CN102985684B - 用于风力涡轮机的转子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机的转子，所述转子具有50米或更大的直径。所述转子的叶片在叶片长度方向上包括至少两个叶片部分，其中至少一个叶片部分沿着所述叶片并相对于第二叶片部分具有弯曲，所述弯曲造成所述叶片的梢端相对于所述叶片根部的轴线偏移(x)，偏移(x)相对于从所述叶片的梢端到叶片根部的距离(L)的比(x/L)在0和0.1之间，所述距离(L)垂直于所述叶片的根端的平面测量，所述偏移(x)作为从叶片根部的轴线的垂直偏移量测量，并且所述转子具有在0和10度之间的锥角β，所述锥角β在叶片根部的轴线和垂直于所述主轴的轴线之间测量。

Description

用于风力涡轮机的转子
技术领域
本发明涉及一种用于风力涡轮机的转子，其中风力涡轮机至少包括塔架、所述塔架顶部上的舱以及转子，所述转子具有50米或更大的直径，并且连接到基本上水平的主轴，所述主轴可转动地安装在所述舱中，所述风力涡轮机是转子面向上风的类型，其中所述转子包括至少一个叶片(但优选为3个叶片)和毂，所述叶片具有细长形状并具有根端和梢端，其中所述叶片在所述根端处连接到所述毂，并且所述毂和所述叶片之间的接合部包括倾斜机构，另外所述转子具有通过由叶片扫过区域描绘的转子平面，所述转子平面具有锥形形状，即，转子平面朝着上风方向具有角度，其中所述锥形形状至少部分地起源于所述毂的形状，并且所述转子的一个叶片具有组合半径特定实度(combinedradiusspecificsolidity)Solr：
叶片半径r＝转子半径R的30％，其中Solr≤0.036
叶片半径r＝转子半径R的40％，其中Solr≤0.03
叶片半径r＝转子半径R的50％，其中Solr≤0.0245
叶片半径r＝转子半径R的60％，其中Solr≤0.021
叶片半径r＝转子半径R的70％，其中Solr≤0.0175
叶片半径r＝转子半径R的80％，其中Solr≤0.014
叶片半径r＝转子半径R的90％，其中Solr≤0.0115
叶片半径r＝转子半径R的96％，其中Solr≤0.0095，
其中，Solr具有低于任何给定叶片半径之间的线性插值的水平。组合特定实度Solr的定义：
其中，n是转子上叶片的数量，chord是特定半径处叶片的弦的长度，R是转子的最大直径。
背景技术
在风能行业中公知的是使风力涡轮机具有基础、顶部具有舱且具有固定到主轴的转子的塔架。已经开发了几种不同的设计，但看来被称为“丹麦式”的类型已成为最常用和最有效的设计。“丹麦式”风力涡轮机也称为前转轮，具有基本上水平的主轴，并且转子具有三个叶片并面向上风方向。随着风力涡轮机的尺寸变得越来越大，转子直径为80米，并且对于非常大的来说甚至高达大约125米，出现了一些工程挑战。其中一个挑战是在风力涡轮机的不同工作条件下在转动叶片的末梢和塔架之间获得足够的间隙。
过去已经使用了几种不同的方法来形成所需的间隙。获得足够间隙的最常用方法是制造具有一定硬度的叶片并在安装转子的端部将主轴向上倾斜几度，通常为4-6度。还普遍已知使用这样的转子，即其中叶片安装到毂，使得通过转子描绘的平面限定出锥形，并相对于平的转子平面成几度的角度。该角度通常称为锥角β。
还进行了其他尝试，其中转子上的叶片被形成有预弯曲，如EP1019631B1中描述的，或者具有与预弯曲结合的锥形，如EP1596063A2描述的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于风力涡轮机的转子，其中消除了上面提到的关于末梢到塔架间隙的缺陷，并且获得必要的末梢到塔架间隙。此外，本发明的目的在于提供一种允许叶片具有低的组合半径特定实度Solr的转子结构。
本发明涉及根据说明书的引言部分和权利要求1的前序部分的用于风力涡轮机的转子，其中所述转子的叶片在所述叶片的长度方向上包括至少两个叶片部分，至少一个叶片部分沿着叶片并相对于第二叶片部分具有弯曲，所述弯曲造成所述叶片的梢端相对于叶片根部的轴线在叶片的翼宽方向和上风方向上偏移(x)，偏移(x)相对于从叶片的梢端到叶片根部的距离(L)的比(x/L)在0和0.1之间，所述距离(L)垂直于叶片的根端的平面测量，所述偏移(x)作为从叶片根部的轴线的垂直偏移量测量，所述转子具有在0和10度之间的锥角β，所述锥角β在叶片根部的轴线和垂直于所述主轴的轴线之间测量。
