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CN103097722B - 具有窄肩和相对厚的翼型型面的风力涡轮机叶片 - Google Patents

具有窄肩和相对厚的翼型型面的风力涡轮机叶片 Download PDF

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CN103097722B
CN103097722B CN201080068992.1A CN201080068992A CN103097722B CN 103097722 B CN103097722 B CN 103097722B CN 201080068992 A CN201080068992 A CN 201080068992A CN 103097722 B CN103097722 B CN 103097722B
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Abstract

一种用于具有基本水平转子轴的风力涡轮机（2）的转子的叶片（10），所述转子包括毂（8），所述叶片（10）当被装至所述毂（8）时基本在径向方向上从所述毂（8）延伸，提出具有横向方向和具有末梢端（16）和根部端（14）的纵向方向（r）的所述叶片。所述叶片还包括：成型轮廓，所述成型轮廓包含压力侧和吸力侧、以及前缘（18）和后缘（20）并带有具有在所述前缘（18）和所述后缘（20）之间延伸的弦长（c）的弦，所述成型轮廓当被入射气流冲击时产生升力，其中所述成型轮廓被分为：具有最接近所述毂的基本圆形或椭圆形型面的根部区域（30）、具有最远离所述毂的升力产生型面的翼型区域（34）、以及在所述根部区域（30）与所述翼型区域（34）之间的过渡区域（32），所述过渡区域（32）具有从所述根部区域的所述圆形或椭圆形型面向所述翼型区域的所述升力产生型面在径向方向上逐渐改变的型面。具有肩宽（W）的肩（40）位于所述过渡区域（32）与所述翼型区域（34）之间的边界处。所述叶片（10）具有叶片长（L），以及所述成型轮廓包括被定义为最大型面厚度（t）与所述弦长（c）之间的局部比率的局部相对厚度。所述肩宽（W）与所述叶片长（L）之间的比率小于或等于0.075，且在0-0.8L的叶片长区间中的所述相对厚度（t/c）为至少22％。

Description

具有窄肩和相对厚的翼型型面的风力涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及用于具有基本水平转子轴的风力涡轮机的转子的叶片，所述转子包括毂，叶片当被装至毂时基本在径向方向上从毂延伸，叶片具有横向方向和具有末梢端和根部端的纵向方向，叶片还包括：成型轮廓，成型轮廓包含压力侧和吸力侧、以及前缘和后缘并带有具有在前缘与后缘之间延伸的弦长的弦，成型轮廓当被入射气流冲击时产生升力，其中成型轮廓被分为：具有最接近毂的基本圆形或椭圆形型面的根部区域、具有最远离毂的升力产生型面的翼型区域、以及在根部区域与翼型区域之间的过渡区域，过渡区域具有从根部区域的圆形或椭圆形型面到翼型区域的升力产生型面在径向方向上逐渐改变的型面、以及具有肩宽并且位于过渡区域与翼型区域之间的边界处的肩（shoulder），其中叶片具有叶片长，以及成型轮廓包括被定义为最大型面厚度与弦长之间的局部比率的局部相对厚度。
背景技术
风力涡轮机制造商一直致力于提高他们的风力涡轮机的效率以便于最大化年发电量。此外，风力涡轮机制造商对延长他们的风力涡轮机模型的寿命感兴趣，因为开发新的风力涡轮机模型花费长时间和许多资源。一种提高风力涡轮机的效率的显而易见的方法是提高风力涡轮机叶片的效率，致使风力涡轮机能在给定风速下产生较高的功率输出。然而，风力涡轮机模型的叶片不能被人用其他更具效率的叶片任意地替换。风力涡轮机模型被从转子与叶片将尺寸定到特定的负载范围。因而，必须确保的是新的风力涡轮机叶片遵从风力涡轮机模型的设计规格，而且还必须确保的是风力涡轮机叶片自身遵从保修（warranty）问题，而且被制造成维持至少一定年数而不损坏。
发明内容
本发明的目的是得到新的风力涡轮机叶片，其被设计成遵从某先前的设计规格或给现有的叶片提供有用的代用品。
根据本发明的第一方面，所述目的通过前述类型的风力涡轮机叶片获得，其中肩宽与叶片长之间的比率小于或等于0.075，且在0-0.8L的叶片长区间中的相对厚度为至少22％。
因而，看得见本发明提供细长且相对厚的风力涡轮机叶片。所以，最小化叶片的负载是可能的，因为叶片的总面积被最小化，因而降低了例如风暴负载。此外，相对厚的叶片更坚硬，由于负载携带结构进一步地被间隔开，这继而意味着叶片壳体可以被制造得更薄。因而总体质量可以被控制（keepdown）。然而，使用窄的肩宽和相对厚的叶片型面的组合已被惊人地发现明显增加这样的叶片的年发电量（AEP），尤其因为如果设有这样的叶片的风力涡轮机上施加近似相同负载，则叶片可以被制造地比现有叶片更长。然而，如果有人仅使用这两个措施中的一个来减少负载，则AEP会降低。
肩在此处被定义为风力涡轮机叶片具有其最大弦长的位置。从根部端到末梢端定义长度区间，因而根部端定位于r=0处，而末梢端定位于r=L处。
