CN104976075B - 与风力涡轮机叶片上的后缘特征对准的旋涡发生器 - Google Patents

与风力涡轮机叶片上的后缘特征对准的旋涡发生器 Download PDF

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Abstract

风力涡轮机叶片(80，82)，具有沿翼展方向的一系列旋涡发生器(26，28，26P，28P，64，66)，并具有限定出波形的后缘(42)。旋涡发生器与后缘波形的相应周期的预定位置或相位(44，46)对准。每个旋涡发生器可设计成产生以与后缘平行的方向成小于30度的角度越过后缘的旋涡(27，29)。叶片可包括终止于波形后缘的交替的脊(52)和槽(54)。每个槽的前端可在叶片的抽吸侧中形成V形下降部，V形下降部形成旋涡发生器对(64，66)，以在槽内产生将能量带至槽底部的反向旋转的旋涡。

Description

与风力涡轮机叶片上的后缘特征对准的旋涡发生器
技术领域
本发明总体上涉及风力涡轮机的领域，更具体地，涉及一种用于风力涡轮机叶片的翼面的噪声减少和空气动力增强的设备。
背景技术
噪声限制的设计标准降低了风力涡轮机的效率和最大尺寸，因为叶尖速度必须降低以限制噪声，由此降低了涡轮机的作业能力。风力涡轮机噪声的主要部件是后缘空气动力噪声(Matthew F.Barone,“Survey of Techniques for Reduction of Wind TurbineBlade Trailing Edge Noise”,Sandia National Laboratories,SAND20011-5252,August2011,page 8)。通过后缘锯齿可减少后缘噪声，如本文图5所示，其减少了后缘处的合并的抽吸侧和压力侧之间的声阻抗失谐的急缓度(abruptness)。
旋涡发生器可安装在翼面的抽吸侧，以产生旋涡，旋涡直接朝向抽吸侧表面将动能从大量气流带至边界层流中。对边界层的激励延缓翼面上的流分离，并允许更高的迎角，而不会失速(stall)，从而允许操作构造的更宽范围和更高总效率。然而，旋涡发生器在一些状态下可增加噪声和阻力(drag)。
附图说明
参考附图在下面的描述中说明本发明，附图中：
图1是具有旋涡发生器的现有技术风力涡轮机叶片的透视图。
图2是图1的旋涡发生器的透视图。
图3是图1的一对偏离的旋涡发生器的顶视图。
图4是沿图3的线4-4截取的旋涡发生器的截面图。
图5是具有锯齿状后缘的现有技术风力涡轮机叶片翼面的透视图。
图6是根据本发明实施例的各方面，具有旋涡发生器的风力涡轮机的一部分的平面图，该旋涡发生器与波形后缘的预定相位弦向对准。
图7示出波形后缘的波周期和选定相位。
图8是具有与波形后缘的预定相位对准的旋涡的风力涡轮机叶片的一部分的平面图。
图9是具有形成在导向波形后缘的槽的端头处的凹陷的旋涡发生器的风力涡轮机叶片翼面的透视图。
图10是风力涡轮机叶片的一部分的透视图，风力涡轮机叶片具有凹陷的旋涡发生器，凹陷的旋涡发生器始于导向倾斜后缘的槽，风力涡轮机叶片顶视图和后视图下的波形轮廓。
图11是穿过图10的槽中心截取的尾部风力涡轮机叶片的一部分的侧视截面图。
图12是具有位于导向波形后缘的槽的端头处的凹陷的旋涡发生器的风力涡轮机叶片的一部分的平面图。
图13是示出具有凸抽吸侧表面的凹陷的旋涡发生器的单个槽的平面图。
图14示出在具有与抽吸侧槽相对的压力侧脊的实施例中，直接位于图13的抽吸侧槽下方的叶片的压力侧部。
图15示出在具有相应压力侧旋涡发生器的实施例中，直接位于图13的抽吸侧槽下方的叶片的压力侧部。
具体实施方式
