CN100366893C

CN100366893C - 一种风力发电设备的转子叶片

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Publication number: CN100366893C
Application number: CNB2004800114863A
Authority: CN
Inventors: 艾劳埃斯·乌本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: CA2524208A1; BRPI0409782B1; JP2006524772A; PT1620646T; NZ543574A; ZA200508323B; CA2524208C; DE10319246A1; AU2004234487B2; US20070036657A1; EP2258943A2; AR046912A1; DK1620646T3; BRPI0409782A; US7946803B2; CA2683764C; KR20060017761A; NO20055599L; EP2258943A3; EP1620646A1

Abstract

本发明涉及一种用于风力发电设备的转子叶片以及风力发电设备。本发明的目的是公开一种带有一转子叶片型面的转子叶片以及一种相应的风力发电设备，其改进了效率。为了达成该目的，可有几种方案：一种风力发电设备的转子叶片，其中该转子叶片的最大厚度的位置大约介于15%和40%之间，优选介于23%和28%之间，最大型面厚度大约介于20%和45%之间，优选介于32%和36%之间；该转子叶片在根部区域具有两个部分，转子叶片的一部分配置在轮毂的外侧，转子叶片的型面深度和该转子的直径之比介于0.04和1之间，并且该转子叶片的型面深度和该导流帽的直径之比介于0.5和1之间。

Description

一种风力发电设备的转子叶片

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统的转子叶片以及相应的风力发电系统。

背景技术

就有关的现有技术的状态，我们参阅了1996年出版的作者为艾里奇·豪(Erich Hau)的书“风力发电系统”(Wind power systems)。这本书包含现有技术的一些风力发电系统、风力发电系统的转子叶片以及转子叶片的横截面的例子。根据NACA的气动型面(profile)的几何构造尺寸显示在该书第102页上的图5.34中。如该图所示，转子叶片由下列参数描述：对应于弦长的型面深度(profile depth)；限定弦上方的骨架线的最大高度的最大拱形(或拱形比)；最大拱形的位置，即在转子叶片的横截面内相对于型面深度的最大拱形的位置；限定一个圆心位于骨架线上的内接圆的最大直径的最大型面厚度；以及最大厚度的位置，即转子叶片的横截面相对于型面深度呈现最大型面厚度的位置。另外，前缘半径以及上下侧的型面坐标也用来描述转子叶片的横截面。还有，艾里奇·豪的书中的术语也用来描述根据本发明的转子叶片的横截面。

现有技术的其它转子叶片公开在DE 103 07 682、US 5,474,425、US6,068,446以及DE 694 15 292中。

可以从几个不同的方面对转子叶片进行优化。转子叶片不仅应安静运转，还应具有一个最大动力性能，以在较低风速时启动风力发电系统的旋转并在可能的最小风力强度下达到额定速度，该额定速度即第一次达到风力发电系统的额定功率的转速。如果接下来风速增大，一般作法是增加调整在风中的由迎风角(pitch)调节的风力发电系统的转子叶片，使得在保持额定功率的同时减少转子叶片的迎风表面积，以保护整个风力发电系统以及其部件不受机械损坏。在任何情况下，一个风力发电系统的转子叶片的叶片型面的气动特性是最重要的。

发明内容

本发明的目的是公开一种具有转子叶片型面的转子叶片以及一种相应的风力发电系统，其与至今为止所知的转子叶片相比可以提高效率。

根据本发明，所述目的通过提供一种风力发电系统的转子叶片来实现，其中该转子叶片具有压力侧和吸力侧，并且该转子叶片的最大厚度的位置介于转子叶片长度的15％和40％之间，最大型面厚度介于转子叶片弦长的20％和45％之间，其中上述横截面至少位于毗连所述转子叶片安装部的转子叶片的下三分之一区域，该转子叶片在该叶片部分由第一部分和第二部分组成，该第一部分大于该第二部分，而该第二部分在其根部区域包括转子叶片的后缘区域，并且第二部分包含用于改变转子叶片表面大小的装置；其中所述压力侧包括具有凹入的拱形的部分，并且在所述吸力侧上形成了接近直线的部分，其中该转子叶片的压力侧与弦线相交两次，使得所述压力侧在后部区域中凹入而在前部区域凸出，并且该转子叶片的最大宽度位于所述转子叶片安装部区域中。本发明还提供一种具有上述转子叶片的风力发电系统。

附图说明

下面参照几幅附图对本发明进行描述，各个图显示：

图1为根据本发明的一个风力发电系统的前视图；

图2为根据本发明的一个风力发电系统的后视图；

图3为根据本发明的一个风力发电系统的侧视图；

图4-8为根据本发明的转子叶片的不同方向的视图；

图9为根据本发明的一个风力发电系统的放大视图；

图10为根据本发明的一个转子叶片视图；

图11-17、19为根据本发明的风力发电系统的不同视图；以及

图18为根据本发明的一个转子叶片的横截面(靠近轮毂的区域)。

具体实施方式

具体地，本发明所述的转子叶片1的型面位于转子叶片1中邻近转子叶片1安装部(连接轮毂的部位)的区域。优选地，本申请所描述的型面位于转子叶片1相对于自身整个长度的前三分之一处。取决于风力发电系统的额定功率，这些转子叶片的总长度介于10m到70m之间。例如，一个Enercon-112型的风力发电系统(直径大约112m)的额定功率为4.5MW，而一个Enercon-30型的风力发电系统的额定功率为300kW。

