用于風力發電設備的轉子葉片的制作方法

專利名稱：用于風力發電設備的轉子葉片的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于風力發電設備的轉子葉片，該轉子葉片具有一個符合空氣動力學的輪廓，其包括一個轉子葉片前緣和一個轉子葉片后緣。本發明還涉及一種轉子葉片末端，該轉子葉片末端用于具有符合空氣動力學的輪廓并具有一壓力側和一吸力側的轉子葉片，其中，所述的轉子葉片末端在其端部區域沿轉子葉片的壓力側方向彎曲或傾斜。
背景技術：
現有技術中已經早已公知這種轉子葉片。特別是彎曲的轉子葉片末端已經在例如制造商意耐康(Enercon)的轉子葉片使用了一段時間。這些公知的轉子葉片末端試圖減小不可避免地出現在轉子葉片端部的邊緣渦流，并因此減小討厭的噪音的產生。
作為技術發展水平，此時一般注意以下公開文獻DE 197 38 278；DE 197 43 694；DE 44 40 744；DE 196 14 220以及DE 44 36 197。
同樣也已公知本說明書開始部分所述的這種轉子葉片，其末端以橢圓形終止。這種轉子葉片末端的結構也試圖減小轉子葉片特別是其末端所發出的噪聲級。
由于風力發電設備現在不再是個別現象，而是應用在許多地方，越來越多地可以在居住區附近發現這類設備。而風力發電設備能否被接受尤其取決于發出的聲音，容易理解，較之聲音大的風力發電設備，較安靜的風力發電設備更容易被接受。

發明內容
因此，本發明的目的是進一步降低風力發電設備所發出聲音的聲級。
在本說明書的公開部分中所述的這種風力發電設備的轉子葉片中實現了該目的，其中，轉子葉片在其端部區域沿轉子葉片的后緣方向在轉子葉片的平面內彎曲或傾斜。在這一方面，本發明基于下述的認識，即當轉子葉片的末端不是一個尖形時，在影響最大的外部區域內有效的轉子葉片面積精確地保持不減少。不過，轉子葉片端部區域的彎曲或傾斜意味著后緣在轉子葉片端部區域向后移位，從而使得在轉子葉片后緣處的氣流延時地在外部區域分離。這也減小了氣流與轉子葉片后緣彼此分離時產生的渦流的影響，從而也減小了由其產生的聲音。精確地說，對于迎風的轉子，本發明還減少了葉片末端周圍的氣流和發電設備塔架正面的動力氣壓之間的相互作用。
在這一方面，時間延遲取決于端部區域相對于轉子葉片螺旋軸線延伸的角度。相應的角度越大，則發出的噪聲降低的程度越大。不過，由于另一方面作用于轉子葉片上的扭矩隨著增大的后掠而增大，已經證實角度為1至45度，優選地1至15度是有利的。
另外，從轉子葉片至端部區域內的流線過渡是有利的，因為在突然彎折的情況下，在彎折區域中會產生附加的壓力波動。這會導致電力的減少和附加噪聲。
優選地，根據本發明的轉子葉片在其端部區域包括一個預定半徑的彎曲，其中，曲率特別優選地朝轉子葉片末端增加，即彎曲的半徑變小。通過一個適當選取的曲率，可以將轉子葉片的端部區域機械地彎曲一個大約5度的角度，同時能提供對應于10度時的空氣動力學性能。這樣同時實現了有利的聲學效果以及有利的空氣動力學特性。
不過，同時由于這種后掠式結構導致在轉子葉片上產生了較大的扭矩，并且這些扭矩也作用于轉子葉片連接部上。自然地，也導致了發電設備上始終較高級別的負載。為了在任何情況下補償轉子葉片連接部以及風力發電設備后續組件的較高級別負載，特別有利地，將轉子葉片的中央區域——即位于轉子葉片根部和沿后緣方向后掠的端部區域之間的區域——沿葉片前緣方向彎曲。這時，該彎曲具有這樣一種尺寸后掠式端部區域的外部后緣不深于沒有后掠式端部區域的葉片的情況。
這樣，呈反向關系作用的扭矩作用于轉子葉片自身，并通過適當設計可以使之彼此抵消，從而使轉子葉片自身盡管仍承受負載，但是轉子葉片連接部以及風力發電設備的其他組件不需要承受另外的負載。