优选地，叶片是预弯曲的或预应力的。在这样的一种具体实施方式中，叶片朝叶片的压力侧被弯曲，即被弯曲致使叶片当被安装在逆风风力涡轮机上时（至少在相对低的风速下）远离风力涡轮机的塔架弯曲。在例如设计风速下操作时，叶片由于进风以及叶片的压力侧（或相应地逆风或上风侧）和叶片的吸力侧（或相应地顺风或下风侧）上各自的压力分布而伸直，因而最大化了转子平面中由叶片扫过的面积。预弯曲叶片使甚至进一步降低叶片的硬度成为可能，从而减少所需的材料并从而也减少叶片的负载。
总而言之，看得见具有相对高厚度而且设有结合的预弯曲的细长的叶片或窄肩提供具有比现有技术叶片低的负载的叶片。
在一种具体实施方式中，肩宽与叶片长之间的比率小于或等于0.073，且有利地小于或等于0.0725，并且更有利地小于或等于0.072。这些具体实施方式都提供相对细长，即具有小的最大弦长的叶片。
在另一种具体实施方式中，在0-0.8L的叶片长区间中的相对厚度为至少23％，有利地为至少23.5％，且更有利地为至少24％。这样的型面具有比常规叶片明显更大的相对叶片厚度，尤其是在从0.65L-0.8L的区域中。
在又一种有利的具体实施方式中，在0-0.8L的叶片区间中的相对叶片厚度为至少25％，或至少26％。
有利地，叶片长为至少40米，更有利地为40米与50米之间。已发现提出的细长度和厚度特别适于这些叶片长。
在一种有利的具体实施方式中，根部区域具有在叶片的根部端处的根部直径，其中肩宽与根部直径之间的比率为1.6或更小。通过具有低的肩宽对根部直径半径的比，在过渡区域中具有叶片的后缘和前缘的小的发散是可能的，这继而意味着后缘和前缘各自的曲率可以被保持较低。因而，根据特别有利的具体实施方式，后缘具有在叶片的纵向方向上没有任何中断的光滑形状。该特殊情况应用于叶片的过渡区域，且包含从叶片的根部区域到过渡区域的过渡以及从过渡区域到翼型区域的过渡。从制造观点出发，这样的具体实施方式是吸引人的，因为其使在用于制造的模具中实施纤维层铺设（layup）更加容易。而且，将明显减少在这样的叶片的正常操作期间影响后缘的负载。
在另一种有利的具体实施方式中，后缘具有带有于后缘外部的外半径的曲率，其在所有位置处为至少0.2L，有利地为至少0.22L，且更有利地为至少0.24L。根据一种具体实施方式，最小外半径的位置位于0.04L与0.06L之间，有利地在0.045L与0.055L之间。
在又一种有利的具体实施方式中，后缘具有带有于后缘内部的内半径（Ri）的曲率，其在所有位置处的为至少0.2L，有利地为至少0.225L，且更有利地为至少0.25L。根据一种具体实施方式，最小外半径的位置位于0.16L与0.20L之间，有利地在0.19L与0.21L之间。
大的后缘半径（内和/或外）确保低的后缘曲率，从制造观点出发这意味着可以在纤维层不起皱的情况下实施纤维铺设。这继而确保在树脂注入和固化之后的完成的叶片壳体不包括有害的机械性能。
由于叶片的扭转（twist）和三维设计，可能难以确定后缘的确切位置。所以，在一种具体实施方式中当在0度纵摇（pitch）处从上观察叶片时内和外半径可以通过将叶片投射到一个平面中来推导出。
在一种具体实施方式中，肩位于0.18L与0.25L之间，有利地在0.19L与0.24L之间的区间中。在一种有利的具体实施方式中，具有在40-45米区间中的长度的风力涡轮机叶片具有位于0.19L与0.21L之间的肩。在具有在45-50米区间中，有利地在46.5-48.5米区间中的长度的风力涡轮机叶片的另一种具体实施方式中，肩位于0.22L与0.24L之间。
在另一种具体实施方式中，前缘具有在叶片的纵向方向上没有任何中断的光滑形状。有利地，叶片包括纵摇轴，并且其中前缘至纵摇轴之间的距离从根部端到肩增加不大于20％，有利地不大于15％。
如前所提到，风力涡轮机叶片优选地被朝叶片的压力侧预弯曲或弯曲。在一种具体实施方式中在叶片的末梢端处的预弯曲为至少0.05L，有利地为至少0.06L，更有利地为至少0.65L，且甚至更有利地为至少0.07L。这里预弯曲意味着局部型面的型面中心或弦远离叶片的纵摇轴或纵向轴。为了在设计风速下使叶片伸直并为最大化扫过面积，通过相较于常规叶片增加预弯曲，必定较低硬度。因而，在叶片壳体中或叶片的承载结构中需要较少材料。这继而意味着可以甚至更多降低叶片的总质量。
有利地，叶片被预弯曲超过（over）至少叶片外部（outer）的50％，有利地超过至少叶片外部的60％，甚至更有利地超过至少外部的70％，或甚至至少外部的75％。因而，叶片在最接近末梢的部分处弯曲超过叶片的大部分。
在另一种具体实施方式中，叶片设有扭转，且其中翼型区域包括扭转角度朝叶片的末梢端减少的内侧部分和扭转角度朝叶片的末梢端增加的外侧部分，所述外侧部分和内侧部分由扭转拐折切线的位置分开。通过减少叶片的内侧部分中的扭转角度，获得对于叶片的局部径向速度的补偿。通过使叶片的外侧部分的扭转朝末梢增加来减少来自叶片的末梢噪声。
扭转通常从定义的原点计算。对于本叶片，所述原点可以例如被定义在拐折切线处，在这个位置中的局部扭转因而被定义为0度。因而，清楚的是扭转不仅被认作为局部绝对扭转角度（其由于设置的叶片纵摇角度可以变化），而且它还应被视作为扭转变化，即，对于给定的叶片纵摇设置作为叶片的第一径向位置处的一个截面型面与叶片的第二径向位置处的第二截面型面之间的扭转角度差。