根据本发明的转子叶片的型面的一个独特的特征是其最大型面厚度TR大约为该转子叶片弦长的20-45％，优选为32-36％。在图18中，该最大型面厚度TR为转子叶片弦长的34.6％。图18所示的弦9从转子叶片的后缘3的中心2延伸到转子叶片前缘5的端点4。最大厚度TR的位置，即相对于叶片长度的最大型面厚度的位置，大约位于弦长相对于转子叶片前缘5的15-40％处，优选为23-28％。在所示的实施例中，最大厚度TR的位置为弦长相对于转子叶片前缘5的25.9％。该最大厚度TR垂直于所述弦9确定，并且该最大位置(25.9％)是相对于转子叶片前缘5而言的。

图18还显示了一条所谓的骨架线7。该骨架线7在任意位置都确定了转子叶片1的一半厚度。因此，这条骨架线7不是直的，而是正好位于转子叶片1的压力侧11和转子叶片1的吸力侧10上的相对点之间。该骨架线7在转子叶片后缘3和转子叶片前缘5与弦9相交。

在根据本发明的转子叶片的横截面中的最大拱形的位置大约位于弦长相对于转子叶片前缘5的50-70％处，优选为59-63％。在图18所示的实施例中的最大拱形C的位置大约位于弦长相对于转子叶片前缘5的61.9％处。最大拱形C在这种情况下大约为弦长的3-10％，优选为弦长的5-7％。在图18所示的实施例中，最大拱形大约为弦长的5.87％。

根据本发明的转子叶片的型面的另一个明显的独特特性是，该转子叶片1的压力侧11与所述弦9在点12和13处“相交”两次。因此，该型面压力侧11在这个区域中是形成为凹入的，而压力侧11在型面的前部是形成为凸出的。在压力侧11的凹入区，吸力侧由在该吸力侧10上的相应的相对区域内的一条基本上直的线限制。

众所周知，也可以将压力侧11形成为凹入的拱形，或将吸力侧10形成为一条直边。但是，这两种方法的组合，特别地，对根据本发明的转子叶片1型面来说是最重要的，并且是本发明的转子叶片型面的特征。

所示型面的转子叶片后缘3也是特别厚。但是，这不会造成在转子叶片的后缘3产生噪音，因为所示型面设置在由转子叶片梢部限定的圆的内三分之一以内，而且该处的轨迹速度也不是很高。

转子叶片1的气动外形可以通过这样设计转子叶片根部区域15(例如图1、3、9、11、15)来改进：转子叶片1在该区域具有最大厚度，因此，该转子叶片1大约为多多少少与最佳气动外形类似的梯形(平面视图)。在根部区域15，该转子叶片1优选这样实现：将朝向风力发电系统机舱18的转子叶片根端15的边缘16改装成在至少一个角位置处与该机舱18的外部轮廓一致，例如，当转子叶片1位于其与设计风速对应的位置时，在朝向风力发电系统的转子叶片根端15的边缘16和该机舱18的外部轮廓之间有一个宽度大约为5mm到10mm的空隙。

一种具有前述特征的转子叶片1表明在某些情况下可以显著增加功率，即高达10％的功率。由于这个意料之外的功率增加，根据本发明的风力发电系统在低于额定风速的任一给定风速下的输出功率增加。另外，该风力发电系统与以前的相比可较快达到它的额定功率。这意味着该转子叶片也可以更早地转动(调整迎风角)以减小发出声音以及作用在该系统上的机械应力。

本发明基于以下思想，如今使用的传统转子叶片形状是在风洞中以不同的风速但在均匀的气流下测试的。但是，自然风很少均匀地吹且遵循随机分布规律，阵风可能引起气流在传统的转子叶片上分离，特别是在叶片没有通过气动处理和以最佳的方式形成的、靠近转子轮毂17的内叶片区域。气流在外转子叶片区域(转子叶片梢部)的方向的一定距离上继续分离。这可能导致在一个气泡状的区域中的气流分离并造成能量损失。由于对转子叶片1进行了清洁设计(clean design)，本发明还可以在上述类型的内转子叶片区域显著增加能量。

如果使用一个传统上标准的型面，而不使用本申请所提出的以经验确定的型面，转子叶片1的气动清洁设计可能需要在转子叶片下部区域(靠近轮毂17的区域)的型面深度大约加倍(其对应于转子叶片1的弦长)。但是，需要前部区域的显著型面厚度来传递一个安全载荷和获得一个大于2的升力系数C_A。

