专利名称：风力涡轮转子叶片和风力涡轮转子的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力涡轮转子叶片。另夕卜，本发明还涉及包括转子毂和 风力涡轮转子叶片的风力涡轮转子。
背景技术：
当前风力涡轮转子叶片的 一个发展目标是将作用在叶片内部和涡轮自 身的负荷减到最小。现有叶片平面形状中，为了减小这样的负荷，叶片的外 部变得相当细长，从而使得叶片外部产生的负荷相当低。此外，为了抑制叶 片上负荷产生的振荡，现有技术中在叶尖附近提供了一种阻尼手段，例如，
液体减震阻尼器(liquid sloshing damper)。例如，在WO00/06898A1或 WO02/084114A1中4皮露了这样的液体减震阻尼器。在US2007/0041829A1中 披露了机械阻尼器。如果没有阻尼手段，通常通过在叶片中添加材料来增加 其承载能力，从而减小产生振荡的负荷的不利作用。
发明内容
相对于现有技术，本发明的目的就是提供一种改进的风力涡轮转子叶片 和一种改进的风力涡轮转子。
为了实现上述的目的，本发明的风力涡轮转子叶片包括能安装到转子毂 的根端，位于根端相对位置的尖端，从根端延伸至尖端的前缘和从根端延伸 至尖端的后缘。由从根端直线延伸至尖端的线所限定的展向，垂直于展向并 位于延伸穿过前缘和后缘的平面内的弦向。叶片还包括限定为最大弦向跨度 点的肩，和从肩延伸至尖端的翼部，其具有弦向跨度在其展向跨度主要部分 上的负荷最优化分布，其中弦向跨度从肩向尖端处减小。本发明的风力涡轮 转子叶片还包括翼部，其包括一个从尖端之前开始并延伸至或接近尖端的展 向区间。在所述区间上，翼部弦向跨度分布与负荷最优化分布背离，从而相 对于弦向跨度的负荷最优化分布而言，其弦向长度得到增加。尤其是，翼部 弦向跨度的分布在展向区间的至少一部分上保持常量，或者在展向区间的至
少一部分上甚至向着尖端增加。
相比于弦向的负荷最优化分布，在区间上增加叶片的弦长改变了叶片尖 端或其附近的空气动力学，从而提供叶片尖端区域的气动阻尼。因此，在叶 片内部没有采用阻尼手段便减小了负荷产生的振荡。同时，本发明的叶片也 不需附加提高叶片承载能力的强化材料。
本发明是基于如下观察
如介绍部分所描述的那样，现有风力涡轮的最优化平面形状中，为了减 小作用在叶片内部和涡轮自身的负荷，叶片外部通常会非常细长。然而,这 样的设计使得叶片外部的气动阻尼作用减弱，从而导致更高的结构负荷。因 此，叶片外部具有小弦宽的负荷最优化叶片平面形状往往不能达到期望的负 荷减小值，因为叶片外部无法充分气动地减弱其运转在湍流区域时产生的振 动，从而趋于持续振动，有时随着时间情况会变得更糟。
相比于现有技术，即所介绍的用于叶片的阻尼手段，本发明提供了通过 改变叶片尖端区域的平面形状从而提高了气动阻尼。虽然本发明中，转子叶 片尖端区域更大的弦长将稍微增加叶片此部分的静态负荷，然而所述区间中 增加的气动阻尼将作用于整个叶片，足以抵销所述区间中少许增加的静态负 荷。最终的结果就是当运转于湍流风场时，叶片上的动态负荷将得到减小。
在所述尖端区域之外，风力涡轮转子叶片具有一个弦长的分布，其使得 负荷最优化，也就是，叶片具有一个形成于所述尖端区域之外的负荷最优化 平面形状。
有利地，该展向区间不从根端测得的转子叶片展向跨度的80%之前开 始。优选地，其不从展向跨度的90%之前开始。换句话说，所述区间仅仅形 成于翼部展向跨度的较小部分。通过这样的措施，在不增加作用于叶片的静 态负荷超过所必须的情况下将获得气动阻尼作用。
当所述展向区间延伸至接近尖端，位于所述区间和所述尖端之间的翼部 弦向跨度将根据弦向跨度的负荷最优化分布进行分布。
如果所述展向区间没有延伸至尖端，其优选地延伸至从根端开始测量的 转子叶片展向跨度的至少95%处。
本发明的风力涡轮转子包括转子毂和本发明的风力涡轮转子叶片。转子 具有任意数量的转子叶片，即，至少一个。特别地，现代风力涡轮通常具有 三个叶片。
本发明更多的特征、特性和优点将结合附图在如下的本发明具体实施方 式的说明中进行描述。
图1示出了一个风力涡轮。
图2示出了现有技术中的风力涡轮转子叶片状态。 图3示出了本发明风力涡轮转子叶片的第 一实施例。 图4示出了本发明风力涡轮转子叶片的第二实施例。 图5示出了本发明风力涡轮转子叶片的第三实施例。 图6示出了本发明风力涡轮转子叶片的第四实施例。 图7示出了本发明风力涡轮转子叶片的第五实施例。 图8示出了图7中转子叶片的细节。 图9示出了本发明风力涡轮转子叶片的第六实施例。
