TW201623782A - 風力渦輪機轉子葉片、風力渦輪機轉子葉片後緣、製造風力渦輪機轉子葉片之方法及風力渦輪機 - Google Patents

風力渦輪機轉子葉片、風力渦輪機轉子葉片後緣、製造風力渦輪機轉子葉片之方法及風力渦輪機 Download PDF

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安德烈 奧特米庫斯
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Abstract

本發明係關於一種用於一風力渦輪機(100)之一空氣動力轉子(106)之一轉子葉片尖端(252)的一後緣(201)。該後緣(201)包含複製該後緣(201)之輪廓的一後緣定界線(250)，及用以改良該後緣(201)處之流動特性的多個鋸齒(255)。該等鋸齒(255)取決於該後緣定界線(250)且因此取決於幾何及操作參數而經設置在該後緣(201)處。

Description

風力渦輪機轉子葉片、風力渦輪機轉子葉片後緣、製造風力渦輪機轉子葉片之方法及風力渦輪機
本發明係關於一種用於製造風力渦輪機轉子葉片之方法。本發明亦係關於一種用於轉子葉片尖端之後緣，且本發明係關於一種風力渦輪機轉子葉片。
風力渦輪機係廣泛已知的，且圖1展示此已知風力渦輪機。一或多個轉子葉片之設計係風力渦輪機之效率的重要態樣。此處，轉子葉片尖端之形式亦係重要因子。當氣流繞轉子葉片尖端通過時，上部側與下部側之間的壓力差引起自由邊緣紊流，從而產生阻力。此外，由此等自由邊緣紊流產生干擾雜訊。
已知所謂翼尖小翅用以減少此等干擾雜訊。翼尖小翅應理解為意指自轉子葉片之縱向軸偏離預定角度之至轉子葉片之末端的附件。可藉由此等翼尖小翅減少轉子葉片尖端處之阻力及紊流的形成。因此，減少轉子葉片之末端處(亦即，轉子葉片尖端處)發生之紊流。因此，同樣減少結果所產生的雜訊。可增加風力渦輪機之功率輸出。此等已知的翼尖小翅之缺點係其難以設計成實現所要的雜訊之減少或功率輸出之增加。存在其導致相對於效應不成比例的努力之風險。
在優先權確立之德國專利申請案中，德國專利商標局搜尋以下文件：DE 10 2008 037 368 A1、DE 10 2011 050 661 A1、US 2003/0175121 A1、US 5,088,665 A、EP 1 314 885 B1、EP 0 652 367 A1及WO 2014/086919A1。
因此，本發明係基於解決上文所提及問題中之至少一者之目的。特定而言，意欲提出一種在不進一步增加雜訊效應之情況下進一步增加風力渦輪機之轉子葉片的有效性的解決方案。特定而言，本發明之目的係進一步減少風力渦輪機之雜訊排放。至少，欲提供替代解決方案。
此目的係藉由風力渦輪機轉子葉片來實現，該風力渦輪機轉子葉片具有前緣、後緣、轉子葉片根部、轉子葉片尖端、吸力側、壓力側、轉子葉片長度、輪廓深度以及俯仰旋轉軸。該轉子葉片尖端經設計為翼尖小翅且遠離壓力側成角度或朝向壓力側彎曲。該轉子葉片尖端具有轉子葉片尖端後緣，該轉子葉片尖端後緣又具有複製該轉子葉片尖端後緣之輪廓的後緣定界線。該轉子葉片尖端後緣具有用以改良該轉子葉片尖端後緣處之流動特性的複數個鋸齒。該等鋸齒分別具有鋸齒尖端、兩個鋸齒邊緣以及角平分線。該等鋸齒邊緣經設置為不平行於垂直於該俯仰旋轉軸之入射流的方向。該等鋸齒邊緣不垂直於該後緣定界線之切線。該後緣定界線具有複數個部分，該等部分中之至少一者不平行於該俯仰旋轉軸延伸。
根據本發明之一項態樣，鋸齒之兩個鋸齒邊緣之長度不相等，鋸齒之角平分線不垂直於俯仰旋轉軸，及/或角平分線相對於後緣定界線之切線所成之角介於70度與110度之間。
為實現目的，提出一種用於風力渦輪機之空氣動力轉子之轉子葉片尖端的後緣。後緣包含複製後緣之輪廓的後緣定界線，及用以改 良該後緣處之流動特性的多個鋸齒。鋸齒取決於後緣定界線經設置在後緣。
