CN102713261A - 风力涡轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种风力涡轮机，其包括根部区段、过渡区段、常规区段和梢部区段。根部区段可包括的弦长大于用常规公式计算出的弦长的大约1.3倍。根部区段还可包括的叶片安装角大于用常规公式计算出的叶片安装角的大约1.3倍。常规区段可包括的弦长和/或叶片安装角大致等于用常规公式计算出的弦长和/或叶片安装角。在过渡区段中，弦长和/或叶片安装角可从根部区段的弦长和/或叶片安装角过渡到常规区段的弦长和/或叶片安装角。梢部区段可包括翅翼。

Description

风力涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及风力涡轮机，更具体地涉及风力涡轮机叶片。
背景技术
风力涡轮机多年来已被用于将来自风的动能转换成可用能量。在近来朝可再生能源方向推进的过程中，对风力涡轮机的需求平稳上升。这已经导致商用风场增加，这些商用风场产生足够的电力来补充整个城市的电力需求。这些风场包括许多风力涡轮机,它们以一定图案遍布在一个巨大区域中，以使可从风中提取的能量的量最大化。用在这些应用中的商用风力涡轮机被设计成放置在高风区域中，即沙漠、农场及其他空旷区域中，它们在那里将长时间经受持续的高风。因此，结果使得设这些风力涡轮机时要考虑那些允许它们在这些高风时段最有效地操作的属性。
风力发电领域最新的发展已经包括了一些非商业性的设计。个人正在采用风力涡轮机来补充他们私人的电力需求。与商用风场相比，这些住宅用户通常居住在人口稠密的低风区域。随着住宅用风力涡轮机操作的增加，将当前的商用设计用在住宅应用中的缺点已经表现出来。利用当前风力涡轮机设计的一个问题在于，它们被设计成相对较高的高风启动，这意味着，在风力涡轮机能够克服其内部摩擦，叶片开始转动之前，它们要求的风速高。在住宅环境中，风速很少能达到当前大多数风力涡轮机设计所需的起动速度。结果导致尽管有风刮过风力涡轮机叶片，但是这些叶片闲置。利用当前风力涡轮机叶片设计的第二个问题在于它们的效率较低。第三个问题在于与当前风力涡轮机设计相关联的噪音。当空气冲流过风力涡轮机叶片时，空气与叶片表面之间会产生噪音。到目前为止，这还未成为一个显著的问题，因为多数风力涡轮机是在远离居住区的商用环境中操作。随着更多的风力涡轮机被建在居住区附近，这种噪音已经变成风力涡轮机操作者以及附近居民关心的重大问题。
发明内容
上述问题在本发明中将被克服，在本发明中，风力涡轮机叶片设计能够高效、安静地工作，同时还降低了启动所需的风速。叶片包括根部区段、过渡区段、常规区段和梢部区段。常规区段包括类似于NACA 4415翼型的横截面。梢部区段相对于叶片的旋转平面向后翻转35度角。根部区段包括的弦长大于用常规公式计算出的弦长的大约1.3倍。根部区段的叶片安装角大于用常规公式计算出的叶片安装角的1.3倍。
相对于现有技术的风力涡轮机叶片，本发明具有不同的优点。第一，与当前风力涡轮机的要求相比，该根部区段可提供启动所需的较低风速。第二，梢部区段可允许风力涡轮机的操作更加安静，而且效率更高。
通过参考对当前实施例的描述以及附图，本发明的这些和其他目的、优点以及特征将被更全面地理解和认识。
附图说明
图1是本发明风力涡轮机叶片的一个实施例的顶视图；
图2是图1实施例的侧视图；
图3是图1实施例的侧视图；
图4是图1实施例的透视图；
图5是NACA 4415翼型的侧视图；
图6是NACA 4415翼型的侧视图；
图7是包括本发明叶片的风力涡轮机的透视图；
图8是三种叶片设计的跨度上的进气角的曲线图；
图9是八种叶片设计的跨度上的叶片安装角的曲线图；
图10是三种叶片设计的跨度上的弦长的曲线图；以及
图11是两种叶片设计的跨度上的攻角的曲线图。
具体实施方式
附图中示出了本发明风力涡轮机叶片的一个实施例，并且总体上标示为10。风力涡轮机叶片10包括梢部区段30、中间区段50、和根部区段70。风力涡轮机叶片10包括：附连区段100，其用于将叶片紧固到轮毂150；以及从梢部区段30到附连区段100的跨度130。
风力涡轮机叶片10包括顶表面12和底表面14，如或许在图2中最佳示出的。叶片10包括抛物线形的前缘16和后缘18，其或许在图5的NACA 4415翼型的示例性侧视图中显示效果最好。风力涡轮机叶片10包括弦线20，其连接前缘16和后缘18，并具有相关联的弦长22，如图5中NACA 4415翼型的示例性侧视图所示。
