專利名稱：利用可變?nèi)~片幾何形狀控制對(duì)水平軸風(fēng)輪機(jī)的功率、載荷和/或穩(wěn)定性進(jìn)行控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例涉及一種設(shè)計(jì)概念，根據(jù)該設(shè)計(jì)概念，通過使用主動(dòng)幾何形狀控制(例如，智能材料或嵌入式機(jī)械致動(dòng)器)，或使用被動(dòng)幾何形狀控制(例如由葉片的載荷和/或變形導(dǎo)致的變化)，或這兩種方法的組合使葉片的幾何形狀快速變化，以控制風(fēng)輪機(jī)的功率、載荷和/或穩(wěn)定性。本發(fā)明具體涉及風(fēng)輪機(jī)葉片，風(fēng)輪機(jī)以及控制風(fēng)輪機(jī)的方法。
背景技術(shù)：
幾乎所有現(xiàn)今制造的大型風(fēng)輪機(jī)均在葉片根部設(shè)有傾斜軸承，從而可通過啟動(dòng)傾斜機(jī)構(gòu)容易地改變整個(gè)葉片的傾角(斜度，pitch)。葉片傾角的改變用作使轉(zhuǎn)子停止不動(dòng)的制動(dòng)器，還可用于以不同方式控制功率和載荷。在現(xiàn)行的失速受控的風(fēng)輪機(jī)上，可通過較慢地改變?nèi)~片的傾角來調(diào)節(jié)該傾角，以便葉片正好在最大功率下發(fā)生失速，但是該傾斜系統(tǒng)還可在低風(fēng)速下起作用以使功率最大。在傾角受控的風(fēng)輪機(jī)上，傾角在大風(fēng)下連續(xù)改變，從而不會(huì)超過最大功率。這是通過在風(fēng)速增加時(shí)減小葉片的入流角(迎流角，inflow angle)來實(shí)現(xiàn)的。該傾斜系統(tǒng)還可在低風(fēng)速下使用以使功率最大。
近來，新型傾角調(diào)節(jié)風(fēng)輪機(jī)也使用該傾斜系統(tǒng)，以通過循環(huán)傾斜或單個(gè)葉片傾斜來減小動(dòng)態(tài)載荷。該控制系統(tǒng)可使用不同的輸入信號(hào)，例如襟翼方向的載荷。
除了這種現(xiàn)有技術(shù)的通過葉片傾角變化來進(jìn)行控制之外，已有人提出用可移動(dòng)的、小的控制面來控制功率和載荷[2]。在USA由ZOND設(shè)計(jì)的550kW風(fēng)輪機(jī)使用一種局部延展的副翼系統(tǒng)來控制功率和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度[1]。該副翼系統(tǒng)類似于飛機(jī)的后緣襟翼。還有人提出并分析了連接到葉片的后緣的Gurney襟翼[3](參照[3]的圖1)。小控制面的優(yōu)點(diǎn)是與整個(gè)葉片被傾斜的情況相比，由于較小的慣性因而可較快地響應(yīng)。但是，Gurney襟翼的一個(gè)缺點(diǎn)是來自Gurney襟翼的自由端以及來自葉片內(nèi)的Gurney襟翼所處的位置處的間隙的氣動(dòng)噪聲會(huì)增大。
在航空工業(yè)內(nèi)，已研究和使用了前緣下垂和后緣襟翼。在[5]中示出由這些裝置所獲得的翼面特性的示例，并在圖2和3內(nèi)舉例說明。這是本發(fā)明預(yù)期的相同效果的變型。另外，還有人研究了微型航空器的空氣動(dòng)力學(xué)，其中已提出柔性翼面，參見[4]。

發(fā)明內(nèi)容
可以設(shè)想，本發(fā)明可通過沿葉片翼展的部分或全部在前緣區(qū)域和后緣區(qū)域內(nèi)連續(xù)改變翼面幾何形狀，以基本上瞬時(shí)地并沿風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子的葉片局部地控制空氣動(dòng)力。在優(yōu)選實(shí)施例內(nèi)，這可通過這樣的葉片結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，即，該葉片結(jié)構(gòu)包括位于翼面的中央部分內(nèi)的剛性的載荷承載部分以及可變形的前緣區(qū)域和/或后緣區(qū)域。載荷承載部分和可變形部分之間的連接優(yōu)選地是連續(xù)的，即不存在會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲的邊緣。
因此，本發(fā)明的第一方面優(yōu)選地涉及一種風(fēng)輪機(jī)葉片，其包括-一個(gè)或多個(gè)可變形的翼面部分，其中每個(gè)可變形的翼面部分的外表面在其所有形狀中都基本是連續(xù)的，以及-用于在可變形的翼面部分內(nèi)提供形狀改變的致動(dòng)器裝置。
