風力渦輪機葉片的制作方法

專利名稱：風力渦輪機葉片的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于具有基本上水平轉子軸的風力渦輪機轉子的葉片，所述轉子包括輪轂，所述葉片在被安裝到輪轂上時從所述輪轂基本上沿徑向方向延伸，所述葉片包括型面輪廓(profiled contour)，所述型面輪廓包括壓力側和吸力側以及前緣和后緣，并且翼弦在所述前緣和所述后緣之間延伸，所述型面輪廓在受到入射空氣流沖擊時會產生升力，所述型面輪廓沿徑向方向被分成最接近所述輪轂的根部區域、最遠離所述輪轂的翼面區域和位于所述根部區域與所述翼面區域之間的優選的過渡區域，所述根部區域具有基本上呈圓形或橢圓形的型面(profile)，所述翼面區域具有產生升力的型面，所述過渡區域具有沿徑向方向從所述根部區域的圓形或橢圓形型面向所述翼面區域的產生升力的型面逐漸改變的型面，其中，所述翼面區域包括至少一個第一縱向節段，所述第一縱向節段沿所述翼面區域的縱向長度的至少20%延伸，所述第一縱向節段包括第一基礎部，所述第一基礎部具有前緣和后緣以及在該前緣和后緣之間延伸的翼弦。
背景技術：
傳統上，現代的風力渦輪機葉片是通過先設計葉片本身的外形和空氣動力特性來設計的，以便使所述葉片的翼面區段的每個徑向區段獲得目標載荷和目標軸向誘導 (target axial induction)。然后，確定如何根據所述葉片的空氣動力設計規格來制造所述葉片。這種葉片的空氣動力形狀通常較為復雜，各節段具有沿風力渦輪機葉片徑向長度的雙曲輪廓和多種不同的翼面形狀。因此，葉片的制造過程以及用于該制造過程的模具部件的制造都變得相當復雜。總體上，從最初啟動開發新型葉片的設計到新型葉片的產品發布所用的時間很長，并且生產和開發的總成本很高。此過程將在后文描述的第一節中更全面地介紹。WO 01/14740公開了多種改進風力渦輪機葉片型面的方式，以便防止失速 (stall)問題。EP 2 031 242公開了一種安裝在風力渦輪機葉片上的葉片元件，以將型面從具有尖銳后緣的翼面形狀改變為具有平頭后緣的翼型(或稱翼剖面)。DE 199 64 114 Al公開了一種翼型，所述翼型裝配有格尼襟翼(Gurney flap)形式的分叉后緣，所述后緣產生周期性的流動擾動。WO 02/08600公開了一種風力渦輪機葉片，所述葉片設置有翼肋以及在所述葉片的連接部或根部上的渦流發生器。US 5 088 665公開了一種設置有鋸齒形后緣板的風力渦輪機葉片。WO 2007/140771公開了一種設置有渦流發生條帶的風力渦輪機葉片，以防止失速并降低噪聲排放。EP 1 944 505公開了一種風力渦輪機葉片，所述葉片在相對厚度為30%_80%的翼面部分中設置有渦流發生器。DE 10 2006 017 897公開了一種風力渦輪機葉片，所述葉片在所述葉片的根部區域和過渡區域中設置有擾流器裝置。WO 03/029644 公開了一種設計水下水流渦輪機(under water flow turbine)的渦輪機葉片的方法，所述設計方法利用例如軸向誘導因子作為設計參數。所述葉片型面未
設置導流裝置。WO 03/098034公開了一種設置有輪轂延長件的風力渦輪機。所述葉片型面未設置
導流裝置。US 2007/140858公開了一種模塊化地構造的葉片，所述葉片包括遠離所組裝的葉片的前緣和后緣布置的結合。所述葉片型面未設置導流裝置。US 2007/105431公開了一種模塊化地構造的葉片，所述葉片包括多個堆疊的模塊節段，其中，使用纜線將所述模塊節段夾緊在一起。所述葉片型面未設置導流裝置。EP 0 100 131公開了一種利用拉擠或擠壓成型來制造風力渦輪機葉片的方法。所述葉片型面未設置導流裝置。

發明內容
本發明的一個目的在于獲得一種新型葉片，該葉片克服或改善了現有技術中的至少一個缺點或提供了有用的替代。根據本發明的一個方面，該目的是通過內部尺寸沿葉片的徑向方向按如下方式線性變化的第一基礎部實現的，即使得在沒有變流裝置的情況下第一基礎部在轉子設計點處的誘導因子偏離目標誘導因子，并且其中，第一縱向節段設置有多個第一變流裝置，所述第一變流裝置被布置為調節第一縱向節段的空氣動力特性以在所述設計點處基本上滿足目標誘導因子。換言之，本發明提供了一種用于具有基本上水平轉子軸的風力渦輪機轉子的葉片，所述轉子包括輪轂，所述葉片在被安裝到輪轂上時從所述輪轂基本上沿徑向方向延伸， 所述葉片在轉子設計點處具有預定的目標軸向誘導因子，所述葉片包括型面輪廓，所述型面輪廓包括壓力側和吸力側以及前緣和后緣，并且翼弦在所述前緣和所述后緣之間延伸， 所述型面輪廓在受到入射空氣流沖擊時產生升力，所述型面輪廓沿徑向方向被分成最接近所述輪轂的根部區域、最遠離所述輪轂的翼面區域和位于所述根部區域與所述翼面區域之間的優選的過渡區域，所述根部區域具有基本上呈圓形或橢圓形的型面，所述翼面區域具有產生升力的型面，所述過渡區域具有沿徑向方向從所述根部區域的圓形或橢圓形型面向所述翼面區域的產生升力的型面逐漸改變的型面。所述翼面區域可以被分為多個基礎區段，所述基礎區段中的第一基礎區段沿所述翼面區域的縱向長度的至少20%延伸，所述第一基礎區段具有前緣和后緣，以及在所述前緣和后緣之間延伸的翼弦，所述第一基礎區段被形成為使得其具有沿葉片的徑向方向按如下方式線性變化的內部尺寸，即使得第一基礎部的誘導因子偏離轉子設計點處的目標誘導因子，并且第一基礎區段設置有多個第一變流裝置，所述第一變流裝置被布置為調節空氣動力特性并且基本上滿足所述設計點處的目標誘導因子。使用對翼面區域的大部分而言內部尺寸線性變化的基礎部可以實現模塊化葉片設計，其中帶有線性變化尺寸的基礎部能被用于多種不同的葉片類型和葉片長度。因此，可以在更大/更長葉片的更外側重復利用現有葉片的基礎部，或者在更小/更短葉片的更內
6側重復利用現有葉片的基礎部。總之，可以按如下方式設計葉片，即使得翼面區域的葉片設計從預設計區段被組裝到一起，并且使得不同長度的葉片可以部分地由先前葉片已經存在的區段構成。進一步地，具有線性變化的內部尺寸的葉片節段在基礎部的制造方面具有多個優點，這是因為基礎部的形狀可被保持為比具有大于40米長度的常規的現代風力渦輪機的形狀簡單得多。例如可以避免雙曲葉片型面。這還使得生產用于制造葉片的模具部分更加簡單。總之，可以顯著減少從開發新型葉片設計的最初啟動到新型葉片的產品發布所用的時間，并且可以降低總生產成本。然而，對葉片節段設計參數進行這樣的限制意味著葉片節段在空氣動力學方面會偏離理想設計，其中例如翼弦的一階導數朝葉片根部區域或過渡區域不斷增加。因此，固有地，這樣的葉片節段將在空氣動力學方面尤其是涉及軸向誘導因子方面是非理想的。通過使用變流裝置補償此偏離，以將設計升力和流入特性作為葉片半徑的函數調節到適當的近似最佳的軸向誘導因子。然而，由于結構和載荷上的考慮，目標軸向誘導因子可以偏離空氣動力最佳軸向誘導1/3。對另一葉片半徑的載荷的調節意味著需要使用變流裝置。因此，變流裝置被用來將葉片調節到轉子設計點，從而使得葉片具有近似最佳的流入條件和升力系數。總而言之，可以看出該構思背后的創造性原理背離了現代風力渦輪機葉片的傳統設計過程，在現代風力渦輪機葉片的傳統設計過程中，首先是要設計葉片的外形和空氣動力特性，然后確定如何根據設計規格來計劃葉片的制造。本發明提供了一種全新的設計過程，其中根據制造風力渦輪機葉片基礎部的有效方法來優化生產，并且葉片基礎部被改進為具有導流裝置，以滿足適當的空氣動力要求。因此，葉片基礎部可能會顯著偏離最佳空氣動力設計。目標軸向誘導可被看作第一縱向節段整個縱向長度上的平均值，或者可被看作用于第一縱向節段內多個較小半徑節段的單獨目標。再者，它可被看作用于葉片第一縱向節段的每個橫截面的單獨目標。因此，葉片包括沿葉片翼面區域的實質部分(substantial part)延伸的至少一個縱向節段。根據第一實施例，翼面區域包括葉片的葉片梢端區域。根據第二實施例，葉片進一步包括與翼面區域鄰接的葉片梢端區域。因此，葉片梢端區域可被看作翼面區域的一部分或可被看作一個分離部分。典型地，梢端區域覆蓋翼面區域縱向長度的外側5-10%。對于風力渦輪機和風力渦輪機葉片，葉片的壓力側也被定義和稱為迎風側或逆風側，而吸力側也被定義和稱為下風側或順風側。轉子設計點被定義為這樣的點，S卩，對于設計風速和設計轉子速度，該點處風力渦輪機葉片的功率系數最大。因此，葉片的每個區段具有局部設計梢端速比，其被定義為設計轉子速度乘以局部葉片區段半徑除以設計風速。因此，可以看出設計點是這樣的點，即， 在該點處，使用這種風力渦輪機葉片的風力渦輪機在風力渦輪機的設計風速處具有最大效率。在設計點處，局部葉片區段具有局部翼弦、扭轉(twist)和翼面形狀，其在局部流入處決定了設計升力系數。應該通過變流裝置來選擇或調節所有參數，以獲得目標軸向誘導因子，所述目標軸向誘導因子決定了這一葉片區段產生的功率。在1.3節進一步解釋了轉子設計點。
下面將描述具有線性變化內部尺寸的多個有利實施例，其與常規的現代風力渦輪機葉片相比被簡化。根據第一有利實施例，第一基礎部的翼弦長度沿葉片的徑向方向線性變化。根據另一有利實施例，第一基礎部具有沿葉片的徑向方向線性變化的厚度。在這方面，葉片厚度被定義為葉片的最大厚度，即，對于每個橫截面型面而言是葉片吸力側和壓力側之間的最大距離(沿垂直于橫截面翼弦的方向)。根據又一有利實施例，第一基礎部具有恒定的相對厚度。也就是說，厚度與翼弦之比沿葉片第一縱向延伸區段的整個縱向長度是恒定的。原則上，相對型面可以沿葉片的縱向方向變化；然而，根據一個有利實施例，第一基礎部包括恒定的相對型面。在一個實施例中，第一基礎部包括沿第一縱向延伸區段整個長度的恒定相對型面。也就是說，第一基礎部的每一橫截面具有相同的相對翼型或整體形狀。在另一實施例中，第一基礎部具有恒定的翼弦長度。這意味著翼弦長度沿第一縱向延伸區段整個長度是恒定的，或者換言之，第一基礎部的前緣和后緣是平行的。這種約束需要在設計點處顯著偏離目標軸向誘導因子，但是可以顯著簡化葉片的生產以及用于制造所述葉片的模具的設計和制造。在又一實施例中，第一基礎部具有恒定的厚度。在一個具體的有利實施例中，第一基礎部包括多個縱向節段，每個縱向節段具有沿葉片軸向方向的獨立的線性變化相關性。因此，這例如可以設計具有分段線性變化翼弦長度的葉片。每個縱向節段應沿翼面區域縱向長度的至少20%延伸。根據一個有利實施例，第一基礎部被提供有線性預彎曲。由此，相對于節距軸線 (pitch axis)的基礎部角定向可與局部葉片半徑線性相關。或者，距節距軸線的橫向偏離可與局部葉片半徑線性相關。由此，可以配置各個葉片區段的預彎曲，以便獲得預彎曲葉片。根據另一有利實施例，第一基礎部被預彎曲，并且翼面區域包括縱向節段，所述縱向節段包括沒有預彎曲的基礎部。因此，預彎曲可以僅位于葉片的一個節段或兩節段中，例如，翼面區域的翼外部分和/或根部區域中。根據一個有利實施例，第一基礎部是拉擠或擠壓成型的型面。由于線性變化的內部尺寸，使得這種基礎部便于制造，并且顯著簡化了制造過程。根據一個有利實施例，第一基礎部具有軸向誘導因子，該軸向誘導因子在沒有變流裝置的情況下在設計點處偏離目標軸向誘導因子至少5%，并且第一縱向節段設置有多個第一變流裝置，所述第一變流裝置被布置成用來調節第一縱向節段的空氣動力特性，以在設計點處基本滿足目標軸向誘導因子。根據一個有利實施例，第一基礎部具有固有性非理想扭轉和/或翼弦長度，并且其中，橫截面型面適于通過朝目標軸向誘導改變所述軸向誘導來補償非理想扭轉和/或翼弦長度。這類葉片特別適合用于設計具有簡化的翼弦分布和/或扭轉的基礎部的風力渦輪機葉片。根據一個有利實施例，第一基礎部具有固有性非理想扭轉和/或翼弦長度，并且其中，橫截面型面適于通過朝目標軸向誘導改變所述軸向誘導來補償非理想扭轉和/或翼弦長度。然而，對葉片節段的設計參數進行這樣的限制意味著葉片節段在空氣動力學方面偏離了理想設計。因此，這樣的葉片節段將在空氣動力學方面，尤其是涉及該節段的最佳升力系數方面固有地是非理想的。通過使用變流裝置來補償此偏離，以將設計升力作為葉片半徑的函數調節到適當的近似最佳的軸向誘導因子。對另一葉片半徑載荷的調節意味著需要使用變流裝置。根據另一有利實施例，具有變流裝置的第一縱向節段的軸向誘導因子在設計點處偏離目標軸向誘導因子不大于1。有利地，在設計點處與目標軸向誘導因子的偏離不大于1%。根據又一有利實施例，沒有變流裝置的第一縱向節段的誘導因子沿第一縱向節段的基本上整個縱向長度偏離目標軸向誘導因子。根據一個實施例，目標軸向誘導因子基本上等于空氣動力最佳目標軸向誘導因子。