用于风力涡轮机的转子叶片的可气动地激活的气动装置的压力供应系统的制作方法

本发明涉及一种具有转子叶片的风力涡轮机，其中，该风力涡轮机包括用于控制转子叶片的可气动地激活的气动装置的压力供应系统。

背景技术：

诸如襟翼（flap）、缝翼（slat）或扰流板（spoiler）之类的气动装置是影响风力涡轮机转子叶片的气动性质的常用手段。这些装置常常用于在风力涡轮机的某些操作条件下选择性地改变气动性质，诸如转子叶片的升力（lift）或阻力（drag）。会是期望的是，例如，对于低于风力涡轮机的额定风速的风速，转子叶片的升力尽可能高，但对于高于额定风速的风速，转子叶片的升力减小。关于这点，风力涡轮机的额定风速被称为风力涡轮机达到其标称输出功率的风速。对于现代工业风力涡轮机，额定风速时常在每秒八米和十二米之间。

这些气动装置可被动地工作。这意味着，气动装置不会改变其构型。

这些气动装置也可半被动地工作。这意味着，没有致动器件被用于诱导从气动装置的第一构型改变为气动装置的第二构型。作为替代，通过对气动装置的精心设计，实现：如果达到或超过了所选择的参数（诸如，沿某个方向作用在气动装置上的压力）的预定值，则发生构型的改变。通常，半被动地工作的气动装置包括弹性器件，所述弹性器件确保如果满足预定条件则将气动装置的构型从第二构型改变回为第一构型。

气动装置也可替代地主动地工作。这意味着，某些致动器件被用于诱导从气动装置的第一构型改变为气动装置的第二构型。这些致动器件可例如机械地、电动地、液压地或气动地工作。主动地工作的气动装置和半被动地工作的气动装置之间的区别在于，前者需要外部刺激来改变其构型，该外部刺激例如由控制单元诱导并且机械地、电动地、液压地或气动地“传输”到气动装置，其中，后者在没有任何外部控制的刺激的情况下改变其构型。

主动地工作或简单地“主动型”的气动装置的一个优点是：就可以实现的气动装置的构型的改变而言，它们更具通用性。

技术实现要素：

本发明涉及风力涡轮机转子叶片的可气动地激活的气动装置。本发明试图公开用于控制可激活的气动装置的器件，并且试图具体地描述可如何详实地设计此类器件。

在独立权利要求1中描述了本发明。在从属权利要求中公开了有利的实施例和修改。

根据本发明，提供了一种具有转子叶片的风力涡轮机，其中，转子叶片包括可气动地激活的气动装置，并且风力涡轮机包括用于控制可激活的气动装置的压力供应系统。压力供应系统包括：加压空气供应系统；加压空气传输系统，其具有用于将所供应的加压空气从加压空气供应系统传输到气动装置的压力管线；以及至少一个气动致动器，其用于激活气动装置。

此类压力供应系统的概念具体地适合风力涡轮机的需求和要求。这包括例如系统的非常高的可靠性和高度的鲁棒性，因为这对于在风力涡轮机中实施的任何系统通常是所需的。

就术语“风力涡轮机”而言，理解为用于发电的风力涡轮机。

与半被动地工作的气动装置相比，本发明的气动装置能够由合适的机构来激活。本发明集中于对气动装置的气动激活。这意味着，气动装置能够通过使用一定压力的气体从第一构型移动到第二构型。气体可以简单地是空气，但也可包括不同的化学元素。在本专利申请的上下文中，所使用的措词“加压空气供应系统”和“加压空气传输系统”应仅暗示优选使用空气作为所使用的气体，但不应将本发明和权利要求的保护范围限制为使用空气。作为替代，本发明和本发明的权利要求涵盖了各种各样的气体。

术语“加压”空气包括具有高于大气压的压力的空气，但它也包括具有低于大气压的压力的空气。因此，本发明在其最广泛的范围内包括相对于大气压的正压和负压两者。描述性地说，本发明既适用于超压，又适用于低压。

加压空气由加压空气供应系统供应。随后，加压空气通过加压空气传输系统从供应其的位置（即，加压空气供应系统）传输到需要其的位置（即，在气动装置处）。加压空气传输系统包括压力管线，所述压力管线可以例如是管或管道或类似装置。