具体实施例方式
图1中示出了具有本发明转子的风力涡轮。此风力涡轮包括塔l和位于 塔1顶部的转子3。转子3包括安装在抢(图中未示出)内的转子毂5，舱 位于塔1的顶部并装载着风力涡轮的发电机。三个转子叶片7从转子毂5处 径向向外延伸。注意，转子叶片的数量可以少于或多于三个，这取决于风力 涡轮的设计。尽管如此，双叶片的转子，特别是，三叶片的转子都是现有风 力涡轮中的常用设计。
每个转子叶片7都包括具有用于安装到转子毂5上的根端11的根部9。 示出了各种转子叶片7实施例的图3-7中，可以最清楚地看到根端11。每个 转子叶片7还包括作为叶片径向最外部的尖端13。旋转方向R(如图l所示) 上的前缘就是逆风缘17,然而相对缘，或者说后缘就是顺风缘19。
从根端11的中心延伸至尖端13的虚线15表示转子的径向方向，称为"翼 展"15。转子叶片上垂直于翼展15从前缘17到后缘19的延伸距离称为"弦"。 可以通过沿着翼展15的弦分布来描述转子叶片的平面形状，即，定义翼展 上每个位置的弦长。这种弦分布中最大弦长处称为"肩，，，并用数字21表示。
叶片的翼部从肩21延伸到尖端13。
现有技术中的转子叶片107，如图2所示，沿着翼展115的弦分布，即
弦向跨度的分布，为弦长从肩121向尖端113连续减小，从而形成转子叶片 的负荷最优化平面形状。注意，涉及现有技术叶片107中各特征的参考数字 是相对于本发明的参考数字增加100。
相对于现有技术的叶片，本发明转子叶片弦向跨度的分布在翼部的展向 区间23处与负荷最优化分布相背离，从而使得区间23处的弦长与弦向跨度 的负荷最优化分布相比有所增加。区间23靠近尖端，即，位于/人#>端11量 起叶片展向跨度的80%与尖端13之间，优选地，位于叶片展向跨度的90% 与尖端13之间。 一些实施例中，区间延伸至尖端13,在其它的实施例中， 区间非完全地延伸至尖端13。然而，优选地，区间延伸至从根端11量起转 子叶片展向跨度的至少95%处。
下面结合图3-9，对本发明转子叶片的各种实施例进行描述。
图3示出了本发明转子叶片7的第一实施例，其中区间23从叶片7展 向跨度的大约95%处一直延伸至尖端13，其中弦分布相比于负荷最优化平 面形状增加了 100%，也就是说，与如果区间之外的弦分布继续至尖端13相 比，弦分布得到了增加。通过这种方式，尖端13附近的气动作用区域扩大， 从而加强了叶片7中的减震阻尼。
图4示出了本发明风力涡轮转子叶片7的第二实施例。在这个实施例中， 区间23的延伸超过了叶片展向跨度的10%，也就是从叶片7展向跨度的90% 延伸至尖端13，即展向跨度的100%处。区间23处的弦向跨度分布类似于 弧形，即从区间的起点增加并向区间23的终点减小。于是增加了尖端13附 近叶片7的气动作用区域。类似于第一个实施例，增加的区域增强了转子叶 片7的气动减震阻尼。
图5示出了本发明风力涡轮转子叶片7的第三实施例。类似于第二实施 例，区间23从叶片7展向跨度的卯％处延伸至展向跨度的100%处，即尖端 13。区间23处弦向^争度的分布为，向着尖端13方向，弦长再度增加。相比 于负荷最优化弦分布，这样的增加同样扩大了气动作用区域，但比第二实施 例的程度小。然而，如图5所示，微小的增加，使得气动作用区域靠近到尖 端13处并增强了风力涡轮转子叶片7的气动减震阻尼。然而，由于与负荷 最优化平面形状的背离不及第二实施例明显，因此这样的背离所引起的静态 负荷也就同样小于第二实施例。
图6示出了本发明风力涡轮转子叶片7的第四实施例。在这个实施例中，
区间23从叶片展向跨度的卯％延伸至95°/。。区间23处弦向跨度的分布设计 成，弦长相比于负荷最优化弦长分布增加了-50%。在区间末端和转子叶片7 的尖端13之间，弦分布又回到了负荷最优化平面形状的弦分布。
图7示出了本发明风力涡轮转子叶片7的第五实施例。在这个实施例中， 区间23从转子叶片7展向^争度的95%延伸至100%,即至尖端13处。在区 间上，弦向跨度的分布为，叶片7的弦长保持常量贯穿区间，除了叶片的最 尖端可能例外。图8示出了本实施例中区间23以及尖端13的放大。注意， 为了更加清楚，图8对区间23之前弦长的减小进行了放大。
