CN103362757A - 用于风力涡轮机转子叶片的柔性副翼布置结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机转子叶片的柔性副翼布置结构。具体地，描述了一种用于风力涡轮机转子叶片（5）的副翼布置结构（20）。转子叶片包括前缘（109）、尾缘（111）和弦线（101），所述弦线在所述前缘（109）和所述尾缘（111）之间。所述副翼布置结构（20）包括：支撑部分（21）和副翼部分（22），所述副翼部分可被动地运动到所述副翼部分（22）的表面（41）的表面法线（34）与所述弦线（101）之间的一个角度β。支撑部分（21）和副翼部分（22）相对于彼此被定位成，使得所述支撑部分（21）对所述副翼部分（22）的运动提供限制。

Description

用于风力涡轮机转子叶片的柔性副翼布置结构

发明领域

本发明涉及用于风力涡轮机转子叶片的副翼布置结构、风力涡轮机转子叶片、以及用于提高风力涡轮机转子叶片（例如在低风速下）空气动力学性能的方法。

背景技术

风力涡轮机的叶片是一种将风力转换成机械功率从而驱动风力涡轮机的发电机以转换成电能的装置。风力涡轮机的叶片设计主要是在考虑空气动力学和机械因素下进行的，即，针对各种风力状况，翼面形状或轮廓，其设计要在空气动力学优化和机械特性（例如，强度）之间进行折衷。最理想的风力涡轮机的叶片具有低切入风速、对于各种风速（这意味着从低风速到高风速）的良好、高效的空气动力学性能、在叶片和风力涡轮机结构上的最小负荷（即在湍流和高风速状况下）、以及低声学噪声。

例如，叶片是否能抵抗靠近轮毂的高的压力和应力是很重要的。因此，叶片在靠近轮毂的根部区段的区域中，是厚的、宽的。在根部，叶片通常是窄的，管状的，以装配到轮毂中，并提供足够的强度。叶片轮廓变得越来越细，以便获得可接受的空气动力学性能。随着速度朝叶片梢部增大，升力也会增大，这是由在相同旋转频率下直径朝梢部增大引起的。朝梢部降低弦宽会有助于抵消此效应。叶片从靠近根部的某一点到梢部逐渐变细。而且，叶片沿其轴线被扭转，以承担由旋转引起的气流对风的方向的变化。叶片区段被进一步朝叶片梢部定位时，叶片区段的速度进一步增大。

然而，传统的风力涡轮机叶片具有静止翼面，因此对风力状况的调节呈现出有限的可能性。对于某一风速和湍流，调节、优化空气动力学性能唯一可能的手段是调节整个叶片的浆距角。从空气动力学的观点看，最理想的风力涡轮机叶片不仅包括对于叶片的每个区段可变的浆距角，而且还包括可调节的翼面以承担不同的风力和湍流状况。

用风力涡轮机叶片上增设的装置来提高、优化风力涡轮机叶片的性能是公知的。这样的装置及其它是主动式或被动式组件，诸如副翼、涡流发生器或失速条带。副翼的致动例如可利用电、液压或压电装置进行。叶片的弯曲被认为与叶片负荷和风力状况保持某种关系。已知有一种被动式解决方案，其中，副翼相对于叶片弦线的形状和/或角度根据风力涡轮机叶片的弯曲而变化。

风力涡轮机叶片的另一个难度在于工作时会出现声学噪声。工作中叶片的梢部速度例如是80米/秒。降低噪声的一种手段是将锯齿形的板附连在在尾缘上方突出的那部分尾缘区域。EP 1314885公开了风力涡轮机叶片技术和性能的有价值信息。

通常，希望提高风力涡轮机叶片的空气动力学性能和效率，即在低风速状况下。而且，叶片的机械负荷优选被最小化。第二个因素是降低工作中风力涡轮机叶片的声学噪声。

进一步的相关现有技术在EP 1623111 B1, US 2011/0116927 A1, WO 2004/088130 A1 和 EP 2034178 A2中公开。EP 1314885公开了一种用连接到风力涡轮机叶片尾缘的面板提高风力涡轮机的效率的设备。EP 2034178 A2公开了在副翼偏转时避免有气隙的流线板，但其没有机械功能。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种有利的副翼布置结构、一种有利的风力涡轮机转子叶片和一种具有相同优点的风力涡轮机。而且，本发明的一个目的是要提供一种用于提高风力涡轮机转子叶片的空气动力学性能的方法。