图5中示出了从前缘16到弦线20上一点的可变距离24。图5中还示出了可变距离26和28。可变距离26是在弦线24上所述可变距离处、垂直于弦线20的、弦线20与顶表面12之间的距离。可变距离28是在弦线24上所述可变距离处、垂直于弦线20的、弦线20与底表面14之间的距离。
转到图6，攻角32形成在弦线20（如图6中延长线所示）与进风方向200之间。操作中，风力涡轮机叶片10绕轮毂150（如图7所示）旋转，形成旋转平面132，叶片的中间区段50和根部区段70在该旋转平面中旋转（如图3中或许最好地示出的）。回到图6，叶片安装角34形成在旋转平面132与弦线20之间。进气角36形成在旋转平面132与风向200之间。
图3中的风力涡轮机叶片10进一步包括对叶片上各个位置的标记，这些位置位于叶片总跨度130的一定比值（fraction）处。从附连区段100开始，叶片跨度的10%处的点被标记为52，15%被标记为54，35%被标记为56，40%被标记为58，50%被标记为60，65%被标记为62，95%被标记为64，而叶片末端被标记为66。
风力涡轮机叶片10基于NACA 4415翼型设计，如图5所示。下面的表1提供了NACA 4415的设计数据，这些数据通过用所有数值除以弦长22被转变成没有量纲。表1包括沿弦线20的可变距离24除以弦长22（标记为X/C）。表1还包括可变距离24处的弦线20与顶表面12之间的相应距离26除以弦长22（标记为Y1/C）。表1进一步包括可变距离24处弦线20与底表面14之间的相应距离除以弦长22（标记Y2/C）。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
现在将详细描述用常规计算来确定用于风力涡轮机叶片各种横截面的适当弦长22和叶片安装角34的示例。将功率输出关联到叶片跨度的公式为：
P = 0.5*Cp*ρ*π*R2*V3
其中，P是期望功率输出，Cp是功率因数（转换成机械能的风能比率），ρ是空气密度，R是叶片半径（跨度），V是风速。根据上式，可确定出叶片跨度130。一旦确定了叶片跨度130，就可根据用于叶片10的每个区段的已知的常规模型来选择进气角36。图8中示出了用于三种设计（包括本发明的一个实施例）的进气角36的曲线图。在确定了进气角之后，可根据叶片的期望升力来选择攻角32。通常，攻角32越大，叶片升力也越大。但是，当攻角32大到超过一临界点后，会引起失速（stall），升力反而会随攻角32的升高而降低。此外，当其叶片位于一定攻角32处时，风力涡轮机可更有效地运行。图11示出了若干叶片设计（包括本发明的实施例）的攻角32的曲线图，本说明书稍后将对其进行描述。一旦选定了攻角32，就可利用如下公式来计算叶片安装角34：
α = I-i
其中α是叶片安装角，I是进气角，i是叶片的攻角。图9示出了各种叶片设计（包括本发明的实施例）的攻叶片安装角34的曲线图，本说明书稍后将对其进行描述。
一旦已知叶片安装角34和攻角32，就可计算梢部速度比。梢部速度比是线性梢部速度与进入风速之比。梢部速度比用下式计算：
α = arctan (2/3/γ*r/(1+2/9/γ*r2))-i
其中，α是叶片安装角，i是叶片的攻角，r是按照距转子的距离表示的叶片横截面位置。利用该梢部速度比，随后可用下面的威尔逊方程计算弦长22：
LC = (16*π/9 )R/{CL* b*γ*[(γ2*r2/R2)+(4/9)]-2}
其中，LC是弦长，R是转子半径（叶片跨度），r是按照距转子的距离表示的叶片横截面位置；γ是梢部速度比，CL是升力系数，b是叶片数。任选地，可用下式计算弦长22：
L = CL* LC*A
其中，L是升力，CL是升力系数，c是弦长，A是叶片的表面面积。图10示出了三种叶片设计（包括本发明的实施例）弦长22的曲线图。
利用NACA 4415翼型的属性和上述常规公式计算的弦长22和装置角34如表2所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE006
