CN107923363B - 具有后缘突部的风力涡轮机的叶片 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮机的叶片(20B至20C)，该叶片(20B至20C)具有圆角化的后缘(42A至42E)和长形的突部(44A至44J)，突部(44A至44J)在当地弦(C)的后10％内从压力侧(PS)延伸并且与后缘大致平行以增大升力。突部可以具有高度(H)，该高度(H)在径向内侧端最大以使升力最大化，并且在外侧端减小以使阻力最小化。突部可以具有长度为突部高度的至少60％的基部。

Description

具有后缘突部的风力涡轮机的叶片

技术领域

本发明涉及翼型件效率，并且具体地涉及延伸到风力涡轮机叶片的靠近后缘的压力侧的边界层中的用以增大升力的突部。

背景技术

风力涡轮机的设计已经使用厚的后缘，其中，在叶片的内侧部分具有平坦的背部，以用于结构强度和刚度以及所提升的升力。然而，来自平背后缘的涡流脱落会产生噪音和阻力。此外，平背翼型的锋利轮廓会引起与叶片模制有关的问题，因此增大了叶片结构设计和叶片制造过程的复杂性，并增大了不合格的风险和维修时间。涡流脱落已经通过诸如从平背后缘向后延伸的分流板之类的装置而减少。但这并不能解决制造问题。

附图说明

本发明在下面的描述中参考附图进行说明，附图示出了：

图1示出了现有的风力涡轮机的叶片设计的几何形状。

图2是现有的平背翼型件的横截面轮廓。

图3是具有压力侧后缘突部的圆背翼型件的横截面轮廓。

图4示出了突部的另一个实施方式。

图5是示出了本发明的一个实施方式的各方面的风力涡轮机的叶片的内侧部分的局部立体图。

图6是直角三角形突部的横截面轮廓。

图7是圆角化等腰形突部的横截面轮廓。

图8是圆角化的不对称的锐角突部的横截面轮廓。

图9是局部圆化的不对称的锐角突部的横截面轮廓。

图10是L形突部的横截面轮廓。

图11是具有全部倒圆的前斜坡部的L形突部的横截面轮廓。

图12示出了具有内置突部的后缘的横截面。

图13示出了具有带突部和湍流器的附加盖的后缘的横截面。

图14示出了具有带延伸突部的附加盖的后缘的横截面。

图15是示出了本发明的另一实施方式的风力涡轮机的叶片的内侧部分的局部立体图。

具体实施方式

图1示出了现有的风力涡轮机叶片的设计，该现有的风力涡轮机叶片具有前缘LE、后缘TE和从叶根22到叶梢24的径向叶展S。现有的风力涡轮机的叶片带有具有径向长度27的筒形根部26、位于弦C的最长长度的位置处的肩部28、以及位于筒形根部26与肩部28之间的具有径向长度30的过渡区域29。过渡区域的形状从筒形区域26处的筒形轮廓31经由中间的卵形的钝型轮廓32过渡到肩部处的具有压力侧PS和吸力侧SS的升力轮廓33。“径向地”在本文中意为叶展方向S。“径向向内”或“内侧”意为朝向或靠近叶根22。“径向向外”或“外侧”意为朝向或靠近叶梢24。在肩部28的外侧，叶片朝向叶梢24渐缩。叶片的压力侧的部分34可以是凹入的。

图2示出了具有相对较厚的平坦后缘40的平背翼型件的轮廓。与具有锋利的后缘和相同的弦长C及最大厚度T的其他类似翼型件相比，该设计增大了叶片强度、刚度和升力。然而，由于涡流脱落也增大了阻力和噪音，并且由于平背的锋利边缘而难以模制。

