CN104364517A - 扭转的叶片根部 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机的转子叶片，转子叶片包括叶片根部、过渡部分和空气动力部分，其中叶片根部本质上被优化以用于叶片到轮毂的固定，并且空气动力部分本质上被优化以从风中获取能量，并且其中过渡部分实现了叶片根部和空气动力部分之间的有益过渡。根据本发明，与经典的设计相比，转子叶片可以在空气动力和结构两方面上表现得更好，当叶片部分靠近轴定位时，大约0％L和50％L之间的部分提供有以下特征中的一个或多个：比通常的多的扭转、在吸力侧附接气流激发调节件、在压力侧附接阻流调节件、比通常的厚的型面、三角形的型面后部和向回扭转。

Description

扭转的叶片根部
本发明涉及用于风力涡轮机的转子叶片组件，该转子叶片组件包括叶片根部、过渡部分和空气动力部分，其中叶片根部部分本质上被优化以用于转子叶片到轮毂的固定，并且空气动力部分本质上被优化以从风中获取能量，并且其中过渡部分实现了叶片根部和空气动力部分之间的良好的过渡。
叶片的垂直于叶片的纵向轴线的横截面被称为型面(profile)。具有最大相互距离的型面点之间的连线被称为弦(chord)。在型面的后缘本质上是平坦的情况下，弦线将该平坦的后缘从中间分开。该弦的定义也适用于扭转的确定。弦的第二定义用与不具有延伸部或者附加部的型面相关的差类似地进行。垂直于弦的方向的最大型面厚度被称为厚度，该厚度也与不具有附加部或者延伸部的型面相关。相对厚度是厚度与弦长之间的比值，二者都与不具有附加部或者延伸部的型面的横截面相关。在从尖部到根部的方向，相对厚度通常增加。这是必须的，以便应对弯曲力矩和限制叶片的弯曲。现代的转子叶片在靠近叶片根部处具有圆形的横截面，以便叶片容易地安装到叶片轴承。过渡部分位于转子叶片的叶片根部和更靠外设置的空气动力部分之间，其中型面从例如100％c的厚度转变到例如35％c的厚度，该厚度范围通常包含了具有低空气动力性能的翼面(airfoil)。尽管如此，为了让该部分对能量输出有所贡献，在文献中指出了几个实施例。
如PCT/EP2004/003294和PCT/EP03/05605(Wobben)中所描述的，为了达到过渡部分良好的空气动力性能的尝试是选定靠近转子轴线的弦长比传统的长。根据制造商的介绍，该选型引起了大约10-15％的输出增加，然而，该实施例复杂、笨重并且因而造价昂贵。此外，转子的总表面增加，这尤其导致特别是在耐受风速(survival wind speed)下的较高的风力负荷，这意味着用于风塔和地基的更多额外的费用。EP2194267A2(GE)中描述了该选型的变体，它也是属于需要大的、昂贵的和复杂的附加部以获得额外输出的情况。进一步的发展可以在US20120134836A1(GE)和US20120141281A1(GE)中找到，其总是适用的，因为考虑了添加至叶片的大的附加部，这些附加部导致巨大的费用和结构问题。US6910867B2(Corten)中描述了替代性的过渡部分，该过渡部分也被包括在EP2343450A1(LM)中。这里提出了通过附接气流操纵器(flow manipulator)例如涡流发生器和滞流带状物来增强靠近叶片根部的部分的空气动力性能。该解决方案简单并且产生1.5％的额外输出，然而转子中心的大部分空气动力损失持续发生。
US8052394B2(Repower)中描述了该解决方案的变体，其中带状物由添加到叶片的大的阻流元件所取代，其特征也是该附加部是复杂的、昂贵的且有风险的。风险指的是固定到叶片根部的部分变得松动的概率。US2011/0229332A1(Nordex)和US2012/0027588A1(GE)中描述了过渡部分的其它实施例。在第一个案例中，提出了非常偏离结构最佳形状的附加部。在第二个案例中，提出了例如固定到叶片根部是10％叶片长度的附加部或延伸部。这同样是复杂的、昂贵的且有风险的解决方案。将阻流古奈襟翼(flow blocking Gurney flap)应用到风力涡轮机型面被多方面地研究，并且证明产生了升力的增加，但由于较高的阻力也产生了损失。US20100141269A1(GE)进一步描述了这样的阻流装置。这里给出了用于固定古奈襟翼的解决方案，提出的方案为平坦的向后折叠的板。由此的问题就是这样的形状具有高刚度，并且因此吸引外力，并且从而容易与叶片变得松动。古奈襟翼的变体就是例如EP1845258A1(Siemens)和US2009/0263252A1(Gamesa)中所描述的附加部。具有以发散后缘的形状的那些附加部被证明具有较低的阻力，然而与没有附加部的型面相比，该解决方案没有达到显著更多的升力，因而需要不具备优势的大的弦长来达到最大的效能，并且此外，平坦的后缘在结构上和生产技术上都不具备优势，并且因此造价昂贵。
因为空气动力产生的力矩随着减少了到转轴(shaft)的距离而增加，并且因为由叶片截面扫掠的面积和能量输出中的份额随着减少了到转轴的距离而减少，所以叶片横截面在从尖部到轴的方向上从本质上的空气动力到本质上的结构被优化。这意味着靠近转子轴线的型面相对地厚，具有空气动力损失的缺点。结构工程师的愿望将是选定从叶片根部开始一直到80％径向位置，型面厚度比空气动力学的最优厚度(更)大15-18％，以产生更大的建造高度，以便可实现更轻的叶片设计。然而，升力和阻力之间的比值随着相对型面厚度的增加而降低，并且此外，粗糙灵敏度(roughnesssensitivity)随着相对型面厚度的增加而大幅提高。尽管如此，由于结构的原因，设计者将被迫采用厚的翼面，结果造成输出的减少。
风力涡轮机叶片问题的复杂性是由于最优的弦长本质上是与径向位置成反比的，并且在叶片的叶片根部侧处需要大的弦长以最优地从气流获取能量。同时，靠近转子中心的扫掠面积相对小，使得对叶片的内部部分输出的相对贡献小。所需的大的弦长和对输出相对低的贡献是许多制造商选择靠近叶片根部的弦长短于最优值的原因，因而使得输出减少。