在又一种具体实施方式中，扭转拐折切线的位置位于0.8L与0.9L之间，有利地在0.82L与0.88L之间，更有利地在0.83L与0.87L之间，且甚至更有利地近似在0.85L处。
有利地，外侧区域中的扭转为至少4度，有利地为至少5度，且更有利地为至少5.5度。因而，拐折切线位置（point）与末梢处的扭转差为至少4、5、或5.5度。内侧部分中的扭转可以有利地为8与12度之间，有利地为8.5与11.5度之间，且更有利地为9与11度之间。因而肩与拐折切线位置处的扭转差为8与12度之间。
在一种具体实施方式中，叶片设有扭转，扭转在根部区域和过渡区域中朝叶片的末梢端增加。例如在根部区域和过渡区域中的扭转的增加可以为1.5与2.5度之间。因而，在这个区域中的扭转变化在1.5与2.5度之间。
根据第二方面，本发明提供一定数目的风力涡轮机叶片型面，其是特别有效的且脱离一般利用于风力涡轮机叶片的标准叶片型面（诸如NACA型面）。叶片型面不仅适用于根据本发明的第一方面的风力涡轮机叶片。
因而，本发明提供风力涡轮机叶片，其在截面中包括以下六个型面的至少一个：
－第一翼型型面，其具有35％与37％之间的相对厚度和位于离（from）前缘0.24c与0.30c之间，有利地位于0.25c与0.29c之间且更有利地在0.26c与0.28c左右的最大厚度的位置；
－第二翼型型面，其具有29％与31％之间的相对厚度和位于离前缘0.28c与0.32c之间，有利地为0.29c与0.31c之间的最大厚度的位置；
－第三翼型型面，其具有26.3％与27.7％之间的相对厚度和位于离前缘0.28c和0.32c之间，有利地为0.29c与0.31c之间的最大厚度的位置；
－第四翼型型面，其具有23.5％与24.5％之间，有利地为23.8％与24.2％之间的相对厚度和位于离前缘0.35c与0.39c之间，有利地为离前缘0.36c与0.38c之间的最大厚度的位置；
－第五翼型型面，其具有20.6％与21.4％之间的相对厚度和位于离前缘0.35c与0.39c之间，有利地为0.36c与0.38c之间的最大厚度的位置；以及
－第六翼型型面，其具有17.7％与18.3％之间的相对厚度和位于离前缘0.37c与0.41c之间，有利地为0.38c与0.40c之间的最大厚度的位置。
关于型面的相对厚度、最大厚度的相对弦位置、以及最大压力侧弯度（camber）的相对弦位置来定义翼型。在垂直于弦的方向上定义厚度，并且将压力侧弯度定义为在垂直于弦或正交于弦的方向上叶片的压力侧与弦之间的距离。这些参数也在图3中绘出并且在随附的描述中说明。
优选地，依照根据本发明的第一方面的风力涡轮机，叶片包括根部区域、过渡区域、以及翼型区域。在这样的具体实施方式中，型面位于叶片的翼型区域中（肩的外侧）。
在一种具体实施方式中，叶片包括六个翼型型面的至少两个。在另一种具体实施方式中，叶片包括六个翼型型面的至少三个。在又一种具体实施方式中，叶片包括六个翼型型面的至少四个。叶片还可以包括六个翼型型面的至少五个，且它甚至可以包括所有六个翼型型面。
前述具体实施方式和以下具体实施方式都可涉及根据第一方面的风力涡轮机叶片以及根据第二方面的风力涡轮机叶片。
第一翼型型面可以包括位于离前缘0.24c与0.30c之间，有利地位于0.25c与0.29c之间，且更有利地在0.26c与0.28c左右的最大压力侧弯度的位置。第一翼型型面可以有利地位于0.23L与0.30L之间。
第二翼型型面可以包括位于离前缘0.28c与0.32c之间，有利地为0.29c与0.31c之间的最大压力侧弯度的位置。第二翼型型面可以有利地位于0.30L与0.36L之间。
第三翼型型面可以包括位于离前缘0.255c与0.295c之间，有利地为0.265c与0.285c之间的最大压力侧弯度的位置。第三翼型型面可以有利地位于0.36L与0.45L之间。
第四翼型型面可以包括位于离前缘0.35c与0.39c之间，有利地为0.36c与0.38c之间的最大压力侧弯度的位置。第四翼型型面可以位于0.5L与0.85L之间，有利地沿从0.67L至0.8L的整个区间。
第五翼型型面可以包括位于离前缘0.31c与0.35c之间，有利地为0.32c与0.34c之间的最大压力侧弯度的位置。第五翼型型面可以有利地位于0.85L与0.95L之间。
第六翼型型面可以包括位于离前缘0.37c与0.41c之间，有利地为0.38c与0.40c之间的最大压力侧弯度的位置。第六翼型型面可以有利地位于0.95L与L之间的末梢处。
新颖的翼型型面且特别是第四、第五和第六翼型型面都是相对厚，且最大厚度的位置相对远离前缘定位。此外，最大压力侧弯度的位置与最大相对厚度的位置几乎一致。尽管型面的大相对厚度，但是这些特征已被惊人地发现在设计点处具有高的升阻比率（lift-to-dragratio）。而且，翼型在几何上是兼容的（compatible）。
根据一种具体实施方式，相邻翼型型面之间的区域包括通过在所述相邻型面之间插补（如通过高斯分布曲线）的在所述相邻型面之间的光滑过渡。因而，在第一翼型型面与第二翼型型面之间的区域包括在第一翼型型面之间、以及相应地在第二与第三翼型型面之间、在第三与第四翼型型面之间、在第四与第五翼型型面之间、和/或在第五与第六翼型型面之间的插补型面。当然过渡还应解决在叶片的纵向方向上的变化的扭转。