本发明包括风力涡轮机叶片10的一些部分，它们具有从利用常规公式（例如上文给出的公式）计算出的那些属性中变更而得的属性。更具体地，在叶片的每个部分中，垂直于叶片跨度130截取的叶片的至少一个横截面下面可具有针对叶片的该部分所描述的属性。任选地，在叶片的每个部分中，垂直于跨度130截取的叶片横截面中的大多数可具有针对叶片该部分所描述的属性。转到图3，沿叶片跨度130的各种位置被标记成跨度130从附连区段100开始的百分比。对常规公式的这些修改提供了对当前风力涡轮机叶片设计一个实施例的一般性描述，并且将参考沿叶片跨度的这些点来描述这些修改。
在叶片跨度大致0%至大致30%－50%之间的叶片区段中，任选地是叶片跨度大致10%至大致40%之间(大致在附图标记52和58之间)的叶片区段中，叶片安装角34可大于用常规公式计算出的叶片安装角的大致1.3倍。在叶片跨度大致30%－50%至大致40%－60%之间的叶片区段中，任选地是叶片跨度大致40%至大致50%之间(大致在附图标记58和60之间)的叶片区段中，叶片安装角34可从等于用常规公式计算出的叶片安装角的大致1.3倍的叶片安装角34平滑地过渡到等于用常规公式计算出的叶片安装角的叶片安装角34。在叶片跨度大致40%－60%至大致90%－100%之间的叶片区段中，任选地是叶片跨度大致50%至大致95%之间(大致在附图标记60和64之间)的叶片区段中，叶片安装角34可大致等于用常规公式计算出的叶片安装角34。
参见图3，在叶片跨度大致0%－20%至大致30%－40%之间的叶片区段中，任选地是叶片跨度大致10%至大致35%之间(大致在附图标记52和56之间)的叶片区段中，弦长22可大于用常规公式计算出的弦长的大致1.3倍。在叶片跨度大致30%－40%至大致60%－70%之间的叶片区段中，任选地是叶片跨度大致35%至大致65%之间(大致在附图标记56和62之间)的叶片区段中，本叶片的弦长22可从用常规公式计算出的大致1.3倍平滑地过渡到用常规公式计算出的弦长。在叶片跨度大致60%－70%至大致90%－100%之间的叶片区段中，任选地是叶片跨度大致65%至大致95%之间(大致在附图标记62和64之间)的叶片区段中，本发明的弦长22可大致等于用常规公式计算出的弦长。
对叶片安装角34和弦长22的上述改进可提高本发明叶片10的根部区段70的升力系数和总升力。在叶片的任一被描述的区段中，叶片的至少一个横截面可具有所述的特性。任选地，在叶片的特定区段中，叶片的大多数横截面可具有所述的特性。
叶片100的梢部区段30，其可处于叶片跨度的大致95%至大致100%之间（大致从附图标记64至叶片66的末端），可包括图1-4所示的翅翼结构102。如图3所示，梢部区段30沿尾部方向（朝风力涡轮机的后部）从叶片的旋转平面132中升出，从而形成翅翼结构102。梢部区段30与叶片中间区段50或与旋转平面132形成一个角134。在本发明的一个实施例中，如图3所示，角134可大致等于35度。任选地，角134的范围可为大致20度至50之间，或大致30度至40度之间，而且可根据风力涡轮机安装区域的风的特性改变。例如，用于经受一贯的30mph风的区域的叶片梢部设计可不同于用于经受仅仅10mph风的区域的叶片梢部设计。翅翼结构102可提高效率，减少风力涡轮机操作期间的噪音。
在邻近附连区段100处，根部区段70包括轮廓72，该轮廓被设计成从叶片10平滑地过渡到风力涡轮机的轮毂150。图1所示实施例的附连区段100限定有两个螺纹孔104，106，用于接收紧固件(未图示出）。替代性地，任何适于该应用的紧固装置可被用来将叶片10附连到轮毂150。
在替代性实施例中，可改变叶片不同区段的位置。沿叶片跨度上具有增加的弦长和/或增加的叶片安装角的位置可处于叶片跨度的大致0%至大致20%－50%之间，任选地处于叶片跨度的大致0%至大致30%－40%之间。沿叶片跨度的过渡区段的位置可处于叶片跨度的大致20%－50%至大致30%－60%之间，任选地处于叶片跨度的大致30%－40%至大致40%－50%之间。沿叶片跨度的常规区段的位置可处于叶片跨度的大致30%－60%至大致85%－100%之间，任选地处于叶片跨度的大致40%－50%至大致95%之间。这些替代性实施例可包括翅翼102。
图9-11包括本发明实施例的叶片安装角34、弦长22、冲角32的曲线图。在图9和11中，设计1代表了这样一种设计，其在叶片跨度130的0%至30%之间具有增大的叶片安装角34，在叶片跨度130的30%至40%之间具有过渡区段，在叶片跨度130的40%至叶片66的梢部之间具有常规的叶片安装角34。设计2代表了这样一种设计，其在叶片跨度130的0%至40%之间具有增大的叶片安装角34，在叶片跨度130的40%至50%之间具有过渡区段，在叶片跨度130的50%至叶片66的梢部之间具有常规的叶片安装角34。
