專利名稱：帶有用于改善流動的結構化表面的風力發(fā)電設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電設備，其包括一立桿、帶有多個轉子葉片的一轉子、一機艙和必要時其他繞流部件。
在參與發(fā)電方面，有不同功率的風力透平已經(jīng)占有穩(wěn)定的地位。通過近年來的進一步發(fā)展，風力發(fā)電設備變得越來越多和更加有效。
被風力發(fā)電設備轉子掠過的面積可以看作可由其提取風能的面積。實際上不利的是，在此面積內(nèi)風力發(fā)電設備各種部件，如立桿、機艙和整流罩或風力發(fā)電設備的軸都對氣流有干擾。由此產(chǎn)生旋流、紊流和避風處，它們導致減少轉子掠過的面積并因而導致降低發(fā)電量。
此外還有一個缺點是，由于產(chǎn)生紊流對沿風向在下游的風力發(fā)電設備也有負面的影響。因為在此風力發(fā)電設備上作用了一種至少部分有干擾的紊流氣流，從而降低其效率。
另一個缺點可認為在于，各轉子葉片所遭受氣流的力或壓力會導致彎曲負荷。當轉子葉片掠過風力發(fā)電設備的立桿時，轉子葉片短時間卸荷。因此導致一種周期性的負荷變化，它表現(xiàn)為不希望的振動。這種動力學效應經(jīng)由轉子葉片輪轂、發(fā)電機、軸承、軸、驅(qū)動裝置、傳動裝置，一直傳播到立桿，所以全部構件都須在尺寸上設計得更大，以保證需要的疲勞強度。這些預防措施導致提高風力發(fā)電設備的成本。
由WO 97/04280A1已知通過紋理結構化的表面影響繞流流體的邊界層，當然為此需要電或磁場。
因此本發(fā)明涉及的問題是創(chuàng)造一種克服上述缺點并與此同時改善流動特性的風力發(fā)電設備。
為了解決此問題，在前言所述類型的風力發(fā)電設備中按本發(fā)明規(guī)定，所述立桿和/或轉子葉片和/或機艙和/或其他部件的表面上至少部分具有一些改善流動的凹穴。
與已知的帶有光滑表面的風力發(fā)電設備不同，在按本發(fā)明的風力發(fā)電設備上設凹穴或相應的隆凸，以改善流動。這些凹穴影響氣流，尤其是邊界附面層，也就是構件表面與未被擾動的流動之間的區(qū)域。對于在先有技術中使用的光滑表面，流體在入流側按層流入流，在此位置存在未擾動的流動。轉變點表示層流與紊流之間的過渡。在轉變點之后氣流產(chǎn)生渦旋，從而導致氣流阻力激烈增大。在按本發(fā)明帶有表面凹穴和隆凸的風力發(fā)電設備中，所述的轉變點沿流動方向移動，也就是推遲渦流的形成，降低了流阻。由于減小了流阻，整個風力發(fā)電設備降低了振動的傾向，所以各機械構件的負荷較小。另一個優(yōu)點在于減小了轉子立桿與掠過的轉子葉片之間的相互作用，由此同樣減少轉子葉片的彎曲負荷。
按本發(fā)明的風力發(fā)電設備另一個優(yōu)點可認為是，在風力發(fā)電設備后面的尾流區(qū)內(nèi)的氣流受較小的干擾，所以幾乎不影響后續(xù)的風力發(fā)電設備。因此允許在一個風場內(nèi)以彼此較小的間距部署多個風力發(fā)電設備，從而可以提高風場面積的能量密度。
有利地，按本發(fā)明的風力發(fā)電設備較少受污物和結冰的困擾。這一效果歸諸于在凹穴內(nèi)更高的空氣速度。