由此，可基本上最大化從風中提取的能量，并且因此使利用這種葉片的風力渦輪機的功率產出最大化。然而，目標軸向誘導因子可以處于以下區間內，S卩0.25至0.4之間，或0. 至 0. 38之間，或0. 3至0. 33之間。因此，可以看出，出于結構上和操作上的考慮，目標軸向誘導因子可偏離理論最佳值1/3。根據另一實施例，在沒有變流裝置的情況下第一基礎部的誘導因子在設計點處偏離目標軸向誘導因子至少10%、或20%、或30%。換言之，通過對葉片的第一縱向節段使用變流裝置，軸向誘導因子平均改變大于10%。根據又一實施例，在沒有變流裝置的情況下第一基礎部在設計點處進一步偏離目標載荷，并且其中，第一變流裝置進一步被布置為用來調節第一縱向節段的空氣動力特性， 以在設計點處基本滿足目標載荷。在這方面，目標載荷被認為是合成空氣力，或更準確地， 是影響特定葉片區段的轉子平面的合成法向力。目標載荷可被看作在第一縱向節段整個縱向長度上的平均，或者可被看作在第一縱向節段內多個較小半徑節段的單獨目標。再者，它可被看作對葉片第一縱向節段的每個橫截面的單獨目標。在沒有變流裝置的情況下第一基礎部的載荷在設計點處偏離目標載荷至少5%、或 10%、或20%、或30%。換言之，通過對葉片的第一縱向節段使用變流裝置，第一縱向節段的載荷在整個縱向長度上平均改變至少5%或10%。有利地，具有變流裝置的第一縱向節段的載荷在設計點處偏離目標載荷不大于 2%。有利地，在設計點處與目標載荷的偏離不大于1%。根據一個有利實施例，第一基礎部具有固有性非理想扭轉，例如無扭轉，或與目標葉片扭轉相比減小的扭轉。這種基礎部與常規葉片形狀相比被進一步簡化。根據本發明的另一有利實施例，第一縱向節段沿徑向方向被分為多個徑向區段， 每個徑向區段具有對于設計點的獨立平均操作攻角，并且具有分段翼面形狀，其在沒有第一變流裝置的情況下具有分段最佳攻角，其中，第一變流裝置適于朝徑向區段的平均操作攻角改變所述分段翼面形狀的最佳攻角。根據又一有利實施例，第一基礎部具有扭轉，該扭轉沿第一縱向節段的基本整個縱向長度是非理想的。因此，沿該節段的基本上整個縱向長度，固有扭轉不同于理想扭轉， 但是固有扭轉可以在多種徑向位置處等于最佳扭轉。因此，代表理想扭轉和固有扭轉的曲線可以在某點互相交叉。本發明尤其適合優化基本上不具有扭轉的葉片的特性，即沒有被固有地設計用來補償局部流入速度(由于葉片局部變化的速度)的葉片。因此，可以利用變流裝置沿葉片縱向方向改變位差角(shift angle)，從而使得位差角與葉片的虛擬扭轉相對應，以便由于葉片局部變化速度來補償局部流入速度。然而，本發明還可以使用其它類型的葉片，尤其是與最佳相比具有減小的總扭轉角的葉片。因此，根據本發明一個實施例的葉片具有扭轉小于 8度的翼面區域。換言之，翼弦平面的定向沿葉片徑向方向的變化小于8度。然而，葉片沿葉片徑向方向仍然預彎曲和/或成錐形。根據一個替代性實施例，扭轉小于5度或3度或甚至2度。由此，可以為風力渦輪機提供與常規風力渦輪機葉片相比簡單得多的型面，常規的風力渦輪機通常具有最大扭轉在10至12度之間、有時甚至為15度的翼面區段，并且葉片設置有變流裝置，以便補償“缺少的”扭轉或提供“剩余的”扭轉。然而，根據一個具體的有利實施例，葉片的翼面區域基本上是平直的。換言之，翼弦平面的定向沿葉片的整個徑向方向基本相同。因此，每個徑向區段可設置有變流裝置，以便優化基本平直的葉片的升力。這為葉片的設計提供了許多可能性，這是因為葉片可被設計為無扭轉的并且在正常使用時(即在設計點處)仍可優化葉片的局部徑向速度。這意味著可以通過獨立的區段葉片部分(例如之后互相連接的各個獨立的區段部分)來制造葉片，或者通過例如DE 198 33 869所示的區段模具部件來制造葉片。或者，給定葉片可以裝配有輪轂延長件，而不改變葉片給定徑向位置的翼弦方向。這還使得可以設計這樣的葉片，其沒有理想的雙曲壓力側，即在葉片壓力側上不需要同時具有凸和凹的表面型面。在這種情況下，可以使用變流裝置來補償非理想型面。因此，模具組件可以被制造為具有簡單得多的形狀。此外，這種葉片可以實現通過更簡單的制造方法(例如擠壓等)來制造葉片。扭轉的一階導數隨著與輪轂的距離增加而減小。因此，葉片外側部分(即梢端附近)的扭轉小于葉片內側部分的扭轉。因此，不是所有葉片都需要在葉片梢端附近設置變流裝置。然而，優選地，至少翼面區的內側40%、50%、60%、70%或75%設置有具有變流裝置的徑向葉片區段。通過改變葉片節距角(Pitch angle)和/或葉片轉速可補償梢端區域中的流入氣流。根據一個具體的有利實施例，第一基礎部具有基本恒定的扭轉，例如基本無扭轉， 這意味著第一基礎部的翼弦基本布置在相同的方向。因此，第一基礎部可以是基本平直的。根據另一有利實施例，第一基礎部可以具有與徑向位置線性相關的扭轉。也就是說，扭轉角或翼弦角沿翼展方向或第一縱向節段的縱向方向線性變化。這種葉片節段可被配置成盡可能逼近地跟隨理想扭轉，且在獲得可行的模塊設計方面具有多個優點，其中第一基礎部被重復用于另一類葉片，或者其中，它被“連接”到第二縱向節段的第二基礎部，并且具有與軸向位置的另一相關性，任選地可經由中間的過渡葉片節段。換言之，這種葉片節段在獲得葉片的模塊設計方面具有多個優點。根據第一實施例，第一基礎部具有固有性扭轉角，從而使得在沒有變流裝置的情況下第一基礎部在轉子設計點處的流入角小于沿第一縱向節段整個縱向長度的最佳流入角。在這種情況下，單一種類的變流裝置足夠調整第一基礎部的非理想空氣動力結構。根據第二實施例，第一縱向節段具有固有性扭轉角，從而使得在沒有變流裝置的情況下第一基礎部在轉子設計點處包括流入角小于最佳流入角的第一節段和流入角大于最佳流入角的第二節段。在這種情況下，可能有必要利用不同類型的變流裝置來調整第一基礎部的非理想空氣動力結構。如果第一基礎部的固有扭轉和與輪轂的徑向距離線性相關，則葉片會發生固有扭轉“穿過”理想扭轉(或稱固有扭轉與理想扭轉“相交”)，其中所述理想扭轉與徑向位置非線性相關。由于理想扭轉和與輪轂的徑向距離成反比地相關，因此包括具有固有線性扭轉相關性的第一基礎部的葉片包括(從輪轂朝葉片梢端看)第一節段、并列第二節段、以及并列第三節段，其中所述第一節段具有小于理想扭轉的固有扭轉， 所述并列第二節段具有大于理想扭轉的固有扭轉，所述并列第三節段具有小于理想扭轉的固有扭轉。有利地，對于沒有變流裝置的第一縱向節段，在設計點處平均流入角和最佳流入攻之間第一縱向區段縱向長度上的均方根差大于1度、或大于2度、或大于2. 5度。因此， 均方根差被計算為沿葉片縱向方向的絕對空間偏離(absolute spatial deviation)。在給定的時間間隔(例如風力渦輪機轉子的一個全循環)內進一步觀察該偏離。有利地，對于具有變流裝置的第一縱向節段，設計點處平均流入角和最佳流入角之間的第一縱向區段縱向長度上的均方根差小于1度或小于0. 5度。根據一個有利實施例，第一基礎部具有橫截面型面，該橫截面型面在受到0度攻角的入射空氣流的沖擊時具有為0或更小的升力系數。正升力被定義為具有從葉片的壓力側(或逆風/迎風側)指向吸力側(或順風/下風側)的升力分量的升力系數。負升力被定義為具有從葉片的吸力側(或順風/下風側)指向壓力側(或逆風/迎風側)的升力分量的升力系數。因此，基礎部具有橫截面型面，該橫截面型面的升力系數和攻角之間具有空氣動力學關系，當升力系數和攻角被繪制在坐標系中，并將升力系數作為攻角的函數時，該空氣動力學關系將穿過坐標系的原點或在一負值處穿過升力系數軸。換言之，升力系數在正攻角或零度攻角處(即非負攻角處)變號。這種基礎部本身中具有對于常規風力渦輪機葉片而言的固有非最佳空氣動力特性，該常規風力渦輪機葉片具有沿葉片的徑向方向扭轉的型面。然而，使用具有這種特性的型面可以簡化葉片的其它特性，例如葉片的扭轉或翼弦形狀。例如，可以提供無扭轉或具有線性扭轉的縱向節段和/或具有沿葉片徑向方向線性變化的翼弦長度。然而，對葉片基礎部的設計進行這種約束將固有地導致所述節段基本上偏離該節段的近似最佳目標軸向誘導。為了補償這種偏離，需要改變該節段的總流入特性和升力系數。然而，由于新型面的升力系數和攻角之間具有關系，使得所述新型面與常規葉片型面明顯不同，因此這可能足以平衡所述偏離或至少使軸向誘導朝目標軸向誘導改變，從而使得變流裝置僅需輕微地改變軸向誘導。因此，葉片包括沿葉片翼面區域的實質部分延伸的至少一個縱向節段。根據第一實施例，該翼面區域包括葉片的葉片梢端區域。根據第二實施例，該葉片進一步包括與翼面區域鄰接的葉片梢端區域。因此，葉片梢端區域可被看作翼面區域的一部分或可被看作一個獨立部分。典型地，梢端區域覆蓋翼面區域縱向長度的外側5-10%。在一個示例中，第一縱向節段具有零扭轉或具有小于近似最佳扭轉的扭轉，新型面(升力系數和攻角之間具有上述關系)補償了扭轉的“不足”，這是因為攻角必須高于常規型面，以便獲得正確的目標特性(例如與必要的升力系數有關的)，從而獲得正確的軸向誘導。使用新型面使得可以獲得模塊化葉片設計，其中基礎部可以被用于多種不同葉片類型和葉片長度。因此，可在更大/更長葉片的更外側重復利用現有葉片的基礎部，或者在更小/更短葉片的更內側重復利用現有葉片的基礎部。總之，可按如下方式設計葉片，即 使得翼面區域的葉片設計從預設計區段被組裝到一起，且不同長度的葉片可以部分地由先前葉片已經存在的區段構成。總體上，基礎部的形狀可以保持為比具有大于40米長度的常規的現代風力渦輪機的形狀更簡單。例如可避免雙曲葉片型面。這還使得用于制造葉片的模具部分的生產更加簡單。總之，可以顯著減少從開發新型葉片設計的最初啟動到所述新型葉片的產品發布所用的時間，并可降低總生產成本。因此，根據一個有利實施例，第一基礎部具有固有性非理想扭轉和/或翼弦長度， 且其中，橫截面型面適于通過朝目標軸向誘導改變軸向誘導來補償非理想扭轉和/或翼弦長度。然而，對葉片節段的設計參數進行這樣的限制意味著葉片節段在空氣動力學方面會偏離理想設計。因此，這樣的葉片節段將在空氣動力學方面，尤其是涉及該節段的最佳升力系數方面是固有地非理想的。通過使用變流裝置來補償此偏離，以將設計升力作為葉片半徑的函數調節到適當的近似最佳軸向誘導因子。對另一葉片半徑載荷的調節意味著需要使用變流裝置。因此，根據另一有利實施例，第一縱向節段設置有多個第一變流裝置，所述多個第一變流裝置被布置為調節第一縱向節段的空氣動力特性，以在轉子設計點處基本滿足目標軸向誘導因子。下文將描述多個有利實施例，所有實施例都提供了升力系數和攻角之間的期望關系。根據一個有利實施例，第一基礎部具有橫截面型面，該橫截面型面具有弧線和翼弦線，該翼弦線具有翼弦長度，并且其中橫截面型面的翼弦線和弧線之間在整個翼弦長度上的平均差值為負。也就是說，當從翼弦的整個長度上看時，弧線平均而言更靠近葉片的壓力側，而不是葉片的吸力側。根據另一實施例，在翼弦的整個長度上，弧線更靠近壓力側而不是吸力側。當然， 弧線和翼弦在前緣和后緣處重合。根據一個替代性實施例，第一基礎部具有橫截面型面，該橫截面型面具有弧線和翼弦線，該翼弦線具有翼弦長度，其中弧線和翼弦線在翼弦的整個長度上重合。也就是說， 橫截面型面關于翼弦對稱。這種型面從制造角度看非常有利。總之，第一基礎部包括線性翼弦、線性厚度以及沿葉片的徑向方向線性變化或恒定的扭轉，當設計模塊化組裝葉片時以及在制造這種葉片方面，具有多個優點。優選地，風力渦輪機葉片的長度為至少40米，或至少50米，或至少60米。葉片甚至可以為至少70米，或至少80米。具有至少90米或至少100米長度的葉片也是可能的。根據一個有利實施例，葉片尤其是第一基礎部包括由復合材料制成的殼結構。所述復合材料可以是用纖維強化的樹脂基質。在多數情形中，所用聚合物是熱固性樹脂，例如聚酯、乙烯基酯或環氧樹脂。所述樹脂還可以是熱塑性物質，例如尼龍、PVC、ABS、聚丙烯或聚乙烯。再者，該樹脂可以是另一種熱固性的熱塑性物質，例如環構PBT或PET。所述纖維強化通常是基于玻璃纖維或碳纖維的，但也可以是塑性纖維、織物纖維或金屬纖維。所述復合材料常包括夾層結構，該夾層結構包括芯材，例如發泡聚合物或巴沙輕木。
