CN102187092A - 带低进气顶端的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

风力涡轮机包括转子叶片，该风力涡轮机的特征在于：sol(r1/r2)(其为在径向位置r1处的实度和在径向位置r2处的实度的比率)在图表中详细说明的r1/r2组合中的一个处大于图表中相关值中的任何一个。sol(0.3R/0.5R)、sol(0.5R/0.7R)、sol(0.7R/0.9R)优选地为1.45、1.5、1.5，更优选地为1.5、1.6、1.65，最优选地为1.6、1.7、1.8。根据本发明的转子减小载荷，例如尤其是叶片根部弯曲力矩、倾斜力矩和偏向力矩。此外，它们增加了风场的效率且减小了风场的载荷。当场中处于上风侧的涡轮机以比处于下方侧的涡轮机低的顶端速度比率工作时，风场效能变得更有益处。根据本发明的具体的实施方案，转子叶片装备有升力提升装置。
Figure DPA00001348797500011

Description

带低进气顶端的风力涡轮机
本发明涉及弦长沿水平轴风力涡轮机的转子叶片的跨度的分布。
风力涡轮机的现有技术的叶片具有产生增加风能成本的高载荷的缺点。尤其是在叶片根部处的弯曲力矩是高的。这些载荷增加了叶片根部区域、毂、变浆轴承(pitch bearing)等的成本。当相同的转子的叶片的根部弯曲力矩不相等时，高的偏向力矩和倾斜力矩将被施加到毂、发动机舱、塔和底座上。叶片的高载荷的另一个缺点是涡轮机将在尾流(wake)中产生大的风速亏空。在风场(wind farm)中，定位在这种尾流中的涡轮机经历高载荷，尤其是在局部尾流操作的情况下。此外，在风场中的高的风速亏空的产生将减少总风场的效率，根据参照在“Flow Separation on Wind Turbine Blades”，ISBN 90-393-2582-0或US 7357 622 B2中的节2.1.2的概念Heat & Flux(热&流量)。所有提及的载荷在大约涡轮机的额定风速时是特别高的，该额定风速是涡轮机可产生其最大功率的最小风速。现有叶片的另一个缺点是必须采取措施以避免由于极端的强风导致的顶端(tip)撞击塔。该措施是预先弯曲的叶片的使用、附加的玻璃纤维的使用，通过较硬类型的玻璃纤维或通过碳纤维来增加翼面(airfoil)的厚度或替换玻璃纤维。
此外，现有技术的叶片在极端情况下也经历高载荷。例如，在极端的强风期间涡轮机停止时，从叶片一直到基座的载荷可为非常高的且将增加涡轮机的成本。
在大约额定风的情况下，用来减轻载荷的已知的方法称为高峰调节。此处叶片对于导向叶片(vane)倾斜一定角度，以使由叶片产生的升力被减少。这个方法的确减少了一些载荷，但是不能确定的是：当在强风中风向改变时或当控制系统失效且叶片倾斜于错误的方向时，叶片仍可形成高的升力。许多有效方法存在以减轻载荷，例如改变翼面的形状或使用有效致动器以控制翼面的空气动力学。但是，那些方法增加了维修的频率且因此增加了成本。且即使当有效控制在99.9％的时间中成功地减小了载荷，控制错误的非常极少的情况也可能导致最高载荷的增加。风力涡轮机的设计者必须考虑此类情况。高峰调节和所述有效方法当涡轮机停止时对于极端载荷的状况都没有影响或有少量影响。减小载荷的另一种已知方法是优化转子至轴向进气低于由Lanchester在1915年推导的a＝1/3的最优值，且通常称为贝兹极限(Betz limit)。
本发明的目的是克服上述缺点。一些定义被引入。实度(solidity)是局部半径r的函数且被定义为Nc/(2ΠR)。此处R是指转子半径且Nc是指全部叶片在径向位置r处的总弦长。风力涡轮机可具有不同长度的叶片或可具有在给定的径向位置处具有多个翼面的叶片。在所有情况下，Nc等于全部翼面在径向位置r处的弦长的和。在径向位置r的弦长c被定义成在围绕位置r的宽度c的范围中的最小弦长值。当翼面装备有柔性尾部边缘时，则在功率产生情况期间可弯曲超过1％c的部分不应被包括在弦长c中。实度在第一径向位置r1和第二径向位置r2的比值被表达成sol(r1/r2)。术语快速运转器型(fast runner type)是指把本发明用于总实度小于0.1的现代风力涡轮机。总实度被定义成全部转子叶片的投影面积的总和除以扫过的转子面积。
