CN103089536A - 安装在风力涡轮机叶片上的失速栅上的副翼面 - Google Patents

Abstract

本发明涉及安装在风力涡轮机叶片上的失速栅上的副翼面。翼面（26、62、64）被安装在风力涡轮机叶片（22）的弦向失速栅（28）上。翼面可以是被置于所述叶片的吸力侧（38）的前方部分上的空气动力学缝翼（26）或者是被置于所述叶片的后缘（34）附近的襟翼（63）。失速栅可以至少和经过叶片的空气的边界层（39）的厚度一样高。缝翼或襟翼可以在内侧端部（26A）和外侧端部（26B）之间扭转以便补偿相对空气入流（46A、46B）的径向变化角度。

Description

安装在风力涡轮机叶片上的失速栅上的副翼面

技术领域

本发明大体涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及用于风力涡轮机的叶片。

背景技术

风力涡轮机叶片的内侧部分被制造得较厚以便承受外侧叶片区域悬臂于叶片根部上的推力和升力负荷。这里“内侧”意味着径向向内朝向叶片根部，该叶片根部是叶片连接到毂的部分。“外侧”意味着径向向外或朝向叶片尖端。每个叶片的内侧部分为了强度原因朝向毂逐渐变厚（垂直于翼弦）并且通常在邻近毂处呈圆筒形以便有助于安装并接口于叶片桨距调节机构。由于叶片速度相对于入射风的增加，相对空气入流角度随着距旋转中心的距离而改变。由于制造原因，叶片的弦角或扭转角在根部附近不能足够快地变化来提供叶片翼面部段相对于相对空气入流方向的最佳取向，从而导致接近根部处不断增加的过大攻角。由于叶片厚度和大攻角的原因，叶片的内侧部分可能永久失速，从而减小风能转换效率。这里“攻角”意味着翼弦线和相对风矢量之间的角度（考虑叶片旋转）。失速情况发生于经过翼面吸力侧的空气离开叶片的表面从而产生分离区域时。

发明内容

叶片吸力侧上的分离区域是慢速运动的空气并且由于叶片旋转而被径向向外加速。因此这种离开的湍流空气被向外泵送并且诱发或扩大了叶片的相邻部分上的分离区域。为了消除这种向外流动，已知作为失速栅或边界层栅的屏障可以被置于叶片的吸力侧上。这种栅阻挡了分离区域径向向外的增长和流动，因此允许流动的外侧部分更久地保持附接于叶片，从而产生更多动力。

附图说明

参考附图在下述说明中解释了本发明，附图中：

图1是从转子后方或从其顺风处观察的根据本发明实施例的风力涡轮机转子的吸力侧视图。

图2是根据本发明实施例的风力涡轮机叶片的内侧部分的立体图。

图3是示出现有技术中的分离区域的厚翼面的示意性截面图。

图4是示出本发明实施例的沿图1的线4-4截取的视图。

图5是如图4的视图，其示出了扭转和旋转缝翼的两端的截面，并且还示出了围绕主翼面的缝翼栅。

图6是具有气流线的现有技术风力涡轮机叶片的内侧部分的示意性吸力侧视图。

图7是如图6的视图，其被修改为具有两个弦向失速栅。

图8是如图6的视图，其被修改为具有前方缝翼。

图9是类似于图8的视图，其示出了缝翼安装柱的尾流内的动量缺损。

图10是如图6的视图，其被修改为具有横跨两个弦向失速栅安装的前方缝翼。

图11为了比较示出了图6-10的所有分离边界线。

图12示出了副翼面的替代性或附加位置，其包括中间翼面和后缘襟翼。

图13示出了主元件翼面的截面图，其具有支撑后缘襟翼的吸力侧失速栅。

图14示出了进一步在叶片的外侧获取的如图13的视图。

具体实施方式

已知的失速栅设计有效地限制了径向流动空气从风力涡轮机叶片的失速区域向外侧传播。前缘吸力侧缝翼可以被安装在风力涡轮机叶片的内侧部段上以用作副翼面，其在叶片的前方吸力侧之上具有间隙以增加升力并加速翼面的吸力侧上的边界层，从而向后朝向后缘推动失速边界并且增加部段上厚叶片的升力。缝翼还自身产生升力。缝翼可以被附接到具有从翼面延伸的柱的叶片。不过，发明人已经意识到所有缝翼附接均会产生阻力和气流动量缺损，而这会减少动力生成。

