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CN105556114A - 用于风力涡轮机的涡流发生器 - Google Patents

用于风力涡轮机的涡流发生器 Download PDF

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CN105556114A CN201480048464.8A CN201480048464A CN105556114A CN 105556114 A CN105556114 A CN 105556114A CN 201480048464 A CN201480048464 A CN 201480048464A CN 105556114 A CN105556114 A CN 105556114A
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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机的叶片，该叶片包括翼型，该翼型具有至少20％并且特别地至少25％的厚度，所述翼型在弦向位置的20％c和70％c之间包括涡流发生器对，所述涡流发生器对包括2个不直接连接的翼片和基底，该基底将所述翼片互连并且在该基底处所述翼片被放置在相对的迎角下，其特征在于，所述翼片被弯曲翼片翼弦的至少1％，特别是至少2％，并且更特别地是至少3％。根据本发明的实施方案，涡流发生器对的基底是W形的，该对的翼片被设计成产生逆旋转的涡流，并且在翼片的吸力侧之间的距离是在压力侧之间的距离的约150％，并且翼片的尾部部分是圆形的，使得产生非集中的涡流。

Description

用于风力涡轮机的涡流发生器
本发明涉及风力涡轮机、飞机或直升机的翼型(airfoil)，该翼型意味着气动升力的产生。
风力涡轮机、飞机和直升机都使用翼型，该翼型需要具有高的升力系数和良好的升力/阻力性能。技术现状是，将涡流发生器施加到现有的翼型，因为公知的是这将增加最大升力系数。然而，即使经过了大量的研究努力，使用涡流发生器没有显示突破性发展，因为这与以下的问题相关。
翼型的性能可以通过升力系数和升力对阻力的比率来表示。精确的所需值取决于翼型的技术应用，但是当考虑涡流发生器的应用时，通常设计者具有不带有涡流发生器的翼型(该翼型一直到一定的迎角(angleofattack)(αNVG)都运行良好)，并且希望通过使用涡流发生器来使良好性能范围扩展超出αNVG。这可以用传统的涡流发生器来实现，但是对于低于αNVG的迎角，升力对阻力的比率大大降低。这通常是无法接受的。例如，在WO90/11929中，由惠勒(Wheeler)提出了大量的几何结构。本公开内容未公开哪些几何结构会给出可接受的性能。结果表明，在图1和图2和图4中由惠勒揭示的几何结构没有提供比不带有涡流发生器的翼型的性能更好的翼型性能。此外，WO00/15961公开了若干种几何结构，该几何结构显示没有给予可接受的性能。
第二个棘手的问题是，涡流发生器的附接经常出现故障。涡流发生器通常存在带有一个或多个翼片的基板，该基板粘结到翼型表面上。在风力涡轮机的实践中，涡流发生器在几周或几年之内松脱。曾经试图增加基底的尺寸，以使附接区域增加。这个想法没有给出更好的固定。例如在EP2031243A1中，由LM通过将涡流发生器浸没在翼型表面中提出了根本的解决方案。然而，应当注意的是，翼型必须经历高弯曲力矩，这意味着表面经历高应力，并且因此，例如由LM提出的表面中的不连续性是不可接受的。另一种尝试是生产带有多个涡流发生器对的条带，使得许多涡流发生器-翼片可以迅速地应用，并且全部的条带表面用粘结剂固定。塑料条带和铝条带已经应用在许多转子叶片上，但在若干星期-若干年内会松脱。而且，利用高品质硅树脂基的粘结剂的条带固定没有改善这种情况。
