专利名称：用于具有空气动力学特征部件的风力涡轮机的转子叶片的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种用于风力涡轮机的转子叶片，更具体地说，涉及一种用于风力涡轮机的转子叶片的表面。
发明内容
风力涡轮机用于把风能转化为电能，转子叶片是风力涡轮机的基本部件。转子叶片的工作原理类似于飞机的机翼。图1a所示是通常的叶片在工作期间的截面图。在工作期间，空气沿着叶片的两侧流动，在这两侧之间产生压力差。因此，升力的方向从压力侧朝向负压侧，并且作用在叶片上。
另外，附着流体层具有沿着叶片外表面区域的基本层状的流体。相反地，在流体分离尾流上的分离流体层具有更扰动的流体。流体的分离取决于多种因素，例如进气流特性(例如，雷诺数，风速，进气流大气扰流)和叶片特性(例如，翼剖面，叶片弦长和厚度，扭转分布，螺旋角等)。
升力主要产生于附着流体层，而分离流体层会导致阻力的增大，这主要是上游的附着流体层和下游的分离流体层之间的压力差造成的。
用于产生电能的力的分量是作用在转子主轴上转矩的升力的一部分。因此，为了在风力涡轮机的正常运行期间提高能量转换效率，需要使升力最大化。另一方面，通常还需要使曳力最小化。为了达到这个目的，通过使叶片后沿附近、即叶片下游层的流体分离，从而有利地增大附着流体层和减小分离流体层。另外，通常还需要稳定的流体分离，例如为了提高工作稳定性或减少噪音的产生。
图1和2是标准风力涡轮机叶片的截面图；
图3和4是具有波形表面的风力涡轮机叶片的截面图；图5是具有不同表面截面的叶片的顶视图，所述表面例如具有不同尺寸的波纹；图6到13是具有不同波纹尺寸和深度的波纹表面的放大图；图14到31是具有空气动力学特征的部件的例子的顶视图，这些部件向内凹入叶片表面或从叶片表面向外伸出。
具体实施例方式
图1是通常的叶片100的截面图，该叶片包括负压侧102和更高压力侧104。如线106所示，空气沿着叶片100的两侧个侧面102、104流动。在侧面102、104之间出现压力差，其中承受着较低压力的侧面102是负压侧，承受着较高压力的侧面104是压力侧。因此，升力的方向从压力侧104向着负压侧102，并且升力作用在叶片100上。
图1还示出了附着气流108的层和分离气流110的层之间的流体分离。附着流体层108具有沿着叶片100的外表面区域的基本层状的气流。相反地，在流体分离尾流上的分离流体层110具有更扰动的气流。流体的分离取决于多种因素，例如进气流特性(例如，雷诺数，风速，扰流)和叶片特性(例如，叶片厚度，螺旋角等)。
图2是叶片120的截面图，与图1中类似的附图标记表示相同的特征。叶片120具有比叶片100(图1所示)更小的螺旋角。因此，与图1中的气流分离相比，图2中的气流分离层处于更下游的位置，即更靠近叶片的后沿。
参见图3和4，在它们示出的本发明的实施例中包括波纹，该波纹作为叶片表面上的具有空气动力学特征的部件。高尔夫球上的波纹也是为人所知的，这些波纹通常用来提高作为非流线形体的高尔夫球的空气动力学特性。
具体来说，图3示出的叶片150的横截面包括表面152，表面152具有的空气动力学特征部件154位于叶片150的压力侧156和负压侧158上。在图示的实施例中，表面152所包括的空气动力学特征部件154分布在整个叶片上，即分布在叶片150的两个侧面的从前沿160到后沿162的范围内。
图4所示是叶片170的截面图，其中与图3中描述的类似的附图标记表示相同的特征。如图4所示，空气动力学特征部件154只位于叶片170的后沿部分172上，即在叶片170的翼凸缘和下游后沿164之间。在其他实施例中，空气动力学特征部件154可以只位于叶片170的前沿部分160上，即在翼凸缘和上游前沿之间(未示出)。后一种设置对于靠近或在叶片根部的厚的或圆柱形的截面可能是有用的。根据叶片的几何形状和所需的叶片特性，叶片表面上空气动力学特征部件的其它设置也是可以的。例如，在一个实施例中，具有空气动力学特征部件的表面的延伸取决于其在叶片上的径向位置。
如图3和4所示，空气动力学特征部件154与表层成一整体。因此，空气动力学特征部件被表层表面的高度轮廓所限定。在如图3和4的实施例中，表面152限定出平滑的表面区域，空气动力学特征部件154凹入该表面区域内，即空气动力学特征部件从表面区域朝着向内的方向延伸。
