CN101652566B - 用于风力涡轮机转子叶片的优化设计 - Google Patents

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Abstract

一种风力涡轮机转子叶片(1)，其由顶点(4)、肩部、最大弦区段(7)、以及从最大弦区段(7)延伸到顶点(4)的外侧叶片区段(8)限定，该最大弦区段(7)被限定为叶片弦(6)不小于肩部弦的95％的径向区段，并且该最大弦区段(7)在整个叶片长度的至少15％上延伸，其中外侧叶片区段(8)具有从最大弦区段(7)到顶点(4)的凹形曲线弦分布。此外，还提供一种对风力涡轮机叶片设计的弦分布进行优化的方法，其中通过如下方式对弦分布进行优化：通过使年发电量与作用于叶片(1)上的载荷的比率最大化来优化最大弦区段(7)中的弦分布，并且仅相对于年发电量优化外侧叶片区段(8)中的弦分布。

Description

用于风力涡轮机转子叶片的优化设计
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机转子叶片，并涉及一种对风力涡轮机转子叶片设计的弦分布进行优化的方法。
背景技术
为了进行风力涡轮机叶片设计的描述，应用以下定义。顶点(4)表示叶片的从叶片根部(2)测量的最大径向位置。半径(5)表示沿着使叶片根部(2)与顶点(4)连接的中心线从涡轮机叶片根部(2)测量的距离，叶片通过该涡轮机叶片根部(2)连接至转子毂。弦(6)表示涡轮机叶片的垂直于中心线(16)的最大宽度。肩部(3)表示从叶片根部(2)测量的、弦分布具有其峰值的径向位置。最大弦区段(7)表示一个径向区段，在该径向区段中叶片弦(6)不小于肩部弦的95％。外侧叶片区段(8)表示位于肩部与顶点之间的径向区段，在该径向区段中叶片弦(6)小于肩部弦的95％。根部区段(17)表示位于叶片根部(2)与肩部之间的径向区段，在该径向区段中叶片弦(6)小于肩部弦的95％。为了进一步说明上述术语，请参阅图1。
风力涡轮机转子叶片的设计是多维和多函数处理的结果，其中诸如风力涡轮机的年发电量(AEP)、工作负载、制造过程、材料选择的因素、以及诸如运输考虑的次要问题都是影响最优设计的最终选择的元素。
风力涡轮机叶片设计、尤其是弦分布的惯常实践主要基于经验法则，或者在某些更复杂的优化情形下基于使年发电量最大化。
文献FR575.990在第2页的第4行至第23行和图2中公开了一种改进的风力涡轮机叶片，其基于初始为矩形形状的风力涡轮机叶片。该改进的风力涡轮机叶片包括接近矩形形状的外侧叶片区段和同样接近矩形形状的最大弦区段。
在COMPUTER & STRUCTURE，vol.63，no.3的第639至646页由M.E.Bechly和P.D.Clausen所撰的文章“利用有限元分析进行的复合风力涡轮机叶片的结构设计(structural design of a compositewind turbine blade using finite element analysis)”描述了在2.5m长的玻璃纤维复合风力涡轮机叶片中对材料使用进行优化的初步工作。利用传统的叶片基元理论确定叶片弦的径向变化和扭曲，并通过多次试错有限元分析获得用于形成最终形状的这些叶片基元的相对径向堆砌排列，进行所述有限元分析是为了使具有相似轮廓的初始叶片中的应力水平最小化。
在图2中示出了经典的根据年发电量优化的弦分布。与径向方向的比例相比，图2中放大了弦向方向的比例。该弦分布的特征在于弦(6)在肩部(3)处的尖峰和从肩部(3)至顶点(4)的凹形弦分布。叶片根部(2)与肩部(3)之间的部分不会显著地增加年发电量，其仅仅是叶片的年发电量产生部分与叶片根部之间的结构性载荷载体。
由于肩部弦对于方便的制造、运输和操作而言变得太大，所以出于实际原因的考虑通常不直接应用根据年发电量优化的弦分布。因此，如图3中所示，目前普遍使用的弦分布通常为根据年发电量优化的设计的变型。虚线的外侧叶片弦分布(10)是在适度减小输出的情况下的根据年发电量优化的弦分布的简单缩小。实线(11)和点划线(12)的外侧叶片弦分布出于例如制造或结构考虑已被改型。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的风力涡轮机转子叶片。另一目的是提供一种用于对风力涡轮机转子叶片的弦分布进行优化的改进方法。
这些目的通过如权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片和如权利要求4所述的方法得到解决。从属权利要求限定了本发明的进一步拓展。
本发明的风力涡轮机转子叶片是应用对风力涡轮机转子叶片的弦分布进行优化的本发明的方法的结果。通常，叶片优化寻求使年发电量最大化。在此，已应用了年发电量限值和最大可允许弦。因此，在发明的方法中，使年发电量与载荷的比率最大化。用于对风力涡轮机转子叶片的弦分布进行优化的方法的特征在于，使弦分布相对于年发电量与作用于叶片上的载荷的比率被优化，而非仅相对于年发电量被优化。这可例如通过如下方式实现：在外侧叶片区段中相对于年发电量优化弦分布的同时，在最大弦区段中相对于年发电量与载荷的比率来优化弦分布。相对于年发电量与载荷的比率进行优化的最大弦区段能在整个叶片长度的至少15％上延伸，而仅相对于年发电量进行优化的外侧叶片区段能在整个叶片长度的至少50％到最多80％上延续。
