具有几何扫掠的风力涡轮机叶片的制作方法
【专利摘要】一种扫掠风力涡轮机叶片（20）包括沿着在叶片（20）的根部（26）与尖端部（28）之间的长度延伸的叶片本体（24）。俯仰轴线（36）延伸穿过叶片（20）的根部（26）。参考线（48）限定了与俯仰轴线（36）的偏差并且对应于沿着其长度的叶片（20）的扫掠形状。参考线（48）具有在根部（26）处的零扫掠，在根部（26）处的零斜率，以及沿着从叶片（20）的根部（26）至尖端部（28）的长度的25％内的区段的正曲率。
【专利说明】具有几何扫掠的风力涡轮机叶片
【技术领域】
[0001] 本发明涉及风力涡轮机叶片，并且更具体地涉及扭转灵活的扫掠风力涡轮机叶片 及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 通常，风力涡轮机包括转子，转子具有安装在其上的多个转子叶片；容纳在机舱中 的传动系统和发电机；以及塔。机舱和转子通常安装在塔的顶部上。在工作中，转子的多个 叶片从风接收能量并且将风能转换为用于驱动发电机的旋转扭矩，发电机通过传动系统旋 转地联接至转子。空气弹性形变的风力涡轮机叶片针对它们的潜在能力已经被调研，以便 通过形成被动地扭曲以减小由流场扰动(湍流、剪切力、偏转等等）形成的负载的叶片，增大 风力涡轮机的能量产出，由此使得有可能设计对于正常操作条件将增大风力涡轮机输出的 更大的转子。
[0003] 已知的空气弹性形变叶片包括相对于在叶片外侧区段上沿着叶片长度延伸的参 考线而具有至少后掠（backward swe印）的那些叶片。后掠使得空气动力学力能够作用在距 离叶片的局部结构轴线的一距离处，这进而围绕该结构轴线形成局部扭矩。扭矩自然地造 成朝向较低的空气动力学迎角的叶片的自我纠正的诱导扭曲，由此在异常条件期间被动地 避免了异常高的升力。
【专利附图】
【附图说明】
[0004] 参考附图在以下说明书中解释说明了本发明，其中附图示出了： 图1是根据本发明一个方面的具有扫掠叶片的风力涡轮机的透视图。
[0005] 图2是根据本发明一个方面的扫掠风力涡轮机叶片的透视图。
[0006] 图3示出了根据本发明一个方面的相对于笔直叶片的轴线用于扫掠叶片的参考 线的轮廓。
[0007] 图4示出了根据本发明另一方面的用于扫掠叶片的参考线的轮廓。
[0008] 图5示出了根据本发明一个方面的用于三个不同参考线的扫掠形状的差异。
[0009] 图6示出了根据本发明一个方面的用于三个不同扫掠形状的叶片曲率的差异。 [0010] 图7示出了根据本发明一个方面的用于具有三个不同扫掠形状的叶片的局部扭 矩的差异。
【具体实施方式】
[0011] 本发明人已经认识到的是，空气弹性形变叶片中产生的扭矩能够对风力涡轮机的 操作有害，因为在根部施加大的扭矩在液压叶片俯仰控制系统上产生应力，并且可以导致 组成部件的寿命减少。此外，本发明人已经创新性发展了具有改进扫掠形状的扭矩灵活扫 掠风力涡轮机叶片。叶片提供了空气弹性形变响应以被动地诱导自我纠正的、固有稳定的 扭转响应，而同时最小化在叶片根部产生的局部扭矩。有利地，叶片上的减小的负载使得能 够制造更大的转子，这可以为风力涡轮机提供更大的能量输出。在本文所述的扫掠叶片相 比于已知的扫掠叶片也提供了扭矩的沿着叶片长度的更平滑的梯度分布。更平滑的梯度分 布从结构观点看是更受欢迎的，因为机械上不期望在扭矩中的大梯度。
