CN101539119A - 风轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

一种具有空气动力学轮廓的风轮机叶片(11)，所述空气动力学轮廓具有前缘(13)、后缘(15)和前缘(13)与后缘(15)之间的吸入侧和压力侧(17、19)，其中，所述压力侧(19)包括成形用于减少负升力系数的修正区域(31)，所述修改区域通过将一装置(33)例如失速带附着到叶片(11)上或者通过将一可变形装置和致动器装置附着或插入叶片(11)内来完成，所述致动器装置用于在其中提供形状和尺寸的改变。

Description

风轮机叶片
技术领域
本发明涉及一种使疲劳和极值载荷最小化的风轮机叶片，更具体地，涉及一种在叶片的中跨部分使疲劳和极值载荷最小化的风轮机叶片。
背景技术
在风轮机行业中，当前的挑战是能提供一种使疲劳和极值载荷最小化的叶片设计，从而允许叶片的材料、重量和价格的减少。
风轮机叶片上的翼型部分(airfoil sections)在正常生产中从低迎角到高迎角的迎角范围内操作，在所述低迎角处，在升力与迎角关系曲线的线性部分上升力低，在所述高迎角处，翼型部分恰好处于失速前(before stall)或失速中(in stall)。
空气动力载荷的变化可以随着空气动力升力和空气动力阻力的摆动进行测量。数据组或时间序列的标准偏差统计值通常用作摆动的良好指示。升力和阻力的高的标准偏差表示空气动力载荷的变化高，导致较高的疲劳载荷。
尤其是大型叶片，叶片的不同部分将承受不同的载荷。在桨距控制(pitch controlled)型风轮机中，当达到额定功率时或在高风速时，叶片向着降低升力系数的横桨位置(feathered position)变化桨距来移除过多的能量。在这种情况下，可能发生叶片的根部具有正升力而梢部具有负升力，从而导致高疲劳载荷，尤其是在叶片的中跨部分。
在其它的操作情况中，为了让转子慢下来并最终停止风轮机，风轮机叶片向着横桨位置移动。在那种情况中，希望在叶片中产生负升力，但在转换期间，极大的负升力可能会导致叶片或风轮机中任何其它部件中的极大载荷。
遭遇高疲劳载荷的另一种情况是在引入桨距变化以使阵风和大规模大气紊流的影响最小化的过程中。当所述紊流涉及风速增加，叶片桨距增加，减小迎角从而减少空气动力载荷。风速增加后通常跟随着风速减小，其需要较低的节面角(pitch angles)和较大的迎角来产生相同的转矩。在这个过程中，可能会发生叶片的部分，通常是外侧，在非常短的时间内从正迎角转变为负迎角，或与之相反。由于这表示叶片的那部分将处于升力与迎角关系曲线的负升力区域，并且将在非常短的时间内转变到正区域，从载荷的角度来看，这个过程对叶片施加了随着时间改变方向的载荷。
本发明旨在提供解决这些问题的方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种使疲劳和极值载荷最小化的风轮机叶片，尤其是在叶片的中跨部分。
本发明的另一个目的是提供一种风轮机叶片，其允许在风轮机的其它部件上使疲劳和极值载荷最小化。
本发明的这些和其它目的通过提供一种具有空气动力学轮廓的风轮机叶片来实现，所述空气动力学轮廓具有前缘、后缘以及前缘与后缘之间的吸入侧和压力侧，风轮机叶片还包括一个在压力侧上的修正区域，所述修正区域成形用于减少负升力系数并且在一优选实施例中位于对应于翼弦位置的两部分之间，从所述前缘测量，处于翼弦长度的1％-20％的范围内，最优选地，处于翼弦长度的5％-20％的范围内。
在一个优选实施例中，所述修正区域沿着叶片的一部分设置，从叶片的梢部测量，在叶片长度的20％-50％之间延伸。因此，获得允许减少疲劳和极值载荷的叶片，而不需要沿着叶片的整个长度延伸所述修正区域。
在另一个优选实施例中，所述修正区域通过将例如失速带的装置附着到叶片上来完成。因此，通过廉价装置的方式来获得允许减少疲劳和极值载荷的叶片，所述廉价装置无论在叶片制造过程中还是之后均能容易地附着到叶片上。
在另一个优选实施例中，所述修正区域通过将一可变形装置和致动器装置附着或插入叶片内来完成，所述致动器装置用于在其中提供形状和尺寸的改变。因此，通过主动控制装置的方式来获得允许减少疲劳和极值载荷的叶片。
本发明的其它特征和优点将从下面结合附图的详细说明中得以理解。
附图说明
图1是现有风轮机叶片轮廓的示意图；
图2是根据本发明的风轮机叶片轮廓的示意图；
