專利名稱：用于增加由風力渦輪機進行的能量捕獲的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及風カ渦輪機的領域，并且更具體地涉及包括明顯拱部的風カ渦輪機葉片。
背景技術：
風カ渦輪機在可再生發(fā)電源的領域中變得越來越重要。近來，除了常規(guī)發(fā)電方法以外，風カ渦輪機技術已應用于大規(guī)模發(fā)電應用。因此，在變化的風カ條件下最小化風カ渦輪機的負荷的同時最大化性能至關重要。典型地，風カ渦輪機的性能由于風カ渦輪機的運行條件的變化而減小。運行條件典型地包括環(huán)境條件，例如風向、風速、迎角等。例如，風向的變化可能改變?nèi)~片的迎角，這可能改變?nèi)~片的性能。然而，這樣的環(huán)境條件可能超出人的控制。所以，已試圖檢測運行條件并且相應地控制風カ渦輪機以在不利狀況下增加風カ渦 輪機的性能。為了增加風カ渦輪機的性能，也已試圖設計可以經(jīng)受運行條件的變化的最佳翼型。最佳翼型可以基于風カ渦輪機的運行條件和若干參數(shù)之間的各種關系進行設計。所述參數(shù)例如包括操作迎角和翼型性質，即，升力系數(shù)、曳カ系數(shù)、失速角等。例如，圖I顯示了具有吸力側的示例性一般翼型。如圖I中所示，風流在分離點從翼型的吸力側過早地分離。風的過早分離形成大分離區(qū)域，并且由于曳カ系數(shù)的増加而增加作用于翼型的曳力。因此，可能減小具有帶這樣的翼型的葉片的風力渦輪機的性能。考慮到以上情況，有益的并且有利的是提供一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括具有最佳設計或輪廓的葉片。特別地，將有益的是提供具有最佳設計或輪廓的翼型以在更寬的操作裕度上增加系統(tǒng)的性能。

發(fā)明內(nèi)容
簡而言之，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出了ー種葉片。該葉片包括近端和遠端，以及在近端和遠端之間延伸的明顯拱部，其中該明顯拱部鄰近后緣并且位于葉片的吸カ側，并且在某個位置的明顯拱部的幅度在所述位置處的葉片的橫截面的弦的長度的大約O. 7%至大約I. 4%之間變化。根據(jù)另ー個方面，提出了ー種系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括多個葉片，其中多個葉片的每ー個包括多個翼型，多個翼型的每ー個包括明顯拱部，其中該明顯拱部位于吸カ側并且鄰近多個翼型的每ー個的后緣，并且明顯拱部包括在多個翼型的每ー個的弦的長度的大約O. 7%至大約I. 4%之間變化的幅度。根據(jù)本發(fā)明的又ー個方面，提出了ー種風カ渦輪機。該風カ渦輪機包括多個葉片，其中多個葉片的每ー個包括多個翼型，多個翼型的每ー個包括明顯拱部，其中該明顯拱部位于吸カ側并且鄰近多個翼型的每ー個的后緣，并且明顯拱部包括在多個翼型的每ー個的弦的長度的大約O. 7%至大約I. 4%之間變化的幅度。根據(jù)本發(fā)明的又ー個方面，提出了ー種水平軸線風カ渦輪機。該水平軸線風カ渦輪機包括多個葉片，其中多個葉片的每ー個包括多個翼型，多個翼型的每ー個包括一部分明顯拱部，其中該明顯拱部位于吸カ側并且鄰近多個翼型的每ー個的后緣，并且明顯拱部包括在多個翼型的每ー個的弦的長度的大約O. 7%至大約I. 4%之間變化的幅度。根據(jù)本發(fā)明的又ー個方面，提出了ー種組裝轉子葉片的方法。所述方法包括以下步驟形成所述轉子葉片的多個模塊，其中模塊中的ー個或多個或模塊的各部分包括明顯拱部，以及相繼地聯(lián)接模塊以形成轉子葉片，其中明顯拱部鄰近后緣并且位于轉子葉片的吸カ側，并且在某個位置的明顯拱部的幅度在所述位置處的葉片的橫截面的弦的長度的大約O. 7%至大約I. 4%之間變化。


