CN105065195A - 用于风力涡轮机的转子叶片的气动装置 - Google Patents

用于风力涡轮机的转子叶片的气动装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种设备(40)，包括风力涡轮机(10)的转子叶片(20)、气动装置(30)以及连接所述气动装置(30)和所述转子叶片的后缘部(23)的连接器件(41)。气动装置(30)包括具有压力侧(37)、抽吸侧(38)、后缘部(33)和前缘部(36)的翼面轮廓。气动装置(30)通过槽(42)与所述转子叶片(20)间隔开，所述槽小于五厘米。

Description

用于风力涡轮机的转子叶片的气动装置
关于联邦政府资助开发的声明
本发明的开发由美国能源部授予的合同No.DE-EE0005493部分地支持。因此，美国政府具有本发明的一定权利。
技术领域
本发明涉及一种设备，包括风力涡轮机的转子叶片和气动装置。气动装置通过连接器件与转子叶片连接。
背景技术
众所周知，通过诸如襟翼、平板等气动装置可以改进风力涡轮机的转子叶片。一方面，这种气动装置可以增加风力涡轮机的效率。另一方面，这种气动装置还可以减少由流过转子叶片的气流产生的噪音。
通常，气动装置增加了转子叶片的升力，这总体上有益于风力涡轮机。然而，增加转子叶片的升力的缺点是增加了风力涡轮机的疲劳载荷极限。这意味着风力涡轮机的部件上的负荷可能会超过相应部件的设计负荷极限，致使必须考虑重新设计部件。如果不对部件进行重新设计，则将气动装置应用于转子叶片可能会限制最大风速和湍流等级，针对最大风速和湍流等级，验证并出售具有修改的转子叶片(包括气动装置)的更新的风力涡轮机。
更具体地，所述气动装置通常改变转子叶片的升力系数相对于转子叶片的迎角的依赖性。升力系数通常取决于气流撞击转子叶片的前缘部处的迎角。示例性地，在从相对于转子叶片压力侧的-5度(相当于转子叶片抽吸侧的5度)到相对于转子叶片压力侧的10度的范围内的迎角，升力系数会增加。升力系数的增加可以通过升力系数相对于迎角的斜率进行表征和量化。
第一组常规气动装置导致升力系数在所提及的迎角范围(从抽吸侧的5度到压力侧的10度)中的斜率增加。换句话说，由气动装置产生的额外升力增加以增加迎角。
在第二组常规气动装置中，通过引入气动装置，升力系数相对迎角的斜率保持不变。然而，升力系数同样在迎角的整个考虑范围内增加。换句话说，气动装置使得升力在迎角的整个考虑范围内同等地增加。
两组常规气动装置的缺点是：对于高迎角(风力涡轮机上的总负荷接近风力涡轮机上的可接受负荷的上限)，气动装置甚至会增加该总负荷。
已进行各种努力以试图提供一种在低迎角时增加升力而在高迎角时仅轻微增加升力或根本不增加升力的气动装置。在高迎角时减小升力的已知系统包括含有例如可变形后缘或后缘襟翼的主动系统。通过基于输入信号启动襟翼，减小了负荷。输入信号可以是叶片根部弯矩、局部迎角值、局部升力值或类似参数。
然而，这些主动系统需要比较复杂的技术实施。而且，这些系统必须在转子叶片的容易地超过25年的寿命内承受恶劣的工作条件。此外，这些系统需要定期的保养和维护。
因此，期望提供一种克服了上述缺点的增加转子叶片的升力的气动装置。
发明内容
该目的通过独立权利要求来实现。从属权利要求描述了本发明的有利发展和改进。
根据本发明，提供了一种设备，包括风力涡轮机的转子叶片、气动装置以及用来连接气动装置和转子叶片的连接器件。转子叶片包括具有转子叶片压力侧、转子叶片抽吸侧、转子叶片后缘部和转子叶片前缘部的翼面部。气动装置包括具有装置压力侧、装置抽吸侧、装置后缘部和装置前缘部的翼面轮廓。气动装置定位在靠近转子叶片抽吸侧的区域中。气动装置通过槽与转子叶片间隔开。槽的槽宽小于5厘米。
