專利名稱：基礎(chǔ)部具有非正弧高的風力渦輪機葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于具有基本上水平轉(zhuǎn)子軸的風力渦輪機轉(zhuǎn)子的葉片，所述轉(zhuǎn)子包括輪轂，所述葉片在被安裝到輪轂上時從所述輪轂基本上沿徑向方向延伸，所述葉片包括型面輪廓(profiled contour)，所述型面輪廓包括壓力側(cè)和吸力側(cè)以及前緣和后緣，并且翼弦在所述前緣和所述后緣之間延伸，所述型面輪廓在受到入射空氣流沖擊時會產(chǎn)生升力，所述型面輪廓沿徑向方向被分成最接近所述輪轂的根部區(qū)域、最遠離所述輪轂的翼面區(qū)域和位于所述根部區(qū)域與所述翼面區(qū)域之間的優(yōu)選的過渡區(qū)域，所述根部區(qū)域具有基本上呈圓形或橢圓形的型面(profile)，所述翼面區(qū)域具有產(chǎn)生升力的型面，所述過渡區(qū)域具有沿徑向方向從所述根部區(qū)域的圓形或橢圓形型面向所述翼面區(qū)域的產(chǎn)生升力的型面逐漸改變的型面，其中，所述翼面區(qū)域包括至少一個第一縱向節(jié)段，所述第一縱向節(jié)段沿所述翼面區(qū)域的縱向長度的至少20%延伸，所述第一縱向節(jié)段包括第一基礎(chǔ)部，所述第一基礎(chǔ)部具有前緣和后緣以及在該前緣和后緣之間延伸的翼弦。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，現(xiàn)代的風力渦輪機葉片是通過先設(shè)計葉片本身的外形和空氣動力特性來設(shè)計的，以便使所述葉片的翼面區(qū)段的每個徑向區(qū)段獲得目標載荷和目標軸向誘導(dǎo) (target axial induction)。然后，確定如何根據(jù)所述葉片的空氣動力設(shè)計規(guī)格來制造所述葉片。這種葉片的空氣動力形狀通常較為復(fù)雜，各節(jié)段具有沿風力渦輪機葉片徑向長度的雙曲輪廓和多種不同的翼面形狀。因此，葉片的制造過程以及用于該制造過程的模具部件的制造都變得相當復(fù)雜?？傮w上，從最初啟動開發(fā)新型葉片的設(shè)計到新型葉片的產(chǎn)品發(fā)布所用的時間很長，并且生產(chǎn)和開發(fā)的總成本很高。此過程將在后文描述的第一節(jié)中更全面地介紹。WO 01/14740公開了多種改進風力渦輪機葉片型面的方式，以便防止失速 (stall)問題。EP 2 031 242公開了一種安裝在風力渦輪機葉片上的葉片元件，以將型面從具有尖銳后緣的翼面形狀改變?yōu)榫哂衅筋^后緣的翼型(或稱翼剖面)。DE 199 64 114 Al公開了一種翼型，所述翼型裝配有格尼襟翼(Gurney flap)形式的分叉后緣，所述后緣產(chǎn)生周期性的流動擾動。WO 02/08600公開了一種風力渦輪機葉片，所述葉片設(shè)置有翼肋以及在所述葉片的連接部或根部上的渦流發(fā)生器。US 5 088 665公開了一種設(shè)置有鋸齒形后緣板的風力渦輪機葉片。WO 2007/140771公開了一種設(shè)置有渦流發(fā)生條帶的風力渦輪機葉片，以防止失速并降低噪聲排放。EP 1 944 505公開了一種風力渦輪機葉片，所述葉片在相對厚度為30%_80%的翼面部分中設(shè)置有渦流發(fā)生器。DE 10 2006 017 897公開了一種風力渦輪機葉片，所述葉片在所述葉片的根部區(qū)域和過渡區(qū)域中設(shè)置有擾流器裝置。WO 03/029644 公開了一種設(shè)計水下水流渦輪機(under water flow turbine)的渦輪機葉片的方法，所述設(shè)計方法利用例如軸向誘導(dǎo)因子作為設(shè)計參數(shù)。所述葉片型面未
設(shè)置導(dǎo)流裝置。WO 03/098034公開了一種設(shè)置有輪轂延長件的風力渦輪機。所述葉片型面未設(shè)置
導(dǎo)流裝置。US 2007/140858公開了一種模塊化地構(gòu)造的葉片，所述葉片包括遠離所組裝的葉片的前緣和后緣布置的結(jié)合。所述葉片型面未設(shè)置導(dǎo)流裝置。US 2007/105431公開了一種模塊化地構(gòu)造的葉片，所述葉片包括多個堆疊的模塊節(jié)段，其中，使用纜線將所述模塊節(jié)段夾緊在一起。所述葉片型面未設(shè)置導(dǎo)流裝置。EP 0 100 131公開了一種利用拉擠或擠壓成型來制造風力渦輪機葉片的方法。所述葉片型面未設(shè)置導(dǎo)流裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于獲得一種新型葉片，該葉片克服或改善了現(xiàn)有技術(shù)中的至少一個缺點或提供了有用的替代。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，該目的是通過第一基礎(chǔ)部實現(xiàn)的，所述第一基礎(chǔ)部具有橫截面型面，該橫截面型面在受到0度攻角的入射空氣流的沖擊時具有為0或更小的升力系數(shù)。正升力被定義為具有從葉片的壓力側(cè)(或逆風/迎風側(cè))指向吸力側(cè)(或順風/下風側(cè))的升力分量的升力系數(shù)。負升力被定義為具有從葉片的吸力側(cè)(或順風/下風側(cè))指向壓力側(cè)(或逆風/迎風側(cè))的升力分量的升力系數(shù)。換言之，本發(fā)明提供了一種用于具有基本上水平轉(zhuǎn)子軸的風力渦輪機轉(zhuǎn)子的葉片，所述轉(zhuǎn)子包括輪轂，所述葉片在被安裝到輪轂上時從所述輪轂基本上沿徑向方向延伸， 所述葉片在轉(zhuǎn)子設(shè)計點處具有預(yù)定的目標軸向誘導(dǎo)因子，所述葉片包括型面輪廓，所述型面輪廓包括壓力側(cè)和吸力側(cè)以及前緣和后緣，并且翼弦在所述前緣和所述后緣之間延伸， 所述型面輪廓在受到入射空氣流沖擊時產(chǎn)生升力，所述型面輪廓沿徑向方向被分成最接近所述輪轂的根部區(qū)域、最遠離所述輪轂的翼面區(qū)域和位于所述根部區(qū)域與所述翼面區(qū)域之間的優(yōu)選的過渡區(qū)域，所述根部區(qū)域具有基本上呈圓形或橢圓形的型面，所述翼面區(qū)域具有產(chǎn)生升力的型面，所述過渡區(qū)域具有沿徑向方向從所述根部區(qū)域的圓形或橢圓形型面向所述翼面區(qū)域的產(chǎn)生升力的型面逐漸改變的型面。所述翼面區(qū)域可以被分為多個基礎(chǔ)區(qū)段，所述基礎(chǔ)區(qū)段中的第一基礎(chǔ)區(qū)段沿所述翼面區(qū)域的縱向長度的至少20%延伸，所述第一基礎(chǔ)區(qū)段具有前緣和后緣，以及在所述前緣和后緣之間延伸的翼弦，而且所述第一基礎(chǔ)區(qū)段被形成為具有橫截面型面，該橫截面型面在受到0度攻角的入射空氣流的沖擊時具有為0或更小的升力系數(shù)。因此，基礎(chǔ)部或基礎(chǔ)區(qū)段具有橫截面型面，該橫截面型面的升力系數(shù)和攻角之間具有空氣動力學(xué)關(guān)系，當升力系數(shù)和攻角被繪制在坐標系中，并將升力系數(shù)作為攻角的函數(shù)時，該空氣動力學(xué)關(guān)系將穿過坐標系的原點或在一負值處穿過升力系數(shù)軸。換言之，升力系數(shù)在正攻角或零度攻角處(即非負攻角處)變號。這種基礎(chǔ)部本身中具有對于常規(guī)風力渦輪機葉片而言的固有非最佳空氣動力特性，該常規(guī)風力渦輪機葉片具有沿葉片的徑向方向扭轉(zhuǎn)的型面。然而，使用具有這種特性的型面可以簡化葉片的其它特性，例如葉片的扭轉(zhuǎn)或翼弦形狀。例如，可以提供無扭轉(zhuǎn)或具有線性扭轉(zhuǎn)的縱向節(jié)段和/或具有沿葉片徑向方向線性變化的翼弦長度。然而，對葉片基礎(chǔ)部的設(shè)計進行這種約束將固有地導(dǎo)致所述節(jié)段基本上偏離該節(jié)段的近似最佳目標軸向誘導(dǎo)。為了補償這種偏離，需要改變該節(jié)段的總流入特性和升力系數(shù)。