本發(fā)明總體涉及風(fēng)輪機(jī)葉片,更具體地說涉及整合后緣襟翼的風(fēng)輪機(jī)葉片。
背景技術(shù):
持續(xù)期望提高風(fēng)輪機(jī)葉片的性能以使來自風(fēng)的能量捕獲最大化。就這一點而言,公知沿葉片的后緣整合諸如襟翼之類的增升裝置。1993年,kentfield等人證明了能沿風(fēng)輪機(jī)葉片的后緣順利地施加所謂的“gurney襟翼”,結(jié)果使升力增大而不顯著增大阻力(“gurney襟翼的流動物理學(xué),用于提高風(fēng)輪機(jī)葉片性能的裝置(theflowphysicsofgurneyflaps,devicesforimprovingturbinebladeperformance)”)(航天工程文獻(xiàn)-卷14,風(fēng)能,美國機(jī)械工程師協(xié)會1993,第29頁至第35頁)。
參照圖1,這是風(fēng)輪機(jī)葉片1的剖面圖,此圖示出了葉片1的局部翼型。葉片1包括安裝在葉片1的后緣3處的簡單的l形gurney襟翼2。gurney襟翼2包括結(jié)合至葉片1的壓力側(cè)5的安裝凸緣4以及從壓力側(cè)5突出的襟翼部6。襟翼部6垂直于葉片的“局部翼弦”布置。局部翼弦c是在葉片1的前緣7與后緣3之間延伸的直線。局部翼弦限定“局部翼弦平面”,此局部翼弦平面是大體垂直于局部翼型并且包括局部翼弦c的平面,即,包括局部翼弦c并且垂直于附圖1中的頁面的平面。
在風(fēng)輪機(jī)葉片上整合gurney襟翼以及其他后緣襟翼日益普遍。例如下面的專利申請中描述了后緣襟翼的其他實施例:dk9500009u3(bonusenergy)、wo02/08600a1(stichtingenergieonderzoekcentrum)、ep1845258a1以及ep2514961(西門子)以及wo2011/042527(lmglasfiber)。
以上提及的專利申請中描述了后緣襟翼的各種形狀以及構(gòu)造,并且正在持續(xù)研究以確定這些裝置的最優(yōu)形狀與構(gòu)造。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
以此為背景,本發(fā)明提供一種風(fēng)輪機(jī)葉片,此風(fēng)輪機(jī)葉片沿翼展方向在根端與梢端之間延伸并且沿翼弦方向在前緣與后緣之間延伸,所述葉片具有壓力側(cè)與吸力側(cè)以及后緣襟翼,所述后緣襟翼包括:襟翼部,所述襟翼部在所述葉片的所述壓力側(cè)上從所述后緣突出,所述襟翼部具有第一部分與第二部分,所述第一部分與所述第二部分均具有在使用中布置成面對來臨的氣流的上游表面;所述第一部分從所述后緣延伸并且在剖面中具有近端與遠(yuǎn)端,所述近端定位在所述后緣處或者鄰近所述后緣定位,并且所述遠(yuǎn)端與所述后緣間隔開;其中,所述第一部分取向成使得在所述第一部分的所述上游表面與平行于局部翼弦平面延伸并與所述第一部分的所述近端相交的平面之間限定鈍角;并且所述第二部分取向成使得所述第一部分的所述上游表面與所述第二部分的所述上游表面一起限定剖面中的凹形輪廓。
后緣襟翼的此新穎且有創(chuàng)造力的構(gòu)造增加了葉片的拱度,并且通過基本上阻止襟翼的下游的尾流中的氣流的逆轉(zhuǎn)而有益地減小了阻力(即,襟翼具有使尾流平穩(wěn)的效應(yīng))。與諸如圖1中所示并且以上通過背景描述的l形gurney襟翼之類的現(xiàn)有技術(shù)的襟翼相比,本發(fā)明的后緣襟翼還展現(xiàn)出了更大的剛性。
在所述后緣襟翼的尤其有益的構(gòu)造中,所述第一部分的所述上游表面與平行于所述局部翼弦平面的平面之間的鈍角大約是140度。
