CN103917445B - 用于改造风力涡轮机叶片上的涡流发生器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改造风力涡轮机叶片(10)上的涡流发生器(40)的方法，该风力涡轮机叶片(10)安装在风力涡轮机轮毂(8)上且在纵向方向上延伸，并具有尖部端(14)和根部端(16)，风力涡轮机叶片(10)还包括成型轮廓，该成型轮廓包括压力侧(52)和吸力侧(54)以及具有翼弦(60)的前缘(56)和后缘(58)，翼弦具有在前缘与后缘之间延伸的弦长，该成型轮廓在受到入射气流冲击时产生升力。该方法包括识别风力涡轮机叶片(10)的吸力侧(54)上的分离线(38)，以及将包括第一涡流面板的一个或更多涡流面板(36)安装在分离线(38)与风力涡轮机叶片的前缘(18)之间的风力涡轮机叶片(10)的吸力侧(54)上，该第一涡流面板包括至少一个涡流发生器（40）。

Description

用于改造风力涡轮机叶片上的涡流发生器的方法
技术领域
本发明涉及用于改造风力涡轮机叶片上的涡流发生器的方法。
背景技术
风力涡轮机制造商不断努力改善他们的风力涡轮机的效率以便使年度能量产量最大化。此外，由于需要花费很长的时间和大量资源来开发新的风力涡轮机机型，故风力涡轮机制造商对延长他们的风力涡轮机机型的寿命感兴趣。用以改善风力涡轮机的效率的明显的方式为改善风力涡轮机叶片的效率，以便风力涡轮机在给定的风速下能产生更高的功率输出。然而，人们不能以其它更有效率的叶片来随意替换风力涡轮机机型的叶片。
因此，存在对改善现有叶片的效率的方法的需要。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供具有改善的空气动力特性的风力涡轮机叶片。
提供了一种改造风力涡轮机叶片上的涡流发生器的方法，该风力涡轮机叶片安装在风力涡轮机轮毂上且在纵向方向上延伸，并具有尖部端和根部端，风力涡轮机叶片还包括成型轮廓，该成型轮廓包括压力侧和吸力侧以及具有翼弦的前缘和后缘，翼弦具有在前缘与后缘之间延伸的弦长，该成型轮廓在受到入射气流冲击时产生升力。该方法包括以下步骤：确定风力涡轮机叶片的吸力侧的至少一个区段上的沉积物的分布和基于沉积物的分布识别分离线，以及将包括第一涡流面板的一个或更多涡流面板安装在分离线与风力涡轮机叶片的前缘之间的风力涡轮机叶片的吸力侧上，该第一涡流面板包括至少一个涡流发生器。
因此，所认识到的是，本发明涉及通过在预先确定的时间量之后观察风力涡轮机和观察叶片上的沉积物来确定叶片的吸力侧上的分离区的方法。例如，预先确定的时间量可为一天。然而，该时间量还可为一周、几周、几个月或甚至几年。因此，所认识到的是，该方法也可用于已经操作了很长一段时间的风力涡轮机上。
当从叶片的前缘看时，分离线对应于在纵向方向上延伸的线，且其识别第一翼弦位置，其中可出现气流的分离。
沉积物可为在叶片的表面上能容易地被识别出(例如，通过变色)的烟尘颗粒、灰尘、悬浮颗粒等。其还可为已经播撒（seed）入风力涡轮机的逆风向的风中的特定颗粒。因此，所看到的是，本发明提供了通过识别叶片上的沉积物来识别气流的分离区的方法。这是容易实现的，因为湍流或分离流很可能将颗粒沉积在叶片的表面上，而基本平行于叶片的表面传送（propagate）的附着流或层流则不会。因此，还将清楚的是，涡流发生器布置在外侧区中，但接近于具有沉积的颗粒的被识别出的区。
根据本发明的方法使提供具有改善的空气动力特性的风力涡轮机叶片成为可能，从而使来自具有相应的风力涡轮机叶片的风力涡轮机的更高的能量产量成为可能。
附图说明
通过参考附图的其示例性实施例的以下详细描述，本发明的以上及其它特征和优点对那些本领域中的技术人员来说将变得十分明显，在附图中：
图1示出了风力涡轮机，
图2示出了以根据本发明的方法改造的风力涡轮机叶片的示意性视图，
图3示出了翼型轮廓的示意性视图，
图4示出了从上方和从侧部看的风力涡轮机叶片的示意性视图，
图5示出了以根据本发明的方法改造的风力涡轮机叶片的示例性截面，
图6示意性地示出了安装在风力涡轮机叶片的吸力侧上的涡流发生器，以及
图7为涡流面板的一部分的透视图。
参考清单
2风力涡轮机
4塔架
6机舱
8轮毂
10叶片
14叶片尖部
16叶片根部
18前缘
20后缘
22俯仰轴线
