专利名称：带低进气顶端的风力涡轮机的制作方法
带低进气顶端的风力涡轮机本发明涉及弦长沿水平轴风力涡轮机的转子叶片的跨度的分布。风力涡轮机的现有技术的叶片具有产生增加风能成本的高载荷的缺点。尤其是在叶片根部处的弯曲力矩是高的。这些载荷增加了叶片根部区域、毂、变浆轴承(Pitch bearing)等的成本。当相同的转子的叶片的根部弯曲力矩不相等时，高的偏向力矩和倾斜力矩将被施加到毂、发动机舱、塔和底座上。叶片的高载荷的另一个缺点是涡轮机将在尾流 (wake)中产生大的风速亏空。在风场(wind farm)中，定位在这种尾流中的涡轮机经历高载荷，尤其是在局部尾流操作的情况下。此外，在风场中的高的风速亏空的产生将减少总风场的效率，根据参照在“Flow Separation on Wind Turbine Blades”，ISBN 90-393-2582-0 或US 7357 622 B2中的节2. 1. 2的概念Heat & Flux (热&流量)。所有提及的载荷在大约涡轮机的额定风速时是特别高的，该额定风速是涡轮机可产生其最大功率的最小风速。 现有叶片的另一个缺点是必须采取措施以避免由于极端的强风导致的顶端(tip)撞击塔。 该措施是预先弯曲的叶片的使用、附加的玻璃纤维的使用，通过较硬类型的玻璃纤维或通过碳纤维来增加翼面(airfoil)的厚度或替换玻璃纤维。此外，现有技术的叶片在极端情况下也经历高载荷。例如，在极端的强风期间涡轮机停止时，从叶片一直到基座的载荷可为非常高的且将增加涡轮机的成本。在大约额定风的情况下，用来减轻载荷的已知的方法称为高峰调节。此处叶片对于导向叶片(vane)倾斜一定角度，以使由叶片产生的升力被减少。这个方法的确减少了一些载荷，但是不能确定的是当在强风中风向改变时或当控制系统失效且叶片倾斜于错误的方向时，叶片仍可形成高的升力。许多有效方法存在以减轻载荷，例如改变翼面的形状或使用有效致动器以控制翼面的空气动力学。但是，那些方法增加了维修的频率且因此增加了成本。且即使当有效控制在99. 9%的时间中成功地减小了载荷，控制错误的非常极少的情况也可能导致最高载荷的增加。风力涡轮机的设计者必须考虑此类情况。高峰调节和所述有效方法当涡轮机停止时对于极端载荷的状况都没有影响或有少量影响。减小载荷的另一种已知方法是优化转子至轴向进气低于由Lanchester在1915年推导的a = 1/3的最优值，且通常称为贝兹极限(Betz limit)。本发明的目的是克服上述缺点。一些定义被引入。实度(solidity)是局部半径r 的函数且被定义为Ne/ OIIR)。此处R是指转子半径且Nc是指全部叶片在径向位置r处的总弦长。风力涡轮机可具有不同长度的叶片或可具有在给定的径向位置处具有多个翼面的叶片。在所有情况下，Nc等于全部翼面在径向位置r处的弦长的和。在径向位置r的弦长 c被定义成在围绕位置r的宽度c的范围中的最小弦长值。当翼面装备有柔性尾部边缘时， 则在功率产生情况期间可弯曲超过c的部分不应被包括在弦长c中。实度在第一径向位置巧和第二径向位置巧的比值被表达成sol OVr2)。术语快速运转器型(fast runner type)是指把本发明用于总实度小于0. 1的现代风力涡轮机。总实度被定义成全部转子叶片的投影面积的总和除以扫过的转子面积。本发明的目的由快速运转器型的大于IOm直径的风力涡轮机转子来实现，该风力涡轮机的转子具有的sol(ri/r2)大于在下文图表中标出的数字。
权利要求
1.快速运转器型风力涡轮机，包括直径大于IOm的转子，其中，Sol(IVr2)为所述转子在径向位置T1处的实度和在径向位置r2处的实度的比率，其特征在于在图表中详细说明的^Vr2组合中的任何一个处，所述实度比率大于图表内相关值中的任何一个。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于sol(0. 1R/0. 3R)大于1. 0且具体地大于1. 2且更具体地大于1. 4。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其特征在于sol(0.3R/0.5R)大于1. 45且具体地大于1. 5且更具体地大于1. 6。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其特征在于sol(0.5R/0.7R)大于1. 5且具体地大于1. 6且更具体地大于1. 