叶片可以有利地设有流量改变器件，诸如扰流器，其中所述器件布置在具有至少30％的相对厚度的型面区段处。在一种具体实施方式中，叶片设有流量改变器件，诸如扰流器，其中所述器件布置在具有最大70％的相对厚度的型面区段处。
在一种特别地有利的具体实施方式中，流量改变器件为升力放大器件。
因而，器件布置在相对型面厚度为30％与70％之间的纵向区域中。根据另一种有利的具体实施方式，所述器件布置在0.1L与0.4L之间的范围中，有利地为0.11L与0.37L之间。器件可以仅布置在该区域中。
在一种具体实施方式中，在肩处的叶片的相对厚度为40％与50％之间，有利地为42％与48％之间。
优选地，叶片包括壳体本体。壳体本体可以例如从接近前缘和接近后缘彼此粘附或粘结的压力侧壳体和吸力侧壳体组装。在另一种具体实施方式中，壳体通过一次工艺，如通过封闭的中空成型方法（hollowmouldingmethod）制造。
壳体本体可以包括纵向延伸的负载携带结构，诸如主层制件（laminate）。这样的负载携带结构或主层制件一般形成为包括多个纤维增强层（如20与50层之间）的纤维插入件。在负载携带结构的各侧上，叶片一般包括具有核材料（诸如轻木或泡沫聚合物）和具有由纤维增强聚合物制成的内和外表层的夹层结构。
叶片壳体一般由纤维增强聚合物材料制成。增强纤维可以例如是玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、金属纤维（诸如钢纤维）、或植物纤维，而聚合物例如可以是环氧树脂、聚酯纤维或乙烯基酯。
根据第三方面，本发明提供包括根据前述具体实施方式中的任一种的一定数目（优选地为两片或三片）的叶片的风力涡轮机，叶片从具有基本水平的中心轴的主轴上的毂基本径向延伸，叶片连同毂构成具有转子平面的转子，且所述转子可被风驱使旋转。
在一种具体实施方式中，风力涡轮机为纵摇控制的。风力涡轮机可以是功率调节的。根据一种具体实施方式，风力涡轮机的最大功率输出为1.3MW与1.7MW之间，有利地为1.5MW左右。也就是说，叶片特别适用于1.5MW级别风力涡轮机。
附图说明
以下参照附图显示的具体实施方式详细说明本发明，其中
图1显示风力涡轮机；
图2显示根据本发明的风力涡轮机叶片的示意图；
图3显示翼型型面的示意图；
图4显示根据本发明的从上方和从侧面所见的风力涡轮机叶片的示意图；
图5显示根据本发明的风力涡轮机叶片的弦长分布；
图6显示根据本发明的风力涡轮机叶片的相对厚度分布；
图7显示根据本发明的风力涡轮机叶片的扭转分布；
图8显示根据本发明的风力涡轮机叶片的预弯曲分布；以及
图9显示根据本发明的作为风速的函数的风力涡轮机的功率曲线。
具体实施方式
图1示出根据所谓的“丹麦概念”的常规的现代逆风风力涡轮机，其具有塔架4、机舱6以及具有基本水平的转子轴的转子。转子包含毂8和从毂8径向延伸的三片叶片10，各叶片具有最接近毂的叶片根部16和最远离毂8的叶片末梢14。转子具有表示为R的半径。
图2显示根据本发明的风力涡轮机叶片10的第一具体实施方式的示意图。风力涡轮机叶片10具有常规风力涡轮机叶片的形状，且包括最接近毂的根部区域30、最远离毂的成型或翼型区域34以及在根部区域30与翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括（当叶片被装在毂上时）面对叶片10的旋转方向的前缘18和面对前缘18的相反方向的后缘20。
翼型区域34（也称为成型区域）具有相对于产生升力（generatinglift）的理想或几乎理想的叶片形状，而根部区域30由于结构考虑具有基本圆形或椭圆形的截面，这例如使将叶片10装至毂更容易和更安全。根部区域30的直径（或弦）沿整个根部区域30可以是恒定的。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形形状到翼型区域34的翼型型面逐渐改变的过渡型面。过渡区域32的弦长一般随着离毂的距离r的增加而增加。翼型区域34具有翼型型面，翼型型面具有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的弦。弦的宽度随着离毂的距离r的增加而减少。
叶片10的肩40被定义为叶片10具有其最大弦长的位置。肩40一般设在过渡区域32与翼型区域34之间的边界处。
应注意的是因为叶片可能是扭转的和/或弯曲的（即预弯曲的），叶片的不同区段的弦通常不位于一个共同的平面上，因而给弦平面设有相应扭转和/或弯曲的路线（course），这是为了补偿取决于离毂的半径的叶片的局部速度的很经常的情况。
图3和图4绘出使用于说明根据本发明的风力涡轮机叶片的几何形状的参数。
图3显示绘有各种参数的风力涡轮机的典型叶片的翼型型面50的示意图，各种参数一般使用于定义翼型的几何形状。翼型型面50具有压力侧52和吸力侧54，压力侧52和吸力侧54在使用期间（即在转子的旋转期间）通常分别面朝上风（或逆风）侧和下风（或顺风）侧。翼型50具有弦60，弦60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，厚度t被定义为压力侧52与吸力侧54之间的距离。翼型的厚度t沿弦60变化。与对称型面的偏离由弯度线62给定，弯度线62是穿过翼型型面50的中线。中线可以通过画出从前缘56至后缘58的内切圆找到。中线沿着这些内切圆的中心且与弦60的偏离或离弦60的距离被称为弯度f。不对称还可以通过使用被称为上弯度（或吸力侧弯度）和下弯度（或压力侧弯度）的参数定义，上弯度和下弯度被定义为从弦60分别与吸力侧54和压力侧52的距离。
