CN101883922B - 具有包括交叉子通道的凹陷式边界层控制装置的风力涡轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种具有纵向方向的风力涡轮机叶片，具有根端、尖端以及在前缘和后缘之间沿横向方向延伸的翼弦。叶片包括流控制表面，该流控制表面具有吸力侧和压力侧。多个边界层控制装置形成在流控制表面中。边界层控制装置包括凹陷在流控制表面中的通道，该通道具有面向前缘的第一末端和面向叶片的后缘的第二末端。通道还包括从第一末端延伸至第二末端的底表面。通道在第一末端包括第一通道区域，该第一通道区域包括具有第一横截面积的第一子通道和具有第二横截面积的第二子通道，第一子通道和第二子通道在交叉点彼此交叉。

Description

具有包括交叉子通道的凹陷式边界层控制装置的风力涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及一种具有纵向方向的风力涡轮机叶片，其具有根端和尖端以及沿横向方向在前缘和后缘之间延伸的翼弦，叶片包括具有吸力侧和压力侧的流控制表面。
背景技术
在许多情况下，期望提供一种延迟或防止流动介质和区域中的流控制表面之间的流分离的方法，其中，流动介质的边界层由于流控制表面的轮廓而受到足以导致流分离的压力梯度。
当粘性流体向着后缘越过风力涡轮机叶片时，流体从具有低静态压力的区域流向具有高静态压力的区域，在此过程中，受到逆向压力梯度。这导致倾向于妨碍边界层的力，该力可能足够强，以阻止流或使流反向，这可能造成流体分离，并以不可预测的方式行动。这继而由于流控制介质的尾流中的分离的流的横截面积而导致阻力的增加，继而减小了风力涡轮机叶片的升力，并甚至可能导致叶片失速。
众所周知，通过利用涡流发生器将自由流与边界层混合而延迟或防止流分离，该涡流发生器从流控制表面，即风力涡轮机叶片的表面突出。存在着大量不同的涡流发生器类型，例如静叶式，参见例如WO 01/16482，或者形成为如WO 00/15961中所示的三角形突起的涡流发生器。然而，所有这些涡流发生器被相对高的阻力的缺陷所阻碍。此外，这些在生产叶片之后通常安装在风力涡轮机叶片的表面上的涡流发生器，具有在运输期间断裂的倾向，这可能严重地损害叶片的功能性。
US 4455045描述了一种备选装置，其保持流动介质的流附着到流控制部件的外表，其中，基本上三角形的通道凹陷在流控制部件的表面中。三角形的通道具有面向流动介质的流的顶点部，并且，通道显露于这个顶点部的表面处。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于风力涡轮机转子的新型叶片，其克服或改善了现有技术的至少一个缺点，或者提供了一种有用的备选方案。
根据本发明的第一方面，该目的通过形成于流控制表面中的多个边界层控制装置来实现，其中，边界层控制装置包括凹陷在流控制表面中的通道，该通道具有面向前缘的第一末端和面向叶片的后缘的第二末端，通道包括从第一末端延伸至第二末端的底表面，并且，通道在第一末端包括第一通道区域，该第一通道区域包括具有第一横截面积的第一子通道和具有第二横截面积的第二子通道，第一子通道和第二子通道在交叉点彼此交叉。这两个交叉的子通道各引导分别具有第一速度方向和第二速度方向的分离的流，并且，由于这两个来临的流的不同的速度方向而在交叉点产生涡流。这种涡流将边界层拉向流控制表面，并激励边界层，从而延迟流分离或完全防止流分离。这提供了一种风力涡轮机叶片，其中，流的分开可延迟至叶片的后缘或被完全防止。因而，可增加风力涡轮机叶片的整个升力和效率。交叉点位于最靠近叶片的后缘的第一通道区域的一部分中，第一子通道和第二子通道因而向着交叉点而收敛。
根据第一实施例，通道在第二末端包括第二通道区域，该第二通道区域具有使得在交叉点产生的涡流能够沿流动方向通过第二通道区域而传播的形状。因此，涡流可沿流动方向传播，并从而有效地激励和再激励边界层。
在根据本发明的一个实施例中，第二通道区域包括在流控制表面和底表面之间延伸的第一侧壁以及在流控制表面和底表面之间延伸的第二侧壁，其中，第一侧壁和第二侧壁大致平行，例如平行于横向方向或流动方向。作为备选，第一侧壁和第二侧壁沿横向方向或流动方向发散。这两种方案提供了可使涡流沿流动方向传播的简单的实施例。