图3显示了对应于图1中所示轮廓的升力系数与迎角关系曲线；
图4显示了对应于图2中所示轮廓的升力系数与迎角关系曲线；
图5是根据本发明的具有附着装置的叶片平面图；
图6a、6b、6c、6d、6e显示几种横截面的失速带。
具体实施方式
在风轮机叶片的传统轮廓设计中，目的是尽可能地得到最佳的轮廓性能，其通常被理解为具有高的升力和低的阻力。
一种典型的风轮机叶片11通常具有气流优化的轮廓，例如图1中所示的轮廓，其具有前缘13、后缘15和具有吸入侧17和压力侧19的提升表面(lifting surface)。
图3显示了一种用于那种类型轮廓的典型的升力系数CL与迎角AOA关系曲线21。这些曲线具有升力系数CL的最大和最小值，最大值与正升力相关联，最小值与负升力相关联，因此在最大正升力和最小负升力之间存在显著的变量V1。
根据本发明，在那些情况中即尤其是由于紊流和阵风使得叶片的外侧部分具有负升力并且突然转变为正升力或与之相反的情况中出现的高疲劳载荷减小，其是通过修正叶片外侧部分的轮廓以减小其负升力系数。
所述修正的目的是提供这样一种轮廓，即该轮廓具有图4所示的升力系数CL与迎角AOA关系曲线23，相较于图1中所示的轮廓，该曲线23在最大的正升力与最小的负升力之间具有较小的变量V2。
消除处于负迎角的叶片外侧部分上的升力有利于位于叶片中跨处的载荷，尤其是在大风情况时。在这种情况下，叶片的外侧部分不需要用于产生能量，因为内侧部分能够产生足够的能量。在正迎角处，所述修正对轮廓性能的影响很小。
负升力系数的减小也有助于减小在那些情况中即在叶片向着横桨(feather)变化桨距并且迎角从正值变为负值的情况中出现的负的极值载荷。
因为可获得的最大负升力值减小了，与由于阵风和紊流从正迎角到负迎角或与之相反的快速变化相关联的疲劳载荷也会减小。
图2显示了在压力侧19上具有修正区域31的轮廓，所述修正区域成形用于使处于负迎角的轮廓失速，因此减小了负升力系数。
可以在叶片的制造过程中实现所述修正区域31，或优选地将适合的装置33附着到传统的叶片上来实现所述修正区域31。
在一个优选实施例中，所述装置33布置在对应于翼弦位置(chordpositions)的两部分之间的压力侧19上，从前缘13测量，处于翼弦长度的1％-20％的范围内，优选地，处于翼弦长度的5-20％的范围内。
在另一个优选实施例中，所述装置33沿着叶片11的一部分布置，从叶片的梢部29测量，在叶片长度的20％-50％的范围内延伸。
在另一个优选实施例中，所述装置33是由适合材料例如塑料、玻璃纤维、金属或环氧树脂的小片构成的失速带(stall strip)，并且具有矩形或三角形或半圆形或四分之一圆形的横截面，如图6a、6b、6c、6d、6e所示，其具有包含在0.5-10mm范围内的最大宽度W和包含在0.1-2mm范围内的最大高度t。
所述失速带可通过任何合适的固定方式例如粘结、螺栓连接或铆接附着到所述叶片上。
在风轮机行业中，对于不同的应用例如调节风轮机的功率或载荷和防止不受欢迎的振动，在风轮机叶片上使用不同装置例如失速带或涡流发生器是众所周知的。所述装置通常布置在轮廓的吸入侧用来触发失速。例如，它们已经用在失速控制型风轮机中来限制飓风时的功率输出。
然而，失速带或其它具有使负升力最小化目的的装置的使用还不为人们所知。实际上，叶片设计一直旨在获得轮廓的最佳性能，并且没有过多地关注负升力。
在另一个优选实施例中，所述修正区域31可以通过将一可变形装置附着或插入叶片内来实现，所述可变形装置配备有用于在其中提供形状和尺寸改变的致动器装置。
所述可变形装置的启动是主动控制的，以致当需要降低负升力系数时，发生所述区域31的形状的修正。所述主动控制包含风轮机控制系统，该风轮机控制系统监视能够识别包含高负升力系数事件的参数和向所述致动器装置提供输出信号。
一种优选的可变形装置是由智能材料即一旦对其施加电压便变形的材料制成的装置。其特别优选为一种由活性压电复合材料(activepiezoelectric composite)构成的并由电气装置驱动的可变形装置。
所述智能材料可以是施加在叶片外皮的内部和/或外部表面的片状智能材料。
另一种优选的可变形装置是由膨胀装置驱动的可膨胀装置。这种装置的外表面可优选地由柔韧性材料即橡胶构成的外皮来限定。
尽管本发明结合优选的实施例已充分地进行了描述，很明显在本发明的范围内不受这些实施例的限制，但是在下面权利要求书的内容所限制条件下可以进行改变。

