专利名称：涉及转子叶片特别是风力涡轮发电机的转子叶片的发明的制作方法
技术领域：
本发明涉及转子叶片，特别是用于风力涡轮机的转子叶片并且具体涉及用于涡轮发电机上的阵风载荷的被动减小的概念的流体-结构相互作用的一般研究。涡轮发电机上的转子叶片经历交替载荷，交替载荷归因于攻角和自由气流的波动。这导致不断变化的升力。用这里研究的概念，意图减小这些变化。
背景技术：
流动对弹性结构的交互影响导致结构变形，结构变形又改变流动力。这种行为一般被描述为流体-结构相互作用(FSI)。定义结构的静态稳定性和动态稳定性的该交互作用的描述在空气弹性学领域具有显著的实用性，即空气流与弹性翼型的相互作用。由于结构的变形，取决于关于系统运动的相角，空气动力被诱导，将能量引入结构中。
随着速度增大，达到临界点，在该临界点，能量输入超过通过结构衰减所分散的能量，从而导致激起的振动。该现象称为震颤。自从二十世纪二十年代空气弹性学起源以来， 空气弹性学通过使得可以得到促进震颤极限的精确预测模型和理论而被确定为科学原理， 在最近三十年，日益不断尝试使用这种交互影响以有利于流动控制。但是，对于流体-结构相互作用的有益使用，这意味着确定平均瞬时流动性能并优化结构刚度，从而平均更有效地实现目标功能并保持稳定性。
风力涡轮发电机经受不断变化的载荷。这些载荷变化来自行星边界层的横向移动、由于湍流和阵风产生的风速波动、塔的摇晃和转子叶片的振动。
这些影响引起空气相对于翼型流动的攻角的变化，并因此引起压力沿翼型的变化。在这些操作条件下，风力涡轮发电机的组件处于这样的应力下，因此对于涡轮机的一些部件，不能达到20年的运行寿命。关于适合于控制这样的载荷波动的措施的发展，这些部件实现要求的可靠性水平并且系统的复杂性保持易控制是必要的。
目的
所以，本发明的目的是提供转子叶片的翼型，特别是用于风力涡轮发电机(WTG) 的转子叶片，其克服现有技术的缺点。
该目的的实现
在本文的上下文中，本发明遵循利用翼型弯度的被动调整减小由于攻角变化产生的翼型上的压力波动的方法。该目的是保持升力恒定，即保持翼型上的载荷恒定。
遵从这一概念的本发明包括通过弯度变化实现这种减小的襟翼轮廓(描述转子叶片的轮廓)。弯度变化从而通过流动本身引入。
因此，通过弹性的和/或可旋转安装的襟翼系统促进弯度的变化，所述襟翼系统包括前缘襟翼和后缘襟翼。两个襟翼因此运动学地相互耦合。为了刚性耦合目的的运动学适合于以各种方式进行。在最简单的表示中，它包含曲柄机构，但是所有类型的传动系统都可能用作产生相同运动学的机构。曲柄机构示意地表示在图I中。每个牢固地连接到单一襟翼的长度为LI和L2的控制杆与连杆L连接。该布置的核心原理是一个控制杆安装在顶部(底部)且另一个安装在底部(顶部)，因此一个襟翼顺时针旋转且另一个襟翼同时逆时针旋转。
传动比(L1/L2)为2-3在理论计算和实践中都产生最佳的和令人满意的结果。该传动比的选择涉及弹簧刚度的选择。传动比确定升力随攻角的增大/减小而增大/减小的程度(通过攻角描述升力系数的函数增大)。
在流的攻角变化的情况下，这主要导致在翼型的前缘的鼻区(nose area)的压力变化。
由于压力变化产生的力同时控制在前缘和后缘的襟翼的位移幅度。这因此促进弯度的增大或减小。
由于压力变化产生的力在弹性前缘或后缘襟翼的枢轴附近产生力矩。该力矩又导致弹性前缘或后缘襟翼的旋转运动，其通过所述曲柄机构同时扭动后缘襟翼。根据L1/L2 的比，弹性后缘或后缘襟翼的位移幅度大于弹性前缘或前缘襟翼的位移幅度。空气动力翼型的叶片弯度(翼型横截面)的增大或减小因此通过空气力对弹性前缘或后缘襟翼的影响而实现。
已知由于翼型的周围空气流在前翼型区域的上侧和下侧之间产生的压力差比后区域大得多。用恒定的攻角，压力差取决于翼型形式。这一事实确定了弹性侧面或襟翼的长度。已经证明，前缘襟翼的长度应该为翼弦的15%到20%,而后缘襟翼的长度应该为翼弦的20%到30%。
重要的是注意在翼型的上侧和下侧之间的压力差也在弹性后缘或后缘襟翼上产生力或力矩。利用两个襟翼之间的刚性连接和合适建立传动比L1/L2的事实，后缘襟翼力矩根据L1/L2的比例而增大并通过前缘襟翼的枢轴传递。这意味着，在某些压力分布下，襟翼机构由后缘襟翼控制。这种情况对于系统的稳定性是有利的，并且在设计中被考虑。
结果显示，对于攻角的合适的有规律的变化，幅度完全被减小。
