專利名稱：一種風力發(fā)電設備的轉子葉片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電系統(tǒng)的轉子葉片以及相應的風力發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術：
就有關的現(xiàn)有技術的狀態(tài)，我們參閱了1996年出版的作者為艾里奇·豪(Erich Hau)的書“風力發(fā)電系統(tǒng)”(Wind power systems)。這本書包含現(xiàn)有技術的一些風力發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)的轉子葉片以及轉子葉片的橫截面的例子。根據(jù)NACA的氣動型面(profile)的幾何構造尺寸顯示在該書第102頁上的圖5.34中。如該圖所示，轉子葉片由下列參數(shù)描述對應于弦長的型面深度(profile depth)；限定弦上方的骨架線的最大高度的最大拱形(或拱形比)；最大拱形的位置，即在轉子葉片的橫截面內相對于型面深度的最大拱形的位置；限定一個圓心位于骨架線上的內接圓的最大直徑的最大型面厚度；以及最大厚度的位置，即轉子葉片的橫截面相對于型面深度呈現(xiàn)最大型面厚度的位置。另外，前緣半徑以及上下側的型面坐標也用來描述轉子葉片的橫截面。還有，艾里奇·豪的書中的術語也用來描述根據(jù)本發(fā)明的轉子葉片的橫截面。
現(xiàn)有技術的其它轉子葉片公開在DE 103 07 682、US 5,474,425、US6,068,446以及DE 694 15 292中。
可以從幾個不同的方面對轉子葉片進行優(yōu)化。轉子葉片不僅應安靜運轉，還應具有一個最大動力性能，以在較低風速時啟動風力發(fā)電系統(tǒng)的旋轉并在可能的最小風力強度下達到額定速度，該額定速度即第一次達到風力發(fā)電系統(tǒng)的額定功率的轉速。如果接下來風速增大，一般作法是增加調整在風中的由迎風角(pitch)調節(jié)的風力發(fā)電系統(tǒng)的轉子葉片，使得在保持額定功率的同時減少轉子葉片的迎風表面積，以保護整個風力發(fā)電系統(tǒng)以及其部件不受機械損壞。在任何情況下，一個風力發(fā)電系統(tǒng)的轉子葉片的葉片型面的氣動特性是最重要的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是公開一種具有轉子葉片型面的轉子葉片以及一種相應的風力發(fā)電系統(tǒng)，其與至今為止所知的轉子葉片相比可以提高效率。
根據(jù)本發(fā)明，所述目的由具有依據(jù)獨立權利要求的特征的一個轉子葉片型面的轉子葉片實現(xiàn)。其它有利的改進由從屬權利要求限定。
根據(jù)本發(fā)明的轉子葉片型面的具體坐標列在表1中。


下面參照幾幅附圖對本發(fā)明進行描述，各個圖顯示圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個風力發(fā)電系統(tǒng)的前視圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個風力發(fā)電系統(tǒng)的后視圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個風力發(fā)電系統(tǒng)的側視圖；圖4-8為根據(jù)本發(fā)明的轉子葉片的不同方向的視圖；圖9為根據(jù)本發(fā)明的一個風力發(fā)電系統(tǒng)的放大視圖；圖10為根據(jù)本發(fā)明的一個轉子葉片視圖；圖11-17、19為根據(jù)本發(fā)明的風力發(fā)電系統(tǒng)的不同視圖；以及圖18為根據(jù)本發(fā)明的一個轉子葉片的橫截面(靠近輪轂的區(qū)域)。
具體實施例方式
具體地，本發(fā)明所述的轉子葉片的型面位于轉子葉片中鄰近轉子葉片安裝部(連接輪轂的部位)的區(qū)域。優(yōu)選地，本申請所描述的型面位于轉子葉片相對于自身整個長度的前三分之一處。取決于風力發(fā)電系統(tǒng)的額定功率，這些轉子葉片的總長度介于10m到70m之間。例如，一個Enercon-112型的風力發(fā)電系統(tǒng)(直徑大約112m)的額定功率為4.5MW，而一個Enercon-30型的風力發(fā)電系統(tǒng)的額定功率為300kW。
根據(jù)本發(fā)明的轉子葉片的型面的一個獨特的特征是其最大型面厚度大約為該轉子葉片弦長的25-40％，優(yōu)選為32-36％。在圖18中，該最大型面厚度為轉子葉片弦長的34.6％。圖1所示的弦1從轉子葉片的后緣3的中心2延伸到轉子葉片梢部5的端點4。最大厚度的位置，即相對于葉片長度的最大型面厚度的位置，大約位于弦長的20-30％處，優(yōu)選為23-28％。在所示的實施例中，最大厚度的位置為25.9％。該最大厚度垂直于所述弦確定，并且該最大位置是相對于轉子葉片梢部而言的。