最后，压力供应系统包括气动致动器，该气动致动器能够并且注定会选择性地激活气动装置。举些例子，气动致动器可被实现为（压力）软管或腔或任何其他可充气装置。合适的气动致动器的共同特征是它包括可改变的或可变化的体积。换句话说，气动装置的第一构型可与致动器的放气状态相关，并且气动装置的第二构型可与致动器的充气状态相关，或反之亦然。

在本发明的实施例中，风力涡轮机包括多个转子叶片，优选地包括三个转子叶片，并且风力涡轮机包括用于所有转子叶片的一个公共加压空气供应系统。

提供一个公共加压空气供应系统的优点是系统的合理化和效率。由于加压空气就本身可以很好地用于风力涡轮机的所有存在的转子叶片，因此有利的是提供用于供应加压空气的一个单一设备。

该公共加压空气供应系统可有利地位于风力涡轮机的毂中。将加压空气供应系统放置在毂中是有益的，因为这代表了将加压空气供应和分配到单独的转子叶片的中心位置。

作为替代方案，一个公共加压空气供应系统也可位于风力涡轮机的其他部分（诸如例如，机舱）中。如果毂中只剩下很少的空间，或者如果不期望将加压空气供应系统放置在风力涡轮机的诸如毂代表的连续旋转部件中（至少在风力涡轮机的操作期间），则将加压空气供应系统放置在机舱中可能是优选的。

在存在有服务于多个转子叶片的一个公共加压空气供应系统的情况下，需要对以下作出选择：是否同时向单独的转子叶片供应相同量的加压空气，或者单独的叶片是否应彼此独立和分开地供应。通过加压空气单独控制和供应转子叶片可能是优选的，因为然后可以确保系统的更大通用性和控制。为了实现对转子叶片的此类单独控制，在从公共加压空气供应系统行进到转子叶片中的每条压力管线处提供了单独的阀。

在本发明的另一个实施例中，风力涡轮机包括单独的加压空气供应系统，每个转子叶片针对一个加压空气供应系统。

这具有以下优点：单独的加压空气供应系统可以被构造得更小。此外，如果一个加压空气供应系统发生故障，则只有一个转子叶片与故障有关。当然，此类故障代表了非经常性事件，但是仍然是可能的。

在针对每个转子叶片存在有单独的加压空气供应系统的情况下，这些单独的加压空气供应系统可位于的位置再次是风力涡轮机的毂。然而，在这种情况下，位于单独的转子叶片的根部区段可能也是有利的选择。将加压空气供应系统放置在相应的根部区段中的优点是：则不需要压力管线以便提供跨转子叶片的俯仰轴承（pitchbearing）的连接。

此外，应注意，单独的加压空气供应系统可甚至位于转子叶片中的较远外侧（outboard），而不是位于内侧（inboard）区段（诸如，根部区段）中。如果气动装置本身也位于转子叶片中的较远外侧，则将加压空气供应系统放置在较远外侧存在优点。那么，通过将加压空气供应系统放置成靠近实际需要它的位置，可使加压空气传输系统的长度最小化。

应注意，不仅减小待覆盖的距离在这种情况下是有利的（例如，这在系统以任何方式遭受雷击的情况下很重要），而且压力管线减小待覆盖的距离就系统的反应时间来说也是有利的。应注意，相对于气动致动器而言，加压空气供应系统越靠近，关于气体压力改变的响应时间就越短。

气动装置可有利地实现为襟翼、缝翼或扰流板。襟翼时常位于转子叶片的后缘区段中。与襟翼相反，缝翼被限定为位于转子叶片的前缘区段处。缝翼时常与转子叶片的主体分开合适的间隙（即，合适的槽）。此外，扰流板通常是如下某物：它与转子叶片的主体的表面牢固地附接和连接，但是如果它与气动致动器结合，则它可改变其轮廓。扰流板的一个示例是格尼襟翼（gurneyflap），其时常在转子叶片的后缘区段处安装到压力侧。扰流板的另一个示例是如下元件：它在后缘区段的上游安装在转子叶片的吸力侧处，并且它能够诱导从前缘区段流动到转子叶片的后缘区段的气流的失速（stall）。

就压力管线的对准和定位而言，一种选项是使压力管线的至少一部分沿着转子叶片的后缘对准。如在尖锐后缘的情况下，转子叶片内部的在后缘区段中的区域时常极为敏感，并且在尖锐后缘的情况下，转子叶片可甚至填充有某种材料，将压力管线放置在外部（即，在转子叶片的外表面上的表面上）也可能是有益的。