根據另一有利實施例，葉片包括縱向延伸強化區段，該區段包括多個纖維層。該強化區段(也被稱為主疊層)通常延伸通過第一縱向節段的第一基礎部。根據一個有利實施例，第一縱向節段沿翼面區域的至少25%，或30%，或40%，或50% 延伸。第一縱向節段甚至可以沿翼面區域的60%、70%或75%延伸。當梢端區域被認為是翼面區域的一部分時，第一縱向節段的長度甚至可以達到100%。然而，第一縱向節段本身被限制為翼面區域的一部分，其中可以實現在設計點處的近似最佳理論空氣動力特性。這不包括梢端部、根部區段和過渡區段，這是因為載荷和結構上的考慮通常與近似最佳理論空氣動力特性顯著不同。有利地，翼面區域可進一步包括縱向延伸的過渡節段。該過渡節段(不要與葉片的過渡區域混淆)可以沿翼面區域的5-10%徑向地延伸，并且被使用在翼面區域中，以獲得根據本發明的兩個縱向延伸節段之間的逐漸過渡。要認識到，葉片可包括沿翼面區域的約40% 延伸的第一縱向延伸葉片節段、沿翼面區域的約10%延伸的過渡節段、沿翼面區域的約40% 延伸的第二縱向延伸葉片節段以及最后沿翼面區域的約10%延伸的葉片梢端區段。根據一個有利實施例，第一縱向節段被設置在翼面區域的翼內位置(inboard position)，即設置在最靠近過渡區域或根部區域的部分中，優選設置在根部區域的過渡區域的兩米內，更優選地設置成鄰接可選的過渡區域或所述根部區域。葉片可以設置有與第一縱向節段并列的額外縱向節段。所有這些都應沿翼面區域縱向長度的至少25%延伸。有利地，導流裝置包括多元件區段，例如縫翼或襟翼，即導流裝置優選包括多元件部，用于改變不同葉片節段的型面特性。所述多元件區段適于改變葉片第一縱向節段的流入特性和載荷。優選地，多元件區段至少改變第一縱向節段的實質部分，例如沿第一縱向節段的至少50%。由此，可以根據(第一基礎部的)基本設計來改變多個設計參數，例如該段的設計升力、弧高和攻角，從這些參數有關的空氣動力學角度來看，這些參數具有固有的非最佳設計，但是從制造角度來看卻是最優化的。因此，可以將多元件部改裝到第一基礎部，以便優化空氣動力特性。因此，一個或多個第一變流裝置可被布置為在第一基礎部的前緣附近和/或沿第一基礎部的前緣布置。進一步地，所述多個第一變流裝置中的一個或多個可被布置在第一基礎部的后緣附近和/或沿第一基礎部的后緣布置。因此，總型面可以變為具有至少兩個獨立元件的多元件型面。因此，第一基礎部可被構造為葉片的載荷承載部，而導流裝置可以用于優化空氣動力特性，以使局部區段空氣動力特性與轉子設計點相匹配。多元件區段可被布置在相對于第一基礎部的固定位置。由此，可以永久地或半永久地調節葉片，以補償第一基礎部的非理想型面。或者，可以相對于第一基礎部靈活地調節多元件區段。因此，可以靈活地(例如根據風力渦輪機的操作條件)調節設計參數。第一導流裝置或多元件區段可以是相對于第一基礎部可平移的和/或是可被轉動操作的或是可調節。根據一個有利實施例，所述多個第一變流裝置包括具有翼型的多元件區段，所述翼型具有在前緣和后緣之間延伸的翼弦。此多元件區段可以形成為翼面，該翼面具有的翼弦長度處于第一基礎部局部翼弦長度的5%至30%的區間中。或者，上述型面元件具有最大內側橫截面尺寸，該尺寸相當于第一基礎部翼弦長度的5%至30%。根據第一實施例，所述多個第一導流裝置或結構型面元件被布置為與第一基礎部相距一定距離。或者，結構型面元件可與第一基礎部的表面連接，因此改變基礎部本身的表面包絡線(surface envelope)。根據又一實施例，第一基礎部具有比多個變流裝置的總表面大至少5或5倍的表面積。再者，可以調節導流裝置，以便被動消除流入變化。變流裝置還可以包括表面安裝元件，其改變葉片的第一縱向節段的總包絡線 (overall envelope).有利地，表面安裝元件被布置在第一基礎部的前緣和/或后緣附近。變流裝置還可以包括邊界層控制裝置，例如通風孔或通風槽、渦流發生器和格尼襟翼。優選地，邊界層控制裝置與多元件區段或表面安裝元件結合使用。通常需要多元件區段或表面安裝元件來實現軸向誘導因子的較大改變，即，向目標進行粗調。然而，可用邊界層控制裝置來向目標精調軸向誘導因子。有利地，葉片包括多個模塊葉片區段。第一縱向節段可例如是這種葉片區段。葉片還可以是可分開或分離的葉片，在這種情形中，葉片可以在第一縱向節段的一端被分開。 根據第一有利實施例，模塊葉片區段包括根部區段、第一縱向節段和梢端區段。根據第二有利實施例，根部區段包括根部區域和過度區域。根據第三有利實施例，葉片進一步包括用于延長葉片長度的延長件區段，優選增加到葉片的根部區段，例如輪轂延長件。根據一個進一步的方面，本發明提供了一種系統，該系統包括一組根部區域，或者是一組延長件區段、一組包括第一基礎部的翼面區段和一組梢端區段。根據一個有利實施例，可以結合和組裝該組根部區段中的一個模塊葉片區段，或者是該組延長件區段中的至少一個模塊葉片區段、該組翼面區段中的至少一個模塊葉片區段、以及該組梢端區段中的至少一個模塊葉片區段，從而形成不同長度的葉片。根據又一方面，本發明提供了一種風力渦輪機，所述風力渦輪機包括轉子，所述轉子包括根據前述實施例之一的多個葉片，優選為兩個或三個葉片。有利地，風力渦輪機包括基本上水平軸線的轉子軸。優選地，所述風力渦輪機在例如符合“丹麥概念”的逆風配置中操作。另一方面，本發明還提供了一種設計葉片的方法，對于具有基本上水平轉子軸的風力渦輪機轉子，所述葉片在轉子設計點處具有預定的目標軸向誘導因子，所述轉子包括輪轂，所述葉片在被安裝到所述輪轂上時從所述輪轂基本上沿徑向方向延伸，所述葉片包括型面輪廓，所述型面輪廓包括壓力側和吸力側以及前緣和后緣，并且翼弦在所述前緣和所述后緣之間延伸，所述型面輪廓在受到入射空氣流沖擊時會產生升力，所述型面輪廓沿徑向方向被分成最接近所述輪轂的根部區域、最遠離所述輪轂的翼面區域和位于所述根部區域與所述翼面區域之間的優選的過渡區域，所述根部區域具有基本上呈圓形或橢圓形的型面，所述翼面區域具有產生升力的型面，所述過渡區域具有沿徑向方向從所述根部區域的圓形或橢圓形型面向所述翼面區域的產生升力的型面逐漸改變的型面，其中，所述翼面區域包括至少一個第一縱向節段，所述第一縱向節段沿所述翼面區域的縱向長度的至少 20%延伸，所述第一縱向節段包括第一基礎部，所述第一基礎部具有前緣和后緣以及在所述前緣和后緣之間延伸的翼弦。所述設計方法包括以下步驟設計所述第一基礎部使其具有沿所述葉片的徑向方向按如下方式線性變化的內部尺寸，即使得在轉子設計點處沒有變流裝置的情況下所述第一基礎部的誘導因子偏離目標誘導因子，并且在第一縱向節段設計和布置多個第一變流裝置，從而調節所述第一縱向節段的空氣動力特性以在所述轉子設計點處基本上滿足目標軸向誘導因子。因此，可以看出，本發明提供了一種方法，其仔細地設計了偏離目標的翼面區域的基礎部，然后設計和使用變流裝置來調節軸向誘導因子以在轉子設計點處滿足目標。對應地，本發明進一步提供了一種改進和制造葉片的方法，所述葉片用于具有基本上水平轉子軸的風力渦輪機轉子，所述轉子包括輪轂，所述葉片在被安裝到所述輪轂上時從所述輪轂基本上沿徑向方向延伸，所述葉片包括型面輪廓，所述型面輪廓包括壓力側和吸力側以及前緣和后緣，并且翼弦在所述前緣和所述后緣之間延伸，所述型面輪廓在受到入射空氣流沖擊時會產生升力，所述型面輪廓沿徑向方向被分成最接近所述輪轂的根部區域、最遠離所述輪轂的翼面區域和位于所述根部區域與所述翼面區域之間的優選的過渡區域，所述根部區域具有基本上呈圓形或橢圓形的型面，所述翼面區域具有產生升力的型面，所述過渡區域具有沿徑向方向從所述根部區域的圓形或橢圓形型面向所述翼面區域的產生升力的型面逐漸改變的型面，其中，所述翼面區域包括至少一個第一縱向節段，所述第一縱向節段沿所述翼面區域的縱向長度的至少20%延伸，所述第一縱向節段包括第一基礎部，所述第一基礎部具有前緣和后緣以及在所述前緣和后緣之間延伸的翼弦。所述方法包括以下步驟所述第一基礎部被設計為具有沿所述葉片的徑向方向按如下方式線性變化的內部尺寸，所述方式為使得在轉子設計點處沒有變流裝置的情況下所述第一基礎部的誘導因子偏離目標誘導因子，并且通過提供多個第一變流裝置來改造第一縱向節段，所述變流裝置被布置為調節所述第一縱向節段的空氣動力特性以在所述轉子設計點處基本上滿足目標軸向誘導因子。


下面參照附圖所示實施例來詳細描述本發明，附圖中圖1示出了一種風力渦輪機，
圖2示出了根據本發明的風力渦輪機葉片的示意圖，
圖3示出了翼型示意圖，
圖4示出了一翼型處的流速和氣動力，
圖5示出了由不同葉片區段構成的葉片的示意圖，
圖6a示出了風力渦輪機關于風速的功率曲線，
圖6b示出了風力渦輪機關于風速的轉子速度曲線，
圖6c示出了風力渦輪機關于風速的葉片梢端節距曲線，
圖7示出了風力渦輪機葉片上一個區段的速度矢量三角形，
圖8a和8b分別示出了流入量和葉片載荷作為局部葉片半徑函數的曲線圖，
圖9示出了根據本發明的葉片的第一實施例，
圖10示出了根據本發明的葉片的第二實施例，
圖11示出了根據本發明的葉片的第三實施例，
圖Ih-C和圖13a-c圖示了用于修正非最佳扭轉的補償措施，
圖Ha-c和圖lfe-c圖示了用于修正非最佳翼弦長度的補償措施，
圖16示出了與翼面區段設計點相比、風力渦輪機葉片的實際葉片區段的操作點，
圖17a_17e示出了設置有通風孔的葉片的橫截面以及進行通風的作用，
15圖18a-18c示出了設置有表面安裝元件的葉片的橫截面和使用表面安裝元件的作用， 圖19a示出了設置有多元件型面的葉片的橫截面和使用這種型面的作用， 圖19b_d示出了相對于葉片橫截面放置多元件型面的方式， 圖20a和20b示出了設置有格尼襟翼的葉片的橫截面和使用格尼襟翼的作用， 圖21a-21c示出了設置有渦流發生器的葉片的橫截面和使用渦流發生器的作用， 圖2 和22b示出了設置有擾流器元件的葉片的橫截面和使用擾流器元件的作用， 圖23a示出了攻角的平均值和最佳值作為與輪轂徑向距離的函數的曲線圖， 圖2 示出了位差角作為與輪轂徑向距離的函數的曲線圖，
圖23c示出了根據本發明的葉片的外側部分的阻力系數和升力系數之間的關系以及攻角和升力系數之間的關系，以及
圖23d示出了根據本發明的葉片的內側部分的阻力系數和升力系數之間的關系以及攻角和升力系數之間的關系，
圖Ma-g示出了圖示具有線性相關的扭轉和/或翼弦的葉片的不同實施例的曲線圖，
圖25示出了根據本發明的葉片的第四實施例，
圖26示出了具有線性預彎曲的葉片的一個實施例的曲線圖，
圖27示出了具有雙曲壓力側的葉片型面，
圖觀示出了沒有雙曲率的葉片型面，
圖四示出了具有零弧高的葉片的一個實施例的曲線圖，
圖30示出了對稱的葉片型面，
圖31示出了具有負彎度的葉片的一個實施例的曲線圖， 圖32示出了具有負彎度的第一葉片型面， 圖33示出了具有負彎度的第二葉片型面，
圖34圖示出了為兩種不同類型的風力渦輪機葉片使用公共葉片區段的原理， 圖35示出了使用輪轂延長件的原理， 圖36圖示出了將葉片特性調節到目標值的原理， 圖37示出了翼弦長度分布的例子，
圖38示出了可變換葉片的扭轉和現有葉片的扭轉之間的對比， 圖39示出了不同葉片和風速情況下流入角的曲線圖， 圖40示出了不同葉片和風速情況下升力系數的曲線圖， 圖41示出了不同葉片和風速情況下軸向誘導因子的曲線圖， 圖42示出了不同葉片的相對厚度分布的曲線圖， 圖43示出了具有共享翼外基礎部的可變換葉片， 圖44示出了可變換葉片的翼弦長度分布的例子， 圖45示出了可變換葉片的流入角的曲線圖， 圖46示出了可變換葉片的升力系數的曲線圖， 圖47示出了其它可變換葉片的流入角的曲線圖， 圖48示出了其它可變換葉片的升力系數的曲線圖， 圖49示出了交錯的可變換葉片的例子， 圖50示出了可變換葉片的翼弦長度分布的另一例子，圖51示出了可變換葉片的流入角的曲線圖，以及圖52示出了可變換葉片的升力系數的曲線圖。