[0012] 现在参照附图，图1示出了具有塔12的风力涡轮机10,安装在塔12上的机舱14， 以及具有轴毂18的转子16,和具有预定扫掠形状22的多个扫掠叶片20。参照图2,示出 了示例性扫掠风力涡轮机叶片20,具有本体24,沿着X、y和z轴线限定了 X、y和z坐标的 轨迹。如图1至图2所示，本体24沿着在叶片20的根部26与尖端部28之间的长度25延 伸，以及在叶片20的前缘30与后缘32之间延伸。本体24限定了在前缘30和后缘32之 间的多个翼面剖面34。俯仰轴线36沿顺翼展方向（X)从叶片20的根部26延伸穿过本体 24,取向垂直于叶片根部面。扫掠形状22包括在叶片20的内侧区域40中的内侧扫掠38， 以及在叶片20的外侧区域44中的后部扫掠（aft swe印)42。通常，内侧区域40包括沿X 方向叶片20的跨距(从根部26至尖端部28的长度）的25%或更少。外侧区域44包括叶 片20的跨距的剩余部分。
[0013] 图3示出了沿着典型现有技术的笔直叶片46的径向位置的轴线(沿着X轴线的虚 线）以及如上所述的在叶片20的相应内侧和外侧区域40、44中具有内侧扫掠38和后部扫 掠42的示例性扫掠叶片20。术语"扫掠"是指远离在其旋转平面中笔直叶片位置的参考线 的叶片位置的向前或向后偏差。在图3中，X轴线(笔直叶片的参考线)与叶片20的俯仰轴 线36共同延伸。当阵风冲击具有后部扫掠42的扫掠叶片20时，平面外（拍打方向）负载 增大围绕在内侧区域40中的区段产生了俯仰力矩（pitching moment)。该俯仰力矩作用以 诱使扫掠叶片20的外侧区域44的部分如箭头A所示在风中扭曲了叶片20的前缘30以便 减小那些区段的空气动力学迎角，由此改进了扫掠叶片20否则将经受的顶峰瞬时负载。此 夕卜，如图所示，扫掠叶片20的内侧扫掠38配置成沿如箭头B所示的相反方向扭曲以在叶片 20的根部26附近抵偿围绕俯仰轴线36的局部扭矩。
[0014] 根据本发明的一方面，扫掠形状22对应于沿着外侧几何在其上可以建立的叶片 本体或穿过叶片本体而延伸的参考线。再次参照图3,示出了示例性参考线48,其限定了与 俯仰轴线36的偏差以及对应于沿着扫掠叶片20的长度25 (示出为径向位置（R))的扫掠 形状22 (示出在图1中）。参考线48具有扫掠形状50并且提供了轴线，多个翼面区段可以 以任何合适的配置结构围绕该轴线对准。一旦建立了参考线48,扫掠叶片20的叶片本体 24的叶片表面和外侧几何形状可以根据本领域已知的方法建立。
[0015] 在一个实施方式中，例如，可以通过沿着参考线48歪斜或者偏移多个翼面区段， 例如翼面34 (图2)来确定外侧几何形状。偏移是指沿着参考线48对准叶片剖面平面以 使得叶片剖面垂直于穿过叶片20延伸的纵向轴线，例如俯仰轴线36。另一方面，歪斜包括 沿着参考线48对准叶片剖面以使得每个叶片剖面跟随扫掠形状50并且位于一平面上，该 平面垂直于在参考线48上的那个点处的参考线的正切线。替代地，一旦建立了参考线48， 可以采用其他技术以设计扫掠叶片20的本体24的外侧几何形状(示出在图2中），诸如计 算机辅助绘图（CAD)绘制技术，其中剖面平面通过使用CAD计算机软件程序(诸如仿样函数 等)而平滑地接合在一起成为三维表面。在替代实施方式中，可以根据在本文所述的功能首 先建立叶片本体24的外侧几何形状，并且从叶片本体24的形状确定参考线48。
[0016] 不受限的，扫掠叶片20的参考线48可以展示弹性轴线、四分之一弦线、质量线的 中心、剪切中心线、前缘线、后缘线，或者相对于笔直叶片的参考线扫掠的任何其他轴线。如 图3所示，参考线48的扫掠形状50示出为沿着展示从根部26至尖端部28的叶片20的跨 距(长度25)的X轴线。参考线48可以包括在代表叶片20的根部26的点（0, 0)处的原点， 在斜率改变符号的点处或附近的、在点（α，β )处的扫掠形状50的过渡点51，以及代表叶 片20的尖端部扫掠区域29的在点（R，γ)处的终端部。参照图2至图3,参考线48具有形 状50,对应于叶片20的内侧区域40中的内侧扫掠38、以及叶片20的外侧区域44中的后 部扫掠42,每个扫掠形状相对于俯仰轴线36。
