專利名稱：風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片及可調(diào)槳距式風(fēng)力渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片及一種包括至少一個轉(zhuǎn)子葉片的 轉(zhuǎn)子的可調(diào)槳距風(fēng)力渦輪機(jī)。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪機(jī)具有兩種調(diào)節(jié)功率輸出的方式，即槳距調(diào)整和失速(stall)調(diào)整。在槳距調(diào)整式風(fēng)力渦輪機(jī)中，通過對轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子葉片設(shè)定一個適當(dāng)?shù)?槳距角來對風(fēng)力渦輪機(jī)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過設(shè)定這個槳距角，風(fēng)力渦輪機(jī)可 以在較大的風(fēng)速范圍內(nèi)以一個優(yōu)化的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。但是，風(fēng)力渦輪機(jī)經(jīng)常會在 湍流風(fēng)場下運(yùn)轉(zhuǎn)。在這樣的湍流風(fēng)場以及高風(fēng)速情況下運(yùn)行，槳距調(diào)整式風(fēng) 力渦4侖^/L可能會在轉(zhuǎn)子葉片翼部的一部分上受到負(fù)升力。這種情況下渦4侖才幾 葉片上會產(chǎn)生與主風(fēng)向相反方向的風(fēng)力負(fù)載。如果該負(fù)載再與三葉片轉(zhuǎn)子上 其他兩個葉片所收到的正升力負(fù)載相聯(lián)合，則產(chǎn)生高偏航(yaw)力矩和傾斜 (tilt)力矩作用在風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)構(gòu)上。目前解決高偏航力矩和傾斜力矩的問題的辦法是調(diào)整風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子 葉片的結(jié)構(gòu)的尺寸，以使其能支撐住發(fā)生的負(fù)載。在失速調(diào)整式風(fēng)力渦輪機(jī)中，通過設(shè)定一個適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來對功率進(jìn) 行限制。設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是通過誘導(dǎo)轉(zhuǎn)子葉片失速即氣流分離來完成的。在這 類機(jī)械中轉(zhuǎn)子葉片的槳距角是固定的。對于失速調(diào)整式風(fēng)力渦輪機(jī)，眾所周 知，其是通過在轉(zhuǎn)子葉片翼部剖面前緣上設(shè)置紊流器(turbulator)來減小失速 振動。這類紊流器，例如，在EP0954701B1中凈皮公開。由于在一個給定的 風(fēng)速下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子葉片的槳距角會根據(jù)一個所使用的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來進(jìn)行 調(diào)整，因此失速調(diào)整式風(fēng)力渦輪機(jī)上不會出現(xiàn)槳距調(diào)整式風(fēng)力渦輪機(jī)上受到 高偏航力矩和傾斜力矩的問題。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，其能夠克服槳距 調(diào)整式風(fēng)力渦輪機(jī)中所提到的上述的問題。本發(fā)明的另 一個目的是提供一種 改進(jìn)的槳距調(diào)整式風(fēng)力渦輪機(jī)。本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片包括一個具有上風(fēng)向側(cè)和下風(fēng)向側(cè)的翼 部剖面。在翼部剖面的上風(fēng)向側(cè)設(shè)置有一個失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)。如在前面的介紹中已經(jīng)提到的，在風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片翼部剖面的前緣 或者下風(fēng)向側(cè)上設(shè)置失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)對于失速調(diào)整式風(fēng)力渦輪機(jī)來說是已知 的。在這些情況下，被用來減小正升力的失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)同時也減小了風(fēng)力渦 輪機(jī)的驅(qū)動力。但是，與設(shè)置在失速調(diào)整式風(fēng)力渦輪機(jī)中前緣或下風(fēng)向側(cè)的 用于功率調(diào)整的失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)相比，設(shè)置在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片翼部剖面上風(fēng)向 側(cè)的失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)具有不同的效果。通過將該失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)設(shè)置在槳距調(diào)整 式風(fēng)力渦輪機(jī)中的上風(fēng)向側(cè)，從而在上風(fēng)向側(cè)擾動流體進(jìn)而減小了作用于翼 面的最大負(fù)升力。本發(fā)明基于以下試驗(yàn)觀測風(fēng)力渦輪機(jī)在湍流風(fēng)場下運(yùn)行。在給定槳距角的情況下，會造成相對風(fēng) 的不同的攻角，該攻角關(guān)于剖面弦長測量。然而，不同的攻角會造成翼面上 不同的升力。