專利名稱：用于風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力設(shè)備的轉(zhuǎn)子葉片，并涉及一種包括具有這樣的轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力設(shè)備。
背景技術(shù)：
風(fēng)力設(shè)備的性能、具體是其效率很大程度上取決于轉(zhuǎn)子葉片或轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計。轉(zhuǎn)子葉片由大量參數(shù)描述，其中在此通?？紤]Erich Hau的著作Windkraftanlagen，3rd edition，2002為本領(lǐng)域狀況，具體如其第90頁所述。該書的內(nèi)容同時也是本申請的基礎(chǔ)，還是本申請所需要的內(nèi)容。
正如所提及的，風(fēng)力設(shè)備的運行效率和調(diào)節(jié)性能很大程度上決定于所使用的轉(zhuǎn)子葉片的空氣動力性能。轉(zhuǎn)子葉片構(gòu)型的重要參數(shù)由升力系數(shù)Ca和阻力系數(shù)Cw的比率來表示Ca/Cw＝E，其中E稱為升阻比。
此外，轉(zhuǎn)子葉片的重要參數(shù)是高速因子λ，其中該高速因子限定為轉(zhuǎn)子葉片尖端的周向速度(u)與風(fēng)速v的商。


圖1示出了已知的流入流動狀況和葉片元件的構(gòu)型截面的空氣動力。
若研究已知轉(zhuǎn)子葉片的構(gòu)型，可建立升阻比和傾角之間的特定關(guān)系。更具體地，發(fā)現(xiàn)升阻比極大地依賴于相應(yīng)的傾角，高升阻比一般僅在相當(dāng)有限的傾角范圍內(nèi)實現(xiàn)。例如，高升阻比可在(轉(zhuǎn)子葉片的)傾角為6°時實現(xiàn)，然而同時，一旦傾角略微上升得高于或下降得低于6°，升阻比將急劇下降。
若該值離開最優(yōu)升阻比的范圍，也就是說傾角明顯地不同于最優(yōu)傾角——例如為6°，可容易地看到，該設(shè)備的總體效率較低，因而對風(fēng)力設(shè)備而言，往往要么例如通過俯仰控制再次將傾角設(shè)定為最優(yōu)值和/或要么通過吊艙的定向而將整個轉(zhuǎn)子以最優(yōu)的關(guān)系設(shè)定在風(fēng)中。
風(fēng)力設(shè)備的轉(zhuǎn)子尺寸近年來穩(wěn)定增長，10,000平方米的掃掠轉(zhuǎn)子面積現(xiàn)在不再是理論上的而是已經(jīng)變成了現(xiàn)實，例如Enercon的E112型風(fēng)力設(shè)備的情況下。該風(fēng)力設(shè)備的轉(zhuǎn)子直徑為約112m。
因為由于具有非常大的掃掠面積而不再可能假定風(fēng)總是沿同樣的方向并以同樣的速度流經(jīng)轉(zhuǎn)子葉片，現(xiàn)在實際上不可能在轉(zhuǎn)子葉片的所有區(qū)域上達(dá)到最優(yōu)的升阻比。
因此，在一些區(qū)域，轉(zhuǎn)子葉片公認(rèn)地以相對最優(yōu)的方式運行，但在另外一些區(qū)域，由于在掃掠轉(zhuǎn)子面積中流入流動構(gòu)型具有不同特性，轉(zhuǎn)子葉片以次最優(yōu)的方式運行。這由于升阻比非常密切地依賴于流入角而直接產(chǎn)生，其結(jié)果是，因為轉(zhuǎn)子葉片的升力(Ca)也與升阻比大致成正比，轉(zhuǎn)子葉片的載荷可能以極端的形式波動。
將要理解的是，作為改善上述情形并避免其缺點的方式，總是可以通過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)子葉片的傾角控制或整個轉(zhuǎn)子的搖擺而找到一個最優(yōu)的設(shè)定值。然而本領(lǐng)域普通技術(shù)人員很容易明白的是，采用該構(gòu)思，轉(zhuǎn)子葉片實際上必須恒定地設(shè)定在風(fēng)中(也就是說必須傾斜)和/或方位角驅(qū)動也必須恒新地適應(yīng)轉(zhuǎn)子的方向而并未實質(zhì)上改善該情形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是避免上面提出的缺點并且提供更好的總體性能。