图1示出具有抽吸侧空气动力表面的现有技术风力涡轮机叶片20，一排成对的旋涡发生器26、28沿翼展方向安装在抽吸侧空气动力表面上，分别在相对气流24中产生反向旋转的旋涡27、29。这些旋涡将动能从位于边界层外部的相对气流带至边界层中，边界层延缓或防止从空气动力表面的流分离。
图2示出旋涡发生器(VG)28，其是从风力涡轮机叶片20的较大空气动力表面延伸的小的翼面。VG具有压力侧30(不可见)、抽吸侧32、前缘34、后缘36、附接到较大空气动力表面的根部38以及远部或顶端40。这种形片(foil)通常是三角形或delta形板，如所示，具有前缘扫描角Λ，比如50-80度。
图3是一对偏离的旋涡发生器26、28的顶视图，它们分开称为间距P的距离。每个VG是具有长度L和关于相对气流24的入射角Φ的形片。比如10-40度的入射角Φ在VG的压力侧和抽吸侧之间产生压差。高入射角Φ和高扫描角Λ(图2)的组合促进从VG的压力侧30向抽吸侧32的流动。当该局部流40环绕VG前缘34时，其滚进旋涡27中。
图4是图3的VG 38沿线4-4截取的截面图，示出图3中未示出的旋涡29。
图5是具有锯齿状后缘42的风力涡轮机叶片翼面20的透视图。所述锯齿在一些情况下减少了后缘噪声。
本发明人创造性地认识到，旋涡发生器和重复的后缘特征(比如锯齿)之间的协调对准可提供额外的益处和增效作用。该概念的一个实施例在图6中示出，图6是位于翼面抽吸侧22上的交替倾斜的第一和第二旋涡发生器26、28对沿翼展方向的序列的平面图。在该示图中，后缘42锯齿化，形成波形轮廓，比如三角形、正弦或梯形波形。示出波周期48。每个VG 26、28设计成产生在波形的预定相位处越过波形后缘42的旋涡27、29。虚线表示在抽吸侧22上流动的气流24中的空气分子在旋涡内的路径，如该二维视图中可看见的。
第一旋涡27可在其第一共同相位44处越过波形。第二旋涡29可在其第二共同相位46处越过波形。“共同”相位意指对给定系列的VG来说共同的对准相位。例如，基于第一旋涡发生器26的弦向对准，具有第一共同相位的对准对第一旋涡27来说是共同的。基于第二旋涡发生器28的弦向对准，具有第二共同相位46的对准对第二旋涡29来说是共同的。在本文中，“弦向对准”意指基本上与翼弦对准，并尤其与相对气流24对准，其可受到轴向诱导(axial induction)和径向抽动(radial pumping)的影响。
本发明不限于交替倾斜的VG对。VG在一些实施例中可均具有相同的角度，或者在其它实施例中具有多于两个的角度。然而，在一些实施例中，给定角度的VG的每个系列可具有与波形后缘42弦向对准的预定的共同相位。
图7示出图6的后缘波形的波周期48。周期限定在波形上的任何两个相继对应点之间，例如两个相邻波峰49或两个相邻波谷之间。波形的相位是周期的一部分，比如其百分比，或者当波形是正弦时，是其角度。所示相位分别显示为例如所示周期48的75％和25％。
图8是根据本发明一方面，具有与锯齿对准的旋涡27、29的锯齿状后缘42的一部分的平面图。旋涡27、29的后缘交叉点可由旋涡中心线45、47的交叉点限定。这些中心线可由相应VG 26、28在相对气流方向上与波形的相应相位对准的放置(图6)确定。每个旋涡发生器可设计成产生下游旋涡流，其以与后缘平行的方向成小于30度的角度C越过后缘，或者小于20度。这种小的交叉角度减少了当抽吸侧和压力侧流在后缘合并时，它们之间的声阻抗变化的突然性。由于阻抗失配，这减小了声散射的强度，从而减少了噪声和阻力。
图9是具有翼展尺寸51的叶片翼面80的透视图。其后部具有位于抽吸侧22上的交替的弦向脊52和槽54。其还具有位于压力侧60上的相对的槽56和脊58。压力侧和抽吸侧脊和槽置于后缘42处，以形成从后方观看的波形。凹陷的旋涡发生器的翼展方向序列62由位于抽吸侧表面上的槽54的上游端处的下降部(drop-off)形成。这些VG不具有压力侧或前缘，所以与现有VG相比，它们产生更平滑、更安静的旋涡和更少阻力。它们产生在抽吸侧槽54中下游进展的反向旋转的旋涡，如稍后所示。弦线68可从前缘向零线70限定在波形后缘42的波峰和波谷中间。
