風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種包括根部和翼面部分的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，所述葉片包括：加厚區(qū)，在加厚區(qū)中，葉片具有至少0.45的厚度系數(shù)，加厚區(qū)從葉片的內(nèi)轂端向外延伸至葉片的翼面部分中；以及氣流修正裝置，氣流修正裝置在加厚區(qū)的至少一部分上被布置在葉片的壓力側(cè)上，氣流修正裝置包括擾流器和漩渦發(fā)生器，擾流器被實(shí)現(xiàn)成增加葉片提升力，漩渦發(fā)生器被布置在前緣與后緣之間并被實(shí)現(xiàn)成在漩渦發(fā)生器與擾流器之間保持附著氣流。本發(fā)明還描述了具有至少一個此類轉(zhuǎn)子葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)。本發(fā)明還描述了一種氣流修正裝置，用于針對具有至少0.45的厚度系數(shù)的葉片的區(qū)域修正風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的壓力側(cè)上的氣流。
【專利說明】風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明描述了風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片、風(fēng)力渦輪機(jī)以及氣流修正裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在常規(guī)風(fēng)力渦輪機(jī)中，許多葉片(通常是三個)被安裝到轂上，其能夠迎風(fēng)。每個葉片通常借助于變漿系統(tǒng)被連接到轂，使得能夠根據(jù)需要來調(diào)整葉片的俯仰角或“迎角”，例如以允許從風(fēng)中提取更多的能量或使葉片在大風(fēng)條件下朝向順漿偏航。在操作期間，葉片將來字符鞒的動能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)能量以便驅(qū)動發(fā)電機(jī)。具有約為幾兆瓦的高額定功率的風(fēng)力渦輪機(jī)正在開發(fā)中。針對此類大型風(fēng)力渦輪機(jī)，重要的是設(shè)計(jì)葉片，使得能夠從風(fēng)中提取盡可能多的能量。這可以通過延長葉片長度以增加可用表面面積來實(shí)現(xiàn)。然而，葉片的最大長度通常受到葉片尖端速度的約束，以避免不期望的噪聲水平。與長葉片相關(guān)聯(lián)的另一問題是較細(xì)的外端可能彎曲并與風(fēng)力渦輪機(jī)塔架相碰撞。因此，可以使轂(和機(jī)艙)從水平面向上傾斜幾度以使碰撞風(fēng)險(xiǎn)最小化。
[0003]在如何使葉片效率最大化的問題的一個方法中，可以使葉片的弦長朝著根部增力口，使得葉片的最寬點(diǎn)接近于轂。然而，此類葉片設(shè)計(jì)導(dǎo)致塔架上的較高負(fù)荷、較高制造成本和運(yùn)輸葉片方面的困難。
[0004]在致力于葉片碰撞方面的另一方法中，通過使用碳纖維而不是僅使用普通玻璃纖維來使得較長葉片更具有剛性。然而，此類葉片比常規(guī)玻璃纖維葉片更昂貴，并且可以相當(dāng)可觀地增加風(fēng)力渦輪機(jī)的總成本。
[0005]在另一方法中，與更纖細(xì)從而“較厚”的葉片設(shè)計(jì)相組合的擾流器的使用被認(rèn)為接近于根部，即葉片在圓形根部與較平坦的翼面部分之間的過渡區(qū)中具有約0.5的相對高的厚度系數(shù)。翼面的一段處的厚度系數(shù)被定義為最長垂直線與該段的垂直的弦長的比。在用于具有約2m的直徑的圓形根部的此葉片設(shè)計(jì)中，過渡區(qū)中的弦長被保持得相對短，以便減小其下部區(qū)域中的葉片上的拉伸負(fù)荷。擾流器用于改善相對厚的過渡區(qū)中的葉片的性能。然而，過渡區(qū)中的高厚度系數(shù)能夠?qū)е職饬麟S葉片旋轉(zhuǎn)而從葉片的壓力側(cè)分離。結(jié)果，減小了葉片的升力系數(shù)，降低了擾流器的有效性，并且還降低了葉片的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此本發(fā)明的目的是提供一種克服了上述問題的改善的葉片設(shè)計(jì)。