圖18還顯示了一條所謂的骨架線7。該骨架線在任意位置都確定了轉子葉片8的一半厚度。因此，這條骨架線不是直的，而是正好位于轉子葉片7的壓力側9和轉子葉片7的吸力側10上的相對點之間。該骨架線在轉子葉片后緣和轉子葉片梢部與弦相交。
在根據(jù)本發(fā)明的轉子葉片的橫截面中的最大拱形的位置大約位于弦長的55-70％處，優(yōu)選為59-63％。在所示的實施例中的最大拱形的位置大約位于61.9％處。最大拱形在這種情況下大約為弦長的4-8％，優(yōu)選為弦長的5-7％。在所示的實施例中，最大拱形大約為弦長的5.87％。
根據(jù)本發(fā)明的轉子葉片的型面的另一個明顯的獨特特性是，該轉子葉片的壓力側與所述弦“相交”兩次。因此，該型面壓力側在這個區(qū)域中是形成為凹入的，而壓力側在型面的前部是形成為凸出的。在壓力側的凹入?yún)^(qū)，吸力側由在該吸力側上的相應的相對區(qū)域內的一條基本上直的線限制。
眾所周知，也可以將壓力側形成為凹入的拱形，或將吸力側形成為一條直邊。但是，這兩種方法的組合，特別地，對根據(jù)本發(fā)明的轉子葉片型面來說是最重要的，并且是本發(fā)明的轉子葉片型面的特征。
所示型面的轉子葉片后緣也是特別厚。但是，這不會造成在轉子葉片的后緣產生噪音，因為所示型面設置在由轉子葉片梢部限定的圓的內三分之一以內，而且該處的軌跡速度也不是很高。
附圖所示的型面的x-y坐標列在表1中，這些坐標精確描述了本發(fā)明的轉子葉片的型面。
轉子葉片的氣動外形可以通過這樣設計轉子葉片根部區(qū)域來改進轉子葉片在該區(qū)域具有最大厚度，因此，該轉子葉片大約為多多少少與最佳氣動外形類似的梯形(平面視圖)。在根部區(qū)域，該轉子葉片優(yōu)選這樣實現(xiàn)將朝向風力發(fā)電系統(tǒng)機艙的轉子葉片根端改裝成在至少一個角坐標處與該機艙的外部輪廓一致，例如，當轉子葉片位于其與設計風速對應的位置時，在朝向風力發(fā)電系統(tǒng)的轉子葉片根端和該機艙的外部輪廓之間有一個寬度大約為5mm到10mm的空隙。
一種具有前述特征的轉子葉片表明在某些情況下可以顯著增加功率，即高達10％的功率。由于這個意料之外的功率增加，根據(jù)本發(fā)明的風力發(fā)電系統(tǒng)在低于額定風速的任一給定風速下的輸出功率增加。另外，該風力發(fā)電系統(tǒng)與以前的相比可較快達到它的額定功率。這意味著該轉子葉片也可以更早地轉動(調整迎風角)以減小發(fā)出聲音以及作用在該系統(tǒng)上的機械應力。
本發(fā)明基于以下思想，如今使用的傳統(tǒng)轉子葉片形狀是在風洞中以不同的風速但在均勻的氣流下測試的。但是，自然風很少均勻地吹且遵循隨機分布規(guī)律，陣風可能引起氣流在傳統(tǒng)的轉子葉片上分離，特別是在葉片沒有通過氣動處理和以最佳的方式形成的、靠近轉子輪轂的內葉片區(qū)域。氣流在外轉子葉片區(qū)域(轉子葉片梢部)的方向的一定距離上繼續(xù)分離。這可能導致在一個氣泡狀的區(qū)域中的氣流分離并造成能量損失。由于對轉子葉片進行了清潔設計(clean design)，本發(fā)明還可以在上述類型的內轉子葉片區(qū)域顯著增加能量。
如果使用一個傳統(tǒng)上標準的型面，而不使用本申請所提出的以經驗確定的型面，轉子葉片的氣動清潔設計可能需要在轉子葉片下部區(qū)域(靠近輪轂的區(qū)域)的型面深度大約加倍(其對應于轉子葉片的弦長)。但是，需要前部區(qū)域的顯著型面厚度來傳遞一個安全載荷和獲得一個大于2的升力系數(shù)CA。
現(xiàn)有技術的轉子葉片通常制造為可在所述內區(qū)域中實現(xiàn)最大量地節(jié)省材料。這種現(xiàn)有技術的轉子葉片的典型例子顯示在上述1996年出版的作者為艾里奇·豪的書“風力發(fā)電系統(tǒng)”的第114和115頁上。根據(jù)這些例子，最大型面深度總是位于距轉子葉片安裝部一定距離處，即在轉子葉片安裝區(qū)域附近，其中根據(jù)現(xiàn)有技術在該區(qū)域中可節(jié)省材料。但是，當使用一個在平面視圖中類似梯形的優(yōu)化形狀時，轉子葉片的最大寬度并沒有位于距轉子葉片安裝部一定距離處，而正好位于轉子葉片安裝部本身的區(qū)域內。因此，這里不能在該轉子葉片的內區(qū)域最大量地節(jié)省材料。
節(jié)省材料的原因可以在(上述)計算/開發(fā)轉子葉片時對氣流條件的靜態(tài)考慮中看到。另外，流行的計算轉子葉片的程序將轉子葉片分成若干單獨的段并且單獨計算每一轉子葉片段以得出對整個轉子葉片的評價。
