具有受控制的主動流動和旋流元件的風力渦輪葉片的製作方法
2023-05-04 09:36:31
專利名稱：具有受控制的主動流動和旋流元件的風力渦輪葉片的製作方法
技術領域：
本發明大體而言涉及風力渦輪的領域，且更特定而言涉及具有空氣動力學表面配置的渦輪葉片。
背景技術：
渦輪葉片是用於將風能轉換成電能的風力渦輪的主要元件。葉片具有翼型截面輪廓，使得在操作期間，空氣經過葉片流動，在兩側之間產生壓差。因此，從壓力側朝向吸力側導向的提升力作用於該葉片上。提升力在主轉子軸上生成扭矩，主轉子軸以齒輪的方式連接到用於產生電力的發電機。在葉片的前緣上的空氣流動主要為在「附著流動」區域中的層流。提升力主要在此附著流動區域中生成。隨著空氣朝向葉片後緣移動，發生流動分離且空氣流動過渡到「分離流動」區域，其中流動更具湍流性。流動分離取決於許多因素，諸如進來的空氣流動特性 (例如，雷諾數、風速、流入大氣湍流等)和葉片特性(例如，翼型區段、葉片弦和厚度、扭轉分布、槳距角等)。分離流動區域還導致阻力增加，這主要是由於在上遊的附連流動區域與下遊的分離流動區域之間的壓差。因此，通常合乎需要的是通過增加升力、同時降低阻力來在風力渦輪正常操作期間提高能量轉換效率。為此目的，有利地通過使流動分離更靠近葉片的後緣(即，在葉片的下遊區域中)來增加附著流動區域且減小分離流動區域。而且，通常需要具有穩定的流動分離來提高工作穩定性且降低葉片的噪音生成。在本領域中已知通過在葉片表面上添加凹窩、突起或其它結構來改變風力渦輪葉片的空氣動力學特性。這些結構有時被稱作「旋流發生器」。這些裝置通過引起邊界層與外部流動的混合，從而延遲了後部流動分離、同時在更高的迎角處增加了升力且減小了阻力，來改進葉片的空氣動力學性能。常規的固定式旋流發生器相對簡單且實施起來較為廉價，但也可生成某種程度的阻力。固定旋流發生器的另一缺點在於最大升力是固定的。該設計因此是中風速度的提高的效率與需要通過葉片的失速調節來維持峰值功率之間的折中。旋流發生器還會在風力渦輪的運輸和組裝期間經受損壞。在例如WO 2007/065434,WO 00/15961和美國專利第7，604，461號中示出了靜態或固定旋流發生元件的實例。還已知相對於葉片表面部署的可縮回的或樞轉的旋流發生器。例如參考美國專利第4，039，161號、美國專利第5，253，828號、美國專利第6，105，904號、美國專利第 6，427，948 號、美國專利第 7，293，959 號、EP1896323B1 和 W02007/005687。在本領域中還已知通過以傾斜角向葉片的表面上的邊界層流動內引入脈動或連續的加壓空氣供應來提高葉片或翼型件的空氣動力學性能。這種擴大的空氣傾向於夾帶邊界層且延遲流動分離的開始。淨效應為葉片表面上的增加的流量且伴有升力增加，如同旋流發生器的情況。這種原理在本領域中通常被稱作「循環控制」、「主動循環控制」或「主動流動控制」。在風力渦輪應用中，循環控制典型地通過推動加壓空氣進入管內且從葉片中的槽出來而工作。參考例如美國專利申請第2010/0104436號和美國專利申請第2007/0231151號。儘管在所引用的參考文獻中討論的旋流發生器和流動循環系統提供了獨特的空氣動力學特性，但該行業將受益於在單個構件中有效地利用兩種概念的組合的渦輪葉片， 而不會不利地增加葉片的成本或複雜性。
發明內容