另一个复杂性来自于在从尖部到轴的方向上对型面的气流攻角(angleof attack)的扭转：从更多地处于转子平面到几乎与叶片根部的轴线平行。因此现代的转子叶片是扭转的，这意味着在从尖部到根部的方向上，翼面的弦线是偏转的。在长度方向上扭转的度数被称为扭转或扭转差，并且对于经典叶片是例如10°-12°。由于扭转，型面被调整到对气流处于最优状态，至少叶片的空气动力部分处于最优状态。在过渡部分中，流入角随着到轴线的距离减小而迅速偏转。该事实和用于型面的最佳攻角随着相对型面厚度的增加而减小的事实合起来意味着需要很大的扭转将型面设置到恰当的角度。小径向距离上的巨大扭转(高扭转率)导致结构问题，并且未带来许多额外能量，并且因而设计者选择不再进一步扭转过渡部分，例如扭转在0％L和20％L之间的部分或者在5％R和20％R之间的部分。对此，另外的观点是用于计算输出的传统计算机代码例如叶素动量(BladeElement Momentum)代码或者CFD代码估计出在过渡部分增加扭转几乎没有输出收益，例如，小于1％。
最后的复杂性是对风力涡轮机而言的极限负荷经常发生在当涡轮机停止时的耐受风速的情况下。于是，叶片表面是受力大小的决定因素。因而设计者愿意将叶片选择得尽可能小，然而，由于适度的升力系数和转子内侧处的相对厚的翼面，设计者被迫选择大的弦长(为了实现可接受的能量输出)，随之而来的是在极限风速时的高负荷和因此的笨重且昂贵的结构。
本发明的目的是实现一种转子叶片，使得尤其来自转子中心的输出增加，以该方式避免了以上所描述的缺点。
研究发现，与经典观点相反，在转子中心对叶片开展设计是有可能的，从空气动力和结构两个观点来看，它比经典设计更为有益，且这种设计可以以简单的方式通过在位于靠近轴处的叶片部分处，围绕0％L和55％L之间的部分，提供下面6个特征中的一个或多个来实现：比通常的多的扭转、在吸力侧处附接的气流激发调节件、在压力侧处的(径向)阻流调节件、比通常的厚的翼面、三角形的型面后缘部分和向回扭转。
与主导性的观点截然相反，研究发现，在一直以经典的叶片作为参考的情况下，扭转过渡部分确实引起相应的输出增加，且具有充足的扭转分布可供选择，叶片可以简单地制造，且叶片在结构上表现良好甚至更好。
进一步令人惊讶的结论是，根据本发明的实施例，过渡部分中的相对型面厚度可被选择成大于通常的相对型面厚度，从而产生结构优势，并且尤其当在翼面的压力侧和吸力侧都设置气流操纵器时，通过边界层操纵器的应用，空气动力性能进一步增强。所述气流操纵器是小巧、廉价和可靠的元件，其可以容易地附接到叶片，例如利用可能与螺丝结合的双面胶带或任何其它可能的传统附接方法，其中元件被直接地附接到叶片表面或叶片中的凹部处。
由于本发明，设计者可使用几乎理想的过渡部分，如果设计者考虑空气动力的、结构的和生产技术方面的观点，该过渡部分表现得显著地更好。
根据本发明并且与转子叶片的设计者所认为的事实相反，只要在吸力侧设置有涡流发生器和在压力侧设置有阻流调节件，则具有大于30％c、且特别是大于40％c且更特别地是大于50％c的厚度的翼面可具有优异的空气动力性能。已经表明，那些厚的翼面继而在大攻角范围下实现了最大升力系数2.0或甚至2.5，并且升力和阻力之间的比值超过20、30或甚至40。通过高厚度且确实当其与三角形后缘部分相结合时，型面适合于传递高弯曲力矩。按照这种方法产生的叶片设计比经典设计轻。
根据本发明的转子叶片的有益的实施例产生了大约2-8％的额外输出、1-3％的重量减少和更容易的运输，而没有增加费用。
根据本领域技术人员的主导性观点，通过将过渡部分设计得不同，1％的最大额外输出是可能的。这种情况的解释就是，除了其它原因外，本领域技术人员利用所谓的叶素动量理论(BEM)来设计转子叶片，该叶素动量理论包含了过于简单的物理模型来展示根据本发明的叶片的优点。例如，BEM没有考虑叶片根部处的尖部损失。进一步地，从文献获知的3D修正假设靠近叶片轴线的型面达到了更多的升力，并且一直到比2D条件下高得多的攻角时，都表现良好，使得本领域技术人员认为省略过渡部分中的扭转几乎不带来缺点。本发明人的一个新观点展示了不同的现实：过渡部分的靠近转子中心的厚圆柱形状的型面产生了分离空气的尾流，分离空气由于旋转效应(参见离心力和尾流中的压力随着径向位置的增大而减小)向外朝着位于更外侧的型面的吸力侧流动，在转子半径的高达30％-40％-50％范围内，型面经历升力的减小。这种效应是与设计者的预期相悖的。本发明人的第二个新观点就是，在靠近叶片根部的型面的压力侧处的分离空气也由于旋转效应而向外流动，使得在压力侧，由于根部型面在压力侧的巨大隆起，产生了负压，负压在整体上减小了型面的升力。
根据本发明的转子叶片的实施例，在过渡部分处，升力系数的数值可达到超过1.5或者超过2.0，并且对于具有相对厚度大于30％c、40％c、50％c和甚至60％c的翼面，升力系数的数值甚至超过2.5，使得与最优升力有关的重要叶片部分可以被实现，在该重要叶片部分处，弦长沿着从叶片尖部到叶片根部的方向减小。这意味着在不带来弦长的增加和结构缺点的情况下，其中叶片达到高空气动力效率的径向位置在叶片根部的方向上从30％R-40％R转移到5％R-20％R。来自参考文献的实施例没有遵循以相对简单的方法来达到高升力系数的需求。来自US6910867B2(Corten)的带状物和涡流发生器造成了巨大的尾流，该尾流引起在较大的径向位置处的升力减小，并且根据该发明还需要增加扭转。使用在后缘或压力侧处的其它附加部或延伸部的发散后缘的实施例是复杂的，但在达到高升力系数方面却效果不足。当根据发明的实施例，在吸力侧处，附着气流由例如与额外的扭转选择性地结合的涡流发生器所激发时，并且特别是当压力侧包括阻流元件，阻流元件具有在所述元件的压力侧处的凹陷(concavity)时，那些实施例才达到有益的高升力系数。
根据本发明的实施例，在包括具有在25％c和70％c之间或者33％c和70％c之间或者40％c和70％c之间的相对厚度的型面的连续范围内，扭转变化大于3°、特别是大于5°、更特别是大于10°且甚至更特别是大于15°。
