风力涡轮机的叶片尖端形状

摘要

本发明涉及风力涡轮机的叶片尖端形状。用于风力涡轮机的叶片包括翼弦，其长度为“c”，定位成具有处于大约45度至大约75度之间的前缘尖端翼弦角和后缘尖端翼弦角；尖端，其具有在表中范围内的抗剪腹板平面半径分布；其中，“L/c”为沿翼弦线的近似归一化位置的范围，表示为自叶片前缘的翼弦长度的百分比；以及其中，“R/c”为近似归一化的抗剪腹板平面尖端半径的范围，表示为对于各归一化位置L/c的翼弦长度的百分比。

说明书

技术领域

[0001]本文所描述的主题大体上涉及具有特殊叶片结构的流体作用面，并且更具体地涉及风力涡轮机的叶片尖端形状。

背景技术

[0002]风力涡轮机是一种用于将风的动能转化为机械能的机器。如果机械能直接由机器使用，如用以抽水或磨麦，则该风力涡轮机可称为风车。类似而言，如果机械能转化成电力，则该机器还可称为风力发电机或风能装置。

[0003]风力涡轮机通常根据叶片围绕其旋转的竖直轴线或水平轴线来分类。图1中示意性地示出了所谓的水平轴风力发电机，并且该发电机可从通用电气公司获得。用于风力涡轮机2的该特定构造包括塔架4，塔架4支承包含的传动系8机舱6。叶片10设置在浆毂上，以在机舱6外位于传动系8的一端形成“转子”。旋转叶片10驱动位于传动系8另一端的连接到发电机14上的齿轮箱12，齿轮箱12连同从风速计18接收输入的控制系统16一起设置在机舱6内。

[0004]当叶片在“转子平面”中旋转时，叶片10产生升力并从移动的空气中俘获动量，之后将其传递给转子。各叶片通常均在其“根部”端紧固，且然后沿径向“向外”地“横越”至自由的“尖端”端。从尖端至位于叶片相对端上的根部的距离称为“翼展”。叶片的前部或“前缘”连接叶片最先接触空气的最前点。叶片的后部或“后缘”为已由前缘分隔开的气流在穿过叶片的吸力表面和压力表面后重新汇集的部位。

[0005]“翼弦线”连接定位成垂直于径向方向的叶片10截面的前缘和后缘。翼弦线的长度简单地称为“翼弦”。由于许多叶片10沿着翼展而改变其翼弦，故邻近根部的翼弦长度称为“根部翼弦”，而邻近叶片尖端的翼弦长度则称为“尖端翼弦”。翼弦线设置在延伸经过叶片相应的压力表面和吸力表面的“翼弦面”中。翼弦面的中心或“翼弦面中心线”由翼弦面上的线形成，该线位于叶片10的前缘与后缘之间的中央(halfway)。多个“抗剪腹板平面”设置成垂直于翼弦面。

[0006]当垂直于流向进行观察时，所得到的叶片10形状称为“平面形状(planform)”。例如，图2为图1中所示的叶片10的尖端部分的平面形状简图，其中，尖端翼弦20与前缘22形成“前缘尖端翼弦角”α，而与后缘24形成“后缘尖端翼弦角”β。

[0007]风力涡轮机叶片10的噪音和动力性能部分地取决于在叶片尖端处的涡流进展。已经提出了多种技术来控制这种涡流进展。例如，于2007年7月12日提交的共同拥有的共同未决美国申请序列No.11/827,532(代理人卷号225992)公开了一种具有用于减小噪音的涡流破坏系统的风力涡轮机叶片，而于2008年5月30日提交的共同拥有的共同未决美国申请序列No.12129997(代理人卷号232308)公开了一种具有扭曲和渐缩形尖端的风力涡轮机叶片平面形状。尽管通常可通过最大限度地减小叶片尖端上的空气动力负载来减小涡流进展，但所谓的“尖端卸荷”通常会造成显著降低由叶片所产生的动力。

