带有设置小翼的转子叶片的风轮机及用于这种转子的叶片

摘要

公开了一种包括转子的风轮机，其中每个风轮机叶片具有一连接到风轮机的毂的翼根端和一翼尖端，每个翼尖端设置有沿着垂直于叶片纵向的方向延伸一个距离的小翼。公开了风轮机叶片的外部的一种新的并且更加细长的设计，即相对于小翼长度——即沿着横向于叶片纵向的方向的长度——限定一较短的弦长、该弦长设计成落在较窄的值范围内。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有转子的风轮机，其中风轮机叶片设置有小翼，并且具有特定的翼型设计以改善风轮机的性能。

背景技术

多年以来，在飞机机翼设计中于翼尖处设置不同类型的小翼或其他装置以减少或防止翼尖周围的从机翼轮廓的压力侧(下侧)往轮廓的吸力侧(上侧)的、沿翼展方向的空气流一直是常见的做法，该沿翼展方向的空气流导致产生翼尖涡流以及在机翼翼尖部分的升力系数的下降，主要是因为在吸力侧的吸力降低。具有配备有小翼的叶片的风轮机转子在现有技术中也是已知的，其主要目的是降低由于翼尖漩涡的存在而由风轮机发出的噪音，但也用于改善风轮机的整体性能。

WO 2004/061298 A2公开了这种用于风轮机的叶片，其中公开了小翼本身的一种特定设计。

EP 1 500 814 A1示出了具有末端突出部的风轮机叶片，该末端突出部具有一空气动力学的剖面轮廓，处在一个相对于转子叶片平面以一角度延伸的平面中。末端突出部相对于转子叶片的中心纵向轴线是不对称的，在末端突出部和转子叶片的其余部分之间的过渡区域处，叶片厚度逐渐地或阶梯式地减小。

WO 2005/078277 A2涉及一种用于风轮机的转子叶片，其具有一阻力比，特别地，在所述转子最优俯仰角/桨距+/-2°的范围内，在所述转子的中心或主板区域，其值超过所述比的最大值的80％、优选地90％。

在有限长的机翼上产生升力的一个后果是在翼尖周围产生翼展方向的气流，这影响了整个翼尖区域的流型。特别地，由于下表面上的较高压力相对于上表面上的较低压力所导致的压力梯度形成在上表面上的向内的翼展方向气流(朝向轴毂)和下表面上的向外的翼展方向气流(朝向翼尖)。在后缘处，这两股不同方向的气流的汇合形成从有限长的机翼上脱离的涡旋，并且是引起阻力以及气动噪音的来源。

在有限长机翼的翼尖处的端板可减少翼展方向的气流，并由此减少诱导的阻力。不幸的是，为了有效，端板必须很大，使得浸润区域/直接接触空气的区域(wetted area)阻力增加远远超过任何阻力降低。小翼并不是限制翼展方向气流的简单挡板，而是带来了一个气动载荷，该气动载荷产生一个流场，即一个朝向内侧的力，其使得自身诱导的速度场可部分地抵消主翼的速度场，由此降低了翼展方向的气流量。实质上，小翼扩散或散开翼尖涡旋的影响，使得机翼所产生的下降气流、以及由此诱导的阻力下降。由此，小翼在减少翼展方向气流方面起到类似端板的作用，但是，通过带来合适的空气动力载荷，小翼通过少得多的浸润区域/直接接触空气的区域达到该目的。

翼尖离开主翼的机翼平面，通过将集中的涡旋从机翼上移开而减少了机翼上的脱离涡旋的作用。由此，小翼所起到的效果相当于平面翼展的延伸和载荷周长的长度增加。

扩散过程也被认为是尾流因小翼的非平面部件的诱导速度导致的在远场中的扩展。在向上的小翼上的面外附着涡在自由尾流上诱导水平速度，这导致尾流场沿翼展方向的扩展。这也与翼展增加的效果相仿。

小翼的另一个优点是在尤其为翼尖区域中的翼展方向的升力分布效果，该优点不能通过简单地延长翼展达到。小翼的影响有效地在翼尖区域的平面上施加载荷，增加了局部升力系数并且扩展了翼展方向的升力分布。机翼平面效率可大于椭圆机翼。这是因为，如同将基本上恒定的升力系数扩展到实际翼尖位置之外所表明的那样，在翼尖处也存在负载的翼展方向升力分布实际上与一具有较大翼展的接近椭圆形的加载机翼平面类似。当参照实际翼展时，所获得的效率大于椭圆形加载的效率。