根据本发明的另一个有益实施例，在具有在50％c和70％c之间的相对厚度的型面的连续叶片部分中，扭转差至少是3°、特别是6°且更特别是10°。
在有益实施例中，该组件在低于25％L、特别是低于21％L且更特别是低于15％L的纵向范围内，包括3°的扭转。在不同的有益实施例中，该组件在10％L到25％L、且特别是到21％L且更特别是到15％L的纵向范围内，包括了5°且特别是10°且更特别是15°的扭转，或者其中所述组件在从5％L到25％L、特别是到21％L且更特别是到15％L的纵向范围内，包括10°和特别是15°且更特别是20°的扭转。
在实施例的有益变体中，从50％的径向位置到10％R、或甚至到5％R或者直到叶片根部，扭转分布遵循全局上1/r的分布，其中，与Wobben的所述申请中描述的发明相比，叶片在叶片根部和最大弦长之间的部分中扭转。在另一个可结合的有益实施例中，在10％L和21％L之间的扭转率至少是0.5°每百分之一叶片长度、特别是至少0.75°每％L且更特别是至少1度每％L，其中纵向的上限也可以具有特定的值18％L和更特别的值15％L。在另一个有益实施例中，叶片在从尖部到叶片根部的方向上在低于80％L的范围内，在第一方向上包括至少10°的扭转，并且随后在型面厚度小于97％c的纵向范围内，在相反方向向回扭转至少3°、特别是至少6°且更特别是至少10°，从而产生的优势是，模具里的叶片分割线靠近叶片根部向后翻转到水平平面，这样简化了生产。
有益的实施例是，其中具有大于位于L＝0和最大弦长之间的叶片根部的105％的弦长的型面的范围包括5°、特别是10°且更特别是15°的扭转。
在进一步的有益实施例中，转子叶片在5％L和25％L之间在型面的后半部设置有阻流调节件，并且转子叶片在5％L和25％L之间的范围内在吸力侧上设置有涡流发生器。根据本发明的实施例包括具有在从尖部到叶片根部的方向上首先本质上增加然后达到最大值并且随后减小的弦长分布的转子叶片，其中在最大弦长和叶片根部之间的纵向范围内，叶片扭转例如大于3°、特别是大于5°、更特别是大于10°以及优选地是大约15°-20°，其中最大弦长位于例如大于18％L且特别是大于24％L且更特别是大于30％L的纵向位置处。
在根据本发明的有益实施例中，转子叶片在最大弦长和叶片根部之间的纵向范围内设置有防止在吸力侧处失速的气流操纵器，例如涡流发生器、气流导向襟翼的边界层抽吸件，其可以作为独立部件附接到叶片或者与叶片结合为一体。
当在叶片根部和50％L之间或者在具有超过40％c的厚度的型面上，叶片包括在叶片表面上方具有翼片(fin)高度为超过2％c、特别是超过3％c且更特别是超过5％c的涡流发生器时，实现了进一步的益处。可以理解的是，那些涡流发生器高于从现有技术获知的涡流发生器，并且从边界层中伸出，这是因为，除了其它任务外，它们的任务还包括将来自靠近叶片根部的分离区域的径向气流向着更靠外位置的型面的吸力侧反馈过去，从而提高那些更靠外位置的型面的效率。研究发现，当那些高的涡流发生器与在更大弦长方向的位置且具有较低翼片高度的第二排涡流发生器相结合时，实现了更多优点。
根据本发明，当转子叶片在0％L和80％L之间且特别是10L％和50％L之间的纵向范围内包括位于压力侧的阻流调节件时，实现了进一步的优点。阻流调节件的实施例是以薄刃(edge)的形状的，该薄刃从型面表面延伸的距离例如在0.5mm和局部弦长的10％之间、且特别是超过在0.2％c和3％c之间的距离且更特别是距离在0.5c％和1.5c％之间。发明人认为本发明的基础在于，本质上沿着纵向叶片方向延伸的经典的阻流元件不能有效地阻挡气流。除此之外，经典的设计来自于风力涡轮机叶片处于2维气流的风洞试验，或者来自于具有这种阻流元件的风力涡轮机型面在2D条件下进行的空气动力行为的CFD仿真。根据发明人的观点，研究发现，由于风力涡轮机叶片的旋转和所得到的径向压力梯度和离心力和科里奥利(Coriolis)力，气流沿径向方向从叶片根部移动到尖部，且有效的气流阻挡也需要对叶片上的径向气流进行阻碍。我们将设计成使得也阻碍径向气流的阻流调节件叫做径向阻流元件，应该被理解的是，这样的元件不仅阻碍径向方向的气流，而且阻挡弦长方向上的气流。根据本发明的径向阻流元件的有益实施例，其横截面具有平行于该元件所处位置的叶片表面的平面，其被定形为凹形的或者凸形的。径向阻流元件的特征就是其形状(单个元件的或者一组元件的)本质上区别于纵向地沿着叶片长度方向延伸的挤压部(pultrusion)。径向阻流元件(合起来)是三维形状的，并且从而关于功能和形状不同于其它阻流元件，例如EP2343450A1(LM)中的“气流导向装置”或者US6910867B2(Corten)中的带状物。
综合选择是，其中位于压力侧处靠近前缘的主梁(main girder)的边缘突出，从而形成了阻流元件。根据本发明，当阻流调节件包括沿着叶片长度方向延伸小于100cm、特别是小于45cm且更特别是小于25cm的元件，并且可选地每个元件包括2个接头时，出现了进一步的优点。根据本发明，当转子叶片在压力侧包括径向阻流元件，该径向阻流元件包括固定平面和阻流平面，其中穿过所述阻流平面的平均平面与叶片的纵向方向具有至少10°、特别是至少20°且更特别是至少30°的角度，和或其中固定平面大约根据叶片的长度方向的弯曲部延伸，并且该平面与阻流表面的平均法线所构成的角度小于80°、特别是小于70°和更特别是小于60°时，产生了进一步的益处。
