與風(fēng)力渦輪機葉片上的后緣特征對準(zhǔn)的旋渦發(fā)生器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及風(fēng)力渦輪機的領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于風(fēng)力渦輪機葉片的翼面的噪聲減少和空氣動力增強的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]噪聲限制的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)降低了風(fēng)力渦輪機的效率和最大尺寸，因為葉尖速度必須降低以限制噪聲，由此降低了渦輪機的作業(yè)能力。風(fēng)力渦輪機噪聲的主要部件是后緣空氣動力噪聲(Matthew F.Barone, “Survey of Techniques for Reduct1n of Wind TurbineBlade Trailing Edge Noise，，，Sandia Nat1nal Laboratories，SAND20011-5252，August2011，page 8)。通過后緣鋸齒可減少后緣噪聲，如本文圖5所示，其減少了后緣處的合并的抽吸側(cè)和壓力側(cè)之間的聲阻抗失諧的急緩度(abruptness)。
[0003]旋渦發(fā)生器可安裝在翼面的抽吸側(cè)，以產(chǎn)生旋渦，旋渦直接朝向抽吸側(cè)表面將動能從大量氣流帶至邊界層流中。對邊界層的激勵延緩翼面上的流分離，并允許更高的迎角，而不會失速(stall)，從而允許操作構(gòu)造的更寬范圍和更高總效率。然而，旋渦發(fā)生器在一些狀態(tài)下可增加噪聲和阻力(drag)。
【附圖說明】
[0004]參考附圖在下面的描述中說明本發(fā)明，附圖中:
[0005]圖1是具有旋渦發(fā)生器的現(xiàn)有技術(shù)風(fēng)力渦輪機葉片的透視圖。
[0006]圖2是圖1的旋渦發(fā)生器的透視圖。
[0007]圖3是圖1的一對偏離的旋渦發(fā)生器的頂視圖。
[0008]圖4是沿圖3的線4-4截取的旋渦發(fā)生器的截面圖。
[0009]圖5是具有鋸齒狀后緣的現(xiàn)有技術(shù)風(fēng)力渦輪機葉片翼面的透視圖。
[0010]圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的各方面，具有旋渦發(fā)生器的風(fēng)力渦輪機的一部分的平面圖，該旋渦發(fā)生器與波形后緣的預(yù)定相位弦向?qū)?zhǔn)。
[0011]圖7示出波形后緣的波周期和選定相位。
[0012]圖8是具有與波形后緣的預(yù)定相位對準(zhǔn)的旋渦的風(fēng)力渦輪機葉片的一部分的平面圖。
[0013]圖9是具有形成在導(dǎo)向波形后緣的槽的端頭處的凹陷的旋渦發(fā)生器的風(fēng)力渦輪機葉片翼面的透視圖。
[0014]圖10是風(fēng)力渦輪機葉片的一部分的透視圖，風(fēng)力渦輪機葉片具有凹陷的旋渦發(fā)生器，凹陷的旋渦發(fā)生器始于導(dǎo)向傾斜后緣的槽，風(fēng)力渦輪機葉片頂視圖和后視圖下的波形輪廓。
[0015]圖11是穿過圖10的槽中心截取的尾部風(fēng)力渦輪機葉片的一部分的側(cè)視截面圖。
[0016]圖12是具有位于導(dǎo)向波形后緣的槽的端頭處的凹陷的旋渦發(fā)生器的風(fēng)力渦輪機葉片的一部分的平面圖。
[0017]圖13是示出具有凸抽吸側(cè)表面的凹陷的旋渦發(fā)生器的單個槽的平面圖。
[0018]圖14示出在具有與抽吸側(cè)槽相對的壓力側(cè)脊的實施例中，直接位于圖13的抽吸側(cè)槽下方的葉片的壓力側(cè)部。
[0019]圖15示出在具有相應(yīng)壓力側(cè)旋渦發(fā)生器的實施例中，直接位于圖13的抽吸側(cè)槽下方的葉片的壓力側(cè)部。
【具體實施方式】
[0020]圖1示出具有抽吸側(cè)空氣動力表面22的現(xiàn)有技術(shù)風(fēng)力渦輪機葉片20，一排成對的旋渦發(fā)生器26、28沿翼展方向安裝在抽吸側(cè)空氣動力表面上，分別在相對氣流24中產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)的旋渦27、29。這些旋渦將動能從位于邊界層外部的相對氣流帶至邊界層中，邊界層延緩或防止從空氣動力表面22的流分離。
[0021]圖2示出旋渦發(fā)生器(VG) 28，其是從風(fēng)力渦輪機葉片20的較大空氣動力表面22延伸的小的翼面。VG具有壓力側(cè)30 (不可見)、抽吸側(cè)32、前緣34、后緣36、附接到較大空氣動力表面的根部38以及遠(yuǎn)部或頂端40。這種形片(foil)通常是三角形或delta形板，如所示，具有前緣掃描角Λ，比如50-80度。
[0022]圖3是一對偏離的旋渦發(fā)生器26、28的頂視圖，它們分開稱為間距P的距離。每個VG是具有長度L和關(guān)于相對氣流24的入射角Φ的形片。比如10-40度的入射角Φ在VG的壓力側(cè)和抽吸側(cè)之間產(chǎn)生壓差。高入射角Φ和高掃描角Λ (圖2)的組合促進從VG的壓力側(cè)30向抽吸側(cè)32的流動。當(dāng)該局部流40環(huán)繞VG前緣34時，其滾進旋渦27中。
