CN101403368B - 风力涡轮机转子叶片及可调桨距式风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种具有翼部剖面(5)的风力涡轮机转子叶片(1)，所述翼部剖面设置有一个上风向侧(15)和一个下风向侧(13)。一个失速诱导机构(21)位于翼部剖面(5)的上风向侧(15)处。

Description

风力涡轮机转子叶片及可调桨距式风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机转子叶片及一种包括至少一个转子叶片的转子的可调桨距风力涡轮机。

背景技术

风力涡轮机具有两种调节功率输出的方式，即桨距调整和失速(stall)调整。

在桨距调整式风力涡轮机中，通过对转子上的转子叶片设定一个适当的桨距角来对风力涡轮机功率进行调节。通过设定这个桨距角，风力涡轮机可以在较大的风速范围内以一个优化的转速运行。但是，风力涡轮机经常会在湍流风场下运转。在这样的湍流风场以及高风速情况下运行，桨距调整式风力涡轮机可能会在转子叶片翼部的一部分上受到负升力。这种情况下涡轮机叶片上会产生与主风向相反方向的风力负载。如果该负载再与三叶片转子上其他两个叶片所收到的正升力负载相联合，则产生高偏航(yaw)力矩和倾斜(tilt)力矩作用在风力涡轮机机构上。

目前解决高偏航力矩和倾斜力矩的问题的办法是调整风力涡轮机转子叶片的结构的尺寸，以使其能支撑住发生的负载。

在失速调整式风力涡轮机中，通过设定一个适当的转子转速来对功率进行限制。设定转子转速是通过诱导转子叶片失速即气流分离来完成的。在这类机械中转子叶片的桨距角是固定的。对于失速调整式风力涡轮机，众所周知，其是通过在转子叶片翼部剖面前缘上设置紊流器(turbulator)来减小失速振动。这类紊流器，例如，在EP0954701B1中被公开。由于在一个给定的风速下转子转速和转子叶片的桨距角会根据一个所使用的调节机构来进行调整，因此失速调整式风力涡轮机上不会出现桨距调整式风力涡轮机上受到高偏航力矩和倾斜力矩的问题。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种风力涡轮机转子叶片，其能够克服桨距调整式风力涡轮机中所提到的上述的问题。本发明的另一个目的是提供一种改进的桨距调整式风力涡轮机。

本发明的风力涡轮机转子叶片包括一个具有上风向侧和下风向侧的翼部剖面。在翼部剖面的上风向侧设置有一个失速诱导机构。

如在前面的介绍中已经提到的，在风力涡轮机转子叶片翼部剖面的前缘或者下风向侧上设置失速诱导机构对于失速调整式风力涡轮机来说是已知的。在这些情况下，被用来减小正升力的失速诱导机构同时也减小了风力涡轮机的驱动力。但是，与设置在失速调整式风力涡轮机中前缘或下风向侧的用于功率调整的失速诱导机构相比，设置在风力涡轮机叶片翼部剖面上风向侧的失速诱导机构具有不同的效果。通过将该失速诱导机构设置在桨距调整式风力涡轮机中的上风向侧，从而在上风向侧扰动流体进而减小了作用于翼面的最大负升力。

本发明基于以下试验观测：

风力涡轮机在湍流风场下运行。在给定桨距角的情况下，会造成相对风的不同的攻角，该攻角关于剖面弦长测量。然而，不同的攻角会造成翼面上不同的升力。对于湍流较平稳的一般运行工况，桨距调整式风力涡轮机运行在升力曲线的线性部分，即，升力的变化与攻角的变化成正比。但在一些情况中，在转子位置与风场的强剪应力共同作用下会导致攻角超出该线性区域。在这些情况下，涡轮机的负载将会与翼面的最大升力和最小升力紧密相关。在翼面出现失速前都会经历最小和最大升力。在负升力的情况下，流体在翼面的上游侧分开。因此，通过改变翼面的最小升力的绝对值，涡轮机的疲劳度和极端负荷得以减小。

一个合适的失速诱导机构可以具有一个三角形截面。特别地，该截面可以是不等边三角形或等腰三角形。在不等边三角形情况下，失速诱导机构有利地位于剖面的5％弦长到30％弦长之间，优选位于10％弦长到20％弦长之间。在失速诱导机构具有等腰三角形截面情况下，其有利地位于靠近前缘的位置，即，在小于剖面5％弦长的位置，优选位于2％弦长到5％弦长之间。

本发明的风力涡轮机转子叶片的失速诱导机构具有如下优点，即，能够在减小最大负升力绝对值的同时，对在正常运行工况下的叶片剖面的运行参数不产生任何明显程度的影响。另一方面，在可能会导致极为不对称负载的情况下，其对负载有正面和深远的影响。