在根据本发明的进一步的有益实施例中，转子叶片包括以伸出的至少包括2个弯曲周期的锯齿的形式的阻流调节件，径向阻流元件以此种形式重复，阻流调节件被附接在压力侧，有可能被附接到后缘。这样的元件与古奈襟翼具有可比性，然而它具有实质的益处，即由于径向气流也被阻碍而改善了气流阻挡效果，并且由于该元件可以容易地顺应变形，使得该元件可以简单地且可靠地固定到叶片。这种径向阻流元件的例子是竖直的弯曲带状物或锯齿形带状物，其中这样的带状物通过在带状物延伸的方向上不连续的固定面被固定到转子叶片(例如包括与叶片接合的至少2个接头)。具有超过长度>45cm的连续接头的经典的竖直形状的阻流元件不能顺应转子叶片的弯曲的热膨胀差并且被证明在一段时间后变得松动。根据本发明的小于100cm或45cm或25cm的径向阻流元件的波浪状或锯齿状实施例可顺应变形，或者可以应付由于有限的尺寸造成的热膨胀差别，使得至叶片的接合是可靠的。
根据本发明的径向阻流元件或者阻流元件可以作为独立部件应用于转子叶片或者与转子叶片成一体。所述元件可以利用例如双面胶带、螺丝、胶水、燕尾榫、磁铁和所有其它已知的附接方法被附接。
根据本发明，当转子叶片设置有人工粗糙部(artificial roughness)，该人工粗糙部位于例如在吸力侧的1％c，经由前缘到压力侧的50％c之间，且特别是在压力侧的0％c和10％c之间且更特别是在压力侧的1％c到压力侧的5％c之间的范围内时，产生了进一步的优点。该人工粗糙部可以以任何技术上已知的粗糙部的形式存在，例如砂纸、粗糙涂料，锯齿形贴，突出的边缘，小型涡流发生器、肋条，并且可以在叶片的制造过程中或者制造完成后被附接，并且具有减小了翼面的最大负升力的益处，从而减小了粗糙依赖性并使其可以简单且可靠地附接。根据本发明将人工粗糙部应用于风力涡轮机叶片的调节件是与本领域技术人员将会提出的调节件相反的：他会声明风力涡轮机叶片应当被制造得尽可能平滑。
通过将人工粗糙部与涡流发生器结合会产生进一步的优点，这提高了最大正升力系数(或者恢复到不含粗糙部的值)，并且实现了具有高升力系数的本质上粗糙不灵敏型面，使得与运转数周或者数年后将发生的标准污染条件相比，处于清洁条件(新叶片)下的转子叶片不展现出较高的升力(标明更高的费用)，因而风力涡轮机设计不需要克服在清洁期间较高的负载，并且因此可以被制造得更优(更便宜)。
根据本发明的进一步有益实施例考虑了一种转子叶片，当其附接到水平轴风力涡轮机，并被调整到在最佳尖部速度比下对应于最大功率系数的叶片角度时，该转子叶片在16％R的径向位置处包括这样的型面，该型面的吸力侧在95％c位置处与转子平面的夹角在0°和16°之间并且特别是在3°和13°之间并且更特别是在6度和10°之间，和或在20％R的径向位置处包括这样的型面，该型面的吸力侧在95％c位置处与转子平面的夹角在2°和17°之间并且特别是在5°和13°之间并且更特别是在7°和11°之间。
根据依照本发明的有益实施例，转子叶片在15％L处包括这样的型面，该型面的后抗剪腹板后方直到后缘的部分本质上是三角形的，其中型面的外轮廓在完全处于型面后侧内部的虚构的三角形的两边上的偏离最大是5％c并且特别地最大是3％c并且更特别地最大是2％c，该虚构的三角形的第三边与后抗剪腹板重合。根据本发明，当转子叶片包括型面，在该型面的15％L位置处，在55％c和98％c之间的吸力侧具有的斜率变化小于8°、特别是小于6°并且更特别是小于4°，和或在其45％c和98％c之间的压力侧具有的斜率变化小于14°、特别是小于12°并且更特别是小于8°时，产生了进一步的优点。这样的三角形后部，与在吸力侧的涡流发生器和在压力侧的可能的阻流元件或径向阻流元件相结合，提供了良好的空气动力性能和高结构刚度：三角形型面后部在结构上是刚性的并且与例如US2009/0263252A1(Gamesa)中的形式相比，未在叶片外皮产生隆起，使得重量和成本较低。
研究发现，根据本发明的较厚的翼面，在吸力侧具有涡流发生器并且在压力侧可能具有阻流调节件的情况下，具有更高的升阻比和更低的粗糙灵敏度，以及归功于较高厚度的更高的刚度。因此，根据本发明的转子叶片的有利的实施例在相对大的径向位置处采用了相对厚的翼面，其中的相对指的是与经典叶片设计相比。
根据本发明的有益实施例，在20％L处，型面具有45％c、特别是50％c且更特别是55％c的厚度。根据本发明的有益实施例，在30％L处，型面具有35％c、特别是38％c且更特别是41％c的厚度。根据本发明的有益实施例，在40％L处，型面具有31％c、特别是33％c且更特别是37％c的厚度。根据本发明的有益实施例，在50％L处，型面具有30％c、特别是32％c且更特别是35％c的厚度。根据本发明的有益实施例，在60％L处，型面具有28％c、特别是30％c且更特别是32％c的厚度。根据本发明的有益实施例，在70％L处，型面具有25％c、特别是27％c且更特别是29％c的厚度。根据本发明的有益实施例，在80％L处，型面具有22％c、特别是24％c且更特别是26％c的厚度。
根据本发明，当最大的弦长位于大于24％L且特别是大于30％L且更特别是大于35％L的纵向位置处，和或其中最大的弦长小于6.5％L、特别是小于6％L且更特别是小于5.5％L时，产生进一步的优点。在特定的实施例中，叶片在纵向位置0处具有它的最大的弦长，并且包括沿着尖部方向最初为恒定值的弦长且然后是减小的弦长。最大弦长移动至更大的径向位置(更大的纵向位置)和最大弦长的减小，这二者都是根据本发明的具有大的相对厚度的型面的结果，这种型面达到高空气动力升力，使得叶片可以建造得更轻(由于更大的建造高度)并且更易于运输(由于减小的最大弦长)，并且在极端风速下经受的负荷更低(由于减小的弦长)。
在根据本发明的有益实施例中，最大弦长至少等于叶片根部的直径并且不大于直径的130％、特别是不大于直径的120％且更特别是不大于直径的110％。
在另一个有益实施例中，转子叶片从叶片根部到尖部是一整件。最终，在根据本发明的有益实施例中，转子叶片长度L大于40米、特别是大于60米且更特别是大于80m。随着风力涡轮机尺寸的增加，弯曲力矩的增加快于输出，使得由更好的优化所带来的节省愈加地有益。例如，随着涡轮机尺寸的增加，转子叶片的相对厚度增加来最优地克服相对更高的弯曲力矩。这里带来的缺点就是降低了空气动力性能。本发明去除了这个缺点。
