CN101680423A

CN101680423A - 具涡流发生器的风轮机叶片

Info

Publication number: CN101680423A
Application number: CN200880016741A
Authority: CN
Inventors: K·B·戈德斯克
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2028-03-13
Also published as: ES2358881T3; DK2129908T3; US20100008787A1; WO2008113350A2; CN101680423B; US7914259B2; ATE490404T1; EP2129908A2; EP2129908B1; WO2008113350A3; DE602008003770D1

Abstract

通过设置一个、两个或多个平行排的亚边界层涡流发生器得到一种有利的风轮机转子和叶片的新设计，从而得到一种抗失速并提供高的最大升力系数C_L，max的叶片和一种细长的叶片设计，一种低的所谓转子的半径比实度。很高的升力系数C_L能减少所需的叶片面积和负荷和/或增加叶片的长度，并使原始负荷保持更高的产量。一排或多排亚边界层涡流发生器在本发明的优选实施例中与Gurney襟翼结合，同时在很大的攻角下用较轻微的失速产生很高的升力系数C_L。

Description

具涡流发生器的风轮机叶片

技术领域

本发明涉及风轮机叶片和风轮机转子，其中利用在叶片上设置涡流发生器来得到转子的有利的新设计。

背景技术

利用涡流发生器来减少飞机机翼上气流的分离的倾向在现有技术中长期众所周知，文献US 4354648给出一个例子，该文献公开了一种具有两或三排低叶型涡流发生器的飞机机翼，所述涡流发生器从吸力侧表面，例如边界层厚度的10-20％延伸。

在风轮机叶片上应用涡流发生器在现有技术中也是众所周知的。在风轮机叶片上使用涡流发生器来抵消气流分离和失速已在WO00/15961(LMGlasfiber)中公开，该文献示出沿着叶片的整个幅宽或在叶片的尖端处使用涡流发生器，该涡流发生器具有整体三角形的形状并从叶片的吸力侧延伸到弦长的0.01-10％并优选0.25-6％的高度。

另外，WO01/164482(Stichting)中公开了在吸力侧和/或压力侧上设有涡流发生器的风轮机叶片。所公开的涡流发生器的优选高度为弦长的约1％，该涡流发生器的用途是防止在阵风期间发生突然失速，从而造成生产和振动的损失。

在WO2006/122547(Vestas)中也公开了具有涡流发生器的风轮机叶片，对于桨距控制式风轮机，其目的是减少失速期间的噪音排放。所公开的涡流发生器的高度为弦长的0.01％至5％。

因此，为风轮机叶片设置涡流发生器包括微型涡流发生器在现有技术中众所周知，其目的是减少噪音排放、防止失速以及使失速的发生更平缓并且可预知的。涡流发生器增加叶片的阻力系数并因此减少风轮机的电力生产的事实限制了涡流发生器在风轮机叶片上的实际使用。

发明内容

本发明已经实现：可通过设置两个或更多平行排的微型或亚边界层涡流发生器来实现风轮机叶片和转子的有利的新设计，从而得到一种叶片，该叶片抗失速，并提供叶片的高最大升力系数C_L，max和细长的叶片设计，转子的较低的所谓半径比实度(radius specific solidity)。

微型涡流发生器的思想以前已经例如在飞机襟翼上进行了试验，并显示出具有约为翼型弦长的0.2％的高度的很小的涡流发生器能增加最大升力系数C_L，而用于翼型的空气动力学阻力的翼型阻力系数C_D只有小量的增加。已经发现，通过将不同弦位置-例如20％和50％及可能70％-处的多排微型涡流发生器相结合，最大升力系数C_L能增加到极高的值，而仍可在很大程度上避免失速，并且当发生失速时，与只有一排较大的涡流发生器相比失速开始得也更平缓，其中与只有一排其高度足以实现类似的最大升力系数C_L，max增加的结果的较大涡流发生器相比，翼型阻力系数C_D的增加小得多。

术语“高度”在此应理解为在涡流发生器所布置的位置处，该涡流发生器在垂直地远离叶片表面的方向上的最大高度。

涡流发生器的低高度-其中它们不贯穿整个边界层-减少了由涡流发生器引起的阻力，这使得将涡流发生器应用到叶片的外面部分也可行，在所述外面部分中相对风速以及因而可能产生的阻力是最大的。通过设置平行的两或三排涡流发生器，可实现涡流发生器对叶片的空气动力学特性的积极影响，并达到有利的新风轮机叶片设计。

按照本发明，在叶片上设置涡流发生器可以增加叶片的最大升力系数C_L，max，这是因为气流在叶片上分离的倾向-即失速的倾向-因涡流发生器的作用而减小，这使得叶片能在较大的攻角(AoA)下运行而不发生失速。涡流发生器还使得能应用如WO2007/010329中所公开的具有高升力叶型的叶片，并且当叶片在大攻角下运行时实现叶片的很高的最大升力系数。叶片的最大升力系数C_L，max的量值一般取决于涡流发生器的设计、连续的涡流发生器排的数量以及叶型(叶片轮廓，blade profile，profile of blade)的设计。如WO2006/090215所公开的具有高升力和低实度(solidity)的叶片的风轮机的运行也可以通过应用本发明得以改善。

本发明的在此介绍的各方面都可以适用于所有尺寸的风轮机叶片和转子，但可特别有利地应用于长度超过30米的转子叶片以及转子直径超过约60-63米的风轮机转子，因为叶片的外面部分所经历的相对风速高并因此所暴露的涉及叶片上气流的分离的问题-即失速-更多。另外，较大的风轮机-即具有长度超过30米的转子叶片以及转子直径超过约60-63米的风轮机转子-更容易受空气动力学负荷的损害，而应用本发明的积极效果比用于较小风轮机显著得多。