本發明的方面和優點將在下文的描述中部分地陳述，或者可從該描述顯而易見， 或者可通過實踐本發明而學習。根據本發明的方面，提供一種風力渦輪葉片，其具有吸力側表面和壓力側表面。多個動態的旋流元件形成於這些表面中的任一個或兩個上。主動流動控制系統可操作地與旋流元件一起配置，以便通過旋流元件且沿著葉片的表面向後引導加壓空氣。葉片的空氣動力學性能因此通過旋流元件與主動流動控制系統的組合作用而修改。在一特定實施例中，旋流元件為動態的且從縮回位置促動到突伸到葉片的中性表面上方的操作位置。旋流元件可由主動流動控制系統供應的加壓空氣促動。舉例而言，在一實施例中，主動流動控制系統可包括在葉片內的加壓空氣歧管，且旋流元件與該歧管氣動連通，使得在接通主動流動控制系統和歧管加壓時旋流元件被促動。旋流元件可被偏壓到至少部分地在歧管內的縮回位置，且供應到歧管的加壓空氣克服該偏壓且將旋流元件推動到其相對於葉片表面的促動的突伸位置。旋流元件可由任何合適的機構偏壓，諸如彈性構件、彈簧等等。在一種獨特配置中，旋流元件包括通路，加壓空氣通過該通路被引導。旋流元件的通路和方位使得加壓空氣在旋流元件的位置處相對於局部葉片弦以所需離開角離開該元件。在另外的又一獨特實施例中，旋流元件沿著鉸鏈線樞轉，且在其縮回位置上靠著葉片表面基本上平坦地放置。在啟動主動流動控制系統時，加壓空氣推壓旋流元件且使得該元件相對於葉片表面向上樞轉。關於另外的再一實施例，旋流元件為靜態的，並且相對於葉片表面固定且包括穿過其而限定的空氣通路，通過該空氣通路，加壓空氣被引導通過旋流元件，且相對於局部葉片弦以所需離開角度從旋流元件引導出來。根據本發明的方面的葉片的空氣動力性能可進一步通過包括沿經過葉片表面的空氣流的方向在該多個旋流元件的下遊設置在葉片表面上的多個旋流發生器而修改。在一特定實施例中，這些裝置可為靜態的靜葉，其在越過葉片的最大厚度的所需局部弦長處突伸到葉片的中性表面上方。本發明還包括具有一個或多個渦輪葉片的風力渦輪，渦輪葉片被配置成具有如本文所述的旋流元件和主動控制系統。參考下文的描述和所附權利要求，本發明的這些和其它特徵、方面和優點將會得到更好的理解。結合於本說明書中並構成本說明書的一部分的附圖示出了本發明的實施例，且與描述一起用於解釋本發明的原理。
在參照了附圖的說明書中闡述了本發明的對於本領域普通技術人員而言完整並可實施的公開內容，包括其最佳模式，在附圖中圖1是常規風力渦輪的透視圖2是根據本發明的方面的風力渦輪葉片的一實施例的透視圖3是風力渦輪葉片的一實施例的側視剖視圖4是圖3的葉片的側視剖視圖，其中旋流元件被促動到展開狀態；
圖5是風力渦輪葉片的一實施例的側視示意圖6是處於縮回位置、壓力歧管內的旋流元件的一特定實施例的側視示意圖
圖7是圖6的旋流元件處於突伸操作位置的側視示意和操作圖8是與壓力歧管一起配置的旋流元件的一實施例的透視圖9是與壓力歧管一起配置的旋流元件的一備選實施例的透視圖10是圖8的實施例的透視操作圖；以及
圖11是與壓力歧管一起配置的靜態旋流元件的一實施例的透視操作圖。
權利要求
1.一種風力渦輪葉片(16)，所述葉片包括吸力側表面(30)和壓力側表面(32)；形成於所述吸力側表面或所述壓力側表面中的至少一個上的多個旋流元件GO)；以及主動流動控制系統(38)，其可操作地與所述旋流元件一起配置，以便通過所述旋流元件且沿著所述表面向後引導加壓空氣；其中，所述葉片的空氣動力學性能通過所述旋流元件與所述主動流動控制系統的組合作用而修改。
