CN102650268A - 叶片深度变化的风力涡轮机转子叶片 - Google Patents

叶片深度变化的风力涡轮机转子叶片 Download PDF

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Abstract

一种叶片深度变化的风力涡轮机转子叶片，该风力涡轮机转子叶片具有叶片根部、叶片末端和在所述转子叶片的长度上变化的叶片深度，所述转子叶片在所述叶片根部与所述叶片末端之间的纵向位置处实现最大叶片深度，其中，在所述叶片长度的20％或更大的长度上延伸的外纵向段中，所述叶片深度处于所述最大叶片深度的20％至30％的范围内。

Description

叶片深度变化的风力涡轮机转子叶片
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机转子叶片，该风力涡轮机转子叶片具有叶片根部、叶片末端和沿着该转子叶片的长度变化的叶片深度，该叶片深度在叶片根部和叶片末端之间的纵向位置处达到最大深度。 
背景技术
由风力涡轮机的转子从风获得的功率取决于转子叶片的空气动力特性。另外，转子叶片的空气动力学轮廓、迎角、相对叶片厚度和叶片深度也是重要的。基于贝兹定律和一系列简化假定可得到理论上优选的叶片深度轮廓。这样，对于最佳局部叶片深度满足下列关系： 
t opt = 2 π z 8 9 c A v WA λv r * r
其中： 
topt＝最佳局部叶片深度(m) 
Vwa＝设计风速(m/s) 
u＝周向速度(ms/s) 
Figure BDA0000137965720000012
局部合成接近速度(ms/s) 
vw＝风速(ms/s) 
λ＝局部末端速比(-) 
cA＝局部升力系数(-) 
r＝局部叶片半径(m) 
z＝转子叶片的数量(-) 
可以看出叶片深度的1/r相关性，根据该相关性，叶片深度从外向内增大并且在毂处为无限大。这样的轮廓在实际中是不可能的，但 是代表了转子叶片发展的起点。此外，必须结合强度要求和复杂结构要求。结果，传统的转子叶片通常具有如下叶片深度，即，该叶片深度从叶片根部朝向叶片末端初始地增大，在叶片根部和叶片末端之间的纵向位置处达到最大值，并且从最大值至叶片末端大约线性地减小或者具有略双曲线或凹入轮廓。 
从WO 2006/090215A1的公开文本知道具有较低强度(即低叶片深度)的转子叶片。从该公开文本中描述的实施例和不同半径位置处所要求的强度明显看出，叶片深度的相对轮廓与其它已知的转子叶片无显著区别。 
发明内容
据此，本发明的目的是提供一种风力涡轮机转子叶片，该风力涡轮机转子叶片具有叶片根部、叶片末端和沿着转子叶片的长度变化的叶片深度，该风力涡轮机转子叶片在叶片根部和叶片末端之间的纵向位置处实现最大叶片深度，这在操作时产生的机械应力与从风中获得的功率之间提供了改良折衷。 
该目的通过具有权利要求1的特征的风力涡轮机转子叶片来实现。在随后的从属权利要求方面中明确了有利的实施方式。 
所述风力涡轮机转子叶片包括叶片根部、叶片末端和在所述转子叶片的长度上变化的叶片深度，所述转子叶片在所述叶片根部与所述叶片末端之间的纵向位置处实现最大叶片深度，其中，在所述叶片长度的20％或更多的长度上延伸的外纵向段中，所述叶片深度处于所述最大叶片深度的20％至30％的范围内。换言之，根据本发明的所述风力涡轮机转子叶片包括外纵向段，在该外纵向段中，所述叶片深度与传统的转子叶片相比变化明显较小或者保持大约恒定。所述叶片深度因此在所述外纵向段中比通常更强地偏离理论最佳轮廓。另外，在整个外纵向段中，叶片深度与传统叶片相比较低。 
所述纵向段是外纵向段的特征意味着该纵向段距离叶片根部一定距离，该距离相对于转子轴线位于径向较远的外侧。外纵向段到叶片 根部的距离例如可以是叶片长度的30％或更多、40％或更多、50％或更多、60％或更多或70％或更多。也可以是位于外纵向段和叶片末端之间的距离。 