此外，按本發(fā)明的風力發(fā)電設備有一個優(yōu)點，即，與傳統(tǒng)的設備相比減小了噪聲的發(fā)生。從風力發(fā)電設備傳給地面的所形成的噪聲水平以及周期性的振動都是不希望的，因為這些會使毗鄰的居民感在不舒服。采用按本發(fā)明的風力發(fā)電設備可有助于解決這一問題，因為極大地減少所述的影響，從而導致對此項技術高度的認可。
按本發(fā)明的風力發(fā)電設備表面上的凹穴可有不同的形狀。特別有利的是，它們基本上有半球的形狀。
采用如高爾夫球上類似設計的表面，它們通過氣動效果賦予高爾夫球更好的飛行特性。采用半球形作為凹穴尤其出現(xiàn)在那些從不同方向入流的地方，例如在轉子立桿上。然而也可以采用其他設計的凹穴，例如有半液滴形的形狀。液滴形特別有利于流動，也就是說它們只造成很小的阻力。液滴形特別適用于轉子葉片，因為在轉子葉片上的入流方向基本上不變。
有利地，凹穴規(guī)則排列在表面上。例如凹穴可以排列成行，其中相鄰的行可互相錯開布置。以此方式達到面積的充分利用。
凹穴在轉子葉片上主要設在轉子葉片層流與紊流之間的轉變點與其端棱之間的區(qū)域內(nèi)可有突出的優(yōu)點。在此設計中，轉子葉片層流繞流的鼻區(qū)沒有凹穴。將凹穴設在傳統(tǒng)的轉子葉片中發(fā)生層流與紊流之間轉變的那個區(qū)域內(nèi)。凹穴促使轉變點沿流動方向移動，所以延長了流動的層流行程。這一效果帶來的結果是，與傳統(tǒng)的風力發(fā)電設備相比使紊流區(qū)顯著變窄。
若凹穴設在扁薄的載體材料上，本發(fā)明可以特別容易實現(xiàn)，載體材料可以固定在風力發(fā)電設備上。以此方式風力發(fā)電設備也可以事后設置帶有凹穴的表面結構。若載體材料是薄膜，尤其是自粘式薄膜，操作特別簡單。
本發(fā)明的其他優(yōu)點和詳情參見附圖借助實施例說明。這些附圖是示意圖，其中

圖1表示在按本發(fā)明的風力發(fā)電設備表面上的半球形凹穴的剖切側視圖；圖2-7表示圖1所示凹穴和當空氣掠過時各個步驟的氣動效果；圖8表示在凹穴處形成渦流；圖9表示帶有按規(guī)則排列的凹穴的場區(qū)以及由此造成的流動過程的俯視圖；圖10表示傳統(tǒng)的風力發(fā)電設備轉子立桿的入流和由此造成的流場的水平剖視圖；圖11表示按本發(fā)明的風力發(fā)電設備的轉子立桿和由此造成的流場的水平剖視圖；以及圖12表示按本發(fā)明的風力發(fā)電設備，它的表面至少部分具有一些用于改善流動的凹穴。
圖1用剖切側視圖表示風力發(fā)電設備的表面2內(nèi)的半球形凹穴1。由圖1可以看出，表面2有基本上平行于表面的入流。在本實施例中表示的半球形凹穴1僅作為范例以便于理解。也可以取代半球形選擇半液滴形或其他導致改善流動的形狀。
當空氣掠過凹穴1時在凹穴1內(nèi)形成氣渦3，它有助于空氣掠過并加速空氣容積流動。這種效果的強弱取決于入流速度、入流角、氣壓、空氣溫度、凹穴1的形狀和布局。在每個凹穴內(nèi)形成的渦旋3使掠過的空氣如“滾珠軸承”那樣作用，因此不干擾或僅少量干擾表面2上的層流流動。
圖2-7表示圖1所示凹穴1和在空氣掠過時各個步驟的氣動效果。
圖2是俯視圖以及代表風力發(fā)電設備一個部件的表面2，它設有凹穴1。在圖2中可以看到半球形凹穴1圓形的棱邊。凹穴1被掠過的空氣基本上層流地入流，由此首先造成兩個對稱的氣渦3、4。
