包括後緣副翼和壓電致動器的風輪機葉片的製作方法

2023-10-06 15:59:29

專利名稱：包括後緣副翼和壓電致動器的風輪機葉片的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及風輪機葉片，尤其是帶有可替換的後緣部分的風輪機葉片，該後 緣部分也稱為副翼，用於改變葉片的空氣動力學外形並由此影響整個葉片結構上的升力和 曳力。特別地，本實用新型涉及一種用於使葉片的後緣部分相對於主體葉片部分移動的致 動器結構，該致動器結構包括壓電元件的堆疊。
背景技術：
已知後緣副翼影響風輪機葉片的空氣動力學特性。 W02004/088130 (Forskningscenter RlS0,Bak et al.)公開了一種包括一個或多個可變形 的後緣翼型部分的風輪機葉片，該可變形的後緣翼型部分包括用於提供形狀變化的致動器 裝置。W02004/088130公開了 「智能材料」和集成在可變形材料中的機械致動器的使用，該 可變形材料改變前緣和後緣部分的外部幾何形狀並從而改變葉片部分的空氣動力學受力。 所謂「智能材料」是指一旦供給電壓就會變形的材料。優選的材料包括形狀記憶合金、壓 電材料、磁致伸縮材料、電流變液、電致變色材料、電活性聚合物、手性材料、導電聚合物、光 敏材料、厚的和薄的膜、光學纖維、可調的電介質、自監測材料、自組裝材料、自修復/復原 材料、生物材料、電供應、電源和自動力、多層和複合材料和/或「智能複合材料」。

實用新型內容本實用新型的實施例的一個目的是提供以W02004/088130中公開的基於壓電的 致動器為基本原理的實施例，該實施例精確、可靠、具有長的使用壽命、能快速響應空氣動 力學負荷中的改變或控制指令並且能抗閃電和抗疲勞。在本實用新型的第一方面中，提供了一種風輪機葉片，該葉片包括葉片主體和可 移除地連接到該葉片主體的後緣(尾緣)部分，該葉片還包括-至少一個致動器結構，該致動器結構位於葉片內部，並布置成使後緣部分和葉片 主體相互連接，該致動器結構包括由複數個壓電元件構成的堆疊，以使該壓電元件的堆疊 能夠作為線性致動器運行；-該致動器結構設置成能夠使後緣部分相對於葉片主體移動或變形。可通過例如經由電極向壓電元件的堆疊供給電壓來控制致動器結構。已發現，使 用壓電元件的堆疊可使致動器結構可靠、穩定且抗疲勞。而且，這也是容易控制的，例如響 應於供給的電壓。對致動器結構的控制可藉助於控制系統方便地實現，該控制系統向壓電 元件供給電壓，例如響應於葉片上的空氣動力學負荷的變化、絕對的或相對的風速、湍流、 轉子轉速、所需動力輸出或其它參數。雖然在此一直使用術語「壓電元件」，但應當理解，壓電元件可以包括隨後的任一 元件或材料或由以下的任一元件或材料替代，以便同樣實現本實用新型的效果和優點，所 述元件或材料包括形狀記憶金屬、壓電材料、磁致伸縮材料、電流變液、電致變色材料、電 活性聚合物、手性材料、導電聚合物、光敏材料、厚的和薄的膜、光學纖維、可調的電介質、自
4監測材料、自組裝材料、自修復/復原材料、生物材料、電供應、電源和自動力、多層和複合 材料和/或「智能複合材料」。本實用新型還提供一種風輪機，尤其是一種水平軸線風輪機，它包括一個或多個 根據本實用新型第一方面的葉片。在其中葉片包括與壓電元件接觸的電極的實施例中，風 輪機優選包括控制系統，以用於控制通過電極向壓電元件的堆疊供給的激活電壓，以便從 而控制致動器結構。該控制系統可包括風速儀和/或用於測量至少一個葉片上的負荷的 負荷儀表，以便允許控制系統響應於風速和/或葉片上的負荷來控制該至少一個致動器結 構。用以控制壓電元件的電壓可藉助於一個或多個電極來提供，該電極設置成與壓電 元件接觸。例如，可設置控制系統以用於通過所述電極控制向壓電元件的堆疊供給的激活 電壓，以便從而控制致動器結構。該控制系統可響應於外部輸入，例如風速測量結果或所 測量的葉片負荷-如葉片表面上的壓力，來藉助於葉片根部處的一個或多個轉矩傳感器或 藉助於葉片表面的一個或多個壓力量表來控制壓電元件的堆疊並且因此控制致動器結構。 對致動器結構的控制還也可以或可選擇地響應於所需的動力輸出或風場的湍流度來完成。 