所述后緣襟翼的所述第二部分優(yōu)選地從所述第一部分的所述遠(yuǎn)端延伸。另選地,所述第二部分可以從所述第一部分的與所述第一部分的所述遠(yuǎn)端間隔開的區(qū)域延伸。
所述第二部分可以有益地取向成使得在所述第二部分的所述上游表面與平行于所述局部翼弦平面延伸并與所述第一部分的所述遠(yuǎn)端相交的平面之間限定銳角。在尤其有益的實施方式中,此銳角大約是40度。
在優(yōu)選實施方式中,在所述第一部分與第二部分之間的界面處限定頂點。優(yōu)選地,在所述頂點處所述第一部分與第二部分的各自的所述上游表面之間限定銳角。在尤其有益的構(gòu)造中,此銳角大約是80度。
優(yōu)選地,所述第一部分沿向下游的方向從所述后緣延伸。所述第二部分優(yōu)選地沿大體向上游的方向從所述第一部分延伸。在使用中,所述第一部分的所述遠(yuǎn)端優(yōu)選地定位在所述第一部分的所述近端的下游。在本文中描述的特別優(yōu)選的實施方式中,所述第一部分與第二部分一起限定v形形狀,并且v形的頂點指向大體向下游的方向。在某些實施方式中,所述襟翼部可以包括以鋸齒形形式布置的多個部分。
所述后緣襟翼的所述第二部分在剖面中優(yōu)選地具有近端與遠(yuǎn)端。所述近端可以直接或者間接鄰接所述第一部分的所述遠(yuǎn)端。優(yōu)選地,在使用中所述第二部分的所述近端定位在所述第二部分的所述遠(yuǎn)端的下游。
所述后緣襟翼可以進(jìn)一步包括安裝部,所述后緣襟翼經(jīng)由此安裝部附接至所述葉片。在此情況下,所述襟翼部可以從所述安裝部伸出。所述安裝部提供將所述后緣襟翼附接至所述葉片的便利手段。所述安裝部可以有益地成形為遵循所述葉片的所述后緣處的形狀。在優(yōu)選實施方式中,所述安裝部合宜地是大體l形。所述風(fēng)輪機(jī)葉片可以具有平背翼型,并且所述安裝部可以基本封裝所述平背翼型在所述葉片的所述壓力側(cè)上的拐角。
所述后緣襟翼可以借助任一適當(dāng)手段(例如利用諸如螺母與螺栓之類的機(jī)械固定件)安裝至所述葉片。但是,所述襟翼優(yōu)選地利用諸如膠帶之類的粘合劑安裝至所述葉片。
所述后緣襟翼可以由任一適當(dāng)材料(例如金屬或者塑料)制成。適當(dāng)材料包括諸如鋁之類的金屬以及諸如聚氨酯之類的塑料。優(yōu)選地,所述襟翼由塑料材料模制成。
所述后緣襟翼可以沿所述葉片的任一部分布置,例如鄰近所述梢端、鄰近所述根端、沿中部翼展或者這些位置的任一組合,例如所述襟翼可以基本沿所述葉片的全長布置。在優(yōu)選實施方式中,所述襟翼布置在所述葉片的位于所述葉片的所述根端與所述葉片的最大翼弦之間的過渡部分上。所述后緣襟翼可以有益地在形狀上在所述葉片的所述最大翼弦附近過渡至具有不同形狀的襟翼,例如具有基本平直的直立部的襟翼。
所述后緣襟翼可以基本連續(xù)或者可以包括沿所述葉片的所述后緣隔開的多個部分。所述部分中的一者或者多者可以包括從所述后緣伸出的基本平直的直立部。所述部分中的一者或者多者優(yōu)選地形成為塑料壓制品。在優(yōu)選實施方式中,所述后緣襟翼包括鄰近所述葉片的所述最大翼弦的模制的過渡部分,所述過渡部分在形狀上過渡至在所述最大翼弦外側(cè)具有基本平直的直立部的襟翼輪廓。優(yōu)選地,所述后緣襟翼的位于所述最大翼弦外側(cè)的部分形成為塑料壓制品。
所述后緣襟翼還可以包括在使用中位于所述襟翼的尾流中的分離器。所述分離器有益地進(jìn)一步限制所述尾流中的氣流逆轉(zhuǎn)其方向的能力,這使得阻力減小并且升力增加。所述分離器還有益地減輕噪聲。優(yōu)選地,所述分離器從所述襟翼部的所述第一部分與第二部分之間的頂點延伸。
所述后緣襟翼還可以包括布置在所述襟翼部下游的板。優(yōu)選地,所述板與所述葉片的所述吸力側(cè)形成基本順暢的過渡。所述板用以改善所述葉片的所述后緣的空氣動力特性。
