專利名稱：風(fēng)輪機(jī)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使疲勞和極值載荷最小化的風(fēng)輪機(jī)葉片，更具體 地，涉及一種在葉片的中跨部分使疲勞和極值載荷最小化的風(fēng)輪機(jī)葉 片。
背景技術(shù)：
在風(fēng)輪機(jī)行業(yè)中，當(dāng)前的挑戰(zhàn)是能提供一種使疲勞和極值載荷最小 化的葉片設(shè)計(jì)，從而允許葉片的材料、重量和價(jià)格的減少。
風(fēng)輪機(jī)葉片上的翼型部分(airfoil sections)在正常生產(chǎn)中從低 迎角到高迎角的迎角范圍內(nèi)操作，在所述低迎角處，在升力與迎角關(guān)系 曲線的線性部分上升力低，在所述高迎角處，翼型部分恰好處于失速前 (before stall)或失速中(in stall)。
空氣動(dòng)力載荷的變化可以隨著空氣動(dòng)力升力和空氣動(dòng)力阻力的擺動(dòng) 進(jìn)行測量。數(shù)據(jù)組或時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)值通常用作擺動(dòng)的良好指 示。升力和阻力的高的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示空氣動(dòng)力載荷的變化高，導(dǎo)致較高 的疲勞載荷。
尤其是大型葉片，葉片的不同部分將承受不同的載荷。在槳距控制 (pitch controlled)型風(fēng)輪機(jī)中，當(dāng)達(dá)到額定功率時(shí)或在高風(fēng)速時(shí)， 葉片向著降低升力系數(shù)的橫槳位置(feathered position)變化槳距來 移除過多的能量。在這種情況下，可能發(fā)生葉片的根部具有正升力而梢 部具有負(fù)升力，從而導(dǎo)致高疲勞載荷，尤其是在葉片的中跨部分。在其它的操作情況中，為了讓轉(zhuǎn)子慢下來并最終停止風(fēng)輪機(jī)，風(fēng)輪 機(jī)葉片向著橫槳位置移動(dòng)。在那種情況中，希望在葉片中產(chǎn)生負(fù)升力， 但在轉(zhuǎn)換期間，極大的負(fù)升力可能會(huì)導(dǎo)致葉片或風(fēng)輪機(jī)中任何其它部件 中的極大載荷。
遭遇高疲勞載荷的另一種情況是在引入槳距變化以使陣風(fēng)和大規(guī)模 大氣紊流的影響最小化的過程中。當(dāng)所述紊流涉及風(fēng)速增加，葉片槳距 增加，減小迎角從而減少空氣動(dòng)力載荷。風(fēng)速增加后通常跟隨著風(fēng)速減
小，其需要較低的節(jié)面角(pitch angles)和較大的迎角來產(chǎn)生相同的 轉(zhuǎn)矩。在這個(gè)過程中，可能會(huì)發(fā)生葉片的部分，通常是外側(cè)，在非常短 的時(shí)間內(nèi)從正迎角轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)迎角，或與之相反。由于這表示葉片的那部 分將處于升力與迎角關(guān)系曲線的負(fù)升力區(qū)域，并且將在非常短的時(shí)間內(nèi) 轉(zhuǎn)變到正區(qū)域，從載荷的角度來看，這個(gè)過程對葉片施加了隨著時(shí)間改 變方向的載荷。
本發(fā)明旨在提供解決這些問題的方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種使疲勞和極值載荷最小化的風(fēng)輪機(jī)葉片， 尤其是在葉片的中跨部分。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種風(fēng)輪機(jī)葉片，其允許在風(fēng)輪機(jī)的其 它部件上使疲勞和極值載荷最小化。
本發(fā)明的這些和其它目的通過提供一種具有空氣動(dòng)力學(xué)輪廓的風(fēng)輪 機(jī)葉片來實(shí)現(xiàn)，所述空氣動(dòng)力學(xué)輪廓具有前緣、后緣以及前緣與后緣之 間的吸入側(cè)和壓力側(cè)，風(fēng)輪機(jī)葉片還包括一個(gè)在壓力側(cè)上的修正區(qū)域， 所述修正區(qū)域成形用于減少負(fù)升力系數(shù)并且在一優(yōu)選實(shí)施例中位于對應(yīng)