翼型型面经常被表征为以下参数：弦长c、最大弯度f、最大弯度f的位置df、为沿中弯度线62的内切圆的最大直径的最大翼型厚度t、最大厚度t的位置dt、以及尖端（nose）半径（未示出）。这些参数一般被定义为与弦长c的比率。因而，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之间的比率。此外，可以使用最大压力侧弯度的位置dp作为设计参数，且当然也可以使用最大吸力侧弯度的位置。
图4显示叶片的其他几何参数。叶片具有总叶片长L。如图3所示，根部端位于位置r=0处，而末梢端位于r=L处。叶片的肩40位于位置r=Lw处，且具有在肩40处等于弦长的肩宽W。根部的直径定义为D。过渡区域中的叶片的后缘的曲率可以通过两个参数定义，即最小外曲率半径ro和最小内曲率半径ri，最小外曲率半径ro和最小内曲率半径ri分别被定义为从外侧（或在后缘的后方）可见的后缘的最小曲率半径，和从内侧（或在后缘的前方）可见的最小曲率半径。此外，叶片设有定义为Δy的预弯曲，其对应于从叶片的纵摇轴22平面偏移的位移（out）。
实例：
以下给出根据本发明的风力涡轮机叶片的实例。
风力涡轮机叶片设有关于长度、肩宽、针对后缘的最小曲率半径以及根部柱体（cylinder）直径的以下参数：
参数 尺寸
L 42.13m
Lw 8.5m
W 2.975m
ro 10.3m
ri 11.3m
D 1.893m
表1
弦长c、相对厚度t/c、和预弯曲Δy的分布列举在表2中：
表2
风力涡轮机叶片包括六个新颖的叶片型面41-46，叶片型面41-46位于沿叶片的不同纵向位置处且如图2所示。表3列举了型面的相对厚度t/c、最大厚度的位置dt/c，最大压力侧弯度的位置dp/c以及近似径向位置r：
翼型 参考标记 t/c dt/c dp/c r
第一 41 36％ 27.1％ 26.6％ 11.0m
第二 42 30％ 29.6％ 29.7％ 14.5m
第三 43 27％ 29.8％ 27.2％ 17.0m
第四 44 24％ 37.1％ 36.8％ 26.0m-34.0m
第五 45 21％ 37.0％ 33.0％ 39.0m
第六 46 18％ 39.2％ 39.4％ 41.8m-42.13m
表3
翼型型面已被惊人地发现提供比常规的风力涡轮机翼型且尤其相较于NACA型面更高的升阻比率（lift-to-dragratios）。六个型面是空气动力兼容的，且相邻翼型型面之间的区域包括通过在所述相邻型面之间插补（如通过高斯分布曲线）的在所述相邻型面之间的光滑过渡。过渡还解决在叶片的纵向方向上的变化的扭转，且因而可见过渡为三维的。
图5-8绘出根据实例（表示为LM42.1p）作为相对径向位置r/L的函数的风力涡轮机叶片的弦分布c、相对厚度t/c、扭转θ、以及预弯曲Δy的曲线图。曲线图与具有40.0m叶片长且因而与本叶片可比拟的现有技术叶片LM40.3p的曲线图比较。
从图5可见本叶片的肩宽小于现有技术叶片的肩宽的近似8％。此外，应注意的是x轴绘出叶片的相对径向位置。因而，本叶片的相对肩宽已被减少甚至多于8％。
图6绘出作为相对径向叶片位置的函数的相对叶片厚度的曲线图。看得见本叶片的相对厚度比现有技术叶片的相对厚度高得多，尤其是在从0.5L至0.9L的范围中。在从0.6L至0.8L的范围中，相对厚度比现有技术叶片大近似33％。
图7显示相较于现有技术叶片的本叶片的扭转分布。可见与现有技术叶片(其中扭转在该区域中是基本恒定或轻微减少的)相反,扭转在根部区域和过渡区域中增加。扭转在翼型区域的内侧部分减少而在翼型区域的外侧部分增加。内侧部分和外侧部分被扭转拐折切线的位置分开。在拐折切线处的扭转被定义为0度扭转。拐折切线位于r=0.855L处，其比其中拐折切线位于r=0.943L处的现有技术叶片向内侧远许多。本叶片的最大扭转是10.28度，其小于现有技术叶片的11度的最大扭转。
图8绘出叶片的预弯曲，并且可见本叶片的总绝对预弯曲比现有技术叶片的总绝对预弯曲大50％。
所有这些区别，且尤其是结合更窄的肩、相对更厚的叶片和更大的预弯曲使得到机械上同样坚固但表现更加有空气动力效率的更轻的叶片成为可能。事实上，本叶片尽管更长但具有比现有技术叶片轻的质量。两种叶片将施加在风力涡轮机上的负载是相当的，这意味着本叶片在风力涡轮机自身无需重定尺寸的情况下可轻松地替换现有技术叶片。
图9示意地示出第一功率曲线80和第二功率曲线81，第一功率曲线80显示设有现有技术叶片的风力涡轮机的功率输出，第二功率曲线81显示设有根据本发明的叶片的风力涡轮机的功率输出，两曲线图作为风速vw的函数被示出。看得见功率输出作为风速的函数更迅速地增加直到风力涡轮机的功率调节的水平。年发电量（AEP）中的增加与两条曲线之间的差且因而与曲线图的阴影区域82有关。估计（project）AEP中的增加为4％。
参考标记列表
2风力涡轮机
4塔架
6机舱
8毂
10叶片
14叶片末梢
16叶片根部
18前缘
20后缘
22纵摇轴
30根部区域
32过渡区域
34翼型区域
41第一翼型型面
42第二翼型型面