應(yīng)指出，后緣本身的最下游的點(diǎn)可以不連續(xù)，并且在該可變形翼面部分變形期間以及變形之后會(huì)一直保持這種不連續(xù)。另外，當(dāng)結(jié)合例如葉片的形狀使用時(shí)，特征“連續(xù)”優(yōu)選地但不僅僅是指這樣的形狀，即，該形狀不會(huì)破壞通過輪廓或表面的氣流，例如不會(huì)分隔氣流。如果翼面部分或葉片的輪廓或表面的一階、二階以及可選地三階導(dǎo)數(shù)是光滑和連續(xù)的，則可以優(yōu)選地但不是唯一地認(rèn)為該輪廓或表面是連續(xù)的。此外，盡管參照風(fēng)輪機(jī)葉片說明了本發(fā)明，但是可以設(shè)想，本發(fā)明也可應(yīng)用于其它依靠空氣動(dòng)力上升的物體(lifting bodies)例如飛行器機(jī)翼等。
文中所用的術(shù)語“前緣區(qū)域”和“后緣區(qū)域”優(yōu)選地是指這樣的區(qū)域，即，該區(qū)域在翼弦方向的延伸在翼弦長(zhǎng)度的20％-30％的范圍內(nèi)，例如在翼弦長(zhǎng)度的10％-20％的范圍內(nèi)，但不僅限于此。
基于本發(fā)明的設(shè)計(jì)的示例是使用智能材料或通過結(jié)合在可變形材料內(nèi)的機(jī)械致動(dòng)器，以改變前緣區(qū)域和后緣區(qū)域的外部幾何形狀，并從而改變?nèi)~片部分的空氣動(dòng)力。
在下文中使用術(shù)語“智能材料”。該術(shù)語是指這樣的材料，即，一旦在該材料上施加電壓該材料就變形，例如優(yōu)選的材料是活性壓電復(fù)合材料。但是，也可使用其變形可被主動(dòng)控制的其它材料，并且這些材料對(duì)于本發(fā)明是優(yōu)選的。
可通過利用單個(gè)材料的特性，或通過組合多種成分的特性和功能以構(gòu)成智能材料，從而獲得智能材料。尤其優(yōu)選的領(lǐng)域是微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。可利用材料的機(jī)械的、熱的、電的、化學(xué)的、生物的和/或光學(xué)的功能性來增加優(yōu)選實(shí)施例的智能性。優(yōu)選的材料包括形狀記憶合金、壓電材料、磁致伸縮材料、電流變流體、電致變色材料、電致聚合物、手性材料、導(dǎo)電聚合物、光敏材料、厚膜和薄膜、光導(dǎo)纖維、可調(diào)電介質(zhì)、自監(jiān)控材料、自組裝材料、自修復(fù)/恢復(fù)材料、生物材料、電源、能源和自供電、多層和復(fù)合材料和/或智能復(fù)合材料。
翼面的可變形部分的致動(dòng)可通過主動(dòng)控制、被動(dòng)控制或這兩種控制的組合來實(shí)現(xiàn)。主動(dòng)控制優(yōu)選地包括風(fēng)輪機(jī)控制系統(tǒng)，其優(yōu)選地通過位于不同部件上的葉片入流測(cè)量裝置、流動(dòng)壓力計(jì)、應(yīng)變計(jì)和加速計(jì)對(duì)載荷、振動(dòng)和/或穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)控，以向智能材料或致動(dòng)器提供輸入信號(hào)，該信號(hào)隨后幾乎立即改變翼面部分的幾何形狀并由此改變空氣動(dòng)力。被動(dòng)控制優(yōu)選地包括由葉片變形的影響導(dǎo)致的幾何形狀的改變，例如由葉片在襟翼方向的彎曲或由壓力波動(dòng)導(dǎo)致的有效彎度的改變，該壓力波動(dòng)源于與氣流的交互作用。
已發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例可以通過控制沿葉片的瞬時(shí)空氣動(dòng)力來減小動(dòng)態(tài)載荷，該動(dòng)態(tài)載荷來自平均入流中的剪切、來自入流中的紊流，以及來自由葉片的固有運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷。也可以大大減小由塔架的影響而產(chǎn)生的載荷。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例還可以例如在葉片通過塔架的尾流時(shí)，通過減小翼面上方的動(dòng)態(tài)壓力變化而減小氣動(dòng)噪聲。
可變?nèi)~片幾何形狀概念的使用可與例如在葉片啟動(dòng)和停止時(shí)使用的全翼展傾角控制相結(jié)合，以根據(jù)平均風(fēng)速調(diào)整功率和載荷，并在轉(zhuǎn)子靜止時(shí)在極限風(fēng)速下減小載荷。
可以設(shè)想，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例可提供以下優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)·在控制操作期間葉片表面完全連續(xù)，這樣可降低氣動(dòng)噪聲并提高空氣動(dòng)力效率；·因?yàn)榭勺冃尾牧喜怀休d主要的葉片載荷，所以其可以由低密度的和柔性的材料制成，從而可以快速響應(yīng)；·沿葉片可實(shí)現(xiàn)不同的控制操作，這例如可用于在不同的葉片型式中減小動(dòng)態(tài)載荷并抑制振動(dòng)，從而提高風(fēng)輪機(jī)的穩(wěn)定性；·因?yàn)榭稍谧罱K地點(diǎn)安裝葉片的幾何形狀可變的部分，所以葉片更容易運(yùn)輸。
