CN105715449A - 具有涡流发生器的转子叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有涡流发生器的转子叶片。本发明涉及风力涡轮机的转子叶片，并且涉及一种包括这样的转子叶片中的至少一个的风力涡轮机。所述转子叶片包括配置成产生主涡流的主涡流发生器，以及配置成产生第二涡流的副涡流发生器。所述主涡流发生器的高度大于所述副涡流发生器的高度。此外，所述主涡流发生器和所述副涡流发生器关于彼此被配置和布置成使得：对小于所述副涡流发生器的高度的边界层厚度而言，所述副涡流发生器降低、特别是抵消所述主涡流发生器对所述转子叶片的升力的影响，以及对大于所述副涡流发生器的高度的边界层厚度而言，所述转子叶片的升力基本上不受所述副涡流发生器的存在影响。

Description

具有涡流发生器的转子叶片

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机，并且涉及一种风力涡轮机的转子叶片。具体而言，本发明涉及就空气动力学和结构方面而言如何能够改善转子叶片和包括这样的转子叶片的风力涡轮机的问题。

背景技术

给飞行器（即，飞机）的机翼提供涡流发生器从飞行器的领域是已知的。涡流发生器是在特定条件下改进机翼的气动效率的简单装置。涡流发生器是一种气动附加装置，其能够例如被安装到已完成的机翼，或其能够被结合到新机翼的制造过程中。

还已知涡流发生器对风力涡轮机的转子叶片而言可具有有益的效果。例如，国际专利申请WO2006/122547A1公开了一种风力涡轮机的转子叶片，其在转子叶片的背风面侧（即，吸力侧）处具有湍流发生装置。

常规的涡流发生器除其他外具有以下技术效果：由于边界层的重新供能（re-energization）而延迟了转子叶片上的失速。所述边界层是与转子叶片的表面相邻的气流层。在风力涡轮机的操作期间，失速的延迟是高度有利的，这是由于因此就能够以较大范围的攻角来操作风力涡轮机。所述攻角指的是转子叶片的弦线和冲击转子叶片的进入气流的方向之间的角度。

常规的涡流发生器的另一技术效果是增加转子叶片的升力。如果例如由于转子叶片的污染，转子叶片的升力系数已经降低，则这可能是特别有利的。转子叶片的升力系数表征当气流以一定的攻角冲击所述转子叶片时能够产生的升力。在其他参数之中，所述升力系数一般取决于转子叶片是洁净的还是污染的。转子叶片的污染指的是可由虫子、昆虫、灰尘等造成的粗糙表面。污染经常发生在转子叶片的前缘处。概括地说，在污染的转子叶片的情况下，升力系数的增加通常被视为对所有相关的攻角有利。

然而，升力系数的增加也可能是不利的，如果它使转子叶片的最大升力朝向高于没有涡流发生器的转子叶片的最大升力的值增大。例如，对设置涡流发生器增大最大升力的洁净的转子叶片而言就是这种情况。在这种背景下，最大升力的增加通常被视为是不利的，因为转子叶片的载荷增加，并且因此，可能必须复查对转子叶片的结构稳定性的要求。

因此，将需要提供一种风力涡轮机的转子叶片，其被配置成使得它至少部分地克服具有风力涡轮机的常规涡流发生器的常规转子叶片的所述缺点。

发明内容

此目标通过独立权利要求来解决。从属权利要求描述有利的发展和修改。

根据本发明，提供了一种风力涡轮机的转子叶片，所述转子叶片包括配置成产生主涡流的主涡流发生器以及配置成产生第二涡流的副涡流发生器。所述主涡流发生器的高度大于所述副涡流发生器的高度。此外，所述主涡流发生器和所述副涡流发生器关于彼此被配置和布置成使得：

a）对小于所述副涡流发生器的高度的边界层厚度而言，所述副涡流发生器降低、特别是抵消所述主涡流发生器对所述转子叶片的升力的影响，以及

b）对大于所述副涡流发生器的高度的边界层厚度而言，所述转子叶片的升力基本上不受所述副涡流发生器的存在影响。

原则上，涡流发生器需要被理解为适于产生涡流的设备或附加装置。发明的转子叶片包括至少两个涡流发生器：主涡流发生器和副涡流发生器。所述两个涡流发生器的高度是不同的。所述高度指的是涡流发生器在涡流发生器所安装到的转子叶片的特定位置处垂直于转子叶片的表面的延伸。换句话说，涡流发生器远离转子叶片的表面突出，并且涡流发生器的高度被当作涡流发生器到转子叶片的表面的最远点的最小距离。应当注意的是，在所述主涡流发生器和所述副涡流发生器之间的高度上的差异意在是超过所述主涡流发生器的高度的10%的高度上的差异。换句话说，按照本专利申请中的理解，例如由制造偏差造成的自然地出现的高度上的微小差异不足以作为所述主涡流发生器和所述副涡流发生器之间的合格的高度差。特别地，所述主涡流发生器的高度超过所述副涡流发生器的高度的两倍。

