專利名稱：具有細長葉片的風力渦輪機的制作方法
具有細長葉片的風力渦輪機
風力渦輪機包括轉子，該轉子有翼形部分，該翼形部分具有在升 力變化和平均升力之間的減小比例。 引言&定義
風力渦輪機可以是水平軸線風力渦輪機或垂直軸線風力渦輪機，
包括轉子，該轉子具有轉子葉片，其中，N表示轉子葉片的數目，R 表示葉片半徑。由于旋轉，葉片尖端在半徑R處獲得葉尖速度v葉尖， 該葉尖速度v葉尖等于轉子轉速co和轉子半徑R的乘積v葉尖-coR。未 干擾風速V是當風力渦輪機沒有干擾流動時在轉子軸線位置處的風 速。在v ^和V之間的比例是葉尖速度比X=oR/V。翼形部分是氣動 優(yōu)化型面，它在前緣處為圓的，在后緣處尖銳或進行切除。翼形部分 的一側是上側或吸力側，另 一側是底側或壓力側。
經過在翼形部分內與底側和上側都接觸的圓的圓心的曲線稱為上 彎線(camber line )。在前緣處，該線與翼形部分的輪廓連續(xù)。連接上 彎線的最前側部分和最后側部分的線部分是弦c或在半徑位置r處的 局部弦cr。轉子葉片可以有在相同半徑位置處的多個翼形部分。在這
種情況下，翼形部分的弦的總和將認為是局部弦Cr。
翼形部分的前緣位于0%弦處(0% c)，后緣位于100。/。c處。在 上彎線和弦之間的最大距離是曲度。在翼形部分的最大圓的直徑和弦 之間的比例是翼形部分的厚度t。翼形部分的后部部分的柔性或可位 置控制部分(它可以相對于前緣運動超過2.5%)并不是弦的一部分。 翼形部分的升力L=l/2pU2 c,c和阻力D=l/2pU2 c,c與線c成比例，并 分別與升力系數c,和阻力系數cd成比例。
弦從等式OM中得出。這里，M是無量綱動量損失。C是弦數， 該弦數對于水平軸線渦輪機是Nrcrc^2/(27rR2)，對于垂直軸線渦輪機 是NrCrC^2/R2。該數規(guī)定了參數N、 cr、 c,、 r、 R和k應當怎樣選擇，以便在流動中實現特定無量綱動量損失。接近旋轉軸線時，弦數并不
提供良好值，因此該數主要在開始于0.3R-0，6R和終止于0.9R-1.0R 的范圍內使用。水平軸線風力渦輪機的實例是M-3/4。當設計人員選 擇R-50m、 k=8、 N二3和cp0.9時,隨后得到cr r=68.2m2，因此，在 25m半徑位置處，弦應當為大約2.73m。在例如0.5R至0.9R范圍內 中的平均弦數為
5=(1/0.4R) j" (NrCrC,X2)/( 2ttR2) dr
風力渦輪機葉片的弦還可以通過等式Ncrrk2/ R2=8;ia (l-a)/c,計 算，其中，a是根據Lanchester-Betz原理的軸向引入(induction )。 在等式左手側的術語是弦數D，它在例如0.4R至0.95R的范圍內的平 均值為
D=(1/0.55R) J* (Nrc^2)/( R2) dr
功率系數CP=P/(l/2pAV3)，其中P是根據Lanchester-Betz原理從 流體流中抽取的功率，p是空氣密度，A是掃過面積ttR2。由于傳遞 損失，抽取功率P將高于電功率Pe。對于在0.5P標稱和P標稱之間的Pe 值(其中，P標稱是標稱或額定功率)，假定P4.2Pe。當在0.99R處的 局部弦位于葉片旋轉平面內時，傾斜角為0° 。當葉片朝著葉片位置傾 斜時，該角度變得正向更大。攻角是在2D情況下在弦和未干擾入流 之間的角度。當葉片產生零升力時的攻角為O升力角。對于較小攻角 (例如在-0.8°和+0.8°之間)升力(系數)近似隨攻角線性增加。大部 分可調傾斜可變速度的渦輪機在低于額定風速的情況下都基本以恒定 葉尖速度比k或接近恒定葉尖速度比X而工作。渦輪才幾可以偏離該恒 定X而工作，例如以避免特定本征頻率或降低聲發(fā)射。它還對于特定 人設計進行優(yōu)化，翼形部分平均在攻角a設計下工作，該攻角a設計提供最 佳性能。在a設計下，翼形部分形成升力系數c,，設計，并有升阻比L/D沒計。 當實際渦輪機在非極端情況下在額定風速時產生電力，攻角的平均值 和升力系數的平均值接近設計值。由于湍流、偏轉、切變等，這些參 數的瞬間實現是隨機的。確定風力渦輪機性能的普通方法是收集(bin)參數，例如10分鐘平均功率、攻角或升力系數，作為10分鐘平均風
速的函數。當多個數據點在各收集器中收集并平均時，將獲得對這些 參數的平均值的精確程度不同的估計。在特定風速下所獲得的(例如)
升力系數值是平均升力系數或IO分鐘平均升力系數。當渦輪機根據該 設計來制造時，這些平均或IO分鐘平均值對應于設計值。因此，參數 例如升力系數或攻角的設計值、IO分鐘平均值和平均值基本相等。翼
形部分失速或表面流動分離時的角度取決于翼形部分。普通的失速角
為+10°,在該失速角下，升力系數為大約l.O至1.6。在更大角度下， c,稍微增加或者甚至降低，同時ca增加，這樣，轉子葉片的效率降低。
流動分離可以通過升力增強裝置來避免，例如在文獻中已知。這 樣的升力增強裝置的示例是渦流產生器(VG)、輪床折片、弦拉長、 彎度增加、邊界層抽吸、靠近前緣或靠近后緣的折片、在翼形部分后 鄉(xiāng)彖處的柔性部分變形、施加Magnus效應、FCS (例如在Sinha, S.K., WO03067169中所述)、合成射流(該合成射流將能量供給邊界層中， 例如由Gerhard, L., US4674717已知)和MEM平移凸片。這些選擇 的大部分可以以被動和主動情況來施加，在所述主動情況下，控制可 以通過氣動、液壓、電磁、壓電、或者通過MEM平移凸片或由文獻 中已知的其它控制方法來進行。所有這些升力增強裝置主要可以作為 單獨元件來安裝在葉片上，或者能夠與葉片形成一體。