為了一方面可以進行簡單組裝，且另一方面對已存在的轉子葉片進行再次安裝，端部區域的形式優選地呈如下一部分，即其可以安裝到轉子葉片內部，并且優選地長度不超過轉子葉片長度的1/3，并且特別優選地約為轉子葉片長度的1/10。
這種情況下，在一個有利的改進中，該端部區域可以是中空的，并且在其距離尾流的遠端設置有一個用于排水的開口，使得在轉子葉片內收集的、由例如冷凝效應導致形成并且由離心力送至轉子葉片末端的流體可以從端部區域排出，因而可以從轉子葉片移除。
為了改進根據本發明的端部區域的效果，根據本發明，提供了用于具有這種端部區域的轉子葉片的轉子葉片末端，其中，該轉子葉片末端為一個能安裝到轉子葉片的端部區域內的獨立部分形式。
可選地，為了實現本發明的目的，本說明書開始部分所述的這種轉子葉片末端的另一改進可以是“外部區域”變窄。轉子葉片末端的這種結構是基于以下認識，即減小葉片深度可使提供轉子葉片末端周圍的氣流減小，這是因為其能量先前分布于后緣渦流而此時有效的轉子葉片面積減小。轉子葉片末端的傾斜結構意味著一直到傾斜的轉子葉片末端的有效轉子葉片深度都保持在其最優值。呈一個尖形的該區域沿轉子葉片的壓力側的方向以一預定優選的角度延伸遠離轉子葉片平面。在這種布局中，轉子葉片末端處的渦流從轉子葉片平面分離同時進入另一平面。這進而對于具有這種末端的轉子葉片的噪音產生具有一個有利的影響，并且同時減小了轉子葉片處發生的損失。這同時涉及邊緣渦流損失以及空氣動力學效率，其可以通過適當的設計以及在壓力側和吸力側之間的壓差方面的有利結構來改進。
在一個特別優選的特征中，轉子葉片末端的外部區域以與水平成約70度至90度的一個角度由水平彎起。換句話說，該子轉葉片末端包括一個與轉子葉片成大約110度至90度的角度。在試驗研究中已經發現使用這些角度可以獲得最佳結果。
在一個特別優選的改進中，根據本發明的轉子葉片末端呈一個可以安裝到轉子葉片內的獨立部分。此外，轉子葉片末端是中空的，并且優選地包括金屬特別是鋁。這種中空結構可以減輕重量，因而更容易操縱。
另外，中空的轉子葉片末端——也像如前述的轉子葉片的中空端部區域——可以有從其流經的溫熱空氣，例如用于消除或減少結冰。
另外，可以一個由金屬制成的轉子葉片末端可用作一個避雷器，因此將雷擊傳入一個合適的避雷器，從而在出現雷擊時有效地保護風力發電設備。
從屬權利要求中給出了本發明的有利改進。


下面將參考附圖對本發明進行詳細描述，在所述附圖中圖1所示為根據本發明的一個轉子葉片的俯視圖，其具有一個根據本發明第一實施例的彎曲端部區域；圖2所示為一個根據本發明的轉子葉片，其具有一個根據本發明第二優選實施例的彎曲端部區域；圖3所示為本發明所述第二實施例的另一個視圖；圖4所示為所述第二實施例的又一個視圖；圖5所示為一個后掠式轉子葉片的第三實施例；圖6所示為根據本發明的轉子葉片末端的側視圖；圖7所示為根據本發明的轉子葉片末端的一個實施例的正視圖；圖8所示為根據本發明的轉子葉片末端的一可選實施例的正視圖；圖9所示為根據本發明的轉子葉片末端的另一可選實施例的正視圖；圖10為一轉子葉片的視圖，其具有根據本發明設計的端部區域和根據本發明的轉子葉片末端。
具體實施例方式
圖1所示為根據本發明的風力發電設備的轉子葉片10。轉子葉片10內示出了螺旋軸線14。該螺旋軸線14是一個概念上的軸線，轉子葉片的所有部分都將向螺旋軸線螺旋以提供期望的轉子葉片形狀。
轉子葉片10的端部區域12相對于第一螺旋軸線14彎折一個預定的角α。示出了該端部區域12的第二螺旋軸線16，兩軸線14、16之間限定一個角α。在該圖中，角α為5度。該值代表綜合考慮減少發出噪音和增加負載之間的一個可接受的折衷值。
