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bdlhz618的博客

创新无止境,学习永不停。新思如潮涌,一切皆可能!

 
 
 

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关于我

个人简历 具有深厚的专业理论知识和丰富的实践经验,勤于思考,富于创新,在长期的工作实践中,始终注重研究和探索,通过多年的艰辛努力和实验,在技术革新与发明创造方面有所突破,研制成功《风力飞行器》(201110319692.2)。《调桨长的万向风车》(201210393482.2)。

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资料介绍WO 03/102414A1  

2015-08-30 11:06:00|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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Title:   VARIABLE  LENGTH  TURBINE  BLADE

Abstract:A wind turbine blade (10) made of a fixed blade section (16) with an integral mounting flange (14) for attachment to a wind turbine hub (12). A moveable blade section (18) is attached to the fixed blade section (16) and is free to move in a longitudinal direction relative to the fixed blade section. A positioning device (21) controllably positions the moveable blade section to vary the overall length of the blade. This allows the wind turbine's rotor diameter to be adjusted. The rotor diameter can be increased in order to provide high power output in low wind conditions and it can be decreased in order to minimize loads in high wind conditions.

标题:长度可变的风车叶片   摘要:

风车叶片(10的固定部分(16)整体安装在凸缘(14)上,然后安装于风车轮毂(12)上。可移动的叶片部分(18)被安装在固定叶片部分(16)并且能够在相对于固定部分纵向上自由移动。一个位置装置(21)控制叶片可移动部分的位置以改变叶片总的长度。这就使风车转子直径得到了调节。那么,转子直径就在高功率输出而风速低的条件下,直径增加;在小负载高风速的条件下,直径减少。

 

We claim:我们的权利要求:

1. A wind turbine comprising: a rotor with a plurality of blades which rotate about a substantially horizontal axis wherein said rotor has a diameter defined by the area swept by said blades; and a mechanism for varying the diameter of said rotor.

1.风车组成:一个由多个叶片组成的转子,围绕着水平轴旋转,其中所述的转子,有由所述的叶片扫风面积定义的直径和可改变转子直径的机械装置。

2. The wind turbine of claim 1 wherein said mechanism increases said diameter during periods of low wind to increase power output and decreases said diameter during periods of high wind to decrease structural loads on said rotor.

2.风车权利要求1所述的机械结构增加所述的直径,是在风速低希望增加功率输出期间;而减少直径是在高风速而希望减少所述转子负载的时候。

3. The wind turbine of claim 1 wherein said mechanism for varying the diameter of said rotor comprises a mechanism for varying the length of said blades.

3.风车权利要求1所述的用以改变转子直径的机械装置,包含一个改变叶片长度的机械装置。

4. The wind turbine of claim 3 wherein said blades comprise a fixed inboard portion and a moveable outboard portion and wherein said mechanism for varying the length of said blades comprises a mechanism for moving said moveable portion relative to said fixed portion.

4.风车权利要求3所述的叶片包括一个固定的内部部分和一个可移动的外部部分,所述的为改变叶片长度的机械装置包括为移动可动部分的机械装置。

5. The wind turbine of claim 1 wherein the power produced by said wind turbine for a given wind speed increases as the diameter of said rotor is increased.

5.风车权利要求1.其中的由所述风车产生的功率的风速增加,所述转子直径增加。

6. The wind turbine of claim 1 further comprising a controller for controlling the mechanism that varies the diameter of said rotor wherein said controller monitors the power output of said wind turbine and wherein said controller decreases the diameter of said rotor when the power output exceeds a first predetermined level and increases the diameter of said rotor when the power output is less than a second predetermined level.

6.风车权利要求1.包含一个控制器,控制机械装置改变所述转子的直径,其中所述的控制监视器监视风车功率输出,当风车输出超过第一给定值时就减少风车直径,当输出功率比第二个给定值少时,就增加风车转子直径。

7. A wind turbine blade comprising: an inboard end that is proximate an axis of rotation; an outboard end that is distant from said axis of rotation; a structure extending between said inboard end and said outboard end wherein at least a portion of said structure has an airfoil shaped cross-section that provides aerodynamic lift; and a mechanism for varying the distance between said inboard end and said outboard end.

7.一个风车叶片包括:一个内部部分的终点紧邻转轴;外部终点远离转轴,一个装置在所述的内部终点和外部终点之间伸展,(其中至少有一部分可移动剖面具有翼型截面。其中所属装置至少有一部分有翼型截面,它提供空气动力学升力,并且一个机械装置改变两终点之间的距离。

8. The wind turbine blade of claim 7 wherein said blade defines a longitudinal axis between said inboard end and said outboard end and further comprising a fixed section proximate said inboard end, a moveable section proximate said outboard end, and a mechanism for moving said moveable section relative to said fixed section along a path that is substantially parallel to said longitudinal axis.