VG是產生渦流的元件，它將能量供給邊界層中。VG可以是或多 或少浸沒在表面中的元件，并已知多種不同形狀。實例是翼形部分表 面自身的特定曲線(例如凹腔)或者從翼形部分表面伸入流體流中的 表面的特定曲線?？赡芘cVG連接的連接部分(例如基座)并不認為 是VG的一部分。VG的弦位置涉及VG的、在最小弦位置的部分。 基座可以基本扁平或遵循局部翼形部分形狀。VG的已知形狀可以在 以下文獻中找到Waring, J.， US5734990; Kuethe， A.M., US3578264; Kabushiki， K.T., EP0845580; Grabau， P" WO00/15961; Corten, G.P" NL1012949; Gyatt, G.W.， DOE/NASA/0367-1等。VG的長度可以是 弦的大約3%,高度是弦的大約1%,相互距離是弦的大約5%。 VS使得失速延遲至更大攻角。具有VG的翼形部分通常在例如+12°至 +25°的攻角下達到1.5-2.5的升力系數。以規(guī)則間隔基本安裝在與垂直 于流動方向的線偏離小于30。的線中的三個或更多VG定義為VG的 基線。切線(tangential)是在適當的翼形部分的旋轉平面中環(huán)繞旋轉 中心的圓。 缺點
風力渦輪機的成本很高，因為該負載需要大量材料。因此，風力 渦輪機的設計者想要以較低負載產生較高電力?，F有的風力渦輪機的 缺點是風的負載變化，且該變化導致附加成本。不利的負載變化的極 端情況是葉片彎曲，以致于使它撞上塔。在高于V截斷的風速下，渦輪 機必須停止以避免過載，這降低了生產量，并增加了預期生產的不確 定性。另一缺點與在渦輪機通常停止時的高風速相關。在葉片上的風 壓產生高負載，因為渦輪機葉片所需的弦較大。還一缺點是當渦輪機 在其它渦輪機的尾流中工作時負載增加，因此需要布置成相互遠離， 這產生空間成本和附加電纜長度的成本。
現有渦輪機的另一缺點是，轉子葉片的氣動特征很難預計，因此， 新樣機在它們實現之前通常經歷較長和較昂貴的測試和改型階段。
而且，當渦輪機在降低的葉尖速度比下工作，以便滿足特定聲音 發(fā)射水平時，效率將大大降低，因為實際上葉片需要在這種情況下進 行改變。
還一缺點是，當為細長葉片時，較高力矩需要大量和堅固的材料。 通過使用較厚的翼形部分來克服該缺點可能導致流動分離，從而有更 大阻力和更小升力。實際風力渦輪機的另 一缺點是在風力渦輪機的中 心附近的引入小于外側。在轉子中心的這一"泄漏"減小了在轉子上的 壓力差，從而降低了功率。
現有轉子的還一缺點是葉片性能將由于污染而大大降低。
發(fā)明目的
本發(fā)明的目的是降低在風力渦輪機葉片的升力變化和平均升力之 間的比例，特別是克服上述缺點。該目的通過用一種翼形部分代替現
10有技術翼形部分而實現，該翼形部分在0.5R和0.95R之間的范圍內具 有超過1.1的10分鐘平均升力系數，更優(yōu)選是超過1,2,特別優(yōu)選是 超過1.4，優(yōu)選是超過1.6。在除了極端情況的一部分工作范圍內，特 定優(yōu)點通過使用在0.4R和0.95R之間具有高于1.5的平均升力系數的 翼形部分而獲得，特別是高于1.75，更特別是高于2.0。
因為翼形部分的升力基本與c,和c成比例，因此乘積cc,應當有用 于達到所需升力的最小值。設計人員可以自由選擇c和C|，只要乘積 cc,大于該最小值。在不預先知道的情況下，設計人員將相同理論用于 升力變化，這是不正確的。令人驚訝的是，升力變化與升力不同，基 本獨立于升力系數c,。當設計人員利用該新的理解時，它將降低c和 增加c,，這樣，升力變化變小。這特別與轉子的外部部分(r>0.5R) 相關。
這樣，由于湍流、風切變、渦輪機錯配、葉片運動、控制誤差等 引起的升力變化可能降低超過30%。這減輕疲勞和極端負載，這有利 于整個風力渦輪機結構(包括地基)。它能夠在高湍流地點使用渦輪機。 在風力農場中，人們可以在渦輪機之間選擇更小間隔。
下文中介紹本發(fā)明很多優(yōu)選實施例的背景技術，后面的權利要求 也參考這些優(yōu)選實施例。
當翼形部分應用為在與0升力角偏離超過10。的IO分鐘平均攻角 下工作時，將獲得進一步的益處，特別是超過12°，更特別是超過14。， 優(yōu)選是大約16°。
對于功率系數Cp在1/3和16/27之間的風力渦輪機，無量綱動量 損失M可以以多種方式來確定。 一 種特別有利的方法是 M=-1.19+9.74CP-21.01CP2 +17.50CP3。通過將這樣獲得的M設置成等 于弦數C，并由N、 r、 c,、人、R代替，可以確定局部弦cr。當Q選 擇為小于在假定cpl.l (特別是1.3，更特別是1.5,特別優(yōu)選是1.7) 時得到的值時，可以獲得進一步的優(yōu)點。
