现代风车，也称作风力涡轮机或风力发动机，被用于发电。这些 风车是具有叶片的非常大的结构，叶片高达并超过60米并且由纤维 增强聚合物结构(例如壳体元件)制成。这些风力涡轮机设有控制设 备，控制设备可以防止风力涡轮机和叶片在阵风和高风速时的过载。 这种控制设备也可以用于在风速变得过高时使涡轮机减速并使其完 全停止。除了这些设备之外，涡轮机可以包括设置成与风力涡轮机的 主轴连通的制动设备。
控制设备可以由桨距控制型叶片形成，叶片安装在毂体上使得它 们能够绕纵轴线转动。叶片因此可以被连续地调整以提供产生期望功 率的升力。在所谓的失速控制型风力涡轮机中，叶片固定地安装在毂 体上从而不能绕其纵轴线转动。叶片的失速性质用于减少气动升力并 从而减少功率输出。
US6361275(Wobben)公开了一种风力涡轮机，其中每个风力 涡轮机叶片的桨距角可以被独立地调整，使得能够对风力涡轮机叶片 的扫掠区域中的变化风速进行校正。风速经常随着距地面的距离而增 大，从而可以有利地调整叶片的提升动力，使得叶片上的载荷在其整 个旋转期间基本上一致。然而，该方案也可用于补偿转子平面中的其 它类型的风速变化。
然而，根据US6361275的风力涡轮机具有不能特别快地进行调整 的缺点，为此采用了常规的叶片桨距液压技术。该液压技术不适于快 速且几乎瞬时的运动，因为静载荷可超过10吨的风力涡轮机叶片具 有相当大的惯性。
如上所述，特别是在大的风力涡轮机时，例如海上风力涡轮机， 风速在转子扫掠的区域中可在局部极大地变化。转子可具有大于120 米的直径，因此，风速可由于高度和宽度上的局部阵风和湍流而极大 地变化。
US4692095公开了一种根据权利要求1前序部分所述的风力涡轮 机叶片。
WO2004/099608也公开了一种根据权利要求1前序部分所述的 风力涡轮机叶片，其中通过使用主动式翼片可使升力减小的区域的尺 寸逐渐变化。

根据第一方面，本发明的目的是提供一种具有改进调节特性的现 代气动型风力涡轮机叶片，以增强对风力涡轮机的调整以适应于各种 风力状况，并且在末端区域附近不需要机械部件。
根据本发明，该目的通过一种升力调节装置实现，该升力调节装 置由在至少一个纵向延伸区域中设置的至少一个槽或多个孔形成，从 而允许叶片的内腔与外部连通，升力调节装置可由一个或多个启动装 置调整，从而调节从内腔排放到外部的空气量以改变叶片的空气动力 特性。
因此，提供一种简单方案以降低或去除纵向延伸区域的升力，同 时降低毂体处的载荷或弯矩。在叶片的末端区域不需要机械部件以便 降低末端区域的升力。因此，根据本发明的叶片在实际中不需要维护。
由于来自叶片末端和内部的升力可以随着风速的增加而减小，因 此风力涡轮机可以在高风速下运转。结果，涡轮机可在所谓的“截止 风速”以上的风速下运转，在该截止风速下，涡轮机否则将会由于过 载而停止。这些选择能够提供具有比普通叶片更长的叶片的风力涡轮 机，所述叶片在风速增加时可减轻载荷，由此关于风速的风力涡轮机 的工作范围被增大。显著的优点在于，叶片根部所经受的弯矩可被减 小。作用于靠近叶片末端的叶片最外部的力对叶片根部处的弯矩具有 相当严重的影响，因为力矩由距离乘以力而得，因此，有利的是减小 叶片最外部的升力。
升力调节装置的意思是能够以任何方式降低叶片的升力的装置。 因此，这些装置也可以是失速调节装置。
根据一个优选实施例，叶片包括多个相邻的纵向延伸区域，每个 区域包括至少一个槽或多个孔。因此，能够通过减小各个区域的升力 而逐渐减小沿着叶片纵向范围的升力，从而也逐渐降低毂体处的载 荷。
根据另一个优选实施例，纵向延伸区域设置在叶片的气动压力 侧。这提供了减小升力的最有效方式。
根据又一个优选实施例，所述至少一个槽或成组的孔设置在叶片 的后缘附近。因此，槽或孔的功能对应于设置在叶片后缘处的主动式 翼片的功能。
替代地或者附加地，槽或孔可以设置叶片的前缘处，从而适于改 变叶片的失速特性。这种手段改进了叶片的失速趋势，即，在叶片的 气动吸力侧形成分离空气流的趋势，由此减小升力。
