具有扭曲和渐缩形叶尖的风力涡轮机叶片平面形状 【技术领域】
本文所描述的主题大体上涉及具有特殊叶片结构的流体反作用表面，并且更具体地涉及具有带扭曲和渐缩形叶尖的叶片平面形状(planform)的风力涡轮机。
背景技术
风力涡轮机是一种用于将风中的动能转换成机械能的机器。如果机械能直接由机器使用，例如用以抽水或用以磨麦，则该风力涡轮机可称作风车。类似而言，如果机械能转换成电流，则该机器还可称作风力发电机或风力发电装置。
风力涡轮机通常根据叶片围绕其旋转的垂直轴或水平轴来分类。一种所谓的水平轴风力发电机在图1中示意性地示出，其可从通用电器公司获得。用于风力涡轮机2的该特定构造包括塔架4，塔架4支承封装传动系8的机舱6。叶片10布置在浆毂上，以在传动系8的一端处于机舱6外侧形成“转子”。旋转的叶片10驱动齿轮箱12，齿轮箱12连接到在传动系8另一端的发电机14上，传动系8连同从风速计18接收输入的控制系统16一起设置在机舱6内。
叶片10产生升力并从移动的空气中捕获动量，然后该动量当叶片在“转子平面”中旋转时施加给转子。各叶片通常均紧固在其“叶根”端上，且之后“转子半径”径向地“向外”至自由的“叶尖”端。叶片的前部或“前缘”连接最先接触空气的叶片最前点。叶片的后部或“后缘”是指已经由前缘隔开的气流在经过叶片的吸入表面和压力表面之后再次结合的位置。“翼弦线”在经过叶片的典型气流的方向上将叶片的前缘和后缘相连接。翼弦线的长度简单地称为“弦长”。
叶片10的外侧端称为“叶尖”，而从叶尖至叶片相对端上的叶根的距离称为“转子半径”。由于叶片10的叶根在其连接到浆毂上时是从叶片的旋转中心进行移置，故从叶片10旋转中心至叶尖的距离称作“转子半径”，并且在此用字母“R”标示。由于许多叶片10在跨度(以及对应的转子半径)上改变其弦长，故翼弦线长度在叶根附近称为“叶根弦长”而在叶片的叶尖附近则称为“叶尖弦长”。当垂直于流向进行观察时，叶片10所形成的形状称为“平面形状”。叶片10的厚度在整个平面形状上变化，而用语“厚度”通常用来描述对于任何特定的翼弦线在低压吸入表面与叶片相对侧上的高压表面之间的最大距离。
用语“攻角”用于描述叶片10的翼弦线与表示在叶片与空气之间相对运动的矢量之间的角度。“倾斜(pitching)”是指使整个叶片10的攻角旋进或旋出风中，以便控制转速和/或从风中吸收功率。例如，“朝顺浆”倾斜叶片使得叶片10前缘旋转进入风中，而“朝停机(stall)”倾斜叶片使得叶片前缘从风中旋转离开。
由于叶片10相对于空气的速度沿旋转叶片的转子半径增大，故叶片形状通常是扭曲的，以便在沿叶片转子半径的大多数点上保持大体上一致的攻角。例如，图2示出了常规的叶片扭曲分布20，在垂直轴上以度数示出了叶片10的“扭曲”角θ。图2中的水平轴示出了从叶片10的旋转中心沿跨度向外的标称距离“r/R”，在此称作“转子半径的百分比”或“标称转子半径”。由于相比于叶片10的长度，浆毂的尺寸较小，故该“转子半径百分比”还近似为从叶片的叶根开始向外的标称距离，或并非始于叶片旋转中心的“跨度百分比”。
在这些附图中，扭曲角θ的正值表示叶片10朝顺浆扭曲，而负值则表示叶片朝停机扭曲。扭曲角θ通常以内侧的较高正值(朝顺浆)开始，且之后在外侧方向上沿叶片的转子半径朝停机“旋转”。这种变化称为叶片的“前向扭曲”。当扭曲角朝顺浆旋转时，这种变化称为“后向扭曲”。扭曲角θ的零值表示，当叶片以零倾斜布置在转子8上时，叶片10部分将处于转子平面中。
图3为图2中所示的扭曲分布20的放大部分，其中，整个叶片10也已经向前倾斜。由于图3示出了邻近叶尖地叶片10外部的扭曲分布，故其也称作“叶尖扭曲分布”。图3对应如下数值数据：
r/R θ-20
96.00％ -1.63
96.80％ -1.68
97.40％ -1.66
98.06％ -1.62
98.56％ -1.54
99.06％ -1.35
99.56％ -0.58
100.00％ 1.67
然而，也已经公开了其它的叶尖扭曲分布。例如，出版号为NREL/SR-500-26173(1999年4月)的“Design of Tapered and TwistedBlade for the NREL Combined Experiment Rotor”示出了从转子半径的大约75％至叶片叶尖为负值的扭曲分布。