本發(fā)明還提供一種包括如上所述的風(fēng)輪機(jī)葉片的風(fēng)輪機(jī)。
附圖說明
以上已經(jīng)經(jīng)由本發(fā)明的背景描述了圖1。為了可以更容易理解本發(fā)明,現(xiàn)在將參照圖2至圖10詳細(xì)描述本發(fā)明的非限制性實施例,在附圖中:
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的風(fēng)輪機(jī)的示意性正視圖;
圖3是圖2的風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)輪機(jī)葉片的立體圖,并且示出了沿葉片的后緣安裝的后緣襟翼;
圖4是圖3的風(fēng)輪機(jī)葉片的示意性剖面圖;
圖5a是圖4的一部分的放大圖,更詳細(xì)地示出了后緣襟翼;
圖5b是圖5a的一部分的放大圖;
圖6是后緣襟翼的示意性立體圖;
圖7a與圖7b示意性示出了與現(xiàn)有技術(shù)的后緣襟翼(圖7a)相比本發(fā)明的后緣襟翼(圖7b)如何限制襟翼的尾流中的氣流逆轉(zhuǎn);
圖8根據(jù)本發(fā)明的另選實施方式的包括分離器的后緣襟翼的示意性剖面圖;
圖9a與圖9b示出了本發(fā)明的變更例,在這些變更例中襟翼后面的后緣階梯被填補(bǔ);以及
圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的后緣襟翼的示意性剖面圖。
具體實施方式
參照圖2,此圖示出了根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)輪機(jī)10。風(fēng)輪機(jī)10包括塔架12,此塔架支撐位于塔架12的上端處的機(jī)艙14。轉(zhuǎn)子16安裝至機(jī)艙14。轉(zhuǎn)子16包括輪轂18,并且三個風(fēng)輪機(jī)葉片20安裝至輪轂18。三個葉片20繞輪轂18的外周等距隔開并且沿縱向方向從安裝至輪轂18的根端22朝梢端24延伸。各個葉片20均包括后緣襟翼26,稍后將進(jìn)一步詳細(xì)地描述此后緣襟翼。
參照圖3,此圖更詳細(xì)地示出了風(fēng)輪機(jī)葉片20中一者的一部分。這里可以看到葉片20的根端22大體是圓形的。沿翼展方向s從葉片20的根端22朝梢端24(圖3中未示出葉片20的梢端24)移動,可以看到葉片20的寬度(即,翼弦)快速增大至最大寬度(即,最大翼弦,如由圖3中的線c最大標(biāo)示的)。然后,葉片20的寬度趨向葉片20的梢端(未示出)穩(wěn)定地減小。
本文中,葉片20的位于葉片20的根端22與最大翼弦c最大之間的部分被稱作葉片20的“過渡部分”30。如對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的,葉片20的過渡部分30具有從葉片20的根端22處的圓形輪廓過渡到最大翼弦c最大處的優(yōu)化的空氣動力學(xué)翼型的剖面輪廓。本文中,葉片20的位于最大翼弦c最大與葉片20的梢端之間的區(qū)域被稱作葉片20的“外部分”32。葉片20的此部分32具有幾何結(jié)構(gòu)沿其長度變化的翼型。
葉片20沿翼弦方向c在前緣34與后緣36之間延伸。以上提及的后緣襟翼26安裝在后緣36處。后緣襟翼26沿后緣36從接近葉片20的根端22的點縱向延伸至大約50%翼展處的點,包括沿葉片20的在最大翼弦c最大的內(nèi)側(cè)的過渡部分30。在本發(fā)明的其他實施方式中,后緣襟翼26可以具有不同的縱向跨度,例如,襟翼26可以基本沿葉片20的整個翼展長度延伸,即,從葉片20的根端22延展至葉片20的梢端24。在此實施例中,后緣襟翼包括標(biāo)記為26、26a以及26b的多個部分;稍后將詳細(xì)描述這些各個部分的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。
