风力涡轮机叶片叶根的双前缘翼型

摘要

本发明涉及风力涡轮机叶片的叶根的具有双前缘的空气动力学剖面，该剖面包括前缘(13)、后缘(15)以及前缘(13)和后缘(15)之间的吸附侧(17)和压力侧(19)。至少在叶根区域(31)的片段(37)中，剖面(5、5’、5”)具有30％-50％范围内的相对厚度。另外，压力侧(19)的凸面部分(21)被配置成使得其曲率从前缘(13)处的值C0减小到第一点P1处的值C1，并且随后在第二点P2处增加到值C2，之后在凸面部分(21)的末端减小到值0。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在空气动力学上优化的风力涡轮机叶片，并且尤其涉及一种叶根区域优化的风力涡轮机叶片。

背景技术

在风力涡轮机叶片中使用的翼型或剖面在叶根区域、中间区域和叶尖区域具有不同的性能特征。

风力涡轮机叶片通常在叶根区域比叶片的其它部分具有更高相对厚度的剖面。EP0663527A1中公开了相对厚度在24％-26％范围内的叶根区域剖面的例子。

希望叶片的叶根区域的剖面具有高的最大升力系数和接近该最大升力系数的高升阻比，以有助于在中等风速启动转子和产生能量。然而，该升力系数值在这种类型的剖面中一般是中等的并且在适度的低迎角时出现。这些效果导致需要构建具有高叶弦和高转矩(或扭转)的叶根区域以获得最大能量。然而，制造工艺局限于叶弦和扭矩的某些值，因此这些变量的值受到限制以优化总成本。

还希望那些剖面对污染和粗糙度的影响较不敏感，以在外部颗粒沉积在外表面上时(例如由于冰冻或灰尘)尽可能避免升力损失，因此，理想地应该将它们设计为在接近前缘处引起从层流到湍流的过渡。

在这方面，名称为“关于叶根翼型的粗糙度灵敏性考量(RoughnessSensitivity considerations for tic root blade airfoils)”的论文AIAA-2003-0350提出具有相对高厚度的DU族翼型以解决粗糙度敏感的问题。

已知的设计都不能产生完全令人满意的结果，因此对叶根区域具有空气动力学上优化的剖面的风力涡轮机叶片的需求继续存在。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力涡轮机叶片，其叶根区域具有能够改善风力涡轮机叶片性能的剖面。

本发明的另一个目的是提供一种风力涡轮机叶片，其叶根区域的剖面与传统的高相对厚度剖面相比在显著的高迎角时具有较高的升力系数并且对污染条件较不敏感。

本发明的另一个目的是提供一种风力涡轮机叶片，其叶根区域具有在空气动力学上优化的剖面，并且允许以成本上有效的制造工艺加工。

本发明的所述目的以及其它目的是通过提供一种具有空气动力学剖面的风力涡轮机叶片实现的，该剖面具有前缘、后缘以及前缘和后缘之间的吸附侧和压力侧，其中压力侧具有第一凸面部分和第二凹面部分，在叶片的叶根区域的至少一片段中，所述剖面具有30％-50％范围内的相对厚度，并且压力侧的凸面部分被成形为使得其曲率从前缘处的值C0减小到第一点P1处的值C1，然后在第二点P2处增加到值C2，然后在凸面部分的末端减小到0值。

通过以下结合附图的详细描述将理解本发明的其它特征和优点。

附图说明

图1是典型风力涡轮机叶片的示意性平面图；

图2示出风力涡轮机叶片的叶根区域的已知剖面；

图3示出图2中所示剖面的曲率分布；

图4、5、6示出根据本发明的风力涡轮机叶片的叶根部分的剖面；

图7示出与图4、5、6中所示类似的剖面的曲率分布。

具体实施方式

如图1中所示，典型的风力涡轮机叶片1具有三个区域：叶根区域31，包括叶片1的靠近转子轮毂的部分；叶尖区域35，包括叶片1的离转子轮毂最远的部分；以及叶根区域31和叶尖区域35之间的中间区域33。

