CN107575341B - 带有涡流发生器的风力涡轮机转子叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括至少一个涡流发生器(30)的风力涡轮机的转子叶片(20)。涡流发生器(30)附接至转子叶片(20)的表面，且至少部分地定位在跨转子叶片(20)流动的气流(40)的边界层内。涡流发生器(30)暴露于滞止压力，所述滞止压力由越过涡流发生器(30)的气流的部分引起，且所述滞止压力的大小取决于越过涡流发生器(30)的气流的部分的速度。涡流发生器(30)设置和准备成，取决于作用在涡流发生器(30)上的滞止压力的大小而改变其配置。此外，本发明涉及带有至少一个这样的转子叶片(20)的用于生成电力的风力涡轮机。

Description

带有涡流发生器的风力涡轮机转子叶片

技术领域

本发明涉及包括至少一个涡流发生器的风力涡轮机的转子叶片。此外，本发明涉及包括至少一个这样的转子叶片的用于生成电力的风力涡轮机。

背景技术

涡流发生器是用于操纵跨风力涡轮机的转子叶片的表面流动的气流的众所周知的装置。涡流发生器的功能是在以下区域的下游生成涡流：在该区域中涡流发生器安装到转子叶片的表面。所生成的涡流可以对靠近转子叶片的表面的边界层重新充能。边界层的该重新充能可以延迟或防止失速。在安装有涡流发生器的转子叶片的区段处的失速的延迟或消除通常增大在该区段处的转子叶片的升力系数。通常期望升力的增大。升力的增大通常与转子叶片的负载的增大相关。转子叶片的该负载增大可能是不期望的。

因此，存在提供如何分别选择性启动或停用用于风力涡轮机的转子叶片的涡流发生器的构思的期望。

发明内容

本发明提供对该挑战的解决方案。特别地，独立权利要求的主题提供对所描述的问题的解决方案。在从属权利要求中公开了有利的实施例和修改。

根据本发明，提供一种风力涡轮机的转子叶片，其包括至少一个涡流发生器，其中，该涡流发生器附接至转子叶片的表面。涡流发生器至少部分地定位在跨转子叶片流动的气流的边界层内。涡流发生器暴露于滞止压力，该滞止压力由越过涡流发生器的气流的部分引起，且该滞止压力的大小取决于越过涡流发生器的气流的部分的速度。此外，涡流发生器设置和准备成，取决于作用在涡流发生器上的滞止压力的大小而改变其配置，使得，随着边界层中的滞止压力增大，涡流发生器生成涡流的能力减小。

边界层是紧邻转子叶片的表面的气流层。边界层也被称为“表面边界层”。

在边界层中，粘性的效果是显著的。边界层的厚度被限定为转子叶片的表面的距离，在该处气流的速度是自由流速度的99%。对于转子叶片的表面，转子叶片的约束、即限制表面（其通常被称为转子叶片的吸力侧和压力侧）被分别考虑。

跨转子叶片流动的气流被理解为从转子叶片的前缘区段流动至后缘区段的典型气流。取决于风力涡轮机的具体设定和操作模式，以及取决于冲击气流的具体方向，气流的方向可以改变。然而，大体上，跨转子叶片流动的气流基本上平行于转子叶片的弦向方向。

表述“气流越过涡流发生器”能够换言之被描述为“气流冲击在涡流发生器上”。

有时也被称为皮托压力的滞止压力被限定为在等熵地变成静止的流体中积累的压力。对于能够假定为不可压缩的低速流动，滞止压力等于静压和动压的和。静压应当理解为是自由流液体静压，其例如对于诸如风力涡轮机的开放流动应用而言，与环境压力相等。术语动压指的是每单位质量的流体动能，且因此取决于气流的速度。如果流体等熵地变成静止，则流体的每单位质量的所有动能都转换成压力，且因此在滞止点（流体静止的点）处的压力等于静压和动压的和。滞止压力能够使用所谓的皮托管测量。

本发明的关键方面在于：使用不同大小的滞止压力以便选择性启动或停用涡轮叶片的涡流发生器。因为在风力涡轮机的相关操作条件期间，假定静压基本上相等，所以实际上是动压的变化导致了涡流发生器的启动或停用。

由于边界层厚度的增大或减小，动压可以增大或减小。薄的边界层例如导致高的动压，而厚的边界层涉及小的动压。因此，换言之，该创造性构思也能够被描述为，取决于边界层的厚度而选择性地启动或停用涡流发生器。