圖3表示經(jīng)過短時間后的圖2所示凹穴。由于入流時的不對稱性，在凹穴內(nèi)形成占優(yōu)勢的渦旋3，反之，另一個氣渦4變得較弱。在圖3中還可以看出，掠過的空氣的流線5在氣渦3、4之間側向偏轉。
如圖4所示，占優(yōu)勢的一側氣渦3發(fā)展成“龍卷風”，也就是說，形成一個小的局部渦旋，空氣在其中上升，從而使它離開表面2。因此由凹穴1形成一個氣渦3，它沿流動方向進一步推動掠過的空氣。由圖4還可看出，掠過的空氣向一側偏轉。
圖5表示短時間后的流動狀況。氣渦3由于流動不對稱性在短時間后重新瓦解，從而減小主導渦旋的強度。與此同時，另一個氣渦4開始擴張。與圖4的狀態(tài)不同，掠過的空氣在這種情況下未經(jīng)受方向偏移，也就是說它未受影響。
圖6表示略晚些時候的流動狀況。氣渦4開始占主導地位，因為它比另一個氣渦3大得多也強得多。還可以看出，掠過的空氣流線6經(jīng)受朝側向的偏轉。氣渦3、4有相反的旋轉方向，因此，掠過的空氣的流線6與圖4所示氣渦3占主導優(yōu)勢的狀態(tài)相比朝相反的側向偏轉。
圖7表示經(jīng)短時間后的流動狀況。與氣渦3逆流的氣渦4發(fā)展成一個更大的渦旋，它在凹穴1中沿流動方向進一步推動掠過的空氣。
在進一步的過程中，氣渦4也由于流動的不對稱性重新瓦解，從而連續(xù)地重復所表示的順序。
圖8表示在凹穴處渦流的形成。風力發(fā)電設備通常包括許多凹穴1，它們設計在轉子葉片、立桿、機艙或其他繞流部件的表面上。從每一個凹穴1出發(fā)構成小的渦流，它們沿流動方向推動掠過的空氣。經(jīng)過一些時間后渦旋瓦解并形成一個有相反的旋轉方向的渦旋。在這里相鄰的凹穴1、7可以有相同或相反的旋轉方向。在掠過的空氣與表面之間的邊界附面層內(nèi)的摩擦阻力減小，此外，支持和加速表面上的空氣流動。因為一個封閉系統(tǒng)的總能量不可能增大，所以與此同時在另一些位置例如通過摩擦作用消耗能量，也就是說，傳統(tǒng)系統(tǒng)的摩擦能量在這里被部分利用于造成氣渦，氣渦又降低總摩擦損失。
圖9表示一個帶有按規(guī)則排列的凹穴的場區(qū)以及造成的流場。由圖9可以看出，凹穴排列成水平的行，相鄰的行側向錯開，每個凹穴1與所有相鄰的凹穴有基本上相同的間距。左旋和右旋的氣渦隨時間交替變換，以及在繞流的表面2上形成這種交替渦旋的圖案，這些渦旋根據(jù)入流速度和其他氣動參數(shù)基本上從一個凹穴1到達下一個凹穴1。這些氣渦3、4沿整個表面2支持和加速氣流。
圖10示意表示傳統(tǒng)的風力發(fā)電設備轉子立桿的入流和造成的紊流場水平剖視圖。轉子立桿8有圓形截面。入流的空氣9基本上是層流，也就是說各流線彼此平行地延伸，空氣沒有紊流。沿流動方向觀察，轉變點10處于最大直徑區(qū)內(nèi)轉子立桿的左側和右側。轉變點10表示層流9轉變?yōu)槲闪?1所發(fā)生的地點。由圖10可以看出，有紊流11的尾流區(qū)有輕微的錐形，所以紊流區(qū)在風力發(fā)電設備后面逐漸增大。后續(xù)的風力發(fā)電設備進入的是紊流空氣，它導致降低設備的效率。
