帶有用於改善流動的結構化表面的風力發電設備的製作方法

2023-06-10 12:39:16 3

專利名稱：帶有用於改善流動的結構化表面的風力發電設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種風力發電設備，其包括一立杆、帶有多個轉子葉片的一轉子、一機艙和必要時其他繞流部件。
在參與發電方面，有不同功率的風力透平已經佔有穩定的地位。通過近年來的進一步發展，風力發電設備變得越來越多和更加有效。
被風力發電設備轉子掠過的面積可以看作可由其提取風能的面積。實際上不利的是，在此面積內風力發電設備各種部件，如立杆、機艙和整流罩或風力發電設備的軸都對氣流有幹擾。由此產生旋流、紊流和避風處，它們導致減少轉子掠過的面積並因而導致降低發電量。
此外還有一個缺點是，由於產生紊流對沿風向在下遊的風力發電設備也有負面的影響。因為在此風力發電設備上作用了一種至少部分有幹擾的紊流氣流，從而降低其效率。
另一個缺點可認為在於，各轉子葉片所遭受氣流的力或壓力會導致彎曲負荷。當轉子葉片掠過風力發電設備的立杆時，轉子葉片短時間卸荷。因此導致一種周期性的負荷變化，它表現為不希望的振動。這種動力學效應經由轉子葉片輪轂、發電機、軸承、軸、驅動裝置、傳動裝置，一直傳播到立杆，所以全部構件都須在尺寸上設計得更大，以保證需要的疲勞強度。這些預防措施導致提高風力發電設備的成本。
由WO 97/04280A1已知通過紋理結構化的表面影響繞流流體的邊界層，當然為此需要電或磁場。
因此本發明涉及的問題是創造一種克服上述缺點並與此同時改善流動特性的風力發電設備。
為了解決此問題，在前言所述類型的風力發電設備中按本發明規定，所述立杆和/或轉子葉片和/或機艙和/或其他部件的表面上至少部分具有一些改善流動的凹穴。
與已知的帶有光滑表面的風力發電設備不同，在按本發明的風力發電設備上設凹穴或相應的隆凸，以改善流動。這些凹穴影響氣流，尤其是邊界附面層，也就是構件表面與未被擾動的流動之間的區域。對於在先有技術中使用的光滑表面，流體在入流側按層流入流，在此位置存在未擾動的流動。轉變點表示層流與紊流之間的過渡。在轉變點之後氣流產生渦旋，從而導致氣流阻力激烈增大。在按本發明帶有表面凹穴和隆凸的風力發電設備中，所述的轉變點沿流動方向移動，也就是推遲渦流的形成，降低了流阻。由於減小了流阻，整個風力發電設備降低了振動的傾向，所以各機械構件的負荷較小。另一個優點在於減小了轉子立杆與掠過的轉子葉片之間的相互作用，由此同樣減少轉子葉片的彎曲負荷。
按本發明的風力發電設備另一個優點可認為是，在風力發電設備後面的尾流區內的氣流受較小的幹擾，所以幾乎不影響後續的風力發電設備。因此允許在一個風場內以彼此較小的間距部署多個風力發電設備，從而可以提高風場面積的能量密度。
有利地，按本發明的風力發電設備較少受汙物和結冰的困擾。這一效果歸諸於在凹穴內更高的空氣速度。
此外，按本發明的風力發電設備有一個優點，即，與傳統的設備相比減小了噪聲的發生。從風力發電設備傳給地面的所形成的噪聲水平以及周期性的振動都是不希望的，因為這些會使毗鄰的居民感在不舒服。採用按本發明的風力發電設備可有助於解決這一問題，因為極大地減少所述的影響，從而導致對此項技術高度的認可。
按本發明的風力發電設備表面上的凹穴可有不同的形狀。特別有利的是，它們基本上有半球的形狀。
採用如高爾夫球上類似設計的表面，它們通過氣動效果賦予高爾夫球更好的飛行特性。採用半球形作為凹穴尤其出現在那些從不同方向入流的地方，例如在轉子立杆上。然而也可以採用其他設計的凹穴，例如有半液滴形的形狀。液滴形特別有利於流動，也就是說它們只造成很小的阻力。液滴形特別適用於轉子葉片，因為在轉子葉片上的入流方向基本上不變。
有利地，凹穴規則排列在表面上。例如凹穴可以排列成行，其中相鄰的行可互相錯開布置。以此方式達到面積的充分利用。
