CN100425826C - 转子叶片末端、转子叶片及风力发电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于转子叶片的转子叶片末端，所述转子叶片具有符合空气动力学的轮廓并具有一压力侧和一吸力侧，且所述转子叶片具有转子叶片前缘和转子叶片后缘。所述转子叶片末端在其外部区域沿转子叶片的压力侧方向弯曲或倾斜，所述转子叶片末端在其外部区域朝边缘弧形上缘变窄，所述转子叶片末端具有一个边缘弧形前缘(32)和一个边缘弧形后缘(34)，且所述边缘弧形前缘和边缘弧形后缘以一个预定的弯曲梯度延伸到所述边缘弧形上缘(36)。本发明还提供一种具有上述转子叶片末端的转子叶片以及一种具有至少一个如上所述的转子叶片的风力发电设备。通过上述转子叶片末端、转子叶片以及风力发电设备而降低风力发电设备噪声。

Description

转子叶片末端、转子叶片及风力发电设备
技术领域
本发明涉及一种用于风力发电设备的转子叶片、一种用于所述转子叶片的转子叶片末端、以及包括所述转子叶片的风力发电设备。
背景技术
现有技术中已经早已公知这种转子叶片。特别是弯曲的转子叶片末端已经在例如制造商意耐康(Enercon)的转子叶片使用了一段时间。这些公知的转子叶片末端试图减小不可避免地出现在转子叶片端部的边缘涡流，并因此减小讨厌的噪音的产生。
作为技术发展水平，此时一般注意以下公开文献：DE 197 38 278；DE 197 43 694；DE 44 40 744；DE 196 14 220以及DE 44 36 197。
同样也已公知本说明书开始部分所述的这种转子叶片，其末端以椭圆形终止。这种转子叶片末端的结构也试图减小转子叶片特别是其末端所发出的噪声级。
由于风力发电设备现在不再是个别现象，而是应用在许多地方，越来越多地可以在居住区附近发现这类设备。而风力发电设备能否被接受尤其取决于发出的声音，容易理解，较之声音大的风力发电设备，较安静的风力发电设备更容易被接受。
发明内容
因此，本发明的目的是进一步降低风力发电设备所发出声音的声级。
在本发明的一个方面，提供一种用于转子叶片的转子叶片末端，所述转子叶片具有符合空气动力学的轮廓并具有一压力侧和一吸力侧，且所述转子叶片具有转子叶片前缘和转子叶片后缘，其中，所述的转子叶片末端在其外部区域沿转子叶片的压力侧方向弯曲或倾斜，其中，所述转子叶片末端在其外部区域朝边缘弧形上缘变窄，其中，所述转子叶片末端具有一个边缘弧形前缘和一个边缘弧形后缘，且其中，所述边缘弧形前缘和边缘弧形后缘以一个预定的弯曲梯度延伸到所述边缘弧形上缘。
优选地，所述预定的弯曲梯度是椭圆的。
优选地，所述转子叶片轮廓在所述弯曲区域内流线地过渡到外部区域轮廓。
优选地，所述外部区域的横截面相对于所述转子叶片其余部分的横截面以一预定角度延伸。
优选地，所述转子叶片末端形式为一个适于安装到转子叶片内的独立部分。
优选地，所述转子叶片末端具有一个横截面减小的区域用于安装到转子叶片内。
优选地，转子叶片末端在所述横截面减小的区域设置有至少一个开口。
优选地，所述转子叶片末端是中空的。
优选地，转子叶片末端在其远离汇流的端部设置有一个用于排水的开口。更优选地，一个管部邻接所述开口。
优选地，转子叶片末端包括金属。更优选地，所述金属是铝。
在本发明的另一方面，提供一种具有上述转子叶片末端的转子叶片。
优选地，所述的转子叶片由玻璃纤维增强塑性材料构成，并且转子叶片内结合有用于避雷的导电构件，且该导电构件与转子叶片末端导电接触。