現(xiàn)在參照圖4(在最大翼弦c最大處通過葉片20的剖面圖),葉片20包括壓力側(cè)38與吸力側(cè)40,壓力側(cè)38與吸力側(cè)40主要由玻璃纖維加強(qiáng)塑料(gfrp)制成。壓力側(cè)38包括葉片20的壓力表面42,并且吸力側(cè)40包括葉片20的吸力表面44。壓力表面42與吸力表面44在葉片20的具有凸曲形狀的前緣34處相遇。葉片20在此實施例中是所謂的“平背”葉片,此葉片具有鈍的后緣36。這里,壓力表面42與吸力表面44借助葉片20的基本平坦的后緣表面46聯(lián)結(jié)。此部分中的后緣表面46基本垂直于葉片20的翼弦線c,此翼弦線是聯(lián)結(jié)葉片20的前緣34與后緣36的線。如現(xiàn)在將參照圖5a和圖5b進(jìn)一步詳細(xì)描述的,后緣襟翼26安裝至后緣36。
參照圖5a,此圖示出了后緣襟翼26的第一實施方式。在剖面圖中,后緣襟翼26包括大體l形的安裝部48以及從安裝部48伸出的大體v形的襟翼部50。安裝部48包括第一安裝凸緣52與第二安裝凸緣54。第一安裝凸緣52安裝至葉片20的鄰近后緣36的壓力表面42。第二安裝凸緣54垂直于第一安裝凸緣52布置,并且安裝至形成翼型的平背的后緣表面46。后緣表面46與鄰近后緣36的壓力表面42基本相互垂直并且形成拐角56,此拐角由后緣襟翼26的l形安裝部48封裝。安裝部48借助粘合劑57粘合至葉片。
后緣襟翼26的大體v形的襟翼部50包括第一部分58與第二部分60。在剖面中,第一部分58包括近端62與遠(yuǎn)端64。近端62鄰近葉片的后緣36定位,并且在此實施例中,近端62大體與l形安裝部48的拐角整合。第一部分58在葉片20的壓力側(cè)38上從葉片20的后緣36延伸。第一部分58沿大體向下游的方向d從近端62朝遠(yuǎn)端64延伸。因此,第一部分58的遠(yuǎn)端64與后緣36間隔開并在使用中定位在近端62的下游。
襟翼部50的第二部分60在剖面中也包括近端66與遠(yuǎn)端68。近端66鄰接第一部分58的遠(yuǎn)端64,并且第二部分60沿大體向上游的方向u從第一部分58的遠(yuǎn)端64延伸。因此,在第一部分58與第二部分60之間的界面處限定頂點70。在此取向上,第二部分60的近端66在使用中定位在遠(yuǎn)端64的下游。
來臨的氣流71是沿左右方向的,即,此氣流鄰近葉片20的前緣34進(jìn)入。襟翼部50的第一部分58與第二部分60均具有:上游表面72、74,在使用中上游表面布置成面對來臨的氣流71;以及下游表面76、78,在使用中下游表面背對來臨的氣流71。第一部分58與第二部分60取向成各部分58、60的上游表面72、74一起限定剖面中的凹形輪廓。第一部分58與第二部分60的上游表面72、74大體面朝葉片20的前緣34。因此,凹形輪廓朝葉片20的前緣34開放。
參照圖5b,襟翼部50的第一部分58取向成使得在第一部分58的上游表面72與第一平面79之間限定鈍角α,所述第一平面平行于局部翼弦平面延伸(即,垂直于圖5b中的頁面并且包括局部翼弦c的平面)并且與第一部分58的近端62相交。第二部分60取向成使得在第二部分60的上游表面74與第二平面81之間限定銳角β,所述第二平面平行于局部翼弦平面延伸并且與第一部分58的遠(yuǎn)端64相交。因此,在第一部分58與第二部分60的各自的上游表面72、74之間限定銳角θ,并且在各個下游表面76、78之間限定優(yōu)角θ'。在此實施例中,α接近140度并且β接近40度。因此,θ接近80度,并且θ'接近280度。換而言之,v形襟翼部50的第一部分58與第二部分60布置成使得v形的頂點70指向向下游的方向d。如由圖5b中的箭頭h標(biāo)示的,襟翼部50的高度大約相當(dāng)于后緣36處的壓力表面42與第二部分60的遠(yuǎn)端68之間的距離(基本垂直于局部翼弦c測量)。