这些目的是通过如权利要求1所述的副翼布置结构、如权利要求10所述的风力涡轮机转子叶片、权利要求14所述的风力涡轮机和如权利要求15所述的用于提高风力涡轮机转子叶片的空气动力学性能的方法来实现。从属权利要求限定了本发明的进一步改进。

本发明的副翼布置结构可用于这样的风力涡轮机转子叶片，其包括前缘、尾缘以及前缘与尾缘间的弦线。所述副翼布置结构包括：支撑部分和副翼部分。副翼部分可被动地运动所述副翼部分的表面的表面法线与所述弦线之间的一个角度。所述支撑部分和所述副翼部分相对于彼此被定位成，使得所述支撑结构对所述副翼部分的运动提供限制。尤其是所述副翼部分朝叶片的吸力侧的运动被限制。优选地，所述支撑部分是刚性的。

在本发明的背景下，特定的风力涡轮机转子叶片区段的弦线被定义为前缘与尾缘之间的直线。弦线包括与跨度线成90°的角度。跨度线被定义为叶片的梢部和转子根部的底部区域的中心点之间的直线。

有利地，所述支撑部分以非可移动方式连接到或者可连接到风力涡轮机转子叶片，使得支撑部分在叶片的尾缘上方突出。

通常，支撑部分可以是捕获结构或支撑元件，副翼部分可以是副翼结构或副翼元件。词语“可被动地运动”意味着在本发明的背景下在无任何方向性和故意影响或人力或机器的致动下产生的运动。例如，被动运动可以由风本身或者在副翼部分附近的特定流动条件引起。副翼部分的被动运动主要由叶片的吸力侧和压力侧之间的压力差引起。

优选地，支撑结构可以包括压力侧表面和吸力侧表面。吸力侧表面可以形成或延长风力涡轮机转子叶片的吸力侧。副翼部分可以包括吸力侧表面和压力侧表面。副翼部分的压力侧表面可以延长风力涡轮机转子叶片的压力侧。副翼部分的吸力侧表面和支撑部分的压力侧表面可以有利地面向对方。例如，副翼部分的吸力侧表面和支撑部分的压力侧表面可以被定位成彼此相对。

使用支撑结构或支撑部分以及副翼结构或副翼部分背后的想法是，在低风速下给叶片提供增大的升力，同时避免在叶片上出现不希望的负面影响（例如较高风速时大量的负荷和低的性能）。柔性或活动的副翼部分与支撑部分或拦阻结构的结合提供了获得期望的有利叶片性能的可靠的被动式解决方案。当叶片的攻角较高时，延长的翼面会在低风速下发挥作用。攻角是弦线和翼面方向之间的角度。延长的翼面导致了在这些低风速下增大的升力。因此，功率曲线在低风速时被运动到左侧（见图13），实现了低切入风速。

如果叶片的前缘斜置或倾斜到较高风速的风中，则攻角减小或者是相对低的。结果，副翼部分不再完全地与支撑部分接触。有效翼面被降低。此降低导致与静态副翼或翼面相对的叶片的机械负荷降低。而且，来自阵风和风的负荷被降低。

支撑部分和/或副翼部分可在叶片尾缘处或在靠近尾缘的叶片部分连接到风力涡轮机转子叶片。而且，叶片可包括梢部、根部以及从梢部延伸到叶片根部的跨度长度。优选地，支撑部分和副翼部分可在叶片梢部与从梢部测量的叶片跨度长度的一半（优选是三分之一）之间的某个位置处连接到风力涡轮机转子叶片。这意味着，副翼布置结构被优选地定位在叶片的外面部分，例如在朝梢部区域的后二分之一或三分之一的叶片长度处。

所述副翼部分可包括柔性的或铰接式的副翼连接，用于将所述副翼部分连接到风力涡轮机转子叶片。而且，副翼部分可包括柔性板，例如形成副翼的薄的柔性板。而且，副翼部分和/或所述支撑部分可包括锯齿形尾缘或之字形尾缘。这具有降低噪声的优点。

