CN101405504A - 风力涡轮机转子叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有负压侧(13)和压力侧(15)的风力涡轮机转子叶片(1)。它包括圆柱形根部(3)和限定负压侧(13)与压力侧(15)的翼部(5)，以及位于翼部(5)和根部(3)之间的过渡部分(7)。过渡部分(7)具有从翼部(5)的翼型变化到根部(3)的圆柱形轮廓的过渡轮廓。过渡轮廓的前部是圆柱形的而过渡轮廓的尾部是细长的。在转子叶片中，翼部(5)的最大弦长至少是过渡部分(7)的最大弦长。此外，过渡轮廓包括在转子叶片(1)的压力侧(15)上的具有凹曲率(25)的部分。

Description

风力涡轮机转子叶片
技术领域
本发明涉及一种具有圆柱形根部、翼部和位于翼部与根部之间的过渡部分的风力涡轮机转子叶片。
背景技术
用于风力涡轮机的转子叶片的技术现状正如在例如EP 1314885A1中所述的那样。这种叶片包括具有圆柱形横截面的根部，转子叶片通过该根部固定到转子的毂上；还包括具有空气动力形状横截面的翼部。根部的圆柱形横截面用来将叶片固定在转子毂处的轴承上。
过渡部分位于翼部与根部之间，在过渡部分叶片的剖面从空气动力翼型(airfoil)变化为圆柱形剖面。从翼部到根部的过渡通常在由叶片的最大翼弦的位置确定的叶片的所谓肩部处开始。翼弦是在标准气流(normal airflow)方向上测量的、从叶片的前缘到其尾缘的假想线。肩部通常位于转子叶片跨距的大约20％处，所述跨距是从根部到叶片的最外面部分——所谓尖端——的叶片长度。
风力涡轮机叶片的空气动力学特性中的焦点最主要集中在翼部。常常认为过渡区域对风力涡轮机的功率产生没有显著的贡献。
为了改进风力涡轮机转子叶片的内部部分的空气动力学性质，已经在WO2003/014646A1中提议增大叶片宽度，即，转子毂附近沿着翼弦的尺寸，从而能够在靠近毂之处发现最大的宽度。不过，这导致转子所固定到的塔架处有更高的负载，导致更高的生产成本以及运输叶片过程中的困难。因此，在WO2004/097215A1中已经提议将这种叶片以两部分的形式来实现。
发明内容
关于所提到的现有技术，本发明的目的是提供一种改进的风力涡轮机转子叶片。
该目的通过一种如权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片来实现。从属权利要求定义了本发明的进一步的发展。
本发明的具有负压侧和压力侧的风力涡轮机转子叶片包括：圆柱形根部、翼部和过渡部分。翼部限定了叶片的负压侧和压力侧。过渡部分位于翼部与根部之间并具有从翼部的翼型变化到根部的圆柱形轮廓的过渡轮廓，其前部是圆柱形的而其尾部是细长的。在本发明的风力涡轮机转子叶片中，翼部的最大弦长至少为过渡部分的最大弦长，尤其大于过渡部分的最大弦长。此外，过渡轮廓包括在叶片压力侧上的具有凹曲率的部分。在特定实施例中，具有凹曲率的部分不在弦长的从过渡轮廓的前缘开始测量的60％之前开始。在本发明的进一步有利实施例中，具有凹曲率的过渡轮廓部分延伸到100％的弦长。
通过引入凹曲率到叶片的过渡轮廓的压力侧而不扩大其轮廓宽度，即其弦长，在翼部的整个轮廓宽度之上，可以改进叶片的过渡部分的空气动力学特性而不存在有关现有技术提到的困难，即，不会显著增大塔架负载，不会显著增大生产成本且不会导致运输困难。因此，出于运输原因以两部分来实施本发明的转子叶片是不必要的。两部分转子叶片的两个部分的连接区中永远具有弱点，除非付出相当大的努力来克服该弱点。
如果具有凹曲率的部分仅在过渡轮廓的最后20％延伸、即从80％弦长延伸至100％弦长，则能获得有利的效果。在这种情况下，对于现有技术的过渡轮廓而言仅微小的变化是必要的。
凹曲率可通过将小的区域添加到现有技术的过渡轮廓的横截面而容易地获得。该区域在本申请全文中称为壳。凹曲率(尤其是壳)以与传统翼型上的Gurney翼片的相同作用方式，引入了相当大的尾部载荷并增大了转子的提升力。
本发明的转子叶片的翼部可以在转子叶片的位于跨距的从毂朝着叶片尖端测量的15％和25％之间的点开始。特别地，翼部可以在跨距的大约20％处开始。
附图说明
通过以下参考附图对本发明的一个实施例的说明，其他的特征、性质和优点将变得清晰。
图1以俯视图的形式表示由叶片跨距和叶片的弦限定的平面上的转子叶片。
图2表示穿过图1所示叶片的翼部的弦向截面。
图3表示根据现有技术的叶片过渡部分的轮廓的横截面。
图4表示根据本发明的叶片过渡部分的轮廓的横截面。
图5表示作为冲角(angle of attack)的函数的本发明的和现有技术的轮廓的升力系数。
图6表示作为冲角的函数的本发明和现有技术的轮廓的阻力系数。
图7表示过渡轮廓的横截面的不同比例的几何形状的例子。
具体实施方式
图1表示风力涡轮机叶片1，就像它通常用于三叶片转子中的那样。不过，本发明不应限制于用于三叶片转子的叶片。实际上，它也可以实施到其他转子中，例如，一叶片转子或两叶片转子。
图1所示的转子叶片1包括具有圆柱形轮廓的根部3和尖端2。尖端形成了叶片的最外面部分。根部3的圆柱形轮廓用来将叶片固定到转子毂的轴承上。转子叶片1还包括所谓肩部，所述肩部定义为叶片具有最大轮廓深度即最大弦长的部位。翼部5在肩部4与尖端2之间延伸，所述翼部具有空气动力学形状的轮廓。在肩部4与圆柱形根部3之间延伸有过渡部分7，在该过渡部分中实现了从翼部5的空气动力学轮廓到根部3的圆柱形轮廓的过渡。
穿过转子叶片翼部5的弦向横截面如图2所示。图2所示的空气动力学轮廓包括凸起的负压侧13和较少地凸起地压力侧15。从叶片前缘9延伸到其尾缘19的虚线表示轮廓的弦。尽管在图2中压力侧15包括凸起部分17和凹陷部分19，也可以实施成完全没有凹陷部分的，只要负压侧13比压力侧15更凸出即可。
翼部5中的负压侧13和压力侧15也可以分别称为转子叶片1的负压侧和压力侧，尽管，严格地讲，叶片1的圆柱形部分3不表示压力侧或负压侧。
现有技术的用于转子叶片1的过渡部分7的轮廓表示在图3中。过渡轮廓的横截面在其前部中是圆形的而在其尾部中是细长的，从而它类似于蛋形。可以看到它或多或少关于弦对称，因此在大范围的风的冲角之下不产生对涡轮机叶片有用的提升力。
过渡部分7的过渡轮廓表示在图4中。与现有技术的过渡轮廓相比，其压力侧15已经通过将区域21增加至轮廓的横截面而在80％至100％的弦长之间的部分中进行了修正。现有技术的这部分之中的轮廓由虚线表示。增加的区域21或壳由在100％的弦长处沿垂直于弦的方向上从负压侧13伸出的直线23定界。增加区域因此不增大轮廓的深度即弦长。增加区域21的横截面进一步由凹线25定界，所述凹线在轮廓的压力侧15中从大约80％弦长处延伸到100％弦长处。增加区域21将可观的后部负载引入到转子叶片1的过渡部分7上以与传统翼上的Gurney襟翼(也称为“wickerbill”)相同的作用方式增大了升力。
增加区域21的大小可以通过缩放、尤其是缩放直线23的长度而适应于不同设计条件，就像在图7中所示的那样。通过缩放，为增加区域定界的直线23将会比图4所示的增加区域21短或长。
在风洞测试中，具有图4和图7所示的横截面的过渡轮廓已经被证实比图3所示的现有技术的轮廓更有利。此外，针对现有技术轮廓和本发明轮廓的计算流体力学计算(CFD计算)已经完成。这些计算的结果表示在图5和6中。图5表示针对现有技术的轮廓和本发明的轮廓，升力系数c1作为风的冲角的函数，而图6表示针对现有技术的轮廓和本发明的轮廓，阻力系数cd作为风的冲角的函数，而对于本发明它是正的。利用增加到过渡轮廓的横截面的区域，它的过渡轮廓的升力系数c1被显著地改进。确实，对于现有技术的过渡轮廓，升力在几乎整个冲角范围中都是负的，而对于本发明它是正的。此外，与现有技术的过渡轮廓相比，本发明的过渡轮廓的阻力系数cd增大了。
基于升力系数c1和阻力系数cd的值，年度产能(AEP)的计算已经完成。该计算得出，对于典型风力分布而言AEP增大了大约1.5％.使用现有技术的计算流体力学进行的转子的全三维计算甚至表明AEP提高大约3％.这表示过渡部分7也对叶片的翼部5有作用。
为了研究对于涡轮机负载的影响，已经利用BHawC空气弹性变形码(aeroelastic code)进行了综合负载计算。该计算的结果表明对总负载的影响微乎其微。
本发明的转子叶片1能够通过改变涡轮机叶片的制造方法来实现，从而过渡部分7的轮廓变成如图4和图7所示的轮廓。不过，也可能将壳增加至呈固定到过渡部分上的分离件的形式的具有现有技术的轮廓的过渡部分。这对于升级现有的转子叶片尤其有用。

