带有尖端锯齿的风力涡轮机叶片的制作方法

本发明涉及一种风力涡轮机叶片，其包括两个或更多个沿着后缘的一部分设置的锯齿。在其他方面中，本发明涉及一种包括至少一个根据本发明的风力涡轮机叶片的风力涡轮机，并且涉及一种用于风力涡轮机叶片的锯齿板。

发明背景

风能由于其清洁、环保的能源产出而变得日益受到大众欢迎。通过使用被生成以使效率最大化的复杂的叶片设计，现代风力涡轮机的转子叶片捕获由运动引起的风能。现今涡轮机叶片可以是在长度上超过80米且在宽度上超过4米。叶片被典型地由纤维增强聚合物材料制成，并且包括压力侧壳体半部和吸力侧壳体半部。典型的叶片的截面轮廓包括用于产生气流的翼型，该气流导致两侧之间压力差。所产生的升力产生用于生成电力的扭矩。

操作挑战典型地包括产生了与风力发电厂操作相关的噪声。因此，声发射消减装置和相关的叶片设计是被日益期望的。为此，现代风力涡轮机叶片有时沿着叶片后缘设置有锯齿，为了减少叶片后缘噪声和/或为了改进风力涡轮机叶片效率。

在这方面，美国专利申请号2009/0074585a1公开了一种风力涡轮机叶片，其设置有被布置在风力涡轮机叶片的表面上使得它们形成锯齿的噪声消减特征。锯齿一般在从根端到尖端的展向（spanwise）方向上在尺寸上减小。在wo2014/086564a1和wo2014/086919a1中公开了类似的方案。

us2012/027590a1公开了一种风力涡轮机叶片，其设置有被布置在调制设计中并与叶片尖端间隔开的噪声消减器。美国专利号5,533,865公开了类似的设计。

此外，风力涡轮机的操作典型地导致了转子叶片下游的叶片尖端涡流的产生。这种涡流可能是不稳定性、空气动力学噪声和相互作用的主要来源。因此，期望在操作期间降低从叶片尖端流出的这种涡流的强度。为此，现有技术方法（特别是用于航空航天应用的方法）包括了对于小翼（winglet）或类似装置的使用。然而，风力涡轮机叶片尖端产生尖端涡及其衰减的确切机制仍未被完全理解。

因此，本发明的一个目的是提供一种具有改进的后缘构造的风力涡轮机叶片。

本发明的另一个目的是改进风力涡轮机的效率，例如风电场中的多个风力涡轮机的效率。

本发明的另一个目的是以简单且有效的方式来改进转子叶片的空气动力学（aerodynamic）。

发明概要

在第一方面中，本发明涉及一种具有成型轮廓的风力涡轮机叶片，所述成型轮廓包括压力侧和吸力侧以及前缘和后缘，所述前缘和所述后缘带有具有在其间延伸的弦长的弦，所述风力涡轮机叶片在根端与尖端之间在展向方向上延伸，所述风力涡轮机叶片包括两个或更多个沿着后缘的一部分设置的锯齿，所述部分从尖端朝向根端展向延伸全部叶片长度的最多5％，其中，最靠近尖端的锯齿具有比所述部分中的至少一个其他锯齿的相应高度和/或宽度大的高度和/或宽度。

本发明人已经发现，如根据本发明所构造的锯齿减轻了叶片尖端涡流的强度。通过根据本发明设计锯齿，最靠近尖端的锯齿产生足够大的抵消了尖端涡流的旋转的涡流。因此，尖端涡流的能量将被更快速地耗散。例如通过减小其大小和/或通过改变其位置，效果是减少了尖端涡流的不期望的影响。

本发明的锯齿可以包括靠近叶片后缘的基部和远离叶片后缘的顶点，名义线从基部的中点延伸到界定了锯齿的高度h的顶点。如本文所使用的，锯齿的宽度是指其基部的宽度。顶点优选地是尖锐的顶点，如锐角顶点，因为它表示两条直线或边缘的成角度的交叉。在其他实施例中，顶点可以是成圆形的或者其他的成平滑的。

在后缘的所述部分中，最靠近尖端的锯齿具有比所述部分中的至少一个其他锯齿的相应高度和/或宽度大的高度和/或宽度。这意味着最靠近尖端的锯齿可以具有大于所述部分中的至少一个其他锯齿的高度的高度，并且/或者最靠近尖端的锯齿的宽度可以具有大于所述部分中的至少一个其他锯齿的宽度的宽度。特别优选的是，最靠近尖端的锯齿具有比所述部分中的至少一个其他锯齿的表面面积大的表面面积，如大于所述部分中的每一个其他锯齿的表面面积。