因此，本发明在第一方面涉及一种风轮机叶片，该风轮机叶片包括：

第一排涡流发生器，它在叶片的吸力侧上沿叶片的纵向方向布置，其中，所述涡流发生器在远离叶片的表面的方向上的高度为叶片的弦长的0.1％-0.65％，优选地为叶片的弦长的0.15％-0.35％，以及

第二排涡流发生器，它在叶片的吸力侧上沿叶片的纵向方向布置，其中，所述涡流发生器在远离叶片的表面的方向上的高度是弦长的0.1％-1％，优选地为弦长的0.15％-0.5％，

其中，第一和第二排涡流发生器沿着叶片的纵向大小(延伸尺寸，extend)的至少10％设置，第二排涡流发生器在弦长的20％至50％的范围内与前缘的相距一定弦向距离地延伸，它比第一排涡流发生器距前缘更远。

第二排涡流发生器可以比第一排涡流发生器从叶片表面延伸更远，因为边界层的厚度一般在第二排的位置处更大，因此，即使第二排涡流发生器比第一排涡流发生器高，该第二排涡流发生器所产生的阻力也足够低。

根据叶片的设计和空气动力学性能，各排涡流发生器可以应用到叶片上的任何位置。在优选实施例中，各排涡流发生器沿着叶片的纵向大小的外面一半部分设置，例如沿外面一半部分的至少20％，优选地至少30％，最优选至少50％设置。

优选地，第一排涡流发生器在弦长的10％-40％的范围内并更优选15％-35％的范围内距前缘一定的弦向距离延伸。

优选地，第二排涡流发生器在弦长的30％-70％的范围内并更优选在40％-60％的范围内距前缘一定的弦向距离延伸。

在本发明的特别优选的实施例中，风轮机还包括：

第三排涡流发生器，该第三排涡流发生器在叶片的吸力侧上沿叶片的纵向方向布置，并沿所述叶片的纵向大小的至少10％设置，即与第一和第二排涡流发生器的纵向位置一致，其中，所述涡流发生器在远离叶片的表面的方向上的高度为弦长的0.25％-2％，优选地0.4％-1.5％，以及

其中，该第三排涡流发生器在弦长的10％-30％的范围内距前缘一定的弦向距离比第二排涡流发生器从前缘延伸更远。

第三排涡流发生器可以比第一排和第二排涡流发生器从叶片表面伸出更远，因为边界层的厚度一般在最接近叶片轮廓的后缘的第三排的位置处更大，因此即使第三排涡流发生器比第一排和第二排涡流发生器高，由第二排涡流发生器产生的阻力也足够低。

优选的是，第三排涡流发生器在弦长的50％-90％的范围内并优选地在60％-80％的范围内距前缘一定的弦向距离延伸。

在本发明的第二方面的情况下，另外实现了通过在叶片上设置微型或亚边界层涡流发生器与叶片的高的最大升力系数C_L，max和细长的叶片设计以及所谓的转子的半径比实度的结合，得到风轮机叶片转子的有利新设计。

与普通风轮机叶片设计相比，微型涡流发生器增加了叶片的阻力系数，但它也可用于攻角和空气动力学性能具有显著更高的最大升力系数C_L，max的叶片设计，因为在大攻角下失速的倾向减少，且失速当发生时也很少突变和更和缓。较高的升力系数能减少叶片的弦长，并因此减少转子的半径比实度，而仍然从风轮机得到满意的电力生产。然而，更细长的叶片设计造成叶片的阻力系数减小，该阻力系数减小抵消由涡流发生器所引起的阻力系数增加。在这些特征的组合下，减少或消除了叶片设置涡流发生器的缺点，并得到有利的细长叶片设计。

具有超低实度并在超高升力系数情况下运行的转子提供了减少负荷或/和用同等负荷实现更多产转子的可能性。风轮机叶片设计中的重要问题是抗疲劳损坏性。一般，疲劳由叶弦尺寸引起，即叶弦越大则叶片上的疲劳负荷越高。另外，在失速情况下叶片中所产生的振动也增加疲劳损坏。因此，本发明的重要优点是：即使叶片在较高的设计攻角AoA下运行，叶片的疲劳特性也能改善，这主要是由于弦长减小。

风速高达70m/s的极端阵风在风轮机上产生极端负荷。在极端风速期间，风轮机转子怠速-即缓慢旋转或停止，其中叶片处于停止位置且不产生电力。在这种情况下，极端负荷的大小取决于转子叶片的弦长，即，叶弦越大则极端负荷越高。因此，本发明的另一个重要优点是通过细长的叶片设计减少了极端负荷。

本发明的这方面的原理是使用一排或优选地多排微型(或亚边界层)涡流发生器，所述涡流发生器附装到叶片的整个跨度的至少一部分上，在优选实施例中沿着叶片的外面一半部分，并在本发明的优选实施例中与Gurney襟翼(Gurney Flap)结合，所述Gurney襟翼产生很高的升力系数C_L，同时在很大的攻角下具有较和缓的失速。很高的升力系数C_L能减小必须的叶片面积和负荷或/和增加叶片的长度，并保持原始负荷而有较高的生产力。

这另外与在叶片的里面部分(例如，从轮毂中心测量的叶片半径的内部10-50％)使用Gurney襟翼相结合可制成极细长的风轮机叶片。

因此，本发明还涉及具有至少两个叶片的风轮机转子，每个叶片都包括第一排涡流发生器，该第一排涡流发生器在叶片的吸力侧(也称为背风侧)在叶片的纵向方向上布置，并沿着叶片的纵向大小的至少10％设置，优选沿着叶片的基本上全部外面一半部分设置，其中，所述涡流发生器在远离其设于其上的叶片表面的方向上的高度为弦长的0.1％-1％，优选地为弦长的0.15％-0.35％，如在涡流发生器设于该处的纵向位置所测得的。