根据本发明的实施例的转子叶片组件包括气流操纵器例如涡流发生器、阻流元件或径向阻流元件，其形状、大小、方向和在叶片上的位置影响对叶片特征的效果。根据依照本发明的转子叶片组件的有益实施例，针对特定的风力气候和特定的风力涡轮机对转子叶片组件的特征进行优化。这种方法，根据本发明，第一转子叶片组件包括针对第一种环境条件进行优化的第一型式的气流操纵器，且本质上具有相同的形状的第二转子叶片组件包括针对第二种环境条件进行优化的第二型式的气流操纵器。例如，相比于针对具有低叶片表面污染地点的相同的转子叶片，针对具有高叶片表面污染地点的转子叶片可以被提供纵向和或弦长方向上更延伸型式的人工粗糙部和或在纵向方向更延伸型式的涡流发生器。根据另一个例子，在叶片或涡轮的可允许的负载包络内，通过改变气流操纵器的型式，转子叶片组件可以在每个地点或每个涡轮处被精确地调整。
附图：
图1：水平轴风力涡轮机，
图2：根据图1中的线I-I的转子叶片的横截面，
图3：转子叶片的横截面，
图4：转子叶片的横截面，
图5：转子叶片的横截面，
图6：转子叶片的横截面，
图7：转子叶片的横截面，
图8：在压力侧具有锯齿状型面的转子叶片的横截面，
图9：转子叶片，
图10：转子叶片，
图11：转子叶片，
图12：图10中的部分62的特写图，
图13：扭转和弦长分布，
图14：扭转率和厚度分布。
用根据附图的例子详细描述了本发明：图1展示了水平轴涡轮机1，其具有塔架2、吊舱(nacelle)3和轮毂4，轮毂4具有附接到其的转子叶片6，转子叶片6具有叶片根部7和尖部8。也展示了另一个转子叶片，其具有前缘9和后缘10，该叶片包括2个部分：附接到轮毂的部分和例如可调节叶片桨距角的部分12。这些部分在位置11处连在一起。旋转的方向是5。横截面I-I展示在图2中。在图2中，标注了弦长c和厚度t，并且弦线33在弦向位置0％c处与前缘21重合，并且在弦向位置100％c处与后缘22重合。该横截面展示了分别位于吸力侧24和压力侧28处的处于前抗剪腹板25和后抗剪腹板26之间的主梁27和28。展示了设计流入物29的例子，该流入物29具有相对于弦线33的攻角30。气流操纵器31和32分别展示为涡流发生器和阻流元件，阻流元件选择性地在压力侧包括凹陷39。由侧边34、35和36所界定的三角形在型面后侧内部。侧边35与后抗剪腹板重合，并且侧边34和36具有到型面的外轮廓的最大距离37和38。图3展示了相同的横截面，然而这次具有通过附加部40实现的发散的后缘。需要注意的是，本申请中适用于扭转界定部的弦长界定部在后侧处与平坦后缘的中部相交。本申请中，与相对厚度相关的弦长和厚度的定义应当在没有延伸部或附加部40、50、51、53的情况下确定。图4展示了具有阻流元件50的横截面，阻流元件50的位置比图3中所示的位置更靠近前缘。图5展示了在压力侧和吸力侧两侧之上延伸的附加部51。图6展示了以古奈襟翼的形式的阻流元件54。弦线再次对半地与平坦后缘相交。图7展示了人工粗糙部55，人工粗糙部55提供了有效的气流阻挡部，可以被容易地附接，这减少了叶片的粗糙灵敏度并克服了高负压梯度。在压力侧在大约45％c处的位置80和大约98％c处的位置82之间，切线81和82以斜度84展示了型面轮廓的差别。图8展示了气流线56和径向阻流元件57的3D视图。图9、10、11和12展示了在转子叶片(的一部分)的压力侧的视图。图9展示了具有锯齿状型式的径向阻流元件60和其位于压力侧处的多个凹陷65，图中标注了其中的一个凹陷。图10展示了具有波浪状型式的径向阻流元件61，并且图12展示了它的特写62。元件61包括在其压力侧的凹陷66，标注了其中的一个凹陷。图11展示了具有凹形流入侧67(仅标注了一个凹陷)的径向阻流元件63。在单个元件63上的位置69，绘制了穿过阻流平面通道的平面70，平面70与叶片的纵向轴线68具有夹角71。正交于平面70的法线不垂直于连接元件63的弯曲部。由于元件63小的尺寸，元件63可超过极大限度地将其全长与叶片接合，或者具有与叶片接合的2个或者更多个不连续的接头71。元件63的示出的实施例包括例如通过双面胶带将元件63连接至叶片的2个接头71。根据有益实施例，元件63的阻流表面不接触叶片表面，取而代之的则是允许空气在元件63和叶片表面之间流过，元件63距叶片表面的高度为例如0.01％c到2％c，或者特别是在0.1％c和0.5％c之间。由于旋转效应将驱使停滞的气流向外流动(离心力)，如在US6910867B2(Corten)和EP2343450A1(LM)中的纵向实施例的情况中，没有阻拦向外流动的气流，而根据本发明的实施例(部分地)阻挡了向外流动的气流，因此可以理解的是，通过将阻流表面倾斜到与图8-12中展示的所述弯曲部成一定角度，实现了更有效的气流阻挡。图12展示了图10中的部分62的特写。图12再次展示了具有波浪形型式的径向阻流元件61和在元件的延伸方向上不连续的接合表面64。在位置73处，绘制了穿过径向阻流表面的平面74，并且与叶片纵向轴线68具有夹角75。图13展示了根据依照本发明的实施例的扭转和弦的分布，且也展示了经典的扭转分布。图中，根据本发明的该实施例的扭转差在15％R和20％R之间是5°，并且在5％R和10％R之间向回扭转也是5°，或甚至是7°。图14展示了根据本发明的实施例的扭转率和相对厚度的分布。
为了清楚的目的，在几个图中绘制的如涡流发生器之类的气流操纵器大于其在现实中的大小。肋条中的锯齿型式的波浪部和人工粗糙部是用良好可见的幅度绘制的，然而有益实施例的幅度可以更大或更小。
除了利用其它内容外，还通过几个例子和附图对本发明进行了描述，任何人应当理解的是，本发明不限于此。在不脱离权利要求的范围的情况下，本领域技术人员可做出一些变化。例子就是将本发明应用于具有2个转子叶片的风力涡轮机上，该2个转子叶片具有与旋转轴线相交的共同的中心部分。在这种情况下，任何人应当理解的是，L＝0的位置与R＝0的位置重合并且尖部位于L＝R的位置处。