风力涡轮机叶片10的噪音和动力性能部分地取决于在叶片叶尖处的涡流发展。已经提出了多种技术来控制这种涡流发展。例如，于2007年7月12日提交的共有的共同未决美国申请序列No.11/827,532(代理人卷号225992)公开了一种具有用于减小噪音的涡流破坏系统的风力涡轮机叶片。尽管通常可通过最大限度地减小叶片叶尖上的空气动力负载来减小涡流发展，但所谓的“叶尖卸荷”通常会造成显著地降低由叶片所产生的动力。
这种叶尖卸荷的缺点和优点还可通过减小叶尖附近的弦长来实现。例如，图7为弦长“c”作为总转子半径“R”的百分比(也称作“c/R”或“标称弦长”)相对于上文参照图2和图3进行论述的常规涡轮叶片的标称转子半径的图表(plot)。图7中所示的“叶尖弦长分布”22对应于如下数据：
r/R c/R-22
95.56％ 1.95％
96.00％ 1.94％
96.80％ 1.92％
97.40％ 1.90％
98.06％ 1.88％
98.56％ 1.85％
99.06％ 1.79％
99.56％ 1.52％
100.00％ 0.70％
图9为用于叶片叶尖的前缘和后缘的翼弦“c”作为总转子半径“R”的百分比(也称作“c/R”或“标称弦长”)相对于用于上文所述以及在图2、图3和图7中所示的常规涡轮机叶片的标称转子半径的曲线图。所形成的“叶尖平面形状分布”或叶片叶尖轮廓的平面图对应于如下数据，其中，c/R的零值已经任意地归应于叶片倾斜轴：
r/R c/R(24) c/R(25)
95.56％ 0.60％ -1.35％
96.00％ 0.60％ -1.34％
96.80％ 0.59％ -1.33％
97.40％ 0.58％ -1.32％
98.06％ 0.57％ -1.31％
98.56％ 0.55％ -1.30％
99.06％ 0.53％ -1.25％
99.56％ 0.39％ -1.13％
100.00％ 0.00％ -0.70％
曲线24中c/R的值对应于叶片的前缘(LE)，而曲线25中的值对应于叶片的后缘(TE)。c/R的零值分配给各个转子半径位置的弦长上的倾斜旋转中点。它可通过对所有c/R弦长值进行适当量的加或减来分配到沿叶片的线与各个转子半径位置上的翼弦之间的任何其它交点上。
【发明内容】
本文通过在各个实施例中提供一种用于风力涡轮机的叶片而解决了与该常规方式相关的这些和其它缺点，该叶片包括在叶片转子半径的外部大约1％至大约10％之间处于大约6度至大约15度之间的总的后向扭曲；以及在如下范围内的近似平面形状分布：
r/R c/R(LE) c/R(TE)
.96 0.60～0.65％ -1.42～-1.34％
.968 0.54～0.59％ -1.31～-1.34％
.974 0.39～0.58％ -1.36～-1.22％
.9806 0.13～0.57％ -1.45～-1.06％
.9856 -0.23～0.56％ -1.56～-0.74％
.9906 -0.76～0.55％ -1.74～-0.24％
.9956 -1.44～0.54％ -1.99～0.23％
1.00 -2.17～0.54％ -2.27～0.44％
其中，“r/R”为从叶片的旋转中心沿叶片转子半径向外的近似标称距离；而“c/R(LE)”和“c/R(TE)”为表示成在各r/R处从旋转中心向外的总距离的百分比的弦长“c”的前缘(LE)和后缘(TE)的近似相对位置。
【附图说明】
现在将参照如下附图(“图”)来描述本技术的各个方面，附图不必按比例绘制，但使用相同的参考标号来表示所有若干附图中各图的对应部分。
图1为常规风力发电机的示意性侧视图。
图2为示出用于图1中所示的叶片的常规扭曲分布的曲线图。
图3为示出图2中的常规叶尖扭曲分布的放大部分的曲线图。
图4为示出图2中的常规叶片扭曲分布和另一叶片扭曲分布的曲线图。
图5为示出连同图3中的常规叶尖扭曲分布一起的另一叶片叶尖扭曲分布和公差范围的曲线图。
图6为示出多种其它叶片叶尖扭曲分布的曲线图。
图7为示出图1中所示的叶片的常规叶片叶尖弦长分布的曲线图。