最大叶片深度可以位于一单个且限定的纵向位置处，叶片深度从该单个且限定的纵向位置开始沿两个方向减小。然而，最大叶片深度也可存在于其中叶片深度保持恒定的限定纵向段中。叶片长度始终是指转子叶片从叶片根部至叶片末端的总长度。 
计算表明，通过根据本发明构造的外纵向段尤其在极端狂风的情况下产生较低的机械应力，这是因为负载分布向内移位。因此，叶片长度能够增大而不产生较大的总机械应力，这更加补偿由从最佳轮廓偏离的叶片深度造成的潜在性能损失。总之，由于根据本发明的外纵向段的构造，能够提供相同长度的转子叶片，这些转子叶片施加较低的机械应力或者这些转子叶片能够使在使用较长的叶片长度时对于相同机械应力具有较大的功率输入。此外，前述实施方式使操作期间的动态负载降低，因为质量中心朝叶片根部移位。这降低了用于确定叶片连接的操作负载。 
另一个优点在于，由于外纵向段中的较低叶片深度，因此存在比传统上成形的转子叶片的屈曲范围小的屈曲范围并因此能够节省附加的芯材料。这降低了转子叶片的质量，转子叶片质量的降低进一步减小了机械应力。减小的机械应力尤其作为减小的弯曲扭矩施加在叶片根部。由于外纵向段中的小叶片深度，因此还可以以较高的末端速率操作转子叶片。这能够降低局部负载范围内传动系上的应变。 
在本发明的实施方式中，所述外纵向段中的所述叶片深度处于所述最大叶片深度的22％至30％的范围内或者22％至28％的范围内。因此，外纵向段具有更均匀的叶片深度轮廓。这样，甚至以更大的程度实现已描述的本发明的优点。 
在另外的实施方式中，所述外纵向段在所述叶片长度的25％或更多的长度或者所述叶片长度的28％或更多的长度上延伸。另外，这样加强了所述的技术效果。 
在一个实施方式中，在所述外纵向段附近的相对叶片厚度变化，并且在所述外纵向段的叶片根部端处的所述相对叶片厚度大于在所述外纵向段的叶片末端处的所述相对叶片厚度。相对叶片厚度是叶片厚度和叶片深度的比。在传统的转子叶片中，外部区域中的相对叶片厚度通常基本上恒定并且通常大约为18％。通过本发明，在大约恒定的叶片深度的情况下，相对叶片厚度朝向外纵向段的叶片根部端增大。与传统的转子叶片相比，尽管绝对叶片厚度大约恒定，但通过朝向纵向段的外叶片根部端减小外纵向段中的叶片深度来实现较大的相对叶片厚度。因此与传统的风力涡轮机转子叶片相比，不必降低或者不必太多地降低风力涡轮机转子叶片的强化弯曲抗扭箱的高度。因此可以在不对风力涡轮机转子叶片的支撑结构进行根本结构改变的情况下实现足够的强度。 
在一个实施方式中，在所述外纵向段的所述叶片根部端处的所述相对叶片厚度比在所述外纵向段的所述叶片末端处的所述相对叶片厚度大10％或更多。实验表明，即使10％或更多(例如30％)的较大相对厚度也不显著降低叶片的空气动力性能。因此对于可实现的转子叶片的强度具有所述的积极作用。 
在一个实施方式中，在所述叶片长度的30％或更小的长度上延伸的中间纵向段中，所述叶片深度从所述最大叶片深度的80％或更多减小至所述最大叶片深度的40％或更小。中间纵向段距叶片根部与叶片末端一定距离。中间纵向段距叶片根部的距离例如可以是叶片长度的20％或更多，优选地为30％或更多。中间纵向段距叶片末端的距离例如可以是叶片长度的20％或更多、30％或更多或40％或更多。在中间纵向段中，与传统的转子叶片的叶片深度轮廓相比，存在较快的叶片深度变化。该快速过渡意味着外纵向段中的较窄转子叶片在较短的纵向段内变成较宽的内纵向段。该较突然的过渡与传统的叶片深度轮廓不同并且尽管外纵向段较窄也导致总体可用的叶片面积被证实不小于或不显著小于传统的转子叶片。中间纵向段的叶片根部端和叶片根部的相邻内连接区域处的较大叶片深度对于输入功率具有积极作用；其 增大了产生的机械应力，但机械应力仅相对地略微增加。实验表明，所述的叶片深度的快速过渡还有助于实现功率消耗和应力之间的最佳折衷。 