轉子葉片尖端在其整個長度(亦即，自至該轉子葉片之連接點至該尖端自身)上具有帶後緣定界線的後緣。在此情形中，該後緣定界線複製該後緣之輪廓，亦即，該轉子葉片尖端之該吸力側與該壓力側會聚於其中之線。特定而言，此後緣定界線係彎曲線。多個鋸齒彼此靠近地配置在該後緣定界線處。在此情形中，該等鋸齒取決於該後緣定界線經設置或排列。亦即，該等鋸齒在該後緣處之設計取決於該後緣定界線，且因此取決於該後緣之輪廓或幾何形狀。因此，該等鋸齒在該後緣處之排列中考量曲率及其類似者。此具有以下優點：該等鋸齒最佳地適應於後緣定界，且因此可減少紊流發生。結果，同樣地減少雜訊排放以及功率輸出之下降。
各種類型之風力渦輪機之轉子葉片尖端的輪廓或幾何形狀以及亦因此轉子葉片尖端之後緣定界線係以不同方式設計。特定而言，此等轉子葉片尖端經設計為所謂翼尖小翅以減少雜訊排放。設計同時取決於可盛行不同風況(諸如強風或微風)之不同場地。在此情形中，鋸齒之界定取決於轉子葉片尖端或風力渦輪機之幾何及操作參數，且因此取決於轉子葉片尖端處之後緣定界線。取決於後緣定界線之鋸齒的配置允許鋸齒單獨地適應於轉子葉片尖端之各別輪廓。因此可最佳地減少雜訊排放，且可增加風力渦輪機之功率輸出。
轉子葉片尖端較佳地經組態為翼尖小翅。在此情形中，該翼尖小翅係彎曲葉片尖端，亦即，以預定角度自轉子葉片之縱向軸偏離的轉子葉片之部分。在此情形中，該翼尖小翅經組態沿入射流之方向或與該入射流之該方向相反。該轉子葉片尖端亦可經組態為指向相反方向之兩個翼尖小翅。此翼尖小翅減少由於上部側與下部側或吸力側與壓力側之間的差而產生的紊流，此係因為其將邊緣紊流分散並將其向 外分流。因此，減少雜訊排放及增加功率吸收。結合鋸齒狀後緣(亦即，具有多個鋸齒之後緣)，此等效應可顯著增加。
在較佳實施例中，鋸齒經配置成正交於該後緣定界線。在此情形中，個別鋸齒分別具有一鋸齒高度。最大鋸齒高度此處經定位於後緣定界線之法線上。此等鋸齒可攔截後緣處發生之各種量值之紊流，且藉此減少雜訊排放。在彎曲的後緣定界線之情形中，鋸齒對應地以不相等方式排列。其因此指向不同方向。
在特定較佳實施例中，每一鋸齒具有至少兩個鋸齒邊緣，且後緣具有鋸齒後緣定界角，該鋸齒後緣定界角係由鋸齒邊緣及正交於後緣定界線設置之入射流的方向界定。鋸齒後緣定界角小於90°，較佳地小於60°，特定而言小於45°。所提及之值實現後緣處之最佳流動特性。理論上假設鋸齒後緣定界角正交於後緣定界線。實際上，此鋸齒後緣定界角亦可由於入射流之改變而係較大的，此導致並非最佳之後緣處之流動特性。然而，在鋸齒後緣定界角小於90°(特定而言，小於45°)之情況下的鋸齒之排列使得可能補償入射流的方向之此等改變，以使得該等改變對雜訊之形成及/或風力渦輪機之功率輸出幾乎不具有任何影響。
在較佳實施例中，鋸齒後緣定界角沿著轉子葉片尖端之長度可變，該長度經定義為自至轉子葉片之連接至實際尖端之長度。亦即，鋸齒邊緣與正交於後緣定界線設置之入射流的方向之間的角並不僅限於一個值。確切而言，鋸齒後緣定界角之不同的值可係(例如)在至轉子葉片之連接的區域中而非在轉子葉片尖端之區域中獲得。以此方式，可實現最佳流動特性。
在較佳實施例中，轉子葉片尖端或整個轉子葉片具有俯仰軸，且鋸齒經配置成正交於俯仰軸。轉子葉片之俯仰軸此處應理解為意指圍繞其調整轉子葉片之攻角(亦即俯仰角)之軸。調整攻角或俯仰角以 便調節風力渦輪機之功率輸出，以及以便隨著變化之風速，在每一情形中實現風力渦輪機之最佳效率。在此情形中，同樣繞此俯仰軸對該轉子葉片尖端進行調整。理論上假設入射流係正交於此俯仰軸或攻軸。以對應於俯仰軸之方式使鋸齒排列致使紊流之減少，且因此引起雜訊之減少。
較佳地，後緣具有鋸齒俯仰角，該鋸齒俯仰角係在後緣定界線上之預定位置處由切線界定。後緣定界線沿著轉子葉片尖端之長度具有針對每一位置之各種點。沿著轉子葉片尖端之長度，將切線放置在各別點處產生諸多不同切線，且因此產生不同鋸齒俯仰角。俯仰軸與各別切線之間的角界定鋸齒俯仰角。因此同樣取決於後緣定界線對此進行計算。對後緣定界線之適應允許減少紊流發生，藉此亦可減少雜訊排放。