第三个问题是，该涡流发生器应当抵抗所有可能的天气条件，这也设定形状要求。例如，对于标准塑料，需要2-5mm或更大特别3-4mm的厚度以具有长期的UV抗性。这种厚度导致涡流发生器变得坚硬，使得它无法适应翼型表面的形状。此外，对于涡流发生器的基板，这样的厚度意味着流动使基板必须提高和下降至少2-5mm以上，并且这意味着涡流发生器翼片需要是相对厚的，所有这些都导致差的气动性能。解决这个问题的另一种尝试是，将涡流发生器-条带放置在叶片表面中的凹部中。目的是减少条带放置在表面的顶部上时引起的气动阻力。然而，在实践中，如此准确地制造凹部和涡流发生器-条带使得带有定位在凹部中的涡流发生器-条带的叶片表面是光滑的是不可行的。此外，这些涡流发生器也迅速松脱，并且在叶片表面中的凹部降低了建筑高度，并造成了表面裂纹。
第四个问题是，涡流发生器应当是容易地可应用的，并且应当被成形成使得物体不会被涡流发生器翼片卡住，并且涡流发生器不应当侵入翼型中。在风能的实践中，经常应用三角形的涡流发生器翼片，这是由于这种形状被证明能够产生强的涡流，然而，尖锐的边缘可能伤害维修人员并且妨碍吊装带。明显的是，这个问题也对形状设定要求，使得获得气动优化的形状变得甚至更加困难。从基础理论分析已知的且无疑问的是，当反弹的气动循环突然停止时产生强的涡流。这就是为什么当需要强的集中的涡流时不能避免锋利边缘的三角形式以及还有锋利边缘的矩形形式。因此，本领域的专家没有太大的空间来解决这些问题。
鉴于以上问题，需要解释为什么涡流发生器常被应用于失速调节风力涡轮机。原因是，许多失速调节的涡轮机遭受大的不佳表现，且涡流发生器的应用可以很大程度上解决这点。然而，解决方案是不耐用的，因为涡流发生器会松脱。因此，风力涡轮机的设计者投入精力在新的叶片和翼型设计中，这不需要涡流发生器。这种设计方法是相当成功的，并且因此，现有技术的风力涡轮机通常不再具有涡流发生器。
本发明的目的是克服上述缺点。
本发明是翼型，其具有翼弦c、具有超过20％c且尤其超过25％c的厚度，该翼型在弦向位置(chordwise)20％c和70％c之间包括涡流发生器对，所述涡流发生器对包括2个不直接连接的翼片和将所述翼片互连的基底，并且在该基底处所述翼片被放置在相对的迎角下，其特征在于，所述翼片被弯曲翼片翼弦的至少1％，特别是至少2％，并且更特别地是至少3％。翼片的弯曲导致更好的气动性能，并且同时给予翼片刚度。翼片可以做得非常薄，而由于弯曲不会变得柔软。并且更薄的翼片需要更少的材料。此外，由于翼片的弯曲，基板变得柔软，且可以遵循涡流发生器对附接处的翼型表面的一定范围的曲率。在未弯曲的翼片的情况下，基板变得非常坚硬，并且只有一个固定的曲率。决定性的是，翼片的弯曲还提高了涡流发生器对到表面的附接。令人惊讶的是，翼片中弯曲的加入导致4个优点：更好的空气动力学、更好的固定、翼片高的刚度和低材料使用。
根据上述发明的一个实施方案，当涡流发生器对附接在20％c和50％c之间时，翼型适于用于飞机和直升机，甚至对于小于20％c厚度的翼型。
突破的想法是，涡流发生器应该产生集中的强涡流的传统观点被证明是不正确的。相反，发现非集中的涡流甚至是更有效的，并且因此具有圆形的后缘的翼片导致更好的翼型性能。根据本发明，涡流发生器通过将来自边界层外部的高速空气与边界层内部的低速空气混合(这是已知的)，并且通过将来自边界层内部的低速空气输送到边界层外部(这是新的)是有效的。当涡流不集中而是分散时并且当其翼片产生相反的涡流的涡流发生器对被应用时，这第二个效果是更强的。
因此，根据本发明的实施方案，涡流发生器的翼片的后半部的横向面积小于翼片翼弦和翼片高度的乘积的45％，并且特别是小于40％。
惊人的结论是，可以通过扩大基底来解决涡流发生器的固定问题的想法是错误的，并且相反，通过减小基板和选择允许热膨胀的形状来改善固定。
因此，本发明的一个有益的实施方案是，其中基底成形为类似“U”、“V”或“W”，并且其中基底基本上不延伸超过翼片之间的区域。同时，这些形状导致更好的气动性能。当基底包括2个次级翼片时，获得更多的益处，该次级翼片比主翼片小，且次级翼片位于所述主翼片之间。该次级翼片的高度通常在主翼片高度的5％和30％之间。