[0017] 参考线48的扫掠形状50包括沿着参考线48的任何点处的斜率52以及弯曲程度 54。斜率52由在任何特定点处与扫掠形状50相切的线56所限定。曲率54是指斜率改变 的局部空间比率；例如，在曲率54的第一区域58中，沿从根部26至尖端部28方向点到点 存在斜率增大。如参照图3能够看见的，参考线48包括内侧扫掠38和后部扫掠42。内侧 扫掠38包括第一曲率区域58,其具有带零斜率的至少第一点60,以及沿着具有正斜率的参 考线48在第一点60外侧的第二点62。因为在第一曲率区域58的区域中从第一点60至第 二点62存在至少正斜率变化，参考线48的内侧扫掠38 (以及因此典型地还有叶片20)包 括在至少示例性点60、62之间的区段处的正曲率66。换言之，在参考线48上根部26与另 一外侧点62之间，存在沿y方向正向改变的区段(例如第一曲率区域58)，其中沿着具有同 时正向斜率变化率的X方向外侧位置增大。
[0018] 正曲率66可以在具有零斜率的叶片20的内侧区域40内任何点处具有开始的点。 在一个实施方式中，开始点在叶片20的长度25的第一个25%内。在特定实施方式中，正曲 率66具有在叶片20的根部26处的开始点。在另一实施方式中，斜率52在具有正曲率的 根部26处是负的。斜率52可以在某个点处变为零并且在进一步外侧处变为正的，始终保 持正扫掠曲率。
[0019] 在如图3所示实施方式中，参考线48包括在根部26的零扫掠，在根部26的零扫 掠，以及沿着从叶片20的根部26至尖端部28的长度25的25%内的区段的正曲率66。例 如，第一点60位于具有零斜率的第一区段64内，尽管知晓的是本发明不如此限于具有零斜 率的根部26的前方区段。仅关键的是，参考线48的正曲率66从根部26开始，或者穿过具 有零斜率的根部26外侧的点。
[0020] 再次参照图3,参考线48包括在第一点72和第二点74 (具有比第一点72更负的 斜率）之间沿着参考线48的长度25的第二部分70的第二(负）曲率区域68。第二部分70 可以限定参考线48的与如下所述的第二部分73不同的、重叠的或者相同长度或面积。通 常，第二部分70在正曲率66之后在叶片20的外侧区域内，尽管本发明不限于此。然而在 替代实施方式中，如图4所示，设计的是参考线，例如参考线48d，也可以包括在具有负前向 扫掠的根部26外侧的点76 (或区段)，而同时保持正曲率66。仅必需的是，沿着在从叶片 20的根部26至尖端部28的长度25 (径向位置（R))的25%内的区段存在至少正曲率。
[0021] 在某些实施方式中，参考线48的曲率54包括至少如图3所示的连续曲率(连续曲 线）80。因为叶片20的外侧几何形状将通常对应于参考线48的形状，叶片20也包括连续 曲率80。与通过朝向根部26逐渐趋向零力矩的已知的扫掠叶片相比，根据本发明的具有 连续曲率形状的叶片有利地提供了更平滑的梯度分布用于在叶片20的根部26附近扭曲力 矩。更平滑的梯度分布从结构观点看是更受欢迎的，因为在扭矩中不希望大梯度。
[0022] 可以由一个或多个数学函数限定参考线48的参数，例如扫掠形状50、斜率52和曲 率54的程度。在一个实施方式中，由单个函数定义参考线48。在特定实施方式中，根据两 个或更多数学函数建立扫掠风力涡轮机叶片20。例如，如图3所示，沿着在过渡点（由附图 标记51示出在α，β处)处邻接第一函数的长度的第二部分，参考线48包括由第一函数限 定的第一部分71，以及由不同于第一函数的第二函数限定的第二部分73。