图8为示出图1中所示的叶片的多种其它叶片叶尖分布的曲线图。
图9为示出图1中所示的叶片的常规叶片叶尖平面形状分布的曲线图。
图10为示出图1中所示的叶片的其它叶片叶尖平面形状分布的曲线图。
【具体实施方式】
图4为示出连同另一叶片扭曲分布30一起的图2中的常规叶片扭曲分布20的曲线图。除在叶片10的叶尖附近的叶片转子半径外部外，叶片扭曲分布20和30都是相同的，其中，所示扭曲分布30大体上对应于如下数值数据：
r/R θ-30
0.952128 -2.40979
0.973404 -0.28983
0.978723 0.999573
0.984043 2.292061
0.989362 3.421259
0.994681 4.220788
1 4.52427
与常规扭曲分布20相比，分布30的外部包括比常规扭曲部分20的对应部分更大的总的后向叶尖扭曲。分布30的叶尖扭曲部分还可结合其它叶片使用，包括具有其它内侧扭曲分布的叶片。扭曲分布30还可是倾斜的。
扭曲分布30的外部叶尖扭曲部分还可采用多种其它形式。例如，图5示出了连同另一叶尖扭曲分布31一起的常规叶尖扭曲分布20，其中，叶片10已经倾斜，使得处于0.96r/R标称转子半径(跨度的大约96％)的扭曲布置在对应于零度扭曲的转子平面中。图5中的虚线312和314还示出了对于扭曲分布31的大部分叶尖部分的上下公差带为大约±1.5度的扭曲。图5中所示的扭曲分布31和公差带312和314对应于如下数值数据：
r/R θ-31 θ-312 θ-314
0.96 0 0 0
0.968 0.865823127 2.365823127 -0.63418
0.974 2.622128497 4.122128497 1.122128
0.98064 4.613066853 6.113066853 3.113067
0.98564 6.032056696 7.532056696 4.532057
0.99064 7.160486604 8.660486604 5.660487
0.99564 7.798481894 9.298481894 6.298482
1 7.798481894 9.298481894 6.298482
在图5中，上下公差极限312和314示为在转子半径的96％处收敛于实际的扭曲分布，其中，对于叶片其它部分的扭曲公差带可相同或不同。然而，上下公差极限312和314不必彼此收敛或收敛于如图5中所示的扭曲分布31。此外，还可使用其它公差范围，包括大到±3度、±2度，以及小到±1度、±0.75度、±0.5度、±0.25度和/或它们的组合。这些和其它适合的公差范围还可按照标称的和实际的转子半径，以及/或者标称的和实际的扭曲百分比来表示。
图6示出了连同常规叶尖扭曲分布20一起的扭曲分布30外部的若干其它构造，其对应于如下数值数据：
r/R θ-20 θ-32 θ-33 θ-34 θ-35 θ-36 θ-37 θ-38
96.00％ -1.63 -1.63 -1.63 -1.63 -1.63 -1.63 -1.63 -1.63
96.70％ -1.68 -1.15 -0.84 -0.26 -0.76 0.06 -0.47 -0.76
97.40％ -1.66 0.00 0.00 1.10 0.99 2.73 1.87 0.99
98.06％ -1.62 1.01 0.71 2.40 2.98 4.84 4.52 2.98
98.56％ -1.54 1.46 1.34 3.37 4.40 5.80 6.41 4.40
99.06％ -1.35 1.65 2.10 4.35 5.53 6.17 7.92 5.53
99.56％ -0.58 2.43 3.43 5.32 6.17 6.17 8.77 6.17
100.00％ 1.67 4.67 6.17 6.17 6.17 6.17 9.30 14.00
从此数据和图6中将会清楚若干叶尖扭曲分布是重叠的。例如，叶尖扭曲分布35和38包括对于r/R小于99.56％的相同数据。