較佳地，沿著轉子葉片尖端之長度的多個鋸齒及/或鋸齒邊緣不對稱地配置在後緣處。後緣定界線可具有彎曲形式且鋸齒取決於後緣定界線排列的事實意指鋸齒以不同方式排列在沿著轉子葉片長度之不同位置處，且因此不對稱，亦即，個別鋸齒邊緣與後緣定界線或入射流不具有相同角度。特定而言，在此情形中，鋸齒之兩個鋸齒邊緣可相對於入射流具有不同角度。因此，可減少不同量值及種類之紊流。
在特定較佳實施例中，後緣定界線在轉子葉片尖端之長度上係至少部分地彎曲，亦即並非筆直的。由於空氣動力輪廓(諸如根據本發明之轉子葉片尖端之輪廓)具有極其複雜幾何形狀以實現最佳功率輸出，因此有時需要後緣定界線在沿著轉子葉片尖端之長度之一些點處並非筆直的，因此以彎曲方式延伸。藉由鋸齒適應於後緣定界線或取決於該後緣定界線進行計算的事實而考量此曲率。以此方式，可關於轉子葉片尖端之輪廓及鋸齒在後緣處之最佳配置或鋸齒之幾何形狀來對該轉子葉片尖端進行設計。
較佳地，轉子葉片尖端具有其連接至轉子葉片之區域以及尖端區域，鋸齒後緣定界角在鋸齒邊緣指向朝向連接區域的方向之情形中自連接區域至尖端區域增加，及/或在鋸齒指向遠離連接區域的方向之情形中自連接區域至尖端區域減少。亦即，鋸齒後緣定界角一方面在指向尖端區域之方向的鋸齒之側上減少，且另一方面在面向連接區域的鋸齒之側上增加。尖端區域在本情形中應理解為意指與連接區域相對之轉子葉片尖端之區域。
由於轉子葉片根部及轉子葉片尖端處發生之不同入射流條件(諸如雷諾(Reynolds)數、馬赫(Mach)數、攻角等)，因此在後緣附近產生各種量值之紊流。舉例而言，大鋸齒後緣定界角對大紊流有效，且小鋸齒後緣定界角對小紊流有效。因此，根據本發明之配置允許涵蓋小及大紊流。此外，在中度紊流之情形中，此配置具有至少平均良好有效性。
為實現目的亦提出一種用於風力渦輪機之轉子葉片的轉子葉片尖端，該轉子葉片尖端具有至少一個根據前述實施例中之一者的後緣。因此獲得根據所描述後緣之至少一項實施例之關係、闡釋及優點。
特定而言，在此情形中，此轉子葉片尖端係具有主動葉片調整之逆風轉子之轉子葉片。在此情形中，轉子葉片尖端可用於所有功率輸出級(特定而言，百萬瓦特範圍中之功率輸出級)之風力渦輪機。
此外，提出一種具有至少一個具有根據本發明之轉子葉片尖端之轉子葉片(較佳地，具有三個轉子葉片，每一者具有根據本發明之轉子葉片尖端)之風力渦輪機。
此外，提出一種用於計算風力渦輪機之空氣動力轉子之轉子葉片的轉子葉片尖端之後緣上之鋸齒幾何形狀的方法。在此情形中，後緣具有複製後緣之輪廓的後緣定界線，且取決於後緣定界線計算鋸齒 幾何形狀。在此情形中，每一鋸齒具有鋸齒高度、鋸齒寬度及至少兩個鋸齒邊緣。在此情形中，鋸齒邊緣自鋸齒寬度延伸至鋸齒尖端。該等鋸齒邊緣可在鋸齒尖端處接觸，或者，鋸齒尖端亦可係圓形或經組態有又一邊緣。鋸齒幾何形狀係藉由本發明方法，特定而言借助於鋸齒邊緣相對於後緣定界線之配置而界定。
因此獲得根據所描述後緣之至少一項實施例之關係、闡釋及優點。
較佳地，在根據本發明的方法之情形中- 假設局部入射流正交於後緣定界，及/或- 計算由入射流與鋸齒邊緣界定之定界角，鋸齒後緣定界角小於90°，較佳地小於60°，特定而言小於45°。
在較佳實施例中，在根據本發明的方法之情形中- 假設入射流之方向正交於轉子葉片之俯仰軸，及/或- 將多個鋸齒排列成正交於俯仰軸，計算在俯仰軸與鋸齒邊緣之間對應於切線在後緣之位置處所成之角的鋸齒俯仰角。
後緣定界線沿著轉子葉片尖端之長度具有針對每一位置之各種點。沿著轉子葉片尖端之長度，將切線放置在各別點處產生諸多不同切線，且因此產生不同鋸齒俯仰角。俯仰軸與各別切線之間的角界定鋸齒俯仰角。因此同樣取決於後緣定界線對此進行計算。對後緣定界線之適應允許減少紊流發生，藉此亦可減少雜訊排放。
在較佳實施例中，使用根據上文所描述之實施例中之至少一者的用於計算後緣之鋸齒幾何形狀之方法。