具有纤细叶片轮廓并且同时具有也称为叶片“预弯曲”的相对小的比(x/L)以及锥形成形的转子平面具有许多好处。首先，纤细叶片轮廓具有使得来自风的负荷最小的好处，因为暴露于风的叶片面积更小了，因此更少的应力和负荷从叶片传递到风力涡轮机结构的其他部分。
其次，叶片预弯曲并由此使得能够被风更多地偏转同时仍保持叶片末梢和塔架之间具有足够间隙是有利的。但是，如果比(x/L)太大，预弯曲确实会在制造和运输过程中产生一些麻烦。现代风力涡轮机的多数叶片都是使用公知为VARTM(真空辅助树脂传递模塑)的方法由各种类型的浸渍有合适树脂的垫的各种类型的纤维制造。这是非常具有吸引力的过程，因为浸渍和固化发生在封闭的模具中，因此没有烟雾或只有非常少量烟雾将进入生产设备。如果预弯曲比(x/L)太大，则通过真空将树脂抽吸到模具中将变得很困难，因为存在相当大的高度差。这会在在模制的叶片中获得优选和所需质量方面造成困难。另一关于具有大比(x/L)的预弯曲的问题是上面提到的运输。如果叶片必须通过车辆在陆上运输，那么公路的宽度、桥和隧道的高度将成为相关的因素。如果叶片具有例如50米的长度和0.1的预弯曲比，这意味着叶片的宽度是0.1*50＝5米，那么根端的半径必须添加，因为从根端的中心测量，容易造成叶片的总宽度大于6米。由于长度，这种叶片的运输已经是挑战了，处理这种宽度使得挑战更大。
为了能够具有足够的末梢到塔架间隙，同时具有相对低的预弯曲比(x/L)，还优选将转子的毂制造成接合部和叶片之间具有角度。通过具有该角度，转子平面将具有锥形形状。该锥形与预弯曲和纤细叶片一起将形成足够的末梢到塔架间隙，同时使得叶片可能通过车辆运输而没有特别的麻烦。因此，在纤细、预弯曲以及叶片到毂的锥形布置等单项措施之间具有协同作用。当它涉及到每项措施的相当数量的定义时，该协同作用变得更加重要。
在根据本发明的用于风力涡轮机的转子的一种优选实施方式中，所述转子的叶片具有如下组合半径特定实度Solr：
叶片半径r＝转子半径R的30％，其中Solr≤0.0345
叶片半径r＝转子半径R的40％，其中Solr≤0.028
叶片半径r＝转子半径R的50％，其中Solr≤0.023
叶片半径r＝转子半径R的60％，其中Solr≤0.019
叶片半径r＝转子半径R的70％，其中Solr≤0.016
叶片半径r＝转子半径R的80％，其中Solr≤0.0125
叶片半径r＝转子半径R的90％，其中Solr≤0.01
叶片半径r＝转子半径R的96％，其中Solr≤0.008，
其中，Solr具有低于任何给定叶片半径之间的线性插值的水平。
在根据本发明的用于风力涡轮机的转子的又一种优选实施方式中，所述转子的叶片具有如下组合半径特定实度Solr：
叶片半径r＝转子半径R的30％，其中Solr≤0.033
叶片半径r＝转子半径R的40％，其中Solr≤0.0255
叶片半径r＝转子半径R的50％，其中Solr≤0.021
叶片半径r＝转子半径R的60％，其中Solr≤0.017
叶片半径r＝转子半径R的70％，其中Solr≤0.0135
叶片半径r＝转子半径R的80％，其中Solr≤0.011
叶片半径r＝转子半径R的90％，其中Solr≤0.008
叶片半径r＝转子半径R的96％，其中Solr≤0.0065，
其中，Solr具有低于任何给定叶片半径之间的线性插值的水平。
通过使叶片具有上述的组合半径特定实度Solr，获得了一种非常有吸引力的方案，因为风力涡轮机结构只受到最小负荷的影响。此外，叶片本身并不暴露于相同重型负荷，从而因为叶片具有更高的组合半径特定实度造成偏转。因此，可以制造具有较小刚性的叶片，因为不需要具有太大刚性，而太大刚性将影响用来生产叶片的不同材料的选择。例如，昂贵的碳或芳纶纤维的使用可最小化，或者甚至是避免使用它们。利用一些(或大或小)含量的碳和/或芳纶纤维制成的叶片将更加昂贵，并且在组合两种或更多不同类型的纤维时需要考虑一整套生产措施，例如关于不同硬度、热膨胀和导电性的考量。通过不需要大硬度，叶片可以由例如玻璃纤维的均一类型的纤维制成并具有例如聚酯或环氧树脂的合适树脂。纤细叶片的另一好处在于可以具有厚度更小的转子叶片，因此可以使用更加高效的高性能机翼。