转子的组合半径比实度(Sol_r)是

-在距轮毂的距离r是转子半径R的50％处低于数值0.025，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的70％处低于数值0.017，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的90％处低于数值0.011。

风轮机叶片的实度是叶片投影到转子平面中的面积与旋转的叶片所覆盖的总面积A_叶片之间的比值。因此，组合实度-即叶片的实度之和是：

式中n是风轮机叶片的数量，如2、3或4。转子的组合半径比实度(Sol_r)定义为：

{Sol}_{r} = \frac{n \cdot c_{r}}{2 πR}

式中n是转子中叶片的数量，c_r是在与轮毂相距距离r处的弦长，R是转子的半径-即从轮毂的中心测得的距离，这在以后理解。转子的组合半径比实度(Sol_r)优选沿叶片的纵向方向平稳地展开，且转子的组合半径比实度预期低于所表示的值之间的线性插值。

另外，对于包括涡流发生器的叶片的至少部分纵向大小，各叶片的对通过叶型的二维流有效的最大升力系数C_L，max满足：

-C_L，max＞1.75，对Re＝3×10⁶

-C_L，max＞1.80，对Re＝4.5×10⁶

-C_L，max＞1.85，对Re＝6.0×10⁶

-C_L，max＞1.90，对Re＝7.5×10⁶

根据叶片的设计及其空气动力学性能，第一排涡流发生器可以应用在叶片上的任何位置。在优选实施例中，第一排涡流发生器沿叶片的纵向大小的外面一半部分设置，例如沿外面一半部分的至少20％，优选地至少30％，最优选地至少50％设置。

优选的是，对于包括涡流发生器的叶片的至少部分纵向大小，对通过叶型的二维流有效的每个叶片的最大升力系数C_L，max另外满足下列条件：

-C_L，max＞1.65，对Re＝1.5×10⁶

-C_L，max＞1.95，对Re＝9.0×10⁶

-C_L，max＞2.00，对Re＝10.0×10⁶

为进一步增强对发生气流分离的防护，优选在叶片的吸力侧上沿叶片的纵向方向布置第二排涡流发生器，并沿着叶片的纵向大小的至少10％设置，即与第一排涡流发生器的纵向位置一致，其中，所述涡流发生器在远离叶片表面的方向上的高度是弦长的0.1％-2％，以及第二排涡流发生器在弦长的20％-50％的范围内与前缘相距一定的弦向距离比第一排涡流发生器距前缘更远地延伸，优选在弦长的30％-70％的范围内，最优选在弦长的40％-60％的范围内。通过在该弦向位置设置第二排涡流发生器，经过叶片的气流边界层被进一步加强，并且在叶片的后缘附近开始气流分离以及朝向叶片的前缘逆风移动的危险降低。

在转子具有包括第二排涡流发生器的叶片的情况下，优选的是，对于包括涡流发生器的叶片至少部分纵向大小，对通过叶型的二维流有效的每个叶片的最大升力系数C_L，max满足：

-C_L，max＞1.90，对Re＝3.0×10⁶

-C_L，max＞1.95，对Re＝4.5×10⁶

-C_L，max＞2.0，对Re＝6.0×10⁶

-C_L，max＞2.10，对Re＝7.5×10⁶

-C_L，max＞2.15，对Re＝10×10⁶

通过设置第三排涡流发生器可在减少气流的分离并从而减少失速的倾向方面得到更令人满意的结果，该第三排涡流发生器在叶片的吸力侧上沿叶片的纵向方向布置，并沿着至少10％设置，即与第一和第二排涡流发生器的纵向位置一致，其中，所述涡流发生器在远离叶片表面的方向上的高度是弦长的0.1％-2％，以及第三排涡流发生器在弦长的10％-30％的范围内并优选在50％-90％的范围内且最优选在60％-80％的范围内，与前缘相距一定弦向距离地比第二排涡流发生器从前缘延伸更远。通过在该弦向位置设置第三排涡流发生器，还进一步增强了通过叶片的气流的边界层，并减少了在叶片的后缘附近开始气流分离和朝叶片的前缘逆风移动的危险，这为使叶片提供了很高的最大升力系数和很低的转子半径比实度。

在转子具有包括第三排涡流发生器的叶片的情况下，优选的是，对于包括涡流发生器的叶片的至少部分纵向大小，对通过叶型的二维流有效的各叶片的最大升力系数C_L，max满足：

-C_L，max＞2.0，对Re＝3.0×10⁶

-C_L，max＞2.05，对Re＝4.5×10⁶

-C_L，max＞2.1，对Re＝6.0×10⁶

-C_L，max＞2.2，对Re＝7.5×10⁶

-C_L，max＞2.25，对Re＝10.0×10⁶

涡流发生器应当设计成只贯穿边界层的一部分，足以产生一定尺寸的涡流-该涡流可将较高相对速度的空气输送更靠近叶片的表面并因此增强边界层以防止气流分离的倾向。另一方面，涡流发生器应当不比必需的更多地伸出叶片表面，以免产生过大的阻力。因此，所述第一排涡流发生器的至少80％的高度优选在弦长的0.15％和0.35％的范围内，所述第二排涡流发生器的至少80％的高度优选在弦长的0.25％和1％的范围内，所述第三排涡流发生器的至少80％的高度优选在弦长的0.25％和1％的范围内，边界层的厚度在第二和可能的第三排涡流发生器的位置处更高。

转子的组合半径比实度(Sol_r)在优选实施例中是：

-在距轮毂的距离r是转子半径R的50％处低于数值0.022，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的70％处低于数值0.015，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的90％处低于数值0.009。