然而，由于新型面的升力系數(shù)和攻角之間具有關(guān)系，使得所述新型面與常規(guī)葉片型面明顯不同，因此這可能足以平衡所述偏離或至少使軸向誘導(dǎo)朝目標軸向誘導(dǎo)改變，從而使得變流裝置僅需輕微地改變軸向誘導(dǎo)。因此，葉片包括沿葉片翼面區(qū)域的實質(zhì)部分(substantial part)延伸的至少一個縱向節(jié)段。根據(jù)第一實施例，翼面區(qū)域包括葉片的葉片梢端區(qū)域。根據(jù)第二實施例，葉片進一步包括與翼面區(qū)域鄰接的葉片梢端區(qū)域。因此，葉片梢端區(qū)域可被看作翼面區(qū)域的一部分或可被看作一個分離部分。典型地，梢端區(qū)域覆蓋翼面區(qū)域縱向長度的外側(cè)5-10%。在一個示例中，第一縱向節(jié)段具有零扭轉(zhuǎn)或具有小于近似最佳扭轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)，新型面(升力系數(shù)和攻角之間具有上述關(guān)系)補償了扭轉(zhuǎn)的“不足”，這是因為攻角必須高于常規(guī)型面，以便獲得正確的目標特性(例如與必要的升力系數(shù)有關(guān)的)，從而獲得正確的軸向誘導(dǎo)。使用新型面使得可以獲得模塊化葉片設(shè)計，其中基礎(chǔ)部可以被用于多種不同葉片類型和葉片長度。因此，可在更大/更長葉片的更外側(cè)重復(fù)利用現(xiàn)有葉片的基礎(chǔ)部，或者在更小/更短葉片的更內(nèi)側(cè)重復(fù)利用現(xiàn)有葉片的基礎(chǔ)部?？傊?，可按如下方式設(shè)計葉片，即 使得翼面區(qū)域的葉片設(shè)計從預(yù)設(shè)計區(qū)段被組裝到一起，且不同長度的葉片可以部分地由先前葉片已經(jīng)存在的區(qū)段構(gòu)成?？傮w上，基礎(chǔ)部的形狀可以保持為比具有大于40米長度的常規(guī)的現(xiàn)代風力渦輪機的形狀更簡單。例如可避免雙曲葉片型面。這還使得用于制造葉片的模具部分的生產(chǎn)更加簡單?？傊梢燥@著減少從開發(fā)新型葉片設(shè)計的最初啟動到所述新型葉片的產(chǎn)品發(fā)布所用的時間，并可降低總生產(chǎn)成本。對于風力渦輪機和風力渦輪機葉片，葉片的壓力側(cè)也被定義和稱為迎風側(cè)或逆風側(cè)，而吸力側(cè)也被定義和稱為下風側(cè)或順風側(cè)。轉(zhuǎn)子設(shè)計點被定義為這樣的點，S卩，對于設(shè)計風速和設(shè)計轉(zhuǎn)子速度，該點處風力渦輪機葉片的功率系數(shù)最大。因此，葉片的每個區(qū)段具有局部設(shè)計梢端速比，其被定義為設(shè)計轉(zhuǎn)子速度乘以局部葉片區(qū)段半徑除以設(shè)計風速。因此，可以看出設(shè)計點是這樣的點，即， 在該點處，使用這種風力渦輪機葉片的風力渦輪機在風力渦輪機的設(shè)計風速處具有最大效率。在設(shè)計點處，局部葉片區(qū)段具有局部翼弦、扭轉(zhuǎn)(twist)和翼面形狀，其在局部流入處決定了設(shè)計升力系數(shù)。應(yīng)該通過變流裝置來選擇或調(diào)節(jié)所有參數(shù)，以獲得目標軸向誘導(dǎo)因子，所述目標軸向誘導(dǎo)因子決定了這一葉片區(qū)段產(chǎn)生的功率。在1.3節(jié)進一步解釋了轉(zhuǎn)子設(shè)計點。因此，根據(jù)一個有利實施例，第一基礎(chǔ)部具有固有性非理想扭轉(zhuǎn)和/或翼弦長度， 且其中，橫截面型面適于通過朝目標軸向誘導(dǎo)改變軸向誘導(dǎo)來補償非理想扭轉(zhuǎn)和/或翼弦長度。然而，對葉片節(jié)段的設(shè)計參數(shù)進行這樣的限制意味著葉片節(jié)段在空氣動力學(xué)方面會偏離理想設(shè)計。因此，這樣的葉片節(jié)段將在空氣動力學(xué)方面，尤其是涉及該節(jié)段的最佳升力系數(shù)方面是固有地非理想的。通過使用變流裝置來補償此偏離，以將設(shè)計升力作為葉片半徑的函數(shù)調(diào)節(jié)到適當?shù)慕谱罴演S向誘導(dǎo)因子。對另一葉片半徑載荷的調(diào)節(jié)意味著需要使用變流裝置。因此，根據(jù)另一有利實施例，第一縱向節(jié)段設(shè)置有多個第一變流裝置，所述多個第一變流裝置被布置為調(diào)節(jié)第一縱向節(jié)段的空氣動力特性，以在轉(zhuǎn)子設(shè)計點處基本滿足目標軸向誘導(dǎo)因子。下文將描述多個有利實施例，所有實施例都提供了升力系數(shù)和攻角之間的期望關(guān)系。根據(jù)一個有利實施例，第一基礎(chǔ)部具有橫截面型面，該橫截面型面具有弧線和翼弦線，該翼弦線具有翼弦長度，并且其中橫截面型面的翼弦線和弧線之間在整個翼弦長度上的平均差值為負。也就是說，當從翼弦的整個長度上看時，弧線平均而言更靠近葉片的壓力側(cè)，而不是葉片的吸力側(cè)。根據(jù)另一實施例，在翼弦的整個長度上，弧線更靠近壓力側(cè)而不是吸力側(cè)。當然， 弧線和翼弦在前緣和后緣處重合。根據(jù)一個替代性實施例，第一基礎(chǔ)部具有橫截面型面，該橫截面型面具有弧線和翼弦線，該翼弦線具有翼弦長度，其中弧線和翼弦線在翼弦的整個長度上重合。也就是說， 橫截面型面關(guān)于翼弦對稱。這種型面從制造角度看非常有利。下面將描述具有另外的有利實施例。根據(jù)一個有利實施例，第一基礎(chǔ)部具有軸向誘導(dǎo)因子，該軸向誘導(dǎo)因子在沒有變流裝置的情況下在設(shè)計點處偏離目標軸向誘導(dǎo)因子至少5%，并且第一縱向節(jié)段設(shè)置有多個第一變流裝置，所述第一變流裝置被布置成用來調(diào)節(jié)第一縱向節(jié)段的空氣動力特性，以在設(shè)計點處基本滿足目標軸向誘導(dǎo)因子。根據(jù)一個有利實施例，第一基礎(chǔ)部具有固有性非理想扭轉(zhuǎn)和/或翼弦長度，并且其中，橫截面型面適于通過朝目標軸向誘導(dǎo)改變所述軸向誘導(dǎo)來補償非理想扭轉(zhuǎn)和/或翼弦長度。這類葉片特別適合用于設(shè)計具有簡化的翼弦分布和/或扭轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)部的風力渦輪機葉片。根據(jù)一個有利實施例，第一基礎(chǔ)部具有固有性非理想扭轉(zhuǎn)和/或翼弦長度，并且其中，橫截面型面適于通過朝目標軸向誘導(dǎo)改變所述軸向誘導(dǎo)來補償非理想扭轉(zhuǎn)和/或翼弦長度。然而，對葉片節(jié)段的設(shè)計參數(shù)進行這樣的限制意味著葉片節(jié)段在空氣動力學(xué)方面偏離了理想設(shè)計。因此，這樣的葉片節(jié)段將在空氣動力學(xué)方面，尤其是涉及該節(jié)段的最佳升力系數(shù)方面固有地是非理想的。通過使用變流裝置來補償此偏離，以將設(shè)計升力作為葉片半徑的函數(shù)調(diào)節(jié)到適當?shù)慕谱罴训妮S向誘導(dǎo)因子。對另一葉片半徑載荷的調(diào)節(jié)意味著需要使用變流裝置。根據(jù)另一有利實施例，具有變流裝置的第一縱向節(jié)段的軸向誘導(dǎo)因子在設(shè)計點處偏離目標軸向誘導(dǎo)因子不大于2%。有利地，在設(shè)計點處與目標軸向誘導(dǎo)因子的偏離不大于1%。根據(jù)又一有利實施例，在沒有變流裝置的情況下第一基礎(chǔ)部的誘導(dǎo)因子沿第一縱向節(jié)段的基本上整個縱向長度偏離目標軸向誘導(dǎo)因子。根據(jù)一個實施例，目標軸向誘導(dǎo)因子基本上等于空氣動力最佳目標軸向誘導(dǎo)因子。由此，可基本上最大化從風中提取的能量，并且因此使利用這種葉片的風力渦輪機的功率產(chǎn)出最大化。然而，目標軸向誘導(dǎo)因子可以處于以下區(qū)間內(nèi)，S卩0.25至0.4之間，或0.28至 0. 38之間，或0. 3至0. 33之間。因此，可以看出，出于結(jié)構(gòu)上和操作上的考慮，目標軸向誘導(dǎo)因子可偏離理論最佳值1/3。