參照圖6的立體圖,此圖清楚地示出了襟翼部50的第一部分與第二部分各自的上游表面72、74。在此實施例中,上游表面72、74基本是平坦的。由圖6也明確的是,第一部分58與第二部分60的近端62、66與遠(yuǎn)端64、68分別由第一部分58與第二部分60的近緣62a、66a以及遠(yuǎn)緣64a、68a限定。
上述后緣襟翼26由聚氨酯(低模量材料)模制成,并因此避免粘合應(yīng)力集中并且抵制由施加的葉片應(yīng)變引起的屈曲。其他合適的塑料材料包括丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯(asa)以及
再參照圖3,葉片20包括沿葉片20的后緣36隔開的多個后緣襟翼部分26、26a、26b。上述模制的后緣襟翼26沿葉片20的過渡部分30從葉片20的根端22附近延伸至沿葉片20的正好在最大翼弦c最大內(nèi)側(cè)的翼展位置。后緣襟翼的模制的過渡部分26a安裝在最大翼弦c最大處。過渡部分26a的輪廓沿其長度變更,使得過渡部分26a的鄰接模制的襟翼部分26的第一端82的輪廓對應(yīng)于圖5與圖6中所示的輪廓,而過渡部分26a的第二端84具有這樣的襟翼輪廓,此襟翼輪廓包括基本垂直于局部翼弦平面布置的大體平直的直立部(類似于圖1中所示的襟翼)。過渡部分26a的輪廓沿其長度從一個輪廓順暢過渡至另一輪廓。
第三后緣襟翼部分26b在過渡部分26a的外側(cè)的翼展位置處安裝至葉片20的后緣36。此部分26b的襟翼輪廓對應(yīng)于過渡部分26a的第二端84的輪廓,即,此襟翼輪廓具有大體平直的直立部。此部分26b是塑料壓制品。壓制部分26b沿葉片20的后緣36延伸,直到鄰近葉片20的梢端的點。要理解的是,后緣襟翼的壓制部分26b相比模制部分26、26a具有明顯較長的翼展跨度,并且作為壓制部件生產(chǎn)起來比模制部分26、26a廉價。各個部分26、26a、26b借助諸如緊固件、支架、粘合劑之類的適當(dāng)手段連接在一起。
后緣襟翼26、26a、26b利用雙面膠帶附接至葉片10。也可以使用諸如尼龍螺釘之類的一個或者多個固定件。有益的是未采用金屬固定件,由于這些金屬固定件可能招引雷擊,或者可能與葉片中采用的雷電防護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生有害作用。
以上已經(jīng)作為模制零件描述了后緣襟翼26。但是,在另一實施例中,后緣襟翼26也可以由塑料壓制品形成,此塑料壓制品具有允許后緣襟翼26遵循安裝此后緣襟翼26的轉(zhuǎn)子葉片的外形的適當(dāng)?shù)娜犴g性。此外,壓制零件的第一安裝凸緣52可以具有槽,這些槽切入第一安裝凸緣52中以允許第一安裝凸緣52遵循葉片的壓力表面的外形。
現(xiàn)在參照圖7a與圖7b,這些圖分別示出了現(xiàn)有技術(shù)的gurney襟翼84(圖7a)的尾流中的氣流以及本發(fā)明的后緣襟翼26(圖7b)的尾流中的氣流。首先參照圖7a,現(xiàn)有技術(shù)的gurney襟翼84具有平直直立部86并且導(dǎo)致在此gurney襟翼84的尾流中的氣流方向逆轉(zhuǎn)。此氣流的逆轉(zhuǎn)具有不穩(wěn)定效應(yīng)并且增大了作用在風(fēng)輪機(jī)葉片20上的阻力。與之相比,圖7b中所示的后緣襟翼26的襟翼部50的新穎形狀減小了氣流逆轉(zhuǎn)其方向的能力。這是因為v形的頂點70延伸到葉片20后面的尾流中。因此,本發(fā)明的襟翼26易于使尾流平穩(wěn),因而與在葉片20的內(nèi)側(cè)部分中具有平直直立部的襟翼相比減小阻力并且增強(qiáng)葉片20的內(nèi)側(cè)部分中的升力。