当在不同涡流发生器对的相邻主翼片的吸力侧之间的翼片翼弦的一半处测量的距离是在涡流发生器对的相邻主翼片的压力侧之间的距离的至少120％，且优选为约150％时，获得更多的益处。
根据本发明的一个有益的实施方案，在实心基底材料的横向方向上的最大长度小于底部翼片翼弦的100％，特别地小于90％，并且更特别地小于70％。
根据本发明的另一个有益的实施方案，基底的边缘长度在其长度的70％以上，特别是80％以上，并且更特别地是在90％之上，具有相对于设计流入方向的在50和0度之间的角度。
根据本发明的另一个有益的实施方案，基底通过双面胶带固定到翼型表面，该双面胶带具有的厚度为实心基板材料中最大长度的至少0.3％(例如至少0.5％，并且例如约1％)。
根据本发明的另一个有益的实施方案，涡流发生器对和翼型表面形成没有空隙或空气夹杂的实心体。
根据本发明的另一个有益的实施方案，主翼片的高度在2％c和6％c之间。
根据本发明的另一个有益的实施方案，在翼型对于表面污染物应当是坚固的情况下，翼型厚度可以小于20％c的厚度。
根据本发明的进一步有益的实施方案，翼型包括涡流发生器对和2个翼片，其特征在于，所述翼片的尾部50％的横向面积低于所述翼片的前部50％的横向面积的200％，并且优选地低于150％。
车顶顶部储物箱(carrooftopcontainer)应有提供了大的体积的形状，这有一个缺点：储物箱对汽车大大增加气动阻力，并且因此增加了油耗。这个问题可以通过根据任何以下实施方案将涡流发生器应用到储物箱来解决。
1.一种车顶顶部储物箱，其特征在于，车顶顶部储物箱包括涡流发生器，并且其在95％长度处的横向截面小于其最大横向截面的60％。
2.根据权利要求1所述的车顶顶部储物箱，其特征在于，在95％长度处的所述横向截面小于所述最大横向截面的50％，特别小于40％，并且更特别地小于30％。
3.根据权利要求1或2所述的车顶顶部储物箱，其特征在于，所述涡流发生器位于40％L和90％L之间的长度范围内。
4.根据权利要求1或2所述的车顶顶部储物箱，其特征在于，所述涡流发生器位于靠近最大横向截面的长度位置，或向前不远于10％的长度，或向后不远于20％的长度位置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的车顶顶部储物箱，其特征在于，所述车顶顶部储物箱包括作为单独的元件附接到所述储物箱的涡流发生器或与所述储物箱集成的涡流发生器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的车顶顶部储物箱，所述车顶顶部储物箱包括在所述储物箱的最大高度处或低于所述储物箱的最大高度的涡流发生器。
7.可选地根据前述权利要求中任一项所述的车顶顶部储物箱，所述车顶顶部储物箱包括用于支撑件的流动引导元件。
8.根据权利要求7所述的车顶顶部储物箱，所述车顶顶部储物箱包括流动引导元件。
9.根据前述权利要求中任一项所述的车顶顶部储物箱，其中，后端部的表面的角度在至少20％L上大于20度，且特别地大于25度。
为了解释本发明，引入了进一步的一些定义。
弯度(camber)：弯度可以指叶片的翼型部分或者指涡流发生器(vg)的翼片。在第一种情况下，弯度是翼型的翼弦线和弯曲线之间的、以翼弦的百分比计的最大距离。在涡流发生器翼片的情况下，弯度类似地指弯曲线和翼片翼弦线之间的最大距离，其中两条线是在叶片表面上方翼片高度的30％处截取的，并且其中翼片高度是叶片表面上方的翼片的最大高度。
翼片翼弦：涡流发生器的翼片的在叶片表面上方的翼片高度的10％处的翼弦。
底部翼片翼弦：被定义为在其上翼片连接到所述基底的长度。
基底的边缘长度：在叶片表面上的基底的突出部的轮廓的总长度。
翼片之间的距离：翼片之间的距离是指涡流发生器对的最高的翼片或主翼片之间的距离。
根据本发明的其它实施方案如下：