在图3和4所示的实施例中，空气动力学特征部件154都具有相同的形状、尺寸和排列。但是，在其他的实施例中，在具有不同的翼截面尺寸、局部气流速度和雷诺数的情况下，根据空气动力学特征部件在叶片150、170上的位置，这些空气动力学特征部件可以具有不同的形状、尺寸、排列和/或朝向。例如，空气动力学特征部件154可以在根部层非常大(长度在0.3m到10m之间，宽度和深度在0.3cm到5cm之间)，在端部层非常小(长度、宽度和深度都在0.3mm到5mm之间)。
上述空气动力学特征部件154的变化可以是连续的或逐步的。另外，上述变化可以是在叶片150、170的径向、周向或其他方向上。另外，叶片150、170的压力侧156和负压侧158上的空气动力学特征部件154可以不同。
空气动力学特征部件154逐步变化的的一个例子示于图5中。如图5所示，叶片180具有若干个空气动力学特征部件的表面A到F和A’到F’，其中每个表面所包括的空气动力学特征部件154可以具有独特的形状、尺寸、排列和/或朝向。因此，可以获得逐步变化的空气动力学特征部件154。
通过这种方式，可以考虑到各个叶片截面之间气流速度和其他气流条件的差异。另外，空气动力学特征部件154可以在各个截面上起到不同的作用。例如，在叶片速度相对低的层，表面A到C和A’到C’可以主要用于提高气流转移的稳定性。另一方面，在叶片速度相对高的层，表面D到F和D’到F’可以主要用于尽可能地向下游延伸气流的转移，从而减少曳力。在图5中，空气动力学特征部件表面D到F和D’到F’沿着叶片跨度的最远50％设置，从而尽可能远地向着后沿延伸气流的转移，从而减少阻力。另外，具有不同形状和尺寸的空气动力学特征部件154的区域可以用来触发渐进性的气流转移，尤其是在高的螺旋角时。
图5中不同的空气动力学特征部件表面的空气动力学特征部件154可以在各种方面不同。作为第一个例子，空气动力学特征部件的尺寸可以不同。例如，表面A可以包括大的、深的空气动力学特征部件，而表面B到F可以包括具有增大的延伸和深度的空气动力学特征部件。另外，位于叶片180前沿部分附近的表面A’到F’可以比叶片180的后沿部分上相应的表面A到F小，从而与前沿附近通常更加分层的气流相适应。
例如，表面A上的空气动力学特征部件154可以在各个方面比表面F上的小一半到十分之一，而表面B到E上的空气动力学特征部件154具有中等尺寸。例如，表面F上的部件沿着表面的最大延伸可以是1到10cm，最大深度可以是0.1-1cm，而表面A上的部件沿着表面的最大延伸可以是1到10mm，最大深度可以是0.1-1mm。因此，由空气动力学特征部件154组成的表层F可以相对较薄(例如，外层的厚度为大约1mm)，表层A可以较厚(例如，外层的厚度为大约4mm)。可选择地，波纹表层A和F可以是相同的厚度。在这两种情况下，例如波纹表层的底部表面可以具有波纹底部的形状，或者它也可以是平滑的。
为了使具有相对大的部件的表面区域和具有相对小的部件的表面区域之间具有连续的过渡，也可以使一个表面上的部件具有不同的尺寸。
作为第二个例子，空气动力学特征部件的形状可以不同。图6-13所示是不同形状的例子。如同在此所描述的，图6-13中的任何实施例，都可能相应于图5中任何空气动力学特征部件的表面。如图6-13所示，每个形状都适合于一种特定的气流特性。例如，图8、9、12和13中的狭长结构190适合于一种优选的整体气流方向，而如图5、6、7、10和11中的圆形形状不具有优选的气流方向。另外，图6-9中的凹入式结构会在凹入的空腔中产生微型扰流，而图10-13中的突出式部件会在部件尾流处产生微型扰流。因此，在任何不对称模式中形成后一种部件是有利的，该不对称模式把每个部件的大体上游和大体下游区域区别开(未示出)。
作为第三个例子，图5中每个表面A到F和A’到F’的空气动力学特征部件可以是相同的。这种结构的有利之处在于，叶片表层不需要由单个的表层片制成，而是可以由多个表层片部分制成。因此，表层部分可以具有瓦片的形式，并且可以以瓦片式的方式应用到叶片或叶片的一部分上。瓦片的数目不限于图5所示的2×6瓦片数，而且瓦片的排列也不限于二次曲面(quadratic)的排列，本领域技术人员会意识到，采用空气动力学特征部件表面的叶片表面或叶片表面的一部分具有各种各样的瓦片排列方式。