該控制可以響應於風速、湍流、負荷等的即時測量結果來進行，或者可以響應於平均值來進 行，例如根據抽樣超過例如2到5秒一直到24小時的時間段的值。在壓電元件的堆疊一種適宜的構型中，相鄰的壓電元件布置成極性方向相交替， 由此可將電極布置在相鄰的壓電元件之間，相鄰的壓電元件由於都與相同的電極接觸而享 有共同的電極。這種構型節省空間和成本。然而，其中相鄰的電極以單向的電極方向布置 的其它構型也是可能的。為避免壓電元件的堆疊由於空氣動力學負荷對葉片主體或後緣部分的影響而進 入拉伸應力狀態，該壓電元件的堆疊可藉助拉緊(張緊，拉伸)結構的壓縮負荷而保持。特 別地，後緣部分上的交替風力負荷，也就是副翼上的交替風力負荷，可使得壓電元件的堆疊 進入拉伸應力狀態，然而通過將元件保持在壓縮負荷下可以避免這種危險。拉緊結構可包 括機械拉緊元件，以用於向壓電元件的堆疊提供所需的壓縮負荷。為了保護壓電元件的堆疊免遭閃電影響或其它不期望的或不可控的電的影響，該 致動器結構優選與葉片表面電絕緣。例如，致動器結構可包括位於壓電元件的堆疊兩端的 電絕緣元件，從而一方面在壓電元件與控制系統之間提供電絕緣，另一方面在壓電元件與 周圍環境之間提供電絕緣。任選的，可圍繞壓電元件的堆疊設置外周絕緣元件或絕緣層，以 及提供進一步的保護。例如絕緣元件或絕緣層可包括陶瓷材料、塑料或聚合物材料、木材，或例如包括一 種或多種上述材料的合成材料。它們應該具有足夠的厚度來承受閃電的攻擊。在本實用新型的一個實施例中，後緣部分在一連接點處樞轉地連接到葉片主體 上，該連接點位於葉片的上、下表皮之間。致動器結構的第一端優選與葉片主體連接，並優 選在樞轉接點處連接；該致動器的與所述第一端相對的第二端優選與後緣部分連接，並優 選也在樞轉接點處連接。致動器結構的第二端和後緣部分的連接點優選在離後緣部分與主 要葉片部分的連接點有一定距離的點上。這樣，能向後緣部分施加力矩。連接到葉片主體上的致動器結構的第一端可方便地連接到該葉片主體中的翼梁 上。致動器結構的直接或間接連接到後緣部分上的端部可連接到起支柱作用的杆上，這樣可以使得力矩放大。可設置多個致動器結構。例如，可在葉片的弦向橫截面中在葉片主體和後緣部分 之間的樞軸互連部的相對端設置致動器結構，以便由此實現兩個致動器部分圍繞樞軸點向 後緣部分提供共同力矩。在其它實施例中，多個致動器結構可設置用來控制多個分離的副 翼(也就是後緣部分)，所述副翼沿葉片的翼展方向彼此鄰近地或相互隔開地布置。在這種 實施例中，分離的後緣部分可以單獨地控制，或者它們可通過全部後緣部分所共有的控制 指令來控制。可在壓電元件的堆疊的內部包括力傳感器。例如，可將一個壓電元件構造成是虛 設的(不設置)，它的電信號可被接收以便通過確定在其中產生的電壓或電荷的量來測量 經過該處的動態力(動力學力)。更進一步的，致動器結構可包括用於檢測該致動器結構的位移的位移傳感器。例 如，位移傳感器可以是接觸或非接觸的，例如與致動器結構鄰近或接近的光學位移傳感器。由力傳感器和/或位移傳感器產生的輸出信號可傳送到用於控制後緣部分的移 動的控制系統，以便允許該控制系統將這些信號用於控制目的。在一個實施例中，控制系統 可利用測定的力來進一步使後緣部分偏轉-如果測定的壓力低於確定的值，指示低負荷， 或類似地減小偏轉_如果穿過致動器結構的力超過一閾值。而且，致動器結構測量的位移 可被控制系統使用，來傳送更進一步的信號到用於控制葉片的槳距的系統上。例如，當在給 定情形下偏轉已經是最大值時-其中風輪機的葉片上需要更多的推力，可減小葉片的槳距 以實現所需的推力或負荷的增加。可選擇地，如果致動器的位移不在其最大值，風輪機的整 體控制系統可構造成決定是否(a)減小槳距、或(b)使後緣部分進一步偏轉、或(c)執行動 力產生控制器中的改變，例如改變風輪機的同步發電機的轉子的磁性程度。這樣的決定例 如可基於風速、湍流程度、葉片負荷、轉子轉速、產生的動力等。通常，對後緣部分的致動器結構的控制可優選與風輪機的其它控制元件聯接或集 成。

