CN102414440B

CN102414440B - 功率输出增大的风轮机

Info

Publication number: CN102414440B
Application number: CN201080018460.7A
Authority: CN
Inventors: 约纳斯·罗姆布雷德; 克里斯蒂安·巴斯施密特·戈斯克
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2030-03-04
Also published as: WO2010100237A3; WO2010100237A2; DK2404055T3; EP2404055A2; CN102414440A; EP2404055B1

Abstract

本发明涉及一种风轮机，所述风轮机包括具有至少一个叶片的转子，其特征在于，襟翼(2)设置成至少部分地沿着叶片的阈值厚度区段(A)的至少一部分延伸，在所述阈值厚度区段中翼型厚度是至少36％，所述襟翼设置成使得在阈值厚度区段和襟翼之间设置有缝，襟翼弦长是阈值厚度区段弦长的至少15％。

Description

功率输出增大的风轮机

技术领域

本发明涉及一种风轮机，所述风轮机包括具有至少一个叶片的转子。

背景技术

对于给定的风速，通常期望的是风轮机转子产生尽可能多的能量。然而，风轮机转子叶片的内部分必须满足与结构、制造和运输相关的要求，这些要求与对最佳升力的要求相左。对结构的要求导致翼型区段朝向叶片的根部区段逐渐变厚。

发明内容

本发明的目的在于增大风轮机的功率输出。

该目的是通过最初由上文所提及类型的风轮机来实现的，其中，襟翼被设置成至少部分地沿着叶片的阈值厚度区段的至少一部分延伸，在所述阈值厚度区段中翼型厚度是至少36％，所述襟翼布置成使得在阈值厚度区段和襟翼之间设置有缝，襟翼弦长是阈值厚度区段弦长的至少15％。

这种阈值厚度区段通常被设置在叶片的内部分中，其中翼型厚度越接近叶片末端的区段处越大。襟翼可以被设置成至少部分地沿着阈值厚度区段后缘的至少一部分延伸，所述襟翼被布置成使得在后缘与襟翼之间设置有缝。如在叶片的侧向截面中看出的，襟翼可设置成完全位于阈值厚度区段的下游，或者与阈值厚度区段部分或完全重叠。

位于主翼部分的后缘处的襟翼被布置成使得在主翼部分和襟翼之间设置有缝，这样的襟翼通常被称为带缝襟翼。带缝襟翼在飞行器应用中是公知的，并且也已被建议用于风轮机叶片，如在专利文献WO92/01865、DE2908761或DE4132453中。带缝襟翼的这种常规使用利用了下述优势，缝提供从机翼或叶片的压力侧至抽吸侧的空气流，藉此防止抽吸侧上的气流分离，从而增加最大升力系数。

在此，翼型厚度被限定为绝对厚度与翼型弦长之比。发明人发现，对于厚度为36％的翼型以及更厚的翼型而言，在低迎角，尤其在大约零度的迎角时，将在翼型的压力侧上出现气流分离。此外，发明人发现，以下这种襟翼能防止翼型的压力侧上的上述气流分离，这种襟翼被布置在翼型的下游或被部分地布置在翼型的下游，并且在翼型和襟翼之间具有缝，其中襟翼弦长是阈值厚度区段弦长的至少15％。因此，叶片的升力将显著增加(襟翼弦长和阈值厚度区段弦长与其在与叶片的纵向方向垂直的公共截面内的相应弦长有关)。

襟翼可以被结合到叶片的最初设计中或者被添加到现有叶片中，以增加最大升力。除了防止压力侧上的气流分离的襟翼以外，缝还允许来自于压力侧的空气向上流动通过该缝，并使该区段的抽吸侧上的分离延迟。延迟的分离允许实现更高的最大升力。在将襟翼添加到现有叶片的情形中，还存在面积/弦长的增加，这有助于增加升力。通过提供根据本发明的襟翼，叶片根部可以被设计成更好地满足结构、制造和运输的要求。例如，相比于传统的根部，可实现较低扭转、较小的弦长以及更大的厚度/弦长比而不会损害升力性能。

优选地，在阈值厚度区段的翼型厚度处于36％至45％之间的情况下，襟翼弦长不大于阈值厚度区段弦长的60％。优选地，在阈值厚度区段的翼型厚度处于45％和65％之间的情况下，襟翼弦长是阈值厚度区段弦长的20％至100％。优选地，在阈值厚度区段的翼型厚度处于65％至85％之间的情况下，襟翼弦长是阈值厚度区段弦长的25％至150％。