在更优选的实施例中，转子的组合半径比实度(Sol_r)是：

-在距轮毂的距离r是转子半径R的50％处低于数值0.020，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的70％处低于数值0.014，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的90％处低于数值0.0085。

在另一更优选的实施例中，转子的组合半径比实度(Sol_r)是：

-在距轮毂的距离r是转子半径R的50％处低于数值0.017，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的70％处低于数值0.012，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的90％处低于数值0.0075。

转子的组合半径比实度(Sol_r)优选地沿着叶片的纵向方向平稳地展开，且转子的组合半径比实度预期低于所表示的数值组之间的线性插值。

用于叶片的最大升力系数C_L，max的限定值优选地满足用于叶片的纵向大小的至少外部75％。

术语“涡流发生器”在此一般理解为用于在叶片的吸力侧上的气流的边界层中产生涡流的装置。然而，优选的涡流发生器类型是这样的设计：其用于在转子的运行期间产生涡流，其中涡旋的中心线基本沿叶片的横向方向延伸，即基本沿相关气流相对于叶片的主方向延伸。涡流发生器优选地以三角形突起的形式设置，该三角形突起相对于叶片的横向方向倾斜。涡流发生器的另一些设计也是可能的，后面的文献提供了大量合适的涡流发生器设计。在叶片的纵向方向上形成一排的各个涡流发生器之间的距离在本文中通常理解为是涡流发生器的高度的1-8倍，优选地在涡流发生器的高度的2-6倍的范围内，各涡流发生器的长度也一般为涡流发生器的高度的1-8倍，优选地在涡流发生器的高度的2-6倍的范围内。在本发明的优选实施例中，构成涡流发生器的突起的厚度一般是涡流发生器的高度的0.05-1倍，优选地在涡流发生器的高度的0.2-0.6倍的范围内。

在优选实施例中，相邻的涡流发生器相对于叶片的横向方向朝相反方向倾斜，因此所产生的相邻涡流得到相反的旋转方向，例如，涡流发生器包括相对于叶片的横向方向以一角度交替倾斜的两侧，该角度在50°和2°之间并优选在35°和5°之间且最优选在20°和10°之间，以及在-50°和-2°之间并优选在-30°和-5°之间且最优选-20°和-10°之间。这些涡流发生器的实施例例如在国际专利申请WO2006/122547(Vestas)中公开。

涡流发生器可以通过附装装置如螺钉、螺栓、铆钉、焊接或优选地粘合剂单独地或者成对附装到风轮机叶片上。可供选择地，涡流发生器可以通过附装装置如螺钉、螺栓、铆钉、焊接或优选地粘合剂作为一条绳带、线卷或条带的一部分附装到风轮机叶片上。在另一可供选择的实施例中，涡流发生器与风轮机叶片整体形成。

涡流发生器在特别优选的实施例中可以作为板设置，该板从所述风轮机叶片的吸力侧表面以60°至120°的角度延伸，例如垂直地延伸。

转子的组合半径比实度(Sol_r)在优选实施例中是：

-在距轮毂的距离r是转子半径R的50％处低于数值0.022，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的70％处低于数值0.015，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的90％处低于数值0.009。

在更优选的实施例中，转子的组合半径比实度(Sol_r)是：

-在距轮毂的距离r是转子半径R的50％处低于数值0.020，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的70％处低于数值0.014，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的90％处低于数值0.0085。

在还更优选的实施例中，转子的组合半径比实度(Sol_r)是：

-在距轮毂的距离r是转子半径R的50％处低于数值0.017，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的70％处低于数值0.012，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的90％处低于数值0.0075。

转子的组合半径比实度(Sol_r)优选地沿着叶片的纵向方向平衡地展开，且转子的组合半径比实度预期低于所表示的数值组之间的线性插值。

另外，转子的里面部分优选地设计有细长的叶片，且转子的组合半径比实度(Sol_r)优选地是：

-在距轮毂的距离r是转子半径R的20％处低于数值0.043，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的30％处低于数值0.036。

在更优选的实施例中，转子的组合半径比实度(Sol_r)是：

-在距轮毂的距离r是转子半径R的20％处低于数值0.038，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的30％处低于数值0.031。

在还更优选的实施例中，转子的组合半径比实度(Sol_r)是：

-在距轮毂的距离r是转子半径R的20％处低于数值0.033，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的30％处低于数值0.025。

转子的组合半径比实度(Sol_r)优选地沿着叶片的纵向方向平衡地展开，转子的组合半径比实度预定低于用于叶片的外部及里面部分的表示值之间的线性插值。

在本发明的另一优选实施例中，叶片设有Gurney襟翼，该Gurney襟翼沿着纵向方向至少在距轮毂一定的距离r延伸，该距离r在转子半径R的20％到转子半径R的40％之间，优选地在转子半径R的10％至转子半径R的50％之间。

Gurney襟翼的高度优选地在弦长的0.35％-2％的范围内，更优选地在弦长的0.5％-1.5％的范围内。

还优选的是，所述一排或多排涡流发生器不仅设在叶片的外面部分，而且沿着叶片的纵向大小的里面一半部分的至少10％并优选至少25％且最优选至少50％设置。

叶片的里面部分且尤其是叶根段对失速十分敏感，因为叶片厚度大并且叶片在许多运行情况下的扭铰远离叶片的这部分的最佳状态，从而导致承受的来流的攻角太大。叶片的里面部分上的气流的可能失速影响叶片的相邻段，并可能显著地降低叶片的空气动力学性能。因此，对叶片并因此对风轮机的整个运行具有高性能，即使在大攻角下和在厚翼型分段上，也防止在叶片的里面部分处和尤其是叶根段的失速，对所述情况提供涡流发生器尤其是多排涡流发生器被证明是合适的。

