TWI518241B - 風力發電設備之轉子葉片 - Google Patents

Description

風力發電設備之轉子葉片

本發明係關於風力發電設備之轉子葉片及風力發電設備。

風力發電設備之轉子葉片通常係已知的。此等轉子葉片具有考慮特定空氣動力需求之剖面。通常，風力發電設備具有空氣動力轉子，其具有複數個轉子葉片。此一風力發電設備舉例而言繪示於圖5中。此等轉子葉片之空氣動力性質係關鍵的，此係因為其等極大地影響轉子葉片及因此風力發電設備之運作效率。剖面經最佳化以增大轉子葉片之運作效率。為了確保電流產生(其在舉例而言涉及微風之區域，更具體言之尤其在陸上位置中盡可能穩定)，空氣動力轉子葉片為可大於80米之轉子直徑。在此等大型風力發電設備及因此亦非常大型之轉子葉片之情況中，此導致大重量之轉子葉片。大重型轉子葉片產生高負載，其在運作中作用在風力發電設備上。此外，製作並運輸至各自架設位置係複雜及困難的。但是，一分為二且可能更適於運輸此等大型轉子葉片之轉子葉片之實施方案因發生之負載及因歸因於分離位置而額外發生之穩定性減小而僅有限可行。

德國專利及商標局在優先申請案中檢索出下列最新技術：DE 10 2008 052 858 A1、DE 10 2008 033 411 A1、DE 103 07 682 A1、US 5 474 415 A及EP 2 339 171 A2。

因此，本發明之目標係消除或減少上述問題之至少一者，特定言之，提供低重量而具有最大剛度級(藉此機器結構及塔架上之負載 被減小)且易於運輸之轉子葉片。本發明至少尋求提出一種替代解決方案。

根據本發明，為了實現該目標，提出根據技術方案1之轉子葉片。風力發電設備之此一轉子葉片具有用於將轉子葉片附接至轉子輪轂之轉子葉片根部及配置於遠離轉子葉片根部之側上之轉子葉片尖端。在該情況中，定義為剖面厚度對剖面深度之比率之相對剖面厚度在轉子葉片根部與轉子葉片尖端之間之中心區域中具有局部最大值。下文中，術語剖面深度用於指示剖面之長度，即剖面前沿與剖面後沿之間之間隔。剖面厚度指示剖面之頂側與底側之間之間隔。若剖面厚度小及/或剖面深度大，則相對剖面厚度因此為小的值。

相對剖面厚度在轉子葉片根部與轉子葉片尖端之間具有局部最大值。局部最大值係在轉子葉片根部與轉子葉片尖端之間之中心區域中，較佳在從轉子葉片根部量測至轉子葉片尖端之轉子葉片之總長度之30%至60%之區域中。在總長度為舉例而言60米的情況下，局部最大值因此在較佳18米至36米之區域中。相對剖面厚度因此從轉子葉片根部開始初次下降且隨後在中心區域中再次上升至局部最大值，即至一位置，在圍繞該位置之區域中，相對剖面厚度不涉及較高值。特定言之，轉子葉片之中心區域中之局部最大值係由從轉子葉片根部至中心區域大大減小之剖面深度賦予。在此同時或作為替代，剖面厚度可增大或可能不像剖面深度那樣大幅減小。此特定言之在轉子葉片根部與中心區域之間達成材料節省，及因此重量節省。藉由剖面厚度之增大針對轉子葉片達成高位準之穩定性。

認識到中心區域中剖面深度之減小顯然可導致其中載荷能力之減小，但是同時達成轉子葉片重量之減小。轉子葉片之效率之任意惡化被接受以達成較低重量。在此方面，更大地將關注指向最大效率位準下中心區域中之穩定性及剛度，同時在外區域中，更關注高效率。 因此，提出一種剖面，其中剖面深度從中心區域向外朝向轉子葉片尖端減小至少至比中心區域中小的程度。

