方向可以形成相对于风力涡轮机叶片的变桨机构的变桨轴线的非零夹角。该非零夹角可以例如在区间0.1
°
至10.0
°
内，诸如在区间0.5
°
至3.0
°
内。由于每个风力涡轮机叶片沿着相对于变桨轴线形成非零夹角的方向延伸，变桨轴线和风力涡轮机叶片的方向不重合。因此，在变桨移动期间，风力涡轮机叶片围绕与它们的纵向轴线不重合的轴线旋转。
56.根据该实施例，与上述情况类似，由于轴线不重合，变桨轴线也可以在连接点的位置处布置在风力涡轮机叶片外部。
57.变桨轴线与风力涡轮机叶片的纵向方向之间的非零夹角可以例如通过在风力涡轮机叶片的根端引入一个或多个楔状物(例如，呈一个或多个垫片的形式)获得。在这种情况下，一个或多个垫片可以经由单独的轴承连接到轮毂和风力涡轮机叶片，也可以连接到相邻的垫片。因此，垫片能够独立旋转，从而改变变桨轴线和风力涡轮机叶片的纵向方向之间的夹角。此外，这些轴承可以单独运行，例如经由一个轴承进行集体变桨，经由另一个轴承进行单独变桨。这可以降低对变桨机构、特别是对轴承的负载。
58.预张紧构件和/或叶片连接构件可以包括振动抑制机构。
59.根据该实施例，在风力涡轮机运行期间，预张紧构件和/或叶片连接构件的振动可以被抑制，从而减小构件上以及风力涡轮机叶片上的负载。此外，钢丝绳索可以被动地对叶片运动提供附加的结构抑制，因为钢丝绳索中的各个纤维在被拉伸时将相互作用。
60.振动抑制机构可以是被动振动抑制机构，诸如油抑制器、柔性构件等。在这种情况下，振动抑制是在风力涡轮机运行时自动提供的。替代地，振动抑制机构可以是主动振动抑制机构，诸如液压缸等。在这种情况下，振动抑制可以被主动控制。
61.预张紧构件和/或叶片连接构件可以设置有空气动力学装置。根据该实施例，通过为构件提供空气动力学装置并由此改善构件的空气动力学特性，减少了由风力涡轮机叶片之间的安装构件引入的不利空气动力学影响。空气动力学装置可以例如是增加升力和/或减少构件的阻力的种类。例如，空气动力学装置可以是翼型或水滴的形式。
62.风力涡轮机可以是逆风风力涡轮机。在这种情况下，风力涡轮机的转子面对来风，因此风力涡轮机叶片上源自风的挥舞负载将风力涡轮机叶片推向轮毂。叶片连接构件非常适用于减轻这种挥舞负载。
63.作为替代，风力涡轮机可以是顺风风力涡轮机。在这种情况下，风力涡轮机的转子与来风方向相反，因此，风力涡轮机叶片上源自风的挥舞负载将风力涡轮机叶片推离轮毂。
附图说明
64.现在将参照附图对本发明作进一步的详细描述，在附图中：
65.图1和图2图示了根据本发明的第一实施例的风力涡轮机，
66.图3是根据本发明的第二实施例的风力涡轮机的侧视图，
67.图4-6图示了根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的风力涡轮机叶片，
68.图7-10图示了根据本发明的替代实施例的风力涡轮机的风力涡轮机叶片，
69.图11和图12图示了根据本发明的一个实施例的用于风力涡轮机的弯曲风力涡轮机叶片，
70.图13图示了风力涡轮机叶片的变桨，其中变桨轴线相对于风力涡轮机叶片布置在外部，
71.图14和图15图示了根据本发明的两个实施例的叶片连接构件与风力涡轮机叶片的附接，
72.图16和图17图示了根据本发明的两个实施例的预张紧构件与轮毂的附接，以及
73.图18图示了带有单独张紧力调整机构的轮毂构件。
具体实施方式
74.图1和图2显示了根据本发明的第一实施例的变桨控制风力涡轮机1。图1是风力涡轮机1的前视图，图2是风力涡轮机1的侧视图。
75.风力涡轮机1包括塔架2和安装在塔架2上的机舱3。承载有三个风力涡轮机叶片4的轮毂4可旋转地安装在机舱3上。
76.三个叶片连接构件6在风力涡轮机叶片5的连接点7之间将相邻的风力涡轮机叶片5相互连接。此外，风力涡轮机1包括三个预张紧构件8，每个预张紧构件8在叶片连接构件6中的一个和轮毂4之间延伸。因此，预张紧构件8在叶片连接构件6中提供预张紧力。
77.预张紧的叶片连接构件6使风力涡轮机叶片5彼此相互支撑，其含义是，风力涡轮机叶片5上的负载(特别是边缘负载和挥舞负载)在风力涡轮机叶片5之间被“共享”。
