风力涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机叶片,特别地,涉及一种适用于降低疲劳载荷的风力涡轮机叶片。
背景技术
参见图1,标准的风力涡轮机叶片翼型轮廓总体上用10指示。该风力涡轮机具有面对入射风的前缘12和相对的后缘14。在正常运转下,叶片10的上表面称为吸力侧16,下表面称为压力侧18,分别是指设于机翼每侧的低压区和高压区。风力涡轮机叶片的弦线是一条假想的直线,该假想的直线将尾缘14和叶片横截面的前缘12的曲率中心连接,这里用20指示。
风力涡轮机叶片中,攻角是指叶片翼型轮廓10的弦线20和入射风的方向之间的角度。正攻角是当入射气流在叶片10的弦线20和叶片10的下表面18之间造成的角度,用箭头标志A指示。负攻角是当入射气流在叶片10的弦线20和叶片10的上表面16之间造成的角度,用箭头标志B指示。
升力系数(CL)通常是用作表征特定的风力涡轮机翼型形状的一种方式。升力系数是用于关联翼型产生的总升力与翼型总面积的无量纲量。它通过以下公式得出:
其中,L是升力,ρ是流体密度,v是真空速,A是翼型面积。升力系数随所谈及的攻角以及翼型的形状而改变(例如,如果风力涡轮机叶片沿着叶片长度在不同的翼型轮廓间转变,该叶片的升力系数将随着沿叶片长度的位置而改变)。该升力系数可用于描述翼型的特征,并且通常在风洞测试之后得到,用于特定的翼型。
参见图2,示出样本升力系数曲线,相对于特定的翼型空气动力学轮廓(或横截面)的入射气流的攻角(AoA),绘制升力系数(C(Lift))。该升力系数的高峰100是在翼型产生最大升力的入射气流的角度上。越过该顶点,翼型将进入停转状态。曲线的低峰102示出翼型的最大负升力系数,其是当攻角为负角度时(也就是从翼型弦线之上的方向上)翼型经受的负升力。
对风力涡轮机叶片设计的一个重要的考虑是,疲劳载荷可能产生的应力和应变。当叶片经历变化快的风力状况,例如阵风时,可能引发疲劳载荷。这种阵风可导致风力涡轮机入射气流在短的时间内,从正攻角变至负攻角,反之亦然。因此,叶片部分(甚至大体上的整个叶片长度)可能经历从正升力到负升力的非常快速的升力变化(例如,参见图2,从高峰100至低峰102)。这种变化的升力导致产生于叶片内的疲劳载荷,以及在叶片和风力涡轮机结构的其他部分之间的疲劳载荷。
EP2098721A2公开了在风力涡轮机的压力侧上使用凸出物,以改变叶片的空气动力学轮廓,并因此降低疲劳载荷的影响。该凸出物可以以永久改变风力涡轮机叶片轮廓,或者可致动的凸出物的形式设置。永久改变的选择涉及永久凸出条的使用,该凸出条通常固定并且不能移动,因此在所有状态下影响叶片整体的空气动力学性能。可致动的凸出物的使用要求叶片包括相对复杂的控制和致动***。此外,由于容纳这些***而增加的重量,可能累及这种叶片的设计和重量。
本发明的目的是提供一种风力涡轮机叶片,该风力涡轮机叶片的目的是降低停转状态和疲劳载荷的破坏性影响,并且降低成本和复杂性。
发明内容
因此,提供一种具有空气动力学轮廓的风力涡轮机叶片,该叶片包括具有前缘和后缘的叶片主体,该叶片进一步包括至少一个沿着所述前缘部分设置的被动铰接襟翼,所述襟翼设置为从第一位置靠铰链转动至第二位置,在第一位置上,所述襟翼位于邻近所述叶片主体的表面,在第二位置上,所述襟翼从所述叶片主体凸出,其中,配置所述至少一个襟翼,使得当在所述第二位置时,在所述至少一个襟翼处,所述襟翼用于降低风力涡轮机叶片的负升力系数的幅值。
