风力涡轮机叶片和叶片元件的组合以及改变风力涡轮机叶片的空气动力轮廓的方法

摘要

本发明提供了一种用于安装在风力涡轮机叶片(10)上的叶片元件(42、44、46、48、150、250、350)。叶片(10)具有纵向方向(L)和向着纵向方向而在前缘(18)和后缘(20)之间横向地延伸的翼弦。叶片(10)具有翼型轮廓，该翼型轮廓在吸力侧和压力侧之间沿着纵向方向(L)的至少一部分具有一定的厚度，且最大厚度的位置位于前缘(18)和后缘(20)之间。叶片元件(10)具有一种形状，使得通过安装在风力涡轮机叶片(10)的第一纵向部分中，叶片元件从而将第一纵向部分的轮廓从具有基本上锐利的后缘(100、200、300)和第一弦长(c11、c21、c31)的第一翼型轮廓(100、200、300)改变成具有钝化的后缘(153、253、353)的改变的翼型轮廓。改变的翼型轮廓是具有基本上锐利的后缘和第二弦长(c12、c22、c32)的假想翼型轮廓(160、260、360)的截短轮廓，第二弦长(c12、c22、c32)大于第一弦长(c11、c21、c31)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机叶片和叶片元件的组合，包括风力涡轮机叶片和叶片元件，风力涡轮机叶片具有纵向方向和向着纵向方向而在前缘和后缘之间横向地延伸的翼弦，叶片包括翼型轮廓，翼型轮廓在吸力侧和压力侧之间沿着纵向方向的至少一部分具有一定的厚度且最大厚度的位置位于前缘和后缘之间，叶片元件安装在位于风力涡轮机叶片的第一纵向部分中的叶片后缘。本发明还涉及一种改变风力涡轮机叶片的空气动力轮廓的方法。

背景技术

这些年来，用于风力涡轮机的叶片结构已经向着一种形状发展，其中，叶片(当安装在风力涡轮机时)由最靠近风力涡轮机的轮毂的根部区域、最远离轮毂的异型区域(profiled area)或翼型区域(airfoil area)以及位于根部区域和翼型区域/异型区域之间的过渡区域组成。翼型区域具有理想或几乎理想的叶片形状，而根部区域具有大致圆形的横截面，这减少了来自空气阵风的负载，并使得将叶片安装到轮毂上更容易且更安全。根部区域直径通常沿着整个根部区域是恒定的。顾名思义，过渡区域具有逐渐从根部区域的圆形状改变成翼型区域的翼型轮廓的形状。通常，过渡区域的宽度随着离轮毂的距离增加而大致线性地增加。

如所述地，异型区域或翼型区域具有理想或几乎理想的叶片形状，例如典型的飞机机翼的形状。通常，翼型区域中的叶片的横截面成形为典型的翼型轮廓，该翼型轮廓具有吸力侧和压力侧以及向叶片的纵向方向横向地看时在前缘和后缘之间延伸的翼弦，其中，前缘是圆弧形的，具有给定的翼尖半径(nose radius)，并且，后缘具有基本上锐利的形状。

然而，还可以通过在后缘区域截短叶片而减少叶片的宽度，因而横截面形成了带有基本上锐利的后缘的假想翼型的截短轮廓。在这种情形下，在叶片的截短部分从压力侧和吸力侧离开的气流可分别在假想翼型轮廓的后缘处彼此相遇。因而，气流将截短轮廓“视为”假想轮廓。这种截短轮廓具有一种优势，即减少叶片轮廓的横切面积，因而减少来自阵风的负荷，但同时保持相当于假想轮廓的弦长的“空气动力宽度”。由截短轮廓产生的总升力与未截短的轮廓大致相同，因为已经保持了产生最高升力的叶片部分。另外，由于轮廓在后缘处更厚，因而增加了叶片轮廓的后缘的强度。例如在DE19614420中公开了这种叶片。