优选地，所述转子叶片在在其端部区域内沿转子叶片后缘的方向而在转子叶片平面内弯曲或倾斜。
优选地，所述的端部区域的延伸方向相对于螺旋轴线呈一个1度到45度之间的角度。更优选地，所述角度在1度到15度的范围内。
优选地，所述转子叶片的后缘流线地过渡到端部区域的后缘。
优选地，所述端部区域的后缘具有预定半径的弯曲。
优选地，所述转子叶片具有一个向转子叶片末端增加的曲率。
优选地，在所述横截面减小的区域内设置有至少一个开口。
优选地，所述端部区域是中空的。
优选地，所述转子叶片在其远离汇流的端部处设置有一个用于排水的开口。进一步优选地有一个管部邻接所述开口。
优选地，在转子叶片根部和端部区域之间具有一个沿前缘的方向倾斜的区域。
优选地，所述转子叶片由玻璃纤维增强塑性材料组成，并且转子叶片内结合有用于避雷的导电构件，且该导电构件与所述端部区域导电接触。
优选地，所述的端部区域的形式为适于安装入所述转子叶片的独立部分。
优选地，所述端部区域形成转子叶片长度的至多1/3。
优选地，所述端部区域具有横截面减小的区域用于装入转子叶片内。
在本发明的再一方面，提供一种风力发电设备，该风力发电设备包括一个转子，所述转子具有至少一个如上所述的转子叶片。
通过上述转子叶片末端、转子叶片和/或风力发电设备而实现上述目的。其中，转子叶片在其端部区域沿转子叶片的后缘方向在转子叶片的平面内弯曲或倾斜。在这一方面，本发明基于下述的认识，即：当转子叶片的末端不是一个尖形时，在影响最大的外部区域内有效的转子叶片面积精确地保持不减少。不过，转子叶片端部区域的弯曲或倾斜意味着后缘在转子叶片端部区域向后移位，从而使得在转子叶片后缘处的气流延时地在外部区域分离。这也减小了气流与转子叶片后缘彼此分离时产生的涡流的影响，从而也减小了由其产生的声音。精确地说，对于迎风的转子，本发明还减少了叶片末端周围的气流和发电设备塔架正面的动力气压之间的相互作用。
在这一方面，时间延迟取决于端部区域相对于转子叶片螺旋轴线延伸的角度。相应的角度越大，则发出的噪声降低的程度越大。不过，由于另一方面作用于转子叶片上的扭矩随着增大的后掠而增大，已经证实角度为1至45度，优选地1至15度是有利的。
另外，从转子叶片至端部区域内的流线过渡是有利的，因为在突然弯折的情况下，在弯折区域中会产生附加的压力波动。这会导致电力的减少和附加噪声。
根据本发明的转子叶片可以在其端部区域包括一个预定半径的弯曲，其中，曲率特别优选地朝转子叶片末端增加，即弯曲的半径变小。通过一个适当选取的曲率，可以将转子叶片的端部区域机械地弯曲一个大约5度的角度，同时能提供对应于10度时的空气动力学性能。这样同时实现了有利的声学效果以及有利的空气动力学特性。
不过，同时由于这种后掠式结构导致在转子叶片上产生了较大的扭矩，并且这些扭矩也作用于转子叶片连接部上。自然地，也导致了发电设备上始终较高级别的负载。为了在任何情况下补偿转子叶片连接部以及风力发电设备后续组件的较高级别负载，特别有利地，将转子叶片的中央区域——即位于转子叶片根部和沿后缘方向后掠的端部区域之间的区域——沿叶片前缘方向弯曲。这时，该弯曲具有这样一种尺寸：后掠式端部区域的外部后缘不深于没有后掠式端部区域的叶片的情况。
这样，呈反向关系作用的扭矩作用于转子叶片自身，并通过适当设计可以使之彼此抵消，从而使转子叶片自身尽管仍承受负载，但是转子叶片连接部以及风力发电设备的其他组件不需要承受另外的负载。
为了一方面可以进行简单组装，且另一方面对已存在的转子叶片进行再次安装，端部区域的形式优选地呈如下一部分，即：其可以安装到转子叶片内部，并且优选地长度不超过转子叶片长度的1/3，并且特别优选地约为转子叶片长度的1/10。