在此情形中，計算係基於以下考量因素。
司特勞克數(Strouhal number)比1小得多。在此情形中，司特勞克數係空氣動力之無因次特性，其中可描述在存在不穩定流時紊流之 分離頻率。影響司特勞克數的因子中之一者係鋸齒高度。此處獲得關於鋸齒高度之以下關係：
其中C2具有2至15之值且係常數。因此，藉由使用常數因子c2自紊流壓力波動之相干長度尺度Λ p3計算鋸齒高度。因子c2可依據經驗判定，或依據測試量測值或依據自經驗獲得之值判定。
鋸齒高度對鋸齒寬度之比率變成，其中λ=H/c3且c3=0.5至6係經驗常數。
局部入射流之方向與鋸齒邊緣之間的角(亦即，鋸齒後緣定界角)係Φ i <90°。此處預料到入射流正交於轉子葉片之俯仰軸，因此在本情形中Φ i =Φ±θ i 。其中θ i 係鋸齒俯仰角。在此情形中，鋸齒俯仰角θ i 取決於後緣定界沿著轉子葉片長度變化。
100‧‧‧風力渦輪機
102‧‧‧塔架
104‧‧‧機艙
106‧‧‧轉子
110‧‧‧旋轉體
200‧‧‧轉子葉片
200a‧‧‧俯仰旋轉軸
200b‧‧‧吸力側/入射流
200c‧‧‧壓力側/入射流
200d‧‧‧輪廓深度
200f‧‧‧入射流
200g‧‧‧外殼
201‧‧‧後緣
202‧‧‧前緣
203‧‧‧轉子葉片部分
204‧‧‧縱向軸
205‧‧‧鋸齒
206‧‧‧鋸齒尖端
207‧‧‧鋸齒邊緣
220‧‧‧轉子葉片尖端
221‧‧‧轉子葉片尖端後緣
250‧‧‧後緣定界/後緣定界線
252‧‧‧轉子葉片尖端
255‧‧‧鋸齒
255a‧‧‧角平分線
255b‧‧‧角平分線
255c‧‧‧角平分線
255d‧‧‧角平分線
255e‧‧‧角平分線
256‧‧‧鋸齒尖端
256a‧‧‧鋸齒尖端
256b‧‧‧鋸齒尖端
256c‧‧‧鋸齒尖端
256d‧‧‧鋸齒尖端
256e‧‧‧鋸齒尖端
257‧‧‧鋸齒邊緣
258‧‧‧切線
259‧‧‧鋸齒
259a‧‧‧角平分線
260‧‧‧紊流
A‧‧‧局部入射流
A'‧‧‧局部入射流
E‧‧‧點/位置
HE‧‧‧鋸齒高度
I‧‧‧位置
M‧‧‧點
Z‧‧‧方向
Z'‧‧‧方向
λE‧‧‧寬度
ΦE‧‧‧鋸齒後緣定界角
θI‧‧‧角
θE‧‧‧鋸齒俯仰角
ΦE+θE‧‧‧角度
ΦI-θI‧‧‧角度
γ‧‧‧角度
下文參考附圖基於例示性實施例藉由實例之方式更詳細地闡釋本發明。
圖1以透視圖示意性展示風力渦輪機。
圖2示意性展示根據第一例示性實施例之具有轉子葉片尖端的轉子葉片部分，該轉子葉片尖端具有帶鋸齒狀定界的後緣。
圖3示意性展示具有帶鋸齒狀定界的後緣之轉子葉片尖端。
圖4展示來自圖3之轉子葉片尖端的放大細節。
圖5展示來自圖3之轉子葉片尖端的進一步放大細節。
圖6示意性展示在後緣具有兩個不同鋸齒幾何形狀之轉子葉片尖端。
圖7展示來自圖6之轉子葉片尖端的放大細節。
圖8示意性展示轉子葉片尖端。
圖9展示根據本發明之第二例示性實施例之轉子葉片的細節之示意性表示。
應注意，相同名稱可能表示類似但非完全相同之元件且亦可係不同實施例。
參考圖基於實例之對本發明之闡釋係實質上示意性的，且為較佳說明起見，各別圖中所闡釋之元件可在該圖中經放大且簡化其他元件。因此，舉例而言，圖1如此示意性說明風力渦輪機，且因此無法清楚地看到轉子葉片尖端上之既定鋸齒狀後緣以及轉子葉片尖端之翼尖小翅形式。
圖1展示具有塔架102及機艙104之風力渦輪機100。具有三個轉子葉片200及旋轉體110之轉子106配置在機艙104上。在操作期間，轉子106經設定藉由風進行旋轉移動且藉此驅動機艙104中之發電機。舉例而言，在每一情形中，轉子葉片之俯仰可由俯仰驅動設定。
圖2示意性展示具有帶轉子葉片後緣221(為簡潔起見，亦稱作為後緣)之轉子葉片尖端220之轉子葉片部分203的細節。轉子葉片尖端220自轉子葉片部分203沿相對於轉子葉片部分203之縱向軸204或俯仰旋轉軸以角度γ自縱向軸204偏離之方向引出。轉子葉片200具有俯仰旋轉軸200a。俯仰旋轉軸200a係在調整轉子葉片之俯仰時轉子葉片之旋轉軸。轉子葉片200具有吸力側200b、壓力側200c、前緣202及後緣201。轉子葉片200具有輪廓深度200d，該輪廓深度可沿著轉子葉片之長度L(朝向轉子葉片尖端)減少。