8.权利要求7所述叶片,其中所述叶片定义的内部端点和外部端点的纵轴,并且包括固定部分近似所述的内部端点,移动部分近似所述的外部端点,一个机械装置移动所述的移动部分,沿着实质上平行于所述的纵轴轨道移动。

9. The wind turbine blade of claim 8 wherein at least a portion of said moveable section has an airfoil shaped cross-section.

9.根据权利要求8所述的风车叶片,其中至少有一部分可移动剖面具有翼型截面。

10. The wind turbine blade of claim 9 wherein at least a portion of said fixed section has an airfoil shaped cross-section.

10.根据权利要求9所述的风车叶片,其中至少有一部分固定剖面有翼型截面。

11. The wind turbine blade of claim 10 wherein said moveable section is sized and shaped to nest inside of said fixed section.

11.根据权利要求10所述的风车叶片,其中移动部分的尺寸和形状做成可套入所述固定部分的内部。

12. The wind turbine blade of claim 10 wherein said moveable section pitches about a pitch axis that is substantially parallel to said longitudinal axis when said moveable section is moved relative to said fixed section.

12.权利要求10所述的风力涡轮机叶片,其中所述可移动的节距大致平行于所述纵向轴线与所述可移动部分相对于所述固定部分的所述纵向轴线的移动节距。

 

13. The wind turbine blade of claim 9 wherein said fixed section is a structural support that does not provide aerodynamic lift.

13.权利要求9所述的风力透平机叶片,其中所述的固定部分是结构支撑,它不提供空气动力学的升力。

14. The wind turbine blade of claim 8 wherein said mechanism for moving said moveable section relative to said fixed section comprises a winch mounted on said fixed section and a cable that is controlled by said winch that is fastened to said moveable section wherein said moveable section is moved relative to said fixed section when said winch is actuated.

14.权利要求8所述的风力透平机叶片,其中所述移动装置包括安装在固定部分的底座和电缆,它们按所述扣紧在移动部分上的被激励时进行调节。

15. The wind turbine blade of claim 8 wherein said mechanism for moving said moveable section relative to said fixed section comprises a threaded rod mounted on said fixed section for rotation about an axis that is substantially parallel to said longitudinal axis and a nut in driving contact with said threaded rod, said nut being fastened to said moveable section wherein said moveable section is moved relative to said fixed section when said threaded rod is rotated.

16. The wind turbine blade of claim 7 wherein the distance between said inboard end and said outboard end is varied by more than 5% of the total blade length.

17. The wind turbine blade of claim 7 wherein the power producing capability of said blade is increased at a given wind speed when the distance between said inboard end and said outboard end is increased.

18. A method of controlling a wind turbine comprising the steps of: providing a rotor with a plurality of blades and a diameter defined by the area swept by said blades; providing an mechanism for adjusting the diameter of said rotor; and adjusting the diameter of said rotor during operation of said wind turbine.

19. The method of claim 18 further comprising the step of measuring the power generated by said wind turbine and adjusting the diameter of said rotor based on said power measurement.

20. The method of claim 18 further comprising the step of forming each of said plurality of blades with a fixed section and a moveable section and wherein the step of adjusting the diameter of said rotor comprises the step of moving said moveable blade sections relative to said fixed sections.

 

Variable Length Wind Turbine Blade

FIELD OF THE INVENTION

This invention relates to blades for wind turbines. Specifically, the invention relates to a telescoping blade where the length of the blade is variable.

BACKGROU ) OF THE INVENTION

Wind turbines create power proportional to the swept area of their blades. Increasing the length of a wind turbine's blades increases the swept area, which produces more power. A wind turbine's generator, gears, bearings and support structure must be designed around the expected wind load and power production. At low wind speeds very long blades are desirable to get as much power as possible out of the available wind. At high wind speeds a wind turbine must control the power production and the mechanical loads developed. Eventually, the wind becomes high enough that the turbine must shut down to avoid damaging components, so short blades are desirable to keep the turbine producing power in high winds . '

The choice of a rotor diameter for a wind turbine is a design trade-off between energy production in low winds and load limitation in high winds. Wind turbine manufacturers often sell a variety of rotor sizes for a given wind turbine model. These rotor sizes are optimized for sites that have a low, medium, or high annual average wind speed. However, the rotor size selected is always a compromise and there are conditions in which the turbine does not perform optimally because the rotor is too big or too small.

It would be desirable to provide a wind turbine with a large rotor that can produce a large amount of power in low wind conditions and a small rotor for limiting power and mechanical loads during high wind conditions. Such a turbine would preferably have a variable diameter rotor that can be adjusted to the current wind conditions.