这种情况下，在一个有利的改进中，该端部区域可以是中空的，并且在其距离尾流的远端设置有一个用于排水的开口，使得在转子叶片内收集的、由例如冷凝效应导致形成并且由离心力送至转子叶片末端的流体可以从端部区域排出，因而可以从转子叶片移除。优选地，一个管部邻接所述开口
为了改进根据本发明的端部区域的效果，根据本发明，提供了用于具有这种端部区域的转子叶片的转子叶片末端，其中，该转子叶片末端为一个能安装到转子叶片的端部区域内的独立部分形式。
可选地，为了实现本发明的目的，本说明书开始部分所述的这种转子叶片末端的另一改进可以是“外部区域”变窄。转子叶片末端的这种结构是基于以下认识，即：减小叶片深度可使提供转子叶片末端周围的气流减小，这是因为其能量先前分布于后缘涡流而此时有效的转子叶片面积减小。转子叶片末端的倾斜结构意味着一直到倾斜的转子叶片末端的有效转子叶片深度都保持在其最优值。呈一个尖形的该区域沿转子叶片的压力侧的方向以一预定优选的角度延伸远离转子叶片平面。在这种布局中，转子叶片末端处的涡流从转子叶片平面分离同时进入另一平面。这进而对于具有这种末端的转子叶片的噪音产生具有一个有利的影响，并且同时减小了转子叶片处发生的损失。这同时涉及边缘涡流损失以及空气动力学效率，其可以通过适当的设计以及在压力侧和吸力侧之间的压差方面的有利结构来改进。
在一个特别优选的特征中，转子叶片末端的外部区域以与水平成约70度至90度的一个角度由水平弯起。换句话说，该子转叶片末端包括一个与转子叶片成大约110度至90度的角度。在试验研究中已经发现使用这些角度可以获得最佳结果。
在一个特别优选的改进中，根据本发明的转子叶片末端呈一个可以安装到转子叶片内的独立部分。此外，转子叶片末端是中空的，并且优选地包括金属特别是铝。这种中空结构可以减轻重量，因而更容易操纵。
另外，中空的转子叶片末端——也像如前述的转子叶片的中空端部区域——可以有从其流经的温热空气，例如用于消除或减少结冰。
优选地，外部区域的横截面相对于转子叶片其余部分的横截面以一预定角度延伸。
转子叶片可以由玻璃纤维增强塑性材料构成，并且转子叶片内可以结合有用于避雷的导电构件，且该导电构件可以与转子叶片末端导电接触。另外，能够以一个由金属制成的转子叶片末端用作避雷器，因此将雷击传入一个合适的避雷器，从而在出现雷击时有效地保护风力发电设备。
附图说明
下面将参考附图对本发明进行详细描述，在所述附图中：
图1所示为根据本发明的一个转子叶片的俯视图，其具有一个根据本发明第一实施例的弯曲端部区域；
图2所示为一个根据本发明的转子叶片，其具有一个根据本发明第二优选实施例的弯曲端部区域；
图3所示为本发明所述第二实施例的另一个视图；
图4所示为所述第二实施例的又一个视图；
图5所示为一个后掠式转子叶片的第三实施例；
图6所示为根据本发明的转子叶片末端的侧视图；
图7所示为根据本发明的转子叶片末端的一个实施例的正视图；
图8所示为根据本发明的转子叶片末端的一可选实施例的正视图；
图9所示为根据本发明的转子叶片末端的另一可选实施例的正视图；
图10为一转子叶片的视图，其具有根据本发明设计的端部区域和根据本发明的转子叶片末端。
具体实施方式
图1所示为根据本发明的风力发电设备的转子叶片10。转子叶片10内示出了螺旋轴线14。该螺旋轴线14是一个概念上的轴线，转子叶片的所有部分都将向螺旋轴线螺旋以提供期望的转子叶片形状。