當參考附圖閱讀以下詳細描述時，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點將變得明顯，在附圖中相似的附圖標記始終表示相似的部件，其中圖I示出了一般翼型，所述翼型顯示了由于翼型的輪廓引起的風流的過早分離； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括多個葉片的示例性風カ渦輪機系統(tǒng)的示意圖，每個葉片包括明顯拱部；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的葉片的翼型以示出翼型的示例性明顯拱部；圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括明顯拱部的翼型以示出由于明顯拱部引起的對風流分離的影響；以及圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的流程圖，所述流程圖表示在用于組裝具有明顯拱部的葉片的示例性方法中涉及的步驟。
具體實施例方式如下面詳細地所述，本發(fā)明的實施例涉及ー種葉片，所述葉片具有在葉片的近端和遠端之間延伸的明顯拱部。更特別地，本發(fā)明的實施例涉及ー種葉片的翼型，所述翼型具有在吸力側并且鄰近翼型的后緣的明顯拱部。當在本發(fā)明中使用吋，術語“翼型”可以用于表示由葉片的橫截面限定的設計或形狀。現(xiàn)在參考圖2，顯示了根據(jù)發(fā)明的實施例的示例性風カ渦輪機系統(tǒng)200的示意圖。在當前預期的構造中，風カ渦輪機系統(tǒng)200包括風カ渦輪機201。風カ渦輪機201可以是水平軸線風カ渦輪機、豎直軸線風カ渦輪機或順風向風カ渦輪機。當在本申請中使用時，術語“風カ渦輪機”可以用于表示將風的動能轉換為機械能的旋轉式機器。機械能然后可以被轉換為電能。風カ渦輪機201由風流202作用。風カ渦輪機201包括多個葉片204、206、208和塔架210。在一個實施例中，葉片204、206、208的每ー個包括明顯拱部。當在本申請中使用時，術語“明顯拱部”可以用于表示葉片的橫截面的平均拱線上的凸起，其中平均拱線上的凸起產(chǎn)生葉片的吸カ側的表面上的凸起。當在本申請中使用吋，術語“平均拱線”用于表示限定葉片的橫截面的形狀的假想線。如圖2中所示，葉片204、206、208的每ー個具有近端和遠端。例如，葉片204具有近端212和遠端214，并且葉片206具有近端216和遠端218。類似地，葉片208具有近端220和遠端222。在一個實施例中，葉片204、206、208的每ー個的明顯拱部從相應近端212、216,220分別延伸到相應遠端214、218、222。例如，在當前預料的構造中，明顯拱部從相應的近端212、216、220延伸到相應的遠端214、218、222。如圖2中所示，葉片204的橫截面300包括明顯拱部302。明顯拱部302延遲風流202的分離，并且因此使得發(fā)電量増加。為了易于理解，將參考圖3更詳細地解釋明顯拱部302。此外，將參考圖4更詳細地解釋使得發(fā)電量增加的風流202的分離的延遲。圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的葉片204的橫截面300以示出示例性明顯拱部302。術語“橫截面”和“翼型”將可互換使用。如圖3中所示，翼型300包括明顯拱部302、前緣304、后緣306、壓カ側308、吸カ側310、弦312和平均拱線314。當在本申請中使用吋，術語“平均拱線”用于表示限定翼型的形狀的假想線。更特別地，術語“平均拱線”可以用于表示翼型的上表面和下表面之間的中途點的軌跡。應當注意的是當翼型300不包括明顯拱部302時，翼型300的形狀可以由平均拱線316限定。然而，當翼型300包括明顯拱部302吋，翼型300的形狀由平均拱線314限定。所以，將明顯拱部302包括在翼型300中使平均拱線316的位置偏移。平均拱線316的位置的偏移產(chǎn)生另ー個平均拱線314。