[0023]圖4是圖3的VG 38沿線4_4截取的截面圖，示出圖3中未示出的旋渦29。
[0024]圖5是具有鋸齒狀后緣42的風(fēng)力渦輪機葉片翼面20的透視圖。所述鋸齒在一些情況下減少了后緣噪聲。
[0025]本發(fā)明人創(chuàng)造性地認(rèn)識到，旋渦發(fā)生器和重復(fù)的后緣特征(比如鋸齒)之間的協(xié)調(diào)對準(zhǔn)可提供額外的益處和增效作用。該概念的一個實施例在圖6中示出，圖6是位于翼面抽吸側(cè)22上的交替傾斜的第一和第二旋渦發(fā)生器26、28對沿翼展方向的序列的平面圖。在該示圖中，后緣42鋸齒化，形成波形輪廓，比如三角形、正弦或梯形波形。示出波周期48。每個VG 26,28設(shè)計成產(chǎn)生在波形的預(yù)定相位44、46處越過波形后緣42的旋渦27、29。虛線表示在抽吸側(cè)22上流動的氣流24中的空氣分子在旋渦內(nèi)的路徑，如該二維視圖中可看見的。
[0026]第一旋渦27可在其第一共同相位44處越過波形。第二旋渦29可在其第二共同相位46處越過波形?！肮餐毕辔灰庵笇o定系列的VG來說共同的對準(zhǔn)相位。例如，基于第一 VG 26的弦向?qū)?zhǔn)，具有相位44的對準(zhǔn)對第一旋渦27來說是共同的?；诘诙?VG 28的弦向?qū)?zhǔn)，具有相位46的對準(zhǔn)對第二旋渦29來說是共同的。在本文中，“弦向?qū)?zhǔn)”意指基本上與翼弦對準(zhǔn)，并尤其與相對氣流24對準(zhǔn)，其可受到軸向誘導(dǎo)(axial induct1n)和徑向抽動(radial pumping)的影響。
[0027]本發(fā)明不限于交替傾斜的VG對。VG在一些實施例中可均具有相同的角度，或者在其它實施例中具有多于兩個的角度。然而，在一些實施例中，給定角度的VG的每個系列可具有與波形后緣42弦向?qū)?zhǔn)的預(yù)定的共同相位。
[0028]圖7示出圖6的后緣波形的波周期48。周期限定在波形上的任何兩個相繼對應(yīng)點之間，例如兩個相鄰波峰49或兩個相鄰波谷之間。波形的相位是周期的一部分，比如其百分比，或者當(dāng)波形是正弦時，是其角度。所示相位44和46分別顯示為例如所示周期48的75%和 25%。
[0029]圖8是根據(jù)本發(fā)明一方面，具有與鋸齒對準(zhǔn)的旋渦27、29的鋸齒狀后緣42的一部分的平面圖。旋渦27、29的后緣交叉點可由旋渦中心線45、47的交叉點限定。這些中心線可由相應(yīng)VG 26,28在相對氣流方向上與波形的相應(yīng)相位44、46對準(zhǔn)的放置(圖6)確定。每個旋渦發(fā)生器可設(shè)計成產(chǎn)生下游旋渦流，其以與后緣平行的方向成小于30度的角度C越過后緣，或者小于20度。這種小的交叉角度減少了當(dāng)抽吸側(cè)和壓力側(cè)流在后緣合并時，它們之間的聲阻抗變化的突然性。由于阻抗失配，這減小了聲散射的強度，從而減少了噪聲和阻力。
[0030]圖9是具有翼展尺寸51的葉片翼面80的透視圖。其后部具有位于抽吸側(cè)22上的交替的弦向脊52和槽54。其還具有位于壓力側(cè)60上的相對的槽56和脊58。壓力側(cè)和抽吸側(cè)脊和槽置于后緣42處，以形成從后方觀看的波形。凹陷的旋渦發(fā)生器64、66的翼展方向序列62由位于抽吸側(cè)表面22上的槽54的上游端處的下降部(drop-off)形成。這些VG不具有壓力側(cè)或前緣，所以與現(xiàn)有VG相比，它們產(chǎn)生更平滑、更安靜的旋渦和更少阻力。它們產(chǎn)生在抽吸側(cè)槽54中下游進展的反向旋轉(zhuǎn)的旋渦，如稍后所示。弦線68可從前緣向零線70限定在波形后緣42的波峰和波谷中間。
[0031]圖10是葉片翼面82的后部的透視圖，具有與相對氣流24對準(zhǔn)的交替的脊52和槽54，得到具有如從后方和上方觀看的波形輪廓的后緣42。后緣42可布置在與弦線傾斜的平面中。這導(dǎo)致如從上方觀看的后緣鋸齒。凹陷的旋渦發(fā)生器64、66的翼展方向序列由位于葉片82抽吸側(cè)表面22上的槽54的上游端處的下降部72形成。這些VG的抽吸側(cè)32可具有與葉片的抽吸側(cè)22平齊的頂邊緣。VG不具有壓力側(cè)，由此不具有前緣。它們可朝向脊52處的點72逐漸變細(xì)。因此，它們不具有后緣。這意味著它們除了旋渦發(fā)生表面32之外不具有任何表面，由此使阻力和噪聲最小?；蛘?，標(biāo)準(zhǔn)的旋渦發(fā)生器可用在向前并入抽吸側(cè)表面22的槽中。
[0032]圖11是穿過圖10的槽54截取的葉片82的橫向截面圖。后緣42布置在與弦線68傾斜的平面74中，導(dǎo)致如從上方觀看的鋸齒。例如，傾斜平面74可相對于正交于弦線68的平面遠(yuǎn)離抽吸側(cè)22傾斜至少45度。凹陷的VG 66在槽中產(chǎn)生旋渦29。VG可設(shè)計成產(chǎn)生在脊52長度的至少大部分上(例如脊52的長度的至少75% )沿直徑基本上延伸到脊52的旋渦29，由此基本上填充槽54。這將氣流動能帶至槽的底部，同時避免旋渦的