CN105298738A - 风轮机轮叶的压力面失速边条 - Google Patents

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Abstract

一种失速边条(24)，在风轮机叶片(20)的至少一部分叶展(39)范围内布置在压力面(PS)上的来风(IW)停滞区(22)内并与停滞区(22)对正。在某个工作条件下(例如比最高功率低5-10％的工作条件下)，停滞区沿一条叶展方向的直线或曲线在标称迎角(α)处出现。失速边条的形状可使其在迎角小于标称迎角时在其后侧产生并支撑再循环气流的气泡(26)，该气泡维持压力面的层流状态，直到达到预定的负迎角(36)或负升力系数(38)，随后失速边条导致轮叶压力面上的气流分离(27)，因而降低轮叶上的负升力(34)。

Description

风轮机轮叶的压力面失速边条
关于联邦资助开发的声明
本发明的开发是由美国能源部的合同DE-EE0005493部分地支持的。因此，美国政府对于本发明可能具有某些权利。
技术领域
本发明涉及一种降低风轮机轮叶的空气动力载荷的方法和装置，尤其涉及在阵风中降低负升力。
背景技术
负升力是由处于负迎角的风轮机叶片产生的。当轮叶以较小或零度的正迎角工作时，阵风可能使升力在正值和负值之间交替变化，导致轮叶、转子和塔架上发生很严重的应力和疲劳。当这种情况在轮叶的径向外侧部分上发生时，可能导致轮叶快速交变弯曲，尤其是在紊流状况的最大风速下工作时。减小或消除负升力的一个途径是利用压力面失速边条使处于负迎角的轮叶压力面失速，如授权给本受让人的美国专利8,602,739中所述。但是，在某些工作条件下，失速边条可能增加不应有的阻力。本发明解决了这个问题。
附图说明
下面将参照附图详述本发明。在附图中：
图1是现有技术的风轮机叶片的横向截面轮廓图；
图2是在来风停滞区中具有压力面失速边条的风轮机叶片的局部横断面图；
图3示出了图2中的装置处于接近于零迎角的形态；
图4示出了图2中的装置处于负迎角的形态；
图5示出了图2中的装置处于增大的正迎角的形态；
图6示出了具有前后凹面的失速边条；
图7示出了具有前凹面和后凸面的失速边条；
图8是在有和没有压力面失速边条的条件下的升力系数与迎角的关系图；
图9是风轮机轮叶径向外侧部分的压力面的轮廓图；
图10示出了失速边条的一个示例性横向截面轮廓图。
具体实施方式
图1示出了具有前缘LE、后缘TE、压力面PS和吸力面SS的风轮机轮叶20的横向截面轮廓图。轮叶在转动平面21内沿转动方向R转动，如果环境风为零，这会导致相对风矢量RW。增加环境风矢量AW会产生合成来风矢量IW，它限定来风矢量和弦线CL之间的迎角α。倾角θ设置为使得转子以所需的叶尖速度转动并且迎角适合于风况。在正常工作期间，来风冲击前缘附近的叶片压力面的前部，并从冲击线向前后伸展。这会沿冲击线产生停滞区22。
图2示出了在停滞区22内具有失速边条24A的轮叶20的局部轮廓，停滞区22是在预定标称工作条件下在迎角α处产生的。此迎角可为低于最高功率的5-10％的工作条件或在额定功率的最低环境条件下提供所需的叶尖速度比。把失速边条24A布置在停滞区中能消除失速边条在此工作条件下的阻力。停滞区的弦向位置可在叶展范围内变化。此位置可通过针对特定轮叶设计的计算流体动力学来确定。在预定的标称工作条件下，失速边条可布置并排列为保持在停滞区中。由于没有阻力带来的损失，因此失速边条可比现有技术的高，从而能够更有效地使处于负迎角的叶片的压力面失速。
图3示出了具有减小的迎角的叶片20，例如，在高于标称风速的工作条件下，可具有接近于零度的迎角。在此条件下，失速边条24A在停滞区22之后。在失速边条后形成稳定的再循环气流26的气泡。这不会导致气流从叶片的压力面分离。相反地，它提供一种整流效果，使气流继续流动，而不会发生分离。在这种高风速条件下，由失速边条导致的阻力可有利于限制轮叶转速。
图4示出了处于负迎角的叶片20，在这种迎角时，气流在失速边条上流动的角度使图3所示的再循环气泡破裂，导致压力面上的气流发生分离27，因而降低负升力。可通过失速边条的位置、尺寸和截面形状来控制发生这种不稳定状况的迎角，如下文所述。
图5示出了具有增大的迎角的叶片20，该迎角比图2所示的迎角大。此时，停滞区22在失速边条24A之后。失速边条的位置和形状可使得其在迎角大于预定工作条件下的标称迎角并且不超过最大工作迎角或另一个预定迎角(例如15度)时在其前侧容纳再循环气流28的气泡。失速边条上的前向气流流过再循环气泡28，并重新附着到叶片边界层上。
图6示出了具有凹面的失速边条24B。凹面有助于形成并维持稳定的再循环气泡28。这种形状有利于失速边条的前侧和后侧维持层流状态，但当迎角小于所需的最小迎角时除外，此时后再循环气泡26(图3)会破裂，导致负升力减小。这会减小阵风条件下的翼面向变形。“翼面向”指在与弦正交且与叶展正交的平面中的弯曲方向。
图7示出了具有前凹面和后凸面的失速边条24C。前凹面有助于在所示条件下形成并维持稳定的前再循环气泡28。当停滞点向边条前方移动时，后凸面能促进后涡流发散。在此，由失速边条导致的涡流和气浪发散与由用于延迟气流分离的涡流发生器产生的涡流不同。由失速边条导致的涡流发散是朝向叶展方向的。它们会促进气流分离，而涡流发生器产生朝向弦向的涡流。
图8是未经改造的叶片32与使用本文所教导的用于一种示例性风轮机轮叶设计的压力面失速边条改造后的叶片34的升力系数CL与迎角α的函数关系对比图。失速边条的位置和形状可使得其在特定负冲角36或负升力系数38时导致气流分离。
图9示出了布置在风轮机叶片20的压力面PS上的失速边条24。例如，在至少15％叶展范围内，该失速边条可保持在停滞区中。停滞区的弦向位置可沿失速边条的跨度39变化。例如，失速边条的弦向位置可沿叶展的外侧30％的大部分在弦的1％-25％范围内变化，例如在1％和5％之间变化。“叶展”指从叶根到叶尖40的距离。“弦向位置”指从前缘算起沿弦线的距离，以弦长的百分比表示。在所示的例子中，停滞区的弦向位置沿轮叶的外侧30％随径向位置而增大。停滞区可遵循一条直线或曲线，这取决于特定的轮叶设计和选择的标称工作条件。
图10示出了失速边条的三角形截面，其具有高度H、底B和顶角以及可选的对称轴42。在一些实施例中，示例性的截面形状可为三角形或基本上为三角形。例如，三角形的高可为1-20毫米，夹角可为45-150度。也可使用其它形状，例如前文所示的凹/凸三角形、栅栏形(fences)、或其它形状。
在本发明的方法中，选择标称工作条件，例如小于最高功率的工作条件，并把失速边条布置到在该条件下出现的压力面停滞区中。这种布置能消除失速边条在标称工作条件下的阻力。通过按本文所述确定失速边条的尺寸和形状，能够在较大或较小的迎角时分别在失速边条的前侧或后侧维持再循环气流的气泡，直到达到预定的负迎角或负升力系数。随后，失速边条会使叶片压力面上的气流分离。这会减少轮叶、转子轴和塔架上的结构疲劳和最大应力，同时不会显著降低性能。
虽然本发明在上文中是通过各种实施例来展示和说明的，但显而易见的是，这些实施例仅是示例性的。在不脱离本发明的精神的前提下，能够进行无数的变化、更改和替换。因此，请注意，本发明仅受所附权利要求书的精神和范围限定。