[0023] 有利地，参考线48包括连续曲率80,这时在每一个都限定参考线的部分的任何两 个不同函数之间的过渡点在两个函数的过渡点处具有相等曲率。例如，参考线48包括连续 曲率80,这时终止在过渡点51处并且由第一函数表示的参考线48的第一部分71的曲率、 与终止在过渡点51处并且由第二函数表示的参考线48的第二部分73的曲率相等。在一 个实施方式中，参考线48进一步包括在过渡点51处的连续斜率以使得第一函数的斜率等 于在第一函数和第二函数的过渡点51处的第二函数的斜率。
[0024] 为了进一步说明（并且没有限制)，提供了用于本文比较的三种示例性扫掠形状方 法。如图5所示，在一个实施方式中，示出了第一参考线48a，其根据在零点处正斜率("+斜 率@0")方法扫掠，其中参考线48a具有从叶片20的根部26开始立即增大的正斜率52。注 意的是，该扫掠方法的缺点在于，从作用在叶片上的空气动力学力形成的局部累积的扭矩 在根部区段附近变得非常大。这些累积的扭矩可以是结构上不希望的。在如图5所示的另 一实施方式中，示出了第二参考线48b，其可以根据在零点处零斜率("0斜率@0"）方法形 成，具有零斜率的至少第一区段64以及具有正曲率66的至少第一区域，例如第一曲率区域 58 (如图3所示)。第三，在如图5所示又一实施方式中，示出了第三参考线48c，可以根据 在零点处零斜率连续曲率("0斜率00CC"）方法形成，其将之前讨论的曲率连续性80添加 至"0斜率@0"方法(参考线48b)。如能够看见的，参考线48b和48c重叠，直至两条线均到 达点（α，β )。此后，参考线48a和48b重叠，而参考线48c不再与任何其它线重叠。
[0025] 如上面所讨论的，可以由一个或多个数学函数、诸如多项式函数、限定用于叶片20 的参考线48的扫掠形状50 (以及因此通常对应的叶片20的扫掠形状22)。在一个实施方 式中，多项式函数是包括两个或多个多项数函数的分段多项式函数。再次参照图5,例如，可 以由两个或多个函数限定参考线的扫掠形状。在如图5所示实施方式中，对于线48c的第 一函数例如限定了从根部26处点（0, 0)至点51 ( α，β )的扫掠形状，并且至少第二函数 限定了从点51 ( α，β )至（R，γ )至叶片20尖端部28的扫掠形状50。
[0026] 对于代表参考线48a、48b、48c的扫掠形状50的函数的每一个，存在以下边界条 件。 Υι (〇) = 〇 开始于原点（〇, 〇):叶片根部 Υ! ( α ) = β 穿过（α，β ) y2 ( α ) = β 扫掠形状在（α，β )处函数连续 y/ ( α ) = 〇形状50的最前点位于（α，β )处 y2'（ α ) = 〇斜率在（α，β )处函数连续 y2(R) = y 形状终止在（R, y)处。
[0027] 此外，用于参考线48a ("+斜率@0"方法）的函数进一步包括以下定义： a3 = 〇 yi是二次函数 b3 = 〇 y2是二次函数 "+斜率@0"方法使用了两个二次函数以描述其扫掠形状并且允许扫掠形状在原点处 具有正斜率的自由。
[0028] 此外，用于参考线48b ("0斜率@0"方法）的函数进一步包括以下限定： yi'（〇)=〇在原点（〇,〇)零斜率 b3 = 〇 y2是二次函数 "0斜率@0"方法使用了一个三次函数以及一个二次函数以描述扫掠形状并且允许扫 掠形状在原点具有零斜率的自由。
[0029] 此外，用于参考线48c ("0斜率@0 CC"（连续曲率）方法）的函数进一步包括以下 定义。"〇斜率@0 CC"方法也使用两个三次函数以描述扫掠形状并且允许扫掠形状在原点 具有零斜率的自由，以及包括连续曲率。 y/ (0) = 0在原点（〇,〇)处零斜率 yi"（a)=y2"（a)曲率在（α，β)处是函数连续的。