本发明的关键方面在于，对小的边界层厚度而言，所述主涡流发生器和所述副涡流发生器被选择成使得所述副涡流发生器取消或至少降低所述主涡流发生器的效果或影响；但是，对大的边界层厚度而言，所述副涡流发生器是"不可见的"，即不起作用的（inactive）。因此，包括所述主涡流发生器和所述副涡流发生器的涡流发生器布置的效果取决于边界层厚度。

所述边界层表示与转子叶片的表面相邻的流层（flowlayer），并且其中，气流的速度从其所谓的外流速向下变化至所述表面处的零值。特别地，对于远离所述表面的距离增加，气流的速度增加（例如，单调地）。所述边界层的厚度被限定成使得气流的速度达到自由流（free-stream）气流速度的99%。现代风力涡轮机的转子叶片的典型的边界层厚度在几毫米一直到几厘米的范围中。这些值表示针对具有例如4米的最大弦长和50米的沿叶展方向的长度的转子叶片的示例性的值。注意，边界层的厚度除其他参数外取决于攻角。所述边界层的厚度还取决于转子叶片是洁净的还是污染的。

对小于所述副涡流发生器的高度的边界层厚度而言，所述副涡流发生器被布置和制备成用于选择性地降低所述主涡流发生器对转子叶片的升力的影响。然而，要注意的是，即使是对于小于副涡流发生器的高度的边界层厚度，结果也可能是所述主涡流发生器对转子叶片的升力仍然具有一定的影响，即作用。同样，即使是对于大于副涡流发生器的高度的边界层厚度，尽管副涡流发生器完全地没入边界层内，结果也可能是副涡流发生器仍然使主涡流发生器的影响降低。涡流发生器在空气动力学上无效的界限高度也被称为转子叶片的粘性次层（viscoussub-layer）。

在本发明的一个实施例中，所述主涡流发生器和所述副涡流发生器位于转子叶片的吸力侧上。

涡流发生器放置在转子叶片的吸力侧上是有利的，这是因为与转子叶片的压力侧相比，主要失速的涡流发生器的有效影响在转子叶片的吸力侧处更加相关（morerelevant）。

在本发明的另一实施例中，所述主涡流发生器和所述副涡流发生器基本上位于转子叶片的相同的叶展向位置处。

所述叶展向位置涉及转子叶片的叶展。转子叶片的叶展在转子叶片的根部部分和转子叶片的末端部分之间延伸。转子叶片的叶展也被称为其纵向轴线。关于配置成当它们一旦被安装到风力涡轮机的轮毂时围绕俯仰轴线（pitchaxis）倾斜的转子叶片，所述叶展可有利地基本上相当于转子叶片的俯仰轴线。但是，在弯曲的或曲形的（swept）转子叶片的情况下，所述叶展依循转子叶片的形状，并且因此也是弯曲的或曲形的。

在本发明的另一实施例中，所述主涡流发生器和所述副涡流发生器之间的距离小于所述转子叶片在所述主涡流发生器的叶展向位置处的弦长的10%、特别地小于所述弦长的5%、甚至更特别地小于所述弦长的2%。

主涡流发生器和副涡流发生器之间相对小的距离的优点在于副涡流发生器对主涡流发生器的影响较强。换句话说，副涡流发生器和主涡流发生器之间的距离必须足够小，使得在其中副涡流发生器基本上超出边界层的情况下，副涡流发生器对主涡流发生器的气动效率具有影响。

在下文中，给出了所述主涡流发生器的有利的尺寸。

第一方面涉及所述主涡流发生器关于其在转子叶片的表面上的弦向和叶展向位置的定位。所述主涡流发生器可以位于沿转子叶片的整个叶展的任何位置处。换句话说，在转子叶片的根部和转子叶片的末端之间的任何位置都是合适的。关于弦向位置，所述主涡流发生器在转子叶片的弦长的5%和60%之间的位置是优选的。注意，给出的值表示从转子叶片的前缘测量沿所述弦线所确定的位置。还要注意，由于转子叶片的弦长通常沿叶展变化，所以给出的值表示在安装所述主涡流发生器的叶展向位置处的弦长。

在第一优选实施例中，从转子叶片的根部测量，所述主涡流发生器位于转子叶片的叶展的50%和100%之间。关于其弦向位置，从转子叶片在所述主涡流发生器的叶展向位置处的前缘测量，所述主涡流发生器位于转子叶片的弦长的20%和55%之间。