78.图3是根据本发明的第二实施例的变桨控制风力涡轮机1的侧视图。图3的风力涡轮机1与图1和图2的风力涡轮机1非常类似，因此这里将不作详细描述。在图3中，叶片连接构件是不可见的。
79.在图3的实施例中，预张紧构件8没有直接连接到轮毂4。相反，预张紧构件8连接到呈轮毂构件9形式的轮毂部分，该轮毂构件9基本上沿着由轮毂4的旋转轴线定义的方向从轮毂4延伸。因此，与图1和图2的实施例的情况相比，预张紧构件8的连接点进一步远离轮毂4，从而进一步远离风力涡轮机叶片5连接到轮毂4的位置。这样做的结果是，预张紧构件8也将叶片连接构件(未显示)拉离轮毂4，并拉离塔架2。这也导致风力涡轮机叶片5在该方向上
被拉动，从而进一步减小风力涡轮机叶片5的根部的边缘负载和挥舞负载，并确保塔架间隙，类似于引入锥角时获得的那些效果。由于连接构件的使用，发现这往往会导致叶片的内部部分的刚度增加。
80.图4-6图示了根据本发明的一个实施例的用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片5。图4是风力涡轮机叶片5的透视图，图5是风力涡轮机叶片5沿着纵向方向的横截面图。图6是风力涡轮机叶片5沿着弦向方向的横截面图。
81.风力涡轮机叶片5包括：根端10，该根端10适于经由变桨机构连接到轮毂；以及梢端(未显示)，该梢端与根端10相对定位。风力涡轮机叶片5由包括根端10的内侧叶片部分5a和包括梢端的外侧叶片部分5b形成。内侧叶片部分5a和外侧叶片部分5b相互连接，以形成风力涡轮机叶片5。
82.在内侧叶片部分5a和外侧叶片部分5b相互连接的位置上布置有轴承结构11。两个叶片连接构件6经由轴承结构11上的连接点7连接到风力涡轮机叶片5。因此，当风力涡轮机叶片5进行变桨移动时，叶片连接构件6不随着风力涡轮机叶片5一起旋转。因此，避免了在风力涡轮机叶片5的变桨期间对叶片连接构件6施加不期望的扭曲或张紧力。
83.在图5中可以看到，轴承结构11包括用螺栓连接到叶片部分5a、5b的部分11a，以及使叶片连接构件6连接到其上的部分11b。轴承结构11的两个部分11a、11b可以相对于彼此旋转。
84.图6是图4的风力涡轮机叶片5沿着弦向方向，在轴承结构11的位置处的横截面图。因此，图6实质上是轴承结构11的侧视图，并清楚地显示了轴承结构11的两个部分11a、11b。
85.图7-10图示了根据本发明的替代实施例的风力涡轮机的风力涡轮机叶片5。图7是风力涡轮机叶片5的透视图，图8-10是风力涡轮机叶片5沿着弦向方向的横截面图。
86.图7-10的风力涡轮机叶片5与图4-6的风力涡轮机叶片5非常类似，因此在此将不作详细描述。
87.在图7-10的风力涡轮机叶片5中，轴承结构11被布置在风力涡轮机叶片5的外壳体内。这在图7中可以看到。因此，轴承结构11和叶片连接构件6之间的连接点7也被布置在风力涡轮机叶片5的外壳体内，并且比图4-6所示的实施例的情况更靠近风力涡轮机叶片5的变桨轴线12。这使叶片连接构件6上的负载最小化，并使在连接点7处施加的力最小化。
88.为了避免风力涡轮机叶片5在变桨期间与叶片连接构件6发生碰撞，风力涡轮机叶片5设置有凹槽13，凹槽13形成在风力涡轮机叶片5的压力侧。凹槽13被布置用于接收叶片连接构件6的一部分。在图7中，叶片连接构件6中的一个被接收到凹槽13中。
89.图8是图7的风力涡轮机叶片5沿着弦向方向的横截面图。风力涡轮机叶片5处于其中叶片连接构件6中的一个被接收在凹槽13中的桨距角。变桨移动由箭头14指示。
90.在图9中，风力涡轮机叶片5已被移动到其中叶片连接构件6不再被接收在凹槽13中的桨距角。
91.图10图示了风力涡轮机叶片5沿着弦向方向的横截面图的形式的类似实施例。风力涡轮机叶片5处于其中叶片连接构件6中的一个被接收在凹槽13中的桨距角。在图10的实施例中，叶片连接构件6中的两个设置有翼型15形式的空气动力学装置。这改善了叶片连接构件6的空气动力学特性，从而使由为风力涡轮机提供叶片连接构件6而引入的对风力涡轮机的效率的不利影响最小化。
92.图11和图12图示了根据本发明的一个实施例的用于风力涡轮机的弯曲风力涡轮机叶片5。图11显示了沿着弦长方向的风力涡轮机叶片5，图12显示了沿与其垂直的方向的风力涡轮机叶片5。
