CN101900077B - 用于风力涡轮机叶片的边界层翅片 - Google Patents

用于风力涡轮机叶片的边界层翅片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于风力涡轮机叶片的边界层翅片。具体而言,一种风力涡轮机叶片包括多个边界层翅片,这些翅片大致平行于叶片上的流动方向对准,以便减小边界层与叶片的分离。

Description

用于风力涡轮机叶片的边界层翅片
技术领域
本文所述的主题主要涉及风力涡轮机叶片,并且更具体地涉及用于风力涡轮机叶片的边界层翅片(fin)。
背景技术
风力涡轮机是一种用于将风中的动能转变成机械能的机器。如果机械能由机械直接使用,如用来抽水或磨麦,则风力涡轮机可称为风车。类似的是,如果机械能转变成电力,则机器还可称为风力发电机或风力发电设备。
风力涡轮机通常根据叶片旋转所围绕的垂直轴线或水平轴线来分类。一种所谓的水平轴式风力发电机在图1中示意性地示出,且可从通用电气公司获得。用于风力涡轮机2的该特定构造包括支承机舱6的塔架4,该机舱6包含传动系8。叶片10布置在″自旋体(spinner)″或桨毂9上,以便在传动系8的一端于机舱6外形成″转子″。旋转叶片10驱动齿轮箱12,该齿轮箱12在传动系8的另一端处连接到发电机14上,传动系8连同控制系统16一起布置在机舱6内,该控制系统16可接收来自于风速计18的输入。
当叶片10在″转子平面″内自旋时,该叶片产生升力且从流动空气中俘获随后给予转子的动量。各叶片10通常均在其″根部″端处固定到桨毂9上,且然后沿径向″向外侧″″翼展″至自由的″末梢″端。叶片10的前部或″前缘″连接首先接触空气的叶片最前点。叶片10的后部或″后缘″为已由前缘所分离的空气流在经过叶片的吸入表面和压力表面之后重新结合的部位。″弦线″连接叶片前缘和后缘中心。弦线的长度简称为″翼弦″。叶片10的厚度可在沿翼展变化,而用语″厚度″通常用于描述任何特定弦线在叶片相对侧上的低压吸入表面与高压表面之间的最大距离。
″边界层″为减速空气区,其紧邻运动叶片10的表面。边界层的厚度通常限定为距叶片在其处流动速度为″自由流″速度的99%的距离,在该处,空气不受叶片粘滞力或摩擦力的影响,但感觉到势流超过边界层。当边界层传送得过远而足以克服相反的压力梯度时,就会出现″流动分离″,流动速度下降至几乎为零。流体流然后因流过叶片10而变得分离,且作为替代而形成涡旋和涡流。
这种边界层分离可增大叶片10上的阻力(drag),尤其是″压力阻力″,这是在物体穿过流体时由物体前表面与后表面之间的压差造成的。边界层分离还可导致失速和涡流泄出,这可造成噪音和叶片10中的结构振动。为此,在空气动力表面的设计中已经进行了很多努力和研究,这些空气动力表面延迟流动分离和保持局部流尽可能久地附着在叶片10上。例如,国际专利公布No.WO 2007/140771和欧洲专利申请No.EP 1944505公开了具有涡流发生器的风力涡轮机叶片。然而,这种涡流发生器或会减少以其它方式可从风中俘获的能量。
发明内容
与这些常规方式相关的这些和其它方面在此通过在多种实施例中提供风力涡轮机叶片而予以解决,该风力涡轮机叶片包括多个边界层翅片,这些边界层翅片大致平行于叶片上的流动方向对准,以便减小边界层与叶片的分离。
附图说明
现在将参照以下附图(图)来描述该技术的各个方面,附图不必按比例绘制,但使用了相同的参考标号来表示全部各个视图中的对应零件。
图1为常规风力涡轮机的示意性侧视图。
图2为风力涡轮机叶片的顶视图。
图3为沿图2中的截面线III-III所截取的截面视图。
图4为图3中所示的边界层翅片的放大侧视图。
图5为图2中所示的风力涡轮机叶片表面的放大局部正视图。
图6为结合图2中所示的风力涡轮机叶片使用的边界层翅片的放大局部正视图。
图7为结合图2中所示的风力涡轮机叶片使用的边界层翅片的侧视图。
