CN102465829A - 用于风力机转子叶片的叶尖小翼 - Google Patents

用于风力机转子叶片的叶尖小翼 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种用于风力机的转子叶片。所述转子叶片包括叶根、叶尖以及从所述叶根延伸的叶身，所述叶身包括在前缘与后缘之间延伸的压力侧和吸入侧。所述转子叶片进一步包括在所述叶身与所述叶尖之间延伸的叶尖小翼，所述叶尖小翼包括在前缘与后缘之间延伸的压力侧和吸入侧。所述叶尖小翼进一步包括过渡段，并界定高度、掠角、外倾角和扭曲角。所述掠角、所述外倾角和所述扭曲角在整个所述过渡段上连续变化。

Description

用于风力机转子叶片的叶尖小翼
技术领域
本发明大体上涉及用于风力机的转子叶片，更确切地说，涉及用于风力机转子叶片的叶尖小翼。
背景技术
风能被认为是目前可用的最清洁、最环保的能源，因此风力机受到了越来越多的关注。现代风力机通常包括塔筒、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的机翼原理捕获风的动能，并通过转动能传输动能来驱动一个轴，所述轴将转子叶片连接到齿轮箱，如果未使用齿轮箱，则直接连接到发电机。然后，发电机将机械能转换为可以应用到电网中的电能。
要保证风能仍为可用的能源，必须通过修改风力机的大小、配置和能力来提高能源输出。一个此类修改是在每个风力机转子叶片的叶尖添加翼梢装置，例如叶尖小翼。通常，叶尖小翼可用于提高风力机的整体效率和性能。例如，叶尖小翼可降低转子叶片叶尖处产生的翼展向气流，从而减少转子叶片上的诱导阻力。叶尖小翼还可安装在转子叶片上以减少风力机的整体直径从而使负载为最小，并减少叶片产生的噪音。此外，叶尖小翼还可提高风力机的风能利用系数，从而减少风力机产生的能源的成本。
但是，传统的叶尖小翼可能具有多种缺点。例如，传统的叶尖小翼通常附着于转子叶片，以致叶尖小翼与转子叶片之间形成尖角。这些尖锐的角可能会，例如，增加叶尖小翼与转子叶片之间的交叉处的阻力，并可能因此削弱使用叶尖小翼预期带来的优势，例如性能提高。此外，传统已知的混合叶尖小翼虽然据称可减少叶尖小翼与转子叶片交叉处的阻力，但可能仅提供最小的性能优势。
因此，可能需要用于风力机中的转子叶片的改良叶尖小翼。例如，减少叶尖小翼与转子叶片交叉处的阻力同时提高转子叶片性能的叶尖小翼会很有帮助。
发明内容
以下说明将部分阐明本发明的各方面内容和优点，或者，这些方面和优点在说明中可能是显而易见的，或者在通过实践本发明能够推导出。
在一个实施例中揭示用于风力机的转子叶片。转子叶片包括叶根、叶尖以及从叶根延伸的叶身，叶身包括在前缘与后缘之间延伸的压力侧和吸入侧。转子叶片进一步包括在叶身与叶尖之间延伸的叶尖小翼，叶尖小翼包括在前缘与后缘之间延伸的压力侧和吸入侧。叶尖小翼进一步包括过渡段，并界定高度、掠角、外倾角和扭曲角。掠角、外倾角和扭曲角在整个过渡段上连续变化。
在另一实施例中揭示了一种风力机，包括：多个转子叶片，所述多个转子叶片中的至少一个包括：叶根；叶尖；从所述叶根延伸的叶身，所述叶身包括在前缘与后缘之间延伸的压力侧和吸入侧；以及在所述叶身与所述叶尖之间延伸的叶尖小翼，所述叶尖小翼包括在前缘与后缘之间延伸的压力侧和吸入侧，所述叶尖小翼进一步包括过渡段并界定高度、掠角、外倾角以及扭曲角，其中，所述掠角、所述外倾角和所述扭曲角在整个所述过渡段上连续变化。
其中，所述过渡段的所述最大掠角在约0度至约80度之间的范围内；所述掠角在整个所述过渡段上朝所述叶尖连续减小；所述过渡段的所述最大外倾角在约5度至约135度之间的范围内；所述外倾角在整个所述过渡段上朝所述叶尖连续增大。
参考以下具体说明和所附权利要求书可以更深入地了解本发明的这些以及其他特点、方面和优点。所随附图包括在本说明书内并构成本说明书的一个部分，显示了本发明的各个实施例，且与具体说明一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本说明书参考附图，针对所属领域一般技术人员，完整且可实现地详细披露了本发明，包括其最佳实施例。其中：
