CN102197215A - 转子叶片的轮廓和风力涡轮机的转子叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机的转子叶片(5)的轮廓(1-4)。根据本发明的轮廓(1-4)的特征在于，中弧线至少分段地在翼弦的下方沿朝向压力面(8)的方向延伸。此外，根据本发明的轮廓的特征在于，轮廓(1-4)在小于50％的翼型厚度的情形中具有超过45％的相对轮廓厚度，其中，升力系数(Ca)在湍流的情形中超过0.9，尤其超过1.4。

Description

转子叶片的轮廓和风力涡轮机的转子叶片
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机的转子叶片的轮廓、多个这样的轮廓以及风力涡轮机的相应的转子叶片。
背景技术
由专利文献DE 10 2008 003 411 A1已知了一种风力涡轮机的转子叶片的相应轮廓，以及一种相应的轮廓族或者多个轮廓。在该文献中所公开的翼面轮廓或轮廓具有钝的后缘、大致椭圆形的吸力面和大致S形的压力面。
还已知了另外的轮廓。尤其是同样已知了低速轮廓，其应用在转子叶根的附近或者在风力涡轮机的轮毂的附近。
基于Dieter Althaus的《低速轮廓》(Friedr.Vieweg & Sohn出版有限公司，Braunschweig/Wiesbaden，1996)，相对厚度较小的已知轮廓以下述方式制造，即，已知的轮廓通过后缘的切割或厚度的提高(Hochskalieren)来达到在叶根附近所需的必要相对厚度值。作为例子，为此可提及FX 77-W-500，其公开于上述文献的第162至163页上。在2.75百万的雷诺数的情形中，该轮廓在平稳状态下在迎角为10°时达到Ca＝1.6的最大升力系数，而在紊乱即湍流的状态下在迎角为4°时达到0.8的最大Ca。FX 77-W-500具有50％的相对轮廓厚度。
在本发明的范畴中，迎角或入流角理解为入流相对风相对于轮廓的翼弦的角度。对于可能的定义而言，尤其可参见教科书《风力设备》(Erich Hau，第4版，2008年)，尤其见第126页及以下。
带有较大相对轮廓厚度的已知轮廓(例如FX 77-W-500)虽然在平稳状态中具有可接受的升力系数Ca，然而该最大升力系数明显地会在湍流的情形中(即在紊乱的状态中)失去。在于紊乱状态中达到最大升力系数时的空气动力学的迎角也会明显变化。该特性，即在紊乱情形中较小的升力以及针对最大升力系数的较大的迎角变化，对于风力设备而言是非常不利的。如果设计迎角、即在转子叶片的设计中在计算相应的轮廓时所使用的迎角被选择为在其中平稳的轮廓具有最大升力系数的角度或略小的角度，这是有意义的，因为叶片深度应被保持为较小，升力系数会在紊乱的状态中降低为平稳状态下的值的一部分。FX 83-W-500的轮廓由于较厚的后缘即使在层流的情形中也仅具有中等的空气动力学性能。在湍流的情形中，其还具有较高的升力系数，然而具有相对较差的滑动系数。此外，该轮廓的最大厚度为轮廓长度或弦长的约80％，这在结构上对于转子叶片的高强度(Straak)来说是不利的。因此，在带有FX 83-W-500轮廓的叶片中，仅可制造主带子的相对较小的间距，这会引起在转子叶片的可构造性和叶片重量方面的相应削减。
发明内容
本发明的目的是给出一种风力涡轮机的转子叶片的轮廓，以及相应的多个轮廓和一种相应的转子叶片，其能既在层流又在湍流的情形中达到良好的空气动力学性能。在此，尤其是还应当减轻叶片重量。