根据叶片的一个实施例，第一通道区域和第二通道区域被尖锐的边缘分开。也就是说，第一子通道的一个侧壁延续至第二通道区域的第一侧壁，并且，第二子通道的一个侧壁延续至第二通道区域的第二侧壁，这些侧壁之间的横向距离沿流动方向不连续地变化。
根据子通道的第一实施例，第一横截面积与第二横截面积大致相同。根据子通道的另一实施例，第一横截面积不同于第二横截面积。这增强了交叉点处的两个来临的流之间的剪应力，从而更有效地产生涡流。
在根据本发明的一个实施例中，第二通道区域包括第一附加子通道和/或第二附加子通道。这两个附加子通道还可具有不同的横截面积，并可用于在交叉点的下游产生新的涡流组。
在根据本发明的另一实施例中，第一横截面积和/或第二横截面积沿流动方向而减小。这提供了一种用于使流向着交叉点加速，从而能够产生甚至更强的涡流的简单方法。这可通过使子通道的侧壁沿流动方向而发散和/或通过使这些侧壁的高度沿流动方向而减小来实现。
根据有利的实施例，子通道的侧壁以及第一侧壁和第二侧壁形成了带有流控制表面的侧壁边缘，这些边缘相对尖锐，即侧壁和流控制表面形成了大约90度的角度。然而，对于涡流生成通道按预期起作用而言，边缘不需要为大约90度。因而，第一侧壁和第二侧壁还可在横截面上发散，使得第一侧壁边缘和第二侧壁边缘形成大于90度的角度。作为备选，侧壁边缘可延伸越过流控制表面。这可通过例如在通道之上形成唇缘来实现。因此，通道不具有尖锐的边缘，从而使模制带有流控制表面的物体更容易。
底表面还可以沿流动方向凸起或凹入。当以通道的横截面看时，底表面可以为圆形或大致平坦。
通道还可设有布置在第一通道区域之前的入口和/或设有布置在第二通道区域之后的出口。因而，在入口的末端或第一通道区域的末端处，通道可显露于流控制表面，以及显露于第二通道区域的末端或出口的末端处。侧壁可大致平行于通道的入口和出口内的流动方向。通道还可具有小的不连续性，即通道或侧壁的高度可阶梯式地减小。
根据有利的实施例，第一子通道和第二子通道在交叉点以10至100度之间、或20至95度之间、或25至90度之间的角度彼此交叉。
优选，保持附着的流的多个装置布置在叶片的吸力侧。该装置，即涡流产生通道通常沿叶片的翼展方向或纵向方向而布置成阵列。用于保持附着的流的装置还可沿叶片的弦向方向或横向方向，即翼弦的方向进行级联。
在使用期间，风力涡轮机叶片安装到转子轮毂上。叶片通常被分为具有大致圆形轮廓并最靠近轮毂的根部区域、具有升力产生轮廓并离轮毂最远的翼型区域以及位于根部区域和翼型区域之间的过渡区域，过渡区域的轮廓沿径向方向从根部区域的圆形轮廓逐渐改变成翼型区域的升力产生轮廓。
用于保持附着的流的装置主要定位在叶片的异型部分，即翼型区域上，并可选地定位在叶片的过渡区域。
当从前缘看去时，用于保持附着的流的装置的弦向位置可位于翼弦的10％至80％之间。作为备选，它们定位于从前缘看时在翼弦的20％至70％之间延伸的区域中。总地说来，该装置用于延迟分离，其中，前方的位置，即靠近前缘的位置，用于延迟失速，后方的位置，即远离前缘的位置，用于提高效率。
根据风力涡轮机叶片的一个有利的实施例，通道的高度为弦长的0.1％至5％之间，或备选地为0.2％至3.5％之间，或备选地为0.5％至2％之间。这些高度有效地产生所需尺寸的涡流。所提及的通道高度优选位于产生涡流的位置，即紧接在第二通道区域的起点之后。通常，涡流优选与通道和/或边界层的高度相对应。
根据本发明的叶片的优选实施例，风力涡轮机叶片构造为一种纤维加强型聚合物的壳体部件。通过在阴模中形成突起，或者通过在风力涡轮机叶片的表面中模制可溶解的材料的条带，在模制之后溶解条带以形成涡流产生通道，从而在模制工艺的期间，可在风力涡轮机叶片的表面中形成通道。还可在模制之后通过例如研磨而在叶片的表面中形成通道。
根据第二方面，本发明还提供了一种风力涡轮机转子，其包括多个，优选两个或三个先前提及的风力涡轮机叶片。根据第三方面，提供了一种风力涡轮机，其包括这种风力涡轮机转子或多个这种风力涡轮机叶片。