在風(fēng)輪機(jī)葉片的優(yōu)選實(shí)施例中，與通過作用在葉片上的外力實(shí)現(xiàn)形狀改變的設(shè)計(jì)相反，致動(dòng)器裝置可以是主動(dòng)裝置，即，可通過向該裝置提供能量而使其提供形狀改變。在尤其優(yōu)選的實(shí)施例中，每個(gè)可變形的翼面部分包括一基本不可變形的部分和一個(gè)或多個(gè)可變形部分。
至少一個(gè)該可變形部分的外表面優(yōu)選地由蒙皮(skin)限定，該蒙皮是由柔性材料例如橡膠制成，并且在這些實(shí)施例中，至少一個(gè)該可變形部分優(yōu)選地是殼結(jié)構(gòu)，其中蒙皮限定了該殼。另外，該殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部可用可變形的支承材料例如由塑料或橡膠制成的泡沫填充。
通常優(yōu)選地，基本不可變形部分的外表面和可變形部分的蒙皮之間的過渡基本是平滑的，例如基本連續(xù)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，該不可變形部分可包括鄰接面，蒙皮緊靠在該鄰接面上，并且該鄰接面成形為優(yōu)選地使該基本不可變形部分的外表面和蒙皮之間的過渡基本是平滑的，例如基本連續(xù)。在優(yōu)選實(shí)施例內(nèi)，該鄰接面可設(shè)置在連接到該不可變形部分的一結(jié)構(gòu)件上。
在許多優(yōu)選實(shí)施例中，該致動(dòng)器裝置作用在蒙皮的內(nèi)側(cè)上。
在許多優(yōu)選實(shí)施例中，該致動(dòng)器裝置是可縱向延伸的裝置，優(yōu)選地是液壓裝置，其一端連接到該蒙皮，而另一端連接到該基本不可變形的部分或一結(jié)構(gòu)件上，該結(jié)構(gòu)件連接到該基本不可變形的部分。此外，在許多優(yōu)選實(shí)施例內(nèi)，該可縱向延伸裝置在一端附裝在該翼面的上側(cè)或下側(cè)附近。
該可沿縱向延伸的裝置優(yōu)選地主要在翼弦方向上延伸。連接到該蒙皮的端部?jī)?yōu)選地在翼面的下側(cè)連接到該蒙皮，而連接到該基本不可變形的部分或該結(jié)構(gòu)件的端部?jī)?yōu)選地連接在翼面上側(cè)的附近，反之亦然。
在尤其優(yōu)選的實(shí)施例中，該可沿縱向延伸的裝置是可延伸的活塞裝置。
在許多優(yōu)選的實(shí)施例中，該蒙皮可附裝到該基本不可變形的部分上，而該致動(dòng)器裝置優(yōu)選地位于該蒙皮內(nèi)。該致動(dòng)器裝置優(yōu)選地是這樣的材料(material composition)，該材料的伸長(zhǎng)、縮短和/或彎曲均可由所施加的電流控制，該材料例如是智能材料。此外，該材料優(yōu)選地可以這樣的方式夾在或嵌入蒙皮內(nèi)，即，在蒙皮變形期間材料和蒙皮的材料之間不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)?？蛇x擇地或與其相結(jié)合地，該材料優(yōu)選地可以這樣的方式附置在蒙皮的內(nèi)表面上，即，在蒙皮變形期間該材料和蒙皮的材料之間不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。
在許多尤其優(yōu)選的實(shí)施例中，該至少一個(gè)可變形部分可由柔性材料例如橡膠制成，并且其中該致動(dòng)器裝置可以是可在該材料內(nèi)延伸的可延伸梁。另外，該至少一個(gè)可變形部分優(yōu)選地僅由具有一個(gè)或多個(gè)孔的柔性材料制成。
該可延伸梁優(yōu)選地由這樣的材料制成，該材料的伸長(zhǎng)、縮短和/或彎曲均可由所施加的電流控制，該可延伸梁例如由智能材料制成。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，該致動(dòng)器裝置可以是被動(dòng)的，即，該致動(dòng)器裝置由于葉片的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)形狀改變，所述運(yùn)動(dòng)優(yōu)選地是葉片的扭轉(zhuǎn)、彎曲和/或旋轉(zhuǎn)。葉片的運(yùn)動(dòng)通常由作用在葉片上的風(fēng)力引起。
在許多尤其優(yōu)選的實(shí)施例中，該基本不可變形部分可以是葉片的中央部分，該一個(gè)或多個(gè)可變形部分可以是前緣區(qū)域和/或后緣區(qū)域。該基本不可變形的部分可以非常有利地是葉片的載荷支承部分。