對于湍流較平穩(wěn)的一般運(yùn)行工況，槳距調(diào)整式風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行 在升力曲線的線性部分，即，升力的變化與攻角的變化成正比。但在一些情 況中，在轉(zhuǎn)子位置與風(fēng)場的強(qiáng)剪應(yīng)力共同作用下會導(dǎo)致攻角超出該線性區(qū) 域。在這些情況下，渦輪機(jī)的負(fù)載將會與翼面的最大升力和最小升力緊密相 關(guān)。在翼面出現(xiàn)失速前都會經(jīng)歷最小和最大升力。在負(fù)升力的情況下，流體 在翼面的上游側(cè)分開。因此，通過改變翼面的最小升力的絕對值，渦輪機(jī)的 疲勞度和極端負(fù)荷得以減小。一個合適的失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)可以具有一個三角形截面。特別地，該截面可 以是不等邊三角形或等腰三角形。在不等邊三角形情況下，失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)有 利地位于剖面的5%弦長到30%弦長之間，優(yōu)選位于10%弦長到20%弦長 之間。在失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)具有等腰三角形截面情況下，其有利地位于靠近前緣 的位置，即，在小于剖面5%弦長的位置，優(yōu)選位于2%弦長到5%弦長之間。本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)，即，能夠 在減小最大負(fù)升力絕對值的同時，對在正常運(yùn)行工況下的葉片剖面的運(yùn)行參 數(shù)不產(chǎn)生任何明顯程度的影響。另一方面，在可能會導(dǎo)致極為不對稱負(fù)載的情況下，其對負(fù)載有正面和深遠(yuǎn)的影響。本發(fā)明的槳距調(diào)整式風(fēng)力渦輪機(jī)包括一個具有至少一個本發(fā)明風(fēng)力渦 輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子。在該風(fēng)力渦4侖機(jī)中，以高風(fēng)速作用于風(fēng)力渦輪^L結(jié)構(gòu)小。本發(fā)明進(jìn)一步的特征，性能和優(yōu)點(diǎn)通過下面對實(shí)施例的說明以及相應(yīng)附 圖可以更清楚地了解。


圖1示出了一個風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的平面視圖，其限定在由葉片的翼 展和葉片弦的平面上。圖2示出了穿過才艮據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的轉(zhuǎn)子葉片的翼面部的弦向截面。圖3示出了風(fēng)力渦4&^4爭子葉片的入流。圖4示出了與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子葉片相比較的本發(fā)明風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的升力 和阻力的測定值。圖5示出了穿過根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的轉(zhuǎn)子葉片的翼面部的弦向截面。
具體實(shí)施方式
圖1示出的是常用于三葉片轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片1。但是，本發(fā)明不 限于^f又用于三葉片轉(zhuǎn)子的葉片。實(shí)際上，其還可以應(yīng)用在例如單葉片轉(zhuǎn)子或 兩葉片轉(zhuǎn)子或多于三個葉片的轉(zhuǎn)子的其他轉(zhuǎn)子上。圖l示出的轉(zhuǎn)子葉片1包括一個具有圓柱剖面的根部3和一個形成為葉 片1的外層部分的端部2。該根部3的圓柱剖面用于將葉片1固定于轉(zhuǎn)子轂 (未示出)的一個軸承上。轉(zhuǎn)子葉片1進(jìn)一步還包括一個所謂的肩部7,其 -故限定為葉片最大剖面深度，即，它的最大弦長的位置。翼面5沿著所謂的 翼展(圖1中的點(diǎn)劃線)在根部3和端部2之間延伸。圖2示出了穿過轉(zhuǎn)子葉片的翼面5的弦向截面。圖2中示出的翼面5的 空氣動力學(xué)剖面包括一個凸形吸入側(cè)13,其形成為剖面的下游側(cè)，以及一個 凸度略小的壓力側(cè)15，其形成為剖面的上游側(cè)。從葉片前緣9延伸至后緣11的點(diǎn)劃線顯示剖面的弦線與翼展相垂直。盡管圖2中壓力側(cè)15包括一個 凸部17和一個凹部19，其只要使吸入側(cè)13較壓力側(cè)15凸度大，同樣能被 實(shí)施為根本沒有凹部。失速誘導(dǎo)裝置21布置在壓力側(cè)15從翼面5的剖面的前緣9端開始測定 弦長大約20%位置上。該失速誘導(dǎo)裝置21具有一個近似于不等邊三角形的 截面并在翼面5的一部分上沿展向連續(xù)或間斷地延伸。圖3示出了翼面部分的風(fēng)狀況。該圖示出了環(huán)境風(fēng)的風(fēng)向W以及轉(zhuǎn)子 葉片5的轉(zhuǎn)動方向R。如圖上所看到，剖面的弦線和轉(zhuǎn)動方向之間形成一個 角度e,該角度即轉(zhuǎn)子葉片的槳距角。該槳距角設(shè)置為使得轉(zhuǎn)子以優(yōu)化轉(zhuǎn)子渦輪機(jī)的最大功率范圍內(nèi)。由于這樣轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子葉片5受到由箭頭RW標(biāo)明 的相對風(fēng)力。該相對風(fēng)與環(huán)境風(fēng)矢量合成為入射風(fēng)IW。在弦線與入射風(fēng)IW 之間形成的角度成為攻角a。在槳距調(diào)整式風(fēng)力渦4侖機(jī)中，攻角a隨著風(fēng)力渦4侖機(jī)的輸出功率的減小 而減小，隨著輸出功率的增加而增加。在翼面的設(shè)計中的焦點(diǎn)是在約為2。 的攻角下的高升阻比。當(dāng)翼面用于飛機(jī)設(shè)計中時，在極高和極低的攻角情況下的升力和阻力相 對不那么重要。然而對于風(fēng)力渦輪機(jī)而言，在低攻角情況下的性能對于渦輪 機(jī)的負(fù)載至關(guān)重要。該低攻角可能是由于高風(fēng)速下的功率減小而造成。