在第二优选实施例中，从转子叶片的根部测量，所述主涡流发生器位于转子叶片的叶展的5%和50%之间。关于其弦向位置，从转子叶片在所述主涡流发生器的叶展向位置处的前缘测量，所述主涡流发生器位于转子叶片的弦长的5%和40%之间。

在第三优选实施例中，第一实施例和第二实施例被结合，从而产生了多个主涡流发生器，其中第一部分具有第一实施例的特性，并且第二部分具有第二实施例的特性。换句话说，提供了一种转子叶片，其至少包括处于5%和50%之间的叶展向位置以及5%和40%之间的弦向位置处的第一主涡流发生器，并且至少包括处于50%和100%之间的叶展向位置以及20%和55%之间的弦向位置处的第二主涡流发生器。

第二方面涉及所述主涡流发生器的最大高度。所述主涡流发生器的高度表示所述主涡流发生器的沿垂直于转子叶片的表面的方向在所述主涡流发生器被安装到转子叶片的所述表面上的位置处的延伸。由于一般而言，所述主涡流发生器具有拥有不同高度的形状，例如从所述主涡流发生器的上游端向下游端观察它具有增加的高度，所以所述最大高度指的是所述主涡流发生器的高度的最大值。

优选地，所述主涡流发生器具有在转子叶片的弦长的0.2%和4%之间、最优选为在所述弦长的0.3%和1%之间的最大高度。同样，所述副涡流发生器优选为具有在转子叶片的弦长的0.1%和1%之间、最优选为在所述弦长的0.1%和0.5%之间的最大高度。

在本发明的另一实施例中，转子叶片包括另一主涡流发生器和另一副涡流发生器。

因此，所述主涡流发生器和所述另一主涡流发生器构建成一对主涡流发生器。同样，所述副涡流发生器和所述另一副涡流发生器构建成一对副涡流发生器。

成对地布置涡流发生器在飞行器的领域以及在风力涡轮机的转子叶片的领域二者中是相当常见的。注意，原则上，如果一个涡流发生器像这样存在，则它也能工作并且产生涡流。但是，如果它们成对存在，则会提高涡流发生器的效率。

注意，针对所述主涡流发生器所提及的有利的位置和尺寸优选为也适用于所述另一主涡流发生器。特别地，所述主涡流发生器和所述另一主涡流发生器二者具有相似的位置和尺寸。

同样，有利的是，针对所述副涡流发生器所提及的位置和尺寸优选为也适用于所述另一副涡流发生器。特别地，所述副涡流发生器和所述另一副涡流发生器二者具有相似的位置和尺寸。

在本发明的另一实施例中，所述主涡流发生器和所述另一主涡流发生器从转子叶片的前缘部段向转子叶片的后缘部段在弦向方向上彼此背离。

主涡流发生器对的这种背离需要被理解成使得与主涡流发生器的下游端相比，所述主涡流发生器和所述另一主涡流发生器之间的最小距离在主涡流发生器的上游端处较小。

具有就它们的形状而言彼此背离的一对主涡流发生器的优点在于，通过涡流发生器产生的涡流不会彼此干涉和妨碍，到如果它们相对于彼此靠拢将可能出现这样的情况（即，彼此干涉和妨碍）的程度。

可替代地，所述主涡流发生器和所述另一主涡流发生器也可从转子叶片的前缘部段向转子叶片的后缘部段在弦向方向上彼此靠拢。注意，本发明的技术效果原则上对背离的和靠拢的主涡流发生器对二者都有效。

在本发明的一个实施例中，所述副涡流发生器和所述另一副涡流发生器从所述转子叶片的前缘部段向所述转子叶片的后缘部段在弦向方向上彼此靠拢。

可替代地，也可能是有利的是，如果所述一对副涡流发生器从转子叶片的前缘部段向转子叶片的后缘部段在弦向方向上彼此背离。

所述一对副涡流发生器彼此靠拢或彼此背离的事实对所产生的涡流是相对于彼此顺时针旋转还是相对于彼此逆时针旋转具有影响。取决于转子叶片的具体设计和目的，涡流的顺时针旋转或逆时针旋转都是可取的。

概括地说，不仅主涡流发生器对可以靠拢或背离，而且副涡流发生器对也可以靠拢或背离。原则上，如下的所有组合原则上都起作用并且能够产生如上文所述的发明的技术效果，即：靠拢的主涡流发生器对和靠拢的副涡流发生器对；靠拢的主涡流发生器对和背离的副涡流发生器对；背离的主涡流发生器对和靠拢的副涡流发生器对；以及背离的主涡流发生器对和背离的副涡流发生器对。注意，由于关于副涡流发生器对在上游放置主涡流发生器对或关于主涡流发生器对在上游放置副涡流发生器对的进一步选择（这些选择将在下文中进一步更详细地描述），原则上可能有甚至更多的组合。