优选地，襟翼厚度相对于襟翼弦长处于10％至25％之间。优选地，襟翼的翘曲(camber)在0％至25％之间。

优选地，在阈值厚度区段的翼型厚度处于36％至45％之间的情况下，襟翼前缘位于阈值厚度区段弦线上或位于阈值厚度区段弦线的延长线上，或者所述襟翼前缘与阈值厚度区段弦线之间相距一距离，使得与阈值厚度区段弦线平行并且与襟翼前缘相交的假想线朝向阈值厚度区段的抽吸侧与阈值厚度区段弦线之间相距一距离，该距离不大于阈值厚度区段弦长的10％，优选不大于5％；或者使得所述假想线朝向阈值厚度区段的压力侧与阈值厚度区段弦线之间相距一距离，该距离不大于阈值厚度区段弦长的30％，优选不大于10％。

优选地，在阈值厚度区段的翼型厚度处于45％至85％之间的情况下，襟翼前缘位于阈值厚度区段弦线上或位于阈值厚度区段弦线的延长线上，或者所述襟翼前缘与阈值厚度区段弦线之间相距一距离，使得与阈值厚度区段弦线平行并且与襟翼前缘相交的假想线朝向阈值厚度区段的抽吸侧与阈值厚度区段弦线之间相距一距离，该距离不大于阈值厚度区段弦长的10％，优选不大于5％；或者使得所述假想线朝向阈值厚度区段的压力侧与阈值厚度区段弦线之间相距一距离，该距离不大于阈值厚度区段弦长的50％，优选不大于10％。

优选地，在阈值厚度区段的翼型厚度处于36％至45％之间的情况下，襟翼前缘位于一假想线上，该假想线垂直于阈值厚度区段弦线并且与阈值厚度区段弦线和阈值厚度区段后缘之间的交点相交；或者所述襟翼前缘与所述假想线之间相距一距离，该距离不大于阈值厚度区段弦长的20％，优选不大于10％。应当注意的是，在一些实施方式中，例如，如果襟翼前缘与阈值厚度区段的压力侧位于阈值厚度区段弦线的相同侧，那么襟翼前缘和阈值厚度区段前缘之间的距离可比阈值厚度区段的前缘和后缘之间的距离短。

优选地，在阈值厚度区段的翼型厚度处于45％至85％之间的情况下，襟翼前缘位于一假想线上，该假想线垂直于阈值厚度区段弦线并且与阈值厚度区段弦线和阈值厚度区段后缘之间的交点相交；或者所述襟翼前缘与所述假想线之间相距一距离，该距离不大于阈值厚度区段弦长的30％，优选不大于10％。

优选地，在阈值厚度区段的翼型厚度处于36％至45％之间的情况下，襟翼弦线平行于阈值厚度区段弦线，所述襟翼朝向阈值厚度区段的压力侧成角度，使得襟翼弦线和阈值厚度区段弦线之间的角度不大于45度，优选不大于25度；或者所述襟翼朝向阈值厚度区段的抽吸侧成角度，使得襟翼弦线和阈值厚度区段弦线之间的角度不大于30度，优选不大于10度。

优选地，在阈值厚度区段的翼型厚度处于45％至85％之间的情况下，襟翼弦线平行于阈值厚度区段弦线，所述襟翼朝向阈值厚度区段的压力侧成角度，使得襟翼弦线和阈值厚度区段弦线之间的角度不大于45度，优选不大于25度；或者所述襟翼朝向阈值厚度区段的抽吸侧成角度，使得襟翼弦线与阈值厚度区段弦线之间的角度不大于20度，优选不大于10度。

优选地，在襟翼的抽吸侧上设置有涡流产生装置，所述涡流产生装置可为多个涡流发生器的形式。优选地，涡流产生装置的与襟翼的抽吸侧表面正交的延伸尺寸在襟翼弦长的0.25％与1％之间。优选地，涡流产生装置定位成与襟翼前缘之间相距一距离，该距离对应于襟翼弦长的20％至40％。这将改善襟翼处的气流附着，从而将进一步改善叶片的升力。