實例標準的水平軸線渦輪機具有翼形部分，該翼形部分靠近頂 端處具有-3°的0升力角，在10°攻角下的最大升力系數1.3，且升力系數在這些角度之間為O.l每度的線性。高于10°攻角時，翼形部分失 速，效率大大降低。假定平均攻角為7°，且由于湍流，它變化±3°，這 時，升力系數從0.7變化至1.3,且它的平均值為1.0。升力變化是 0.6/1.0=60%的平均值。這是對于在葉片、傳動裝置、軸承、塔、地基 等上的負載變化的測量值，且各處的成本增加。根據本發(fā)明的實施例， 我們將具有VG的翼形部分選擇為使得失速延遲至更大攻角。這時， 最大升力系數例如為在15°攻角下的1.8。轉子設計成平均攻角為12°, 平均升力系數為1.5。因為對于較小a,升力與弦和升力系數的乘積成 比例，因此我們選擇弦減小系數1.5，這樣，升力和因此的產量相等。 由于湍流，攻角在本例中在沒有失速的情況下在9°和15°之間變化。 而且同樣假定升力系數在1.2和1.8之間變化。令人驚訝的是，變化只 為平均值的0.6/1.5=40%，或者是非本發(fā)明的負載變化的2/3。還有， 由于偏轉流入或風切變而引起的負載變化更小。通過使葉片在高于V截斷 時停止，將不會達到最大正升力，且升力優(yōu)選是為負值，在葉片上的 負載更小，減小系數大約與弦減小相同。特別有利的停止位置是當傾 斜角設置在30°- 100°之外時。
根據本發(fā)明負載減輕的還一優(yōu)點是需要更少(更便宜)的渦輪機 控制選擇。普通的主動控制選擇是傾斜控制(對于葉片或對于失速) 和可變轉速。本發(fā)明的優(yōu)選實施例考慮了風力渦輪機具有從所述主動 控制選擇中選定的2個(特別是l個，或者更優(yōu)選是0個)主動控制 選擇。
當升力增強裝置例如VG用于轉子葉片上(這些裝置作為單獨部 件安裝在轉子葉片上)時，或者當這些裝置與轉子葉片成一體時，將 獲得進一步的優(yōu)點。本領域中通過應用VG來改正具有較差性能的轉 子。這種情況在Corten， G.P., "Flow Separation on Wind Turbine Blades", ISBN 90-393-2582-0中介紹。在新近設計的轉子中，專家反 對使用VG，因為它們的害處是增加了噪音和阻力，而沒有進一步的 優(yōu)點。由風洞試驗公知，對于小攻角，沒有VG的翼形部分的阻力小 于具有VG的相同翼形部分的阻力。令人驚訝的是，該意見并不正確，是基于不正確的試驗。沒有VG的翼形部分應當與具有VG且具有減 小弦的翼形部分(它達到相同升力)比較。
實例假定沒有VG的翼形部分具有c, =1.0， cd=0.01和c=lm, 且具有VG的翼形部分具有c,=1.5， cd=0,012和c=2/3m。兩個翼形部 分產生相同的升力，因為乘積cc,恒定。沒有VG的翼形部分的阻力與 ccd=0.01 x 1=0.01成比例，而具有VG的翼形部分的阻力是ccd =0.012 x 2/3=0.008。因此，具有VG時阻力更小，即^f吏在阻力系數更高時。 另外，阻力系數也可以通過安裝VG而減小。還可以獲得進一步的優(yōu) 點，因為VG大大調整了邊界層，因此污染物的效果相對不重要。這 使得在污染時生產損失更小。
因為基本在吸力側應用升力增強裝置將增加正角度的最大升力，
同時負攻角的最大升力基本不變，因此將獲得進一步的優(yōu)點。本發(fā)明 的優(yōu)選實施例的比例c,，最大/c,^、小于-1.2 -0.2%彎度，特別是小于-1.4 -0.2%彎度，其中，d，最大是在正攻角的最大升力，c,，最小是在負攻角的最 大升力，而％彎度是彎度(弦的百分數)，這樣，當彎度為6%時，所 述比例優(yōu)選是大于2.2,特別是2.4。因此，在氣動吸力側只需要更少 的措施(附加泡沫材料或應用更高百分數的第二類型纖維)來避免彎 曲。
通過應用碳纖維而獲得進一步的優(yōu)點，該碳纖維適于在氣動吸力 側增加剛性和吸收拉伸負載。這將使質量降低，并使葉尖偏離更小， 這將降低整個渦輪機的成本。對于第一類型和第二類型纖維的定義， 可以參考Bech， A. e.a.的WO2004/078465。在該專利中，已經注意了 不對稱層疊部分。不過它并沒有特別澄清什么是不對稱，也沒有澄清 不對稱結構的爭論，同時這些爭論(不對稱氣動性能)也沒有出現， 直到使用本發(fā)明的葉片。
通過在翼形部分中在吸力側在5 % c和6 0 % c之間應用空氣進口例 如狹槽，可以獲得進一步的優(yōu)點。這些進口優(yōu)選是位于0.05R至0.5R 的徑向范圍內。這些進口與葉片中的槽道連接，該槽道延伸至更大的 徑向位置，且該槽道具有在葉片后緣處的開口。在槽道中的空氣上的離心力提供了自然抽吸。通過使徑向位置差異超過10%的進口與不同 槽道連接，可以獲得進一步的優(yōu)點。當進口可以通過使用MEM凸片 或壓電裝置而主動打開或關閉時，可以獲得進一步的優(yōu)點。
通過顛倒地應用葉片(吸力側作為壓力側，而壓力側作為吸力側)， 特別是在風速高于12m/s或更特別是高于14m/s時，可以獲得進一步 的優(yōu)點。在工作術語中，這意味著渦輪機使葉片傾斜大約150°，且渦 輪機停止和以另一旋轉方向再次起動。也可選擇，吊艙偏轉180°，這 樣，轉子從逆風方向轉變成順風方向。在本例中，轉子的旋轉方向保 持相同。通過使葉片上下顛倒，由整個葉片產生的升力變化更小，極 端升力更小，且升力作用在更小的徑向位置上，因此偏轉和葉片根部 力矩更小。這些是V截斷從25m/s的標準值增加至30m/s或35m/s或更 高值的原因。
