CN106468241B - 具有气流转换装置的风力涡轮机叶片及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机和降低极端载荷以及疲劳载荷的方法，该方法通过利用设置在风力涡轮机叶片压力侧上的被动激活气流转换装置来实现。当被激活时，气流转换装置中止掠过气流，并将气流转换成湍流气流。气流转换装置位于靠近前缘处，其中优化其尺寸，使得最大升力系数减小并且最小升力系数增大，减小升力系数范围。在攻角为超过正常运行范围的负攻角和正攻角时，激活气流转换装置。

Description

具有气流转换装置的风力涡轮机叶片及其方法
技术领域
本发明涉及一种具有风力涡轮机叶片的风力涡轮机及其方法，其中该风力涡轮机叶片具有一个或多个设置在风力涡轮机叶片前缘附近的侧表面上的被动激活气流转换装置。该气流转换装置设计为中止沿翼弦方向掠过风力涡轮机叶片的层流气流。该气流转换装置设计为降低风力涡轮机所经受的极端载荷和疲劳载荷，而不会影响正常运行范围内的空气动力学性能。
背景技术
设计风力涡轮机叶片时的主要难题在于要设计一种风力涡轮机叶片，其结构坚实并具有空气动力学外形，该空气动力学外形在表面干净以及例如由于积聚了昆虫和灰尘而较粗糙的情况下，仍然能够运行。解决这个问题的一种方式是提供一种风力涡轮机叶片，其具有对粗糙度不敏感的空气动力学外形。然而，这种空气动力学外形的最大升力系数将很大，这会增大风力涡轮机内风力涡轮机叶片以及其他元件所经受的极端载荷和疲劳载荷。
另一方案是：在风力涡轮机叶片的空气动力学外形的前缘或后缘配备涡流发生器、缝翼或古奈扰流板，以增大升力系数和/或攻角，以便补偿由于表面粗糙度造成的升力损失。然而，这种被动激活装置也增大了风力涡轮机内风力涡轮机叶片以及其他部件所经受的极端载荷和疲劳载荷。同样众所周知的是，能够为空气动力学外形增加主动控制可变形单元，这样能够基于从控制器接收到的控制信号改变它们的外形。然而，这种主动单元为风力涡轮机叶片引入弱点，并且比起上述的被动装置，这将成为可靠性更低的方案。
美国专利申请US 2009/0028718 A1公开了一种配备有失速带的风力涡轮机叶片，该失速带设置在压力侧上以造成失速，并由此降低升力。这种失速带特别设计为在攻角为负数时降低最小升力系数。该失速带为非等边三角形，并且为了达到最优失速效果，其置于距离前缘5％-30％弦长处。US 2009/0028718 A1还记载这种失速带可为等腰三角形，并且可置于2％-5％弦长处。然而，这将导致风力涡轮机叶片的空气动力学性能降低，并由此降低正常运行范围内的电力生产。
美国专利申请US 2009/0226324 A1公开了一种配备有失速带或可变形单元的风力涡轮机叶片，该失速带或可变形单元连接至致动器，并置于距离前缘1％-20％的弦长处。这种失速带或可变形单元特别设计为在攻角为负数时减小最小升力系数。然而，这种失速带或可变形单元也会增大阻力，并由此降低正常运行期间的空气动力学性能。
美国专利申请US 2012/0263601 A1公开了一种具有动态失速调节系统的风力涡轮机叶片，该动态失速调节系统由集成驱动单元主动操作。控制器利用载荷传感器来确定载荷何时超过阈值，这会触发驱动单元启动，展开各个导流板元件。这增大了这个系统的复杂性和总体成本。该可展开的导流板元件设计为，当其展开时，分流掠过风力涡轮机叶片的气流，由此增加阻力并减小升力。由此，该导流板充当构成分离点的失速装置，在该分离点，掠过气流的边界层与压力侧或吸力侧分离，并由此引起提早失速。第一导流板元件置于吸力侧上，这会影响最大升力系数。第二导流板元件置于压力侧上，这会影响最小升力系数。第一导流板元件和第二导流板元件置于距离前缘5％-15％的弦长处。这种方案需要两个导流板元件位于相反侧表面上，以便同时影响最大升力系数和最小升力系数。
发明目的
本发明的目的在于提供一种气流转换装置，其减小最大升力系数并增大最小升力系数。
本发明的目的在于提供一种气流转换装置，其在正常运行范围内不会降低空气动力学性能。
本发明的目的在于提供一种降低风力涡轮机叶片载荷的方法，其减小最大升力系数同时增大最小升力系数。
本发明的目的在于提供一种降低风力涡轮机叶片载荷的方法，其能结合涡流发生器单元的作用。
发明内容
本发明的目的通过一种风力涡轮机来实现，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架、设置在风力涡轮机塔架顶端的机舱、具有至少两片风力涡轮机叶片并相对机舱设置的可转动轮毂，其中至少两片风力涡轮机叶片各自包括尖端、叶根和空气动力学外形，该空气动力学外形限定了前缘、后缘、第一侧表面和第二侧表面，该第一侧表面从几何学上限定了压力侧(也称为下表面)，该第二侧表面从几何学上限定了吸力侧(也称为上表面)，其中弦从前缘延伸至后缘，并且弦的标准长度为100％，其特别之处在于，至少一个第一断开装置设置在至少其中一片风力涡轮机叶片的压力侧上，该至少一个第一断开装置相对于前缘置于预定位置，并且其中当所述至少其中一片风力涡轮机叶片的攻角为正常运行攻角范围以外的正攻角时，该至少一个第一断开装置被动地减小最大升力系数，并且当所述至少其中一片风力涡轮机叶片的攻角为正常运行攻角范围以外的负攻角时，该至少一个第一断开装置被动地增大最小升力系数。