结果是风力涡轮机转子叶片具有两种不同的弦分布特征，即在整个叶片长度的至少15％上延伸的相当宽的最大弦区段，以及例如具有表示根据年发电量优化的曲线的、从肩部到顶点的凹形曲线弦分布的外侧叶片区段。此外，外侧叶片区段能在整个叶片长度的至少50％至最大80％上延伸。示例性的弦分布可具有在整个叶片长度的20％上延伸的最大弦区段和在整个叶片长度的70％上延伸的外侧叶片区段。在该情形下，根部区段占整个叶片长度的10％。
与本发明的风力涡轮机叶片形成对比，目前在风力涡轮机转子叶片领域中使用的所有现有技术的弦分布的总体特征是弦分布在肩部附近为相当尖锐的形状，即相当窄的最大弦区段。但一般使用的弦分布未达到最优的年发电量。
通过本发明，相对于传统的风力涡轮机设计，单位叶片结构载荷的年发电量的比率达到10％的增加变得可行。
这尤其通过如下组合实现：弦分布的完全根据年发电量优化的部分-即外侧弦区段，和表示年发电量性能与载荷之间的最优配置的弦分布的部分-即最大弦区段。现在，该设计不受明确限定的肩部的传统考虑因素的限制，在所述肩部弦仅在非常有限的半径范围内为最大弦的95％或95％以上。
本发明的涡轮机弦分布克服了涡轮机叶片在肩部附近应具有尖形弦分布的偏见。
附图说明
本发明的进一步特征、特性和优点将通过以下结合附图对实施例进行的描述而变得清楚。
图1示意性地示出风力涡轮机转子叶片。
图2示出根据年发电量优化的弦分布。
图3示出普通的弦分布。
图4示出本发明的弦分布。
图5示出本发明的弦分布的进一步示例。
图6示意性地示出本发明的风力涡轮机转子叶片。
具体实施方式
与径向方向的比例相比，在所有附图1至6中放大了弦向方向的比例，以使附图中的弦分布更明显。
图1示意性地示出风力涡轮机转子叶片(1)。这种涡轮机叶片所特有的几何特征是根部(2)、肩部(3)和顶点(4)。总体设计可通过半径(5)和沿中心线(16)在每个径向位置处的弦(6)描述。此外，典型特征是最大弦区段(7)、外侧叶片区段(8)、以及根部区段(17)。
为了进行比较，图2将现有技术的根据年发电量优化的弦分布示出为半径的函数。该弦分布从肩部朝顶点为凹形的。根部区段(17)不会显著增加年发电量，其仅仅是叶片的年发电量产生部分与叶片根部之间的结构性载荷载体。
因上述实际原因，所以通常不直接应用根据年发电量优化的弦分布，使得现有技术的弦分布未达到最优年发电量。在图3中示出了普通现有技术的弦分布的三种示例。虚线的外侧弦分布(10)是在适度减小输出的情况下的年发电量优化设计的简单缩小。实线(11)和点划线(12)的外侧弦分布出于例如制造或结构考虑已被改型。
一方面考虑到年发电量，另一方面考虑到叶片生产过程、材料选择、以及诸如运输考虑的次要问题，本发明为风力涡轮机叶片提供一种改进的弦分布。
在图4中所示的本发明的弦分布(13)的特征在于宽的最大弦区段(7)，与现有技术中肩部的尖锐形状相比，该最大弦区段(7)对肩部进行了某种方式的平切。外侧叶片区段(8)的形状类似现有技术中该区段的形状。通过放弃肩部的尖锐形状，特别是在最大弦区段中由于尖锐形状是结构性弱点，因此能够减小作用于叶片上的载荷。此外，与现有技术相比通过拓宽最大弦区段，能避免外侧叶片区段中的最优弦分布缩小，使得叶片的该部分能实现最优的年发电量。通过如下方式能避免缩小：使最大弦区段扩展至叶片的某个径向延伸部分，使得相对于年发电量与载荷的比率优化的最大弦区段中的限定弦长的线与相对于年发电量优化的外侧区段中的限定弦长的线相交。于是，交点构成最大弦区段的径向外界。因此，存在能够改变的两个参数：即最大弦区段中特别是影响作用于叶片上的载荷的最大弦，以及最大弦区段的特别是影响叶片的年发电量的径向外界。
图5示出了三种不同的本发明的弦分布。实线(18)表示具有相对较小的最大弦区段和圆形肩部的弦分布。相比之下，点划线(20)示出具有由相对尖锐的边缘限界的宽的最大弦区段。虚线(19)为所述弦分布(18)和(19)的中间变型。
图6示意性地示出了本发明的相应的风力涡轮机转子叶片(15)。人们在图6中可看到，在尺寸为例如整个叶片长度的20％的宽的最大弦区段(7)上，叶片弦不小于肩部弦的95％(见图4中的附图标记(14))。此外，还示出了外侧叶片区段(8)，其具有从肩部朝顶点的根据年发电量优化的凹形曲线弦分布并且例如在整个叶片长度的70％上延伸。
与传统的风力涡轮机叶片的最大弦区段相比(见图3中的示例)，本发明的涡轮机转子叶片具有平坦的肩部(3)和增大的最大弦区段(7)(见图4至6中的示例)。该设计优化了叶片的年发电量与作用于叶片上的载荷的比率。因为载荷是主要的成本动因，而年发电量是主要的期望参数，所以本发明的弦分布描述了一种高效的设计。