转子叶片10的端部区域12相对于第一螺旋轴线14弯折一个预定的角α。示出了该端部区域12的第二螺旋轴线16，两轴线14、16之间限定一个角α。在该图中，角α为5度。该值代表综合考虑减少发出噪音和增加负载之间的一个可接受的折衷值。
因此，端部区域在转子叶片平面内沿转子叶片后缘20的方向弯折。这种弯折一方面导致一个较长的后缘，因而导致涡流能的更大分布。另一方面，气流在转子叶片10的弯折端部区域12中的后缘处消散，较之在转子叶片10的直线区域要晚。其结果是产生噪音的漩涡对应地产生较晚。
图2示出了根据本发明的转子叶片10的一个改进实施例。该图也示出了螺旋轴线14、16。应该注意的是，这里从转子叶片10向端部区域12的过渡并不发生在一个陡的弯折处，而是持续地以弯曲的形式延伸。应该注意的是，曲率朝转子叶片末端增加。因此弯曲的半径朝转子叶片末端变小。
在这种情况下，在端部区域12中，该弧线切线在转子叶片后缘20的末端处平行地并向转子叶片的中心移位。在轴线14、16之间限定了一个角β。该角为10度。
弧线切线结构的这个10度精确地发生于转子叶片末端处，不过，在这个方面该转子叶片10所设置的后掠不大于图1所示转子叶片10的情况。因此，空气动力学性能与图1所示转子叶片仅有轻微差别，不过，角β越大则空气动力学性能越好。
下面参考附图3对上文所述的情况进行详细描述。具体地，图3中示出了转子叶片10的端部区域12。图示此时端部区域12的后缘一方面以与图1示出的实施例对应的方式弯折。这种变化以附图标记21表示。同时还示出了具有弯曲后缘20的实施例。
这里很明显可以看到，后缘20和21处的转子叶片最外末端位于相同的点；因此从空气动力学的角度来看转子叶片深度并未改变。
该附图也示出了第一螺旋轴线14(最初的叶片螺旋轴线)。还示出了呈平行关系发生移位的弧线切线17和与端部区域的后缘21对应的第二螺旋轴线16(末端螺旋轴线)。也示出了角α和角β。角α仍为5度。角α由与图1所示转子叶片的实施例对应的转子叶片10的第一螺旋轴线14以及第二螺旋轴线16形成。角β包含于与图2所示实施例对应的第一螺旋轴线14和弧线切线17之间。角β为10度。
因此这里很容易看出图2所示实施例的优势。
图4再次示出了根据本发明的后掠式转子叶片10，其具有前缘18、后缘20以及端部区域12，该端部区域沿后缘20的方向后掠。图中还示出了两条线22、23，表示没有后掠式端部区域12时前缘18和后缘20的结构。该图清楚地示出了端部区域12由于沿转子叶片10的后缘方向后掠而达到的后掠程度。
图5示出了根据本发明的转子叶片10的一个可选实施例，其由于一个中央部分13而不同于图4所示的实施例，该中央部分13沿转子叶片10的前缘18的方向扫掠。可以理解，该扫掠结构也具有转子叶片10各区域之间的流线过渡的优势。在这一点上，沿前缘18方向的扫掠具有如下幅度：转子叶片的端部区域12的最外点——其沿后缘20的方向后掠——也位于虚线22内，该虚线22也指该转子叶片概念上的直线结构。
这种布置导致转子叶片端部区域12和中央区域13产生相互反向扭矩作用，当根据两者在转子叶片连接部的作用适当设计尺寸时，相互反向扭矩作用彼此抵消。
图6示出了一个根据本发明的具有边缘弧形30的转子叶片10，该边缘弧形30远离转子叶片10的吸力面24而延伸，即朝转子叶片10的压力侧延伸。该边缘弧形30的上缘36的翼型厚度尽可能的小，以使从那里分离的边缘涡流尽可能的小，从而使得发出声音的声级尽可能地小。
边缘弧形30优选地从水平方向弯起大约60度到90度。换句话说，其与转子叶片的角度在120度和90度之间。该区域由两个向上弯折的部分30、31图示，该两部分之一以虚线图示。