另一个例子是叶片在纵向方向上包括多个部分，那么L就与位于轮毂和叶片尖部之间的部分的组件相关。在弦长方向上叶片也可包括多于一个部分，在这种情况下，应当使用由多个部分组装的叶片的弦长。
本领域技术人员将理解的是，本发明可适用于多种风力涡轮机，例如水平轴类型和垂直轴类型的风力涡轮机、岸上的和离岸的风力涡轮机、具有预弯曲叶片的风力涡轮机、具有倾角并且特别当该倾角在2°和7°之间时的风力涡轮机、具有锥角并且特别当该锥角在2°和7°之间的风力涡轮机、失速调节和桨距调节的涡轮机、变速和恒速涡轮机、农场里的涡轮机、翻新过并获得新转子的涡轮机、用于风力等级1、2、3、4或5和湍流等级a、b、c的风力涡轮机、具有主动襟翼或主动涡流发生器或使用气动弹性调节件的风力涡轮机以及具有设计最大功率系数在2和15之间且特别是4和14之间且更特别是7和13之间的转子的风力涡轮机，具有包含玻璃纤维或碳纤维、选择性地与热固性或者热塑性材料结合的转子的风力涡轮机。除此之外，本领域技术人员将会立即将本发明与参考文献中描述的技术结合，并且根据本发明，将认为这是非创造性的实施例。
任何人应当理解的是，术语“包括”不排斥其它的元件或者步骤，术语“一个”不排斥多个，并且表述“包括x”应当被解释为“包括至少x”，其中x例如是扭转的度数。权利要求中对附图的参考用于阐释性的目的，且不应当被认为是限制性的。
对本文献中引用的专利文本的讨论考虑了本发明人的观点并且不具备法律地位。最后，在本文献中加入的物理性解释是用于阐释的原因，并且与所附权利要求的有效性没有关系。

Claims (49)

1.一种用于风力涡轮机的转子叶片组件，所述组件包括位于纵向位置L＝0处的用于将叶片固定到轮毂的固定端、和本质上位于相对侧在纵向位置L处的叶片尖部、和吸力侧、压力侧、后缘和前缘，其特征在于：所述组件包括在小于25％L、特别是小于21％L且更特别是小于15％L的纵向范围内的3度的扭转差。
2.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其特征在于：所述组件在一侧由10％L且在另一侧由位置25％L、特别是由位置21％L以及更特别是由位置15％L所限制的纵向范围内包括5度、特别是10度以及更特别是15度的扭转。
3.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其特征在于：所述组件在一侧由位置5％L且在另一侧由位置25％L、特别是由位置21％L以及更特别是由位置15％L所限制的纵向范围内包括10度、特别是15度以及更特别是20度的扭转。
4.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：所述组件在一侧由位置10％L且在另一侧由位置25％L、特别是21％L以及更特别是15％L所限制的纵向范围内，扭转率达到超过0.5°每％L、特别是超过0.75°每％L以及更特别是超过1°每％L的值。
5.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其中开始于纵向位置80％L处，顺着叶片轴线朝向叶片根部的型面，在第一方向上首先扭转超过至少10度，其特征在于：在包括具有小于97％c的厚度的型面的纵向范围内，随后向回扭转超过3度且特别是超过6度且更特别是超过10度。
6.选择性地根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，用于风力涡轮机，该组件包括位于纵向位置L＝0处的用于将叶片固定到轮毂的固定侧、和位于相对侧在纵向位置L处的尖部、和吸力侧、压力侧、后缘和前缘，该组件包括在纵向方向上最小为25％c且最大为70％c的厚度的连续范围的型面，其特征在于：在所述范围内，扭转差大于3度、特别是大于5度、且更特别是大于10度、且甚至更特别是大于15度。
7.根据权利要求1所述的转子叶片组件，所述组件在叶片的纵向方向上包括最小为33％c且最大为70％c的厚度的连续范围的型面，其特征在于：在所述范围内，扭转差大于3度、特别是大于5度、且更特别是大于10度、且甚至更特别是大于15度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在叶片的纵向方向上包括最小为40％c且最大值为70％c的厚度的连续范围的型面，其特征在于：在所述范围内，扭转差大于5度、特别是大于10度且更特别是大于15度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在叶片的纵向方向上包括最小为50％c且最大为70％c的厚度的连续范围的型面，其特征在于：在所述范围内，扭转差大于3度、特别是大于6度且更特别是大于10度。
10.选择性地根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件包括在所述压力侧在5％L和25％L之间的附加部或者阻流调节件(32、40、50、51、53、57、60、61、63)，其特征在于：所述组件在所述吸力侧在5％L和50％L之间的范围内包括涡流发生器，且特别地，所述阻流调节件包括在所述压力侧处具有凹陷(65、66、67)的径向阻流元件。
11.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其中弦长分布在从所述尖部朝向叶片根部的方向上首先本质上增加然后达到最大值，并且随后再次减小，其特征在于：在最大弦长和所述叶片根部之间的纵向范围内，所述叶片扭转超过至少3度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：在最大弦长和叶片根部之间的纵向范围内，扭转大于5度、特别是大于10度且更特别是大于15度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：最大的弦长位于大于24％L、且特别是大于30％L且更特别是大于35％L的纵向位置处。