尤其是，涡流发生器和Gurney襟翼在叶片的里面部分上的结合证明对叶片并因此对转子的总体性能有利。

在叶片的里面分段上设置涡流发生器且尤其是与设置Gurney襟翼相结合，能在叶片的接近轮毂的里面分段设置实际的空气动力学轮廓而不是柱状轮廓。

因此，设置涡流发生器和可能的Gurney襟翼能使具有叶片的风轮机运行，该叶片的厚度比t/c_r-即叶型的最大厚度(t)与弦长(c_r)的比值限定为：

-在距轮毂的距离r是转子半径R的10％处低于0.35至0.70的范围，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的20％处低于0.20至0.38的范围，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的30％处低于0.18至0.33的范围，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的50％处低于0.17至0.30的范围，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的70％处低于0.15至0.24的范围，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的90％处低于0.15至0.18的范围。

本发明还涉及一种具有上述转子的风轮机，该风轮机优选还包括用于控制转子的叶片的桨距角(俯仰角)的装置。

本发明的保护范围由所附权利要求限定。

附图说明

附图示出本发明的详细公开内容，在附图中：

图1是具有涡流发生器的叶片的横截面，

图2示出涡流发生器和周围气流的示意图，

图3示出用于无涡流发生器的翼型与有涡流发生器的翼型相比较的升力系数C_L随攻角(AoA)变化的曲线图，

图4示出用于图3的无涡流发生器的翼型与有涡流发生器的翼型相比较的阻力系数C_D随攻角(AoA)变化的曲线图，

图5示出无涡流发生器的风轮机叶片和有一排、两排和三排涡流发生器的风轮机叶片的升力系数C_L随攻角(AoA)变化的曲线图，

图6是具有两排微型涡流发生器的超细叶片的透视图，

图7示出具有三叶片式转子的原始风轮机与根据本发明设计的直径放大5％的转子的年产量的比较，

图8示出具有三叶片式转子的原始风轮机的叶片上的力与根据本发明设计的直径放大5％的转子上的力的比较，

图9是设有Gurney襟翼的叶片的尾部部分的横截面，

图10是用于有Gurney襟翼和无Gurney襟翼的风轮机叶片的升力系数C_L随攻角(AoA)变化的曲线图，以及

图11示出从设有Gurney襟翼的后缘的噪音的发生。

附图仅提供用于举例说明的目的，并且不应被认为是对所附权利要求的保护范围的限制。

具体实施方式

优选的涡流发生器的原理是三角形板，该三角形板在风轮机叶片的吸力侧(背风侧)基本垂直于该叶片表面附装-如图1中所示，该图示出叶片1的横截面，其中涡流发生器2布置在叶片1的吸力侧3上并位于叶片1的前缘4下游的弦长c_r的30％的位置处。叶型的厚度t也示出。与本说明书中所讨论的涡流发生器不同的其它类型涡流发生器也可应用，请参见所附的与涡流发生器有关的参考文献清单。

涡流发生器2在基本平行于叶片上的气流方向的边界层中产生涡流，该涡流通过将更高速度的空气从边界层的外部向下输送到近表面区来增加更靠近叶片的气流的动能，因而增强了边界层，并延迟边界层的分离，亦即，在更高的攻角下才发生失速。在图2中，该原理用示意性的涡流发生器2示出，其中基本为层状的流到达涡流发生器的左侧，并在通过涡流发生器2之后用涡流流到右面。

利用涡流发生器来延迟边界层分离的思想在风轮机的技术领域中迄今为止主要应用于叶片的里面部分，其唯一的目的是增加升力系数。原因是使用涡流发生器的代价是在风轮机的正常运行期间阻力大大增加，且还产生来自涡流发生器的噪音。另一个缺点是在到达失速点之后升力往往急剧下降，从而在攻角的很小范围内升力具有巨大的变化，这导致如图3所示的空气动力学的不稳定性，该图3示出用于无涡流发生器的翼型与有涡流发生器(VG)的翼型的比较的升力系数C_L随攻角(AoA)的变化。另外，图4中示出用于无涡流发生器的翼型与有涡流发生器(VG)的翼型的比较的阻力系数C_D随攻角(AoA)的变化。

重要的是，应该注意，具有涡流发生器并在例如14°的大攻角(AoA)和高升力系数C_L下运行的风轮机叶片与无涡流发生器的叶片相比，阻力系数C_D低得多，如图3和4中所示。然而，当在叶尖速度与风速的比值最佳的情况下运转时，风轮机在低AoA下仍然运行更佳。在此，与叶片的空气动力学效率相对应的比值C_L/C_D的最大值是在4-7°的低AoA下求得的，因此来自涡流发生器的阻力增加应当尽可能低。只有当风轮机在高风速状况下运行-其中它由于涡流发生器限制和噪音限制而不能稍微更快运转-时，涡流发生器的效果才能通过增加AoA而完全被利用。

发明人最近的研究表明，通过优化涡流发生器的形状和尺寸以及涡流发生器在风轮机叶片上的展向(翼展方向)和弦向位置以便小心地设计涡流发生器，可以显著地增加升力系数C_L，而没有阻力大为增加、自身产生噪声和在失速点之后升力急剧下降的缺点。图5示出排成1-3排的涡流发生器效果的模拟结果，其中示出无涡流发生器和有一排、两排或三排涡流发生器的风轮机叶片的升力系数C_L随攻角AoA变化的情况，所述涡流发生器布置从叶片的前缘起弦长的20％、50％和70％的叶片上的最佳展向位置处。涡流发生器的积极作用随排数增加而增加。为了计算仅一排涡流发生器的效果，应用其高度比弦长大1％的大型涡流发生器。