有效地,当襟翼处于所述第一位置时,风力涡轮机叶片具有第一空气动力学轮廓,并且当襟翼处于所述第二位置时,风力涡轮机叶片具有第二空气动力学轮廓,其中,所述第二空气动力学轮廓的负升力系数的幅值小于第一空气动力学轮廓的负升力系数的幅值。由于襟翼用于降低叶片的负升力系数,因此,风力涡轮机叶片经受的任何疲劳载荷的幅值降低,导致小的引入至风力涡轮机结构的应力和应变。这提供了较长的部件寿命和改进的可靠性。简单的铰接襟翼的使用意味着没有严重累及叶片重量,并且当襟翼处于第一位置,即闭合时,叶片的空气动力学轮廓基本没有受到襟翼影响。使用具有被动铰链的襟翼,这意味着襟翼是无动力的,并且/或者不需要复杂的控制机构。
优选地,通过在所述至少一个襟翼处的入射气流的空气压力,驱使所述至少一个襟翼从所述第一位置移动至所述第二位置。
当风力涡轮机叶片经历变化的风力状况时,翼型通常设立的吸力和压力位置可改变方向。当襟翼设于风力涡轮机叶片前缘时,由于入射气流的攻角改变,该襟翼经历在叶片轮廓的吸力侧和压力侧之间的方向改变。定位并配置襟翼,使得环绕翼型的入射气流的吸力将襟翼打开至第二位置。由于襟翼被环绕的气压有效驱动,因此,不需要相对复杂的致动装置来操纵襟翼。
优选地,所述至少一个襟翼设置为,使得当所述襟翼处的入射气流的攻角降至预定的用于所述至少一个襟翼的角度以下时,该襟翼从所述第一位置移动至所述第二位置。
当入射气流的攻角减小时,风力涡轮机叶片的上表面——其通常是叶片的吸力侧——逐渐变为叶片的压力侧。因此,叶片下表面逐渐从压力侧变为新的吸力侧。基于襟翼在叶片前缘的定位,可配置襟翼,使得一旦在翼型的吸力区域发现襟翼的特定部分时,襟翼打开。这可以是当入射气流的攻角降至用于襟翼位置的预定值以下时。
优选地,所述至少一个襟翼设置为,当所述襟翼处的入射气流为负攻角时,其从所述第一位置移动至所述第二位置。在其它设置中,襟翼可以因为小的正攻角而打开。
优选地,襟翼设置为保持升力系数在0以上。优选地,在相当大的负攻角范围内,该升力系数稳定在0以上。
优选地,所述风力涡轮机包括多个设置在所述前缘的被动铰接的襟翼,所述襟翼沿着所述叶片长度的一部分间隔开。
使用沿着叶片长度的一系列间隔开的襟翼,这允许局部调整叶片部分的升力系数。
优选地,当所述襟翼处的入射气流攻角降至用于所述襟翼的预定角度以下时,每一个所述多个襟翼可用于从所述第一位置移动至所述第二位置,其中,所述预定角度由沿着叶片长度的襟翼的位置而定。
由于升力系数随翼型变化,因此,由于叶片横截面沿着叶片长度变化,不同的升力系数(以及相应的升力系数曲线)可在沿着叶片长度的不同位置适用。因此,优选地,沿着叶片边缘设置一系列襟翼,由于在不同位置的不同要求,该襟翼在不同的攻角打开。
在一优选的实施例中,风力涡轮机叶片包括至少一个内襟翼,该内襟翼从叶片根部算起,位于叶片径向长度的20%-50%之间的前缘上,所述至少一个内襟翼设置为当所述内襟翼处的入射气流攻角降至5°以下时,从所述第一位置移动至所述第二位置。
在一优选的实施例中,风力涡轮机叶片包括至少一个中部襟翼,该中部襟翼从叶片根部算起,位于叶片径向长度的50%-80%之间的前缘上,所述至少一个中部襟翼设置为当所述中部襟翼处的入射气流攻角降至2°以下时,从所述第一位置移动至所述第二位置。