现有技术的转子叶片通常制造为可在所述内区域中实现最大量地节省材料。这种现有技术的转子叶片的典型例子显示在上述1996年出版的作者为艾里奇·豪的书“风力发电系统”的第114和115页上。根据这些例子，最大型面深度总是位于距转子叶片安装部一定距离处，即在转子叶片安装区域附近，其中根据现有技术在该区域中可节省材料。但是，当使用一个在平面视图中类似梯形的优化形状时，转子叶片的最大宽度并没有位于距转子叶片安装部一定距离处，而正好位于转子叶片安装部本身的区域内。因此，这里不能在该转子叶片的内区域最大量地节省材料。

节省材料的原因可以在(上述)计算/开发转子叶片时对气流条件的静态考虑中看到。另外，流行的计算转子叶片的程序将转子叶片分成若干单独的段并且单独计算每一转子叶片段以得出对整个转子叶片的评价。

但是，真实条件很不同。第一，风不会在一定表面面积内均匀而定常地吹，而是呈现为一种明显的随机行为。第二，风速是一个关键因素，因为转子叶片1的外周速度在内区域(即转子轮毂17附近区域)内很低，使攻角的改变高度依赖于此区域中的瞬时风速。因此，边界层分离也以一个相应的频率发生在转子叶片1的内区域。

滞后作用在这样的情况下是有效的。一旦风速降到以前的风速，例如在一阵风过后，转子叶片1上的边界层不会立即恢复，而是风速必须先进一步减小(即需要进一步调整攻角)直到转子叶片上的边界层恢复为止。但是，如果风速没有进一步减小，很可能是无论来流风速如何都有一定的力在一较长期内施加在转子叶片1上，原因是该转子叶片1表面上的边界层还没恢复。

根据本发明设计的转子叶片显著降低了边界层分离的风险。所述较厚型面也有助于降低分离的风险。效率显著增大的另一个原因是，一旦边界层分离后，所述滞后效应引起的输出功率减小将持续一段较长时间(在使用现有技术的转子叶片时)。

所述效率增加的部分原因也在于，风利用了最小阻力的路径。转子叶片1的靠近轮毂17的内区域(显著节约材料)很薄的设计相当于在转子圆圈的由所述转子叶片1掠过的获取区中的一个的“漏孔(slip hole)”，从而气流倾向于流过这个漏孔。这是流行的计算程序的另一个弱点的标志——这些程序的计算总是基于在由转子叶片掠过的圆形区域上的均匀分布。

如果通过在靠近轮毂17区域使用一个梯形的转子叶片1的设计而将该“漏孔”封闭，那么在整个圆形区域上的气流分布得到改善并且转子叶片外区域的效应得到一些加强。结果是，这个“漏孔”的封闭提高了根据本发明的转子叶片1的功率系数。

这也指出了流行计算程序的另一个弱点，因为这些程序还将与“漏孔”直接毗连的转子叶片段考虑成一个完全发挥作用的转子叶片段。但是，由于所述特殊的流动条件(频繁的边界层分离发生后紧跟着是所需的流动条件的恢复)，事实并非如此。

图11-17分别示出了一个根据本发明的风力发电系统的前视图和侧视图。在这些图中，所述三个转子叶片在靠近轮毂17的区域基本上无缝地过渡到机舱18的外轮廓线。但是，这仅仅适用于与额定的风位置相应的转子叶片的位置。

一旦风力的增大超出额定风力值，传统方法是通过变迎风角(迎风角调整)来随风慢慢地调整转子叶片。其中，图15显示这很容易导致在转子叶片1在其内区域下缘16和机舱18之间形成一个较大宽度的间隙。但是，图15也显示机舱18的外侧包含一个横截面在很大程度上对应于转子叶片1靠近轮毂17区域的型面的结构30。当转子叶片1调整到一个相应的攻角时，该结构30直接位于以额定速度运转的转子叶片1的下面，使得该结构30和转子叶片1靠近轮毂17的区域之间仅形成一个窄的间隙。

因此，机舱18的外轮廓线还包含一个没有与转子叶片1形成为一体的转子叶片1的段，即结构30。

在图18所示的转子叶片1型面中，梢部半径大约为型面深度的0.146。

根据图18，吸力侧10包含一较长的基本为直的区域14。例如，该区域如下所述：在介于型面深度的38％和100％之间的区域，所述半径等于型面深度的长度的1.19倍。在介于型面深度(见图18)的40％和85％之间的该区域，所述半径等于型面深度的2.44倍。在介于型面深度的42％和45％之间的该区域，所述半径等于型面深度的5.56倍。

在介于型面深度的36％和100％之间的该区域，与一条理想直线的偏差的最大值大约为型面深度的0.012。这个值是确定的，因为曲率半径不是恒定的并且各个区域的最大曲率半径已经定义过了。