由于其运行条件，风力涡轮发电机经历不断变化的载荷。具体地，波动的空气动力学载荷导致在转子叶片根部的变化的弯曲应力。这些交替的应力降低叶片的疲劳强度。在转子叶片处，由于高的边缘速度，更大的力发生在叶片的外部区域。此外，这些力取决于各个翼型段的升力系数CL。转子叶片上的载荷因此适合于通过升力系数的变化来控制。其中，升力系数取决于轮廓弯度。所述弯度通过使用襟翼在运行过程中被变化是合适的，并且所述弯度导致CL-α曲线的平行移动，如图2. 6所示。
权利要求
1.一种包含具有前缘和后缘的空气动力学翼型的转子叶片，其中，所述翼型布置为用于在空气流过所述转子叶片的情况下由于在所述翼型的吸力侧和压力侧之间的压力差而形成升力，其中，所述转子叶片包含用于改变弯度的装置，其特征在于这些装置一方面布置在前缘上，另一方面布置在后缘上，并且以相互之间被动耦合的方式实施，即不通过外部能量供给(除了流动的空气以外)。
2.根据权利要求I的转子叶片，其特征在于所述装置分别由在前缘上以弹性和/或可旋转安装的方式布置的一个元件和在后缘上以弹性和/或可旋转安装的方式布置的一个元件组成。
3.根据权利要求1-2的任一项的转子叶片，其特征在于所述转子叶片以能够改变其刚度和/或耦合的强度和/或包含可变阻尼的耦合的方式布置。
4.一种具有至少一个根据权利要求1-3的任一项的转子叶片的风力涡轮发电机。
5.根据权利要求4的风力涡轮发电机，其特征在于它包含调节或控制，根据所测量的流动条件，所述调节或控制改变转子叶片的刚度的量或方向和/或耦合强度，其在通过调节或控制和/或后缘上的阻尼而执行的改变之后再次是被动的。
6.一种用于减小阵风载荷的具有根据权利要求1-5的任一项的至少一个转子叶片的风力涡轮发电机。
7.根据权利要求1-6的任一项的转子叶片，其特征在于，所述前缘和后缘通过曲柄机构传动机构彼此耦合。
8.根据权利要求1-7的任一项的转子叶片，其特征在于所述前缘和后缘通过曲柄连杆彼此耦合。
9.根据权利要求1-8的任一项的转子叶片，其特征在于在所述前缘提供弹簧以调节系统的工作区。
10.根据权利要求1-9的任一项的转子叶片，其特征在于在所述前缘提供预应力弹簧。
11.根据权利要求ι- ο的任一项的转子叶片，其特征在于在所述前缘和/或后缘提供机械挡板以限制转动。
12.根据权利要求1-11的任一项的转子叶片，其特征在于在所述后缘提供阻尼器。
13.根据权利要求1-12的任一项的转子叶片，其特征在于提供具有非线性特征弹簧曲线的弹簧元件的形式的后缘上的阻尼器。
14.根据权利要求1-13的任一项的转子叶片，其特征在于所述前缘和后缘以通过曲柄连杆相互耦合的方式布置，其中一个控制杆向上看布置，另一个控制杆向下看布置。
15.根据权利要求1-14的任一项的转子叶片，其特征在于所述前缘和后缘以通过曲柄连杆相互耦合的方式布置，其中一个缘顺时针旋转，另一个缘逆时针旋转。
16.根据权利要求1-15的任一项的转子叶片，其特征在于所述耦合的布置方式使得所述前缘由于压力变化而旋转并且通过耦合到所述后缘而使得所述后缘同时旋转。
17.根据权利要求1-16的任一项的转子叶片，其特征在于所述耦合的布置方式使得所述后缘由于压力差而旋转并且通过耦合到所述前缘而使得所述前缘同时旋转。
18.根据权利要求1-17的任一项的转子叶片，其特征在于用于所述耦合、阻尼的元件和/或所述至少一个终端挡板位于可偏转的缘和/或襟翼的传动机构的轴区域上。
19.根据权利要求1-17的任一项的转子叶片，其特征在于用于所述耦合和/或阻尼的元件和/或所述至少一个终端挡板位于可偏转的缘和/或襟翼的传动机构的轴区域之外。
20.根据权利要求1-19的任一项的转子叶片，其特征在于所述曲柄机构的长度和/或所述前缘的控制杆的长度和/或所述后缘的控制杆的长度适合于被改变。
全文摘要
提供了一种转子叶片，特别是用于风力涡轮发电机的转子叶片，具有用于改变叶片弯度的装置，其中，所述叶片弯度通过相互被动耦合的元件来改变，也就是说除了在转子叶片周围的空气流中包含的能量以外，没有任何外部能量供给。为此，所述元件之一在每种情况下布置在转子叶片的翼型的前缘和后缘上。所述元件的耦合、翼型的刚度和阻尼水平在这种情况下被设计成可变的。
文档编号F03D1/06GK102933840SQ201180023801
公开日2013年2月13日 申请日期2011年5月10日 优先权日2010年5月10日
发明者本亚明·兰比, 克劳斯·胡夫纳盖尔 申请人:达姆施塔特技术大学