根據(jù)另一實施例，在沒有變流裝置的情況下第一基礎(chǔ)部的誘導(dǎo)因子在設(shè)計點處偏離目標軸向誘導(dǎo)因子至少10%或20%或30%。換言之，通過對葉片的第一縱向節(jié)段使用變流裝置，軸向誘導(dǎo)因子平均改變大于10%。根據(jù)又一實施例，在沒有變流裝置的情況下第一基礎(chǔ)部在設(shè)計點處進一步偏離目標載荷，并且其中，第一變流裝置進一步被布置為用來調(diào)節(jié)第一縱向節(jié)段的空氣動力特性， 以在設(shè)計點處基本滿足目標載荷。在這方面，目標載荷被認為是合成空氣力，或更準確地， 是影響特定葉片區(qū)段的轉(zhuǎn)子平面的合成法向力。目標載荷可被看作在第一縱向節(jié)段整個縱向長度上的平均，或者可被看作在第一縱向節(jié)段內(nèi)多個較小半徑節(jié)段的單獨目標。再者，它可被看作對葉片第一縱向節(jié)段的每個橫截面的單獨目標。在沒有變流裝置的情況下第一基礎(chǔ)部的載荷在設(shè)計點處偏離目標載荷至少5%、或 10%、或20%、或30%。換言之，通過對葉片的第一縱向節(jié)段使用變流裝置，第一縱向節(jié)段的載荷在整個縱向長度上平均改變至少5%或10%。有利地，具有變流裝置的第一縱向節(jié)段的載荷在設(shè)計點處偏離目標載荷不大于 2%。有利地，在設(shè)計點處與目標載荷的偏離不大于1%。根據(jù)一個有利實施例，所述第一基礎(chǔ)部被設(shè)計為具有固有性非理想扭轉(zhuǎn)(例如無扭轉(zhuǎn))或相比于目標葉片扭轉(zhuǎn)減小的扭轉(zhuǎn)。這種基礎(chǔ)部相比于常規(guī)葉片形狀被進一步簡化。根據(jù)本發(fā)明的另一有利實施例，第一縱向節(jié)段沿徑向方向被分為多個徑向區(qū)段， 每個徑向區(qū)段具有對于設(shè)計點的獨立平均操作攻角，并且具有分段翼面形狀，其在沒有第一變流裝置的情況下具有分段最佳攻角，其中，第一變流裝置適于朝徑向區(qū)段的平均操作攻角改變所述分段翼面形狀的最佳攻角。根據(jù)又一有利實施例，第一基礎(chǔ)部具有扭轉(zhuǎn)，該扭轉(zhuǎn)沿第一縱向節(jié)段的基本整個縱向長度是非理想的。因此，沿該節(jié)段的基本上整個縱向長度，固有扭轉(zhuǎn)不同于理想扭轉(zhuǎn)， 但是固有扭轉(zhuǎn)可以在多種徑向位置處等于最佳扭轉(zhuǎn)。因此，代表理想扭轉(zhuǎn)和固有扭轉(zhuǎn)的曲線可以在某點互相交叉。本發(fā)明尤其適合優(yōu)化基本上不具有扭轉(zhuǎn)的葉片的特性，即沒有被固有地設(shè)計用來補償局部流入速度(由于葉片局部變化的速度)的葉片。因此，可以利用變流裝置沿葉片縱向方向改變位差角(shift angle)，從而使得位差角與葉片的虛擬扭轉(zhuǎn)相對應(yīng)，以便由于葉片局部變化速度來補償局部流入速度。然而，本發(fā)明還可以使用其它類型的葉片，尤其是與最佳相比具有減小的總扭轉(zhuǎn)角的葉片。因此，根據(jù)本發(fā)明一個實施例的葉片具有扭轉(zhuǎn)小于 8度的翼面區(qū)域。換言之，翼弦平面的定向沿葉片徑向方向的變化小于8度。然而，葉片沿葉片徑向方向仍然預(yù)彎曲和/或成錐形。根據(jù)一個替代性實施例，扭轉(zhuǎn)小于5度或3度或甚至2度。由此，可以為風力渦輪機提供與常規(guī)風力渦輪機葉片相比簡單得多的型面，常規(guī)的風力渦輪機通常具有最大扭轉(zhuǎn)在10至12度之間、有時甚至為15度的翼面區(qū)段，并且葉片設(shè)置有變流裝置，以便補償“缺少的”扭轉(zhuǎn)或提供“剩余的”扭轉(zhuǎn)。然而，根據(jù)一個具體的有利實施例，葉片的翼面區(qū)域基本上是平直的。換言之，翼弦平面的定向沿葉片的整個徑向方向基本相同。因此，每個徑向區(qū)段可設(shè)置有變流裝置，以便優(yōu)化基本平直的葉片的升力。這為葉片的設(shè)計提供了許多可能性，這是因為葉片可被設(shè)計為無扭轉(zhuǎn)的并且在正常使用時(即在設(shè)計點處)仍可優(yōu)化葉片的局部徑向速度。這意味著可以通過獨立的區(qū)段葉片部分(例如之后互相連接的各個獨立的區(qū)段部分)來制造葉片，或者通過例如DE 198 33 869所示的區(qū)段模具部件來制造葉片?；蛘?，給定葉片可以裝配有輪轂延長件，而不改變?nèi)~片給定徑向位置的翼弦方向。這還使得可以設(shè)計這樣的葉片，其沒有理想的雙曲壓力側(cè)，即在葉片壓力側(cè)上不需要同時具有凸和凹的表面型面。在這種情況下，可以使用變流裝置來補償非理想型面。因此，模具組件可以被制造為具有簡單得多的形狀。此外，這種葉片可以實現(xiàn)通過更簡單的制造方法(例如擠壓等)來制造葉片。扭轉(zhuǎn)的一階導(dǎo)數(shù)隨著與輪轂的距離增加而減小。因此，葉片外側(cè)部分(即梢端附近)的扭轉(zhuǎn)小于葉片內(nèi)側(cè)部分的扭轉(zhuǎn)。因此，不是所有葉片都需要在葉片梢端附近設(shè)置變流裝置。然而，優(yōu)選地，至少翼面區(qū)的內(nèi)側(cè)40%、50%、60%、70%或75%設(shè)置有具有變流裝置的徑向葉片區(qū)段。通過改變?nèi)~片節(jié)距角(Pitch angle)和/或葉片轉(zhuǎn)速可補償梢端區(qū)域中的流入氣流。根據(jù)一個具體的有利實施例，第一基礎(chǔ)部具有基本恒定的扭轉(zhuǎn)，例如基本無扭轉(zhuǎn)， 這意味著第一基礎(chǔ)部的翼弦基本布置在相同的方向。因此，第一基礎(chǔ)部可以是基本平直的。根據(jù)另一有利實施例，第一基礎(chǔ)部可以具有與徑向位置線性相關(guān)的扭轉(zhuǎn)。也就是說，扭轉(zhuǎn)角或翼弦角沿翼展方向或第一縱向節(jié)段的縱向方向線性變化。這種葉片節(jié)段可被配置成盡可能逼近地跟隨理想扭轉(zhuǎn)，且在獲得可行的模塊設(shè)計方面具有多個優(yōu)點，其中第一基礎(chǔ)部被重復(fù)用于另一類葉片，或者其中，它被“連接”到第二縱向節(jié)段的第二基礎(chǔ)部，并且具有與軸向位置的另一相關(guān)性，任選地可經(jīng)由中間的過渡葉片節(jié)段。換言之，這種葉片節(jié)段在獲得葉片的模塊設(shè)計方面具有多個優(yōu)點。根據(jù)第一實施例，第一基礎(chǔ)部具有固有性扭轉(zhuǎn)角，從而使得在沒有變流裝置的情況下第一基礎(chǔ)部在轉(zhuǎn)子設(shè)計點處的流入角小于沿第一縱向節(jié)段整個縱向長度的最佳流入角。在這種情況下，單一種類的變流裝置足夠調(diào)整第一基礎(chǔ)部的非理想空氣動力結(jié)構(gòu)。根據(jù)第二實施例，第一縱向節(jié)段具有固有性扭轉(zhuǎn)角，從而使得在沒有變流裝置的情況下第一基礎(chǔ)部在轉(zhuǎn)子設(shè)計點處包括流入角小于最佳流入角的第一節(jié)段和流入角大于最佳流入角的第二節(jié)段。在這種情況下，可能有必要利用不同類型的變流裝置來調(diào)整第一基礎(chǔ)部的非理想空氣動力結(jié)構(gòu)。如果第一基礎(chǔ)部的固有扭轉(zhuǎn)和與輪轂的徑向距離線性相關(guān)，則葉片會發(fā)生固有扭轉(zhuǎn)“穿過”理想扭轉(zhuǎn)(或稱固有扭轉(zhuǎn)與理想扭轉(zhuǎn)“相交”)，其中所述理想扭轉(zhuǎn)與徑向位置非線性相關(guān)。由于理想扭轉(zhuǎn)和與輪轂的徑向距離成反比地相關(guān)，因此包括具有固有線性扭轉(zhuǎn)相關(guān)性的第一基礎(chǔ)部的葉片包括(從輪轂朝葉片梢端看)第一節(jié)段、并列第二節(jié)段、以及并列第三節(jié)段，其中所述第一節(jié)段具有小于理想扭轉(zhuǎn)的固有扭轉(zhuǎn)， 所述并列第二節(jié)段具有大于理想扭轉(zhuǎn)的固有扭轉(zhuǎn)，所述并列第三節(jié)段具有小于理想扭轉(zhuǎn)的固有扭轉(zhuǎn)。