Claims (6)

1.一种风力涡轮机转子叶片(1)，该风力涡轮机转子叶片(1)由顶点(4)、肩部、最大弦区段(7)、以及从所述最大弦区段(7)延伸到所述顶点(4)的外侧叶片区段(8)来限定，所述最大弦区段(7)被限定为叶片弦(6)不小于肩部弦的95％的径向区段，并且所述最大弦区段(7)在整个叶片长度的至少15％上延伸，所述外侧叶片区段(8)具有从所述最大弦区段(7)到所述顶点(4)的凹形曲线弦分布，
其特征在于，所述最大弦区段(7)对所述肩部进行了平切。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片(1)，其特征在于，所述外侧叶片区段(8)在整个叶片长度的至少50％上延伸。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机转子叶片(1)，其特征在于，所述外侧叶片区段(8)在整个叶片长度的最多80％上延伸。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的风力涡轮机转子叶片(1)，其特征在于，所述最大弦区段(7)在整个叶片长度的20％上延伸。
5.一种用于确定风力涡轮机转子叶片(1)的弦分布的方法，所述风力涡轮机转子叶片(1)由顶点(4)、肩部、最大弦区段(7)、以及外侧叶片区段(8)限定，所述最大弦区段(7)被限定为叶片弦(6)不小于肩部弦的95％的径向区段，所述外侧叶片区段(8)从所述最大弦区段(7)延伸到所述顶点(4)，
其特征在于，通过如下方式确定所述弦分布：
-通过使年发电量与作用于所述叶片(1)上的载荷的比率最大化来优化所述最大弦区段(7)中的弦分布，并且
-仅相对于年发电量优化所述外侧叶片区段(8)中的弦分布。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述最大弦区段被扩展至所述叶片的某个径向延伸部分，使得相对于年发电量与载荷的比率优化的所述最大弦区段中的限定弦长的线与相对于年发电量优化的所述外侧区段中的限定弦长的线相交。
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