优选地，襟翼沿着阈值厚度区段的至少50％延伸。

优选地，阈值厚度区段存在翘曲，该翘曲在阈值厚度区段弦长的0％至20％之间。

优选地，在阈值厚度区段的翼型厚度处于36％至45％之间的情况下，阈值厚度区段的后缘厚度不大于阈值厚度区段弦长的15％；在阈值厚度区段的翼型厚度处于45％至65％之间的情况下，阈值厚度区段的后缘厚度不大于阈值厚度区段弦长的30％；并且在阈值厚度区段的翼型厚度处于65％至85％之间的情况下，阈值厚度区段的后缘厚度不大于阈值厚度区段弦长的45％。

阈值厚度区段可以任选地在阈值厚度区段的抽吸侧上设置有涡流产生装置，所述涡流产生装置可以是多个涡流发生器的形式。在阈值厚度区段的翼型厚度处于36％至65％之间的情况下，涡流产生装置的与阈值厚度区段的抽吸侧表面正交的延伸尺寸处于阈值厚度区段弦长的0.5％至2％之间，并且在阈值厚度区段的翼型厚度处于65％至85％之间的情况下，所述延伸尺寸处于阈值厚度区段弦长的1％至3％之间。在阈值厚度区段的翼型厚度处于36％至65％之间的情况下，涡流产生装置可以定位成与阈值厚度区段前缘之间相距一距离，该距离对应于阈值厚度区段弦长的10％至20％。在阈值厚度区段的翼型厚度处于65％至85％之间的情况下，涡流产生装置可以定位成与阈值厚度区段前缘之间相距一距离，该距离对应于阈值厚度区段弦长的5％至15％。

本发明的其他实施方式包括布置成可从叶片拆下以便于运输的襟翼。

上述目的还可通过这样一种风轮机来实现，这种风轮机包括具有至少一个叶片的转子，其特征在于，在襟翼的抽吸侧上设置有涡流产生装置，所述襟翼被设置成至少部分地在叶片的至少一部分的下游延伸，所述襟翼被布置成使得在阈值厚度区段和襟翼之间设置有缝。

附图说明

在下文将参照附图来描述本发明的实施方式，在附图中：

图1是根据本发明一个实施方式的具有襟翼的风轮机叶片的示意性平面图；

图2是按如图1中的线II-II所示方向取向的示意性剖视图；

图3示出了图2的细节；

图4示出了在本发明的另选实施方式中与图4中的视图相类似的视图；

图5至图7示出了被设置在图1至图4中的叶片或襟翼上的涡流发生器的相应视图；以及

图8至图15示出了具有带缝襟翼和不具有带缝襟翼的主翼型的CFD仿真结果。

具体实施方式

图1是风轮机叶片1的示意性平面图。叶片的翼型朝向根部加厚，并且在双向箭头A所示的区段内，翼型厚度是36％以上，并且该区段在本文被称为阈值厚度区段。襟翼2被设置成在叶片1的下游延伸并且通过图1中示意性示出的合适装置3固定到叶片。襟翼2的一部分在阈值厚度区段A的一部分的下游延伸。襟翼2的另一部分在叶片1相比于阈值厚度区段A更远离叶片根部的区段的下游延伸。襟翼被设置成使得在叶片1和襟翼2之间设置有缝。

参照图2，阈值厚度区段A的弦线cA从其前缘A1延伸到其后缘A2的中间，所述弦线在该实施例中在截面中形成笔直的线条。阈值厚度区段的厚度被定义为绝对厚度tA除以阈值厚度区段弦线的长度LcA，所述阈值厚度区段弦线的长度在本文也被简称为阈值厚度区段弦长。阈值厚度区段提供压力侧A3和抽吸侧A4。

襟翼2相对于阈值厚度区段A定位，使得襟翼前缘21位于阈值厚度区段弦线cA的延长线上，并且位于阈值厚度区段后缘的下游，即与下述假想线之间具有距离H2，所述假想线垂直于阈值厚度区段弦线cA并且与阈值厚度区段弦线cA和阈值厚度区段后缘A2之间的交点相交。

图3用双向箭头t2示出了襟翼2的绝对厚度，并用双向箭头Lc2示出了襟翼弦长，即襟翼弦线c2从襟翼前缘21延伸到襟翼后缘22的长度。襟翼厚度被定义为绝对厚度t2除以襟翼弦长Lc2。

襟翼朝向阈值厚度区段A的压力侧A3成角度，使得在襟翼弦线c2和阈值厚度区段弦线cA之间形成角度aA2。

如从图2可看出的，阈值厚度区段A提供压力侧A3的从后缘A2延伸的凹形弯曲部A5。通常而言，优选地，这种凹形弯曲部A5从后缘A2延伸，并且其延伸率是阈值厚度区段弦长LcA的5％至15％，优选是大约10％。