在本发明的另一实施例中，所述副涡流发生器位于所述主涡流发生器的上游。可替代地，所述副涡流发生器位于所述主涡流发生器的下游。

此外，取决于转子叶片的具体实现，其中涡流发生器是转子叶片的一部分并且用于转子叶片的具体操作，两种配置都是可能的并且似乎是有前途的。

在本发明的另一实施例中，所述主涡流发生器和所述副涡流发生器彼此合并，使得所述主涡流发生器和所述副涡流发生器构建成一个单一的设备。

原则上，所述主涡流发生器和所述副涡流发生器二者可以被设计为两个单独的部件（piece）。因此，除了它们被安装在转子叶片的相同的表面部分上，它们不具有到彼此的物理联接。但是，在本发明的可能的实施例中，如果两个涡流发生器合并可能是有利的。这在气动效率方面可能是有利的，因为从涡流发生器的布置的上游端到所述布置的下游端不存在边缘或轮缘或障碍物。

在本发明的另一实施例中，所述副涡流发生器被配置为用于引导主涡流远离所述转子叶片的表面的涡流偏转器。

例如，此涡流偏转器可以被成形为耙状物（rake）。

本发明还涉及一种风力涡轮机，其包括至少一个如上述实施例中的一个中所述的转子叶片。

风力涡轮机被当作将来自风的动能转换成旋转能的设备。随后，所述旋转能被用于产生电。风力涡轮机还表示风力发电厂。

附图说明

现在参考附图，仅借助于示例来描述本发明的实施例，附图中：

图1示出了一种风力涡轮机；

图2示出了风力涡轮机的转子叶片；

图3示出了具有涡流发生器的风力涡轮机的转子叶片的一部分的透视图；

图4示出了转子叶片的翼型（airfoilprofile）的剖视图；

图5示出了不同的边界层厚度；

图6A示出了取决于针对不同转子叶片的攻角的升力系数；

图6B示出了针对如图6A中所示的转子叶片的相应的升阻比；

图7示出了本发明的第一实施例；

图8示出了本发明的第二实施例；

图9示出了本发明的第三实施例；

图10示出了本发明的第四实施例；以及

图11示出了本发明的第五实施例。

附图中的图示采用示意性的形式。应当注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件可配有相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中，示出了风力涡轮机10。风力涡轮机10包括机舱12和塔11。机舱12被安装在塔11的顶部处。机舱12被安装成借助于偏航轴承关于塔11可旋转。机舱12关于塔11的旋转轴线被称为偏航轴线。

风力涡轮机10还包括具有三个转子叶片20（图1中描绘了其中两个转子叶片20）的轮毂13。轮毂13被安装成借助于主轴承关于机舱12可旋转。轮毂13被安装成围绕转子的旋转轴线14可旋转。

此外，风力涡轮机10还包括主轴，其将轮毂13与发电机15的转子连接。轮毂13被直接连接到所述转子，因而风力涡轮机10被称为无传动装置的直驱式风力涡轮机。作为替代方案，轮毂13也可以经由齿轮箱连接到所述转子。这种类型的风力涡轮机被称为齿轮传动式的风力涡轮机。

发电机15被容纳在机舱12内。它包括所述转子和定子。发电机15被布置和制备成用于将来自所述转子的旋转能转换成电能。

图2示出了风力涡轮机的转子叶片20。转子叶片20包括具有根部211的根部部段21和具有末端221的末端部段22。根部211和末端221实质上通过依循转子叶片20的形状的叶展（span）26来连接。如果所述转子叶片为矩形形状的物体，则叶展26将是直线。但是，当转子叶片20以变化的厚度为特征时，叶展26也是略微弯曲或弯的。注意，如果转子叶片20自身是弯的，则叶展26也将是弯的。

此外，转子叶片20还包括具有前缘241的前缘部段24和具有后缘231的后缘部段23。

后缘部段23围绕后缘231。同样，前缘部段24围绕前缘241。

在每个叶展向位置处，能够限定将前缘241与后缘231连接的弦线27。注意，弦线27垂直于叶展26。在弦线包括最大弦长的区域中限定肩部28。

此外，转子叶片20能够被划分成内侧部段（inboardsection）和外侧部段（outboardsection），所述内侧部段包括转子叶片20的与根部部段21相邻的一半，所述外侧部段包括转子叶片20的与末端部段22相邻的一半。