Claims (11)

1.一种具有空气动力学轮廓的风轮机叶片(11)，所述空气动力学轮廓具有前缘(13)、后缘(15)以及前缘(13)与后缘(15)之间的吸入侧和压力侧(17、19)，其特征在于，所述压力侧(19)包括成形用于减少负升力系数的修正区域(31)。
2.根据权利要求1所述的风轮机叶片(11)，其特征在于，所述修正区域(31)位于对应于翼弦位置的两部分之间，从所述前缘(13)测量，处于翼弦长度的1％-20％的范围内。
3.根据权利要求2所述的风轮机叶片(11)，其特征在于，所述修正区域(31)位于对应于翼弦位置的两部分之间，从所述前缘(13)测量，处于翼弦长度的5％-20％的范围内。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的风轮机叶片(11)，其特征在于，所述修正区域(31)沿着叶片(11)的一部分设置，从叶片的梢部(29)测量，在叶片长度的20％-50％之间延伸。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的风轮机叶片(11)，其特征在于，所述修正区域(31)通过将一装置(33)附着到叶片(11)上完成。
6.根据权利要求5所述的风轮机叶片(11)，其特征在于，所述装置(33)是横截面为矩形、三角形、半圆形或四分之一圆形的失速带。
7.根据权利要求6所述的风轮机叶片(11)，其特征在于，所述失速带的最大宽度(w)包含在0.5-10mm的范围内并且所述失速带的最大高度(t)包含在0.1-2mm的范围内。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的风轮机叶片(11)，其特征在于，所述修正区域(31)通过将一可变形装置和致动器装置附着或插入叶片(11)内来完成，所述致动器装置用于在其中提供形状和尺寸的改变。
9.根据权利要求8所述的风轮机叶片(11)，其特征在于，所述可变形装置由智能材料构成，并且所述致动器装置是电气装置。
10.根据权利要求9所述的风轮机叶片(11)，其特征在于，所述智能材料是压电材料。
11.根据权利要求8所述的风轮机叶片(11)，其特征在于，所述可变形装置是可膨胀装置，并且所述致动器装置是膨胀装置。
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