專利名稱：用于具有空氣動(dòng)力學(xué)特征部件的風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片，更具體地說，涉及一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片的表面。

發(fā)明內(nèi)容
風(fēng)力渦輪機(jī)用于把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)子葉片是風(fēng)力渦輪機(jī)的基本部件。轉(zhuǎn)子葉片的工作原理類似于飛機(jī)的機(jī)翼。圖1a所示是通常的葉片在工作期間的截面圖。在工作期間，空氣沿著葉片的兩側(cè)流動(dòng)，在這兩側(cè)之間產(chǎn)生壓力差。因此，升力的方向從壓力側(cè)朝向負(fù)壓側(cè)，并且作用在葉片上。
另外，附著流體層具有沿著葉片外表面區(qū)域的基本層狀的流體。相反地，在流體分離尾流上的分離流體層具有更擾動(dòng)的流體。流體的分離取決于多種因素，例如進(jìn)氣流特性(例如，雷諾數(shù)，風(fēng)速，進(jìn)氣流大氣擾流)和葉片特性(例如，翼剖面，葉片弦長(zhǎng)和厚度，扭轉(zhuǎn)分布，螺旋角等)。
升力主要產(chǎn)生于附著流體層，而分離流體層會(huì)導(dǎo)致阻力的增大，這主要是上游的附著流體層和下游的分離流體層之間的壓力差造成的。
用于產(chǎn)生電能的力的分量是作用在轉(zhuǎn)子主軸上轉(zhuǎn)矩的升力的一部分。因此，為了在風(fēng)力渦輪機(jī)的正常運(yùn)行期間提高能量轉(zhuǎn)換效率，需要使升力最大化。另一方面，通常還需要使曳力最小化。為了達(dá)到這個(gè)目的，通過使葉片后沿附近、即葉片下游層的流體分離，從而有利地增大附著流體層和減小分離流體層。另外，通常還需要穩(wěn)定的流體分離，例如為了提高工作穩(wěn)定性或減少噪音的產(chǎn)生。


圖1和2是標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的截面圖；
圖3和4是具有波形表面的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的截面圖；圖5是具有不同表面截面的葉片的頂視圖，所述表面例如具有不同尺寸的波紋；圖6到13是具有不同波紋尺寸和深度的波紋表面的放大圖；圖14到31是具有空氣動(dòng)力學(xué)特征的部件的例子的頂視圖，這些部件向內(nèi)凹入葉片表面或從葉片表面向外伸出。
具體實(shí)施例方式
圖1是通常的葉片100的截面圖，該葉片包括負(fù)壓側(cè)102和更高壓力側(cè)104。如線106所示，空氣沿著葉片100的兩側(cè)個(gè)側(cè)面102、104流動(dòng)。在側(cè)面102、104之間出現(xiàn)壓力差，其中承受著較低壓力的側(cè)面102是負(fù)壓側(cè)，承受著較高壓力的側(cè)面104是壓力側(cè)。因此，升力的方向從壓力側(cè)104向著負(fù)壓側(cè)102，并且升力作用在葉片100上。
圖1還示出了附著氣流108的層和分離氣流110的層之間的流體分離。附著流體層108具有沿著葉片100的外表面區(qū)域的基本層狀的氣流。相反地，在流體分離尾流上的分離流體層110具有更擾動(dòng)的氣流。流體的分離取決于多種因素，例如進(jìn)氣流特性(例如，雷諾數(shù)，風(fēng)速，擾流)和葉片特性(例如，葉片厚度，螺旋角等)。
圖2是葉片120的截面圖，與圖1中類似的附圖標(biāo)記表示相同的特征。葉片120具有比葉片100(圖1所示)更小的螺旋角。因此，與圖1中的氣流分離相比，圖2中的氣流分離層處于更下游的位置，即更靠近葉片的后沿。
參見圖3和4，在它們示出的本發(fā)明的實(shí)施例中包括波紋，該波紋作為葉片表面上的具有空氣動(dòng)力學(xué)特征的部件。高爾夫球上的波紋也是為人所知的，這些波紋通常用來提高作為非流線形體的高爾夫球的空氣動(dòng)力學(xué)特性。
具體來說，圖3示出的葉片150的橫截面包括表面152，表面152具有的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154位于葉片150的壓力側(cè)156和負(fù)壓側(cè)158上。在圖示的實(shí)施例中，表面152所包括的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154分布在整個(gè)葉片上，即分布在葉片150的兩個(gè)側(cè)面的從前沿160到后沿162的范圍內(nèi)。
圖4所示是葉片170的截面圖，其中與圖3中描述的類似的附圖標(biāo)記表示相同的特征。如圖4所示，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154只位于葉片170的后沿部分172上，即在葉片170的翼凸緣和下游后沿164之間。在其他實(shí)施例中，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154可以只位于葉片170的前沿部分160上，即在翼凸緣和上游前沿之間(未示出)。后一種設(shè)置對(duì)于靠近或在葉片根部的厚的或圓柱形的截面可能是有用的。根據(jù)葉片的幾何形狀和所需的葉片特性，葉片表面上空氣動(dòng)力學(xué)特征部件的其它設(shè)置也是可以的。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，具有空氣動(dòng)力學(xué)特征部件的表面的延伸取決于其在葉片上的徑向位置。