本发明的桨距调整式风力涡轮机包括一个具有至少一个本发明风力涡轮机转子叶片的转子。在该风力涡轮机中，以高风速作用于风力涡轮机结构上的偏航力矩和倾斜力矩相对于没有本发明转子叶片的风力涡轮机得以减小。

本发明进一步的特征，性能和优点通过下面对实施例的说明以及相应附图可以更清楚地了解。

附图说明

图1示出了一个风力涡轮机转子叶片的平面视图，其限定在由叶片的翼展和叶片弦的平面上。

图2示出了穿过根据本发明第一实施例的转子叶片的翼面部的弦向截面。

图3示出了风力涡轮机转子叶片的入流。

图4示出了与传统转子叶片相比较的本发明风力涡轮机转子叶片的升力和阻力的测定值。

图5示出了穿过根据本发明第二实施例的转子叶片的翼面部的弦向截面。

具体实施方式

图1示出的是常用于三叶片转子的风力涡轮机叶片1。但是，本发明不限于仅用于三叶片转子的叶片。实际上，其还可以应用在例如单叶片转子或两叶片转子或多于三个叶片的转子的其他转子上。

图1示出的转子叶片1包括一个具有圆柱剖面的根部3和一个形成为叶片1的外层部分的端部2。该根部3的圆柱剖面用于将叶片1固定于转子毂(未示出)的一个轴承上。转子叶片1进一步还包括一个所谓的肩部7，其被限定为叶片最大剖面深度，即，它的最大弦长的位置。翼面5沿着所谓的翼展(图1中的点划线)在根部3和端部2之间延伸。

图2示出了穿过转子叶片的翼面5的弦向截面。图2中示出的翼面5的空气动力学剖面包括一个凸形吸入侧13，其形成为剖面的下游侧，以及一个凸度略小的压力侧15，其形成为剖面的上游侧。从叶片前缘9延伸至后缘11的点划线显示剖面的弦线与翼展相垂直。尽管图2中压力侧15包括一个凸部17和一个凹部19，其只要使吸入侧13较压力侧15凸度大，同样能被实施为根本没有凹部。

失速诱导装置21布置在压力侧15从翼面5的剖面的前缘9端开始测定弦长大约20％位置上。该失速诱导装置21具有一个近似于不等边三角形的截面并在翼面5的一部分上沿展向连续或间断地延伸。

图3示出了翼面部分的风状况。该图示出了环境风的风向W以及转子叶片5的转动方向R。如图上所看到，剖面的弦线和转动方向之间形成一个角度θ，该角度即转子叶片的桨距角。该桨距角设置为使得转子以优化转子转速转动并且风力涡轮机的功率限制在具有基于桨距进行功率调节的风力涡轮机的最大功率范围内。由于这样转动，转子叶片5受到由箭头RW标明的相对风力。该相对风与环境风矢量合成为入射风IW。在弦线与入射风IW之间形成的角度成为攻角α。

在桨距调整式风力涡轮机中，攻角α随着风力涡轮机的输出功率的减小而减小，随着输出功率的增加而增加。在翼面的设计中的焦点是在约为2°的攻角下的高升阻比。

当翼面用于飞机设计中时，在极高和极低的攻角情况下的升力和阻力相对不那么重要。然而对于风力涡轮机而言，在低攻角情况下的性能对于涡轮机的负载至关重要。该低攻角可能是由于高风速下的功率减小而造成。

由于桨距调整式风力涡轮机在高风速的湍流风场下运行，当设定桨距θ可能会出现攻角接近0°，即攻角围绕0°波动的情况。该波动会导致攻角α成为负数，即，风力从下风向侧13而非上风向侧15射入到翼面5上。此种情况下转子叶片1在翼面5的一部分上会受到负升力，并且风力涡轮机叶片1受到的风力负载将会与主风向的风向相反。如果该负载再与作用于其他两个叶片上的正升力负载相联合，则在传统的风力涡轮机转子叶片中作用在风力涡轮机结构上的偏航力矩和倾斜力矩会变得非常大。

然而，在本发明风力涡轮机转子叶片1中，失速诱导装置21通过诱导装置21的后缘侧诱导失速来减小作用于翼部剖面上的负升力。这是因为在失速诱导装置21的楔形几何形状后形成有一个再循环区域。在攻角α为负的情况下，该区域会爆发并在翼面5的上风向侧15上触发更大的失速。另一方面，当攻角α为正时，也即是说，当入射风冲击叶片的上风向侧15时，失速诱导装置21将不会对空气流有实质性影响，从而使得在正常运行工况下风力涡轮机转子叶片1不会受到负面影响。