較佳地，局部最大值之相對剖面厚度係35%至50%，特定言之40%至45%。通常，相對剖面厚度在轉子葉片根部處開始，值為100%至40%。在此方面，大約100%之值意指剖面厚度大致與剖面深度相同。在此之後，值單調下降。在根據本發明之實施例中，值從轉子葉片根部開始初次下降直至其達到局部最小值。在局部最小值之後，相對剖面厚度涉及增大直至其為大約35%至50%。

在較佳實施例中，中心區域及/或局部最大值之區域中之轉子葉片具有1500mm至3500mm、特定言之大約2000mm之剖面深度。若轉子葉片根部之區域中之轉子葉片具有大約6000mm之剖面深度，則剖面深度因此在中心區域及/或局部最大值之區域範圍內下降達大約三分之一。

在尤佳實施例中，轉子葉片由第一轉子葉片部分及第二轉子葉片部分組成，且第一轉子葉片部分具有轉子葉片根部且第二轉子葉片部分具有轉子葉片尖端。第一轉子葉片部分及第二轉子葉片部分在分離位置上連接在一起。在此情況中，分離位置配置在轉子葉片根部與轉子葉片尖端之間之中心區域中及/或局部最大值之區域中。

從兩個轉子葉片部分組裝轉子葉片提供極大地便利運輸轉子葉片至風力發電設備之適當架設位置。若分離位置在中心區域中，則此意指在轉子直徑大於80米的情況下，舉例而言仍僅需運輸各大約40米之兩個轉子葉片部分。此外，特定言之，在中心區域及/或在相對剖面厚度之局部最大值之區域中，剖面深度小而剖面厚度大。因此，在該位置上，轉子葉片為穩定組態。歸因於分離位置而發生之額外負載因此非常實質地被吸收。

較佳地，轉子葉片設計成在7至10、較佳8至9之範圍中之尖端速 度比。在此方面，尖端速度比被定義為轉子葉片尖端上之圓周速度對風速之比率。高設計尖端速度比導致高效能係數並可導致細長、快速旋轉葉片。

在另一實施例中，在從轉子葉片根部量測至轉子葉片尖端之轉子葉片之總長度之90%至95%之區域中，轉子葉片具有對應於轉子葉片根部之區域中之剖面深度之大約5%至15%、特定言之大約10%之剖面深度。

轉子葉片尖端之區域中之此一減小之剖面深度減小作用在機器結構及塔架上之負載，特定言之空氣動力負載。基本上，提出相對細長之轉子葉片。

在較佳實施例中，在轉子葉片根部上，轉子葉片具有至少3900mm之剖面深度，特定言之在4000mm至8000mm之區域中及/或在從轉子葉片根部開始之總長度之90%至95%之區域中，特定言之在90%處，特定言之在700mm至400mm之區域中，其具有最大1000mm之剖面深度。

較佳地，在中心區域中，特定言之在轉子葉片之總長度之50%處及/或在局部最大值之區域中，轉子葉片具有對應於轉子葉片根部之區域中之剖面深度之大約20%至30%，特定言之大約25%之剖面深度。若舉例而言，在轉子葉片根部之區域中剖面深度係6000mm，則剖面深度僅對應於局部最大值之區域中及/或中心區域中之大約1500mm。從轉子葉片根部至中心區域之剖面深度之此快速減小提供低負載，特定言之低空氣動力負載之細長剖面。負載小於其他已知轉子葉片之情況。在已知剖面中，轉子葉片深度通常實質上線性減小。因此，較大剖面深度特定言之存在於轉子葉片根部與中心區域之間且因此此亦涉及更多材料。

此外，根據本發明，提出具有根據上述實施例之至少一者之至 少一轉子葉片之風力發電設備。此一風力發電設備歸因於至少一細長及快速旋轉轉子葉片，歸因於高設計尖端速度比及高效能係數而具高經濟效益。因此，風力發電設備亦特別適於在非滿載範圍中運作及/或適於微風及因此亦適於陸上位置。風力發電設備較佳具有三個轉子葉片。

