具有细长叶片的风力涡轮机的制作方法

专利名称：具有细长叶片的风力涡轮机的制作方法
具有细长叶片的风力涡轮机
风力涡轮机包括转子，该转子有翼形部分，该翼形部分具有在升 力变化和平均升力之间的减小比例。 引言&定义
风力涡轮机可以是水平轴线风力涡轮机或垂直轴线风力涡轮机，
包括转子，该转子具有转子叶片，其中，N表示转子叶片的数目，R 表示叶片半径。由于旋转，叶片尖端在半径R处获得叶尖速度v叶尖， 该叶尖速度v叶尖等于转子转速co和转子半径R的乘积v叶尖-coR。未 干扰风速V是当风力涡轮机没有干扰流动时在转子轴线位置处的风 速。在v ^和V之间的比例是叶尖速度比X=oR/V。翼形部分是气动 优化型面，它在前缘处为圆的，在后缘处尖锐或进行切除。翼形部分 的一侧是上侧或吸力侧，另 一侧是底侧或压力侧。
经过在翼形部分内与底侧和上侧都接触的圆的圆心的曲线称为上 弯线(camber line )。在前缘处，该线与翼形部分的轮廓连续。连接上 弯线的最前侧部分和最后侧部分的线部分是弦c或在半径位置r处的 局部弦cr。转子叶片可以有在相同半径位置处的多个翼形部分。在这
种情况下，翼形部分的弦的总和将认为是局部弦Cr。
翼形部分的前缘位于0%弦处(0% c)，后缘位于100。/。c处。在 上弯线和弦之间的最大距离是曲度。在翼形部分的最大圆的直径和弦 之间的比例是翼形部分的厚度t。翼形部分的后部部分的柔性或可位 置控制部分(它可以相对于前缘运动超过2.5%)并不是弦的一部分。 翼形部分的升力L=l/2pU2 c,c和阻力D=l/2pU2 c,c与线c成比例，并 分别与升力系数c,和阻力系数cd成比例。
弦从等式OM中得出。这里，M是无量纲动量损失。C是弦数， 该弦数对于水平轴线涡轮机是Nrcrc^2/(27rR2)，对于垂直轴线涡轮机 是NrCrC^2/R2。该数规定了参数N、 cr、 c,、 r、 R和k应当怎样选择，以便在流动中实现特定无量纲动量损失。接近旋转轴线时，弦数并不
提供良好值，因此该数主要在开始于0.3R-0，6R和终止于0.9R-1.0R 的范围内使用。水平轴线风力涡轮机的实例是M-3/4。当设计人员选 择R-50m、 k=8、 N二3和cp0.9时,随后得到cr r=68.2m2，因此，在 25m半径位置处，弦应当为大约2.73m。在例如0.5R至0.9R范围内 中的平均弦数为
5=(1/0.4R) j" (NrCrC,X2)/( 2ttR2) dr
风力涡轮机叶片的弦还可以通过等式Ncrrk2/ R2=8;ia (l-a)/c,计 算，其中，a是根据Lanchester-Betz原理的轴向引入(induction )。 在等式左手侧的术语是弦数D，它在例如0.4R至0.95R的范围内的平 均值为
D=(1/0.55R) J* (Nrc^2)/( R2) dr
功率系数CP=P/(l/2pAV3)，其中P是根据Lanchester-Betz原理从 流体流中抽取的功率，p是空气密度，A是扫过面积ttR2。由于传递 损失，抽取功率P将高于电功率Pe。对于在0.5P标称和P标称之间的Pe 值(其中，P标称是标称或额定功率)，假定P4.2Pe。当在0.99R处的 局部弦位于叶片旋转平面内时，倾斜角为0° 。当叶片朝着叶片位置倾 斜时，该角度变得正向更大。攻角是在2D情况下在弦和未干扰入流 之间的角度。当叶片产生零升力时的攻角为O升力角。对于较小攻角 (例如在-0.8°和+0.8°之间)升力(系数)近似随攻角线性增加。大部 分可调倾斜可变速度的涡轮机在低于额定风速的情况下都基本以恒定 叶尖速度比k或接近恒定叶尖速度比X而工作。涡轮才几可以偏离该恒 定X而工作，例如以避免特定本征频率或降低声发射。它还对于特定 人设计进行优化，翼形部分平均在攻角a设计下工作，该攻角a设计提供最 佳性能。在a设计下，翼形部分形成升力系数c,，设计，并有升阻比L/D没计。 当实际涡轮机在非极端情况下在额定风速时产生电力，攻角的平均值 和升力系数的平均值接近设计值。由于湍流、偏转、切变等，这些参 数的瞬间实现是随机的。确定风力涡轮机性能的普通方法是收集(bin)参数，例如10分钟平均功率、攻角或升力系数，作为10分钟平均风
速的函数。当多个数据点在各收集器中收集并平均时，将获得对这些 参数的平均值的精确程度不同的估计。在特定风速下所获得的(例如)
升力系数值是平均升力系数或IO分钟平均升力系数。当涡轮机根据该 设计来制造时，这些平均或IO分钟平均值对应于设计值。因此，参数 例如升力系数或攻角的设计值、IO分钟平均值和平均值基本相等。翼
形部分失速或表面流动分离时的角度取决于翼形部分。普通的失速角
为+10°,在该失速角下，升力系数为大约l.O至1.6。在更大角度下， c,稍微增加或者甚至降低，同时ca增加，这样，转子叶片的效率降低。