图6中的叶尖扭曲分布具有在大约六度至十五度之间的总的后向扭曲。例如，分布32的总的后向扭曲为大约6.30度，而分布38的总的后向扭曲为大约15.63度。然而，这些和其它适合的叶尖扭曲分布可设有在大约六度至十度之间的总的后向扭曲。图6中所示的叶尖扭曲分布出现在叶片转子半径的外部4％上。然而，这些和其它适合的叶尖扭曲分布可设置在叶片转子半径外部的1％至10％之间，或在叶片转子半径外部的1％至5％之间。
在图6中所示的各个实施例中，转子半径外部的至少一部分上的扭曲角√增大，如由叶尖扭曲分布线的斜率所示。例如，由扭曲角√相对于转子半径百分比r/R的变化所表示的叶尖扭曲分布的斜率，或“扭曲率”(或“扭曲比率”，或“扭曲速率”)，对于叶尖扭曲分布34而言大致恒定。然而，叶尖扭曲分布还可如具有扭曲率的叶尖扭曲分布线的曲率所表示的那样进行弯曲，该扭曲率在转子半径的部分或所有的外部上增大和/或减小。例如，叶尖扭曲分布32的扭曲率在所示分布的外侧部增大，而叶尖扭曲分布36的扭曲率在分布的外侧部减小。叶尖扭曲分布35的扭曲率在分布的内侧部增大，且之后在分布的外侧部减小。叶尖扭曲分布的变化斜率、扭曲分布的曲率，或“扭曲加速度”还可在这些和其它适合的叶尖扭曲分布上增大和/或减小。
上文所述的各种叶尖扭曲分布提供了较高的叶片动力性能、较低的与叶尖相关的噪音，以及对湍流的较小敏感度。尽管典型的后向扭曲分布在叶片10的各个叶尖上提供了几乎所有的卸荷，但上文所述的许多叶尖扭曲分布在叶片叶尖内侧进行略微地卸荷，其中叶片的各个叶尖处的扭曲变化很小或没有。叶片10在其外侧端的有益卸荷产生了提高的动力性能和较低的噪音。本文所公开的叶尖扭曲分布还提供了趋于产生有噪音的叶尖涡流的各个叶片末端的空气动力负载急剧下降与导致大部分叶片的次最佳动力性能的叶片负载的更为缓和地减小之间的最佳平衡。此外，本文所公开的叶尖扭曲分布保持较长部分的叶片上的较大弦长，以便提供较高的动力性能和对风流入速度变化的较小的敏感度。这些坚固性较高的叶尖形状还允许制造精度较高的叶片，其在空气动力学上对物理上恒定的轮廓偏差的敏感度较小，且在叶片叶尖处具有更多用于排出孔和防雷保护的空间。
图8示出了除图7中所示的常规叶尖弦长分布22外的多种叶尖弦长分布，其对应于如下数据：
r/R c/R-42 c/R-43 c/R-44 c/R-45 c/R-46 c/R-47 c/R-48 c/R-22
92.76％ 2.06％ 2.06％ 2.06％ 2.06％ 2.06％ 2.06％ 2.06％ 2.06％
95.56％ 1.95％ 1.95％ 1.95％ 1.95％ 1.95％ 1.95％ 1.95％ 1.95％
96.00％ 1.94％ 1.94％ 1.94％ 1.94％ 1.94％ 1.94％ 1.94％ 1.94％
96.80％ 1.88％ 1.89％ 1.91％ 1.88％ 1.89％ 1.92％ 1.92％ 1.92％
97.40％ 1.64％ 1.69％ 1.85％ 1.76％ 1.79％ 1.90％ 1.90％ 1.90％
98.06％ 1.23％ 1.35％ 1.63％ 1.58％ 1.64％ 1.88％ 1.89％ 1.88％
98.56％ 0.83％ 1.01％ 1.30％ 1.33％ 1.43％ 1.80％ 1.82％ 1.85％
99.06％ 0.44％ 0.69％ 0.79％ 0.98％ 1.14％ 1.55％ 1.61％ 1.79％
99.56％ 0.14％ 0.43％ 0.31％ 0.55％ 0.78％ 0.97％ 1.13％ 1.52％
100.00％ 0.10％ 0.40％ 0.10％ 0.10％ 0.40％ 0.10％ 0.40％ 0.70％
从此数据和图8中将会清楚这些叶尖弦长分布中的若干分布是重叠的。
在外部的4％的转子半径上，图8中的叶尖弦长分布42至48以及22具有在大约1％至2％之间的总的标称弦长变化。例如，分布42的总的标称弦长变化为大约1.84％，而分布22的总的标称弦长变化为1.24％。除常规叶尖弦长分布22外，图8中所示的剩余叶尖弦长分布在外部的4％的转子半径上具有的总的叶尖弦长变化在大约1.5％至2％之间，或1.5％至1.9％之间，并且更确切地说，如图8中所示，在1.54％至1.84％之间。