根据叶片的一个实施例，所述槽或成组的孔各相对于叶片包络线 的切线以0-90度之间的角度倾斜，或者以5-60度或10-45度之间的 角度倾斜。这些角度提供了用于减小升力的最佳性能。升力减小也取 决于排放空气的压力或速度。通常优选的是具有尽可能小的排放角以 便使气动阻抗或气动阻力保持尽可能的低。然而，在此情况下，排放 压力应当相对较高以便实现期望的升力减小。
根据叶片的另一个实施例，纵向延伸区域包括多个槽或孔，所述 多个槽或孔相对于叶片包络线的切线具有不同的角度。例如，每隔一 个的孔能够以第一角度倾斜，而其余的孔以第二角度倾斜。如果叶片 适于仅通过具有第一角度的孔或具有第二角度的孔或所述两组孔排 放空气，或者根本不排放空气，那么升力调节装置可以采用四种不同 的设定，从而起到类似于主动式翼片的作用。
或者，所述槽可全都以相同角度倾斜，但是空气的排放可以被分 别地控制。例如，每隔一个的孔可以由第一启动装置控制，而其余的 孔由第二启动装置控制。因此，可以在每个区域中逐渐降低升力。
根据一个优选实施例，可利用加压空气调整升力调节装置。因此， 获得了一种快速减小叶片末端的升力从而也减小毂体处的载荷的简 单方法。在此情况下，启动装置可以例如是空气压缩机。
根据另一个优选实施例，启动装置是一个或多个阀装置。因此， 提供了一种快速改变毂体处的载荷的替代方法。
根据又一个优选实施例，叶片包括与叶片内部连通的空气进口。 优选地，进口设置在叶片的根部端部处。因此，在根部区域附近吸入 到叶片内腔中的空气从而由于转子运动的离心力而在内腔内部沿叶 片的纵向被引导，并且空气经由至少一个槽或成组的孔被排放。因此， 仅使用叶片的离心力可使叶片的升力被动地改变。
根据叶片的一个优选实施例，叶片的内腔包括多个独立腔，每个 腔经由分开的槽或成组的孔与外部连通，所述槽或孔设置在叶片纵向 的分开的纵向节段中。这些腔中的每一个可设有单独的阀装置。因此， 通过打开相应的阀构件可以单独地改变各个纵向节段的升力。各个腔 可由分开的壁形成。或者，所述腔可由例如连接到空气压缩机的管或 类似物形成。
根据叶片的一个具体实施例，当转子的旋转速度超过预定值时， 阀构件适于自动打开。当离心力超过某一值时，离心力例如可以足以 打开阀。
或者，叶片包括载荷传感器，载荷传感器设置在叶片中或叶片上 并且测量例如风压或应变形式的风载荷。这些传感器可适当地用于调 整升力调节装置。
根据一个有利实施例，叶片包括控制系统，控制系统具有与启动 装置和载荷传感器相连的控制单元，使得控制单元可以启动启动装置 并从而根据载荷传感器进行的测量来调整经由至少一个槽或成组的 孔排放的空气量。这种风力涡轮机叶片因此可被“自动控制”，因为 其自身根据载荷调整其升力，从而不需要外部控制。
根据叶片的一个特别有利的实施例，控制系统适于使其能够与同 一风力涡轮机上的其它相应叶片联接，从而允许根据一个或多个其它 叶片的载荷测量来启动启动装置。结果，例如当涡轮机遇到阵风时， 叶片在其承受其它叶片刚刚承受的载荷之前可更容易地根据从另一 叶片接收的载荷数据来获得最佳升力特性。在通常情况下，叶片经受 风速，所述风速在叶片在其旋转期间处于转子平面的上部时比叶片处 于转子平面的下部时更高。叶片因此在其自身达到其旋转期间的上部 位置之前从面向上的叶片接收数据并进行调整。在偏航误差时，即， 当吊舱未以关于风向的最佳方式调整时，叶片也承受根据其在旋转平 面中的位置而变的载荷。这种变化的载荷也可通过根据本发明的叶片 来补偿。
本发明的第二方面涉及一种风力涡轮机转子，该风力涡轮机转子 具有多个上述风力涡轮机叶片，优选两个或三个，所述风力涡轮机转 子包括具有控制单元的中央控制系统，控制单元例如内装在转子毂体 中并且与每个叶片的载荷传感器和启动装置相连，从而允许控制单元 根据每个叶片的载荷测量和/或升力调节装置的设定来调整经由一个 或多个叶片的至少一个槽或成组的孔排放的空气量。
叶片优选制造为壳体元件，因此在壳体壁中形成孔或槽。
本发明还涉及一种包括上述风力涡轮机叶片或上述转子的风力 涡轮机。优选地，风力涡轮机具有近似水平的转子轴。
所述方法特别适合于控制具有桨距控制型叶片的风力涡轮机，其 中叶片的旋转速度被保持为基本恒定。

下面参考图示出本发明实施例的附图更详细地解释本发明，在附 图中：