通常，副翼部分和支撑部分可被制成一件式的或多件式的。例如，副翼部分和支撑部分可以是一件式的或多件式的改造套件，其可（例如用粘合剂）附连到风力涡轮机叶片的叶片。

支撑部分可包括至少一个涡流发生器或用于通过改进空气动力学形状来提高性能的其它装置。而且，支撑部分可具有弯曲形状，以提供有利的翼面形状。例如，支撑部分可包括截面图中沿弦线的曲率。

通过支撑部分和副翼部分的结合，在特定空气流入条件下提供了附加的空气动力学效果，支撑部分提供对副翼部分的限制，副翼部分可被动地相对于支撑部分运动。例如，副翼部分可以充当附加或延伸的翼面，其在低风速下增大升力，在高风速下降低负荷。

本发明的风力涡轮机转子叶片包括前面所述的副翼布置结构。本发明的风力涡轮机转子叶片通常具有与本发明的副翼布置结构相同的优点。风力涡轮机转子叶片可包括吸力侧和压力侧。支撑部分和/或副翼部分可被连接到叶片的吸力侧和/或压力侧。而且，多个副翼布置结构可沿叶片的尾缘（例如以副翼布置结构节段）彼此紧挨地安装。这具有这样的优点，即：副翼布置结构节段可被容易地安装到叶片或者从叶片上拆下来。

在另一变型中，支撑部分可以是叶片的一个整体部分。例如，支撑部分可以（例如在制造叶片时）被铸造到叶片中。在这种情况下，风力涡轮机转子叶片包括压力侧和前面描述的被连接到叶片的压力侧的副翼部分。压力侧的副翼部分与叶片的尾缘的连接之间的部分提供了对副翼部分运动的限制。换言之，靠近尾缘的叶片部分充当了支撑部分，如在本发明的副翼布置结构的背景下描述的。

本发明的风力涡轮机包括前面描述的风力涡轮机转子叶片。本发明的风力涡轮机具有与前面描述的风力涡轮机转子叶片和前面描述的副翼布置结构相同的优点。通常，本发明的风力涡轮机可以包括用于变速浆距控制的系统。风力涡轮机可包括用于调节叶片浆距角的浆距系统。

本发明的用于提高包括尾缘的风力涡轮机转子叶片的空气动力学性能的方法的特征在于：将如前面描述的副翼布置结构连接到叶片的尾缘。通过将前面描述的副翼布置结构连接到风力涡轮机转子叶片，例如，可以在低风速下从风力涡轮机获得增大的功率。这提高了风力涡轮机的有效性。

而且，叶片的浆距角可以被（例如通过变速浆距控制系统）调节。

一般而言，本发明具有以下优点：可以从风力涡轮机获得低切入风速和更多的功率，并获得在低风速和中风速时的较高性能。同时，不会对叶片产生附加的机械负荷。本发明提供了一种非常简便的被动式解决方案，因此不需要维护。而且，本发明的副翼布置结构可被改造，而且更换是容易实现的。副翼布置结构的锯齿形尾缘形状降低了从风力涡轮机发出的声音。

附图说明

根据后文对实施例的描述并结合附图，本发明的特征、性能和优点会变得清楚。这些实施例并不会限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求来确定。所有描述的特征作为单独的特征或者相互进行任何结合都是有利的。

图1示意性示出了风力涡轮机。

图2以平面图示出了转子叶片，该平面图处于由叶片的跨度和叶片的弦限定的平面上。

图3示出了通过图2所示叶片的翼面部分的弦向区段。

图4示意性示出了本发明的风力涡轮机。

图5示意性示出了本发明转子叶片5中的一个。

图6示意性示出了本发明的副翼布置结构，其明确地示出了支撑部分的上侧。

图7示意性示出了低风速下本发明风力涡轮机转子叶片的截面图。

图8示意性示出了高风速下本发明的风力涡轮机转子叶片。

图9以截面图示意性示出了本发明风力涡轮机转子叶片的四种变型。

图10以截面图示出了连接到叶片尾缘的本发明副翼布置结构的四种变型。

图11以剖切透视图示意性示出了低风速下本发明风力涡轮机转子叶片的一部分的四种变型。

图12以剖切透视图示意性示出了高风速下本发明风力涡轮机转子叶片的一部分的另一种变型。

图13示出了本发明风力涡轮机与传统风力涡轮机相比较的功率曲线。

具体实施方式

图1示意性示出了风力涡轮机1。风力涡轮机1包括塔架2、机舱3和轮毂4。机舱3被定位在塔架2的顶上。轮毂4包括多个风力涡轮机叶片5。轮毂4被安装到机舱3。而且，轮毂4是枢轴安装的，使得它能够绕旋转轴线9旋转。发电机6被定位在机舱3的内部。风力涡轮机1是直驱型风力涡轮机。

