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CN101592122B - 带有扭转梢部的风力涡轮机叶片 - Google Patents

带有扭转梢部的风力涡轮机叶片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及带有扭转梢部的风力涡轮机叶片。一种用于风力涡轮机2的叶片10，包括在叶片的转子半径的外侧约1％至约10％之间的介于约6度和约15度之间的总体向后扭转(图6，23-24段)。

Description

带有扭转梢部的风力涡轮机叶片
技术领域
此处所描述的主题大致涉及带有特定叶片结构的流体反应面，且更具体地，涉及具有带扭转梢部的叶片的风力涡轮机。
背景技术
风力涡轮机是用于将风的动能转化成机械能的机器。如果机械能由机器直接使用，例如用于泵水或磨谷物，则风力涡轮机可称为风车。类似地，如果机械能被转换成电，则该机器也可称为风力发电机或风力发电设备。
风力涡轮机一般根据叶片旋转所绕的竖直或水平轴线进行分类。一种所谓的水平轴线风力发电机示意性地示于图1中，并可从通用电气公司获得。用于风力涡轮机2的这种特定构造包括对包围传动系8的吊舱6进行支承的塔架4。叶片10布置在毂上以在吊舱6外部于传动系8的一端处形成“转子”。旋转叶片10驱动变速箱12，变速箱12在驱动系8的另一端处连接到发电机14上，其与接收来自风力计18的输入的控制系统16一起布置在吊舱6内。
叶片10产生升力且捕获来自流动的空气的动量，然后随着叶片在转子平面内转动而将其赋予转子。各叶片通常在其“根部”端处固定，且“径向地”向外“跨至”自由“梢部”端。叶片的前部或“前缘”与首先接触空气的叶片最前点相接。叶片的后部或后缘是已经由前缘分离的气流在经过叶片的吸力面和压力面后重新结合的地方。“翼弦线”沿越过叶片的典型气流的方向连接叶片的前缘边缘和后缘边缘。翼弦线的长度简称为“翼弦”。
叶片10的外端称为“梢部”，而从梢部到叶片的相对端处的根部的距离称为“跨距”。由于当其连接到毂上时叶片10的根部偏离叶片的旋转中心，从叶片10的旋转中心到梢部的距离称为“转子半径”，并且在此以字母R表示。由于许多叶片10改变它们跨过跨距(及对应的转子半径)的翼弦，所以在靠近根部处翼弦长度称作“根部翼弦”，且在靠近叶片梢部处为“梢部翼弦”。当垂直于流动的方向观察时，所得到的叶片10的形状称为“平台”。叶片10的厚度跨越平台发生变化，且对于任何特定的翼弦线，用语“厚度”通常用于描述低压吸入面和在叶片的相对侧上的高压面之间的最大距离。
“迎角”为用于描述叶片10的翼弦线与代表叶片与空气之间的相对运动的向量之间的角度的用语。“俯仰”指使整个叶片10的迎角旋转切入和切出风以控制旋转速度和/或自风中对能量的吸收。例如，使叶片“朝顺浆(feather)”俯仰使得叶片10的前缘旋转切入风中，而使叶片“朝失速(stall)”俯仰使得叶片的前缘旋转切出风。
由于叶片10相对于空气的速度沿旋转叶片的跨距增加，所以叶片的形状通常扭转以在沿叶片的跨距的大多数点处保持基本一致的迎角。例如，图2示出了传统叶片扭转分布20，其显示了叶片10的在竖直轴线上的以度表示的“扭转”角θ。图2中的水平轴线显示了沿毂和叶片跨距从叶片10的旋转中心向外的归一化距离，“r/R”，这里称为“转子半径的百分比”。由于毂的与叶片10的长度相比相对较小的尺寸，所以该“转子半径的百分比”也可近似为从叶片的根部开始向外的归一化距离，或“跨距的百分比”，而不是从叶片的旋转中心开始。
这些图中的扭转角θ的正值表示叶片朝顺浆扭转，而负值表示叶片朝失速扭转。扭转角θ大致从大的正值开始向内(朝顺浆)，并然后沿叶片的跨距在向外的方向上朝失速“旋转”。该变化称为叶片的“向前扭转”。当扭转角朝顺浆旋转时，该变化称为“向后扭转”。扭转角θ的零值表示当叶片以零俯仰布置在转子8上时叶片10的部分将处于转子平面中。
图3为图2中示出的扭转分布20的放大部分，其中整个叶片10也已经向前俯仰。由于图3示出了靠近梢部的叶片10外侧部分的扭转分布，其也称为“梢部扭转分布”。图3对应于以下数据：r/R       θ-2096.00％    -1.6396.80％    -1.6897.40％    -1.6698.06％    -1.6298.56％    -1.5499.06％    -1.3599.56％    -0.58100.00％   1.67然而，也已公开了其它梢部扭转分布。例如，公开号为NREL/SR-500-26173(1999.4)的“Design of Tapered and Twisted Bladefor the NREL Combined Experiment Rotor(用于NREL组合实验转子的渐缩和扭转叶片的设计)”说明了从跨距的75％到叶片梢部为负值的扭转分布。