流动分离可以通过升力增强装置来避免，例如在文献中已知。这 样的升力增强装置的示例是涡流产生器(VG)、轮床折片、弦拉长、 弯度增加、边界层抽吸、靠近前缘或靠近后缘的折片、在翼形部分后 乡彖处的柔性部分变形、施加Magnus效应、FCS (例如在Sinha, S.K., WO03067169中所述)、合成射流(该合成射流将能量供给边界层中， 例如由Gerhard, L., US4674717已知)和MEM平移凸片。这些选择 的大部分可以以被动和主动情况来施加，在所述主动情况下，控制可 以通过气动、液压、电磁、压电、或者通过MEM平移凸片或由文献 中已知的其它控制方法来进行。所有这些升力增强装置主要可以作为 单独元件来安装在叶片上，或者能够与叶片形成一体。
VG是产生涡流的元件，它将能量供给边界层中。VG可以是或多 或少浸没在表面中的元件，并已知多种不同形状。实例是翼形部分表 面自身的特定曲线(例如凹腔)或者从翼形部分表面伸入流体流中的 表面的特定曲线。可能与VG连接的连接部分(例如基座)并不认为 是VG的一部分。VG的弦位置涉及VG的、在最小弦位置的部分。 基座可以基本扁平或遵循局部翼形部分形状。VG的已知形状可以在 以下文献中找到Waring, J.， US5734990; Kuethe， A.M., US3578264; Kabushiki， K.T., EP0845580; Grabau， P" WO00/15961; Corten, G.P" NL1012949; Gyatt, G.W.， DOE/NASA/0367-1等。VG的长度可以是 弦的大约3%,高度是弦的大约1%,相互距离是弦的大约5%。 VS使得失速延迟至更大攻角。具有VG的翼形部分通常在例如+12°至 +25°的攻角下达到1.5-2.5的升力系数。以规则间隔基本安装在与垂直 于流动方向的线偏离小于30。的线中的三个或更多VG定义为VG的 基线。切线(tangential)是在适当的翼形部分的旋转平面中环绕旋转 中心的圆。 缺点
风力涡轮机的成本很高，因为该负载需要大量材料。因此，风力 涡轮机的设计者想要以较低负载产生较高电力。现有的风力涡轮机的 缺点是风的负载变化，且该变化导致附加成本。不利的负载变化的极 端情况是叶片弯曲，以致于使它撞上塔。在高于V截断的风速下，涡轮 机必须停止以避免过载，这降低了生产量，并增加了预期生产的不确 定性。另一缺点与在涡轮机通常停止时的高风速相关。在叶片上的风 压产生高负载，因为涡轮机叶片所需的弦较大。还一缺点是当涡轮机 在其它涡轮机的尾流中工作时负载增加，因此需要布置成相互远离， 这产生空间成本和附加电缆长度的成本。
现有涡轮机的另一缺点是，转子叶片的气动特征很难预计，因此， 新样机在它们实现之前通常经历较长和较昂贵的测试和改型阶段。
而且，当涡轮机在降低的叶尖速度比下工作，以便满足特定声音 发射水平时，效率将大大降低，因为实际上叶片需要在这种情况下进 行改变。
还一缺点是，当为细长叶片时，较高力矩需要大量和坚固的材料。 通过使用较厚的翼形部分来克服该缺点可能导致流动分离，从而有更 大阻力和更小升力。实际风力涡轮机的另 一缺点是在风力涡轮机的中 心附近的引入小于外侧。在转子中心的这一"泄漏"减小了在转子上的 压力差，从而降低了功率。
现有转子的还一缺点是叶片性能将由于污染而大大降低。
发明目的
本发明的目的是降低在风力涡轮机叶片的升力变化和平均升力之 间的比例，特别是克服上述缺点。该目的通过用一种翼形部分代替现
10有技术翼形部分而实现，该翼形部分在0.5R和0.95R之间的范围内具 有超过1.1的10分钟平均升力系数，更优选是超过1,2,特别优选是 超过1.4，优选是超过1.6。在除了极端情况的一部分工作范围内，特 定优点通过使用在0.4R和0.95R之间具有高于1.5的平均升力系数的 翼形部分而获得，特别是高于1.75，更特别是高于2.0。
因为翼形部分的升力基本与c,和c成比例，因此乘积cc,应当有用 于达到所需升力的最小值。设计人员可以自由选择c和C|，只要乘积 cc,大于该最小值。在不预先知道的情况下，设计人员将相同理论用于 升力变化，这是不正确的。令人惊讶的是，升力变化与升力不同，基 本独立于升力系数c,。当设计人员利用该新的理解时，它将降低c和 增加c,，这样，升力变化变小。这特别与转子的外部部分(r>0.5R) 相关。
这样，由于湍流、风切变、涡轮机错配、叶片运动、控制误差等 引起的升力变化可能降低超过30%。这减轻疲劳和极端负载，这有利 于整个风力涡轮机结构(包括地基)。它能够在高湍流地点使用涡轮机。 在风力农场中，人们可以在涡轮机之间选择更小间隔。
下文中介绍本发明很多优选实施例的背景技术，后面的权利要求 也参考这些优选实施例。
当翼形部分应用为在与0升力角偏离超过10。的IO分钟平均攻角 下工作时，将获得进一步的益处，特别是超过12°，更特别是超过14。， 优选是大约16°。
对于功率系数Cp在1/3和16/27之间的风力涡轮机，无量纲动量 损失M可以以多种方式来确定。 一 种特别有利的方法是 M=-1.19+9.74CP-21.01CP2 +17.50CP3。通过将这样获得的M设置成等 于弦数C，并由N、 r、 c,、人、R代替，可以确定局部弦cr。当Q选 择为小于在假定cpl.l (特别是1.3，更特别是1.5,特别优选是1.7) 时得到的值时，可以获得进一步的优点。