其中，涡流发生器存在单独的基底和分离的翼片，该翼片可以通过棘爪接头连接。例如，对于风力涡轮机叶片的运输，在叶片已经在现场之后可以安装翼片时是有利的。
其中，涡流发生器对的翼片具有尾部部分，该尾部部分从基底松脱，使得该尾部部分通过气流弯曲：在高流速时该部分可以与气流对齐，而在低流速时它相对于气流倾斜例如10度，使得产生了强的涡流。此外，对气流的倾斜通过使用双金属可以是温度的函数。这可能是有益的，以在高温时推迟停转并在较低温度时提前停转，以补偿失速控制的风力涡轮机的失速功率水平的空气温度依赖性。
其中，涡流发生器对的翼片是由例如翼型表面下方的磁致动器自动控制的，该磁致动器控制翼片的位置或取向。
其中，翼片的横截面具有J形，其中J的下部部分连接到翼型表面，且J的垂直部分是突出的翼片，使得通过移去J的曲率，翼片可以推挤翼型表面。其中，涡流发生器对的翼片基本上围绕转子轴线与切向对齐，使得翼片的迎角在2D流动的情况下接近0，但随着流动的径向分量的增加而增加，这意味着，当叶片表面是干净的时迎角是低的，并且随着表面污染物的增加，迎角增大，这是由于更高的污染物导致较厚的边界层，并且从而通过径向压力梯度和离心力导致在流动中的更大的径向分量。
其中，涡流发生器对被施加到风力涡轮机叶片，并且涡流发生器对之间的间隔大于10％c，并且特别地大于20％c，并且更特别地大于30％c，其中间隔从一对的中心到相邻对的中心而测量。
其中，涡流发生器对由基本上包括PVC或PVDF或铝的材料制成。涡流发生器对到飞机的翼型的固定可以通过焊接、螺钉、弹出式钉子、双面胶带来进行。
其中，涡流发生器对包括基底，该基底的下侧是凹的，使得它非常适合于翼型的凸的吸力侧，并且特别是，凹的底侧的曲率半径小于凸的吸力侧的曲率半径。
其中，涡流发生器基底和双面粘结剂在受控条件下与底层涂料结合。
附图
图1：通过涡流发生器的升力系数提高。
图2：通过涡流发生器的升力/阻力比率提高。
图3：带有3个涡流发生器对的翼型。
图4：涡流发生器对的侧视图。
图5：涡流发生器对的前视图。
图6：W形的涡流发生器对的俯视图。
图7：U形的涡流发生器对的俯视图。
图8：V形的旋涡发生器对的俯视图。
图9：车顶顶部储物箱。
图1示出了作为40％厚度的翼型的迎角的函数的升力系数c1。可以看出，对于具有安装在30％c处的涡流发生器(标记VG30c1)的情况下，升力系数在从0到26度的范围内比没有涡流发生器的结果(标记NVGc1)高(得多)。图2示出了对于相同配置的升力对阻力的比率。可以看出，对于范围在2和22度之间的迎角，L/D更好(得多)。结果通过CFD模拟获得。
图3示出了具有翼弦2和三个涡流发生器对3的翼型1，三个涡流发生器对3安装在翼型表面6上。为了说明的原因，涡流发生器对以比翼型大的比例示出。每个涡流发生器对具有两个翼片5和基底4，仅对于一个涡流发生器对标示了翼片和基底。涡流发生器对8的翼片的压力侧之间的距离小于不同的涡流发生器对的相邻翼片的吸入侧之间的距离。图4示出了涡流发生器对的侧视图，该涡流发生器对通过双面胶带固定，该双面胶带具有固定到涡流发生器对的基底的粘结层10和固定到翼型表面6的粘结层11以及位于粘结层10和粘结层11之间的泡沫层12。为了说明的原因，层10、11和12的厚度被示出比现实的厚。图5示出了涡流发生器对的前视图。图6示出了W形的涡流发生器对的俯视图和设计流入方向14。横向方向被定义为垂直于设计流入方向并且在涡流发生器对的基底中。图7示出了U形的涡流发生器对的俯视图。图8示出了V形的涡流发生器对的俯视图。图9示出了车顶顶部储物箱20，该车顶顶部储物箱20在前端部21和后端部22之间具有长度L，涡流发生器翼片23安装在该车顶顶部储物箱20上。储物箱24的尾部部分的上表面具有相对于水平面的角度25。
虽然本发明的说明性实施方案已经参考附图进行了更详细地描述，但是应当理解的是，本发明并不限于这些实施方案。各种改变或修改可以由本领域技术人员在不脱离如权利要求中定义的本发明的范围或精神的情况下实现。此外，权利要求的有效性不依赖于物理解释的正确性。