93.图11和图12中的虚线代表现有技术的风力涡轮机叶片的示例，实线代表根据本发明的一个实施例的用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片5。虚线16标记了风力涡轮机叶片5被分割成内侧部分和外侧部分的位置。
94.图11显示了所代表的风力涡轮机叶片5中的每一个的前缘17和后缘18。可以看出，根据本发明的风力涡轮机叶片5相对于现有技术的风力涡轮机叶片5以如下方式弯曲：在前缘17侧，以及在分割位置16处，根据本发明的风力涡轮机叶片5的变桨轴线12定位在风力涡轮机叶片5之外。
95.图12显示了所代表的风力涡轮机叶片5中的每一个的压力侧19和吸力侧20。同样沿着该方向，根据本发明的风力涡轮机叶片5相对于现有技术的风力涡轮机叶片5以如下方式弯曲：在压力侧19，以及在分割位置16处，根据本发明的风力涡轮机叶片5的变桨轴线12定位在风力涡轮机叶片5之外。
96.因此，根据本发明的一个实施例的用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片5沿着两个方向弯曲，它具有使风力涡轮机叶片5的变桨轴线12在分割位置16处布置在风力涡轮机叶片5的前缘17之外和压力侧19之外的形状。因此，如果叶片连接构件在分割位置16处连接到风力涡轮机叶片5，则连接点可以定位在变桨轴线12处或附近，但在风力涡轮机叶片5之外。由此，叶片连接构件可以以简单的方式连接到风力涡轮机叶片5，同时在风力涡轮机叶片5变桨期间减小叶片连接构件和连接点上的负载。
97.需要注意的是，图11和图12的风力涡轮机叶片5没有按比例绘制，以用于强调根据本发明的风力涡轮机叶片5的修改形状。
98.图13图示了风力涡轮机叶片5的变桨，其中变桨轴线12相对于风力涡轮机叶片5布置在外部。虚线代表现有技术的风力涡轮机叶片5，实线代表根据本发明的一个实施例的用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片5，其处于两个极端桨距角。
99.叶片连接构件在连接点7处连接到根据本发明的风力涡轮机叶片5，该连接点7布置在风力涡轮机叶片5之外，并布置在变桨轴线12处或附近。从图13可以看出，这允许风力涡轮机叶片5进行变桨移动而不影响叶片连接构件。
100.图14图示了根据本发明的一个实施例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包括经由铸造结构21相互连接的内侧叶片部分5a和外侧叶片部分5b。叶片连接构件6经由铰链22连接到铸造结构21，铰链22从而在叶片连接构件6和风力涡轮机叶片5之间形成连接点7。风向由箭头27指示。
101.由于叶片连接构件6经由铰链22连接到风力涡轮机叶片5，所以叶片连接构件6被允许相对于风力涡轮机叶片5移动。这可以例如在风力涡轮机叶片5的变桨期间是相关的。
102.图15图示了根据本发明的替代实施例的用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片5。与图14的实施例类似，风力涡轮机叶片5包括经由铸造结构21相互连接的内侧叶片部分5a和外侧叶片部分5b。在图15的实施例中，叶片连接构件6经由球形轴承23和柔性线缆24连接到铸造结构21。球形轴承23允许叶片连接构件6相对于风力涡轮机叶片5自由移动。柔性线缆24为叶片连接构件6提供抑制(阻尼)。风向由箭头27指示。
103.图16是根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的轮毂4的横截面图。三个预张紧构件8连接到轮毂4。由预张紧构件8提供的预张紧力可以借助于布置在轮毂4内的调整机构25来单独调整。因此，所有三个预张紧构件8的预张紧力都可以从轮毂4内进行调整。因此，预张紧构件8的预张紧力的单独调整可以容易地被协调并基本上同时进行，以避免由于预张紧构件8的预张紧力的巨大差异而对风力涡轮机叶片产生不均匀的力。
104.图17是根据本发明的替代实施例的用于风力涡轮机的轮毂4的横截面图。图17的轮毂4也具有与之相连的三个预张紧构件8，由预张紧构件8提供的预张紧力可以借助于调整机构25单独调整。然而，在图17的轮毂4中，预张紧构件8连接到布置在轮毂4内的公共锚定部分26。锚定部分26是浮动的，其含义是它被允许在轮毂4内在一定程度内移动。因此，在风力涡轮机运行期间，获得了预张紧构件8之间的负载共享和平衡。