转子叶片可包括具有根部的根部区域。根部布置并准备成安装到风力涡轮机的毂。优选地，根部具有圆形横截面。
而且，转子叶片包括由沿转子叶片的翼展的横截面表征的翼面部，各横截面显示出翼面轮廓。
具有带翼面轮廓的翼面部的优点是，转子叶片能够在气流沿其表面流过时产生升力。
翼面部可以延伸直到转子叶片的离根部区最远的顶部区。顶部区包括转子叶片的顶部。
转子叶片的位于根部区和翼面部之间的部分称为转子叶片的过渡部。
转子叶片的靠近转子叶片顶部区的部分称为转子叶片的外侧部。转子叶片的靠近转子叶片根部区的部分称为转子叶片的内侧部。
翼面部可以由转子叶片的肩部定界，转子叶片的肩部由转子叶片的最大弦长的翼展位置限定。
转子叶片的翼展限定为转子叶片的从根部区向顶部区延伸的纵轴。
弦长定义为弦线的长度，由此，弦线垂直于翼展，是位于转子叶片后缘和转子叶片前缘之间的直线。
转子叶片后缘由转子叶片后缘部围绕，转子叶片前缘由转子叶片前缘部围绕。
转子叶片前缘和转子叶片后缘将转子叶片的翼面部的表面分为转子叶片压力侧和转子叶片抽吸侧。
类似地，转子叶片周围的区域分为两个区域，一个区域靠近转子叶片抽吸侧，另一个区域靠近转子叶片压力侧。气动装置定位在靠近转子叶片抽吸侧的区域中。
有利地，翼面部包括偏离根部区的圆形轮廓的翼面轮廓，以能够产生升力。特别地，其可以包括相对于弦线的弧形或不对称形状。
有利地，气动装置连接到转子叶片后缘部。
气动装置可以连接到翼面部和/或过渡部和/或甚至连接到根部区。
气动装置可以连接到转子叶片的外侧部和/或转子叶片的内侧部。
气动装置本身还包括具有偏离圆形形状的轮廓的翼面轮廓。因此，当气流流过气动装置表面时，气动装置还能产生升力。
将气动装置与转子叶片间隔开的槽还称为间隙或狭隙。
槽包括小于五厘米的槽宽。特别地，槽宽小于两厘米。有利地，槽宽甚至可以小于一厘米。
如果气动装置放置在转子叶片的外侧部，则两厘米的最大槽宽是优选的。
如果气动装置放置在转子叶片的内侧部，则由于边界层通常较厚，所以更大的槽宽是优选的。
槽的特征在于其到转子叶片表面的最小距离。应注意，原则上，气动装置可以相对于转子叶片后缘部布置，使得关于在气流的方向上，其在转子叶片的后缘后方适当地延伸。尽管如此，槽宽仍限定为距气动装置表面上的点和转子叶片表面上的最相近对应点的最小距离。
有利地，槽宽选择比较小的值。已经发现，有益地，将气动装置至少部分地放在转子叶片的边界层内。
根据转子叶片的弦长，槽宽有利地小于转子叶片的弦长的2％。
本发明的关键方面是，槽宽选择成对于薄边界层，由气动装置产生的额外升力比较大，而对于厚边界层，由气动装置产生的额外升力比较小。因为薄边界层通常与小迎角和转子叶片的小负荷相关联，所以期望大大地增加升力。相反，因为厚边界层通常与大迎角和转子叶片的大负载大相关联，所以期望减小升力的增加(导致减小转子叶片的负荷的进一步增加)。应注意，原则上，可能不产生额外升力或者甚至可能产生负升力。
边界层是指紧邻转子叶片的边界表面附近的气流层。边界层是位于气流速度接近零的转子叶片表面和与气流速度接近自由不受妨碍气流速度的转子叶片表面隔开的区域之间的中间区域。换句话说，边界层可以描述为气流速度变化的层。边界层的厚度定义为距粘性气流速度为气流自由流速的99％的转子叶片表面的距离。
对于转子叶片的操作迎角，边界层厚度的典型值位于转子叶片弦长的0.5％和转子叶片弦长的5％之间。
作为示例，在低或小迎角时，后缘部处的边界层较薄，并可位于1-6毫米的范围中。在较大迎角时，后缘部处的边界层较厚，并可位于6-12毫米的范围中。
因此，有利地，气动装置至少部分地位于转子叶片后缘部的边界层内。