实例标准的水平轴线涡轮机具有翼形部分，该翼形部分靠近顶 端处具有-3°的0升力角，在10°攻角下的最大升力系数1.3，且升力系数在这些角度之间为O.l每度的线性。高于10°攻角时，翼形部分失 速，效率大大降低。假定平均攻角为7°，且由于湍流，它变化±3°，这 时，升力系数从0.7变化至1.3,且它的平均值为1.0。升力变化是 0.6/1.0=60%的平均值。这是对于在叶片、传动装置、轴承、塔、地基 等上的负载变化的测量值，且各处的成本增加。根据本发明的实施例， 我们将具有VG的翼形部分选择为使得失速延迟至更大攻角。这时， 最大升力系数例如为在15°攻角下的1.8。转子设计成平均攻角为12°, 平均升力系数为1.5。因为对于较小a,升力与弦和升力系数的乘积成 比例，因此我们选择弦减小系数1.5，这样，升力和因此的产量相等。 由于湍流，攻角在本例中在没有失速的情况下在9°和15°之间变化。 而且同样假定升力系数在1.2和1.8之间变化。令人惊讶的是，变化只 为平均值的0.6/1.5=40%，或者是非本发明的负载变化的2/3。还有， 由于偏转流入或风切变而引起的负载变化更小。通过使叶片在高于V截断 时停止，将不会达到最大正升力，且升力优选是为负值，在叶片上的 负载更小，减小系数大约与弦减小相同。特别有利的停止位置是当倾 斜角设置在30°- 100°之外时。
根据本发明负载减轻的还一优点是需要更少(更便宜)的涡轮机 控制选择。普通的主动控制选择是倾斜控制(对于叶片或对于失速) 和可变转速。本发明的优选实施例考虑了风力涡轮机具有从所述主动 控制选择中选定的2个(特别是l个，或者更优选是0个)主动控制 选择。
当升力增强装置例如VG用于转子叶片上(这些装置作为单独部 件安装在转子叶片上)时，或者当这些装置与转子叶片成一体时，将 获得进一步的优点。本领域中通过应用VG来改正具有较差性能的转 子。这种情况在Corten， G.P., "Flow Separation on Wind Turbine Blades", ISBN 90-393-2582-0中介绍。在新近设计的转子中，专家反 对使用VG，因为它们的害处是增加了噪音和阻力，而没有进一步的 优点。由风洞试验公知，对于小攻角，没有VG的翼形部分的阻力小 于具有VG的相同翼形部分的阻力。令人惊讶的是，该意见并不正确，是基于不正确的试验。没有VG的翼形部分应当与具有VG且具有减 小弦的翼形部分(它达到相同升力)比较。
实例假定没有VG的翼形部分具有c, =1.0， cd=0.01和c=lm, 且具有VG的翼形部分具有c,=1.5， cd=0,012和c=2/3m。两个翼形部 分产生相同的升力，因为乘积cc,恒定。没有VG的翼形部分的阻力与 ccd=0.01 x 1=0.01成比例，而具有VG的翼形部分的阻力是ccd =0.012 x 2/3=0.008。因此，具有VG时阻力更小，即^f吏在阻力系数更高时。 另外，阻力系数也可以通过安装VG而减小。还可以获得进一步的优 点，因为VG大大调整了边界层，因此污染物的效果相对不重要。这 使得在污染时生产损失更小。
因为基本在吸力侧应用升力增强装置将增加正角度的最大升力，
同时负攻角的最大升力基本不变，因此将获得进一步的优点。本发明 的优选实施例的比例c,，最大/c,^、小于-1.2 -0.2%弯度，特别是小于-1.4 -0.2%弯度，其中，d，最大是在正攻角的最大升力，c,，最小是在负攻角的最 大升力，而％弯度是弯度(弦的百分数)，这样，当弯度为6%时，所 述比例优选是大于2.2,特别是2.4。因此，在气动吸力侧只需要更少 的措施(附加泡沫材料或应用更高百分数的第二类型纤维)来避免弯 曲。
通过应用碳纤维而获得进一步的优点，该碳纤维适于在气动吸力 侧增加刚性和吸收拉伸负载。这将使质量降低，并使叶尖偏离更小， 这将降低整个涡轮机的成本。对于第一类型和第二类型纤维的定义， 可以参考Bech， A. e.a.的WO2004/078465。在该专利中，已经注意了 不对称层叠部分。不过它并没有特别澄清什么是不对称，也没有澄清 不对称结构的争论，同时这些争论(不对称气动性能)也没有出现， 直到使用本发明的叶片。
通过在翼形部分中在吸力侧在5 % c和6 0 % c之间应用空气进口例 如狭槽，可以获得进一步的优点。这些进口优选是位于0.05R至0.5R 的径向范围内。这些进口与叶片中的槽道连接，该槽道延伸至更大的 径向位置，且该槽道具有在叶片后缘处的开口。在槽道中的空气上的离心力提供了自然抽吸。通过使径向位置差异超过10%的进口与不同 槽道连接，可以获得进一步的优点。当进口可以通过使用MEM凸片 或压电装置而主动打开或关闭时，可以获得进一步的优点。