在根据本发明的用于风力涡轮机的转子的另一种优选实施方式中，偏移(x)相对于距离(L)的比(x/L)在0.022和0.087之间，或者更优选在0.033和0.054之间，因为这时预弯曲比(x/L)将具有使得长达50米或更长的叶片能够通过车辆运输并同时获得必要的末梢到塔架间隙的尺寸。
根据本发明的用于风力涡轮机的转子的又一种优选实施方式可具有锥角β在1和6度之间或者更优选在2和5度之间的转子，所述锥角β在叶片根部轴线和垂直于主轴轴线的轴线之间测量。所述锥角β将与前述的结构细节一起满足了具有安装在接合部具有角度的毂上的纤细且预弯曲叶片的风力涡轮机的愿望。通过这种结合，实现了利用具有较小硬度和重量的叶片的协同作用，因此叶片的制造更加便宜，运输也更加便宜，并且整体环境负荷将降低。减小的重量以及纤细轮廓还对完整的结构具有积极作用，因为空气动力学作用将减小，因此允许进一步优化不同结构部分的结构强度。
在根据本发明的用于风力涡轮机的转子的又一种优选实施方式中，主轴以一角度倾斜，该角度在-2和+4度之间，或者在-2和+2度之间，或者甚至在0和+2度之间，该角度在所述毂处并在水平方向和所述主轴的中心线之间进行测量。通过在主轴上具有略微正的角度或者甚至是负的倾角，实现了发出噪音的显著降低。当传统的风力涡轮机利用具有大约+4度和+6度的倾度的主轴进行运转时，会发出噪音。噪音特别是从向下运动的叶片发出。这是由叶片和风之间的相互作用造成的并由于向下运动的叶片因为主轴角度(也称为倾角α)的直接后果被迫顶风而增加。因此，+4度到+6度的显著倾角α导致叶片在向下运动上比在向上运动上经历更大的风速，因此发出更多噪音。在过去几年，关于噪音的问题已经通过在远的区域和离岸架设风力涡轮机来应对，这些地方不会有人受到噪音的烦恼。通过上述在间隔中具有倾角α，该噪音被减小，特别是通过多达80米或更大的较大转子直径来实现，这非常具有吸引力，因为这使得可以在岸上架设大的风力涡轮机而只有最小的环境影响。
风力涡轮机的噪音排放具有调制特征，即发出的噪音水平是随时间变化的。在近距离处，该变化的大部分源于观察者位置到叶片距离的不同。在较远距离处，观察者距离的这种变化消失，但从较远距离仍能看到噪音水平的调制。这主要是因为叶片根据转动位置发出变化的噪音。在主轴具有倾角α且风剪切是竖直或者接近竖直时，叶片将经历风流入速度的变化。这将造成空气动力学攻角变化。这些变化将导致噪音排放的上述变化并将通过与水平只具有例如在0和+2度之间的小倾角α来最小化。
本发明还包括一种实施方式，其中根据本发明的用于转子的叶片由两个或更多个叶片部分组装而成，并且两个或更多个叶片部分包括用于将所述叶片部分组装成用于转子的一个功能完整的叶片的共同作用部件。通过具有可分叶片，可以实现关于制造和运输的多个好处。随着叶片趋于被制得越来越长，叶片的处理变成更大的挑战。制造和存储设备必须非常大，特别是在从制造位置运输到将叶片安装到风力涡轮机上的位置的过程中，这似乎是相当大的挑战。从上面的观点看，通过具有以多个部分构成并现场组装的叶片实现了非常有吸引力的方案。
此外，细长叶片，即低半径特定实度具有许多好处。将根据本发明的叶片与具有更宽弦分布并因此具有更高Solr的更加传统的叶片相比，纤细的好处在于每负荷比的年产量更高，从而比过去20年生产的每kWh风力涡轮机成本更低。年产量增加，因为与具有更宽弦分布的传统叶片相比，对于相同负荷水平，具有纤细叶片的转子直径增加。而关于疲劳载荷，由于根据本发明的减小弦的湍流，作为攻角函数的相同升力系数Cl将随着时间减小负荷变化。这是相对于将在叶片、毂和主框架上产生较低负荷的拍打方式负荷而言的。此外，就转子推力而言，将在塔架和基础上产生较低负荷。根据本发明的用于风力涡轮机的转子是有利的另一情况是设计在转子在高风速(例如50年一遇的狂风)时怠速或者静立的过程中的极限负荷。由于叶片面积更小，极限负荷也更小，