在所示例子中，吸力侧10的长度大约为型面深度的1.124倍，压力侧11的长度大约为型面深度的1.112倍。这意味着吸力侧10仅仅稍微长于压力侧11。因此，如果吸力侧10的长度与压力侧11的长度比小于1.2，优选小于1.1或介于1和1.03之间是非常有利的。

这些图显示，转子叶片1的型面深度在整流罩——即风力发电系统的机舱18外侧——处最大。在一个转子的直径为30米的风力发电系统中，在整流罩处的型面深度可以是，例如大约1.8到1.9米，优选为1.84米。如果整流罩的直径D大约为3.2米，转子叶片1在整流罩处的型面深度与整流罩直径D之比大约为0.575。因此，如果型面深度与整流罩直径D之比大于0.4或介于0.5和1之间是非常有利的。在这点上，可选取上述区间中的任何值。在上述例子中，型面深度与转子直径之比大约为0.061。很明显，如果型面深度与转子直径之比大于在0.04至0.1之间、优选在0.055至0.7之间的一个值——此种情况下例子所取的值对于转子叶片1的效率是非常有利的，所导致的“漏孔”最小。

在另一个例子中，转子叶片1的前三分之一的型面横截面显示于图18中，该图中整流罩处的型面深度大约等于4.35米，整流罩的直径D大约为5.4米而且转子的总直径为71米。在这种情况下，型面深度与整流罩直径D之比为0.806且型面深度与转子直径之比还是0.061。上述值是对一个具有迎风角调整的三叶片转子而言的。

如上所述，转子的最宽处(该转子的最大型面深度处)可以直接形成在叶片安装部区域内。术语叶片安装部是指转子叶片1连接(结合、螺接等)到风力发电系统的轮毂17的区域。另外，转子叶片1的下侧16，即朝向风力发电系统的机舱18的那一侧，形成为或很大程度上与机舱18的纵向外轮廓相一致。因此，一个处于顺桨迎风角位置(feathered pitchposition)(实际上没有表面还与风向对准)的转子叶片平行于朝向机舱18的下缘16，并且该下缘16和机舱18的外轮廓线之间的距离是最小的，优选小于50cm，实际上小于20cm。

如果此时该转子叶片1调整到风场中，其最大表面也位于转子叶片1的最内区域(漏孔很小)。前面引用的艾里奇·豪的书显示，现有技术的转子叶片在靠近轮毂的区域继续减小(转子叶片在该处比在它们的最宽点窄)。相反，根据本发明的转子叶片的最宽点具体地位于靠近轮毂的区域内，使得风的势能可在该位置完全被利用。

众所公知，特别是很大的转子叶片在靠近轮毂的区域的转子叶片很宽。该转子叶片1还可以由两部分组成以便于运输这样的转子叶片(大转子叶片，例如，长度超过30m的转子叶片，其靠近轮毂区域的宽度最好介于5m到8m之间)。所述两部分在运输过程中分离并且可以在该转子叶片到达安装位置后装配该转子叶片。该转子叶片安装在风力发电系统上时该两部分例如通过螺钉连接或不可分连接(焊接)而相互连接。特别是对于大转子叶片，这不是什么问题，因为这样的转子叶片的内部在装配过程中也是够得着的。该转子叶片的外侧具有均匀外观并且在两个完成装配的部分之间的分隔线很难看得见或完全看不见。

初步的测量结果表明，与现有的传统转子叶片相比，根据本发明设计的转子叶片可以显著提高效率。

根据图1-17，实现本发明的一种风力发电系统的转子叶片，使得它们的最大型面深度位于靠近轮毂17的区域，并且该转子叶片沿着轮毂17附近区域内的整个型面延伸到邻近该风力发电系统的发电室的机舱18导流帽(整流罩)的部位。这导致至少在转子叶片1调整到与高达额定风速范围的风速相应的角度的位置时，转子叶片1和机舱18导流帽之间的间隙很小。例如，在图1、2和3中，转子叶片1还延伸到机舱18导流帽与后型面深度区域邻近的一个位置。在所示的另一个变体中，例如在图11-17中，机舱18导流帽本身的外侧具有一转子叶片段(结构30)，但是该段没有一体地形成整个转子叶片1的一部分。图15和17特别地显示了，形成在机舱18外部的所述转子叶片部固定在这个位置，并且其角度设置成与高达额定风速时转子叶片1的角位置相应。这意味着至少在风速高达额定风速时，在转子叶片1的下缘16和机舱18后型面深度区域之间也形成一个最小的间隙。

图19还很清楚地显示了根据本发明设计的转子叶片在转子中心具有用于风的很小的“漏孔”。

图18显示了根据本发明的转子叶片1沿图17中的A-A线的一个横截面，即转子叶片1在轮毂17附近区域的型面。

图17还包含一个显示整流罩的直径D的标识。

转子的直径由转子旋转过程中其扫过的圆形区域的半径描述。

根据图15和其它图，转子叶片1的部分(结构30)没有一体地形成所述旋转转子叶片1的一部分，而是一体地形成机舱18导流帽外部的一部分。该相应部分可以用螺钉安装到所述机舱18或一体连接或焊接到机舱。