作为前述情况的替代方案或与前述情况结合，压力管线也可沿着转子叶片的抗剪腹板（shearweb）布置和对准。抗剪腹板通常代表在压力侧壳和吸力侧壳之间的支撑元件，并且常常位于20％和80％的弦长之间。因此，在这种情况下，压力管线位于转子叶片的中心部分中，并且也位于叶片的非常稳定且刚性的部分中。

在本发明的另一个实施例中，风力涡轮机还包括用于存储所供应的加压空气的至少一个压力储器。

此类压力储器具有以下优点：加压空气不需要“按需”供应，而是可存储在适当的接受器中（诸如，容器或盒子）。如果压力储器比加压空气供应系统更靠近气动致动器，则提供压力储器会是有利的。优点将是可以减少对致动器中的压力变化的响应时间。

在本发明的另一个实施例中，风力涡轮机还包括用于存储具有低于大气压的压力的空气的至少一个真空储器。

如已经提到的那样，本发明不仅包括使用包括与大气压相比的超压的加压空气，而且包括使用低压空气，从而涉及“将空气吸出”气动致动器。

同样地，这可由加压空气供应系统“按需”实施，但也有提供用于存储在低压情况下的空气的真空储器的选项。像针对压力储器的放置一样，真空储器也可位于比加压空气供应系统更靠近气动致动器处，以便实现用于致动气动装置的短的响应时间。

在本发明的另一个实施例中，致动器包括入口端口，加压空气在该入口端口处流动到致动器中。

考虑到致动器是纵长地延伸的物体这一事实，入口端口可例如位于致动器的径向向内区段中。入口端口还可配备有另一个阀，以用于控制并用于选择性地向致动器提供来自加压空气供应系统的加压空气。

作为选项，致动器还可包括排气端口，加压空气在该排气端口处从致动器流动出。

在期望快速排放气动致动器中存在的加压空气的情况下，这可能是有利的。如果致动器中不存在排气端口，则致动器内的超压将需要一定的时间才能与大气压相似。

在本发明的另一个实施例中，压力供应系统还包括安全泄压阀，该安全泄压阀优选地可以被气动地激活以使得能够在风力涡轮机过载的情况下从致动器排放加压空气。

如果致动器内的压力达到或超过预定值，则可例如触发或激活此类安全泄压阀。然后，安全泄压阀将打开并排放存在于致动器（诸如，可充气软管或可充气腔）内的加压空气。

在本发明的另一个实施例中，压力供应系统还包括空气调节元件，诸如过滤器和/或除湿器，以最小化灰尘、油和/或湿气在压力供应系统的压力管线内的积聚。

这些类型的元件原则上从具有空气传输系统的其他装置和设备得知，但是在用于风力涡轮机转子叶片的压力供应系统的目前情况下应予以特别考虑。应注意，对于许多风力涡轮机来说，但特别地对于难以到达的海上风力涡轮机和陆上风力涡轮机来说，维修风力涡轮机是非常昂贵的。因此，用于避免或最小化灰尘、油或其他不期望成分的积聚的任何措施是受欢迎的。

在本发明的另一个实施例中，气动装置位于转子叶片的外侧部分（outboardpart）中。

安装在风力涡轮机的毂上的转子叶片可以细分为内侧部分（inboardpart）和外侧部分（outboardpart）。内侧部分对应于由转子叶片的根部区段组成的部分，而转子叶片的尖端区段属于外侧部分。风力涡轮机转子叶片的许多气动装置定位于外侧部分处，因为在那里转子叶片所经历的风速通常较高，并且对转子叶片的升力和负载的影响常常增加。

因此，如本发明中所呈现的此类压力供应系统尤其是对于安装在转子叶片的外侧部分中的气动装置而言是极为有用和有利。

在本发明的另一个实施例中，压力储器位于靠近致动器处，特别地处在小于转子叶片的长度的10％的距离内。

这具有响应时间短的优点。然而，应记住，在转子叶片中将压力储器提供在远处可能涉及负载的增加，并且可能需要转子叶片的特别加固的区段。

一种选项是将压力和/或真空储器放置成靠近转子叶片的腹板。这具有以下优点：储器位于靠近转子叶片的中性轴线处。因此，减小了转子叶片的弯曲或扭转运动对储器的影响。

在转子叶片具有分开的尖端部分（诸如，尖端延伸部）的情况下，另一种选项将是将压力和/或真空储器放置在尖端部分中。这具有便于接近储器的优点。将所述（一个或多个）放置在尖端部分中通常确保了相对于致动器而言相对靠近的定位，因为具有致动器的气动装置通常也放置在转子叶片的外侧部分（outboardpart）中。