换句话说，气动装置至少部分地由转子叶片后缘部的边界层覆盖。
还可以说，气动装置至少部分地遮蔽在转子叶片后缘部的边界层内。
将气动装置至少部分地放置在边界层内的优点是，通过使用变化的局部气流速度，气动装置对设备总升力的效果或影响随着边界层厚度的不同而不同。
换句话说，如果边界层较薄，比较高速的气流流过气动装置。因此，产生高升力。然而，如果转子叶片的高迎角导致薄边界层，那么比较低速的气流沿气动装置流动，导致气动装置的效力减小，由此导致由气动装置产生的升力减小。
具体地说，在高迎角时，气动装置变得不太明显。因此，自动地，在转子叶片的高迎角处，当风力涡轮机的负荷较高时，气动装置不再进一步增加风力涡轮机的负荷。这样，确立了调节转子叶片的升力系数的自调节机构。
在有利实施例中，气动装置相对于转子叶片倾斜成气动装置的迎角大于三度，尤其大于五度。
换言之，气动装置相对于转子叶片倾斜，这导致气动装置的迎角大于三度，尤其大于五度。换句话说，气动装置的弦线不平行于气流在转子叶片的该区域中的方向。
歪斜或倾斜的气动装置的优点是，与未倾斜的气动装置相比，由于气动装置产生的升力增加。
此外，变化的局部风速可有利地由气动装置利用。
在另一有利的实施例中，至少对于介于五度和十度之间的转子叶片迎角，气动装置完全位于转子叶片后缘部的边界层内。
与高迎角相比，为了优化气动装置关于低迎角的选择行为，有利地，边界层完全覆盖气动装置。这对于转子叶片的所有可能迎角值而言是难以实现的。然而，有益地，对于针对风力涡轮机的典型转子叶片的介于5度和10度之间的相关迎角，满足了由边界层完全覆盖气动装置的要求。
示例性地，如果气动装置远离转子叶片表面的最大延伸小于5毫米，则认为气动装置完全位于边界层内。然而，气动装置的最大延伸的极限的具体值取决于转子叶片的具体设计，因为边界层的具体厚度取决于转子叶片的具体设计。
在另一有利实施例中，气动装置的最大厚度大于气动装置的弦长的10％。
气动装置的厚度由装置压力侧和装置抽吸侧之间的垂直于气动装置的翼弦确定的最短距离限定。最大厚度指的是气动装置的呈现最大值的弦向厚度。对于典型的气动装置，最大厚度是装置前缘在弦向上三分之一处。
有利地，气动装置的最大厚度大于弦长的10％，由此，气动装置可产生足够大的升力。
在另一个有利的实施例中，气动装置的最大厚度介于气动装置的弦长的10％和气动装置的弦长的30％之间。特别地，气动装置的最大厚度介于气动装置的弦长的12％和气动装置的弦长的24％之间。
已发现，气动装置的最大厚度的给定值是由气动装置产生的升力以及由气动装置导致的重量和阻力之间的最佳折衷。
在另一个有利的实施例中，翼面轮廓是弧形翼面轮廓的。因此，气动装置的弦线至少部分地不同于气动装置的中弧线。
换句话说，有利地，气动装置的翼面轮廓相对于气动装置的弦线不对称。弧形翼面轮廓的优点是，气动装置可产生增加的升力。
气动装置的中弧线由沿弦线的虚线定义，即在气动装置的前缘和气动装置的后缘之间，其中，该虚线到气动装置的压力侧和气动装置的抽吸侧的距离相等。中弧线和弦线之间的最大距离可以看作气动装置的不对称性或弧度的测量值或程度。
在另一个有利的实施例中，涡流发生器安装在装置抽吸侧以增加设备的升力。
涡流发生器是进一步增强翼面的升力潜能的熟知器件。由于气动装置包括翼面的形状，所以涡流发生器安装在气动装置的抽吸侧可进一步增加气动装置的升力，从而也增加所述设备的升力。
应注意，涡流发生器的尺寸必须适配于气动装置的整体尺寸，相对于放置在风力涡轮机的转子叶片抽吸侧上的常规涡流发生器，该涡流发生器可以认为是迷你型涡流发生器。
在另一个有利的实施例中，装置后缘部和/或装置前缘部包括减少噪音排放和/或增加设备升力的锯齿。
