CN102691631A

CN102691631A - 用于增加由风力涡轮机进行的能量捕获的系统和方法

Info

Publication number: CN102691631A
Application number: CN2012100896265A
Authority: CN
Inventors: J·罗加纳桑; S·迪; A·古普塔
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2012-09-26
Also published as: US20110268576A1; EP2503143A2; EP2503143A3

Abstract

本发明涉及一种用于增加由风力涡轮机进行的能量捕获的系统和方法。本发明涉及一种叶片。所述叶片包括近端和远端，以及在所述近端和所述远端之间延伸的明显拱部，其中所述明显拱部邻近后缘并且位于所述叶片的吸力侧，并且在某个位置的所述明显拱部的幅度在所述位置处的所述叶片的横截面的弦的长度的大约0.7％至大约1.4％之间变化。

Description

用于增加由风力涡轮机进行的能量捕获的系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及风力涡轮机的领域，并且更具体地涉及包括明显拱部的风力涡轮机叶片。

背景技术

风力涡轮机在可再生发电源的领域中变得越来越重要。近来，除了常规发电方法以外，风力涡轮机技术已应用于大规模发电应用。因此，在变化的风力条件下最小化风力涡轮机的负荷的同时最大化性能至关重要。典型地，风力涡轮机的性能由于风力涡轮机的运行条件的变化而减小。运行条件典型地包括环境条件，例如风向、风速、迎角等。例如，风向的变化可能改变叶片的迎角，这可能改变叶片的性能。然而，这样的环境条件可能超出人的控制。所以，已试图检测运行条件并且相应地控制风力涡轮机以在不利状况下增加风力涡轮机的性能。为了增加风力涡轮机的性能，也已试图设计可以经受运行条件的变化的最佳翼型。

最佳翼型可以基于风力涡轮机的运行条件和若干参数之间的各种关系进行设计。所述参数例如包括操作迎角和翼型性质，即，升力系数、曳力系数、失速角等。例如，图1显示了具有吸力侧的示例性一般翼型。如图1中所示，风流在分离点从翼型的吸力侧过早地分离。风的过早分离形成大分离区域，并且由于曳力系数的增加而增加作用于翼型的曳力。因此，可能减小具有带这样的翼型的叶片的风力涡轮机的性能。

考虑到以上情况，有益的并且有利的是提供一种系统，所述系统包括具有最佳设计或轮廓的叶片。特别地，将有益的是提供具有最佳设计或轮廓的翼型以在更宽的操作裕度上增加系统的性能。

发明内容

简而言之，根据本发明的一方面，提出了一种叶片。该叶片包括近端和远端，以及在近端和远端之间延伸的明显拱部，其中该明显拱部邻近后缘并且位于叶片的吸力侧，并且在某个位置的明显拱部的幅度在所述位置处的叶片的横截面的弦的长度的大约0.7％至大约1.4％之间变化。

根据另一个方面，提出了一种系统。该系统包括多个叶片，其中多个叶片的每一个包括多个翼型，多个翼型的每一个包括明显拱部，其中该明显拱部位于吸力侧并且邻近多个翼型的每一个的后缘，并且明显拱部包括在多个翼型的每一个的弦的长度的大约0.7％至大约1.4％之间变化的幅度。

根据本发明的又一个方面，提出了一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括多个叶片，其中多个叶片的每一个包括多个翼型，多个翼型的每一个包括明显拱部，其中该明显拱部位于吸力侧并且邻近多个翼型的每一个的后缘，并且明显拱部包括在多个翼型的每一个的弦的长度的大约0.7％至大约1.4％之间变化的幅度。

根据本发明的又一个方面，提出了一种水平轴线风力涡轮机。该水平轴线风力涡轮机包括多个叶片，其中多个叶片的每一个包括多个翼型，多个翼型的每一个包括一部分明显拱部，其中该明显拱部位于吸力侧并且邻近多个翼型的每一个的后缘，并且明显拱部包括在多个翼型的每一个的弦的长度的大约0.7％至大约1.4％之间变化的幅度。

根据本发明的又一个方面，提出了一种组装转子叶片的方法。所述方法包括以下步骤：形成所述转子叶片的多个模块，其中模块中的一个或多个或模块的各部分包括明显拱部，以及相继地联接模块以形成转子叶片，其中明显拱部邻近后缘并且位于转子叶片的吸力侧，并且在某个位置的明显拱部的幅度在所述位置处的叶片的横截面的弦的长度的大约0.7％至大约1.4％之间变化。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得明显，在附图中相似的附图标记始终表示相似的部件，其中：