最大升力系数CL-max定义为最大正升力系数根据正攻角(AoA)的函数。最小升力系数CL-min定义为最小负升力系数根据负攻角的函数。基于风力涡轮机叶片的桨距角、转子速度、以及风力涡轮机的风速来确定攻角。在风力涡轮机叶片的正常运行条件下，升力系数随着攻角在最大升力系数与最小升力系数之间变化。
美国专利申请US 2009/0028718 A1和US 2009/0226324 A1中的传统失速带被设计为仅改变风力涡轮机叶片的最小升力系数，也就是被设计为仅在负攻角范围内起作用。类似地，传统的襟翼或缝翼被设计为仅增大最大升力系数以及相应的攻角，也就是这些装置被设计为仅在正攻角范围内起作用。美国专利申请US 2012/0263601 A1中的其他传统失速装置具有改变最大升力系数的第一失速元件以及改变最小升力系数的第二失速元件。
本气流转换装置的优点在于设计为在正攻角和负攻角范围内都起作用，并因此改变最大升力系数和最小升力系数。当例如由于极端风速、阵风、风切变或湍流，风力涡轮机叶片在正常运行范围外运行时，产生的极端载荷降低。
本气流转换装置减小最大升力系数同时增大最小升力系数，这样两个值向彼此靠近，这会减小风力涡轮机叶片的升力系数范围。当风力涡轮机叶片在正常运行范围外运行时，由于攻角从正攻角向负攻角转变所产生的疲劳载荷降低，反之亦然。
根据一实施例，当所述至少其中一片风力涡轮机叶片的攻角沿一方向超过正常运行攻角范围时，所述至少一个气流转换装置进一步将掠过该至少一个气流转换装置的气流从层流气流转换成湍流气流。
随着风掠过风力涡轮机叶片，其气流在压力侧和吸力侧上沿翼弦方向产生多个边界层。吹袭气流在风力涡轮机叶片的前缘区域形成所谓的驻点或驻留区，此处风速基本为0。然后气流以层流气流以及层流边界层的形式，分别沿着压力侧和吸力侧扩展。在后缘区域上也可发现类似的驻点或驻留区。
US 2009/0028718 A1和US 2009/0226324 A1中的传统失速带设计为使掠过气流从失速带朝向后缘沿翼弦方向顺着侧表面分离，并且比起没有配备这种失速装置，其能够在更靠前的点分流边界层。这使得风力涡轮机叶片更早失速，并且比起没有配备这种失速装置的风力涡轮机叶片，这会更早降低升力。这些失速带限定了所谓的分离点或分离区，在此气流开始形成循环区域。
气流转换装置的优点在于将层流气流以及层流边界层转换成湍流气流以及湍流边界层。气流转换装置限定了转换点或转换区，在此气流从一种状态转变为另一种状态。然后这种湍流气流沿侧表面扩展到可能的分离点或分离区，在此气流如上所述分流。这也可减少冰、灰尘或其他颗粒由于湍流气流而积累在侧表面上的量。
根据一实施例，该至少一个第一气流转换装置的位置根据沿弦的距离并投影于压力侧来确定，其中该至少一个第一气流转换装置位于从前缘起沿弦测得的0％-1％的距离处，优选为从前缘起0.2％-0.6％的距离处。
转换点/转换区朝向前缘驻点/驻留区，分离点/分离区朝向后缘驻点/驻留区。这意味着比起US 2009/0226324 A1的传统失速带，本气流转换装置优选更靠近前缘设置。
风力涡轮机叶片从前缘到后缘测得的总标准弦长为100％。通过将其位置投影到弦上，并测量从交点至前缘的距离，确定气流转换装置的位置。测试证明：为了达到最佳效果，气流转换装置应该位于距前缘0％-1％，优选0.2％-0.6％的距离处。然而，为了达到最佳效果，传统失速带优选位于5％-20％的距离处。通过将气流转换装置放置得更靠近前缘，可更早降低最大升力系数和最小升力系数。
上述距离相对面向风力涡轮机叶片前缘的气流转换装置的前沿来测量。或者，该距离可相对气流转换装置的中心纵线或面向风力涡轮机叶片后缘的气流转换装置后缘来测量。在此情况下，必须相应地调整气流转换装置的安装，即上述距离值必须适当地大于相对气流转换装置前缘所测得的距离值。
在预定纵向点，例如限定最大弦长的点处，风力涡轮机叶片的弦长可用于确定气流转换装置的翼弦方向上的位置。例如，气流转换装置可置于风力涡轮机叶片上，其中叶片截面弦长为600mm及以下。
根据一实施例，该至少一个第一气流转换装置或该至少一个第二气流转换装置高度为0.05mm-1mm，优选0.2mm-0.5mm。
气流转换装置具有平行于风力涡轮机纵向长度延伸的纵向长度、沿翼弦方向延伸的宽度、以及从各个侧表面向外伸出的高度。对这些气流转换装置的尺寸、可能还有其位置，相对各个风力涡轮机叶片的形状和大小进行优化。
测试还证明：为了达到最佳效果，气流转换装置高度应为0.05mm-1mm，优选0.2mm-0.5mm。这使得气流转换装置能够改变气流状态，而不引起气流分离。
