CN100347438C - 带有用于改善流动的结构化表面的风力发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电设备，其包括一立杆、带有多个转子叶片的一转子、一机舱和必要时其他绕流部件。按照本发明，所述立杆(12)和/或转子叶片(18)和/或机舱(19)和/或其他部件的表面上至少部分具有一些改善流动的凹穴(1)。

Description

带有用于改善流动的结构化表面的风力发电设备

本发明涉及一种风力发电设备，其包括一立杆、带有多个转子叶片的一转子、一机舱和必要时其他绕流部件。

在参与发电方面，有不同功率的风力透平已经占有稳定的地位。通过近年来的进一步发展，风力发电设备变得越来越多和更加有效。

被风力发电设备转子掠过的面积可以看作可由其提取风能的面积。实际上不利的是，在此面积内风力发电设备各种部件，如立杆、机舱和整流罩或风力发电设备的轴都对气流有干扰。由此产生旋流、紊流和避风处，它们导致减少转子掠过的面积并因而导致降低发电量。

此外还有一个缺点是，由于产生紊流对沿风向在下游的风力发电设备也有负面的影响。因为在此风力发电设备上作用了一种至少部分有干扰的紊流气流，从而降低其效率。

另一个缺点可认为在于，各转子叶片所遭受气流的力或压力会导致弯曲负荷。当转子叶片掠过风力发电设备的立杆时，转子叶片短时间卸荷。因此导致一种周期性的负荷变化，它表现为不希望的振动。这种动力学效应经由转子叶片轮毂、发电机、轴承、轴、驱动装置、传动装置，一直传播到立杆，所以全部构件都须在尺寸上设计得更大，以保证需要的疲劳强度。这些预防措施导致提高风力发电设备的成本。

由WO 97/04280A1已知通过纹理结构化的表面影响绕流流体的边界层，当然为此需要电或磁场。

因此本发明涉及的问题是创造一种克服上述缺点并与此同时改善流动特性的风力发电设备。

为了解决此问题，在前言所述类型的风力发电设备中按本发明规定，所述立杆和/或转子叶片和/或机舱和/或其他部件的表面上至少部分具有一些改善流动的凹穴。

与已知的带有光滑表面的风力发电设备不同，在按本发明的风力发电设备上设凹穴或相应的隆凸，以改善流动。这些凹穴影响气流，尤其是边界附面层，也就是构件表面与未被扰动的流动之间的区域。对于在先有技术中使用的光滑表面，流体在入流侧按层流入流，在此位置存在未扰动的流动。转变点表示层流与紊流之间的过渡。在转变点之后气流产生涡旋，从而导致气流阻力激烈增大。在按本发明带有表面凹穴和隆凸的风力发电设备中，所述的转变点沿流动方向移动，也就是推迟涡流的形成，降低了流阻。由于减小了流阻，整个风力发电设备降低了振动的倾向，所以各机械构件的负荷较小。另一个优点在于减小了转子立杆与掠过的转子叶片之间的相互作用，由此同样减少转子叶片的弯曲负荷。

按本发明的风力发电设备另一个优点可认为是，在风力发电设备后面的尾流区内的气流受较小的干扰，所以几乎不影响后续的风力发电设备。因此允许在一个风场内以彼此较小的间距部署多个风力发电设备，从而可以提高风场面积的能量密度。

有利地，按本发明的风力发电设备较少受污物和结冰的困扰。这一效果归诸于在凹穴内更高的空气速度。

此外，按本发明的风力发电设备有一个优点，即，与传统的设备相比减小了噪声的发生。从风力发电设备传给地面的所形成的噪声水平以及周期性的振动都是不希望的，因为这些会使毗邻的居民感到不舒服。采用按本发明的风力发电设备可有助于解决这一问题，因为极大地减少所述的影响，从而导致对此项技术高度的认可。

按本发明的风力发电设备表面上的凹穴可有不同的形状。特别有利的是，它们基本上有半球的形状。

采用如高尔夫球上类似设计的表面，它们通过气动效果赋予高尔夫球更好的飞行特性。采用半球形作为凹穴尤其出现在那些从不同方向入流的地方，例如在转子立杆上。然而也可以采用其他设计的凹穴，例如有半液滴形的形状。液滴形特别有利于流动，也就是说它们只造成很小的阻力。液滴形特别适用于转子叶片，因为在转子叶片上的入流方向基本上不变。