图1示出风力涡轮机，
图2是根据本发明的叶片的第一实施例的示意图，
图3是沿图2中的线I-I截取的横截面，
图4是根据本发明的叶片的第二实施例的示意图，
图5是根据本发明的叶片的第三实施例的示意图，
图6是具有控制系统的风力涡轮机转子的示意图，
图7是风力涡轮机叶片的侧视图，
图8是风力涡轮机叶片型面的升力随着距叶片根部的距离而变 的曲线图，以及
图9是与如图8所示曲线类似的曲线图，此处的升力在沿着叶片 外部的区域中减小。

图1示出常规的现代风力涡轮机，该风力涡轮机具有塔架4、吊 舱6和转子，转子包括毂体8和从毂体8延伸的三个叶片10。叶片 10可设有升力调节装置，该升力调节装置在高风速时通过启动启动 装置可以逐渐减小从叶片末端14延伸到叶片末端与叶片根部16之间 的位置的区域中的叶片升力。结果，在高风速时，叶片10在从叶片 末端14朝向根部16向内延伸的区域中被卸载，使得具有给定叶片 10的风力涡轮机2可以在比通常情况更高的风速时仍然运转。本发 明也使其能够提供具有比通常情况更长的叶片10’的风力涡轮机2， 所述叶片在增大的风速从而在增大的载荷下仅由升力调节装置卸载， 使得涡轮机和叶片的过载得以避免。
图2示出根据本发明的风力涡轮机叶片的第一实施例的示意图。 叶片10包括三个细长槽12、13、15。第一槽12位于叶片末端14附 近。第一槽连接于第一内腔22或第一储气器，因此第一内腔或第一 储气器可与叶片的外部连通。第一阀装置32设置在第一腔22内。第 二槽13位于第一槽12附近。第二槽13连接到第二内腔23或第二储 气器，因此第二内腔或第二储气器可与叶片的外部连通。第二阀装置 33设置在第二腔23内。第三槽15位于第三槽15附近。第三槽15 连接到第三内腔25或第三储气器，因此第三内腔或第三储气器可与 叶片的外部连通。第三阀装置35设置在第三腔25内。第一腔22和 第二腔23由第一隔离壁27分开，第二腔23和第三腔25由第二隔离 壁28分开。
叶片10在根部区域16中包括进口。该进口优选设置成使得空气 通过毂体被吸入，但是进口也可以设置成例如根部区域16中的槽。
图3示出沿图2中的线I-I截取的叶片横截面。叶片10包括前缘 18和后缘17、压力侧20、以及吸力侧19。如图所示，槽12设置在 叶片的后缘17附近的压力侧20处。槽12以相对于叶片包络线的切 线的角度□倾斜。通过使空气排放经过槽12，叶片的空气动力特性 被改变并且升力可被显著减小。因此，所述槽用作升力调节装置。槽 也可以设置成就在后缘17处或紧邻于后缘17排放空气。在此情况下， 所述槽应当优选相对于在后缘17和前缘18之间延伸的弦线以向上角 度倾斜。
通过打开第一阀装置32，空气经由毂体(或者根部16附近的进 气槽)被吸入，并且由于转子运动的旋转力而在叶片10的纵向上运 动。由于旋转力，内腔中的空气压力也将在叶片的纵向上增大。因此， 过压增加，空气通过第一槽12排放，从而减小第一槽12所处的纵向 延伸区域中的升力。类似地，通过打开第二阀装置33可以减小第二 纵向延伸区域中的升力，通过打开第三阀装置35可以减小第三纵向 延伸区域中的升力。从而，可以沿着叶片的纵向逐渐减小升力。
叶片可以另外在叶片10的前缘18附近包括孔或槽。这种前缘孔 可以用作失速发生装置。
图4示出根据本发明的叶片的第二实施例。除了各个腔被气管替 换以外，第二实施例的叶片10”对应于图2所示的第一实施例，因此， 第一管22”连接到第一槽12”，第二管23”连接到第二槽23”，第三管 25”连接到第三管25”。所述管可任选地经由在槽附近形成的储气器 连接到所述槽。
有利的是，不同的纵向延伸区域的升力可被相对快速地减小，尤 其在风力涡轮机叶片的每转期间升力必须被调整一次或多次时更是 如此。因此，所述管在另一端可以连接到空气压缩机。从而，空气的 排放可被快速地开启或关闭。利用阀装置和用于排放空气的旋转力的 被动式方案也足以实现该效果。然而，使用空气压缩机具有额外的优 点，即排放空气的速度可被调节，从而可以进一步控制升力减小。