风力涡轮机叶片10的噪音和动力性能部分取决于叶片的梢部处的涡流形成。已经提出了各种技术来控制这种涡流形成。例如，2007年7月12日提交的序列号为11/827,532(律师档案号225992)的共同拥有共同未决的美国申请公开了一种具有用于减少噪音的涡流破坏系统风力涡轮机叶片。虽然涡流形成可大体上通过最小化叶片梢部处的空气动力学载荷来减少，但所谓的“梢部卸载”通常导致由叶片产生的动力的显著减少。
发明内容
与这样的传统方法相关的这些和其它缺点在此通过如下方式来解决：在各种实施例中提供用于风力涡轮机的、包括在叶片转子半径的外侧约1％至约10％之间介于约6度和约15度之间的总体向后扭转的叶片。
附图说明
现在将参看附图(“图”)来描述该技术的各方面，附图不一定按比例绘制，但是贯穿若干附图的各附图使用相同的参考标号来表示对应的部件。
图1为传统风力发电机的示意性侧视图。
图2为图示了用于图1中示出的叶片的传统扭转分布的图表。
图3为图示了来自图2的传统梢部扭转分布的图表。
图4为图示了来自图2的传统叶片扭转分布和另一叶片扭转分布的图表。
图5为图示了另一叶片梢部扭转分布和公差范围以及来自图3的传统梢部扭转分布的图表。
图6为图示了各种其它叶片梢部扭转分布的图表。部件列表：2.风力涡轮机4.塔架6.吊舱8.驱动系10.叶片12.变速箱14.发电机16.控制系统18.风力计20.扭转分布30.扭转分布31.梢部扭转分布312.上公差带314.下公差带32.梢部扭转分布33.梢部扭转分布34.梢部扭转分布35.梢部扭转分布36.梢部扭转分布37.梢部扭转分布38.梢部扭转分布
具体实施方式
图4为示出了来自图2的传统叶片扭转分布20和另一叶片扭转分布30的图表。除了靠近叶片10的梢部处的叶片转子半径外侧部分之外，叶片扭转分布20和30相同，其中所示的扭转分布30大致对应以下数据：r/R      θ-300.952128  -2.409790.973404  -0.289830.978723  0.9995730.984043  2.2920610.989362  3.4212590.994681  4.2207881         4.52427与传统扭转分布20相比，分布30的外侧部分包括比传统扭转分布20的对应部分更大的总体向后梢部扭转。分布30的梢部扭转部分还可用于其它叶片，包括具有其它向内扭转分布的叶片。扭转分布30也可俯仰。
扭转分布30的外侧梢部扭转部分还可采用各种其它形式。例如，图5示出了传统梢部扭转分布20和另一梢部扭转分布31，其中叶片10已经进行了俯仰，使得0.96r/R归一化转子半径(约总跨距的96％)处的扭转对应于零度扭转布置在转子平面中。图5中的虚线312和3 14进一步示出了对于扭转分布31的大部分梢部部分的约±1.5度扭转的上下公差带。图5中显示的扭转分布31和公差带312和314对应以下数据：r/R      θ-31        θ-312       θ-3140.96      0            0            00.968     0.865823127  2.365823127  -0.634180.974     2.622128497  4.122128497  1.1221280.98064   4.613066853  6.113066853  3.1130670.98564   6.032056696  7.532056696  4.5320570.99064   7.160486604  8.660486604  5.6604870.99564   7.798481894  9.298481894  6.2984821         7.798481894  9.298481894  6.298482
在图5中，上下公差极限312和3 14图示为在96％转子半径处会聚于实际扭转分布上，其中对于叶片的其它部分，扭转公差带可不同或相同。然而，上下公差极限312和314不必如图5所示彼此会聚于扭转分布31。此外，还可使用其它公差范围，包括大到±3度，±2度及小到±1度，±0.75度，±0.5度，±0.25度和/或其组合。这些以及其它适合的公差范围还可根据归一化及实际跨距和/或归一化及实际扭转百分比来表达。
图6示出了用于扭转分布30及传统梢部扭转分布20的外侧部分的若干其它构造，其对应以下数据：从该数据和图6中将明显可见的是，梢部扭转分布中的若干分布交迭。例如，对于小于99.56％的r/R，梢部扭转分布35和38包括相同的数据。
图6中的梢部扭转分布32至38具有在约六度和十五度之间的总体向后扭转。例如，分布32的总体向后扭转为约6.30度，而分布38的总体向后扭转为约15.63度。然而，这些和其它适当地梢部扭转分布也可设为在约六度和十度之间的总体向后扭转。图6中显示的梢部扭转分布发生在叶片转子半径的外侧4％上。然而，这些和其它适当的梢部扭转分布可设置在叶片转子半径的外侧百分之一至百分之十之间，或叶片转子半径的外侧百分之一至百分之五之间。