传统失速带为了分离气流，需要更高的高度，例如是气流转换装置高度的2倍以上。然而，这种装置将会增大风力涡轮机叶片的阻力，并因此降低升力。
根据一实施例，该至少一个第一气流转换装置或该至少一个第二气流转换装置宽度为0.5mm-5mm，优选1mm-3mm。
测试还证明：为了达到最佳效果，气流转换装置的宽度应为0.5mm-5mm，优选1mm-3mm。这使得气流转换装置能够改变气流状态，而不引起气流分离。
传统失速带由于高度增大，一般也需要变得更厚，例如是气流转换装置高度的2倍。这种失速带还比气流转换装置承受更大的力，因此必须相应地进行设计。如果这种失速带放置得更靠近前缘，那么在正常运行条件下，会在风力涡轮机叶片的空气动力学性能上产生负面影响。在正常运行条件下，本发明设计为不会或几乎不对风力涡轮机叶片的空气动力学性能产生负面影响。
测试结果表明，比起没有配备这种气流转换装置的风力涡轮机叶片，本发明的最大升力系数可降低大约10％。该测试结果还表明，比起没有配备这种气流转换装置的风力涡轮机叶片，本发明的最小升力系数可增加大约16％。这意味着，升力系数的范围可减小超过20％。
根据一实施例，至少一个第二气流转换装置进一步设置在所述至少其中一片风力涡轮机叶片的压力侧上，该至少一个第二气流转换装置相对前缘置于另一预定位置，其中该至少一个第二气流转换装置相对该至少一个第一气流转换装置设置。
两个或多个气流转换装置可相对彼此设置在风力涡轮机叶片的压力侧上，优选沿翼弦方向设置。气流转换装置可全部设计为改变最大升力系数和最小升力系数。或者，第一组气流转换装置可设计为改变最大升力系数，第二组气流转换装置可设计为改变最小升力系数。这使得各个气流转换装置的尺寸、可能还有其位置可相对于各片风力涡轮机叶片的形状和大小各自优化，或成对优化。
先前没有公开过在同一片风力涡轮机叶片横截面上使用两个或多个装置。US2009/0226324 A1和US 2009/0028718 A1所述的传统失速带均教导在给定横截面上使用单个装置。
根据一特定实施例，该至少一个第二气流转换装置的位置根据沿弦的距离并投影于压力侧来确定，其中该至少一个第二气流转换装置位于从前缘起沿弦测得的1％-3％的距离处，优选为从前缘起1.5％-2.5％的距离处。
第一气流转换装置可如上所述放置，而至少一个第二气流转换装置置于第一气流转换装置与后缘之间。第二气流转换装置可沿翼弦方向对齐第一气流转换装置。例如，第一气流转换装置可置于0％-1％的第一距离处，优选为0.25％-0.5％，而第二气流转换装置可置于沿弦1％-3％的第二距离处，优选为1.5％-2.5％，更优选为2％。所述第一气流转换装置可优化以改变最大升力系数，而所述第二气流转换装置可优化以改变最小升力系数。
根据另一特定实施例，该至少两片风力涡轮机叶片各自具有从叶根伸向尖端的纵向长度，其中该至少一个第二气流转换装置相对该至少一个第一气流转换装置沿纵向偏置。
上述第一气流转换装置和第二气流转换装置可进一步相对彼此沿纵向偏置。第一气流转换装置可置于第一纵向长度处，第二气流转换装置可置于第二纵向长度处。所述第一纵向长度和第二纵向长度从风力涡轮机叶片的叶根进行测量。或者，可相对第一气流转换装置和第二气流转换装置沿翼弦方向和/或纵向设置第三气流转换装置。
例如，第一气流转换装置可置于0.1％-0.3％的第一距离处，优选0.15％-0.25％，而第二气流转换装置可置于0.3％-0.5％的第二距离处，优选0.35％-0.45％——所有距离沿弦测得。
第一气流转换装置和第二气流转换装置可部分偏离，这样各个装置的仅仅一部分彼此对齐。第一气流转换装置和第二气流转换装置可完全偏离，这样各个装置具有相向端。所述相向端可彼此对齐，或可在第一气流转换装置与第二气流转换装置之间限定间隙。这进一步使得各个气流转换装置的放置能够根据各片风力涡轮机叶片的空气动力学外形和尺寸得到优化。
根据一实施例，该至少一个第一气流转换装置与至少一个第二气流转换装置的其中之一沿翼弦方向为矩形。
气流转换装置，即第一气流转换装置和第二气流转换置，可由塑料、金属、木材、复合材料、纤维强化材料或其他适合的材料制成。以翼弦方向所示，气流转换装置的横截面可为四边形、三角形、部分圆形。所述四边形包括方形、矩形或梯形。所述三角形包括等腰或非等边三角形。所述部分圆形包括半圆形或四分之一圆形。以纵向所示，气流转换装置还可为之字型。
例如，气流转换装置优选为矩形，比起如US 2009/0028718 A1所述的传统失速带的三角形，这种形状对腐蚀更具复原性。
根据一实施例，该至少两片风力涡轮机叶片各自具有从叶根伸向尖端的100％的纵向长度，该至少一个第一气流转换装置和至少一个第二气流转换装置的其中之一沿风力涡轮机叶片放置，并且处于从叶根沿纵向长度测得的33％的距离处，优选从叶根起测得的距离为至少66％的距离处，该至少一个气流转换装置伸向风力涡轮机叶片的尖端或其附近。