30根部区域
32过渡区域
34翼型区域
36涡流面板
37叶片表面上的沉积物区
38分离线
39肩部
40涡流发生器
40'第一涡流发生器
40''第二涡流发生器
40'''第三涡流发生器
42基部
44第一导叶
44'第二导叶
50翼型轮廓
52压力侧
54吸力侧
56前缘
58后缘
60翼弦
62弧线/中线
c弦长
dsep垂直于纵向方向的沿吸力侧表面的涡流面板到分离线或点的距离
dpanel垂直于纵向方向的涡流面板到前缘的翼弦方向距离
dt最大厚度的位置
df最大弧高的位置
dp最大压力侧弧高的位置
ds肩部距离
f弧高
L叶片长度
P功率输出
r局部半径、离叶片根部的径向距离
t厚度
VW风速
θ扭转度、俯仰角（pitch）
Δy预弯曲。
具体实施方式
为了清晰起见，附图为示意性的和简化的，且它们仅仅示出了对理解本发明必需的细节，而已经省略了其它细节。全文中，相同的参考标号用于相同或对应的部分。
该方法包括识别风力涡轮机叶片的吸力侧上的分离线。识别风力涡轮机叶片的吸力侧上的分离线或一个或更多分离点可包括确定在一个或更多测量点或测量地带中表现出流特性的至少一个参数。例如，垂直于纵向方向的截面可包括多个测量点或观察点Sn,k，其中n为表示截面数目的指数而k为表示第n个（n'th）截面中的测量点或测量地带的数目的指数。可基于一个或更多测量点或测量地带中表现出流特性的至少一个参数的值识别分离线。测量点Sn,k布置在离根部端的距离dmeas_root,n处和离前缘的翼弦方向距离dmeas,n,k处。例如，测量截面的数目n可为至少两个，如，至少三个、四个、五个、六个或更多。例如，截面中的测量点的数目k可为至少两个，如，至少三个、四个、五个、六个或更多。截面中的测量点的数目k和/或距离dmeas_root,n对于各个截面可变化。
分离线可使用识别器件来识别，例如，包括化学器件，例如，以化学测试的形式来测量一个或更多测量点或测量地带中的沉积物的量。作为备选或结合，识别器件可包括光学器件，如，相机、具有激光源和探测器的激光组件，例如，用以通过颜色分析和/或通过分析从风力涡轮机的吸力侧表面发出或反射的光的一个或更多特性来识别或测量沉积物的量。
在该方法中，安装一个或更多涡流面板可包括将一个或更多涡流面板和/或涡流发生器安装在离分离线的距离dsep处。距离dsep可在从0.1m到1.5m的范围内，例如，在从0.2m到1m的范围内，如，大约0.5m。涡流面板包括一个或更多涡流发生器。典型地，涡流发生器包括从基部伸出的一个或一对导叶。多个涡流发生器可具有公共基部，从而形成涡流面板。垂直于纵向方向沿风力涡轮机叶片的吸力侧表面来测量距离dsep。
该方法有利地涉及设有具有至少40米的长度的风力涡轮机叶片的风力涡轮机，更有利地涉及具有至少50米的长度的叶片。
在该方法中，安装一个或更多涡流面板可包括：取决于分离线的位置，将一个或更多涡流面板安装在离前缘在从0.1m到5m的范围内的距离dpanel处。距离dpanel为垂直于纵向方向的涡流面板离前缘的翼弦方向距离。距离dpanel在风力涡轮机叶片的纵向方向上可变化，即，dpanel可为离根部的距离的函数。
由于分离线的位置在不同的操作条件期间会改变，故离被识别出的分离线的距离不能太小。另一方面，由于涡流发生器的作用在距离增大时减小，故离分离线的距离不能太大。重要的是，涡流发生器定位在分离线与前缘之间，以便获得最佳效果。此外，所期望的是，将涡流发生器布置成离前缘尽可能远或尽可能近地靠近后缘，以便减小或消除阻力效应。
识别分离线或一个或更多分离点可包括确定风力涡轮机叶片的吸力侧的至少一个区段上的沉积物的分布和基于沉积物的分布识别分离线或一个或更多分离点。例如，分离线可识别为沿该线的沉积物的量等于第一阈值的线。分离线的分离点可识别为在第一测量点或测量地带与第二测量点之间的点，其中第一测量点中的沉积物的量大于第一阈值而其中第二测量点中的沉积物的量小于第一阈值。
沉积物的分布可通过确定表现出风力涡轮机的吸力侧上的多个测量点或测量地带中的沉积物和/或分离线指示剂的量的至少一个参数来测量。
表现出沉积物的量的第一参数可为测量点或测量地带中的沉积物的厚度。表现出沉积物的量的第二参数可为测量点或测量地带的颜色和/或颜色浓度。其它参数可包括重量、从测量点发出或反射的光的强度等。