图1是本发明的风力机的一个实施例的透视图；
图2是本发明的转子叶片的一个实施例的透视图；
图3是本发明的转子叶片的另一个实施例的透视图；
图4是本发明的转子叶片的一个实施例的后视图；
图5是本发明的转子叶片的一个实施例的侧视图；以及
图6是本发明的转子叶片的一个实施例沿图2线6-6的上视截面图。
元件符号列表：
  参考标号   零部件   参考标号   零部件
  10   风力机   12   塔筒
  14   机舱   16   转子叶片
  18   转子轮毂   20   叶根
  22   叶尖   24   叶身
  32   压力侧   34   吸入侧
  36   前缘   38   后缘
  40   叶尖小翼   42   压力侧
  44   吸入侧   46   前缘
  48   后缘   50   长度
  52   高度   54   过渡段
  56   叶身侧段   58   叶尖侧段
  62   掠角   64   外倾角
  66   前束角   68   扭曲角
  70   曲率半径
具体实施方式
现将详细参考本发明的各实施例，附图中将显示本发明实施例的一个或多个实例。各个实施例用以解释本发明而非限定本发明。事实上，所属领域的一般技术人员可轻易在不脱离本发明的范围或精神的情况下，对本发明作各种修改和变化。例如，作为一个实施例一部分的特点可用于其他实施例中，从而得到另一个实施例。因此，本发明应涵盖所有基于所附权利要求书和其等效物的范围内的修改和变化。
图1所示为采用传统结构的风力机10。风力机10包括塔筒12，所述塔筒12上安装有机舱14。多个转子叶片16安装到转子轮毂18，所述转子轮毂18又连接到驱动主转子轴的主法兰。风力机电力产生及控制部件容纳在机舱14中。图1的视图仅为说明本发明的示例性使用这一目的而提供。应了解的是，本发明不限于任何特定类型的风力机配置。
参考图2至图6，所示为根据本发明的转子叶片16。转子叶片16可能包括，例如，叶根20和叶尖22。叶根20可能用于将转子叶片16安装到转子轮毂18而提供并配置。叶尖22通常可为转子叶片16与叶根20相对的一端。转子叶片16可能进一步包括从叶根20延伸的叶身24。叶身24可能具有在前缘36与后缘38之间延伸的压力侧32和吸入侧34。因此，叶身24具有通常的气动廓线，以使得转子叶片16使用已知的气动原理捕捉风的动能。
本发明的转子叶片16可能进一步包括叶尖小翼40。叶尖小翼40通常可以处于叶身24与叶尖22之间。因此，叶尖小翼40可能位于转子叶片16相对于叶根20最远的部分。在一些实施例中，叶尖小翼40可能为转子叶片16与叶身24分离的部件，且可能安装到叶身24。在其它实施例中，叶尖小翼40与叶身24可能为整体结构。较之现有技术的叶尖小翼，根据本发明的叶尖小翼40可能具有许多性能优点，包括但不限于诱导阻力减小、转子叶片大小减小、噪音降低以及风能利用系数提高。
在一些实施例中，如图2至图6所示，叶尖小翼40可能为吸入侧叶尖小翼，则所述叶尖小翼40从叶身24经过吸入侧34的其余部分向外延伸。但在其它实施例中，叶尖小翼40可能为压力侧叶尖小翼，则所述叶尖小翼40从叶身24经过压力侧32的其余部分向外延伸，或者可能同时为压力侧和吸入侧叶尖小翼。
与叶身24类似，根据本发明的叶尖小翼40可能具有在前缘46与后缘48之间延伸的压力侧42和吸入侧44。这些叶尖小翼40的各个部分可能分别界定为与叶身24的压力侧32、吸入侧34、前缘36和后缘38相邻的部分。因此，叶尖小翼40可界定一般的气动廓线，以使得转子叶片16使用已知的气动原理捕捉风的动能。
叶身24和叶尖小翼40通常可以界定转子叶片16的长度50，其可能在叶根20与叶尖22之间以一般的直线方向测得，如图5所示。叶尖小翼40可能进一步界定高度52。高度52可能在叶尖小翼40的底座与叶尖22之间测得，且通常可以垂直于长度50。进一步地，高度52可能在叶尖22与叶尖小翼40的底座上离叶尖最远的一点之间测得。