本发明的目的由快速运转器型的大于10m直径的风力涡轮机转子来实现，该风力涡轮机的转子具有的sol(r1/r2)大于在下文图表中标出的数字。
  sol(0.3R/0.5R)   sol(0.5R/0.7R)   sol(0.7R/0.9R)
  优选地   1.45   1.5   1.5
  更优选地   1.5   1.6   1.65
  最优选地   1.6   1.7   1.8
根据上述sol(r1/r2)标准中的任何一个成形的叶片具有下列优势：在大约额定风速的顶端的速度比率处，由带该叶片的转子引起的轴向进气(axial induction)在转子中心中接近0.3且在较大的径向位置处显著地较低。所以，中心被操作成接近最佳而外部部分进一步远离该最佳。这减小了在叶片顶端上的载荷且因此减小叶片根部的弯曲力矩同时减小倾斜力矩和偏向力矩等。叶片顶端载荷具有比叶片根部载荷更高的成本影响，因为两个原因：第一，力的力臂更大，且第二，升力的方向不太成切向的。只有切向的分量是所收获的。在例如低于额定风速下所使用的较高的顶端速度比率(tip speed ratio)的情况下，整个转子可被操作成接近Lanchester-Betz最佳值。本发明的实施方案的另外的益处是上述物理学意味着在较低风速时功率系数相对地高，以便在较低风速时产生较大的能量分数。这是有益的，因为能量的值随减小的风而增加，尤其是有很多风能产生的区域。另一个优势是顶端被操作成接近它们的最大升力以使可能的阵风或控制错误不过多地增加载荷。这给根据本发明的叶片提供被动过载保护(passive overload protection)。在叶片的外部部分上的减小的载荷的另一个优势是其帮助保持顶端远离塔。另外的益处是常规的转子可由根据本发明的带较大直径的转子替换。新的转子将在同样的载荷水平下具有更高的输出。
在根部端处，传统的叶片主要是对于结构进行优化且很少涉及空气动力学。因此常规的风力涡轮机的中心在转子盘中是“漏洞”：空气将从高压上风侧经过转子中心流到低压下风侧。这种派生的流动(parasitic flow)导致功率损耗。当sol(0.1R/0.3R)大于1.0且尤其是大于1.2且更具体的大于1.4时，在0.1R处可得到足够的弦长以用于空气动力学上闭合转子中心。对于根据本发明的具体的实施方案，进气在转子中心中相对地高且因此与常规的转子的情况相比闭合中心会增加更多的输出。此外，闭合漏洞意味着在转子中心中产生更多的功率，该功率是提供最小的弯曲力矩的功率。
当4个不同的sol(r1/r2)比率大于标出的值时获得另外的益处：
sol(0.3R/0.5R)：1.45；1.5；1.6，
sol(0.5R/0.7R)：1.5；1.6；1.7，
sol(0.7R/0.9R)：1.5；1.65；1.8，
sol(0.3R/0.9R)：2.0；2.5；3.0。
当弦长作为径向位置的函数是在0.3R和0.99R之间的径向范围的至少80％中单调减少时，获得另外的优势。
根据本发明的一个实施方案，转子装备有升力提升装置(lift enhancing means)。当该升力提升装置被应用至大于0.5R且更具体地大于0.7R并优选地大于0.9R的径向位置处时，获得另外的优势。升力提升装置改变成平滑翼面轮廓，该平滑翼面轮廓增加了最大升力系数且作为单独的元件被附接到翼面或与翼面整体地附接。升力提升装置的示例是涡流产生器、格尼襟翼(gurney flap)、空气喷射、边界层吸入、微电子机械设备、或带凸起(bulting)或拱形圆顶或副翼的翼面表面。升力提升装置可被动地应用或可用主动的方法使用，被控制成作为计算的或测量的参量的函数。
假设局部升力系数cl＝0.9且具体的cl＝1.0且更具体的cl＝1.3且优选地cl＝1.5，当在0.5R和0.9R之间的范围中的局部弦长(local chord)小于从等式C＝M所得出的时，获得另外的优势。此处C＝Nrcrclλ/(2ПR2)是无量纲的弦长数量(chord number)且M＝-1.19+9.74Cp-21.01Cp 2+17.5Cp 3是根据Cp推导的无量纲的动量损失的估计值，Cp是涡轮机的电功率系数。对于M的公式可用在Cp在1/3和16/27之间的情况中。