此外，实验表明，上述目的还通过这样一种风力涡轮机转子叶片来实现，该转子叶片具有叶片根部、叶片末端和叶片深度，所述叶片深度沿着转子叶片的长度变化，该叶片深度在叶片根部和叶片末端之间的纵向位置处达到最大值，其中，叶片深度在叶片长度的30％或更小上延伸的中间纵向段中从最大叶片深度的80％或更多降低至最大叶片深度的40％或更小。该特征的组合因此也是有用的，而与外纵向段的具体设计无关。 
在另外的实施方式中，所述中间纵向段中的所述叶片深度从最大叶片深度的80％或更多降低至最大叶片深度的40％或更小，和/或所述中间纵向段中的所述叶片深度减小至所述最大叶片深度的35％或更小，和/或所述中间纵向段中的所述叶片深度减小至所述最大叶片深度的30％或更小。在另外的实施方式中，所述中间纵向段在所述叶片长度的25％或更小或者所述叶片长度的20％或更小上延伸。所有这些实施方式都可提高中间纵向段中的叶片深度的较快速过渡的所述积极作用。 
在一个实施方式中，在所述转子叶片中的在所述叶片长度的20％或更大上延伸的内纵向段中，所述叶片深度大于所述最大叶片深度的88％。换言之，与传统的转子叶片相比，内纵向段中的叶片深度在整个上较大并且基本上恒定。因此，在不必为此显著增大绝对叶片深度的情况下，提高了内纵向段中的功率输入。纵向段为内纵向段意味着纵向段位于距叶片末端的较大距离处。这例如可以是叶片长度的50％或更大、60％或更大或70％或更大。 
实验表明，该实施方式，即内纵向段中的所述叶片深度也是有用的，而与外纵向段和/或中间纵向段的所述实施方式无关，并且适于实现上述目的。该目的因此还通过这样一种风轮转子叶片来实现，该转子叶片具有叶片根部、叶片末端和沿着转子叶片的长度变化的叶片深 度，该叶片深度在叶片根部和叶片末端之间的纵向位置处达到最大值，其中，在转子叶片的内纵向段中的叶片深度大于最大叶片深度的88％，所述内纵向段在叶片长度的20％或更大上延伸。 
在一个实施方式中，外纵向段、中间纵向段和/或内纵向段不重叠。所述纵向段还可以直接彼此连接或者可以位于彼此相距一定的距离处。转子叶片因此被明确地分成几个纵向段，各纵向段具有一定功能。 
附图说明
以下将利用图中所示的实施方式详细地描述本发明，附图中： 
图1以平面图示出了根据本发明的位于压力侧的转子叶片； 
图2以平面图示出了位于压力侧的传统转子叶片； 
图3示出了随着转子轴线的归一化距离的变化而绘制的叶片深度轮廓的曲线图。 
具体实施方式
图1中所示的风力涡轮机的转子叶片10包括叶片根部12和叶片末端14。在叶片根部12处，风力涡轮机转子叶片10具有基本圆形的截面，并且构造为用于附接到未示出的转子毂。例如，为此，该转子叶片包括图中也未示出的凸缘。叶片根部12处的圆形截面随着距离该叶片根部12的距离增大而转变为空气动力学轮廓。 
转子叶片在第一纵向位置16处具有最大叶片深度18。在所示的实施方式中，该最大叶片深度等于大约3.3m。所示的转子叶片的叶片长度20大约为42m。 
此外，图1示出了外纵向段22、中间纵向段24和内纵向段26。外纵向段22在叶片长度20的20％或更大上延伸。在该整个外纵向段22中，叶片深度处于最大叶片深度18的20％至30％的范围内。 
中间纵向段24在叶片长度20的30％或更小上延伸。在该中间纵向段24中，叶片深度从位于中间纵向段24的叶片根部端处的最大叶片深度18的80％或更大减小至位于中间纵向段24的叶片末端处的最 大叶片深度18的40％或更小。 
内纵向段26在叶片长度20的20％或更大上延伸。在该内纵向段26中，叶片深度总体上大于整个最大叶片深度18的88％。 
外纵向段22、中间纵向段24和内纵向段26不重叠并且在该实施例中彼此间隔一定距离。 