具體實施例方式圖1例示出了根據所謂“丹麥概念(Danish concept)"的常規現代逆風式風力渦輪機，該風力渦輪機具有塔架4、機艙6和具有基本上水平的轉子軸的轉子。轉子包括輪轂 8和從輪轂8沿徑向延伸的三個葉片10，每個葉片具有最接近輪轂的葉片根部16和最遠離輪轂8的葉片梢端14。所述轉子具有由R表示的半徑。圖2示出了根據本發明的風力渦輪機葉片10的第一實施例的示意圖。風力渦輪機葉片10具有常規風力渦輪機葉片的形狀并且包括最接近輪轂的根部區域30、最遠離輪轂的型面或翼面區域34，以及根部區域30和翼面區域34之間的過渡區域32。葉片10包括當葉片被安裝在輪轂上時面向葉片10的轉動方向的前緣18，以及面向前緣18相反方向的后緣20。翼面區域34 (也被稱作型面區域)在產生升力方面具有理想或幾乎理想的葉片形狀，然而鑒于結構上的考慮，根部區域30具有基本上呈圓形或橢圓形的橫截面，這例如使得將葉片10安裝到輪轂上更容易且更安全。根部區域30的直徑(或翼弦)沿整個根部區域30通常是恒定的。過渡區域32具有從根部區域的圓形或橢圓形形狀40逐漸變為翼面區域34的翼型50的過渡型面42。過渡區域32的翼弦長度通常隨著與輪轂的距離r的增加而基本上線性地增加。翼面區域34具有翼型50，所述翼型50具有在葉片10的前緣18和后緣20之間延伸的翼弦。翼弦的寬度隨著與輪轂的距離r的增加而減小。應該注意葉片不同區段的翼弦一般不在一個共同平面上，這是由于葉片可以扭轉和/或彎曲(即預彎曲)，因此使翼弦平面具有相應的扭轉和/或彎曲的路線，這是最常見的情形，以便彌補葉片的局部速度，該速度取決于距輪轂的半徑。圖3示出了風力渦輪機的典型葉片的翼型50的示意圖，所述翼型50是用多個參數描述的，所述參數通常用于限定翼面的幾何形狀。翼型50具有壓力側52和吸力側M，所述壓力側52和吸力側M在使用過程中(即在轉子的轉動過程中)一般分別面向迎風(或逆風)側和下風(或順風)側。翼面50具有翼弦60，所述翼弦60的翼弦長度c在葉片的前緣 56和后緣58之間延伸。翼型50具有厚度t，所述厚度t被定義為壓力側52和吸力側M 之間的距離。翼型50的厚度t沿翼弦60變化。弧線62給出了與對稱型面的偏離，所述弧線是穿過翼型50的中線。所述中線可通過從前緣56到后緣58繪制內接圓而找到。所述中線經過這些內接圓的中心，與翼弦60的偏離或距離被稱作弧高f。也可利用稱作上弧高和下弧高的參數來定義這種不對稱性，這兩個參數分別被定義為與翼弦60的距離和與吸力側討及壓力側52的距離。翼型通常由以下參數限定翼弦長度C、最大弧高f、最大弧高f的位置df、最大翼面厚度t (其是沿中弧線62上內接圓的最大直徑)、最大厚度t的位置dt和頂冠半徑(nose radius)(未示出)。這些參數通常被定義為與翼弦長度c之比。圖4示出了翼型50處的流速和氣動力的示意圖。該翼型位于轉子的徑向位置或半徑r處，所述葉片是所述轉子的一部分，并且所述型面被設置成給定扭轉或節距角θ。軸向自由流速度Va (根據理論，其最佳地被給定為風速Vw的2/3)和切向速度r · ω (其方向沿轉子的轉動方向64)結合形成合成速度\。合成速度\與弧線60—起限定了流入角Φ， 可從所述流入角Φ中減去攻角α。當翼型50受到入射氣流沖擊時，垂直于合成速度ν,產生升力66。同時，翼面受到朝合成速度\方向的阻力68的作用。知道每個徑向位置的升力和阻力后，可計算沿葉片整個長度的合成氣動力70的分布。這些氣動力70通常被分為兩個分量，即切向力分布(在轉子的轉動平面中)和朝向與切向力成直角的方向的推力72。進一步地，翼面會受力矩系數75影響。轉子的驅動轉矩可以通過在葉片的整個徑向長度上對切向力74進行積分來計算。驅動轉矩和轉子轉動速度一起為風力渦輪機提供全部轉子功率。在葉片的整個徑向長度上對局部推力72進行積分得到例如相對于塔架的總轉子推力。下面(第1節)將描述根據常規設計方法進行的葉片設計。1風力渦輪機葉片設計的現有技術狀況
現今，風力渦輪機的轉子設計是空氣動力特性和整體風力渦輪機設計負荷之間的折衷。最常見的是，葉片被設計為用于最小化能量消耗(C0E)、找到能量產出和渦輪機負荷的最佳權衡。這意味著空氣動力設計不能被看作孤立問題，因為在最大能量產出可能導致過載的情況下，孤立看待最大能量產出是沒有意義的。因此，經典的解析或半解析法并不能完全勝任葉片設計任務。1. 1葉片設計參數
轉子新型葉片的空氣動力設計涉及以下總轉子半徑R和葉片數量B。總體葉片平面圖，其由圖3和圖4中的下列參數描述翼弦長度C、扭轉角θ和相對于翼弦c的厚度t。這些參數都應作為局部葉片半徑r的函數來確定。節距軸線相對葉片半徑的位置可被定義為x/c(r)和y/c(r)，即后掠和預彎曲。當葉片被安裝在轉子上時，預彎曲是葉片在垂直于轉子平面的方向上的葉片預偏轉。預彎曲的目的在于當葉片在操作過程中偏轉時，防止葉片撞擊塔架。規定的后掠使得可以沿葉片的長度軸布置翼面區段，這影響整個葉片的區段負荷。在現有空氣動力轉子設計方法的技術狀況中一個重要的關鍵要素是使用預設計的翼面。沿葉片半徑為各個葉片部位選擇翼面。描述每個翼面區段的參數在圖4中示出 升力系數66 (Cl)、阻力系數68 (cd)、力矩系數75 (Cffl)0對于各個獨立的葉片部位，這些翼面特性都通過攻角α進行描述，然后由每個區段的總葉片流入角確定攻角a。風力渦輪機轉子的巨大操作范圍以及對全地形條件下強壯和可靠的空氣動力特性的需求使得風力渦輪機翼面與傳統飛機和滑翔器翼面不同。1.2控制策略
作為功率和大多數負荷的受體，風力渦輪機轉子上的葉片在風力渦輪機系統設計中是很重要的組件。因此，用風力渦輪機控制策略的密切知識來設計風力渦輪機葉片。所述控制策略限定了如何針對不同風速來優化和控制轉子功率。存在三種根本上不同的控制方案
1.可變轉子速率，這里，在轉子速率可變情況下，可為各種風速獲得轉子的設計目標點。通常，葉片節距(pitch)保持恒定。
2.恒定的轉子速率和可變的葉片節距。這里，通過調節葉片節距盡可能地接近轉子的設計目標點。3.恒定轉子速率和恒定葉片節距。這里，只能在一個風速下滿足轉子的設計目標
點ο圖6a_6c示出了對于典型的可變風速和受控節距風力渦輪機的功率特性。圖6a示出了對于風速的典型功率曲線。在低風速處，功率隨風速增加直到達到額定功率。存在兩個重要的風速區域，即功率優化區域和功率控制區域。在風速低于圖6中虛線所示閾值的區域中功率被優化，在較高風速處功率保持恒定的區域是功率控制區域。在功率優化區域，通過改變葉片梢端節距或轉子速率來追蹤轉子設計目標點。這樣做的目的是為了使功率以及能量產出最大化。圖6b和6c示出了主導風力渦輪機葉片設計的控制參數圖6b示出了轉子速率Ω 與風速，圖6c示出了葉片梢端節距角Θ。轉子速率在低風速處具有最小值，并且當追蹤最佳功率直到達到額定功率時，這對應于轉子速率隨風速線性增加。當達到轉子速率的給定最大值時，轉子速率在功率控制過程中保持恒定。在功率優化過程中葉片節距通常保持恒定，然后在功率控制過程中隨風速而增加以防止功率超出額定值。在功率控制區域，對于大多數渦輪機而言，通過調節葉片節距，功率被保持為接近驅動機構的額定功率，從而使得葉片失速或相反地朝很小的負荷運行。一些渦輪機具有失速控制裝置，此時葉片節距保持恒定。這里，通過設計使葉片的一些部分被動失速，達到額定功率值。1.3轉子設計目標點
無論進行何種類型的功率優化，風力渦輪機葉片都被設計為在一個設計目標點操作。 對于可變轉子速率和/或可變葉片節距，在風速范圍內可實現在設計目標點處進行操作， 而對于失速控制的轉子，僅在一個風速處表現出在設計目標點處進行操作。轉子設計目標點由相應的設計梢端速比表征，該速比被定義為梢端速度和風速之比，X=r· Ω/V，其中Ω是轉子的轉速。在設計目標點處，與遠離轉子設計目標點的操作點相比，轉子功率系數最大。轉子設計點可被看作第一縱向節段整個縱向長度上的平均，或者可被看作用于第一縱向節段內多個較小半徑節段的個體目標。再者，轉子設計點可被看作用于葉片第一縱向節段的每個橫截面的個體目標。當確定了轉子設計目標點并且確定了渦輪機控制策略時，選擇翼面，并且決定轉子半徑和葉片數量。剩下的參數是局部翼弦、扭轉和相對于葉片半徑的厚度以及局部區段設計目標點。這些參數通過在考慮到負荷和能量消耗的情況下優化轉子設計目標點特性來找到。因此，在設計目標點處的轉子功率系數不一定是最佳可達到值，但是對于給定的轉子，總是存在一個設計目標點。1.4局部區段設計目標點
局部區段設計目標點可根據圖7所示的給定區段的速度三角形定義。這里，合成速度 W由軸向流速ν (Ι-a)和切向流速r· Ω (1+a’)構成。總流入角Φ的正切等于軸向分量和切向分量之比。軸向誘導因子表示在轉子平面處自由流速的百分比減少。切向誘導因子表示由轉子在轉子平面中引起的轉子尾流的轉動百分比。如圖4所示，總流入角Φ仍由局部扭轉角 和局部攻角α構成。當知道局部翼弦c和局部扭轉角θ以及對于局部攻角α的翼面區段力系數時， 可使用所謂的葉素動量法(BEM)來解決通過葉片節段覆蓋的轉子環的總流量與每個葉片上的局部力之間的平衡問題。可以計算合成的法向力和切向力，所述法向力垂直于轉子平面， 而所述切向力平行于轉子平面。通過這種計算過程，確定出誘導因子，并且當在轉子設計目標點處操作時，誘導因子繼而表示目標誘導因子。反之亦然，如果確定了目標誘導因子，則當知道翼面區段時，可推導出局部翼弦和扭轉。在為了優化空氣動力特性而設計局部區段的情況中，可以看出對于梢端速比的高值而言，最佳軸向誘導因子接近1/3，而切向誘導因子接近零。有一種確定精確的最佳誘導因子并據此確定局部翼弦和扭轉以便優化空氣動力特性的簡單方法。這種方法的一個例子是Glauert的與BEM法一起公布的方法 (Glauert, H. Airplane propellers in Aerodynamic Theory ed. Durand, W.F. Dower Publications, Inc. New York)。1.5經典空氣動力葉片設計
Glauert的經典葉素動量(BEM)理論通過將轉子盤分成環形流管，在穿過轉子盤的總流量和葉片上翼面周圍的局部流量之間建立平衡，使得可以通過簡單手段解決轉子流量。 如果忽略阻力，則可找到用于最佳轉子的簡單表達式
Ixkcl
R ‘1 — 0 cos Φ
其中，如前所述，x=r · Ω /ν是梢端速比，ν是設計點風速，X是基于R的梢端速度，并且 Φ是局部流入角，以及a是軸向誘導。當限定了空氣動力葉片形狀時，第一步是選擇葉片的數量以及設計梢端速比。然后，可以得到相對于半徑的理想轉子載荷和流入角Φ，所述理想轉子載荷被定義為翼弦長度乘以升力系數(c *Cl)。以理想轉子載荷為基礎，可以通過考慮載荷和實際限制來決定目標載荷。接著，為各個葉片節段選擇翼面并且知道氣流角使得可以決定葉片扭轉。這一般被選擇成，使得在盡可能大的葉片部分上的翼面升阻比最佳，以最大化轉子功率系數。因此，葉片操作升力系數C1,。通常是翼面設計升力系數cld，然后可根據目標載荷推導出翼弦。 然而，在葉片一些部分上，考慮到載荷、制造等，葉片操作升力系數C1,。和翼面設計升力系數 Cld之間會有差異。當存在差異時，操作升力系數不會導致如圖16所示的最佳升力-阻力， 并且操作攻角α。將不等于翼面設計攻角ad。葉片厚度被選擇成對結構和空氣動力考慮的折衷，這是因為較厚的厚度有助于葉片結構，但這是以翼面升阻比降低為代價的。BEM法還揭示了，1/3的軸向誘導不幸是與轉子上的高推力相關聯的，在減少僅僅少量轉子功率的情況下即可顯著降低該推力和由其導致的載荷。這是因為在單一點的空氣動力優化設計不會考慮設計工況外的操作和負載，以及由此最小化能量消耗。為了減小載荷，相比于最佳值的1/3，軸向誘導通常被減小。另一方面，當設計問題中也包括設計工況外的操作(例如接近功率控制的操作)時，目標誘導因子可能存在所需的最小值，以防止導致不必要的噪聲和功率損失的過早葉片失速。因而，對于現代轉子來說，目標誘導因子不一定與空氣動力最佳誘導相同，而且對于相對于葉片半徑的目標誘導而言，沒有單一的最佳值， 因為這種最佳值取決于許多因素。圖8a和8b示出了載荷(c· 和流入角Φ的理想值(虛線)以及典型風力渦輪機葉片的流入量和載荷的實際目標值(實線)。可以看出，兩條曲線在葉片的大部分上近似匹配，但是仍有差別。可以看出，對于r的低值(即靠近葉片根部處)，目標值明顯偏離理想值。這主要是由于結構考慮。更進一步地，從圖8a和圖8b清楚地顯示了，由于載荷和流入角相對于葉片半徑非線性地變化，因此對于翼弦和扭轉也是這種情況，不僅對于理想葉片是這樣，對于市面上典型的葉片也是這樣。1.6葉片區域
根據葉片設計，如圖2和5所示，葉片可以被分為四個不同區域 1.靠近輪轂的葉片根部區域30，其主要為圓形。2.過渡區域32，其處于葉片根部區域和剩余葉片部分之間。3.翼面形狀部34，是葉片的主要部分。典型地，翼面形狀部從帶有最大翼弦的葉片區朝葉片梢端部延伸。4.葉片梢端部36，其通常小于葉片外側10%。葉片根部區域30是從葉片到葉片軸承和輪轂的中間件，因此這一區域必然結束于一個圓形凸緣中。因此，該設計主要是結構性的。此區域中的葉片翼弦和厚度對應于根部凸緣直徑，但扭曲在這一區域中不能被限定。由于圓形區段的空氣動力特性差，使得合成法向力分量明顯太小，不能平衡轉子流，因此誘導將過小，并且流入角將過高，導致局部功率系數很小。過渡區域32通過從翼面形狀部34’變形到葉片根部區域30而形成。在翼面形狀部34開始處，翼弦、扭轉和厚度分別改變為它們各自的值。注意，這種改變并非必須與葉片半徑線性相關。在此區域，由于相對厚度大，凈分段特性差，并且局部翼弦并未高到足以獲得正確的法向力分量。然而，如果使用流動控制以實現法向力分量和局部流入的正確組合， 從而得到最大的可能功率系數，則可以改變這種情況。與其它區域30、32、36相反，翼面形狀部34最初基于空氣動力原因來設計。翼面形狀部34是葉片的最大部分，并且該部分是轉子功率和渦輪機載荷的主要來源。考慮到設計工況外的操作和載荷，以近似最佳的葉片空氣動力學來設計該區域。葉片梢端部36正是梢端區域，其被設計為主要關注噪聲和載荷，因此可以推導出翼弦和扭轉的最佳值。朝葉片梢端，翼弦和厚度趨于零，而扭轉最終為一有限值。1.7 小結