图1示出了一般翼型，所述翼型显示了由于翼型的轮廓引起的风流的过早分离；

图2是根据本发明的实施例的包括多个叶片的示例性风力涡轮机系统的示意图，每个叶片包括明显拱部；

图3显示了根据本发明的实施例的叶片的翼型以示出翼型的示例性明显拱部；

图4显示了根据本发明的实施例的包括明显拱部的翼型以示出由于明显拱部引起的对风流分离的影响；以及

图5是根据本发明的实施例的流程图，所述流程图表示在用于组装具有明显拱部的叶片的示例性方法中涉及的步骤。

具体实施方式

如下面详细地所述，本发明的实施例涉及一种叶片，所述叶片具有在叶片的近端和远端之间延伸的明显拱部。更特别地，本发明的实施例涉及一种叶片的翼型，所述翼型具有在吸力侧并且邻近翼型的后缘的明显拱部。当在本发明中使用时，术语“翼型”可以用于表示由叶片的横截面限定的设计或形状。

现在参考图2，显示了根据发明的实施例的示例性风力涡轮机系统200的示意图。在当前预期的构造中，风力涡轮机系统200包括风力涡轮机201。风力涡轮机201可以是水平轴线风力涡轮机、竖直轴线风力涡轮机或顺风向风力涡轮机。当在本申请中使用时，术语“风力涡轮机”可以用于表示将风的动能转换为机械能的旋转式机器。机械能然后可以被转换为电能。风力涡轮机201由风流202作用。风力涡轮机201包括多个叶片204、206、208和塔架210。在一个实施例中，叶片204、206、208的每一个包括明显拱部。当在本申请中使用时，术语“明显拱部”可以用于表示叶片的横截面的平均拱线上的凸起，其中平均拱线上的凸起产生叶片的吸力侧的表面上的凸起。当在本申请中使用时，术语“平均拱线”用于表示限定叶片的横截面的形状的假想线。

如图2中所示，叶片204、206、208的每一个具有近端和远端。例如，叶片204具有近端212和远端214，并且叶片206具有近端216和远端218。类似地，叶片208具有近端220和远端222。在一个实施例中，叶片204、206、208的每一个的明显拱部从相应近端212、216、220分别延伸到相应远端214、218、222。例如，在当前预料的构造中，明显拱部从相应的近端212、216、220延伸到相应的远端214、218、222。如图2中所示，叶片204的横截面300包括明显拱部302。明显拱部302延迟风流202的分离，并且因此使得发电量增加。为了易于理解，将参考图3更详细地解释明显拱部302。此外，将参考图4更详细地解释使得发电量增加的风流202的分离的延迟。

图3显示了根据本发明的实施例的叶片204的横截面300以示出示例性明显拱部302。术语“横截面”和“翼型”将可互换使用。如图3中所示，翼型300包括明显拱部302、前缘304、后缘306、压力侧308、吸力侧310、弦312和平均拱线314。当在本申请中使用时，术语“平均拱线”用于表示限定翼型的形状的假想线。更特别地，术语“平均拱线”可以用于表示翼型的上表面和下表面之间的中途点的轨迹。应当注意的是当翼型300不包括明显拱部302时，翼型300的形状可以由平均拱线316限定。然而，当翼型300包括明显拱部302时，翼型300的形状由平均拱线314限定。所以，将明显拱部302包括在翼型300中使平均拱线316的位置偏移。平均拱线316的位置的偏移产生另一个平均拱线314。

如图3中所示，明显拱部302位于吸力侧310并且邻近后缘306。在一个实施例中，明显拱部302被定位成离前缘304的距离在弦312的长度的大约60％至大约80％之间变化。在另一个实施例中，明显拱部302被定位成离后缘306的距离在弦312的长度的大约20％至大约40％之间变化。另外，明显拱部302的幅度d可以在弦312的长度的大约0.7％至大约1.4％之间变化。当在本申请中使用时，术语“幅度”可以用于表示不包括明显拱部的翼型的平均拱线和在将明显拱部包括在翼型中之后形成的另一个平均拱线之间的距离。例如，在当前预料的构造中，明显拱部302的幅度d是平均拱线316和翼型300的平均拱线314之间的距离。如先前所述，明显拱部302通过延迟作用于翼型300的风流202(参见图2)的分离而增加风力涡轮机202的全年发电量。将参考图4更详细地解释由于明显拱部引起的全年发电量的增加。

现在参考图4，根据本发明的一个实施例示出了明显拱部302对作用于图3的翼型300的风流202的分离的影响。如图4中所示，风流202作用于翼型300。如当前预料的构造中所示，风流202在分离点400从翼型300的吸力侧310分离。因此，风流202的分离由于明显拱部302的存在而延迟。另外，风流202的延迟分离使得形成较小分离区域402。因此，作用于翼型300的曳力可以更小，并且具有包括翼型300的叶片204的风力涡轮机100的性能可以高。