如下所述，叶尖小翼40可能包括过渡段54。在一些示例性实施例中，过渡段54可能包括整个叶尖小翼40，即过渡段54从叶身24延伸至叶尖22。在其它实施例中，如图3所示，叶尖小翼40可能包括在叶身24与过渡段54之间延伸的叶身侧段56和/或在过渡段54与叶尖22之间延伸的叶尖侧段58。
根据本发明的叶尖小翼40可能具有扫掠。例如，在示例性实施例中，叶尖小翼40为后掠叶尖小翼。进一步地，叶尖小翼40可能具有外倾角、前束角、扭曲角、曲率半径以及高宽比。掠角、外斜角、前束角、扭曲角、曲率半径以及高宽比为气动工艺中的公知术语。因此，叶尖小翼40通常可以界定掠角62、外倾角64、前束角66、扭曲角68、曲率半径70以及高宽比。如图4所示，掠角62通常可以借助参考线界定，所述参考线绘制为在叶身24与叶尖小翼40交叉处的叶身24横截面处与叶身24的翼展垂直且与叶身24的翼弦垂直。如图5所示，外倾角64通常可以借助参考线界定，所述参考线绘制为在叶身24与叶尖小翼40交叉处的叶身24横截面处与叶身24的翼展平行且与叶身24的翼弦垂直。如图6所示，前束角66通常可以借助参考线界定，所述参考线绘制为在叶身24与叶尖小翼40交叉处的叶身24横截面处与叶身24的翼展垂直且与叶身24的翼弦平行。如图6所示，扭曲角68通常可以参照叶尖小翼40的前缘46界定，并通常可以借助前缘46的迎角界定。如图5所示，曲率半径70界定叶尖小翼40沿叶尖小翼40任意点处的半径。高宽比是叶尖小翼的翼展与叶尖小翼的投影面积之比。
在根据本发明揭露的所述过渡段54上，所述掠角62、外倾角64、扭曲角68以及曲率半径70连续变化。一般来说，上述各个角度及曲径的连续变化可能开始在叶身24与过渡段54交叉处或叶身侧段56与过渡段54交叉处，并可能在过渡段54继续变化至叶尖20或叶尖侧段58。有益地，这些连续变化可能导致叶尖小翼40相对于叶身24在高度52或其部分中具有各种连续曲线。连续曲线可能导致过渡段54以及整个叶尖小翼40的所受阻力减小，相比采用现有技术叶尖小翼的转子叶片，并可能提高转子叶片16的性能。
如上所述，在一些实施例中，叶尖小翼40可能包括叶身侧段56和/或叶尖侧段58。叶身侧段56和叶尖侧段58通常可以不具有连续变化的掠角62、外倾角64或扭曲角68。例如，在一些实施例中，叶身侧段56可具有与叶身24的气动廓线类似的气动廓线，且可因此提供叶身24与叶尖小翼40之间的连续性。
如上所述，掠角62可在整个过渡段54上连续变化。在一些实施例中，掠角62可在整个过渡段54上朝叶尖22连续减小。在其中叶尖小翼40为后掠叶尖小翼的示例性实施例中，叶尖小翼40的前缘46可能因此在整个过渡段54上凹向弯曲，而叶尖小翼40的后缘48可能因此在整个过渡段54上凸向弯曲，如图2和图3所示。或者，掠角62可能连续增大，或可能在过渡段54的不同部分增大和减小。
在示例性实施例中，过渡段54可能具有最大掠角62。例如，在一些实施例中，过渡段54的最大掠角62可能处于约0度至约80度之间的范围内。在其它实施例中，过渡段54的最大掠角62可能处于约30度至约80度之间的范围内。在其它实施例中，过渡段54的最大掠角62可能处于约30度至约70度之间的范围内。仍在其它实施例中，过渡段54的最大掠角62可能处于约45度至约65度之间的范围内。但是，应了解的是，以上范围和角度是非限制性的，任何合适的最大掠角62均在本发明的范围内，并且符合本发明的精神。
如上所述，外倾角64可在整个过渡段54上连续变化。在一些实施例中，外倾角64可能在整个过渡段54上朝叶尖22连续增大。在其中叶尖小翼40为吸入侧叶尖小翼的示例性实施例中，叶尖小翼40的吸入侧44可能在整个过渡段54上凹向弯曲，而叶尖小翼40的压力侧42可能在整个过渡段54上凸向弯曲，如图5所示。或者，外倾角64可能连续减小，或可能在过渡段54的不同部分增大和减小。