但是，真實條件很不同。第一，風不會在一定表面面積內均勻而定常地吹，而是呈現(xiàn)為一種明顯的隨機行為。第二，風速是一個關鍵因素，因為轉子葉片的外周速度在內區(qū)域(即轉子輪轂附近區(qū)域)內很低，使攻角的改變高度依賴于此區(qū)域中的瞬時風速。因此，邊界層分離也以一個相應的頻率發(fā)生在轉子葉片的內區(qū)域。
滯后作用在這樣的情況下是有效的。一旦風速降到以前的風速，例如在一陣風過后，轉子葉片上的邊界層不會立即恢復，而是風速必須先進一步減小(即需要進一步調整攻角)直到轉子葉片上的邊界層恢復為止。但是，如果風速沒有進一步減小，很可能是無論來流風速如何都有一定的力在一較長期內施加在轉子葉片上，原因是該轉子葉片表面上的邊界層還沒恢復。
根據(jù)本發(fā)明設計的轉子葉片顯著降低了邊界層分離的風險。所述較厚型面也有助于降低分離的風險。效率顯著增大的另一個原因是，一旦邊界層分離后，所述滯后效應引起的輸出功率減小將持續(xù)一段較長時間(在使用現(xiàn)有技術的轉子葉片時)。
所述效率增加的部分原因也在于，風利用了最小阻力的路徑。轉子葉片的靠近輪轂的內區(qū)域(顯著節(jié)約材料)很薄的設計相當于在轉子圓圈的由所述轉子葉片掠過的獲取區(qū)中的一個的“漏孔(slip hole)”，從而氣流傾向于流過這個漏孔。這是流行的計算程序的另一個弱點的標志——這些程序的計算總是基于在由轉子葉片掠過的圓形區(qū)域上的均勻分布。
如果通過在靠近輪轂區(qū)域使用一個梯形的轉子葉片的設計而將該“漏孔”封閉，那么在整個圓形區(qū)域上的氣流分布得到改善并且轉子葉片外區(qū)域的效應得到一些加強。結果是，這個“漏孔”的封閉提高了根據(jù)本發(fā)明的轉子葉片的功率系數(shù)。
這也指出了流行計算程序的另一個弱點，因為這些程序還將與“漏孔”直接毗連的轉子葉片段考慮成一個完全發(fā)揮作用的轉子葉片段。但是，由于所述特殊的流動條件(頻繁的邊界層分離發(fā)生后緊跟著是所需的流動條件的恢復)，事實并非如此。
圖11-17分別示出了一個根據(jù)本發(fā)明的風力發(fā)電系統(tǒng)的前視圖和側視圖。在這些圖中，所述三個轉子葉片在靠近輪轂的區(qū)域基本上無縫地過渡到機艙的外輪廓線。但是，這僅僅適用于與額定的風位置相應的轉子葉片的位置。
一旦風力的增大超出額定風力值，傳統(tǒng)方法是通過變迎風角(迎風角調整)來隨風慢慢地調整轉子葉片。其中，圖15顯示這很容易導致在轉子葉片在其內區(qū)域下緣和機艙之間形成一個較大寬度的間隙。但是，圖4也顯示機艙的外側包含一個橫截面在很大程度上對應于轉子葉片靠近輪轂區(qū)域的型面的結構。當轉子葉片調整到一個相應的攻角時，該結構直接位于以額定速度運轉的轉子葉片的下面，使得該結構和轉子葉片靠近輪轂的區(qū)域之間僅形成一個窄的間隙。
因此，機艙的外輪廓線還包含一個沒有與轉子葉片形成為一體的轉子葉片的段。
在圖18所示的轉子葉片型面中，梢部半徑大約為型面深度的0.146。
根據(jù)圖18，吸力側包含一較長的基本為直的區(qū)域。例如，該區(qū)域如下所述在介于型面深度的38％和100％之間的區(qū)域，所述半徑等于型面深度的長度的1.19倍。在介于型面深度(見圖18)的40％和85％之間的該區(qū)域，所述半徑等于型面深度的2.44倍。在介于型面深度的42％和45％之間的該區(qū)域，所述半徑等于型面深度的5.56倍。
在介于型面深度的36％和100％之間的該區(qū)域，與一條理想直線的偏差的最大值大約為型面深度的0.012。這個值是確定的，因為曲率半徑不是恒定的并且各個區(qū)域的最大曲率半徑已經定義過了。
在所示例子中，吸力側的長度大約為型面深度的1.124倍，壓力側的長度大約為型面深度的1.112倍。這意味著吸力側僅僅稍微長于壓力側。因此，如果吸力側的長度與壓力側的長度比小于1.2，優(yōu)選小于1.1或介于1和1.03之間是非常有利的。
這些圖顯示，轉子葉片的型面深度在整流罩——即風力發(fā)電系統(tǒng)的機艙外側——處最大。在一個轉子的直徑為30米的風力發(fā)電系統(tǒng)中，在整流罩處的型面深度可以是，例如大約1.8到1.9米，優(yōu)選為1.84米。如果整流罩的直徑大約為3.2米，轉子葉片在整流罩處的型面深度與整流罩直徑之比大約為0.575。因此，如果型面深度與整流罩直徑之比大于0.4或介于0.5和1之間是非常有利的。在這點上，可選取上述區(qū)間中的任何值。在上述例子中，型面深度與轉子直徑之比大約為0.061。很明顯，如果型面深度與轉子直徑之比大于0.05和0.01之間[原文如此]的一個值——此種情況下例子所取的值對于轉子葉片的效率是非常有利的，所導致的“漏孔”最小。