Claims (14)

1.一种包括处于前缘和后缘之间的压力面的风轮机轮叶，该轮叶包括：
在预定的风轮机工作条件下的来风停滞区，该停滞区沿轮叶的压力面朝叶展方向延伸；和
在至少15％叶展范围内布置在停滞区内并对正停滞区的失速边条。
2.如权利要求1所述的风轮机轮叶，其中，所述失速边条沿一条直线或曲线布置，该直线或曲线的弦向位置在所述的至少15％叶展范围内变化。
3.如权利要求1所述的风轮机轮叶，其中，所述失速边条沿一条直线或曲线布置，该直线或曲线的弦向位置随所述轮叶的径向位置增大。
4.如权利要求1所述的风轮机轮叶，其中，所述失速边条包括具有前凹边的横向截面轮廓。
5.如权利要求1所述的风轮机轮叶，其中，所述失速边条包括具有前凹边和后凸边的横向截面轮廓。
6.如权利要求1所述的风轮机轮叶，其中，所述失速边条包括三角形或基本上为三角形的横向截面轮廓，三角形的顶角为45至150度，高为1至20毫米。
7.如权利要求1所述的风轮机轮叶，其中，所述失速边条的位置和形状使得该失速边条在迎角小于预定工作条件下的标称迎角时能够有效地在该失速边条的后侧容纳再循环气流的气泡，直至达到预定的负迎角，随后会导致气流沿叶片的压力面分离。
8.如权利要求1所述的风轮机轮叶，其中，所述失速边条的位置和形状使得该失速边条在迎角小于预定工作条件下的标称迎角时能够在该失速边条的后侧容纳再循环气流的气泡，直至达到预定的负升力系数，随后会导致气流沿叶片的压力面分离。
9.如权利要求1所述的风轮机轮叶，其中，所述失速边条的位置和形状使得该失速边条在迎角大于预定工作条件下的标称迎角并且不超过最大工作迎角时能够在该失速边条的前侧容纳再循环气流的气泡。
10.一种包括处于前缘和后缘之间的压力面的风轮机轮叶，其特征在于：
位于预定标称迎角处的来风停滞区，该停滞区在轮叶压力面的前部上沿叶展方向的直线或曲线布置；
在至少15％叶展范围内布置在停滞区内并对正停滞区的失速边条；和
所述失速边条的位置和形状使得该失速边条在迎角小于标称迎角时能够在该失速边条的后侧容纳再循环气流的后气泡，直至达到预定的负迎角，随后会使轮叶压力面上的气流分离，因而减小轮叶上的负升力。
11.如权利要求1所述的风轮机轮叶，其中，在所述的至少15％叶展范围内，所述失速边条的弦向位置在弦的1％-25％范围内变化。
12.如权利要求1所述的风轮机轮叶，其中，在所述的至少15％叶展范围内，所述失速边条的弦向位置在弦的1％-5％范围内变化。
13.如权利要求1所述的风轮机轮叶，其中，所述失速边条包括具有前凹边的横向截面轮廓。
14.如权利要求1所述的风轮机轮叶，其中，所述失速边条的位置和形状使得该失速边条在迎角大于标称迎角时能够在该失速边条的前侧容纳循环气流的前气泡。
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