有利地，對于沒有變流裝置的第一縱向節(jié)段，在設(shè)計點處平均流入角和最佳流入攻之間第一縱向區(qū)段縱向長度上的均方根差大于1度、或大于2度、或大于2. 5度。因此， 均方根差被計算為沿葉片縱向方向的絕對空間偏離(absolute spatial deviation)。在給定的時間間隔(例如風力渦輪機轉(zhuǎn)子的一個全循環(huán))內(nèi)進一步觀察該偏離。有利地，對于具有變流裝置的第一縱向節(jié)段，設(shè)計點處平均流入角和最佳流入角之間的第一縱向區(qū)段縱向長度上的均方根差小于1度或小于0. 5度。根據(jù)一個有利實施例，第一基礎(chǔ)部具有按如下方式沿葉片的徑向方向線性變化的內(nèi)部尺寸，即使得在轉(zhuǎn)子設(shè)計點處沒有變流裝置的情況下所述第一基礎(chǔ)部的誘導(dǎo)因子偏離目標誘導(dǎo)因子。這種基礎(chǔ)部甚至進一步與常規(guī)葉片設(shè)計相比也簡化了設(shè)計。下面將描述具有線性變化內(nèi)部尺寸的多個有利實施例，其與常規(guī)的現(xiàn)代風力渦輪機葉片相比被簡化。根據(jù)第一有利實施例，第一基礎(chǔ)部的翼弦長度沿葉片的徑向方向線性變化。根據(jù)另一有利實施例，第一基礎(chǔ)部具有沿葉片的徑向方向線性變化的厚度。在這方面，葉片厚度被定義為葉片的最大厚度，即，對于每個橫截面型面而言是葉片吸力側(cè)和壓力側(cè)之間的最大距離(沿垂直于橫截面翼弦的方向)。根據(jù)又一有利實施例，第一基礎(chǔ)部具有恒定的相對厚度。也就是說，厚度與翼弦之比沿葉片第一縱向延伸區(qū)段的整個縱向長度是恒定的。原則上，相對型面可以沿葉片的縱向方向變化；然而，根據(jù)一個有利實施例，第一基礎(chǔ)部包括恒定的相對型面。在一個實施例中，第一基礎(chǔ)部包括沿第一縱向延伸區(qū)段整個長度的恒定相對型面。也就是說，第一基礎(chǔ)部的每一橫截面具有相同的相對翼型或整體形狀。在另一實施例中，第一基礎(chǔ)部具有恒定的翼弦長度。這意味著翼弦長度沿第一縱向延伸區(qū)段整個長度是恒定的，或者換言之，第一基礎(chǔ)部的前緣和后緣是平行的。這種約束需要在設(shè)計點處顯著偏離目標軸向誘導(dǎo)因子，但是可以顯著簡化葉片的生產(chǎn)以及用于制造所述葉片的模具的設(shè)計和制造。在又一實施例中，第一基礎(chǔ)部具有恒定的厚度。在一個具體的有利實施例中，第一基礎(chǔ)部包括多個縱向節(jié)段，每個縱向節(jié)段具有沿葉片軸向方向的獨立的線性變化相關(guān)性。因此，這例如可以設(shè)計具有分段線性變化翼弦長度的葉片。每個縱向節(jié)段應(yīng)沿翼面區(qū)域縱向長度的至少20%延伸。根據(jù)一個有利實施例，第一基礎(chǔ)部被提供有線性預(yù)彎曲。由此，相對于節(jié)距軸線 (pitch axis)的基礎(chǔ)部角定向可與局部葉片半徑線性相關(guān)。或者，距節(jié)距軸線的橫向偏離可與局部葉片半徑線性相關(guān)。由此，可以配置各個葉片區(qū)段的預(yù)彎曲，以便獲得預(yù)彎曲葉片。根據(jù)另一有利實施例，第一基礎(chǔ)部被預(yù)彎曲，并且翼面區(qū)域包括縱向節(jié)段，所述縱向節(jié)段包括沒有預(yù)彎曲的基礎(chǔ)部。因此，預(yù)彎曲可以僅位于葉片的一個節(jié)段或兩節(jié)段中，例如，翼面區(qū)域的翼外部分和/或根部區(qū)域中。根據(jù)一個有利實施例，第一基礎(chǔ)部是拉擠或擠壓成型的型面。由于線性變化的內(nèi)部尺寸，使得這種基礎(chǔ)部便于制造，并且顯著簡化了制造過程?？傊谝换A(chǔ)部包括線性翼弦、線性厚度以及沿葉片的徑向方向線性變化或恒定的扭轉(zhuǎn)，當設(shè)計模塊化組裝葉片時以及在制造這種葉片方面，具有多個優(yōu)點。優(yōu)選地，風力渦輪機葉片的長度為至少40米，或至少50米，或至少60米。葉片甚至可以為至少70米，或至少80米。具有至少90米或至少100米長度的葉片也是可能的。根據(jù)一個有利實施例，葉片尤其是第一基礎(chǔ)部包括由復(fù)合材料制成的殼結(jié)構(gòu)。所述復(fù)合材料可以是用纖維強化的樹脂基質(zhì)。在多數(shù)情形中，所用聚合物是熱固性樹脂，例如聚酯、乙烯基酯或環(huán)氧樹脂。所述樹脂還可以是熱塑性物質(zhì)，例如尼龍、PVC、ABS、聚丙烯或聚乙烯。再者，該樹脂可以是另一種熱固性的熱塑性物質(zhì)，例如環(huán)構(gòu)PBT或PET。所述纖維強化通常是基于玻璃纖維或碳纖維的，但也可以是塑性纖維、織物纖維或金屬纖維。所述復(fù)合材料常包括夾層結(jié)構(gòu)，該夾層結(jié)構(gòu)包括芯材，例如發(fā)泡聚合物或巴沙輕木。根據(jù)另一有利實施例，葉片包括縱向延伸強化區(qū)段，該區(qū)段包括多個纖維層。該強化區(qū)段(也被稱為主疊層)通常延伸通過第一縱向節(jié)段的第一基礎(chǔ)部。根據(jù)一個有利實施例，第一縱向節(jié)段沿翼面區(qū)域的至少25%，或30%，或40%，或50% 延伸。第一縱向節(jié)段甚至可以沿翼面區(qū)域的60%、70%或75%延伸。當梢端區(qū)域被認為是翼面區(qū)域的一部分時，第一縱向節(jié)段的長度甚至可以達到100%。然而，第一縱向節(jié)段本身被限制為翼面區(qū)域的一部分，其中可以實現(xiàn)在設(shè)計點處的近似最佳理論空氣動力特性。這不包括梢端部、根部區(qū)段和過渡區(qū)段，這是因為載荷和結(jié)構(gòu)上的考慮通常與近似最佳理論空氣動力特性顯著不同。有利地，翼面區(qū)域可進一步包括縱向延伸的過渡節(jié)段。該過渡節(jié)段(不要與葉片的過渡區(qū)域混淆)可以沿翼面區(qū)域的5-10%徑向地延伸，并且被使用在翼面區(qū)域中，以獲得根據(jù)本發(fā)明的兩個縱向延伸節(jié)段之間的逐漸過渡。要認識到，葉片可包括沿翼面區(qū)域的約40% 延伸的第一縱向延伸葉片節(jié)段、沿翼面區(qū)域的約10%延伸的過渡節(jié)段、沿翼面區(qū)域的約40% 延伸的第二縱向延伸葉片節(jié)段以及最后沿翼面區(qū)域的約10%延伸的葉片梢端區(qū)段。根據(jù)一個有利實施例，第一縱向節(jié)段被設(shè)置在翼面區(qū)域的翼內(nèi)位置(inboard position)，即設(shè)置在最靠近過渡區(qū)域或根部區(qū)域的部分中，優(yōu)選設(shè)置在根部區(qū)域的過渡區(qū)域的兩米內(nèi)，更優(yōu)選地設(shè)置成鄰接可選的過渡區(qū)域或所述根部區(qū)域。葉片可以設(shè)置有與第一縱向節(jié)段并列的額外縱向節(jié)段。所有這些都應(yīng)沿翼面區(qū)域縱向長度的至少25%延伸。有利地，導(dǎo)流裝置包括多元件區(qū)段，例如縫翼或襟翼，即導(dǎo)流裝置優(yōu)選包括多元件部，用于改變不同葉片節(jié)段的型面特性。所述多元件區(qū)段適于改變?nèi)~片第一縱向節(jié)段的流入特性和載荷。優(yōu)選地，多元件區(qū)段至少改變第一縱向節(jié)段的實質(zhì)部分，例如沿第一縱向節(jié)段的至少50%。由此，可以根據(jù)(第一基礎(chǔ)部的)基本設(shè)計來改變多個設(shè)計參數(shù)，例如該段的設(shè)計升力、弧高和攻角，從這些參數(shù)有關(guān)的空氣動力學(xué)角度來看，這些參數(shù)具有固有的非最佳設(shè)計，但是從制造角度來看卻是最優(yōu)化的。因此，可以將多元件部改裝到第一基礎(chǔ)部，以便優(yōu)化空氣動力特性。因此，一個或多個第一變流裝置可被布置為在第一基礎(chǔ)部的前緣附近和/或沿第一基礎(chǔ)部的前緣布置。進一步地，所述多個第一變流裝置中的一個或多個可被布置在第一基礎(chǔ)部的后緣附近和/或沿第一基礎(chǔ)部的后緣布置。因此，總型面可以變?yōu)榫哂兄辽賰蓚€獨立元件的多元件型面。