图10是叶片翼面82的后部的透视图，具有与相对气流24对准的交替的脊52和槽54，得到具有如从后方和上方观看的波形轮廓的后缘42。后缘42可布置在与弦线倾斜的平面中。这导致如从上方观看的后缘锯齿。凹陷的旋涡发生器的翼展方向序列由位于叶片抽吸侧表面上的槽54的上游端处的下降部72形成。这些VG的抽吸侧32可具有与叶片的抽吸侧22平齐的顶边缘。VG不具有压力侧，由此不具有前缘。它们可朝向脊52处的点逐渐变细。因此，它们不具有后缘。这意味着它们除了旋涡发生表面32之外不具有任何表面，由此使阻力和噪声最小。或者，标准的旋涡发生器可用在向前并入抽吸侧表面的槽中。
图11是穿过图10的槽54截取的叶片的横向截面图。后缘42布置在与弦线68倾斜的平面74中，导致如从上方观看的锯齿。例如，倾斜平面74可相对于正交于弦线68的平面远离抽吸侧22倾斜至少45度。第二凹陷的旋涡发生器66在槽中产生旋涡29。VG可设计成产生在脊52长度的至少大部分上(例如脊52的长度的至少75％)沿直径基本上延伸到脊52的旋涡29，由此基本上填充槽54。这将气流动能带至槽的底部，同时避免旋涡的交叉流扭曲。对槽的填充可提供与平脊翼面类似的提升优点，但是具有更少的阻力和噪声障碍，尤其当旋涡流以小于30度越过后缘时。旋涡29的形状和方向可由第二凹陷的旋涡发生器66的形状和角度设计。例如，VG可具有带圆角边缘的下降部72，以使气流平滑滚入接触槽54表面的旋涡29中。在一些实施例中，VG可设计成产生以与后缘平行的方向成小于30度的角度、或者小于20度越过后缘42的旋涡流29。
图12是在弦向槽54的前方，位于翼面的抽吸侧22上的交替倾斜的第一凹陷旋涡发生器64和第二凹陷旋涡发生器66的翼展方向序列的平面图。在该示图中，后缘42锯齿化，形成波形轮廓，比如三角形、正弦或梯形波形。每个VG 26、28设计成产生在预定相位处越过波形的相应旋涡27、29。虚线表示气流分子在每个旋涡内的路径，如在该二维示图中所看见的。
图13是两个脊52之间的单个槽54的平面图。旋涡发生器可如所示的凸起，以比它们笔直时更早流出旋涡27、29，从而更靠近槽54的中心流出旋涡。
图14示出直接位于图13的抽吸侧槽下方的叶片的压力侧部分，该实施例的压力侧脊52P与图13的抽吸侧槽54相对，压力侧槽54P与图13的抽吸侧脊52相对。压力侧旋涡发生器64P、66P可设计成在压力侧槽54P内产生相应压力侧旋涡27P、29P，旋涡流以与后缘平行的方向成小于30度的角度或者小于20度且在一些实施例中以与图13的相应抽吸侧旋涡流27、29相同的方向、以波形后缘42的预定相位越过后缘42。这导致压力和抽吸侧平滑地合并，这可至少具有声优点。其它实施例可具有压力和抽吸侧旋涡发生器，它们定位成从压力和抽吸侧离开后缘的流沿后缘在相应位置处彼此有特定的预定角度。此外，离开后缘的压力和抽吸侧流的相对对准可沿后缘的翼展长度变化。在该实施例中示出凹陷的旋涡发生器。在另一实施例中，压力侧旋涡发生器可以表面安装。
图15示出直接位于图6的抽吸侧部分下方的压力侧61，在该实施例中，压力侧旋涡发生器26P、28P设计成产生相应压力侧旋涡27P、29P，旋涡流以与后缘平行的方向成小于30度的角度或者小于20度且以与图6的相应抽吸侧旋涡流27、29相同的方向、以波形后缘42的预定相位越过后缘42。这导致压力和抽吸侧流平滑地合并。示出压力侧相对气流24P。
尽管本文中示出和描述了本发明的各实施例，但是应明白，这些实施例仅以示例的方式提供。在不脱离本文的本发明的情况下，可以进行许多变化、改变和替代。相应地，本发明仅由所附权利要求的精神和范围限定。