图7和8中示出具有三叶片式转子的原始风轮机与具有直径增加5％的转子的风轮机和如图6所示的带有两排微型涡流发生器的具有超高升力系数的超薄叶片相比较的准稳定计算，其证明应用如权利要求所述的本发明的转子的十分积极的效果。本发明的放大的转子具有高达8％的更高生产和较小载荷，以用于翼向和边缘向二者的叶根力矩以及塔筒底部力矩。

Gurney襟翼(Gurney Flap)是安装在叶型的压力侧上正后缘处的三角形或板-如图9中所示，该图示出叶片1具有板形Gurney襟翼5的尾部部分的横截面，该Gurney襟翼5在叶片1的压力侧6上在后缘7处基本垂直于该压力侧6向下延伸。在压力侧和Gurney襟翼5之间形成上游分离泡8，而在Gurney襟翼5的后侧上形成具有两个反转涡流9的下游分离泡。下游分离泡具有这样的效果：压力侧表面3以延续部分10伸入尾流区11中，以及增加后缘的局部翘曲。

图10示出通过增加高度为弦长的1％的Gurney襟翼而对升力系数C_L的影响。

Gurney襟翼5的最佳高度对于在风轮机叶片上有效使用是决定性的。一些研究已经表明，高度为弦长的1％的Gurney襟翼可使升力系数C_L增加，而阻力没有任何增加。更大的Gurney襟翼意味着阻力的产生和增加，并因此使Gurney襟翼的益处变小。小于(弦长的)0.5％的Gurney襟翼仅使升力系数C_L的增加很小的量。

Gurney襟翼在风轮机叶片的纵向延伸部上的径向位置也很重要。通过Gurney襟翼增加的后缘厚度将导致来自钝头后缘的噪音水平增加-如图11所示，该图示出风轮机叶片1的横截面，该风轮机叶片具有所示出的边界层12，且从后缘散发的涡流导致从后缘发出音调噪音。

噪音水平的强度与局部径向位置处叶片的速度的5次幕成正比，因此速度加倍意味着32倍的更高噪音。

因此，Gurney襟翼仅可用在局部速度较低的叶片的内侧部分处。相关的径向跨度为总半径的0-50％，如从转子的轮毂中心所测得的。

Gurney襟翼可以与适用的后缘襟翼结合或者被该后缘襟翼代替，如例如WO2004/088130中所公开的。

在更优选的实施例中，叶片也可设置如例如WO2004/061298和EP1500814中所公开的小翼。

涡流发生器的参考文献清单

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Claims

1.一种风轮机叶片，包括：

第一排涡流发生器，该第一排涡流发生器沿叶片的纵向方向布置在叶片的吸力侧，其中，所述涡流发生器在远离叶片的表面的方向上的高度在叶片的弦长的0.1％至0.65％的范围内，以及

第二排涡流发生器，该第二排涡流发生器沿叶片的纵向方向布置在叶片的吸力侧，其中，所述涡流发生器在远离叶片的表面的方向上的高度在弦长的0.1％至1％的范围内，

其中，第一和第二排涡流发生器沿叶片的纵向大小的至少10％设置，第二排涡流发生器在弦长的20％-50％的范围内与前缘相距一定的弦向距离并且比第一排涡流发生器从前缘更远地延伸。

2.按照权利要求1的风轮机叶片，其特征在于，第一和第二排涡流发生器沿叶片的纵向大小的外面一半部分设置。

3.按照权利要求2的风轮机叶片，其特征在于，第一和第二排涡流发生器沿叶片的纵向大小的外面一半部分的至少30％设置，优选沿叶片的纵向大小的外面一半部分的至少50％设置。

4.按照前述权利要求之一的风轮机叶片，其特征在于，第一排涡流发生器在弦长的10％-40％的范围内与前缘相距一定的弦向距离延伸。

5.按照权利要求4的风轮机叶片，其特征在于，第一排涡流发生器在弦长的15％-35％的范围内与前缘相距一定的弦向距离延伸。

6.按照前述权利要求之一的风轮机叶片，其特征在于，第二排涡流发生器在弦长的30％-70％的范围内距前缘一定的弦向距离延伸。

7.按照权利要求6的风轮机叶片，其特征在于，第二排涡流发生器在弦长的40％-60％的范围内距前缘一定的弦向距离延伸。

8.按照前述权利要求之一的风轮机叶片，其特征在于，还包括：

第三排涡流发生器，该第三排涡流发生器在叶片的吸力侧沿叶片的纵向方向布置，并沿叶片的纵向大小的至少10％设置，其中所述涡流发生器在远离叶片的表面的方向上的高度为弦长的0.25％-2％，以及

其中，第三排涡流发生器在弦长的10％-30％的范围内距前缘一定的弦向距离并且比第二排涡流发生器从前缘更远地延伸。

9.按照权利要求8的风轮机叶片，其特征在于，第三排涡流发生器沿着叶片的纵向大小的外面一半部分设置。

10.按照权利要求9的风轮机叶片，其特征在于，第三排涡流发生器沿着所述叶片的纵向大小的外面一半部分的至少30％设置，优选地沿着叶片的纵向大小的外面一半部分的至少50％设置。