图3示出了具有相对较厚的圆角化后缘42A的圆背翼型件的轮廓。它可以被认为是图1的平背翼型件但具有圆角化的后缘。这提供了刚度而没有锋利边缘，因此实际上是可以模制的，但该圆背翼型件不能增大像其他类似的平背翼型件所增大的升力那样大的升力。发明人发现，添加从靠近后缘42A处从压力侧PS延伸的突部44A增大了升力，并且可以恢复等同的平背翼型件的原始性能。例如，突部可以位于弦C的后10％处。气流48在突部的前方46处减慢，从而增大了压力和升力。突部还向下引导流，进一步增大了升力。

图4示出了另一突部的实施方式44B，该突部44B具有有助于向下发射气流的凹入的前表面50。突部的背表面51也可以是凹入的或倒圆角至后缘上，这增大了安装表面积和结构强度。突部可以通过粘合剂或其他方式安装至叶片。圆角化后缘的弯曲部可以是半径为R的大致圆形的，半径R根据沿叶片的径向位置而变化。例如，半径在筒形根部处可以为弦长的50％(弦长为筒形根部的直径)、在肩部处渐缩至弦长的5％至10％、并且在叶片的叶展的自叶根22开始的30％至50％的位置处进一步渐缩至当地弦长的2％至3％。如果翼型件具有凹入的压力侧34，则存在拐点52，凹入的压力侧在该拐点52处过渡至凸起的后缘42A。在一个实施方式中，突部44B可以沿着叶片的叶展的至少一部分——例如从肩部到超过该肩部的至少一段过渡长度30B处(图5)、或者从肩部到叶片的叶展的自叶根22开始的20％至30％的径向位置处——顺该拐点的方向行进。

突部的高度H可以从突部的内侧端处的最大渐缩至外侧端处的较小。由于叶片相对于空气的当地速度，在内侧端处，升力增大得更为显著，并且阻力对于动力的产生而言不太重要，而在外侧端处，摩擦和形状阻力变得更加显著。如果突部在过渡区域29的内侧端处或附近具有内侧端，则突部高度在突部的内侧端处可以是例如弦长的5％至12％，并且突部高度可以与径向距离成反比关系，这意味着突部高度在突部的内侧端的径向位置的两倍处减少一半。如果突部在肩部28处或附近具有内侧端，则突部高度可以例如以当地弦长的3％至6％开始，并且可以与径向距离成反比。替代性地，突部高度可以与当地弦长成比例地渐缩。例如，如果突部从肩部处开始，则突部高度可以从在突部的内侧端处为当地弦长的3％至6％渐缩成在突部的外侧端处为当地弦长的0.5％至2％或0.5％至1％。突部高度可以以法向于压力侧或法向于突部的梢部或顶端的方式测量。

在一个实施方式中，突部的高度可以相对于当地边界层来设定，该当地边界层可以例如在15℃的温度、1013hPa的压力、1.225kg/m³密度和10m/s的参考环境条件下限定。替代性地，参考条件可以针对给定的地点或高度定制。本文中的“边界层”意为接触叶片表面并向外延伸到空气相对于叶片以自由流风速的99％流动的距离的一层气流。突部的高度H可以例如从内侧端处的边界层厚度的100％变化到外侧端处的边界层厚度的25％。可以使用突部高度限制的组合，例如，突部的内侧端可以具有当地弦长的5％至12％的高度，而外侧端可以是当地边界层的25％至100％或50％至100％。

图5是示出了本发明的一个实施方式的各方面的风力涡轮机叶片的内侧部分20B的部分立体图。叶片可以具有叶根22、具有径向长度27的筒形根部26、位于弦C具有最大长度的径向位置处的肩部28、以及具有径向长度30A(过渡长度)的跨于筒形根部26与肩部28之间的过渡区域29。过渡区域的形状可以从筒形区域26处的筒形轮廓31经过中间卵形轮廓32过渡到在肩部28处具有压力侧PS和吸力侧SS的提升轮廓33B。叶片的压力侧的部分34可以是凹入的。叶片可以具有圆角化后缘42A，圆角化后缘42A从卵形轮廓32经过肩部28的位置、延伸到例如越过肩部至少一段过渡长度30B的位置，或者替代性地延伸到从叶根22开始的叶片叶展的至少30％或20％处。根据本发明的实施方式的长形突部44B可以从叶片的压力侧延伸、或者长形突部44B可以从肩部沿着后缘的某部分的至少大部分延伸到越过肩部一段过渡长度30B(长度等于30A)或延伸至从叶根22开始的叶片叶展的30％或20％处。长形突部可以另外在至少大部分过渡区域29上延伸。