在图6中示出的各实施例中，扭转角θ在转子半径的外侧部分的至少一部分上增加，如梢部扭转分布线的斜率所表示。例如，梢部扭转分布的斜率，或由扭转角θ相对于转子半径百分比r/R的变化表示的“扭转率”(或“扭转的速率”，或“扭转速度”)，对于梢部扭转分布34而言基本上不变。然而，梢部扭转分布也可为由梢部扭转分布线的曲率表示的曲线形，其具有在转子半径的部分或整个外侧部分上增加和/或减小的扭转率。例如，梢部扭转分布32的扭转率在所示分布的外侧部分中增加，而梢部扭转分布的扭转率在该分布的外侧部分中减小。梢部扭转分布35的扭转率在该分布的内侧部分中增加，且在该分布的外侧部分中减小。在这些和其它适当的梢部扭转分布上，梢部扭转分布的该变化斜率、扭转分布的曲率或“扭转加速度”也可增加和/或减小。
在图6中示出的各实施例中，扭转角θ在转子半径的外侧部分的至少一部分上增加，如梢部扭转分布线的斜率所示。例如，梢部扭转分布的斜率，或由扭转角θ相对于转子半径的百分比r/R的变化所表示的“扭转率”(或“扭转的速率”，或“扭转速度”)，对于梢部扭转分布34基本上不变。然而，梢部扭转分布也可为曲线形的，其具有在跨距的部分或整个外侧部分上增加和/或减小的扭转率斜率。例如，梢部扭转分布32的扭转率在所示分布的外侧部分中增加，而梢部扭转分布36的扭转率在该分布的外侧部分中减小。梢部扭转分布35的扭转率在该分布的内侧部分中增加，且在该分布的外侧部分中减小。在这些和其它适当的梢部扭转分布上，梢部扭转分布的该变化的斜率或“扭转加速度”也可增加和/或减小。
以上讨论的各种梢部扭转分布提供高叶片动力性能、低的梢部相关噪音以及对湍流的较小敏感度。虽然典型的向后扭转分布在叶片10的最梢部处提供了几乎所有卸载，但以上所讨论的梢部扭转分布中的许多在梢部的稍内侧对叶片进行卸载，而在叶片的最梢部处有很小的或没有扭转变化。在叶片10的外侧端处对叶片10的有益卸载导致提高了的动力性能以及更低的噪音。这里公开的梢部扭转分布还提供了叶片的最端部处空气动力学载荷的急剧下降(其倾向于产生噪音梢部涡流)与叶片负载的更加渐进的减小(其导致叶片的大部分上的次最优的动力性能)之间的最佳平衡。此外，这里公开的梢部扭转分布在叶片的更长部分上保持相对较大的翼弦，以提供更高的动力性能和对风流入速度的变化的更小的敏感性。这样的更高可靠性的梢部形状还使得能够以更高的精度制造在空气动力学上对于物理上不变的轮廓偏差更加不敏感的叶片，这种叶片具有用于排水孔的更多空间和叶片梢部处的闪电保护。
应强调的是，以上描述的实施例，尤其是任何的优选实施例，仅是各种实施方式的实例，已在此对这些实施方式进行了阐述，以提供对该技术的各方面的清楚的理解。本领域的普通技术人员将能够更改这些实施例中的许多实施例，而基本上不偏离仅由所附权利要求的适当诠释所限定的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于风力涡轮机(2)的叶片(10)，包括在所述叶片的转子半径的外侧1％至10％之间的介于6度和15度之间的总体向后扭转。
2.根据权利要求1所述的叶片(10)，其特征在于，所述总体向后扭转在所述叶片转子半径的外侧1％至10％之间介于6度和10度之间。
3.根据权利要求1所述的叶片(10)，其特征在于，所述总体向后扭转在所述叶片转子半径的外侧1％至5％之间介于6度和15度之间。
4.根据权利要求2所述的叶片(10)，其特征在于，所述总体向后扭转在所述叶片转子半径的外侧1％至5％之间的介于6度和10度之间。
5.根据权利要求4所述的叶片(10)，其特征在于具有以下梢部扭转分布：
其中，r/R为沿着叶片跨距从叶片的旋转中心向外的近似归一化距离，而θ为以度表示的扭转的近似角度。
6.根据权利要求5所述的叶片(10)，其特征在于，所述梢部扭转分布还包括在6.17度和14.0度之间的θ值以及在0.996和1.0之间的r/R值。
7.根据权利要求5所述的叶片(10)，其特征在于，所述梢部扭转分布还包括在6.17度和14.0度之间的θ值以及1.0的r/R值。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的叶片(10)，其特征在于，在所述叶片转子半径的外侧1％至10％上，所述向后扭转相对于所述叶片转子半径的百分比的变化率基本上不变。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的叶片(10)，其特征在于，在所述叶片转子半径的外侧1％至10％的至少一部分上，所述向后扭转相对于所述叶片转子半径的百分比的变化率增加。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的叶片(10)，其特征在于，在所述叶片转子半径的外侧1％至10％的至少一部分上，所述向后扭转相对于所述叶片转子半径的百分比的变化率减小。
11.根据权利要求9所述的叶片(10)，其特征在于，在所述叶片转子半径的外侧1％至10％的至少一部分上，所述向后扭转相对于所述叶片转子半径的百分比的变化率减小。
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