因此，第一基礎(chǔ)部可被構(gòu)造為葉片的載荷承載部，而導(dǎo)流裝置可以用于優(yōu)化空氣動力特性，以使局部區(qū)段空氣動力特性與轉(zhuǎn)子設(shè)計點相匹配。多元件區(qū)段可被布置在相對于第一基礎(chǔ)部的固定位置。由此，可以永久地或半永久地調(diào)節(jié)葉片，以補償?shù)谝换A(chǔ)部的非理想型面?；蛘?，可以相對于第一基礎(chǔ)部靈活地調(diào)節(jié)多元件區(qū)段。因此，可以靈活地(例如根據(jù)風力渦輪機的操作條件)調(diào)節(jié)設(shè)計參數(shù)。第一導(dǎo)流裝置或多元件區(qū)段可以是相對于第一基礎(chǔ)部可平移的和/或是可被轉(zhuǎn)動操作的或是可調(diào)節(jié)。根據(jù)一個有利實施例，所述多個第一變流裝置包括具有翼型的多元件區(qū)段，所述翼型具有在前緣和后緣之間延伸的翼弦。此多元件區(qū)段可以形成為翼面，該翼面具有的翼弦長度處于第一基礎(chǔ)部局部翼弦長度的5%至30%的區(qū)間中?；蛘?，上述型面元件具有最大內(nèi)側(cè)橫截面尺寸，該尺寸相當于第一基礎(chǔ)部翼弦長度的5%至30%。根據(jù)第一實施例，所述多個第一導(dǎo)流裝置或結(jié)構(gòu)型面元件被布置為與第一基礎(chǔ)部相距一定距離?；蛘撸Y(jié)構(gòu)型面元件可與第一基礎(chǔ)部的表面連接，因此改變基礎(chǔ)部本身的表面包絡(luò)線(surface envelope)。根據(jù)又一實施例，第一基礎(chǔ)部具有比多個變流裝置的總表面大至少5或5倍的表面積。再者，可以調(diào)節(jié)導(dǎo)流裝置，以便被動消除流入變化。變流裝置還可以包括表面安裝元件，其改變?nèi)~片的第一縱向節(jié)段的總包絡(luò)線 (overall envelope).有利地，表面安裝元件被布置在第一基礎(chǔ)部的前緣和/或后緣附近。變流裝置還可以包括邊界層控制裝置，例如通風孔或通風槽、渦流發(fā)生器和格尼襟翼。優(yōu)選地，邊界層控制裝置與多元件區(qū)段或表面安裝元件結(jié)合使用。通常需要多元件區(qū)段或表面安裝元件來實現(xiàn)軸向誘導(dǎo)因子的較大改變，即，向目標進行粗調(diào)。然而，可用邊界層控制裝置來向目標精調(diào)軸向誘導(dǎo)因子。有利地，葉片包括多個模塊葉片區(qū)段。第一縱向節(jié)段可例如是這種葉片區(qū)段。葉片還可以是可分開或分離的葉片，在這種情形中，葉片可以在第一縱向節(jié)段的一端被分開。 根據(jù)第一有利實施例，模塊葉片區(qū)段包括根部區(qū)段、第一縱向節(jié)段和梢端區(qū)段。根據(jù)第二有利實施例，根部區(qū)段包括根部區(qū)域和過度區(qū)域。根據(jù)第三有利實施例，葉片進一步包括用于延長葉片長度的延長件區(qū)段，優(yōu)選增加到葉片的根部區(qū)段，例如輪轂延長件。根據(jù)一個進一步的方面，本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一組根部區(qū)域，或者是一組延長件區(qū)段、一組包括第一基礎(chǔ)部的翼面區(qū)段和一組梢端區(qū)段。根據(jù)一個有利實施例，可以結(jié)合和組裝該組根部區(qū)段中的一個模塊葉片區(qū)段，或者是該組延長件區(qū)段中的至少一個模塊葉片區(qū)段、該組翼面區(qū)段中的至少一個模塊葉片區(qū)段、以及該組梢端區(qū)段中的至少一個模塊葉片區(qū)段，從而形成不同長度的葉片。根據(jù)又一方面，本發(fā)明提供了一種風力渦輪機，所述風力渦輪機包括轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子包括根據(jù)前述實施例之一的多個葉片，優(yōu)選為兩個或三個葉片。有利地，風力渦輪機包括基本上水平軸線的轉(zhuǎn)子軸。優(yōu)選地，所述風力渦輪機在例如符合“丹麥概念”的逆風配置中操作。


下面參照附圖所示實施例來詳細描述本發(fā)明，附圖中圖1示出了一種風力渦輪機，
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機葉片的示意圖， 圖3示出了翼型示意圖， 圖4示出了一翼型處的流速和氣動力， 圖5示出了由不同葉片區(qū)段構(gòu)成的葉片的示意圖， 圖6a示出了風力渦輪機關(guān)于風速的功率曲線， 圖6b示出了風力渦輪機關(guān)于風速的轉(zhuǎn)子速度曲線， 圖6c示出了風力渦輪機關(guān)于風速的葉片梢端節(jié)距曲線，圖7示出了風力渦輪機葉片上一個區(qū)段的速度矢量三角形， 圖8a和8b分別示出了流入量和葉片載荷作為局部葉片半徑函數(shù)的曲線圖， 圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的葉片的第一實施例， 圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的葉片的第二實施例， 圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的葉片的第三實施例， 圖12a_c和圖13a_c圖示了用于修正非最佳扭轉(zhuǎn)的補償措施， 圖14a_c和圖15a_c圖示了用于修正非最佳翼弦長度的補償措施， 圖16示出了與翼面區(qū)段設(shè)計點相比、風力渦輪機葉片的實際葉片區(qū)段的操作點， 圖17a_17e示出了設(shè)置有通風孔的葉片的橫截面以及進行通風的作用， 圖18a-18c示出了設(shè)置有表面安裝元件的葉片的橫截面和使用表面安裝元件的作用， 圖19a示出了設(shè)置有多元件型面的葉片的橫截面和使用這種型面的作用， 圖19b-d示出了相對于葉片橫截面放置多元件型面的方式， 圖20a和20b示出了設(shè)置有格尼襟翼的葉片的橫截面和使用格尼襟翼的作用， 圖21a-21c示出了設(shè)置有渦流發(fā)生器的葉片的橫截面和使用渦流發(fā)生器的作用， 圖22a和22b示出了設(shè)置有擾流器元件的葉片的橫截面和使用擾流器元件的作用， 圖23a示出了攻角的平均值和最佳值作為與輪轂徑向距離的函數(shù)的曲線圖， 圖23b示出了位差角作為與輪轂徑向距離的函數(shù)的曲線圖，
圖23c示出了根據(jù)本發(fā)明的葉片的外側(cè)部分的阻力系數(shù)和升力系數(shù)之間的關(guān)系以及攻角和升力系數(shù)之間的關(guān)系，以及
圖23d示出了根據(jù)本發(fā)明的葉片的內(nèi)側(cè)部分的阻力系數(shù)和升力系數(shù)之間的關(guān)系以及攻角和升力系數(shù)之間的關(guān)系，
圖24a-g示出了圖示具有線性相關(guān)的扭轉(zhuǎn)和/或翼弦的葉片的不同實施例的曲線圖，
圖25示出了根據(jù)本發(fā)明的葉片的第四實施例，
圖26示出了具有線性預(yù)彎曲的葉片的一個實施例的曲線圖，
圖27示出了具有雙曲壓力側(cè)的葉片型面，
圖28示出了沒有雙曲率的葉片型面，
圖29示出了具有零弧高的葉片的一個實施例的曲線圖，
圖30示出了對稱的葉片型面，
圖31示出了具有負彎度的葉片的一個實施例的曲線圖， 圖32示出了具有負彎度的第一葉片型面， 圖33示出了具有負彎度的第二葉片型面，
圖34圖示出了為兩種不同類型的風力渦輪機葉片使用公共葉片區(qū)段的原理， 圖35示出了使用輪轂延長件的原理， 圖36圖示出了將葉片特性調(diào)節(jié)到目標值的原理， 圖37示出了翼弦長度分布的例子，