图3示出了转子叶片20的一部分的透视图。能够看到吸力侧252，并且其与压力侧251相对。当转子叶片20按照图3中的剖面切口来切割时，能够看到弦线27，所述弦线27是前缘241和后缘231之间的直通和平直的线（directandstraightline）。注意，后缘231沿垂直于弦线27的方向包括一定的延伸部。对于50米长的转子叶片，此延伸部可处于几毫米的范围中。如果此延伸部是非常突出的（作为示例，包括几厘米），则所述后缘也被称为平背式（flatback）后缘。

应当注意的是，在转子叶片20的吸力侧252上的涡流发生器布置包括四组涡流发生器。每组包括一对主涡流发生器30和一对副涡流发生器40。副涡流发生器从前缘241向后缘231在弦向方向上彼此靠拢，而主涡流发生器30从前缘241向后缘231在所述弦向方向上彼此背离。所述的多组涡流发生器沿基本上平行于转子叶片20的叶展的线来布置。

图4图示了边界层51，其包围所述转子叶片的表面。能够看到以一定角度冲击转子叶片的进入气流53，所述角度被称为攻角55。边界层厚度52沿转子叶片的弦向位置而变化。注意，图4仅给出了相对的边界层厚度变化的示例，并且许多替代方案和变型在具体的情况下是可能的。边界层厚度52表示相对于转子叶片的表面和气流53的速度达到自由流（freestream）的气流速度的99%的值所处的距离的垂直延伸。这能够通过气流54的速度剖面（velocityprofile）来可视化。如果气流如它在图4中所示的那样被附着（attach）（即，依附（stick））到转子叶片的表面，则能够实现高度的气动效率和升力。但是，如果边界层在弦向位置的一定范围处分离，例如对于从转子叶片的前缘241确定的大于70%的每个弦向位置，这种转子叶片的分离也被称为失速（stall）。失速通常显著地降低转子叶片的升力系数。注意，边界层51的属性很大程度上取决于气流53冲击转子叶片的攻角55。

在图5中，借助于关于包围转子叶片的表面的边界层厚度的不同情形来解释发明构思。图5示出了主涡流发生器30和副涡流发生器40，它们二者都附接到转子叶片的吸力侧252。如果气流53沿吸力侧252的表面流动，则边界层能够归因于所述气流。

第一边界层厚度521表示以小攻角操作的洁净的转子叶片。相比之下，附图标记522表示大于边界层厚度521的第二边界层厚度。第二边界层厚度522表示以大攻角操作的洁净的转子叶片。然而，即使是对于大的攻角，副涡流发生器40也从所述边界层中突出，并且因此，是在空气动力学方面起作用的（active）。换句话说，副涡流发生器40对主涡流发生器30具有影响，所述主涡流发生器30以距离56布置在副涡流发生器40的下游。

主涡流发生器30的高度显著地大于副涡流发生器40的高度。

图5还示出了导致边界层的不同厚度的转子叶片的两种其他情形。附图标记523表示第三边界层厚度，其表示以小攻角操作的污染（soiled）的转子叶片。相反，附图标记524表示现在以大攻角操作的相同的污染转子叶片。注意，对于两种攻角，副涡流发生器40完全地没入边界层中。

在图5中可视化的本发明的关键方面在于，通过选择主涡流发生器和副涡流发生器的适当的和定制的尺寸和距离，如下配置是可能的，即：其中，在污染的转子叶片的情况下，对于每个可能的和相关的攻角，副涡流发生器40完全地没入边界层中；而对于洁净的转子叶片的任何相关的攻角，副涡流发生器40从边界层中伸出。这转化成如下结果，即：转子叶片一被污染，主涡流发生器30就有效，并且只要转子叶片是洁净的，主涡流发生器30就变得无效。因此，本发明提供了一种具有主涡流发生器的转子叶片，像这样的主涡流发生器能够借助于上游定位的副涡流发生器来“接通或断开”，所述副涡流发生器是有效或无效的，这取决于转子叶片是污染的还是洁净的。这是有利的，因为在洁净的转子叶片的情况下，最大升力系数已经较高，并且最大升力系数的进一步增加将需要更高的结构稳定性要求。然而，对于污染的转子叶片，升力系数已经自然地降低，使得期望借助于主涡流发生器来提高转子叶片的升力。注意，此说明指的是如图5中描绘的包括副涡流发生器40和主涡流发生器30的涡流发生器的布置的特定情况。

图6A和图6B解释了与常规的涡流发生器相比以及与无涡流发生器相比，发明的涡流发生器对升力曲线和升阻比曲线的技术效果。特别地，图6A和图6B示出了各自取决于攻角55的升力系数61和升阻比62。注意，任何涡流发生器通常具有一定的阻力。换句话说，它对转子叶片的总阻力有贡献。通常，不期望增加转子叶片的阻力，这是因为它会降低转子叶片的效率。