隨著渦輪機尺寸的增加，使用的材料比產量更快地增加，因此， 對于更大的渦輪機，節(jié)省材料更重要。因此，本發(fā)明特別與轉子直徑 大于60m的渦輪機相關，特別是大于80m,更特別是大于100m。
在恒定相對厚度下，根據本發(fā)明的減小弦可能需要更多材料來承 載負載。為了用更少的材料來承載負栽以及增加葉片的剛性，葉片可 以在例如0.2R-0.7R處分成上部葉片和底部葉片。當在壓力側的第一
一步的優(yōu)點。也可選擇，在葉片的未分開外部部分的吸力側的第一類 型纖維在底部葉片中連續(xù)。當上部和底部葉片達到至少5。/。R相互距 離(特別是至少10%R)時可以獲得進一步的優(yōu)點。葉片的不對稱氣 動性能導致上部葉片主要承受壓力負載，底部葉片主要承受拉伸負載。 根據本發(fā)明的實例，底部葉片優(yōu)選是弦比上部葉片(在相等徑向位置 處)短20%，特別是40%，更特別是60%。還一優(yōu)點是，增加底部 和上部葉片的弦將增加產量，因為將避免從壓力側向吸力側的"泄漏"。 通過應用相對較厚的翼形部分來以更少材料承載負載和增加剛 性，從而獲得進一步的優(yōu)點。原因是通過可能安裝在兩側的VG，流 動分離可以避免，這樣，厚翼形部分可以在較大攻角范圍內具有很高效率。至少t=25%c的翼形部分可用于徑向位置X).55R處，特別是徑 向位置X).65R處，更特別是在徑向位置X).75R處。
通過在壓力側應用VG來避免流動分離，從而獲得進一步的優(yōu)點。 這樣，最大負升力并不增加或稍微增加，因為VG優(yōu)選是布置成靠近 后緣在大于30%c的弦位置處，特別是大于50%c,更特別是大于 70%c。
通過使用彎度大于6%c的翼形部分(特別是大于8%c，更特別 是大于10。/。c)，可以獲得進一步的優(yōu)點。增加彎度避免了在較大攻角 下的較深吸力峰值，這降低了對于污染物的敏感性。而且，具有較高 彎度的翼形部分通常在較大攻角下具有較高L/D比例。
當多個VG或VG的基線沿流動方向一個定位在另一個后面時， 我們可以稱為前部、中部和后部VG。前部VG對應于在最小弦位置 處的VG，后部VG對應于在最大弦位置處的VG,且在它們之間的 VG是中間VG。當在中間的VG大于前部VG,特別是當它們也大于 后部VG時，將獲得進一步的優(yōu)點。
通過將一些附加VG布置在VG基線的上游，將獲得進一步的優(yōu) 點。附加VG保持流動更長地附連到基線下游。這些附加VG降低了 C| -a關系的滯后(當a經過失速角度時)。這些VG可以位于壓力側 的3。/oc和吸力側的10。/。c之間，特別是在吸力側的0。/。c和5。/。c之間。 優(yōu)選是，沿流動方向一個位于另一個后面的VG產生相同旋轉方向的 渦系。
通過將VG安裝在翼形部分上并在停滯點位置和吸力峰值位置 (在5°的攻角下)之間，將獲得進一步的優(yōu)點。在該范圍，優(yōu)點是 VG位于在較小攻角下的低速區(qū)域中。當攻角增加時，吸力峰值(最 大流速的位置)朝著VG移動，因此這更有效。因此，VG在較小角 度時有較低活動性(因此阻力增加很小)，當需要時在較大角度下有較 高活動性。
為了降低所述c, -a的滯后，人們還可以應用較長VG,該較長VG 沿弦方向延伸例如超過10%，或者甚至超過30%。在該設計中，葉片
15表面提供有與流體流成 一 定角度的肋，該肋的上游部分優(yōu)選是位于比 下游部分更小的徑向位置處。
當為垂直軸線渦輪機時，攻角在沒有湍流的情況下也變化。攻角
變化與葉尖速度比1成反比。為了使攻角變化保持在-10°至+10°的范 圍內，X應當不小于大約4V2。對于更低X值，翼形部分將失速。使用 在兩側有VG的翼形部分將延遲失速至更大攻角，這樣，可以在沒有 失速的情況下使用4、 3V2、 3或者甚至272的VAT渦輪機(當用 于空氣中或水中時)的還一優(yōu)點是它能夠通過將VG安裝在翼形部分 或水翼部分的吸力側和壓力側上少于20%c (特別是少于15%c,更特 別是少于10%)而自己起動。
通過使用高升力系數獲得進一步的優(yōu)點，因為它能夠在更低葉尖 速度比下工作，這降低了噪音。
優(yōu)選是，多個VG (1、 2、 4或其它數目)和接地板制造為單件， 或者甚至制造為柔性材料條，例如橡膠、聚氨酯或彈性體(可以有阻 擋UV輻射的添加劑)。這稱為VG元件，并優(yōu)選是由PVDF、 FEP、 PEEK、 PI、 PEI、 PES和PFTE族塑料來制造。
VG元件可以通過任意已知的技術來安裝在轉子葉片上。特別優(yōu) 選是提供接地板，該接地板局部有雙面粘合劑，局部有流體粘接劑， 例如氰基丙烯酸鹽粘合劑。雙面粘合劑提供了直接固定，然后流體膠 水有時間固化。VG可以通過鉸鏈安裝，并只有在葉片安裝在渦輪機 上之后向外折疊。接地板的、將安裝在葉片上的側面可以稍微凹形， 且曲率半徑小于葉片在安裝位置的曲率半徑。