凹穴在轉子葉片上主要設在轉子葉片層流與紊流之間的轉變點與其端稜之間的區域內可有突出的優點。在此設計中，轉子葉片層流繞流的鼻區沒有凹穴。將凹穴設在傳統的轉子葉片中發生層流與紊流之間轉變的那個區域內。凹穴促使轉變點沿流動方向移動，所以延長了流動的層流行程。這一效果帶來的結果是，與傳統的風力發電設備相比使紊流區顯著變窄。
若凹穴設在扁薄的載體材料上，本發明可以特別容易實現，載體材料可以固定在風力發電設備上。以此方式風力發電設備也可以事後設置帶有凹穴的表面結構。若載體材料是薄膜，尤其是自粘式薄膜，操作特別簡單。
本發明的其他優點和詳情參見附圖藉助實施例說明。這些附圖是示意圖，其中

圖1表示在按本發明的風力發電設備表面上的半球形凹穴的剖切側視圖；圖2-7表示圖1所示凹穴和當空氣掠過時各個步驟的氣動效果；圖8表示在凹穴處形成渦流；圖9表示帶有按規則排列的凹穴的場區以及由此造成的流動過程的俯視圖；圖10表示傳統的風力發電設備轉子立杆的入流和由此造成的流場的水平剖視圖；圖11表示按本發明的風力發電設備的轉子立杆和由此造成的流場的水平剖視圖；以及圖12表示按本發明的風力發電設備，它的表面至少部分具有一些用於改善流動的凹穴。
圖1用剖切側視圖表示風力發電設備的表面2內的半球形凹穴1。由圖1可以看出，表面2有基本上平行於表面的入流。在本實施例中表示的半球形凹穴1僅作為範例以便於理解。也可以取代半球形選擇半液滴形或其他導致改善流動的形狀。
當空氣掠過凹穴1時在凹穴1內形成氣渦3，它有助於空氣掠過並加速空氣容積流動。這種效果的強弱取決於入流速度、入流角、氣壓、空氣溫度、凹穴1的形狀和布局。在每個凹穴內形成的渦旋3使掠過的空氣如「滾珠軸承」那樣作用，因此不幹擾或僅少量幹擾表面2上的層流流動。
圖2-7表示圖1所示凹穴1和在空氣掠過時各個步驟的氣動效果。
圖2是俯視圖以及代表風力發電設備一個部件的表面2，它設有凹穴1。在圖2中可以看到半球形凹穴1圓形的稜邊。凹穴1被掠過的空氣基本上層流地入流，由此首先造成兩個對稱的氣渦3、4。
圖3表示經過短時間後的圖2所示凹穴。由於入流時的不對稱性，在凹穴內形成佔優勢的渦旋3，反之，另一個氣渦4變得較弱。在圖3中還可以看出，掠過的空氣的流線5在氣渦3、4之間側向偏轉。
如圖4所示，佔優勢的一側氣渦3發展成「龍捲風」，也就是說，形成一個小的局部渦旋，空氣在其中上升，從而使它離開表面2。因此由凹穴1形成一個氣渦3，它沿流動方向進一步推動掠過的空氣。由圖4還可看出，掠過的空氣向一側偏轉。
圖5表示短時間後的流動狀況。氣渦3由於流動不對稱性在短時間後重新瓦解，從而減小主導渦旋的強度。與此同時，另一個氣渦4開始擴張。與圖4的狀態不同，掠過的空氣在這種情況下未經受方向偏移，也就是說它未受影響。
圖6表示略晚些時候的流動狀況。氣渦4開始佔主導地位，因為它比另一個氣渦3大得多也強得多。還可以看出，掠過的空氣流線6經受朝側向的偏轉。氣渦3、4有相反的旋轉方向，因此，掠過的空氣的流線6與圖4所示氣渦3佔主導優勢的狀態相比朝相反的側向偏轉。
圖7表示經短時間後的流動狀況。與氣渦3逆流的氣渦4發展成一個更大的渦旋，它在凹穴1中沿流動方向進一步推動掠過的空氣。
在進一步的過程中，氣渦4也由於流動的不對稱性重新瓦解，從而連續地重複所表示的順序。
圖8表示在凹穴處渦流的形成。風力發電設備通常包括許多凹穴1，它們設計在轉子葉片、立杆、機艙或其他繞流部件的表面上。從每一個凹穴1出發構成小的渦流，它們沿流動方向推動掠過的空氣。經過一些時間後渦旋瓦解並形成一個有相反的旋轉方向的渦旋。在這裡相鄰的凹穴1、7可以有相同或相反的旋轉方向。在掠過的空氣與表面之間的邊界附面層內的摩擦阻力減小，此外，支持和加速表面上的空氣流動。因為一個封閉系統的總能量不可能增大，所以與此同時在另一些位置例如通過摩擦作用消耗能量，也就是說，傳統系統的摩擦能量在這裡被部分利用於造成氣渦，氣渦又降低總摩擦損失。
圖9表示一個帶有按規則排列的凹穴的場區以及造成的流場。由圖9可以看出，凹穴排列成水平的行，相鄰的行側向錯開，每個凹穴1與所有相鄰的凹穴有基本上相同的間距。左旋和右旋的氣渦隨時間交替變換，以及在繞流的表面2上形成這種交替渦旋的圖案，這些渦旋根據入流速度和其他氣動參數基本上從一個凹穴1到達下一個凹穴1。這些氣渦3、4沿整個表面2支持和加速氣流。