因此，端部區域在轉子葉片平面內沿轉子葉片后緣20的方向彎折。這種彎折一方面導致一個較長的后緣，因而導致渦流能的更大分布。另一方面，氣流在轉子葉片10的彎折端部區域12中的后緣處消散，較之在轉子葉片10的直線區域要晚。其結果是產生噪音的漩渦對應地產生較晚。
圖2示出了根據本發明的轉子葉片10的一個改進實施例。該圖也示出了螺旋軸線14、16。應該注意的是，這里從轉子葉片10向端部區域12的過渡并不發生在一個陡的彎折處，而是持續地以彎曲的形式延伸。應該注意的是，曲率朝轉子葉片末端增加。因此彎曲的半徑朝轉子葉片末端變小。
在這種情況下，在端部區域12中，該弧線切線在轉子葉片后緣20的末端處平行地并向轉子葉片的中心移位。在軸線14、16之間限定了一個角β。該角為10度。
弧線切線結構的這個10度精確地發生于轉子葉片末端處，不過，在這個方面該轉子葉片10所設置的后掠不大于圖1所示轉子葉片10的情況。因此，空氣動力學性能與圖1所示轉子葉片僅有輕微差別，不過，角β越大則空氣動力學性能越好。
下面參考附圖3對上文所述的情況進行詳細描述。具體地，圖3中示出了轉子葉片10的端部區域12。圖示此時端部區域12的后緣一方面以與圖1示出的實施例對應的方式彎折。這種變化以附圖標記21表示。同時還示出了具有彎曲后緣20的實施例。
這里很明顯可以看到，后緣20和21處的轉子葉片最外末端位于相同的點；因此從空氣動力學的角度來看轉子葉片深度并未改變。
該附圖也示出了第一螺旋軸線14(最初的葉片螺旋軸線)。還示出了呈平行關系發生移位的弧線切線17和與端部區域的后緣21對應的第二螺旋軸線16(末端螺旋軸線)。也示出了角α和角β。角α仍為5度。角α由與圖1所示轉子葉片的實施例對應的轉子葉片10的第一螺旋軸線14以及第二螺旋軸線16形成。角β包含于與圖2所示實施例對應的第一螺旋軸線14和弧線切線17之間。角β為10度。
因此這里很容易看出圖2所示實施例的優勢。
圖4再次示出了根據本發明的后掠式轉子葉片10，其具有前緣18、后緣20以及端部區域12，該端部區域沿后緣20的方向后掠。圖中還示出了兩條線22、23，表示沒有后掠式端部區域12時前緣18和后緣20的結構。該圖清楚地示出了端部區域12由于沿轉子葉片10的后緣方向后掠而達到的后掠程度。
圖5示出了根據本發明的轉子葉片10的一個可選實施例，其由于一個中央部分13而不同于圖4所示的實施例，該中央部分13沿轉子葉片10的前緣18的方向掃掠。可以理解，該掃掠結構也具有轉子葉片10各區域之間的流線過渡的優勢。在這一點上，沿前緣18方向的掃掠具有如下幅度轉子葉片的端部區域12的最外點——其沿后緣20的方向后掠——也位于虛線22內，該虛線22也指該轉子葉片概念上的直線結構。
這種布置導致轉子葉片端部區域12和中央區域13產生相互反向扭矩作用，當根據兩者在轉子葉片連接部的作用適當設計尺寸時，相互反向扭矩作用彼此抵消。
圖6示出了一個根據本發明的具有邊緣弧形30的轉子葉片10，該邊緣弧形30遠離轉子葉片10的吸力面24而延伸，即朝轉子葉片10的壓力側延伸。該邊緣弧形30的上緣36的翼型厚度盡可能的小，以使從那里分離的邊緣渦流盡可能的小，從而使得發出聲音的聲級盡可能地小。
邊緣弧形30優選地從水平方向彎起大約60度到90度。換句話說，其與轉子葉片的角度在120度和90度之間。該區域由兩個向上彎折的部分30、31圖示，該兩部分之一以虛線圖示。
圖7示出了根據本發明的邊緣弧形30的第一實施例的正視圖。在該圖中，邊緣弧形30的后緣34和邊緣弧形的上緣36直線延伸，而位于轉子葉片的前緣26和邊緣弧形的上緣36之間的前邊緣32以一預定角度從轉子葉片的吸力側24延伸出去。這種布置使得邊緣弧形上緣36相比于轉子葉片的深度要短，這一點可以在轉子葉片吸力側24處看到。因此，轉子葉片具有一個直到邊緣弧形30的范圍都在空氣動力學上十分有效的深度，并且只在邊緣弧形30內其才變成一個較短的邊緣弧形上緣36。