有利地，涡流发生器的启动或停用被动地发生。因此，主动驱动致动器不是为了启动涡流发生器所必要的。作为替代，通过滞止压力的单纯增大，引起涡流发生器的配置的改变。

出于该目的，在本发明的特定实施例中，转子叶片包括从涡流发生器大致向上游延伸的压力管，其用于将跨转子叶片流动的气流的部分引导至可膨胀元件。

取决于边界层的厚度，高速空气流或低速空气流流过压力管，且冲击、即碰撞或进入可膨胀元件。如果动压小，且因此滞止压力也小，则可膨胀元件不膨胀，或者仅略微膨胀。相比之下，对于高的动压和滞止压力，高速气流流动通过压力管，导致可膨胀元件膨胀成显著的程度。

在替代性实施例中，不同的滞止压力仅用作用于触发致动器的触发器，该致动器用于启动涡流发生器。该致动器可以例如是电气或液压驱动的。作为示例，致动器可以使与涡流发生器关联的可膨胀元件膨胀或者放气。

注意到，随着边界层中的滞止压力增大，涡流发生器生成涡流的能力减小。

换言之，转子叶片被设计成使得，薄的边界层导致高的滞止压力且导致涡流发生器的停用，而厚的边界层导致小的滞止压力，从而导致涡流发生器的启动。

已知将涡流发生器置放在转子叶片的几乎任何展向位置处。因此，本领域技术人员不得不做出在哪里将创造性的涡流发生器有利地置放在转子叶片上的选择。建议将涡流发生器置放和定位在转子叶片的外侧一半中，特别地，在转子叶片的外侧三分之一中。

该选择是优选的，因为这里对于升力系数的影响和因此对于转子叶片的负载的影响是尤其强烈的。概念“外侧”，意思是邻近转子叶片的末端的区域。

适于在本发明的背景中使用的可膨胀元件的示例是将要提到的软管或压力室。

软管具有如下优点，即，其能够与转子叶片的剩余部分分离地设计，且还可在一定操作时间之后容易地替换。

另一方面，压力室（其不得不理解为基本上沿展向方向延伸的腔）完全集成在转子叶片的轮廓中。不使用额外的部件和部分，这是有利的。然而，例如，难以为转子叶片更新压力室。

在本发明的另一实施例中，涡流发生器至少部分地嵌入到转子叶片的表面中。

在该情况下，在涡流发生器从表面伸出（sticking out）时，涡流发生器被视为是有效的或启动的。换言之，其突出远离转子叶片的表面。与该情形相比，如果涡流发生器完全地或至少部分地嵌入到转子叶片的表面中，则涡流发生器被视为停用，从而导致升力和负载的减小。

注意到，概念“到转子叶片的表面中”表明了凹座或凹槽或类似的设计选项的存在。因为转子叶片的一般表面的剩余表面部分未改变，所以如果涡流发生器以某种方式与转子叶片的预期廓线相交，则涡流发生器被称为“嵌入到表面中”。

选择性嵌入涡流发生器的可行性在于，在该情况下，不仅抑制或减少生成涡流的能力，而且还抑制或减少转子叶片的阻力。因为减少的阻力通常导致转子叶片且因此风力涡轮机的性能的增强，所以这是期望的。如上文中提到地，优选地，嵌入到转子叶片的表面中的涡流发生器的部分随着滞止压力增大而增大。这最终导致涡流发生器随着滞止压力增大而选择性停用。

在本发明的另一实施例中，涡流发生器能够取决于作用在涡流发生器上的滞止压力的值而弯曲。

在该实施例中，不必然需要可膨胀元件。作为替代，仅通过涡流发生器的存在和设计，就能够改变涡流发生器的配置、特别是涡流发生器的形状。这可以通过在涡流发生器处的弹性部分来实现。

再次，在优选配置中，在高速气流下，涡流发生器朝转子叶片的表面向下弯曲，且因此被至少部分地停用。这具有如下结果，即，生成涡流的能力减小。

如果，另一方面，边界层厚度大，因此，滞止压力小，涡流发生器运动远离表面。因此，涡流发生器的更大部分伸出。换言之，涡流发生器突出远离表面，使得涡流发生器生成涡流的能力增大。

一种类似但略微不同的设计是一种涡流发生器，其能够取决于作用在涡流发生器上的滞止压力的值而相对于气流的方向变直。

在该情况下，优选地，在转子叶片的表面处至少存在一对涡流发生器。然后例如，在低速气流下（厚的边界层），在成对的两个涡流发生器之间呈现大的角度，而在高速气流下（薄的边界层），在成对的两个涡流发生器之间的角度是小的，甚至导致成对的两个涡流发生器的基本上平行的配置。