图8为结合图2中所示的风力涡轮机叶片使用的另一边界层翅片的侧视图。
图9为压力系数相对于叶片截面无因次翼弦的曲线图。
图10为正交于叶片表面的边界层轮廓位置相对于速度的曲线图。
图11为正交于叶片表面的位置相对于紊流动能的曲线图。
具体实施方式
图2为结合图1中所示的风力涡轮机2或任何其它风力涡轮机使用的具有多个边界层翅片22的风力涡轮机叶片20的一个实施例的顶视图。例如,叶片20可替换叶片10中的任何一个,或叶片10可更改成包括叶片20的一些或所有特征。各所示边界层翅片22均沿翼弦方向延伸,大致平行于叶片压力侧上的流动方向,以便减小边界层与叶片的分离。然而,一些边界层翅片22还可布置成相对于叶片上和/或叶片的相对压力侧上的流动成一定角度。
边界层翅片22的各个方面可关于风力涡轮机叶片的一定特征进行安置,这些特征包括叶片的翼展(跨距)长度、边界层翅片布置于其上的对应翼弦,和/或边界层翅片布置位置上的局部边界层厚度。优选的是,局部边界层厚度在叶片20或对应的风力涡轮机4在没有边界层翅片22的情况下且以其″额定转速(rmp)″工作时来计算,其中,″额定转速″在叶片20于其根部端固定的情况下通常为每分钟大约十五至二十圈。对于典型叶片20而言,正如可从通用电气公司获得的大约48.7米长的叶片,在叶片20以额定转速工作的情况下所计算出的局部边界层厚度将在叶片上沿翼弦方向和翼展方向从大约1毫米变化至大约202毫米。在距该叶片20吸入侧前缘的60%翼弦处,边界层厚度通常在大约6毫米至52毫米之间。在与翼展吸入侧外部33%大致相同的翼弦位置处,边界层厚度范围可从大约6毫米变化至大约16毫米。
边界层翅片22可沿叶片20的整个翼展布置,或仅布置在翼展的一部分上,如预计将出现边界层分离的位置。例如,边界层翅片22可布置在叶片22翼展的外部10%至100%上,翼展的外部25%至95%上,或翼展的外部50%至90%上。一个或多个边界层翅片22或成对的边界层翅片还可提供在沿叶片22翼展的分立位置处,在此位置,边界层分离有问题或可能变得有问题。
这里所示的边界层翅片22沿布置了对应边界层翅片的翼弦延伸。如图3中所示,边界层翅片22的前缘可从叶片20的前缘和后缘移位。例如,边界层翅片22的前缘可从叶片20前缘移位翼弦的10%至95%之间,移位翼弦的15%至90%之间,或移位布置了边界层翅片的对应翼弦的50%至90%之间。各边界层翅片22或成对的边界层翅片22的前缘和/或后缘不必彼此对准,且边界层翅片22还可具有不同或相同的长度。例如,成对的和/或其它成组的边界层翅片22可具有或不具有相对于叶片20的前缘和后缘大致相同的位置。
转到图4,边界层翅片22的高度″H″、长度″L″和/或顶面曲率半径″R″沿叶片20的翼展可为变化的。例如,高度″H″可为对应边界层翅片22处的局部边界层厚度的大约25%至100%之间,或50%至75%之间。长度″L″可为高度″H″的2至40倍,或为局部边界层厚度的大致2至10倍,或为局部边界厚度的大约1至4倍。
曲率半径″R″可大致恒定,或在长度″L″上变化。在各种实施例中,曲率半径可为高度″H″的大约2至60倍,或为局部边界层厚度的大约2至15倍。例如,曲率半径可从大约20毫米变化到300毫米,或从大约40毫米变化到大约150毫米,或从大约60毫米变化到100毫米。图7和图8示出了一些或所有边界层翅片22的顶面的各种其它的可能构造。
转到图5,示出了两对边界层翅片22,该边界层翅片22的厚度″t″可为对应边界层翅片22高度″H″的大约10%至100%,或大约25%至75%。作为备选,如图6中所示,一些或所有边界层翅片22的厚度可显著更大,以便在一些或所有叶片20上形成沿翼展方向的突出部(bump)。成对或更大组合的两个边界层翅片之间的距离″d″可为高度″H″的大约2至32倍,或4至16倍,或为局部边界层厚度的大约2至8倍。类似的是,成对或其它组合的边界层翅片之间的距离″D″还可为高度″H″的大约2至32倍,或4至16倍,或局部边界层厚度的大约2至8倍。作为备选,如图6中所示,独立的边界层翅片22和/或成组的边界层翅片22之间的距离可大致为零。