在一优选的实施例中,风力涡轮机叶片包括至少一个外部襟翼,该外部襟翼从叶片根部算起,位于叶片径向长度的80%-100%之间的前缘上,所述至少一个外部襟翼设置为当所述外部襟翼处的入射气流攻角降至0°以下时,从所述第一位置移动至所述第二位置。
在一替代实施例中,所述襟翼大体上沿叶片前缘的长度延伸。使用沿着叶片长度延伸的单个襟翼,这允许即时调整整个叶片的升力系数。
优选地,所述至少一个襟翼包括第一铰接端和第二自由端,其中,使所述第二自由端成型,以允许入射空气以小于预定角度的攻角,进入至所述至少一个襟翼和所述叶片主体之间的区域。
使用襟翼的成型端,这允许空气进入襟翼和叶片主体之间的区域,使得襟翼和叶片主体之间的空气压力强制襟翼打开至第二位置。
优选地,所述至少一个襟翼包括成型台阶,当该襟翼在所述第一位置时,所述台阶在所述襟翼和所述叶片主体之间限定出凹陷。
成型台阶提供了凹陷,该凹陷允许气动力通过入射气流在襟翼之后的所述凹陷中聚集,该动力最终用于打开所述襟翼至第二位置。
优选地,叶片进一步包括联接于所述襟翼的偏置装置。优选的,所述偏置装置包括弹簧。
优选地,选择所述偏置装置的偏置力,以当入射空气的攻角在预定角度之上时,在所述第一位置偏置所述襟翼。
当攻角在预定角度之上时(也就是,当攻角在风力涡轮机限定的运转范围之内时),使用偏置装置,这允许襟翼保持在第一位置。即使入射空气的攻角在预定角度之上,气流可进入至襟翼和叶片主体之间的区域。当在涡轮机的运转范围内,由于这种在襟翼之下相对小的气压聚集,偏置装置的力可阻止不需要的襟翼从第一位置到第二位置的打开。因此,当攻角为正时,风力涡轮机叶片的气孔轮廓基本上不受襟翼影响。
优选地,所述叶片主体包括上表面和下表面,其中,所述襟翼包括铰接端和自由端,所述铰接端铰接地联接于所述前缘的所述下表面,其中,当在所述第一位置时,所述自由端邻近所述前缘的所述上表面的一部分延伸。
将襟翼设置在风力涡轮机的前部,叶片的前缘处。当入射气流具有负攻角,襟翼延伸至第二位置时,该设置允许襟翼最大程度地提高襟翼的影响。襟翼在前缘的定位选择也可允许选择特定的攻角,襟翼在该攻角打开,因为这决定了在什么时候,周围气压的吸力影响可用于打开襟翼至第二位置。
优选地,襟翼设置为使得襟翼的大部分位于叶片主体的下表面侧。因此,当叶片正常运转时(也就是,当入射气流攻角在预定角度之上时),叶片的下表面是空气动力学轮廓的压力侧。因此在邻近叶片主体表面的第一位置闭合襟翼。当攻角降至预定角度(优选地,对于襟翼装置是特定的)之下时,此刻叶片的下表面是空气动力学轮廓的吸力侧,并且/或者大部分襟翼主体受到来自周围气压的吸力。因此,作用于襟翼部分上的吸力将襟翼“吸”开至第二位置。为了在低风速条件下打开襟翼,这种***也可结合偏置装置和/或襟翼的成型轮廓来使用。
优选地,所述襟翼包括第一铰接端和第二自由端,其中,从所述第一铰接端到所述自由端的所述襟翼的长度选择为风力涡轮机叶片高度的1/3。在其他的实施例中,优选地,从所述第一铰接端到所述自由端的所述襟翼的长度至少为风力涡轮机叶片高度的1/10。可选择地,从所述第一铰接端到所述自由端的所述襟翼的长度至少为风力涡轮机叶片高度的1/20。
优选地,所述襟翼包括第一铰接端和第二自由端,其中,所述襟翼从所述第一铰接端到所述自由端的长度为2厘米。
优选地,所述至少一个襟翼设置为从所述第一位置枢转90°到所述第二位置。