[0007]此目的由權(quán)利要求1的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，由權(quán)利要求13的風(fēng)力渦輪機(jī)以及由權(quán)利要求14的氣流修正裝置來實(shí)現(xiàn)。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，一種包括根部和翼面部分的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片包括:加厚區(qū)，在加厚區(qū)中，葉片具有至少0.45的厚度系數(shù)，該加厚區(qū)從葉片的內(nèi)轂端向外延伸到葉片的翼面部分中；以及氣流修正裝置，氣流修正裝置在加厚區(qū)的至少一部分上被布置在葉片的壓力側(cè)上，該氣流修正裝置包括擾流器(spoiler)和漩渦發(fā)生器，擾流器沿著葉片的后緣布置并被實(shí)現(xiàn)成增加葉片提升力，漩渦發(fā)生器被布置在前緣與后緣之間并被實(shí)現(xiàn)成保持漩渦發(fā)生器與擾流器之間的附著氣流，即確保氣流保持被附著在壓力側(cè)的表面上。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的優(yōu)點(diǎn)是厚葉片部分的空氣動力性質(zhì)被相當(dāng)可觀地改善，使得與現(xiàn)有技術(shù)葉片相比，能夠在葉片的長得多的部分上、甚至在葉片的整個長度或跨度上實(shí)現(xiàn)厚葉片設(shè)計(jì)，在所述現(xiàn)有技術(shù)葉片中，任何此類厚葉片部分至多局限于根部與翼面部分之間的相對短的臺肩或過渡區(qū)。擾流器和漩渦發(fā)生器一起作用以改善葉片的空氣動力性質(zhì)。漩渦發(fā)生器或“湍流器”用于引起局部湍流并用于對被激勵的空氣進(jìn)行混合或攪拌，促使其在擾流器的方向上沿著葉片壓力側(cè)的表面保持被附著在邊界層上。此氣流得以穩(wěn)定并隨著其沿著壓力側(cè)朝著葉片的尾緣或后緣區(qū)域中的擾流器行進(jìn)而保持被附著于表面。擾流器因此能夠達(dá)到其改善此較厚轉(zhuǎn)子葉片的空氣動力性質(zhì)的目的。漩渦發(fā)生器和擾流器的組合導(dǎo)致改善的性能，特別是對于在5°與25°之間的迎角而言，其是針對具有低旋轉(zhuǎn)速度的大型轉(zhuǎn)子上的葉片截面的典型范圍。此外，與“較平坦”葉片(其必須在臺肩區(qū)處較寬以便從風(fēng)中提取能量)相比，由于葉片的加厚區(qū)與較小的總阻力(表面摩擦和裸露阻力)和較高升力系數(shù)相關(guān)聯(lián)，根據(jù)本發(fā)明的葉片能夠被實(shí)現(xiàn)成在其鄰近于根部的下部區(qū)域中具有相對窄的外形或形狀。并且，通過使用漩渦發(fā)生器和擾流器的有利組合，能夠使得擾流器本身相對小，因?yàn)殇鰷u發(fā)生器確保氣流保持被附著，使得即使相對小的擾流器也始終“看到”氣流?！靶_流器”被理解成具有相對低的高度的擾流器。這些有利方面允許利用更簡單模具形狀且利用用于較低風(fēng)負(fù)荷的更簡單擾流器設(shè)計(jì)的更簡單直接的制造過程、具有不那么易碎的后緣的更穩(wěn)健的葉片設(shè)計(jì)、以及葉片到風(fēng)力渦輪機(jī)組裝場地的更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的另一優(yōu)點(diǎn)是葉片上的存在于更遠(yuǎn)外側(cè)的加厚區(qū)有利地增加了葉片剛度并從而幫助防止葉片塔架碰撞。加厚區(qū)與氣流修正裝置相結(jié)合確保了有利的壓力側(cè)氣流得以保持，盡管在外側(cè)區(qū)中具有相對厚的葉片。
[0011 ] 根據(jù)本發(fā)明，一種風(fēng)力渦輪機(jī)具有許多轉(zhuǎn)子葉片，其中，至少一個轉(zhuǎn)子葉片包括根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子葉片。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明，此類風(fēng)力渦輪機(jī)具有三個基本相同的轉(zhuǎn)子葉片。