通过颠倒地应用叶片(吸力侧作为压力侧，而压力侧作为吸力侧)， 特别是在风速高于12m/s或更特别是高于14m/s时，可以获得进一步 的优点。在工作术语中，这意味着涡轮机使叶片倾斜大约150°，且涡 轮机停止和以另一旋转方向再次起动。也可选择，吊舱偏转180°，这 样，转子从逆风方向转变成顺风方向。在本例中，转子的旋转方向保 持相同。通过使叶片上下颠倒，由整个叶片产生的升力变化更小，极 端升力更小，且升力作用在更小的径向位置上，因此偏转和叶片根部 力矩更小。这些是V截断从25m/s的标准值增加至30m/s或35m/s或更 高值的原因。
随着涡轮机尺寸的增加，使用的材料比产量更快地增加，因此， 对于更大的涡轮机，节省材料更重要。因此，本发明特别与转子直径 大于60m的涡轮机相关，特别是大于80m,更特别是大于100m。
在恒定相对厚度下，根据本发明的减小弦可能需要更多材料来承 载负载。为了用更少的材料来承载负栽以及增加叶片的刚性，叶片可 以在例如0.2R-0.7R处分成上部叶片和底部叶片。当在压力侧的第一
一步的优点。也可选择，在叶片的未分开外部部分的吸力侧的第一类 型纤维在底部叶片中连续。当上部和底部叶片达到至少5。/。R相互距 离(特别是至少10%R)时可以获得进一步的优点。叶片的不对称气 动性能导致上部叶片主要承受压力负载，底部叶片主要承受拉伸负载。 根据本发明的实例，底部叶片优选是弦比上部叶片(在相等径向位置 处)短20%，特别是40%，更特别是60%。还一优点是，增加底部 和上部叶片的弦将增加产量，因为将避免从压力侧向吸力侧的"泄漏"。 通过应用相对较厚的翼形部分来以更少材料承载负载和增加刚 性，从而获得进一步的优点。原因是通过可能安装在两侧的VG，流 动分离可以避免，这样，厚翼形部分可以在较大攻角范围内具有很高效率。至少t=25%c的翼形部分可用于径向位置X).55R处，特别是径 向位置X).65R处，更特别是在径向位置X).75R处。
通过在压力侧应用VG来避免流动分离，从而获得进一步的优点。 这样，最大负升力并不增加或稍微增加，因为VG优选是布置成靠近 后缘在大于30%c的弦位置处，特别是大于50%c,更特别是大于 70%c。
通过使用弯度大于6%c的翼形部分(特别是大于8%c，更特别 是大于10。/。c)，可以获得进一步的优点。增加弯度避免了在较大攻角 下的较深吸力峰值，这降低了对于污染物的敏感性。而且，具有较高 弯度的翼形部分通常在较大攻角下具有较高L/D比例。
当多个VG或VG的基线沿流动方向一个定位在另一个后面时， 我们可以称为前部、中部和后部VG。前部VG对应于在最小弦位置 处的VG，后部VG对应于在最大弦位置处的VG,且在它们之间的 VG是中间VG。当在中间的VG大于前部VG,特别是当它们也大于 后部VG时，将获得进一步的优点。
通过将一些附加VG布置在VG基线的上游，将获得进一步的优 点。附加VG保持流动更长地附连到基线下游。这些附加VG降低了 C| -a关系的滞后(当a经过失速角度时)。这些VG可以位于压力侧 的3。/oc和吸力侧的10。/。c之间，特别是在吸力侧的0。/。c和5。/。c之间。 优选是，沿流动方向一个位于另一个后面的VG产生相同旋转方向的 涡系。
通过将VG安装在翼形部分上并在停滞点位置和吸力峰值位置 (在5°的攻角下)之间，将获得进一步的优点。在该范围，优点是 VG位于在较小攻角下的低速区域中。当攻角增加时，吸力峰值(最 大流速的位置)朝着VG移动，因此这更有效。因此，VG在较小角 度时有较低活动性(因此阻力增加很小)，当需要时在较大角度下有较 高活动性。
为了降低所述c, -a的滞后，人们还可以应用较长VG,该较长VG 沿弦方向延伸例如超过10%，或者甚至超过30%。在该设计中，叶片
15表面提供有与流体流成 一 定角度的肋，该肋的上游部分优选是位于比 下游部分更小的径向位置处。
当为垂直轴线涡轮机时，攻角在没有湍流的情况下也变化。攻角
变化与叶尖速度比1成反比。为了使攻角变化保持在-10°至+10°的范 围内，X应当不小于大约4V2。对于更低X值，翼形部分将失速。使用 在两侧有VG的翼形部分将延迟失速至更大攻角，这样，可以在没有 失速的情况下使用4、 3V2、 3或者甚至272的VAT涡轮机(当用 于空气中或水中时)的还一优点是它能够通过将VG安装在翼形部分 或水翼部分的吸力侧和压力侧上少于20%c (特别是少于15%c,更特 别是少于10%)而自己起动。
通过使用高升力系数获得进一步的优点，因为它能够在更低叶尖 速度比下工作，这降低了噪音。
优选是，多个VG (1、 2、 4或其它数目)和接地板制造为单件， 或者甚至制造为柔性材料条，例如橡胶、聚氨酯或弹性体(可以有阻 挡UV辐射的添加剂)。这称为VG元件，并优选是由PVDF、 FEP、 PEEK、 PI、 PEI、 PES和PFTE族塑料来制造。
VG元件可以通过任意已知的技术来安装在转子叶片上。特别优 选是提供接地板，该接地板局部有双面粘合剂，局部有流体粘接剂， 例如氰基丙烯酸盐粘合剂。双面粘合剂提供了直接固定，然后流体胶 水有时间固化。VG可以通过铰链安装，并只有在叶片安装在涡轮机 上之后向外折叠。接地板的、将安装在叶片上的侧面可以稍微凹形， 且曲率半径小于叶片在安装位置的曲率半径。