附图说明

现在借助于附图来进一步描述本发明，在附图中：

图1示出了风力涡轮机；

图2示出了风力涡轮机的转子叶片；

图3示出了具有压力供应系统的风力涡轮机；

图4示出了具有用于所有转子叶片的一个公共加压空气供应系统的压力供应系统；

图5示出了针对每个转子叶片的单独的加压空气供应系统；

图6示出了压力管线沿着抗剪腹板对准以及压力储器提供在转子叶片中；

图7示出了压力管线沿着转子叶片的后缘对准；

图8示出了压力储器和真空储器提供在转子叶片的外侧部分中；

图9示出了能够由软管激活的襟翼；以及

图10示出了与图9中相同的襟翼，但其中软管已充气。

应注意，附图呈示意性形式。附图中的类似或相同的元件可通过相同的附图标记来标记。

具体实施方式

图1示出了用于发电的常规风力涡轮机10。风力涡轮机10包括塔架11，该塔架通过一端安装在地面16上。在塔架11的另一端处，安装有机舱12。机舱12通常关于塔架11可旋转地安装，这被称为包括基本上垂直于地面16的偏航轴线（yawaxis）。机舱12通常容纳风力涡轮机的发电机以及容纳齿轮箱（如果风力涡轮机是齿轮传动风力涡轮机）。此外，风力涡轮机10包括毂13，该毂能够绕基本上水平的转子轴线14旋转（包括几度的小倾角）。毂13常常被描述为转子的一部分，其中，转子能够将旋转能转移到发电机。

毂13是安装有转子叶片20的部分。转子叶片20通常可枢转地安装到毂13。换句话说，转子叶片20可以分别绕俯仰轴线（pitchaxes）15俯仰。这通过有可能修改风撞击在转子叶片20上的方向，而改善了对风力涡轮机的且特别是转子叶片的控制。每个转子叶片20在其根部区段21处安装到毂13。根部区段21与转子叶片的尖端区段22相对。应注意，在如图1中所示的示例中，仅描绘了两个转子叶片20。然而，当今的大多数风力涡轮机包括三个转子叶片。

图2示出了风力涡轮机的此类转子叶片20，该转子叶片包括根部区段21和尖端区段22。两个区段（根部区段21和尖端区段22）沿转子叶片的翼展方向占多达百分之十。转子叶片的径向最外点是转子叶片20的所谓的尖端221。此外，转子叶片20包括后缘231和前缘241。前缘241通常具有曲形的和圆状的形状，而后缘231通常具有尖锐的或钝的边缘。围绕前缘241的区段被称为前缘区段24；同样地，围绕后缘231的区段被称为后缘区段23。

后缘23和前缘24之间的直线被称为弦线27。弦线27将翼面分为压力侧25和吸入侧26。图2中示例性地示出了翼面中的一个。将理解的是，转子叶片20包括从根部区段21到尖端区段22的一个挨着一个的多个翼面。这些逐渐改变的翼面引起转子叶片的形状逐渐改变。翼面在转子叶片的大多数区段中具有升力产生形状。

图3示出了根据本发明的一个实施例的具有压力供应系统的风力涡轮机10。在前视图中看到了风力涡轮机10。因此，机舱12隐藏在毂13后面并且在该视角中不可见。除此之外，风力涡轮机10包括三个转子叶片20，其中，每个转子叶片20包括气动装置41，该气动装置在图3的示例中被构造为后缘襟翼。后缘襟翼安装在转子叶片20的后缘231处，并且在相应的转子叶片的外侧部分（outboardpart）中沿着后缘231延伸。