下文藉由參考附圖舉例而言之實施例更詳細地描述本發明。附圖提供部分簡化之圖解視圖。

圖1繪示一實施例之轉子葉片1之不同剖面幾何之分佈。剖面厚度2及剖面深度3以逐個部分之方式繪示於轉子葉片1中。在一末端上，轉子葉片1具有轉子葉片根部4且在遠離此之末端上，其具有用於附接轉子葉片尖端之連接區域5。在轉子葉片根部4上，轉子葉片具有大的剖面深度3。在連接區域5中，相比之下，剖面深度3小的非常多。剖面深度從亦可被稱作剖面根部4之轉子葉片根部4顯著減小至中心區域6。分離位置(在此未繪示)可提供在中心區域6中。剖面深度3從中心區域6至連接區域5幾乎恆定。所繪示之轉子葉片1旨在用於附接小的轉子葉片尖端，其構成小於所繪示之轉子葉片1之長度之1%且因此在此可忽略。

圖2繪示其中針對風力發電設備之不同轉子葉片分別相對於標準化轉子半徑繪示相對剖面厚度之圖。相對剖面厚度在縱座標上按百分比標註並按5%之步階從10%延伸至60%。標準化轉子半徑分別在橫座標上按0.1%之步階從0標註至1。在此情況中，轉子半徑分別涉及一轉子，至少一轉子葉片安裝至該轉子之轉子輪轂。各自轉子葉片之長度從轉子葉片根部延伸至轉子葉片尖端。轉子葉片從其轉子葉片根部大致以值0.05之標準化轉子半徑開始並在其轉子葉片尖端上以值1之標準化轉子半徑結束。在轉子葉片尖端之區域中，標準化轉子半徑之值大致對應於相關轉子葉片之百分比長度。特定言之，值1之標準化轉 子半徑等於轉子葉片長度之100%。

圖中總共可見六條曲線。曲線展示來自Enercon GmbH之各種已知及規劃風力發電設備之轉子葉片之相對剖面厚度之組態。在此情況中，曲線100繪示大約70m之轉子直徑之風力發電設備(E-70型)，曲線102繪示具有大約82m之轉子直徑之設備(E-82型)，曲線103繪示具有大約92m之轉子直徑之設備(E-92型)，曲線104繪示具有大約101m之轉子直徑之設備(E-101型)，曲線105繪示具有大約115m之轉子直徑之設備(E-115型)且曲線106繪示具有大約126m之轉子直徑之設備(E-126型)。曲線100、102、104及106繪示已知最新技術且曲線103及105繪示根據本發明之各自實施例之相對剖面厚度之組態。從曲線中可見，曲線100及102中之相對剖面厚度之組態為實質上單調下降組態。曲線100及102在轉子葉片根部之區域中開始，即介於0.0與0.1之標準化轉子半徑之間，相對剖面厚度介於45%與50%之間。在1.0之標準化轉子半徑之範圍內，各自曲線無任意局部最大值或最小值。相對剖面厚度之值穩定減小。

根據一實施例之曲線103在轉子葉片根部上從大約55%之相對剖面厚度開始，即因此大致按介於0與0.1之間之標準化轉子半徑，且隨後在標準化轉子半徑為0.3的情況下初次下降至大約40%之相對剖面厚度。在此之後，相對剖面厚度之組態上升直至其在標準化轉子半徑為0.4的情況下達到其局部最大值。相對剖面厚度隨後再次上升達2%至其局部最大值。局部最大值在轉子葉片之中心區域中。其因此具有大於1%之最大偏轉。在此之後，在1.0之標準化轉子半徑及因此100%之轉子葉片長度之範圍內，相對剖面厚度為單調下降組態至大約15%之值。