在其他实施例中(未示出)，不同的空气动力学特征部件表面可以用在叶片的负压侧和压力侧上。因此，术语“不同”可以表示例如形状、尺寸、排列或朝向的不同。另外，空气动力学特征部件表面可以是大于或小于2×6的瓦片排列。另外，在一个表面内，空气动力学特征部件的特性可以在一个表面的任何方向上不同。在另一个实施例中，空气动力学特征部件的排列和/或朝向有所不同。
通常需要对气流分离行为进行影响。为此，如果可能的话，潜在的气流分离层应当被空气动力学特征部件覆盖。还需要进一步提高叶片根部层的空气动力学性能和噪音性能，其特征通常是具有厚的翼部和低的局部流体速度。为此，在根部层附近提供大的空气动力学特征部件是有利的，例如使一个稳定的扰流边界层活跃。
在端部区域，另一方面，其特征是具有薄的翼部和高的局部气流速度，它们的优先性可以不同。例如，可能需要有效地限制摩擦阻力，同时稳定气流分离和其他气流行为。在一个大的范围内(例如间距，转子速度)，这可能会产生改进的空气动力学性能和噪音性能。因此，空气动力学特征部件的尺寸不应该太大，例如由于产生的扰流而限制了摩擦阻力。类似地，叶片其他部分的制造也应取决于多种其他因素，例如摩擦阻力的相对重要性。
空气动力学特征部件表面通常是聚合的表层片。在一个实施例中，其包括聚合化合物。在另一个实施例中，采用热塑性ioniomeric树脂作为聚合化合物，例如Dupont生产的“Surlyn”(见美国专利No.4,884,814)，或者Exxon生产的“Escor”或“lotec”(见美国专利No.4,911,451)。在一个示例性的实施例中，表面由预先模制的材料制成，并可以具有有图案的弯曲壳体，这通常类似于复合夹层结构。对于一般的叶片长度来说，其外层厚度通常为大约1-4mm。对于大的叶片来说，即叶片跨距大于50m时，表层厚度按照比例系数进行换算。在多数情况下，用叶片跨度除以50m作为比例系数。
空气动力学特征部件可以以各种两维和三维模式排列。示例性的模式包括六边形的、长方形的、方形的(quadratic)、体心二次曲面和其他规则的模式。另外，也可以把波纹设置为随机的不规则模式。模式可以是循环的或非循环的。在没有优选的方向时，随机的设置是各向同性的。
尽管在上面的描述中主要把波纹作为例子，但是也可以通过类似的方式采用其他的空气动力学特征部件。这些其他的部件被它们在空气动力学特征部件表面内的轮廓高度所限定。图14-31示出了多种这样的部件。因此，可以通过是从表面向外突出还是向内凹入表面内来区分这些部件。术语“突出”和“凹入”是相对于空气动力学特征部件之间的表面限定出的平滑表面区域来说的。
图14-31示出了空气动力学特征部件的例子。这些空气动力学特征部件或者向内凹入表面或者从表面向外突出。图14、17和20示出了各个部件的斜度，图15、18和21示出了向内凹入的部件，图16、19和22示出了向外突出的部件。图23-31示出了拉长的槽。如图23-25所示，槽具有圆形的或者尖的边缘，可以是对称的或者非对称的。另外，它们具有各种形状和截面。图26-31所示的实施例中，其所包括的槽具有直的、弯曲的、多曲率或Z字形式(类似于聚乙烯唱片的放大了的槽纹)。纹)。这些槽或者槽纹是末端开口的或者末端关闭的。另外，这些槽是具有直的刻面边缘的槽和具有弯曲的圆形边缘的槽。
图16、19和22示出了向外的球形、多边形和滚圆多边形截面。图23-31示出了相应于上述槽的肋，其区别在于肋从表面向外突出。
作为合适的空气动力学特征部件的其它凹入方式的实施例，包括小孔、倒锥体和凹槽纹。凹槽纹包括例如U形或V形的垂直截面。其他的突出方式的例子是鲨鱼齿、棱锥、圆锥、半球截面、鳍和肋。在一个例子中，肋包括具有倒U形或倒V形的垂直截面形状。
另外，空气动力学特征部件可以是非对称性形变的或者各向异性的，因此可以具有指定的朝向，例如朝向上游侧或者下游侧。具有指定朝向的空气动力学特征部件的例子包括鲨鱼齿和波浪形部件(即非对称性形变的肋)。例如，波浪形部件被设置为具有沿着气流方向或与气流方向正交的方向的长的侧边。