小翼相比于翼尖延伸的所有优点总结如下：

1、发现与径向延伸的转子叶片相比，安装小翼会导致较大的动力系数增加和较小的襟翼弯矩增加。

2、对于相同的翼尖速度而言，较小的涡轮直径导致较小的传动比。

3、在一些地方，当地法令规定了风轮机的最大高度(塔架+最高位置的叶片翼尖)。

4、降低由翼尖涡旋导致的噪音。

发明内容

上面讨论的在风轮机叶片上应用小翼的优点已经导致如下的设计趋势：其中从毂延伸往紧邻小翼(即位于小翼的翼根处)的叶片翼尖端部的该叶片部分设计成一较长的风轮机叶片的内部，原因是小翼的存在减少了在叶片的靠近翼尖的外部处对升力系数不利的翼尖影响，则叶片的该部分能够获得较高的性能，这是特别令人感兴趣的，因为该部分占据了由转子所掠过的总面积的较大部分。这种设计导致在叶片外部(即整个转子半径最外侧的大约5％)处的相对较大的弦长。

本发明的一个目的是提供一种带有小翼的风轮机叶片的改进设计，其导致风轮机在年产量方面具有改进的性能并且优选地还降低噪音的产生。

本发明发现，通过将叶片的外部设计得更加细长，即相对于小翼长度——即沿着横向于叶片纵向的方向的长度——限定一较短的弦长、该弦长设计成落在较窄的值范围内，可以优化风轮机的性能。已经示出，弦长的减少降低了实际阻力，该降低大于升力的降低，并导致性能的改善。由此，本发明涉及一种包括转子的风轮机，其中每个风轮机叶片具有一连接到风轮机的毂的翼根端和一翼尖端，其每个翼尖端设置有沿着垂直于叶片纵向的方向延伸一个距离的小翼，其中在叶片的紧邻小翼的翼尖端处，转子的特定半径组合密布度(combined radius specific solidity)(Sol_r)为0.085乘以小翼的延伸量除以转子的半径，加上一落在0.0012至0.0048的范围内的值。然而，为了得到小翼的最优效果，发明人的研究揭示，所述值优选在0.0016至0.0042的范围内，最优选在0.0024至0.0040的范围内。小翼的延伸量和转子的半径取绝对值，从而其比率、即小翼的延伸量除以转子的半径将是一个分数，通常在0.01至0.04的数量级内。由此，对于如下叶片——其中小翼的延伸量与转子半径的比为0.025并且所述值选择为上面最后提及的范围的中间值，在叶片的紧邻小翼的翼尖端处，转子的特定半径组合密布度(Sol_r)的一个典型的计算示例是：(0.085×0.025)+0.0032＝0.0053。

风轮机转子的密布度是叶片在转子平面上的投影面积和由旋转叶片所覆盖的总面积A_blade之间的比率。由此，组合密布度——即多个叶片的密布度的和——为：

$\mathrm{Sol}=\frac{n·A_{\mathrm{blade}}}{{\mathrm{\pi R}}^2},$

其中n为风轮机叶片的数量，即2、3或4。

也可以针对特定半径r(从转子平面中心起算)来确定密布度。风轮机叶片的特定半径密布度简化为特定半径r和特定半径组合密布度Sol_r的函数。转子的特定半径组合密布度(Sol_r)定义为：

${\mathrm{Sol}}_r=\frac{n·c_r}{2\mathrm{\pi R}},$

其中n为转子中的叶片数量，通常为2或3，c_r为在与毂距离为r处的弦长，R为转子的半径。

在本发明的一个优选实施方式中，叶片的外端设计成：转子的特定半径组合密布度(Sol_r)从叶片的翼尖端连续地增加、并且在沿毂的方向从翼尖起算的转子半径R的5％的位置处达到一落在0.0065至0.013的范围内的值，优选地落在0.008至0.011的范围内，最优选地落在0.0085至0.01的范围内。特别优选的是，转子的特定半径组合密布度基本上线性地增加，即随离翼尖距离线性地增加，偏差在+/-5～8％的范围内。