还优选是，VG具有沿流动方向的曲率，这样，在没有VG干扰 的流体流和VG之间的角度沿流动方向增加优选是5°至15°，特别是 增加2°至30°的范围内是有效的。该曲率避免VG的Kelvin-Helmholtz 不稳定性，因此提高耐久性。
通过使用升力更少依赖于攻角的翼形部分(换句话说，在4°至7° 的攻角范围内，该翼形部分的dc/da小于1,1,特别是小于1.05，更特 别是小于l.O)，将获得进一步的优点。通过用本发明的新转子更换现有风力涡轮机的旧转子，将获得进 一步的优点。该新转子可以在相同负载水平下更大，因此可以提高生
产量。旧转子优选是由新转子代替，该新转子在0.6R至0.95R的范围 内的弦在等径向位置处小至少10%，优选是小至少20%，更特别是在 该范围内提供有VG。
本发明的还 一 优点是，根据本发明制造的叶片的特性可以通过改 变升力增强装置，特别是VG图形相关位置、类型、相互间隔、尺寸 等而进行变化。当希望可以进一步延迟失速时，VG图形改变为增 加VG尺寸(例如25% )、降低在VG之间的间隔(例如25% )、布置 更多VG(例如附加基线)、增大在流体流和VG之间的角度(例如5° )、 改变VG位置(例如5%c)等。特别是，当涡轮机的声音发射太高时， 叶尖速度比可以降低。这时，优选是叶片改变成在更高攻角下更好地 工作。相关改变的其它情况是大约相同设计的叶片用于不同风力气候 或不同涡轮机。
通过应用可控制的VG，可以获得进一步的优点。这可以用于减 小高于额定风速时的最大升力，这可能是增加截断风速的原因。它还 可以用作在故障、紧急停止或人工停止时降低转子扭矩的方法，这降 低了其它制动系统的成本。VG可以转换至优选是低分离延迟时的有 效状态，在并不低分离延迟时转换至无效状态。根据本发明的优选实 施例，VG通过压电装置或通过MEM凸片来控制，特别是通过能够 使涡流发生器直接旋转例如15°的气缸MEM装置或压电装置来控制。 VG可以安装在该压电装置或MEM装置上，这样，它相对于流体流 的方位可以从无效转变成有效。有效可以通过改变在VG和流体流之 间的角度、通过将它折入或者通过使它或多或少缩回至翼形部分表面 中来进行控制。与倾斜叶片相比，可控制VG的优点是更快速地响应。
涡轮机。
通过使本发明的转子叶片提供有至少 一个增强点(例如提升点) 而获得进一步的优点，该增强点适合升高叶片，其中，该点优选是位于叶片的质心小于1个弦长度。这避免了对VG的损害，因为在安装 叶片的过程中不需要环绕叶片的提升带。
通过使VG对齐成在大约0升力角土3。处平行于局部未干扰(由 VG)流体流，或者平行于切线，从而获得进一步的优点。通过增加攻 角，吸力侧的流体流将径向向外弯曲，这样，在VG和流体流之间的 角度增加，并产生更强的涡流。这样，VG在需要时在高攻角下为活 动的，而当它们不需要时在较小攻角下几乎不增加阻力。
当VG的上游侧定位在比下游侧更小的径向位置，这样，VG迫 使流体流向更大径向位置，从而增加在边界层中的自然径向流分量时， 将获得进一步的优点。
附图

下面的附图表示了本发明的优选实施例。
图l表示了升力相对于攻角的关系；
图2表示了具有逆风转子的水平轴线涡轮机；
图3是翼形部分的剖视图4是翼形部分的剖视图5是翼形部分的剖视图6是翼形部分的剖视图7是翼形部分的剖视图8表示了图3的水平轴线涡轮机，其中叶片上下颠倒； 图9表示了具有2叶片转子的风力涡轮机； 图IO表示了风力涡轮机的叶片； 图ll表示了风力涡轮机的叶片。
图l表示了升力L相对于攻角a的曲线图。曲线3表示了没有升 力增强装置的普通翼形部分的关系图。为了达到给定升力4,流体将 在攻角5下进入翼形部分。由于例如风中的湍流，攻角在范围6中变 化，因此升力将在范围7中变化。具有更高升力系数和更短弦的本发 明翼形部分的性能类似曲线8，它将达到相同升力4。这在更大攻角9 下实现。假定在风中的湍流相同，攻角在与范围6 —样宽的范围10
18中变化。这时，令人惊讶的是具有更高升力系数的翼形部分的升力 变化ll小于普通翼形部分的升力变化7。
图2表示了作为本发明实例的、具有塔14和吊舱15的逆风涡轮 机13。半径R的涡轮机转子包括轮毂16和叶片18，该叶片18具有 叶尖19和叶根17。 VG安装在叶片的后侧，该VG在图中不可见。叶 片沿切线20方向旋转，并包括前缘21和后缘22。图3至7表示了翼 形部分沿图2中的线I-I的剖视图。该剖视图表示了吸力侧34和压 力侧35。图3表示了攻角a27、延伸弦25和未干扰流体流26。通过 圆36的中心的线是弯度线37。该线与长度39的弦38相交。翼形部 分的前缘由21表示，后缘由22表示。在吸力侧使用前部42、中间43 和后部44VG，在压力侧4吏用VG41。图4表示了采用在较小弦位置 的VG 45和在更大弦位置的VG 44的另一实施方式。以在范围50内 的两个位置表示的柔性后缘49并不认为是弦29的一部分(当范围50 相对于前缘大于2.5%c时)。叶片包括在吸力侧46和压力侧47处的 第一类型纤维，该第一类型纤维垂直于剖面延伸。剪切腹板48位于吸 力侧和压力侧之间。