Many variable diameter rotors have been designed for aircraft. One of the first is shown in Patent Number 1,077,187 incorporated herein by reference. Many other variable diameter rotors, and improvements on them, have been patented since. Some of those patents, which are incorporated herein by reference are US Patents 3,768,923, 5,299,912, 5,636,969, 5,642,982, and 5,655,879. These rotor designs are all for use on aircraft of various sorts and they lack any teaching to utilize such a rotor on a wind turbine.

In the past when a turbine has been installed in a lower wind speed site than it was originally designed for, blades have been lengthened by adding hub extenders, which space blades out radially from their original mounting. Hub extenders accomplish the goal of increasing the swept area, but present the following disadvantages:

1. Hub extenders cannot be easily changed or removed, because they are relatively heavy devices. Since it requires a crane and hours of labor to change hub extenders on commercial sized wind turbines, they end up being left in place once they are installed.

2. Since hub extenders cannot be easily removed, extra loads are placed on the turbine every time high winds occur, and

3. The length of the hub extenders is limited by the strength of the existing drive train and other components. Either the turbine life is shortened, or the drive train, generator, and other components must be upgraded to withstand the higher loads caused by the longer blades. Since the entire drive train cannot be economically upgraded, the use of hub extenders is limited as a way of increasing the energy output of a wind turbine.

It would be advantageous to provide a way of extending the length of wind turbine blades that is easily reversible so the wind turbine can take advantage of the extra power production of longer blades but not have the liability of long blades during periods of high wind.

Tip brakes are moveable blade sections located at the end of a turbine blade. One design shown in US Patent Number 4,715,782 incorporated herein by reference, reduces the efficiency of the blade by turning 90 degrees and causing drag. The tip portion of the blade is mounted to a shaft which allows the tip to be rotated 90 degrees to the blade. This acts as a drag which is used as a brake to slow the rotation of the blades. These devices allow the tip of the blade to move longitudinally a short distance in order to disconnect the tip from the end of the blade. Once free of the fixed portion of the blade, the tip is rotated the full 90 degrees to effectively destroy the capability of the blade to produce power. These tip brakes are not designed to operate at any position other than fully rotated, or fully lined up with the blade. Their function is to act as a safety device by reducing the ability of the turbine blade to make power. The longitudinal motion of the tip is minimal, and it serves the purpose of latching and unlatching the tip so it can be rotated.

Another design of tip brakes is shown in US Patent Number 4,710,101, which is incorporated herein by reference. This device uses a purely telescoping method of braking the wind turbine. A portion of the leading edge of the tip of the blade is extended exposing a non aerodynamic surface to the wind and exposing a non aerodynamic surface at the trailing edge of the blade tip. These factors combine to produce a braking effect. Even though the telescoping action in this design is greater than other tip brake designs the function remains the same; to inhibit power production of the wind turbine by altering the aerodynamic shape of the blade. While tip brakes are made up of a fixed and a moveable blade section, they:

1. do not allow the effective length of the blade to be changed;

2. do not improve the power output of the blade;

3. do not optimize the pitch of the end of the blade with changes in length, and

4. do not operate at positions intermediate to the fully deployed or fully lined up positions.

It would be advantageous to provide a method of reducing the loads and power output of the wind turbine during high winds without inhibiting power production entirely, thus allowing for continued power production in high winds.

SUMMARY OF THE INVENTION

The disclosed invention provides a wind turbine blade that is variable in length in order to change the rotor's cross-sectional swept area and to regulate the amount of power intercepted from the wind. In low wind conditions, the blade length is extended to provide a rotor with maximum swept area so that the maximum amount of power can be extracted from the wind, hi high wind conditions, the blade is retracted to minimize aerodynamic loading and to keep structural loads within the design criteria.

The variable length blade of the present invention includes an inboard portion and an outboard portion. The outboard portion is longitudinally moveable relative to the inboard portion. As the outboard portion is moved longitudinally, the effective length of the blade is varied. The manner of mounting the variable length blade to a wind turbine is identical to methods in present use with blades of fixed length. Namely, the base of the blade is composed of a flange provided with holes or studs which match a wind turbine's hub. This flange or studs are bolted to the wind turbine hub. The hub supports the weight of the blade, and transmits the rotational power and structural loads from the blade to the turbine's drive shaft. Since the mounting of a variable length blade according to the present invention is accomplished in the same manner as a conventional blade, the variable length blades can easily be retrofit onto existing wind turbines. The blade may be mounted to the hub via a pitch bearing so that the pitch angle of the blade can be adjusted. The present invention also works with pitch bearings and variable pitch rotors.