在根据本申请的转子叶片1的长度很大以及在轮毂17附近区域的相应转子叶片深度——即叶片弦9——很大的情况下，该区域将叶片分成两部分或多部分以简化转子叶片1的运输是可行的。在这种情况下，转子叶片1在达到整个转子叶片1安装到轮毂17的安装位置之前不对该转子叶片进行重新装配。在这样的情况下，部分转子叶片1可如图20所示实现。根据该图，在叶片后缘区域缺一段。通过附上所缺段可以在该区域恢复图18所示的型面。

所述两部分可以通过螺钉、焊接或其它固定方法相互连接。

也可以提供在转子叶片1的所述区域改变该转子叶片1的表面大小的装置。相应的变体如图21-23所示，必须注意，这些图所示的转子叶片1的横截面应理解成是示意性的(转子叶片的型面大体上对应于图18所示的型面)。

图21-23所示的变体提供了如需要可以减小转子叶片的整个表面的优点。这在极端风力条件下以及在转子叶片的运输过程中是很实际的，因为它允许或至少简化转子叶片的运输并防止风力发电系统在极端风力条件下的过载。

在本发明的一个特别优选的变体中，部分表面由一可变形材料组成，该材料形成了一个封闭容器(该容器形成后型面壳)的一部分。这个封闭容器可以装有例如受到一定压力的气体介质。这导致了该转子叶片具有一部分可膨胀的表面，其在运输过程中或在极端风力条件下可抽出该叶片中的气体，因此需要更少空间，并在风压的作用下会发生屈服。这减小了转子叶片的有效表面积以及迎风面。包括塔台的下游部件上的载荷同时也减小了。

在本发明的另一个变体中，转子叶片在所述后盒体(rear box)(在图20中未示)区域中包含第二个机翼结构，该机翼结构在该区域上和/或中可以移动。所述可变形材料可以固定在该第二机翼结构的一预定位置，而且该可变形材料的一侧可以安装在一个可旋转的卷绕单元上。

所述第二机翼结构可以风力发电系统的正常操作模式伸展，即伸展臂完全伸展或者伸缩臂完全延伸。所述可变形材料的一侧安装在一个可旋转的卷绕单元上。如果转子叶片表面的表面积必须减小，则转动该卷绕单元——类似于一个雨蓬——以卷起所述可变形材料。折叠臂同时折叠并减小第二机翼结构在可减小表面区域的大小，使得转子叶片的表面积相应地减小。

在本发明的一个可选变体中，转子叶片表面的一部分包含分别设置在一个支撑导轨上的薄片式条带，该支撑导轨绕其纵轴可枢转。在正常操作模式中，这些薄片式条带排成一排使得它们增加了转子叶片的气动有效表面积。在转子叶片运输过程中或在极端载荷作用下，所述支撑导轨可以枢转，使相应的薄片移到例如剩下的转子叶片的背风面，并因此而相应减小转子叶片的表面积。

在本发明的一个特别优选的进一步改进中，所述气动有效转子叶片表面的可移动部分由一个可以在转子叶片深度的方向上移位的单独平面单元组成。在正常运行模式下，这个平面单元优选地在吸力侧增加转子叶片的表面积，以产生一个大的气动有效表面积。

为了减小表面积，这个平面单元可以类似于一个机翼的襟翼系统移动该平面单元，使之移到转子叶片内并由转子叶片剩下的表面覆盖，或移到转子叶片上并覆盖转子叶片的表面。在任何情况下，这导致转子叶片表面积的减小。

在本发明的一个可选变体中，这个平面单元的一侧以枢转方式连接到第一机翼结构或转子叶片后缘。转子叶片的表面积可以通过将该单元绕该单元轴朝转子叶片的吸力侧或压力侧枢转而改变。

如果该平面单元枢转了大约90°，其大体垂直于气流方向位于转子叶片上并产生一个相应的减速效应，因为它阻碍空气沿着转子叶片的表面流动。

以下将参照附图对本发明的几个变体进行详细描述。它们显示：

图20为根据本发明的一个转子叶片的俯视图；

图21为根据本发明的一个转子叶片的前段的俯视图；

图22为根据本发明的一个转子叶片的第一变体的示意横截面；

图23为根据本发明的一个转子叶片的第二变体的示意横截面；

图24a，24b为根据本发明的一个转子叶片的第三变体的示意横截面；

图25为根据本发明的一个转子叶片的第四变体的示意横截面；

图26为根据本发明的一个转子叶片的第五变体的示意横截面；

图27a和27b为根据本发明的一个转子叶片的第六变体的简化横截面；

图28为根据本发明的一个转子叶片的一个有利变体的俯视图；

图29-33为本发明的其它有利的例子。

图20显示了一个根据本发明的完整的转子叶片的示意俯视图。转子叶片100分成两部分。就其关键部件，转子叶片100按传统方式设计。但是，在临近转子叶片根部120的区域，即具有最大叶片深度的那个区域，可以看到一个划分出来的区域。这个划分出来的区域为转子叶片的区域140，该区域的表面积如果需要可以减小，使之不再受到风的作用。