边界层控制装置的各种实施例当然还可用于其它流控制部件，即具有流控制表面的流控制部件，其中，流控制部件设有边界层控制装置，该边界层控制装置用于保持流动介质的流附着到流控制部件的外表，所述流具有流动方向，其中，边界层控制装置包括：凹陷在流控制表面中的通道，所述通道具有：面向流动介质的流的第一末端、定位在来自第一末端的流动介质的流的下游的第二末端以及从第一末端延伸至第二末端的底表面，其中，通道在第一末端包括第一通道区域，该第一通道区域包括具有第一横截面积的第一子通道和具有第二横截面积的第二子通道，第一子通道和第二子通道在交叉点彼此交叉。
附图说明
以下，将参照附图，详细地解释本发明，其中：
图1显示了风力涡轮机，
图2是根据本发明的风力涡轮机叶片的示意图，
图3是边界层控制装置的第一实施例，
图4是边界层控制装置的第二实施例，
图5是边界层控制装置的第三实施例，
图6是边界层控制装置的第四实施例，
图7是边界层控制装置的第五实施例，
图8是通道的横截面图，该通道是边界层控制装置的一部分，
图9是通道的第二横截面图，该通道是边界层控制装置的一部分，
图10是边界层控制装置的第六实施例，以及
图11是边界层控制装置的第七实施例。
部件列表
在标号中，x是指具体的实施例。因而，例如402是指第四实施例的第一末端。
2风力涡轮机
4塔架
6外罩
8轮毂
10叶片
14叶尖
16叶根
18前缘
20后缘
30根部区域
32过渡区域
34翼型区域
40边界层控制装置
60、62唇缘
64第一底边缘
66第二底边缘
x00边界层控制装置
x02第一末端
x04第二末端
x06底表面
x08第一侧壁
x10第二侧壁
x12流控制表面
x18第一子通道
x20第二子通道
x22第一通道区域
x24第二通道区域
x32涡流组
x42入口
x44出口
具体实施方式
图1图示了根据所谓“丹麦概念(Danish concept)”的常规的现代风力涡轮机，其具有塔架4、外罩6以及转子，转子具有大致水平的转子轴。转子包括轮毂8和从轮毂8径向地延伸的三个叶片10，各叶片具有最靠近轮毂的叶根16和离轮毂8最远的叶尖14。
图2显示了根据本发明的风力涡轮机的一个实施例的示意图。风力涡轮机叶片10包括多个根据本发明的边界层控制装置40，该装置形成为凹陷在风力涡轮机叶片10的吸力侧的表面中的通道。
风力涡轮机叶片10具有常规的风力涡轮机叶片的形状，并包括最靠近轮毂的根部区域30、离轮毂最远的异型区域(profiled region)或翼型区域(airfoil region)34以及位于根部区域30和翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括前缘18和后缘20，当叶片安装在轮毂上时，前缘面向叶片10的旋转方向，后缘面向与前缘18相反的方向。
翼型区域34(也被称为异型区域)具有对于产生升力而言理想或几乎理想的叶片形状，而根部区域30具有大致圆形或椭圆的横截面，这减少了来自阵风的负荷，并使得将叶片10安装到轮毂上更容易且更安全。根部区域30的直径沿着整个根部区域30通常是恒定的。过渡区域32具有逐渐从根部区域30的圆形状改变成翼型区域34的翼型轮廓的形状。过渡区域32的宽度随着离轮毂的距离L增加而大致线性地增加。
翼型区域34具有翼型轮廓，该翼型轮廓具有在叶片10的前缘18和后缘20之间延伸的翼弦。翼弦的宽度随着离轮毂的距离L增加而减少。应该注意，叶片的不同段的翼弦不一定位于一个公共平面中，因为叶片可能扭转和/或弯曲(即，预弯曲)，因而为翼弦平面提供了相应地扭转和/或弯曲的路线，这是最通常的情况，从而补偿了取决于离轮毂的半径的叶片的局部速度。
边界层控制装置40沿叶片的翼展方向或纵向方向L而布置成阵列。在图中极大地放大了单个通道的尺寸，与风力涡轮机叶片相比，该尺寸通常小得多。因而，在风力涡轮机叶片10的纵向方向L上，风力涡轮机叶片可包括更大量的边界层控制装置40。
边界层控制装置40用于在边界层控制装置40的通道内产生湍流的涡流，涡流将从前缘18流过风力涡轮机叶片10的表面而到达后缘20的流动介质的边界层拉向风力涡轮机叶片的表面，从而防止边界层脱离风力涡轮机叶片10的外表。边界层控制装置40可沿叶片10的弦向方向(或等同于横向方向)进行级联，从而沿叶片10的弦向方向L连续地产生涡流。
边界层控制装置40可以为图3-11中所示的任何实施例或其组合。