本發(fā)明的另一方面涉及一種控制風(fēng)輪機(jī)的工作條件的方法，該風(fēng)輪機(jī)包括一個(gè)或多個(gè)葉片，每個(gè)葉片均具有一個(gè)或多個(gè)可變形的翼面部分，所述工作條件優(yōu)選地是葉片上的載荷、風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的功率、空氣引起的噪聲、風(fēng)輪機(jī)的穩(wěn)定性和/或類似物。該方法優(yōu)選地包括控制該可變形翼面部分的形狀的步驟，其中形狀的改變優(yōu)選地不會(huì)在翼面部分的表面中引入不連續(xù)。
優(yōu)選地，可變形翼面部分中的每一個(gè)或一些均具有一個(gè)或多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的第一方面的特征。
風(fēng)輪機(jī)優(yōu)選地包括用于檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)工作條件的檢測(cè)裝置，其中所檢測(cè)的工作條件可以輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有根據(jù)所述輸入確定在一些或全部可變形的翼面部分上將進(jìn)行的形狀變形的功能。
優(yōu)選地，該檢測(cè)裝置可包括優(yōu)選地設(shè)置在風(fēng)輪機(jī)的一個(gè)或多個(gè)部件上的用于測(cè)量葉片流動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)子位置的裝置和/或應(yīng)變計(jì)、加速計(jì)等，所述部件通常且優(yōu)選地為葉片、引擎艙和/或塔架。
將變形引入可變形翼面部分的典型時(shí)間尺度優(yōu)選地并有利地小于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一次的時(shí)間，優(yōu)選地小于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一次的時(shí)間的一半，例如小于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一次的時(shí)間的四分之一，例如小于葉片旋轉(zhuǎn)10°例如15°所用的時(shí)間，其可應(yīng)用于控制在塔架尾流通道內(nèi)的變形。
另外，根據(jù)本發(fā)明的方法還可包括設(shè)定和/或改變每個(gè)葉片的全翼展傾角的步驟。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及具有一個(gè)或多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)輪機(jī)葉片的風(fēng)輪機(jī)。(本發(fā)明的)又一個(gè)方面涉及由根據(jù)本發(fā)明的方法控制的風(fēng)輪機(jī)。


在下文，將參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，尤其是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在該附圖內(nèi)圖1示出一翼面的簡(jiǎn)圖，在該翼面的后緣設(shè)有可移動(dòng)的Gurney襟翼；圖2示意性地示出具有和不具有前緣下垂的升力-迎角(可在例如[5]中發(fā)現(xiàn)與圖2相對(duì)應(yīng)的測(cè)量)；圖3示出具有和不具有后緣襟翼的升力-迎角(可在例如[5]內(nèi)發(fā)現(xiàn)與圖3相對(duì)應(yīng)的測(cè)量)；圖4示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的翼面的簡(jiǎn)圖，該翼面具有連續(xù)的曲度和可變形的前緣和后緣區(qū)域；圖5示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的翼面后緣區(qū)域的橫截面視圖；圖6示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的翼面后緣區(qū)域的橫截面視圖；圖7示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的翼面后緣區(qū)域的橫截面視圖；圖8示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的翼面前緣區(qū)域的橫截面視圖；以及圖9示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的翼面前緣區(qū)域的橫截面視圖通過葉片偏轉(zhuǎn)而對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行被動(dòng)控制，小點(diǎn)劃線示出在偏轉(zhuǎn)情況下的后緣區(qū)域。箭頭示出材料的剪切運(yùn)動(dòng)以及該后緣區(qū)域的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。