现已总体性地描述了本发明的风力涡轮机叶片10，下面将具体地利用数据表来描述本发明的一个实施例。表3包括根据本风力涡轮机叶片设计10的一个实施例计算的叶片安装角34和弦长22数据。表3中还包括有对1/4弦的计算。
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表4－22包括了用于本发明风力涡轮机叶片10的一个实施例的设计数据。每个表对应于叶片10的一个横截面。这些横截面是垂直于叶片的跨度130截取的，而且从根部区段70向外到梢部区段30被顺序地定位。按照这种方式，表4包含的数据用于在叶片10的根部区段70中截取的横截面，而表22包含的数据用于在叶片10的梢部区段30中截取的横截面。下面的这些表包括了沿弦线20距前缘16的可变距离24（标记为X），在可变距离24处弦线20与顶表面12之间的相应距离26（标记为Y1），以及可变距离24处弦线20与底表面14之间的相应距离28（标记为Y2）。
Figure DEST_PATH_IMAGE010
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以上是对本发明当前实施例的描述。在不脱离由所附权利要求限定的本发明精神和宽广方案的情况下，可进行各种变型和修改，所附权利要求应根据专利法律（包括等同学说）的原则解释。任何在以单数形式来表达的要求保护的元素时，例如，在使用了表示英语不定冠词的“一”或表示英语定冠词的“该”或“所述”时，不应被解释成将元素限制成为单数。

Claims (16)

1.一种风力涡轮机叶片，包括：
适于附连到风力涡轮机轮毂的第一端和远离所述第一端的第二端，所述第一端与所述第二端之间的距离限定了所述风力涡轮机叶片的跨度；
邻近所述第一端的根部区段，所述根部区段的至少一个横截面具有根部区段弦长，所述根部区段的至少一个横截面具有根部区段叶片安装角；
邻近所述根部区段的过渡区段，所述过渡区段的至少一个横截面具有过渡区段弦长，所述过渡区段的至少一个横截面具有过渡区段叶片安装角；以及
邻近所述过渡区段的常规区段，所述常规区段的至少一个横截面具有用常规公式计算出的常规区段弦长，所述常规区段的至少一个横截面具有用常规公式计算出的常规区段叶片安装角；
其中，所述根部区段弦长大于用常规公式计算出的根部区段弦长的大致1.3倍，而所述过渡区段弦长处于大致等于所述根部区段弦长的一个值与大致等于所述常规区段弦长的一个值之间。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述根部区段叶片安装角大于用常规公式计算出的叶片安装角的大致1.3倍，而所述过渡区段叶片安装角处于大致等于所述根部区段叶片安装角的一个值与大致等于所述常规区段叶片安装角的一个值之间。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述根部区段位于所述风力涡轮机叶片的第一端与所述跨度的大致20%－50%之间，所述过渡区段位于所述跨度的大致20%－50%与大致30%－60%之间，所述常规区段位于所述跨度的大致30%－60%与所述跨度的大致85%至所述风力涡轮机叶片的第二端之间。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其中，所述根部区段位于所述风力涡轮机叶片的大致第一端与所述跨度的大致30%－40%之间，所述过渡区段位于所述跨度的大致30%－40%与大致40%－50%之间，所述常规区段位于所述跨度的大致40%－50%与大致95%之间，而梢部区段位于所述跨度的大致95%与所述风力涡轮机叶片的大致第二端之间。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机叶片，其中，所述梢部区段包括翅翼结构。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片，其中，所述梢部区段相对于所述风力涡轮机叶片的所述常规区段形成一个大致在20度至50度之间的角。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机叶片，其中，所述梢部区段相对于所述风力涡轮机叶片的所述常规区段形成一个大致在30度至40度之间的角。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机叶片，其中，所述梢部区段相对于所述风力涡轮机叶片的所述常规区段形成一个大致35度的角。