在另一個例子中，轉子葉片的前三分之一的型面橫截面顯示于圖18中，該圖中整流罩處的型面深度大約等于4.35米，整流罩的直徑大約為5.4米而且轉子的總直徑為71米。在這種情況下，型面深度與整流罩直徑之比為0.806且型面深度與轉子直徑之比還是0.061。上述值是對一個具有迎風角調整的三葉片轉子而言的。
如上所述，轉子的最寬處(該轉子的最大型面深度處)可以直接形成在葉片安裝部區(qū)域內。術語葉片安裝部是指葉片連接(結合、螺接等)到風力發(fā)電系統(tǒng)的輪轂的區(qū)域。另外，轉子葉片的下側，即朝向風力發(fā)電系統(tǒng)的機艙的那一側，形成為或很大程度上與機艙的縱向外輪廓相一致。因此，一個處于順槳迎風角位置(feathered pitch position)(實際上沒有表面還與風向對準)的轉子葉片平行于朝向機艙的下緣，并且該下緣和機艙的外輪廓線之間的距離是最小的，優(yōu)選小于50cm，實際上小于20cm。
如果此時該轉子葉片調整到風場中，其最大表面也位于轉子葉片的最內區(qū)域(漏孔很小)。前面引用的艾里奇·豪的書顯示，現(xiàn)有技術的轉子葉片在靠近輪轂的區(qū)域繼續(xù)減小(轉子葉片在該處比在它們的最寬點窄)。相反，根據(jù)本發(fā)明的轉子葉片的最寬點具體地位于靠近輪轂的區(qū)域內，使得風的勢能可在該位置完全被利用。
眾所公知，特別是很大的轉子葉片在靠近輪轂的區(qū)域的轉子葉片很寬。該轉子葉片還可以由兩部分組成以便于運輸這樣的轉子葉片(大轉子葉片，例如，長度超過30m的轉子葉片，其靠近輪轂區(qū)域的寬度最好介于5m到8m之間)。所述兩部分在運輸過程中分離并且可以在該轉子葉片到達安裝位置后裝配該轉子葉片。該轉子葉片安裝在風力發(fā)電系統(tǒng)上時該兩部分例如通過螺釘連接或不可分連接(焊接)而相互連接。特別是對于大轉子葉片，這不是什么問題，因為這樣的轉子葉片的內部在裝配過程中也是夠得著的。該轉子葉片的外側具有均勻外觀并且在兩個完成裝配的部分之間的分隔線很難看得見或完全看不見。
初步的測量結果表明，與現(xiàn)有的傳統(tǒng)轉子葉片相比，根據(jù)本發(fā)明設計的轉子葉片可以顯著提高效率。
根據(jù)圖1-17，實現(xiàn)本發(fā)明的一種風力發(fā)電系統(tǒng)的轉子葉片，使得它們的最大型面深度位于靠近輪轂的區(qū)域，并且該轉子葉片沿著輪轂附近區(qū)域內的整個型面延伸到鄰近該風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電室的機艙導流帽(整流罩)的部位。這導致至少在轉子葉片調整到與高達額定風速范圍的風速相應的角度的位置時，轉子葉片和機艙導流帽之間的間隙很小。例如，在圖1、2和3中，轉子葉片還延伸到機艙導流帽與后型面深度區(qū)域鄰近的一個位置。在所示的另一個變體中，例如在圖11-17中，機艙導流帽本身的外側具有一轉子葉片段30，但是該段沒有一體地形成整個轉子的一部分。圖15和17特別地顯示了，形成在機艙外部的所述轉子葉片部固定在這個位置，并且其角度設置成與高達額定風速時轉子葉片的角位置相應。這意味著至少在風速高達額定風速時，在轉子葉片的下側和機艙后型面深度區(qū)域之間也形成一個最小的間隙。
圖19還很清楚地顯示了根據(jù)本發(fā)明設計的轉子葉片在轉子中心具有用于風的很小的“漏孔”。
圖18顯示了根據(jù)本發(fā)明的轉子葉片沿圖17中的A-A線的一個橫截面，即轉子葉片在輪轂附近區(qū)域的型面。
圖17還包含一個顯示整流罩的直徑D的標識。
轉子的直徑由轉子旋轉過程中其掃過的圓形區(qū)域的半徑描述。
根據(jù)圖15和其它圖，轉子葉片的部分30沒有一體地形成所述旋轉轉子葉片的一部分，而是一體地形成機艙導流帽外部的一部分。該相應部分可以用螺釘安裝到所述機艙或一體連接或焊接到機艙。
在根據(jù)本申請的轉子葉片的長度很大以及在輪轂附近區(qū)域的相應轉子葉片深度——即葉片弦——很大的情況下，該區(qū)域將葉片分成兩部分或多部分以簡化轉子葉片的運輸是可行的。在這種情況下，轉子葉片在達到整個轉子葉片安裝到輪轂的安裝位置之前不對該轉子葉片進行重新裝配。在這樣的情況下，部分轉子葉片可如圖20所示實現(xiàn)。根據(jù)該圖，在葉片后緣區(qū)域缺一段。通過附上所缺段可以在該區(qū)域恢復圖18所示的型面。
所述兩部分可以通過螺釘、焊接或其它固定方法相互連接。
也可以提供在轉子葉片的所述區(qū)域改變該轉子葉片的表面大小的裝置。相應的變體如圖21-23所示，必須注意，這些圖所示的轉子葉片的橫截面應理解成是示意性的(轉子葉片的型面大體上對應于圖18所示的型面)。
圖21-23所示的變體提供了如需要可以減小轉子葉片的整個表面的優(yōu)點。這在極端風力條件下以及在轉子葉片的運輸過程中是很實際的，因為它允許或至少簡化轉子葉片的運輸并防止風力發(fā)電系統(tǒng)在極端風力條件下的過載。