具體實(shí)施例方式
在圖4內(nèi)，示意性地示出具有兩個(gè)可變形部分即可變形的前緣和后緣區(qū)域的翼面部分1。翼面部分1的最初形狀由實(shí)線表示，其中前緣區(qū)域10和后緣區(qū)域12沒有變形，該翼面部分的變形的形狀由虛線表示，其中前緣區(qū)域和后緣區(qū)域變形為由圖4內(nèi)的標(biāo)號(hào)10a和12a指示的前緣區(qū)域和后緣區(qū)域。此外，翼面部分1包括不可變形的部分14，該部分14設(shè)計(jì)成支承由該翼面部分產(chǎn)生的載荷。如圖4所示，該翼面部分1的變形不會(huì)給翼面部分1的外表面帶來任何不連續(xù)，該外表面在變形期間和變形之后保持平滑。
該翼可具有在整個(gè)翼展上延伸的可變形部分，該部分可被認(rèn)為是在整個(gè)翼上延伸的可變形部分，或者該翼可具有沿翼展在局部的可變形部分，從而沿該翼展可設(shè)置多個(gè)可變形部分。此外，在一些區(qū)域內(nèi)該翼可僅具有可變形的前緣區(qū)域或后緣區(qū)域。
在圖5內(nèi)示出翼面后緣區(qū)域12的橫截面視圖。同樣，實(shí)線示出后緣區(qū)域12的原始形狀，而虛線示出后緣區(qū)域的變形形狀12a。該可變形的后緣區(qū)域12由柔性材料制成，優(yōu)選地由橡膠制成，其具有孔20。該后緣區(qū)域12包括結(jié)構(gòu)件22，由智能材料制成的梁24連接在該結(jié)構(gòu)件上。如圖5所示，結(jié)構(gòu)件22通過螺栓固定在該不可變形的部分14上，梁24沿翼面部分1的縱向從結(jié)構(gòu)件22延伸到后緣區(qū)域12的后部駐點(diǎn)26附近。當(dāng)通過向材料施加電壓(如圖5內(nèi)由“+”“÷”表示)而向由智能材料制成的梁24通電時(shí)，該梁將根據(jù)電壓的極化而向上或向下偏斜，從而導(dǎo)致該梁的初始形狀(當(dāng)沒有向該梁施加電壓時(shí)該后緣區(qū)域的形狀)發(fā)生變形。
在圖6內(nèi)示出翼面后緣區(qū)域的橫截面視圖。在此實(shí)施例內(nèi)，后緣區(qū)域12包括蒙皮32，該蒙皮的強(qiáng)度足夠大以抵抗周圍的流體作用在該表面上的壓力，以防止蒙皮因該壓力而變形。蒙皮32由柔性材料(例如橡膠)制成，并且通過結(jié)構(gòu)件22連接到不可變形部分14?？稍龃蠡驕p小其縱向延伸長(zhǎng)度的活塞組件28例如液壓活塞裝置可主動(dòng)地控制后緣區(qū)域的運(yùn)動(dòng)，從而控制該后緣區(qū)域的變形。在接近翼面的上側(cè)的位置或通常在翼面部分的翼弦線上方的位置處，活塞組件28在其一個(gè)末端處連接到與圖5中所示的結(jié)構(gòu)件類似的結(jié)構(gòu)件22。在另一個(gè)末端，活塞裝置28連接到蒙皮32的下側(cè)的內(nèi)側(cè)。在致動(dòng)活塞裝置28例如使活塞伸長(zhǎng)或縮短時(shí)，該后緣區(qū)域?qū)⒆冃螢樽冃涡螤睿渲泻缶墔^(qū)域向上或向下彎曲。圖6中的12a表示兩個(gè)這種形狀。應(yīng)指出，通過在靠近該翼面的下側(cè)的位置或者通常在翼面的翼弦線下方使活塞組件28的其中一個(gè)末端連接到結(jié)構(gòu)件22，并在該翼面的上側(cè)使其另一末端連接到蒙皮的內(nèi)側(cè)，可獲得類似的乃至相同的結(jié)果。還應(yīng)指出，活塞組件可由其它可縱向延伸的裝置例如由智能材料制成的桿代替。
在圖7內(nèi)示出翼面后緣區(qū)域的橫截面視圖。該后緣區(qū)域包括蒙皮32，該蒙皮與圖6所示的實(shí)施例的蒙皮32類似。在蒙皮32內(nèi)，由智能材料制成的板30位于翼面的上側(cè)和/或下側(cè)。通過向由智能材料制成的板30施加電壓，該板可主動(dòng)地控制該后緣區(qū)域的運(yùn)動(dòng)。由智能材料制成的板30還可用作蒙皮32的加強(qiáng)件。
在圖8內(nèi)示出翼面前緣區(qū)域的橫截面視圖。該前緣區(qū)域的結(jié)構(gòu)與圖7中的后緣區(qū)域類似。因此，該前緣區(qū)域的蒙皮由橡膠或類似物制成，并且在該蒙皮內(nèi)，可主動(dòng)控制該前緣區(qū)域的運(yùn)動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)由智能材料制成的板位于該翼面的上側(cè)和/或下側(cè)。