图21显示了转子叶片100的刚性部分，该部分的表面积保持不变。这个图清楚地显示转子叶片100的气动有效表面积显著地减小了，使得特别是在极端风力情形下的载荷大大低于一个传统设计的转子叶片的载荷。

图22显示了一个本发明的第一变体的示意横截面。在此情形下，转子叶片100分成一个前部区域110和一个后部盒体(rear box)140。该后部盒体140由两条可变形材料带180组成，所述条带与前部区域110的后壁一道形成了一个封闭的容器160。如果这个封闭容器160现充满一压缩的气体介质，所述可变形材料180形成根据本发明的转子叶片100的表面区域的一部分，该部分在正常运行模式下是气动有效的(并在图20中由附图标号140标识)。

转子叶片的这一段可以这样的稳定性形成，使得在正常风条件下它的正常效应变得很明显。但是，施加在转子叶片的这一部分的风压在极端风力条件下较高，使外压高于内压，从而在这种情况下转子叶片在后部盒体140区域变形并且该转子叶片最终在外部风压作用下屈服。这不仅在极端的风力下减小了迎风面，而且也减小下游结构上的载荷。

还应注意，当例如当风速超过一预定值时，可以主动将后部盒体的这一部分(其中装有填充介质)中的介质抽出以减小该转子叶片的表面积。这种主动抽取提供了这样的优点：转子叶片的形状永远是确定的，而如果所述后部盒体在外压作用下屈服时可能引起不确定的情形。

为了防止容器160受损，可以例如提供一个允许将形成在容器160内的过高压力释放掉的压力安全阀(未示出)。

正常运行模式所需的压力可以利用一个压缩机170恢复。如果提供有控制阀和/或压力传感器(未示)，在风压有涨落时也可以调整容器160内的压力以一直保持最佳运行条件。

图23显示了本发明的第二变体，其中转子叶片吸力侧的表面延伸而不是使用一个完整的后部盒体140。这个延伸由一个连接前部区域110的平面单元240组成。

这个平面单元240可以在由箭头所示的方向上移位以减小气动有效表面积。这种移位可以由例如相应的液压缸来液压地实现、由气压缸气动地实现或由电动驱动系统等实现。当然，必须提供用于此目的的相应的泵、压缩机或驱动装置(致动器)(但为更清楚起见在图中没有显示这些装置)。

所述平面单元可以移进前部区域，使得前部区域110的表面覆盖平面单元240。可选地，该平面单元也可以移到前部区域110的表面之上，使得该平面单元240覆盖前部区域110的相应部分。在两种情形下，转子叶片100的气动有效表面积都减小了。

图24a和24b显示了本发明的第三变体。图24a显示一可变形材料的卷轴200，标号300标识了处于折叠状态的折叠臂。这个机构可以类似于一个遮阳蓬的方法实现。

图24b显示处于正常运行模式下的该变体。折叠臂300伸开并且安装于其上的可变形材料180在折叠臂伸开的过程中从卷轴200处展开。因此，卷轴200不再携带整个缠绕材料。

在展开状态中，可变形材料180的一端固定在卷轴200上，而另一端固定在折叠臂300在图中指向右边的一端上。折叠臂的两端可以连接到一个未示的连结板上，以增加所述结构的刚性和将可变形材料固定到位。

为了防止可变形材料180在卷轴210和折叠臂300的外端之间变得松弛，可以在可变形材料180的下方装一个类似于可调整格栅的装置(未示出)，该格栅由折叠臂300同步致动并支持伸开状态下的可变形材料180。

将所述过程反过来可以减小有效表面积；使折叠臂300和所述可调整格栅(未示)折叠并同时使可变形材料300缠绕在卷轴芯210上。这最终形成如图24a所示的卷轴200，以及导致转子叶片100的有效表面积减小。

在如图25所示的本发明的第四变体中，平面单元240以枢转方式连接到前部区域110后部，使得它形成为前部区域110的吸力侧的一个延伸部。

在这种情形下，平面单元240由一个设置在平面单元240和前部区域110的支持结构之间的压缩弹簧280支持。

在正常运行模式下，压缩弹簧280这样支持所述平面单元240使之保持在适当的位置。如果一个反常风压施加在转子叶片100的上侧，施加在平面单元240表面上的压力增加，并克服弹簧280的力使图25所示的平面单元240向下压，并在风压作用下屈服。这导致气动有效表面积的相应减小。

除了使用一个弹簧280，也可以提供相应的伸缩单元，例如液压或气动或机械装置，以主动调节所述平面单元。也可以例如利用螺杆或蜗杆驱动装置等来将平面单元240保持在第一预定位置或者将该平面单元移到第二预定位置。当然，必须提供相应的泵、压缩机或驱动装置来操作这些致动器，这些装置为清楚起见在图中未示出。