在本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的變體中，部分表面由一可變形材料組成，該材料形成了一個封閉容器(該容器形成后型面殼)的一部分。這個封閉容器可以裝有例如受到一定壓力的氣體介質。這導致了該轉子葉片具有一部分可膨脹的表面，其在運輸過程中或在極端風力條件下可抽出該葉片中的氣體，因此需要更少空間，并在風壓的作用下會發(fā)生屈服。這減小了轉子葉片的有效表面積以及迎風面。包括塔臺的下游部件上的載荷同時也減小了。
在本發(fā)明的另一個變體中，轉子葉片在所述后盒體(rear box)(在圖20中未示)區(qū)域中包含第二個機翼結構，該機翼結構在該區(qū)域上和/或中可以移動。所述可變形材料可以固定在該第二機翼結構的一預定位置，而且該可變形材料的一側可以安裝在一個可旋轉的卷繞單元上。
所述第二機翼結構可以風力發(fā)電系統(tǒng)的正常操作模式伸展，即伸展臂完全伸展或者伸縮臂完全延伸。所述可變形材料的一側安裝在一個可旋轉的卷繞單元上。如果轉子葉片表面的表面積必須減小，則轉動該卷繞單元——類似于一個雨蓬——以卷起所述可變形材料。折疊臂同時折疊并減小第二機翼結構在可減小表面區(qū)域的大小，使得轉子葉片的表面積相應地減小。
在本發(fā)明的一個可選變體中，轉子葉片表面的一部分包含分別設置在一個支撐導軌上的薄片式條帶，該支撐導軌繞其縱軸可樞轉。在正常操作模式中，這些薄片式條帶排成一排使得它們增加了轉子葉片的氣動有效表面積。在轉子葉片運輸過程中或在極端載荷作用下，所述支撐導軌可以樞轉，使相應的薄片移到例如剩下的轉子葉片的背風面，并因此而相應減小轉子葉片的表面積。
在本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的進一步改進中，所述氣動有效轉子葉片表面的可移動部分由一個可以在轉子葉片深度的方向上移位的單獨平面單元組成。在正常運行模式下，這個平面單元優(yōu)選地在吸力側增加轉子葉片的表面積，以產生一個大的氣動有效表面積。
為了減小表面積，這個平面單元可以類似于一個機翼的襟翼系統(tǒng)移動該平面單元，使之移到轉子葉片內并由轉子葉片剩下的表面覆蓋，或移到轉子葉片上并覆蓋轉子葉片的表面。在任何情況下，這導致轉子葉片表面積的減小。
在本發(fā)明的一個可選變體中，這個平面單元的一側以樞轉方式連接到第一機翼結構或轉子葉片后緣。轉子葉片的表面積可以通過將該單元繞該單元軸朝轉子葉片的吸力側或壓力側樞轉而改變。
如果該平面單元樞轉了大約90°，其大體垂直于氣流方向位于轉子葉片上并產生一個相應的減速效應，因為它阻礙空氣沿著轉子葉片的表面流動。
以下將參照附圖對本發(fā)明的幾個變體進行詳細描述。它們顯示圖20為根據(jù)本發(fā)明的一個轉子葉片的俯視圖；圖21為根據(jù)本發(fā)明的一個轉子葉片的前段的俯視圖；圖22為根據(jù)本發(fā)明的一個轉子葉片的第一變體的示意橫截面；圖23為根據(jù)本發(fā)明的一個轉子葉片的第二變體的示意橫截面；圖24a，24b為根據(jù)本發(fā)明的一個轉子葉片的第三變體的示意橫截面；圖25為根據(jù)本發(fā)明的一個轉子葉片的第四變體的示意橫截面；圖26為根據(jù)本發(fā)明的一個轉子葉片的第五變體的示意橫截面；圖27a和27b為根據(jù)本發(fā)明的一個轉子葉片的第六變體的簡化橫截面；圖28為根據(jù)本發(fā)明的一個轉子葉片的一個有利變體的俯視圖；圖29-33為本發(fā)明的其它有利的例子。
圖20顯示了一個根據(jù)本發(fā)明的完整的轉子葉片的示意俯視圖。轉子葉片100分成兩部分。就其關鍵部件，轉子葉片100按傳統(tǒng)方式設計。但是，在臨近轉子葉片根部120的區(qū)域，即具有最大葉片深度的那個區(qū)域，可以看到一個劃分出來的區(qū)域。這個劃分出來的區(qū)域為轉子葉片的區(qū)域140，該區(qū)域的表面積如果需要可以減小，使之不再受到風的作用。
圖21顯示了轉子葉片100的剛性部分，該部分的表面積保持不變。這個圖清楚地顯示轉子葉片100的氣動有效表面積顯著地減小了，使得特別是在極端風力情形下的載荷大大低于一個傳統(tǒng)設計的轉子葉片的載荷。
圖22顯示了一個本發(fā)明的第一變體的示意橫截面。在此情形下，轉子葉片100分成一個前部區(qū)域110和一個后部盒體(rear box)140。該后部盒體140由兩條可變形材料帶180組成，所述條帶與前部區(qū)域110的后壁一道形成了一個封閉的容器160。如果這個封閉容器160現(xiàn)充滿一壓縮的氣體介質，所述可變形材料180形成根據(jù)本發(fā)明的轉子葉片100的表面區(qū)域的一部分，該部分在正常運行模式下是氣動有效的(并在圖20中由附圖標號140標識)。