7。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其特征在于sol(0.7R/0.9R)大于1. 5且具体地大于1. 65且更具体地大于1. 8。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其特征在于sol(0.5R/0.9R)大于2. 0且具体地大于2. 5且更具体地大于3. 0。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，包括转子叶片，其中，作为半径的函数的弦长在从0. 3R到0. 99R的径向范围的至少80%中单调减少。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，包括转子叶片，所述转子叶片装备有升力提升装置，其中，所述装置被具体地定位在大于0. 5R的径向位置处，且更具体地在大于0. 7R的径向位置处，且优选地在大于0. 9R的径向位置处。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中，在功率系数(；在1/3和 16/27 之间，M = -1. 19+9. 74CP_21. 01C/+17. 50CP3 且弦长数量 C = NrCrC1 λ /(2IIR2)，在 0. 5R和0. 9R之间的径向范围中的情况下，局部弦长小于从等式C = M所得的局部弦长，假设升力系数C1 = 0. 9且具体地C1 = 1. 0且更具体地C1 = 1. 1且更具体地升力系数优选地为大约1.3。
10.风力涡轮机的组，包括根据前述权利要求中的任一项的第一风力涡轮机和第二风力涡轮机，其中，所述第一涡轮机在所述第二涡轮机的上风位置且以遵循函数xup(v)的顶端速度比率工作，且所述第二涡轮机以遵循函数xd_(v)的顶端速度比率工作，其中， λ UP(V)彡 λ down(V)/f, f = 1.05 且具体地 f = 1. 1 且更具体地 f = 1. 15。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，在额定风速的60%-90%的风速范围内，所述风力涡轮机具有至少20 %的顶端速度比率的增加，且更具体地所述风力涡轮机的所述顶端速度比率随风速线性地增加。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述直径大于80m且具体地大于IOOm且优选地大于120m。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，包括叶片，所述叶片在大于 0. 8R的径向位置处带有翼面，其中，当任何升力提升装置被移除时，所述翼面的最大升力系数，在雷诺数为1. 5百万的二维环境下，大于1. 4且具体地大于1. 5且更具体地大于1. 6且优选地大于1.7。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，包括叶片，所述叶片在大于 0. 8R的径向位置处带有翼面，其中，在包括如果存在的升力提升装置的应用的情况下，所述翼面的最大升力系数，在雷诺数为1. 5百万的二维环境下，大于1. 6且具体地大于1. 7且更具体地大于1. 8且优选地大于1. 9。
全文摘要
风力涡轮机包括转子叶片，该风力涡轮机的特征在于sol(r1/r2)(其为在径向位置r1处的实度和在径向位置r2处的实度的比率)在图表中详细说明的r1/r2组合中的一个处大于图表中相关值中的任何一个。sol(0.3R/0.5R)、sol(0.5R/0.7R)、sol(0.7R/0.9R)优选地为1.45、1.5、1.5，更优选地为1.5、1.6、1.65，最优选地为1.6、1.7、1.8。根据本发明的转子减小载荷，例如尤其是叶片根部弯曲力矩、倾斜力矩和偏向力矩。此外，它们增加了风场的效率且减小了风场的载荷。当场中处于上风侧的涡轮机以比处于下方侧的涡轮机低的顶端速度比率工作时，风场效能变得更有益处。根据本发明的具体的实施方案，转子叶片装备有升力提升装置。
文档编号F03D1/06GK102187092SQ200980141426
公开日2011年9月14日 申请日期2009年9月18日 优先权日2008年9月19日
发明者古斯塔夫·保罗·克尔滕 申请人:考特能源有限公司