本發(fā)明通過具有權(quán)利要求1中的特征的轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計而實現(xiàn)該目的。有利的改進(jìn)在從屬權(quán)利要求中描述。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計的其中一個基本特性在于，在相當(dāng)大的傾角范圍內(nèi)，保持升阻比實際上是高的，但是在此方面，目前升阻比的最大值仍然在前面背景技術(shù)中的升阻比的最優(yōu)值之后。換種方式表述，根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子葉片的升阻比在具有最優(yōu)傾角設(shè)定值時——在最大值時——比背景技術(shù)中的低，但是同時，從最優(yōu)設(shè)定值的偏離不會立即導(dǎo)致升阻比和升力系數(shù)的實質(zhì)性減小以及由此導(dǎo)致升力損耗，而是在例如±0.5°～3°的范圍內(nèi)的從最優(yōu)設(shè)定角的偏離將不會導(dǎo)致升阻比的實質(zhì)性減小，從而不會導(dǎo)致升力降低，因而，整個轉(zhuǎn)子的效率得以提高。這也實現(xiàn)了明顯更好的載荷分布以及明顯更低的載荷波動(ΔL/dt)。從圖2可見，在4°～8°的范圍內(nèi)的根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子葉片的升阻比曲線的“鞍部”明顯地寬于現(xiàn)有類型轉(zhuǎn)子葉片的情形。
所要求保護的轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計構(gòu)造具體地位于轉(zhuǎn)子葉片的中部第三部分，也就是所稱的轉(zhuǎn)子葉片的主板的區(qū)域。該區(qū)域位于轉(zhuǎn)子葉片附連區(qū)域或轉(zhuǎn)子葉片根部區(qū)域與轉(zhuǎn)子葉片的尖端區(qū)域(也就是外端區(qū)域)之間。
圖2示出了升力系數(shù)或升阻比相對于傾角的變化。具體地，相對于傾角的曲線圖示出，在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子葉片的情形下，升阻比在約6°的傾角時達(dá)到其約為170的最大絕對值。當(dāng)傾角從6°偏離1°時，也就是說傾角為7°或5°時，升阻比已經(jīng)急劇降低，并且尤其朝向更大傾角時，當(dāng)傾角為9°時，升阻比已經(jīng)減半。朝向更小傾角時，也有非常急劇的降低，然而，其不如傾角朝向更大傾角方向變化時那么急劇。
在圖中還可看到根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子葉片的升阻比變化的情形。最大值再次出現(xiàn)在傾角約為6°的區(qū)域，并且該最大值小于標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子葉片情形下的升阻比的最大值。然而，需要注意的是，可從交叉的曲線看到，最優(yōu)值的“鞍部”明顯地更寬，當(dāng)傾角例如為4°～8°的范圍時，也就是說介于最優(yōu)傾角6°的±2°的范圍內(nèi)時，升阻比僅從其最優(yōu)值減少約10％。在約4.5°～-4°的范圍內(nèi)和約7°～16°的范圍內(nèi)，升阻比總是高于現(xiàn)有類型的轉(zhuǎn)子葉片的升阻比。
還可看到，根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子葉片的構(gòu)造改善了整個轉(zhuǎn)子葉片的升力系數(shù)，且轉(zhuǎn)子葉片的效率大約提高了15％。
特別是載荷波動現(xiàn)在也不再象以前那樣大，若傾角的變化非常小，不需要同時采用相應(yīng)的措施來將傾角再次設(shè)定到所期望的最優(yōu)值——在本實施例中為6°。
圖3示出了轉(zhuǎn)子葉片尖端——也就是說轉(zhuǎn)子葉片端部的不同視圖。圖3a示出了轉(zhuǎn)子葉片尖端的立體圖，圖3b示出了側(cè)視圖，圖3c示出了平面圖。
轉(zhuǎn)子葉片尖端還通常被稱為邊緣弧(edge arc)。從圖3a可見，邊緣弧示出為具有三個構(gòu)型區(qū)段和一個線軸(thread axis)。
三個不同視圖可以顯示出邊緣弧輪廓繞該線軸的轉(zhuǎn)動。在該方面，圖示的轉(zhuǎn)動大于說明書中指定的度數(shù)的大小，這是為了圖示的原因，用以使圖中的表示在某種程度上不管怎樣都是可以看出的。
需要再次特別強調(diào)的是，在此，根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子葉片的構(gòu)造具體涉及中部部分，即所稱的主板，也就是說位于轉(zhuǎn)子葉片根部區(qū)域和尖端區(qū)域之間的區(qū)域。主板一般也可描述為轉(zhuǎn)子葉片的“中部第三部分”，在此方面，主板的規(guī)定尺寸可以是不相同的，主板例如還可占據(jù)轉(zhuǎn)子葉片長度的大約60％。