有利地，凹穴规则排列在表面上。例如凹穴可以排列成行，其中相邻的行可互相错开布置。以此方式达到面积的充分利用。

凹穴在转子叶片上主要设在转子叶片层流与紊流之间的转变点与其端棱之间的区域内可有突出的优点。在此设计中，转子叶片层流绕流的鼻区没有凹穴。将凹穴设在传统的转子叶片中发生层流与紊流之间转变的那个区域内。凹穴促使转变点沿流动方向移动，所以延长了流动的层流行程。这一效果带来的结果是，与传统的风力发电设备相比使紊流区显著变窄。

若凹穴设在扁薄的载体材料上，本发明可以特别容易实现，载体材料可以固定在风力发电设备上。以此方式风力发电设备也可以事后设置带有凹穴的表面结构。若载体材料是薄膜，尤其是自粘式薄膜，操作特别简单。

按照本发明的一有利设计，所述转子叶片的结构和型面与通过凹穴改变后的失速速度相匹配。

本发明的其他优点和详情参见附图借助实施例说明。这些附图是示意图，其中：

图1表示在按本发明的风力发电设备表面上的半球形凹穴的剖切侧视图；

图2-7表示图1所示凹穴和当空气掠过时各个步骤的气动效果；

图8表示在凹穴处形成涡流；

图9表示带有按规则排列的凹穴的场区以及由此造成的流动过程的俯视图；

图10表示传统的风力发电设备转子立杆的入流和由此造成的流场的水平剖视图；

图11表示按本发明的风力发电设备的转子立杆和由此造成的流场的水平剖视图；以及

图12表示按本发明的风力发电设备，它的表面至少部分具有一些用于改善流动的凹穴。

图1用剖切侧视图表示风力发电设备的表面2内的半球形凹穴1。由图1可以看出，表面2有基本上平行于表面的入流。在本实施例中表示的半球形凹穴1仅作为范例以便于理解。也可以取代半球形选择半液滴形或其他导致改善流动的形状。

当空气掠过凹穴1时在凹穴1内形成气涡3，它有助于空气掠过并加速空气容积流动。这种效果的强弱取决于入流速度、入流角、气压、空气温度、凹穴1的形状和布局。在每个凹穴内形成的涡旋3使掠过的空气如“滚珠轴承”那样作用，因此不干扰或仅少量干扰表面2上的层流流动。

图2-7表示图1所示凹穴1和在空气掠过时各个步骤的气动效果。

图2是俯视图以及代表风力发电设备一个部件的表面2，它设有凹穴1。在图2中可以看到半球形凹穴1圆形的棱边。凹穴1被掠过的空气基本上层流地入流，由此首先造成两个对称的气涡3、4。

图3表示经过短时间后的图2所示凹穴。由于入流时的不对称性，在凹穴内形成占优势的涡旋3，反之，另一个气涡4变得较弱。在图3中还可以看出，掠过的空气的流线5在气涡3、4之间侧向偏转。

如图4所示，占优势的一侧气涡3发展成“龙卷风”，也就是说，形成一个小的局部涡旋，空气在其中上升，从而使它离开表面2。因此由凹穴1形成一个气涡3，它沿流动方向进一步推动掠过的空气。由图4还可看出，掠过的空气向一侧偏转。

图5表示短时间后的流动状况。气涡3由于流动不对称性在短时间后重新瓦解，从而减小主导涡旋的强度。与此同时，另一个气涡4开始扩张。与图4的状态不同，掠过的空气在这种情况下未经受方向偏移，也就是说它未受影响。

图6表示略晚些时候的流动状况。气涡4开始占主导地位，因为它比另一个气涡3大得多也强得多。还可以看出，掠过的空气流线6经受朝侧向的偏转。气涡3、4有相反的旋转方向，因此，掠过的空气的流线6与图4所示气涡3占主导优势的状态相比朝相反的侧向偏转。

图7表示经短时间后的流动状况。与气涡3逆流的气涡4发展成一个更大的涡旋，它在凹穴1中沿流动方向进一步推动掠过的空气。

在进一步的过程中，气涡4也由于流动的不对称性重新瓦解，从而连续地重复所表示的顺序。

图8表示在凹穴处涡流的形成。风力发电设备通常包括许多凹穴1，它们设计在转子叶片、立杆、机舱或其他绕流部件的表面上。从每一个凹穴1出发构成小的涡流，它们沿流动方向推动掠过的空气。经过一些时间后涡旋瓦解并形成一个有相反的旋转方向的涡旋。在这里相邻的凹穴1、7可以有相同或相反的旋转方向。在掠过的空气与表面之间的边界附面层内的摩擦阻力减小，此外，支持和加速表面上的空气流动。因为一个封闭系统的总能量不可能增大，所以与此同时在另一些位置例如通过摩擦作用消耗能量，也就是说，传统系统的摩擦能量在这里被部分利用于造成气涡，气涡又降低总摩擦损失。