当风力涡轮机已经被操作了一段时间(例如，至少一天)或直到风力涡轮机已经一直在各种操作条件下操作时，可执行识别风力涡轮机叶片的吸力侧上的分离线。因此，风力涡轮机叶片上的涡流发生器的位置适应于在风力涡轮机场所处的具体风况，从而增强了风力涡轮机的性能。
该方法可包括将分离线指示剂应用于风力涡轮机的吸力侧且操作风力涡轮机一段时间。随后，在操作风力涡轮机一段时间之后，可基于分离线指示剂或其特性识别风力涡轮机叶片的吸力侧上的分离线。
分离线指示剂可为促进风力涡轮机叶片上的材料沉积的涂层、涂料等，沉积物的分布表现为分离线。
分离线指示剂可为促进在操作期间风力涡轮机叶片上的分离线指示剂的去除的涂层、涂料等，该分离线指示剂的分布表现为分离线。分离线指示剂可促进在操作期间材料的沉积以及分离线指示剂的去除两者。
分离线指示剂可包括粉末，如，石墨粉。该粉末可悬浮在液体中，如，有机溶剂或其混合物。
识别分离线可包括确定在操作期间风力涡轮机的吸力侧上的多个测量点或测量地带中的风流方向且基于风流方向识别分离线。出于此目的，分离线指示剂可包括沿吸力侧表面分布的一个或更多簇（tuft）。
识别风力涡轮机叶片的吸力侧上的分离线可包括识别风力涡轮机叶片的过渡区域或其至少一部分中的分离线。此外或作为备选，识别风力涡轮机叶片的吸力侧上的分离线可包括识别风力涡轮机叶片的根部区域或其至少一部分中的分离线。
识别风力涡轮机叶片的吸力侧上的分离线可包括识别离根部端例如在从3m到大约18m的范围内的距离处的分离线。可识别离根部在从0.1L到0.4L的范围内的距离处的分离线，其中L为风力涡轮机叶片的长度。
该方法可包括使吸力侧流播撒有颗粒，例如，有色颗粒(红色、蓝色、黑色、绿色、灰色或其它颜色)，以作为吸力侧表面上的颗粒沉积物。可基于在风力涡轮机叶片的吸力侧上的颗粒沉积物的分布来识别风力涡轮机叶片的吸力侧上的分离线。
图1示出了根据所谓的"丹麦概念"的具有塔架4、机舱6和具有基本水平的转子轴的转子的常规现代逆风风力涡轮机。转子包括轮毂8和从轮毂8径向地延伸的三个叶片10，各个叶片均具有最靠近轮毂的叶片根部16和离轮毂8最远的叶片尖部14。转子具有R表示的半径。
图2示出了在根据该方法改造之后的风力涡轮机叶片10的示意性视图。风力涡轮机叶片10具有常规风力涡轮机叶片的形状且包括最靠近轮毂的根部区域30、离轮毂最远的成形区域或翼型区域34以及在根部区域30与翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括当叶片安装到轮毂上时面向叶片10的旋转方向的前缘18和面向前缘18的相反方向的后缘20。
翼型区域34(也称为成形区域)具有关于产生升力的理想或几乎理想的叶片形状，但根部区域30由于结构性考虑而具有基本圆形或椭圆形的截面，例如，这使得更容易且更安全地将叶片10安装到轮毂上。根部区域30的直径(或翼弦)沿整个根部区30可为恒定的。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形的形状逐渐变化到翼型区域34的翼型轮廓的过渡轮廓。过渡区域32的弦长典型地随离轮毂的距离r的增大而增大。翼型区域34具有带有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的翼弦的翼型轮廓。翼弦的宽度随离轮毂的距离r的增大而减小。
叶片10的肩部39限定为其中叶片10具有其最大弦长的位置。肩部39典型地设在过渡区域32与翼型区域34之间的边界处。
应注意的是，叶片的不同区段的翼弦通常不处于共同的平面中，因为叶片可扭转和/或弯曲(即，预弯曲)，因此提供了具有对应的扭转和/或弯曲的路线（course）的翼弦平面，这是最常见的情况以便补偿取决于离轮毂的半径的叶片的局部速度。
各自包括一个或更多涡流发生器的一个或更多涡流面板36在被识别出的分离线38与风力涡轮机叶片的前缘18之间的风力涡轮机叶片10的吸力侧上被安装或改造。分离线38可通过确定风力涡轮机叶片的吸力侧的至少一个区段上的沉积物37的分布来识别。颗粒(如，烟尘颗粒、灰尘、悬浮颗粒等)由于湍流或分离流在一段时间内将沉积于叶片上，因此产生在叶片上可探测到的（例如，通过叶片表面的变色）分离区。
图3和图4描绘了用于阐释根据本发明的风力涡轮机叶片的几何形状的参数。