根据本发明另一个优选实施方式，转子的叶片的整个外部以特定方式设计，以提高转子的整体性能。已经发现，优化设计非常依赖于小翼的高度，因此本发明还涉及一种包括转子的风轮机，其中每个风轮机叶片具有一连接到风轮机的毂的翼根端和一翼尖端，其每个翼尖端设置有沿着垂直于叶片纵向的方向延伸一个距离X_height的小翼，其中在叶片的翼尖端部分处，转子的特定半径组合密布度(Sol_r)基本上根据如下公式设计：

${\mathrm{Sol}}_r=-0.34087·{\left(\frac{r}{R}\right)}^2+0.6004·\left(\frac{r}{R}\right)-1.236·{\left(\frac{X_{\mathrm{height}}}{R}\right)}^2+0.12548·\left(\frac{X_{\mathrm{height}}}{R}\right)-0.25276+C$

r为至毂的距离，R为转子的半径，其中C为针对整个转子设计定义的常数并且在-0.006至0.006的范围内选择，转子的特定半径组合密布度(Sol_r)定义为：

${\mathrm{Sol}}_r=\frac{n·c_r}{2\mathrm{\pi R}},$

n为转子中的叶片数量，c_r为在与毂距离为r处的弦长。

设计的宽范围反映了如下事实：针对各风轮机将要承受的风的类型——即期望的风速分布——来设计风轮机转子。

该叶片翼尖设计可有利地与上述根据本发明的设计相组合。

优选地，C在-0.004至0.004的范围内选择，优选地落在-0.003至0.003的范围内。

在本发明的一个优选实施方式中，根据所述公式设计的所述翼尖部分形成每个转子叶片的叶片长度的至少最外侧的5％，优选形成每个转子叶片的叶片长度的至少最外侧的8％，最优选地形成叶片长度的至少最外侧的10％。

所述翼尖部分的特定半径组合密布度(Sol_r)基本上根据上述公式设计，其在优选实施方式中意味着与从所述公式定义的特定半径组合密布度(Sol_r)的偏差要少于12％，优选少于8％，最优选少于6％。

通过本发明，小翼的延伸可超过通常应用的转子半径的1.2％至1.5％，同时改善了风轮机的性能。由此，小翼优选在转子半径R的0.5％至5％的范围内延伸，最优选地落在半径的2％至4％的范围内。

优选地，在转子半径R的最外侧的10％处，其中C_l，max适用于流经平滑轮廓表面的二维流动的叶片的最大升力系数C_l，max处于0.9至2.0的范围内；并且进一步优选地，在叶片的翼尖端处的最大升力系数C_l，R处于0.2至1.4的范围内。对于最大升力系数的进一步讨论，请参照W02006/090215。

关于小翼的设计，优选地，对于等于转子半径R的叶片半径r而言，小翼翼尖弦的特定半径组合密布度处于0.0至0.02的范围内，并且用于小翼翼尖弦的最大升力系数(C_l，max)处于0.0至0.4的范围内。进一步优选地，紧邻小翼的叶片翼尖端处的转子特定半径组合密布度(Sol_r)基本上等于在小翼翼根弦处的特定半径组合密布度，并且特定半径组合密布度基本上连续地减少，更优选地根据至翼尖的距离从小翼翼根弦至小翼翼尖弦线性减少。

小翼可延伸往压力侧，这是最为常见的，目的是为了避免与风轮机塔架干涉；或者，小翼可延伸往压力侧以及叶片的吸力侧。然而，优选地，小翼往转子叶片的吸力侧延伸所述距离(X_height)，因为结合本发明已经显示出这改善了风轮机的性能。

进一步优选地，小翼的入流攻角α_AoA处于-5至10°的范围内，优选处于-2至8°的范围内，最优选处于0至5°的范围内。

本发明的另一优选实施方式是小翼相对于叶片的倾斜攻角处于70至150°的范围内，优选处于80至120°的范围内，最优选处于90至100°的范围内。

本发明的另一优选实施方式是小翼的前缘位移X_LED小于小翼翼根弦，优选处于小翼翼根弦的5％至75％的范围内，最优选处于小翼翼根弦的10％至50％的范围内。

本发明的另一优选实施方式是小翼后缘位移X_TED小于小翼翼根弦的正负30％——即在小翼最末端处的小翼后缘可相对于主翼后缘前后移位，优选地处于小翼翼根弦的正负2％至正负20％的范围内，最优选地处于小翼翼根弦的的正负5％至正负10％的范围内。