105.图18是轮毂构件9的视图，其中单独的张紧力调整机构25致动预张紧构件8中的每一个。调整机构25形成轮毂构件9的一部分，并且被布置在轮毂(28)的旋转轴线和叶片连接构件(6)与预张紧构件(7)之间的连接点之间的方向上。通常，调整机构被布置在沿着转子的旋转轴线延伸的元件(诸如三脚架或横梁)上，以便为调整机构提供稳定的固定点。调整机构优选地包括线性致动器(诸如液压、电动、气动、机械或其中一个)。轮毂构件9可以延伸超出鼻锥体。优选的是，轮毂构件9延伸到很远，超出鼻锥体，使预张紧构件的方向与叶片连接点7定义的平面顺风的旋转轴线28相交(相拦截)，因为这可以增强转子的刚度。

技术特征：
1.一种变桨控制风力涡轮机(1)，其包括：塔架(2)；安装在所述塔架(2)上的机舱(3)；可旋转地安装在所述机舱(3)上的轮毂(4)；以及至少三个风力涡轮机叶片(5)，其中，每个风力涡轮机叶片(5)在经由变桨机构连接到所述轮毂(4)的根端(10)和梢端之间延伸，所述风力涡轮机(1)还包括至少三个叶片连接构件(6)，每个叶片连接构件(6)在一个风力涡轮机叶片(5)上的连接点(7)和相邻的风力涡轮机叶片(5)上的连接点(7)之间延伸，其中给定风力涡轮机叶片(5)上的连接点(7)被布置在距所述风力涡轮机叶片(5)的梢端一定距离并且距所述根端(10)一定距离处，其中，所述风力涡轮机(1)还包括至少三个预张紧构件(8)，每个预张紧构件(8)连接到所述叶片连接构件(6)中的一个并且连接到轮毂部分(4、9、26)，每个预张紧构件(8)由此在其所连接的叶片连接构件(6)中提供预张紧力。2.根据权利要求1所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述预张紧构件(8)被布置为在所述叶片连接构件(6)中提供可调整的预张紧力。3.根据权利要求1或2所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述连接点(7)被布置在所述风力涡轮机叶片(5)的外表面之外。4.根据前述权利要求中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述叶片连接构件(6)经由安装在所述风力涡轮机叶片(5)上或形成所述风力涡轮机叶片(5)的一部分的轴承结构(11)连接到相应的风力涡轮机叶片(5)。5.根据前述权利要求中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)上的连接点(7)被布置在距所述根端(10)一定距离处，所述距离在所述风力涡轮机叶片(5)从所述根端(10)到所述梢端的长度的10％和60％之间。6.根据前述权利要求中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)上的连接点(7)被布置在所述风力涡轮机叶片(5)的厚度与弦长的比率在20％和50％之间的位置。7.根据前述权利要求中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)各自包括：包括所述根端(10)的内侧叶片部分(5a)；以及包括所述梢端的外侧叶片部分(5b)，所述内侧叶片部分(5a)和所述外侧叶片部分(5b)在分割位置(16)处彼此连接，并且其中，所述风力涡轮机叶片(5)上的连接点(7)布置在所述分割位置(16)处。8.根据前述权利要求中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述轮毂(4)包括从所述轮毂(4)基本上沿着由所述轮毂(4)的旋转轴线定义的方向延伸的轮毂构件(9)，并且其中，所述预张紧构件(8)连接到所述轮毂构件(9)。9.根据权利要求8所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述轮毂构件(9)被布置为经由所述预张紧构件(8)在所述预张紧构件(6)和/或叶片连接构件(6)中提供可调整的预张紧力和/或可调整的刚度。10.根据权利要求1-7中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述预张紧构件(8)连接到布置在所述轮毂(4)内的公共点(26)。11.根据前述权利要求中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)限定在区间2