图1示出了风力涡轮机转子20，其具有旋转的径向取向的翼面或叶片22，所述翼面或叶片22大体在旋转平面23或旋转盘内旋转。该图中仅示出旋转部件，且没有示出机舱和塔。每个叶片均从公共毂24延伸。每个叶片可具有安装在每个叶片22的内侧部分上方的空气动力学前方缝翼26。叶片还可以具有被置于每个叶片22的内侧部分上的一个或多个弦向失速栅28。

图2是风力涡轮机叶片22的内侧部分的立体图。叶片包括主元件，该主元件在给定径向位置22A处具有最大弦长，并且在从位置22A进一步径向向内且接近位置22B的位置处具有较短的弦长，其中在位置22B处主元件的内侧部分的弦长最小。叶片的内侧端部可以是圆筒形22C。示出三个失速栅28A-C，其中两个失速栅28A和28B可以括住叶片最大处22A，并且第三个失速栅28C可以进一步向内。不过，其他栅位置和数量也是合适的。在这种实施例中，前方缝翼26被安装成横跨在失速栅28A-C中的两个或更多个之上。失速栅28A-C中的一个或更多个可以延伸经过压力侧36和吸力侧38二者中的大部分或全部，如栅28B所示。失速栅可以包括在后缘34后面延伸的后方部分29。这将栅的后缘尾流置于叶片22后方。失速栅可以如所示围绕前缘32和/或后缘34缠绕。

失速栅可以通过本领域公知技术被附接到叶片，公知技术例如延伸到叶片的翼梁构件的紧固件。缝翼可以被直接安装到栅，或者替代性地通过栅直接安装到叶片的翼梁构件。通过利用至少一个栅作为缝翼的安装件，省去了在该部位对于支撑缝翼的单独柱的需求，并且实现了栅和缝翼二者的优点。此外，在这种设置中存在交互优点或协同作用，因为通过缝翼提供的加速减小了栅的流动动量折损，如下文参考图9-11更详细说明的。在另一实施例中，可以在失速栅的空气动力学优点相对较大的位置处通过一个或更多个失速栅来支撑缝翼，以及在失速栅的空气动力学优点相对较小的其他位置处通过一个或更多个柱来支撑缝翼。例如，因为柱会比失速栅便宜，所以可以在第一部位处由失速栅且在更内侧位置处由柱支撑缝翼，其中在该更内侧位置处叶片的旋转速度较小。替代性地，缝翼可以在位于分离的流动区域内的第一部位处由失速栅支撑并且向外延伸经过分离的流动区域，在此其由柱支撑（这里不存在向外的流动并且不需要失速栅）。

缝翼26可以沿其径向长度扭转以便适应空气入流46A、46B的变化角度（图5），该变化角度由于周向速度的对应变化而随半径变化。缝翼还可以向前转过翼面的前端且具有距毂24减少的半径距离。因此，缝翼的内侧端部28A可以定位成更朝向或者在叶片22的前缘32上，并且外侧端部28B可以定位成距前缘32更向后。

图3示出了在风力涡轮机叶片的内侧部分处的翼面截面30的几何外形，其示出了常规叶片设置的分离的区域40。翼面具有前缘32、后缘34、压力侧36、吸力侧38、前缘和后缘32、34之间的弦长C以及最大厚度T。在风力涡轮机上，压力侧36在翼面30的迎风/逆风侧上在前缘32和后缘34之间延展。吸力侧38在翼面30的顺风侧上在前缘32和后缘34之间延展。由于风矢量44和叶片旋转48导致了相对入流矢量46。在弦线C和相对入流矢量46之间测量攻角α。这种几何外形是在风力涡轮机叶片22的内侧部分上的厚翼面截面的示例。分离的区域40具有在吸力侧38上的分离线42。未分离的层流边界层39被示出，在此气流不分离于翼面30。翼面可以在弦线C和旋转平面23之间具有弦线取向角CA。

图4示出了沿图1的线4-4截取的翼面截面30的几何外形，其具有根据本发明实施例横跨失速栅28安装的空气动力学缝翼26。分离线42后移并且分离区域40相对于图3在翼面30上尺寸减小。缝翼26和失速栅28还配合来减少分离线42的径向尺度，如后所示，从而有益于叶片的径向相邻部段。