风力涡轮机叶片从叶根至尖端测得的总标准纵向长度为100％。气流转换装置优选朝向风力涡轮机叶片放置，优选地，当气流转换装置的位置投影至纵向长度上时，其位于从叶根起测得的至少33％的距离处。气流转换装置沿纵向延伸，并具有预定的纵向长度。传统的失速带优选比气流转换装置放置得更靠近叶根。这意味着失速带比气流转换装置承受更大的各种风速和载荷。
气流转换装置，即第一气流转换装置和第二气流转换装置，可形成单个连续的装置或两个、三个或更多个以连续顺序放置的子装置。或者，一个或多个这些子装置可相对其余的装置在翼弦方向偏离。多个子装置的应用使得操作和安装更简单。气流转换装置或子装置可成型为沿纵向延伸的带条。
根据一实施例，至少一个涡流发生器单元设置在所述至少其中一片风力涡轮机叶片的吸力侧上，该至少一个涡流发生器单元相对前缘置于预定位置。
气流转换装置可优选与一个或多个涡流发生器(VG)单元结合，该一个或多个涡流发生器设置在风力涡轮机叶片上，优选设置在吸力侧上。VG单元可设计为增大风力涡轮机叶片的升力系数。VG单元还可设计为增大最大升力系数的相应AoA。这使得VG单元能够补偿由于表面粗糙度造成的升力损失，该表面粗糙度例如由磨耗或灰尘、冰或其他污染物引起。
本发明的目的还可通过一种降低风力涡轮机载荷的方法来实现，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架、设置在风力涡轮机塔架顶端的机舱、具有至少两片风力涡轮机叶片并相对机舱设置的可转动轮毂，其中至少两片风力涡轮机叶片各自包括尖端、叶根和空气动力学外形，该空气动力学外形限定了前缘、后缘、第一侧表面和第二侧表面，该第一侧表面限定了压力侧，该第二侧表面限定了吸力侧,其中弦从前缘延伸至后缘，并且其弦长为100％，其特别之处在于该方法包括以下步骤：
-相对至少其中一片风力涡轮机叶片的压力侧上的前缘，在预定位置设置至少一个气流转换装置，
-在正常运行攻角范围内操作所述至少其中一片风力涡轮机叶片，
-当所述至少其中一片风力涡轮机叶片的攻角为正常运行攻角范围以外的正攻角时，通过所述至少一个气流转换装置被动地降低最大升力系数，并且当所述至少其中一片风力涡轮机叶片的攻角为正常运行攻角范围以外的负攻角时，通过所述至少一个气流转换装置被动地增大最小升力系数。
本结构使得气流转换装置在风力涡轮机叶片的正常运行条件以外被激活，即起作用，使得其在风力涡轮机叶片正常运行期间不会影响升力，即降低升力。所述正常运行条件可由风力涡轮机叶片的正常桨距范围或正常运行攻角范围来限定。该范围可由第一极限值和第二极限值限定，第一极限值和第二极限值例如是第一桨距角和第二桨距角，或者第一攻角值和第二攻角值。例如，正常桨距范围可以是3度至10度，例如8度。
不同于设置在风力涡轮机叶片上的传统失速带或其他失速引发装置或升力提升装置，气流转换装置在正常运行范围以外的正攻角和负攻角均被激活。这意味着，最大升力系数和最小升力系数减小，会使风力涡轮机的风力涡轮机叶片和其他部件的极端载荷和疲劳载荷降低。
在正常运行时，风力涡轮机在正常桨距范围内变桨距，以使功率输出最大化。风力涡轮机的升力相应地沿着升力-攻角曲线，在最大升力系数与最小升力系数之间循环。在这种正常模式下，不激活气流转换装置。
根据一实施例，当所述至少其中一片风力涡轮机叶片的攻角沿一方向超过正常运行攻角范围时，所述至少一个气流转换装置将掠过所述至少一个气流转换装置的气流从层流气流转换成湍流气流。
在例如由于高风速、阵风、风切变、湍流或其他极端情况引起的极端情况下，风力涡轮机叶片超过正常运行范围变桨距，或者攻角变为超出正常运行范围的值，由此激活气流转换装置。随着攻角以正向或负向超过正常运行范围的极限值，气流转换装置引起掠过气流的更早转换，并由此降低极端载荷。一旦极端情况终结，风力涡轮机叶片变桨距回到正常运行范围内，或者攻角变回正常运行范围内的值，由此使气流转换装置停止作用。
根据一实施例，所述设置至少一个气流转换装置的步骤包括以下其中之一：
-制造该至少其中一片风力涡轮机叶片之后，将该至少一个气流转换装置附接至所述至少其中一片风力涡轮机叶片，或者
-在制造该至少其中一片风力涡轮机叶片期间，将该至少一个气流转换装置设置在侧表面上，例如将该至少一个气流转换装置整合至侧表面上。
在制造期间，气流转换装置可成型为风力涡轮机叶片的一部分，例如通过在模具中形成凹槽，然后在铺叠成型时，用纤维材料填满该模具，随后用树脂进行加工处理。或者，在制造工序的精加工步骤期间，成型气流转换装置。在制造工序的铺叠成型或精加工步骤期间，这种方案对公差敏感。
解决这种问题的一种方式是将气流转换装置成型为单独的装置，其在制造工序之后固定至侧表面。如果气流转换装置损毁，这样能实现了简单的移除和更换。气流转换装置可利用粘胶层粘结至侧表面。气流转换装置形状可为3M带(也称为直升机胶带)或聚氨酯(PU)带，然后应用于风力涡轮机叶片。也可通过用胶合物施加于气流转换装置的底表面和/或风力涡轮机叶片的侧表面，来将气流转换装置粘结至侧表面。或者，可利用紧固元件如螺栓或铆钉来附接气流转换装置。