°
到20
°
内的锥角。12.根据前述权利要求中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)上的连接点(7)被布置在所述风力涡轮机叶片(5)的变桨轴线(12)处或附近。
13.根据前述权利要求中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)各自设置有形成在所述风力涡轮机叶片(5)的外壳体中的至少一个凹槽(13)，所述至少一个凹槽(13)被布置为接收叶片连接构件(6)的一部分。14.根据前述权利要求中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)中的每一个在所述根端(10)和所述梢端之间在至少一个方向上弯曲，从而使所述风力涡轮机叶片(5)的变桨轴线(12)至少在所述连接点(7)处相对于所述风力涡轮机叶片(5)位于外部。15.根据前述权利要求中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机叶片(5)中的每一个沿着纵向方向延伸，并且其中所述纵向方向相对于所述风力涡轮机叶片(5)的变桨机构的变桨轴线(12)形成非零夹角。16.根据前述权利要求中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述预张紧构件(8)和/或所述叶片连接构件(6)包括振动抑制机构。17.根据前述权利要求中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述预张紧构件(8)和/或所述叶片连接构件(6)设置有空气动力学装置(15)。18.根据前述权利要求中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机(1)为逆风风力涡轮机。19.根据前述权利要求中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，一个所述风力涡轮机叶片的所述连接点(7)邻近彼此布置和/或两个叶片连接构件(6)连接到同一连接点(7)。20.根据前述权利要求中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述预张紧构件(6)中的张紧力可单独调整。21.根据权利要求9至20中任一项所述的变桨控制风力涡轮机(1)，其中，所述轮毂构件(9)包括调整机构(25)，所述调整机构(25)具有在所述轮毂(28)的旋转轴线和所述叶片连接构件(6)与所述预张紧构件(7)之间的连接点之间的方向上布置的线性致动器。

技术总结
公开了变桨控制风力涡轮机(1)，其包括塔架(2)、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)以及至少三个风力涡轮机叶片(5)。每个风力涡轮机叶片(5)在经由变桨机构连接到轮毂(4)的根端(10)和梢端之间延伸。风力涡轮机(1)还包括至少三个叶片连接构件(6)，每个叶片连接构件(6)在一个风力涡轮机叶片(5)上的连接点(7)和相邻的风力涡轮机叶片(5)上的连接点(7)之间延伸，连接点(7)被布置在距风力涡轮机(5)的根端(10)一定距离并且距梢端一定距离处。风力涡轮机(1)还包括至少三个预张紧构件(8)，每个预张紧构件(8)连接到叶片连接构件(6)中的一个并且连接到轮毂部分(4、9、26)，预张紧构件(8)由此在叶片连接构件(6)中提供预张紧力。(6)中提供预张紧力。(6)中提供预张紧力。


技术研发人员：T
受保护的技术使用者：维斯塔斯风力系统集团公司
技术研发日：2021.12.17
技术公布日：2023/10/7