风力涡轮机客户对于风力涡轮机的尺寸和功能具有不同的要求，这取决于预期的用途和预期的运行地点。因此，对于风力涡轮机叶片的例如长度和坚固性的尺寸以及例如升力和阻力系数的功能性的要求也变化得非常大。因此，风力涡轮机叶片的制造商需要具有大量用于生产风力涡轮机叶片的不同的模具，叶片通常被制造成纤维加强型聚合物的壳体部件。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于风力涡轮机转子的新型叶片，其具有安装在叶片表面上的叶片元件，并克服或改善了现有技术的至少一个缺点，或者提供了一种有用的备选方案。

根据本发明的第一方面，这通过一种风力涡轮机叶片和叶片元件的组合来实现，其中，叶片元件具有一种形状，该形状使得当安装在风力涡轮机叶片的第一纵向部分中时，叶片元件将第一纵向部分的轮廓从具有基本上锐利的后缘和第一弦长的第一翼型轮廓改变成具有钝化的后缘的改变的翼型轮廓，改变的翼型轮廓是具有基本上锐利的后缘和第二弦长的假想翼型轮廓的截短轮廓，第二弦长大于第一弦长。因而，通过将叶片元件改进安装在叶片后缘处的表面上，可以改变叶片的第一纵向部分中的翼型轮廓的“空气动力学宽度”。也就是说，风力涡轮机叶片(不具有安装在表面上的叶片元件)具有与弦长大致相同的叶片的第一纵向部分中的第一空气动力宽度，而改进的叶片元件将第一纵向部分的空气动力宽度改变成大于第一空气动力宽度的第二空气动力宽度。因此，提供了一种风力涡轮机叶片和叶片元件的组合，其具有在空气动力方面比风力涡轮机叶片本身的翼型轮廓更宽的轮廓。

因此，风力涡轮机叶片的制造商只需要保持用于生产若干基本叶片类型的若干基本模具，可通过将叶片元件安装在这种基本叶片类型的后缘处而对这些基本叶片类型进行改进或修改，从而将空气动力特性改变成所需规格。

优选风力涡轮机叶片包括一种异型外形(profiled contour)，该异型外形在被入射气流冲击时产生升力，异型外形被分为：根部区域、翼型区域以及可选的位于根部区域和翼型区域之间的可选的过渡区域，根部区域具有大致圆形的轮廓，最靠近叶片的根端，翼型区域具有升力生成轮廓，并包括离根端最远且最靠近叶片尖端的翼型轮廓，过渡区域的轮廓沿径向方向从根部区域的圆形轮廓逐渐改变成翼型区域的升力产生轮廓。

根据一个有利的实施例，叶片元件仅安装在叶片的翼型区域中，即包括翼型轮廓的第一纵向部分完全被包含在翼型区域中。

根据叶片元件的另一实施例，改变的翼型轮廓的厚度从最大厚度的位置连续地减少至后缘。也就是说，叶片元件在改变的叶片轮廓上不提供突起，而是将叶片轮廓改变成另一平滑的翼型轮廓。

优选叶片元件具有至少一个表面，其适合于与风力涡轮机叶片的外形相匹配。叶片元件可通过胶合或类似的方法而粘附到风力涡轮机的表面上。作为备选，叶片元件可模制到风力涡轮机叶片上。叶片元件还可机械地联接到风力涡轮机叶片的表面上。

根据一个有利的实施例，叶片元件包括安装表面、流动表面以及钝化的背缘。安装表面适合于安装到风力涡轮机叶片的表面上，流动表面是改变的翼型轮廓的表面部分，钝化的背缘相当于改变的翼型轮廓的钝化的后缘。优选安装表面与风力涡轮机叶片的外形的至少一部分相匹配。

根据另一有利的实施例，流动表面是连续的。因而，流动表面具有大致平滑的表面。有利的是，流动表面连续地连接到叶片的翼型轮廓上，即流动表面相对于风力涡轮机叶片的表面而具有平滑的过渡。因而，叶片元件可包括起始点，在该起始点，流动表面的切线和风力涡轮机叶片的表面的切线大致重合。