图2以平面图示出了转子叶片，所述平面图处于叶片跨度和叶片弦限定的平面上。图2示出了通常用在三叶片转子中的风力涡轮机叶片5。然而，本发明不应被局限到用于三叶片转子的叶片。实际上，它同样可以实施在其它转子（例如单叶片转子或双叶片转子）中。

图2所示的转子叶片5包括具有圆柱形轮廓的根部103和梢部102。梢部形成叶片的最外面部分。根部103的圆柱形轮廓用来将叶片固定到转子轮毂的轴承。转子叶片5进一步包括所谓的肩部104，肩部被限定为其最大轮廓深度的方位，即叶片的最大弦长。翼面部分105在肩部104和梢部102之间延伸，翼面部分105具有空气动力学形状的轮廓。过渡部分107在肩部104和圆柱形根部103之间延伸，在过渡部分107中，从翼面部分105的空气动力学轮廓到根部103的圆柱形轮廓产生过渡。跨度线由附图标记100标示。

通过转子叶片的翼面区域105的弦向横截面示于图3中。示于图3中的空气动力学轮廓包括凸出的吸力侧113和较不凸出的压力侧115。从叶片的前缘109到其尾缘111延伸的虚线示出了轮廓的弦线。尽管压力侧115包括图3中的凸出区段117和凹陷区段119，它还可以在根本无凹陷区段时实施，只要吸力侧113比压力侧115更加凸出。弦线由附图标记101标示。

在翼面部分105中的吸力侧113和压力侧115还分别被称作转子叶片5的吸力侧和压力侧，但是，严格意义上讲，叶片5的圆柱形部分103并没有显示出压力或吸力侧。

图4示意性示出了风力涡轮机，这里，转子叶片5装配有本发明的副翼布置结构20。在图4中从下风向侧观察风力涡轮机。

图5示意性示出了转子叶片5中的一个。在图4和图5中，本发明的副翼布置结构20被连接到叶片5的尾缘111，并靠近梢部102。副翼布置结构20沿尾缘111以跨度方向100被定位在叶片梢部102和叶片在朝向叶片根部103的跨度方向100上长度的50%，优选是33%之间的一位置处。在图5中，副翼布置结构20包括三个节段：径向的外副翼布置结构节段20a、中间的副翼布置结构节段20b和径向的内副翼布置结构节段20c。节段20a、20b和20c沿叶片5的尾缘111被彼此紧挨着定位。

图6示意性示出了本发明的副翼布置结构，明确地示出了支撑部分21的上侧。支撑部分21包括锯齿形的尾缘23。部分26在转子叶片的尾缘111上方突出。不从叶片5的尾缘111上方突出的表面24被用于将支撑部分21连接到叶片5的吸力侧113，例如通过粘合剂。为了增大支撑部分21的刚性和稳定性，多个肋部25被定位在部分26和部分24之间，部分26在尾缘111上方突出，部分24被直接连接到叶片5。

图7示意性示出了本发明的风力涡轮机转子叶片在低风速下的截面图。图8示意性示出了在高风速下的本发明的风力涡轮机转子叶片。箭头27指示相对风的方向，它是流入空气的方向。在图7中，攻角α₁是弦线101和相对风向27（流入空气的方向）之间的角度，它是相对大的。在图8中，攻角α₂是相对小的。

在图7和图8中，风力涡轮机转子叶片5包括被定位在尾缘111的副翼布置结构。副翼布置结构包括支撑部分21和副翼部分22，支撑部分21可连接到叶片的吸力侧113，副翼部分22可连接到叶片的压力侧115。

