風力渦輪機轉子葉片的製作方法

2023-10-10 06:01:19 1

專利名稱：風力渦輪機轉子葉片的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有圓柱形根部、翼部和位於翼部與根部之間的過渡部分 的風力渦輪機轉子葉片。
背景技術：
用於風力渦輪機的轉子葉片的技術現狀正如在例如EP 1314885 Al中所述 的那樣。這種葉片包括具有圓柱形橫截面的根部，轉子葉片通過該根部固定到 轉子的轂上；還包括具有空氣動力形狀橫截面的翼部。根部的圓柱形橫截面用 來將葉片固定在轉子轂處的軸承上。過渡部分位於翼部與根部之間，在過渡部分葉片的剖面從空氣動力翼型 (airfoil)變化為圓柱形剖面。從翼部到根部的過渡通常在由葉片的最大翼弦的 位置確定的葉片的所謂肩部處開始。翼弦是在標準氣流(normal airflow)方向 上測量的、從葉片的前緣到其尾緣的假想線。肩部通常位於轉子葉片跨距的大 約20%處，所述跨距是從根部到葉片的最外面部分一一所謂尖端一一的葉片長 度。風力渦輪機葉片的空氣動力學特性中的焦點最主要集中在翼部。常常認為 過渡區域對風力渦輪機的功率產生沒有顯著的貢獻。為了改進風力渦輪機轉子葉片的內部部分的空氣動力學性質，已經在WO 2003/014646 Al中提議增大葉片寬度，即，轉子轂附近沿著翼弦的尺寸，從而 能夠在靠近轂之處發現最大的寬度。不過，這導致轉子所固定到的塔架處有更 高的負載，導致更高的生產成本以及運輸葉片過程中的困難。因此，在WO 2004/097215 Al中已經提議將這種葉片以兩部分的形式來實現。發明內容關於所提到的現有技術，本發明的目的是提供一種改進的風力渦輪機轉子 葉片。該目的通過一種如權利要求1所述的風力渦輪機轉子葉片來實現。從屬權 利要求定義了本發明的進一步的發展。本發明的具有負壓側和壓力側的風力渦輪機轉子葉片包括圓柱形根部、 翼部和過渡部分。翼部限定了葉片的負壓側和壓力側。過渡部分位於翼部與根 部之間並具有從翼部的翼型變化到根部的圓柱形輪廓的過渡輪廓，其前部是圓柱形的而其尾部是細長的。在本發明的風力渦輪機轉子葉片中，翼部的最大弦 長至少為過渡部分的最大弦長，尤其大於過渡部分的最大弦長。此外，過渡輪 廓包括在葉片壓力側上的具有凹曲率的部分。在特定實施例中，具有凹曲率的 部分不在弦長的從過渡輪廓的前緣開始測量的60%之前開始。在本發明的進一 步有利實施例中，具有凹曲率的過渡4侖廓部分延伸到100%的弦長。通過引入凹曲率到葉片的過渡輪廓的壓力側而不擴大其輪廓寬度，即其弦 長，在翼部的整個輪廓寬度之上，可以改進葉片的過渡部分的空氣動力學特性 而不存在有關現有技術提到的困難，即，不會顯著增大塔架負載，不會顯著增 大生產成本且不會導致運輸困難。因此，出於運輸原因以兩部分來實施本發明 的轉子葉片是不必要的。兩部分轉子葉片的兩個部分的連接區中永遠具有弱點， 除非付出相當大的努力來克服該弱點。如果具有凹曲率的部分僅在過渡輪廓的最後20%延伸、即從80%弦長延伸 至100%弦長，則能獲得有利的效果。在這種情況下，對於現有技術的過渡輪 廓而言僅微小的變化是必要的。凹曲率可通過將小的區域添加到現有技術的過渡輪廓的橫截面而容易地 獲得。該區域在本申請全文中稱為殼。凹曲率(尤其是殼)以與傳統翼型上的 Gurney翼片的相同作用方式，引入了相當大的尾部載荷並增大了轉子的提升 力。本發明的轉子葉片的翼部可以在轉子葉片的位於跨距的從轂朝著葉片尖 端測量的15%和25%之間的點開始。特別地，翼部可以在跨距的大約20%處開 始。