图9表示一个带有按规则排列的凹穴的场区以及造成的流场。由图9可以看出，凹穴排列成水平的行，相邻的行侧向错开，每个凹穴1与所有相邻的凹穴有基本上相同的间距。左旋和右旋的气涡随时间交替变换，以及在绕流的表面2上形成这种交替涡旋的图案，这些涡旋根据入流速度和其他气动参数基本上从一个凹穴1到达下一个凹穴1。这些气涡3、4沿整个表面2支持和加速气流。

图10示意表示传统的风力发电设备转子立杆的入流和造成的紊流场水平剖视图。转子立杆8有圆形截面。入流的空气9基本上是层流，也就是说各流线彼此平行地延伸，空气没有紊流。沿流动方向观察，转变点10处于最大直径区内转子立杆的左侧和右侧。转变点10表示层流9转变为紊流11所发生的地点。由图10可以看出，有紊流11的尾流区有轻微的锥形，所以紊流区在风力发电设备后面逐渐增大。后续的风力发电设备进入的是紊流空气，它导致降低设备的效率。

图11是与图10类似的图，并表示了外侧加有薄膜13的转子立杆12，薄膜13有改善流动的凹穴。与图10所示的转子立杆不同，在设有薄膜13的入流的层流空气16有长得多的层流行程，所以转变点14沿流动方向后移。由图11可以看出，转变点14处于转子立杆12最大直径后方，所以流动直到那里摩擦很小。紊流15随后才能形成。与图10所示的例子不同，紊流15的区域小得多，所以对后续的风力发电设备的影响小得多。因此，一个风场内的各个风力发电设备可以部署为有更小的间距，从而导致更好的面积利用和单位面积更大的发电量。

图12在示意图中表示一个风力发电设备，它的表面上至少部分具有一些改善流动的凹穴。总体用17表示的风力发电设备主要由一立杆12、一带有多个转子叶片18的转子、安装发电机的机舱19以及覆盖转子轮毂区的整流罩20组成。

在图12中用阴影线表示风力发电设备17各组成部分表面设有凹穴的区域。转子立杆12除了其下部外全都设有改善流动的凹穴。同样，机舱19和整流罩20在其全部表面上设有凹穴。转子叶片18在其上、下侧有沿纵向延伸的条状区，这些条状区上设有凹穴。

与已公知的可达到减小摩擦约10％的鲨鱼皮效应不同，对本发明风力发电设备的第一次初次试验表明，在风力发电设备中可望改善约30％。

Claims (8)

1.一种风力发电设备，其包括一立杆、一带有多个转子叶片的转子、一机舱和必要时其他绕流部件，其中，所述立杆(12)和/或转子叶片(18)和/或机舱(19)和/或其他绕流部件的表面上至少部分具有一些用于改善流动的凹穴(1)，其特征在于，所述凹穴(1)在一转子叶片(18)上主要设在转子叶片(18)层流与紊流之间的转变点与转子叶片(18)端棱之间的区域内，以及，所述凹穴(1)的形状和结构设计为，使空气在凹穴(1)上掠过时在凹穴(1)内形成涡旋(3)，它支持空气的掠过并使空气容积加速。

2.按照权利要求1所述的风力发电设备，其特征为：所述凹穴(1)基本上具有一半球形或一半液滴状的形状。

3.按照权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征为：所述凹穴(1)规则排列。

4.按照权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征为：所述凹穴(1)排列成行。

5.按照权利要求4所述的风力发电设备，其特征为：所述各行凹穴(1)互相错开布置。

6.按照权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征为：所述凹穴(1)设计在一扁平的可固定在所述风力发电设备(17)上的载体材料上。

7.按照权利要求6所述的风力发电设备，其特征为：所述载体材料是薄膜(13)。

8.按照权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征为：所述转子叶片(18)的结构和型面与通过凹穴(1)改变后的失速速度相匹配。

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