圖10示意表示傳統的風力發電設備轉子立杆的入流和造成的紊流場水平剖視圖。轉子立杆8有圓形截面。入流的空氣9基本上是層流，也就是說各流線彼此平行地延伸，空氣沒有紊流。沿流動方向觀察，轉變點10處於最大直徑區內轉子立杆的左側和右側。轉變點10表示層流9轉變為紊流11所發生的地點。由圖10可以看出，有紊流11的尾流區有輕微的錐形，所以紊流區在風力發電設備後面逐漸增大。後續的風力發電設備進入的是紊流空氣，它導致降低設備的效率。
圖11是與圖10類似的圖，並表示了外側加有薄膜13的轉子立杆12，薄膜13有改善流動的凹穴。與圖10所示的轉子立杆不同，在設有薄膜13的入流的層流空氣16有長得多的層流行程，所以轉變點14沿流動方向後移。由圖11可以看出，轉變點14處於轉子立杆12最大直徑後方，所以流動直到那裡摩擦很小。紊流15隨後才能形成。與圖10所示的例子不同，紊流15的區域小得多，所以對後續的風力發電設備的影響小得多。因此，一個風場內的各個風力發電設備可以部署為有更小的間距，從而導致更好的面積利用和單位面積更大的發電量。
圖12在示意圖中表示一個風力發電設備，它的表面上至少部分具有一些改善流動的凹穴。總體用17表示的風力發電設備主要由一立杆12、一帶有多個轉子葉片18的轉子、安裝發電機的機艙19以及覆蓋轉子輪轂區的整流罩20組成。
在圖12中用陰影線表示風力發電設備17各組成部分表面設有凹穴的區域。轉子立杆12除了其下部外全都設有改善流動的凹穴。同樣，機艙19和整流罩20在其全部表面上設有凹穴。轉子葉片18在其上、下側有沿縱向延伸的條狀區，這些條狀區上設有凹穴。
與已公知的可達到減小摩擦約10％的鯊魚皮效應不同，對本發明風力發電設備的第一次初次試驗表明，在風力發電設備中可望改善約30％。
權利要求
1.一種風力發電設備，其包括一立杆、一帶有多個轉子葉片的轉子、一機艙和必要時其他繞流部件，其特徵為所述立杆(12)和/或轉子葉片(18)和/或機艙(19)和/或其他繞流部件的表面上至少部分具有一些用於改善流動的凹穴(1)。
2.按照權利要求1所述的風力發電設備，其特徵為所述凹穴(1)基本上具有一半球形或一半液滴狀的形狀。
3.按照權利要求1或2所述的風力發電設備，其特徵為所述凹穴(1)規則排列。
4.按照上述任一項權利要求所述的風力發電設備，其特徵為所述凹穴(1)排列成行。
5.按照權利要求4所述的風力發電設備，其特徵為所述各行凹穴(1)互相錯開布置。
6.按照上述任一項權利要求所述的風力發電設備，其特徵為所述凹穴(1)在一轉子葉片(18)上主要設在轉子葉片(18)層流與紊流之間的轉變點與轉子葉片(18)端稜之間的區域內。
7.按照上述任一項權利要求所述的風力發電設備，其特徵為所述凹穴(1)設計在一扁平的可固定在所述風力發電設備(17)上的載體材料上。
8.按照權利要求7所述的風力發電設備，其特徵為所述載體材料是薄膜(13)。
9.按照上述任一項權利要求所述的風力發電設備，其特徵為所述轉子葉片(18)的結構和型面與通過凹穴(1)改變後的失速速度相匹配。
10.按照上述任一項權利要求所述的風力發電設備，其特徵為控制軟體與通過凹穴(1)改變後的失速速度相適應。
11.按照上述任一項權利要求所述的風力發電設備，其特徵為它的表面對於汙染和結冰不敏感。
全文摘要
本發明涉及一種風力發電設備，其包括一立杆、帶有多個轉子葉片的一轉子、一機艙和必要時其他繞流部件。按照本發明，所述立杆(12)和/或轉子葉片(18)和/或機艙(19)和/或其他部件的表面上至少部分具有一些改善流動的凹穴(1)。
文檔編號F03D1/06GK1705822SQ200380101744
公開日2005年12月7日 申請日期2003年10月21日 優先權日2002年10月22日
發明者曼弗雷德·赫布斯特 申請人:西門子公司