在示例性实施例中，过渡段54可能具有最大外倾角64。例如，在一些实施例中，过渡段54的最大外倾角64可能处于约5度至约135度之间的范围内。在其它实施例中，过渡段54的最大外倾角64可能处于约5度至约90度之间的范围内。在其它实施例中，过渡段54的最大外倾角64可能处于约15度至约80度之间的范围内。仍在其它实施例中，过渡段54的最大外倾角64可能处于约40度至约65度之间的范围内。但是，应了解的是，以上范围和角度是非限制性的，任何合适的最大外倾角64均在本发明的范围内，并且符合本发明的精神。
如上所述，扭曲角68可能在整个过渡段54上连续变化。在一些实施例中，扭曲角68可能在整个过渡段54上朝叶尖22连续增大。或者，扭曲角68可能连续减小，或可能在过渡段54的不同部分增大和减小。
在示例性实施例中，扭曲角68可能向叶尖22处的最小扭曲角68连续变化，该最小扭曲角68在约-0.1度至约-10度之间。在其它实施例中，扭曲角68可能向叶尖22处的最小扭曲角68连续变化，该最小扭曲角68在约0.1度至约5度之间。在其它实施例中，扭曲角68可能向叶尖22处的最小扭曲角68连续变化，该最小扭曲角68在约-0.1度至约-1度之间。在替代实施例中，扭曲角68可能向叶尖22处的最大扭曲角68连续变化，该最大扭曲角68在约0.1度至约15度之间。在其它替代实施例中，扭曲角68可能向叶尖22处的最大扭曲角68连续变化，该最大扭曲角68在约0.1度至约3度之间。但是，应了解的是，以上范围和角度是非限制性的，任何合适的最大或最小扭曲角68均在本发明的范围内，并且符合本发明的精神。
进一步地，本发明的扭曲角68可能在整个过渡段54上以例如线性方式、二次方式或为优化转子叶片16和风力机10的性能所需的任何合适的方式或模式连续变化。应进一步地了解的是，如果需要，则掠角62、外倾角64以及曲率半径70可能另外以例如线性方式、二次方式或为优化转子叶片16和风力机10的性能所需的任何合适的方式或模式连续变化。
如上所述，在一些实施例中，叶尖小翼40可能具有前束角66。在一些实施例中，前束角66可能在约-5度至约35度之间。在一些实施例中，前束角66可能在约5度至约20度之间。但在其它实施例中，前束角66可能约为15度。但是，应了解的是，以上范围和角度是非限制性的，任何合适的前束角66均在本发明的范围内，并且符合本发明的精神。
如上所述，叶尖小翼40具有高度52。在一些实施例中，高度52可能在长度50的约0.03％至约15％之间。在其他实施例中高度52可能在长度50的约0.05％至约15％之间。但在其它实施例中，高度52可能在长度50的约0.1％至约15％之间。但是，应了解的是，以上百分比是非限制性的，任何合适的长度50及高度52均在本发明的范围内，并且符合本发明的精神。
如上所述，曲率半径70可能在整个过渡段54上连续变化。在一些实施例中，曲率半径70可能在整个过渡段54上朝叶尖22连续增大。或者，曲率半径70可能连续减小，或在曲率半径70的不同部分增大或减小。在示例性实施例中，整个过渡段54上的曲率半径70可能在转子叶片16的长度50的10％至转子叶片16的长度50的100％之间的范围内。
如上所述，叶尖小翼40具有高宽比。在示例性实施例中，高宽比70可能在0.5至10之间的范围内。进一步地，在示例性实施例中，高宽比70可能对叶尖小翼40保持不变。
该专利说明书使用了各种实例来揭示本发明，包括最佳模式，以使所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，或者实施涵盖本发明的任何方法。本发明的可专利性范围由权利要求书界定，同时包括所属领域的一般技术人员能够得到的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例的等效结构要素与权利要求书的字面意义无显著差别，则此类实例也属于本发明权利要求书的范围。

Claims (15)

1.一种用于风机(10)的转子叶片(16)，所述转子叶片(16)包括：
叶根(20)；
叶尖(22)；
从所述叶根(20)延伸的叶身(24)，所述叶身(24)包括在前缘(36)与后缘(38)之间延伸的压力侧(32)和吸入侧(34)；以及