根据一实施例，该至少一个气流转换装置利用安装工具置于该至少其中一片风力涡轮机叶片上，其中所述安装工具包括用于容置该至少一个气流转换装置的工具、以及用于将该至少一个气流转换装置相对至少一个参照点对齐的工具。
可利用安装工具将气流转换装置恰当地置于各个侧表面上。安装工具可包括一个或多个用于容置并固定一个或多个气流转换装置的开口。安装工具还可包括一个或多个用于在风力涡轮机叶片的一部分上，例如侧表面和/或前缘，放置工具的定位器。所述定位器可以是支撑架或支脚，其中支撑架或支脚形状对照风力涡轮机叶片特定部分的轮廓，或者，所述支撑架或支脚为可调整的，使得它们能够调整以对照风力涡轮机叶片的轮廓。
安装工具还可包括用于将气流转换装置相对风力涡轮机叶片的一个或多个参照点对齐的校准器。所述校准器可以是测量单元、比如镭射单元的光源、具有预定大小和形状的固定单元或其他适合的器具，用于对齐气流转换装置。校准器可以是可调整的，使得气流转换装置的位置可移至正确位置。参照点可以是风力涡轮机叶片的标记、前缘或后缘、尖端或其他适合的参照点。
例如，尖端和后缘可用作参照点，因为它们易于确定，这一点与前缘相反，前缘则更难以确定。定位器还可包括一个或多个用于相对一个或多个已安装的气流转换装置放置安装工具的开口。可手动操作或通过连接至安装工具的控制器来操作安装工具。这使得相对于参照点安装气流转换装置的工序更简单，并使得在新式以及旧式风力涡轮机叶片上放置气流转换装置变得更精准。
安装工具还可包括用于将气流转换装置固定至风力涡轮机叶片的器具。所述固定器可以是将胶合物或粘胶层应用于气流转换装置底表面的单元。当固定器被置于风力涡轮机叶片上时，该固定器还可设计于将压力以及可能存在的热量施加至气流转换装置。这确保了在气流转换装置与风力涡轮机之间具有良好的固定。
一旦完成安装工序，可从风力涡轮机叶片和气流转换装置移除安装工具。
附图说明
参照附图，仅以示例形式描述本发明，其中：
图1示出了风力涡轮机的示范性实施例；
图2示出了没有配备失速装置的风力涡轮机叶片周围的气流；
图3示出了配备了失速装置的风力涡轮机叶片周围的气流；
图4示出了本发明气流转换装置的第一实施例；
图5示出了本发明气流转换装置和失速延迟装置的第二实施例；
图6示出了本发明气流转换装置和失速延迟装置的第三实施例；
图7a示出了安装在沿叶片外部大约25％处的第一气流转换装置的实施例；
图7b示出了安装在沿叶片外部大约60％处的第一气流转换装置的实施例；
图7c示出了本发明第一气流转换装置和第二气流转换装置的实施例；
图8示出了没有配备气流转换装置的风力涡轮机叶片周围的气流；
图9示出了配备了气流转换装置的风力涡轮机叶片周围的气流；
图10示出了升力系数相对于攻角的第一曲线图；
图11示出了升力系数相对于阻力系数的第一曲线图；
图12示出了升力系数相对于攻角的第二曲线图；
图13示出了升力系数相对于阻力系数的第二曲线图；以及
图14示出了最大升力系数相对于气流转换装置位置的曲线图。
在下文中，将逐一描述附图，并且不同附图中的各个部件和位置将会标以相同的序号。特定附图中并非所有的示出部件和位置都必须与该附图一并进行讨论。
序号列表
1.风力涡轮机
2.风力涡轮机塔架
3.机舱
4.风力涡轮机叶片
5.变桨距机构
6.尖端
7.叶根
8.前缘
9.后缘
10.压力侧
11.吸力侧
12.气流
13.失速装置
14.气流转换装置、第一气流转换装置
15.失速延迟装置
16.第二气流转换装置
17.最大升力系数
18.最小升力系数
19.正常运行范围
20.气流转换装置位置
21.弦
具体实施方式
图1示出了包括风力涡轮机塔架2的风力涡轮机1的示范性实施例。机舱3设置在风力涡轮机塔架2顶端，并通过偏航机构(未示出)连接至风力涡轮机塔架2。包括至少两片风力涡轮机叶片4的转子，在此显示为具有三片叶片，通过转轴可转动地连接至设置在机舱3内的传动系。风力涡轮机叶片4通过变桨距机构5可转动地连接至轮毂，变桨距机构5由桨距控制系统控制。
各片风力涡轮机叶片4具有尖端6、叶根7和具有空气动力学外形的主体，该空气动力学外形确定了前缘8和后缘9。空气动力学形状的主体的侧表面分别确定了压力侧10和吸力侧11。
图2示出了没有在压力侧10上配备失速装置的风力涡轮机叶片4周围的气流。来风以攻角冲击风力涡轮机叶片，该攻角相对从前缘8延伸至后缘9的弦测得。如图2和3所示，掠过气流12在各个压力侧10和吸力侧11上产生多个边界层。
图3示出了配备了传统失速装置13的风力涡轮机叶片4周围的掠过气流12。如图3所示，失速装置13设计为沿吸力侧11分离掠过气流12，由此使得风力涡轮机叶片4比图2的风力涡轮机叶片4更早失速。
