[发明专利]成形为增强尾流扩散的转子叶片

说明书

一种用于水平轴风力涡轮机转子的叶片20，包括径向外部能量提取部分32以及径向内部通风部分30。所述径向内部通风部分30成形为在使用期间使所述转子的尾流的中心区域34通风，从而使得与根据常规转子设计的尾流相比，所述转子含有更多动能。在所述尾流的所述中心34处的增加的风流动速度伴随相应涡流出现产生额外剪切应力，这导致尾流扩散增加。

本发明涉及一种用于水平轴风力涡轮机的转子叶片，且尤其涉及一种成形为增强风力涡轮机尾流的扩散的转子叶片。

水平轴风力涡轮机具有在塔架顶部的水平主转子轴和发电机。用于电力的商业生产的水平轴风力涡轮机通常是三叶的，且通过计算机控制的电动机迎风偏转。塔架通常为70到100米高，且叶片通常具有50到75米的长度。然而，正在开发更大的风力涡轮机，例如具有高达220米的高度和高达85米的叶片长度的风力涡轮机。

在操作期间，风的速度在叶片上产生升力，导致转子旋转，进而驱动发电机。然而，能量的提取使风减速且导致在涡轮机后方形成尾流(或阴影)。在尾流内的风具有比未穿过转子区域的风更慢的速度。此外，尾流中的风的相对于不受转子影响的风的速度的更慢速度导致尾流的直径扩大超过转子的直径(即尾流扩张)。

相比于相同数量的风力涡轮机独立建造的情况，在相对较小的地理区域，即风电场，中使用风力涡轮机的阵列提供许多优势，诸如建造成本更便宜、共享基础设施以及维护成本更低。然而，在阵列内，风力涡轮机彼此靠近影响其效率。具体来说，由于下风向涡轮机接收相对更慢的风速，因此一个涡轮机的尾流将减少下风向涡轮机的电力输出。

与定位在上风向的涡轮机的电力输出相比，处于完全尾流状态下的单个风力涡轮机可经受多达30％到40％的电力输出损耗。然而，对整个风电场取平均值，通常尾流损耗约为10％至15％。

进一步在涡轮机的下风向方向上，由于动能通过涡流混合从围绕尾流的风转移，因此在尾流内的风速增大。由于尾流内部与外部的空气流动之间的速度差，以及由于环境和/或与海洋相符合的条件，诸如地面粗糙度或波高，湍流混合自然地发生。因此，尾流所诱导的效率损耗的问题可通过使风力涡轮机进一步分隔开来减小，进而提高阵列的效率。

出于这个原因，在大部分近海风力涡轮机场中，约6到10个转子直径的涡轮机间距为正常的。实际上，此间距限定了场的最高效电力生产的上限。期望的是，提高阵列中的风力涡轮机的效率，且从而提高风电场的电力输出，而不增大风电场的面积。

WO 2013/037374提出一种通过调节尾流的截面形状来降低风力涡轮机尾流对下游涡轮机的影响的方法。这通过在旋转期间周期性地改变叶片的间距以使得从尾流的两个相对侧提取较少的能量，从而导致椭圆形形状的尾流来实现。尽管这降低了尾流对下游涡轮机的影响，然而由于较大扫掠区域实现更低的能量提取，这将导致单个涡轮机的效率的显著损耗。

本发明提供一种用于水平轴风力涡轮机转子的叶片，所述叶片包括径向外部能量提取部分和径向内部通风部分，所述径向内部通风部分成形为在使用中通过从风力中提取较低水平的能量来使转子的尾流的中心区域通风。可选地，在一些实施方式中，叶片可进一步将少量的能量增加到气流中，即通过用作螺旋桨。

此叶片构造意味着与根据常规转子设计的尾流相比，涡轮机尾流的中心含有更多动能。在尾流的中心处的此增加的风流动速度伴随相应涡流出现产生额外剪切应力，这导致尾流扩散增加。应了解，“提取较低水平的能量”不仅指提取有用的能量以驱动涡轮机，而且还指由于阻力等的能量提取。举例来说，具有环形形状的叶根部分将产生显著阻力，其从气流中提取能量且降低通风。还应了解，这样的环形形状不可用于产生升力以将能量增加到气流中。

通过径向内部区域的气流的通风(通过旁通或注入)的主要效果，除通过通风空气的质量增加而在近尾流范围中的少量压力增加以外，是来自从涡轮机的后部发出的喷射的动量的增加。由转子的上游的增加的压力与转子下游的所得较低压力之间的压力差驱动的此喷射流增加了尾流的中心处的空气的速度。