[0012]此類風(fēng)力渦輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子葉片的任何延伸的加厚區(qū)使升力系數(shù)的損失和阻力的增加最小化，否則其對于具有增加的相對厚度的葉片而言是能夠預(yù)期的。根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)因此在從風(fēng)中提取能量方面更有效?！昂瘛比~片的增加的剛度在此類風(fēng)力渦輪機(jī)中也是有益的，因?yàn)椴恍枰ù罅堪嘿F的碳纖維以避免塔架碰撞。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，用于修正風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片上的氣流的氣流修正裝置包括擾流器和漩渦發(fā)生器，被實(shí)現(xiàn)成在具有至少0.45的厚度系數(shù)的葉片區(qū)域中附著于葉片的壓力側(cè)；其中，漩渦發(fā)生器的尺寸被確定為在擾流器的方向上保持附著氣流。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的氣流修正裝置的優(yōu)點(diǎn)是漩渦發(fā)生器或“湍流器”的組合作用能夠顯著地改善在葉片的任何較厚區(qū)域上的葉片的升力系數(shù)。此類氣流修正裝置能夠從一開始就被結(jié)合在葉片設(shè)計(jì)中，或者能夠在改裝程序中添加到現(xiàn)有葉片。
[0015]本發(fā)明的特別有利實(shí)施例和特征由如以下描述中所揭示的從屬權(quán)利要求給出?？梢赃m當(dāng)?shù)貙⒉煌臋?quán)利要求種類的特征進(jìn)行組合以提供本文中未描述的其他實(shí)施例。
[0016]下面，可以假設(shè)轉(zhuǎn)子葉片供在具有水平軸的風(fēng)力渦輪機(jī)中使用，該水平軸被容納于安裝在塔架頂部上的機(jī)艙中?？梢哉J(rèn)為葉片在轂處開始并從轂向外延伸。并且，在下文中，可以互換地使用術(shù)語“漩渦發(fā)生器”和“湍流器”。在下文中使用的術(shù)語“加厚區(qū)”應(yīng)被如上文定義的那樣理解為指的是風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的具有至少0.45的厚度系數(shù)的那部分。術(shù)語“厚”或“加厚”僅僅涉及描述葉片區(qū)段幾何結(jié)構(gòu)的厚度系數(shù)的定義，即橫向與弦的比，并且不一定與葉片的質(zhì)量或重量的任何增加有關(guān)。
[0017]如上文所指示的，現(xiàn)有技術(shù)葉片中的厚度系數(shù)一般在翼面部分上被保持相當(dāng)?shù)汀５湫偷摹捌教埂币砻嫔系暮穸认禂?shù)(τ )可以為約0.25?，F(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)一般致力于如何對相對平坦的翼面區(qū)段進(jìn)行成形以便使提升力最大化。針對此類平坦翼面，壓力側(cè)上的氣流將不會分離，使得在現(xiàn)有技術(shù)葉片的外側(cè)區(qū)段上未考慮此方面。較厚葉片部分已被認(rèn)為在不可避免的臺肩或過渡區(qū)中是必需的，在臺肩或過渡區(qū)中，圓形根部延續(xù)至較平坦的翼面部分中，因?yàn)樵诂F(xiàn)有技術(shù)實(shí)施方式中，任何此類厚葉片區(qū)段與氣流隨著其在壓力側(cè)上面通過的脫離相關(guān)聯(lián)。因此，現(xiàn)有技術(shù)葉片設(shè)計(jì)一般致力于將不可避免的過渡或臺肩部分限制為盡可能短的區(qū)域。
[0018]作為考慮不同方法的結(jié)果開發(fā)了根據(jù)本發(fā)明的葉片，該不同方法涵蓋了高厚度系數(shù)的可能性而不是將此視為需要被最小化的約束。
[0019]因此，在本發(fā)明的特別優(yōu)選實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子葉片包括在根部與翼面部分之間的加厚區(qū)中的過渡部分，該過渡部分一直延伸高達(dá)葉片跨度的至少30%、更優(yōu)選地至少50%、甚至達(dá)到或超過70%。在這里和在下文中，術(shù)語“過渡部分”指的是葉片的一部分，在該部分上，厚度系數(shù)從高值(例如從圓形根部中的1.0的值)朝著葉片的翼面部分中的較低值減小。根據(jù)本發(fā)明的葉片因此很明顯具有比常規(guī)葉片(其力求將不可避免的臺肩或過渡區(qū)保持為盡可能短)長得多的過渡部分。該氣流修正裝置確保氣流保持附著在較厚葉片的壓力側(cè)，甚至沿著葉片跨度相對遠(yuǎn)地向外，在那里，迎角由于葉片的增加的旋轉(zhuǎn)速度而是低的。