发明内容

[0007]本文通过在多种实施例中提供一种用于风力涡轮机的叶片来处理与这些常规方式相关的这些和其它缺点，其中，该叶片包括：长度为“c”、定位成具有前缘尖端翼弦角和后缘尖端翼弦角处于大约45度至大约75度之间的翼弦；尖端，其具有在如下范围内的抗剪腹板平面半径分布：

  L/c(％)  R/c(％)  0-10％  1.03-3.68％  30-40％  2.91-5.79％  60-70％  1.77-2.5％  90-100％  0.229-0.350％

其中，“L/c”为沿翼弦线的近似归一化位置的范围，表示为距叶片前缘的翼弦长度的百分比；以及其中，“R/c”为近似归一化的抗剪腹板平面尖端半径的范围，表示为对于各个归一化位置L/c而言的翼弦长度的百分比。

附图说明

[0008]现在将参照如下附图(“图”)来描述本技术的各个方面，附图不必按比例绘制，但是在各个视图中都使用相同的标号来标示对应的部分。

[0009]图1为常规风力发电机的示意性侧视图(现有技术)。

[0010]图2为图1中所示常规叶片的尖端部分的平面形状简图(现有技术)

[0011]图3为紧固到图1和图2中所示的叶片尖端上的罩盖的正视图。

[0012]图4为用于形成图3中所示罩盖的轮廓的示意性正视图。

[0013]图5为噪音频谱图。

零件清单

2风力涡轮机

4塔架

6机舱

8传动系

10叶片

12齿轮箱

14发电机

16控制系统

18风速计

20尖端翼弦

22前缘

24后缘

30罩盖

40翼弦面中心线

41第一抗剪腹板平面弯曲部分(curvature)

42第二抗剪腹板平面弯曲部分

43第三抗剪腹板平面弯曲部分

44第四抗剪腹板平面弯曲部分

46翼弦面

48切点

50切点

52样条(spline)

54图线

56图线

前缘尖端翼弦角

后沿尖端翼弦角

具体实施方式

[0014]图3为紧固到图1和图2中所示的叶片10尖端上的罩盖30的正视图。然而，罩盖30还可构造成用以与其它风力涡轮机叶片尖端相配合。例如，罩盖30可设有紧固到叶片排放孔上的螺栓或安装支架。此外，一些或所有罩盖30可构造为任何风力涡轮机叶片的整体部分。罩盖30有时可称为“侧缘罩盖”。

[0015]图4为风力涡轮机叶片尖端如图3中所示罩盖的轮廓的示意性正视图。在图4中，相对于翼弦面中心线40，示出了如在图2中的前缘尖端翼弦角α和后缘尖端翼弦角β。例如，前缘尖端翼弦角α和后缘尖端翼弦角β可为大致相同的大小，处于大约45度至大约75度之间的范围内，或处于大约50度至大约70度之间的较小范围内，或处于大约55度至大约65度之间的更小范围内。作为备选，前缘尖端翼弦角α和后缘尖端翼弦角β可具有这些范围内的不同大小，或它们都为大约60度。如果现有的叶片10不具有带有适当角度的尖端翼弦20，则可使叶片缩短(“构造不足”)或延长(“构造过长”)，以便获得具有适合的前缘尖端翼弦角α和后缘尖端翼弦角β的尖端翼弦。

[0016]在图4的尖端轮廓中，尖端的外缘设有处于多个抗剪腹板平面内的多个弯曲部分。在该实例中，第一抗剪腹板平面弯曲部分41设置在自前缘的翼弦的大约0％至10％处；第二抗剪腹板平面弯曲部分42设置在自前缘的翼弦的大约30％至40％处；第三抗剪腹板平面弯曲部分43设置在自前缘的翼弦的大约60％至70％处；以及第四抗剪腹板平面弯曲部分44设置在自前缘的翼弦的大约90％至100％处。然而，任何其它数目的弯曲部分也可设置在沿翼弦面46的这些和/或其它位置上。