图3显示了边界层控制装置100的第一实施例的示意图，该边界层控制装置用于保持流动介质的流附着到例如风力涡轮机叶片的流控制部件的外表，该边界层控制装置具有流控制表面112。边界层控制装置100包括凹陷在流控制表面112中的通道。通道沿具有图中的箭头所描绘的流动方向的自由流的方向延伸。通道包括面向自由流的第一末端102和定位在来自第一末端102的流动介质的流的下游的第二末端104。通道还包括从第一末端102延伸至第二末端104的底表面106。
通道包括位于通道的第一末端102处的第一通道区域122和位于通道的第二末端104处的第二通道区域124。第一通道区域122包括均适合于引导分离流的第一子通道118和第二子通道。第一子通道118和第二子通道以及因而分离引导的流在位于第一通道区域122和第二通道区域124之间的边界处的交叉点彼此交叉。因为两个分离的流在交叉点具有不同的速度方向，所以产生了涡流组132，其沿流动方向通过第二通道区域124而传播。
第二通道区域包括在流控制表面112和底表面106之间延伸的第一侧壁108以及在流控制表面112和底表面106之间延伸的第二侧壁110。第一侧壁108和第二侧壁110沿流动方向发散。因而，所产生的涡流组132可通过第二通道区域124而自由地传播。涡流组132将流动介质的边界层拉向流控制表面112，这确保了边界层在流的更下游分离或被完全防止。如果流控制部件是风力涡轮机叶片，那么这意味着可改善叶片的整个升力。
涡流的高度通常应对应于通道的高度，即底表面106和流控制表面112之间的距离，从而有效地激励边界层并保持流量附着到流控制部件的外表。
图4显示了边界层控制装置200的第二实施例。在图中，相似的标号表示与第一实施例相似的部件。因此，仅描述第一实施例和第二实施例之间的不同。第二实施例与第一实施例的不同之处在于，第一子通道218具有第一横截面积，并且第二子通道220具有第二横截面积，其中，第一横截面积不同于第二横截面积。这增强了交叉点处的两个来临的流之间的剪应力，从而更有效地产生涡流。
图5显示了边界层控制装置300的第三实施例，其中，相似的标号表示与第二实施例相似的部件。因此，仅描述第三实施例和第二实施例之间的不同。这个实施例与第二实施例的不同之处在于，第一子通道318延续到第二通道区域324中。这个子通道然后可与另一子通道交叉，以产生新的涡流组，从而进一步确保边界层在更下游分离。
图6显示了边界层控制装置400的第四实施例，其中，相似的标号表示与第二实施例相似的部件。因此，仅描述第四实施例和第二实施例之间的不同。这个实施例与第二实施例的不同之处在于，第一侧壁408和第二侧壁410大致平行于第二通道区域424中的自由流的流动方向。
图7显示了边界层控制装置500的第五实施例，其中，相似的标号表示与第二实施例相似的部件。因此，仅描述第五实施例和第二实施例之间的不同。这个实施例与第二实施例的不同之处在于，第一子通道518和第二子通道520的横截面积沿流动方向减小。因此，通过子通道的分离的流向着交叉点加速，从而产生更强的涡流。
在图3-7所示的实施例中，形成于侧壁和流控制表面之间的侧壁边缘被描绘成具有大约90度的角度。然而，侧壁边缘还可突出越过流控制表面，并在通道之上形成唇缘60、62，如图8中所示，这描绘了根据本发明的通道的横截面。此外，分别形成于第一侧壁和底表面之间以及第二侧壁和底表面之间的第一底边缘64和第二底边缘66可以为圆形。因而，通道不具有任何尖锐的边缘，从而使模制带有流控制表面的物体更容易。如图9所示，甚至还可使通道的底表面更圆化。
图10显示了边界层控制装置600的第六实施例，其中，相似的标号表示与第一实施例相似的部件。这个实施例与第一实施例的不同之处在于，第一子通道608和第二子通道610的侧壁的高度向着第一末端602而减小，从而在第一末端602处，子通道618、620显露于流控制表面612。此外，第一侧壁608和第二侧壁610的高度向着第二末端604而减小，从而在第二末端604处，通道显露于流控制表面612。
通道还可略微弯曲或弯折，使其彼此以小的攻角交叉，从而通过流脱离第一侧壁608和第二侧壁610而产生涡流。
