[发明专利]用于风力涡轮机的转子叶片

说明书

提供了一种用于风力涡轮机的转子的叶片(104)。叶片(104)包括：具有形成桁架状结构的支柱构件(108；110；112)的桁架状三维结构，其中桁架状结构中的多个支柱构件(108；110；112)具有翼型形状的横截面。

技术领域

本发明涉及一种转子叶片，该转子叶片可用于风力涡轮机。

发明背景

在全世界对可再生能源技术的兴趣日益增长。例如，气候变化关注正在将能源生产推向可再生能源技术。风力因此是重要的能源，并且通过风力发电每年产生的电力的量正在快速增长。

风力发电是将风能转化为更有用的形式，例如电力。在这方面使用的是风力涡轮机，风力涡轮机是将来自风的动能转化成电力的装置。风力涡轮机包括具有中心毂的转子，一个或多个叶片附接到该中心毂。转子布置成当叶片由于吹来的风而经受通过风力涡轮机的大量的空气时而旋转。因此，转子的旋转产生机械能，该机械能可以在风力涡轮机中转化为电力。

存在两种主要类型的风力涡轮机，水平轴风力涡轮机(HAWT)和竖直轴风力涡轮机(VAWT)，在水平轴风力涡轮机中叶片围绕水平轴线旋转，在竖直轴风力涡轮机中叶片围绕竖直轴线旋转。用于大规模电力生产的最常见类型的风力涡轮机是HAWT，并且下面的讨论主要针对HAWT。

叶片形成有翼型形状的(airfoil-shaped)横截面。这意味着叶片形成为使得在叶片的旋转方向上的前侧的表面导致通过该表面的空气比通过后侧的表面的空气占据更长的路径。因此，在前侧处越过表面的空气将比在后侧处越过表面的空气行进得更快。所以，压力差形成，导致在叶片上的力。该力引起围绕转子轴线的转矩，该转矩使转子旋转。

在移动的叶片和空气之间的相对流速，包括速度和方向，被称为表观流速(apparent flow velocity)。当空气经过翼型形状的叶片的表面时，空气在该表面上施加力，该力取决于表观流速和翼型的形状。升力是垂直于迎面而来的表观流动方向的力的分量。它与阻力相反，阻力是平行于表观流动方向的力的分量。与升力相反，阻力倾向抵抗叶片的运动，并且可以通过数学分析表明，为了优化涡轮机的功率效率，叶片应当被设计成使升力和阻力之间的比率最大化。

风力涡轮机的电力生产能力主要受叶片长度的影响。由风力涡轮机产生的功率与由叶片扫过的面积成比例，扫过的面积与叶片的长度的平方成比例。因此，叶片的长度增加使风力涡轮机的电力生产能够增加。

然而，还需要在考虑到在风力涡轮机的操作期间由叶片受到的载荷的情况下来设计叶片。空气动力载荷通过空气的表观流速形成。空气动力载荷在叶片上引起弯矩，最接近毂处弯矩最大。虽然空气动力载荷可以由于风速而变化，但是施加在叶片上的空气动力载荷也与叶片的长度的平方成比例。

由于叶片的质量，重力载荷也施加到叶片，并且当叶片旋转完整的循环时，叶片将经历疲劳循环。重力荷载与叶片长度的立方成比例。因此，尽管对于小尺寸叶片来说空气动力载荷是主导的，但是当叶片的长度增加时，重力载荷将成为主导。

因此，当增加叶片的长度以便增加风力涡轮机的电力生产能力时，需要在密切关注施加在叶片上的重力载荷情况下来设计叶片。否则，存在因叶片的大质量而存在疲劳失效的风险。此外，长叶片将导致关于叶片的变形、裂纹和扭曲的问题。因此，当叶片的长度增加，叶片的设计变得困难。

叶片的质量和相关的重力载荷以及空气动力学载荷可能迫使叶片形状的设计成为强度和空气动力学之间的折衷。特别是靠近毂处，叶片可能需要具有被优化为提供强度而不是翼型特性的设计，这意味着叶片的空气动力特性将不是最佳的。