傳統上，通過首先設計葉片本身的外形和空氣動力特性來設計現代風力渦輪機葉片， 以獲得葉片翼面區段的每個徑向區段的目標載荷和目標軸向誘導。然后，根據葉片的設計規格來確定如何安排制造。2.可變換葉片
本發明突破了現代風力渦輪機葉片的傳統設計過程。本發明提供了一種新的設計過程，其中，生產在制造風力渦輪機葉片的基礎部或主葉片部的有效方法方面被優化，并且葉片的基礎部被改進為具有導流裝置，以獲得適當的空氣動力規格，即獲得每個徑向區段的目標軸向誘導因子和載荷。因此，葉片的基礎部可以相當大地偏離目標設計點和最佳空氣動力設計。本發明主要涉及葉片翼面形狀部34的一種不同設計，參見圖5。下文中，根據本發明的葉片有時會被稱作可變換葉片。圖9示出了根據本發明的風力渦輪機葉片的第一實施例。與風力渦輪機葉片的常規設計方法類似，葉片被分為根部區域130、過渡區域132和翼面區域134。翼面區域包括葉片的葉片梢端部136和第一縱向區段140。葉片的第一縱向區段被分為第一基礎部141 和多個變流裝置146-149。第一基礎部141具有型面，該型面具有對于例如各葉片部的模塊化和/或第一基礎部141的制造而言簡化的結構，并且該型面在其自身的轉子設計點處基本上偏離所述目標軸向誘導因子和/或目標載荷。因此，第一縱向區段140設置有變流裝置，這里所述變流裝置被描述為第一縫翼(slat)146和第二縫翼147，以及第一襟翼(flap) 148和第二襟翼149。盡管這種變流裝置的使用非常有利于獲得目標軸向誘導因子和目標載荷，但是本發明不僅限于這種變流裝置。第一縱向區段140沿翼面區域134的縱向長度的至少20%延伸。進一步地，葉片可以設置有變流裝置，該變流裝置被布置在葉片的過渡區域132， 也可能在根部區域130，這里該變流裝置被描述為縫翼133。在第一實施例中，用包括基礎部和變流裝置的單一縱向區段來替代翼面區域的翼面形狀部。然而，該翼面形狀部可被分為如圖10和11所示的額外縱向區段。圖10示出了根據本發明的風力渦輪機葉片的第二實施例。與風力渦輪機葉片的常規設計方法類似，葉片被分為根部區域230、過渡區域232和翼面區域234。翼面區域包括葉片梢端部236、第一縱向區段240和第二縱向區段M2。葉片的第一縱向區段240被分為第一基礎部241和多個變流裝置M6。葉片的第二縱向區段242被分為第二基礎部M3 和多個變流裝置對8。第一基礎部241和第二基礎部243具有型面，這些型面具有對于例如各葉片部的模塊化和/或基礎部MU43的制造而言簡化的結構，并且所述型面在其自身的轉子設計點處基本上偏離所述目標軸向誘導因子和/或目標載荷。因此，縱向區段設置有變流裝置，這里所述變流裝置被描述為第一縫翼246和第一襟翼M8，然而變流裝置不僅限于這種變流裝置。第一縱向區段240和第二縱向區段242都沿翼面區域234的縱向長度的至少20%延伸。進一步地，葉片可以設置有變流裝置，這里被描述為縫翼233，所述變流裝置被布置在葉片的過渡區域232，也可能在根部區域230。圖11示出了根據本發明的風力渦輪機葉片的第三實施例，其中，相似的附圖標記表示與圖10所示的第二實施例相似的部分。因此，僅解釋兩圖之間的不同。第三實施例與第二實施例的不同之處在于，翼面區域334還包括過渡區段344，所述過渡區段344布置在第一縱向區段340和第二縱向區段342之間。過渡區段344包括過渡基礎部345，過渡基礎部345分別從第一基礎部341和第二基礎部343的端部型面變形而形成。因此，過渡基礎部345也具有型面形狀，其在自身的轉子設計點處基本上偏離所述目標軸向誘導因子和 /或目標載荷。因此，所述過渡區段344還設置有多個變流裝置346、348。進一步地，葉片可以設置有變流裝置，這里被描述為縫翼333，所述變流裝置被布置在葉片的過渡區域332，也可能在根部區域330。
根據后面的描述將會明了，圖9-11所示的實施例也可設置有表面安裝元件、渦流發生器等。2. 1局部次佳扭轉和/或翼弦長度
當設計具有簡化基礎部的可變換葉片時，基礎部的兩個型面特征局部與最佳目標條件 (即轉子設計點處的局部葉片扭轉以及因此導致的流入角和局部翼弦長度)通常有所不同。圖12示出了第一種情況，該第一種情況圖示了上述偏離。如1.4節中所解釋的，局部區段設計目標點由速度矢量三角形定義，其中，合成速度vinfl。w由軸向流速vwind( I-Btarget) 和切向流速r ·ω (1+a’)，也參見圖12a。當流入角為O1時，此條件僅在設計點處被滿足。 在轉子設計點處，局部區段具有操作升力系數C1和操作阻力系數cd。合成氣動力可以如前所解釋的被分成切向力T以及載荷或推力，所述切向力T的方向位于轉子的轉動平面中，所述載荷或推力是與轉子平面64’垂直的法向力Ntogrt。對于具有給定局部翼弦長度c的區段的給定型面，僅當局部扭轉角等于目標扭轉 θ ！并且攻角等于α ！時，滿足目標條件，即達到轉子設計點處局部葉片型面的目標軸向誘導因子和目標法向載荷Ntogrt。然而，基礎部的局部葉片型面具有小于目標扭轉Q1的實際扭轉θ 2。因此，流入角變為改變后的角Φ2，其小于Φρ更進一步地，攻角變為改變后的攻角α2，其大于Ci1。因此，所示的兩個矢量三角形如圖12b所示地變換，并且葉片區段獲得了具有改變后的合成速度矢量\_ 2的流入條件，在該條件下，實際軸向誘導因子％變得大于目標軸向誘導因子 grt。進一步地，升力系數變為改變后的升力系數C12和改變后的阻力系數cd2。因此， 法向載荷變為大于目標法向載荷Ntmgrt的實際法向載荷N2。因此，需要變流裝置，以便補償改變后的流入條件和法向載荷。為了獲得目標軸向誘導因子，流入角必須變回到O1，如圖12c所示。因此， 補償的攻角必須等于a3=c^-e2。對于此攻角，變流裝置(這里被描述為襟翼)必須將阻力系數和升力系數改變為改變后的值Cd3和C13，這樣合成法向載荷變為等于目標法向載荷 Ntargeto因此，變流裝置用于將軸向誘導因子從 降低到，并將載荷從N2降低到Ntogrt。圖13示出了一種類似情況，但是具有給定局部翼弦長度c的基礎部的局部葉片型面具有高于目標扭轉Q1 (如圖1 所示)的實際扭轉Θ2。因此，流入角變為改變后的角 Φ2，其大于Φ1Ι5更進一步地，攻角變為改變后的攻角α2，其小于αι。因此，所示的兩個矢量三角形如圖12b所示地變換，并且葉片區段獲得具有改變后的合成速度矢量vinfl。w2的流入條件，在該條件下，實際軸向誘導因子 變得小于目標軸向誘導因子 -。進一步地， 升力系數變為改變后的升力系數C12和改變后的阻力系數cd2。因此，法向載荷變為小于目標法向載荷Ntmgrt的實際法向載荷N2。因此，需要變流裝置，以便補償改變后的流入條件和法向載荷。為了獲得目標軸向誘導因子^itoget，流入角必須變回到O1，如圖13a和13c所示。 因此，補償的攻角必須等于Ci3=O1-Q215對于此攻角，變流裝置(這里被描述為襟翼)必須將阻力系數和升力系數改變為改變后的值Cd3和C13，這樣合成法向載荷變得等于目標法向載荷Ntogrt。因此，變流裝置用于將軸向誘導因子從 增加到，并將載荷從N2增加到
Ntarget °圖14還是示出了一種類似情況。對于具有給定節距角Θ工和α i的區段的給定型面，僅當翼弦長度等于目標翼弦C1時滿足目標條件，即在轉子設計點處局部葉片型面達到目標軸向誘導因子^itawt和目標法向載荷Ntmgrt。然而，基礎部的局部葉片型面具有小于目標翼弦C1的實際翼弦長度c2。因此，流入角變為改變后的角Φ2，其大于Φρ更進一步地，攻角變為改變后的攻角α2，其大于αι。 因此，所示的兩個矢量三角如圖14b所示地變換，并且葉片區段獲得具有改變后的合成速度矢量vinfl。w2的流入條件，在該條件下，實際軸向誘導因子 變得小于目標軸向誘導因子 Btargeto進一步地，升力系數變為改變后的升力系數C12和改變后的阻力系數Cd2。因此，法向載荷變為小于目標法向載荷Ntmgrt的實際法向載荷N2。因此，需要變流裝置，以便補償改變后的流入條件和法向載荷。為了獲得目標軸向誘導因子，流入角必須變回到O1，如圖14c所示。因此， 補償的攻角必須等于a3=c^-e2。對于此攻角，變流裝置(這里被描述為襟翼)必須將阻力系數和升力系數改變為改變后的值Cd3和C13，這樣合成法向載荷變得等于目標法向載荷 Ntargeto因此，變流裝置用于將軸向誘導因子從 增加到，并將載荷從N2增加到Ntogrt。圖15還示出了一種類似情況，但具有給定扭轉角θ 2的基礎部的局部葉片型面具有大于目標翼弦C1的實際翼弦C2 (如圖1 所示)。因此，流入角變為改變后的角Φ2，其小于Φρ更進一步地，攻角變為改變后的攻角α2，其小于αι。因此，所示的兩個矢量三角如圖1 所示地變換，并且葉片區段獲得具有改變后的合成速度矢量vinfl。w2&流入條件，在該條件下，實際軸向誘導因子％變得大于目標軸向誘導因子\ grt。進一步地，升力系數變為改變后的升力系數C12和改變后的阻力系數cd2。因此，法向載荷變為大于目標法向載荷 Ntarget的實際法向載荷N2。因此，需要變流裝置，以便補償改變后的流入條件和法向載荷。為了獲得目標軸向誘導因子^itmget，流入角必須變回到O1，如圖1 和15c所示。 因此，補償的攻角必須等于Ci3=O1-Q215對于此攻角，變流裝置(這里被描述為襟翼)必須將阻力系數和升力系數改變為改變后的值Cd3和C13，這樣合成法向載荷變得等于目標法向載荷Ntogrt。因此，變流裝置用于將軸向誘導因子從 降低到，并將載荷從N2降低到
Ntarget °2. 2變流裝置和空氣動力效果
本小節描述了可用于補償偏離目標的扭轉和翼弦的變流裝置以及它們的空氣動力效果。一般而言，需要圖19所示的多元件裝置(例如襟翼和/或縫翼)或圖18所示的表面安裝元件，以補償與葉片縱向區段的基礎部的目標扭轉和翼弦的大的偏離。然而，可能有必要使用額外的變流裝置，例如高升力裝置，如渦流發生器和/或格尼襟翼，以在給定攻角處獲得正確的升力和阻力系數。圖17示出了變流裝置80的第一示例，變流裝置80用于補償葉片各個縱向區段的基礎部的偏離目標設計參數。在此實施例中，變流裝置由多個通風孔80組成，通風孔80用于在葉片內部和葉片外部之間進行吹氣和吸氣。如圖17a和17b所示，通風孔被有利地應用到葉片的吸力側。通風孔80用來產生附著流帶。從通風孔80排出的空氣可用于對邊界層進行供能或重新供能，以便使所述流保持附著到葉片的外表面，如圖17b所示。或者，如圖 17a所示，通風孔可以用于吸氣，由此去除邊界層中的低動量流并且剩余的流被重新供能且被拉向葉片的表面。或者，通風孔可以用于產生脈沖射流，例如作為人工射流。盡管不產生流，但是這會向所述流傳遞動量，并由此對邊界層重新供能，改變流動分離。這種實施例的例子在圖17c和17d中示出，其中通風孔設置有隔膜。這些隔膜可設置在靠近葉片的外表面處(如圖17d所示)或靠近葉片的內表面處(如圖17c所示)。圖17e的實線示出了在沒有吸氣或吹氣的情況下基本翼面的升力系數和流入角 (或者替代性地，攻角)之間的關系。通過使用吸氣(如圖17a所示)或切向吹氣(即基本上與葉片表面相切地排出空氣)，邊界層被供能和重新供能。同樣地，如圖17c和17d所示的脈沖射流將對邊界層供能。因此，升力系數變大。同時，最大升力系數存在于稍高的流入角處。因此，如圖17e中的虛線所示，曲線圖向上且稍微向右地移動。或者，可以沿非切向角進行吹氣，例如以大于45度的角，也可能以基本上垂直于葉片表面的角度進行吹氣。在此情形中，邊界層變得與葉片表面分離。因此，升力系數變低。此時，最大升力系數存在于稍低的流入角處。因此，如圖17e中的點線所示，區線圖向下且稍微向左移動。圖18示出了變流裝置180、181、182的變流裝置的第二示例，所述變流裝置用于補償葉片基礎部的偏離目標設計參數。在此實施例中，變流裝置由多個表面安裝元件組成。圖 18a示出了第一實施例，其中，第一后緣元件180安裝在葉片的吸力側靠近葉片后緣處，第二后緣元件181安裝在葉片壓力側靠近葉片后緣處，而前緣元件182安裝在葉片壓力側靠近葉片前緣處。圖18b示出了第二實施例，其中，在葉片的吸力側上僅使用第一后緣元件。圖18c中的實線示出了在沒有使用表面安裝元件的情況下基本翼面的升力系數與流入角(或者替代性地，攻角)之間的關系。