图6A示出了针对转子叶片的不同升力曲线。第一升力曲线611示出了针对小到中等的攻角的范围的单调增加。这意味着，在小攻角和中等攻角的宽阔范围中，升力系数61随攻角增加而增加。在实践中，这意味着转子叶片所产生的升力通过增加攻角来增加，这可通过如下方式引起，即：改变进风（incomingwind）的角度，或通过有意地使转子叶片倾斜（pitch），使得进风以不同的角度冲击转子叶片。升力系数61增加，直到达到最大值。达到所述最大值的攻角利用附图标记551来表示。升力系数的减小表明在转子叶片处发生失速。

总的趋势是：升力系数在小攻角和中等攻角之间单调增加，直到它达到最大升力。随后，在中等攻角和大攻角之间，升力系数通常减小。第一曲线611表示在没有涡流发生器的情况下的洁净转子叶片的典型的升力曲线。通过给洁净的转子叶片提供常规的涡流发生器，所述升力曲线转移至第二升力曲线612。

这种转变的一个效果是失速的延迟。换句话说，发生失速的攻角被转移至更高的值552。因此，所述转子叶片能够在攻角55的更大范围中利用附着的边界层来操作。

升力曲线的所述转移的另一效果在于升力系数本身（assuch）被转移至更高的值。因此，与表示处于没有任何涡流发生器的情况下的相同转子叶片的第一升力曲线相比，升力系数在其最大值处的绝对值增加。这种最大升力系数的增加一般伴随着转子叶片的极限或最大荷载的增加，这可能是有问题的。

升力曲线613和升力曲线614表示在其表面处具有污物的相同的转子叶片。所述转子叶片的污物表示表面部段处的附加层和/或表示现有转子叶片表面的腐蚀。转子叶片通常在前缘部段处被污染，从而可能达到下游直到与所述转子叶片的弦长相应（respectiveto）的中间位置。转子叶片的污染使总体的升力曲线降低。这对于没有涡流发生器的污染的转子叶片的情况（赋予附图标记613）是有效的，并且对于通过第四升力曲线614表示的具有常规的涡流发生器的污染的转子叶片的情况是有效的。升力系数的总体降低一般是不期望的，因为它会降低升阻比，并且因此，降低通过转子叶片和风力涡轮机作为一个整体能够获得的能量。

具有发明的涡流发生器的洁净的转子叶片通过第五升力曲线615来表示。所述洁净的转子叶片以相对薄的边界层为特征，使得副涡流发生器起作用并且降低主涡流发生器对转子叶片的升力的影响。这能够在图6A中清楚地看到。与表示具有常规的涡流发生器的洁净转子叶片的第二升力曲线612相比，具有所述发明的涡流发生器的洁净转子叶片的升力曲线被转移至较低的升力系数值。

在污染的转子叶片的情况下，能够假定厚的边界层使得副涡流发生器完全地没入到边界层中，从而导致主涡流发生器基本上不受影响。因此，污染的转子叶片的升力曲线在提供常规的涡流发生器和发明的涡流发生器的情况之间不会显著地改变。换句话说，具有发明的涡流发生器的污染的转子叶片的升力曲线与表示具有常规的涡流发生器的污染的转子叶片的第四升力曲线近似相同。

附图标记551至555表示升力系数为最大（因此，假定发生失速）处的攻角。此外，攻角559和攻角558之间的攻角范围被称为设计区域。所述设计区域被理解为是设计成操作转子叶片的攻角范围。

图6B示出了针对图6A的五个升力曲线的升阻比。注意，假定了这些涡流发生器的典型阻力值，以便获得图6B的升阻曲线（lifttodragcurve）。类似于图6A，第一升阻曲线621表示没有涡流发生器的洁净的转子叶片，第二升阻曲线622表示具有常规的涡流发生器的洁净的转子叶片，第三升阻曲线623表示没有涡流发生器的污染的转子叶片，以及第四升阻曲线624表示具有常规的涡流发生器的污染的转子叶片。

由于设置了发明的涡流发生器，获得以下升阻曲线：

*对于具有发明的涡流发生器的洁净的转子叶片的情况，获得了第五升阻曲线625。第五升阻曲线625在攻角558和攻角559之间的设计区域中具有高的升阻值（lifttodragvalue）。

*对于具有发明的涡流发生器的污染的转子叶片的情况，所述升阻曲线基本上与代表具有常规的涡流发生器的污染的转子叶片的第四升阻曲线624重合。

因此，能够得出结论，在洁净的转子叶片的情况下，通过设置发明的涡流发生器，至少在攻角的所述设计区域中实现了明显的优势和升阻值的增加；给予第五升阻曲线625和第二升阻曲线622之间的差异。在污染的转子叶片的情况下，具有发明的涡流发生器的升阻曲线没有显著地降低；因此，它基本上保持在相同的水平上。因此，提高了转子叶片的总体性能。

