具有涡流发生器的转子叶片的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种风力涡轮机，并且涉及一种风力涡轮机的转子叶片。具体而言，本发明涉及就空气动力学和结构方面而言如何能够改善转子叶片和包括这样的转子叶片的风力涡轮机的问题。
【背景技术】
[0002]给飞行器(S卩，飞机)的机翼提供涡流发生器从飞行器的领域是已知的。涡流发生器是在特定条件下改进机翼的气动效率的简单装置。涡流发生器是一种气动附加装置，其能够例如被安装到已完成的机翼，或其能够被结合到新机翼的制造过程中。
[0003]还已知涡流发生器对风力涡轮机的转子叶片而言可具有有益的效果。例如，国际专利申请WO 2006/122547 Al公开了一种风力涡轮机的转子叶片，其在转子叶片的背风面侧(即，吸力侧)处具有湍流发生装置。
[0004]常规的涡流发生器除其他外具有以下技术效果:由于边界层的重新供能(re-energizat1n)而延迟了转子叶片上的失速。所述边界层是与转子叶片的表面相邻的气流层。在风力涡轮机的操作期间，失速的延迟是高度有利的，这是由于因此就能够以较大范围的攻角来操作风力涡轮机。所述攻角指的是转子叶片的弦线和冲击转子叶片的进入气流的方向之间的角度。
[0005]常规的涡流发生器的另一技术效果是增加转子叶片的升力。如果例如由于转子叶片的污染，转子叶片的升力系数已经降低，则这可能是特别有利的。转子叶片的升力系数表征当气流以一定的攻角冲击所述转子叶片时能够产生的升力。在其他参数之中，所述升力系数一般取决于转子叶片是洁净的还是污染的。转子叶片的污染指的是可由虫子、昆虫、灰尘等造成的粗糙表面。污染经常发生在转子叶片的前缘处。概括地说，在污染的转子叶片的情况下，升力系数的增加通常被视为对所有相关的攻角有利。
[0006]然而，升力系数的增加也可能是不利的，如果它使转子叶片的最大升力朝向高于没有涡流发生器的转子叶片的最大升力的值增大。例如，对设置涡流发生器增大最大升力的洁净的转子叶片而言就是这种情况。在这种背景下，最大升力的增加通常被视为是不利的，因为转子叶片的载荷增加，并且因此，可能必须复查对转子叶片的结构稳定性的要求。
[0007]因此，将需要提供一种风力涡轮机的转子叶片，其被配置成使得它至少部分地克服具有风力涡轮机的常规涡流发生器的常规转子叶片的所述缺点。
【发明内容】
[0008]此目标通过独立权利要求来解决。从属权利要求描述有利的发展和修改。
[0009]根据本发明，提供了一种风力涡轮机的转子叶片，所述转子叶片包括配置成产生主涡流的主涡流发生器以及配置成产生第二涡流的副涡流发生器。所述主涡流发生器的高度大于所述副涡流发生器的高度。此外，所述主涡流发生器和所述副涡流发生器关于彼此被配置和布置成使得: a)对小于所述副涡流发生器的高度的边界层厚度而言，所述副涡流发生器降低、特别是抵消所述主涡流发生器对所述转子叶片的升力的影响，以及
b)对大于所述副涡流发生器的高度的边界层厚度而言，所述转子叶片的升力基本上不受所述副涡流发生器的存在影响。
[0010]原则上，涡流发生器需要被理解为适于产生涡流的设备或附加装置。发明的转子叶片包括至少两个涡流发生器:主涡流发生器和副涡流发生器。所述两个涡流发生器的高度是不同的。所述高度指的是涡流发生器在涡流发生器所安装到的转子叶片的特定位置处垂直于转子叶片的表面的延伸。换句话说，涡流发生器远离转子叶片的表面突出，并且涡流发生器的高度被当作涡流发生器到转子叶片的表面的最远点的最小距离。应当注意的是，在所述主涡流发生器和所述副涡流发生器之间的高度上的差异意在是超过所述主涡流发生器的高度的10%的高度上的差异。换句话说，按照本专利申请中的理解，例如由制造偏差造成的自然地出现的高度上的微小差异不足以作为所述主涡流发生器和所述副涡流发生器之间的合格的高度差。特别地，所述主涡流发生器的高度超过所述副涡流发生器的高度的两倍。
[0011]本发明的关键方面在于，对小的边界层厚度而言，所述主涡流发生器和所述副涡流发生器被选择成使得所述副涡流发生器取消或至少降低所述主涡流发生器的效果或影响；但是，对大的边界层厚度而言，所述副涡流发生器是"不可见的〃，即不起作用的(inactive)。因此，包括所述主涡流发生器和所述副涡流发生器的涡流发生器布置的效果取决于边界层厚度。