轉子葉片的這一段可以這樣的穩(wěn)定性形成，使得在正常風條件下它的正常效應變得很明顯。但是，施加在轉子葉片的這一部分的風壓在極端風力條件下較高，使外壓高于內壓，從而在這種情況下轉子葉片在后部盒體140區(qū)域變形并且該轉子葉片最終在外部風壓作用下屈服。這不僅在極端的風力下減小了迎風面，而且也減小下游結構上的載荷。
還應注意，當例如當風速超過一預定值時，可以主動將后部盒體的這一部分(其中裝有填充介質)中的介質抽出以減小該轉子葉片的表面積。這種主動抽取提供了這樣的優(yōu)點轉子葉片的形狀永遠是確定的，而如果所述后部盒體在外壓作用下屈服時可能引起不確定的情形。
為了防止容器160受損，可以例如提供一個允許將形成在容器160內的過高壓力釋放掉的壓力安全閥(未示出)。
正常運行模式所需的壓力可以利用一個壓縮機170恢復。如果提供有控制閥和/或壓力傳感器(未示)，在風壓有漲落時也可以調整容器160內的壓力以一直保持最佳運行條件。
圖23顯示了本發(fā)明的第二變體，其中轉子葉片吸力側的表面延伸而不是使用一個完整的后部盒體140。這個延伸由一個連接前部區(qū)域110的平面單元240組成。
這個平面單元240可以在由箭頭所示的方向上移位以減小氣動有效表面積。這種移位可以由例如相應的液壓缸來液壓地實現(xiàn)、由氣壓缸氣動地實現(xiàn)或由電動驅動系統(tǒng)等實現(xiàn)。當然，必須提供用于此目的的相應的泵、壓縮機或驅動裝置(致動器)(但為更清楚起見在圖中沒有顯示這些裝置)。
所述平面單元可以移進前部區(qū)域，使得前部區(qū)域110的表面覆蓋平面單元240?？蛇x地，該平面單元也可以移到前部區(qū)域110的表面之上，使得該平面單元240覆蓋前部區(qū)域110的相應部分。在兩種情形下，轉子葉片100的氣動有效表面積都減小了。
圖24a和24b顯示了本發(fā)明的第三變體。圖24a顯示一可變形材料的卷軸200，標號300標識了處于折疊狀態(tài)的折疊臂。這個機構可以類似于一個遮陽蓬的方法實現(xiàn)。
圖24b顯示處于正常運行模式下的該變體。折疊臂300伸開并且安裝于其上的可變形材料180在折疊臂伸開的過程中從卷軸200處展開。因此，卷軸200不再攜帶整個纏繞材料。
在展開狀態(tài)中，可變形材料180的一端固定在卷軸200上，而另一端固定在折疊臂300在圖中指向右邊的一端上。折疊臂的兩端可以連接到一個未示的連結板上，以增加所述結構的剛性和將可變形材料固定到位。
為了防止可變形材料180在卷軸210和折疊臂300的外端之間變得松弛，可以在可變形材料180的下方裝一個類似于可調整格柵的裝置(未示出)，該格柵由折疊臂300同步致動并支持伸開狀態(tài)下的可變形材料180。
將所述過程反過來可以減小有效表面積；使折疊臂300和所述可調整格柵(未示)折疊并同時使可變形材料300纏繞在卷軸芯210上。這最終形成如圖24a所示的卷軸200，以及導致轉子葉片100的有效表面積減小。
在如圖25所示的本發(fā)明的第四變體中，平面單元240以樞轉方式連接到前部區(qū)域110后部，使得它形成為前部區(qū)域110的吸力側的一個延伸部。
在這種情形下，平面單元240由一個設置在平面單元240和前部區(qū)域110的支持結構之間的壓縮彈簧280支持。
在正常運行模式下，壓縮彈簧280這樣支持所述平面單元240使之保持在適當?shù)奈恢?。如果一個反常風壓施加在轉子葉片100的上側，施加在平面單元240表面上的壓力增加，并克服彈簧280的力使圖25所示的平面單元240向下壓，并在風壓作用下屈服。這導致氣動有效表面積的相應減小。
除了使用一個彈簧280，也可以提供相應的伸縮單元，例如液壓或氣動或機械裝置，以主動調節(jié)所述平面單元。也可以例如利用螺桿或蝸桿驅動裝置等來將平面單元240保持在第一預定位置或者將該平面單元移到第二預定位置。當然，必須提供相應的泵、壓縮機或驅動裝置來操作這些致動器，這些裝置為清楚起見在圖中未示出。
在這種情況下也可以確定施加在平面單元240上的風載荷，其中平面單元240作為所測量的風載荷的一個函數(shù)繞樞轉軸樞轉，以根據(jù)瞬時的運行狀況最佳地調整所述平面單元。
圖26顯示了本發(fā)明的第五變體。在這個第五變體中，平面單元240沒有以樞轉方式連接到前部區(qū)域110的后側，而是設置在可以一個可以繞自身縱軸旋轉的鉸接銷上。在圖26所示的位置，平面單元240形成轉子葉片100的氣動有效表面積的一個延伸。
為了減小這個表面積，其上固定有平面單元240的鉸接銷220繞其縱軸旋轉，使平面單元240的外端沿由所示雙箭頭標識的兩個方向之一運動。這也導致轉子葉片100的氣動有效表面積減小，并因此導致施加在轉子葉片100和風力發(fā)電系統(tǒng)的所有下游部件上的風載荷發(fā)生改變。