5于翼弦位置的兩部分之間，從所述前緣測量，處于翼弦長度的1%-20%的
范圍內(nèi)，最優(yōu)選地，處于翼弦長度的5%-20%的范圍內(nèi)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述修正區(qū)域沿著葉片的一部分設(shè)置，從葉
片的梢部測量，在葉片長度的20%-50°/。之間延伸。因此，獲得允許減少疲 勞和極值載荷的葉片，而不需要沿著葉片的整個(gè)長度延伸所述修正區(qū)域。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述修正區(qū)域通過將例如失速帶的裝置附 著到葉片上來完成。因此，通過廉價(jià)裝置的方式來獲得允許減少疲勞和 極值載荷的葉片，所述廉價(jià)裝置無論在葉片制造過程中還是之后均能容 易地附著到葉片上。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述修正區(qū)域通過將一可變形裝置和致動(dòng) 器裝置附著或插入葉片內(nèi)來完成，所述致動(dòng)器裝置用于在其中提供形狀 和尺寸的改變。因此，通過主動(dòng)控制裝置的方式來獲得允許減少疲勞和 極值載荷的葉片。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)說明中得以理解。


圖1是現(xiàn)有風(fēng)輪機(jī)葉片輪廓的示意圖2是根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)輪機(jī)葉片輪廓的示意圖3顯示了對應(yīng)于圖1中所示輪廓的升力系數(shù)與迎角關(guān)系曲線；
圖4顯示了對應(yīng)于圖2中所示輪廓的升力系數(shù)與迎角關(guān)系曲線；
圖5是根據(jù)本發(fā)明的具有附著裝置的葉片平面圖6a、 6b、 6c、 6d、 6e顯示幾種橫截面的失速帶。
具體實(shí)施方式
在風(fēng)輪機(jī)葉片的傳統(tǒng)輪廓設(shè)計(jì)中，目的是盡可能地得到最佳的輪廓 性能，其通常被理解為具有高的升力和低的阻力。
一種典型的風(fēng)輪機(jī)葉片11通常具有氣流優(yōu)化的輪廓，例如圖1中所
示的輪廓，其具有前緣13、后緣15和具有吸入側(cè)17和壓力側(cè)19的提升 表面(lifting surface)。
圖3顯示了一種用于那種類型輪廓的典型的升力系數(shù)CL與迎角A0A 關(guān)系曲線21。這些曲線具有升力系數(shù)CL的最大和最小值，最大值與正升
力相關(guān)聯(lián)，最小值與負(fù)升力相關(guān)聯(lián)，因此在最大正升力和最小負(fù)升力之 間存在顯著的變量V1。
根據(jù)本發(fā)明，在那些情況中即尤其是由于紊流和陣風(fēng)使得葉片的外 側(cè)部分具有負(fù)升力并且突然轉(zhuǎn)變?yōu)檎蚺c之相反的情況中出現(xiàn)的高 疲勞載荷減小，其是通過修正葉片外側(cè)部分的輪廓以減小其負(fù)升力系數(shù)。
所述修正的目的是提供這樣一種輪廓，即該輪廓具有圖4所示的升 力系數(shù)CL與迎角A0A關(guān)系曲線23，相較于圖1中所示的輪廓，該曲線 23在最大的正升力與最小的負(fù)升力之間具有較小的變量V2。
消除處于負(fù)迎角的葉片外側(cè)部分上的升力有利于位于葉片中跨處的 載荷，尤其是在大風(fēng)情況時(shí)。在這種情況下，葉片的外側(cè)部分不需要用 于產(chǎn)生能量，因?yàn)閮?nèi)側(cè)部分能夠產(chǎn)生足夠的能量。在正迎角處，所述修 正對輪廓性能的影響很小。
負(fù)升力系數(shù)的減小也有助于減小在那些情況中即在葉片向著橫槳 (feather)變化槳距并且迎角從正值變?yōu)樨?fù)值的情況中出現(xiàn)的負(fù)的極值 載荷。
