[发明专利]用于风力涡轮机叶片的边界层翅片

说明书

技术领域

本文所述的主题主要涉及风力涡轮机叶片，并且更具体地涉及用于风力涡轮机叶片的边界层翅片(fin)。

背景技术

风力涡轮机是一种用于将风中的动能转变成机械能的机器。如果机械能由机械直接使用，如用来抽水或磨麦，则风力涡轮机可称为风车。类似的是，如果机械能转变成电力，则机器还可称为风力发电机或风力发电设备。

风力涡轮机通常根据叶片旋转所围绕的垂直轴线或水平轴线来分类。一种所谓的水平轴式风力发电机在图1中示意性地示出，且可从通用电气公司获得。用于风力涡轮机2的该特定构造包括支承机舱6的塔架4，该机舱6包含传动系8。叶片10布置在″自旋体(spinner)″或桨毂9上，以便在传动系8的一端于机舱6外形成″转子″。旋转叶片10驱动齿轮箱12，该齿轮箱12在传动系8的另一端处连接到发电机14上，传动系8连同控制系统16一起布置在机舱6内，该控制系统16可接收来自于风速计18的输入。

当叶片10在″转子平面″内自旋时，该叶片产生升力且从流动空气中俘获随后给予转子的动量。各叶片10通常均在其″根部″端处固定到桨毂9上，且然后沿径向″向外侧″″翼展″至自由的″末梢″端。叶片10的前部或″前缘″连接首先接触空气的叶片最前点。叶片10的后部或″后缘″为已由前缘所分离的空气流在经过叶片的吸入表面和压力表面之后重新结合的部位。″弦线″连接叶片前缘和后缘中心。弦线的长度简称为″翼弦″。叶片10的厚度可在沿翼展变化，而用语″厚度″通常用于描述任何特定弦线在叶片相对侧上的低压吸入表面与高压表面之间的最大距离。

″边界层″为减速空气区，其紧邻运动叶片10的表面。边界层的厚度通常限定为距叶片在其处流动速度为″自由流″速度的99％的距离，在该处，空气不受叶片粘滞力或摩擦力的影响，但感觉到势流超过边界层。当边界层传送得过远而足以克服相反的压力梯度时，就会出现″流动分离″，流动速度下降至几乎为零。流体流然后因流过叶片10而变得分离，且作为替代而形成涡旋和涡流。

这种边界层分离可增大叶片10上的阻力(drag)，尤其是″压力阻力″，这是在物体穿过流体时由物体前表面与后表面之间的压差造成的。边界层分离还可导致失速和涡流泄出，这可造成噪音和叶片10中的结构振动。为此，在空气动力表面的设计中已经进行了很多努力和研究，这些空气动力表面延迟流动分离和保持局部流尽可能久地附着在叶片10上。例如，国际专利公布No.WO 2007/140771和欧洲专利申请No.EP 1944505公开了具有涡流发生器的风力涡轮机叶片。然而，这种涡流发生器或会减少以其它方式可从风中俘获的能量。

发明内容

与这些常规方式相关的这些和其它方面在此通过在多种实施例中提供风力涡轮机叶片而予以解决，该风力涡轮机叶片包括多个边界层翅片，这些边界层翅片大致平行于叶片上的流动方向对准，以便减小边界层与叶片的分离。

附图说明

现在将参照以下附图(图)来描述该技术的各个方面，附图不必按比例绘制，但使用了相同的参考标号来表示全部各个视图中的对应零件。

图1为常规风力涡轮机的示意性侧视图。

图2为风力涡轮机叶片的顶视图。

图3为沿图2中的截面线III-III所截取的截面视图。

图4为图3中所示的边界层翅片的放大侧视图。

图5为图2中所示的风力涡轮机叶片表面的放大局部正视图。

图6为结合图2中所示的风力涡轮机叶片使用的边界层翅片的放大局部正视图。

图7为结合图2中所示的风力涡轮机叶片使用的边界层翅片的侧视图。

图8为结合图2中所示的风力涡轮机叶片使用的另一边界层翅片的侧视图。

图9为压力系数相对于叶片截面无因次翼弦的曲线图。

图10为正交于叶片表面的边界层轮廓位置相对于速度的曲线图。

图11为正交于叶片表面的位置相对于紊流动能的曲线图。

具体实施方式

图2为结合图1中所示的风力涡轮机2或任何其它风力涡轮机使用的具有多个边界层翅片22的风力涡轮机叶片20的一个实施例的顶视图。例如，叶片20可替换叶片10中的任何一个，或叶片10可更改成包括叶片20的一些或所有特征。各所示边界层翅片22均沿翼弦方向延伸，大致平行于叶片压力侧上的流动方向，以便减小边界层与叶片的分离。然而，一些边界层翅片22还可布置成相对于叶片上和/或叶片的相对压力侧上的流动成一定角度。