轉子葉片200具有外殼200g，尤其具有纖維複合材料，諸如GRP(玻璃纖維強化塑膠)或CRP(碳纖維強化塑膠)。另外，腹板可設置在吸力側與壓力側之間。
因此，轉子葉片尖端220係所謂的翼尖小翅，該翼尖小翅朝向壓 力側200c彎曲或遠離壓力側200c成角度。後緣221設置在轉子葉片尖端220上，該後緣具有帶多個鋸齒205之鋸齒狀定界，該等鋸齒沿著轉子葉片尖端220及轉子葉片部分203彼此靠近地配置。每一鋸齒205分別具有鋸齒尖端206且亦具有在鋸齒尖端206處接觸之兩個鋸齒邊緣207。在每一情形中，鋸齒邊緣207之一側同樣接觸鄰近鋸齒邊緣207，且在相對側上(亦即，在鋸齒尖端206之區域中)再次接觸屬於各別鋸齒205之第二鋸齒邊緣207，等等。應注意，轉子葉片尖端220的所展示細節僅係例示性實施例。鋸齒205可替代地僅設置在轉子葉片尖端220之部分中或僅設置在轉子葉片尖端220處。此外，可能鋸齒205亦在整個轉子葉片之後緣上進一步延伸。
轉子葉片之後緣201並非筆直的(沿著轉子葉片之長度L)，但具有可相對於俯仰旋轉軸200a以不同方式排列之複數個部分。轉子葉片尖端220經設計為翼尖小翅且遠離壓力側200c成角度或朝向該壓力側彎曲。
根據本發明，具有複數個鋸齒之轉子葉片尖端之後緣可設計為單獨部分。以此方式，具有複數個鋸齒之後緣部分亦可在現有轉子葉片上進行改造。此外，(轉子葉片尖端之)此後緣部分可單獨製造，以便在轉子葉片之製造期間緊固至後緣。出於此目的，可能必須將部分或區段自已經製造之轉子葉片的後緣移除或鋸掉或切除。
圖3展示轉子葉片尖端252(如(例如)圖2中所描繪)之後緣定界線(其為簡潔起見在下文中亦稱作為後緣定界250)。曲線MOEN表徵在轉子葉片之各種徑向位置(亦即，沿著轉子葉片之跨距)之轉子葉片尖端252的後緣定界250。圖3中可看到多個鋸齒255，該等鋸齒分別具有鋸齒尖端256及兩個鋸齒邊緣257。鋸齒255之大小自點M至點N減小。鋸齒255經配置在轉子葉片尖端252之整個後緣定界250上。
在圖3中，亦可看見局部入射流A'及A之方向。局部入射流A'及A 之方向因兩個不同假設而不同。在局部入射流A'之方向之情形中，假設其正交於後緣延伸。局部入射流A之方向經設置成正交於轉子葉片200之俯仰軸。
圖4展示來自圖3之轉子葉片尖端252的放大細節。多個鋸齒255沿著後緣定界250配置，該等鋸齒分別具有鋸齒尖端256，且亦分別具有兩個鋸齒邊緣257。此外，鋸齒255具有鋸齒高度H，且亦具有鋸齒寬度λ。在點E處，鋸齒邊緣257連同局部入射流A'之方向一起形成鋸齒後緣定界角ΦE。針對點E處之鋸齒高度HE及寬度λE之給定定義，可計算鋸齒後緣定界角ΦE。因此自圖4中之三角形EFG得出 且在之情況下，得出 。自此得出 Φ E =14.03°。
因此若H E /λ E =2沿著轉子葉片尖端之整個長度保持恆定，則Φ E =14.03同樣保持恆定。已發現，當入射流之主方向與鋸齒邊緣(或圖4中之線EG)之間的角小於90°(特定而言，小於45°)時，可實現最大雜訊減少。因此，針對圖3所計算之鋸齒後緣定界角Φ E 位於所論述範圍中。舉例而言，同樣可能使角Φ隨比率H/λ或入射流之方向的變化而變化。在H/λ=[0.5,1,2,4,6,8]之變化及入射流之方向係恆定之假設的情況下，將獲得Φ的以下值：45度；26.56度；14.03度；7.12度；4.76度；3.57度。此預料到，入射流之方向保持不改變。然而，局部流之方向在風力渦輪機之操作期間變化。
因此，在線A'E與AE之間確立關係。此允許非對稱鋸齒幾何形狀之分佈，其中鋸齒後緣定界角Φ沿著轉子葉片尖端之跨距變化。圖5展示來自圖4之具有後緣定界250之轉子葉片尖端252的放大細節。