通过具有只有小倾角α的转子，噪音将如上所述地减小，小锥角β将导致转子的重心更靠近主轴承，因此导致所述主轴承中更小负荷，而且主轴和舱的主框架中的负荷也更小。此外，预弯曲的相对小的比将总体上减少制造、运输和处理过程中的问题。同时，如已经关于锥角β提到的，转子重心更靠近主轴承具有非常大的好处。
具有小倾斜的另一好处是减少不稳定负荷。不稳定负荷可以是纯粹的机械性能(例如叶片本身重量)，以及空气动力学本质(与风的相互作用)。小的转子倾斜对空气动力学负荷有影响，造成它们的不稳定性降低。对于具有高倾角的转子来说，入射风和叶片之间的角度随时间震荡，造成对于结构有害的疲劳负荷。由于叶片元件上更加优化的入射，不仅疲劳负荷更低，整个转子的空气动力学性能也更高。
附图说明
以下参照附图对本发明进行描述，其中：
图1表示具有普通叶片的风力涡轮机的一部分；
图2表示具有纤细叶片的风力涡轮机的一部分；
图3表示包括具有锥角β的毂和具有预弯叶片的转子；
图4表示包括具有锥角β的毂和具有预弯叶片的转子；
图5表示包括具有锥角β的毂和具有预弯叶片的转子。
附图标记列表：
1风力涡轮机
2塔架
3舱
4转子
5毂
6叶片
7区域
8弦
9圆周
10中心线
11线
12线
13中心线
14线
15最大半径
16线
L距离
x/L比
α倾角
β锥角
具体实施方式
在图1中可看到风力涡轮机1的顶部的一部分。风力涡轮机1包括塔架2、舱3和转子4，所述转子4包括毂5和三个叶片6。在叶片6的转动过程中，叶片6扫过区域7。该区域7与面朝风的三个叶片6的面积之间的比表达转子实度。为了能够使用实度比作为半径的函数，使用新的比Solr。该比Solr称为组合半径特定实度，是所有叶片上的弦8的添加长度与通过转子4上的最大半径描绘的圆15的周长之间的比。
组合特定实度Solr的定义：
其中，n是转子上叶片的数量，chord是特定半径处叶片的弦的长度，R是转子的最大直径。
在图2中，可看到组合半径特定实度明显小于图1的另一转子。在其中一个叶片6的顶部上，如图1中所示的叶片用虚线描绘，只是为了说明比Solr的区别。
在图3中，显示了从侧面看的风力涡轮机1的顶部，其中塔架2具有中心线10，舱3具有指示主轴方向的线11。此外，显示了具有毂5和叶片6的转子4。毂5针对叶片6具有成角度的接合部。接合部的方向用与接合部和叶片6的根端平行的线12指示。另一线13指示叶片6的中心线13，又一线14指示测量距离x的位置。此外，距离L是接合线13和线14与线13相交位置之间的距离。比x/L用作针对叶片6的预弯曲的几何表达，并且预弯曲的开始用线16说明，在该实施方式中，叶片的大约1/2具有直的预弯曲。
线11和水平方向之间的角度描述倾斜角α。在该图中，倾斜角α为0。此外，线11和线12之间的角度描述锥角β。
在图4和图5中，显示了成形预弯曲叶片6的其他方式。在图4中，叶片6具有从毂5开始并且大约为叶片6长度的1/3的直的部分，外部的2/3的叶片具有用线16说明的向前弯曲形状，从而产生与图3中可见的相同的比x/L。在图5中，叶片具有大约为叶片6长度的2/3的直的部分，外部的1/3具有弯曲形状，同样用线16说明，也具有与图3和图4中相同的比x/L。

Claims (9)

1.用于风力涡轮机的转子，其中所述风力涡轮机至少包括塔架、所述塔架顶部上的舱以及转子，
-所述转子具有50米或更大的直径并能够连接到基本水平的主轴，
-所述主轴能够转动地安装在所述舱中，
-所述风力涡轮机是转子面向上风的类型，其中所述转子包括至少一个叶片以及毂，
-所述叶片具有带根端和梢端的细长形状，其中所述叶片在所述根端连接到所述毂，并且所述毂和所述叶片之间的接合部包括倾斜机构，
-所述转子还具有通过所述叶片扫过的区域描述的转子平面，所述转子平面具有锥形形状，即，所述转子平面朝着上风方向具有角度，其中所述锥形形状至少部分地源于所述毂的形状，并且所述转子的一个叶片具有组合半径特定实度Solr：
-叶片半径r＝转子半径R的30％，其中Solr≤0.036
-叶片半径r＝转子半径R的40％，其中Solr≤0.03