图2以与图1对应的图示出了传统的风力涡轮机转子叶片28，该转子叶片28形成本发明的起点。直接对比表明，最大叶片深度30低于根据本发明的风力涡轮机转子叶片10的最大叶片深度18。最大叶片深度30大约为3m。从图1和图2对比还可清楚的是，根据本发明的风力涡轮机转子叶片10的外纵向段22比传统的风力涡轮机转子叶片28的对应纵向段具有较低且较小明显变化的叶片深度。在根据本发明的风力涡轮机转子叶片10的中间纵向段24中，叶片深度朝向叶片末端14比传统的风力涡轮机转子叶片28的对比纵向段明显更迅速地减小。 
还可以想到，根据本发明的风力涡轮机转子叶片10的内纵向段26具有比传统的风力涡轮机转子叶片28的对比布置的纵向段更均匀和更大的叶片深度。 
在图3中，相对半径r相对于叶片深度t被绘制出，即，虚曲线32是用于图2的传统的风力涡轮机转子叶片28，实曲线34是用于图1的根据本发明的风力涡轮机转子叶片10。叶片深度被示出归一化为100％，即，曲线32相对于风力涡轮机28的最大叶片深度30归一化，并且曲线34相对于风力涡轮机转子叶片10的最大叶片深度18归一化。沿着叶片长度的对应纵向位置在x轴上，即，相对于距转子轴线的距离被绘出并且被归一化。100％对应于相应叶片末端的径向位置。由于风力涡轮机转子叶片28的叶片根部12位于距转子轴线大约1m的较短距离处，因此x轴线的百分比基本对应于相对于叶片长度的100％的百分比位置。 
在图3中示出了三个纵向段22、24和26的位置。外纵向段22从叶片长度的大约70％的径向位置延伸到叶片长度的大约90％的径 向位置。在该外纵向段22内，叶片深度从28％的值减小至22％的值。 
中间纵向段24从38％的径向位置延伸到68％的径向位置。在该中间纵向段24内，叶片深度从大约85％的值减小至小于30％的值。 
内纵向段26从大约15％的径向位置延伸至大约35％的径向位置。在该内纵向段26内，叶片深度恒定地大于最大叶片深度的大约90％。 
两个曲线32、34的对比表明，根据本发明的转子叶片10在内纵向段26内具有更大且更均匀的叶片深度。在中间纵向段24中，存在从较大的叶片深度至明显更小的叶片深度的更快过渡。在外纵向段22中，叶片深度明显小于传统的转子叶片并且仅略微变化。 
由于归一化为100％的叶片深度，因此图中未清楚示出的是，风力涡轮机转子叶片10的最大叶片深度18比风力涡轮机转子叶片28的最大叶片深度30要大大约10％。这导致两个风力涡轮机转子叶片10和28的总面积尺寸基本上相同。造成该情形的另一事实在于，风力涡轮机转子叶片10比风力涡轮机转子叶片28的长度要长大约2m。这也不能在图3中看出，因为两个风力涡轮机转子叶片10和28的叶片长度或最大半径被归一化为100％。 
所使用的术语列表： 
10风力涡轮机转子叶片 
12叶片根部 
14叶片末端 
16纵向位置 
18最大叶片深度 
20叶片长度 
22外纵向段 
23中间纵向段 
26内纵向段 
28传统的风力涡轮机转子叶片 
30最大叶片深度 
32虚曲线 
34实曲线。 

Claims (15)

1.一种风力涡轮机转子叶片(10)，该风力涡轮机转子叶片具有叶片根部(12)、叶片末端(14)和在所述转子叶片的长度上变化的叶片深度，所述转子叶片在所述叶片根部(12)与所述叶片末端(14)之间的纵向位置(16)处实现最大叶片深度(18)，