图9至图11示出了上文所述的叶片的一部分在具有和没有以九度冲角工作的在图5中示为22的边界层翅片的情况下的流动模拟比较结果。边界层翅片22的前缘布置在距叶片22前缘的60%的翼弦处,高度″H″为局部边界层厚度的50%,长度″L″为局部边界层厚度的五倍,顶面曲率半径″R″为60毫米,成对的两个边界层翅片之间的距离″d″为9.33毫米,以及两对边界层翅片之间的距离″D″为16.56毫米。
图9示出了压力系数″Cp″相对于无因次翼弦″x/c″,其中,曲线30针相对于没有边界层翅片的基准情况,而曲线40针对以上段落中描述的边界层翅片22。图9示出了叶片20后缘附近的外侧区域50中的边界层翅片所提供的改善的压力恢复。图9还示出了叶片20前缘区域52中的增加负载。
图10示出了正交于叶片吸入表面单位为米的距离″N″相对于单位为米每秒的局部流动速度″V″,其中,曲线30针对没有边界层翅片的基准情况,而曲线40针对上文所述的边界层翅片22。图10示出了距叶片20吸入表面大约0.02至0.06米的区域54中减小的边界层厚度。图11示出了正交于叶片吸入表面单位为米的距离″N″相对于单位为平方米每秒的平方(m2/s2)的局部紊流动能″TKE″,其中,曲线30针对没有边界层翅片的基准情况,而曲线40针对上文所述的边界层翅片22。图11示出了距叶片20吸入表面大约0.01至0.03米的区域56中减小的紊流动能。涡旋消散程度同样地下降。
这里公开的技术提供了优于常规方式的各种优点。例如,增加边界层翅片22导致边界层厚度减小和边界层分离最低限度地减少。随着紊流动能和紊流涡旋消散程度的降低,克服了相反的压力梯度。由于引入流入边界层区域中的自由流为流动赋能且因此减小边界层厚度,故并未显著改变空气动力性能。层流区域的显著增大导致了升力的增大和阻力的减小。还存在边界层厚度和紊流动能的显著减小,这会降低因其它较弱的边界层分离而造成的噪音。
应当强调的是,上述实施例且尤其是任何″优选″实施例,仅为在此已阐述的各种实施方式的实例,用以提供对本技术的各个方面的清楚理解。本领域的普通技术人员将能够在基本上不脱离仅由所附权利要求的适合构造所限定的保护范围的情况下改变这些实施例中的一些。

Claims (18)

1.一种风力涡轮机叶片,包括:
多个边界层翅片,所述边界层翅片大致平行于所述叶片上的流动方向对准,以便减小边界层与所述叶片的分离;
各所述边界层翅片所具有的高度处在对应边界层翅片处的局部边界层厚度的大约25%至100%之间;以及
各所述边界层翅片所具有的长度处在对应边界层翅片高度的局部边界层厚度的大约2至10倍之间。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片,其特征在于,各所述边界层翅片所具有的高度处在对应边界层翅片处的局部边界层厚度的大约50%至75%之间。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片,其特征在于,各所述边界层翅片的顶面所具有的曲率半径处在对应边界层翅片处的局部边界层厚度的大约2至15倍之间。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片,其特征在于,各所述边界层翅片的顶面所具有的曲率半径处在对应边界层翅片高度的大约2至60倍之间。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片,其特征在于,各所述边界层翅片的顶面所具有的曲率半径处在大约40毫米至150毫米之间。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片,其特征在于,各所述边界层翅片所具有的长度处在对应边界层翅片高度的大约2至40倍之间。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片,其特征在于,各所述边界层翅片所具有的厚度处在对应边界层翅片高度的大约10%至100%之间。