失速栅28可以延伸经过吸力侧38的弦向长度的大部分或全部。失速栅的中间高度H可以至少是吸力侧38上未分离边界层39的高度，其可以被计算成在未分离流动情况下从表面到平均自由流速部位的距离的99%。替代性地，失速栅28的中间高度H可以是翼面的选定弦长C的至少1%或至少2%。选定弦长可以是失速栅处叶片22的弦长。失速栅28的长度可以从前到后变化或渐缩，以使其提供最佳的缝翼-叶片间隙31和其他位置处减小的轮廓。示例性缝翼间隙31的范围可以是选定弦长C的约4-12%。在一种实施例中，失速栅可以具有选定弦长的2-8%的中间高度，并且失速栅可以具有选定弦长4-12%的缝翼之下的高度。

图5示出了图2中同样可见的扭转缝翼26的两个端部26A、26B。每个端部26A、26B均具有相应弦线27A、27B，其适用于相对空气入流46A、46B的相应方向，其基于径向位置随叶片的切向速度48A、48B变化。缝翼26的外侧端部26B可以具有弦线取向角θ，该弦线取向角θ相对于旋转平面23的大小小于缝翼的内侧端部26A的弦线取向角θ。任选地，失速栅28可以如所示围绕翼面30缠绕并且可以延伸经过主元件翼面30的吸力侧和压力侧二者的大部分或全部。其可以如所示在翼面30的前方和/或后方延伸。沿缝翼每个截面的弦27A、27B可相对于旋转平面23形成弦线取向角θ，其基于半径而变化。

图6-11示意性示出了风力涡轮机叶片22的吸力侧38的内侧部分，其具有未分离区域39的流动线50、分离区域40的流动线52以及其间的分离线42A-42E。图6示出具有失速分离线42A的未修改现有技术叶片。图7示出具有两个失速栅28A和28B以及分离线42B的叶片22。图8示出具有扭转缝翼26（忽略其安装附接的空气动力学影响）以及分离线42C的叶片22。图9示出具有被安装在柱54上的扭转缝翼26的叶片22，其产生尾流56从而导致在分离线42D上的不利影响58。

图10示出具有横跨两个失速栅28A、28B安装的前方缝翼26的叶片22。分离线42E示出了缝翼26加上栅28A、28B的加合效果，其与图6-9中的任意构造相比产生较小且更径向受限的分离区域40。缝翼26加速吸力侧38上的流动从而向后推动分离线42E。缝翼26在每个栅28A-B中的两侧上产生的流动加速最小化来自栅28A-B的前侧和后侧的尾流效应。在一种实施例中，缝翼可以沿两个径向方向延伸60超过栅至少栅的中间高度H，而在另一些实施例中，失速栅可以在缝翼的端部处结束。图11在同一附图上示出了图6-10的各分离线42A-E以便比较。

图12示出了风力涡轮机叶片的一部分，其包括主元件翼面30且具有如前所述安装在栅28前方的缝翼26。替代性的或附加的副翼面62、64可以在其他位置被安装在栅28上。襟翼62可以被安装在栅28的后方部分29上且至少部分地或完全地在翼面30的后缘34的后方。中间翼面64可以替代性地或附加地被安装在弦C的中间或中途位置处或附近以便获得类似于前方缝翼26的加速和升力优点。中间翼面64可以类似于前方缝翼26沿其径向长度扭转，不过扭转程度较小。如果提供前方缝翼26和中间翼面64二者，则中间翼面64可以大体平行于前方缝翼，或者它们可以朝向它们的内侧端部背离于彼此。不考虑一个或更多个副翼面（26、64和/或62）的部位，其在栅28上的支撑提供了本领域以前没有意识到的协同优势。

图13示出了风力涡轮机叶片的一部分，其包括具有吸力侧失速栅28的主元件翼面30，该失速栅28向后缘34的后方延伸并且支撑在后缘34的后方和下方一定距离处的襟翼62A。气流66的一部分从主翼面的压力侧36流动到襟翼62A的吸力侧63。围绕襟翼吸力侧的流动加速减少了从后缘34周围的压力侧36到主翼面的吸力侧38的流动再循环。这种再循环支持吸力侧38上存在促进边界层分离的不良的压力梯度。分离越小，则失速栅越有效率并且它们制造得越小。