[0030] 关键的，连续曲率80提供了在点（α，β)的每侧处具有两个点的参考线，其中这 些函数在斜率、功能和曲率上是相等的。如此，相对于由朝向根部26逐渐趋向零力矩的已 知扫掠叶片，构造以便具有如参考线48c的连续曲率80的外侧几何形状的叶片22提供了 更平滑的梯度分布以用于在叶片22根部26附近的扭矩。
[0031] 设计的是可以采用包括上述定义的扫掠形状的任何参数表达。通过图5以及均涉 及分段多项数函数的上述描述，其他函数可以用于限定参考线的扫掠形状，诸如连续多项 式参数表达(也具有连续曲率)，分立傅立叶级数(也具有连续曲率)，分段傅立叶级数(可以 具有或者不具有连续曲率)，以及不必利用多项式或傅立叶级数表达式的其他分段表达式。
[0032] 现在参照图6,清晰的示出了参考线48c的连续曲率80,尤其是当沿着示例性叶片 20的径向位置(顺翼展方向长度)与参考线48a、48b的曲率作比较时。如图所示，仅参考线 48c具有连续曲率80。尤其，参考线48a (对应于"+斜率@0"方法）包括曲率几乎不变化 的至点（α，β)的区段82。此外，参考线48b如区段84所示跟随了参考线48c的曲率至点 (α, β)，但是在χ= α处参考线48b不具有连续曲率。替代地，参考线48a和参考线48b 如区段86所示在χ= α之后具有基本上类似或等同的曲率。如此，仅参考线48c具有连 续曲率，并且如区段84和区段88所示在点（α，β)之后函数形式并未改变。
[0033] 图7示出了对于根据参考线48a、48b、48c制造的示例性扫掠叶片的对应的局部累 积扭矩。首先，如图所示，参考线48b和48c (分别根据"0斜率@0"和"0斜率@0CC"方法 形成）完全与参考线48a (通过"+斜率@0"方法形成）相反，在根部26附近逐渐趋向零力 矩。如所提及的，朝向根部逐渐趋向零力矩的该连续扭矩分布在结构上远受欢迎。另外关 键的，与"〇斜率@0"方法和"〇斜率@0 CC"方法(参考线48b和48c)相比，"0斜率00CC" 方法在函数分隔处（X = α?〇. 63)具有不带弯折90的扭矩分布，并且因此具有受叶片结 构欢迎的更平滑的梯度分布。如此，特别地使用参考线48b和48c的叶片20引导它们几何 形状以及能够很好地抵偿扭矩，该扭矩产自由于叶片20的后部扫掠42而导致的叶片的被 动扭曲。
[〇〇34] 尽管在本文已经示出和描述了本发明的各种实施方式，将明显的是，仅借由示例 方式提供了这些实施方式。在本文中可以不脱离本发明而做出无数变体、改变和替换。因 此，本发明意在仅由所附权利要求的精神和范围来限制。
【权利要求】
1. 一种扫掠风力涡轮机叶片，包括： 叶片本体，沿着在所述叶片的根部和尖端部之间的长度延伸； 俯仰轴线，延伸穿过所述叶片的根部； 参考线，限定了与所述俯仰轴线的偏差，对应于所述叶片的沿着其长度的扫掠形状； 其中，所述参考线包括： 在所述根部处的零扫掠； 在所述根部处的零斜率； 沿着在从所述叶片的根部至尖端部的长度的25%内的区段的正曲率。
2. 根据权利要求1所述的扫掠风力涡轮机叶片，其中，所述参考线包括在所述根部处 的正曲率。
3. 根据权利要求1所述的扫掠风力涡轮机叶片，其中，所述参考线进一步包括： 第一曲率，由第一函数沿着所述长度的第一部分限定； 第二曲率，由不同于所述第一函数的第二函数沿着所述长度的第二部分限定，所述第 二函数在过渡点处邻接所述第一函数； 其中，所述第一曲率的斜率和所述第二曲率的斜率在所述过渡点处相等。
4. 根据权利要求2所述的扫掠风力涡轮机叶片，其中，所述参考线进一步包括： 第一曲率，由第一函数沿着所述长度的第一部分限定； 第二曲率，由不同于所述第一函数的第二函数沿着所述长度的第二部分限定，所述第 二函数在过渡点处邻接所述第一函数； 其中，所述第一曲率的斜率和所述第二曲率的斜率在所述过渡点处相等。