在实践中，这还能通过涡流发生器的弹性部分来实现。

最后，本发明还涉及包括至少一个根据上文描述的实施例中的任一个的转子叶片的风力涡轮机，其用于生成电力。

附图说明

现在借助于附图仅以例示的方式描述本发明的示例，其中：

图1示出风力涡轮机的转子叶片；

图2示出在某个展向位置处的转子叶片的横截面视图；

图3到图5示出涡流发生器的第一实施例；

图6和图7示出涡流发生器的第二实施例；

图8和图9示出涡流发生器的第三实施例；

图10到图12示出涡流发生器的第四实施例；并且

图13和图14示出涡流发生器的第五实施例。

具体实施方式

注意以下附图仅是示意性的。贯穿附图使用类似的或相同的附图标记。

图1示出风力涡轮机的转子叶片20。转子叶片20包括根部21和末端22。根部21和末端22通过被称为翼展25的虚线连接。翼展25能够描述为虚线，其是直线，并且其不必然精确地连接根部21和末端22。这将是转子叶片是直线转子叶片时的情况。然而，如果如例如在图1的转子叶片的示例中示出地，转子叶片是略微斜切的转子叶片，则末端可以与翼展25略微分离。如果转子叶片被设计为用于可俯仰的风力涡轮机，则翼展25能够与转子叶片的俯仰轴线关联和重合。

风力涡轮机的转子叶片的另一特有的特征和参数是转子叶片的弦。也被称为弦线的弦26能够针对从转子叶片的根部至末端的每个展向位置限定和分配。弦26限定为垂直于翼展25且将转子叶片20的前缘23与转子叶片20的后缘24连接的直线。

特定弦长能够分配给每个弦26。最大弦261被理解为具有最大长度的弦。转子叶片的呈现最大弦261的部分被称为转子叶片的肩部262。转子叶片在肩部262和末端22之间的部分也被称为转子叶片的翼型部分。另一方面，转子叶片在肩部262和根部21之间的部分被称为转子叶片的过渡和根部区域。

图2示出转子叶片的翼型部分的某个展向位置处的横截面视图。此外，能够看到前缘23和后缘24。另外，在图2中参考后缘区段241和前缘区段231。前缘区段231限定为环绕前缘23的区段，其从前缘23到达弦长的百分之十的弦向位置（从前缘23测量）。同样地，转子叶片的后缘区段241限定为转子叶片的在百分之九十弦向位置（从前缘23测量）直到完全后缘24之间延伸的区段。

图2还示出从转子叶片的前缘区段231至后缘区段241流动的气流40。如能够看到的，气流40细分成吸力侧气流41和压力侧气流42。气流的分离发生在滞止点29处。通常，滞止点29定位在转子叶片的压力侧28处，但是也可定位在转子叶片的吸力侧27处。滞止点29的精确位置取决于多个因素，其主要取决于转子叶片的迎角和俯仰运动。

图3-图5示出本发明的第一实施例。特别地，公开了涡流发生器30的第一实施例，其能够被使用，且其是创造性转子叶片的第一实施例的一部分。

图3示出四对这样的涡流发生器30的透视图。这些涡流发生器30附接至壳体35，其作为整体，能够附接和安装到转子叶片的表面（例如，吸力侧表面）上。如在图3中所示的结构的重要特征是压力管31。压力管31由相对小直径的管组成，其设置在涡流发生器的上游。结构还包括可膨胀的构件，即，软管32。该软管32定位在壳体35内。软管32能够朝下朝转子叶片的表面推动涡流发生器30，该表面由吸力侧27示例性参考。为了有助于或者实现涡流发生器的这种弯曲，涡流发生器30包括弹性部分34。

图4参考在图4中示出的速度剖面43示出厚的边界层的情形。相比于图4，图5参考在图5中示出的速度剖面43示出薄的边界层的情形。如能够看到的，取决于边界层的厚度，软管32膨胀或者不膨胀，这导致朝上突出的涡流发生器30，或者几乎与转子叶片的吸力侧27接触的涡流发生器。

注意在本发明的第一实施例中，壳体35被设计为相对坚硬和坚固的元件。这意味着，其形状基本上独立于软管32的状态。不管软管32膨胀（如在图5中）或者不膨胀（如在图4中），壳体具有相同的横截面轮廓。因此，越过壳体35的气流不受软管32膨胀或放气的事实的影响。

图6和图7示出本发明的第二实施例。此处，可膨胀元件示例性地设计为压力室33。压力室可以处于放气状态（参考图6），其是针对厚的边界层、即针对低滞止压力的情况，或者其可以处于膨胀状态（参考图7），其是针对薄的边界层、即针对高滞止压力的情况。

压力室33由壳体35容纳和环绕。在该实施例中，壳体由柔性材料制成。因此，与在图3至图5中示出的第一实施例相反，壳体取决于可膨胀元件的状态而改变其形状。

描述性地说，壳体35示出用于越过其的气流的“隆起”。注意到，越过壳体33的气流受压力室33是否膨胀或放气的事实的影响。

图8和图9公开了涡流发生器的第三实施例。这一次，涡流发生器30部分地嵌入到表面中，例如，嵌入到转子叶片的吸力侧27中。换言之，转子叶片具备在其吸力侧27处的凹座或凹槽。在该凹槽中，能够看到包括压力室33的装置或结构。该压力室与压力管31连接。取决于被引导通过压力管31的滞止压力，压力室33膨胀（参考图9），或者其不膨胀或仅仅略微膨胀（参考图8）。因此，涡流发生器30没入和嵌入到转子叶片的表面中（参考图9），或者其突出离开和伸出离开表面（参考图8）。