在这种情况下也可以确定施加在平面单元240上的风载荷，其中平面单元240作为所测量的风载荷的一个函数绕枢转轴枢转，以根据瞬时的运行状况最佳地调整所述平面单元。

图26显示了本发明的第五变体。在这个第五变体中，平面单元240没有以枢转方式连接到前部区域110的后侧，而是设置在可以一个可以绕自身纵轴旋转的铰接销上。在图26所示的位置，平面单元240形成转子叶片100的气动有效表面积的一个延伸。

为了减小这个表面积，其上固定有平面单元240的铰接销220绕其纵轴旋转，使平面单元240的外端沿由所示双箭头标识的两个方向之一运动。这也导致转子叶片100的气动有效表面积减小，并因此导致施加在转子叶片100和风力发电系统的所有下游部件上的风载荷发生改变。

图27a和27b示出了图26所示的实施例的一种改进。在图26中由标号240标识的平面单元在图27a中分成三个片层单元260。这些片层单元在图27中有意设置成彼此分开以说明这种分割。当然，这三个单元实际上设置成它们可形成一个大致上封闭的表面，该封闭表面尽可能平滑地过渡到转子叶片100的前部区域。

每个片层260设置在自身的铰接销上。每个铰接销280可绕自身的纵轴旋转，从而通过绕纵轴旋转铰接销280来枢转各个的片层260。

图27b显示了根据本发明的一个装置处于如下情形：其中这些片层枢转到这样一个位置，其减小了转子叶片100的气动有效表面积。在这种情况下，片层260枢转到前部区域110的背风面。因此，片层不再形成转子叶片的表面的一部分，使得它们不再受到风和任何升高的载荷的作用。

这样一种装置实现为，除了铰接销280绕它们的纵轴旋转外，图中的左铰接销280和转子叶片100的前部区域110之间的距离以及铰接销280之间的相互距离减小了。

虽然图中仅显示了位于吸力侧表面的一延伸部，自然地，也可以可选地或同时地改变压力侧的表面的大小。

如果一个风力发电系统具有上述的转子叶片，并且出现了一个极端风力条件时，不仅可以借助风速指示器确定高风力，还可以借助相应的控制装置来显著减小转子叶片表面的大小。根据图20和21，图20所示的转子叶片的表面积比图21所示的转子叶片的表面积大10％。当风力发电系统运行在正常模式时，例如，风速介于2-20m/s之间时，转子叶片调整到它的正常尺寸。一旦风速增大到高于20m/s，该表面积可以如图21所示显著地减小。

优选地，所述控制装置以计算机辅助的方式实现，并确保如果需要可以分别调整转子叶片的最佳表面积。

图33显示了根据本发明的转子叶片的另一个变体。在这个情况下，所述结构由可枢转的环320组成，该环320由一可变形薄膜覆盖并枢转支撑在支撑点340处。在朝转子叶片梢部(箭头)移动的过程中，这些环例如绕所述支撑点340枢转，以改变后部盒体的型面。

图28-33显示了图22-27b的其它可选和补充的变体。

图30b(图30a基本上对应于图25)显示了对图25的一种改进，其在压力侧具有一个辅助单元250。因为弹簧280的接触点分别相对于图25和30a没有改变，必须将单元240和250连接在叶片后缘上，使得它们可以绕一个结合点260枢转。在某些情况下，可以在这个变体中将转子叶片盒体110实现为沿转子叶片的长度(转子叶片的长度在图1中用符号L表示)方向上与单元250重叠。

图31b(为图26和31a的一个扩展变体)还示出了位于压力侧上的一个单元250，该单元如同单元240一样通过一个机械连接件连接到吸力侧的相同轴杆120上。

图32a和32b显示了根据图27a和27b的变体的进一步改进。在该例中，为压力侧的相应单元提供分离的轴杆280。类似于图27a，图32a显示了处于正常运行模式下的一个转子叶片。图32b显示了一种情形，其中所述后部盒体通过相应地转动或移动轴杆280来变得无效。

Claims

1.一种风力发电系统的转子叶片，

其中该转子叶片具有压力侧和吸力侧，并且

其中该转子叶片的最大厚度的位置介于转子叶片长度的15％和40％之间，最大型面厚度介于转子叶片弦长的20％和45％之间，

其中上述横截面至少位于毗连所述转子叶片安装部的转子叶片的下三分之一区域，该转子叶片在该叶片部分由第一部分和第二部分组成，该第一部分大于该第二部分，而该第二部分在其根部区域包括转子叶片的后缘区域，并且第二部分包含用于改变转子叶片表面大小的装置；