另一實施例之曲線105之組態類似於曲線103之組態。相對剖面厚度在轉子葉片根部上以大約45%開始，隨後在大於0.25之標準化轉 子半徑之情況中下降至低於40%之值且隨後上升。在標準轉子半徑為大約0.45之情況下，相對剖面厚度之值在大約42%之值處達到局部最大值。此對應於再次上升大約3%。隨後，相對剖面厚度之組態為實質上單調下降本質直至在大約0.8之相對剖面厚度上，達到15%之值。另一組態在轉子葉片尖端保持大致恆定於15%之範圍內。

與曲線100及102相比，曲線103及105在中心區域中具有局部最大值。局部最大值在此藉由減小剖面深度同時在該區域中較小地減小剖面厚度而產生。藉由針對相對剖面厚度之該組態達成之剖面係細長轉子葉片，其與已知轉子葉片相比攜載憑藉剖面深度首先在轉子葉片之整個長度內從轉子葉片根部開始快速減小之事實而較低之負載。以此方式，空氣動力負載亦減小且因此機殼上發生之負載亦減小。此外，轉子葉片可為從中心區域開始之實質上恆定之剖面厚度。轉子葉片因此而被賦予穩定性。在已知轉子葉片之情況中，剖面實質上為梯形形狀，其可在圖中藉由相對厚度之單調下降組態而註明。

曲線104之相對剖面厚度在轉子葉片根部上以44%開始。相對剖面厚度首先在0.1之標準化半徑處下降至大約42%之值。隨後，在標準化轉子半徑為0.2(其大致上對應於轉子葉片長度之15%)之範圍內，其稍微上升至大約42.5%之值。曲線104之組態因此顯然具有局部最大值，但是其並非在轉子葉片之中心區域中且具有幾乎不值一提之梯度。特定言之，此一組態亦不適於分離位置在中心區域中之兩部分轉子葉片。

如在圖4中之兩條曲線中所示，從轉子葉片根部至中心區域之線性厚度組態亦係有利的。曲線104中之轉子葉片不具備之此一線性組態在結構上係有利的。此一轉子葉片可更好地製作且具有更均勻之應力組態。此外，在外部負載之作用下預期更均勻之變形。此一線性組態基本上係有利的，而非僅針對所繪示之實施例。線性厚度組態在特 定言之從轉子葉片根部至中心區域之轉子葉片之總長度之5%至25%、較佳5%至35%之區域中提出。

曲線106之相對剖面厚度之組態在轉子葉片根部之區域中以大約52%開始。值隨後在大約42.5%處降至0.2之標準化轉子半徑。隨後相對剖面厚度幾乎恆定延伸且具有不值一提之梯度。該區域亦可在數學意義上被稱作鞍點。從大約0.3之轉子半徑開始，相對剖面厚度以嚴格單調下降組態延伸。

在轉子葉片根部區域中，所繪示之實施例之相對剖面厚度之組態並非如其他已知轉子葉片之情況從100%處開始。在此方面，剖面深度及剖面厚度在轉子葉片根部之區域中幾乎相同。更確切言之，所繪示之組態在40%與55%之間開始。此具有空氣動力優點，特定言之針對轉子葉片根部之區域中之湍流形成，其被此一剖面形狀抑制或至少減小。

圖3繪示相對於以毫米計之轉子半徑(在圖中以簡化形式稱作半徑)圖解說明以毫米計之剖面深度(在圖中以簡化形式稱作深度)。剖面深度按500mm之步階從0mm繪示至6000mm。轉動葉片半徑按5000mm之步階從0mm繪示至60,000mm。圖3繪示兩個曲線200及202，其中曲線200展示根據本發明之實施例之剖面深度組態。為比較之故，曲線202繪示另一轉子葉片之曲線組態。曲線200繪示來自Enercon GmbH之E-115型風力發電設備之剖面深度組態。