该第三实施例具有如下优点，即，避免了来自在图3-图5示出的第一实施例中所示的附接部分的额外阻力。因此，如此减少了来自附接部分、以及还来自涡流发生器的额外阻力。

图10、图11和图12公开了创造性涡流发生器的第四实施例。这一次没有使用诸如压力室或软管的可膨胀元件。作为替代，是涡流发生器30的直接且单独的设计和配置取决于速度剖面43而导致涡流发生器的改变的配置。对于厚的边界层的这些情形，参见图11。因此，在涡流发生器30的位置处的滞止压力是小的，因此涡流发生器（其包括弹性部分34且其朝上弯曲，即，远离转子叶片的表面）突出离开并且能够生成相当大的程度的涡流。与此相比，图12示出能够通过速度剖面43看到的薄的边界层的这些情形，其导致涡流发生器30朝转子叶片的吸力侧表面向下弯曲。在图12中所示的配置中，通过涡流发生器生成涡流的能力严重减小。

最后，图13和图14公开了本发明的第五实施例。类似于第四实施例，没有呈现可膨胀元件或类似物。作为替代，涡流发生器本身又包括弹性部分34。该弹性部分34被设计成使得，对于薄的边界层，如在图13中所示，涡流发生器30几乎彼此平行。其还能被描述为通过冲击在涡流发生器上的气流的高滞止压力而变直。相比于图13，图14示出该厚的边界层的情形，其中，相对小的滞止压力不能克服涡流发生器30的弹性部分34的预弯曲。因此，邻近的涡流发生器包括相对于彼此显著的角度。在该情况下，与如在图13中所示的变直的情形相比，生成涡流的能力增大。

Claims (12)

1.包括至少一个涡流发生器(30)的风力涡轮机的转子叶片(20)，其中，

-所述涡流发生器(30)附接至所述转子叶片(20)的表面，

-所述涡流发生器(30)至少部分地定位在跨所述转子叶片(20)流动的气流(40)的边界层内，

-所述涡流发生器(30)暴露于滞止压力，所述滞止压力由越过所述涡流发生器(30)的一部分气流引起，且所述滞止压力的大小取决于越过所述涡流发生器(30)的所述一部分气流的速度，

其特征在于，

-所述涡流发生器(30)设置和准备成，取决于作用在所述涡流发生器(30)上的所述滞止压力的大小而改变其配置，使得，随着所述边界层中的滞止压力增大，所述涡流发生器(30)生成涡流的能力减小。

2.根据权利要求1所述的转子叶片(20)，

其中，所述涡流发生器(30)位于所述转子叶片(20)的外侧一半中。

3.根据权利要求1或2所述的转子叶片(20)，

其中，所述涡流发生器(30)包括可膨胀元件。

4.根据权利要求3所述的转子叶片(20)，

其中，所述转子叶片(20)包括压力管(31)，其从所述涡流发生器(30)大致向上游延伸，用于将引起所述滞止压力的所述一部分气流中的跨所述转子叶片(20)流动的一部分引导至所述可膨胀元件。

5.根据权利要求3所述的转子叶片(20)，

其中，所述涡流发生器(30)至少部分地嵌入到所述转子叶片的所述表面中。

6.根据权利要求5所述的转子叶片(20)，

其中，所述涡流发生器(30)的嵌入到所述转子叶片(20)的所述表面中的那部分随着滞止压力增大而增大。

7.根据权利要求1所述的转子叶片(20)，

其中，所述涡流发生器(30)能够取决于作用在所述涡流发生器(30)上的所述滞止压力的值而弯曲。

8.根据权利要求1所述的转子叶片(20)，

其中，所述涡流发生器(30)能够取决于作用在所述涡流发生器(30)上的所述滞止压力的值而相对于所述气流(40)的方向变直。

9.根据权利要求7或8所述的转子叶片(20)，

其中，所述涡流发生器(30)包括弹性部分(34)，其用于分别实现弯曲或变直的能力。

10.根据权利要求2所述的转子叶片(20)，

其中，所述涡流发生器(30)位于所述转子叶片(20)的外侧三分之一中。

11.根据权利要求3所述的转子叶片(20)，

其中，所述可膨胀元件为软管(32)或压力室(33)。

12.用于生成电力的风力涡轮机，其带有至少一个根据权利要求1至11中任一项所述的转子叶片(20)。