优选地,在所述叶片主体中限定出至少一个通道,其中,当在所述第一位置时,所述至少一个襟翼容纳于所述通道中,使得在所述第一位置时,所述襟翼对准邻近的所述叶片主体表面。也就是,当在第一位置时,襟翼的外表面对准(或平齐于)邻近所述通道的风力涡轮机叶片主体的外表面。
使用凹进的通道,这允许襟翼在第一位置时,即在风力涡轮机正常运转的过程中,不影响风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓。
优选地,使所述襟翼成型,以在第一位置时,对准所述叶片的空气动力学轮廓。
本发明还提供一种包括所述风力涡轮机叶片的风力涡轮机。
附图说明
现参考附图,仅通过举例的方式对本发明的实施方式进行描述,其中:
图1是已知的风力涡轮机叶片轮廓的截面图;
图2是与样本翼型攻角相对的升力系数的图表;
图3是根据本发明的风力涡轮机叶片的截面图;
图4是当襟翼在延伸位置时,图2的风力涡轮机叶片的截面图;
图5是与图3的风力涡轮机叶片攻角相对的升力系数的图表。
具体实施方式
参见图3和图4,根据本发明的风力涡轮机叶片总体上用50指示。该叶片50包括翼形的叶片主体51,该主体51具有面对入射风的前缘52和相对的后缘54。正常运转下,叶片50的上表面称为吸力侧56,下表面称为压力侧58。
叶片50进一步包括设置在叶片主体51的前缘52的襟翼60。该襟翼包括第一铰接端62和第二自由端64,襟翼60在所述铰接端62铰接地联接于叶片主体51。襟翼60铰接在叶片主体51的前缘52的下压力侧58上,使襟翼60弯曲成形,使得襟翼的第二自由端64延伸至叶片主体51的前缘52的上吸力侧56。
襟翼60设置为从第一位置(见图3)靠铰链转动至第二位置(见图4),在第一位置上,襟翼60邻近叶片主体51的表面设置,在第二位置上,襟翼60的自由端64从叶片主体51延伸出。
在叶片前缘52的叶片主体51的表面上限定出凹陷66,襟翼60设置在凹陷66中。凹陷66设置为使得当襟翼60在第一位置时,襟翼60的外表面对准(或平齐于)邻近凹陷66的叶片主体51的外表面。这种配置意味着,当在第一位置时,襟翼60变为风力涡轮机50的流线型翼型的一部分,并且不影响叶片50的空气动力学轮廓。
使用时,风力涡轮机叶片50安装在风力涡轮机塔架上,其中,叶片主体51的前缘52面对即将到来的入射风。配置襟翼60,使得当入射气流大体上具有正攻角时(见图3的箭头(a)),襟翼60保持在所述第一位置。(也就是,当入射气流与风力涡轮机叶片翼型前缘的参照弦线形成的角度与翼型下面的压力侧相比是正的,强制襟翼60封闭至凹陷66中。)
当风向改变,并且入射风具有负攻角时(见图4的箭头(b)),强制襟翼60打开至所述第二位置。当入射气流的攻角逐步变得更负时,叶片50周围变化的气压产生的吸力用于强制襟翼60从第一位置枢转至第二位置。
虽然以上附图描述,其中,当入射气流具有负攻角时,襟翼60打开,可以理解的是,可将襟翼60设置为使得襟翼60可在相对小的正攻角打开。优选地,当入射气流的攻角下降至预定的角度以下时,襟翼60打开。优选地,所述预定角度约为+0-5°。
一旦打开,自由端64从叶片主体51延伸出,襟翼60用作凹形件,并且扰乱邻近叶片10前缘52的气流。因此,由于延伸的襟翼60,风力涡轮机叶片50的空气动力学轮廓改变。