锯齿可以具有基本上均匀的厚度。锯齿可例如由被附接到叶片上的板或者被夹在压力侧壳体部分与吸入侧壳体部分之间的板来形成。替代地，锯齿可以包括在它们的相应顶点端部处朝向彼此逐渐变细的顶面和底面。

锯齿可以是三角形，具有约为1:1至4:1（如2:1）的高度h与宽度w的顶点比。高度h可被选择为代表在锯齿的中点处的叶片弦长的10％和40％。锯齿的高度h可以在100毫米与250毫米之间。

在一些实施例中，后缘的所述部分（其包括两个或更多个锯齿）从尖端朝向根端展向延伸全部叶片长度的最多4％，如最多3％或最多2％，其中，最靠近尖端的锯齿具有比所述部分中的至少一个其他锯齿的相应高度和/或宽度大的高度和/或宽度。

本发明的风力涡轮机叶片可以在所述后缘部分外侧包括附加的锯齿或类似的表面结构，所述后缘部分从尖端朝向根端展向延伸全部叶片长度的最多5％。这种附加的锯齿可以具有不同的形状和大小，只要满足前面讨论的关于所述后缘部分中的锯齿的要求。

在优选实施例中，最靠近尖端的锯齿具有比所述部分中的至少两个其他锯齿的相应高度和/或宽度大的高度和/或宽度。在一些实施例中，所述部分包括三个或更多个锯齿，其中，最靠近尖端的锯齿具有比所述部分中的至少两个其他锯齿的相应高度和/或宽度大的高度和/或宽度（优选地是高度和宽度二者）。跟随着最靠近尖端的锯齿的这些锯齿—如在展向方向上朝向根端所看到的—可以具有相同的尺寸或者可以在尺寸上逐渐减小。

根据一个实施例，所述部分包括：最靠近尖端并具有第一高度和第一宽度的第一锯齿、远离尖端并具有第二高度和第二宽度的第二锯齿、以及更远离尖端并具有第三高度和第三宽度的第三锯齿，其中，第一高度大于第二高度，并且其中，第二高度大于第三高度。第一宽度可以有利地大于第二宽度，第二宽度转而可以大于第三宽度。

根据一个优选实施例，最靠近尖端的锯齿具有比所述部分中的所有其他锯齿的相应高度和/或宽度大的高度和/或宽度。优选地，所述部分中的锯齿的高度和/或宽度朝向尖端逐渐增加。在一些实施例中，每个锯齿的表面面积朝向所述部分中的尖端每锯齿增加至少5％。

根据另一实施例，叶片的弦长从尖端朝向根端在整个所述部分中增加。优选地，叶片的弦长从尖端到所述部分的相对端增加至少5%，如至少10%。

根据另一实施例，叶片包括沿着所述部分设置的三个或更多个锯齿，如至少四个或至少五个锯齿。

根据另一实施例，尖端与最靠近尖端的锯齿的基部的中点之间的展向距离是在5毫米与500毫米之间，优选为在10毫米与400毫米之间，最优选为在50毫米与400毫米之间。

根据另一实施例，一个或多个锯齿被布置在风力涡轮机叶片上方的流的入射处，即，与叶片后缘处的叶片上方的流方向成角度。在一个实施例中，所述锯齿朝向风力涡轮机叶片的压力侧成角度。在另一实施例中，所述锯齿朝向风力涡轮机叶片的吸力侧成角度。布置在入射处的锯齿可能导致顺流涡对的产生。优选地，所述锯齿是以与弦线成0度至45度之间（优选为1度至25度之间，如5度至20度之间）的角度与风力涡轮机叶片上方的流方向成角度。

根据另一实施例，一个或多个锯齿是以与弦线成1度至45度之间（优选为1度至25度之间）的角度进行布置。在一些实施例中，一个或多个锯齿可以朝向叶片的压力侧成角度。在其他实施例中，一个或多个锯齿可以朝向叶片的吸力侧成角度。在一个实施例中，最接近尖端的锯齿是以与弦线成5度至45度的角度进行布置。

根据另一实施例，锯齿是被布置为与后缘流线基本上共面。

根据另一实施例，锯齿是三角形，具有约为0.5:1至4:1（如从1:1至3:1，或1.5:1至2.5:1，如2:1）的高度h与宽度w的顶点比。已经发现这种形状的锯齿对于由本发明所实现的空气动力学效果特别有利。

在一个优选实施例中，每个锯齿的高度h对应于锯齿的基部的中点处的叶片弦长的10%至40％，如15%至35％。

优选地，锯齿的高度h是在100毫米与250毫米之间，如在120毫米与200毫米之间。在一些实施例中，最靠近尖端的锯齿的高度h是至少150毫米，如至少200毫米或至少250毫米。