Claims (5)

1.一种具有负压侧(13)和压力侧(15)的风力涡轮机转子叶片(1)，该风力涡轮机转子叶片包括：
圆柱形根部(3)，
限定了所述负压侧(13)和所述压力侧(15)的翼部(5)，和
过渡部分(7)，所述过渡部分位于所述翼部(5)与所述根部(3)之间并具有从所述翼部(5)的翼型变化到所述根部(3)的圆柱形轮廓的过渡轮廓，其中所述翼部(5)的最大弦长至少为所述过渡部分(7)的最大弦长，并且所述过渡轮廓包括在所述转子叶片(1)的所述压力侧(15)上的具有凹曲率(25)的部分，
其特征在于，
所述过渡轮廓的前部是圆柱形的而所述过渡轮廓的尾部是细长的，且
所述具有凹曲率(25)的部分形成为增加到所述过渡轮廓的横截面的区域(21)，所述区域由在100％弦长处沿垂直于弦的方向从所述负压侧(13)伸出的直线(23)定界。
2.如权利要求1所述的转子叶片(1)，其特征在于，所述具有凹曲率(25)的部分不从60％弦长处之前开始。
3.如权利要求1或2所述的转子叶片(1)，其特征在于，所述具有凹曲率(25)的部分延伸到100％弦长处。
4.如权利要求2和3所述的转子叶片(1)，其特征在于，所述具有凹曲率(25)的部分从80％弦长处延伸到100％弦长处。
5.如权利要求1至4中任一项所述的转子叶片(1)，其特征在于，所述翼部(5)在所述转子叶片(1)的位于所述转子叶片(1)总长度的15％至25％之间的点处开始。
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