图3示出了以各种参数描绘的风力涡轮机的典型叶片的翼型轮廓50的示意性视图，这些参数典型地用于限定翼型的几何形状。翼型轮廓50具有压力侧52和吸力侧54，其在使用期间（即，在转子的旋转期间）通常分别面向迎风(或逆风)侧和背风(或顺风)侧。翼型50具有带有在叶片的前缘56与后缘58之间延伸的弦长c的翼弦60。翼型50具有厚度t，其限定为压力侧52与吸力侧54之间的距离。翼型的厚度t沿翼弦60变化。离对称轮廓的偏差由弧线62给出，该弧线为穿过翼型轮廓50的中线。该中线能通过从前缘56向后缘58画内切圆来找到。该中线沿着这些内切圆的中心且离翼弦60的偏差或距离称为弧高f。该不对称还能通过称为上弧高(或吸力侧弧高)和下弧高(压力侧弧高)的参数的使用来限定，其分别限定为从翼弦60到吸力侧54以及压力侧52的距离。
翼型轮廓通常通过以下参数来表征：弦长c、最大弧高f、最大弧高f的位置d f 、最大的翼型厚度t(其为沿中弧线62的内切圆的最大直径)、最大厚度t的位置d t ，以及翼尖半径（noseradius）(未示出)。这些参数典型地被限定为与弦长c的比率。因此，局部相对叶片厚度t/c给定为局部最大厚度t与局部弦长c之间的比率。此外，最大压力侧弧高的位置d p 可用作设计参数，且当然还有最大吸力侧弧高的位置。
图4示出了叶片的其它几何参数。该叶片具有总的叶片长度L。如图3中所示，根部端位于r=0的位置处，而尖部端位于r=L处。叶片的肩部39位于r=L w 的位置处，且具有等于在肩部39处的弦长的肩部宽度W。根部的直径限定为D。过渡区域中的叶片的后缘的曲率可由两个参数限定，即，最小外曲率半径r o 和最小内曲率半径r i ，其分别限定为从外侧看(或在后缘后方)的后缘的最小曲率半径和从内侧看(或在后缘的前方)的最小曲率半径。此外，叶片设有限定为Δy的预弯曲，该预弯曲对应于离平行于叶片的纵向方向的俯仰轴线22的平面外的偏差。
图5示出了在改造风力涡轮机叶片的吸力侧54上的涡流面板36之后的垂直于纵向方向的风力涡轮机叶片的示例性截面。涡流面板36已经在沿吸力侧表面的垂直于纵向方向的大约0.5m的距离dsep处安装在被识别出的分离线38与风力涡轮机叶片的前缘56之间。用于示出的截面的分离线或点的位置已经通过测量在测量点S1,1和S1,2中的表现出流特性的参数(例如，沉积物的量)来识别。前缘18与涡流面板36之间的距离dpanel为大约1m。一般说来，前缘18与涡流面板36之间的距离dpanel沿纵向方向改变。距离dpanel典型地朝尖部端增大。例如，对于定位在离根部端的第一距离d1处的第一涡流发生器的dpanel,1可小于对于定位在离根部端的第二距离d2处的第二涡流发生器的dpanel,2，其中d2>d1。
图6示出了安装在风力涡轮机叶片的吸力侧表面上的示例性的第一涡流发生器40'和第二涡流发生器40''。表1中示出了示例性涡流发生器VG1、VG2和VG3以及它们在风力涡轮机叶片的吸力侧上的构造的参数值。
表1.涡流发生器参数
在表1中，指出了用于相同类型的相邻涡流发生器(VG1、VG2、VG3)的间距参数值z。当在面板中或在相邻的涡流发生器之间从VG1转移到VG2时，VG1与VG2之间的距离z可在从50mm到100m的范围内，例如，75mm。当在面板中或在相邻的涡流发生器之间从VG2转移到VG3时，VG2与VG3之间的距离z可在从100mm到150m的范围内，例如，125mm。相邻的涡流发生器可相对于彼此旋转以便促进穿过涡流发生器的最佳的风流。基部42可为平面的、单面弯曲或双面弯曲的，以便促进安装在风力涡轮机叶片的吸力侧上。
图7为包括具有安装在基部42上的导叶44、44'的多个涡流发生器40'、40''、40'''的涡流面板的一部分的透视图。可从表1中的不同导叶的角β增加补偿角或从表1中的不同导叶的角β中减去补偿角，以便使涡流面板适应关于纵向方向以不同角度安装。
应注意的是，除附图中示出的本发明的示例性实施例之外，本发明可体现为不同的形式且不应被理解为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例以便此公开内容将为深入且彻底的，以及将向那些本领域中的技术人员全面传达本发明的构想。

Claims (18)