图7至图11示出了如何能够实现具有主涡流发生器和副涡流发生器的转子叶片的五个具体的实施例。

图7示出了第一实施例。可视化了包括主涡流发生器30和另一主涡流发生器31的一对涡流发生器。分别沿气流的方向观察，即从前缘向后缘观察，主涡流发生器30和所述另一主涡流发生器31彼此背离。此外，一对副涡流发生器被安装到所述转子叶片的吸力侧252。所述一对副涡流发生器包括副涡流发生器40和另一副涡流发生器41。

图7示出了通过这些涡流发生器所产生的涡流。具体而言，所示出的是，主涡流发生器30能够产生涡流，即主涡流301，其具有特定的旋转轴线302。同样，所述另一主涡流发生器31产生另一主涡流311，其具有所述另一主涡流的旋转轴线312。

具体而言，主涡流301沿顺时针方向旋转，而所述另一主涡流311沿逆时针方向旋转（在两种情况下从涡流发生器的下游侧观察）。因此，能够说主涡流301和所述另一主涡流311的旋转方向是反向旋转。

副涡流发生器40也产生涡流，其被称为第二涡流401，具有旋转轴线402。同样，所述另一副涡流发生器41产生另一第二涡流411，其包括所述另一第二涡流的旋转轴线412。所述另一副涡流发生器41和副涡流发生器40相对于气流的方向彼此靠拢。

具体而言，第二涡流401沿逆时针方向旋转，而所述另一第二涡流411沿顺时针方向旋转（在两种情况下从涡流发生器的下游侧观察）。因此，能够说第二涡流401和所述另一第二涡流411与主涡流和所述另一主涡流相似相对于彼此反向旋转。

图8示出了本发明的第二实施例。原则上，第二实施例与第一实施例相似。它不同在于如下事实，即：所述一对副涡流发生器40、41位于所述一对主涡流发生器30、31的下游。但是，副涡流发生器40、41对主涡流发生器30、31所产生的涡流的取消或降低效果是相似的。因此，第二实施例也代表了达到本发明的目标的有希望的方法。

图9与第二实施例相似，并且表示本发明的第三实施例。第三实施例与第二实施例相比的差异在于：所述一对副涡流发生器40、41沿气流的方向观察彼此背离。据信副涡流发生器的第二涡流主要降低了或甚至取消了通过主涡流发生器30、31产生的主涡流的二次涡流（secondaryvortex）。

注意，涡流发生器不仅能够产生涡流，而且原则上还能够产生二次涡流。这对任何尺寸的涡流发生器而言一般都是有效的，但在本发明的背景下对主涡流发生器而言更加相关。因此，据信主涡流发生器不仅产生主涡流，而且还产生二次涡流。

在如图9中表示的第三实施例的情况下，主涡流发生器所产生的二次涡流与通过副涡流发生器40、41产生的第二涡流相互作用。

概括地说，取决于边界层的厚度，如图9中所示的实施例也能够影响主涡流发生器的作用（activity）或效率。因此，第三实施例也代表了设计转子叶片的涡流发生器的有希望的方式。

图10表示本发明的第四实施例。第四实施例表示一对连续的涡流发生器，其中，副涡流发生器40会合（converge）（即，延续）到主涡流发生器30中。同样，对另一副涡流发生器41而言也是这种情况，其会合到另一主涡流发生器31中。第四实施例的优点在于它仅包括必须安装在转子叶片的表面上的一半部件，并且由于其圆整形状，它没有可产生涡流或其他扰动的边缘和轮缘（rim）等。

最后，图11示出了本发明的第五实施例。在这种情况下，也提供了一种连续的涡流发生器布置。副涡流发生器40、41被成形为从转子叶片的表面推开涡流的涡流偏转器。因此，这也导致了边界层的重新供能。第五实施例的关键特征在于，与现有技术水平对比，此涡流偏转器40、41就其效率或作用而言也在很大程度上取决于边界层的厚度。

因此，第五实施例在洁净的转子叶片的情况下也能够显著地改变升阻比，而且如果表面部分被污染，能够使转子叶片的升阻值与常规的涡流发生器相比处于相同的水平。

Claims (17)