[0020]加厚區(qū)能夠沿著葉片的長度向外延伸相當(dāng)?shù)囊欢尉嚯x超過過渡部分，并且甚至可以在葉片的整個長度上延伸。優(yōu)選地，加厚區(qū)在葉片跨度的至少30%上、更優(yōu)選地葉片跨度的至少50%上延伸，并且甚至可以延伸高達(dá)葉片跨度的70%或更大。在根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子葉片的另一優(yōu)選實(shí)施例中，因此，在葉片的翼面部分中，厚度系數(shù)包括至少0.45、更優(yōu)選地至少0.6。這與常規(guī)葉片設(shè)計(jì)形成強(qiáng)烈對比，在常規(guī)葉片設(shè)計(jì)中，在翼面部分上保持低的厚度系數(shù)，很少超過0.25-0.3的值。在根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子葉片中，厚葉片設(shè)計(jì)能夠被用于葉片長度的大部分，并且過渡部分能夠在“加厚區(qū)”的大部分上延伸或者甚至在整個“加厚區(qū)”上延伸。
[0021 ] 在根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子葉片的一個優(yōu)選實(shí)施例中，漩渦發(fā)生器被布置成沿著加厚區(qū)的長度延伸，特別是當(dāng)加厚區(qū)并未一直延伸到葉片尖端時。例如，加厚區(qū)可以在葉片長度的三分之二上從轂向外延伸，并且可以將葉片翼面設(shè)計(jì)成在葉片的其余部分上具有普通的低
厚度系數(shù)。
[0022]氣流在沿著葉片的某個距離處脫離壓力側(cè)的趨勢可以取決于沿著轉(zhuǎn)子葉片在該點(diǎn)的厚度系數(shù)。例如，隨著沿著葉片的距離增加，厚度系數(shù)可以逐漸地減小，例如從根部中的1.0的值，通過過渡區(qū)中的約0.7的值，減小至沿著葉片進(jìn)一步向外的約0.45的值。氣流在沿著葉片向外相對遠(yuǎn)的點(diǎn)處脫離壓力側(cè)的趨勢可以比在更接近于轂的點(diǎn)處低。因此，在本發(fā)明的特別優(yōu)選實(shí)施例中，漩渦發(fā)生器被布置成沿著加厚區(qū)的厚度系數(shù)超過0.45的那一段延伸。[0023]壓力側(cè)的逆風(fēng)部分上的進(jìn)入氣流是層狀的，并且可以認(rèn)為其基本垂直于轉(zhuǎn)子葉片的縱軸線行進(jìn)。因此，為了產(chǎn)生湍流，優(yōu)選地將漩渦發(fā)生器實(shí)現(xiàn)成使進(jìn)入氣流偏轉(zhuǎn)成使得其行進(jìn)路徑被改變的方式而不是使得氣流偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離葉片。因此，為此，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，漩渦發(fā)生器包括向外突出的漩渦發(fā)生器元件或“翼片”的開放布置。這些元件優(yōu)選地沿著葉片以線性方式布置。該開放布置允許進(jìn)入空氣在漩渦發(fā)生器元件之間通過。優(yōu)選地，每個漩渦發(fā)生器元件在一定程度上“干擾”空氣，使空氣從否則其將采取的路徑偏轉(zhuǎn)，引起漩渦發(fā)生器元件上的風(fēng)載荷，這進(jìn)而導(dǎo)致將空氣“混合”的渦流的產(chǎn)生或“散發(fā)”。例如，漩渦發(fā)生器可包括基本平行于進(jìn)入氣流的漩渦發(fā)生器元件的開放布置，但是其具有使氣流偏轉(zhuǎn)的成形的“尾端”，對空氣進(jìn)行混合或攪拌并使其成為湍流。替代地，在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，漩渦發(fā)生器元件被以交替角度布置，例如以鋸齒形圖案或交錯圖案布置。為了允許進(jìn)入氣流進(jìn)入漩渦發(fā)生器，相鄰漩渦發(fā)生器元件優(yōu)選地分隔適當(dāng)?shù)木嚯x。漩渦發(fā)生器元件之間的距離可以是其高度的倍數(shù)。在本發(fā)明的特別優(yōu)選實(shí)施例中，漩渦發(fā)生器元件包括基本三角形的形狀，并且漩渦發(fā)生器元件被布置在葉片上，使得漩渦發(fā)生器元件的頂點(diǎn)基本指向葉片的前緣。這樣，氣流僅隨著其離開漩渦發(fā)生器而變成湍流。漩渦發(fā)生器元件可以由任何適當(dāng)材料制成，例如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)或由于其耐久性而被選擇的適當(dāng)材料的混合物。
[0024]湍流的程度可取決于漩渦發(fā)生器的尺寸。優(yōu)選地，漩渦發(fā)生器的尺寸被確定成僅引發(fā)保持流被附著在葉片壓力側(cè)的后部上所需的那么多的湍流。因此，在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，漩渦發(fā)生器元件的高度包括葉片的相應(yīng)弦長的至多2.0%、更優(yōu)選地至多1%、最優(yōu)選地至多0.125%。漩渦發(fā)生器元件的長度可以從其高度導(dǎo)出，例如其高度的4至5倍。在根據(jù)本發(fā)明的氣流修正裝置的一個示例性實(shí)施例中，漩渦發(fā)生器元件的高度對于約3m的弦而言可以是1.5cm，其在長度方面可以約為7 cm，并且相鄰漩渦發(fā)生器元件的末端之間的距離可以約為6cm。