根据另一实施例，安装表面和流动表面之间的距离向着钝化的背缘而增加。叶片元件例如可具有大致楔形的截面。

根据一个有利的实施例，叶片元件的纵向延伸和叶片的第一纵向部分至少为1米，或至少为3米，或至少为5米，或至少为7米，或至少为10米。叶片可设有若干这种叶片元件，例如两个、三个、四个或五个。然而，沿着大的翼型区域的延伸仅装单个叶片元件可能是有利的。因而，叶片元件甚至可具有15米、20米、25米、30米或甚至更长的长度。

根据叶片元件的第一实施例，钝化的后缘具有至少为叶片轮廓的最大厚度的5％的厚度。钝化的后缘的厚度还可以至少为叶片轮廓的最大厚度的10％、15％、20％或25％。

根据本发明的另一实施例，在安装于风力涡轮机叶片上时，叶片元件沿着翼弦的至少5％而延伸。叶片元件还可沿着翼弦的至少10％、15％、20％、25％、或30％而延伸。

根据叶片元件的又一实施例，第二弦长比第一弦长至少大5％。第二弦长还可以比第一弦长至少大10％、15％、20％、25％、或30％。

根据叶片元件的一个实施例，叶片元件适合于安装在叶片的压力侧。因而，叶片元件以安装表面位于叶片的压力侧的方式安装，并且，流动表面变成改变的翼型轮廓的压力侧的部分。这种类型的叶片元件例如适合于将叶片轮廓改变成具有所谓后弧形的翼型轮廓，其中，翼型轮廓明显向着靠近叶片后缘的叶片压力侧弯曲。

根据另一实施例，叶片元件适合于安装在叶片的吸力侧。因而，叶片元件以安装表面位于叶片的吸力侧的方式安装，并且，流动表面变成改变的翼型轮廓的吸力侧的部分。这种类型的叶片元件例如适合于将叶片轮廓改变成所谓的平背轮廓，其中，后缘被“切开”，并且，轮廓的压力侧和吸力侧被“拉开”。

根据又一实施例，叶片元件适合于安装在叶片的后缘的周围，使得元件的第一部分沿着叶片的压力侧而延伸且第二部分沿着叶片的吸力侧而延伸。因而，叶片元件以安装表面位于叶片的压力侧和吸力侧的方式安装。叶片还包括第一流动表面和第二流动表面，第一流动表面变成改变的翼型轮廓的压力侧的部分，第二流动表面变成改变的翼型轮廓的吸力侧的部分。这种类型的叶片元件例如适合于将叶片的轮廓改变成所谓的截短轮廓，其中，假想轮廓宽于第一翼型轮廓，并且，第一翼型轮廓和假想翼型轮廓的翼弦大致重合。

根据一个另外的方面，本发明提供了一种风力涡轮机转子，其包括至少一个，优选两个或三个上述风力涡轮机叶片和叶片元件的组合。根据另一方面，本发明提供了一种风力涡轮机，其包括上述风力涡轮机叶片和叶片元件的组合或上述风力涡轮机转子中的至少一个。因此，提供了一种风力涡轮机，其具有比带有未改进的风力涡轮机叶片的风力涡轮机潜在更高的功率输出。

根据又一方面，本发明提供了一种改变风力涡轮机叶片的至少第一纵向部分的空气动力轮廓的方法，其中，所述方法包括以下步骤：a)提供风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片具有位于风力涡轮机叶片的第一纵向部分中的第一翼型轮廓，并具有前缘和后缘，第一翼型轮廓具有基本上锐利的后缘并具有第一弦长，以及b)在叶片的第一纵向部分的后缘处，将叶片元件安装在风力涡轮机叶片上，叶片元件将第一纵向部分的轮廓改变成具有钝化的后缘的改变的翼型轮廓，改变的翼型轮廓是具有基本上锐利的后缘的假想翼型轮廓的截短轮廓，并具有比第一弦长更大的第二弦长。以前所述的叶片元件的实施例的任一种可用于该方法。