当转子叶片在小于额定风速的80％的情况下工作时，如果转子的顶端速度比率(tip speed ratio)(定义为λ＝ωR/V，其中，ω为转子的角速度且V为风速)比在额定风速下的顶端速度比率高出至少10％，具体的至少20％且更具体的至少30％，则获得另外的优势。更具体的，风力涡轮机以恒定的转子速度工作，以使顶端速度比率自动地随减小的风速而增加。恒定转子速度涡轮机被定义成具有产生器(generator)和电网之间的连接的涡轮机，其中，能量不通过交流-直流-交流电压链传递。在小于额定风的80％的风速的情况下，载荷相对低且不引起高成本。通过增加顶端速度比率，整个转子可操作成接近Lanchester-Betz极限以便获取最大的功率。
另一个优势对于风场的效率是有效的。如果场中的涡轮机的尾流阻碍下风涡轮机，则所述涡轮机可以以与其尾流不受阻碍的涡轮机相比较低的顶端速度相对于风速的曲线来工作。因此，场的效率增加且涡轮机载荷被减少。涡轮机的顶端速度比率由将顶端速度比率λ设置成风速V的函数的函数或算法λ(V)暗中地或明确地控制。如果在场中的上风涡轮机(upwind turbine)由λup(V)控制且下风涡轮机(downwind turbine)由λdown(V)控制，则对于一些V，λup(V)≤λdown(V)/f，其中，f为1.05且具体的为1.1且更具体的为1.15。
本发明的上述实施方案用于改善输出和载荷之间的比率的目的。这个目的随着增加的涡轮机的大小而具有增加的重要性。对于小涡轮机，用来加强结构的附加的材料具有与设计和维修成本相比相对低的成本影响。但是对于大涡轮机，与载荷减轻相关联的材料节省是高的。因此，当本发明被应用到直径大于80m，具体的大于100m且更具体的大于120m的涡轮机时，获得另外的优势。对于小于10m直径的涡轮机，载荷减少具有很小的重要性且这种涡轮机不在场中使用。因此，小于10m直径的涡轮机被从本发明排除。
当根据本发明的风力涡轮机包括叶片，该叶片在大于0.8R的径向位置处带一翼面，当任何升力提升装置被移除时，且在基于弦长的雷诺数为1.5百万的二维环境(2-dimensional condition)下，该翼面的最大升力系数大于1.4且具体的大于1.5且更具体的大于1.6且优选地大于1.7时，获得另外的益处。
且最后当根据本发明的风力涡轮机包括叶片，该叶片在大于0.6R的径向位置处带一翼面，在包括升力提升装置且在基于弦长的雷诺数为1.5百万的二维环境下，所述翼面的最大升力系数大于1.6且具体的大于1.7且更具体的大于1.8且优选地大于1.9时，获得另外的益处。
以下附图显示了本发明的优选的实施方案。
图1风力涡轮机；
图2风力涡轮机叶片；
图3进气分布。
图1显示了带塔2、发动机舱3、毂4和带有叶片根部5的叶片6的风力涡轮机1。涡轮机的半径为R。弦长相对于径向位置的分布是根据本发明的。图2显示了带叶片根部5的叶片6的吸入侧。叶片分别在0.3R、0.5R、0.7R和0.9R处具有局部弦长10、11、12和13(0.1R在图中没有清晰示出)。叶片具有以涡流产生器14为形式的升力提升装置，该涡流产生器14用较大的规模和为了清晰的原因用较少的数字显示。在图中，弦长10除以弦长11等于sol(0.3R/0.5R)且为1.5。图3显示了在额定风速11m/s(曲线“发明的额定”)的情况下和在8m/s的风(曲线发明的8m/s)的情况下，用于根据本发明的转子的轴向进气相对于径向位置的示例。可见，在额定情况下，转子的外部部分更远离a＝1/3，而内部部分仍然接近于a＝1/3。对于现有技术的设计的关系由曲线“额定”和“8m/s”示出。在这种额定的情况下，转子的外部部分处的进气更接近于a＝1/3。因此，现有技术的转子将具有较高的功率系数Cp，但是经受较高的载荷。根据本发明的转子可被制成较大的以使其在较少的载荷的情况下获得甚至更多的能量。在y轴上的精确的进气值并不相关且可为更高或更低的。相关性是曲线中的各个趋势，其阐释了本发明背后的原理。
对于本领域技术人员将明显的是附图和描述仅是本发明的示例且由所附权利要求覆盖的许多改变是可能的。

Claims (14)

1.快速运转器型风力涡轮机，包括直径大于10m的转子，其中，sol(r1/r2)为所述转子在径向位置r1处的实度和在径向位置r2处的实度的比率，其特征在于：在图表中详细说明的r1/r2组合中的任何一个处，所述实度比率大于图表内相关值中的任何一个。