图11显示了边界层控制装置700的第七实施例，其中，相似的标号表示与第一实施例相似的部件。这个实施例与第一实施例的不同之处在于，第一子通道718和第二子通道720设有入口742，该入口具有侧壁，该侧壁大致平行于自由流的流动方向，如箭头所示。在入口区域742中，侧壁的高度向着第一末端702而减小，从而在第一末端702处，子通道718、720的入口742显露于流控制表面712。此外，通道设有位于第二通道区域之后的出口区域742，其中，第一侧壁708和第二侧壁710大致平行于自由流的流动方向。在出口区域744中，侧壁的高度向着第二末端704而减小，从而在第二末端704处，通道显露于流控制表面712。
已经参照优选的实施例来描述了本发明。然而，本发明的范围并不限于所图示的实施例，在不偏离本发明的范围的情况下，可进行更改和修改。例如，相邻装置的第二通道区域可并入公共的通道区域中。

Claims (20)

1.一种具有纵向方向的风力涡轮机叶片(10)，具有根端(16)、尖端(14)以及在前缘(18)和后缘(20)之间沿横向方向延伸的翼弦，所述叶片(10)包括流控制表面，该流控制表面具有吸力侧和压力侧，其特征在于，多个边界层控制装置(40)形成在所述流控制表面中，其中，所述边界层控制装置(40)包括凹陷在所述流控制表面(112、212、312、412、512、612、712)中的通道，该通道具有面向所述前缘(18)的第一末端和面向所述叶片(10)的后缘(20)的第二末端，所述通道包括从所述第一末端(102、202、302、402、502、602、702)延伸至所述第二末端(104、204、304、404、504、604、704)的底表面(106、206、306、406、506)，并且，所述通道在所述第一末端(102、202、302、402、502、602、702)包括第一通道区域(122、222、322、422、522)，该第一通道区域包括具有第一横截面积的第一子通道(118、218、318、418、518、618、718)和具有第二横截面积的第二子通道(120、220、320、420、520、620、720)，所述第一子通道(118、218、318、418、518、618、718)和所述第二子通道(120、220、320、420、520、620、720)在交叉点彼此交叉。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述多个边界层控制装置(40)布置在所述叶片的吸力侧。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述通道在所述第二末端(104、204、304、404、504、604、704)包括第二通道区域(124、224、324、424、524)，该第二通道区域具有使得在所述交叉点产生的涡流能够沿横向方向通过所述第二通道区域(124、224、324、424、524)而传播的形状。
4.根据上述权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述第一子通道和所述第二子通道在所述交叉点以10至100度之间的角度彼此交叉。
5.根据上述权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述第二通道区域(124、224、324、424、524)包括在所述流控制表面(112、212、312、412、512、612、712)和所述底表面(106、206、306、406、506)之间延伸的第一侧壁(108、208、308、408、508、608、708)以及在所述流控制表面(112、212、312、412、512、612、712)和所述底表面(106、206、306、406、506)之间延伸的第二侧壁(110、210、310、410、510、610、710)，并且，所述第一侧壁(108、208、308、408、508、608、708)和所述第二侧壁(110、210、310、410、510、610、710)大致平行。