图5表示了两斜排的VG，其中，在图中上部线的前部VG 61定 位在底部线的最后部VG 62的上游。优选是，VG61和62产生相同 旋转方向的涡流。图6表示了具有VG63的前部基线和具有VG64的 后部基线。图7表示了在弦的相对较大部分上面延伸的VG 65。图8 表示了图2的涡轮机15,恰好在具有VG68的叶片18转动至上下颠 倒位置之后(由箭头68表示)。在叶片的这样上下颠倒应用中，气动 压力侧和吸力侧的功能交换，转子沿相反方向旋转。实际VG比图中 所示更小和使用更大数量。图9表示了具有2叶片转子的涡轮机15， 该2叶片转子的叶片18在分开线75处劈开成上部叶片77和底部叶片 76，它们在主轴78的延伸部分处连接。在图9和10中，空气可以流 过在上部叶片和底部叶片之间的自由空间79，该上部叶片和底部叶片 在相同径向位置处达到距离74。局部弦是在相等径向位置处的上部叶 片的弦和底部叶片的弦的总和。图IO表示了具有叶尖19和根部17的叶片18。在结构压力侧的基本第一类型纤维81从叶片根部通过上 部叶片76和分开线75朝着叶尖延伸。在结构拉伸侧的第一类型纤维 80从根部17通过底部叶片77和分开线75朝着叶尖19延伸。间隔器 82位于上部叶片和底部叶片之间。图ll表示了风力涡轮机的叶片18， 它有在径向位置n处的进口 85,该进口 85在边界层中抽吸空气，该 抽吸由槽道87中的空气的离心力来驱动，该槽道87延伸至在径向位 置 处的出口 86。进口 88相对于进口 85定位在更大的径向位置r2 处，优选是具有比进口 85更强的吸力，因此，该进口具有单独槽道 90，该槽道90优选是沿径向方向延伸至比槽道87更远。槽道90将抽 吸的空气输送至在径向位置rn处的出口 89。
对于参数例如风速(变化)、阻力和升力系数、额定风速、攻角变 化等，给出了数字值。本领域技术人员应当知道，这些值只是示意性 的，实际上将取决于翼形部分、转子和风力涡轮机的设计以及工作条 件。本领域技术人员还应当知道，本文中的涡轮机是指垂直轴线和水 平轴线涡轮机，它只是类型指示，并不规定轴线的方位。本领域技术 人员还立即可以知道，本发明将有利于基于升力工作的所有已知类型 风力涡轮机恒定和可变速度涡轮机、倾斜叶片和倾斜失速控制涡轮 机、失速控制涡轮机，以及所有已知类型的飞行涡轮机，例如旋翼飞 机型涡轮机和阶梯型涡轮机，所述阶梯型涡轮机是特殊类型的垂直轴 线涡轮机(US6072245),它的整个叶片将卑径向位置R处工作。前文 中包括对于流动现象的物理解释。应当知道，这些解释的有效性并不 与附加权利要求的有效性相关。本领域技术人员显然知道，当本发明 与其它风力涡轮机概念组合时，也是很有利的，这些风力涡轮机概念 例如循环倾斜、控制风力(US2006131889 )以及热量与流量 (US2006232073 )。
权利要求
1. 一种风力涡轮机，包括叶片，该叶片具有气动型面，其特征在于所述型面在0.2R至0.95R、特别是0.5R至0.95R的范围内具有大于1.1的10分钟平均升力系数cl，特别是大于1.2，更特别是大于1.4，更特别优选是大约1.6。
2. —种风力涡轮机，包括叶片，其特征在于除了极端状态、例 如起动中之外的工作范围覆盖一个部分，其中，所述叶片在从0.4R至0.95R范围内的型面的平均升力系数高于1.5，特别是高于1.75,更特 别是高于2.0。
3. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中在0.5R 至0.95R范围内的所述型面在一个IO分钟平均攻角时工作，该10分 钟平均攻角与所述型面的0升力角的不同超过10、特别是超过12°, 更特别是超过14°，更特别优选是大约16°。
4. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中对于未 干扰风速在8m/s和10m/s之间的叶尖速度比入，所述叶片在0.5R和 0.8R之间的弦数D ( = NcrrX2/ R2 )和/或在0.5R和0.8R之间的范围内 的平均弦数万小于3.00，特别是小于2.75,更特别是小于2.50。
5. 根据前述任意一个权利要求所述直径小于5m的风力涡轮机， 其中对于未干扰风速在8m/s和10m/s之间的叶尖速度比X,所述叶 片在0.5R和0.8R之间的弦数D ( = NcrrX2/R2)小于4.50，特别是小 于4肌更特别是小于3.50。
6. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中在功率 系数1/3〈Cp〈16/27之间，M=-1.19+9.74CP-21.01CP2十17.50Cp3的情况 下，且对于水平轴线涡轮才几径向范围在0.5R和0.9R之间和对于垂直 轴线涡轮机在0.8R和R之间的情况下，局部弦小于由等式C=M获得 的值，和/或在所述范围内的平均弦小于由等式f二M获得的值，假定 Cl=l.l，特别是c「1.3,更特别是c「1.5,特别优选它大约是1.7。
7. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中在从(0.4R至0.95R，特别是从0.5R至0.8R的范围内，升力增强装置与所 述叶片一体制成，或者作为单独元件安装在该叶片上，特别是，所述升力增强装置认为是涡流产生器。
8. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，还包括第一 类型纤维，该第一类型纤维位于气动压力侧和气动吸力侧上在5%c 和70。/。c之间，其中，在0.3R和0.7R的径向范围中，所述纤维在吸 力侧(46)的截面比所述纤维在压力侧(48)的截面大至少20%，特 别是大30%，更特别是大40%。
9. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，还包括第一 类型纤维，该第一类型纤维位于5%c和70%c之间，其中，在0.3R 和0.7R的径向范围的截面中，在气动压力侧的所述单向纤维包括至少 25%的碳纤维，特别是，在气动吸力侧的所述单向纤维包括至少25% 的玻璃纤维。
10. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中在吸 力侧有进口 (85),该进口 (85)位于5。/。R和7(T/oR之间的径向位置 处，其中，所述进口 (85)通过槽道(87)而与出口 (86)连接，该 出口 (86)的径向位置比进口大至少系数0.9a/2，特别是大系数々2, 更特別是大系数a/3。
11. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中在吸 力侧有在径向位置n处的进口 (85)和在径向位置1"2处的进口 (88)， 该径向位置h比n大至少10%R,其中，在n处的所述进口 (85)与 在 处的所述出口 (86)连接，在r2处的所述进口 (88)与在径向 位置1*22处的所述出口 (89)连接，该径向位置1"22比r 大至少10%R。
12. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，还包括吸 力侧和压力侧，当吸力侧用作吸力侧，且压力侧用作压力侧时，将达 到Cp>0.40，特别是C,0.50,在通过所述涡轮机进行风能发电的过程 中，所述叶片也上下颠倒应用吸力侧用作压力侧，压力侧用作吸力 侧。
13. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中转子的直径大于60m,特别是大于80m,更特别是大于100m。
14. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，该风力涡轮 机为水平轴线类型，其中所述叶片沿从叶尖朝着叶根(17)的方向 在0.7R和0.2R之间的径向位置处在分开线(75)处分开成上部叶片(76)和底部叶片(77),在它们之间有自由空间(79)，上部叶片和 底部叶片有助于气动升力，特别是，在特定径向位置，在底部叶片和 上部叶片之间的距离(74)大于5。/。R,特别是大于10%R。
15. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中所述 叶片包括至少25%厚度的型面，它用在大于0.55R的径向位置处，特 别是大于0.65R，更特别是大于0.75R。
16. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中所述 叶片包括位于型面的压力侧的涡流发生器(41 )，该涡流发生器优选是 比25。/。c更厚，特别是比30。/。c更厚，更特别是比35。/。c更厚。
17. 根据权利要求16所述的风力涡轮机，其中所述涡流发生器 (41)位于比30%c更大，特别是比50%c更大，更特别是比70%c更大的弦位置处。
18. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中所述 叶片包括翼形部分，该翼形部分的弯度大于6%c，特别是大于8。/。c， 更特别是大于10%c。
19. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中所述 叶片包括翼形部分，该翼形部分至少包括沿流动方向的前部涡流发生 器(42 )和后部涡流发生器(44 )以及一个或多个中间涡流发生器(43 )， 其特征在于所述前部涡流发生器的高度小于中间涡流发生器的平均 高度，特别是，所述后部涡流发生器的高度也小于所述中间涡流发生 器的平均高度。
20. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中所述 叶片包括翼形部分，该翼形部分具有涡流发生器(42、 45)，该涡流发 生器(42、 45)位于压力侧的3。/。c和吸力侧的10。/。c之间，特别是在 吸力侧的0%c和5%c之间。
21. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中所述 叶片包括翼形部分，该翼形部分具有涡流发生器(65)，该涡流发生器(65)的长度大于10%c，特别是大于2(T/。c，更特别是大于30。/。c。
22. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，该风力涡轮 机为垂直轴线类型，其中叶尖速度比k小于31/2，特别是小于3，更 特别是小于2V2。
23. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机,其中所述 涡流发生器包括塑料PVDF、 FEP、 PEEK、 PI、 PEI、 PES和PFTE 中的一个的表面，特别是，所述涡流发生器整个由所述塑料构成。
24. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中所述 涡流发生器布置成与旋转中心的切线所成的角度小于10°,特别是小 于50。
25. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中超过 70%的所述涡流发生器的上游侧离旋转中心的距离比下游侧短。
26. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中在具 有涡流发生器的基线的上游，额外的涡流发生器安装在更大间隔距离 处。
27. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中涡流 发生器安装成这样的图形，它在弦位置中沿叶片的纵向方向增加至少 一倍，特别是至少两倍。
28. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中沿流 动方向布置成一个在另一个后面的涡流发生器产生相同旋转方向的涡 流。
29. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中涡流 发生器的有效性可以这样调节，即通过改变位置、或者使它们向外打 开至更大或更小程度、或者使它们局部浸没在叶片表面中、和特别是 通过由MEM凸片或压电装置驱动涡流发生器。
30. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，还包括翼 形部分截面，其中，比例c,，最大/d，最小小于-1.2 -0.2%弯度，特别是小于-1.4-0.2%弯度。
31. 根据前述任意一个权利要求所述的风力涡轮机，其中所述 涡轮机具有2个主动控制选择，特别是具有1个主动控制选择，更特 别是没有主动控制选择，所述控制选择在倾斜控制和可变转速控制的 组中。
32. —种方法，通过该方法，除去现有的涡轮机的第一叶片，并 用其它叶片更换，其中，具有所述其它叶片的所述现有涡轮机是根据 前述任意一个权利要求所述，特别是，所述其它叶片在0.7R至0.95R的范围内包括局部弦Cr，该局部弦Cr比所述第一叶片的局部弦C,J、至少10%，特别是至少20%。
33. —种用于制造风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括叶片， 其中，对于未干扰风速在8m/s和10m/s之间的叶尖速度比X，所述叶 片在r-0.5R和F0.8R之间的弦数D ( = NcrrX2/R2)小于3.00，特别 是小于2.75,更特别是小于2.50。
34. —种用于制造叶片风力涡轮机的方法，该叶片风力涡轮机包 括叶片，其中，对于未干扰风速在8m/s和10m/s之间的叶尖速度比X, 所述叶片在r=0.5R和r二0.8R之间的弦数D( = Ncrrk2/ R2 )小于3.00, 特别是小于2.75,更特别是小于2.50。
全文摘要
一种风力涡轮机具有转子叶片，其中，所述叶片对于湍流相对不敏感，因为它比现有技术的叶片更细长，而且能够通过流动增强装置来产生足够的升力，该流动增强装置例如抗流体分离的涡流发生器。细长形由弦数C和D来确定，该C定义为C＝Nc_rc_lrλ²/R²，其中，N是叶片数目、c_r是局部弦，c_l是升力系数，r是径向位置，λ是叶尖速度比，R是转子半径。随后，弦将小于由等式C＝M得出的值，其中，M＝-1.19+9.74C_p-21.01C_p²+17.50C_p³，C_p是功率系数。本发明的风力涡轮机与普通设计相比工作负载小大约2-12％，并降低了残余风速负载大约5-40％。
文档编号F03D1/06GK101454564SQ200780019244
公开日2009年6月10日 申请日期2007年4月2日 优先权日2006年4月2日
发明者古斯塔夫·保罗·克尔滕 申请人:古斯塔夫·保罗·克尔滕