5. 根据权利要求1所述的扫掠风力涡轮机叶片，其中，所述参考线进一步包括： 第一曲率，由第一函数沿着所述长度的第一部分限定； 第二曲率，由不同于所述第一函数的第二函数沿着长度的第二部分限定，所述第二函 数在过渡点处邻接所述第一函数； 其中，所述第一曲率和所述第二曲率每一个终止在所述过渡点处并且具有相等的曲 率。
6. 根据权利要求4所述的扫掠风力涡轮机叶片，其中，所述第一曲率从在所述根部前 面具有零斜率的区段上的点延伸。
7. 根据权利要求1所述的扫掠叶片，进一步包括，沿着所述长度位于所述正曲率外侧 的负曲率。
8. 根据权利要求1所述的扫掠风力涡轮机叶片，其中，所述参考线包括选自由叶片的 弹性轴线、四分之一弦线、质量线的中心、剪切中心线、前缘线和后缘线构成的组中的组元。
9. 一种风力涡轮机转子，包括根据权利要求1所述的扫掠叶片。
10. -种扫掠风力涡轮机叶片，包括： 叶片本体，沿着在所述叶片的根部和尖端部之间的长度延伸； 俯仰轴线，延伸穿过所述叶片根部；以及 参考线，限定了与所述俯仰轴线的偏差，对应于沿着其长度的所述叶片的扫掠形状； 其中，所述参考线包括： 在所述根部处的零斜率； 沿着所述长度的第一部分的正曲率；以及 沿着所述长度的第二部分的负曲率。
11. 根据权利要求10所述的扫掠风力涡轮机叶片，进一步包括开始于所述叶片的根部 或者在所述叶片根部前面的所述第一部分，以及位于所述第一部分外侧的所述第二部分。
12. 根据权利要求10所述的扫掠风力涡轮机叶片，进一步包括开始于所述叶片根部或 者在所述叶片根部前面的所述第二部分，以及位于所述第二部分外侧的所述第一部分。
13. 根据权利要求10所述的扫掠风力涡轮机叶片，其中，由第一函数沿着所述长度的 第一部分限定所述正曲率，并且由不同于所述第一函数的第二函数沿着所述长度的第二部 分来限定所述负曲率，所述第二函数在过渡点处邻接所述第一函数，以及其中，所述正曲率 的斜率与所述负曲率的斜率在所述过渡点处相等。
14. 根据权利要求10所述的扫掠风力涡轮机叶片，其中，所述参考线包括选自由叶片 的弹性轴线、四分之一弦线、质量线的中心、剪切中心线、前缘线和后缘线构成的组中的组 J Li 〇
15. 根据权利要求10所述的扫掠风力涡轮机叶片，其中，所述正曲率从位于所述根部 前面的具有零斜率的区段延伸。
16. -种风力涡轮机转子，包括根据权利要求10所述的扫掠风力涡轮机叶片。
17. -种扫掠风力气涡轮机叶片，包括： 叶片本体，沿着在所述叶片的根部和尖端部之间的长度延伸； 俯仰轴线，延伸穿过所述叶片的根部； 参考线，限定了与所述俯仰轴线的偏差，对应于所述叶片的沿着其长度的扫掠形状； 其中，所述参考线包括： 在所述根部处的零扫掠； 在所述根部处的零斜率； 由第一函数沿着所述长度的第一部分限定的第一曲率； 由不同于所述第一函数的第二函数沿着所述长度的第二部分限定的第二曲率，所述第 二函数在过渡点处邻接所述第一函数； 其中，所述第一曲率的斜率和所述第二曲率的斜率在所述过渡点处相等。
18. 根据权利要求17所述的扫掠风力涡轮机叶片，其中，所述正曲率布置在所述叶片 的根部处。
19. 根据权利要求17所述的扫掠风力涡轮机叶片，其中，所述正曲率布置在所述叶片 的根部外侧。
【文档编号】F03D1/06GK104066976SQ201380006712
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年1月15日 优先权日:2012年1月25日
【发明者】L.吉林, H.F.汉森, S.J.约翰逊, J.M.奥布雷希特, R.A.西弗斯 申请人:西门子公司