该目的通过一种带有顶面(吸力面)和底面(压力面)的风力涡轮机的转子叶片的轮廓来实现，在该轮廓的前缘与后缘之间具有中弧线和翼弦，其中该中弧线至少分段式地在翼弦的下方沿朝向压力面的方向延伸。
通过该措施可在根据本发明的轮廓中选择较高的迎角，其中可达到较高的升力系数和较高的滑动系数。据此，设有这种轮廓的转子叶片或设有轮廓族或多个轮廓的转子叶片的弯曲可保持为较小，从而不需要扭转主带子就可实现主带子的尽可能大的间距，并且以此降低转子叶片的重量。
优选地，中弧线在轮廓的轮廓深度的0％至60％、尤其是0％至50％之间的距离中布置在翼弦的下方。据此可实现用于风力涡轮机的具有非常良好的空气动力学性能的轮廓。
当中弧线优选地在5％至50％、尤其是2％至60％之间的部分中完全布置在翼弦的下方时，该轮廓的设计对于较低的雷诺数来说也相对没有问题。
优选地，最大弯度的绝对值小于0.015。在此，该弯度是以弦长的百分比形式表示的中弧线相对于翼弦的间距。因此，对于给定的轮廓而言，最大弯度是以弦长百分比形式表示的中弧线相对于翼弦的最大间距。在本发明的范畴中，中弧线是在轮廓顶面与轮廓底面之间绘入的圆的中心所组成的线。在本发明的范畴中，翼弦定义为由轮廓后缘的中心到与鼻缘点(Nasenpunkt)相对应的最远轮廓点的直线。在本发明的范畴中，中弧线曲率定义为中弧线函数的二阶导数。最大轮廓厚度或在本发明的范畴中也称为相对轮廓厚度是轮廓的垂直于翼弦的关于弦长的最大厚度。在本发明的范畴中，相对翼型厚度(Dickenrücklage)定义为前面的鼻缘点关于弦长的最大轮廓厚度的间距，同样以百分比来表示。在本发明的范畴中，后缘厚度定义为后缘关于弦长的厚度。
优选地，轮廓深度为10％至40％、尤其是5％至50％、更好是2％至60％的中弧线的二阶导数(中弧线曲率)为零或者是正的。该轮廓同样具有特有的发明意义。
当该轮廓具有超过49％、尤其是超过55％或等于55％的相对轮廓厚度时(其中翼型厚度小于35％)，根据本发明的轮廓具有特别良好的空气动力学性能。该轮廓具有特殊的发明意义，尤其适合于转子叶根侧的轮廓。
根据本发明的、优选的轮廓，其同样具有特有的发明意义，特征在于，该轮廓具有超过45％、尤其超过50％或等于50％的相对轮廓厚度，其中在湍流情形中滑动系数大于6，尤其大于10，更好大于15。在将该轮廓用在转子叶片的靠近叶根的区域中时，尽管具有超过45％的较高相对轮廓厚度，然而入流中所包含的能量同样能被有效地充分利用，也不需要极端的叶片深度。在紊乱的轮廓、即在轮廓的完全湍流的情形中也能很大程度地达到该效果。此外，先前所提及的轮廓以及下面的轮廓可如下地改进成，工作区域处在较高的空气动力学迎角(例如大于10°)的情形中。
据此，避免了在生产技术上不利的较高几何形态的叶片弯曲。优选地，相对轮廓厚度大于65％，尤其是大于或等于70％。
风力涡轮机的转子叶片的一种特别优选的轮廓，其具有独立的发明意义，其特征在于，该轮廓在翼型厚度小于50％的情形中具有超过45％的相对轮廓厚度，其中升力系数在湍流的情形中超过0.9，尤其是超过1.4。
优选地，相对轮廓厚度超过65％，尤其是大于或等于70％。优选地，在设计入流角或迎角为6°至15°、尤其是8°至14°的情形中达到该升力系数。
另一特别优选的轮廓，其具有独立的发明意义，其设置有大于轮廓深度的18％的鼻缘半径，其中该轮廓在鼻缘区域中是不对称的。
优选地，湍流情形中的最大升力系数与层流情形中的最大升力系数的比值超过0.75。
优选地，该轮廓的吸力面和压力面在后面的区域中相应地至少分段式地具有呈凹形的轮廓。据此，在吸力面上实现明显较小的超速，而在压力面上通过所谓的“后加载”产生轮廓的大部分总升力。
