專利名稱：用于風力渦輪機葉片的邊界層翅片的制作方法
技術領域：
本文所述的主題主要涉及風力渦輪機葉片，并且更具體地涉及用于風力渦輪機葉 片的邊界層翅片(fin)。
背景技術：
風力渦輪機是一種用于將風中的動能轉變成機械能的機器。如果機械能由機械直 接使用，如用來抽水或磨麥，則風力渦輪機可稱為風車。類似的是，如果機械能轉變成電力， 則機器還可稱為風力發電機或風力發電設備。風力渦輪機通常根據葉片旋轉所圍繞的垂直軸線或水平軸線來分類。一種所謂的 水平軸式風力發電機在圖1中示意性地示出，且可從通用電氣公司獲得。用于風力渦輪機 2的該特定構造包括支承機艙6的塔架4，該機艙6包含傳動系8。葉片10布置在"自旋 體(spinner) 〃或槳轂9上，以便在傳動系8的一端于機艙6外形成"轉子"。旋轉葉片 10驅動齒輪箱12，該齒輪箱12在傳動系8的另一端處連接到發電機14上，傳動系8連同 控制系統16 —起布置在機艙6內，該控制系統16可接收來自于風速計18的輸入。當葉片10在"轉子平面"內自旋時，該葉片產生升力且從流動空氣中俘獲隨后 給予轉子的動量。各葉片10通常均在其"根部"端處固定到槳轂9上，且然后沿徑向"向 外側"“翼展"至自由的"末梢"端。葉片10的前部或"前緣"連接首先接觸空氣的葉 片最前點。葉片10的后部或"后緣"為已由前緣所分離的空氣流在經過葉片的吸入表面 和壓力表面之后重新結合的部位。“弦線"連接葉片前緣和后緣中心。弦線的長度簡稱 為"翼弦"。葉片10的厚度可在沿翼展變化，而用語"厚度"通常用于描述任何特定弦線 在葉片相對側上的低壓吸入表面與高壓表面之間的最大距離。“邊界層"為減速空氣區，其緊鄰運動葉片10的表面。邊界層的厚度通常限定為 距葉片在其處流動速度為"自由流"速度的99%的距離，在該處，空氣不受葉片粘滯力或 摩擦力的影響，但感覺到勢流超過邊界層。當邊界層傳送得過遠而足以克服相反的壓力梯 度時，就會出現"流動分離"，流動速度下降至幾乎為零。流體流然后因流過葉片10而變 得分離，且作為替代而形成渦旋和渦流。這種邊界層分離可增大葉片10上的阻力(drag)，尤其是"壓力阻力"，這是在物 體穿過流體時由物體前表面與后表面之間的壓差造成的。邊界層分離還可導致失速和渦流 泄出，這可造成噪音和葉片10中的結構振動。為此，在空氣動力表面的設計中已經進行了 很多努力和研究，這些空氣動力表面延遲流動分離和保持局部流盡可能久地附著在葉片10 上。例如，國際專利公布No. WO 2007/140771和歐洲專利申請No. EP 1944505公開了具有 渦流發生器的風力渦輪機葉片。然而，這種渦流發生器或會減少以其它方式可從風中俘獲 的能量。
發明內容
與這些常規方式相關的這些和其它方面在此通過在多種實施例中提供風力渦輪機葉片而予以解決，該風力渦輪機葉片包括多個邊界層翅片，這些邊界層翅片大致平行于 葉片上的流動方向對準，以便減小邊界層與葉片的分離。
現在將參照以下附圖(圖)來描述該技術的各個方面，附圖不必按比例繪制，但使 用了相同的參考標號來表示全部各個視圖中的對應零件。圖1為常規風力渦輪機的示意性側視圖。圖2為風力渦輪機葉片的頂視圖。圖3為沿圖2中的截面線III-III所截取的截面視圖。圖4為圖3中所示的邊界層翅片的放大側視圖。圖5為圖2中所示的風力渦輪機葉片表面的放大局部正視圖。圖6為結合圖2中所示的風力渦輪機葉片使用的邊界層翅片的放大局部正視圖。圖7為結合圖2中所示的風力渦輪機葉片使用的邊界層翅片的側視圖。圖8為結合圖2中所示的風力渦輪機葉片使用的另一邊界層翅片的側視圖。圖9為壓力系數相對于葉片截面無因次翼弦的曲線圖。圖10為正交于葉片表面的邊界層輪廓位置相對于速度的曲線圖。圖11為正交于葉片表面的位置相對于紊流動能的曲線圖。