根据另一实施例，尖端进一步包括小翼或叶尖叶片。此类实施例在进一步改进操作根据本发明的风力涡轮机的空气动力学中可以是有用的。

在另一方面中，本发明涉及包括至少一个根据本发明的风力涡轮机叶片的风力涡轮机。在一个优选实施例中，所述风力涡轮机是风电场的一部分，该风电场包括根据本发明的一个或多个其他风力涡轮机。

在另一方面中，本发明涉及一种用于风力涡轮机叶片的锯齿板，其中，所述板被布置为附接到叶片的后缘，以在叶片的后缘处形成多个锯齿，其中，所述板包括两个或更多个锯齿，其中，当所述板被附接到叶片时，最靠近尖端的锯齿具有比所述板的至少一个其他锯齿的相应高度和/或宽度大的高度和/或宽度。这种板可以代表一种简单且成本有效的方式用来使用本发明的技术对现有风力涡轮机叶片进行升级。将锯齿板构造为被布置成使得当所述板附接到叶片的后缘时，具有最靠近叶片尖端的较大的锯齿。

优选地，当所述板被附接到叶片时，最靠近尖端的锯齿具有比所述板的至少两个其他锯齿的相应高度和/或宽度大的高度和/或宽度。根据一个优选实施例，当所述板被附接到叶片时，最靠近尖端的锯齿具有比所述板的所有其他锯齿的相应高度和/或宽度大的高度和/或宽度。优选地，当所述板被附接到叶片时，所述板的锯齿的高度和/或宽度朝向尖端逐渐增加。

发明详细说明

下面参考附图中所示的实施例来详细解释本发明，其中

图1示出了风力涡轮机，

图2示出了风力涡轮机叶片的示意图，

图3示出了通过图4的截面i-i的翼型轮廓的示意图，

图4示出了从上面和从侧面看到的风力涡轮机叶片的示意图，

图5阐释了一组后缘锯齿，

图6示出了根据本发明的风力涡轮机叶片的示意图，

图7是根据本发明的风力涡轮机叶片的尖端的俯视图，

图8是根据本发明的风力涡轮机叶片的尖端的侧视图，以及

图9是根据本发明的锯齿板的立体图。

详细说明

图1阐释了根据所谓的“丹麦概念”的常规的现代迎风式风力涡轮机，其具有塔架4、机舱6以及具有基本上水平的转子轴的转子。转子包括轮毂8和从轮毂8径向地延伸的三个叶片10，每个叶片具有最靠近轮毂的叶片根部16和最远离轮毂8的叶片尖端14。转子具有用r表示的半径。

图2示出了根据本发明的风力涡轮机叶片10的第一实施例的示意图。风力涡轮机叶片10具有传统的风力涡轮机叶片的形状，并且包括：最靠近轮毂的根部区域30、最远离轮毂的成型（profiled）或翼型（airfoil）区域34、以及位于根部区域30与翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括前缘18和后缘20，前缘18在叶片被安装在轮毂上时面向叶片10的旋转方向，并且后缘20面向前缘18的相反方向。

翼型区域34（也被称为成型区域）具有关于产生升力的理想的或者近乎理想的叶片形状，而根部区域30由于结构上的考虑具有基本上圆形或椭圆形的横截面，这例如使其更容易且更安全地将叶片10安装到轮毂上。根部区域30的直径（或弦）可以沿着整个根部区域30是恒定的。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形形状向翼型区域34的翼型轮廓逐渐变化的过渡轮廓。过渡区域32的弦长典型地随着距轮毂的距离r的增加而增加。翼型区域34具有翼型轮廓，该翼型轮廓具有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的弦。弦的宽度随着距轮毂的距离r的增加而减小。

叶片10的肩部40被界定为这样的位置，在该处叶片10具有其最大的弦长。肩部40被典型地设置在过渡区域32与翼型区域34之间的边界处。

应注意到，叶片的不同区段的弦通常不位于共同的平面中，因为叶片可能被扭转和/或被弯曲（即预弯），从而提供了具有被相应地扭转和/或弯曲的线路的弦平面，这是最常见的情况，以补偿取决于距轮毂的半径的叶片的局部速度。

图3和图4描绘了参数，这些参数可用于解释将根据本发明制造的叶片壳体部件的几何形状。

图3示出了以各种参数所描绘的风力涡轮机的典型叶片的翼型轮廓50的示意图，这些参数被典型地用来界定翼型的几何形状。翼型轮廓50具有压力侧52和吸力侧54，它们在使用期间-即在转子的旋转期间-通常分别面向迎风（或逆风）侧和背风（或顺风）侧。翼型50具有弦60或弦线，弦60或弦线具有在叶片的前缘56与后缘58之间延伸的弦长c。翼型50具有厚度t，其被界定为压力侧52与吸力侧54之间的距离。翼型的厚度t沿着弦60变化。与对称轮廓的偏离是由拱形线62来给定的，拱形线62是穿过翼型轮廓50的中线。该中线可以通过绘制从前缘56到后缘58的内接圆来建立。该中位线遵循这些内接圆的中心，并且距弦60的偏离或距离被称为拱高f。也可通过使用被称为上拱高（或吸力侧拱高）和下拱高（或压力侧拱高）的参数来界定不对称性，上拱高（或吸力侧拱高）和下拱高（或压力侧拱高）被分别界定为从弦60到吸力侧54和压力侧52的距离。