[0025]在本發(fā)明的特別優(yōu)選實(shí)施例中，擾流器被實(shí)現(xiàn)成使得葉片的壓力側(cè)包括在漩渦發(fā)生器與葉片的后緣之間的凹面。這樣，擾流器用于增加提升力。優(yōu)選地，擾流器包括在葉片的后緣處的基本平坦的外表面。這被理解成意味著鈍的后緣，例如后緣可具有相當(dāng)?shù)纳疃炔⑶铱苫敬怪庇谙摇＞哂衅教购缶壓蛪毫?cè)上的凹陷內(nèi)表面的此類擾流器設(shè)計(jì)意味著根據(jù)本發(fā)明的葉片能夠比常規(guī)葉片更窄，具有關(guān)于提升力的類似或者甚至更好的性能。此外，通過將漩渦發(fā)生器實(shí)現(xiàn)成在擾流器的功能方面有效地輔助擾流器，能夠使得擾流器更小，即具有較低的深度或高度。這使得葉片制造和運(yùn)輸起來更容易且更經(jīng)濟(jì)。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的氣流修正裝置能夠在轉(zhuǎn)子葉片正在被制造時在轉(zhuǎn)子葉片上實(shí)現(xiàn)。例如，能夠?qū)_流器模制為葉片本身的一部分，并且能夠在模制程序之后且在葉片被安裝到轂之前將漩渦發(fā)生器嵌入葉片壓力側(cè)的外表面中。當(dāng)然，能夠用此類氣流修正裝置來對現(xiàn)有葉片進(jìn)行改裝。在其長度的一部分上具有加厚區(qū)的任何葉片的性能都能夠通過沿著該加厚區(qū)添加此類氣流修正裝置來改進(jìn)。為此，在根據(jù)本發(fā)明的氣流修正裝置中，漩渦發(fā)生器優(yōu)選地包括被安裝到載體條上的多個漩渦發(fā)生器元件，該載體條被實(shí)現(xiàn)成附接到轉(zhuǎn)子葉片表面。例如，此類載體可在一定程度上是柔性的，從而允許湍流器遵循葉片的曲度或保持與前緣或后緣的一定距離。在特別有利的實(shí)現(xiàn)中，漩渦發(fā)生器被實(shí)現(xiàn)為被安裝到粘合條上的多個漩渦發(fā)生器元件。類似地，還可以將擾流器實(shí)現(xiàn)成安裝到現(xiàn)有葉片的后緣，或者覆蓋并替換現(xiàn)有擾流器。
[0027]對于具有已沿著此類加厚區(qū)就位的適當(dāng)擾流器的葉片而言，漩渦發(fā)生器的添加能夠足以相當(dāng)可觀地改善葉片的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]根據(jù)結(jié)合附圖考慮的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他目的和特征將變得明顯。然而，應(yīng)理解的是附圖僅僅是出于圖示的目的而不是作為本發(fā)明的限制的定義而設(shè)計(jì)的。
[0029]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的葉片的示意性表示；
圖2示出了通過現(xiàn)有技術(shù)葉片的截面；
圖3示出了通過圖1的葉片的截面；
圖4示出了在圖1的葉片上使用的漩渦發(fā)生器的側(cè)視圖；
圖5示出了常規(guī)葉片和圖1的葉片的軸向干擾因數(shù)的第一圖；
圖6示出了厚葉片和圖1的葉片的軸向干擾因數(shù)的第二圖；
圖7示出了現(xiàn)有技術(shù)厚葉片和圖1的葉片的性能系數(shù)的圖；
圖8示出了常規(guī)葉片和圖1的葉片的升力系數(shù)的圖；
圖9示出了常規(guī)葉片和根據(jù)本發(fā)明的兩個實(shí)施例的葉片的厚度系數(shù)的圖。
[0030]在附圖中，相同的參考標(biāo)號自始至終指示相同的物體。圖中的物體不一定按比例繪制。
【具體實(shí)施方式】
[0031]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的葉片I的示意性表示。葉片I能夠具有約40m或更大的長度L，并且甚至可以在長度上超過80m。該圖示出了沿著葉片I的一部分在其壓力側(cè)11上的翼面修正裝置的放置，其包括擾流器3和漩渦發(fā)生器2。翼面修正裝置2、3的范圍可取決于葉片的厚度系數(shù)。例如，翼面修正裝置2、3可以被安裝在葉片上和/或在具有超過0.45的厚度系數(shù)的任何葉片區(qū)段上被形成為葉片的一部分。翼面修正裝置2、3在接近于葉片I的根端10處開始。擾流器3被沿著葉片的后緣13安裝，而湍流器被安裝在后緣13與前緣12之間。在圓形根部10中，厚度系數(shù)僅僅為1.0。在過渡區(qū)18上，厚度系數(shù)能夠從圓形根端處的1.0的值平滑地減小至超過0.45的相對高的厚度系數(shù)，其被保持直至加厚區(qū)TZ的末端。在這里所示的示例性葉片I中，加厚區(qū)TZ延伸至葉片跨度L的約60%。當(dāng)然，加厚區(qū)TZ可以進(jìn)一步向外延伸至翼面部分19中，并且甚至可以在葉片I的整個長度L上延伸。