具體實施例方式圖2為結合圖1中所示的風力渦輪機2或任何其它風力渦輪機使用的具有多個邊 界層翅片22的風力渦輪機葉片20的一個實施例的頂視圖。例如，葉片20可替換葉片10 中的任何一個，或葉片10可更改成包括葉片20的一些或所有特征。各所示邊界層翅片22 均沿翼弦方向延伸，大致平行于葉片壓力側上的流動方向，以便減小邊界層與葉片的分離。 然而，一些邊界層翅片22還可布置成相對于葉片上和/或葉片的相對壓力側上的流動成一 定角度。邊界層翅片22的各個方面可關于風力渦輪機葉片的一定特征進行安置，這些特 征包括葉片的翼展(跨距)長度、邊界層翅片布置于其上的對應翼弦，和/或邊界層翅片布 置位置上的局部邊界層厚度。優選的是，局部邊界層厚度在葉片20或對應的風力渦輪機4 在沒有邊界層翅片22的情況下且以其"額定轉速(rmp)“工作時來計算，其中，“額定轉 速"在葉片20于其根部端固定的情況下通常為每分鐘大約十五至二十圈。對于典型葉片 20而言，正如可從通用電氣公司獲得的大約48. 7米長的葉片，在葉片20以額定轉速工作的 情況下所計算出的局部邊界層厚度將在葉片上沿翼弦方向和翼展方向從大約1毫米變化 至大約202毫米。在距該葉片20吸入側前緣的60%翼弦處，邊界層厚度通常在大約6毫米 至52毫米之間。在與翼展吸入側外部33%大致相同的翼弦位置處，邊界層厚度范圍可從大 約6毫米變化至大約16毫米。邊界層翅片22可沿葉片20的整個翼展布置，或僅布置在翼展的一部分上，如預計 將出現邊界層分離的位置。例如，邊界層翅片22可布置在葉片22翼展的外部10%至100% 上，翼展的外部25%至95%上，或翼展的外部50%至90%上。一個或多個邊界層翅片22 或成對的邊界層翅片還可提供在沿葉片22翼展的分立位置處，在此位置，邊界層分離有問題或可能變得有問題。這里所示的邊界層翅片22沿布置了對應邊界層翅片的翼弦延伸。如圖3中所示， 邊界層翅片22的前緣可從葉片20的前緣和后緣移位。例如，邊界層翅片22的前緣可從葉 片20前緣移位翼弦的10%至95%之間，移位翼弦的15%至90%之間，或移位布置了邊界 層翅片的對應翼弦的50%至90%之間。各邊界層翅片22或成對的邊界層翅片22的前緣 和/或后緣不必彼此對準，且邊界層翅片22還可具有不同或相同的長度。例如，成對的和 /或其它成組的邊界層翅片22可具有或不具有相對于葉片20的前緣和后緣大致相同的位 置。轉到圖4，邊界層翅片22的高度〃 H"、長度〃 L"和/或頂面曲率半徑〃 R"沿 葉片20的翼展可為變化的。例如，高度"H"可為對應邊界層翅片22處的局部邊界層厚度 的大約25%至100%之間，或50%至75%之間。長度〃 L"可為高度〃 H"的2至40倍， 或為局部邊界層厚度的大致2至10倍，或為局部邊界厚度的大約1至4倍。曲率半徑"R"可大致恒定，或在長度"L"上變化。在各種實施例中，曲率半徑 可為高度"H"的大約2至60倍，或為局部邊界層厚度的大約2至15倍。例如，曲率半徑 可從大約20毫米變化到300毫米，或從大約40毫米變化到大約150毫米，或從大約60毫 米變化到100毫米。圖7和圖8示出了一些或所有邊界層翅片22的頂面的各種其它的可 能構造。轉到圖5，示出了兩對邊界層翅片22，該邊界層翅片22的厚度"t"可為對應邊界 層翅片22高度〃 H"的大約10%至100%，或大約25%至75%。作為備選，如圖6中所示， 一些或所有邊界層翅片22的厚度可顯著更大，以便在一些或所有葉片20上形成沿翼展方 向的突出部(bump)。成對或更大組合的兩個邊界層翅片之間的距離"d"可為高度"H" 的大約2至32倍，或4至16倍，或為局部邊界層厚度的大約2至8倍。類似的是，成對或其 它組合的邊界層翅片之間的距離"D"還可為高度"H"的大約2至32倍，或4至16倍， 或局部邊界層厚度的大約2至8倍。作為備選，如圖6中所示，獨立的邊界層翅片22和/ 或成組的邊界層翅片22之間的距離可大致為零。圖9至圖11示出了上文所述的葉片的一部分在具有和沒有以九度沖角工作的 在圖5中示為22的邊界層翅片的情況下的流動模擬比較結果。邊界層翅片22的前緣布 置在距葉片22前緣的60%的翼弦處，高度"H"為局部邊界層厚度的50%，長度"L〃為 局部邊界層厚度的五倍，頂面曲率半徑"R"為60毫米，成對的兩個邊界層翅片之間的距 離"d"為9. 33毫米，以及兩對邊界層翅片之間的距離"D"為16. 