11.按照权利要求8-10之一的风轮机叶片，其特征在于，第三排涡流发生器在弦长的50％-90％的范围内距前缘一定的弦向距离延伸。

12.按照权利要求11的风轮机叶片，其特征在于，第三排涡流发生器在弦长的60％-80％的范围内距前缘一定的弦向距离延伸。

13.按照前述权利要求之一的风轮机叶片，其特征在于，第一排的涡流发生器的高度是弦长的0.15％至0.35％。

14.按照前述权利要求之一的风轮机叶片，其特征在于，第二排的涡流发生器的高度是弦长的0.15％至0.5％。

15.按照权利要求8-14之一的风轮机叶片，其特征在于，第三排的涡流发生器的高度是弦长的0.4％至1.5％。

16.一种风轮机转子，具有至少两个按照权利要求1-15之一的叶片。

17.一种具有至少两个叶片的风轮机转子，每个叶片都包括：

第一排涡流发生器，该第一排涡流发生器在叶片的吸力侧上沿叶片的纵向方向布置，并沿着叶片的纵向大小的至少10％设置，其中，所述涡流发生器在远离叶片的表面的方向上的高度是叶片的弦长的0.1％-1％，

其中，转子的组合半径比实度(Sol_r)是

-在距轮毂的距离r是转子半径R的50％处低于数值0.025，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的70％处低于数值0.017，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的90％处低于数值0.011，

其中，对于包括涡流发生器的叶片的纵向大小的至少部分，对通过叶型的两维气流有效的、每个叶片的最大升力系数C_L，max满足

-C_L，max＞1.75，对Re＝3.0×10⁶

-C_L，max＞1.80，对Re＝4.5×10⁶

-C_L，max＞1.85，对Re＝6.0×10⁶

-C_L，max＞1.90，对Re＝7.5×10⁶

18.按照权利要求17的风轮机转子，其特征在于，第一排涡流发生器沿叶片的纵向大小的外面一半部分设置。

19.按照权利要求18的风轮机转子，其特征在于，第一排涡流发生器沿叶片的纵向大小的外面一半部分的至少30％设置，优选沿叶片的纵向大小的外面一半部分的至少50％设置。

20.按照权利要求17-19之一的风轮机转子，其特征在于，对于包括涡流发生器的纵向大小的至少部分，对通过叶型的两维气流有效的、每个叶片的最大升力系数C_L，max还满足：

-C_L，max＞1.65，对Re＝1.5×10⁶，以及

-C_L，max＞1.95，对Re＝9.0×10⁶

-C_L，max＞2.00，对Re＝10.0×10⁶

21.按照权利要求17-20之一的风轮机转子，其特征在于，第一排涡流发生器在弦长的10％-40％的范围内距前缘一定的弦向距离延伸。

22.按照权利要求21的风轮机转子，其特征在于，第一排涡流发生器在弦长的15％-35％的范围内距前缘一定的弦向距离延伸。

23.按照权利要求17-22之一的风轮机转子，其特征在于，还包括：

第二排涡流发生器，该第二排涡流发生器在叶片的吸力侧上沿叶片的纵向方向布置，并沿叶片的纵向大小的至少10％设置，其中，所述涡流发生器在远离叶片的表面的方向上的高度是弦长的0.1％-2％，以及

其中，第二排涡流发生器在弦长的20％-50％的范围内距前缘一定的弦向距离并比第一排涡流发生器从前缘更远地延伸。

24.按照权利要求23的风轮机转子，其特征在于，第二排涡流发生器沿叶片的纵向大小的外面一半部分设置。

25.按照权利要求23或24的风轮机转子，其特征在于，第二排涡流发生器沿叶片的纵向大小的外面一半部分的至少30％设置，优选沿叶片的纵向大小的外面一半部分的至少50％设置。

26.按照权利要求23-25之一的风轮机转子，其特征在于，对于包括涡流发生器的叶片的纵向大小的至少部分，对通过叶型的两维流有效的、每个叶片的最大升力系数C_L，max满足：

-C_L，max＞1.90，对Re＝3.0×10⁶

-C_L，max＞1.95，对Re＝4.5×10⁶

-C_L，max＞2.0，对Re＝6.0×10⁶

-C_L，max＞2.10，对Re＝7.5×10⁶

-C_L，max＞2.15，对Re＝10×10⁶

27.按照权利要求23-26之一的风轮机转子，其特征在于，第二排涡流发生器在弦长的30％-70％的范围内距前缘一定的弦向距离延伸。

28.按照权利要求27的风轮机转子，其特征在于，第二排涡流发生器在弦长的40％-60％的范围内距前缘一定的弦向距离延伸。

29.按照权利要求23-28之一的风轮机转子，其特征在于，还包括：

第三排涡流发生器，该第三排涡流发生器在叶片的吸力侧沿叶片的纵向方向布置，并沿叶片的纵向大小的至少10％设置，其中，所述涡流发生器在远离叶片的表面的纵向方向上的高度是弦长的0.1％-2％，以及

其中，第三排涡流发生器在弦长的10％-30％的范围内距前缘一定的弦向距离并比第二排涡流发生器从前缘更远地延伸。

30.按照权利要求29的风轮机转子，其特征在于，第三排涡流发生器沿叶片的纵向大小的外面一半部分设置。

31.按照权利要求30的风轮机转子，其特征在于，第三排涡流发生器沿叶片的纵向大小的外面一半部分的至少30％设置，优选沿叶片的纵向大小的外面一半部分的至少50％设置。

32.按照权利要求29-31之一的风轮机转子，其特征在于，对于包括涡流发生器的叶片的纵向大小的所述部分，对通过叶型的两维流有效的、每个叶片的最大升力系数C_L，max满足：