[0032]圖2示出了通過現(xiàn)有技術(shù)葉片100的截面。葉片以迎角α朝向進(jìn)入氣流4或“相對風(fēng)”。進(jìn)入氣流4隨著葉片100移動通過轉(zhuǎn)子平面而在葉片100周圍移位，使得葉片100的吸力側(cè)114上的氣流具有比葉片100的壓力側(cè)111上的氣流更低的壓力。該圖指示弦線c和最長橫向范圍t。葉片100的厚度系數(shù)τ是比率t/c。對于τ的高值而言，氣流將不能在壓力側(cè)111上保持其層狀性質(zhì)，并且作為結(jié)果將脫離，在葉片截面的最深點(diǎn)與后緣113之間的區(qū)域40中指示。將使得被安裝到后緣113的任何擾流器103無效，因?yàn)榇祟悢_流器僅與被附著于表面的層狀氣流相結(jié)合才有用。
[0033]圖3示出了通過圖1的葉片I的截面。再次地，葉片I以迎角α朝向進(jìn)入氣流4中，并且進(jìn)入氣流4隨著葉片I移動通過轉(zhuǎn)子平面而在葉片I周圍移位，使得葉片的吸力側(cè)14上的氣流具有比葉片I的壓力側(cè)11上的氣流更低的壓力。對于與上文圖2中所示的類似的截面而言，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的葉片I的壓力側(cè)11上的氣流的特征在于被安裝到后緣13的擾流器3的區(qū)域中的改善的氣流42，因?yàn)殇鰷u發(fā)生器2激勵葉片I的壓力側(cè)11上的氣流，由渦流41指示，并且有效地確保氣流隨著其朝著擾流器3行進(jìn)而保持被附著，即接近于葉片的表面。這是由于渦流41中的能量“混合”或激勵接近于葉片表面的邊界層而引起的。氣流因此保持被附著在葉片的壓力側(cè)上，一直到擾流器3。因此確保了擾流器3的有效性，即使對于高的厚度系數(shù)τ而言也是如此。漩渦發(fā)生器2或湍流器2優(yōu)選地被安裝成鄰近于葉片的最深點(diǎn)，即被安裝到橫向范圍t的一側(cè)且在擾流器3的方向上，在氣流在不存在此類湍流器2的情況下將趨向于與壓力側(cè)11分離的點(diǎn)之前。
[0034]圖4示出了安裝在圖1的葉片I的壓力側(cè)11上的漩渦發(fā)生器2的側(cè)視圖。漩渦發(fā)生器2包括一系列三角形漩渦發(fā)生器元件20，其以鋸齒形方式布置到沿著葉片I的最深部分延伸的線的一側(cè)，使得每個三角形元件20的頂點(diǎn)以一角度指向前緣12，并且每個三角形元件20的底邊指向后緣13。三角形元件20的高度在圖中被夸大地示出。三角形元件20的實(shí)際高度可包括葉片弦(即沿著葉片I的該點(diǎn)處的弦的長度)的至多約2%。葉片弦的僅約0.125%的較小高度甚至可以足以引入微量的湍流，而同時確保氣流保持被附著在壓力側(cè)上，使得擾流器“看到”此氣流。
[0035]圖5示出了轉(zhuǎn)子葉片長度(X軸)上的現(xiàn)有技術(shù)“薄翼面”葉片(在圖中用曲線51指示，虛線)和圖1的厚葉片(在圖中用曲線50指示，實(shí)線)的軸向干擾因數(shù)“a”的第一圖。軸向干擾因數(shù)“a”是轉(zhuǎn)子有多好地從風(fēng)中提取能量的度量且能夠使用以下等式來計(jì)算:
a = 1-—
其中，V是轉(zhuǎn)子上游的風(fēng)速，并且V 1是轉(zhuǎn)子平面中的風(fēng)速。軸向干擾因數(shù)具有1/3的理論最大值。
[0036]如此圖所示，常規(guī)葉片的軸向干擾因數(shù)在下葉片區(qū)域中顯示出顯著的下降。在那些區(qū)域中，葉片的性能是相當(dāng)差的。本發(fā)明的葉片在其整個長度上、甚至在臨界的下葉片區(qū)域中均具有軸向干擾因數(shù)的明顯較高的值。
[0037]圖6示出了轉(zhuǎn)子葉片長度(X軸)上的沒有漩渦發(fā)生器的厚葉片(在圖中用曲線I指示，虛線)和圖1的厚葉片(在圖中用曲線60指示，實(shí)線，對應(yīng)于上文圖5中的曲線50)的軸向干擾因數(shù)的第二圖。如圖所示，沒有任何漩渦發(fā)生器的厚葉片的軸向干擾因數(shù)在其大部分長度內(nèi)是相當(dāng)差的，并且明顯比如以上圖5中所示的常規(guī)葉片更差。這可以用氣流從葉片的壓力側(cè)脫離的趨勢來說明，并且是常規(guī)葉片的較平坦翼面設(shè)計(jì)的原因。相反，簡單地通過用厚葉片區(qū)上的旋渦發(fā)生器和擾流器的組合來“修正”氣流，本發(fā)明的葉片在其整個長度上具有軸向干擾因數(shù)的明顯更高的值。