图9示出了本发明风力涡轮转子叶片7的第六实施例。这个实施例非常 类似于图7中的实施例，其不同仅在于弦向跨度的分布在区间上不是常量， 而是向着尖端13方向轻微地减小着。然而，其减小幅度小于区间23之间弦 长的减小幅度，也就是说小于负荷最优化平面形状。如图9所示，为了更清 楚，对区间23之外的弦长的减小进行了放大。图9中的实施例是所有所示 的实施例中由于与负荷最优化平面形状背离而引起的静态负荷增加得最少 的实施例。
通过这些实施例，描述了本发明的多个风力涡轮转子叶片，它们具有不 同程度阻尼的增加和静态负荷的增加。实际用于个别的风力涡轮的平面形状 取决于各种情况，例如，风力涡轮处预期的湍流度或转子直径。总的来讲， 所选的平面形状是局部增加的静态负荷与整体增加的阻尼之间的折中，并从 而总体上减小动态负荷。
虽然所述的实施例;波此之间明显不同，所有的实施例都具有一个共同 点，就是相比于区间以外翼部前缘和后缘上形成的平滑、线性或非线性延伸 的弦向跨度，即相对于图2所示的现有技术中叶片107的负荷最优化平面形 状，叶片弦向跨度在区间23上得到了增加。
权利要求
1、一种风力涡轮转子叶片(7)，包括-能安装到转子毂(5)上的根端(11)，-位于根端(11)相对位置的尖端(13)，-从根端(11)延伸至尖端(13)的前缘(17)，-从根端(11)延伸至尖端(13)的后缘(19)，-由从根端(11)直线延伸至尖端(13)的线所限定的展向(15)，-垂直于展向(15)并位于延伸穿过前缘(17)和后缘(19)的平面内的弦向，-限定为最大弦向跨度位置的肩(21)，和-从肩(21)延伸至尖端(13)的翼部，其具有弦向跨度在其展向跨度主要部分上的负荷最优化分布，其中弦向跨度从肩(21)向尖端(13)处减小，其特征在于，翼部包括一个从尖端(13)之前开始并延伸至或接近尖端(13)的展向区间(23)，其中翼部弦向跨度分布与负荷最优化分布背离，从而与弦向跨度的负荷最优化分布相比，其弦向跨度得到增加。
2、 根据权利要求1所述的风力涡轮转子叶片(7)，其特征在于展向区 间(23)开始于从根端(11)测量起转子叶片(7)展向跨度的80%处或之 后。
3、 根据权利要求2所述的风力涡轮转子叶片(7),其特征在于展向区 间(23)开始于从根端(11)测量起转子叶片(7)展向跨度的90%处或之 后。
4、 根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮转子叶片(7)，其特征 在于翼部弦向跨度的分布在所述展向区间(23)的至少一部分上向着尖端(13)增加。
5、 根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮转子叶片(7)，其特征 在于翼部弦向跨度的分布在所述展向区间(23)的至少一部分上保持常量。
6、 根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮转子叶片(7)，其特征 在于， -所述展向区间(23)延伸至尖端(13)附近，和-位于区间(23)和尖端(13)之间的翼部弦向跨度分布根据弦向跨度 的负荷最优化分布进行。
7、 根据权利要求6所述的风力涡轮转子叶片(7),其特征在于所述区 间(23 )延伸至从根端(11 )测量起转子叶片(7 )展向跨度的至少95%处。
8、 一种风力涡轮转子(3),包括转子毂(5)和前述权利要求中任一项 所述的风力涡轮转子叶片(7)。
全文摘要
一种风力涡轮转子叶片和风力涡轮转子，该叶片包括能安装到转子毂上的根端，位于根端相对位置的尖端，从根端延伸至尖端的前缘，从根端延伸至尖端的后缘，由从根端直线延伸至尖端的线所限定的展向，垂直于展向并位于延伸穿过前缘和后缘的平面内的弦向，限定为最大弦向跨度位置的肩，和从肩延伸至尖端的翼部，其具有弦向跨度在其展向跨度主要部分上的负荷最优化分布，其中弦向跨度从肩向尖端处减小，翼部包括一个从尖端之前开始并延伸至或接近尖端的展向区间，在其中翼部弦向跨度分布与负荷最优化分布背离，从而与弦向跨度的负荷最优化分布相比，其弦向跨度得到增加。
文档编号F03D1/06GK101387262SQ200810168669
公开日2009年3月18日 申请日期2008年7月21日 优先权日2007年7月20日
发明者佩德·B·埃尼沃尔德森, 索伦·约尔特, 鲁恩·鲁巴克 申请人:西门子公司