Figure FPA00001348797700011
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于：sol(0.1R/0.3R)大于1.0且具体地大于1.2且更具体地大于1.4。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其特征在于：sol(0.3R/0.5R)大于1.45且具体地大于1.5且更具体地大于1.6。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其特征在于：sol(0.5R/0.7R)大于1.5且具体地大于1.6且更具体地大于1.7。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其特征在于：sol(0.7R/0.9R)大于1.5且具体地大于1.65且更具体地大于1.8。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其特征在于：sol(0.5R/0.9R)大于2.0且具体地大于2.5且更具体地大于3.0。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，包括转子叶片，其中，作为半径的函数的弦长在从0.3R到0.99R的径向范围的至少80％中单调减少。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，包括转子叶片，所述转子叶片装备有升力提升装置，其中，所述装置被具体地定位在大于0.5R的径向位置处，且更具体地在大于0.7R的径向位置处，且优选地在大于0.9R的径向位置处。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中，在功率系数Cp在1/3和16/27之间，M＝-1.19+9.74Cp-21.01Cp 2+17.50Cp 3且弦长数量C＝Nrcrclλ/(2ПR2)，在0.5R和0.9R之间的径向范围中的情况下，局部弦长小于从等式C＝M所得的局部弦长，假设升力系数cl＝0.9且具体地cl＝1.0且更具体地cl＝1.1且更具体地升力系数优选地为大约1.3。
10.风力涡轮机的组，包括：根据前述权利要求中的任一项的第一风力涡轮机和第二风力涡轮机，其中，所述第一涡轮机在所述第二涡轮机的上风位置且以遵循函数λup(V)的顶端速度比率工作，且所述第二涡轮机以遵循函数λdown(V)的顶端速度比率工作，其中，λup(V)≤λdown(V)/f，f＝1.05且具体地f＝1.1且更具体地f＝1.15。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，在额定风速的60％-90％的风速范围内，所述风力涡轮机具有至少20％的顶端速度比率的增加，且更具体地所述风力涡轮机的所述顶端速度比率随风速线性地增加。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述直径大于80m且具体地大于100m且优选地大于120m。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，包括叶片，所述叶片在大于0.8R的径向位置处带有翼面，其中，当任何升力提升装置被移除时，所述翼面的最大升力系数，在雷诺数为1.5百万的二维环境下，大于1.4且具体地大于1.5且更具体地大于1.6且优选地大于1.7。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，包括叶片，所述叶片在大于0.8R的径向位置处带有翼面，其中，在包括如果存在的升力提升装置的应用的情况下，所述翼面的最大升力系数，在雷诺数为1.5百万的二维环境下，大于1.6且具体地大于1.7且更具体地大于1.8且优选地大于1.9。
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