例如從圖8可見，蒙皮32在位置34a和34b(圖8)處通常通過粘結(jié)和螺栓連接的組合連接到結(jié)構(gòu)件22上。結(jié)構(gòu)件22在這些位置限定了鄰接面，從而一旦蒙皮連接到該結(jié)構(gòu)件上，則當(dāng)沿周向觀察時(shí)，從蒙皮32到不可變形部分14的外表面的過渡是平滑的。蒙皮與這些鄰接面的連接使得在蒙皮32變形期間，蒙皮將以下面的方式繼續(xù)鄰接該接觸面/鄰接面，即，引入蒙皮的變形不會(huì)在蒙皮32連接到結(jié)構(gòu)件22的位置附近在蒙皮內(nèi)引入任何不平滑。
優(yōu)選地限制智能材料的周向延伸，使得在蒙皮32連接到結(jié)構(gòu)件22的位置附近不存在智能材料。此外，對(duì)于例如前緣和/或后緣區(qū)域的上側(cè)和下側(cè)，優(yōu)選地使用由智能材料制成的單獨(dú)的板30，以便可彼此獨(dú)立地控制翼面的上側(cè)和下側(cè)的變形。
智能材料如上文所述是指夾在或嵌在蒙皮內(nèi)的材料板。但是，智能材料還可以是附置在蒙皮的內(nèi)表面和/或外表面上的板材。在這兩種情況下，智能材料均以這樣的方式連接到蒙皮的材料/位于蒙皮的材料之內(nèi)，即，在翼面的表面變形期間，智能材料和蒙皮的材料之間不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。
可以設(shè)想，圖7和8內(nèi)所示的實(shí)施例可以不由在蒙皮內(nèi)延伸的智能材料控制，而是與圖5和6的實(shí)施例類似，設(shè)有由智能材料制成的梁或活塞。
為了提高例如可變形部分，如前緣區(qū)域和后緣區(qū)域的穩(wěn)定性，位于由蒙皮32限定的可變形部分內(nèi)的孔或孔20可用支承材料例如由塑料或橡膠制成的泡沫填充。這樣，蒙皮吸收作用在其上的壓力的能力會(huì)增大，同時(shí)允許由智能材料和/或活塞裝置引入變形。
翼面的可變形部分的變形可通過使用這樣的控制系統(tǒng)來控制，即，該控制系統(tǒng)包括一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接收設(shè)置在風(fēng)輪機(jī)的部件上的傳感器的輸入，并響應(yīng)于該輸入向致動(dòng)器例如智能材料24或活塞組件28提供控制信號(hào)以實(shí)現(xiàn)形狀變形的效果。該效果優(yōu)選地幾乎立即使空氣動(dòng)力幾乎瞬時(shí)改變?！八矔r(shí)”優(yōu)選地是指在控制系統(tǒng)內(nèi)沒有故意地設(shè)置延時(shí)，并且實(shí)現(xiàn)變形時(shí)的延時(shí)是由例如材料的時(shí)間常數(shù)、傳輸延遲等造成的。
通過翼面流的仿真模型，可針對(duì)給定的入流條件(入流條件的含義優(yōu)選地被認(rèn)為是流入速度向量的幅值以及從流入速度向量到翼弦線的角度，該角度也被稱為迎角，但是仿真模型有利地可使用其它量度)計(jì)算升力和阻力。對(duì)于具有可變幾何形狀的翼面，可針對(duì)從一個(gè)外部極限幾何形狀到相反的極限幾何形狀的幾何形狀變化當(dāng)中的小的階段(step)，對(duì)相同入流條件下的升力和阻力進(jìn)行同樣的計(jì)算。接下來，可針對(duì)多種不同的入流條件進(jìn)行計(jì)算，該多種不同的入流條件意味著多種不同的迎角。這樣，可得到一個(gè)表，該表給出了針對(duì)不同迎角和幾何形狀變化的不同階段的升力和阻力。
在操作中的風(fēng)輪機(jī)的最終的控制回路內(nèi)，控制系統(tǒng)將在各個(gè)時(shí)間步計(jì)算是否需要增大或減小空氣動(dòng)力載荷，并通過使用上述表來確定相應(yīng)的幾何形狀變化。
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權(quán)利要求
1.一種風(fēng)輪機(jī)葉片，包括一個(gè)或多個(gè)可變形的翼面部分，其中每個(gè)可變形的翼面部分的外表面在其所有形狀中都基本是連續(xù)的，以及用于在可變形翼面部分內(nèi)提供形狀改變的致動(dòng)器裝置。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該致動(dòng)器裝置是主動(dòng)裝置，即，可通過向該裝置提供能量而使其提供形狀改變。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，每個(gè)可變形的翼面部分包括一基本不可變形部分和一個(gè)或多個(gè)可變形部分。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，至少一個(gè)該可變形部分的外表面是由蒙皮限定的，該蒙皮由柔性材料例如橡膠制成。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，至少一個(gè)該可變形部分是殼結(jié)構(gòu)，其中蒙皮限定該殼。