通過使用在葉片壓力側的前緣元件182和第二后緣元件181，翼面的有效弧高增加，而且轉子設計點處的操作升力系數增加。最大升力系數也增加。通過利用在葉片吸力側上的第一后緣元件180，翼面的弧高減小，并且轉子設計點處的操作升力系數以及最大升力系數減小。圖19圖示了使用多元件翼面(例如縫翼或襟翼)作為導流裝置的效果。所繪曲線圖示出了在不使用多元件翼面的情況下基本翼面的升力系數和流入角(或者替代性地，攻角)之間的關系。通過利用朝葉片壓力側定向的后緣襟翼，該曲線圖朝攻角較小的方向移動。通過利用朝葉片吸力側定向的后緣襟翼，該曲線圖朝攻角較大的方向移動。通過使用靠近葉片吸力側的縫翼，升力系數增加，并且最大升力系數存在于稍大攻角處。通過使用靠近葉片吸力側的縫翼和朝葉片壓力側定向的襟翼，升力系數增加，并且最大升力系數存在于較小攻角處。通過使用靠近葉片吸力側的縫翼和朝葉片吸力側定向的襟翼，升力系數增力口，并且最大升力系數存在于較大攻角處。可用多種方式實現縫翼和襟翼。縫翼可以例如經由圖19b所示的連接元件與葉片的第一基礎部連接。縫翼可以按下述方式與第一基礎部連接，即使得縫翼可相對于第一基礎部轉動和/或平移地移動。同樣，如圖19c所示，襟翼可被設置為獨立元件，所述元件可以相對于第一基礎部轉動地和/或平移地移動。因此，葉片型面是多元件型面。或者，如圖 19d所示，襟翼可以實現為弧形襟翼，所述弧形襟翼可用于改變葉片型面的弧線。圖20示出了變流裝置280的另一示例，所述變流裝置280用于補償葉片基礎部的偏離目標設計參數。在此實施例中，變流裝置包括在后緣處附接到壓力側的裝置，在本例中如圖20a所示的格尼襟翼280。類似變流裝置的其它附接方式是與型面表面成大于90度角的三角楔或裂口。圖20b的實線示出了在沒有使用表面安裝元件的情況下基本翼面的升力系數和流入角(或者替代性地，攻角)之間的關系。通過使用格尼襟翼，轉子設計點處的操作升力系數增加，最大升力系數也增加，如圖20中的虛線所示。
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圖21示出了變流裝置380的又一示例，所述變流裝置380用于補償葉片基礎部的偏離目標設計參數。在此實施例中，變流裝置包括多個渦流發生器，如圖21a所示。這里， 渦流發生器380被描述為輪葉型的，但是其也可以是任意其它類型的渦流發生器。渦流發生器380產生相干湍流結構，即在葉片表面處朝葉片后緣傳播的渦旋。渦流發生器有效地改變徑向區段的最佳攻角并且通過對邊界層重新功能和延遲分離改變葉片區段的升力。圖21b示出了具有成對輪葉渦流發生器布局結構的一個有利實施例，該輪葉渦流發生器顯示出尤其適合延遲氣流的分離。該布局結構至少由包括第一輪葉和第二輪葉的第一對輪葉渦流發生器、以及包括第一輪葉和第二輪葉的第二對輪葉渦流發生器組成。所述輪葉被設計為三角形平面元件，其從葉片的表面突出并且被布置為使得朝葉片的后緣輪葉的高度增加。輪葉具有最大高度h，其位于輪葉對布局結構處翼弦長度的0. 5%和1%之間的區間內。輪葉被布置為與葉片的橫向成15至25度之間的角b。典型地，角b約為20度。 輪葉對的輪葉被布置為使得端點(即最靠近葉片后緣的點)以間距s相間隔，s是最大高度的2. 5至3. 5倍的區間，通常接近最大高度的3倍(s=3h)。輪葉具有長度1，1相當于輪葉的最大高度h的1. 5至2. 5倍，通常接近最大高度的兩倍(l=2h)。輪葉對被布置有徑向或縱向間距ζ，ζ相當于輪葉最大高度h4至6倍，通常接近最大高度的五倍(z=5h)。圖21c的實線示出了在沒有使用渦流發生器的情況下基本翼面的升力系數和流入角(或者替代性地，攻角)之間的關系。通過使用渦流發生器380，最大升力系數朝較高攻角改變。點線示出了當渦流發生器位于向前位置(即朝向葉片前緣)時的相應關系，虛線示出了當渦流發生器位于向后位置(即朝向葉片后緣)時的相應關系。容易看出，渦流發生器的使用可用于改變設計流入角以及最大升力。圖22示出了變流裝置480的又一示例，所述變流裝置480用于補償葉片基礎部的偏離目標設計參數。在此實施例中，變流裝置包括擾流器元件，所述擾流器元件從葉片的壓力側突起，如圖2 所示。擾流器元件常用在葉片的過渡區域處，也可以在葉片翼面區域的內側部。圖22b中的實線示出了在沒有使用表面安裝元件的情況下基本翼面的升力系數和流入角(或者替代性地，攻角)之間的關系。通過使用擾流器元件，最大升力系數顯著增加。 通過使用被安置在葉片的向前位置(即朝向葉片前緣或朝向最大厚度位置)處的擾流器元件，在轉子設計點處的操作升力系數以及最大升力系數增加，如圖22b的虛線所示。通過使用被安置在葉片的向后位置(即朝向葉片后緣或朝向最大厚度位置)處的擾流器元件，在轉子設計點處的操作升力系數以及最大升力系數朝較大值以及朝較大攻角方向改變，如圖 22b的點線所示。3.簡化的葉片基礎部
本節描述了可變換葉片的多種簡化的基礎部結構。3. 1具有次佳扭轉的基礎部
根據常規方法設計的現代風力渦輪機將具有固有扭轉，該固有扭轉與葉片的局部半徑非線性相關。更進一步地，該扭轉相對較高，高達20度。在葉片翼面區域內側部和過渡區域尤其需要扭轉相當大，這是因為在此部分中在轉子設計點處的合成流入速度沿葉片徑向方向改變得相對多，而在靠近葉片梢端的葉片外側部扭轉相當小，這是因為在葉片的此部分中轉子設計點處的合成流入速度沿葉片徑向方向改變得較慢。由于這種非線性，使得根據常規方法的現代風力渦輪機設計相當復雜。因此，制造這種葉片的模具設計也將相當復雜
因此，從設計和制造的角度，獲得具有簡化扭轉(例如線性相關扭轉或相比最佳扭轉減小的扭轉)的葉片基礎部是有利的。這種簡化的扭轉使得可以實現模塊化葉片設計，其中具有非最佳扭轉的基礎部可用于多種不同葉片類型和葉片長度。因此，可在更大/更長葉片的更外側重復利用現有葉片的基礎部，或者在更小/更短葉片的更內側重復利用現有葉片的基礎部。總之，可按如下方式設計葉片，即翼面區域的葉片設計從預設計區段被組裝到一起，并且不同長度的葉片可部分地由已經存在于先前葉片的區段構成。然而，對葉片設計做出這種約束意味著需要使用變流裝置，以便補償對于不同葉片區段不能以目標設計理想扭轉進行操作，如2. 1小節所解釋的。為了補償這種非理想扭轉，葉片可被分為多個如圖2所示的獨立的徑向葉片區段 38，每個徑向葉片區段38設置有變流裝置(未示出)，以補償該徑向葉片區段38的非理想扭轉。這里，徑向葉片區段38被描述為僅稍微延伸進入翼面區域34。然而，為了獲得非理想扭轉的最佳補償，葉片必須沿基本整個翼面區域34設置有單個地補償的徑向葉片區段38。 由于葉片外側部分(即靠近梢端)的扭轉小，因此根據本發明的葉片的所有實施例并非都需要靠近梢端末端設置變流裝置。然而，優選地，至少翼面34的內側75%設置有帶變流裝置的徑向葉片區段38。每個徑向區段38具有用于給定設計點的獨立平均攻角，并且葉片的基礎部具有分段翼面形狀，不帶變流裝置的這種分段翼面形狀具有分段最佳攻角。變流裝置(例如圖 17-22所示的)可用于使分段翼面形狀的最佳攻角朝用于徑向區段的平均攻角轉變。圖23a示出了葉片的平均攻角78作為與輪轂的徑向距離的函數的曲線圖。可以看出，平均攻角78大于最佳攻角76，這清楚地表示了葉片不具有最佳葉片扭轉。因此，例如圖17-22所示，葉片可設置有變流裝置，以使最佳攻角移動一個位差角Δ α，由此對于給定的與輪轂的徑向距離r，使最佳攻角朝平均攻角轉變。圖2 示出了位差角Δ α作為與輪轂的徑向距離的函數的曲線圖。可以看出，位差角Δ α隨著與輪轂的距離r的增加而不斷減小。圖23c和23d分別示出了對葉片的外側部分44和內側部分42為葉片設置變流裝置的效果。圖23c示出了阻力系數和升力系數之間的關系以及攻角和升力系數之間的關系的曲線圖。這些曲線圖例示了屬于葉片外側部分44的與輪轂的給定徑向距離處的葉片的設計參數。設計點用點來描繪并且基于升力系數和阻力系數之間的最佳關系(例如通過最大化升阻比)來選擇。通過為葉片設置變流裝置，示出了升力系數和攻角之間關系的曲線圖朝較大角方向改變，由此補償葉片的外側部分44的“缺少的”扭轉。圖23d示出了對于葉片的內側部分42的類似曲線圖。可以看出，在葉片的內側部分42使用變流裝置具有兩個效果，即升力系數和攻角之間的關系朝較大攻角和較大升力改變。因此變流裝置不僅補償葉片內側部分42的“缺少的”扭轉，而且還相對于葉片內側部分42產生的升力補償了非最佳型面，葉片內側部分42通常包括葉片的根部區域30和過渡區域32。然而，關于葉片部分的模塊性，讓扭轉與局部葉片半徑線性相關是有利的。對于各種具有線性相關的扭轉的實施例，圖Ma-d示出了扭轉θ與局部半徑之間的關系。虛線圖示了最佳扭轉角，以便為不具有變流裝置的葉片獲得轉子設計目標點，實線圖示了具有次2佳扭轉且設置有變流裝置的基礎部的扭轉角和局部半徑之間的關系。如圖2 所示，沿該縱向葉片區段的整個縱向長度，扭轉角可以小于最佳扭轉角。圖24b圖示了第二實施例，其中，僅對于單一橫截面，基礎部的扭轉角等于最佳扭轉角，并且剩余的縱向葉片區段具有小于最佳扭轉角的扭轉角。然而，原則上，縱向葉片區段可以具有扭轉角小于最佳扭轉角的一個部分，扭轉角大于最佳扭轉角的第二部分，以及扭轉角大于最佳扭轉角的第三部分。這在圖2 中示出。再者，如果基礎部被設計為沒有任何扭轉，那么這是非常有利的，其在圖Md 中示出。3.2具有線性翼弦的基礎部
如前所述，根據常規方法設計的現代風力渦輪機具有的翼弦長度分布與葉片的局部半徑非線性相關。然而，如對于扭轉而言，從設計和制造的角度來看，優選獲得具有簡化的翼弦長度分布(例如線性翼弦長度)的葉片基礎部。圖Me-g示出了用于具有線性相關翼弦長度的各種實施例的翼弦長度c和局部半徑之間的關系。虛線圖示了最佳翼弦，以便為不具有變流裝置的葉片獲得轉子設計目標點， 并且實線圖示對于具有線性翼弦長度分布并且設置有變流裝置的基礎部，翼弦長度和局部葉片半徑之間的關系。如圖2 所示，翼弦長度可小于沿該縱向葉片區段整個縱向長度的翼弦長度。圖Mb圖示了第二實施例，其中，僅對于單個橫截面，基礎部的翼弦長度等于最佳翼弦長度，并且剩余的縱向葉片區段具有小于最佳翼弦長度的翼弦長度。圖2 示出了一個有利實施例，該實施例具有翼弦長度小于最佳翼弦長度的第一部分，翼弦長度大于最佳翼弦長度的第二部分，以及翼弦長度大于最佳翼弦長度的第三部分。線性翼弦長度分布可以例如被選擇為最佳翼弦長度分布的中線(median line)。圖9-11示出了縱向葉片區段具有線性相關的翼弦長度的實施例。在所有這些實施例中，葉片的翼弦長度沿葉片的縱向或徑向朝葉片梢端減小。然而，該葉片還可包括翼弦長度恒定的縱向葉片部分。這種葉片的實施例在圖25中示出。葉片被分為根部區域430、 過渡區域432和翼面區域434。翼面區域包括葉片梢端部436、第一縱向區段440和第二縱向區段442。葉片的第一縱向區段440被分為第一基礎部441和多個第一變流裝置446、 448。葉片的第二縱向區段442被分為第二基礎部443和多個第二變流裝置449。第一基礎部441沿第一縱向區段440的整個縱向長度具有恒定的翼弦長度，而第二基礎部443具有沿葉片第二縱向區段的縱向線性減小的翼弦長度。3.3具有線性相關厚度的基礎部
圖中未示出，但有利的是，葉片的厚度也與葉片局部半徑線性相關。特定的縱向葉片區段可沿縱向葉片區段的整個縱向長度例如具有相同的有關型面。3.4具有線性相關預彎曲的基礎部
再者，如圖沈所示，將特定縱向區段的基礎部設計為具有線性彎曲Ay也是有利的，尤其對于模塊性而言。3.5葉片型面
一般地，根據常規方法設計的風力渦輪機葉片包括具有型面150的葉片區段，所述型面150具有如圖27所示的雙曲壓力側。本發明可以在如圖觀所示的沒有雙曲壓力側的情形下簡化型面250的設計，并且通過使用如前所述的變流裝置來補償設計工況外的型面。再次，如圖30所示，型面可以用于縱向區段的至少一部分，甚至被簡化為對稱型面350，對稱型面350具有重合的翼弦360和弧高362。這種葉片型面的升力吸收和流入角之間有關系，如圖四所示，所述葉片型面穿過坐標系的原點。這意味著，與具有正弧高的常規不對稱葉片型面相比，該曲線朝較高流入角移動。這還表示，與常規葉片型面相比，在更大的攻角處獲得特定升力吸收。這對具有與如3. 1小節所述的最佳扭轉相比減小的扭轉的實施例來說是有利的。換言之，減小的扭轉和對稱型面至少部分地互相補償。通過為縱向區段的至少一部分設置如圖32所示的具有“負弧高”的型面450可更進一步利用這種補償，其中所謂“負弧高”即相比葉片的吸力側454，葉片的弧高462位于更靠近葉片的壓力側452的位置(或者相當于，弧高462位于翼弦460下方)。對于0度攻角的入射氣流，葉片區段具有負升力系數，即圖示升力系數和攻角之間關系的曲線進一步朝較大流入角移動。這繼而意味著，在甚至更高的攻角處可以獲得特定的升力系數。使用具有負弧高的型面對具有很低扭轉或無扭轉的葉片尤其有利，這是因為這種葉片具有轉子設計點處操作攻角很高的葉片區段。這對翼面區域的翼內部分和過渡區域尤其有意義。然而，弧高462不需要沿型面的整個翼弦局部地被定位成相比葉片吸力側更靠近葉片壓力側，如圖32所示。如圖33所示，還可為葉片區段設置具有負弧高562的型面550， 其中，弧高的一部分相比葉片壓力側552更靠近葉片吸力側554，只要弧高562總體來說相比葉片吸力側5M更靠近壓力側552即可。4.葉片區段的模塊性和重復利用