应当理解的是，在本申请中，术语“包括”不排除其他元件或步骤。而且，每个术语“一个(a)”和“一个(an)”并不排除多个。权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制权利要求的范围。

Claims (12)

1.风力涡轮机的叶片，包括翼型，所述翼型具有翼弦c、具有大于20％c并且特别地大于25％c的厚度，所述翼型在弦向位置的20％c和70％c之间包括涡流发生器对，所述涡流发生器对包括2个不直接连接的翼片，其特征在于，所述涡流发生器对包括弯曲的翼片。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机的叶片，其中所述弯曲的翼片包括至少1％的弯度，特别是至少2％的弯度，并且更特别的是至少3％的弯度，其中弯度百分比是翼片翼弦的百分比。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机的叶片，所述叶片包括涡流发生器对和2个翼片，其特征在于，所述翼片的尾部50％的横向面积小于所述翼片的前部50％的横向面积的200％，且优选地小于所述翼片的前部50％的横向面积的150％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机的叶片，所述叶片包括含有基底和2个翼片的涡流发生器对，其特征在于，所述基底覆盖小于所述翼片之间的面积的90％，并且特别地，其中所述基底成形为类似“U”、“V”或“W”。
5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机的叶片，所述叶片包括基底和2个翼片，其特征在于，所述基底包括2个次级翼片，所述次级翼片比所述翼片小，并且所述次级翼片位于所述翼片之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机的叶片，所述叶片包括2个相邻的涡流发生器对，其特征在于，在相邻翼片的吸力侧之间的翼片翼弦的一半处测量的距离是在相邻翼片的压力侧之间的翼片翼弦的一半处测量的距离的至少120％，并且优选地为约150％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机的叶片，所述叶片包括基底和2个翼片，其特征在于，在实心基底材料的横向方向上的最大长度小于底部翼片翼弦的100％，特别地小于90％，并且更特别地小于70％。
8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机的叶片，所述叶片包括基底，其特征在于，所述基底的边缘长度的70％以上，特别是80％以上，并且更特别地90％以上，具有相对于流动方向的在50和0度之间的角度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机的叶片，所述叶片包括基底，其特征在于，所述基底通过双面胶带固定到翼型表面，所述双面胶带具有的厚度为实心基板材料中最大长度的至少0.3％，例如至少0.5％，并且例如约1％。
10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机的叶片，所述叶片包括固定在翼型表面的涡流发生器对，其特征在于，所述基板、所述翼片和所述表面形成没有空气夹杂的实心体。
11.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机的叶片，所述叶片包括翼片，其特征在于，所述翼片的高度在2％c和6％c之间。
12.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机的叶片，所述叶片仅包括其弯度接近于0的翼片。
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