[0038]圖7示出了對于特定俯仰角或迎角的葉片跨度(X軸)上的沒有漩渦發(fā)生器的厚葉片(用曲線71指示，虛線)和圖1的葉片(用曲線70指示，平滑線)的性能系數(shù)Cp的圖。性能系數(shù)Cp是從風(fēng)中提取的功率與“可用”功率的比率，并且具有約0.59的理論最大值，而在實(shí)踐中，0.5的最大值對于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片而言更實(shí)際。如圖所示，厚葉片上沒有漩渦發(fā)生器會導(dǎo)致直至約葉片長度一半的葉片下部區(qū)域中的相當(dāng)差的性能。具有漩渦發(fā)生器和擾流器組合的根據(jù)本發(fā)明的葉片在厚葉片區(qū)上給出了高得多的性能系數(shù)Cp，在其大部分長度上達(dá)到接近于0.5的實(shí)際最大值的值。曲線70、71在葉片跨度的其余部分內(nèi)合并。
[0039]圖8示出了針對迎角(X軸)的沒有漩渦發(fā)生器的厚葉片(用曲線81指示，虛線)和圖1的葉片(用曲線80指示，平滑線)的升力系數(shù)的圖。即使在非常低或負(fù)的迎角下，本發(fā)明的葉片也給出比沒有任何漩渦發(fā)生器的厚葉片更高的升力系數(shù)。這可通過漩渦發(fā)生器對在壓力側(cè)上經(jīng)過的空氣的正面效果來說明，即由湍流器引起的湍流促使空氣在擾流器的方向上保持為附著氣流，因此允許擾流器履行其增加葉片提升力的功能。本發(fā)明的葉片的有利性能對于高達(dá)約25°的迎角而言持續(xù)有用。
[0040]圖9示出了常規(guī)葉片(用曲線91指示，虛線)和根據(jù)本發(fā)明的兩個實(shí)施例的葉片(用曲線90和90’指示，平滑線)的針對葉片長度的厚度系數(shù)τ的圖。常規(guī)葉片的特征在于其大部分長度上的較平坦翼面，并且此類葉片的任何厚部分局限于圓形根部與翼面之間的不可避免的但短的過渡區(qū)，接近于葉片的底座或轂端，達(dá)到總?cè)~片長度的約10%_20%。因此，在其大部分長度內(nèi)，常規(guī)葉片具有小于或等于0.25的厚度系數(shù)τ。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的厚葉片沿著加厚區(qū)具有漩渦發(fā)生器和擾流器以確保壓力側(cè)上的附著氣流，并且可在其大部分長度內(nèi)具有高達(dá)約0.5 (曲線90)或者甚至高達(dá)約0.6 (曲線90’ )的厚度系數(shù)τ。如圖所示，本發(fā)明的葉片設(shè)計(jì)并未試圖超過根部快速地減小厚度系數(shù)，而是厚度系數(shù)可在過渡部分18上保持相對高，僅在葉片的相對長的部分上在其長度的約5%和50%之間逐漸地減小，或者甚至可在翼面部分19上仍是高的。
[0041]雖然已經(jīng)以優(yōu)選實(shí)施例及其變體的形式公開了本發(fā)明，但將理解的是在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以對其進(jìn)行許多另外的修改和變更。
[0042]為了明了起見，應(yīng)理解的是遍及本申請使用的“一”或“一個”并不排除復(fù)數(shù)，并且“包括”不排除其他步驟或元件。
【權(quán)利要求】
1.一種包括根部(10)和翼面部分(19)的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(I )，所述葉片(I)包括 -加厚區(qū)(TZ)，在加厚區(qū)(TZ)中，葉片(I)具有至少0.45的厚度系數(shù)，所述加厚區(qū)(TZ)從葉片(I)的根部(10)向外延伸至葉片(I)的翼面部分(19)中；以及 -氣流修正裝置(2、3)，氣流修正裝置(2、3)在加厚區(qū)(TZ)的至少一部分上被布置在葉片(I)的壓力側(cè)(11)上，所述氣流修正裝置(2、3)包括擾流器(3)和漩渦發(fā)生器(2)，擾流器(3)被實(shí)現(xiàn)成增加葉片提升力，漩渦發(fā)生器(2)被布置在前緣(12)與后緣(13)之間并被實(shí)現(xiàn)成在漩渦發(fā)生器(2)與擾流器(3)之間保持附著氣流(42)。