除圖4之外，圖5亦展示穿過點E之切線258。鋸齒255經排列成正交於後緣。後緣之法線與正交於俯仰軸之入射流之方向產生鋸齒俯仰角θE。鋸齒俯仰角θE係藉由點E處之切線(線XE 258)確定。若後緣定界250之每一位置處之切線258不同，則鋸齒俯仰角θE自轉子葉片尖端252之開頭至轉子葉片尖端252之末端或自轉子葉片根部至轉子葉片尖端不同，此取決於各別後緣定界。自圖5(特定而言，在位置E及I處)可看出，分別依據ΦE+θE及ΦI-θI計算局部入射流之方向與鋸齒邊緣257之間的角度。鋸齒邊緣257在入射流AE之方向之線上並不對稱，此係因為角度Φ+θE並不完全相同於角度Φ-θI。此指示在點E處及在點I處入射流之方向與鋸齒邊緣257之間的局部入射流的角並不完全相同。如在圖4中，僅在局部入射流之方向正交於俯仰軸200a之情況下上述情形才適用。
然而，局部入射流之確切方向始終未知。其可最多藉由假設來估計。因此，同樣可能以一方式改變鋸齒幾何形狀使得實現最佳Φ及H/λ。在此態樣中，圖6示意性展示具有兩個不同鋸齒幾何形狀之轉子葉片尖端252的細節。第一幾何形狀(具體而言，鋸齒255)經排列成正交於轉子葉片尖端252之後緣。第二幾何形狀(具體而言，鋸齒259)經排列成正交於轉子葉片之俯仰軸。鋸齒259此處描繪為虛線。針對此情形，在點E及I處之入射流之方向與鋸齒邊緣之間的角分別係θE及θI。鋸齒幾何形狀係藉由來自經配置成正交於後緣之鋸齒的鋸齒資料之座標變換來實施。此可在圖7中之轉子葉片尖端252的放大細節中示意性看到。
針對以下三種轉子葉片組態實施雜訊場量測：1.針對無鋸齒之轉子葉片，2.針對具有經排列成正交於轉子葉片後緣之鋸齒之轉子葉片，以及3.針對具有經排列成正交於俯仰軸之鋸齒之轉子葉片。資料已展示，轉子葉片尖端處具有鋸齒之各別轉子葉片較之轉子葉片尖端 處無鋸齒之轉子葉片雜訊較少。此外，取決於轉子葉片尖端之後緣定界之鋸齒的排列係尤其較佳的。此配置實現尤其良好之雜訊減少，例如，其中在沿著跨距之鋸齒後緣定界Φ i 之(特定而言)徑向位置i=1,3,5…N-1中增加，且在(特定而言)徑向位置i=2,4,6…N中減少。上述情形因此具有以下結果：由於轉子葉片尖端之各種位置處之不同局部入射流條件(諸如，不同雷諾數、馬赫數及攻角)，因此在後緣附近產生不同量值之紊流，亦即，針對較大紊流，具有Φ i (諸如，在點E處，i=17)之鋸齒比較小角更有效。針對較小紊流，具有小Φ i (例如，在點I處，i=18)之鋸齒比具有大角度之鋸齒更有效。另一方面，兩個鋸齒幾何形狀皆對中度紊流有效。針對最佳結果，亦應滿足以下條件： I.司特勞克數ωh/U c >>1，其中，且c2=2至15 係常數， II.長寬比，其中λ=H/c3，且c3=0.5至6係經驗常數， III.局部入射流之方向與鋸齒邊緣之間的鋸齒後緣定界角Φ i <90°，其中假設入射流正交於轉子葉片之俯仰軸，因此在本情形中根據圖5，Φ i =Φ±θ i 。在此情形中，取決於後緣定界，鋸齒俯仰角θ i 沿著跨距變化。
圖7展示轉子葉片200的放大細節252且特定而言轉子葉片尖端處的細節或部分。鋸齒幾何形狀係藉由來自經配置成正交於後緣之鋸齒的鋸齒資料之座標變換來實施。
因此，在圖7中，一方面展示具有鋸齒尖端256及鋸齒邊緣257之鋸齒255，此等鋸齒之角平分線255a至255e垂直於後緣定界線250。鋸齒259之角平分線259a垂直於俯仰旋轉軸或俯仰軸200a。
除圖6外，圖8亦展示接近後緣之紊流260。根據理論假設，紊流 260將繼續沿方向Z移動。然而，實際上，紊流260將繼續沿方向Z'移動。在此情形中，此紊流係實際上可明確發生之不期望、不穩定之空氣動力現象。在此等情形中，條件Φ i <90°受到干擾。然而，所表示之鋸齒255及259亦可補償此等紊流260，且藉此亦減少在此紊流260之情形中在轉子葉片處(特定而言，在轉子葉片尖端252處)之雜訊的形成。