現(xiàn)在參照圖8,此圖示出了根據(jù)本發(fā)明的后緣襟翼88的第二實施方式。除后緣襟翼88另外包括分離器90之外,此后緣襟翼88基本與前述后緣襟翼26相同。分離器90沿向下游的方向d從襟翼部50的第一部分58與第二部分60之間的界面70延伸,即,此分離器從v形的頂點70延伸。包括分離器90的襟翼部50因此是大體y形。分離器90布置在大體平行于局部翼弦平面c的平面中。分離器90定位在襟翼部50的尾流中并且作用成尾流中的物理屏障,這進(jìn)一步限制尾流中的氣流逆轉(zhuǎn)其方向的能力。因此,分離器90進(jìn)一步減小阻力并進(jìn)一步增強(qiáng)升力。分離器90還有益地減輕噪聲。
現(xiàn)在參照圖9a與圖9b,這些圖示出了本發(fā)明的變更例,在這些變更例中后緣襟翼26的下游側(cè)被填補(bǔ)。這通過在襟翼部50的后面安置諸如合適模制的板之類的實體92而實現(xiàn)。板92可以由諸如聚氨酯之類的合適的塑料材料形成。板92有益地提供葉片20的吸力表面44與后緣襟翼26之間的順暢延續(xù),并因此產(chǎn)生更加流線型的后緣襟翼26。板92可以是后緣襟翼26的整合部分或者是安置至襟翼26的單獨部件。
現(xiàn)在參照圖10,此圖示出了根據(jù)本發(fā)明的后緣襟翼94的第三實施方式。在此實施方式中,除了以上關(guān)于第一實施方式描述的第一部分58與第二部分60之外,后緣襟翼94的襟翼部95還包括第三部分96與第四部分98。襟翼部95的各個部分58、60、96、98以鋸齒形的形式布置。具體地說,第三部分96沿向下游的方向d從第二部分60延伸,并且第四部分98沿向上游的方向u從第三部分96延伸。
與第一實施方式一樣,第三部分96與第四部分98均具有上游表面100、102以及下游表面104、106。第二部分60與第三部分96之間限定第二頂點108,并且第三部分96與第四部分98之間限定第三頂點110。第二部分60與第三部分96各自的上游表面74、100之間限定優(yōu)角θ”,并且第三部分96與第四部分98各自的壓力表面100、102之間限定銳角θ”'。在此實施例中,優(yōu)角θ”大約280度并且銳角θ”'大約80度。
與圖6中所示的襟翼部50的高度h相比,此實施方式的襟翼部95具有更大的高度,并因此襟翼部95進(jìn)一步增大了葉片的拱度。根據(jù)關(guān)于圖7b中描述的相同的原理,有益地使尾流中的氣流平穩(wěn)。設(shè)想這樣的其他實施方式,在這些實施方式中,通過使另外的部分以鋸齒形布置而增大襟翼部分的高度以進(jìn)一步增大葉片20的拱度。
在不脫離本發(fā)明的如所附權(quán)利要求中限定的范圍的情況下可以做出關(guān)于上述實施例的許多變型。例如,在其他實施方式中,襟翼部的部分可以以其他合適的角度布置。盡管上述襟翼附接至葉片的后緣,但是在其他實施方式中襟翼可以與葉片一體化形成。盡管在以上實施例中襟翼部的第二部分直接從第一部分延伸,但是在其他實施例中第二部分可以間接從第一部分延伸。例如,可以在第一部分與第二部分之間設(shè)置一個或者多個中間部分。盡管在以上實施例中具有本文中描述的新穎并且有創(chuàng)造性的輪廓的后緣襟翼僅應(yīng)用至葉片的過渡部分,但是設(shè)想這樣的其他實施方式,在這些實施方式中沿葉片的其他部分應(yīng)用新穎并且有創(chuàng)造性的輪廓。例如具有新穎并且有創(chuàng)造性的輪廓的襟翼可以基本沿葉片的全長延伸。