如果以合适的方式设置，采用各向异性的部件可以使空气动力学特征部件适合于预定的气流方向。另外，也具有沿着叶片表面引导气流的效果。对于整个气流来说这还具有其他有利的效果。例如，可以促进在叶片表面上沿限定方向的大型层状气流。这会导致噪音的减少。
另外，可以采用具有尖锐边缘或圆形边缘的部件。另外，其他的部件也在本发明的范围内，例如包括突出部分和凹入部分的部件。大体上，按照正或负的空腔来说，空气动力学特征部件的特征尤其在于空腔曲率、空腔表面、尖锐的或圆形的边缘、随机的循环模式的模式布置以及各向同性或各向异性。
图6-31所示的空气动力学特征部件具有与上述波纹类似的效果，也就是说，可以影响叶片表面上边界层附近的气流。因此，形成的空气动力学特征部件相应于上面的描述，但是其中的波纹被其他空气动力学特征部件所代替，例如图6-31所示那些部件。
虽然在此通过各种具体实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在权利要求的精神和范围内，可以改进和实施本发明。
部件列表100 叶片
102 负压侧104 更高压力侧106 线108 附着流体区域110 分离流体区域120 叶片150 叶片152 表面154 空气动力学特征部件156 压力侧158 负压侧160 前沿162 后沿164 下游后沿170 叶片172 后沿部分180 叶片190 拉长的结构
权利要求
1.一种用于风力涡轮机的转子叶片(150)，所述转子叶片包括表面(152)，该表面具有多个形成在该表面上的空气动力学特征部件(154)，在风力涡轮机运行期间，所述部件用于影响所述表面上的气流，所述部件以三维方式设置。
2.如权利要求1所述的转子叶片(150)，其中所述表面(152)限定出一个平滑的表面区域，所述空气动力学特征部件(154)向内凹入该表面区域。
3.如权利要求1所述的转子叶片(150)，其中所述表面(152)限定出一个平滑的表面区域，所述空气动力学特征部件(154)从该表面区域向外突出。
4.如权利要求2所述的转子叶片(150)，其中所述空气动力学特征部件(154)被形成为如下的至少一个或如下的至少一部分球形空腔，滚圆的多边形空腔，具有直的刻面边缘的槽，具有弯曲的圆形边缘的槽和具有多曲率圆形边缘的槽。
5.如权利要求3所述的转子叶片(150)，其中所述空气动力学特征部件(154)被形成为如下的至少一个或如下的至少一部分球形形状，滚圆的多边形形状，具有直的刻面边缘的肋，具有弯曲的圆形边缘的肋和具有多曲率圆形边缘的肋。
6.如权利要求1所述的转子叶片(150)，其中每个所述空气动力学特征部件(154)具有如下中的至少一个在沿10米的所述表面的至少一个方向上的最大延伸和/或在正交于1米的所述表面的一个方向上的最大延伸。
7.如权利要求1所述的转子叶片(150)，其中每个所述空气动力学特征部件(154)具有如下中的至少一个在沿10微米的所述表面(152)的至少一个方向上的最小延伸和在正交于1微米表面的一个方向上的最小延伸。
8.如权利要求1所述的转子叶片(150)，其中该表面(152)是包括聚合化合物的涂层表面。
9.如权利要求1所述的转子叶片(150)，其中该表面(152)是包括表面空气动力学部件(154)的模制玻璃纤维增强塑料结构。
10.如权利要求1所述的转子叶片(150)，其中所述表面(152)是第一表面，所述叶片还包括第二表面，该第二表面具有第二组多个形成在该第二表面上的空气动力学特征部件，所述部件用于影响所述第二表面上的气流，所述部件以二维方式设置，其中所述第一表面部件的形状、尺寸或排列不同于所述第二表面部件。
全文摘要
一种用于风力涡轮机的转子叶片(150)，所述转子叶片包括表面(152)，该表面具有多个形成在该表面上的空气动力学特征部件(154)。在风力涡轮机运行期间，所述部件用于影响所述表面上的气流，所述部件以二维方式设置。
文档编号F03D11/00GK101029629SQ20061016892
公开日2007年9月5日 申请日期2006年11月17日 优先权日2005年11月17日
发明者L·邦尼特 申请人:通用电气公司