本发明还涉及一种风轮机叶片，包括：翼根端，所述翼根端具有用于将所述翼根端连接到风轮机的毂的装置；以及翼尖端，所述翼尖端具有小翼，所述叶片适用于具有上述特征的风轮机，其中风轮机叶片的数量为n＝2或n＝3。

附图说明

附图示出了与本发明相关的术语和效果。

图1示出了小翼相对于叶片的倾角；

图2示出了小翼高度、小翼翼根弦、小翼翼尖弦、前缘位移和后缘位移；

图3示出了小翼攻角；

图4示出了风轮机转子的最外侧的10％的优选的特定半径组合密布度，该风轮机转子具有1％的小翼高度；

图5示出了风轮机转子的最外侧的10％的优选的特定半径组合密布度，该风轮机转子具有2％的小翼高度；

图6示出了风轮机转子的最外侧的10％的优选的特定半径组合密布度，该风轮机转子具有4％的小翼高度。

具体实施方式

在图1中，以立体图示出的叶片的翼尖端具有指向上方的小翼，小翼相对于叶片的倾角示出为小翼相对于叶片的倾角α_inclination，其定义为主翼中心线和小翼中心线之间的夹角。

在图2中，叶片的翼尖端以从其端部观察的方式示出，即叶片本身延伸离开图3的观察者。小翼高度X_height定义为从最末端处的主翼弦线至最末端处的小翼弦线的距离。小翼的翼根弦X_rootchord定义为在与小翼连接的主翼最末端处从前缘至后缘的距离。小翼的翼尖弦X_tipchord定义为在小翼的最末端处从小翼前缘至小翼后缘的距离。小翼前缘位移X_LED定义为从最末端处主翼的前缘至小翼最末端处的小翼前缘的距离。小翼后缘位移X_TED定义为从最末端处主翼的后缘至小翼最末端处的小翼后缘的距离。

在图3中，叶片的翼尖端以从小翼翼尖所指向的一侧观察的方式示出，即，图3的小翼翼尖指向观察者。小翼攻角α_AoA定义为平行于位于翼尖处的主翼弦平面的线和小翼翼根弦平面之间的夹角。

已经示出通过不同小翼改进叶片可增加转子的效率，即转子从风中吸取的能量大小。

对于用于标准风轮机转子的平均风速8.5m/s，已经针对小翼的不同延伸量在理论上计算出了风轮机的年产量的增加如下：

  原始  1％小翼  2％小翼  4％小翼  对于8.5m/s的平均风速  年产量的增加百分比  0.0  0.9  1.5  2.4

已经发现，对于落在5-11m/s之间的风速，出现根据本发明的叶片设计的主效应。这是特别有利的，因为对于较高的风速，已经获得了最大产出，而对于较小的风速，风的径向运动的效果有限。看起来，小翼高度增大，增加量趋向于增大，但是由于机械构造以及由于存在小翼而在叶片的翼尖部分上产生的力使得实际上限为风轮机半径的大约5％。

已经针对根据本发明的叶片设计的三个不同例子计算出了风轮机叶片的最外侧的10％的特定半径组合密布度，它们在图4-6中示出。

在图4中，示出了小翼高度为转子半径的1％的一个设计。在紧邻小翼的叶片翼尖端处，转子的特定半径组合密布度(Sol_r)选择为0.00435，这使得上述公式的常数C＝-0.00355。对于转子直径为90米的三叶片风轮机，这相当于小翼高度为45cm，翼尖弦长为大约41cm，以及在半径r——r＝45米的转子半径的90％——处的弦长为大约92cm。

在图5中，示出了小翼高度为转子半径的2％的一个设计。在紧邻小翼的叶片翼尖端处，转子的特定半径组合密布度(Sol_r)选择为0.0057，这使得上述公式的常数C＝-0.003085。对于转子直径为90米的三叶片风轮机，这相当于小翼高度为90cm，翼尖弦长为大约54cm，以及在半径r——r＝45米的转子半径的90％——处的弦长为大约98cm。

在图6中，示出了小翼高度为转子半径的4％的一个设计。在紧邻小翼的叶片翼尖端处，转子的特定半径组合密布度(Sol_r)选择为0.0057，这使得上述公式的常数C＝-0.003212。对于转子直径为90米的三叶片风轮机，这相当于小翼高度为180cm，翼尖弦长为大约62cm，以及在半径r——r＝45米的转子半径的90％——处的弦长为大约107cm。