-C_L，max＞2.0，对Re＝3.0×10⁶

-C_L，max＞2.05，对Re＝4.5×10⁶

-C_L，max＞2.1，对Re＝6.0×10⁶

-C_L，max＞2.2，对Re＝7.5×10⁶

-C_L，max＞2.25，对Re＝10×10⁶。

33.按照权利要求29-32之一的风轮机转子，其特征在于，第三排涡流发生器在弦长的50％-90％的范围内距前缘一定的弦向距离延伸。

34.按照权利要求33的风轮机转子，其特征在于，第三排涡流发生器在弦长的60％-80％的范围内距前缘一定的弦向距离延伸。

35.按照权利要求17-34之一的风轮机转子，其特征在于，第一排的涡流发生器的至少80％的高度在弦长的0.15％至0.35％的范围内。

36.按照权利要求23-35之一的风轮机转子，其特征在于，第二排的涡流发生器的至少80％的高度在弦长的0.25％至1％的范围内。

37.按照权利要求29-36之一的风轮机转子，其特征在于，第三排的涡流发生器的至少80％的高度在弦长的0.25％至1％的范围内。

38.按照权利要求17-37之一的风轮机转子，其特征在于，对于叶片的纵向大小的至少外部75％，对通过叶型的二维流有效的、叶片的所述最大升力系数C_L，max满足限定的标准。

39.按照权利要求16-38之一的风轮机转子，其特征在于，转子的组合半径比实度(Sol_r)是

-在距轮毂的距离r是转子半径R的50％处低于数值0.022，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的70％处低于数值0.015，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的90％处低于数值0.009。

40.按照权利要求39的风轮机转子，其特征在于，转子的组合半径比实度(Sol_r)是

-在距轮毂的距离r是转子半径R的50％处低于数值0.020，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的70％处低于数值0.014，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的90％处低于数值0.0085。

41.按照权利要求40的风轮机转子，其特征在于，转子的组合半径比实度(Sol_r)是

-在距轮毂的距离r是转子半径R的50％处低于数值0.017，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的70％处低于数值0.012，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的90％处低于数值0.0075。

42.按照权利要求16-41之一的风轮机转子，其特征在于，涡流发生器设计用于在转子的运行期间产生涡流，其中涡旋的中心线基本沿叶片的横向方向延伸。

43.按照权利要求42的风轮机转子，其特征在于，涡流发生器以三角形突起的形式提供，该三角形突起相对于叶片的横向方向倾斜。

44.按照权利要求43的风轮机转子，其特征在于，相邻的涡流发生器相对于叶片的横向方向朝相反方向倾斜，以使产生的相邻涡流以相反的方向转动。

45.按照权利要求44的风轮机转子，其特征在于，所述涡流发生器包括相对于叶片的横向方向以一定角度交替倾斜的侧边，该角度在50°和2°之间并优选在30°和5°之间且最优选在20°和10°之间，以及在-50°和-2°之间并优选在-30°和-5°之间且最优选在-20°和-10°之间。

46.按照权利要求16-45之一的风轮机转子，其特征在于，所述涡流发生器通过附装装置例如螺钉、螺栓、铆钉、焊接或优选地粘合剂单独地或成对地附装到风轮机叶片上。

47.按照权利要求16-45之一的风轮机转子，其特征在于，所述涡流发生器通过附装装置例如螺钉、螺栓、铆钉，焊接或优选地粘合剂作为绳带、线卷或条带的一部分附装到风轮机叶片上。

48.按照权利要求16-47之一的风轮机转子，其特征在于，所述涡流发生器是板，该板从所述风轮机叶片的吸力表面侧以60°至120°的角度延伸，例如正交地延伸。

49.按照权利要求16-48之一的风轮机转子，其特征在于，所述涡流发生器与风轮机叶片整体形成。

50.按照权利要求16-49之一的风轮机转子，其特征在于，转子的组合半径比实度(Sol_r)是

-在距轮毂的距离r是转子半径R的20％处低于数值0.043，以及

-在距轮毂的距离r是转子半径R的30％处低于数值0.036。

51.按照权利要求50的风轮机转子，其特征在于，转子的组合半径比实度(Sol_r)是

-在距轮毂的距离r是转子半径R的20％处低于数值0.038，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的30％处低于数值0.031。

52.按照权利要求51的风轮机转子，其特征在于，转子的组合半径比实度(Sol_r)是

-在距轮毂的距离r是转子半径R的20％处低于数值0.033，和

-在距轮毂的距离r是转子半径R的30％处低于数值0.025。

53.按照权利要求16-52之一的风轮机转子，其特征在于，叶片设有Gurney襟翼，该Gurney襟翼沿纵向方向至少在距轮毂的距离r是转子半径R的20％到转子半径R的40％之间延伸。

54.按照权利要求53的风轮机转子，其特征在于，叶片设有沿纵向方向至少在距轮毂的距离r是转子半径R的10％到转子半径R的50％之间延伸的Gurney襟翼。

55.按照权利要求53和54的风轮机转子，其特征在于，Gurney襟翼的高度在弦长的0.35％-2％的范围内。

56.按照权利要求55的风轮机转子，其特征在于，Gurney襟翼的高度在弦长的0.5％-1.5％的范围内。

57.按照权利要求16-56之一的风轮机转子，其特征在于，所述成排的涡流发生器沿着叶片的纵向大小的里面一半部分的至少10％设置。

58.按照权利要求57的风轮机转子，其特征在于，所述成排的涡流发生器沿叶片的纵向大小的里面一半部分的至少25％，优选至少50％设置。

59.按照权利要求16-58之一的风轮机转子，其特征在于，叶型的最大厚度(t)与弦长(c_r)的比值是

-在距轮毂的距离r是转子半径R的10％处在0.35和0.70的范围内，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的20％处在0.20和0.38的范围内，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的30％处在0.18和0.33的范围内，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的50％处在0.17和0.30的范围内，

-在距轮毂的距离r是转子半径R的70％处在0.15和0.24的范围内，以及

-在距轮毂的距离r是转子半径R的90％处在0.15和0.18的范围内。

60.一种风轮机，包括按照权利要求16-59之一的风轮机转子。

61.按照权利要求60的风轮机，其特征在于，还包括用于控制转子的叶片的桨距角的装置。