支撑部分21包括吸力侧表面51和压力侧表面52。副翼部分22还包括吸力侧表面41和压力侧表面42。支撑部分21的吸力侧表面51延长叶片的吸力侧113。副翼部分的压力侧表面42延长叶片的压力侧115。支撑部分21的压力侧表面52和副翼部分22的吸力侧表面41彼此相向，或被定位成彼此相对。

如图7所示，在低风速和大的攻角α₁，支撑部分21和副翼部分22彼此直接接触。支撑部分21提供对副翼部分22的运动的限制。在此情况下，副翼布置结构提供有效的翼面的延伸，这增大了叶片的升力。

如图8所示，在高风速和小的攻角α₂，副翼部分22运动离开支撑部分21，在支撑部分21的压力侧表面52和副翼部分22的吸力侧表面41之间出现间隙。在此情况下，副翼布置结构是无益的，而且它因此还降低了作用在叶片上的负荷。

副翼部分22的吸力侧表面41的一部分的表面法线由箭头34指示。图7表面法线34和弦线101之间的角度β₁与图8表面法线34和弦线101之间的角度β₂不同，描述了副翼部分22的运动。通常，支撑部分21是刚性的，相对于弦线101不可运动。副翼部分22相对于弦线101至少部分地可运动，例如图7和图8中所示的。

图9以截面图示意性示出了本发明的风力涡轮机转子叶片的四种变型。该图的左侧示出了在一位置处用作无效翼面的相应副翼布置结构，在右侧示出了用作有效翼面的相应副翼布置结构。

在图9（a）中，示出了带柔性副翼部分22a的一件式吸力支撑结构21a。在图9（b）中，铰接式或可倾斜的刚性副翼22b被安装到叶片的压力侧115，这里，叶片充当支撑结构。在图9（c）中，示出了吸力侧113安装的支撑结构21c和安装到叶片压力侧115的铰接式或可倾斜的刚性副翼22c。在图9（d）中，示出了吸力侧113安装的支撑结构21d和安装到叶片的压力侧的柔性副翼22d。

图10以截面图示出了连接到叶片尾缘的本发明的副翼布置结构的四种变型。在图10中所示的所有变型中，副翼部分32的运动由箭头28指示。在图10中所示的所有四种变型中，示出了副翼部分32相对于支撑部分31的三个不同位置，其中，左边图片示出了在高风速和小攻角下的情形，右边图片示出了在低风速和大攻角下的情形。

在图10（a）中，支撑部分31a被连接到叶片的吸力侧113。支撑部分31a具有弯曲形状。它在叶片的尾缘111上方突出。副翼部分32a被连接到叶片的压力侧115，并包括柔性材料。

在图10（b）所示的变型中，支撑部分31b被连接到叶片的吸力侧113，副翼部分32b被连接到叶片的压力侧115。在此变型中，副翼部分包括刚性材料和铰链33，铰链33优选地被定位在叶片的尾缘111处。铰链33提供了副翼部分32b相对于支撑部分31b的可运动性。

在图10（c）中，支撑部分31c和副翼部分32c都被连接到叶片的吸力侧113。支撑部分31c由刚性材料制成，副翼部分32c由柔性材料制成。

在图10（d）中，叶片的尾缘部分充当支撑部分31d。副翼部分32d被连接到叶片的压力侧115，并具有与图10（b）中的副翼部分32b相同的特征和性质。副翼部分32b和副翼部分32d之间的不同在于在图10（d）中，副翼部分32d被连接到叶片的压力侧115，使得铰链33不直接地被定位在叶片的尾缘111。而是，铰链33被定位在叶片的压力侧115的一位置处。

图11和图12以截面透视图示意性示出了本发明的风力涡轮机转子叶片的一部分的另一种变型。图11示出了在低风速下的情形，其中，副翼部分和支撑部分相互接触。图12示出了在高风速下的情形，这里，副翼部分22e已经从支撑部分21e离开。在图11和图12所示的变型中，支撑部分21e具有露出形状。