[0012]所述边界层表示与转子叶片的表面相邻的流层(flow layer)，并且其中，气流的速度从其所谓的外流速向下变化至所述表面处的零值。特别地，对于远离所述表面的距离增加，气流的速度增加(例如，单调地)。所述边界层的厚度被限定成使得气流的速度达到自由流(free-stream)气流速度的99%。现代风力祸轮机的转子叶片的典型的边界层厚度在几毫米一直到几厘米的范围中。这些值表示针对具有例如4米的最大弦长和50米的沿叶展方向的长度的转子叶片的示例性的值。注意，边界层的厚度除其他参数外取决于攻角。所述边界层的厚度还取决于转子叶片是洁净的还是污染的。
[0013]对小于所述副涡流发生器的高度的边界层厚度而言，所述副涡流发生器被布置和制备成用于选择性地降低所述主涡流发生器对转子叶片的升力的影响。然而，要注意的是，即使是对于小于副涡流发生器的高度的边界层厚度，结果也可能是所述主涡流发生器对转子叶片的升力仍然具有一定的影响，即作用。同样，即使是对于大于副涡流发生器的高度的边界层厚度，尽管副涡流发生器完全地没入边界层内，结果也可能是副涡流发生器仍然使主涡流发生器的影响降低。涡流发生器在空气动力学上无效的界限高度也被称为转子叶片的粘性次层(viscous sub-layer)。
[0014]在本发明的一个实施例中，所述主涡流发生器和所述副涡流发生器位于转子叶片的吸力侧上。
[0015]涡流发生器放置在转子叶片的吸力侧上是有利的，这是因为与转子叶片的压力侧相比，主要失速的涡流发生器的有效影响在转子叶片的吸力侧处更加相关(morerelevant)。
[0016]在本发明的另一实施例中，所述主涡流发生器和所述副涡流发生器基本上位于转子叶片的相同的叶展向位置处。
[0017]所述叶展向位置涉及转子叶片的叶展。转子叶片的叶展在转子叶片的根部部分和转子叶片的末端部分之间延伸。转子叶片的叶展也被称为其纵向轴线。关于配置成当它们一旦被安装到风力祸轮机的轮毂时围绕俯仰轴线(pitch axis)倾斜的转子叶片，所述叶展可有利地基本上相当于转子叶片的俯仰轴线。但是，在弯曲的或曲形的(sw印t)转子叶片的情况下，所述叶展依循转子叶片的形状，并且因此也是弯曲的或曲形的。
[0018]在本发明的另一实施例中，所述主涡流发生器和所述副涡流发生器之间的距离小于所述转子叶片在所述主涡流发生器的叶展向位置处的弦长的10%、特别地小于所述弦长的5%、甚至更特别地小于所述弦长的2%。
[0019]主涡流发生器和副涡流发生器之间相对小的距离的优点在于副涡流发生器对主涡流发生器的影响较强。换句话说，副涡流发生器和主涡流发生器之间的距离必须足够小，使得在其中副涡流发生器基本上超出边界层的情况下，副涡流发生器对主涡流发生器的气动效率具有影响。
[0020]在下文中，给出了所述主涡流发生器的有利的尺寸。
[0021]第一方面涉及所述主涡流发生器关于其在转子叶片的表面上的弦向和叶展向位置的定位。所述主涡流发生器可以位于沿转子叶片的整个叶展的任何位置处。换句话说，在转子叶片的根部和转子叶片的末端之间的任何位置都是合适的。关于弦向位置，所述主涡流发生器在转子叶片的弦长的5%和60%之间的位置是优选的。注意，给出的值表示从转子叶片的前缘测量沿所述弦线所确定的位置。还要注意，由于转子叶片的弦长通常沿叶展变化，所以给出的值表示在安装所述主涡流发生器的叶展向位置处的弦长。
[0022]在第一优选实施例中，从转子叶片的根部测量，所述主涡流发生器位于转子叶片的叶展的50%和100%之间。关于其弦向位置，从转子叶片在所述主涡流发生器的叶展向位置处的前缘测量，所述主涡流发生器位于转子叶片的弦长的20%和55%之间。
[0023]在第二优选实施例中，从转子叶片的根部测量，所述主涡流发生器位于转子叶片的叶展的5%和50%之间。关于其弦向位置，从转子叶片在所述主涡流发生器的叶展向位置处的前缘测量，所述主涡流发生器位于转子叶片的弦长的5%和40%之间。
[0024]在第三优选实施例中，第一实施例和第二实施例被结合，从而产生了多个主涡流发生器，其中第一部分具有第一实施例的特性，并且第二部分具有第二实施例的特性。换句话说，提供了一种转子叶片，其至少包括处于5%和50%之间的叶展向位置以及5%和40%之间的弦向位置处的第一主涡流发生器，并且至少包括处于50%和100%之间的叶展向位置以及20%和55%之间的弦向位置处的第二主涡流发生器。
[0025]第二方面涉及所述主涡流发生器的最大高度。所述主涡流发生器的高度表示所述主涡流发生器的沿垂直于转子叶片的表面的方向在所述主涡流发生器被安装到转子叶片的所述表面上的位置处的延伸。由于一般而言，所述主涡流发生器具有拥有不同高度的形状，例如从所述主涡流发生器的上游端向下游端观察它具有增加的高度，所以所述最大高度指的是所述主涡流发生器的高度的最大值。
[0026]优选地，