图14示出了风力涡轮机叶片的一部分，其包括比图13所示更居于外侧的主元件翼面30。在这个部位，襟翼62B能够更靠近或者抵靠于后缘34，这是因为主元件翼面30具有更小的攻角，并且没有分离或再循环。这里，在襟翼上存在较大的吸力并且在襟翼的压力侧上存在较小的力。襟翼62A、62B相对于主翼面的后缘34的位置可以沿襟翼的翼展向长度从内侧位置62A（在后缘34的后方和下方具有间隙，如图13所示）向直接位于后缘34后方的更外侧位置62B（很少有或没有间隙，如图14所示）变化。

襟翼62、62A、62B与失速栅28协同地工作，这是因为襟翼减少了再循环，从而减少了失速栅28的所需尺寸。为了额外的协同性，失速栅28可以如所示延伸经过襟翼62、62A、62B的吸力侧63。这防止了在襟翼上的径向流动且具有类似于主翼面30上的失速栅28所提供的优点。

虽然已经在此示出并描述了本发明的各种实施例，不过显而易见的是这些实施例仅通过示例方式被提供。可以在不背离本发明的情况下做出大量修改、改变和替代。因此，本发明仅旨在由所附权利要求的精神和范围来限制。

Claims (20)

1.一种风力涡轮机叶片，包括：

主元件；

延伸经过主元件的弦向长度的至少一部分的失速栅；以及

被置于失速栅上的副翼面。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中所述副翼面包括缝翼，该缝翼被置于所述失速栅上在所述主元件的吸力侧的前方部分上。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中所述副翼面包括襟翼，该襟翼被置于接近所述主元件的后缘。

4.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中所述副翼面包括中间翼面，该中间翼面被置于所述栅上在所述主元件的弦向长度的中间位置上。

5.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中所述缝翼在其内侧端部和外侧端部之间扭转以使得所述缝翼的弦和所述叶片的旋转平面之间的角度随着距叶片的旋转中心的距离而变化。

6.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，还包括被置于所述失速栅上接近所述主元件的后缘的襟翼。

7.根据权利要求6所述的风力涡轮机叶片，其中所述襟翼在其内侧端部和外侧端部之间扭转以使得所述襟翼的弦和所述叶片的旋转平面之间的角度随着距叶片的旋转中心的距离而变化。

8.根据权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其中所述失速栅延伸经过所述襟翼的吸力侧的至少一部分。

9.根据权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其中所述襟翼的前缘的至少一部分被置于所述主元件的后缘下方以使得气流的一部分从所述主元件的压力侧流向所述襟翼的吸力侧。

10.一种风力涡轮机叶片，包括：

径向内侧部分，其具有失速栅，该失速栅延伸经过所述叶片的吸力侧的弦向长度的至少一部分；以及

空气动力学缝翼，其被安装在所述失速栅上且横跨所述失速栅且具有在所述叶片的吸力侧的前方部分上的间隙。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片，其中所述失速栅至少与所述叶片的所述吸力侧上的空气动力学边界层一样高。

12.根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片，其中所述失速栅具有在所述失速栅处所述叶片的弦长的2-8%的中间高度，并且所述失速栅具有在所述弦长的4-12%的所述缝翼之下的高度，从而限定所述缝翼的所述间隙。

13.根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片，其中所述栅在高度上从所述缝翼之下的最大高度向所述缝翼之下远方的较小高度逐渐变化。

14.根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片，其中所述失速栅在所述叶片的后缘的后方延伸。

15.根据权利要求14所述的风力涡轮机叶片，还包括接近所述后缘被置于所述栅上的襟翼。

16.根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片，其中所述缝翼在其内侧端部和外侧端部之间相对于所述叶片的旋转平面扭转。

17.根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片，其中所述缝翼在两个径向方向上延伸超过所述栅至少所述栅的中间高度。

18.一种风力涡轮机叶片，包括：

径向内侧部分，其具有多个弦向失速栅，所述失速栅延伸经过所述叶片的主元件的吸力侧的弦向长度的至少一部分；以及

空气动力学缝翼，其被安装在所述失速栅上且横跨所述失速栅且具有在所述主元件的所述吸力侧的前方部分上的间隙。

19.根据权利要求18所述的风力涡轮机叶片，其中每个所述失速栅在所述主元件的后缘的后方延伸，并且还包括接近所述后缘被置于所述失速栅上的襟翼。

20.根据权利要求19所述的风力涡轮机叶片，还包括被置于所述主元件的所述后缘下方的襟翼的前缘的至少一部分，以使得气流的一部分从所述主元件的压力侧流向所述襟翼的吸力侧。

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