叶根区域31的长度大约是叶片长度的10％-50％。中间区域33的长度大约是叶片长度的80％-40％。叶尖区域35的长度大约是叶片长度的10％。

风力涡轮机叶片的形状、轮廓和长度在很大程度上决定了风力涡轮机的效率和发电能力。众所周知，转子轮毂安装在转动轴上，转动轴直接或通过变速箱连接以驱动位于机舱中的发电机，从而产生电能，该电能可被输送到公共电网或者输送到电能存储设备或装置。

垂直于连接叶片的叶根与叶片的叶尖的虚拟线取得的风力涡轮机叶片的截面通常被称为翼型或剖面。

剖面的重要参数是其厚度，即，吸附侧和压力侧之间的最大距离，可以用叶弦长度的百分比表示该厚度。

风力涡轮机叶片的重要特征是其产生升力的能力，升力对叶片施加使其转动的力分量。由于风力涡轮机叶片由它的多个剖面组成，所以可以参考选择的相关剖面讨论涡轮机叶片的升力，整个叶片的升力被认为是叶片的所有剖面的升力积分。剖面升力的大小取决于许多因素，包括入射空气流速、剖面的形状和轮廓以及迎角，即从前缘延伸到后缘的虚拟直线或叶弦线与表示空气流的速度和方向的矢量之间的角度。剖面的升力系数是为了用单个无量纲数字代表剖面而采用的约定。

图2示出风力涡轮机叶片1的叶根区域31的典型剖面3，其具有前缘13、适度钝的后缘15以及具有吸附侧17和压力侧19的升力面。叶弦29是在前缘13和后缘15之间绘出的虚拟线。所述剖面的形状可以由吸附侧17和压力侧19的(x，y)坐标定义，该坐标用叶弦长度的百分比表示。图1中所示的剖面是具有高相对厚度的剖面。

在吸附侧17和压力侧19中的压力分布决定剖面性能，该压力分布可视为两侧曲率分布的关联函数，该曲率被定义为沿着所述侧的任一点的曲率半径的倒数。

如图3中所示，沿着图2中所示的剖面的曲率分布的形状的一个重要特征是在前缘呈现一个连续凸角。

图4、5、6示出根据本发明的剖面5、5’、5”，它们至少在叶根区域31的片段37具有如图2中所示的剖面3的前缘13、后缘15和具有吸附侧17和压力侧19的升力面。与图1中所示的剖面3的主要差别首先是这些剖面具有较高的相对厚度(大于或等于30％并且低于或等于50％)，其次是压力侧19中的突出区27以与前缘13的突出区类似的方式成形，从而可以说剖面5、5’、5”具有“第二”前缘27，这导致“双前缘”剖面。剖面5、5’、5”之间的差别主要指的是后缘15和“第二”前缘27的形状。

所述片段37的长度在叶根区域31的长度的1％-100％之间延伸。

接着图7示出适用于图4、5、6中所示的剖面5、5’、5”的曲率分布，可以看出压力侧的曲率在前缘13中的开始点P0处具有最大值C0。然后在对应于叶弦长度的大约3％的叶弦位置的点P1处连续减小到值C1，然后在对应于叶弦长度的大约17％的叶弦位置的点P2处(“第二”前缘27)增加到值C2，然后在对应于叶弦长度的49％的叶弦位置的点处减小到零值，在该点处压力侧的形状从凸面变为凹面。除了这一点，与典型剖面的差别较不重要。

在优选实施例中，P1位于对应于从前缘13测得的叶弦长度的1％-8％范围内的叶弦位置的剖面片段中。

在优选实施例中，P2位于对应于从前缘13测得的叶弦长度的5％-40％范围内的叶弦位置的剖面片段中。

在优选实施例中，“第二”前缘27中的曲率值C2小于前缘13中的曲率值C0。优选地，曲率值C2在曲率值C0的40％-90％之间。

尽管已经结合优选实施例充分描述了本发明，但是显然在本发明的范围内可以引入修改，本发明的范围不受这些实施例限制，而是由所付权利要求的内容限制。