圖1總體示出風輪機；圖2示出根據本實用新型的風輪機葉片的橫截面；圖3示出用於本實用新型的風輪機葉片的致動器結構的第一實施例；圖4示出用於本實用新型的風輪機葉片的致動器結構的第二實施例。
具體實施方式
如圖1所示，風輪機90包括塔架(塔筒)92和位於塔架頂部的機艙94，該機艙容 納機械部件，例如齒輪箱、發電機等(未示出)。在機艙的迎風端，輪轂96支承多個風輪機 葉片100。圖2示出根據本實用新型的風輪機葉片100的橫截面。該葉片包括葉片主體102 和後緣部分104。該葉片100包括上表皮101和下表皮103。葉片主要部分的後部(尾 部)105和107可以是柔性的、彈性的或有彈力的，可例如由適當的層壓材料製成。葉片主 體102包括翼梁106和108。在翼梁108的第一突起110處，後緣部分104在樞軸112處可
6移除地連接到葉片主體。在翼梁108的第二和第三突起114和116處，第一和第二致動器 結構118和120的第一端分別通過樞軸122和124與之連接。致動器118和120各自的相 對的第二端通過另外的樞軸126和128連接到後緣部分104的支柱130和132上。各致動器結構118和120均包括由多個壓電元件134構成的堆疊，例如壓電材料 環或圓形壓電材料板。壓電元件134的堆疊和由此致動器機構118及120布置成允許致動 器結構作為線性致動器進行操作，以便使得後緣部分104能相對於葉片主體部分102移動、 變形或偏轉。當後緣部分104(副翼)繞樞轉接點112樞轉時，致動器118和120的位移導致該 後緣部分104相對於葉片主體部分102偏轉。致動器的操作適當地由控制系統控制，該控 制系統可以例如使得上部致動器118延伸自身長度且同時下部致動器120減小自身的長 度，以用於使後緣部分104偏轉。同樣的，為了減小後緣部分104的偏轉，可操作上部致動 器118以減小其長度，且操作下部致動器120以增大其長度。可以看出，在圖2所示的實施 例中，致動器結構118和120相配合以提供圍繞樞轉接點112的力矩，該樞轉接點從126和 128的攻擊點處移置，其中支柱130和132起到力放大器的作用。圖3更詳細地示出致動器結構118和120的第一實施例。除壓電元件134的堆疊 以外，所示的致動器結構還包括力傳感器136，該力傳感器的形式為虛設的壓電元件，該力 傳感器的電信號可被分接以便通過確定在其中產生的電壓或電荷的量來測量連續穿過的 動態力。與壓電元件的堆疊相鄰的是陶瓷材料的絕緣環138和140，用於保護致動器免受閃 電電流。壓電元件的堆疊和力傳感器在螺栓142和螺母144的壓縮載荷下保持在一起，以 在後緣部分104上存在交變風力負荷的情況下避免壓電元件的堆疊進入拉伸應力狀態。螺 栓頭可選地容納在殼體元件144內。用於向壓電元件的堆疊提供操作電壓、電荷或電流的 電極(未示出)連接到該壓電元件的堆疊上。圖4示出總體在圖2中示出的致動器結構118和120的第二實施例。雖然圖4中 的實施例在自身配置上不同於圖3中的實施例，但圖4中的與圖3類似的元件採用相同的 附圖標記。致動器118、120包括壓電元件134的堆疊，在所述壓電元件134之間布置有第 一激活電極146和第二激活電極148。相鄰的壓電元件享用共同的電極146和148，如圖4 中的箭頭所示的，壓電元件按照其極性方向布置。力傳感器(未示出)可選地包含在壓電 元件134的堆疊中。在壓電元件的堆疊的相應端部，設有陶瓷材料的絕緣環來防止閃電。壓電元件134的堆疊和絕緣環138、140容納在U型半殼體150和152中，所述半殼 體150、152通過螺栓154和156保持在一起，由此壓電元件的堆疊在壓縮載荷下被保持，以 便在後緣部分104上存在交變風力負荷的情況下避免壓電元件的堆疊進入拉伸應力狀態。半殼體150和152形成有向後卷的連接部158和160，以分別連接到葉片主要部分 的翼梁108和後緣部分。除圖中示出的元件外，還可設置位移傳感器以用於測量或確定致動器118和120 的位移。在此所示出的實施例中，壓電元件的堆疊134優選由電極控制，例如圖4的實施例 中所示的電極146和148，可響應於控制系統(未示出)產生的控制指令來向所述電極提供 電荷或電流。