還優(yōu)選是，VG具有沿流動方向的曲率，這樣，在沒有VG干擾 的流體流和VG之間的角度沿流動方向增加優(yōu)選是5°至15°，特別是 增加2°至30°的范圍內是有效的。該曲率避免VG的Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性，因此提高耐久性。
通過使用升力更少依賴于攻角的翼形部分(換句話說，在4°至7° 的攻角范圍內，該翼形部分的dc/da小于1,1,特別是小于1.05，更特 別是小于l.O)，將獲得進一步的優(yōu)點。通過用本發(fā)明的新轉子更換現有風力渦輪機的舊轉子，將獲得進 一步的優(yōu)點。該新轉子可以在相同負載水平下更大，因此可以提高生
產量。舊轉子優(yōu)選是由新轉子代替，該新轉子在0.6R至0.95R的范圍 內的弦在等徑向位置處小至少10%，優(yōu)選是小至少20%，更特別是在 該范圍內提供有VG。
本發(fā)明的還 一 優(yōu)點是，根據本發(fā)明制造的葉片的特性可以通過改 變升力增強裝置，特別是VG圖形相關位置、類型、相互間隔、尺寸 等而進行變化。當希望可以進一步延遲失速時，VG圖形改變?yōu)樵?加VG尺寸(例如25% )、降低在VG之間的間隔(例如25% )、布置 更多VG(例如附加基線)、增大在流體流和VG之間的角度(例如5° )、 改變VG位置(例如5%c)等。特別是，當渦輪機的聲音發(fā)射太高時， 葉尖速度比可以降低。這時，優(yōu)選是葉片改變成在更高攻角下更好地 工作。相關改變的其它情況是大約相同設計的葉片用于不同風力氣候 或不同渦輪機。
通過應用可控制的VG，可以獲得進一步的優(yōu)點。這可以用于減 小高于額定風速時的最大升力，這可能是增加截斷風速的原因。它還 可以用作在故障、緊急停止或人工停止時降低轉子扭矩的方法，這降 低了其它制動系統(tǒng)的成本。VG可以轉換至優(yōu)選是低分離延遲時的有 效狀態(tài)，在并不低分離延遲時轉換至無效狀態(tài)。根據本發(fā)明的優(yōu)選實 施例，VG通過壓電裝置或通過MEM凸片來控制，特別是通過能夠 使渦流發(fā)生器直接旋轉例如15°的氣缸MEM裝置或壓電裝置來控制。 VG可以安裝在該壓電裝置或MEM裝置上，這樣，它相對于流體流 的方位可以從無效轉變成有效。有效可以通過改變在VG和流體流之 間的角度、通過將它折入或者通過使它或多或少縮回至翼形部分表面 中來進行控制。與傾斜葉片相比，可控制VG的優(yōu)點是更快速地響應。
渦輪機。
通過使本發(fā)明的轉子葉片提供有至少 一個增強點(例如提升點) 而獲得進一步的優(yōu)點，該增強點適合升高葉片，其中，該點優(yōu)選是位于葉片的質心小于1個弦長度。這避免了對VG的損害，因為在安裝 葉片的過程中不需要環(huán)繞葉片的提升帶。
通過使VG對齊成在大約0升力角土3。處平行于局部未干擾(由 VG)流體流，或者平行于切線，從而獲得進一步的優(yōu)點。通過增加攻 角，吸力側的流體流將徑向向外彎曲，這樣，在VG和流體流之間的 角度增加，并產生更強的渦流。這樣，VG在需要時在高攻角下為活 動的，而當它們不需要時在較小攻角下幾乎不增加阻力。
當VG的上游側定位在比下游側更小的徑向位置，這樣，VG迫 使流體流向更大徑向位置，從而增加在邊界層中的自然徑向流分量時， 將獲得進一步的優(yōu)點。
附圖

下面的附圖表示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖l表示了升力相對于攻角的關系；
圖2表示了具有逆風轉子的水平軸線渦輪機；
圖3是翼形部分的剖視圖4是翼形部分的剖視圖5是翼形部分的剖視圖6是翼形部分的剖視圖7是翼形部分的剖視圖8表示了圖3的水平軸線渦輪機，其中葉片上下顛倒； 圖9表示了具有2葉片轉子的風力渦輪機； 圖IO表示了風力渦輪機的葉片； 圖ll表示了風力渦輪機的葉片。
圖l表示了升力L相對于攻角a的曲線圖。曲線3表示了沒有升 力增強裝置的普通翼形部分的關系圖。為了達到給定升力4,流體將 在攻角5下進入翼形部分。由于例如風中的湍流，攻角在范圍6中變 化，因此升力將在范圍7中變化。具有更高升力系數和更短弦的本發(fā) 明翼形部分的性能類似曲線8，它將達到相同升力4。這在更大攻角9 下實現。假定在風中的湍流相同，攻角在與范圍6 —樣寬的范圍10
18中變化。這時，令人驚訝的是具有更高升力系數的翼形部分的升力 變化ll小于普通翼形部分的升力變化7。
圖2表示了作為本發(fā)明實例的、具有塔14和吊艙15的逆風渦輪 機13。半徑R的渦輪機轉子包括輪轂16和葉片18，該葉片18具有 葉尖19和葉根17。 VG安裝在葉片的后側，該VG在圖中不可見。葉 片沿切線20方向旋轉，并包括前緣21和后緣22。圖3至7表示了翼 形部分沿圖2中的線I-I的剖視圖。該剖視圖表示了吸力側34和壓 力側35。圖3表示了攻角a27、延伸弦25和未干擾流體流26。通過 圓36的中心的線是彎度線37。該線與長度39的弦38相交。翼形部 分的前緣由21表示，后緣由22表示。在吸力側使用前部42、中間43 和后部44VG，在壓力側4吏用VG41。圖4表示了采用在較小弦位置 的VG 45和在更大弦位置的VG 44的另一實施方式。以在范圍50內 的兩個位置表示的柔性后緣49并不認為是弦29的一部分(當范圍50 相對于前緣大于2.5%c時)。葉片包括在吸力側46和壓力側47處的 第一類型纖維，該第一類型纖維垂直于剖面延伸。剪切腹板48位于吸 力側和壓力側之間。