图4示出了设置在风力涡轮机叶片4压力侧10上的气流转换装置14的第一实施例。气流转换装置14相对前缘8放置，并具有纵向长度、横向宽度和从压力侧10向外伸出的高度。
气流转换装置14优选置于从前缘8起沿弦21(虚线所示)测得的0％-1％的距离处。如图所示，气流转换装置14的横截面外形为矩形，然而，根据风力涡轮机叶片4各自的空气动力学外形和尺寸，可使用其他横截面外形。气流转换装置14的尺寸设计为将掠过气流12从层流状态转换成湍流状态。这会减小风力涡轮机叶片4的最大升力系数并且还增大其最小升力系数。为了在最大升力系数和最小升力系数上达到最佳效果，气流转换装置14的宽度为0.5mm-5mm，高度为0.05mm-1mm。
图5示出了第二实施例，其中VG单元式的失速延迟装置15设置在如图4所示的风力涡轮机叶片4的吸力侧11上。该失速延迟装置15的设计是为了不同的目的，即相比起气流转换装置14延迟失速。由此，失速延迟装置15的横截面外形和尺寸不同于气流转换装置14的横截面外形和尺寸。失速延迟装置15的外形使得风力涡轮机叶片4的整体升力系数增大，这会补偿由于风力涡轮机叶片4的表面粗糙度增大而造成的升力损失。失速延迟装置的尺寸是已知的，在此不再详述。
气流转换装置14和失速延迟装置15的位置投影到弦21(虚线)上，并沿弦21相对前缘8进行测量。如图所示，比起气流转换装置14，失速延迟装置15置于更靠近后缘9的距离处。
图6示出了第三实施例，其中在图5所示的风力涡轮机叶片压力侧10上进一步设置第二气流转换装置16。第一气流转换装置14置于距离前缘8的第一距离处，而第二气流转换装置16置于距离前缘8的第二距离处。如图所示，第二气流转换装置16置于第一气流转换装置14与后缘9之间。在此，第一距离和第二距离如图所示地垂直于弦21的虚线投影，沿弦进行测量。
优化第一气流转换装置14的横截面形状和尺寸以降低最大升力系数。优化第二气流转换装置16的横截面形状和尺寸以增大最小升力系数。
图6的第一气流转换装置14和第二气流转换装置16相对彼此沿翼弦方向对齐。
图7a示出了从压力侧10所示，沿叶片4外部大约25％安装的第一气流转换装置14的实施例。在此实施例中，可省略失速延迟装置15。
图7b示出了从压力侧10所示，沿叶片4外部大约60％安装的第一气流转换装置14的实施例。在此实施例中，可省略失速延迟装置15。
图7c示出了本发明的第一气流转换装置和第二气流转换装置的实施例，其中第二气流转换装置16相对第一气流转换装置14在朝向尖端6的纵向上偏离。风力涡轮机叶片4具有从叶根7伸向尖端6的纵向长度。第一气流转换装置14置于大约为25％-60％的第一距离处，该第一距离从叶根7起沿纵向长度测得。第二气流转换装置16置于大约为65％-100％的第二距离处，该第二距离从叶根7起沿纵向长度测得。第一气流转换装置14与第二气流转换装置16之间的偏离可由各片风力涡轮机叶片4的空气动力学外形和尺寸来确定。此处偏离大致为0％。
图7c所示的第一气流转换装置14和第二气流转换装置16相对彼此在翼弦方向上偏离。然而，第二气流转换装置16也可沿翼弦方向与第一气流转换装置14对齐，这样两个气流转换装置距前缘8的距离相同。
图8示出了没有配备气流转换装置14、16的风力涡轮机叶片4周围的掠过气流12。如图所示，来风首先在前缘8附近形成驻点S。
然后气流12沿压力侧10和吸力侧11吹向后缘9。然后压力侧10上的气流12’经过转换点TP1，在此气流12’由层流气流LF转换成湍流气流TF。同样地，吸力侧11上的气流12”随后经过转换点TP2，在此，气流12”由层流气流LF转换成湍流气流TF。
然后气流进一步吹向后缘9并最终在分离点(未示出)分别与压力侧10和吸力侧11分离。
图9示出了配备了气流转换装置14的风力涡轮机叶片4周围的气流12。如图所示，气流转换装置14形成转换点TP4，在此气流12”由层流气流LF转换成湍流气流TF。这使得气流12更早地转换，并且因此相比图8的风力涡轮机叶片降低了层流气流的效果。
图10示出了升力系数CL相对攻角AoA的第一曲线图。第一曲线(实线)示出了风力涡轮机叶片4的升力系数，其中压力侧10上没有设置气流转换装置14。第二曲线(虚线)示出了升力系数，其中在压力侧10上0.25％的距离处设置气流转换装置14。第三曲线(点划线)示出了升力系数，其中在压力侧10上0.5％的距离处设置气流转换装置14。
比起第一曲线，如第二曲线和第三曲线所示的最大升力系数17向最小升力系数减小。同样地，比起第一曲线，最小升力系数18向最大升力系数增大。这样当风力涡轮机叶片4在正常桨距范围外变桨距时，产生的极端载荷降低。
图11示出了升力系数CL相对阻力系数Cd的第一曲线图。第一曲线(实线)示出了风力涡轮机叶片4的升力系数，其中压力侧10上没有设置气流转换装置14。第二曲线(虚线)示出了在压力侧10上0.25％的距离处设置气流转换装置14的升力系数。第三曲线(点划线)示出了在压力侧10上0.5％的距离处设置气流转换装置14的升力系数。