圖38示出了可變換葉片的扭轉(zhuǎn)和現(xiàn)有葉片的扭轉(zhuǎn)之間的對比， 圖39示出了不同葉片和風速情況下流入角的曲線圖， 圖40示出了不同葉片和風速情況下升力系數(shù)的曲線圖， 圖41示出了不同葉片和風速情況下軸向誘導(dǎo)因子的曲線圖，圖42示出了不同葉片的相對厚度分布的曲線圖， 圖43示出了具有共享翼外基礎(chǔ)部的可變換葉片， 圖44示出了可變換葉片的翼弦長度分布的例子， 圖45示出了可變換葉片的流入角的曲線圖， 圖46示出了可變換葉片的升力系數(shù)的曲線圖， 圖47示出了其它可變換葉片的流入角的曲線圖， 圖48示出了其它可變換葉片的升力系數(shù)的曲線圖， 圖49示出了交錯的可變換葉片的例子， 圖50示出了可變換葉片的翼弦長度分布的另一例子， 圖51示出了可變換葉片的流入角的曲線圖，以及圖52示出了可變換葉片的升力系數(shù)的曲線圖。
具體實施例方式圖1例示出了根據(jù)所謂“丹麥概念(Danish concept)"的常規(guī)現(xiàn)代逆風式風力渦輪機，該風力渦輪機具有塔架4、機艙6和具有基本上水平的轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子包括輪轂 8和從輪轂8沿徑向延伸的三個葉片10，每個葉片具有最接近輪轂的葉片根部16和最遠離輪轂8的葉片梢端14。所述轉(zhuǎn)子具有由R表示的半徑。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機葉片10的第一實施例的示意圖。風力渦輪機葉片10具有常規(guī)風力渦輪機葉片的形狀并且包括最接近輪轂的根部區(qū)域30、最遠離輪轂的型面或翼面區(qū)域34，以及根部區(qū)域30和翼面區(qū)域34之間的過渡區(qū)域32。葉片10包括當葉片被安裝在輪轂上時面向葉片10的轉(zhuǎn)動方向的前緣18，以及面向前緣18相反方向的后緣20。翼面區(qū)域34 (也被稱作型面區(qū)域)在產(chǎn)生升力方面具有理想或幾乎理想的葉片形狀，然而鑒于結(jié)構(gòu)上的考慮，根部區(qū)域30具有基本上呈圓形或橢圓形的橫截面，這例如使得將葉片10安裝到輪轂上更容易且更安全。根部區(qū)域30的直徑(或翼弦)沿整個根部區(qū)域30通常是恒定的。過渡區(qū)域32具有從根部區(qū)域的圓形或橢圓形形狀40逐漸變?yōu)橐砻鎱^(qū)域34的翼型50的過渡型面42。過渡區(qū)域32的翼弦長度通常隨著與輪轂的距離r的增加而基本上線性地增加。翼面區(qū)域34具有翼型50，所述翼型50具有在葉片10的前緣18和后緣20之間延伸的翼弦。翼弦的寬度隨著與輪轂的距離r的增加而減小。應(yīng)該注意葉片不同區(qū)段的翼弦一般不在一個共同平面上，這是由于葉片可以扭轉(zhuǎn)和/或彎曲(即預(yù)彎曲)，因此使翼弦平面具有相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)和/或彎曲的路線，這是最常見的情形，以便彌補葉片的局部速度，該速度取決于距輪轂的半徑。圖3示出了風力渦輪機的典型葉片的翼型50的示意圖，所述翼型50是用多個參數(shù)描述的，所述參數(shù)通常用于限定翼面的幾何形狀。翼型50具有壓力側(cè)52和吸力側(cè)54，所述壓力側(cè)52和吸力側(cè)54在使用過程中(即在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動過程中)一般分別面向迎風(或逆風)側(cè)和下風(或順風)側(cè)。翼面50具有翼弦60，所述翼弦60的翼弦長度c在葉片的前緣 56和后緣58之間延伸。翼型50具有厚度t，所述厚度t被定義為壓力側(cè)52和吸力側(cè)54 之間的距離。翼型50的厚度t沿翼弦60變化?；【€62給出了與對稱型面的偏離，所述弧線是穿過翼型50的中線。所述中線可通過從前緣56到后緣58繪制內(nèi)接圓而找到。所述中線經(jīng)過這些內(nèi)接圓的中心，與翼弦60的偏離或距離被稱作弧高f。也可利用稱作上弧高和下弧高的參數(shù)來定義這種不對稱性，這兩個參數(shù)分別被定義為與翼弦60的距離和與吸力側(cè)54及壓力側(cè)52的距離。翼型通常由以下參數(shù)限定翼弦長度C、最大弧高f、最大弧高f的位置df、最大翼面厚度t (其是沿中弧線62上內(nèi)接圓的最大直徑)、最大厚度t的位置dt和頂冠半徑(nose radius)(未示出)。這些參數(shù)通常被定義為與翼弦長度c之比。圖4示出了翼型50處的流速和氣動力的示意圖。該翼型位于轉(zhuǎn)子的徑向位置或半徑r處，所述葉片是所述轉(zhuǎn)子的一部分，并且所述型面被設(shè)置成給定扭轉(zhuǎn)或節(jié)距角θ。軸向自由流速度Va (根據(jù)理論，其最佳地被給定為風速Vw的2/3)和切向速度r · ω (其方向沿轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向64)結(jié)合形成合成速度\。合成速度\與弧線60—起限定了流入角Φ， 可從所述流入角Φ中減去攻角α。當翼型50受到入射氣流沖擊時，垂直于合成速度、產(chǎn)生升力66。同時，翼面受到朝合成速度\方向的阻力68的作用。知道每個徑向位置的升力和阻力后，可計算沿葉片整個長度的合成氣動力70的分布。這些氣動力70通常被分為兩個分量，即切向力分布(在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動平面中)和朝向與切向力成直角的方向的推力72。進一步地，翼面會受力矩系數(shù)75影響。轉(zhuǎn)子的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩可以通過在葉片的整個徑向長度上對切向力74進行積分來計算。驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度一起為風力渦輪機提供全部轉(zhuǎn)子功率。在葉片的整個徑向長度上對局部推力72進行積分得到例如相對于塔架的總轉(zhuǎn)子推力。下面(第1節(jié))將描述根據(jù)常規(guī)設(shè)計方法進行的葉片設(shè)計。1風力渦輪機葉片設(shè)計的現(xiàn)有技術(shù)狀況
現(xiàn)今，風力渦輪機的轉(zhuǎn)子設(shè)計是空氣動力特性和整體風力渦輪機設(shè)計負荷之間的折衷。最常見的是，葉片被設(shè)計為用于最小化能量消耗(C0E)、找到能量產(chǎn)出和渦輪機負荷的最佳權(quán)衡。這意味著空氣動力設(shè)計不能被看作孤立問題，因為在最大能量產(chǎn)出可能導(dǎo)致過載的情況下，孤立看待最大能量產(chǎn)出是沒有意義的。因此，經(jīng)典的解析或半解析法并不能完全勝任葉片設(shè)計任務(wù)。1. 1葉片設(shè)計參數(shù)
轉(zhuǎn)子新型葉片的空氣動力設(shè)計涉及以下總轉(zhuǎn)子半徑R和葉片數(shù)量B?？傮w葉片平面圖，其由圖3和圖4中的下列參數(shù)描述翼弦長度C、扭轉(zhuǎn)角θ和相對于翼弦c的厚度t。這些參數(shù)都應(yīng)作為局部葉片半徑r的函數(shù)來確定。節(jié)距軸線相對葉片半徑的位置可被定義為x/c(r)和y/c(r)，即后掠和預(yù)彎曲。當葉片被安裝在轉(zhuǎn)子上時，預(yù)彎曲是葉片在垂直于轉(zhuǎn)子平面的方向上的葉片預(yù)偏轉(zhuǎn)。預(yù)彎曲的目的在于當葉片在操作過程中偏轉(zhuǎn)時，防止葉片撞擊塔架。規(guī)定的后掠使得可以沿葉片的長度軸布置翼面區(qū)段，這影響整個葉片的區(qū)段負荷。在現(xiàn)有空氣動力轉(zhuǎn)子設(shè)計方法的技術(shù)狀況中一個重要的關(guān)鍵要素是使用預(yù)設(shè)計的翼面。沿葉片半徑為各個葉片部位選擇翼面。描述每個翼面區(qū)段的參數(shù)在圖4中示出 升力系數(shù)66 (Cl)、阻力系數(shù)68 (cd)、力矩系數(shù)75 (Cffl)0對于各個獨立的葉片部位，這些翼面特性都通過攻角α進行描述，然后由每個區(qū)段的總?cè)~片流入角確定攻角a。
風力渦輪機轉(zhuǎn)子的巨大操作范圍以及對全地形條件下強壯和可靠的空氣動力特性的需求使得風力渦輪機翼面與傳統(tǒng)飛機和滑翔器翼面不同。1.2控制策略