图13示意性示出了与传统的风力涡轮机相比较本发明的风力涡轮机的功率曲线。x轴表示风速，单位为米/秒。y轴表示从风力涡轮机获得的功率，单位为瓦特。现将具有传统叶片的风力涡轮机的功率曲线29与具有本发明的副翼布置结构的风力涡轮机的功率曲线30进行比较。与传统的风力涡轮机叶片的功率曲线29相比，本发明的风力涡轮机的功率曲线30表现出低切入速度，和在低风速下通常更多的功率。这意味着，相比传统的风力涡轮机，本发明的风力涡轮机可以在更低的风速下工作，在低风速下，比传统的风力涡轮机产生更多的功率。

Claims (15)

1. 一种用于风力涡轮机转子叶片（5）的副翼布置结构（20），其包括前缘（109）、尾缘（111）以及所述前缘（109）与所述尾缘（111）之间的弦线（101），其特征在于：

所述副翼布置结构（20）包括：

-支撑部分（21），和

-副翼部分（22），其可被动地运动到所述副翼部分（22）的表面（41）的表面法线（34）与所述弦线（101）之间的角度β，

-所述支撑部分（21）和所述副翼部分（22）相对于彼此被定位成，使得所述支撑部分（21）对所述副翼部分（22）的运动提供限制。

2. 根据权利要求1所述的副翼布置结构（20），其特征在于：

-所述支撑结构（21）包括压力侧表面（52）和吸力侧表面（51），所述吸力侧表面（51）形成或延长了风力涡轮机转子叶片（5）的吸力侧（113），所述副翼部分（22）包括吸力侧表面（41）和压力侧表面（42），所述压力侧表面（42）延长了风力涡轮机转子叶片（5）的压力侧（115），所述副翼部分（22）的吸力侧表面（41）和所述支撑部分（21）的压力侧表面（52）彼此相向。

3. 根据权利要求1或权利要求2所述的副翼布置结构（20），其特征在于：

所述支撑部分（21）和/或所述副翼部分（22）在叶片的尾缘（111）或者在靠近所述尾缘（111）的叶片部分，和/或在叶片的梢部（102）和从所述梢部（102）测量的叶片的跨度长度（100）的一半之间的位置处能够连接到风力涡轮机转子叶片（5）。

4. 根据权利要求1-3中任一项所述的副翼布置结构（20），其特征在于：

-所述副翼部分（22）包括柔性的或铰接式的副翼连接，用于将所述副翼部分连接到风力涡轮机转子叶片（5）。

5. 根据权利要求1-4中任一项所述的副翼布置结构（20），其特征在于：

所述副翼部分（22）包括柔性板。

6. 根据权利要求1-5中任一项所述的副翼布置结构（20），其特征在于：

所述副翼部分（21）和/或所述支撑部分（21）包括锯齿形尾缘（23）。

7. 根据权利要求1-6中任一项所述的副翼布置结构（20），其特征在于：

所述副翼部分（22）和所述支撑部分（21）被制成一件式的或多件式的。

8. 根据权利要求1-7中任一项所述的副翼布置结构（20），其特征在于：

所述支撑部分（21）包括至少一个涡流发生器。

9. 根据权利要求1-8中任一项所述的副翼布置结构（20），其特征在于：

所述支撑部分（21）具有弯曲形状。

10. 一种风力涡轮机转子叶片（5），其包括根据权利要求1-9中任一项所述的副翼布置部分（20）。

11. 根据权利要求10所述的风力涡轮机转子叶片（5），其包括吸力侧（113）和压力侧（115），其特征在于：

所述支撑部分（21）和/或所述副翼部分（22）被连接到所述叶片（5）的吸力侧（113）和/或压力侧（115）。

12. 根据权利要求10或权利要求11所述的风力涡轮机转子叶片（5），其特征在于：

多个副翼布置部分（20）沿所述叶片（5）的尾缘（111）彼此紧邻地安装。

13. 根据权利要求10-12中任一项所述的风力涡轮机转子叶片（5），其特征在于：

支撑部分（21）是所述叶片（5）的整体部件。

14. 一种风力涡轮机（1），其包括根据权利要求10-13中任一项所述的风力涡轮机转子叶片（5）。

15. 一种用于提高包括尾缘（111）的风力涡轮机转子叶片（5）的空气动力学性能的方法，其特征在于：

将根据权利要求1-9中任一项所述的副翼布置结构（20）连接到所述叶片（5）的尾缘（111）。

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