通常，风力涡轮机叶片被制造成纤维加强型聚合物的壳体部件，例如用环氧树脂、聚脂或乙烯基脂浸渍的玻璃纤维、碳纤维、塑料纤维或植物纤维，可选地具有芯材料，例如发泡的聚合物或轻木(balsawood)。

例如可将叶片元件制造成一种夹层结构，其具有例如PVC泡沫或轻木等芯材料，并被覆盖有用聚合物浸渍的纤维层。也就是说，叶片元件可由与风力涡轮机叶片相同的材料制成。

附图说明

以下，将参照附图，详细地解释本发明，其中：

图1显示了风力涡轮机，

图2是翼型轮廓的示意图，

图3是根据本发明的安装在风力涡轮机叶片的吸力侧的第一叶片元件，

图4是根据本发明的安装在风力涡轮机叶片的压力侧的第二叶片元件，

图5是根据本发明的安装在风力涡轮机叶片的叶片后缘的周围的第三叶片元件，以及

图6是根据本发明的风力涡轮机叶片和叶片元件的组合的一个实施例的示意图。

部件列表

2风力涡轮机

4塔架

6外罩

8轮毂

10叶片

14叶尖

16叶根

18前缘

20后缘

30根部区域

32过渡区域

34翼型区域

40第一叶片元件

42第二叶片元件

44第三叶片元件

46第四叶片元件

50翼型轮廓

52压力侧

54吸力侧

56前缘

58后缘

60翼弦

62弧线/中线

100、200、300第一翼型轮廓

101、201、301第一翼弦

102、202、302前缘

103、203、303后缘

104、204、204压力侧

105、205、305吸力侧

150、250、350叶片元件

151、251、351第一表面/安装表面

152、252、352第二表面/流动表面

153、253、353钝化的后缘/背缘

160、260、360假想翼型轮廓

361第三表面

362第四表面

c弦长

d_t最大厚度的位置

d_f最大弧度的位置

t厚度

f弧度

具体实施方式

图1图示了根据所谓“丹麦概念(Danish concept)”的常规的现代风力涡轮机，其具有塔架4、外罩6以及转子，转子具有大致水平的转子轴。转子包括轮毂8和从轮毂8径向地延伸的三个叶片10，各叶片具有最靠近轮毂的叶根16和离轮毂8最远的叶尖14。

图2显示了用各种参数来描绘的风力涡轮机的典型叶片的翼型轮廓50的示意图，这些参数通常用于限定翼型的几何形状。翼型轮廓50具有压力侧52和吸力侧54，在使用期间，即在转子旋转期间，压力侧52和吸力侧54通常分别面向迎风侧和背风侧。翼型轮廓50具有翼弦60，该翼弦具有在叶片的前缘56和后缘58之间延伸的弦长c。翼型50具有厚度t，该厚度被定义为压力侧52和吸力侧54之间的距离。翼型的厚度t沿着翼弦60而变化。与对称轮廓的偏差由弧线62给出，该弧线是穿过翼型轮廓50的中线。通过绘制从前缘56至后缘58的内切圆，可找到中线。中线跟随这些内切圆的中心而延伸，并且，与翼弦60的偏差或距离被称为弧度f。该不对称还可利用被称为上弧度和下弧度的参数来限定，上弧度和下弧度分别被定义为与翼弦60以及吸力侧54和压力侧52的距离。

翼型轮廓通常由以下参数来表征：弦长c、最大弧度f、最大弧度f的位置d_f、最大翼型厚度t、最大厚度t的位置d_t以及翼尖半径(未显示)，其中，最大翼型厚度是沿着中间弧线62的内切圆的最大直径。这些参数通常被定义为相对于弦长c的比率。