2.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的轉(zhuǎn)子葉片，其中，所述厚度系數(shù)包括葉片(I)的翼面部分(19)中的至少0.45，更優(yōu)選地至少0.6。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子葉片，包括在根部(10)與翼面部分(19)之間的加厚區(qū)(TZ)中的過渡部分(18)，所述過渡部分(18)延伸高達(dá)葉片長度(L)的至少30%、更優(yōu)選地至少50%、更優(yōu)選地至少70%。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子葉片，其中，所述漩渦發(fā)生器(2)被布置成沿著加厚區(qū)(TZ)的長度延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子葉片，其中，所述漩渦發(fā)生器(2)被布置成沿著加厚區(qū)(TZ)的厚度系數(shù)超過0.45的那一段延伸。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子葉片，其中，所述漩渦發(fā)生器(2)包括漩渦發(fā)生器元件(20)的開放布置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)子葉片，其中，所述漩渦發(fā)生器元件(20)被以交替角度布置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的轉(zhuǎn)子葉片，其中，漩渦發(fā)生器元件(20)包括基本三角形形狀，并且漩渦發(fā)生器元件(20)被布置在葉片(I)上，使得漩渦發(fā)生器元件(20)的頂點(diǎn)基本指向葉片(I)的前緣(12)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中的任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子葉片，其中，漩渦發(fā)生器元件(20)的高度包括葉片(I)的相應(yīng)弦長(c)的至多2.0%、更優(yōu)選地至多1.0%、更優(yōu)選地至多0.5%、最優(yōu)選地至多0.125%。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子葉片，其中，擾流器(3)包括在葉片(I)的后緣(13)處的基本平坦的外表面(30)。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子葉片，其中，擾流器(3)被實(shí)現(xiàn)成使得葉片(I)的壓力側(cè)(11)包括在漩渦發(fā)生器(2)與擾流器(3)的外表面(30)之間的凹面。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子葉片，包括 -具有至少2m的直徑的根部(10); -至少40 m、更優(yōu)選地至少60 m、最優(yōu)選地至少80 m的葉片跨度(L)； 并且其中，加厚區(qū)(TZ)延伸達(dá)葉片跨度的至少30%、更優(yōu)選地至少50%、最優(yōu)選地至少70%;并且其中，擾流器(3)和漩渦發(fā)生器(2)沿著加厚區(qū)(TZ)的長度延伸。
13.一種具有許多轉(zhuǎn)子葉片(I)的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，至少一個轉(zhuǎn)子葉片(I)包括根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子葉片(I)。
14.一種用于修正風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(I)的壓力側(cè)(11)上的氣流的氣流修正裝置(2、3)，所述氣流修正裝置(2、3)包括-擾流器(3)，其被實(shí)現(xiàn)成附接到葉片(I)的壓力側(cè)(11);和-漩渦發(fā)生器(2)，其被實(shí)現(xiàn)成附接到葉片(I)的壓力側(cè)(11);并且其中，漩渦發(fā)生器(2)的尺寸被確定成針對具有至少0.45的厚度系數(shù)的葉片(I)的區(qū)域保持漩渦發(fā)生器(2 )與擾流器(3 )之間的葉片(I)的壓力側(cè)(11)上的附著氣流(42 )。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的氣流修正裝置，其中，漩渦發(fā)生器(2)包括被安裝到載體條上的多個漩渦發(fā)生器元件(20·)，所述載體條被實(shí)現(xiàn)成附接到轉(zhuǎn)子葉片表面(11)。
【文檔編號】F03D11/00GK103711651SQ201310448128
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月28日
【發(fā)明者】P.富格爾桑格 申請人:西門子公司