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部用可變形的支承材料，例如由塑料或橡膠制成的泡沫填充。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該基本不可變形部分的外表面和可變形部分的蒙皮之間的過渡基本是平滑的，例如基本連續(xù)。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該不可變形部分包括鄰接面，該蒙皮緊靠在該鄰接面上，該鄰接面成形為使得該基本不可變形部分的外表面和蒙皮之間的過渡基本是平滑的，例如基本連續(xù)。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該致動(dòng)器裝置作用在蒙皮的內(nèi)側(cè)上。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求4至9中任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該致動(dòng)器裝置是可縱向延伸的裝置，優(yōu)選地是液壓裝置，其一端連接到該蒙皮而另一端連接到該基本不可變形部分或一結(jié)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)件連接到該基本不可變形部分。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求10所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該可縱向延伸的裝置在一端附裝到該翼面的上側(cè)或下側(cè)附近。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該可縱向延伸的裝置主要在翼弦方向延伸，并且，連接到所述蒙皮的端部是在翼面的下側(cè)連接到該蒙皮上，而連接到該基本不可變形部分或該結(jié)構(gòu)件的端部是連接到翼面上側(cè)的附近，反之亦然。
13.一種根據(jù)權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該可縱向延伸的裝置是可延伸的活塞裝置。
14.一種根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該蒙皮附裝到該基本不可變形部分上，并且該致動(dòng)器裝置位于該蒙皮內(nèi)。
15.一種根據(jù)權(quán)利要求14所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該致動(dòng)器裝置是這樣的材料，即，該材料的伸長(zhǎng)、縮短和/或彎曲均可由所施加的電流控制，該材料例如是智能材料。
16.一種根據(jù)權(quán)利要求15所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該材料優(yōu)選地以這樣的方式夾在或嵌入蒙皮內(nèi)，即，在蒙皮變形期間該材料和蒙皮的材料之間不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該材料優(yōu)選地以這樣的方式附置在蒙皮的內(nèi)表面上，即，在蒙皮變形期間該材料和蒙皮的材料之間不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。
18.一種根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該至少一個(gè)可變形部分由柔性材料例如橡膠制成，并且該致動(dòng)器裝置是在該材料內(nèi)延伸的可延伸梁。
19.一種根據(jù)權(quán)利要求18所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該至少一個(gè)可變形部分僅由柔性材料制成，并具有一個(gè)或多個(gè)孔。
20.一種根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該可延伸梁由這樣的材料制成，即，該材料的伸長(zhǎng)、縮短和/或彎曲均可由所施加的電流控制，該可延伸梁例如由智能材料制成。
21.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該致動(dòng)器裝置是被動(dòng)的，即，該裝置由于葉片的運(yùn)動(dòng)而提供形狀改變，所述運(yùn)動(dòng)優(yōu)選地是葉片的扭轉(zhuǎn)、彎曲和/或旋轉(zhuǎn)。
22.一種根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該基本不可變形部分是該葉片的中央部分，該一個(gè)或多個(gè)可變形部分是前緣區(qū)域和/或后緣區(qū)域。