如前所述，使用葉片縱向區段的簡化的基礎部使得該基礎部可用于多種不同類型的葉片，并且可用變流裝置來補償基礎部的設計工況外的特征。圖34圖示了這一原理。風力渦輪機葉片410被分為根部區域430、過渡區域432 和翼面區域434。翼面區域434包括葉片梢端部436、第一縱向區段440和第二縱向區段 442。葉片的第一縱向區段440被分為第一基礎部441和多個第一變流裝置446。葉片的第二縱向區段442被分為第二基礎部443和多個第二變流裝置448。第一基礎部441和第二基礎部443具有型面，這些型面對于如葉片部的模塊性和/或基礎部441、443的制造而言具有簡化的結構，所述型面在本身的轉子設計點處顯著偏離目標軸向誘導因子和/或目標載荷。這里，基礎部441被描述為具有線性相關的翼弦長度，但有利的是，所述區段還具有線性相關的厚度和線性相關的扭轉或無扭轉。因此，縱向區段設置有變流裝置，這里被描述為第一縫翼446和第一襟翼448，然而所述變流裝置不僅限于這種流動控制裝置。第一縱向區段440和第二縱向區段442都沿翼面區域434縱向長度的至少20%延伸。第一縱向區段或基礎部被安置在第一徑向距離r10第一基礎部441被重復用于第二葉片410’，所述第二葉片410’也包括根部區域 430，、過渡區域432，和翼面區域434，。翼面區域434，包括葉片梢端部436，、第一縱向區段440’、具有第二基礎部443’的第二縱向區段442和第三縱向區段或過渡區段445’，所述第三縱向區段或過渡區段445’位于第一縱向區段440’和過渡區域432’之間。第二葉片 410’的第一縱向區段或第一基礎部441被安置在第二徑向距離巧處。因此，第一基礎部 441的流入條件與第一葉片410和第二葉片410’不同。進一步地，(對于沒有變流裝置的基礎部)目標翼弦長度需要不同，以便獲得目標軸向誘導因子和目標法向載荷。因此，第二葉片410’需要與第一葉片410不同的變流裝置446’、448’，以便補償設計工況外的條件。第一基礎部441可被設計成使得對第一葉片410和第二葉片410’來說在沒有變流裝置的情況下是次佳的，如圖34所示。然而，原則上，可以優化兩個葉片之一的第一基礎部441，從而僅需為兩個葉片中的另一個提供變流裝置。原則上，第一葉片可以整個地重復用于第二葉片，例如通過為第一葉片設置圖35 所示的輪轂延長件。在這種情況下，基本上第二葉片的整個陰影部分將被設計工況外的條件所牽累，此區段的大部分將需要使用變流裝置，這對于第二葉片的翼面區域和過渡區域都是有利的。5.具有可變換葉片的風力渦輪機的操作
本節描述了具有本發明可變換葉片的轉子的風力渦輪機的操作或控制。原理在圖36 中示出，其中圖36a示出了根據本發明的風力渦輪機葉片的第一實施例(也在圖9中示出)。圖36b將載荷作為局部葉片半徑的函數示出，其中實線是目標載荷，虛線是沒有變流裝置的葉片的基礎部的實際載荷。調節葉片節距和轉速，從而使得值大于徑向距離^ 的葉片翼外部分在轉子設計點處滿足目標載荷。在這種情況下，在沒有變流裝置的情況下第一基礎部141的實際目標載荷是次佳載荷，如虛線所示。設置第一基礎部141以及可能的其它葉片部分，以便補償設計工況外的條件，并調節葉片區段的載荷，以在葉片區段的整個縱向長度上滿足目標載荷，如圖36 (c)所示。可為軸向誘導因子繪制出類似的曲線圖，因為葉片區段也需要滿足目標軸向誘導因子。6.示仿 Ij
下面各節通過示例描述了對可變換葉片概念的研究。如前所述，可變換葉片包括基礎部和可調節部分。可調節部分包括空氣動力裝置或變流裝置，所述空氣動力裝置或變流裝置被裝配到基礎部，以便調節和滿足葉片區段的空氣動力設計目標。通過僅調節變流裝置， 區段空氣動力的調整可以部分消除結構和空氣動力設計之間的相互影響。基礎部可以被設計為具有最佳的結構特性和未必最佳的空氣動力。然后，變流裝置將被設計為填補從非最佳到近似最佳目標條件的空氣動力差距。變流裝置等包括如2. 2節所描述的襟翼、縫翼、渦流發生器和擾流器。所示曲線圖中的一些有點粗略，這是因為在用于驗證可變換葉片概念的仿真工具中使用的取樣點數量有限。6. 1具有DU-91-W2-250翼面且無扭轉的40. 3m的葉片
第一示例從一個具有40. 3米長度的葉片出發，其中該葉片具有對每個橫截面而言都具有理想軸向誘導因子(即a=0. 33)的翼面區域。在圖37中，翼弦長度c被示為與梢端的徑向距離rt的函數。翼弦長度分布基本上與申請人制造和銷售的現有LM40. 3p葉片相同。 可以看出，翼弦長度分布沿葉片的徑向方向是非線性相關的。第一示例的可變換葉片具有與LM40. 3p葉片相同的翼弦長度分布，但是翼面區域的外側沈米被替換為DU-91-W2-250翼型。更進一步地，該可變換葉片在這一區域不扭轉。 最后，DU-91-W2-250翼型的相對厚度在此區域是恒定的。在本例中，相對厚度為25%，即最大橫截面厚度與給定橫截面處的翼弦長度之比為25%。因此，翼面區域被高度簡化為僅具有沿翼面區域的約75%的單一翼面形狀且不具有扭轉。圖38示出了扭轉角θ，其被描述為與梢端的徑向距離&的函數。第一曲線510 示出了理想葉片的扭轉，另一曲線520示出了可變換葉片的扭轉。可看出，可變換葉片的扭轉在葉片的徑向長度上與理想扭轉平均有若干度的嚴重偏離。圖39示出了沿各個40. 3m葉片的翼展的流入角分布的曲線圖(作為與梢端的徑向距離rt的函數)。第一曲線圖550和第二曲線圖560分別示出了在風速為8m/s和10m/S時理想葉片的流入角Φ的分布，而第三曲線圖570和第四曲線圖580分別示出了可變換葉片的流入角Φ的相應分布。圖40示出了沿各個40. : 葉片的翼展的升力系數分布的曲線圖(作為與梢端的徑向距離rt的函數)。第一曲線圖600和第二曲線圖610分別示出了在風速為8m/s和10m/S 時理想葉片的升力系數C1的分布，而第三曲線圖620和第四曲線圖630分別示出了可變換葉片的升力系數C1的相應分布。圖41示出了沿各個40. : 葉片的跨度的軸向誘導因子分布的曲線圖(作為與梢端的徑向距離rt的函數)。第一曲線圖650和第二曲線圖660分別示出了在風速為8m/s和 10m/S時理想葉片的軸向誘導因子a的分布，而第三曲線圖670和第四曲線圖680分別示出了可變換葉片的軸向誘導因子a的相應分布。可以看出，在翼面區域上的軸向誘導因子與約0. 33的目標軸向誘導因子相差至少10%。通過將翼面區域的外側部分改變為DU-91-W2-250翼型，使用這種葉片的風力渦輪機，與使用理想40. 3米葉片的風力渦輪機相比，在風速為8m/s和lOm/s情況下且不使用變流裝置，產生的功率降低了 3%。更進一步地，型面的改變導致在距離梢端10米到沈米的區域內8m/s風速下偏離最佳功率系數。圖40和41示出了這種偏離由葉片這一區域中的過載導致。因而，可變換葉片的這部分應該設置能減小升力的變流裝置，由此提高使用這種葉片的風力渦輪機的機械功率輸出。圖40和41還示出了 lOm/s風速下可變換葉片的基礎部的外側15米載荷不足，導致機械功率下降。適于增加升力的空氣動力裝置(例如格尼襟翼和縫翼)將增加機械功率輸出。除非使用主動控制的空氣動力裝置，否則不能在兩種風速下實現最佳條件，因而必須進行折衷。總之，實現了與現有LM40. 3p葉片相比高度簡化的可變換葉片基礎部的空氣動力設計。可變換葉片基礎部的外側26米僅包括單一的有關翼型并且無扭轉。這不僅簡化了基礎部的空氣動力設計，還簡化了葉片的制造過程以及用于制造葉片的葉片部分的模具的制造過程。然而，相比于理想條件，基礎部本身會使產生的功率損失約3%。于是，用變流裝置將空氣動力特性調節到目標值，尤其是軸向誘導因子，因此完全補償了所述3%的損失。圖42示出了第一曲線圖710，并將其與第二曲線圖700作了比較，第一曲線圖700 將可變換葉片的相對厚度作為與梢端的徑向距離rt的函數示出，第二曲線圖710將現有 LM40.3p葉片的相對厚度作為與梢端的徑向距離rt的函數示出。可以看出，可變換葉片的相對厚度大于LM40. 3p葉片的相對厚度。包括殼體的風力渦輪機的彎曲剛度與葉片中性軸線和殼體之間的距離的立方成正比。這意味著，相對較厚型面的殼體可比相對較薄的型面更薄，并且仍可獲得相同的強度和剛度。殼體通常被制成層壓結構，所述層壓結構包括用例如玻璃纖維和/或碳纖維等的纖維強化基質材料。在本例中，可變換葉片的重新設計部分比LM40. 3p葉片的相應部分輕14. 8%，并且總重量減少7. 7%。因此，可以看出，與現有葉片相比，可變換葉片的材料花費也被減少。對具有外側32米、相對厚度30%的可變換葉片進行類似的研究。重新設計部分的重量相比LM40. 3p葉片的相應部分減少21. 4%，并且總重量減少12. 3%。盡管如此，使用可變換葉片的風力渦輪機所產生的機械功率因變流裝置的使用而被最大化。6.2具有相同翼外基礎部的葉片組
下面的示例說明了對于具有不同葉片長度的三個不同可變換葉片800、810、820使用相同的翼外基礎部830，如圖43所示。進一步地，該示例說明了一種操作轉子上設有這種可變換葉片的風力渦輪機的方法。所研究的葉片長分別為44. 1、52. 1和60. 1米。三個葉片的翼弦分布801、811、821作為與梢端的徑向距離rt的函數在圖44中被示出。在下面的示例中，研究用在轉子上的可變換葉片，所述轉子的所有三個可變換葉片800、810、820具有70m/s的相同梢端速度。圖45示出了作為與梢端的徑向距離rt的函數的操作流入角的相應曲線圖802、812、822，圖46示出了與梢端的徑向距離rt的函數的操作升力系數的相應曲線圖803、813、823。如果以相同梢端速度操作不同的可變換葉片800、810、820，可看出，可變換葉片的外側30米(在該處所有葉片共享相同的徑向區段)具有不同的操作升力系數，因此，翼弦長度和升力系數的乘積對于三個葉片顯然也不同。為了實現三個葉片的操作條件，顯然，沿這些葉片中至少兩個的翼外部分的整個徑向長度需要變流裝置，以滿足目標軸向誘導因子， 而第三個葉片可達到設計的目標軸向誘導因子。然而，可以通過改變轉子參數來改變圖46所示的升力系數分布。因此，通過傾斜葉片，可以基本上使升力系數朝較高或較低的總體值轉移，反之可以通過改變操作梢端速度“翹起”升力系數曲線。為了在葉片的翼外部分減小三個可變換葉片800、810、820的操作升力系數差異，下面對這三個葉片進行了估算，44. 1,51. 1和60. Im可變換葉片的梢端速度分別為 70m/s、75 m/s 和 80m/s。圖47示出了作為與梢端的徑向距離rt的函數的流入角的相應曲線圖804、814、 824，圖48示出了作為與梢端的徑向距離rt的函數的升力系數的相應曲線圖805、815、825。 結果顯示在操作升力系數方面有顯著提高。在可變換葉片的外側20米，升力系數基本相同。因此，對此部分不需要變流裝置來滿足目標軸向誘導因子。然而，可變換葉片基礎部的翼面區域的翼內部分需要設置變流裝置，以滿足目標軸向誘導因子。因此，說明了可調節葉片節距和轉子的轉速來滿足翼外區段的目標軸向誘導因子，而翼內部分設置有變流裝置，以滿足翼面區域的翼內區段的目標軸向誘導因子。6. 3交錯葉片組