圖11是與圖10類似的圖，并表示了外側加有薄膜13的轉子立桿12，薄膜13有改善流動的凹穴。與圖10所示的轉子立桿不同，在設有薄膜13的入流的層流空氣16有長得多的層流行程，所以轉變點14沿流動方向后移。由圖11可以看出，轉變點14處于轉子立桿12最大直徑后方，所以流動直到那里摩擦很小。紊流15隨后才能形成。與圖10所示的例子不同，紊流15的區(qū)域小得多，所以對后續(xù)的風力發(fā)電設備的影響小得多。因此，一個風場內(nèi)的各個風力發(fā)電設備可以部署為有更小的間距，從而導致更好的面積利用和單位面積更大的發(fā)電量。
圖12在示意圖中表示一個風力發(fā)電設備，它的表面上至少部分具有一些改善流動的凹穴。總體用17表示的風力發(fā)電設備主要由一立桿12、一帶有多個轉子葉片18的轉子、安裝發(fā)電機的機艙19以及覆蓋轉子輪轂區(qū)的整流罩20組成。
在圖12中用陰影線表示風力發(fā)電設備17各組成部分表面設有凹穴的區(qū)域。轉子立桿12除了其下部外全都設有改善流動的凹穴。同樣，機艙19和整流罩20在其全部表面上設有凹穴。轉子葉片18在其上、下側有沿縱向延伸的條狀區(qū)，這些條狀區(qū)上設有凹穴。
與已公知的可達到減小摩擦約10％的鯊魚皮效應不同，對本發(fā)明風力發(fā)電設備的第一次初次試驗表明，在風力發(fā)電設備中可望改善約30％。
權利要求
1.一種風力發(fā)電設備，其包括一立桿、一帶有多個轉子葉片的轉子、一機艙和必要時其他繞流部件，其特征為所述立桿(12)和/或轉子葉片(18)和/或機艙(19)和/或其他繞流部件的表面上至少部分具有一些用于改善流動的凹穴(1)。
2.按照權利要求1所述的風力發(fā)電設備，其特征為所述凹穴(1)基本上具有一半球形或一半液滴狀的形狀。
3.按照權利要求1或2所述的風力發(fā)電設備，其特征為所述凹穴(1)規(guī)則排列。
4.按照上述任一項權利要求所述的風力發(fā)電設備，其特征為所述凹穴(1)排列成行。
5.按照權利要求4所述的風力發(fā)電設備，其特征為所述各行凹穴(1)互相錯開布置。
6.按照上述任一項權利要求所述的風力發(fā)電設備，其特征為所述凹穴(1)在一轉子葉片(18)上主要設在轉子葉片(18)層流與紊流之間的轉變點與轉子葉片(18)端棱之間的區(qū)域內(nèi)。
7.按照上述任一項權利要求所述的風力發(fā)電設備，其特征為所述凹穴(1)設計在一扁平的可固定在所述風力發(fā)電設備(17)上的載體材料上。
8.按照權利要求7所述的風力發(fā)電設備，其特征為所述載體材料是薄膜(13)。
9.按照上述任一項權利要求所述的風力發(fā)電設備，其特征為所述轉子葉片(18)的結構和型面與通過凹穴(1)改變后的失速速度相匹配。
10.按照上述任一項權利要求所述的風力發(fā)電設備，其特征為控制軟件與通過凹穴(1)改變后的失速速度相適應。
11.按照上述任一項權利要求所述的風力發(fā)電設備，其特征為它的表面對于污染和結冰不敏感。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電設備，其包括一立桿、帶有多個轉子葉片的一轉子、一機艙和必要時其他繞流部件。按照本發(fā)明，所述立桿(12)和/或轉子葉片(18)和/或機艙(19)和/或其他部件的表面上至少部分具有一些改善流動的凹穴(1)。
文檔編號F03D1/06GK1705822SQ200380101744
公開日2005年12月7日 申請日期2003年10月21日 優(yōu)先權日2002年10月22日
發(fā)明者曼弗雷德·赫布斯特 申請人:西門子公司