23.一種根據(jù)權(quán)利要求1至22中任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其特征在于，該基本不可變形部分是載荷支承部分。
24.一種具有一個(gè)或多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1至23中任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片的風(fēng)輪機(jī)。
25.一種控制風(fēng)輪機(jī)的工作條件的方法，該風(fēng)輪機(jī)包括一個(gè)或多個(gè)葉片，每個(gè)葉片均具有一個(gè)或多個(gè)可變形的翼面部分，所述工作條件優(yōu)選地是葉片上的載荷、風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的功率、空氣引起的噪聲、風(fēng)輪機(jī)的穩(wěn)定性和/或類似物；所述方法包括控制該可變形翼面部分的形狀，其中進(jìn)行形狀的改變不會(huì)在翼面部分的表面中引入不連續(xù)。
26.一種根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，該可變形翼面部分中的每一個(gè)或一些具有一個(gè)或多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1至24中任一項(xiàng)所述的特征。
27.一種根據(jù)權(quán)利要求25或26所述的方法，其特征在于，該風(fēng)輪機(jī)包括用于檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)工作條件的檢測(cè)裝置，其中所檢測(cè)的工作條件被輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括根據(jù)所述輸入確定在一些或全部可變形的翼面部分上將施加的形狀變形的功能。
28.一種根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，該檢測(cè)裝置包括設(shè)置在風(fēng)輪機(jī)的一個(gè)或多個(gè)部件上的用于測(cè)量葉片流動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)子位置的裝置和/或應(yīng)變計(jì)、加速計(jì)等，所述部件通常且優(yōu)選地為葉片、引擎艙和/或塔架。
29.一種根據(jù)權(quán)利要求25至28中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將變形引入該可變形翼面部分的典型時(shí)間尺度小于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一次的時(shí)間，優(yōu)選地小于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一次的時(shí)間的一半，例如小于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一次的時(shí)間的四分之一，例如小于葉片旋轉(zhuǎn)10°例如15°所用的時(shí)間。
30.一種根據(jù)權(quán)利要求25至29中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該方法還包括設(shè)定和/或改變每個(gè)葉片的全翼展傾角的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種設(shè)計(jì)概念，根據(jù)該設(shè)計(jì)概念，通過使用主動(dòng)幾何形狀控制(例如，智能材料或嵌入式機(jī)械致動(dòng)器)，或使用被動(dòng)幾何形狀控制(例如由葉片的載荷和/或變形導(dǎo)致的變化)，或這兩種方法的組合使葉片的幾何形狀快速變化，以控制風(fēng)輪機(jī)的功率、載荷和/或穩(wěn)定性。本發(fā)明具體涉及風(fēng)輪機(jī)葉片，風(fēng)輪機(jī)以及控制風(fēng)輪機(jī)的方法。
文檔編號(hào)F03D7/04GK1780983SQ200480011523
公開日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2004年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月31日
發(fā)明者D·C·巴克, T·布爾, P·富格爾桑, H·A·馬德森, F·拉斯穆森 申請(qǐng)人:里索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室