8.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片,其特征在于,所述边界层翅片布置成多对,以及其中
成对的各个边界层翅片均以处在对应成对的边界层翅片处的局部边界层厚度的大约2至8倍之间的第一距离分离;以及
各对边界层翅片均以处在对应成对的边界层翅片之间的局部边界层厚度的大约2至8倍之间的第二距离分离。
9.一种用于风力涡轮机的叶片,包括:
多个边界层翅片,各翅片均大致沿翼弦方向在所述叶片的吸入表面上对准,以便减小边界层与所述叶片的分离;
各所述边界层翅片均布置在所述叶片的翼展的外部50%至90%之间;
各所述边界层翅片的前缘均布置在距所述叶片的前缘为对应翼弦的大约15%至90%之间;以及
各所述边界层翅片的顶面所具有的曲率半径均处在对应边界层翅片高度的大约2至60倍之间。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机叶片,其特征在于,各所述边界层翅片的前缘均布置在距所述叶片的前缘为对应翼弦的50%至90%之间。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片,其特征在于,各边界层翅片的长度均处在对应边界层翅片高度的大约2至40倍之间。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机叶片,其特征在于,各所述边界层翅片的顶面所具有的曲率半径均处在对应边界层翅片高度的大约2至60倍之间。
13.根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片,其特征在于,各所述边界层翅片的厚度均处在对应边界层翅片高度的大约10%至100%之间。
14.根据权利要求12所述的风力涡轮机叶片,其特征在于,各所述边界层翅片的厚度均处在对应边界层翅片高度的大约10%至100%之间。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮机叶片,其特征在于,所述边界层翅片布置成多对,以及其中
成对的各个边界层翅片均以处在对应成对的边界层翅片的高度的大约2至32倍之间的第一距离分离;以及
各对边界层翅片均以处在对应成对的边界层翅片的高度的大约2至32倍之间的第二距离分离。
16.根据权利要求9所述的风力涡轮机叶片,其特征在于,所述曲率半径处在大约40毫米至150毫米之间。
17.根据权利要求15所述的风力涡轮机叶片,其特征在于,所述曲率半径处在大约40毫米至150毫米之间。
18.一种风力涡轮机叶片,包括:
多个边界层翅片,所述边界层翅片大致平行于所述叶片上的流动方向对准,以便减小边界层与所述叶片的分离;
各所述边界层翅片所具有的高度处在对应边界层翅片处的局部边界层厚度的大约25%至100%之间;
各所述边界层翅片的顶面所具有的曲率半径处在对应边界层翅片处的局部边界层厚度的大约2至15倍之间;
各所述边界层翅片所具有的长度处在对应边界层翅片高度的大约2至40倍之间;以及
其中,所述边界层翅片布置成多对,成对的各个边界层翅片均以处在对应成对的边界层翅片处的局部边界层厚度的大约2至8倍之间的第一距离分离;以及各对边界层翅片均以处在对应成对的边界层翅片之间的局部边界层厚度的大约2至8倍之间的第二距离分离。
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