优选地设置有多个根据本发明的轮廓，其实现在风力涡轮机的转子叶片的至少一个区域中。
此外，风力涡轮机的转子叶片优选设有多个根据本发明的轮廓。该多个轮廓尤其优选地布置在叶根附近的转子叶片的过渡区域中。
在本发明的范畴中，当存在如空气动力学所清楚定义的气流由层流向湍流突变时，那么认为存在着湍流或轮廓绕流。在本发明的范畴中，湍流尤其是在其中超过90％、尤其是超过92％的表面具有紊乱的边界层的流动状态。这在试验中以及在下面示出的测量中通过足够大的粗糙度来模拟，以便于引起层流的边界层至紊乱的边界层的突变。为此，例如在吸力面处在5％的鼻缘点处、在压力面上在10％的鼻缘点处，有时同样在5％(吸力面)和5％(压力面)或者3％/5％或3％/3％的情况下实现了齿状带。在此，齿状带的精确位置依赖于鼻缘半径(Nasenradius)和待测量的迎角。
根据本发明的轮廓的优点在于，既在平稳状态中又在紊乱状态中(即既在层流中又在湍流中)具有较高的升力系数。另一优点在于，根据本发明的轮廓的工作点在较高的空气动力学迎角的情况中，由此可明显降低整个转子叶片的几何弯曲，这在生产中是较大的优点，并且能实现较低的转子叶片重量。也可能发生的是，在生产技术的意义上固定地预先确定最大的叶片弯曲，从而使得在叶根的附近具有根据本发明的轮廓时可以实现其还可在最佳的工作点处被使用，而这在目前已知的轮廓中在转子叶根附近的区域中无法实现。因此，在根据本发明的轮廓中，利用已知的轮廓在叶尖中可实现在其中能产生最佳升力的迎角，且同时在叶根的附近实现对于轮廓而言在该处仍然产生最佳的或至少还可接受的升力的其它迎角。
另一优点在于，对于转子叶片内的良好强度所设计的翼型厚度。这在鼻缘带子和后缘带子中的尽可能小的曲率的情形中使得在相对轮廓厚度为35％到圆柱体(处于转子叶根处)的区域中存在最大的主带子间距。
尤其有利的是相对更靠前的最大轮廓厚度和/或相对较大的鼻缘半径。
所有提及的特征、还有仅由附图可得悉的以及单个的与其它特征结合地公布的特征，单独地且组合地被认为是对本发明来说重要的。
附图说明
下面将借助实施例并参照附图来说明本发明，这并不限制本发明的通用思想，关于所有在文中未进一步说明的本发明细节可详细地参见附图。其中：
图1显示了带有所画出的轮廓的转子叶片的示意图，
图2显示了与现有技术的轮廓相比较的根据本发明的轮廓，
图3显示了与现有技术的另一轮廓相比较的根据本发明的另一轮廓，
图4显示了与三个根据本发明的轮廓相比较的现有技术的轮廓，
图5显示了关于根据本发明的轮廓的计算轮廓极性的示意图，
图6显示了关于现有技术的轮廓的计算轮廓极性的示意图，
图7显示了根据本发明的轮廓的测量轮廓极性的示意图，
图8显示了现有技术的轮廓的测量轮廓极性的示意图。
具体实施方式
在下面的图中，各相同的或同类的元件或者相应的部分用相同的附图标记来表示，从而由相应的重复标记示出。
图1示意地显示了风力涡轮机(未示出)的转子叶片5，其中已示意性地画入了一些轮廓1-4以及6。
在转子叶根12附近的过渡区域13中设置有根据本发明的轮廓1-4。该过渡区域13例如具有如下特征，即后缘11不再如在另外的轮廓6中那样尖头式地截止，而是构造成钝头式的，更切确地说例如该轮廓越靠近转子叶根12就越钝。为了更好地说明，还画出了前缘10以及顶面或吸力面7和底面或压力面8。在本发明的范畴中特别有利的是处在过渡区域13中的轮廓1-4。轮廓1-4将作进一步说明。