压力供应系统包括居中地位于毂13中的一个公共加压空气供应系统31。加压空气供应系统31将加压空气提供给三个转子叶片中的每一个。因此，呈压力管线形式的加压空气传输系统32从加压空气供应系统31延伸到各单独的转子叶片。能够经由三个单独的阀来控制加压空气通过压力管线的传输，每个转子叶片20对应一个阀。在经由根部区段进入转子叶片之后，压力管线沿着抗剪腹板（所述抗剪腹板在图3中不可见）延伸到气动装置41。每个加压空气传输系统32在入口端口处进入气动致动器33，并且向气动致动器33供应加压空气。

图4再次图示了居中地位于风力涡轮机的毂13中的一个公共加压空气供应系统31的变型。换句话说，存在加压空气的一个单一输入端但存在加压空气的多个输出端。

与图4中所示的变型不同，图5示出了替代性实现方式，其中存在多个输入源和多个输出器件。具体地，为每个转子叶片提供一个单独的加压空气供应系统31，并且向一个单独的转子叶片供应加压空气。在图5中所示的示例中，加压空气供应系统31位于毂13中，但可替代地还位于转子叶片中，诸如在转子叶片的根部区段21中。

图6是在风力涡轮机的转子叶片处切割出的区段（sectioncut）。它也可被描述为示出了此类转子叶片的压力侧壳，或者更确切地说是其一部分。转子叶片包括抗剪腹板42，该抗剪腹板位于如从转子叶片的前缘测量的大约40％的弦长处。可以看出，将空气从加压空气供应系统带到和供应到气动装置的加压空气传输系统沿着抗剪腹板42延伸，直到它到达压力储器43。压力储器被对准并附接到抗剪腹板42。加压空气传输系统（具体地，压力管线）从压力储器43直接延伸到转子叶片的后缘，并在靠近转子叶片的后缘处离开转子叶片的内腔。在那里，它被对准在转子叶片的压力侧25处，直到它到达气动致动器33。

气动致动器33能够移动被实现为两部分式襟翼411的气动装置，并且气动致动器能够将襟翼411移动到期望的取向中。例如，襟翼411取向的向下（即，进一步朝向压力侧25）改变可显著地改变转子叶片的升力和负载。

作为替代方案，图7示出了压力管线不沿着抗剪腹板对准，而是沿着转子叶片的钝且厚的后缘231对准。在此，压力管线32从一开始就已经离开叶片。还应注意，在如图7中所图示的实施例的情况下，加压空气供应系统31位于转子叶片的根部区段21中。

图8示出了关于包括压力供应系统的转子叶片20的完整视图。压力供应系统包括位于转子叶片20的根部区段21中的加压空气供应系统31。呈压力管线形式的加压空气传输系统从加压空气供应系统31直接通向压力储器43。压力储器43位于转子叶片20的外侧区段（outboardsectoin）中，即靠近具有需要被供应有加压空气的气动致动器33的气动装置41。存在从压力储器43到达气动致动器33的另一条压力管线。气动致动器33包括入口端口，压力管线在该入口端口处到达气动致动器33。此外，气动致动器33还具有与真空储器44连接的排气端口。真空储器44也位于转子叶片的外侧部分（outboardpart）中。

最后，图9和图10示出了襟翼411的示例，该襟翼是气动装置的示例。襟翼411是后缘襟翼，其布置在转子叶片的后缘区段23处。它包括直接连接到转子叶片的后缘区段23的一个部分。襟翼411还包括另一个区段，襟翼411通过该另一个区段附接到转子叶片的压力侧25。

襟翼411包括其中设置有软管331的腔。软管331几乎填充整个腔。软管331可以借助于加压空气传输系统被空气填充或排空，该加压空气传输系统首先在转子叶片的外部延伸并且随后进入转子叶片的腔。致动器还可包括排气端口，然而，为了简化起见，这已在如图9和图10中所示的横截面图中被省略。

如图9中所图示的第一构型和如图10中所图示的第二构型之间的差异是软管331的体积。在图9中，软管331几乎是空的。换句话说，它被放气。没有压力被施加到软管331中存在的空气。与之相比，在如图10中所图示的第二构型中，加压空气已被压入到软管33中。通过对襟翼411的精心设计，当软管331被充气时，襟翼411改变其形状及其构型。在这种情况下，襟翼411向下（即，朝向转子叶片的压力侧25）弯曲。这具有改变升力及因此改变转子叶片的负载的效果。应注意，图9和图10仅示出了此类气动致动器的许多可能的实施例中的一个。