如上文参照图8所述的叶尖弦长分布出现在叶片转子半径的外部的4％上。然而，这些和其它适合的叶尖扭曲分布可布置在叶片转子半径外部的1％至10％之间，或在叶片转子半径外部的1％至5％之间。
在图8中所示的各实施例中，标称弦长c/R在转子半径外部的至少一部分上减小，如由图8中的弦长分布线的斜率所示。相对于转子半径百分比“r/R”的“c/R”的该“标称弦长变化率”(或“弦长变化率”、“弦长变化比率”、“弦长斜率”或“弦长变化速率”)可大致为恒定的。然而，该弦长分布线也可在部分或所有的转子半径外部上增大和/或减小。例如，叶尖弦长部分22，45，46，47，48和49的弦长变化率在所示分布的外侧部中增大，而叶尖弦长分布42，43和44的弦长变化率在分布的外侧部中减小。实际上，转子半径外部的4％上的叶尖分布42，43和44的弦长变化率最初是增大的，且之后再减小。
通过利用具有上述任何叶尖扭曲分布20和32至38的叶尖弦长分布42至49和22，可获得和/或增强上述多种优点。例如，叶尖扭曲分布35可结合叶尖弦长分布49(在此称作“高坚固性叶片叶尖”)使用，或结合叶尖弦长分布45(在此称作“风力涡轮机叶片叶尖设计”)使用。叶尖扭曲分布38还可结合叶尖弦长分布45(在此称作“刺形叶尖”)使用，而叶尖扭曲分布37可结合具有S形(和/或其它)平面形状的叶尖弦长分布44使用。
除对应于图9中所示的曲线24和25的常规叶尖平面形状分布外，图10还示出了对应于如下数据的多种叶尖平面形状分布：
r/R c/R-24 c/R-25 c/R-52 c/R-53 c/R-54 c/R-55 c/R-56 c/R-57
92.76％ 0.65％ -1.42％ 0.65％ -1.42％ 0.65％ -1.42％ 0.65％ -1.42％
95.56％ 0.60％ -1.35％ 0.60％ -1.35％ 0.60％ -1.35％ 0.60％ -1.35％
96.00％ 0.60％ -1.34％ 0.60％ -1.34％ 0.60％ -1.34％ 0.60％ -1.34％
96.80％ 0.59％ -1.33％ 0.54％ -1.34％ 0.57％ -1.31％ 0.58％ -1.33％
97.40％ 0.58％ -1.32％ 0.39％ -1.36％ 0.53％ -1.22％ 0.57％ -1.27％
98.06％ 0.57％ -1.31％ 0.13％ -1.45％ 0.48％ -1.10％ 0.56％ -1.06％
98.56％ 0.55％ -1.30％ -0.23％ -1.56％ 0.40％ -0.93％ 0.56％ -0.74％
99.06％ 0.53％ -1.25％ -0.76％ -1.74％ 0.29％ -0.69％ 0.55％ -0.24％
99.56％ 0.39％ -1.13％ -1.44％ -1.99％ 0.16％ -0.39％ 0.54％ 0.23％
100.00％ 0.00％ -0.70％ -2.17％ -2.27％ 0.03％ -0.07％ 0.54％ 0.44％
在图10中，偶数编号的曲线对应于前缘(LE)，而奇数编号的曲线对应于由曲线24和25、52和53、54和55以及56和57所示的各平面形状分布的后缘(TE)。然而，前缘和/或后缘可从不同的平面形状分布中配对。
可通过利用具有包括上文所述的任何叶尖扭曲分布20和32至38的多种叶尖扭曲分布的这些平面形状分布中的任何一种来获得和/或增强上述多种优点。例如，由曲线24和25所形成的常规平面形状分布有时称作“高坚固性叶片叶尖”，并且尤其对叶尖扭曲分布35和38有用。由曲线52和53所形成的所示平面形状分布有时称作“刺形的”，并且尤其对叶尖扭曲分布38有用。由曲线54和55所形成的所示平面形状分布有时称作“风力涡轮机叶片叶尖设计”，并且尤其还对叶尖扭曲分布35有用。由曲线56和57所形成的所示平面形状分布有时称作“S形”或“卵形”叶尖，并且尤其对叶尖扭曲分布37有用。
应当强调的是，上述实施例且特别是任何“优选”实施例仅为本文已阐述的多种实施方案的实例，以提供对本技术的各个方面的清楚理解。一名普通技术人员将能够在基本上不脱离由所附权利要求的适当结构所单独限定的保护范围的情况下对这些实施例中的一些进行修改。