在所述叶身(24)与所述叶尖(22)之间延伸的叶尖小翼(40)，所述叶尖小翼(40)包括在前缘(46)与后缘(48)之间延伸的压力侧(42)和吸入侧(44)，所述叶尖小翼(40)进一步包括过渡段(54)并界定高度(52)、掠角(62)、外倾角(64)和扭曲角(68)，
其中，所述掠角(62)、所述外倾角(64)和所述扭曲角(68)在整个所述过渡段(54)上连续变化。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(16)，其特征在于：所述过渡段(54)的最大掠角(62)在约0度至约80度之间。
3.根据权利要求1所述的转子叶片(16)，其特征在于：所述过渡段(54)的最大掠角(62)在约30度至约80度之间。
4.根据权利要求1所述的转子叶片(16)，其特征在于：所述过渡段(54)的最大掠角(62)在约45度至约65度之间。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的转子叶片(16)，其特征在于：所述掠角(62)在整个所述过渡段(54)上朝所述叶尖(22)连续减小。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的转子叶片(16)，其特征在于：所述过渡段(54)的最大外倾角(64)在约5度至约135度之间。
7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的转子叶片(16)，其特征在于：所述过渡段(54)的最大外倾角(64)在约5度至约90度之间。
8.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的转子叶片(16)，其特征在于：所述过渡段(54)的最大外倾角(64)在约40度至约65度之间。
9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的转子叶片(16)，其特征在于：所述外倾角(64)在整个所述过渡段(54)上朝所述叶尖(22)连续增大。
10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的转子叶片(16)，其特征在于：所述扭曲角(68)向所述叶尖(22)处的最小扭曲角(68)连续变化，所述最小扭曲角(68)在约-0.1度至约-10度之间。
11.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的转子叶片(16)，其特征在于：所述扭曲角(68)向所述梢(22)处的最大扭曲角(68)连续变化，所述最大扭曲角(68)在约0.1度至约15度之间。
12.根据权利要求1至11中任一权利要求所述的转子叶片(16)，所述叶尖小翼(40)进一步包括置于所述叶身(24)与所述过渡段(54)之间的叶身侧段(56)。
13.根据权利要求1至12中任一权利要求所述的转子叶片(16)，所述叶尖小翼(40)进一步包括置于所述过渡段(54)与所述叶尖(22)之间的叶尖侧段(58)。
14.一种用于风机(10)的转子叶片(16)，所述转子叶片(16)包括：
叶根(20)；
叶尖(22)；
从所述叶根(20)延伸的叶身(24)，所述叶身(24)包括在前缘(36)与后缘(38)之间延伸的压力侧(32)和吸入侧(34)；以及
在所述叶身(24)与所述叶尖(22)之间延伸的叶尖小翼(40)，所述叶尖小翼(40)包括在前缘(46)与后缘(48)之间延伸的压力侧(42)和吸入侧(44)，所述叶尖小翼(40)进一步包括过渡段(54)并界定高度(52)、掠角(62)、外倾角(64)和扭曲角(68)，
其中所述掠角(62)在整个所述过渡段(54)上朝所述叶尖(22)连续减小且所述外倾角(64)在整个所述过渡段(54)上朝所述叶尖(22)连续增大。
15.根据权利要求14所述的转子叶片(16)，其特征在于：所述扭曲角(68)在整个所述过渡段(54)上连续变化。
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