翼面后缘部或前缘部中的锯齿是减少噪音或增加升力(即提高翼面的效率)的熟知器件。因此，有利地，在后缘部和/或前缘部装备锯齿。
在另一个有利实施例中，至少在转子叶片的迎角范围内(对此，设备升力增加)，与转子叶片在相同迎角范围中的升力增加相比，由于气动装置，升力的增加量得以减小。
取决于转子叶片的具体设计，升力系数在一定的转子叶片迎角范围中增加。例如，这个范围可能是-5度到+15度。应注意，在该示例中，对于大于15度的迎角，升力系数会急剧下降。
气动装置的影响是有利的，与不具有气动装置的转子叶片相比，对于相关的转子叶片迎角，升力系数的斜率减小。如果做到这一点的话，则通过使用气动装置可获得相当大的优势，因为对于小迎角，设备升力增加，但是对于高迎角(风力涡轮机已经受高负载)，由气动装置产生的附加升力增加很小，甚至不增加。这样，风力涡轮机的各部件的疲劳极限就可以有利的方式设计。
在另一个有利的实施例中，连接器件是柱状的。
原则上，连接部件可以具有适于在气动装置和转子叶片之间提供稳定且耐用的连接的任何形状。然而，有利地，尽可能不使连接器件对从转子前缘部流向转子后缘部的气流产生阻碍的影响。因此，成形为精细且离散的梁或支柱或立柱的连接器件是有益的。总体而言，有利地，设定连接器件，使得它们与气流的空气动力学干扰尽可能小。。
在另一个有利的实施例中，气动装置的弦长在转子叶片的弦长的1％和15％之间的范围中，两个弦长在转子叶片的同一翼展位置处确定。
根据比如古奈扰流板、锯齿面板等的常规气动装置，有益地，与作为整体的转子叶片相比，将它们的形状和尺寸设计成较小。已发现，气动装置的弦长的上述范围表示气动装置的重量和阻力以及其对设备升力影响之间的有利折衷。
在另一个有利的实施例中，气动装置的弦线相对于转子叶片的弦线成的角度介于-25度和+25度之间。两个弦线在转子叶片的同一翼展位置处确定。
换句话说，气动装置的弦线相对于转子叶片的弦线倾斜或歪斜+-25度的范围。因此，尤其对于转子叶片的小迎角，可以实现设备的有利额外升力。
附图说明
参考附图，以示例方式描述本发明的实施例，附图中：
图1示出了风力涡轮机；
图2示出了包括风力涡轮机的转子叶片、气动装置和连接器件的设备，连接器件连接气动装置和转子叶片；
图3示出了气动装置和转子叶片后缘部的详细视图；
图4示出了气流和气动装置的弦线之间的角度；
图5示出具有邻近转子叶片的后缘部布置的气动装置的设备以及转子叶片的高迎角的速度轮廓；
图6示出在小迎角情况下的图5的同一设备；
图7示出了具有位于抽吸侧的涡流发生器的气动装置；
图8示出了具有位于后缘部和前缘部的锯齿的气动装置。
附图采用示意图的形式。值得注意的是，在不同附图中，相似或相同的元件由相同的参考标号表示。
具体实施方式
在图1中，示出风力涡轮机10。风力涡轮机10包括短舱12和塔11。短舱12安装在塔11的顶部。短舱12通过偏航轴承相对于塔11可旋转地安装。短舱12相对于塔11的旋转轴线称为偏航轴线。
风力涡轮机10还包括带三个转子叶片20的毂13(其中两个转子叶片20在图1中示出)。毂13通过主轴承相对于短舱12可旋转地安装。毂13可绕旋转轴线14旋转。
风力涡轮机10还包括主轴，主轴连接毂13和发电机15的转子。毂13直接连接到转子，这样，风力涡轮机10称为无齿轮直驱风力涡轮机。作为替代，毂13还可以经由变速箱连接到转子。这种类型的风力涡轮机被称为齿轮驱动的风力涡轮机。
发电机15容纳在短舱12中。其包括转子和定子。发电机15布置并制备成将转子的转动能量转化为电能。
转子叶片20通过变桨轴承(pitchbearing)相对于毂13绕俯仰轴16可旋转地安装。因此，转子叶片20可以俯仰，以相对于撞击风力涡轮机10的气流最优化它们的方位。