圖27a和27b示出了圖26所示的實施例的一種改進。在圖26中由標號240標識的平面單元在圖27a中分成三個片層單元260。這些片層單元在圖27中有意設置成彼此分開以說明這種分割。當然，這三個單元實際上設置成它們可形成一個大致上封閉的表面，該封閉表面盡可能平滑地過渡到轉子葉片100的前部區(qū)域。
每個片層260設置在自身的鉸接銷上。每個鉸接銷280可繞自身的縱軸旋轉，從而通過繞縱軸旋轉鉸接銷280來樞轉各個的片層260。
圖27b顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個裝置處于如下情形其中這些片層樞轉到這樣一個位置，其減小了轉子葉片100的氣動有效表面積。在這種情況下，片層260樞轉到前部區(qū)域110的背風面。因此，片層不再形成轉子葉片的表面的一部分，使得它們不再受到風和任何升高的載荷的作用。
這樣一種裝置實現(xiàn)為，除了鉸接銷280繞它們的縱軸旋轉外，圖中的左鉸接銷280和轉子葉片100的前部區(qū)域110之間的距離以及鉸接銷280之間的相互距離減小了。
雖然圖中僅顯示了位于吸力側表面的一延伸部，自然地，也可以可選地或同時地改變壓力側的表面的大小。
如果一個風力發(fā)電系統(tǒng)具有上述的轉子葉片，并且出現(xiàn)了一個極端風力條件時，不僅可以借助風速指示器確定高風力，還可以借助相應的控制裝置來顯著減小轉子葉片表面的大小。根據(jù)圖20和21，圖20所示的轉子葉片的表面積比圖21所示的轉子葉片的表面積大10％。當風力發(fā)電系統(tǒng)運行在正常模式時，例如，風速介于2-20m/s之間時，轉子葉片調整到它的正常尺寸。一旦風速增大到高于20m/s，該表面積可以如圖21所示顯著地減小。
優(yōu)選地，所述控制裝置以計算機輔助的方式實現(xiàn)，并確保如果需要可以分別調整轉子葉片的最佳表面積。
圖33顯示了根據(jù)本發(fā)明的轉子葉片的另一個變體。在這個情況下，所述結構由可樞轉的環(huán)320組成，該環(huán)320由一可變形薄膜覆蓋并樞轉支撐在支撐點340處。在朝轉子葉片梢部(箭頭)移動的過程中，這些環(huán)例如繞所述支撐點340樞轉，以改變后部盒體的型面。
圖28-33顯示了圖22-27b的其它可選和補充的變體。
圖30b(圖30a基本上對應于圖25)顯示了對圖25的一種改進，其在壓力側具有一個輔助單元250。因為彈簧280的接觸點分別相對于圖25和30a沒有改變，必須將單元240和250連接在葉片后緣上，使得它們可以繞一個結合點260樞轉。在某些情況下，可以在這個變體中將轉子葉片盒體110實現(xiàn)為沿轉子葉片的長度方向上與單元250重疊。
圖31b(為圖26和31a的一個擴展變體)還示出了位于壓力側上的一個單元250，該單元如同單元240一樣通過一個機械連接件連接到吸力側的相同軸桿120上。
圖32a和32b顯示了根據(jù)圖27a和27b的變體的進一步改進。在該例中，為壓力側的相應單元提供分離的軸桿280。類似于圖27a，圖32a顯示了處于正常運行模式下的一個轉子葉片。圖32b顯示了一種情形，其中所述后部盒體通過相應地轉動或移動軸桿280來變得無效。
權利要求
1.一種風力發(fā)電系統(tǒng)的轉子葉片，其中該轉子葉片的最大厚度的位置大約介于15％和40％之間，優(yōu)選介于23％和28％之間，其中最大型面厚度大致介于20％和45％之間，優(yōu)選介于32％和36％之間，并且該轉子葉片優(yōu)選由兩部分組成。
2.如權利要求1所述的轉子葉片，其特征在于，該轉子葉片的橫截面由一條骨架線描述，該骨架線的最大拱形介于50°和70°之間，優(yōu)選介于60°和65°之間。
3.如權利要求2所述的轉子葉片，其特征在于，所述最大拱形大約為3％到10％，優(yōu)選大約為4％到7％。
4.如前述權利要求中任一項所述的轉子葉片，其特征在于，所述橫截面優(yōu)選形成在毗連轉子葉片安裝部的該轉子葉片的下三分之一區(qū)域內。
5.如前述權利要求任一項所述的轉子葉片，其特征在于，該轉子葉片具有一個壓力側和一個吸力側，其中所述壓力側包含具有凹入拱形的一個部分，以及一個幾乎是直的部分形成在所述吸力側上。
6.具有至少一個轉子葉片的風力發(fā)電系統(tǒng)，該至少一個轉子葉片連同一個輪轂導流帽一道安裝在轉子輪轂上，其特征在于，轉子葉片的一部分形成在該輪轂導流帽的外側，并剛性連接到該輪轂導流帽上，其中轉子葉片的該部分沒有一體地形成為該風力發(fā)電系統(tǒng)的轉子葉片的一部分。
7.如權利要求6所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，形成在輪轂導流帽上的轉子葉片的型面大體上對應于轉子葉片在輪轂附近區(qū)域的型面。