56毫米。圖9示出了壓力系數"Cp"相對于無因次翼弦"x/c"，其中，曲線30針相對于 沒有邊界層翅片的基準情況，而曲線40針對以上段落中描述的邊界層翅片22。圖9示出了 葉片20后緣附近的外側區域50中的邊界層翅片所提供的改善的壓力恢復。圖9還示出了 葉片20前緣區域52中的增加負載。圖10示出了正交于葉片吸入表面單位為米的距離〃 N"相對于單位為米每秒的 局部流動速度"V"，其中，曲線30針對沒有邊界層翅片的基準情況，而曲線40針對上文 所述的邊界層翅片22。圖10示出了距葉片20吸入表面大約0. 02至0. 06米的區域54中 減小的邊界層厚度。圖11示出了正交于葉片吸入表面單位為米的距離"N"相對于單位為 平方米每秒的平方(m2/s2)的局部紊流動能"TKE"，其中，曲線30針對沒有邊界層翅片的基準情況，而曲線40針對上文所述的邊界層翅片22。圖11示出了距葉片20吸入表面大約 0. 01至0. 03米的區域56中減小的紊流動能。渦旋消散程度同樣地下降。這里公開的技術提供了優于常規方式的各種優點。例如，增加邊界層翅片22導致 邊界層厚度減小和邊界層分離最低限度地減少。隨著紊流動能和紊流渦旋消散程度的降 低，克服了相反的壓力梯度。由于引入流入邊界層區域中的自由流為流動賦能且因此減小 邊界層厚度，故并未顯著改變空氣動力性能。層流區域的顯著增大導致了升力的增大和阻 力的減小。還存在邊界層厚度和紊流動能的顯著減小，這會降低因其它較弱的邊界層分離 而造成的噪音。應當強調的是，上述實施例且尤其是任何"優選"實施例，僅為在此已闡述的各 種實施方式的實例，用以提供對本技術的各個方面的清楚理解。本領域的普通技術人員將 能夠在基本上不脫離僅由所附權利要求的適合構造所限定的保護范圍的情況下改變這些 實施例中的一些。
權利要求
一種風力渦輪機葉片，包括多個邊界層翅片，所述邊界層翅片大致平行于所述葉片上的流動方向對準，以便減小邊界層與所述葉片的分離。
2.根據權利要求1所述的風力渦輪機葉片，其特征在于，各所述邊界層翅片所具有的 高度處在對應邊界層翅片處的局部邊界層厚度的大約25%至100%之間。
3.根據權利要求1所述的風力渦輪機葉片，其特征在于，各所述邊界層翅片的頂面所 具有的曲率半徑處在對應邊界層翅片處的局部邊界層厚度的大約2至15倍之間。
4.根據權利要求1所述的風力渦輪機葉片，其特征在于，各所述邊界層翅片的頂面所 具有的曲率半徑處在大約40毫米至150毫米之間。
5.根據權利要求1所述的風力渦輪機葉片，其特征在于，各所述邊界層翅片所具有的 長度處在對應邊界層翅片高度的大約2至40倍之間。
6.一種用于風力渦輪機的葉片，包括多個邊界層翅片，各翅片均大致沿翼弦方向在所述葉片的吸入表面上對準，以便減小 邊界層與所述葉片的分離；各所述邊界層翅片均布置在所述葉片的翼展的外部50%至90%之間；以及各所述邊界層翅片的前緣均布置在距所述葉片的前緣為對應翼弦的大約15%至90% 之間。
7.根據權利要求6所述的風力渦輪機葉片，其特征在于，各所述邊界層翅片的前緣均 布置在距所述葉片的前緣為對應翼弦的50%至90%之間。
8.根據權利要求7所述的風力渦輪機葉片，其特征在于，各邊界層翅片的長度均處在 對應邊界層翅片高度的大約2至40倍之間。
9.根據權利要求7所述的風力渦輪機葉片，其特征在于，各所述邊界層翅片的頂面所 具有的曲率半徑均處在對應邊界層翅片高度的大約2至60倍之間。
10.根據權利要求7所述的風力渦輪機葉片，其特征在于，各所述邊界層翅片的厚度均 處在對應邊界層翅片高度的大約10%至100%之間。
全文摘要
本發明涉及一種用于風力渦輪機葉片的邊界層翅片。具體而言，一種風力渦輪機葉片包括多個邊界層翅片，這些翅片大致平行于葉片上的流動方向對準，以便減小邊界層與葉片的分離。
文檔編號F03D1/06GK101900077SQ20101019761
公開日2010年12月1日 申請日期2010年5月28日 優先權日2009年5月28日
發明者E·Vsj安居里, S·赫爾, T·K·維姆里 申請人:通用電氣公司