圖9展示根據本發明之第二例示性實施例之轉子葉片的細節之示意性表示。特定而言，在轉子葉片尖端處，轉子葉片200具有俯仰旋轉軸200a及後緣定界250。此外，轉子葉片200在後緣定界250處具有複數個鋸齒255。鋸齒255分別具有鋸齒尖端256以及兩個鋸齒邊緣257及角平分線255a。
圖9中藉由實例展示五種不同可能鋸齒幾何形狀。此等鋸齒255分別具有鋸齒尖端256a至256e。鋸齒255中之每一者亦具有角平分線255a至255e。亦展示垂直於俯仰旋轉軸200a之入射流200f的方向。根據第二例示性實施例之轉子葉片200可基於根據第一例示性實施例之轉子葉片，且涉及具有鋸齒幾何形狀之轉子葉片(具有彎曲或成角度遠離的轉子葉片尖端)，例如，角平分線255a至255e經設置成垂直於後緣定界250之切線。根據第二例示性實施例之鋸齒幾何形狀涉及幾何形狀之範圍，極端情形係由具有鋸齒尖端256b及256d之鋸齒255表示，然而，該等鋸齒並不包括在根據本發明之幾何形狀範圍中。在此兩種極端情形之情形中，鋸齒邊緣257中之一者經排列成平行於入射流200b、200c的方向。
根據本發明，角平分線255a可視情況實質上垂直於轉子葉片尖端之後緣定界250；特定而言，鋸齒之角平分線與後緣定界之間的角可介於70度與110度之間。
根據本發明，鋸齒之齒腹的排列係重要參數。根據本發明之轉 子葉片之後緣定界並非筆直的事實亦對鋸齒之幾何形狀具有影響。
轉子葉片後緣處之鋸齒的設置可導致緊急流向量以不同於入射流向量之方式排列。特定而言，此可在轉子葉片尖端之區域中係意義重大的，此係因為後緣定界在轉子葉片之外部部分或直徑之區域中沿著轉子葉片之長度改變較多。由於離心效應，可能入射流不再係二維而係三維的。
根據本發明，鋸齒可以一方式進行設計以使得鋸齒尖端經設置成偏心。
根據本發明，鋸齒可以一方式經設計為至少在沿著轉子葉片之長度的某些部分中使得鋸齒並不對稱或兩個鋸齒邊緣257不具有相同長度。
根據本發明之一項態樣，延伸穿過鋸齒尖端之角平分線垂直於後緣之切線。替代性地或除上述情形外，鋸齒之鋸齒邊緣257之長度亦可係不同的，以使得鋸齒的設計並不對稱。
本發明係關於具有轉子葉片尖端之風能轉子葉片，轉子葉片尖端經設計為翼尖小翅且遠離壓力側成角度或朝向壓力側彎曲。轉子葉片尖端具有後緣部分，該後緣部分具有複數個鋸齒，該等鋸齒分別具有鋸齒尖端、兩個鋸齒邊緣及角平分線。後緣部分可係單獨製造或連同轉子葉片之其餘部分一起製造。配置複數個鋸齒中之至少一個鋸齒的角平分線使其相對於後緣定界線之切線成介於70度與110度之間的角。較佳地，角平分線實質上垂直於後緣定界線之切線。
視情況，轉子葉片尖端之後緣可至少在某些部分中經配置成不平行於轉子葉片之俯仰旋轉軸。
200‧‧‧轉子葉片
200a‧‧‧俯仰旋轉軸
200b‧‧‧吸力側/入射流
200c‧‧‧壓力側/入射流
200d‧‧‧輪廓深度
200g‧‧‧外殼
201‧‧‧後緣
202‧‧‧前緣
203‧‧‧轉子葉片部分
204‧‧‧縱向軸
205‧‧‧鋸齒
206‧‧‧鋸齒尖端
207‧‧‧鋸齒邊緣
220‧‧‧轉子葉片尖端
221‧‧‧轉子葉片尖端後緣
γ‧‧‧角度

Claims (11)

  1. 一種風力渦輪機轉子葉片，其具有一前緣(202)、一後緣(201)、一轉子葉片根部、一轉子葉片尖端(220)、一吸力側(200b)、一壓力側(200c)、一轉子葉片長度(L)、一輪廓深度(200d)及一俯仰旋轉軸(200a)，該轉子葉片尖端(220)經設計為一翼尖小翅且遠離該壓力側(200c)成角度或朝向該壓力側(200c)彎曲，該轉子葉片尖端(220)具有一轉子葉片尖端後緣(221)，該轉子葉片後緣(221)具有一後緣定界線(250)，該後緣定界線複製該轉子葉片尖端後緣(221)之輪廓，該轉子葉片尖端後緣(221)具有用以改良該轉子葉片尖端後緣(221)處之流動特性的複數個鋸齒(255)，該等鋸齒(255)分別具有一鋸齒尖端(256)、兩個鋸齒邊緣(257)及一角平分線(255a至255e)，該等鋸齒邊緣(257)經設置為不平行於垂直於該俯仰旋轉軸(200a)之入射流(200f)的一方向，該等鋸齒邊緣(257)經配置不垂直於該後緣定界線(250)之一切線，該後緣定界線(250)具有複數個部分，該等部分中之至少一者不平行於該俯仰旋轉軸(200a)延伸。