43第三翼型型面
44第四翼型型面
45第五翼型型面
46第六翼型型面
50翼型型面
52压力侧
54吸力侧
56前缘
58后缘
60弦
62弯度线/中线
80具有现有技术叶片的风力涡轮机的功率曲线
81具有新颖叶片的风力涡轮机的功率曲线
82功率输出的增加
c弦长
d t 最大厚度的位置
d f 最大弯度的位置
d p 最大压力侧弯度的位置
f弯度
L叶片长
P功率输出
r局部半径，离叶片根部的径向距离
t厚度
v w 风速
扭转，纵摇
Δy预弯曲

Claims (97)

1.用于具有基本水平转子轴的风力涡轮机（2）的转子的叶片（10），所述转子包括毂（8），所述叶片（10）当被装至所述毂（8）时基本在径向方向上从所述毂（8）延伸，所述叶片具有横向方向和带有末梢端（16）和根部端（14）的纵向方向（r），所述叶片还包括：
－成型轮廓，其包含压力侧和吸力侧、以及前缘（18）和后缘（20）并带有具有在所述前缘（18）与后缘（20）之间延伸的弦长（c）的弦，所述成型轮廓当被入射气流冲击时产生升力，其中所述成型轮廓被分为：
－根部区域（30），其具有最接近所述毂的基本圆形或椭圆形型面；
－翼型区域（34），其具有最远离所述毂的升力产生型面；以及
－在所述根部区域（30）与所述翼型区域（34）之间的过渡区域（32），所述过渡区域（32）具有从所述根部区域的所述基本圆形或椭圆形型面到所述翼型区域的所述升力产生型面在所述径向方向上逐渐改变的型面，以及带有
－肩（40），所述肩为所述叶片具有其最大弦长的位置，其具有肩宽（W）且位于所述过渡区域（32）与所述翼型区域（34）之间的边界处，其中
－所述叶片（10）具有叶片长（L），以及
－所述成型轮廓包括局部相对厚度，所述局部相对厚度被定义为最大型面厚度（t）与所述弦长（c）之间的局部比率，其特征在于
－所述肩宽（W）与所述叶片长（L）之间的比率小于或等于0.075，以及
－在0-0.8L的叶片长区间中的所述局部相对厚度（t/c）为至少22％。
2.根据权利要求1所述的叶片，其中所述肩宽（W）与所述叶片长（L）之间的所述比率小于或等于0.073。
3.根据权利要求2所述的叶片，其中所述肩宽（W）与所述叶片长（L）之间的所述比率小于或等于0.0725。
4.根据权利要求3所述的叶片，其中所述肩宽（W）与所述叶片长（L）之间的所述比率小于或等于0.072。
5.根据权利要求1或2所述的叶片，其中在0-0.8L的叶片长区间中的所述局部相对厚度（t/c）为至少23％。
6.根据权利要求5所述的叶片，其中在0-0.8L的叶片长区间中的所述局部相对厚度（t/c）为至少23.5％。
7.根据权利要求6所述的叶片，其中在0-0.8L的叶片长区间中的所述局部相对厚度（t/c）为至少24％。
8.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述叶片长（L）为至少40米。
9.根据权利要求8所述的叶片，其中所述叶片长（L）为40米与50米之间。
10.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述根部区域具有在所述叶片的所述根部端处的根部直径（D），其中所述肩宽（W）与所述根部直径之间的比率为1.6或更小。
11.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述后缘具有在所述叶片的所述纵向方向上没有任何中断的光滑形状。
12.根据权利要求11所述的叶片，其中所述后缘具有带有于所述后缘外部的外半径（ro）的曲率，所述外半径为至少0.2L。
13.根据权利要求12所述的叶片，其中所述外半径为至少0.22L。
14.根据权利要求13所述的叶片，其中所述外半径为至少0.24L。
15.根据权利要求11所述的叶片，其中所述后缘具有带有于所述后缘内部的内半径（ri）的曲率，所述内半径为至少0.2L。
16.根据权利要求15所述的叶片，其中所述内半径为至少0.225L。
17.根据权利要求16所述的叶片，其中所述内半径为至少0.25L。
18.根据权利要求12所述的叶片，其中最小外半径的位置位于0.16L与0.20L之间。
19.根据权利要求12所述的叶片，其中，最小外半径的位置位于0.19L与0.21L之间。
20.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述肩位于0.18L与0.25L之间的区间中。
21.根据权利要求20所述的叶片，其中所述肩位于0.19L与0.24L之间的区间中。
22.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述前缘具有在所述叶片的所述纵向方向上没有任何中断的光滑形状。
23.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述叶片包括纵摇轴，且其中所述前缘至所述纵摇轴之间的距离从所述根部端到所述肩增加不大于20％。
24.根据权利要求23所述的叶片，其中所述前缘至所述纵摇轴之间的距离从所述根部端到所述肩增加不大于15％。
25.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述叶片被朝所述叶片的所述压力侧预弯曲，且在所述叶片的所述末梢端处的预弯曲（Δy）为至少0.05L。