同時，在轉子葉片上緣36處分離的邊緣渦流被導出轉子葉片10的平面，從而該邊緣渦流被引導遠離葉片平面。
圖8示出了圖7所示邊緣弧形的一個可選實施例。盡管圖7示出了一個大致垂直于所述轉子葉片的縱向軸線而延伸的弧形邊緣后緣34，但是，在圖8中該邊緣弧形沿后緣34的方向彎曲。該彎曲結構使得氣流與邊緣弧形開始分離的分離點37進一步向后移位，相應地，邊緣渦流的能量被進一步分散，并且發出的聲級進一步降低。
圖9所示的邊緣弧形30實施例中的工作原理與之類似。值得注意的是，該邊緣弧形30進行了最優化處理，以使邊緣渦流盡可能地小。為此，邊緣弧形的前緣32和邊緣弧形的后緣34以一個預定彎曲的特別地優選為橢圓的梯度(elliptical gradient)延伸到邊緣弧形上緣36。在這種情況下，邊緣弧形的上緣36也從轉子葉片吸力側24彎折出轉子葉片的平面，即彎向壓力側。
邊緣弧形的前緣32和邊緣弧形的后緣34的橢圓形結構同時增加了氣流與轉子葉片分離的距離。由于繞葉片末端的氣流基本上消除，這也導致了所發出聲音的級別變小，這與以一個鈍的形狀終止的葉片幾何外形的情況不同。
該弧形邊緣傾斜部分的深度和高度之比(所述深度為圖9的平面圖中的寬度)約為1∶0.8到1∶1.2，優選為1∶1。邊緣弧形傾斜部分的高度與邊緣弧形的連接部分處的轉子葉片深度之比約為1∶1到1∶1.3，優選為1∶1.14。在這一方面，邊緣弧形傾斜部分在深度方向上的結構為近似雙曲線(俯視圖內的輪廓寬度)，而最外輪廓部分的最頂部的端點相對于葉片的螺旋軸線是輪廓深度的30％至40％，優選為33％。
圖10示出了一個轉子葉片10，其具有彎曲的端部區域12和與之鄰接的邊緣弧形30。在這種情況下，可以清楚地看到從轉子葉片的前緣26到后緣20的邊緣區域12的曲線以及轉子葉片平面之外的邊緣弧形30的曲線。相應地，這結合了彎曲端部區域12和傾斜邊緣弧形30的有利聲學效果。
上述根據本發明的轉子葉片是風力發電設備轉子的一部分。
權利要求
1.一種具有一個符合空氣動力學的輪廓的用于風力發電設備的轉子葉片，其具有一個轉子葉片前緣和一個轉子葉片后緣，其中，該轉子葉片(10)在其端部區域(12)沿轉子葉片(10、12)的后緣(20)的方向而在轉子葉片平面內彎曲或傾斜。
2.如權利要求1所述的轉子葉片，其特征在于，所述的端部區域(12)的延伸方向相對于螺旋軸線(14)呈一個1到45度之間的角度。
3.如權利要求2所述的轉子葉片，其特征在于，所述角度在1到15度的范圍內。
4.如前述權利要求中任一項所述的轉子葉片，其特征在于，所述轉子葉片(10)的后緣流線地過渡到端部區域(12)的后緣(20)。
5.如權利要求4所述的轉子葉片，其特征在于，所述端部區域(12)的后緣(20)具有預定半徑的彎曲。
6.如權利要求5所述的轉子葉片，其特征在于，具有一個向轉子葉片末端增加的曲率。
7.如前述權利要求中任一項所述的轉子葉片，其特征在于，所述端部(12)的形式是一個能被安裝入轉子葉片(10)的獨立部分。
8.如前述權利要求中任一項所述的轉子葉片，其特征在于，所述端部區域(12)形成轉子葉片長度的至多1/3。
9.如權利要求7或8所述的轉子葉片，其特征在于，所述的端部區域(8)具有橫截面減小的區域用于裝入轉子葉片(10)內。
10.如權利要求9所述的轉子葉片，其特征在于，在所述橫截面減小的區域設置有至少一個開口。
11.如權利要求7到10中任一項所述的轉子葉片，其特征在于，所述的端部區域(12)是中空的。
12.如權利要求11所述的轉子葉片，其特征在于，在其遠離匯流的端部處設置有一個用于排水的開口。
13.如權利要求12所述的轉子葉片，其特征在于，一個管部鄰接所述開口。