如圖3中所示，明顯拱部302位于吸カ側310并且鄰近后緣306。在一個實施例中，明顯拱部302被定位成離前緣304的距離在弦312的長度的大約60%至大約80%之間變化。在另ー個實施例中，明顯拱部302被定位成離后緣306的距離在弦312的長度的大約20%至大約40%之間變化。另外，明顯拱部302的幅度d可以在弦312的長度的大約O. 7%至大約I. 4%之間變化。當在本申請中使用吋，術語“幅度”可以用于表示不包括明顯拱部的翼型的平均拱線和在將明顯拱部包括在翼型中之后形成的另ー個平均拱線之間的距離。例如，在當前預料的構造中，明顯拱部302的幅度d是平均拱線316和翼型300的平均拱線314之間的距離。如先前所述，明顯拱部302通過延遲作用于翼型300的風流202 (參見圖2)的分離而增加風カ渦輪機202的全年發(fā)電量。將參考圖4更詳細地解釋由于明顯拱部引起的全年發(fā)電量的増加?，F(xiàn)在參考圖4，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例示出了明顯拱部302對作用于圖3的翼型300的風流202的分離的影響。如圖4中所示，風流202作用于翼型300。如當前預料的構造中所示，風流202在分離點400從翼型300的吸カ側310分離。因此，風流202的分離由于明顯拱部302的存在而延遲。另外，風流202的延遲分離使得形成較小分離區(qū)域402。因此，作用于翼型300的曳カ可以更小，并且具有包括翼型300的葉片204的風カ渦輪機100的性能可以高。圖5是根據(jù)本方法的實施例的流程圖500，所述流程圖表示在用于組裝具有明顯拱部的圖2的轉子葉片204的示例性方法中涉及的步驟。如圖5中所示，在步驟502，形成轉子葉片204的多個模塊。多個模塊形成為使得模塊中的ー個或多個包括明顯拱部的部分。例如，模塊中的一個可以包括明顯拱部302(參見圖3)。隨后，在步驟504將模塊彼此相繼地聯(lián)接以形成轉子葉片204。將模塊彼此相繼地聯(lián)接成使得明顯拱部鄰近后緣并且位于葉片204的吸カ側。此外，明顯拱部可以具有在葉片204的相應橫截面的弦的長度的大約O. 7%至大約I. 4%之間變化的幅度。在一個實施例中，明顯拱部可以被定位成離橫截面的前緣的距離在弦的長度的大約60%至大約80%之間變化。在另ー個實施例中，明顯拱部可以鄰近葉片的后緣定位。鄰近后緣是離橫截面的后緣在弦的長度的大約20%至大約40%之間變化的距離。本發(fā)明的實施例減小了風カ渦輪機中的流分離區(qū)域。由于明顯拱部存在于風カ渦輪機的葉片中，因此風流從葉片的分離被延遲。風流分離的延遲使得產(chǎn)生風カ渦輪機的較小分離區(qū)域和較大失速裕度。由于較大的失速裕度，風カ渦輪機將能夠從風提取更多的能量，這導致由風產(chǎn)生的全年發(fā)電量増加。較大的失速裕度也有助于風カ渦輪機的平滑和更穩(wěn)定操作。應當理解的是不一定所有上述這樣的目的或優(yōu)點可以根據(jù)任何特定實施例獲得。因此，例如本領域的技術人員將認識到本申請中所述的系統(tǒng)和技術可以以獲得或優(yōu)化如本申請中教導的ー個優(yōu)點或一組優(yōu)點而不必獲得如本申請中教導或建議的其他目的或優(yōu)點的方式實施或實現(xiàn)。盡管僅僅結合有限數(shù)量的實施例詳細地描述了本發(fā)明，但是應當容易理解本發(fā)明不限于這樣的公開實施例。相反地，本發(fā)明可以經(jīng)修改以包含目前為止未描述的許多變型、改變、替代或等效布置，但是這些屬于本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。另外，盡管已描述了本發(fā)明的各種實施例，但是應當理解本發(fā)明的方面可以僅僅包括所述實施例中的ー些。因此 ，本發(fā)明不應當被視為由前面的描述限制，而是僅僅由附帶的權利要求的范圍限制。
權利要求
1.一種葉片，包括 近端和遠端，以及在所述近端和所述遠端之間延伸的明顯拱部， 其中所述明顯拱部鄰近后緣并且位于所述葉片的吸カ側，并且在某個位置的所述明顯拱部的幅度在所述位置處的所述葉片的橫截面的弦的長度的大約O. 7%至大約I. 4%之間變化。
2.根據(jù)權利要求I所述的葉片，其特征在于，所述明顯拱部被定位成離所述橫截面的前緣的距離在所述弦的長度的大約60%至大約80%之間變化。