Claims (11)

1.一种风力涡轮机叶片，包括
相对于气流路径与后缘特征的预定对准的旋涡产生特征，
所述后缘特征包括后缘和一系列弦向抽吸侧槽，所述一系列弦向抽吸侧槽显示出当从后缘特征朝向叶片的前缘观看的波形轮廓，
所述旋涡产生特征在叶片的抽吸侧和后缘的上游包括沿翼展方向的第一和第二旋涡发生器对，所述第一和第二旋涡发生器对设计成产生越过所述后缘的相应第一和第二相应反向旋转的旋涡，
其中，每个第一旋涡发生器与所述波形轮廓的共同第一相位沿弦向对准，
其中，每个第二旋涡发生器与所述波形轮廓的共同第二相位沿弦向对准，
第一旋涡发生器和第二旋涡发生器由位于弦向抽吸侧槽的上游端处的下降部形成，
其中，每个第一旋涡发生器和每个第二旋涡发生器凹陷进所述叶片的抽吸侧，相应旋涡发生器的顶边缘与所述叶片的抽吸侧平齐，相应旋涡发生器不具有压力侧表面，
其中，第一旋涡发生器抽吸侧和第二旋涡发生器抽吸侧朝向与相应槽相邻的脊处的一点逐渐变细，所述旋涡发生器不具有后缘。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中：
每个所述第一和第二旋涡发生器对设计成产生下游旋涡流，所述下游旋涡流以与平行于所述后缘的方向成小于30度的角度越过所述后缘。
3.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中：
所述旋涡产生特征包括位于所述叶片的抽吸侧上的沿翼展方向的一系列交替倾斜的旋涡发生器，所述旋涡发生器设计成在其下游产生沿翼展方向的一系列第一和第二相应交替的反向旋转旋涡对。
4.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，每个所述第一和第二旋涡发生器对设计成产生在所述槽的长度的至少75％上沿直径延伸至所述槽的高度的旋涡。
5.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，当从叶片的抽吸侧向压力侧观看时，所述第一旋涡发生器抽吸侧和所述第二旋涡发生器抽吸侧是凸的。
6.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，抽吸侧和压力侧旋涡发生器均设计成产生相应下游旋涡流，所述旋涡流以与所述后缘平行的方向成小于30度的角度越过所述后缘。
7.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，每个旋涡发生器均设计成产生下游旋涡流，所述旋涡流以与所述后缘平行的方向成小于20度的角度越过所述后缘。
8.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，相应旋涡发生器不具有前缘。
9.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述后缘包括当从叶片的抽吸侧向压力侧观看的锯齿。
10.一种风力涡轮机叶片，包括：
具有波形轮廓的后缘；
位于所述叶片的抽吸侧上的沿翼展方向的第一系列旋涡发生器，其中，沿翼展方向的第一系列的每个旋涡发生器与所述波形轮廓的共同第一相位沿弦向对准；
沿翼展方向的第二系列旋涡发生器，其中，沿翼展方向的第二系列的每个旋涡发生器与所述波形轮廓的共同第二相位沿弦向对准，其中，后缘的波形轮廓由一系列弦向抽吸侧槽和相对安置的一系列弦向压力侧脊形成；以及
位于所述叶片的压力侧上的多个第一和第二压力侧旋涡发生器，每个第一压力侧旋涡发生器与所述波形轮廓的共同第一相位沿弦向对准，每个第二压力侧旋涡发生器与所述波形轮廓的共同第二相位沿弦向对准，每个压力侧旋涡发生器设计成产生以小于20度的角度越过所述后缘的旋涡流，
第一旋涡发生器和第二旋涡发生器由位于弦向抽吸侧槽的上游端处的下降部形成，
其中，每个第一旋涡发生器和每个第二旋涡发生器凹陷进所述叶片的抽吸侧，相应旋涡发生器的顶边缘与所述叶片的抽吸侧平齐，相应旋涡发生器不具有压力侧表面，
其中，第一和第二旋涡发生器抽吸侧朝向与相应槽相邻的脊处的一点逐渐变细，所述旋涡发生器不具有后缘。
11.一种风力涡轮机叶片，包括：
具有波形轮廓的后缘；
位于所述叶片的抽吸侧上的沿翼展方向的第一系列旋涡发生器，其中，沿翼展方向的第一系列的每个旋涡发生器与所述波形轮廓的共同第一相位沿弦向对准；以及
沿翼展方向的第二系列旋涡发生器，其中，沿翼展方向的第二系列的每个旋涡发生器与所述波形轮廓的共同第二相位沿弦向对准，其中，后缘的波形轮廓由一系列弦向抽吸侧槽和相对安置的一系列弦向压力侧脊形成，
其中，每个槽包括前端，所述前端包括来自所述叶片的抽吸侧的V形下降部，所述V形下降部的各侧形成在相应槽内产生相应反向旋转旋涡流对的相应第一和第二旋涡发生器对，
其中，每个第一旋涡发生器和每个第二旋涡发生器凹陷进所述叶片的抽吸侧，相应旋涡发生器的顶边缘与所述叶片的抽吸侧平齐，相应旋涡发生器不具有压力侧表面，
其中，第一和第二旋涡发生器抽吸侧朝向与相应槽相邻的脊处的一点逐渐变细，所述旋涡发生器不具有后缘。
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