A typical wind turbine has two or three blades. To maintain balance, all of the blades on a turbine should be variable length blades. If the blade length is adjusted while the turbine is running, all blades must be moved simultaneously to keep the mass balanced. As an optional feature, the blades could be individually adjustable to allow for mass balancing of the rotor in real-time. The length of the blade is changed by activating a drive mechanism. The drive mechanism may be activated manually or automatically. The drive mechanism is activated in response to wind speed and/or generator output as follows:

During periods of low wind, the blades are moved to their longest position to provide the largest possible swept area. This maximizes power production. As the wind speed increases, the turbine will produce more power. When the level of power production starts to exceed the maximum capability of the wind turbine, the blade length can be reduced until the resulting swept area and power production are within safe limits for the turbine. This prevents the turbine from being driven too hard in high winds. The simple longitudinal movement of the blade can be achieved while the blade is rotating through the use of conventional drive mechanisms and actuators. These include rotating unions, slip rings, hydraulic rams, cable drives, and screw drives, etc. As the wind speed continues to increase, the blade can be further shortened, until reaching the shortest position. This shortest position allows the turbine to continue running during periods of high winds without overloading the drive train or other components.

Since the blade can be incrementally adjusted, blade length can be set to maximize power production over a wide range of wind speeds, while preventing excessive loads on the turbine drive train. As wind speeds slow down from a high speed condition, power output drops, and the blade length can be increased to continue producing the maximum amount of power for which the drive train and other components are rated. At low wind speeds, the blades are again set to their longest position to produce the maximu possible power. In low winds, power output of the variable length blades will be greater than what which would be produced by a shorter conventional blade. Because of the great number of hours with wind speeds less than 15 miles per hour at most locations, the variable length blade will end up in the longest position for several thousand hours per year. This increases annual production, while the ability to shorten the blades when the wind does blow hard saves the turbine from damage that would otherwise be caused by oversized conventional blades. Also shortening the blades delays the braking and high wind shutdown of the turbine until winds are extremely strong, thus extending the total amount of time that power is being produced.

It is an object of the present invention to provide an adjustable length wind turbine blade which directly changes the amount of power produced at a specific wind speed. This enables the wind turbine to produce more power than it would with conventional blades.

It is an object of the present invention to provide an adjustable length wind turbine blade that can be changed in length with a minimum of manpower, rapidly, without the use of a crane or other heavy equipment to any position between the blades' longest and shortest settings, allowing for many length changes in the course of a day.

It is an object of the invention to provide a variable length wind turbine blade which can have its length adjusted while the turbine is operating, eliminating the need for a shut down adjustment of blade length.

It is an object of the invention to provide a variable length wind turbine blade which can be adjusted automatically to compensate for any combination of the following: wind speed, power output, strain on mechanical components, temperature, air density, and any other factors for which blade length might compensate. This allows for trouble free operation and maximization of the wind turbine's availability.

It is an object of the present invention to provide a variable length wind turbine blade which, by reducing forces acting on the drive train, allows the turbine to produce more power during the year without increasing the size of major components such as the gearbox and generator. Producing more power with the same size drive train lowers the cost of producing electrical energy.

It is an object of the present invention to provide a variable length wind turbine blade which can extend its length to produce more power in light winds, thus increasing power output over most of the time in the year. It is an object of the present invention to provide a variable length wind turbine blade which can, in its shortest position, run in higher winds than a turbine equipped with conventional blades, thus improving power production in strong winds.

It is an object of the present invention to provide a variable length wind turbine blade which in periods of high winds can be adjusted to limit structural loads on the wind turbine and on the blades. This reduces wear and decreases the possibility of catastrophic failure, thus increasing safety while decreasing maintenance costs.

It is an object of the present invention to provide a variable length wind turbine blade in which the moveable portion of the blade can be rotated as it is extended to optimize the pitch angle of the blade as it is changed in length. Optimized pitch angles produce the maximum power from an airfoil.

It is an object of the present invention to provide a variable length wind turbine blade which is compatible with most existing wind turbines because it uses standard mounting hardware, and can be adapted to incorporate features such as tip brakes. Thus the blade is compatible with existing fixed pitch, variable pitch, and variable speed turbines as well as suited for incorporation into new designs.

It is an object of the present invention to provide a variable length wind turbine blade which in its retracted position is shorter and therefore easier to transport than a longer one piece blade. The present invention can be fully assembled in its retracted position and requires no assembly on site.

It is an object of the present invention to provide a variable length wind turbine blade which is simply constructed thus making it capable of many adjustments in length with minimum need for maintenance. It is an object of the present invention to provide a variable length wind turbine blade which is constructed of greater than two parts increasing the range of possible lengths, thus increasing the benefit disclosed in the foregoing objects.

It is an object of the present invention to provide a variable length wind turbine blade that is compatible with conventional hub designs so that the blade can be retrofit onto existing wind turbines.

It is an object of the present invention to provide a variable length wind turbine blade that is compatible with various types of turbines. It is intended that the blades can be used on stall controlled turbines, pitch controlled turbines, and variable speed turbines. The variable length blades can also incoiporate tip brakes.


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