兩個曲線200、202在轉子葉片根部上以大致相同剖面深度開始。剖面深度在介於5500mm與6000mm之間之範圍中。在此之後，兩個曲線200、202傾斜直至在介於20,000mm與25,000mm之間之半徑上其等達到介於3000mm與3500mm之間之範圍之剖面深度。在此之後，曲線200中之剖面深度顯著傾斜大於曲線202之剖面深度。舉例而言，在25,400mm之半徑處，曲線200之剖面深度已僅仍為2500mm而 曲線202之剖面深度仍為3000mm。在半徑35,000mm處，曲線200之剖面深度仍僅為大約1550mm且另一曲線202之剖面深度仍為2500mm。其僅在葉片尖端之區域中，即在介於55,000mm與60,000mm之範圍中剖面深度再次大致重合之半徑處。

圖4繪示一圖，其中參考圖3中之剖面深度，其分別相對於轉子半徑(在圖中以簡化形式稱作半徑)繪示以毫米計之剖面厚度(在圖中以簡化方式稱作厚度)。剖面厚度按200mm之步階從0mm繪示至2800mm。半徑按5000mm之步階從0mm繪示至60,000mm。繪示兩個曲線，第一曲線300圖解說明根據本發明之實施例之剖面厚度組態，且為比較之故，曲線302繪示另一轉子葉片之剖面厚度組態。曲線300繪示來自Enercon GmbH之E-115型風力發電設備之轉子葉片之剖面厚度組態。

圖3及圖4中之曲線200及300之轉子葉片在介於轉子葉片根部與轉子葉片尖端之間之中心區域中分別具有針對相對剖面厚度之局部最大值。

圖5繪示包括架設在基礎403上之塔架402之風力發電設備401。外殼404(機殼)安置在相對於基礎403之上端上，其具有實質上包括轉子輪轂406及安裝至該轉子輪轂406之轉子葉片407、408及409之轉子405。轉子405耦合至外殼404內部中之發電機用於將機械功轉換為電能。外殼404可旋轉地安裝在塔架402上，其基礎403賦予所需架設穩定性。

圖6繪示在其整個長度1(即從0%至100%)內之一實施例之轉子葉片500之側視圖。在一末端上，轉子葉片500具有轉子葉片根部504，且在遠離其之末端上，其具有轉子葉片尖端507。轉子葉片尖端507在連接區域505上連接至轉子葉片之其餘部分。在轉子葉片根部504上，轉子葉片為大的剖面深度。相比之下，剖面深度在連接區域505中及 在轉子葉片尖端507上小非常多。從亦可被稱作剖面根部504之轉子葉片根部504開始，剖面深度顯著減小至中心區域506。分離位置(在此未繪示)可提供在中心區域506中。剖面深度從中心區域506至連接區域505幾乎恆定。

轉子葉片500為其在轉子葉片根部504之區域中一分為二之形式。轉子葉片500因此包括基礎剖面509，在該基礎剖面509上，另一部分508配置在轉子葉片根部504之區域中以增大轉子葉片500之轉子葉片深度。在此情況中，部分508舉例而言膠合至基礎剖面509。此一兩部分形式在運輸至架設位置中之處理方面更簡單且更易於製造。

圖6中亦可見輪轂連接區域510。轉子葉片500經由輪轂連接區域510連接至轉子輪轂。

圖7繪示圖6中之轉子葉片500之另一側視圖。可見轉子葉片500，其具有基礎剖面509、用於增大轉子葉片深度之部分508、中心區域506、轉子葉片根部504及輪轂連接區域510以及至轉子葉片尖端507之連接區域505。轉子葉片尖端507為所謂小翼形式。此減小轉子葉片尖端上之湍流。