由于槳距調(diào)整式風(fēng)力渦輪機(jī)在高風(fēng)速的湍流風(fēng)場下運(yùn)行，當(dāng)設(shè)定槳距e 可能會出現(xiàn)攻角接近0°，即攻角圍繞0。波動的情況。該波動會導(dǎo)致攻角a 成為負(fù)數(shù)，即，風(fēng)力從下風(fēng)向側(cè)13而非上風(fēng)向側(cè)15射入到翼面5上。此種 情況下轉(zhuǎn)子葉片l在翼面5的一部分上會受到負(fù)升力，并且風(fēng)力渦輪機(jī)葉片 1受到的風(fēng)力負(fù)載將會與主風(fēng)向的風(fēng)向相反。如果該負(fù)載再與作用于其他兩 個葉片上的正升力負(fù)載相聯(lián)合，則在傳統(tǒng)的風(fēng)力渦4侖機(jī)轉(zhuǎn)子葉片中作用在風(fēng) 力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)上的偏航力矩和傾斜力矩會變得非常大。然而，在本發(fā)明風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片1中，失速誘導(dǎo)裝置21通過誘導(dǎo) 裝置21的后緣側(cè)誘導(dǎo)失速來減小作用于翼部剖面上的負(fù)升力。這是因?yàn)樵?失速誘導(dǎo)裝置21的楔形幾何形狀后形成有一個再循環(huán)區(qū)域。在攻角a為負(fù) 的情況下，該區(qū)域會爆發(fā)并在翼面5的上風(fēng)向側(cè)15上觸發(fā)更大的失速。另 一方面，當(dāng)攻角a為正時，也即是說，當(dāng)入射風(fēng)沖擊葉片的上風(fēng)向側(cè)15時，失速誘導(dǎo)裝置21將不會對空氣流有實(shí)質(zhì)性影響，從而使得在正常運(yùn)行工況下風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片l不會受到負(fù)面影響。圖4中示出了根據(jù)圖2中的發(fā)明風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片1中隨著攻角a變 化的測定升力系數(shù)d和測定阻力系數(shù)Cd。為了能夠?qū)⒈景l(fā)明的風(fēng)力渦4侖機(jī) 葉片1與傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片相比較，具有圖2所示剖面但不具備失速誘導(dǎo) 機(jī)構(gòu)21的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的升力系數(shù)Clref和阻力系數(shù)Cdref均在圖中示出。 該曲線的左側(cè)端和右側(cè)端表示處于翼面失速的工況。因此，在翼面出現(xiàn)失速 時已得到最小和最大升力值。圖4示出了當(dāng)攻角a為3?；蚋邥r，具有失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)21和不具有該 機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子葉片的升力系數(shù)Q和d一ref幾乎是一致的。在升力系數(shù)Q為0.6 到1.2之間的正常運(yùn)行工況下，失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)21的影響并嚴(yán)重。阻力系數(shù) Cd也是同樣。當(dāng)攻角a大于約5。時，具有失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)21和不具有該機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子葉片的阻力系數(shù)Cd和Qj—ref也近乎一致。只有當(dāng)小于大約5°到4。時，由于在翼面5的上風(fēng)向側(cè)15出現(xiàn)失速，具有失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)21的風(fēng)力渦輪機(jī) 轉(zhuǎn)子葉片1的阻力系數(shù)Cd會增加。當(dāng)攻角a小于大約3。時，本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片1的升力系數(shù) C,幾乎在10。范圍內(nèi)保持不變。從大約a- -7°開始，隨著攻角a減小升力 系數(shù)d也隨之減小直到-14°。本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片1的最小升力 系數(shù)C,大約為-1.0。。與之相反的是，沒有失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)21的風(fēng)力渦輪機(jī) 的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的負(fù)升力系數(shù)Clref已達(dá)到-1。并具有一個大約為-1.4。的最小升力系數(shù)。因此，當(dāng)攻角a小于大約+ 3。時，本發(fā)明的風(fēng)力渦輪 機(jī)轉(zhuǎn)子葉片1的升力系數(shù)Q總是比在上風(fēng)向側(cè)15沒有失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)21的風(fēng) 力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的升力系數(shù)Q—M要高。這樣就減小了攻角a為負(fù)時風(fēng)力 渦輪機(jī)的疲勞度和極端負(fù)載。因此，其他風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片受到正升力而 風(fēng)力渦輪機(jī)葉片1的翼面5的一部分上受到負(fù)壓力這種情形只有在攻角a達(dá)斜力矩的情況的可能性會減小。將翼面5的最小升力系數(shù)轉(zhuǎn)換到較高升力系數(shù)d會減小渦輪機(jī)的疲勞 度和極端負(fù)載。本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的第二實(shí)施例在圖5中示出，該圖示出了葉片 翼面部5的剖面。