與前述示例相同，現研究葉片長度分別為44. 1,52. 1和60. 1的第一可變換葉片900、 第二可變換葉片910和第三可變換葉片920。三個可變換葉片900、910、920共享相同的翼中或翼內930基礎部。因此，三個可變換葉片如圖49所示地交錯。可以看出，可變換葉片 900、910、920具有不同的梢端部和根部(過渡)部分。圖50分別描繪了三個可變換葉片900、910、920的翼弦長度分布作為與梢端的徑向距離的函數的曲線圖901、911、921。可以看出葉片具有公用區段，該公用區段具有線性翼弦長度變化和交錯梢端位置。60. Im的可變換葉片900的區段930分別與52. Im的可變換葉片910和44. Im的可變換葉片920的相同區段交錯2. 5和5m。這意味著共享區段930 例如可以分別位于與三個葉片梢端相距15m、12. 5m和IOm的位置處。在下面的曲線圖中，44. 1、52. 1和60. Im葉片的梢端分別位于0、2. 5和5m處。這簡化了對相同橫軸位置找到的相同區段之間的結果對比。執行下面的計算時對所有葉片施加75m/s的梢端速度。圖51示出了作為與梢端的徑向距離rt的函數的流入角的相應曲線圖902、912、 922，圖52示出了作為與梢端的徑向距離&的函數的升力系數的相應曲線圖903、913、923。 可以看出，距離三個可變換葉片900、910、920的葉片梢端10到20米范圍內的區段的升力系數顯示出極好的相容性(或稱一致性，agreement)，這意味著在此區域不需要變流裝置。 進一步地，可以看出，52. 1和60. Im的可變換葉片910、920在距離梢端20到30米范圍內顯示出空氣動力特性的相容性。因此，如果針對52. 1和60. Im的可變換葉片910、920優化該共享葉片區段930，則僅40. Im的可變換葉片900在此區段需要裝配變流裝置，以滿足目標軸向誘導因子。然而，可以看出，在距離葉片梢端超過30米的區段，三個可變換葉片的空氣動力操作參數顯著不同，這意味著在這些葉片中至少兩個的翼內部分需要變流裝置，以滿足目標軸向誘導因子。因此，這說明葉片區段可被交錯的葉片組在葉片翼中或跨度中點處以下述方式共享，即該共享區段的大部分不需要設置變流裝置來滿足目標軸向誘導因子。因此，調節葉片節距和轉子的轉速，以滿足翼中區段的目標軸向誘導因子，而翼內部分(也可能是翼外部分)設置有變流裝置，以滿足翼面區域的翼內區段(和翼外部分)的目標軸向誘導因子。更進一步地，通過交錯葉片，還可以獲得幾乎相同的襟翼方向(flapwise)彎曲力矩(未示出)。 這意味著，不僅共享區段的外輪廓相同，而且層壓結構也可以有相同的設計和厚度。最后陳述
已參照優選實施例描述了本發明。然而，本發明的范圍不限于所示實施例，在不脫離本發明范圍的情況下，可作出各種變型和改進。附圖標記列表
2風力渦輪機
4塔架
6機艙
8輪轂
10，410葉片
14葉片梢端
16葉片根部
18前緣
20后緣
30，130, 230, 330, 430根部區域
32，132，232，332，432過渡區域
34，134，234，334，434翼面區域
36，136，236，336，436梢端區域
38徑向葉片區段
140，240, 340第一縱向區段
141，241，341，441第一基礎部
242, 342第二縱向區段243,343, 443 第二基礎部
344過渡區段
345過渡基礎部 146-149，246，248，346-349，446，448變流裝置
50，150, 250, 350, 450, 550翼型
52，452，552壓力側
54，454，554吸力側
56前緣
58后緣
60，360, 460, 560翼弦
62，362，462，562弧線 / 中線
64轉動方向
66升力
68阻力
70合成氣動力
72軸向力(推力)
74切向力
75力矩系數
76沒有變流裝置的徑向葉片區段的翼型的最佳攻角 78徑向葉片區段的平均攻角
80，180-182, 280, 380, 480變流裝置
a軸向誘導因子
^切向誘導因子
b輪葉角
c翼弦長度
~阻力系數
C7升力系數
Cm力矩系數
dt最大厚度的位置
df最大弧高的位置
f弧高
h輪葉高度
1輪葉長度
r - ω轉動速度
r局部半徑、與葉片根部的徑向距離
rt與葉片梢端的徑向距離
5輪葉間距
t厚度
^輪葉對間距X梢端速比
B葉片數
#法向力
P功率
R轉子半徑
T切向力
X梢端速度
V設計點風速
F3軸向速度
Kr風速
^ W,Vinflor 合成速率、流入速率
α攻角
ω, Ω轉子的轉速
Θ, θ扭轉角、節距角
Δ_7預彎曲
權利要求
1.一種用于風力渦輪機轉子的葉片，所述轉子具有基本上水平的轉子軸且包括輪轂， 所述葉片在被安裝到所述輪轂上時從所述輪轂基本上沿徑向方向延伸，所述葉片包括 型面輪廓，所述型面輪廓包括壓力側和吸力側以及前緣和后緣，并且翼弦在所述前緣和所述后緣之間延伸，所述型面輪廓在受到入射空氣流沖擊時產生升力， 所述型面輪廓沿徑向方向被分成最接近所述輪轂的根部區域、最遠離所述輪轂的翼面區域以及位于所述根部區域與所述翼面區域之間的優選的過渡區域，所述根部區域具有基本上呈圓形或橢圓形的型面，所述翼面區域具有產生升力的型面，所述過渡區域具有沿徑向方向從所述根部區域的圓形或橢圓形型面向所述翼面區域的產生升力的型面逐漸改變的型面，其中 所述翼面區域包括至少第一縱向節段，所述第一縱向節段沿所述翼面區域的縱向長度的至少20%延伸，所述第一縱向節段包括第一基礎部，所述第一基礎部具有前緣和后緣以及在該前緣和后緣之間延伸的翼弦，其特征在于 所述第一基礎部具有沿所述葉片的徑向方向按如下方式線性變化的內部尺寸，所述方式即使得在轉子設計點處沒有變流裝置的情況下所述第一基礎部的誘導因子偏離目標誘導因子，并且其中所述第一縱向節段設置有多個第一變流裝置，所述第一變流裝置被布置為調節所述第一縱向節段的空氣動力特性，以在所述設計點處基本上滿足所述目標誘導因子。
2.根據權利要求1所述的葉片，其中，所述變流裝置包括從下列裝置構成的組中選擇的裝置 多元件區段，例如縫翼或襟翼，和/或 表面安裝元件，例如前緣元件或表面安裝襟翼，其改變了所述葉片的第一縱向節段的總包絡線。
3.根據權利要求2所述的葉片，其中，所述變流裝置額外包括邊界層控制裝置，例如通風孔或通風槽、渦流發生器和格尼襟翼。
4.根據前述權利要求之一所述的葉片，其中，在所述設計點處沒有變流裝置的情況下所述第一縱向節段的第一基礎部的誘導因子偏離所述目標軸向誘導因子至少5%、或10%、 或 20%、或 30%。
5.根據前述權利要求之一所述的葉片，其中，所述第一基礎部的翼弦的長度沿所述葉片的徑向方向線性變化。
6.根據前述權利要求之一所述的葉片，其中，所述第一基礎部具有厚度，且其中所述基礎部的厚度沿所述葉片的徑向方向線性變化。
7.根據權利要求5和6所述的葉片，其中，所述第一基礎部具有恒定的相對厚度。
8.根據前述權利要求之一所述的葉片，其中，所述第一基礎部包括沿所述第一縱向延伸區段整個長度的恒定相對型面。
9.根據權利要求1-4或6-8之一所述的葉片，其中，所述第一基礎部具有恒定的翼弦長度。
10.根據權利要求1-5或6-9之一所述的葉片，其中，所述第一基礎部具有恒定的厚度。
11.根據前述權利要求之一所述的葉片，其中，所述第一基礎部包括多個縱向節段，每個所述縱向節段具有沿所述葉片的徑向方向獨立的線性變化相關性。
12.根據前述權利要求之一所述的葉片，其中，所述第一基礎部是預彎曲的，且其中所述翼面區域包括沒有預彎曲的縱向節段。
13.根據前述權利要求之一所述的葉片，其中，所述第一基礎部是拉擠或擠壓成型的型面。
14.一種用于風力渦輪機轉子的葉片，所述轉子具有基本上水平的轉子軸且包括輪轂， 所述葉片在被安裝到所述輪轂上時從所述輪轂基本上沿徑向方向延伸，所述葉片在轉子設計點處具有預定的目標軸向誘導因子，所述葉片包括 型面輪廓，所述型面輪廓包括壓力側和吸力側以及前緣和后緣，并且翼弦在所述前緣和所述后緣之間延伸，所述型面輪廓在受到入射空氣流沖擊時產生升力， 所述型面輪廓沿徑向方向被分成最接近所述輪轂的根部區域、最遠離所述輪轂的翼面區域和位于所述根部區域與所述翼面區域之間的優選的過渡區域，所述根部區域具有基本上呈圓形或橢圓形的型面，所述翼面區域具有產生升力的型面，所述過渡區域具有沿徑向方向從所述根部區域的圓形或橢圓形型面向所述翼面區域的產生升力的型面逐漸改變的型面，其特征在于 所述翼面區域被分成多個基礎區段，所述基礎區段中的第一基礎區段沿所述翼面區域的縱向長度的至少20%延伸，所述第一基礎區段具有前緣和后緣以及在該前緣和后緣之間延伸的翼弦， 所述第一基礎區段被形成為具有沿所述葉片的徑向方向按如下方式線性變化的內部尺寸，所述方式即使得在轉子設計點處所述第一基礎區段的誘導因子偏離目標誘導因子，并且其中 所述第一基礎區段設置有多個第一變流裝置，所述第一變流裝置被布置為調節空氣動力特性并且在所述設計點處基本上滿足目標誘導因子。
15.一種設計用于風力渦輪機轉子的葉片的方法，所述葉片在轉子設計點處具有預定的目標軸向誘導因子，所述轉子具有基本上水平的轉子軸且包括輪轂，所述葉片在被安裝到所述輪轂上時從所述輪轂基本上沿徑向方向延伸，所述葉片包括 型面輪廓，所述型面輪廓包括壓力側和吸力側以及前緣和后緣，并且翼弦在所述前緣和所述后緣之間延伸，所述型面輪廓在受到入射空氣流沖擊時產生升力， 所述型面輪廓沿徑向方向被分成最接近所述輪轂的根部區域、最遠離所述輪轂的翼面區域和位于所述根部區域與所述翼面區域之間的優選的過渡區域，所述根部區域具有基本上呈圓形或橢圓形的型面，所述翼面區域具有產生升力的型面，所述過渡區域具有沿徑向方向從所述根部區域的圓形或橢圓形型面向所述翼面區域的產生升力的型面逐漸改變的型面，其中 所述翼面區域包括至少第一縱向節段，所述第一縱向節段沿所述翼面區域的縱向長度的至少20%延伸，所述第一縱向節段包括第一基礎部，所述第一基礎部具有前緣和后緣以及在該前緣和后緣之間延伸的翼弦，其特征在于 設計所述第一基礎部使其具有沿所述葉片的徑向方向按如下方式線性變化的內部尺寸，所述方式即使得在轉子設計點處沒有變流裝置的情況下所述第一基礎部的誘導因子偏離目標誘導因子，并且 在所述第一縱向節段設計和布置多個第一變流裝置，從而調節所述第一縱向節段的空氣動力特性以在轉子設計點處基本上滿足目標軸向誘導因子。
16. 一種改造用于風力渦輪機轉子的葉片的方法，所述轉子具有基本上水平的轉子軸且包括輪轂，所述葉片在被安裝到所述輪轂上時從所述輪轂基本上沿徑向方向延伸，所述葉片包括 型面輪廓，所述型面輪廓包括壓力側和吸力側以及前緣和后緣，并且翼弦在所述前緣和所述后緣之間延伸，所述型面輪廓在受到入射空氣流沖擊時會產生升力， 所述型面輪廓沿徑向方向被分成最接近所述輪轂的根部區域、最遠離所述輪轂的翼面區域和位于所述根部區域與所述翼面區域之間的優選的過渡區域，所述根部區域具有基本上呈圓形或橢圓形的型面，所述翼面區域具有產生升力的型面，所述過渡區域具有沿徑向方向從所述根部區域的圓形或橢圓形型面向所述翼面區域的產生升力的型面逐漸改變的型面，其中 所述翼面區域包括至少第一縱向節段，所述第一縱向節段沿所述翼面區域的縱向長度的至少20%延伸，所述第一縱向節段包括第一基礎部，所述第一基礎部具有前緣和后緣以及在所述前緣和后緣之間延伸的翼弦，其特征在于 所述第一基礎部被設計為具有沿所述葉片的徑向方向按如下方式線性變化的內部尺寸，所述方式即使得在轉子設計點處沒有變流裝置的情況下所述第一基礎部的誘導因子偏離目標誘導因子，并且通過設置多個第一變流裝置來改造所述第一縱向節段，所述第一變流裝置被布置成調節所述第一縱向節段的空氣動力特性，以在所述設計點處基本上滿足目標軸向誘導因子。
全文摘要
本發明描述了一種用于風力渦輪機轉子的葉片，該風力渦輪機轉子具有基本上水平的轉子軸。轉子包括輪轂，葉片在被安裝到輪轂上時從輪轂基本上沿徑向方向延伸。葉片包括型面輪廓，其包括壓力側和吸力側以及前緣和后緣，并且翼弦在前緣和后緣之間延伸，型面輪廓在受到入射空氣流沖擊時會產生升力，型面輪廓沿徑向方向被分成最接近輪轂的根部區域、最遠離輪轂的翼面區域和位于根部區域與翼面區域之間的優選的過渡區域，根部區域具有基本上呈圓形或橢圓形的型面，翼面區域具有產生升力的型面，過渡區域具有沿徑向方向從根部區域的圓形或橢圓形型面向翼面區域的產生升力的型面逐漸改變的型面，其中，翼面區域包括至少第一縱向節段，第一縱向節段沿翼面區域的縱向長度的至少20%延伸，第一縱向節段包括第一基礎部，其具有前緣和后緣以及在前緣和后緣之間延伸的翼弦。第一基礎部具有沿葉片的徑向方向按如下方式線性變化的內部尺寸，即使得在轉子設計點處沒有變流裝置的情況下第一基礎部的誘導因子偏離目標誘導因子。第一縱向節段設置有多個第一變流裝置，它們被布置成調節第一縱向節段的空氣動力特性，以在設計點處基本上滿足目標誘導因子。
文檔編號F03D1/06GK102459881SQ201080032440
公開日2012年5月16日 申請日期2010年5月18日 優先權日2009年5月18日
發明者富格爾桑格 L., 富格爾桑格 P., 博夫 S. 申請人:Lm 玻璃纖維制品有限公司