因?yàn)榭色@得的最大負(fù)升力值減小了，與由于陣風(fēng)和紊流從正迎角到 負(fù)迎角或與之相反的快速變化相關(guān)聯(lián)的疲勞載荷也會(huì)減小。圖2顯示了在壓力側(cè)19上具有修正區(qū)域31的輪廓，所述修正區(qū)域 成形用于使處于負(fù)迎角的輪廓失速，因此減小了負(fù)升力系數(shù)。
可以在葉片的制造過程中實(shí)現(xiàn)所述修正區(qū)域31，或優(yōu)選地將適合的 裝置33附著到傳統(tǒng)的葉片上來實(shí)現(xiàn)所述修正區(qū)域31。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述裝置33布置在對應(yīng)于翼弦位置(chord positions)的兩部分之間的壓力側(cè)19上，從前緣13測量，處于翼弦長 度的1%-20%的范圍內(nèi)，優(yōu)選地，處于翼弦長度的5_20%的范圍內(nèi)。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述裝置33沿著葉片11的一部分布置， 從葉片的梢部29測量，在葉片長度的20%-50%的范圍內(nèi)延伸。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述裝置33是由適合材料例如塑料、玻璃 纖維、金屬或環(huán)氧樹脂的小片構(gòu)成的失速帶(stall strip)，并且具有 矩形或三角形或半圓形或四分之一圓形的橫截面，如圖6a、 6b、 6c、 6d、 6e所示，其具有包含在0. 5-10mm范圍內(nèi)的最大寬度W和包含在0. 1-2mm 范圍內(nèi)的最大高度t。
所述失速帶可通過任何合適的固定方式例如粘結(jié)、螺栓連接或鉚接 附著到所述葉片上。
在風(fēng)輪機(jī)行業(yè)中，對于不同的應(yīng)用例如調(diào)節(jié)風(fēng)輪機(jī)的功率或載荷和 防止不受歡迎的振動(dòng)，在風(fēng)輪機(jī)葉片上使用不同裝置例如失速帶或渦流 發(fā)生器是眾所周知的。所述裝置通常布置在輪廓的吸入側(cè)用來觸發(fā)失速。 例如，它們已經(jīng)用在失速控制型風(fēng)輪機(jī)中來限制颶風(fēng)時(shí)的功率輸出。
然而，失速帶或其它具有使負(fù)升力最小化目的的裝置的使用還不為 人們所知。實(shí)際上，葉片設(shè)計(jì)一直旨在獲得輪廓的最佳性能，并且沒有 過多地關(guān)注負(fù)升力。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述修正區(qū)域31可以通過將一可變形裝置 附著或插入葉片內(nèi)來實(shí)現(xiàn)，所述可變形裝置配備有用于在其中提供形狀 和尺寸改變的致動(dòng)器裝置。
所述可變形裝置的啟動(dòng)是主動(dòng)控制的，以致當(dāng)需要降低負(fù)升力系數(shù)
時(shí)，發(fā)生所述區(qū)域31的形狀的修正。所述主動(dòng)控制包含風(fēng)輪機(jī)控制系統(tǒng)， 該風(fēng)輪機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)視能夠識(shí)別包含高負(fù)升力系數(shù)事件的參數(shù)和向所述 致動(dòng)器裝置提供輸出信號(hào)。
一種優(yōu)選的可變形裝置是由智能材料即一旦對其施加電壓便變形的 材料制成的裝置。其特別優(yōu)選為一種由活性壓電復(fù)合材料(active piezoelectric composite)構(gòu)成的并由電氣裝置驅(qū)動(dòng)的可變形裝置。
所述智能材料可以是施加在葉片外皮的內(nèi)部和/或外部表面的片狀 智能材料。
另一種優(yōu)選的可變形裝置是由膨脹裝置驅(qū)動(dòng)的可膨脹裝置。這種裝 置的外表面可優(yōu)選地由柔韌性材料即橡膠構(gòu)成的外皮來限定。
盡管本發(fā)明結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施例已充分地進(jìn)行了描述，很明顯在本發(fā) 明的范圍內(nèi)不受這些實(shí)施例的限制，但是在下面權(quán)利要求書的內(nèi)容所限 制條件下可以進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