图2显示了与现有技术的轮廓相比较的根据本发明的轮廓。根据本发明的型号为RE-W-50-B6的轮廓20具有中弧线21，其在直至弦长的60％或0.6倍的前方轮廓区域中朝向压力面8弯曲。中弧线21仅在约0.63倍弦长的位置处才与翼弦18相交，并且沿朝向吸力面7的方向延伸。此外，与由附图标记22表示的轮廓FX 83-W-500(参见Althaus的上述著作第552、553页)相比，最大轮廓厚度处于相对更前的位置。在轮廓20中，最大轮廓厚度处在轮廓深度或弦长的34.4％或0.344倍的位置处。在上述Althaus的文献中所提及的已知轮廓具有37.4％至78.7％的翼型厚度。
同样地，轮廓20的鼻缘半径为轮廓深度的23.3％，其明显大于对比轮廓中的5.6％至14.8％的值，其中此处可作如下考虑，即该轮廓在鼻缘的区域中也是不对称的。对比轮廓22即FX 83-W-500同样具有中弧线23，其朝向吸力面7地完全布置在翼弦18的上方。轮廓22的相对轮廓厚度为50％。该相对轮廓厚度处在78.7％的轮廓深度处。在52.7％的轮廓深度处存在0.02539的最大弯度。鼻缘半径为0.056或5.6％。轮廓的横截面面积为0.4134，后缘厚度为0.479或47.9％。根据本发明的轮廓20在轮廓深度为34.4％且最大弯度为0.0123时具有50％的相对轮廓厚度。最大弯度出现在82.5％的轮廓深度处。鼻缘半径为23.3％，此处轮廓横截面面积为0.3927且后缘厚度为25.7％。可以看到，尤其在轮廓的后方区域中在压力面8上存在轮廓的呈凹形的轮廓。这同样存在于吸力面7上，然而不如在压力面8上那样强烈且显著地突出。根据现有技术的轮廓22的外形在后方区域中与之相反地呈凸状。
在图3中相对于现有技术的轮廓(即轮廓FX 79-W-660A)又示出了根据本发明的轮廓，即轮廓RE-W-70-B9。其同样示出了相关的中弧线25和27。在该情况中，RE-W-70-B9的中弧线25同样朝向压力面8地布置在翼弦18的下方，而现有技术的FX 79-W-660A的中弧线27朝向吸力面7地布置在翼弦18的上方。根据本发明的轮廓24在47.7％的轮廓深度处具有70％的相对轮廓厚度。在39.9％的轮廓深度处具有最小的或绝对值最大的-0.014的弯度。最大的正弯度在85％的轮廓深度中为0.0118。鼻缘半径为23.87％。
在根据现有技术的轮廓26的情形中，在46.7％的轮廓深度处存在66.4％的相对轮廓厚度。在17.1％的轮廓深度中存在2.2％的最大弯度。鼻缘半径为4.1％。
图4显示了风力涡轮机的转子叶片5的四个另外的轮廓，其中，轮廓28、29和30是根据本发明的轮廓，而另一个轮廓(即轮廓31)是现有技术的轮廓。
轮廓31对应于现有技术中的FX 77-W-700。该轮廓例如借助上述Dieter Althaus的文献《低速轮廓》如此地来实现，即，如第162和163页所说明的轮廓FX 77-W-500从后面被进一步切断，也就是说从而得到了70％的相对厚度或相对轮廓厚度。这自然出现在相对更后面的轮廓深度处，在该情况下是约68％的轮廓深度处。
根据本发明的对应于RE-W-70-A1的轮廓28、对应于RE-W-70-A2的轮廓29和对应于RE-W-70-B1的轮廓30，在翼型厚度为约34％时(对于轮廓28而言)、约37％时(对于轮廓29而言)和约50％(对于轮廓30而言)的情形中都具有70％的相对轮廓厚度。此处，在根据本发明的轮廓28至30中同样可以看到，设置有朝向轮廓的后缘呈凹形的外形，其尤其在压力面8上更明显地突出。