图5示出根据本发明的叶片10’”的第三实施例。代替槽的是， 升力调节装置由成组的孔42、43、45、52、53、55形成，因此第一 纵向延伸区域包括成组的第一孔42和第二孔52，第二纵向延伸区域 包括成组的第一孔43和第二孔53，第三纵向延伸区域包括成组的第 一孔45和第二孔55。
成组的第一孔和第二孔可连接到独立的储气器或管。从而，能够 通过使空气排放经过成组的第一孔使升力减小至第一设定值，通过使 空气排放经过成组的第二孔使升力减小至第二设定值，通过使空气排 放经过成组的两组孔使升力减小至第三设定值。因此，能够在不同的 纵向延伸区域中逐渐减小升力。
然而，成组的孔也可以单排设置。在此情况下，能够通过例如使 每隔一个的孔连接到独立的储气器或管来逐渐减小不同区域中的升 力。
图6是具有毂体8和从毂体8延伸的根据本发明的三个风力涡轮 机叶片的转子的示意图。每个叶片设有控制系统，控制系统包括连接 到升力调节装置12、13、15(即，例如控制阀装置或空气压缩机) 的启动装置的电子控制单元3。控制单元3还连接到测量风力涡轮机 叶片上的载荷的载荷传感器5。载荷传感器5可以例如是安装在叶片 壳体的内表面上或安装在将叶片内表面互相连接的拉条上的应变计， 从而测量由风载荷引起的应变。任选地，测量叶片上的风压的压力计 也可用作载荷传感器。
如图6清楚可见，每个叶片的控制单元3可以互相连接，使得有 关第一叶片上的载荷或其升力设定的数据传送到其它叶片。结果，当 叶片的升力调节装置12、13、15采用第一叶片在旋转期间的位置时， 升力调节装置12、13、15可被调整以适应叶片所经受的风力作用。
叶片的控制系统可以互相连接使得单个控制单元3控制叶片10 的全部升力调节装置。该控制单元3可以设置在叶片之一中、毂体中、 吊舱中、涡轮机塔架4中或涡轮机的外部。
图7是风力涡轮机叶片的侧视图。图8示出示意性地说明叶片的 升力L随着距叶片根部的距离X而变的曲线图。叶片的升力因此沿 着叶片逐渐增加并且在叶片末端处减小至0。
图9示出沿着叶片的外部区域启动升力调节装置12、13、15的 情形。在该区域中，升力已经减小至接近为0。该区域的长度可根据 风载荷来调整，突变区可以朝向叶片根部向内(朝图9中的左侧)移 动或者朝向叶片末端向外(朝图9中的右侧)移动。升力调节装置和 启动装置可以形成和/或调整成使升力在朝向叶片末端的方向上逐渐 减小。通过使用多个步进式可调设定，启动区域中的曲线的形状可以 是一段阶梯形。
除了风速记录和应变测量，来自吊舱中的发电机功率输出数据也 可以用于调整升力调节装置。
也可以使用WO98/42980中描述的方案来进行风力预测，其中， 通过激光设备测量在风力涡轮机前面某一距离处的风速。该方法有利 地与上述翼片相结合，因此叶片在转子平面中出现预定风况时就已 “做好准备”。
上述调整叶片空气动力特性的方法使得更易于(特别是对于桨距 控制型风力涡轮机)保持基本恒定的旋转速度，即使风力涡轮机受到 例如由于湍流引起的阵风以及其它风速变化的影响时也是如此。此 外，叶片上的载荷显著地更为均匀，因为风的速度曲线的变化可以是 调节参数的一部分，使得可以进行对转子平面中的风力变化的校正。 也能够对风力涡轮机塔架施加给转子的风遮挡进行校正。
本发明可以与具有恒定转速的失速控制型风力涡轮机一起使用 以及与具有变化转速的风力涡轮机一起使用。然而，本发明在用于操 作具有基本恒定速率的桨距控制型风力涡轮机时是特别有利的。因此 节省了将可变转速的风力涡轮机产生的变化频率的交流电转换为恒 定频率的交流电的昂贵电气部件的花费。
附图标记列表
2风力涡轮机
3控制单元
4塔架
5载荷传感器
6吊舱
8毂体
10叶片
12第一槽
13第二槽
14叶片末端
15第三槽
16叶片根部
17后缘
18前缘
19吸力侧
20压力侧
22第一腔/第一储气器
23第二腔/第二储气器
25第三腔/第二储气器
22’第一管
23’第二管
25’第三管
27第一隔离壁
28第二隔离壁
32第一阀装置
33第二阀装置
35第三阀装置
42第一纵向延伸区域的第一孔
43第二纵向延伸区域的第一孔
45第三纵向延伸区域的第一孔
52第一纵向延伸区域的第二孔
53第二纵向延伸区域的第二孔
55第三纵向延伸区域的第二孔