6.根据权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述第二通道区域(124、224、324、424、524)包括在所述流控制表面(112、212、312、412、512、612、712)和所述底表面(106、206、306、406、506)之间延伸的第一侧壁(108、208、308、408、508、608、708)以及在所述流控制表面(112、212、312、412、512、612、712)和所述底表面(106、206、306、406、506)之间延伸的第二侧壁(110、210、310、410、510、610、710)，并且，所述第一侧壁(108、208、308、408、508、608、708)和所述第二侧壁(110、210、310、410、510、610、710)向着所述叶片的后缘(18)而发散。
7.根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述第一侧壁(108、208、308、408、508、608、708)和所述第二侧壁分别连续地连接到所述第一子通道(118、218、318、418、518、618、718)的侧壁和所述第二子通道(120、220、320、420、520、620、720)的侧壁。
8.根据权利要求6所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述第一侧壁(108、208、308、408、508、608、708)和所述第二侧壁分别连续地连接到所述第一子通道(118、218、318、418、518、618、718)的侧壁和所述第二子通道(120、220、320、420、520、620、720)的侧壁。
9.根据上述权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述第一通道区域(122、222、322、422、522)和所述第二通道区域(124、224、324、424、524)被尖锐的边缘分开。
10.根据上述权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述第一横截面积与所述第二横截面积大致相同。
11.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述第一横截面积不同于所述第二横截面积。
12.根据上述权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述第二通道区域包括第一附加子通道和/或第二附加子通道。
13.根据上述权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述第一横截面积和/或所述第二横截面积向着所述叶片的后缘(18)而减小。
14.根据上述权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述通道的高度为所述在前缘和后缘之间沿横向方向延伸的翼弦的长度的0.1％至5％之间。
15.根据上述权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述叶片被分为：
根部区域(30)，具有最靠近所述根端的大致圆形或椭圆的轮廓；
翼型区域(34)，具有离所述根端最远且最靠近所述尖端的升力产生轮廓；以及
位于所述根部区域(30)和所述翼型区域(34)之间的过渡区域(32)，所述过渡区域(32)的轮廓沿径向方向从所述根部区域的圆形或椭圆的轮廓逐渐改变成所述翼型区域的升力产生轮廓。
16.根据权利要求15所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述多个边界层控制装置(40)仅设在所述翼型区域(34)中。
17.根据权利要求15所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述多个边界层控制装置(40)设在所述翼型区域(34)和所述过渡区域(32)中。
18.一种风力涡轮机转子，包括多个根据上述权利要求1-17中任一权利要求所述的风力涡轮机叶片。
19.根据权利要求18所述的风力涡轮机转子，其特征在于，所述风力涡轮机转子包括两个或三个根据上述权利要求1-17中任一权利要求所述的风力涡轮机叶片。
20.一种风力涡轮机，包括多个根据权利要求1-17所述的叶片或根据权利要求18或19所述的风力涡轮机转子。
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