作為功率和大多數(shù)負荷的受體，風力渦輪機轉(zhuǎn)子上的葉片在風力渦輪機系統(tǒng)設(shè)計中是很重要的組件。因此，用風力渦輪機控制策略的密切知識來設(shè)計風力渦輪機葉片。所述控制策略限定了如何針對不同風速來優(yōu)化和控制轉(zhuǎn)子功率。存在三種根本上不同的控制方案
1.可變轉(zhuǎn)子速率，這里，在轉(zhuǎn)子速率可變情況下，可為各種風速獲得轉(zhuǎn)子的設(shè)計目標點。通常，葉片節(jié)距(pitch)保持恒定。2.恒定的轉(zhuǎn)子速率和可變的葉片節(jié)距。這里，通過調(diào)節(jié)葉片節(jié)距盡可能地接近轉(zhuǎn)子的設(shè)計目標點。3.恒定轉(zhuǎn)子速率和恒定葉片節(jié)距。這里，只能在一個風速下滿足轉(zhuǎn)子的設(shè)計目標
點ο圖6a_6c示出了對于典型的可變風速和受控節(jié)距風力渦輪機的功率特性。圖6a示出了對于風速的典型功率曲線。在低風速處，功率隨風速增加直到達到額定功率。存在兩個重要的風速區(qū)域，即功率優(yōu)化區(qū)域和功率控制區(qū)域。在風速低于圖6中虛線所示閾值的區(qū)域中功率被優(yōu)化，在較高風速處功率保持恒定的區(qū)域是功率控制區(qū)域。在功率優(yōu)化區(qū)域，通過改變?nèi)~片梢端節(jié)距或轉(zhuǎn)子速率來追蹤轉(zhuǎn)子設(shè)計目標點。這樣做的目的是為了使功率以及能量產(chǎn)出最大化。圖6b和6c示出了主導(dǎo)風力渦輪機葉片設(shè)計的控制參數(shù)圖6b示出了轉(zhuǎn)子速率Ω 與風速，圖6c示出了葉片梢端節(jié)距角Θ。轉(zhuǎn)子速率在低風速處具有最小值，并且當追蹤最佳功率直到達到額定功率時，這對應(yīng)于轉(zhuǎn)子速率隨風速線性增加。當達到轉(zhuǎn)子速率的給定最大值時，轉(zhuǎn)子速率在功率控制過程中保持恒定。在功率優(yōu)化過程中葉片節(jié)距通常保持恒定，然后在功率控制過程中隨風速而增加以防止功率超出額定值。在功率控制區(qū)域，對于大多數(shù)渦輪機而言，通過調(diào)節(jié)葉片節(jié)距，功率被保持為接近驅(qū)動機構(gòu)的額定功率，從而使得葉片失速或相反地朝很小的負荷運行。一些渦輪機具有失速控制裝置，此時葉片節(jié)距保持恒定。這里，通過設(shè)計使葉片的一些部分被動失速，達到額定功率值。1.3轉(zhuǎn)子設(shè)計目標點
無論進行何種類型的功率優(yōu)化，風力渦輪機葉片都被設(shè)計為在一個設(shè)計目標點操作。 對于可變轉(zhuǎn)子速率和/或可變?nèi)~片節(jié)距，在風速范圍內(nèi)可實現(xiàn)在設(shè)計目標點處進行操作， 而對于失速控制的轉(zhuǎn)子，僅在一個風速處表現(xiàn)出在設(shè)計目標點處進行操作。轉(zhuǎn)子設(shè)計目標點由相應(yīng)的設(shè)計梢端速比表征，該速比被定義為梢端速度和風速之比，X=r· Ω/V，其中Ω是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。在設(shè)計目標點處，與遠離轉(zhuǎn)子設(shè)計目標點的操作點相比，轉(zhuǎn)子功率系數(shù)最大。轉(zhuǎn)子設(shè)計點可被看作第一縱向節(jié)段整個縱向長度上的平均，或者可被看作用于第一縱向節(jié)段內(nèi)多個較小半徑節(jié)段的個體目標。再者，轉(zhuǎn)子設(shè)計點可被看作用于葉片第一縱向節(jié)段的每個橫截面的個體目標。當確定了轉(zhuǎn)子設(shè)計目標點并且確定了渦輪機控制策略時，選擇翼面，并且決定轉(zhuǎn)子半徑和葉片數(shù)量。剩下的參數(shù)是局部翼弦、扭轉(zhuǎn)和相對于葉片半徑的厚度以及局部區(qū)段設(shè)計目標點。這些參數(shù)通過在考慮到負荷和能量消耗的情況下優(yōu)化轉(zhuǎn)子設(shè)計目標點特性來找到。因此，在設(shè)計目標點處的轉(zhuǎn)子功率系數(shù)不一定是最佳可達到值，但是對于給定的轉(zhuǎn)子，總是存在一個設(shè)計目標點。1.4局部區(qū)段設(shè)計目標點
局部區(qū)段設(shè)計目標點可根據(jù)圖7所示的給定區(qū)段的速度三角形定義。這里，合成速度 W由軸向流速ν (Ι-a)和切向流速r· Ω (1+a’)構(gòu)成。總流入角Φ的正切等于軸向分量和切向分量之比。軸向誘導(dǎo)因子表示在轉(zhuǎn)子平面處自由流速的百分比減少。切向誘導(dǎo)因子表示由轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子平面中引起的轉(zhuǎn)子尾流的轉(zhuǎn)動百分比。如圖4所示，總流入角Φ仍由局部扭轉(zhuǎn)角 和局部攻角α構(gòu)成。當知道局部翼弦c和局部扭轉(zhuǎn)角θ以及對于局部攻角α的翼面區(qū)段力系數(shù)時， 可使用所謂的葉素動量法(BEM)來解決通過葉片節(jié)段覆蓋的轉(zhuǎn)子環(huán)的總流量與每個葉片上的局部力之間的平衡問題?？梢杂嬎愫铣傻姆ㄏ蛄颓邢蛄Γ龇ㄏ蛄Υ怪庇谵D(zhuǎn)子平面， 而所述切向力平行于轉(zhuǎn)子平面。通過這種計算過程，確定出誘導(dǎo)因子，并且當在轉(zhuǎn)子設(shè)計目標點處操作時，誘導(dǎo)因子繼而表示目標誘導(dǎo)因子。反之亦然，如果確定了目標誘導(dǎo)因子，則當知道翼面區(qū)段時，可推導(dǎo)出局部翼弦和扭轉(zhuǎn)。在為了優(yōu)化空氣動力特性而設(shè)計局部區(qū)段的情況中，可以看出對于梢端速比的高值而言，最佳軸向誘導(dǎo)因子接近1/3，而切向誘導(dǎo)因子接近零。有一種確定精確的最佳誘導(dǎo)因子并據(jù)此確定局部翼弦和扭轉(zhuǎn)以便優(yōu)化空氣動力特性的簡單方法。這種方法的一個例子是Glauert的與BEM法一起公布的方法 (Glauert, H. Airplane propellers in Aerodynamic Theory ed. Durand, W. F. Dower Publications, Inc. New York)。1.5經(jīng)典空氣動力葉片設(shè)計
Glauert的經(jīng)典葉素動量(BEM)理論通過將轉(zhuǎn)子盤分成環(huán)形流管，在穿過轉(zhuǎn)子盤的總流量和葉片上翼面周圍的局部流量之間建立平衡，使得可以通過簡單手段解決轉(zhuǎn)子流量。 如果忽略阻力，則可找到用于最佳轉(zhuǎn)子的簡單表達式
權(quán)利要求
1.一種用于風力渦輪機轉(zhuǎn)子的葉片，所述轉(zhuǎn)子具有基本上水平的轉(zhuǎn)子軸且包括輪轂， 所述葉片在被安裝到所述輪轂上時從所述輪轂基本上沿徑向方向延伸，所述葉片包括 型面輪廓，所述型面輪廓包括壓力側(cè)和吸力側(cè)以及前緣和后緣，并且翼弦在所述前緣和所述后緣之間延伸，所述型面輪廓在受到入射空氣流沖擊時產(chǎn)生升力， 所述型面輪廓沿徑向方向被分成最接近所述輪轂的根部區(qū)域、最遠離所述輪轂的翼面區(qū)域以及位于所述根部區(qū)域與所述翼面區(qū)域之間的優(yōu)選的過渡區(qū)域，所述根部區(qū)域具有基本上呈圓形或橢圓形的型面，所述翼面區(qū)域具有產(chǎn)生升力的型面，所述過渡區(qū)域具有沿徑向方向從所述根部區(qū)域的圓形或橢圓形型面向所述翼面區(qū)域的產(chǎn)生升力的型面逐漸改變的型面，其中 所述翼面區(qū)域包括至少第一縱向節(jié)段，所述第一縱向節(jié)段沿所述翼面區(qū)域的縱向長度的至少20%延伸，所述第一縱向節(jié)段包括第一基礎(chǔ)部，所述第一基礎(chǔ)部具有前緣和后緣以及在該前緣和后緣之間延伸的翼弦，其特征在于 所述第一基礎(chǔ)部具有橫截面型面，該橫截面型面在受到0度攻角的入射空氣流的沖擊時具有為0或更小的升力系數(shù)，正升力被定義為具有從葉片的壓力側(cè)指向吸力側(cè)的升力分量的升力系數(shù)，負升力系數(shù)被定義為具有從葉片的吸力側(cè)指向壓力側(cè)的升力分量的升力系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片，其中，所述第一基礎(chǔ)部在轉(zhuǎn)子設(shè)計點處具有固有性非理想扭轉(zhuǎn)和/或翼弦長度，且其中，所述橫截面型面適于通過在所述轉(zhuǎn)子設(shè)計點處朝目標軸向誘導(dǎo)改變軸向誘導(dǎo)來補償所述非理想扭轉(zhuǎn)和/或翼弦長度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的葉片，其中，所述第一縱向節(jié)段設(shè)置有多個第一變流裝置，所述第一變流裝置被布置為調(diào)節(jié)所述第一縱向節(jié)段的空氣動力特性，以在轉(zhuǎn)子設(shè)計點處基本上滿足目標軸向誘導(dǎo)因子。