14.如前述權利要求中任一項所述的轉子葉片，其特征在于，在轉子葉片根部(11)和端部區域(12)之間具有一個區域(13)，該區域沿前緣的方向傾斜。
15.如前述權利要求任一項所述的轉子葉片，其特征在于，所述的轉子葉片(10)由玻璃纖維增強塑性材料組成，并且轉子葉片(10)內結合有用于避雷的導電構件，且該導電構件與所述端部區域(12)導電接觸。
16.一種用于如前述權利要求中任一項所述轉子葉片的轉子葉片末端，其特征在于，所述的轉子葉片末端(30)的形式為一獨立部分，其可以安裝入所述轉子葉片(10)的端部區域(12)。
17.一種用于具有符合空氣動力學的輪廓并具有一壓力側和一吸力側的轉子葉片的轉子葉片末端，其中，所述的轉子葉片末端在其外部區域沿轉子葉片的壓力側方向彎曲或傾斜，其特征在于，外部區域變窄。
18.如權利要求17所述的轉子葉片末端，其特征在于，該轉子葉片輪廓在所述彎曲區域內流線地過渡到外部區域輪廓。
19.如權利要求17或18所述的轉子葉片末端，其特征在于，所述外部區域的橫截面相對于所述轉子葉片(10)其余部分的橫截面以一預定角度延伸。
20.如權利要求17至19中任一項所述的轉子葉片末端，其特征在于，所述轉子葉片末端(30)形式為一個能安裝到轉子葉片(10)內的獨立部分。
21.如權利要求16至20中任一項所述的轉子葉片末端，其特征在于，所述轉子葉片末端(30)具有一個橫截面減小的區域用于安裝到轉子葉片(10)內。
22.如權利要求21所述的轉子葉片末端，其特征在于，在所述橫截面減小的區域設置有至少一個開口。
23.如權利要求16至22中任一項所述的轉子葉片末端，其特征在于，所述轉子葉片末端(30)是中空的。
24.如權利要求23所述的轉子葉片末端，其特征在于，在其遠離匯流的端部設置有一個用于排水的開口。
25.如權利要求24所述的轉子葉片，其特征在于，一個管部鄰接所述開口。
26.如權利要求16至25中任一項所述的轉子葉片末端，其特征在于，其包括金屬，特別是鋁。
27.一種具有如權利要求17至26中任一項所述轉子葉片末端的轉子葉片。
28.一種具有如權利要求17至26中任一項所述轉子葉片末端的轉子葉片，其特征在于，所述的轉子葉片(10)由玻璃纖維增強塑性材料構成，并且轉子葉片(10)內結合有用于避雷的導電構件，且該導電構件與轉子葉片末端(30)導電接觸。
29.一種風力發電設備，包括一個轉子，該轉子具有至少一個如前述任一項權利要求所述的轉子葉片。
全文摘要
本發明涉及一種用于風力發電設備的轉子葉片，該葉片具有一個包括轉子葉片前緣和轉子葉片后緣的空氣動力學輪廓。本發明還涉及一種用于具有壓力側和吸力側的空氣動力學輪廓的轉子葉片的轉子葉片末端，所述轉子葉片末端在其端部沿轉子葉片的壓力側方向彎折或偏轉。本發明的目的是進一步降低風力發電設備發出的噪聲。因此，所述轉子葉片在其端部沿轉子葉片的后緣方向在轉子葉片平面內彎折或偏移。本發明基于以下結論，即在其末端不是一個尖形的轉子葉片中，在最有效的外部中的有效轉子葉片表面精確地保持不變。通過使轉子葉片的端部彎折或偏轉，轉子葉片端部的后緣向后移位，使得轉子葉片后緣上的氣流延時地與外部區域分離。可選地，轉子葉片末端可以這樣一種方式實施，即其外部為一尖形。轉子葉片末端的這個實施例基于下述發現，即減小的葉片深度導致繞轉子葉片末端的氣流減小，這是因為其能量分布于整個后緣渦流而同時有效轉子葉片表面變小。通過轉子葉片末端的偏轉，直到偏移的轉子葉片末端的有效轉子葉片深度始終保持最優化。
文檔編號B64C27/46GK1732340SQ200380108141
公開日2006年2月8日 申請日期2003年12月19日 優先權日2003年1月2日
發明者艾勞埃斯·烏本 申請人:艾勞埃斯·烏本