14.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：最大的弦长小于6.5％L、特别是小于6％L且更特别是小于5.5％L。
15.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：最大的弦长不大于叶片根部直径的130％、特别是不大于叶片根部直径的120％且更特别是不大于叶片根部直径的110％。
16.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在L＝0和最大的弦长之间的纵向范围内，包括具有大于叶片根部的直径的105％的弦长的型面的连续的叶片部分，其特征在于：所述连续的叶片部分扭转5度、特别是10度且更特别是15度。
17.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：所述组件包括在所述吸力侧处的克服气流分离的调节件，例如涡流发生器、气流导向襟翼的边界层抽吸件。
18.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：所述组件包括作为独立的部件附接到所述叶片或者与所述叶片成一体的涡流发生器。
19.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在所述吸力侧在叶片根部和50％L之间的纵向范围内包括涡流发生器，其特征在于：所述涡流发生器的翼片具有高出叶片表面至少是2％c、特别是至少3％c且更特别是至少5％c的高度。
20.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在所述吸力侧在叶片根部和50％L之间的纵向范围内包括涡流发生器，其特征在于：所述组件包括至少两排涡流发生器，各排本质上在叶片的纵向方向上延伸。
21.根据权利要求17所述的转子叶片组件，其特征在于：所述组件在大约等分的叶片纵向位置处(差值小于1/4弦长)包括具有较高翼片和较低翼片的涡流发生器，且具有较高翼片的涡流发生器所处的弦向位置小于具有较低翼片的涡流发生器所处的弦向位置。
22.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：所述组件在所述压力侧在0％L和80％L之间的且特别是10％L和50％L之间的纵向范围内包括阻流调节件。
23.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：所述组件在所述压力侧处包括阻流调节件(32)，所述阻流调节件(32)从型面表面突出超过在0.5mm和10％c之间的距离、且特别是超过0.2％c和3％c之间的距离、且更特别是超过在0.5％c和1.5％c之间的距离。
24.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在所述压力侧处包括阻流调节件(32)，其特征在于：该调节件包括径向阻流元件，所述径向阻流元件的具有平行于局部叶片表面的平面的横截面包括凹陷(39、65、66、67)。
25.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在所述压力侧处设置有包括元件(63)的阻流调节件，其特征在于：每个元件在叶片的纵向方向上延伸经过小于100cm、特别是小于45cm且更特别是小于25cm。
26.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在所述压力侧处设置有包括元件(61、63)的阻流调节件，其特征在于：该元件包括与所述叶片连接的至少2个连接部。
27.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在所述压力侧处包括以元件(63)的形式的阻流调节件，该元件包括安装平面和阻流平面，其特征在于：所述阻流表面的至少10％与叶片的纵向方向(68)具有大于10度、特别是大于20度且更特别是大于30度，例如大约45度的夹角(71、75)。
28.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在所述压力侧处包括以包含安装平面和阻流平面的元件的形式的阻流调节件，该安装平面按照弯曲部延伸，其特征在于：所述弯曲部的方向与所述阻流表面的平均法线具有一角度，该角度小于80度、特别是小于70度且更特别是小于60度。
29.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：所述组件在所述吸力侧的1％c通过所述前缘直到在所述压力侧的50％c之间的范围内，且特别是在所述压力侧在0％c和10％c之间的范围内，且更特别是在所述压力侧在1％c和5％c之间的范围内，包括人工粗糙部(55)，该粗糙部具有在100μm和40mm之间、且特别是在250μm和5mm之间且更特别是在500μm和2mm之间的高度。
30.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在所述压力侧处例如在所述后缘处设置有阻流调节件，其特征在于：该调节件包括波浪状带状物(61、66)或者锯齿状带状物(57、65)或者一系列重复的元件(63、76、77、78)。
31.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在所述压力侧包括以元件的形式的阻流调节件，其特征在于：该元件用安装表面连接到所述组件，所述安装表面在所述元件延伸的方向上不连续，并且其中该元件包括至少2个周期，阻流部件本质上按照周期重复。