图4示出了另选实施方式，其与图2和图3中所示实施方式的不同之处在于，襟翼前缘21定位成与阈值厚度区段弦线cA之间具有一距离，使得与阈值厚度区段弦线cA平行并且与襟翼前缘21相交的假想线朝向阈值厚度区段A的压力侧A3与阈值厚度区段弦线cA相距距离V2。

如可从图1至图4看到的，呈涡流发生器形式的涡流产生装置11、12被设置在叶片1以及襟翼2上。涡流发生器沿翼展方向分布。每个涡流发生器11、12可如图5至图7所示地设置，这在以引用的方式结合到本文的国际申请PCT/DK2005/000324中进行了描述。图5示出了从逆风位置看的涡流发生器，图6以侧视图示出了涡流发生器，而图7以俯视图示出了涡流发生器，气流方向用箭头表示。在图6中，用双向箭头H表示襟翼涡流发生器12的与襟翼抽吸侧表面正交的延伸尺寸。

图8和图9示出了本发明的重要优点。图8和图9示出了在具有或不具有带缝襟翼并且其中襟翼的弦长为主翼型弦长的25％的情况下迎角为零度的主翼的CFD(计算流体力学)仿真结果。主翼型具有36％的厚度，并且发明人发现气流分离出现在翼型的压力侧上，如可从图8看出的。这种分离不会出现在处于该迎角的较薄翼型处。发明人还发现带缝能够移除或减少该压力侧分离，如可从图9看出的。这可从升力系数(c1)的剧烈差异反映出来，也就是说，升力系数在图8的仿真中是0.2，而在图9的仿真中是1.2。

图10和图11示出了在具有和不具有带缝襟翼其中襟翼弦长是主翼型弦长的67％的情况下迎角为零度的主翼型的CFD仿真结果。图11中的襟翼相对于主翼型弦线向下成10度的角度，并且还定位在主翼型弦线的下方。主翼型具有62％的厚度，并且在不存在襟翼的情况下可在压力侧观测到明显的气流分离。如可从图11看到的，在存在襟翼的情况下可完全避免这种分离。这可从主翼型独自的升力系数从图10中的0.35急剧增加至图11中的1.1反映出来。

图12至图15示出了迎角为10度时图10和图11中主翼型的CFD仿真结果。在图13至图15中，襟翼相对于主翼型弦线向下成10度的角度。在图13中，襟翼的前缘位于主翼型弦线的延长线上，而在图14和图15中，襟翼位于主翼型弦线下方相应距离处，图15中的所述距离大于图14中的所述距离。如可以看出的，在存在襟翼的情况下避免了主翼型压力侧的气流分离。在图12中的仿真中，升力系数是-0.2，而在图13、图14和图15中，主翼型独自的升力系数分别是1.0、1.1和0.9。

Claims

1.一种风轮机，所述风轮机包括具有至少一个叶片的转子，其中，襟翼（2）布置成至少部分地沿着所述叶片的阈值厚度区段（A）的至少一部分延伸，在所述阈值厚度区段中将翼型厚度定义为绝对厚度与翼型弦长之比，该翼型厚度是至少36%，所述襟翼被固定到所述叶片并被布置成使得在所述阈值厚度区段和所述襟翼之间设置有缝，襟翼弦长是阈值厚度区段弦长的至少15%，其中，在所述阈值厚度区段的翼型厚度处于45%至85%之间的情况下：

襟翼前缘位于阈值厚度区段弦线的延长线上，或者所述襟翼前缘与所述阈值厚度区段弦线之间相距一距离，使得与所述阈值厚度区段弦线平行并且与所述襟翼前缘相交的假想线朝向所述阈值厚度区段的压力侧与所述阈值厚度区段弦线之间相距第一距离，该第一距离不大于阈值厚度区段弦长的50%；

所述襟翼前缘与垂直于所述阈值厚度区段弦线并与所述阈值厚度区段弦线和阈值厚度区段后缘之间的交点相交的假想线之间相距第二距离，该第二距离不大于所述阈值厚度区段弦长的30%；并且