通過以下參考附圖對本發明的一個實施例的說明，其他的特徵、性質和優 點將變得清晰。圖1以俯視圖的形式表示由葉片跨距和葉片的弦限定的平面上的轉子葉片。圖2表示穿過圖1所示葉片的翼部的弦向截面。 圖3表示根據現有技術的葉片過渡部分的輪廓的橫截面。 圖4表示根據本發明的葉片過渡部分的輪廓的橫截面。 圖5表示作為沖角(angle of attack)的函數的本發明的和現有技術的輪廓 的升力係數。圖6表示作為衝角的函數的本發明和現有技術的輪廓的阻力係數。 圖7表示過渡輪廓的橫截面的不同比例的幾何形狀的例子。
具體實施方式
圖l表示風力渦輪機葉片l，就像它通常用於三葉片轉子中的那樣。不過， 本發明不應限制於用於三葉片轉子的葉片。實際上，它也可以實施到其他轉子 中，例如， 一葉片轉子或兩葉片轉子。圖1所示的轉子葉片1包括具有圓柱形輪廓的根部3和尖端2。尖端形成 了葉片的最外面部分。根部3的圓柱形輪廓用來將葉片固定到轉子轂的軸承上。 轉子葉片l還包括所謂肩部，所述肩部定義為葉片具有最大輪廓深度即最大弦 長的部位。翼部5在肩部4與尖端2之間延伸，所述翼部具有空氣動力學形狀 的4侖廓。在肩部4與圓柱形4艮部3之間延伸有過渡部分7,在該過渡部分中實 現了從翼部5的空氣動力學輪廓到根部3的圓柱形輪廓的過渡。穿過轉子葉片翼部5的弦向橫截面如圖2所示。圖2所示的空氣動力學輪 廓包括凸起的負壓側13和較少地凸起地壓力側15。從葉片前緣9延伸到其尾 緣19的虛線表示輪廓的弦。儘管在圖2中壓力側15包括凸起部分17和凹陷部 分19,也可以實施成完全沒有凹陷部分的，只要負壓側13比壓力側15更凸出 即可。翼部5中的負壓側13和壓力側15也可以分別稱為轉子葉片1的負壓側和 壓力側，儘管，嚴格地講，葉片1的圓柱形部分3不表示壓力側或負壓側。現有技術的用於轉子葉片1的過渡部分7的輪廓表示在圖3中。過渡輪廓 的橫截面在其前部中是圓形的而在其尾部中是細長的，從而它類似於蛋形。可 以看到它或多或少關於弦對稱，因此在大範圍的風的沖角之下不產生對渦輪機 葉片有用的提升力。過渡部分7的過渡輪廓表示在圖4中。與現有技術的過渡輪廓相比，其壓力側15已經通過將區域21增加至輪廓的橫截面而在80%至100%的弦長之間 的部分中進行了修正。現有技術的這部分之中的輪廓由虛線表示。增加的區域 21或殼由在100%的弦長處沿垂直於弦的方向上從負壓側13伸出的直線23定 界。增加區域因此不增大輪廓的深度即弦長。增加區域21的橫截面進一步由凹 線25定界，所述凹線在輪廓的壓力側15中從大約80%弦長處延伸到100%弦 長處。增加區域21將可觀的後部負載引入到轉子葉片1的過渡部分7上以與傳 統翼上的Gumey襟翼(也稱為"wickerbill")相同的作用方式增大了升力。增加區域21的大小可以通過縮放、尤其是縮放直線23的長度而適應於不 同設計條件，就像在圖7中所示的那樣。通過縮放，為增加區域定界的直線23 將會比圖4所示的增加區域21短或長。在風洞測試中，具有圖4和圖7所示的橫截面的過渡輪廓已經被證實比圖 3所示的現有技術的輪廓更有利。此外，針對現有技術輪廓和本發明輪廓的計 算流體力學計算(CFD計算)已經完成。這些計算的結果表示在圖5和6中。 