32.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件被安装到水平轴风力涡轮机，该水平轴风力涡轮机被设定到在最优尖部速比下对应于最大功率系数的叶片角度，所述组件在径向位置16％R处包括一种型面，其特征在于：在95％c处没有附加部或者延伸部的情况下，所述型面的吸力侧与转子平面具有的角度在0度和16度之间、且特别是在3度和13度之间且更特别是在6度和10度之间。
33.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件被安装到水平轴风力涡轮机，该水平轴风力涡轮机被设定到在最优尖部速比下对应于最大功率系数的叶片角度，所述组件在径向位置20％R处包括一种型面，其特征在于：在95％c处没有附加部或者延伸部的情况下，所述型面的所述吸力侧与转子平面具有的角度在2度和17度之间、且特别是在5度和13度之间且更特别是在7度和11度之间。
34.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在15％L处包括一种型面，其特征在于：所述型面的从支撑主梁的后抗剪腹板到所述后缘的部分本质上是三角形的，并且所述型面的外轮廓在所述叶片的后部内的虚构的三角形的两条边上偏离最大5％c且特别是最大3％c且更特别是最大2％c，所述虚构的三角形的第三边与所述后抗剪腹板重合。
35.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在15％L处包括一种型面，其特征在于：在55％c和98％c之间所述型面的吸力侧具有的斜率变化小于8度、特别是小于6度且更特别是小于4度。
36.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在15％L处包括一种型面，其特征在于：在45％c(80)和98％c(82)之间所述型面的压力侧前部具有的斜率变化(84)小于14度、特别是小于12度且更特别是小于8度。
37.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：在20％L处的厚度大于45％c特别是大于50％c且更特别是大于55％c。
38.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：在30％L处的厚度大于35％c特别是大于38％c且更特别是大于41％c。
39.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：在40％L处的厚度大于31％c特别是大于33％c且更特别是大于37％c。
40.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：在50％L处的厚度大于30％c特别是大于32％c且更特别是大于35％c。
41.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：在60％L处的厚度大于28％c特别是大于30％c且更特别是大于32％c。
42.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：在70％L处的厚度大于25％c特别是大于27％c且更特别是大于29％c。
43.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件用于变速水平轴涡轮机，所述变速水平轴涡轮机具有大于80米的转子直径和在7和13之间的设计尖部速比，并且弦长分布从50％L到5％L首先增大到最大弦长，然后再次减小到小于最大弦长的90％，并且所述组件在10％L和25％L之间包括位于所述吸力侧的涡流发生器，其特征在于：所述组件在10％L和25％L之间的纵向范围内包括至少4度、特别是至少6度且更特别是至少8度的扭转差。
44.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：长度L大于40米、特别是大于60m且更特别是大于80m。
45.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，其特征在于：所述组件被设计用于具有在7和13之间的尖部速比的水平轴风力涡轮机，且特别地，该涡轮机是桨距调节变速类型的。
46.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件具有位于所述吸力侧的主梁和位于所述压力侧的主梁，所述梁在纵向方向上在根部侧和尖部侧处被限制，并且与其垂直地在位于较低弦向位置的前侧和位于较大弦向位置的后侧处被限制，其特征在于：在5％L和40％L之间的纵向范围内，穿过所述主梁中的一个主梁的所述前缘并穿过相同主梁的所述后缘的平面扭转小于10度、特别是小于5度且更特别是小于3度。
47.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件包括第一型式的气流操纵器，所述第一型式的气流操纵器被优化以用于第一环境条件下的第一涡轮机，且本质上具有相同形状的根据前述权利要求中任一项所述的第二转子叶片组件包括第二型式的气流操纵器，所述第二型式的气流操纵器被优化以用于第二环境条件下的第二涡轮机。
48.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在连续纵向范围内包括具有25％c和70％c之间的厚度的型面，该型面包括最大为3度、特别是最大为5度、且更特别是最大为10度且甚至更特别是最大为15度的扭转差。
49.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片组件，所述组件在0％L和25％L之间的纵向范围内、且特别是在0％L和21％L之间的纵向范围内且更特别是在0％L和15％L之间的纵向范围内，包括最大为3度的扭转。
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