图6至图17示出了具有顶端45、基部B和高度H的突部的实施方式的示例性横截面形状。图6是直角三角形突部44C的横截面轮廓。图7是圆角化的等腰形突部44D的横截面轮廓。图8是圆角化的不对称的锐角突部44E的横截面轮廓。图9是部分圆角化的不对称的锐角突部44F的横截面轮廓。图10是L形突部44G的横截面轮廓。图11是具有全部倒圆的凹入的前斜坡部和倒圆的基部的L形突部G的横截面轮廓。在所有实施方式中，基部B的长度可以是高度H的至少60％，以用于基部与压力侧之间的结合的结构强度和耐久性。

图12示出了圆角化的后缘42B，后缘42B包括形成在叶片模具中并与后缘42B成一体的突部44H。图13示出了圆角化的后缘42C，后缘42C缩入而成形为用以接纳包括突部44I的附加的圆角化的后缘盖42D。还可以在后缘的上半部分上包括湍流器54——诸如与后缘对准的脊部。“上半部分”意为后缘的朝向吸力侧SS的一半。湍流器增大湍流的产生，这有助于流保持附于圆角化的后缘表面比附于层状边界层更长，如关于一些玩具飞盘和带窝高尔夫球所知的。这减小了压力阻力，并且与突部44I协作将后缘流48向下引导，从而增大了升力。脊部只需要1mm-5mm高，或者脊部可以在后缘42D的内侧端处更高以使升力最大化，并且在外侧端处降低以使摩擦阻力最小化。

图14示出了从所模制的后缘42C向后且向下延伸的突部44J，因此在所模制的弦长度上将弦长C增大达20％。该突部可以经由具有圆角化背部的附加后缘盖42E附接。该突部还可以包括如图13中所示的湍流器。可以使用比如42D、42E的不同的附加盖及其他附加盖以在不同的安装位置和高度处针对不同的平均环境条件来调整基部叶片设计。

图15示出了风力涡轮机叶片20C的内侧部分，该内侧部分在过渡区域29的至少大部分长度30A上于压力侧上靠近后缘处具有向下弯曲的波纹状挡板56。挡板56可以在内侧端处具有最大高度——比如弦的10％，在肩部28处渐缩至5％。前述任何实施方式中的突部44B可以在肩部28以比如弦的5％的高度开始，并且在肩部的外侧的一过渡长度30B处的径向位置处渐缩成较低高度——比如弦的2％。这提供了肩部的内侧的增大的升力，并降低了肩部外侧的摩擦阻力。

尽管本文中已经示出并描述了本发明的各个实施方式，但是明显的是，这样的实施方式仅作为示例提供。在不背离本发明的情况下可以作出许多变型、改变和替换。因此，本发明意于仅由所附权利要求的精神和范围来限定。

Claims (12)