设计襟翼60,使得,当延伸时,叶片50的空气动力学轮廓改变,从而使叶片50和延伸的襟翼60的负升力系数的幅值降低。因此,叶片10能够动态地调节其空气动力学轮廓,以及其相关的升力系数曲线,这取决于当时的入射气流的攻角。当负的升力系数的幅值降低时,由于旋风条件,风力涡轮机叶片50经受较小的负升力。因此,最大正升力系数和最大负升力系数之间的幅值的差额降低。因此,叶片50和关联的风力涡轮机塔架结构的应力和应变降低,并且将基于入射风攻角的突然改变的疲劳载荷的损害最小化。
优选地,定位襟翼60,使得大部分襟翼60的主***于叶片主体51的下表面侧58上。正常运转过程中,叶片50的下表面58是空气动力学的压力侧,并且相对高的气压在邻近叶片主体51表面的第一位置作用,以闭合襟翼60。但是,当入射气流的攻角下降至预先限定的角度以下时,设置在叶片50的下表面58上的那部分襟翼60此刻处于空气动力学的吸力侧,使得大部分襟翼60的主体受到来自周围空气压力的吸力。因此,襟翼60被作用在该部分襟翼60上的吸力“吸”开至第二位置。
可以理解的是,可附加地或可选择地通过进入襟翼60和叶片主体51之间的气流,使襟翼60从所述第一位置强制打开至所述第二位置,从而产生空气动力,以强制襟翼60打开。
可以理解的是,襟翼60的自由端64边缘和通道66的边缘之间可设有空间,使得气流可轻易地进入襟翼60和叶片主体51之间,以强制打开襟翼60。进一步,襟翼60的自由端64可形成所需尺寸和形状,以引导气流进入襟翼60之下的区域,特别是当所述气流具有高程度负攻角时。
优选地,使襟翼的自由端64成型,并且其包括有角度的通道或有角度的表面(未示出),当襟翼60处于第一位置时,该有角度的通道或有角度的表面允许空气进入襟翼60和叶片50的主体之间的空间。使自由端64成型,以便于具有小于襟翼60预定角度的攻角的空气轻易进入,但是阻止了具有大于所述襟翼60预定角度的攻角的空气轻易进入。当空气进入襟翼60之下的区域时,襟翼60之后的气压可聚集,直到收集的气压强制打开襟翼60至第二位置。这种自由端64的成型允许通过入射气流的攻角控制襟翼60的打开。
在一些实施例中,可使自由端64成型,以在所述自由端64限定出台阶端(未示出),当所述襟翼60在所述第一位置时,该台阶端在襟翼60和叶片50的主体之间限定出凹陷。该凹陷允许气流在襟翼60之后汇聚并循环,使得收集的气流在襟翼60之后能够聚集足够的气动压力,以强制襟翼60打开至所述第二位置。
襟翼60可包括偏置装置,例如弹簧装置,该偏置装置用于将襟翼60靠着叶片主体51偏置至所述第一位置。可选择这种偏置装置的偏置力,使得靠着叶片主体51保持襟翼60,直到襟翼60和通道66之间的入射气流达到预定的强度,以强制襟翼60打开。当入射气流在相对较低的力和/或受到连续变化时,这种***可防止非期望的襟翼60的打开。
由图3可见,使襟翼60成型,以与风力涡轮机叶片50的前缘52的轮廓一致。可以理解的是,可以使用任何合适的襟翼60的轮廓。
可选择襟翼60,以覆盖大约1/3的风力涡轮机叶片50的前缘52,也就是,襟翼60的长度大约是叶片50高度的1/3。对于具有约6厘米高度的标准叶片,这可导致2厘米长的襟翼。可以理解的是,可选择任何合适长度的襟翼,优选地,至少为叶片高度的1/20,进一步优选地,为叶片高度的1/10。
襟翼60可设置为一个长的单个襟翼,大体沿着叶片50的整个长度延伸。