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的葉片，其中，所述變流裝置包括從下列裝置構(gòu)成的組中選擇的裝置 多元件區(qū)段，例如縫翼或襟翼，和/或 表面安裝元件，例如前緣元件或表面安裝襟翼，其改變了所述葉片的第一縱向節(jié)段的總包絡(luò)線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉片，其中，所述變流裝置額外包括邊界層控制裝置，例如通風孔或通風槽、渦流發(fā)生器和格尼襟翼。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的葉片，其中，所述第一基礎(chǔ)部具有橫截面型面，該橫截面型面具有弧線和翼弦線，該翼弦線具有翼弦長度，并且其中橫截面型面的翼弦線和弧線之間在整個翼弦長度上的平均差值為負，從而使得，當從翼弦的整個長度上看時，弧線平均而言更靠近葉片的壓力側(cè)，而不是葉片的吸力側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的葉片，其中，在翼弦的整個長度上，弧線更靠近壓力側(cè)而不是吸力側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的葉片，其中，所述第一基礎(chǔ)部具有橫截面型面，該橫截面型面具有弧線和翼弦線，該翼弦線具有翼弦長度，且其中所述弧線和翼弦線在翼弦的整個長度上重合。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的葉片，其中，所述第一基礎(chǔ)部具有與徑向位置線性相關(guān)的扭轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的葉片，其中，所述第一基礎(chǔ)部的翼弦長度沿所述葉片的徑向方向線性變化。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的葉片，其中，所述第一基礎(chǔ)部具有厚度，且其中所述基礎(chǔ)部的厚度沿所述葉片的徑向方向線性變化。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的葉片，其中，所述目標軸向誘導(dǎo)因子接近所述空氣動力最佳目標軸向誘導(dǎo)因子。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的葉片，其中，所述目標軸向誘導(dǎo)因子處于0.25至0.4 的區(qū)間內(nèi)，或0. 28至0. 38的區(qū)間內(nèi)，或0.3至0. 33的區(qū)間內(nèi)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的葉片，其中，在沒有變流裝置的情況下所述第一基礎(chǔ)部的誘導(dǎo)因子在設(shè)計點處偏離所述目標軸向誘導(dǎo)因子至少5%、或10%、或20%、或30%。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的葉片，其中，在沒有變流裝置的情況下第一基礎(chǔ)部在設(shè)計點處進一步偏離目標載荷，并且其中，第一變流裝置進一步被布置為用來調(diào)節(jié)第一縱向節(jié)段的空氣動力特性，以在設(shè)計點處基本滿足所述目標載荷。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的葉片，其中，在沒有變流裝置的情況下所述第一基礎(chǔ)部的載荷在設(shè)計點處偏離所述目標載荷至少5%、或10%、或20%、或30%。
17.一種用于風力渦輪機轉(zhuǎn)子的葉片，所述轉(zhuǎn)子具有基本上水平的轉(zhuǎn)子軸且包括輪轂， 所述葉片在被安裝到所述輪轂上時從所述輪轂基本上沿徑向方向延伸，所述葉片在轉(zhuǎn)子設(shè)計點處具有預(yù)定的目標軸向誘導(dǎo)因子，所述葉片包括 型面輪廓，所述型面輪廓包括壓力側(cè)和吸力側(cè)以及前緣和后緣，并且翼弦在所述前緣和所述后緣之間延伸，所述型面輪廓在受到入射空氣流沖擊時產(chǎn)生升力， 所述型面輪廓沿徑向方向被分成最接近所述輪轂的根部區(qū)域、最遠離所述輪轂的翼面區(qū)域和位于所述根部區(qū)域與所述翼面區(qū)域之間的優(yōu)選的過渡區(qū)域，所述根部區(qū)域具有基本上呈圓形或橢圓形的型面，所述翼面區(qū)域具有產(chǎn)生升力的型面，所述過渡區(qū)域具有沿徑向方向從所述根部區(qū)域的圓形或橢圓形型面向所述翼面區(qū)域的產(chǎn)生升力的型面逐漸改變的型面，其特征在于 所述翼面區(qū)域被分成多個基礎(chǔ)區(qū)段，所述基礎(chǔ)區(qū)段中的第一基礎(chǔ)區(qū)段沿所述翼面區(qū)域的縱向長度的至少20%延伸，所述第一基礎(chǔ)區(qū)段具有前緣和后緣以及在該前緣和后緣之間延伸的翼弦， 所述第一基礎(chǔ)部具有橫截面型面，該橫截面型面在受到0度攻角的入射空氣流的沖擊時具有為0或更小的升力系數(shù)，正升力被定義為具有從葉片的壓力側(cè)指向吸力側(cè)的升力分量的升力系數(shù)，負升力系數(shù)被定義為具有從葉片的吸力側(cè)指向壓力側(cè)的升力分量的升力系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于風力渦輪機轉(zhuǎn)子的葉片，該風力渦輪機轉(zhuǎn)子具有基本上水平的轉(zhuǎn)子軸。轉(zhuǎn)子包括輪轂，葉片在被安裝到輪轂上時從輪轂基本上沿徑向方向延伸。葉片包括型面輪廓，其包括壓力側(cè)和吸力側(cè)以及前緣和后緣，并且翼弦在前緣和后緣之間延伸，型面輪廓在受到入射空氣流沖擊時會產(chǎn)生升力，型面輪廓沿徑向方向被分成最接近輪轂的根部區(qū)域、最遠離輪轂的翼面區(qū)域和位于根部區(qū)域與翼面區(qū)域之間的優(yōu)選的過渡區(qū)域，根部區(qū)域具有基本上呈圓形或橢圓形的型面，翼面區(qū)域具有產(chǎn)生升力的型面，過渡區(qū)域具有沿徑向方向從根部區(qū)域的圓形或橢圓形型面向翼面區(qū)域的產(chǎn)生升力的型面逐漸改變的型面，其中，翼面區(qū)域包括至少第一縱向節(jié)段，第一縱向節(jié)段沿翼面區(qū)域的縱向長度的至少20%延伸，第一縱向節(jié)段包括第一基礎(chǔ)部，其具有前緣和后緣以及在前緣和后緣之間延伸的翼弦。第一基礎(chǔ)部具有橫截面型面，該橫截面型面在受到0度攻角的入射空氣流的沖擊時具有為0或更小的升力系數(shù)。
文檔編號F03D1/06GK102459880SQ201080032430
公開日2012年5月16日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月18日
發(fā)明者富格爾桑格 L., 富格爾桑格 P., 博夫 S. 申請人:Lm 玻璃纖維制品有限公司