此外或者獨立于轉(zhuǎn)子葉片前述的構(gòu)造，可實現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)，如圖3a～3c，若轉(zhuǎn)子葉片的尖端——即尖端端部在指定范圍內(nèi)繞線軸轉(zhuǎn)動，例如繞線軸(扭轉(zhuǎn))約4°～8°，優(yōu)選地為5°。然后，該扭轉(zhuǎn)處于所稱的空擋入流角——也就是尖端自身不提供升力。尖端或相應(yīng)的尖端端部的一般構(gòu)造可從上面提及的Eric Hau的著作的第126頁(圖535)得知。
根據(jù)一般的學(xué)校教育，轉(zhuǎn)子葉片的計算載荷由風(fēng)速的平方、轉(zhuǎn)子葉片的面積及升力系數(shù)的乘積來計算。公式表達(dá)為計算載荷＝V2×A×CA，其中轉(zhuǎn)子面積A用于表示轉(zhuǎn)子覆蓋(掃掠)的面積。
教科書中的考慮相當(dāng)粗淺，不總是合乎實際。轉(zhuǎn)子葉片的最大載荷并未在通常操作下作用在轉(zhuǎn)子葉片上，而是當(dāng)所謂的50年一遇的驟風(fēng)從側(cè)部“擊中”轉(zhuǎn)子葉片時才作用。在該情形下，驟風(fēng)正好作用到整個轉(zhuǎn)子葉片表面。在該方面，可立刻看到升力系數(shù)CA不起作用，而是在此必須考慮阻力系數(shù)CW。然而，因為若風(fēng)撞擊到葉片上，其將正好吹到板上，阻力系數(shù)對于該差不多平坦的轉(zhuǎn)子葉片表面總是恒定的。該情形——即全部側(cè)向流入流動情況是最壞情形，其中出現(xiàn)對于轉(zhuǎn)子葉片所必須計算的最大載荷，準(zhǔn)確來說也就是計算載荷。
從前面明確的是，采用恒定的阻力系數(shù)，單單只有轉(zhuǎn)子葉片的面積是至關(guān)重要的。這也是轉(zhuǎn)子葉片最細(xì)長的合理構(gòu)造的原因。
然而已經(jīng)知道，風(fēng)力設(shè)備的功率輸出與轉(zhuǎn)子葉片的長度極為相關(guān)。從而，長的細(xì)長葉片至今還優(yōu)于短寬葉片。然而需要注意的是，在此方面不應(yīng)該忽視該未應(yīng)用于葉片內(nèi)部區(qū)域(主板)的情況，因為在此該情形從根本上是不同的。
最后，轉(zhuǎn)子葉片相對于在葉片根部區(qū)域繞其流動的空氣的相對速度最低，并且朝向葉片尖端連續(xù)增大。從而，這里描述的具有狹窄外部區(qū)域和最優(yōu)的升阻比的轉(zhuǎn)子葉片形狀是十分有利的解決方案。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力設(shè)備的轉(zhuǎn)子葉片，其中，該轉(zhuǎn)子葉片，具體是該轉(zhuǎn)子的中部區(qū)域——即所謂的主板，具有一升阻比，在傾角偏離最優(yōu)傾角約±2°的范圍內(nèi)，該升阻比的值為升阻比最大值的80％以上，優(yōu)選地為90％以上以及更多。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于，該升阻比的特征曲線具有如圖2所示的視傾角而定的構(gòu)型。
3.一種包括轉(zhuǎn)子的風(fēng)力設(shè)備，該轉(zhuǎn)子具有至少一個具有根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的特征的轉(zhuǎn)子葉片。
4.一種轉(zhuǎn)子葉片，該轉(zhuǎn)子葉片具有從轉(zhuǎn)子葉片平面以小翼形式升起的尖端或尖端端板，其中，所述端板繞其中部平面內(nèi)的線軸轉(zhuǎn)過4°～8°，優(yōu)選地4°～6°，特別優(yōu)選地約5°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片，具體所述轉(zhuǎn)子的中部或主板區(qū)域，在傾角偏離所述轉(zhuǎn)子最優(yōu)傾角約±2°的范圍內(nèi)其升阻比的值為升阻比最大值的80％以上，優(yōu)選地為90％以上。
文檔編號F03D1/06GK1918386SQ200580004763
公開日2007年2月21日 申請日期2005年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月13日
發(fā)明者艾勞埃斯·烏本 申請人:艾勞埃斯·烏本