其中所述压力侧包括具有凹入的拱形的部分，并且在所述吸力侧上形成了接近直线的部分，

其中该转子叶片的压力侧与弦线相交两次，使得所述压力侧在后部区域中凹入而在前部区域凸出，并且

其中该转子叶片的最大宽度位于所述转子叶片安装部区域中。

2.如权利要求1所述的转子叶片，其中所述转子叶片的最大厚度的位置介于转子叶片长度的23％和28％之间。

3.如权利要求1所述的转子叶片，其中所述转子叶片的最大型面厚度介于转子叶片弦长的32％和36％之间。

4.如权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，该转子叶片的横截面由一条骨架线描述，该骨架线在任何给定点限定了所述转子叶片的一半厚度，其中该骨架线的最大拱形介于弦长的50％和70％之间。

5.如权利要求4所述的转子叶片，其中所述骨架线的最大拱形介于弦长的59％和63％之间。

6.如权利要求5所述的转子叶片，其特征在于，所述最大拱形为弦长的3％到10％之间。

7.如权利要求6所述的转子叶片，其特征在于，所述最大拱形为弦长的4％到7％之间。

8.如权利要求4所述的转子叶片，其特征在于，所述最大拱形为弦长的3％到10％之间。

9.如权利要求8所述的转子叶片，其特征在于，所述最大拱形为弦长的4％到7％之间。

10.一种风力发电系统，包括：

至少一个如权利要求1至9中任一项所述的转子叶片，该转子叶片安装在转子轮毂上，

轮毂导流帽，

其特征在于，转子叶片的一部分形成在该轮毂导流帽的外侧，并刚性连接到该轮毂导流帽上，其中转子叶片的该部分没有一体地形成为该风力发电系统的转子叶片的一部分。

11.如权利要求10所述的风力发电系统，其特征在于，形成在轮毂导流帽上的转子叶片的型面大体上对应于转子叶片在轮毂附近区域的型面。

12.如权利要求11所述的风力发电系统，其特征在于，形成在轮毂导流帽上的转子叶片的该部分被固定到位，并且大体按以下方式布置：当风速低于额定风速，且该转子叶片被调整到符合额定风速的位置时，其直接位于轮毂附近的转子叶片区域的下方。

13.一种风力发电系统，包括至少一个如权利要求1至9中任一项所述的转子叶片，

其中，所述至少一个转子叶片的最大型面深度位于转子叶片轮毂区域，并且

其中所述型面深度与转子直径之比取0.04和0.1之间的一个值。

14.如权利要求13所述的风力发电系统，其中所述型面深度与转子直径之比取0.055和0.7之间的一个值。

15.如权利要求13所述的风力发电系统，进一步包括

一个容纳发电机的发电室，以及

一个连接到发电机的转子，

其中，所述转子包括至少两个转子叶片，该转子包含一个具有导流帽或整流罩的轮毂，并且转子叶片的型面深度与整流罩的直径之比大于0.4。

16.如权利要求15所述的风力发电系统，其中所述转子叶片的型面深度与整流罩的直径之比介于0.5和1之间。

17.一种风力发电系统，该发电系统具有一个转子，该转子包括至少一个如权利要求1至9中任一项所述转子叶片，

其中，该转子叶片的形状类似于最佳气动形状的梯形，该转子叶片的最大宽度位于转子叶片的根部区域，并且朝向风力发电系统机舱的转子叶片根部边缘形成为沿纵向大体上与机舱的外轮廓线一致。

18.如权利要求17所述的风力发电系统，其特征在于，当所述转子叶片转到顺桨迎风角位置时，朝向机舱的转子叶片下缘在根部区域接近平行于机舱外轮廓线。

19.如权利要求18所述的风力发电系统，其特征在于，在所述顺桨迎风角位置，朝向机舱的转子叶片下缘和机舱外轮廓线之间的距离小于50cm。

20.如权利要求19所述的风力发电系统，其特征在于，在所述顺桨迎风角位置，朝向机舱的转子叶片下缘和机舱外轮廓线之间的距离小于20cm。

21.如前述权利要求10至20中任一项所述的风力发电系统，其特征在于，所述转子叶片在根部区域倾斜偏离转子叶片的主平面。

22.如前述权利要求10至20中任一项所述的风力发电系统，其特征在于，所述转子叶片在根部区域形成为两部分，其中，分隔线朝向该转子叶片的纵向。

23.如权利要求22所述的风力发电系统，其特征在于，所述转子叶片的部分在运输过程中保持分开。

24.如权利要求22所述的风力发电系统，其特征在于，将所述转子叶片安装到风力发电系统内后，才装配该转子叶片的所述两部分。

25.如权利要求24所述的风力发电系统，其特征在于，所述转子叶片的两部分在运输过程中保持分开。

26.如前述权利要求10至20中任一项所述的风力发电系统，其特征在于，该风力发电系统包含至少一个转子叶片，该转子叶片具有一个吸力侧和一个压力侧，其中吸力侧的长度与压力侧的长度之比小于1.2。

27.如权利要求26所述的风力发电系统，其中所述吸力侧的长度与所述压力侧的长度之比在1至1.03之间。