优选的实施例中,在叶片50的前缘,叶片50包括一系列沿着叶片50长度间隔的较小襟翼。每个襟翼60覆盖一部分长度的叶片50的前缘52。这种分开的较小襟翼允许沿着叶片主体51,在不同的点局部调整升力系数。
当沿着叶片50的长度移动时,由于升力系数部分取决于所见到的叶片主体51的空气动力学横截面,因此,取决于设计需要,优选地具有一系列襟翼,用于在不同的入射气流攻角打开。
优选地,设于内长度部分的叶片内(例如,从叶片的根部测量,在风力涡轮机叶片50径向长度的20%-50%之间)的任何襟翼60设置为,当该部分的入射气流的攻角降至5°以下时,从第一位置打开至第二位置。
进一步,优选地,设于中间长度部分的叶片内(例如,从叶片的根部测量,在风力涡轮机叶片50径向长度的50%-80%之间)的任何襟翼60设置为,当该部分的入射气流的攻角降至2°以下时,从第一位置打开至第二位置。
同样,优选地,设于外部长度部分的叶片内(例如,从叶片的根部测量,在风力涡轮机叶片50径向长度的80%-100%之间)的任何襟翼60设置为,当该部分的入射气流的攻角降至0°以下时,从第一位置打开至第二位置。
可以理解的是,可使用任何数量的襟翼60,其具有任何合适的角度,这些角度决定了特定的襟翼60的展开。
参加图5,示出标准风力涡轮机叶片轮廓的与攻角(AoA)相对的升力系数(C(lift))的样图(用200表示)。当襟翼60在所述第一位置时(也就是,当襟翼60不干涉叶片50的空气动力学轮廓),该曲线200可适用于一般的分离涡轮机叶片50示出的翼型轮廓。如图5可见,这种标准轮廓可具有相当大的负升力系数(也就是,曲线的下部最大值)。对于标准轮廓,最大负升力系数和最大正升力系数之间的差额(用X-X指示)是相当大的,并且导致相对高的疲劳载荷,该疲劳载荷产生于叶片结构50中和较大的风力涡轮机结构中。
对于示出的图表,襟翼60设置为使得当入射气流的攻角降至预定角度α(也就是,与曲线上的点4相应)以下时,襟翼60从所述第一位置打开至所述第二位置。在该点,襟翼60展开,并且在襟翼60的位置有效地改变叶片50的空气动力学轮廓。因此,升力系数曲线在该位置改变,沿着叶片长度在该点见到的负升力系数的幅值降低(用虚线201表示)。在预定角度α以上,任何入射气流的攻角的增加将导致襟翼60闭合至所述第一位置,回到最初的升力系数曲线200。因此,叶片50的正负升力系数之间的幅值差额有效降低,用Y-Y线指示。差额从X-X降低至Y-Y,导致相应的产生于叶片50内的疲劳载荷降低。
具有这种叶片50的风力涡轮机的正常运转范围在I-I部分中表示,示出正常运转的涡轮机的预计的入射气流的攻角的范围。因此,设计叶片50,使得当攻角落到该运转范围之外时,襟翼60展开。取决于所预计的风力涡轮机的运转范围有多大,襟翼60可设置为在任何该范围外的合适的预定角度上运转。例如,襟翼可在小的正攻角(点4)打开,襟翼可在任何负攻角(也就是,曲线上的点,其中,AoA=0,点3),小负攻角(点2),或者大负攻角(点1)打开。
在风力涡轮机中使用上述的风力涡轮机叶片,其相对于现有技术,具有若干优势:该***是无动力的/被动的,并且不需要相对复杂的传感***或致动装置,由于设计的简单性,其可靠性相对高于其他的现有技术***;本发明的***可轻易地加装至现有的涡轮机叶片;该***相对轻质,并且不严重影响风力涡轮机叶片的正常运转。
本发明不限于本文描述的实施例,并且可在不脱离本发明的范围内修改和适用。