图4中示出了根据图2中的发明风力涡轮机转子叶片1中随着攻角α变化的测定升力系数C₁和测定阻力系数C_d。为了能够将本发明的风力涡轮机叶片1与传统风力涡轮机叶片相比较，具有图2所示剖面但不具备失速诱导机构21的风力涡轮机叶片的升力系数C_{1_ref}和阻力系数C_{d_ref}均在图中示出。该曲线的左侧端和右侧端表示处于翼面失速的工况。因此，在翼面出现失速时已得到最小和最大升力值。

图4示出了当攻角α为3°或更高时，具有失速诱导机构21和不具有该机构的转子叶片的升力系数C₁和C_{1_ref}几乎是一致的。在升力系数C₁为0.6到1.2之间的正常运行工况下，失速诱导机构21的影响并严重。阻力系数C_d也是同样。当攻角α大于约5°时，具有失速诱导机构21和不具有该机构的转子叶片的阻力系数C_d和C_{d_ref}也近乎一致。只有当小于大约5°到4°时，由于在翼面5的上风向侧15出现失速，具有失速诱导机构21的风力涡轮机转子叶片1的阻力系数C_d会增加。

当攻角α小于大约3°时，本发明的风力涡轮机转子叶片1的升力系数C₁几乎在10°范围内保持不变。从大约α＝-7°开始，随着攻角α减小升力系数C₁也随之减小直到-14°。本发明的风力涡轮机转子叶片1的最小升力系数C₁大约为-1.0°。与之相反的是，没有失速诱导机构21的风力涡轮机的风力涡轮机转子叶片的负升力系数C_{1_ref}已达到-1°并具有一个大约为-1.4°的最小升力系数。因此，当攻角α小于大约+3°时，本发明的风力涡轮机转子叶片1的升力系数C₁总是比在上风向侧15没有失速诱导机构21的风力涡轮机转子叶片的升力系数C_{1_ref}要高。这样就减小了攻角α为负时风力涡轮机的疲劳度和极端负载。因此，其他风力涡轮机转子叶片受到正升力而风力涡轮机叶片1的翼面5的一部分上受到负压力这种情形只有在攻角α达到-14°时才会出现。在较低攻角的运行情况下出现产生较大偏航力矩或倾斜力矩的情况的可能性会减小。

将翼面5的最小升力系数转换到较高升力系数C₁会减小涡轮机的疲劳度和极端负载。

本发明的风力涡轮机叶片的第二实施例在图5中示出，该图示出了叶片翼面部5的剖面。该实施例中与第一实施例相同的部件采用图2中相同的附图标记表示并不再作说明以避免重复。

图5中示出的实施例与图2中示出的第一实施例的区别在于失速诱导机构的位置和截面。在第二实施例中，失速诱导机构23位于靠近翼部剖面的前缘9的附近。并且，不同于具有一个类似于不等边三角形的截面，第二实施例的失速诱导机构23具有一个类似于等腰三角形的截面。该三角形位于从前缘9开始处位于测量的小于5％，在本实施例中大约为2％弦长位置处。

尽管上面描述了具有类似两个极端情况的截面和失速诱导机构21，23的本发明风力涡轮机转子叶片的两个具体实施例，但本领域技术人员会意识到失速诱导机构位于上述两个实施例中的位置之间也同样可适用于本发明。当失速诱导机构的位置朝向更大弦长的方向移动时，失速诱导机构的截面也会由如第二实施例中所示的等腰三角形向如第一实施例中所示的不等边三角形逐渐发生变化。

在现有技术中，在风力涡轮机结构上不时发生高不对称负载的问题一般是通过安排结构尺寸以承受最大预期负载，本发明允许减少对涡轮机结构尺寸的限制。这就意味着与那些需要将高度不对称负载因素考虑在内的设计相比，可以实现重量较轻的设计。

Claims (3)

1.一种具有翼部剖面(5)的风力涡轮机转子叶片(1)，该翼部剖面具有一个压力侧(15)、一个吸入侧(13)、和一个位于翼部剖面(5)的压力侧(15)处的失速诱导机构(21，23)，

其特征在于：

所述失速诱导机构(21，23)具有等腰三角形截面，并且在靠近翼部剖面(5)的前缘(9)处位于小于剖面5％弦长的位置。

2.如权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片(1)，其特征在于：失速诱导机构(21，23)位于2％弦长和5％弦长之间。

3.一种桨距调整式风力涡轮机，其包括一个具有至少一个根据权利要求1或2的风力涡轮机转子叶片(1)的转子。

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