襟翼弦线平行于所述阈值厚度区段弦线，或者所述襟翼朝向所述阈值厚度区段的压力侧成角度，以使得所述襟翼弦线和所述阈值厚度区段弦线之间的角度不大于25度。

2.根据权利要求1所述的风轮机，其中，在所述阈值厚度区段的翼型厚度处于36%至45%之间的情况下，所述襟翼弦长不大于所述阈值厚度区段弦长的60%。

3.根据权利要求1所述的风轮机，其中，在所述阈值厚度区段的翼型厚度处于45%至65%之间的情况下，所述襟翼弦长是所述阈值厚度区段弦长的20%至100%。

4.根据权利要求1所述的风轮机，其中，在所述阈值厚度区段的翼型厚度处于65%至85%之间的情况下，所述襟翼弦长是所述阈值厚度区段弦长的25%至150%。

5.根据权利要求1所述的风轮机，其中，所述襟翼的厚度相对于该襟翼的弦长在10%至25%之间。

6.根据权利要求1所述的风轮机，其中，所述襟翼的翘曲在0%至25%之间。

7.根据权利要求1所述的风轮机，其中，在所述阈值厚度区段的翼型厚度处于36%至45%之间的情况下，襟翼前缘位于阈值厚度区段弦线上或位于阈值厚度区段弦线的延长线上，或者所述襟翼前缘与所述阈值厚度区段弦线之间相距一距离，使得与所述阈值厚度区段弦线平行并且与所述襟翼前缘相交的假想线朝向所述阈值厚度区段的抽吸侧与所述阈值厚度区段弦线之间相距一距离，该距离不大于所述阈值厚度区段弦长的10%；或者使得所述假想线朝向所述阈值厚度区段的压力侧与所述阈值厚度区段弦线之间相距一距离，该距离不大于所述阈值厚度区段弦长的30%。

8.根据权利要求1所述的风轮机，其中，在所述阈值厚度区段的翼型厚度处于36%至45%之间的情况下，襟翼前缘位于下述假想线上，该假想线垂直于阈值厚度区段弦线并且与所述阈值厚度区段弦线和阈值厚度区段后缘之间的交点相交；或者所述襟翼前缘与该假想线之间相距一距离，该距离不大于阈值厚度区段弦长的20%。

9.根据权利要求1所述的风轮机，其中，在所述阈值厚度区段的翼型厚度处于36%至45%之间的情况下，襟翼弦线平行于阈值厚度区段弦线，或者所述襟翼朝向所述阈值厚度区段的压力侧成角度，使得所述襟翼弦线和所述阈值厚度区段弦线之间的角度不大于45度；或者所述襟翼朝向所述阈值厚度区段的抽吸侧成角度，使得所述襟翼弦线和所述阈值厚度区段弦线之间的角度不大于30度。

10.根据权利要求1所述的风轮机，其中，在所述襟翼的抽吸侧上设置有涡流产生装置。

11.根据权利要求10所述的风轮机，其中，所述涡流产生装置的与所述襟翼的抽吸侧表面正交的延伸尺寸（H）在襟翼弦长的0.25%至1%之间。

12.根据权利要求10所述的风轮机，其中，所述涡流产生装置定位成与襟翼前缘之间相距一距离，该距离对应于襟翼弦长的20%至40%。

13.根据权利要求1所述的风轮机，其中所述第一距离不大于阈值厚度区段弦长的10%。

14.根据权利要求1所述的风轮机，其中所述第二距离不大于阈值厚度区段弦长的10%。

15.根据权利要求7所述的风轮机，其中与所述阈值厚度区段弦线平行并且与所述襟翼前缘相交的假想线朝向所述阈值厚度区段的抽吸侧与所述阈值厚度区段弦线之间相距的距离不大于所述阈值厚度区段弦长的5%。

16.根据权利要求7所述的风轮机，其中与所述阈值厚度区段弦线平行并且与所述襟翼前缘相交的假想线朝向所述阈值厚度区段的压力侧与所述阈值厚度区段弦线之间相距的距离不大于所述阈值厚度区段弦长的10%。

17.根据权利要求8所述的风轮机，其中所述襟翼前缘与垂直于阈值厚度区段弦线并且与所述阈值厚度区段弦线和阈值厚度区段后缘之间的交点相交的所述假想线之间相距的距离不大于阈值厚度区段弦长的10%。

18.根据权利要求9所述的风轮机，其中所述襟翼朝向所述阈值厚度区段的压力侧成角度，使得所述襟翼弦线和所述阈值厚度区段弦线之间的角度不大于25度。

19.根据权利要求9所述的风轮机，其中所述襟翼朝向所述阈值厚度区段的抽吸侧成角度，使得所述襟翼弦线和所述阈值厚度区段弦线之间的角度不大于10度。