图3显示了根据本发明的安装在风力涡轮机叶片的后缘处的叶片元件150的第一实施例的横截面。风力涡轮机叶片具有第一翼型轮廓100，该第一翼型轮廓具有压力侧104和吸力侧105。第一翼型轮廓100具有翼弦101，该翼弦具有在叶片的前缘102和后缘103之间延伸的第一弦长c₁₁。叶片元件150安装在叶片的吸力侧105，靠近叶片的后缘103，从而将翼型轮廓改变成具有钝化的后缘153的改变的翼型轮廓。叶片元件150包括第一表面151和第二表面152，该第一表面适合于匹配叶片的吸力侧105的外形，第二表面在叶片元件150安装于叶片上时构成改变的轮廓的吸力侧的部分。改变的翼型轮廓是具有基本上锐利的后缘的假想翼型轮廓160的截短轮廓，并具有大于第一弦长c₁₁的第二弦长c₁₂。

这种叶片元件150适合于将叶片的纵向部分的轮廓改变为所谓的平背(flat-back)轮廓，其中，后缘被切开，并且吸力侧和压力侧彼此被拉开，因而提供了一种压力侧和吸力侧在后缘附近几乎平行(或平直)的轮廓。

图4显示了根据本发明的安装在风力涡轮机叶片的后缘处的叶片元件250的第二实施例的横截面。风力涡轮机叶片具有第一翼型轮廓200，该第一翼型轮廓具有压力侧204和吸力侧205。第一翼型轮廓200具有翼弦201，该翼弦具有在叶片的前缘202和后缘203之间延伸的第一弦长c₂₁。叶片元件250安装在叶片的压力侧204，靠近叶片的后缘203，从而将翼型轮廓改变成具有钝化的后缘253的改变的翼型轮廓。叶片元件250包括第一表面251和第二表面252，该第一表面适合于匹配叶片的压力侧204的外形，第二表面在叶片元件250安装于叶片上时构成改变的轮廓的压力侧的部分。改变的翼型轮廓是具有基本上锐利的后缘的假想翼型轮廓260的截短轮廓，并具有大于第一弦长c₂₁的第二弦长c₂₂。

这种叶片元件250适合于将叶片的纵向部分的轮廓改变成具有所谓的后弧形的轮廓，其中，中间弧线明显地向着靠近叶片后缘的叶片压力侧弯曲。

图5显示了根据本发明的安装在风力涡轮机叶片的后缘的周围的叶片元件350的第三实施例的横截面。风力涡轮机叶片具有第一翼型轮廓300，该第一翼型轮廓具有压力侧304和吸力侧305。第一翼型轮廓300具有翼弦301，该翼弦具有在叶片的前缘302和后缘303之间延伸的第一弦长c₃₁。叶片元件350安装在叶片的后缘303的周围，并具有沿着叶片的压力侧304延伸的第一部分和沿着叶片的吸力侧305延伸的第二部分，从而将翼型轮廓改变成具有钝化的后缘353的改变的翼型轮廓。叶片元件350包括第一表面351和第二表面352，第一表面适合于匹配叶片的压力侧304的外形，第二表面在叶片元件350安装于叶片上时构成改变的轮廓的压力侧的部分。叶片元件350还包括第三表面361和第四表面362，第三表面适合于匹配叶片的吸力侧305的外形，第四表面在叶片元件350安装于叶片上时构成改变的轮廓的吸力侧的部分。

改变的翼型轮廓是具有基本上锐利的后缘的假想翼型轮廓360的截短轮廓，并具有大于第一弦长c₃₁的第二弦长c₃₂。

这个叶片元件350适合于将叶片的纵向部分的轮廓改变成这样的形状，即假想翼型轮廓360具有比第一翼型轮廓300更宽但与其相似的轮廓。也就是说，第一翼型轮廓和假想翼型轮廓的翼弦可大致重合。

图3和图4的变化轮廓的后缘也可类似于图5的实施例，位于轮廓本身的后缘之后。也就是说，叶片元件可延伸超过叶片轮廓。

图6显示了根据本发明的风力涡轮机叶片和叶片元件的组合的一个实施例的示意图。风力涡轮机叶片和叶片元件的组合包括风力涡轮机叶片10和安装在风力涡轮机叶片10的吸力侧的第一叶片元件40、第二叶片元件42、第三叶片元件44、第四叶片元件46。