1.一種具有空氣動(dòng)力學(xué)輪廓的風(fēng)輪機(jī)葉片(11)，所述空氣動(dòng)力學(xué)輪廓具有前緣(13)、后緣(15)以及前緣(13)與后緣(15)之間的吸入側(cè)和壓力側(cè)(17、19)，其特征在于，所述壓力側(cè)(19)包括成形用于減少負(fù)升力系數(shù)的修正區(qū)域(31)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)葉片(11)，其特征在于，所述修 正區(qū)域(31)位于對應(yīng)于翼弦位置的兩部分之間，從所述前緣(13)測 量，處于翼弦長度的1%_20%的范圍內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)輪機(jī)葉片(11)，其特征在于，所述修 正區(qū)域(31)位于對應(yīng)于翼弦位置的兩部分之間，從所述前緣(13)測 量，處于翼弦長度的5%-20%的范圍內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片(11)，其特征在 于，所述修正區(qū)域(31)沿著葉片(11)的一部分設(shè)置，從葉片的梢部(29)測量，在葉片長度的20%-50%之間延伸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片(11)，其特征在 于，所述修正區(qū)域(31)通過將一裝置(33)附著到葉片(11)上完成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)輪機(jī)葉片(11)，其特征在于，所述裝 置(33)是橫截面為矩形、三角形、半圓形或四分之一圓形的失速帶。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)輪機(jī)葉片(11)，其特征在于，所述失 速帶的最大寬度(w)包含在0.5-10腿的范圍內(nèi)并且所述失速帶的最大 高度(t)包含在O. 1-2匪的范圍內(nèi)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片(11)，其特征在 于，所述修正區(qū)域(31)通過將一可變形裝置和致動(dòng)器裝置附著或插入 葉片(11)內(nèi)來完成，所述致動(dòng)器裝置用于在其中提供形狀和尺寸的改 變。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)輪機(jī)葉片(11)，其特征在于，所述可 變形裝置由智能材料構(gòu)成，并且所述致動(dòng)器裝置是電氣裝置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)輪機(jī)葉片(11)，其特征在于，所述智 能材料是壓電材料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)輪機(jī)葉片(11)，其特征在于，所述可 變形裝置是可膨脹裝置，并且所述致動(dòng)器裝置是膨脹裝置。
全文摘要
一種具有空氣動(dòng)力學(xué)輪廓的風(fēng)輪機(jī)葉片(11)，所述空氣動(dòng)力學(xué)輪廓具有前緣(13)、后緣(15)和前緣(13)與后緣(15)之間的吸入側(cè)和壓力側(cè)(17、19)，其中，所述壓力側(cè)(19)包括成形用于減少負(fù)升力系數(shù)的修正區(qū)域(31)，所述修改區(qū)域通過將一裝置(33)例如失速帶附著到葉片(11)上或者通過將一可變形裝置和致動(dòng)器裝置附著或插入葉片(11)內(nèi)來完成，所述致動(dòng)器裝置用于在其中提供形狀和尺寸的改變。
文檔編號(hào)F03D11/02GK101539119SQ20091012608
公開日2009年9月23日 申請日期2009年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月7日
發(fā)明者恩里克·戈麥斯·德拉斯埃拉斯, 路易斯·米格爾·加西良·魯埃達(dá), 邁克爾·弗里德里希 申請人:歌美颯創(chuàng)新技術(shù)公司