8.如權利要求7所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，形成在輪轂導流帽上的轉子葉片的該部分被固定到位，并且大體按以下方式布置當風速低于額定風速，且該轉子葉片被調整到符合額定風速的位置時，其直接位于輪轂附近的轉子葉片區(qū)域的下方。
9.一種風力發(fā)電系統(tǒng)，其具有至少一個如前述權利要求中任一項所述的轉子葉片。
10.特別是如權利要求9所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其中，該風力發(fā)電系統(tǒng)包括一個具有至少一個轉子葉片的轉子，該轉子葉片的最大型面深度位于轉子葉片輪轂區(qū)域，其中所述型面深度與轉子直徑之比取大約0.04和0.1之間的一個值，優(yōu)選介于0.055和0.7之間，例如，0.061。
11.特別是如權利要求9或10所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)具有一個發(fā)電室，其容納發(fā)動機以及一個連接到發(fā)動機的轉子，其中，所述轉子包括至少兩個轉子葉片，該轉子包含一個具有導流帽(整流罩)的輪轂，并且轉子葉片的型面深度與整流罩的直徑之比大于0.4，優(yōu)選介于0.5和1之間。
12.特別是如前述權利要求任一項所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)具有一個優(yōu)選包括一個以上轉子葉片的轉子，其中，該轉子葉片的形狀為多少類似于最佳氣動形狀的梯形，該轉子葉片的最大寬度位于轉子葉片的根部區(qū)域，并且朝向風力發(fā)電系統(tǒng)機艙的轉子葉片根部邊緣形成為大體上與機艙的外輪廓線(在縱向)一致。
13.如權利要求12所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，當所述轉子葉片轉到順槳迎風角位置時，朝向機艙的轉子葉片下緣在根部區(qū)域幾乎平行于機艙外輪廓線。
14.如權利要求13所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，在所述順槳迎風角位置，朝向機艙的轉子葉片下緣和機艙外輪廓線之間的距離小于50cm，優(yōu)選小于20cm。
15.如前述權利要求任一項所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述轉子葉片在根部區(qū)域傾斜偏離轉子葉片的主平面。
16.如前述權利要求任一項所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述轉子葉片在根部區(qū)域形成為兩部分，其中，分隔線朝向該轉子葉片的縱向。
17.如權利要求16所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，將所述轉子葉片安裝到風力發(fā)電系統(tǒng)內后，才裝配該轉子葉片的所述兩部分。
18.如權利要求16和17所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述轉子葉片的兩部分在運輸過程中保持分開。
19.特別是如前述權利要求任一項所述的風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，該風力發(fā)電系統(tǒng)包含至少一個轉子葉片，該轉子葉片具有一個吸力側和一個壓力側，其中吸力側的長度與壓力側的長度之比小于1.2，優(yōu)選小于1.1，特別是介于1和1.03之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于風力發(fā)電設備的轉子葉片以及風力發(fā)電設備。本發(fā)明的目的是公開一種帶有一轉子葉片型面的轉子葉片以及一種相應的風力發(fā)電設備，其改進了效率。為了達成該目的，可有幾種方案一種風力發(fā)電設備的轉子葉片，其中該轉子葉片的最大厚度的位置大約介于15％和40％之間，優(yōu)選介于23％和28％之間，最大型面厚度大約介于20％和45％之間，優(yōu)選介于32％和36％之間；該轉子葉片在根部區(qū)域具有兩個部分，轉子葉片的一部分配置在輪轂的外側，轉子葉片的型面深度和該轉子的直徑之比介于0.04和1之間，并且該轉子葉片的型面深度和該導流帽的直徑之比介于0.5和1之間。
文檔編號F03D1/06GK1780982SQ200480011486
公開日2006年5月31日 申請日期2004年3月29日 優(yōu)先權日2003年4月28日
發(fā)明者艾勞埃斯·烏本 申請人:艾勞埃斯·烏本