图2示出设备40，其包括风力涡轮机的转子叶片20和气动装置30。气动装置30通过连接器件41连接到转子叶片后缘部23。转子叶片20还包括具有转子叶片前缘26的转子叶片前缘部25。转子叶片前缘26和转子叶片后缘由称为转子叶片51的弦线的虚直线连接起来。弦线51的长度称为是转子叶片的弦长53。
转子叶片20还包括转子叶片抽吸侧28(还称为转子叶片的上表面)和转子叶片压力侧27(还称为转子叶片20的下侧)。
图2还示出了撞击设备40的气流47。气流47的方法与转子叶片的弦线成角度51(还称为转子叶片的迎角29)。如果气流47从转子叶片压力侧27的方向撞击转子叶片20，那么转子叶片的迎角29为正值，如果气流47从上侧(即从转子叶片抽吸侧28的方向)撞击转子叶片20，那么转子叶片的迎角29为负值。
在图3中，示出转子叶片后缘部23和气动装置30，该气动装置30布置为靠近转子叶片后缘24。为了清楚起见，省略了连接气动装置30和转子叶片后缘部23的连接器件。
转子叶片后缘部23包括转子叶片抽吸侧28和转子叶片压力侧29。转子叶片和气动装置30之间的最短距离确定了气动装置30和转子叶片之间的槽的槽宽43。
气动装置30包括翼面轮廓，如图3的剖面图可看出。更具体地说，气动装置30包括装置抽吸侧38、装置压力侧37、由装置前缘部36围绕的装置前缘35和由装置后缘部33围绕的装置后缘34。连接装置前缘35和装置后缘34的直线称为气动装置的弦线52。此外，气动装置的中弧线56由在气动装置30的每个翼展位置处到装置抽吸侧38和装置压力侧37的相等距离限定。气动装置的弦线52的长度称为气动装置的弦长54，装置抽吸侧38和装置压力侧37之间的最大距离称为气动装置的最大厚度55。应注意，装置抽吸侧38和装置压力侧37之间的距离由垂直于气动装置的弦线52的虚线得到。
图4明确说明了气动装置的迎角39。气动装置的迎角39由气流47和气动装置的弦线52之间的角度限定，气流47理解为转子叶片后缘部23处(特别是转子叶片后缘部23的转子叶片抽吸侧28处)的自由气流。
图5和图6示出了转子叶片后缘部23和气动装置30。示出连接气动装置30和转子叶片后缘部23的连接器件41。可以看出，气动装置30通过槽与转子叶片后缘部23间隔开。
图5和图6进一步说明了气流的速度轮廓46，如在气动装置30上游的情况。图6示出转子叶片的小迎角，导致边界层45的相对小厚度，图5示出了转子叶片的高迎角，导致比较厚的边界层，即，导致边界层45的相对大厚度。
换句话说，尽管在转子叶片的小迎角的情况下，气流速度比较快速地到达其恒定且稳定值时，而对于转子叶片的高迎角的情况，在气动装置30的区域，风流的局部速度比较小。这产生的结果是，对于小迎角，气动装置30是高效的，并给转子叶片产生显著的额外升力，而对于高迎角，气动装置30的效果比较小，并甚至被认为对于从转子叶片前缘部流向转子叶片后缘部23的气流而言不产生作用。
这样的好处是，增加包括气动装置和转子叶片的设备的升力的气动装置效率选择性地取决于边界层45的厚度，由此选择性地取决于转子叶片的迎角，由此选择性地取决于转子叶片的负载。不需要主动调节机构。
图7示出气动装置30的具体实施例。气动装置30包括多对翼展方向排列的涡流发生器48。应注意，图7所示的涡流发生器48的尺寸小于放置在风力涡轮机的常规转子叶片的抽吸侧上的常规涡流发生器。
图7还示出气动装置30通过连接器件41附接到附接板44。这样的好处是，气动装置30不是直接与转子叶片表面连接，而是附接板44与转子叶片表面连接。这样有利于在转子叶片后缘部处制造和安装气动装置。特别有利地，气动装置30作为改进型装备或升级套件安装到风力涡轮机的现有转子叶片。