-叶片半径r＝转子半径R的50％，其中Solr≤0.0245
-叶片半径r＝转子半径R的60％，其中Solr≤0.021
-叶片半径r＝转子半径R的70％，其中Solr≤0.0175
-叶片半径r＝转子半径R的80％，其中Solr≤0.014
-叶片半径r＝转子半径R的90％，其中Solr≤0.0115
-叶片半径r＝转子半径R的96％，其中Solr≤0.0095，
-其中，Solr具有低于任何给定叶片半径之间的线性插值的水平，
其特征在于，
-所述转子的叶片在所述叶片的长度方向上包括至少两个叶片部分，
-其中至少一个叶片部分沿着所述叶片并相对于第二叶片部分具有弯曲，
-其中所述弯曲造成所述叶片的梢端相对于所述叶片根部的轴线偏移(x)，
-其中所述偏移(x)相对于从所述叶片的梢端到叶片根部的距离(L)的比(x/L)在0.022和0.087之间，所述距离(L)垂直于所述叶片的根端的平面测量，所述偏移(x)作为从叶片根部的轴线的垂直偏移量测量，
-所述转子具有在1和6度之间的锥角(β)，所述锥角(β)在叶片根部的轴线和垂直于所述主轴的轴线之间测量，
-其中组合半径特定实度Solr的定义为：
其中，n是转子上叶片的数量，chord是特定半径处叶片的弦的长度，R是转子的最大直径。
2.根据权利要求1所述的用于风力涡轮机的转子，其特征在于，所述转子的叶片具有下述组合半径特定实度Solr：
-叶片半径r＝转子半径R的30％，其中Solr≤0.0345
-叶片半径r＝转子半径R的40％，其中Solr≤0.028
-叶片半径r＝转子半径R的50％，其中Solr≤0.023
-叶片半径r＝转子半径R的60％，其中Solr≤0.019
-叶片半径r＝转子半径R的70％，其中Solr≤0.016
-叶片半径r＝转子半径R的80％，其中Solr≤0.0125
-叶片半径r＝转子半径R的90％，其中Solr≤0.01
-叶片半径r＝转子半径R的96％，其中Solr≤0.008，
-其中，Solr具有低于任何给定叶片半径之间的线性插值的水平。
3.根据前述任一项权利要求所述的用于风力涡轮机的转子，其特征在于，所述转子的叶片具有下述组合半径特定实度Solr：
-叶片半径r＝转子半径R的30％，其中Solr≤0.033
-叶片半径r＝转子半径R的40％，其中Solr≤0.0255
-叶片半径r＝转子半径R的50％，其中Solr≤0.021
-叶片半径r＝转子半径R的60％，其中Solr≤0.017
-叶片半径r＝转子半径R的70％，其中Solr≤0.0135
-叶片半径r＝转子半径R的80％，其中Solr≤0.011
-叶片半径r＝转子半径R的90％，其中Solr≤0.008
-叶片半径r＝转子半径R的96％，其中Solr≤0.0065，
-其中，Solr具有低于任何给定叶片半径之间的线性插值的水平。
4.根据权利要求1或2所述的用于风力涡轮机的转子，其特征在于，所述偏移(x)相对于距离(L)的比(x/L)在0.033和0.054之间。
5.根据权利要求1或2所述的用于风力涡轮机的转子，其特征在于，所述转子具有在2和5度之间的锥角(β)，所述锥角(β)在叶片根部的轴线和垂直于所述主轴的轴线之间测量。
6.根据权利要求1或2所述的用于风力涡轮机的转子，其特征在于，所述主轴具有在-2和+4度之间的角度，所述角度在所述毂处并在水平方向和所述主轴的中心线之间进行测量。
7.根据权利要求1或2所述的用于风力涡轮机的转子，其特征在于，所述主轴具有在-2和+2度之间的角度，所述角度在所述毂处并在水平方向和所述主轴的中心线之间进行测量。
8.根据权利要求1或2所述的用于风力涡轮机的转子，其特征在于，所述主轴具有在0和+2度之间的角度，所述角度在所述毂处并在水平方向和所述主轴的中心线之间进行测量。
9.根据权利要求1或2所述的用于风力涡轮机的转子，其特征在于，所述转子中的叶片由两个或更多个叶片部分组装，并且所述两个或更多个部分包括用于将所述叶片部分组装成用于转子的一个功能完整的叶片的共同作用部件。
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