如圖3和4所示，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154與表層成一整體。因此，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件被表層表面的高度輪廓所限定。在如圖3和4的實(shí)施例中，表面152限定出平滑的表面區(qū)域，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154凹入該表面區(qū)域內(nèi)，即空氣動(dòng)力學(xué)特征部件從表面區(qū)域朝著向內(nèi)的方向延伸。
在圖3和4所示的實(shí)施例中，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154都具有相同的形狀、尺寸和排列。但是，在其他的實(shí)施例中，在具有不同的翼截面尺寸、局部氣流速度和雷諾數(shù)的情況下，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)特征部件在葉片150、170上的位置，這些空氣動(dòng)力學(xué)特征部件可以具有不同的形狀、尺寸、排列和/或朝向。例如，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154可以在根部層非常大(長(zhǎng)度在0.3m到10m之間，寬度和深度在0.3cm到5cm之間)，在端部層非常小(長(zhǎng)度、寬度和深度都在0.3mm到5mm之間)。
上述空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154的變化可以是連續(xù)的或逐步的。另外，上述變化可以是在葉片150、170的徑向、周向或其他方向上。另外，葉片150、170的壓力側(cè)156和負(fù)壓側(cè)158上的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154可以不同。
空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154逐步變化的的一個(gè)例子示于圖5中。如圖5所示，葉片180具有若干個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)特征部件的表面A到F和A’到F’，其中每個(gè)表面所包括的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154可以具有獨(dú)特的形狀、尺寸、排列和/或朝向。因此，可以獲得逐步變化的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154。
通過這種方式，可以考慮到各個(gè)葉片截面之間氣流速度和其他氣流條件的差異。另外，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154可以在各個(gè)截面上起到不同的作用。例如，在葉片速度相對(duì)低的層，表面A到C和A’到C’可以主要用于提高氣流轉(zhuǎn)移的穩(wěn)定性。另一方面，在葉片速度相對(duì)高的層，表面D到F和D’到F’可以主要用于盡可能地向下游延伸氣流的轉(zhuǎn)移，從而減少曳力。在圖5中，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件表面D到F和D’到F’沿著葉片跨度的最遠(yuǎn)50％設(shè)置，從而盡可能遠(yuǎn)地向著后沿延伸氣流的轉(zhuǎn)移，從而減少阻力。另外，具有不同形狀和尺寸的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154的區(qū)域可以用來觸發(fā)漸進(jìn)性的氣流轉(zhuǎn)移，尤其是在高的螺旋角時(shí)。
圖5中不同的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件表面的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154可以在各種方面不同。作為第一個(gè)例子，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件的尺寸可以不同。例如，表面A可以包括大的、深的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件，而表面B到F可以包括具有增大的延伸和深度的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件。另外，位于葉片180前沿部分附近的表面A’到F’可以比葉片180的后沿部分上相應(yīng)的表面A到F小，從而與前沿附近通常更加分層的氣流相適應(yīng)。