  2. 如請求項1之風力渦輪機轉子葉片，一鋸齒(255)之該兩個鋸齒邊緣(257)之一長度不相等，及/或一鋸齒(255)之該角平分線(255a至255e)不垂直於該俯仰旋轉軸(200a)，及/或一角平分線(255a至255e)與該後緣定界線(250)之一切線所成之 一角介於70度與110度之間，特定而言90度。
  3. 如請求項1之風力渦輪機轉子葉片(200)，每一鋸齒(255)具有至少兩個鋸齒邊緣(257)，且該後緣(221)具有一鋸齒後緣定界角，該鋸齒後緣定界角係由一鋸齒邊緣(257)及正交於該後緣定界線(250)設置之入射流(A、A')之一方向界定，該鋸齒後緣定界角小於90°，特定而言小於45°。
  4. 如請求項3之風力渦輪機轉子葉片(200)，該鋸齒後緣定界角沿著該轉子葉片尖端(252)之一長度可變。
  5. 如請求項1至4中任一項之風力渦輪機轉子葉片(200)，其中該後緣(221)具有一鋸齒俯仰角，該鋸齒俯仰角係在該後緣定界線(250)上之一預定位置處由一切線(258)界定。
  6. 如請求項1至4中任一項之風力渦輪機轉子葉片(200)，該複數個鋸齒(255)及/或鋸齒邊緣(257)沿著該轉子葉片尖端(252)之一或該長度不對稱地配置在該後緣(221)上。
  7. 如請求項1至4中任一項之風力渦輪機轉子葉片(200)，該後緣定界線(250)在該轉子葉片尖端(252)之該長度上至少部分地以一彎曲方式延伸。
  8. 如請求項3之風力渦輪機轉子葉片(200)，該轉子葉片尖端(252)具有其連接至一轉子葉片(200)之區域以及一尖端區域，該鋸齒後緣定界角在該等鋸齒邊緣(257)指向朝向該連接區域的方向之情形中自該連接區域至該尖端區域增加，及/或在該等鋸齒(255)指向遠離該連接區域的方向之情形中自該連接區域至該尖端區域減少。
  9. 一種風力渦輪機(100)，其具有如請求項1至8中任一項之具有一轉子葉片尖端(252)之至少一個轉子葉片(200)。
  10. 一種用於製造一風力渦輪機轉子葉片尖端之方法，該轉子葉片尖端具有一後緣，該後緣具有複數個具有一鋸齒幾何形狀的鋸齒，該後緣(201)具有一後緣定界線(250)，該後緣定界線複製該後緣(201)之輪廓，及取決於該後緣定界線(250)計算該鋸齒幾何形狀，假設局部入射流(A、A')正交於該後緣定界線(250)，及/或計算由該入射流(A、A')及一鋸齒邊緣(257)界定之一鋸齒後緣定界角，該鋸齒後緣定界角小於90°，特定而言小於45°，計算在該俯仰軸與一鋸齒邊緣(257)之間對應於一切線(258)在該後緣(201)之一位置處所成之角的一鋸齒俯仰角。
  11. 一種具有一轉子葉片尖端後緣(221)之風力渦輪機轉子葉片尖端，該轉子葉片尖端後緣(221)具有一後緣定界線(250)，該後緣定界線複製該轉子葉片尖端後緣(221)之輪廓，該轉子葉片尖端後緣(221)具有用以改良該轉子葉片尖端後緣(221)處之流動特性的複數個鋸齒(255)，該等鋸齒(255)分別具有一鋸齒尖端(256)、兩個鋸齒邊緣(257)及一角平分線(255a至255e)，該等鋸齒邊緣(257)經設置為不平行於垂直於該俯仰旋轉軸(200a)之入射流(200f)的一方向，該等鋸齒邊緣(257)經配置成不垂直於該後緣定界線(250)之一切線，該後緣定界線(250)具有複數個部分，該等部分中之至少一者不平行於該俯仰旋轉軸(200a)延伸。
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