1‧‧‧轉子葉片

2‧‧‧剖面厚度

3‧‧‧剖面深度

4‧‧‧轉子葉片根部

5‧‧‧連接區域

6‧‧‧中心區域

401‧‧‧風力發電設備

402‧‧‧塔架

403‧‧‧基礎

404‧‧‧外殼

405‧‧‧轉子

406‧‧‧轉子輪轂

407‧‧‧轉子葉片

408‧‧‧轉子葉片

409‧‧‧轉子葉片

500‧‧‧轉子葉片

504‧‧‧轉子葉片根部

505‧‧‧連接區域

506‧‧‧中心區域

507‧‧‧轉子葉片尖端

508‧‧‧部分

509‧‧‧基礎剖面

510‧‧‧輪轂連接區域

圖1繪示轉子葉片之圖解視圖，圖2繪示相對於標準化轉子半徑圖解說明相對剖面厚度之圖，圖3繪示相對於半徑圖解說明深度之圖，圖4繪示相對於半徑圖解說明厚度之圖，圖5繪示風力發電設備之透視圖，圖6繪示轉子葉片之側視圖，及圖7繪示圖6之轉子葉片之另一側視圖。

1‧‧‧轉子葉片

2‧‧‧剖面厚度

3‧‧‧剖面深度

4‧‧‧轉子葉片根部

5‧‧‧連接區域

6‧‧‧中心區域

Claims (11)

1. 一種一風力發電設備之轉子葉片(1)，其包括：一轉子葉片根部(4)，其用於將該轉子葉片(1)附接至一轉子輪轂，及一轉子葉片尖端，其配置在遠離該轉子葉片根部(4)之側上，其中被定義為剖面厚度(2)對剖面深度(3)之比率之一相對剖面厚度在該轉子葉片根部(4)與該轉子葉片尖端之間之一中心區域(6)中具有一局部最大值。
2. 如請求項1之轉子葉片(1)，其中該局部最大值之該相對剖面厚度係介於35%至50%之間，或介於40%至45%之間。
3. 如請求項1及2中任一項之轉子葉片(1)，其中在該局部最大值之該區域中，該轉子葉片(1)具有介於1500mm至3500mm之間之一剖面深度(3)。
4. 如請求項1及2中任一項之轉子葉片(1)，其中該轉子葉片(1)由一第一轉子葉片部分及一第二轉子葉片部分組成，及該第一轉子葉片部分具有該轉子葉片根部(4)且該第二轉子葉片部分具有該轉子葉片尖端，及該第一轉子葉片部分及該第二轉子葉片部分在該轉子葉片根部(4)與該轉子葉片尖端之間之該中心區域(6)中，或在該局部最大值之該區域中連接在一起。
5. 如請求項1及2中任一項之轉子葉片(1)，其中該轉子葉片(1)設計成在7至10、或8至9之一範圍中之一尖端速度比。
6. 如請求項1及2中任一項之轉子葉片(1)，其中在從該轉子葉片根部(4)量測至該轉子葉片尖端之該轉子葉片之總長度之90%至95% 之一區域中，該轉子葉片(1)具有對應於該轉子葉片根部(4)之該區域中之該剖面深度(3)之大約5%至15%之一剖面深度(3)。
7. 如請求項1及2中任一項之轉子葉片(1)，其中該轉子葉片在從該轉子葉片根部(4)至該中心區域(6)之該轉子葉片之該總長度之5%至25%或5%至35%處具有一線性厚度組態。
8. 如請求項1及2中任一項之轉子葉片(1)，其中在該轉子葉片根部(4)處，該轉子葉片(1)具有至少3900mm或在4000mm至8000mm之一區域中之一剖面深度(3)。
9. 如請求項1及2中任一項之轉子葉片(1)，其中在從該轉子葉片根部(4)開始之該總長度之90%至95%之該區域中，該轉子葉片(1)具有一最大值1000mm或在700mm至400mm之一區域中之一剖面深度(3)。
10. 如請求項1及2中任一項之轉子葉片(1)，其中在該中心區域中，該轉子葉片(1)具有對應於該轉子葉片根部(4)之該區域中之該剖面深度(3)之大約20%至30%之一剖面深度(3)。
11. 一種風力發電設備，其包括如請求項1至10中一項之至少一轉子葉片(1)。