2.根據權利要求1所述的風力渦輪葉片(16)，其特性在於，所述旋流元件00)為動態的，且從凹入位置促動到突伸到所述葉片的中性表面上方的操作位置。
3.根據權利要求2所述的風力渦輪葉片(16)，其特性在於，所述旋流元件(38)由所述主動流動控制系統(38)供應的加壓空氣促動。
4.根據權利要求3所述的風力渦輪葉片(16)，其特性在於，所述主動流動控制系統 (38)包括在所述葉片內的加壓空氣歧管(42)，所述旋流元件00)與所述歧管氣動連通，使得在接通所述主動流動控制系統後所述旋流元件被促動。
5.根據權利要求4所述的風力渦輪葉片(16)，其特性在於，所述旋流元件00)被偏壓到至少部分地在所述歧管G2)內的所述凹入位置，供應到所述歧管的加壓空氣克服所述偏壓且將所述旋流元件推動到所述突伸位置。
6.根據權利要求5所述的風力渦輪葉片(16)，其特性在於，所述旋流元件00)包括提供所述偏壓的彈性構件G8)。
7.根據權利要求6所述的風力渦輪葉片(16)，其特性在於，所述旋流元件00)包括從中穿過的通路(50)，通過該通路(50)，加壓空氣被引導通過所述旋流元件且相對於葉片弦以所需離開角度從所述旋流元件引導出來。
8.根據權利要求3所述的風力渦輪葉片(16)，其特性在於，所述旋流元件00)沿著鉸鏈線(56)樞轉，且在所述凹入位置上靠著所述葉片表面(30,3 放置，來自所述主動流動控制系統(38)的所述加壓空氣推壓所述旋流元件，以使得所述旋流元件相對於所述葉片表面向上樞轉。
9.根據權利要求1所述的風力渦輪葉片(16)，其特性在於，所述旋流元件00)是靜態的且相對於所述葉片表面(30，32)固定，所述旋流元件包括穿過其而限定的空氣通路 (50)，通過該空氣通路(50)，所述加壓空氣被引導通過所述旋流元件，且相對於葉片弦以所需離開角度從所述旋流元件引導出來。
10.根據權利要求1所述的風力渦輪葉片(16)，其特性在於，還包括多個旋流發生器 (60)，其沿著經過所述葉片表面的空氣流的方向在所述多個旋流元件00)下遊、在越過了所述葉片的最大厚度的60%與75%之間的弦長處設置於所述葉片表面(30，32)上。
11.根據權利要求10所述的風力渦輪葉片(16)，其特性在於，還包括在越過了所述葉片的最大厚度的75%與90%之間的弦長處的另外的多個旋流發生器(62)。
12.一種風力渦輪(10)，所述風力渦輪包括多個渦輪葉片(16)，所述渦輪葉片中的至少一個根據權利要求1至11中的任一項。
13.根據權利要求12所述的風力渦輪(12)，其特性在於，所有所述渦輪葉片(16)根據權利要求1至11中的任一項。
全文摘要
本發明涉及一種具有受控制的主動流動和旋流元件的風力渦輪葉片。一種風力渦輪葉片(16)包括吸力側表面(30)和壓力側表面(32)。多個旋流元件(40)形成於吸力側表面或壓力側表面中的至少一個上。主動流動控制系統(38)可操作地與旋流元件一起配置，以便通過旋流元件且沿著葉片表面引導加壓空氣。葉片的空氣動力學性能通過旋流元件與主動流動控制系統的組合作用而修改。
文檔編號F03D11/02GK102312771SQ20111019235
公開日2012年1月11日 申請日期2011年6月30日 優先權日2010年7月2日
發明者E·Y·塞戈維亞, P·L·B·聖地牙哥, T·G·斯皮克貝爾 申請人:通用電氣公司