26.根据权利要求25所述的叶片，其中在所述叶片的所述末梢端处的预弯曲（Δy）为至少0.06L。
27.根据权利要求26所述的叶片，其中在所述叶片的所述末梢端处的预弯曲（Δy）为至少0.065L。
28.根据权利要求27所述的叶片，其中在所述叶片的所述末梢端处的预弯曲（Δy）为至少0.07L。
29.根据权利要求25所述的叶片，其中所述叶片被预弯曲超过至少所述叶片外部的50％。
30.根据权利要求29所述的叶片，其中所述叶片被预弯曲超过至少所述叶片外部的60％。
31.根据权利要求30所述的叶片，其中所述叶片被预弯曲超过至少所述叶片外部的70％。
32.根据权利要求31所述的叶片，其中所述叶片被预弯曲超过至少所述叶片外部的75％。
33.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述叶片设有扭转，且其中所述翼型区域包括扭转角度朝所述叶片的所述末梢端减少的内侧部分和所述扭转角度朝所述叶片的所述末梢端增加的外侧部分，所述外侧部分和内侧部分由扭转拐折切线的位置分开。
34.根据权利要求33所述的叶片，其中所述扭转拐折切线的所述位置位于0.8L与0.9L之间。
35.根据权利要求34所述的叶片，其中所述扭转拐折切线的所述位置位于0.82L与0.88L之间。
36.根据权利要求35所述的叶片，其中所述扭转拐折切线的所述位置位于0.83L与0.87L之间。
37.根据权利要求36所述的叶片，其中所述扭转拐折切线的所述位置位于0.85L处。
38.根据权利要求33所述的叶片，其中所述外侧部分中的扭转变化至少4度。
39.根据权利要求38所述的叶片，其中所述外侧部分中的扭转变化至少5度。
40.根据权利要求39所述的叶片，其中所述外侧部分中的扭转变化至少5.5度。
41.根据权利要求33所述的叶片，其中所述内侧部分中的扭转变化在8与12度之间。
42.根据权利要求41所述的叶片，其中所述内侧部分中的扭转变化在8.5与11.5度之间。
43.根据权利要求42所述的叶片，其中所述内侧部分中的扭转变化在9与11度之间。
44.根据权利要求1所述的叶片，其中所述叶片设有扭转，所述扭转在所述根部区域与所述过渡区域中朝所述末梢端增加。
45.根据权利要求44所述的叶片，其中在所述根部区域和过渡区域中的扭转的所述增加在1.5与2.5度之间。
46.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述叶片包括第一翼型型面，所述第一翼型型面具有35％与37％之间的局部相对厚度和位于离所述前缘0.24c与0.30c之间的最大厚度的位置。
47.根据权利要求46所述的叶片，其中所述第一翼型型面具有位于离所述前缘0.25c与0.29c之间的最大厚度的位置。
48.根据权利要求47所述的叶片，其中所述第一翼型型面具有位于离所述前缘0.26c与0.28c之间的最大厚度的位置。
49.根据权利要求46所述的叶片，其中所述第一翼型型面包括位于离所述前缘0.24c与0.30c之间的最大压力侧弯度的位置。
50.根据权利要求49所述的叶片，其中所述第一翼型型面包括位于离所述前缘0.25c与0.29c之间的最大压力侧弯度的位置。
51.根据权利要求49所述的叶片，其中所述第一翼型型面包括位于离所述前缘0.26c与0.28c之间的最大压力侧弯度的位置。
52.根据权利要求46所述的叶片，其中所述第一翼型型面位于0.23L与0.30L之间。
53.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述叶片包括第二翼型型面，所述第二翼型型面具有29％与31％之间的局部相对厚度和位于离所述前缘0.28c与0.32c之间的最大厚度的位置。
54.根据权利要求53所述的叶片，其中所述第二翼型型面具有位于离所述前缘0.29c与0.31c之间的最大厚度的位置。
55.根据权利要求53所述的叶片，其中所述第二翼型型面包括位于离所述前缘0.28c与0.32c之间的最大压力侧弯度的位置。
56.根据权利要求55所述的叶片，其中所述第二翼型型面包括位于离所述前缘0.29c与0.31c之间的最大压力侧弯度的位置。
57.根据权利要求53所述的风力涡轮机叶片，其中所述第二翼型型面位于0.30L与0.36L之间。
58.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述叶片包括第三翼型型面，所述第三翼型型面具有26.3％与27.7％之间的局部相对厚度和位于离所述前缘0.28c与0.32c之间的最大厚度的位置。
59.根据权利要求58所述的叶片，其中所述第三翼型型面具有位于离所述前缘0.29c与0.31c之间的最大厚度的位置。
60.根据权利要求58所述的叶片，其中所述第三翼型型面包括位于离所述前缘0.255c与0.295c之间的最大压力侧弯度的位置。
61.根据权利要求60所述的叶片，其中所述第三翼型型面包括位于离所述前缘0.265c与0.285c之间的最大压力侧弯度的位置。
62.根据权利要求58所述的叶片，其中所述第三翼型型面位于0.36L与0.45L之间。