例如，表面A上的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154可以在各個(gè)方面比表面F上的小一半到十分之一，而表面B到E上的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154具有中等尺寸。例如，表面F上的部件沿著表面的最大延伸可以是1到10cm，最大深度可以是0.1-1cm，而表面A上的部件沿著表面的最大延伸可以是1到10mm，最大深度可以是0.1-1mm。因此，由空氣動(dòng)力學(xué)特征部件154組成的表層F可以相對(duì)較薄(例如，外層的厚度為大約1mm)，表層A可以較厚(例如，外層的厚度為大約4mm)?？蛇x擇地，波紋表層A和F可以是相同的厚度。在這兩種情況下，例如波紋表層的底部表面可以具有波紋底部的形狀，或者它也可以是平滑的。
為了使具有相對(duì)大的部件的表面區(qū)域和具有相對(duì)小的部件的表面區(qū)域之間具有連續(xù)的過渡，也可以使一個(gè)表面上的部件具有不同的尺寸。
作為第二個(gè)例子，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件的形狀可以不同。圖6-13所示是不同形狀的例子。如同在此所描述的，圖6-13中的任何實(shí)施例，都可能相應(yīng)于圖5中任何空氣動(dòng)力學(xué)特征部件的表面。如圖6-13所示，每個(gè)形狀都適合于一種特定的氣流特性。例如，圖8、9、12和13中的狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)190適合于一種優(yōu)選的整體氣流方向，而如圖5、6、7、10和11中的圓形形狀不具有優(yōu)選的氣流方向。另外，圖6-9中的凹入式結(jié)構(gòu)會(huì)在凹入的空腔中產(chǎn)生微型擾流，而圖10-13中的突出式部件會(huì)在部件尾流處產(chǎn)生微型擾流。因此，在任何不對(duì)稱模式中形成后一種部件是有利的，該不對(duì)稱模式把每個(gè)部件的大體上游和大體下游區(qū)域區(qū)別開(未示出)。
作為第三個(gè)例子，圖5中每個(gè)表面A到F和A’到F’的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件可以是相同的。這種結(jié)構(gòu)的有利之處在于，葉片表層不需要由單個(gè)的表層片制成，而是可以由多個(gè)表層片部分制成。因此，表層部分可以具有瓦片的形式，并且可以以瓦片式的方式應(yīng)用到葉片或葉片的一部分上。瓦片的數(shù)目不限于圖5所示的2×6瓦片數(shù)，而且瓦片的排列也不限于二次曲面(quadratic)的排列，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)意識(shí)到，采用空氣動(dòng)力學(xué)特征部件表面的葉片表面或葉片表面的一部分具有各種各樣的瓦片排列方式。
在其他實(shí)施例中(未示出)，不同的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件表面可以用在葉片的負(fù)壓側(cè)和壓力側(cè)上。因此，術(shù)語(yǔ)“不同”可以表示例如形狀、尺寸、排列或朝向的不同。另外，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件表面可以是大于或小于2×6的瓦片排列。另外，在一個(gè)表面內(nèi)，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件的特性可以在一個(gè)表面的任何方向上不同。在另一個(gè)實(shí)施例中，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件的排列和/或朝向有所不同。
通常需要對(duì)氣流分離行為進(jìn)行影響。為此，如果可能的話，潛在的氣流分離層應(yīng)當(dāng)被空氣動(dòng)力學(xué)特征部件覆蓋。還需要進(jìn)一步提高葉片根部層的空氣動(dòng)力學(xué)性能和噪音性能，其特征通常是具有厚的翼部和低的局部流體速度。為此，在根部層附近提供大的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件是有利的，例如使一個(gè)穩(wěn)定的擾流邊界層活躍。
在端部區(qū)域，另一方面，其特征是具有薄的翼部和高的局部氣流速度，它們的優(yōu)先性可以不同。例如，可能需要有效地限制摩擦阻力，同時(shí)穩(wěn)定氣流分離和其他氣流行為。在一個(gè)大的范圍內(nèi)(例如間距，轉(zhuǎn)子速度)，這可能會(huì)產(chǎn)生改進(jìn)的空氣動(dòng)力學(xué)性能和噪音性能。因此，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件的尺寸不應(yīng)該太大，例如由于產(chǎn)生的擾流而限制了摩擦阻力。類似地，葉片其他部分的制造也應(yīng)取決于多種其他因素，例如摩擦阻力的相對(duì)重要性。