圖5表示了兩斜排的VG，其中，在圖中上部線的前部VG 61定 位在底部線的最后部VG 62的上游。優(yōu)選是，VG61和62產生相同 旋轉方向的渦流。圖6表示了具有VG63的前部基線和具有VG64的 后部基線。圖7表示了在弦的相對較大部分上面延伸的VG 65。圖8 表示了圖2的渦輪機15,恰好在具有VG68的葉片18轉動至上下顛 倒位置之后(由箭頭68表示)。在葉片的這樣上下顛倒應用中，氣動 壓力側和吸力側的功能交換，轉子沿相反方向旋轉。實際VG比圖中 所示更小和使用更大數量。圖9表示了具有2葉片轉子的渦輪機15， 該2葉片轉子的葉片18在分開線75處劈開成上部葉片77和底部葉片 76，它們在主軸78的延伸部分處連接。在圖9和10中，空氣可以流 過在上部葉片和底部葉片之間的自由空間79，該上部葉片和底部葉片 在相同徑向位置處達到距離74。局部弦是在相等徑向位置處的上部葉 片的弦和底部葉片的弦的總和。圖IO表示了具有葉尖19和根部17的葉片18。在結構壓力側的基本第一類型纖維81從葉片根部通過上 部葉片76和分開線75朝著葉尖延伸。在結構拉伸側的第一類型纖維 80從根部17通過底部葉片77和分開線75朝著葉尖19延伸。間隔器 82位于上部葉片和底部葉片之間。圖ll表示了風力渦輪機的葉片18， 它有在徑向位置n處的進口 85,該進口 85在邊界層中抽吸空氣，該 抽吸由槽道87中的空氣的離心力來驅動，該槽道87延伸至在徑向位 置 處的出口 86。進口 88相對于進口 85定位在更大的徑向位置r2 處，優(yōu)選是具有比進口 85更強的吸力，因此，該進口具有單獨槽道 90，該槽道90優(yōu)選是沿徑向方向延伸至比槽道87更遠。槽道90將抽 吸的空氣輸送至在徑向位置rn處的出口 89。
對于參數例如風速(變化)、阻力和升力系數、額定風速、攻角變 化等，給出了數字值。本領域技術人員應當知道，這些值只是示意性 的，實際上將取決于翼形部分、轉子和風力渦輪機的設計以及工作條 件。本領域技術人員還應當知道，本文中的渦輪機是指垂直軸線和水 平軸線渦輪機，它只是類型指示，并不規(guī)定軸線的方位。本領域技術 人員還立即可以知道，本發(fā)明將有利于基于升力工作的所有已知類型 風力渦輪機恒定和可變速度渦輪機、傾斜葉片和傾斜失速控制渦輪 機、失速控制渦輪機，以及所有已知類型的飛行渦輪機，例如旋翼飛 機型渦輪機和階梯型渦輪機，所述階梯型渦輪機是特殊類型的垂直軸 線渦輪機(US6072245),它的整個葉片將卑徑向位置R處工作。前文 中包括對于流動現象的物理解釋。應當知道，這些解釋的有效性并不 與附加權利要求的有效性相關。本領域技術人員顯然知道，當本發(fā)明 與其它風力渦輪機概念組合時，也是很有利的，這些風力渦輪機概念 例如循環(huán)傾斜、控制風力(US2006131889 )以及熱量與流量 (US2006232073 )。
權利要求
1. 一種風力渦輪機，包括葉片，該葉片具有氣動型面，其特征在于所述型面在0.2R至0.95R、特別是0.5R至0.95R的范圍內具有大于1.1的10分鐘平均升力系數cl，特別是大于1.2，更特別是大于1.4，更特別優(yōu)選是大約1.6。
2. —種風力渦輪機，包括葉片，其特征在于除了極端狀態(tài)、例 如起動中之外的工作范圍覆蓋一個部分，其中，所述葉片在從0.4R至0.95R范圍內的型面的平均升力系數高于1.5，特別是高于1.75,更特 別是高于2.0。
3. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中在0.5R 至0.95R范圍內的所述型面在一個IO分鐘平均攻角時工作，該10分 鐘平均攻角與所述型面的0升力角的不同超過10、特別是超過12°, 更特別是超過14°，更特別優(yōu)選是大約16°。
4. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中對于未 干擾風速在8m/s和10m/s之間的葉尖速度比入，所述葉片在0.5R和 0.8R之間的弦數D ( = NcrrX2/ R2 )和/或在0.5R和0.8R之間的范圍內 的平均弦數萬小于3.00，特別是小于2.75,更特別是小于2.50。
5. 根據前述任意一個權利要求所述直徑小于5m的風力渦輪機， 其中對于未干擾風速在8m/s和10m/s之間的葉尖速度比X,所述葉 片在0.5R和0.8R之間的弦數D ( = NcrrX2/R2)小于4.50，特別是小 于4肌更特別是小于3.50。
6. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中在功率 系數1/3〈Cp〈16/27之間，M=-1.19+9.74CP-21.01CP2十17.50Cp3的情況 下，且對于水平軸線渦輪才幾徑向范圍在0.5R和0.9R之間和對于垂直 軸線渦輪機在0.8R和R之間的情況下，局部弦小于由等式C=M獲得 的值，和/或在所述范圍內的平均弦小于由等式f二M獲得的值，假定 Cl=l.l，特別是c「1.3,更特別是c「1.5,特別優(yōu)選它大約是1.7。
7. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中在從(0.4R至0.95R，特別是從0.5R至0.8R的范圍內，升力增強裝置與所 述葉片一體制成，或者作為單獨元件安裝在該葉片上，特別是，所述升力增強裝置認為是渦流產生器。
8. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，還包括第一 類型纖維，該第一類型纖維位于氣動壓力側和氣動吸力側上在5%c 和70。/。c之間，其中，在0.3R和0.7R的徑向范圍中，所述纖維在吸 力側(46)的截面比所述纖維在壓力側(48)的截面大至少20%，特 別是大30%，更特別是大40%。
9. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，還包括第一 類型纖維，該第一類型纖維位于5%c和70%c之間，其中，在0.3R 和0.7R的徑向范圍的截面中，在氣動壓力側的所述單向纖維包括至少 25%的碳纖維，特別是，在氣動吸力側的所述單向纖維包括至少25% 的玻璃纖維。
10. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中在吸 力側有進口 (85),該進口 (85)位于5。/。R和7(T/oR之間的徑向位置 處，其中，所述進口 (85)通過槽道(87)而與出口 (86)連接，該 出口 (86)的徑向位置比進口大至少系數0.9a/2，特別是大系數々2, 更特別是大系數a/3。
11. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中在吸 力側有在徑向位置n處的進口 (85)和在徑向位置1"2處的進口 (88)， 該徑向位置h比n大至少10%R,其中，在n處的所述進口 (85)與 在 處的所述出口 (86)連接，在r2處的所述進口 (88)與在徑向 位置1*22處的所述出口 (89)連接，該徑向位置1"22比r 大至少10%R。
12. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，還包括吸 力側和壓力側，當吸力側用作吸力側，且壓力側用作壓力側時，將達 到Cp>0.40，特別是C,0.50,在通過所述渦輪機進行風能發(fā)電的過程 中，所述葉片也上下顛倒應用吸力側用作壓力側，壓力側用作吸力 側。
13. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中轉子的直徑大于60m,特別是大于80m,更特別是大于100m。
14. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，該風力渦輪 機為水平軸線類型，其中所述葉片沿從葉尖朝著葉根(17)的方向 在0.7R和0.2R之間的徑向位置處在分開線(75)處分開成上部葉片(76)和底部葉片(77),在它們之間有自由空間(79)，上部葉片和 底部葉片有助于氣動升力，特別是，在特定徑向位置，在底部葉片和 上部葉片之間的距離(74)大于5。/。R,特別是大于10%R。
15. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中所述 葉片包括至少25%厚度的型面，它用在大于0.55R的徑向位置處，特 別是大于0.65R，更特別是大于0.75R。
16. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中所述 葉片包括位于型面的壓力側的渦流發(fā)生器(41 )，該渦流發(fā)生器優(yōu)選是 比25。/。c更厚，特別是比30。/。c更厚，更特別是比35。/。c更厚。
17. 根據權利要求16所述的風力渦輪機，其中所述渦流發(fā)生器 (41)位于比30%c更大，特別是比50%c更大，更特別是比70%c更大的弦位置處。
18. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中所述 葉片包括翼形部分，該翼形部分的彎度大于6%c，特別是大于8。/。c， 更特別是大于10%c。
19. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中所述 葉片包括翼形部分，該翼形部分至少包括沿流動方向的前部渦流發(fā)生 器(42 )和后部渦流發(fā)生器(44 )以及一個或多個中間渦流發(fā)生器(43 )， 其特征在于所述前部渦流發(fā)生器的高度小于中間渦流發(fā)生器的平均 高度，特別是，所述后部渦流發(fā)生器的高度也小于所述中間渦流發(fā)生 器的平均高度。
20. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中所述 葉片包括翼形部分，該翼形部分具有渦流發(fā)生器(42、 45)，該渦流發(fā) 生器(42、 45)位于壓力側的3。/。c和吸力側的10。/。c之間，特別是在 吸力側的0%c和5%c之間。
21. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中所述 葉片包括翼形部分，該翼形部分具有渦流發(fā)生器(65)，該渦流發(fā)生器(65)的長度大于10%c，特別是大于2(T/。c，更特別是大于30。/。c。
22. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，該風力渦輪 機為垂直軸線類型，其中葉尖速度比k小于31/2，特別是小于3，更 特別是小于2V2。
23. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機,其中所述 渦流發(fā)生器包括塑料PVDF、 FEP、 PEEK、 PI、 PEI、 PES和PFTE 中的一個的表面，特別是，所述渦流發(fā)生器整個由所述塑料構成。
24. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中所述 渦流發(fā)生器布置成與旋轉中心的切線所成的角度小于10°,特別是小 于50。
25. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中超過 70%的所述渦流發(fā)生器的上游側離旋轉中心的距離比下游側短。
26. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中在具 有渦流發(fā)生器的基線的上游，額外的渦流發(fā)生器安裝在更大間隔距離 處。
27. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中渦流 發(fā)生器安裝成這樣的圖形，它在弦位置中沿葉片的縱向方向增加至少 一倍，特別是至少兩倍。
28. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中沿流 動方向布置成一個在另一個后面的渦流發(fā)生器產生相同旋轉方向的渦 流。
29. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中渦流 發(fā)生器的有效性可以這樣調節(jié)，即通過改變位置、或者使它們向外打 開至更大或更小程度、或者使它們局部浸沒在葉片表面中、和特別是 通過由MEM凸片或壓電裝置驅動渦流發(fā)生器。
30. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，還包括翼 形部分截面，其中，比例c,，最大/d，最小小于-1.2 -0.2%彎度，特別是小于-1.4-0.2%彎度。
31. 根據前述任意一個權利要求所述的風力渦輪機，其中所述 渦輪機具有2個主動控制選擇，特別是具有1個主動控制選擇，更特 別是沒有主動控制選擇，所述控制選擇在傾斜控制和可變轉速控制的 組中。
32. —種方法，通過該方法，除去現有的渦輪機的第一葉片，并 用其它葉片更換，其中，具有所述其它葉片的所述現有渦輪機是根據 前述任意一個權利要求所述，特別是，所述其它葉片在0.7R至0.95R的范圍內包括局部弦Cr，該局部弦Cr比所述第一葉片的局部弦C,J、至少10%，特別是至少20%。
33. —種用于制造風力渦輪機的方法，該風力渦輪機包括葉片， 其中，對于未干擾風速在8m/s和10m/s之間的葉尖速度比X，所述葉 片在r-0.5R和F0.8R之間的弦數D ( = NcrrX2/R2)小于3.00，特別 是小于2.75,更特別是小于2.50。
34. —種用于制造葉片風力渦輪機的方法，該葉片風力渦輪機包 括葉片，其中，對于未干擾風速在8m/s和10m/s之間的葉尖速度比X, 所述葉片在r=0.5R和r二0.8R之間的弦數D( = Ncrrk2/ R2 )小于3.00, 特別是小于2.75,更特別是小于2.50。
全文摘要
一種風力渦輪機具有轉子葉片，其中，所述葉片對于湍流相對不敏感，因為它比現有技術的葉片更細長，而且能夠通過流動增強裝置來產生足夠的升力，該流動增強裝置例如抗流體分離的渦流發(fā)生器。細長形由弦數C和D來確定，該C定義為C＝Nc_rc_lrλ²/R²，其中，N是葉片數目、c_r是局部弦，c_l是升力系數，r是徑向位置，λ是葉尖速度比，R是轉子半徑。隨后，弦將小于由等式C＝M得出的值，其中，M＝-1.19+9.74C_p-21.01C_p²+17.50C_p³，C_p是功率系數。本發(fā)明的風力渦輪機與普通設計相比工作負載小大約2-12％，并降低了殘余風速負載大約5-40％。
文檔編號F03D1/06GK101454564SQ200780019244
公開日2009年6月10日 申請日期2007年4月2日 優(yōu)先權日2006年4月2日
發(fā)明者古斯塔夫·保羅·克爾滕 申請人:古斯塔夫·保羅·克爾滕