风力涡轮机叶片10是常规的风力涡轮机叶片，并包括最靠近轮毂的根部区域30、离轮毂最远的异型区域或翼型区域34以及位于根部区域30和翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括前缘18和后缘20，当叶片安装在轮毂上时，前缘面向叶片10的旋转方向，后缘面向与前缘18相反的方向。

翼型区域34(也被称为异型区域)具有对于产生升力而言理想或几乎理想的叶片形状，而根部区域30具有大致圆形的横截面，这减少了来自阵风的负荷，并使得将叶片10安装到轮毂上更容易且更安全。根部区域30的直径沿着整个根部区域30通常是恒定的。过渡区域32具有逐渐从根部区域30的圆形状改变成翼型区域34的翼型轮廓的形状。过渡区域32的宽度随着离轮毂的距离L增加而大致线性地增加。

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和后缘20之间延伸的翼弦。翼弦的宽度随着离轮毂的距离L增加而减少。应该注意，叶片的不同段的翼弦不一定位于一个公共平面中，因为叶片可能扭转和/或弯曲(即，预弯曲)，因而为翼弦平面提供了相应地扭转和/或弯曲的路线，这是最通常的情况，从而补偿了取决于离轮毂的半径的叶片的局部速度。

第一叶片元件40、第二叶片元件42、第三叶片元件44以及第四元件46分别改变了叶片10的四个不同纵向部分的轮廓。作为备选，可将叶片元件作为单个叶片元件而提供，该叶片元件沿着叶片10的大的纵向部分而延伸并具有沿纵向方向L而改变的轮廓，从而沿纵向方向L而匹配改变的叶片轮廓。

图6中描绘了四个叶片元件42、44、46、48安装在叶片10的吸力侧。然而，叶片元件42、44、46、48当然可以为图3-5中所描绘的各种类型中的任一种。此外，叶片元件42、44、46、48被描绘成相互紧贴。然而，还可以按照某些或所有叶片元件沿叶片10的纵向方向L而相互隔开的方式安装叶片元件。

如图6中所示的风力涡轮机叶片和叶片元件的组合因而旨在替代例如图1中所示的风力涡轮机的常规叶片。

本发明还提供了一种方法，即例如通过将图3-5中所示的叶片元件中的一个安装在叶片后缘处的第一纵向部分，从而改变风力涡轮机叶片的至少第一纵向部分的空气动力轮廓。因此，可以将风力涡轮机叶片的第一纵向部分的横截面从具有前缘和后缘的第一翼型轮廓改变成具有钝化的后缘的改变的翼型轮廓，其中，第一翼型轮廓具有基本锐利的后缘，改变的翼型轮廓是具有基本上锐利的后缘的假想翼型轮廓的截短轮廓。因而，通过将这种叶片元件安装在风力涡轮机叶片的表面上，可以分别增加从来自压力侧和吸力侧的气流看时的“空气动力学宽度”。第一纵向部分例如可以是放置有如图6中所示的叶片元件42、44、46、48中的任一个的区域中的任一个。

从描述中还可以看出，通过将根据本发明的叶片元件安装在已经安装的风力涡轮机的叶片上，从而可使用叶片元件来改变任何常规的风力涡轮机的空气动力学特性。

已经参照优选的实施例来描述了本发明。然而，本发明的范围并不限于所图示的实施例，在不偏离本发明的范围的情况下，可进行更改和修改。叶片元件例如还适合于安装在具有截短的翼型轮廓的风力涡轮机叶片上。因而，叶片元件可将轮廓从具有第一假想翼型轮廓的截短轮廓改变成第二假想翼型轮廓的改变的截短轮廓，其中，第一假想翼型轮廓具有基本上锐利的后缘且该后缘具有第一弦长，第二假想翼型轮廓具有基本上锐利的后缘且该后缘具有大于第一弦长的第二弦长。另外，还可设想提供一种叶片元件，其类型适合于匹配在叶片的后缘的周围(类似于图5中所示的实施例)，并使轮廓从具有基本上锐利的后缘的第一翼型轮廓改变成具有基本上锐利的后缘的改变的轮廓，即改变的轮廓与假想轮廓相重合。