图5显示了关于本发明轮廓(即RE-W-70-B9)的计算轮廓极性的示意图。其示出了关于迎角α的升力系数Ca，以及升力系数与阻力系数Cw的比值。该比值为滑动系数。图5的极性为针对3百万雷诺数的轮廓极性的计算。对于湍流和层流进行相应的计算。轮廓极性32示出了在层流情形中的升力系数Ca的计算，轮廓极性33示出了在湍流情形中的相应值。针对滑动系数的轮廓极性在层流情形中由附图标记34表示，在湍流情形中相应地由附图标记35表示。可以看到，升力系数在迎角为约14.8°时具有最大值(更确切地说在层流情形中)，并且在湍流情形中在迎角为约9°时具有最大值。滑动系数在层流情形中同样在迎角为约14.8°时有最大值，且在湍流情形中在迎角为约11°时有最大值。
相比于图5所示的本发明轮廓的相应轮廓极性，在图6中显示了已知轮廓(即FW79-W-660A)的相应的轮廓极性36、37、38和39。尤其可以看到，对于轮廓极性36，在层流情形中在迎角为约7°时存在升力系数的局部最大值，而在层流情形中针对滑动系数的轮廓极性(由附图标记38表示)在迎角α为7°的情形中存在相应的最大值。
对于湍流情形，通过轮廓极性37(其同样涉及升力系数Ca)可以清楚地看到升力明显地减小。相应地，这同样适合于在湍流情形中的关于轮廓极性39的滑动系数。
图7显示了本发明轮廓(即在图2中已示出的轮廓RE-W-50-B6)的测量轮廓极性的示意图。轮廓极性40示出了层流情形中3百万雷诺数时的升力系数。在角度为约13°时达到约为1.84的最大升力系数。
可以清楚地看到，对于湍流情形中的轮廓极性41来说，升力系数仅很小地降低。在迎角或入流角α为约10°时，升力系数达到1.4的最大值。此处，雷诺数在测量中达到3.1百万。在层流情形中，关于轮廓极性42的滑动系数(Ca/Cw)在迎角约为13°中具有最大值。在此处该商约为22。在湍流情形中，轮廓极性43的最大滑动系数在迎角约为10°时降低到15.5。
为了比较，在图8中显示了相应的示意图，其示出了现有技术的轮廓(即轮廓FX 77-W-500)的测量轮廓极性。相比于层流情形中的升力系数Ca的轮廓极性44和层流情形中的关于轮廓极性46的滑动系数，其自身相比于根据本发明的轮廓极性在层流情形中具有较差的值，在湍流情形中则完全瓦解。因此，此处示出了湍流情形中的针对升力系数Ca的测量轮廓极性45，以及相应的同样用于湍流的针对滑动系数的测量轮廓极性47。
附图标记列表
1-4轮廓；5转子叶片；6轮廓；7吸力面；8压力面；10前缘；11后缘；12叶根；13过渡区域；18翼弦；12轮廓RE-W-50-B6；21RE-W-50-B6的中弧线；22轮廓FX 83-W-500；23FX 83-W-500的中弧线；24轮廓RE-W-70-B9；25RE-W-70-B9的中弧线；26轮廓FX 79-W-660A；27FX 79-W-660A的中弧线；28轮廓RE-W-70-A 1；29轮廓RE-W-70-A2；30轮廓RE-W-70-B1；31轮廓FX 77-W-700；32轮廓极性Ca，层流；33轮廓极性Ca，湍流；34轮廓极性Ca/Cw，层流；35轮廓极性Ca/Cw，湍流；36轮廓极性Ca，层流；37轮廓极性Ca，湍流；38轮廓极性Ca/Cw，层流；39轮廓极性Ca/Cw，湍流；40轮廓极性Ca，层流；41轮廓极性Ca，湍流；42轮廓极性Ca/Cw，层流；43轮廓极性Ca/Cw，湍流；44轮廓极性Ca，层流；45轮廓极性Ca，湍流；46轮廓极性Ca/Cw，层流；47轮廓极性Ca/Cw，湍流。

Claims (16)