圖5表示針對現有技術的輪廓和本發明的輪廓，升力係數q作為風的沖角的函 數，而圖6表示針對現有技術的輪廓和本發明的輪廓，阻力係數Cd作為風的沖 角的函數，而對於本發明它是正的。利用增加到過渡輪廓的橫截面的區域，它 的過渡輪廓的升力係數c!被顯著地改進。確實，對於現有技術的過渡輪廓，升 力在幾乎整個衝角範圍中都是負的，而對於本發明它是正的。此外，與現有技 術的過渡輪廓相比，本發明的過渡輪廓的阻力係數cd增大了 。基於升力係數q和阻力係數Cd的值，年度產能(AEP)的計算已經完成。 該計算得出，對於典型風力分布而言AEP增大了大約1.5%.使用現有技術的 計算流體力學進行的轉子的全三維計算甚至表明AEP提高大約3%.這表示過 渡部分7也對葉片的翼部5有作用。為了研究對於渦輪機負載的影響，已經利用BHawC空氣彈性變形碼 (aeroelastic code )進行了綜合負載計算。該計算的結果表明對總負載的影響微 乎其微。本發明的轉子葉片1能夠通過改變渦輪機葉片的製造方法來實現，從而過 渡部分7的輪廓變成如圖4和圖7所示的輪廓。不過，也可能將殼增加至呈固 定到過渡部分上的分離件的形式的具有現有技術的輪廓的過渡部分。這對於升 級現有的轉子葉片尤其有用。
權利要求
1.一種具有負壓側(13)和壓力側(15)的風力渦輪機轉子葉片(1)，該風力渦輪機轉子葉片包括圓柱形根部(3)，限定了所述負壓側(13)和所述壓力側(15)的翼部(5)，和過渡部分(7)，所述過渡部分位於所述翼部(5)與所述根部(3)之間並具有從所述翼部(5)的翼型變化到所述根部(3)的圓柱形輪廓的過渡輪廓，其中所述翼部(5)的最大弦長至少為所述過渡部分(7)的最大弦長，並且所述過渡輪廓包括在所述轉子葉片(1)的所述壓力側(15)上的具有凹曲率(25)的部分，其特徵在於，所述過渡輪廓的前部是圓柱形的而所述過渡輪廓的尾部是細長的，且所述具有凹曲率(25)的部分形成為增加到所述過渡輪廓的橫截面的區域(21)，所述區域由在100％弦長處沿垂直於弦的方向從所述負壓側(13)伸出的直線(23)定界。
2. 如權利要求l所述的轉子葉片(1),其特徵在於，所述具有凹曲率(25) 的部分不從60。/。弦長處之前開始。
3. 如權利要求1或2所述的轉子葉片(1)，其特徵在於，所述具有凹曲率 (25)的部分延伸到100%弦長處。
4. 如權利要求2和3所述的轉子葉片(1),其特徵在於，所述具有凹曲率 (25 )的部分從80%弦長處延伸到100%弦長處。
5. 如權利要求1至4中任一項所述的轉子葉片(1)，其特徵在於，所述 翼部(5 )在所述轉子葉片(1 )的位於所述轉子葉片(1 )總長度的15%至25% 之間的點處開始。
全文摘要
本發明提供了一種具有負壓側(13)和壓力側(15)的風力渦輪機轉子葉片(1)。它包括圓柱形根部(3)和限定負壓側(13)與壓力側(15)的翼部(5)，以及位於翼部(5)和根部(3)之間的過渡部分(7)。過渡部分(7)具有從翼部(5)的翼型變化到根部(3)的圓柱形輪廓的過渡輪廓。過渡輪廓的前部是圓柱形的而過渡輪廓的尾部是細長的。在轉子葉片中，翼部(5)的最大弦長至少是過渡部分(7)的最大弦長。此外，過渡輪廓包括在轉子葉片(1)的壓力側(15)上的具有凹曲率(25)的部分。
文檔編號F03D1/06GK101405504SQ200780009665
公開日2009年4月8日 申請日期2007年2月26日 優先權日2006年4月10日
發明者佩德·B·埃尼沃爾德森, 澤倫·喬特 申請人:西門子公司