翼型轮廓通常通过下列参数来表征：弦长c、最大拱高f、最大拱高f的位置df、最大翼型厚度t（其为沿中位拱线62的内接圆的最大直径）、最大厚度t的位置dt、以及鼻部半径（未示出）。这些参数被典型地界定为与弦长c之比。因此，局部相对叶片厚度t/c被给定为局部最大厚度t与局部弦长c之间的比。另外，最大压力侧拱高的位置dp可以用作设计参数，并且最大吸力侧拱高的位置当然也可用作设计参数。

图4示出了叶片的其他几何参数。叶片具有全部叶片长度l。如图3中所示，根端位于位置r=0处，并且尖端位于r=l处。叶片的肩部40位于位置r=lw处，并且具有肩部宽度w，肩部宽度w等于肩部40处的弦长。根部的直径被界定为d。过渡区域中的叶片的后缘的曲率可以由两个参数进行界定，即：最小外曲率半径ro和最小内曲率半径ri，它们被分别界定为从外部（或在后缘的后面）所看到的后缘的最小曲率半径，以及从内部（或在后缘的前面）所看到的最小曲率半径。另外，叶片设置有预弯曲，其被界定为δy，其对应于自叶片的俯仰轴线22的平面外偏转。

参见图5，多个普通锯齿100的放大视图被示出来阐释锯齿的一些尺寸。锯齿100包括被布置在风力涡轮机叶片10的后缘20处的基端102和延伸到叶片后缘20的下风处的顶点104。从基端102的中点延伸到顶点104的概念线界定了锯齿的高度h。此外，每个锯齿具有其底部的宽度w。所阐释的锯齿是基本上平面，但是将理解的是，锯齿可以在深度或厚度上变化，特别是具有锥形或倒角的边缘。锯齿100被示为具有基本上对应于等腰三角形的轮廓，但是将理解的是，可以使用其他锯齿形状轮廓，例如弯曲或波浪形轮廓、锯齿状边缘等。

图6是根据本发明的风力涡轮机叶片的示意图。叶片10包括沿着后缘20的一部分s设置的三个锯齿100a、100b、100c。该部分s从尖端14朝向根端展向延伸全部叶片长度l的5％。最靠近尖端的锯齿100a的高度和宽度大于所述部分s中的另外两个锯齿100b、100c的相应高度和宽度。此外，所述部分s中的锯齿100a、100b、100c的高度和宽度朝向尖端14逐渐增加。

在图7和图8中阐释了类似的实施例。在此，叶片沿着后缘20的一部分包括四个锯齿100a、100b、100c、100d。最靠近尖端的锯齿100a的高度和宽度大于所述部分中的其他锯齿的相应高度和宽度。同样，所述部分中的锯齿100a、100b、100c、100d的高度和宽度朝向尖端14逐渐增加。图7和图8还阐释了由叶片的尖端14并且由锯齿100a、100b、100c、100d所产生的涡流64。

在图9中所阐释的实施例中，锯齿100a、100b被设置为用于附接到风力涡轮机叶片的后缘上的锯齿板66的一部分。板66包括用于附接到叶片上的基部部分68，锯齿100a、100b被布置为与板基部部分68成一定角度，使得锯齿100a、100b被布置在风力涡轮机叶片上方的空气流的入射处。风力涡轮机叶片上方的空气流的方向通常由箭头f表示。如图9中所看到的，当板被附接到叶片时，最靠近尖端的锯齿100a的高度大于板66的另一锯齿100b的高度。

本发明不限于本文中所描述的实施例，并且在不脱离本发明范围的情况下可以进行修改或调整。

参考标号列表

2风力涡轮机

4塔架

6机舱

8轮毂

10叶片

14叶片尖端

16叶片根部

18前缘

20后缘

22俯仰轴线

30根部区域

32过渡区域

34翼型区域

40肩部/最大弦线的位置

50翼型轮廓

52压力侧

54吸力侧

56前缘

58后缘

60弦

62拱形线/中线

64涡流

66锯齿板

68板基部部分

100锯齿

102锯齿基部

104锯齿顶点

c弦长

dt最大厚度的位置

df最大拱高的位置

dp最大压力侧拱高的位置

f拱高

l叶片长度

r局部半径，距叶片根部的半径距离

t厚度

δy预弯曲

h锯齿高度

w锯齿宽度

s后缘的一部分