1.一种改造风力涡轮机叶片上的涡流发生器的方法，所述风力涡轮机叶片安装在风力涡轮机轮毂上且在纵向方向上延伸，并具有尖部端和根部端，所述风力涡轮机叶片还包括成型轮廓，所述成型轮廓包括压力侧和吸力侧以及具有翼弦的前缘和后缘，所述翼弦具有在所述前缘与所述后缘之间延伸的弦长，所述成型轮廓在受到入射气流的冲击时产生升力，所述方法包括：
-确定所述风力涡轮机叶片的所述吸力侧的至少一个区段上的沉积物的分布和基于所述沉积物的分布识别分离线，以及
-将包括第一涡流面板的一个或更多涡流面板安装在所述分离线与所述风力涡轮机叶片的所述前缘之间的所述风力涡轮机叶片的所述吸力侧上，所述第一涡流面板包括至少一个涡流发生器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述沉积物的分布通过确定表现出所述风力涡轮机的吸力侧上的多个测量点或测量地带中的所述沉积物的量的至少一个参数来测量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，表现出所述沉积物的量的第一参数为所述测量点或所述测量地带中的所述沉积物的厚度。
4.根据权利要求2至权利要求3的任一项所述的方法，其中，表现出所述沉积物的量的第二参数为所述测量点或所述测量地带的颜色。
5.根据权利要求1至权利要求3的任一项所述的方法，其中，安装一个或更多涡流面板包括将一个或更多涡流面板安装在离所述分离线在从0.1m到1.5m的范围内的距离处。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，安装一个或更多涡流面板包括将一个或更多涡流面板安装在离所述分离线在从0.2m到1m的范围内的距离处，或在从0.25m到0.75m的范围内的距离处。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，安装一个或更多涡流面板包括将一个或更多涡流面板安装在离所述分离线在0.5m的距离处。
8.根据权利要求1至权利要求3的任一项所述的方法，其中，所述风力涡轮机叶片长度为至少40m。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述风力涡轮机叶片长度为至少50m。
10.根据权利要求1至权利要求3中的任意一项所述的方法，其中，当所述风力涡轮机已经操作了至少一天时执行识别所述风力涡轮机叶片的所述吸力侧上的分离线。
11.根据权利要求1至权利要求3中的任意一项所述的方法，其中，所述方法包括：
-将分离线指示剂应用于所述风力涡轮机的所述吸力侧，
-操作所述风力涡轮机一段时间，以及
-其中识别所述风力涡轮机叶片的所述吸力侧上的分离线是基于在所述风力涡轮机的操作期间或之后的所述分离线指示剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述分离线指示剂为涂层，所述涂层促进在操作期间材料在所述涂层上的沉积或所述涂层的去除。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述分离线指示剂包括压敏涂料。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述分离线指示剂包括粉末。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述分离线指示剂包括一个或更多簇。
16.根据权利要求1至权利要求3中的任意一项所述的方法，其中，识别所述风力涡轮机叶片的所述吸力侧上的分离线包括识别离所述根部端在从0.1L到0.4L的范围内的距离处的分离线，其中L为所述风力涡轮机叶片的长度。
17.根据权利要求1至权利要求3中的任意一项所述的方法，其中，识别分离线包括确定在操作期间所述风力涡轮机的所述吸力侧上的多个测量点或测量地带中的风流方向和基于所述风流方向识别分离线。
18.根据权利要求1至权利要求3中的任意一项所述的方法，包括将颗粒供给至所述吸力侧流以作为所述吸力侧表面上的颗粒沉积物，且其中识别所述风力涡轮机叶片的所述吸力侧上的分离线是基于所述风力涡轮机叶片的所述吸力侧上的所述颗粒沉积物的分布。
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