图7示出了根据本发明的边缘弧形30的第一实施例的正视图。在该图中，边缘弧形30的后缘34和边缘弧形的上缘36直线延伸，而位于转子叶片的前缘26和边缘弧形的上缘36之间的前边缘32以一预定角度从转子叶片的吸力侧24延伸出去。这种布置使得边缘弧形上缘36相比于转子叶片的深度要短，这一点可以在转子叶片吸力侧24处看到。因此，转子叶片具有一个直到边缘弧形30的范围都在空气动力学上十分有效的深度，并且只在边缘弧形30内其才变成一个较短的边缘弧形上缘36。
同时，在转子叶片上缘36处分离的边缘涡流被导出转子叶片10的平面，从而该边缘涡流被引导远离叶片平面。
图8示出了图7所示边缘弧形的一个可选实施例。尽管图7示出了一个大致垂直于所述转子叶片的纵向轴线而延伸的弧形边缘后缘34，但是，在图8中该边缘弧形沿后缘34的方向弯曲。该弯曲结构使得气流与边缘弧形开始分离的分离点37进一步向后移位，相应地，边缘涡流的能量被进一步分散，并且发出的声级进一步降低。
图9所示的边缘弧形30实施例中的工作原理与之类似。值得注意的是，该边缘弧形30进行了最优化处理，以使边缘涡流尽可能地小。为此，边缘弧形的前缘32和边缘弧形的后缘34以一个预定弯曲的特别地优选为椭圆的梯度(elliptical gradient)延伸到边缘弧形上缘36。在这种情况下，边缘弧形的上缘36也从转子叶片吸力侧24弯折出转子叶片的平面，即弯向压力侧。
边缘弧形的前缘32和边缘弧形的后缘34的椭圆形结构同时增加了气流与转子叶片分离的距离。由于绕叶片末端的气流基本上消除，这也导致了所发出声音的级别变小，这与以一个钝的形状终止的叶片几何外形的情况不同。
该弧形边缘倾斜部分的深度和高度之比(所述深度为图9的平面图中的宽度)约为1∶0.8到1∶1.2，优选为1∶1。边缘弧形倾斜部分的高度与边缘弧形的连接部分处的转子叶片深度之比约为1∶1到1∶1.3，优选为1∶1.14。在这一方面，边缘弧形倾斜部分在深度方向上的结构为近似双曲线(俯视图内的轮廓宽度)，而最外轮廓部分的最顶部的端点相对于叶片的螺旋轴线是轮廓深度的30％至40％，优选为33％。
图10示出了一个转子叶片10，其具有弯曲的端部区域12和与之邻接的边缘弧形30。在这种情况下，可以清楚地看到从转子叶片的前缘26到后缘20的边缘区域12的曲线以及转子叶片平面之外的边缘弧形30的曲线。相应地，这结合了弯曲端部区域12和倾斜边缘弧形30的有利声学效果。
上述根据本发明的转子叶片是风力发电设备转子的一部分。

Claims (30)

1. 一种用于转子叶片的转子叶片末端，所述转子叶片具有符合空气动力学的轮廓并具有一压力侧和一吸力侧的，且所述转子叶片具有转子叶片前缘和转子叶片后缘，
其中，所述的转子叶片末端在其外部区域沿转子叶片的压力侧方向弯曲或倾斜，
其中，所述转子叶片末端在其外部区域朝边缘弧形上缘变窄，
其中，所述转子叶片末端具有一个边缘弧形前缘(32)和一个边缘弧形后缘(34)，且
其中，所述边缘弧形前缘和边缘弧形后缘以一个预定的弯曲梯度延伸到所述边缘弧形上缘(36)。
2. 如权利要求1所述的用于转子叶片的转子叶片，其特征在于，所述预定的弯曲梯度是椭圆的。
3. 如权利要求1所述的用于转子叶片的转子叶片末端，其特征在于，该转子叶片轮廓在所述弯曲区域内流线地过渡到外部区域轮廓。
4. 如权利要求1所述的用于转子叶片的转子叶片末端，其特征在于，所述外部区域的横截面相对于所述转子叶片(10)其余部分的横截面以一预定角度延伸。
5. 如权利要求1所述的用于转子叶片的转子叶片末端，其特征在于，所述转子叶片末端(30)形式为一个适于安装到转子叶片(10)内的独立部分。