如第二曲线和第三曲线所示，气流转换装置14在正常运行范围19内没有对升力系数造成不利影响。气流转换装置14减小了最大升力系数17与最小升力系数18之间的范围。这样当风力涡轮机叶片4在正常运行范围内变桨距时，产生的疲劳载荷也降低了。
图12示出了升力系数CL相对攻角AoA的第二曲线图。此曲线图不同于图10的第一曲线图之处在于，失速延迟装置15和气流转换装置都设置在风力涡轮机叶片4上。
比起图10的第一曲线，如第二曲线(虚线)和第三曲线(点划线)所示的最大升力系数17增大。同样地，比起图10所示的第一曲线，对应最大升力系数17的AoA增大。
图13示出了升力系数CL相对阻力系数Cd的第二曲线图。此曲线图不同于图11的第一曲线图之处在于，失速延迟装置15和气流转换装置都设置在风力涡轮机叶片4上。
比起图11所示的第三曲线，如第二曲线(虚线)所示的，升力系数增大。
图14示出了最大升力系数17CL-max相对气流转换装置14的位置20x/c的曲线图。位置20定义为从前缘8沿弦测得的距离占风力涡轮机叶片4标准弦长的百分比。
如图所示，若将气流转换装置14置于0％-1％，优选0.2％-0.6的距离处，可实现气流转换装置14的最佳效果。若将气流转换装置14置于大于1％的距离处，气流转换装置实质上对最大升力系数17没有影响。

Claims (21)

1.一种风力涡轮机(1)，包括风力涡轮机塔架(2)、设置在风力涡轮机塔架(2)顶端的机舱(3)、具有至少两片风力涡轮机叶片(4)并相对机舱(3)设置的可转动轮毂，其中所述至少两片风力涡轮机叶片(4)各自包括尖端(6)、叶根(7)和空气动力学外形，其中所述空气动力学外形限定了前缘(8)、后缘(9)、第一侧表面和第二侧表面，所述第一侧表面限定了压力侧(10)，第二侧表面限定了吸力侧(11)，其中弦(21)从所述前缘延伸至所述后缘(9)，并且弦长为100％，其中至少第一气流转换装置(14)仅设置在至少其中一片风力涡轮机叶片(4)的第一侧表面上，所述第一气流转换装置(14)相对于前缘(8)置于预定位置，并且设置为当所述至少其中一片风力涡轮机叶片(4)的攻角为正常运行攻角范围(19)以外的负攻角时，所述至少一个第一气流转换装置被动地增大最小升力系数(18)，其特征在于，所述第一气流转换装置(14)还设置为当所述至少其中一片风力涡轮机叶片(4)的攻角为正常运行攻角范围(19)以外的正攻角时，所述第一气流转换装置(14)被动地降低最大升力系数(17)。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，当所述至少其中一片风力涡轮机叶片(4)的攻角沿一方向超过正常运行攻角范围(19)时，所述第一气流转换装置(14)进一步将掠过所述第一气流转换装置(14)的气流(12)从层流气流转换成湍流气流。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述第一气流转换装置(14)所处的预定位置根据沿弦(21)的距离，并投影于压力侧(10)来确定，其中所述第一气流转换装置(14)位于从前缘(8)起沿弦(21)测得的0％-1％的距离处。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，其中所述第一气流转换装置(14)位于从前缘(8)起0.2％-0.6％的距离处。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，第二气流转换装置(16)进一步地仅设置在所述至少其中一片风力涡轮机叶片(4)的第一侧表面上，所述第二气流转换装置(16)相对前缘(8)置于另一预定位置，其中所述第二气流转换装置(16)相对所述第一气流转换装置(14)设置。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述第二气流转换装置(16)所处的另一预定位置根据沿弦(21)的距离，并投影于压力侧(10)来确定，其中所述第二气流转换装置(16)位于从前缘(8)起沿弦(21)测得的1％-3％的距离处。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述第二气流转换装置(16)位于从前缘(8)起1.5％-2.5％的距离处。
8.根据权利要求5所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述至少两片风力涡轮机叶片(4)各自具有从叶根(7)伸向尖端(6)的纵向长度，其中所述第二气流转换装置(16)相对所述第一气流转换装置(14)在纵向偏离。