图5是根据本方法的实施例的流程图500，所述流程图表示在用于组装具有明显拱部的图2的转子叶片204的示例性方法中涉及的步骤。如图5中所示，在步骤502，形成转子叶片204的多个模块。多个模块形成为使得模块中的一个或多个包括明显拱部的部分。例如，模块中的一个可以包括明显拱部302(参见图3)。随后，在步骤504将模块彼此相继地联接以形成转子叶片204。将模块彼此相继地联接成使得明显拱部邻近后缘并且位于叶片204的吸力侧。此外，明显拱部可以具有在叶片204的相应横截面的弦的长度的大约0.7％至大约1.4％之间变化的幅度。在一个实施例中，明显拱部可以被定位成离横截面的前缘的距离在弦的长度的大约60％至大约80％之间变化。在另一个实施例中，明显拱部可以邻近叶片的后缘定位。邻近后缘是离横截面的后缘在弦的长度的大约20％至大约40％之间变化的距离。

本发明的实施例减小了风力涡轮机中的流分离区域。由于明显拱部存在于风力涡轮机的叶片中，因此风流从叶片的分离被延迟。风流分离的延迟使得产生风力涡轮机的较小分离区域和较大失速裕度。由于较大的失速裕度，风力涡轮机将能够从风提取更多的能量，这导致由风产生的全年发电量增加。较大的失速裕度也有助于风力涡轮机的平滑和更稳定操作。

应当理解的是不一定所有上述这样的目的或优点可以根据任何特定实施例获得。因此，例如本领域的技术人员将认识到本申请中所述的系统和技术可以以获得或优化如本申请中教导的一个优点或一组优点而不必获得如本申请中教导或建议的其他目的或优点的方式实施或实现。

尽管仅仅结合有限数量的实施例详细地描述了本发明，但是应当容易理解本发明不限于这样的公开实施例。相反地，本发明可以经修改以包含目前为止未描述的许多变型、改变、替代或等效布置，但是这些属于本发明的精神和范围内。另外，尽管已描述了本发明的各种实施例，但是应当理解本发明的方面可以仅仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应当被视为由前面的描述限制，而是仅仅由附带的权利要求的范围限制。

Claims

1.一种叶片，包括：

近端和远端，以及在所述近端和所述远端之间延伸的明显拱部，

其中所述明显拱部邻近后缘并且位于所述叶片的吸力侧，并且在某个位置的所述明显拱部的幅度在所述位置处的所述叶片的横截面的弦的长度的大约0.7％至大约1.4％之间变化。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述明显拱部被定位成离所述横截面的前缘的距离在所述弦的长度的大约60％至大约80％之间变化。

3.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述邻近后缘是离所述横截面的后缘在所述弦的长度的大约20％至大约40％之间变化的距离。

4.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述位置处的所述幅度是不包括所述明显拱部的所述叶片的横截面的平均拱线与当相应横截面包括所述明显拱部时形成的相应横截面的另一个平均拱线之间的距离。

5.一种系统，包括：

多个叶片，其中所述多个叶片的每一个包括多个翼型，所述多个翼型的每一个包括明显拱部，

其中所述明显拱部位于吸力侧并且邻近所述多个翼型的每一个的后缘，并且所述明显拱部包括在所述多个翼型的每一个的弦的长度的大约0.7％至大约1.4％之间变化的幅度。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述明显拱部被定位成离所述多个翼型的每一个的前缘的距离在所述弦的长度的大约60％至大约80％之间变化。

7.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其特征在于，所述邻近后缘是离所述后缘在所述弦的长度的大约20％至大约40％之间变化的距离。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统是水平轴线风力涡轮机、竖直轴线风力涡轮机和顺风向风力涡轮机。

9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述幅度是不包括所述明显拱部的所述翼型的平均拱线和在将所述明显拱部包括在所述翼型中之后形成的另一个平均拱线之间的距离。

10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述明显拱部使所述系统的全年发电量在大约1％至大约2％的范围内增加。

11.一种风力涡轮机，包括：

12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机是水平轴线风力涡轮机、竖直轴线风力涡轮机和顺风向风力涡轮机。

13.一种水平轴线风力涡轮机，包括：

多个叶片，其中所述多个叶片的每一个包括多个翼型，所述多个翼型的每一个包括一部分明显拱部，

14.一种组装转子叶片的方法，包括：

形成所述转子叶片的多个模块，其中所述模块中的一个或多个或所述模块的各部分包括明显拱部；以及

相继地联接所述模块以形成所述转子叶片，

其中所述明显拱部邻近后缘并且位于所述转子叶片的吸力侧，并且在某个位置的所述明显拱部的幅度在所述位置处的所述叶片的横截面的弦的长度的大约0.7％至大约1.4％之间变化。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述明显拱部位于吸力侧并且邻近所述转子叶片的后缘。