空氣動(dòng)力學(xué)特征部件表面通常是聚合的表層片。在一個(gè)實(shí)施例中，其包括聚合化合物。在另一個(gè)實(shí)施例中，采用熱塑性ioniomeric樹脂作為聚合化合物，例如Dupont生產(chǎn)的“Surlyn”(見美國(guó)專利No.4,884,814)，或者Exxon生產(chǎn)的“Escor”或“l(fā)otec”(見美國(guó)專利No.4,911,451)。在一個(gè)示例性的實(shí)施例中，表面由預(yù)先模制的材料制成，并可以具有有圖案的彎曲殼體，這通常類似于復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)。對(duì)于一般的葉片長(zhǎng)度來說，其外層厚度通常為大約1-4mm。對(duì)于大的葉片來說，即葉片跨距大于50m時(shí)，表層厚度按照比例系數(shù)進(jìn)行換算。在多數(shù)情況下，用葉片跨度除以50m作為比例系數(shù)。
空氣動(dòng)力學(xué)特征部件可以以各種兩維和三維模式排列。示例性的模式包括六邊形的、長(zhǎng)方形的、方形的(quadratic)、體心二次曲面和其他規(guī)則的模式。另外，也可以把波紋設(shè)置為隨機(jī)的不規(guī)則模式。模式可以是循環(huán)的或非循環(huán)的。在沒有優(yōu)選的方向時(shí)，隨機(jī)的設(shè)置是各向同性的。
盡管在上面的描述中主要把波紋作為例子，但是也可以通過類似的方式采用其他的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件。這些其他的部件被它們?cè)诳諝鈩?dòng)力學(xué)特征部件表面內(nèi)的輪廓高度所限定。圖14-31示出了多種這樣的部件。因此，可以通過是從表面向外突出還是向內(nèi)凹入表面內(nèi)來區(qū)分這些部件。術(shù)語(yǔ)“突出”和“凹入”是相對(duì)于空氣動(dòng)力學(xué)特征部件之間的表面限定出的平滑表面區(qū)域來說的。
圖14-31示出了空氣動(dòng)力學(xué)特征部件的例子。這些空氣動(dòng)力學(xué)特征部件或者向內(nèi)凹入表面或者從表面向外突出。圖14、17和20示出了各個(gè)部件的斜度，圖15、18和21示出了向內(nèi)凹入的部件，圖16、19和22示出了向外突出的部件。圖23-31示出了拉長(zhǎng)的槽。如圖23-25所示，槽具有圓形的或者尖的邊緣，可以是對(duì)稱的或者非對(duì)稱的。另外，它們具有各種形狀和截面。圖26-31所示的實(shí)施例中，其所包括的槽具有直的、彎曲的、多曲率或Z字形式(類似于聚乙烯唱片的放大了的槽紋)。紋)。這些槽或者槽紋是末端開口的或者末端關(guān)閉的。另外，這些槽是具有直的刻面邊緣的槽和具有彎曲的圓形邊緣的槽。
圖16、19和22示出了向外的球形、多邊形和滾圓多邊形截面。圖23-31示出了相應(yīng)于上述槽的肋，其區(qū)別在于肋從表面向外突出。
作為合適的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件的其它凹入方式的實(shí)施例，包括小孔、倒錐體和凹槽紋。凹槽紋包括例如U形或V形的垂直截面。其他的突出方式的例子是鯊魚齒、棱錐、圓錐、半球截面、鰭和肋。在一個(gè)例子中，肋包括具有倒U形或倒V形的垂直截面形狀。
另外，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件可以是非對(duì)稱性形變的或者各向異性的，因此可以具有指定的朝向，例如朝向上游側(cè)或者下游側(cè)。具有指定朝向的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件的例子包括鯊魚齒和波浪形部件(即非對(duì)稱性形變的肋)。例如，波浪形部件被設(shè)置為具有沿著氣流方向或與氣流方向正交的方向的長(zhǎng)的側(cè)邊。
如果以合適的方式設(shè)置，采用各向異性的部件可以使空氣動(dòng)力學(xué)特征部件適合于預(yù)定的氣流方向。另外，也具有沿著葉片表面引導(dǎo)氣流的效果。對(duì)于整個(gè)氣流來說這還具有其他有利的效果。例如，可以促進(jìn)在葉片表面上沿限定方向的大型層狀氣流。這會(huì)導(dǎo)致噪音的減少。
另外，可以采用具有尖銳邊緣或圓形邊緣的部件。另外，其他的部件也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，例如包括突出部分和凹入部分的部件。大體上，按照正或負(fù)的空腔來說，空氣動(dòng)力學(xué)特征部件的特征尤其在于空腔曲率、空腔表面、尖銳的或圓形的邊緣、隨機(jī)的循環(huán)模式的模式布置以及各向同性或各向異性。
圖6-31所示的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件具有與上述波紋類似的效果，也就是說，可以影響葉片表面上邊界層附近的氣流。因此，形成的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件相應(yīng)于上面的描述，但是其中的波紋被其他空氣動(dòng)力學(xué)特征部件所代替，例如圖6-31所示那些部件。
雖然在此通過各種具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，可以改進(jìn)和實(shí)施本發(fā)明。