1.带有顶面(吸力面)(7)和底面(压力面)(8)的风力涡轮机的转子叶片(5)的轮廓(1-4)，在所述轮廓(1-4)的前缘(10)与后缘(11)之间具有中弧线(21，25)和翼弦(18)，其特征在于，所述中弧线(21，25)至少部分地在所述翼弦(18)的下方沿朝向所述压力面(8)的方向延伸。
2.根据权利要求1所述的轮廓(1-4)，其特征在于，所述中弧线(21，25)在所述轮廓(1-4)的轮廓深度为0％至60％之间的部分中布置在所述翼弦(18)的下方。
3.根据权利要求2所述的轮廓(1-4)，其特征在于，所述中弧线(21，25)在5％至50％、尤其是2％至60％之间的部分中完全地布置在所述翼弦(18)的下方。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的轮廓(1-4)，其特征在于，最大弯度的绝对值小于0.015。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的轮廓(1-4)，其特征在于，所述轮廓深度为10％至40％、尤其为5％至50％、更好为2％至60％的中弧线(21，25)的二阶导数(中弧线曲率)为零或正的。
6.尤其是根据权利要求1至5中任一项所述的风力涡轮机的转子叶片(5)的轮廓(1-4)，其特征在于，所述轮廓(1-4)具有超过49％、尤其是超过55％或等于55％的相对轮廓厚度，其中翼型厚度小于35％。
7.尤其是根据权利要求1至6中任一项所述的风力涡轮机的转子叶片(5)的轮廓(1-4)，其特征在于，所述轮廓(1-4)具有超过45％、尤其是超过50％或等于50％的相对轮廓厚度，其中在湍流的情形中滑动系数大于6，尤其大于10，更好大于15。
8.尤其是根据权利要求1至7中任一项所述的风力涡轮机的转子叶片(5)的轮廓(1-4)，其特征在于，所述轮廓(1-4)在翼型厚度小于50％的情形中具有超过45％的相对轮廓厚度，其中升力系数(Ca)在湍流的情形中超过0.9，尤其是超过1.4。
9.根据权利要求7或8所述的轮廓(1-4)，其特征在于，所述相对轮廓厚度超过65％，尤其是大于或等于70％。
10.根据权利要求8或9所述的轮廓(1-4)，其特征在于，在迎角(α)为6°至15°、尤其是8°至14°时达到所述升力系数。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的轮廓(1-4)，其特征在于，设有大于18％的轮廓深度的鼻缘半径，其中所述轮廓(1-4)在鼻缘区域中是不对称的。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的轮廓(1-4)，其特征在于，湍流情形中的最大升力系数(Ca)与层流情形中的最大升力系数(Ca)的比值超过0.75。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的轮廓(1-4)，其特征在于，所述轮廓(1-4)的吸力面(7)和压力面(8)在后方的区域中相应地至少部分地具有呈凹形的外形。
14.多个根据权利要求1至13中任一项所述的轮廓(1-4)，其实现在风力涡轮机的转子叶片(5)的至少一个区域中。
15.具有根据权利要求14所述的多个轮廓(1-4)的风力涡轮机的转子叶片(5)。
16.根据权利要求15所述的转子叶片(5)，其特征在于，所述多个轮廓(1-4)布置在所述叶根(12)附近的所述转子叶片(5)的过渡区域(13)中。
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