1.一种风力涡轮机的叶片，所述叶片包括：

筒形的根部；

最长弦位置部，所述最长弦位置部具有升力翼型件横截面轮廓；

过渡区域，所述过渡区域包括位于所述根部与所述最长弦位置部之间的径向过渡长度；

后缘，从所述根部至所述最长弦位置部的径向外部的至少一段过渡长度处的所述后缘的横截面是圆角化的；

长形的突部，所述突部从所述最长弦位置部至所述最长弦位置部外侧的所述一段过渡长度处在所述风力涡轮机的叶片的压力侧的至少一部分上从所述压力侧延伸；

其中，所述突部位于所述叶片的弦长的后10％之内；并且

其中，所述突部具有法向于所述压力侧的高度，并且所述高度从在所述突部的内侧端处为当地弦长的3％至6％逐渐改变成在所述突部的外侧端处为当地弦长的0.5％至2％。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机的叶片，其中，所述突部还沿着所述过渡区域的至少一部分延伸，并且所述突部具有法向于所述压力侧的高度，其中，所述高度从在所述突部的内侧端处为当地弦长的5％至12％逐渐改变成在所述突部的外侧端处为当地弦长的0.5％至2％。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机的叶片，其中，所述突部还沿着所述过渡区域的至少一部分延伸，并且所述突部具有法向于所述压力侧的高度，其中，所述高度在所述突部的内侧端处为当地弦长的5％至12％，并且所述突部的高度与所述突部的沿径向跨度的径向位置成反比关系。

4.根据权利要求1所述的风力涡轮机的叶片，其中，所述突部还沿着所述过渡区域的一部分延伸，并且所述突部具有法向于所述压力侧的高度，其中，所述高度从在所述突部的内侧端处为当地弦长的5％至12％渐缩成在所述突部的外侧端处为当地边界层的25％至100％。

5.根据权利要求1所述风力涡轮机的叶片，其中，所述压力侧在其至少一部分上从所述最长弦位置部至所述最长弦位置部外侧的所述一段过渡长度处是凹入的，并且长形的所述突部在所述压力侧的凹入的部分与圆角化的所述后缘之间、从凹入/凸起的拐点起、顺所述凹入/凸起的拐点方向延伸。

6.根据权利要求1所述的风力涡轮机的叶片，其中，所述突部的横截面是大致三角形的，并且所述突部包括凹入的前表面。

7.根据权利要求1所述的风力涡轮机的叶片，其中，所述突部的横截面是大致L形的，所述横截面包括面向前的基部部分和位于所述基部部分与所述突部的高度部分之间的全部倒圆的前斜坡部。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机的叶片，其中，所述突部是结合至所述叶片的模制的后缘上的附加的盖的一部分，所述盖形成所述叶片的圆角化的所述后缘并且形成所述突部，并且所述盖还在圆角化的所述后缘的上半部上包括有湍流器，其中，所述上半部朝向所述叶片的吸力侧。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机的叶片，其中，所述湍流器包括与所述后缘平行的多个脊部。

10.根据权利要求8所述的风力涡轮机的叶片，其中，所述湍流器的高度根据径向位置成比例地减小。

11.根据权利要求1所述的风力涡轮机的叶片，还包括在所述过渡区域的长度的一部分上位于所述压力侧上靠近所述后缘的向下弯曲的波纹状挡板，其中，所述波纹状挡板在其内侧端处具有第一高度并且在所述最长弦位置部处具有较小的第二高度，其中，长形的所述突部在所述最长弦位置部处的高度不大于所述第二高度。

12.一种风力涡轮机的叶片，所述叶片包括：

叶根、叶梢和位于叶根与叶梢之间的叶展；

筒形根部，所述筒形根部从所述叶根径向向外延伸；

最长弦位置部，所述最长弦位置部在所述筒形根部外侧的径向位置处包括升力翼型件横截面轮廓；

翼型件轮廓形状的过渡部，该过渡部在所述筒形根部与所述最长弦位置部之间位于沿叶展方向的过渡长度上；

圆角化的后缘，所述后缘的曲率半径在横截面上观察时在所述叶片的所述叶展的内侧30％的范围内为当地弦长的至少2％，以及

突部，所述突部在当地弦长的后10％内从所述风力涡轮机的所述叶片的压力侧延伸，其中，所述突部在所述叶片的一部分上从所述最长弦位置部延伸至所述最长弦位置部外侧的至少一段过渡长度处，其中，所述曲率半径在所述筒形根部处为当地弦长的50％，并且在所述最长弦位置部外侧的一段过渡长度处减小至当地弦长的3％至5％。