部件列表100 葉片
102 負(fù)壓側(cè)104 更高壓力側(cè)106 線108 附著流體區(qū)域110 分離流體區(qū)域120 葉片150 葉片152 表面154 空氣動(dòng)力學(xué)特征部件156 壓力側(cè)158 負(fù)壓側(cè)160 前沿162 后沿164 下游后沿170 葉片172 后沿部分180 葉片190 拉長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)
權(quán)利要求
1.一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片(150)，所述轉(zhuǎn)子葉片包括表面(152)，該表面具有多個(gè)形成在該表面上的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件(154)，在風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行期間，所述部件用于影響所述表面上的氣流，所述部件以三維方式設(shè)置。
2.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子葉片(150)，其中所述表面(152)限定出一個(gè)平滑的表面區(qū)域，所述空氣動(dòng)力學(xué)特征部件(154)向內(nèi)凹入該表面區(qū)域。
3.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子葉片(150)，其中所述表面(152)限定出一個(gè)平滑的表面區(qū)域，所述空氣動(dòng)力學(xué)特征部件(154)從該表面區(qū)域向外突出。
4.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子葉片(150)，其中所述空氣動(dòng)力學(xué)特征部件(154)被形成為如下的至少一個(gè)或如下的至少一部分球形空腔，滾圓的多邊形空腔，具有直的刻面邊緣的槽，具有彎曲的圓形邊緣的槽和具有多曲率圓形邊緣的槽。
5.如權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)子葉片(150)，其中所述空氣動(dòng)力學(xué)特征部件(154)被形成為如下的至少一個(gè)或如下的至少一部分球形形狀，滾圓的多邊形形狀，具有直的刻面邊緣的肋，具有彎曲的圓形邊緣的肋和具有多曲率圓形邊緣的肋。
6.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子葉片(150)，其中每個(gè)所述空氣動(dòng)力學(xué)特征部件(154)具有如下中的至少一個(gè)在沿10米的所述表面的至少一個(gè)方向上的最大延伸和/或在正交于1米的所述表面的一個(gè)方向上的最大延伸。
7.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子葉片(150)，其中每個(gè)所述空氣動(dòng)力學(xué)特征部件(154)具有如下中的至少一個(gè)在沿10微米的所述表面(152)的至少一個(gè)方向上的最小延伸和在正交于1微米表面的一個(gè)方向上的最小延伸。
8.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子葉片(150)，其中該表面(152)是包括聚合化合物的涂層表面。
9.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子葉片(150)，其中該表面(152)是包括表面空氣動(dòng)力學(xué)部件(154)的模制玻璃纖維增強(qiáng)塑料結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子葉片(150)，其中所述表面(152)是第一表面，所述葉片還包括第二表面，該第二表面具有第二組多個(gè)形成在該第二表面上的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件，所述部件用于影響所述第二表面上的氣流，所述部件以二維方式設(shè)置，其中所述第一表面部件的形狀、尺寸或排列不同于所述第二表面部件。
全文摘要
一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片(150)，所述轉(zhuǎn)子葉片包括表面(152)，該表面具有多個(gè)形成在該表面上的空氣動(dòng)力學(xué)特征部件(154)。在風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行期間，所述部件用于影響所述表面上的氣流，所述部件以二維方式設(shè)置。
文檔編號(hào)F03D11/00GK101029629SQ20061016892
公開日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2006年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月17日
發(fā)明者L·邦尼特 申請(qǐng)人:通用電氣公司