6. 如权利要求5所述的用于转子叶片的转子叶片末端，其特征在于，所述转子叶片末端(30)具有一个横截面减小的区域用于安装到转子叶片(10)内。
7. 如权利要求6所述的用于转子叶片的转子叶片末端，其特征在于，在所述横截面减小的区域设置有至少一个开口。
8. 如权利要求1所述的用于转子叶片的转子叶片末端，其特征在于，所述转子叶片末端(30)是中空的。
9. 如权利要求8所述的用于转子叶片的转子叶片末端，其特征在于，在其远离汇流的端部设置有一个用于排水的开口。
10. 如权利要求9所述的用于转子叶片的转子叶片末端，其特征在于，一个管部邻接所述开口。
11. 如权利要求1所述的用于转子叶片的转子叶片末端，其特征在于，其包括金属。
12. 如权利要求11所述的用于转子叶片的转子叶片末端，其特征在于，所述金属是铝。
13. 一种转子叶片，其具有如权利要求1至12中任一项所述的转子叶片末端。
14. 一种如权利要求13所述的转子叶片，其特征在于，所述的转子叶片(10)由玻璃纤维增强塑性材料构成，并且转子叶片(10)内结合有用于避雷的导电构件，且该导电构件与转子叶片末端(30)导电接触。
15. 如权利要求13所述的转子叶片，其中，所述转子叶片(10)在在其端部区域(12)内沿转子叶片后缘的方向而在转子叶片平面内弯曲或倾斜。
16. 如权利要求15所述的转子叶片，其特征在于，所述的端部区域(12)的延伸方向相对于螺旋轴线(14)呈一个1度到45度之间的角度。
17. 如权利要求16所述的转子叶片，其特征在于，所述角度在1度到15度的范围内。
18. 如权利要求15所述的转子叶片，其特征在于，所述转子叶片(10)的后缘流线地过渡到端部区域(12)的后缘(20)。
19. 如权利要求18所述的转子叶片，其特征在于，所述端部区域(12)的后缘(20)具有预定半径的弯曲。
20. 如权利要求19所述的转子叶片，其特征在于，具有一个向转子叶片末端增加的曲率。
21. 如权利要求20所述的转子叶片，其特征在于，在所述横截面减小的区域内设置有至少一个开口。
22. 如权利要求15所述的转子叶片，其特征在于，所述的端部区域(12)是中空的。
23. 如权利要求22所述的转子叶片，其特征在于，在其远离汇流的端部处设置有一个用于排水的开口。
24. 如权利要求23所述的转子叶片，其特征在于，一个管部邻接所述开口。
25. 如权利要求15-24中任一项所述的转子叶片，其特征在于，在转子叶片根部(11)和端部区域(12)之间具有一个区域(13)，该区域沿前缘的方向倾斜。
26. 如权利要求15-24中任一项所述的转子叶片，其特征在于，所述的转子叶片(10)由玻璃纤维增强塑性材料组成，并且转子叶片(10)内结合有用于避雷的导电构件，且该导电构件与所述端部区域(12)导电接触。
27. 如权利要求15-24中任一项所述的转子叶片，其特征在于，所述的端部区域(12)的形式为一独立部分，其适于安装入所述转子叶片(10)。
28. 如权利要求27所述的转子叶片，其特征在于，所述端部区域(12)形成转子叶片长度的至多1/3。
29. 如权利要求27所述的转子叶片，其特征在于，所述的端部区域(8)具有横截面减小的区域用于装入转子叶片(10)内。
30. 一种风力发电设备，包括一个转子，该转子具有至少一个如权利要求13至29中任一项所述的转子叶片。
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