[0017]在本文所示的实例中，翼弦线20定位成具有前缘尖端翼弦角α和后缘尖端翼弦角β，该翼弦角α，β处于大约45度至大约75度之间的较宽范围内，处于大约50度至大约70度之间的较窄范围内，以及处于55度与65度之间的更窄范围内。弯曲部分41至弯曲部分44为半圆形，并且以下抗剪腹板平面半径分布限定了在各位置处以毫米为单位的“R”的半径值范围：

  位置  L/c(％)  R(mm)  R/c(％)  41  0-10％  3.6-7mm  1.03-3.68％  42  30-40％  10-11mm  2.91-5.79％  43  60-70％  3.6-6.2mm  1.77-2.5％  44  90-100％  0.5-0.8mm  0.229-0.350％

[0018]各种抗剪腹板平面半径分布均可落入这些范围内。例如，如下表格列出了在对于以毫米为单位的三个不同翼弦长度的特定位置处以毫米为单位的R和R/c的典型值，其中，前缘尖端翼弦角α和后缘尖端翼弦角β均为大约60度：

  位置 L/c(％)  R(mm)  R/c(％)  R(mm)  R/c(％)  R(mm)  R/c(％)  41 5％  7mm  3.68％  4mm  2.00％  3.6mm  1.03％  42 35％  11mm  5.79％  10mm  5.00％  10.2mm  2.91％  43 65％  3.5mm  1.84％  5mm  2.50％  6.2mm  1.77％  44 95％  0.5mm  0.263％  0.7mm  0.350％  0.8mm  0.229％ 翼弦  190mm  200mm  350mm

然而，以上列出的比率可与其它翼弦长度结合使用和/或在从叶片前缘22沿翼弦20的其它距离处使用。还期望通过改变“R”和/或“R/c”的以上数值来得到适合的结果，该数值在大约正或负百分之十之间的范围内，在大约正或负百分之五之间的较窄范围内，以及在大约百分之一之间的更窄范围内。除该半圆形弯曲部分构造外，还可使用其它弯曲部分构造，包括但不限于各种类型的代数曲线、焦散曲线、蔓叶线、蚌线、圆锥曲线、椭圆曲线、抛物线、双曲线、总平面曲线、隐曲线、反曲线、渐开线和渐屈线、垂足曲线、极坐标曲线、追踪曲线、半径曲线、转迹线、环索线、有理曲线、超越曲线、分形曲线、连续曲线、不连续曲线，和/或分段曲线的任何部分或组合。

[0019]一旦弯曲部分41-44已定位，则(顶部)吸力表面和(底部)压力表面便沿翼展方向延伸或突出至与弯曲部分41-44相切的点上。例如，对于第二抗剪腹板平面弯曲部分，图4示出了沿翼展方向突出至切点48的吸力表面42，以及突出至切点50的压力表面。弯曲部分41-44的最外部然后与使得表面构架完整的样条52如B样条相连接。尖端的其余表面然后平滑地覆盖在该构架上。

[0020]图5为示出图3中所示的具有以上表格中的350mm翼弦长度的叶片10在竖轴上以dBA为单位的声压水平相对于在横轴上以Hz为单位的频率的噪音频谱模型图，其中，前缘尖端翼弦角α和后缘尖端翼弦角β均为大约60度。图线54对应于没有罩盖30的叶片，而图线56对应于具有罩盖的叶片10。在使用罩盖30时，声压水平的显著降低出现在中级频率处。期望的是，在叶片由例如在共同拥有的共同未决美国申请序列No.11/798377(代理人卷号：206018)中所公开的多孔材料形成时，将会实现噪音水平的额外降低，该申请通过引入并入到本文中。

[0021]应当强调的是，上述实施例且特别是任何“优选”实施例，仅为本文所述用以提供清楚理解本技术各个方面的多种实现方案的实例。本领域技术人员将能够在基本上不脱离由所附权利要求的适当构成所单独限定的保护范围的情况下对这些实施例中的一些进行变更。