3.根據(jù)權利要求I所述的葉片，其特征在于，所述鄰近后緣是離所述橫截面的后緣在所述弦的長度的大約20%至大約40%之間變化的距離。
4.根據(jù)權利要求I所述的葉片，其特征在于，所述位置處的所述幅度是不包括所述明顯拱部的所述葉片的橫截面的平均拱線與當相應橫截面包括所述明顯拱部時形成的相應橫截面的另ー個平均拱線之間的距離。
5.一種系統(tǒng),包括 多個葉片，其中所述多個葉片的每ー個包括多個翼型，所述多個翼型的每ー個包括明顯拱部， 其中所述明顯拱部位于吸カ側并且鄰近所述多個翼型的每ー個的后緣，并且所述明顯拱部包括在所述多個翼型的每ー個的弦的長度的大約O. 7%至大約I. 4%之間變化的幅度。
6.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述明顯拱部被定位成離所述多個翼型的每ー個的前緣的距離在所述弦的長度的大約60%至大約80%之間變化。
7.根據(jù)權利要求5所述的風カ渦輪機，其特征在于，所述鄰近后緣是離所述后緣在所述弦的長度的大約20%至大約40%之間變化的距離。
8.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)是水平軸線風カ渦輪機、豎直軸線風カ渦輪機和順風向風カ渦輪機。
9.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述幅度是不包括所述明顯拱部的所述翼型的平均拱線和在將所述明顯拱部包括在所述翼型中之后形成的另ー個平均拱線之間的距離。
10.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述明顯拱部使所述系統(tǒng)的全年發(fā)電量在大約1%至大約2%的范圍內(nèi)增加。
11.ー種風カ渦輪機，包括 多個葉片，其中所述多個葉片的每ー個包括多個翼型，所述多個翼型的每ー個包括明顯拱部， 其中所述明顯拱部位于吸カ側并且鄰近所述多個翼型的每ー個的后緣，并且所述明顯拱部包括在所述多個翼型的每ー個的弦的長度的大約O. 7%至大約I. 4%之間變化的幅度。
12.根據(jù)權利要求11所述的風カ渦輪機，其特征在于，所述風カ渦輪機是水平軸線風カ渦輪機、豎直軸線風カ渦輪機和順風向風カ渦輪機。
13.—種水平軸線風カ渦輪機，包括 多個葉片，其中所述多個葉片的每ー個包括多個翼型，所述多個翼型的每ー個包括一部分明顯拱部， 其中所述明顯拱部位于吸カ側并且鄰近所述多個翼型的每ー個的后緣，并且所述明顯拱部包括在所述多個翼型的每ー個的弦的長度的大約O. 7%至大約I. 4%之間變化的幅度。
14.ー種組裝轉子葉片的方法，包括 形成所述轉子葉片的多個模塊，其中所述模塊中的一個或多個或所述模塊的各部分包括明顯拱部；以及 相繼地聯(lián)接所述模塊以形成所述轉子葉片， 其中所述明顯拱部鄰近后緣并且位于所述轉子葉片的吸カ側，并且在某個位置的所述明顯拱部的幅度在所述位置處的所述葉片的橫截面的弦的長度的大約O. 7%至大約I. 4%之間變化。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其特征在于，所述明顯拱部位于吸カ側并且鄰近所述轉子葉片的后緣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于增加由風力渦輪機進行的能量捕獲的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明涉及一種葉片。所述葉片包括近端和遠端，以及在所述近端和所述遠端之間延伸的明顯拱部，其中所述明顯拱部鄰近后緣并且位于所述葉片的吸力側，并且在某個位置的所述明顯拱部的幅度在所述位置處的所述葉片的橫截面的弦的長度的大約0.7％至大約1.4％之間變化。
文檔編號F03D11/00GK102691631SQ20121008962
公開日2012年9月26日 申請日期2012年3月22日 優(yōu)先權日2011年3月22日
發(fā)明者A·古普塔, J·羅加納桑, S·迪 申請人:通用電氣公司