[发明专利]具有几何扫掠的风力涡轮机叶片

说明书

技术领域

本发明涉及风力涡轮机叶片，并且更具体地涉及扭转灵活的扫掠风力涡轮机叶片及其制造方法。

背景技术

通常，风力涡轮机包括转子，转子具有安装在其上的多个转子叶片；容纳在机舱中的传动系统和发电机；以及塔。机舱和转子通常安装在塔的顶部上。在工作中，转子的多个叶片从风接收能量并且将风能转换为用于驱动发电机的旋转扭矩，发电机通过传动系统旋转地联接至转子。空气弹性形变的风力涡轮机叶片针对它们的潜在能力已经被调研，以便通过形成被动地扭曲以减小由流场扰动（湍流、剪切力、偏转等等）形成的负载的叶片，增大风力涡轮机的能量产出，由此使得有可能设计对于正常操作条件将增大风力涡轮机输出的更大的转子。

已知的空气弹性形变叶片包括相对于在叶片外侧区段上沿着叶片长度延伸的参考线而具有至少后掠（backward sweep）的那些叶片。后掠使得空气动力学力能够作用在距离叶片的局部结构轴线的一距离处，这进而围绕该结构轴线形成局部扭矩。扭矩自然地造成朝向较低的空气动力学迎角的叶片的自我纠正的诱导扭曲，由此在异常条件期间被动地避免了异常高的升力。

附图说明

参考附图在以下说明书中解释说明了本发明，其中附图示出了：

图1是根据本发明一个方面的具有扫掠叶片的风力涡轮机的透视图。

图2是根据本发明一个方面的扫掠风力涡轮机叶片的透视图。

图3示出了根据本发明一个方面的相对于笔直叶片的轴线用于扫掠叶片的参考线的轮廓。

图4示出了根据本发明另一方面的用于扫掠叶片的参考线的轮廓。

图5示出了根据本发明一个方面的用于三个不同参考线的扫掠形状的差异。

图6示出了根据本发明一个方面的用于三个不同扫掠形状的叶片曲率的差异。

图7示出了根据本发明一个方面的用于具有三个不同扫掠形状的叶片的局部扭矩的差异。

具体实施方式

本发明人已经认识到的是，空气弹性形变叶片中产生的扭矩能够对风力涡轮机的操作有害，因为在根部施加大的扭矩在液压叶片俯仰控制系统上产生应力，并且可以导致组成部件的寿命减少。此外，本发明人已经创新性发展了具有改进扫掠形状的扭矩灵活扫掠风力涡轮机叶片。叶片提供了空气弹性形变响应以被动地诱导自我纠正的、固有稳定的扭转响应，而同时最小化在叶片根部产生的局部扭矩。有利地，叶片上的减小的负载使得能够制造更大的转子，这可以为风力涡轮机提供更大的能量输出。在本文所述的扫掠叶片相比于已知的扫掠叶片也提供了扭矩的沿着叶片长度的更平滑的梯度分布。更平滑的梯度分布从结构观点看是更受欢迎的，因为机械上不期望在扭矩中的大梯度。

现在参照附图，图1示出了具有塔12的风力涡轮机10，安装在塔12上的机舱14，以及具有轴毂18的转子16，和具有预定扫掠形状22的多个扫掠叶片20。参照图2，示出了示例性扫掠风力涡轮机叶片20，具有本体24，沿着x、y和z轴线限定了x、y和z坐标的轨迹。如图1至图2所示，本体24沿着在叶片20的根部26与尖端部28之间的长度25延伸，以及在叶片20的前缘30与后缘32之间延伸。本体24限定了在前缘30和后缘32之间的多个翼面剖面34。俯仰轴线36沿顺翼展方向（x）从叶片20的根部26延伸穿过本体24，取向垂直于叶片根部面。扫掠形状22包括在叶片20的内侧区域40中的内侧扫掠38，以及在叶片20的外侧区域44中的后部扫掠(aft sweep)42。通常，内侧区域40包括沿x方向叶片20的跨距（从根部26至尖端部28的长度）的25％或更少。外侧区域44包括叶片20的跨距的剩余部分。

图3示出了沿着典型现有技术的笔直叶片46的径向位置的轴线（沿着x轴线的虚线）以及如上所述的在叶片20的相应内侧和外侧区域40、44中具有内侧扫掠38和后部扫掠42的示例性扫掠叶片20。术语“扫掠”是指远离在其旋转平面中笔直叶片位置的参考线的叶片位置的向前或向后偏差。在图3中，x轴线（笔直叶片的参考线）与叶片20的俯仰轴线36共同延伸。当阵风冲击具有后部扫掠42的扫掠叶片20时，平面外（拍打方向）负载增大围绕在内侧区域40中的区段产生了俯仰力矩（pitching moment）。该俯仰力矩作用以诱使扫掠叶片20的外侧区域44的部分如箭头A所示在风中扭曲了叶片20的前缘30以便减小那些区段的空气动力学迎角，由此改进了扫掠叶片20否则将经受的顶峰瞬时负载。此外，如图所示，扫掠叶片20的内侧扫掠38配置成沿如箭头B所示的相反方向扭曲以在叶片20的根部26附近抵偿围绕俯仰轴线36的局部扭矩。