最后，图8示出了气动装置30的另一实施例，其包括位于装置前缘部36和装置后缘部33的锯齿49。同样，气动装置30通过连接器件连接到附接板44。附接板44附接到转子叶片后缘部23。气动装置30的锯齿49的作用是减少噪音排放和进一步增加升力。

Claims (15)

1.一种设备(40)，包括风力涡轮机(10)的转子叶片(20)、气动装置(30)以及连接所述气动装置(30)和所述转子叶片(20)的连接器件(41)，其中，
-所述转子叶片(20)包括具有转子叶片压力侧(27)、转子叶片抽吸侧(28)、转子叶片后缘部(23)和转子叶片前缘部(25)的翼面轮廓，
-所述气动装置(30)包括具有装置压力侧(37)、装置抽吸侧(38)、装置后缘部(33)和装置前缘部(36)的翼面轮廓，
-所述气动装置(30)定位在邻近所述转子叶片抽吸侧(28)的区域中，
-所述气动装置(30)通过槽(42)与所述转子叶片(20)间隔开，并且
-所述槽(42)的槽宽(43)小于五厘米。
2.如权利要求1所述的设备(40)，其中，所述气动装置(30)在所述转子叶片后缘部(23)处通过所述连接器件(41)连接到所述转子叶片(20)。
3.如权利要求1所述的设备(40)，其中，所述气动装置(30)相对于所述转子叶片(20)倾斜，使得所述气动装置的迎角(39)大于三度。
4.如权利要求1所述的设备(40)，其中，至少对于介于五度到十度之间的转子叶片迎角(29)，所述气动装置(30)完全位于所述转子叶片后缘部(23)的边界层内。
5.如权利要求1所述的设备(40)，其中，所述气动装置的最大厚度(55)大于所述气动装置的弦长(54)的10％。
6.如权利要求1所述的设备(40)，其中，所述气动装置的最大厚度(55)介于所述气动装置的弦长(54)的10％和所述气动装置的弦长(54)的30％之间。
7.如权利要求1所述的设备(40)，其中，所述翼面轮廓是弧形翼面轮廓，因此，所述气动装置的弦线(52)与所述气动装置的中弧线(56)至少部分地不同。
8.如权利要求1所述的设备(40)，其中，涡流发生器(48)安装在所述装置抽吸侧(38)上，以增加所述设备(40)的升力。
9.如权利要求1所述的设备(40)，其中，所述装置后缘部(33)和/或所述装置前缘部(36)包括锯齿，以减少噪音排放和/或增加所述设备(40)的升力。
10.如权利要求1所述的设备(40)，其中，至少在使所述设备(40)的升力增加的转子叶片迎角(29)范围内，与所述转子叶片(20)在相同的转子叶片迎角(29)范围中的升力增加相比，由于所述气动装置(30)，所述设备(40)的升力的增加量变小。
11.如权利要求1所述的设备(40)，其中，所述连接器件(41)成形为柱状。
12.如权利要求1所述的设备(40)，其中，所述气动装置的弦长(52)位于所述转子叶片的弦长(53)的1％和15％之间的范围中，两个弦长在所述转子叶片(20)的相同翼展位置处确定。
13.如权利要求1所述的设备(40)，其中，所述气动装置的弦线(52)相对于所述转子叶片的弦线(51)的角度介于-25度到+25度之间，两个弦线在所述转子叶片(20)的相同翼展位置处确定。
14.如权利要求3所述的设备(40)，其中，所述气动装置(30)相对于所述转子叶片(20)倾斜，使得所述气动装置的迎角(39)大于五度。
15.如权利要求6所述的设备(40)，其中，所述气动装置的最大厚度(55)介于所述气动装置的弦长(54)的12％和所述气动装置的弦长(54)的24％之间。
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