9.根据权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其中，所述根部区段的大多数横截面具有等于所述根部区段弦长的弦长以及等于所述根部区段叶片安装角的叶片安装角。
10.根据权利要求4所述的风力涡轮机叶片，其中，所述根部区段的大多数横截面具有等于所述根部区段弦长的弦长以及等于所述根部区段叶片安装角的叶片安装角。
11.一种风力涡轮机叶片，包括：
适于附连到风力涡轮机轮毂的第一端和远离所述第一端的第二端，所述第一端与所述第二端之间的距离限定了所述风力涡轮机叶片的跨度，
其中，所述叶片在位于所述叶片跨度的大致40%－60%与所述叶片跨度的大致90%至所述第二端之间的区段中的至少一个横截面具有用常规公式计算出的第一叶片安装角，
其中，所述叶片在位于所述叶片跨度的大致第一端与大致30%之间的区段中的至少一个横截面具有第二叶片安装角，所述第二叶片安装角大于用常规公式计算出的叶片安装角的1.3倍，
其中，所述叶片在所述叶片跨度的大致30%－50%与大致40%－60%之间的区段中的至少一个横截面具有一个处于所述第一叶片安装角与所述第二叶片安装角之间的叶片安装角。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机叶片，其中，其中，所述叶片在位于所述叶片跨度的大致60%－70%与所述叶片跨度的大致90%至所述第二端之间的区段中的至少一个横截面具有用常规公式计算出的第一弦长，
其中，所述叶片在大致第一端至所述叶片跨度的20%与所述叶片跨度的大致30%－40%之间的区段中的至少一个横截面具有第二弦长，所述第二弦长大于用常规公式计算出的弦长的1.3倍，
其中，所述叶片在所述叶片跨度的大致30%－40%与大致60%－70%之间的区段中的至少一个横截面具有一个处于所述第一弦长与所述第二弦长之间的弦长。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机叶片，其中，所述叶片在所述叶片跨度的大致50%与大致95%之间的至少一个横截面具有所述第一叶片安装角，
其中，所述叶片在所述跨度的大致10%与大致40%之间的至少一个横截面具有所述第二叶片安装角，
其中，所述叶片在所述叶片跨度的大致40%与大致50%之间的区段中的至少一个横截面具有一个处于所述第一叶片安装角与所述第二叶片安装角之间的叶片安装角，
其中，所述叶片在所述叶片跨度的大致65%与大致95%之间的至少一个横截面具有所述第一弦长，
其中，所述叶片在所述叶片跨度的大致10%与大致35%之间的至少一个横截面具有所述第二弦长，
其中，所述叶片在所述叶片跨度的大致35%与大致65%之间的区段中的至少一个横截面具有一个处于所述第一弦长与所述第二弦长之间的弦长，
其中，所述叶片在位于所述叶片跨度的大致95%与大致第二端之间的区段中具有翅翼。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机叶片，其中，所述翅翼与所述风力涡轮机叶片的旋转平面形成一个大致30度至40度之间的角。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮机叶片，其中，所述翅翼与所述风力涡轮机叶片的旋转平面形成一个大致35度的角。
16.一种风力涡轮机叶片，其具有沿所述叶片的跨度间隔开的横截面，每个横截面包括：沿弦线距所述叶片的前缘的可变距离（X），在所述可变距离（X）处所述弦线与所述叶片的顶表面之间垂直于所述弦线的相应距离（Y1），以及在所述可变距离（X）处所述弦线与所述叶片的底表面之间垂直于所述弦线的相应距离（Y2），
其中，所述叶片的至少一个横截面具有的数值X、Y1和Y2基本上对应于表4-22每个中的数值。
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