該實(shí)施例中與第一實(shí)施例相同的部件釆用圖2中相同的附圖標(biāo)記表示并不再作說明以避免重復(fù)。圖5中示出的實(shí)施例與圖2中示出的第一實(shí)施例的區(qū)別在于失速誘導(dǎo)機(jī) 構(gòu)的位置和截面。在第二實(shí)施例中，失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)23位于靠近翼部剖面的 前緣9的附近。并且，不同于具有一個類似于不等邊三角形的截面，第二實(shí) 施例的失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)23具有一個類似于等腰三角形的截面。該三角形位于 從前緣9開始處位于測量的小于5%,在本實(shí)施例中大約為2%弦長位置處。盡管上面描述了具有類似兩個極端情況的截面和失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)21， 23 的本發(fā)明風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的兩個具體實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員會意識 到失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)位于上述兩個實(shí)施例中的位置之間也同樣可適用于本發(fā)明。 當(dāng)失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)的位置朝向更大弦長的方向移動時，失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)的截面也 會由如第二實(shí)施例中所示的等腰三角形向如第一實(shí)施例中所示的不等邊三角形逐漸發(fā)生變化。在現(xiàn)有技術(shù)中，在風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)上不時發(fā)生高不對稱負(fù)載的問題一般 是通過安排結(jié)構(gòu)尺寸以承受最大預(yù)期負(fù)載，本發(fā)明允許減少對渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)尺 寸的限制。這就意味著與那些需要將高度不對稱負(fù)載因素考慮在內(nèi)的設(shè)計相 比，可以實(shí)現(xiàn)重量較輕的設(shè)計。
權(quán)利要求
1、一種具有翼部剖面(5)的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(1)，該翼部剖面具有一個上風(fēng)向側(cè)(15)和一個下風(fēng)向側(cè)(13)，其特征在于一個失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)(21)位于翼部剖面(5)的上風(fēng)向側(cè)(15)處。
2、 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(1),其特征在于失速 誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)(21, 23)具有三角形截面。
3、 如權(quán)利要求2所述的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(1),其特征在于失速 誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)(21)具有不等邊三角形截面。
4、 如權(quán)利要求3所述的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(1),其特征在于失速 誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)(21 )位于5 %弦長和30 %弦長之間。
5、 如權(quán)利要求2所述的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(1),其特征在于失速 誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)(23)具有等腰三角形截面。
6、 如權(quán)利要求5所述的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(1)，其特征在于失速 誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)(23)位于靠近翼部剖面(5)的前緣(9)處。
7、 如權(quán)利要求6所述的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(1)，其特征在于失速 誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)(23 )位于2 %弦長和5 %弦長之間。
8、 一種槳距調(diào)整式風(fēng)力渦輪機(jī)，其包括一個具有至少一個根據(jù)上述權(quán) 利要求中的風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片(1)的轉(zhuǎn)子。
全文摘要
一種具有翼部剖面(5)的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(1)，所述翼部剖面設(shè)置有一個上風(fēng)向側(cè)(15)和一個下風(fēng)向側(cè)(13)。一個失速誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)(21)位于翼部剖面(5)的上風(fēng)向側(cè)(15)處。
文檔編號F03D11/00GK101403368SQ200810171410
公開日2009年4月8日 申請日期2008年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月20日
發(fā)明者佩德·B·埃尼沃爾德森, 安德斯·V·尼爾森, 杰斯珀·勞爾森, 索倫·約爾特, 魯恩·魯巴克 申請人:西門子公司