權利要求一種風輪機葉片，包括葉片主體和可移除地連接到該葉片主體的後緣部分，其特徵在於，該葉片還包括至少一個致動器結構，其位於葉片內部，該致動器結構布置成使後緣部分和葉片主體相互連接，該致動器結構包括由多個壓電元件構成的堆疊，該壓電元件的堆疊能夠作為線性致動器進行操作；該致動器結構布置成能夠使得後緣部分相對於葉片主體移動或變形。
2.如權利要求1所述的風輪機葉片，其特徵在於，還包括電極和控制系統，該電極與壓 電元件接觸，該控制系統用於控制通過所述電極施加到壓電元件的堆疊上的激活電壓，從 而控制該致動器結構。
3.如權利要求2所述的風輪機葉片，其特徵在於，壓電元件以極性方向相交替的方式 布置，其中，電極布置在相鄰的壓電元件之間，相鄰的壓電元件享有共同的電極。
4.如前述權利要求之一所述的風輪機葉片，其特徵在於，還包括拉緊結構，以用於在壓 縮負荷下保持該壓電元件的堆疊。
5.如權利要求1-3之一所述的風輪機葉片，其特徵在於，致動器結構與葉片主體和後 緣部分的外皮電絕緣。
6.如權利要求5所述的風輪機葉片，其特徵在於，致動器結構包括處在壓電元件兩端 的電絕緣元件。
7.如權利要求6所述的風輪機葉片，其特徵在於，該絕緣元件包括陶瓷材料、聚合物材 料或合成材料。
8.如權利要求6所述的風輪機葉片，其特徵在於，該絕緣元件具有足以抵抗閃電電流的厚度。
9.如權利要求1-3之一所述的風輪機葉片，其特徵在於，後緣部分在位於葉片的上、下 表皮之間的連接點處樞轉連接到該葉片主體，其中，致動器結構的第一端連接到葉片主體， 該致動器的與所述第一端相對的第二端在離所述後緣部分的連接點一定距離的點處連接 到後緣部分。
10.如權利要求1-3之一所述的風輪機葉片，其特徵在於，所述至少一個致動器結構包 括多個致動器結構。
11.如權利要求9所述的風輪機葉片，其特徵在於，所述至少一個致動器結構包括多個 致動器結構，所述多個致動器結構包括第一和第二致動器結構，該第一和第二致動器結構 分別設置在所述後緣部分的連接點處，以便允許它們向該後緣部分施加力矩。
12.如權利要求1-3之一所述的風輪機葉片，其特徵在於，還包括處於壓電元件的堆疊 內部的力傳感器。
13.如權利要求12所述的風輪機葉片，其特徵在於，該力傳感器包括虛設的壓電元件。
14.如權利要求1-3之一所述的風輪機葉片，其特徵在於，該致動器結構還包括位移傳 感器，以用於檢測致動器結構的位移。
15.如權利要求1-3之一所述的風輪機葉片，其特徵在於，該後緣部分形成後緣副翼。
16.一種風輪機，包括至少一個風輪機葉片，該風輪機葉片包括葉片主體和可移除地連 接到該葉片主體的後緣部分，其特徵在於，該葉片還包括至少一個致動器結構，其位於葉片內部，該致動器結構布置成使後緣部分和葉片主體相互連接，該致動器結構包括由多個壓電元件構成的堆疊，該壓電元件的堆疊能夠作為線 性致動器進行操作；該致動器結構布置成能夠使得後緣部分相對於葉片主體移動或變形。
17.如權利要求16所述的風輪機，其特徵在於，該葉片還包括電極，該電極與壓電元件 接觸，其中，該風輪機包括控制系統，以用於控制通過所述電極施加到壓電元件的堆疊上的 激活電壓，從而控制該致動器結構。
18.如權利要求17所述的風輪機，其特徵在於，該控制系統還包括風速儀和/或用來測 量至少一個葉片上的負荷的負荷量表，該控制系統構造成響應於葉片上的即時風速和/或 即時負荷來控制該至少一個致動器結構。
專利摘要本實用新型公開了一種風輪機葉片，包括葉片主體和可移除地連接到該葉片主體的後緣部分，以及處在葉片內部的致動器結構。該致動器使後緣部分和葉片主體相互連接，且包括由多個壓電元件構成的堆疊，以便該壓電元件的堆疊能夠作為線性致動器進行操作。該致動器結構布置成能夠使得後緣部分響應於葉片上的空氣動力學負荷而相對於葉片主體移動或變形。該致動器結構由控制系統控制，該控制系統響應於例如所檢測的風或負荷特徵而向該壓電元件的堆疊施加電壓。
文檔編號F03D1/06GK201757024SQ20102021034
公開日2011年3月9日 申請日期2010年3月26日 優先權日2009年3月26日
發明者S·納拉斯馬魯 申請人:維斯塔斯風力系統有限公司