9.根据权利要求5所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述第一气流转换装置(14)或所述第二气流转换装置(16)的高度为0.05mm-1mm。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述第一气流转换装置(14)或所述第二气流转换装置(16)的高度为0.2mm-0.5mm。
11.根据权利要求5所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述第一气流转换装置(14)或所述第二气流转换装置(16)的宽度为0.5mm-5mm。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述第一气流转换装置(14)或第二气流转换装置(16)的宽度为1mm-3mm。
13.根据权利要求5所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述第一气流转换装置(14)与第二气流转换装置(16)的其中之一沿翼弦方向为矩形。
14.根据权利要求5所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述至少两片风力涡轮机叶片(4)各自具有从叶根(7)伸向尖端(6)为100％的纵向长度，所述第一气流转换装置(14)和第二气流转换装置(16)的其中之一置于从叶根(7)起，沿风力涡轮机叶片纵向长度测得的至少33％的距离处。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述第一气流转换装置(14)和第二气流转换装置(16)的其中之一置于从叶根(7)起至少66％的距离处。
16.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，至少一个涡流发生器单元设置在所述至少其中一片风力涡轮机叶片(4)的第二侧表面上，所述至少一个涡流发生器单元相对前缘(8)置于涡流发生器预定位置。
17.一种降低风力涡轮机(1)载荷的方法，所述风力涡轮机包括风力涡轮机塔架(2)、设置在风力涡轮机塔架(2)顶端的机舱(3)、具有至少两片风力涡轮机叶片(4)并相对机舱(3)设置的可转动轮毂，其中至少两片风力涡轮机叶片(4)各自包括尖端(6)、叶根(7)和空气动力学外形，所述空气动力学外形限定了前缘(8)、后缘(9)、第一侧表面和第二侧表面，所述第一侧表面限定了压力侧(10)，所述第二侧表面限定了吸力侧(11),其中弦(21)从前缘(8)延伸至后缘(9)，并且其弦长为100％，其中所述方法包括以下步骤：
-相对至少其中一片风力涡轮机叶片(4)的第一侧表面上的前缘(8)，仅在预定位置设置第一气流转换装置(14)，并且
-在正常攻角运行范围(19)内操作所述至少其中一片风力涡轮机叶片(4)，
-其特征在于，所述方法包括以下步骤
-当所述至少其中一片风力涡轮机叶片(4)的攻角为正常运行攻角范围(19)以外的负攻角时，通过所述第一气流转换装置(14)被动地增大最小升力系数(18)，并且
-当所述至少其中一片风力涡轮机叶片(4)的攻角为正常运行攻角范围(19)以外的正攻角时，还通过所述第一气流转换装置(14)被动地减小最大升力系数(17)。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，当所述至少其中一片风力涡轮机叶片(4)的攻角沿一方向超过正常运行攻角范围(19)时，所述第一气流转换装置(14)将掠过所述第一气流转换装置(14)的气流(12)从层流气流转换成湍流气流。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述设置至少一个气流转换装置(14)的步骤包括以下其中之一：
-制造所述至少其中一片风力涡轮机叶片(4)之后，将所述第一气流转换装置(14)附接至所述至少其中一片风力涡轮机叶片(4)，或者
-在制造所述至少其中一片风力涡轮机叶片(4)期间，设置所述第一气流转换装置(14)。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一气流转换装置(14)利用安装工具置于所述至少其中一片风力涡轮机叶片(4)上，其中所述安装工具包括用于容置所述第一气流转换装置(14)的工具、以及用于将所述第一气流转换装置(14)相对至少一个参照点对齐的工具。
21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法包括这一步骤：进一步仅在至少其中一片风力涡轮机叶片(4)第一侧表面上设置第二气流转换装置(16)，其中所述第二气流转换装置(16)相对前缘(8)置于另一预定位置，并相对第一气流转换装置(14)设置。
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