其特征在于，在所述叶片长度(20)的20％或更大的长度上延伸的外纵向段(22)中，所述叶片深度在所述最大叶片深度(18)的20％至30％的范围内。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片(10)，其特征在于，所述外纵向段(22)中的所述叶片深度处于所述最大叶片深度(18)的22％至30％的范围内。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片(10)，其特征在于，所述外纵向段(22)中的所述叶片深度处于所述最大叶片深度(18)的22％至28％的范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机转子叶片(10)，其特征在于，所述外纵向段(22)在所述叶片长度(20)的25％或更大的长度上延伸。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机转子叶片(10)，其特征在于，所述外纵向段(22)在所述叶片长度(20)的28％或更大的长度上延伸。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的风力涡轮机转子叶片(10)，其特征在于，在所述外纵向段(22)附近的相对叶片厚度变化，并且在所述外纵向段(22)的叶片根部端处的所述相对叶片厚度大于在所述外纵向段(22)的叶片末端处的所述相对叶片厚度。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机转子叶片(10)，其特征在于，在所述外纵向段(22)的所述叶片根部端处的所述相对叶片厚度比在所述外纵向段(22)的所述叶片末端处的所述相对叶片厚度大10％或更大。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的风力涡轮机转子叶片(10)，其特征在于，在所述叶片长度(20)的30％或更小的长度上延伸的中间纵向段(24)中，所述叶片深度从所述最大叶片深度(18)的80％或更大减小至所述最大叶片深度(18)的40％或更小。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的风力涡轮机转子叶片(10)，其特征在于，所述中间纵向段(24)中的所述叶片深度从所述最大叶片深度(18)的85％或更大减小至所述最大叶片深度(18)的40％或更小。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的风力涡轮机转子叶片(10)，其特征在于，所述中间纵向段(24)中的所述叶片深度减小至所述最大叶片深度(18)的35％或更小。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的风力涡轮机转子叶片(10)，其特征在于，所述中间纵向段(24)中的所述叶片深度减小至所述最大叶片深度(18)的30％或更小。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的风力涡轮机转子叶片(10)，其特征在于，所述中间纵向段(24)在所述叶片长度(20)的25％或更小上延伸。
13.根据权利要求8至11中任一项所述的风力涡轮机转子叶片(10)，其特征在于，所述中间纵向段(24)在所述叶片长度(20)的20％或更小上延伸。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的风力涡轮机转子叶片(10)，其特征在于，在所述转子叶片(10)中的在所述叶片长度(20)的20％或更大上延伸的内纵向段(26)中，所述叶片深度大于所述最大叶片深度(18)的88％。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的风力涡轮机转子叶片(10)，其特征在于，所述外纵向段(22)、所述中间纵向段(24)和/或所述内纵向段(26)不重叠。
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