63.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述叶片包括第四翼型型面，所述第四翼型型面具有23.5％与24.5％之间的局部相对厚度和位于离所述前缘0.35c与0.39c之间的最大厚度的位置。
64.根据权利要求63所述的叶片，其中所述第四翼型型面具有23.5％与24.5％之间的局部相对厚度和位于离所述前缘0.36c与0.38c之间的最大厚度的位置。
65.根据权利要求63所述的叶片，其中所述第四翼型型面具有23.8％与24.2％之间的局部相对厚度和位于离所述前缘0.35c与0.39c之间的最大厚度的位置。
66.根据权利要求65所述的叶片，其中所述第四翼型型面具有23.8％与24.2％之间的局部相对厚度和位于离所述前缘0.36c与0.38c之间的最大厚度的位置。
67.根据权利要求63所述的叶片，其中所述第四翼型型面包括位于离所述前缘0.35c与0.39c之间的最大压力侧弯度的位置。
68.根据权利要求67所述的叶片，其中所述第四翼型型面包括位于离所述前缘0.36c与0.38c之间的最大压力侧弯度的位置。
69.根据权利要求63所述的叶片，其中所述第四翼型型面位于0.5L与0.85L之间的整个区间。
70.根据权利要求69所述的叶片，其中所述第四翼型型面位于0.6L至0.8L之间的整个区间。
71.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述叶片包括第五翼型型面，所述第五翼型型面具有20.6％与21.4％之间的局部相对厚度和位于离所述前缘0.35c与0.39c之间的最大厚度的位置。
72.根据权利要求71所述的叶片，其中所述第五翼型型面具有位于离所述前缘0.36c与0.38c之间的最大厚度的位置。
73.根据权利要求71所述的叶片，其中所述第五翼型型面包括位于离所述前缘0.31c与0.35c之间的最大压力侧弯度的位置。
74.根据权利要求73所述的叶片，其中所述第五翼型型面包括位于离所述前缘0.32c与0.34c之间的最大压力侧弯度的位置。
75.根据权利要求71所述的叶片，其中所述第五翼型型面位于0.85L与0.95L之间。
76.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述叶片包括第六翼型型面，所述第六翼型型面具有17.7％与18.3％之间的局部相对厚度和位于离所述前缘0.37c与0.41c之间的最大厚度的位置。
77.根据权利要求76所述的叶片，其中所述第六翼型型面具有位于离所述前缘0.38c与0.40c之间的最大厚度的位置。
78.根据权利要求76所述的叶片，其中所述第六翼型型面包括位于离所述前缘0.37c与0.41c之间的最大压力侧弯度的位置。
79.根据权利要求78所述的叶片，其中所述第六翼型型面包括位于离所述前缘0.38c与0.40c之间的最大压力侧弯度的位置。
80.根据权利要求76所述的叶片，其中所述第六翼型型面位于0.95L与L之间的所述末梢端处。
81.根据权利要求46所述的叶片，其中相邻翼型型面之间的区域包括通过在所述相邻翼型型面之间插补的在所述相邻翼型型面之间的光滑过渡。
82.根据权利要求81所述的叶片，其中所述插补是通过高斯分布曲线进行的。
83.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述叶片设有流量改变器件，其中所述流量改变器件布置在具有至少30％的局部相对厚度的型面区段处。
84.根据权利要求83所述的叶片，其中所述流量改变器件为扰流器。
85.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述叶片设有流量改变器件，其中所述流量改变器件布置在具有最大70％的局部相对厚度的型面区段处。
86.根据权利要求85所述的叶片，其中所述流量改变器件为扰流器。
87.根据权利要求1或2所述的叶片，其中在所述肩处的所述叶片的所述局部相对厚度为40％与50％之间。
88.根据权利要求87所述的叶片，其中在所述肩处的所述叶片的所述局部相对厚度为42％与48％之间。
89.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述叶片包括壳体本体。
90.根据权利要求89所述的叶片，其中所述壳体本体包括纵向延伸的负载携带结构。
91.根据权利要求90所述的叶片，其中所述负载携带结构为主层制件。
92.风力涡轮机，其包括一定数目的根据前述权利要求1至91中任一项所述的叶片，所述叶片从具有基本水平的中心轴的主轴上的毂基本径向延伸，所述叶片连同所述毂构成具有转子平面的转子，且所述转子可被风驱使旋转。
93.根据权利要求92所述的风力涡轮机，其中所述数目为两片或三片。
94.根据权利要求92所述的风力涡轮机，其中所述风力涡轮机为纵摇控制的。
95.根据权利要求92或94所述的风力涡轮机，其中所述风力涡轮机为功率调节的。
96.根据权利要求92所述的风力涡轮机，其中所述风力涡轮机的最大功率输出为1.3MW与1.7MW之间。
97.根据权利要求96所述的风力涡轮机，其中所述风力涡轮机的最大功率输出为1.5MW左右。
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