1.一种风力涡轮机（10）的转子叶片（20），

其中，所述转子叶片（20）包括：

主涡流发生器（30），其配置成产生主涡流（301），以及

副涡流发生器（40），其配置成产生第二涡流（401），

其特征在于，

所述主涡流发生器（30）的高度大于所述副涡流发生器（40）的高度，以及

所述主涡流发生器（30）和所述副涡流发生器（40）关于彼此被配置和布置成使得：

对小于所述副涡流发生器（40）的高度的边界层厚度（52）而言，所述副涡流发生器（40）降低、特别是抵消所述主涡流发生器（30）对所述转子叶片（20）的升力的影响，以及

对大于所述副涡流发生器（40）的高度的边界层厚度（52）而言，所述转子叶片（20）的升力基本上不受所述副涡流发生器（40）的存在影响。

2.根据权利要求1所述的转子叶片（20），

其特征在于，所述主涡流发生器（30）和所述副涡流发生器（40）位于所述转子叶片（20）的吸力侧（252）上。

3.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），

其特征在于，所述主涡流发生器（30）和所述副涡流发生器（40）基本上位于所述转子叶片（20）的相同的叶展向位置处。

4.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），

其特征在于，所述主涡流发生器（30）和所述副涡流发生器（40）之间的距离小于所述转子叶片（20）在所述主涡流发生器（30）的叶展向位置处的弦长的10%、特别地小于所述弦长的5%、甚至更特别地小于所述弦长的2%。

5.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），其特征在于，从所述转子叶片（20）在所述主涡流发生器（30）的叶展向位置处的前缘（241）测量，所述主涡流发生器（30）位于所述转子叶片（20）的弦长的5%和60%之间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），其特征在于，

从所述转子叶片（20）的根部（211）测量，所述主涡流发生器（30）位于所述转子叶片（20）的叶展（26）的50%和100%之间；以及

从所述转子叶片（20）在所述主涡流发生器（30）的叶展向位置处的前缘（241）测量，所述主涡流发生器（30）位于所述转子叶片（20）的弦长的20%和55%之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），其特征在于，

从所述转子叶片（20）的根部（211）测量，所述主涡流发生器（30）位于所述转子叶片（20）的叶展（26）的5%和50%之间；以及

从所述转子叶片（20）在所述主涡流发生器（30）的叶展向位置处的前缘（241）测量，所述主涡流发生器（30）位于所述转子叶片（20）的弦长的5%和40%之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），

其特征在于，

所述主涡流发生器（30）具有最大高度，所述最大高度在所述转子叶片（20）在所述主涡流发生器（30）的叶展向位置处的弦长的0.2%和4%之间，优选为在所述弦长的0.3%和1%之间；和/或

所述副涡流发生器（30）具有最大高度，所述最大高度在所述转子叶片（20）在所述主涡流发生器（30）的叶展向位置处的弦长的0.1%和1%之间，优选为在所述弦长的0.1%和0.5%之间。

9.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），

其特征在于，

所述转子叶片（20）包括另一主涡流发生器（31），因而所述主涡流发生器（30）和所述另一主涡流发生器（31）构建成一对主涡流发生器，以及

所述转子叶片（20）包括另一副涡流发生器（41），因而所述副涡流发生器（40）和所述另一副涡流发生器（41）构建成一对副涡流发生器。

10.根据权利要求9所述的转子叶片（20），

其特征在于，所述主涡流发生器（30）和所述另一主涡流发生器（31）从所述转子叶片（20）的前缘部段（24）向所述转子叶片（20）的后缘部段（23）在弦向方向上彼此背离。

11.根据权利要求9所述的转子叶片（20），

其特征在于，所述主涡流发生器（30）和所述另一主涡流发生器（31）从所述转子叶片（20）的前缘部段（24）向所述转子叶片（20）的后缘部段（23）在弦向方向上彼此靠拢。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的转子叶片（20），

其特征在于，所述副涡流发生器（40）和所述另一副涡流发生器（41）从所述转子叶片（20）的前缘部段（24）向所述转子叶片（20）的后缘部段（23）在弦向方向上彼此靠拢。

13.根据权利要求9至11中任一项所述的转子叶片（20），

其特征在于，所述副涡流发生器（40）和所述另一副涡流发生器（41）从所述转子叶片（20）的前缘部段（24）向所述转子叶片（20）的后缘部段（23）在弦向方向上彼此背离。

14.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），

其特征在于，所述副涡流发生器（40）位于所述主涡流发生器（30）的上游。

15.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），

其特征在于，所述主涡流发生器（30）和所述副涡流发生器（40）彼此合并，使得所述主涡流发生器（30）和所述副涡流发生器（40）构建成一个单一的设备。

16.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），

其特征在于，所述副涡流发生器（40）被配置为用于引导所述主涡流（301）远离所述转子叶片（20）的表面的涡流偏转器。

17.一种风力涡轮机（10），其包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20）。