風(fēng)輪機(jī)輪葉的壓力面失速邊條的制作方法
【專利說明】
[0001] 關(guān)于聯(lián)邦資助開發(fā)的聲明
[0002] 本發(fā)明的開發(fā)是由美國(guó)能源部的合同DE-EE0005493部分地支持的。因此，美國(guó)政 府對(duì)于本發(fā)明可能具有某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明設(shè)及一種降低風(fēng)輪機(jī)輪葉的空氣動(dòng)力載荷的方法和裝置，尤其設(shè)及在陣風(fēng) 中降低負(fù)升力。
【背景技術(shù)】
[0004] 負(fù)升力是由處于負(fù)迎角的風(fēng)輪機(jī)葉片產(chǎn)生的。當(dāng)輪葉W較小或零度的正迎角工作 時(shí)，陣風(fēng)可能使升力在正值和負(fù)值之間交替變化，導(dǎo)致輪葉、轉(zhuǎn)子和塔架上發(fā)生很嚴(yán)重的應(yīng) 力和疲勞。當(dāng)運(yùn)種情況在輪葉的徑向外側(cè)部分上發(fā)生時(shí)，可能導(dǎo)致輪葉快速交變彎曲，尤其 是在素流狀況的最大風(fēng)速下工作時(shí)。減小或消除負(fù)升力的一個(gè)途徑是利用壓力面失速邊條 使處于負(fù)迎角的輪葉壓力面失速，如授權(quán)給本受讓人的美國(guó)專利8, 602, 739中所述。但是， 在某些工作條件下，失速邊條可能增加不應(yīng)有的阻力。本發(fā)明解決了運(yùn)個(gè)問題。
【附圖說明】
[0005] 下面將參照附圖詳述本發(fā)明。在附圖中：
[0006]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)輪機(jī)葉片的橫向截面輪廓圖；
[0007] 圖2是在來風(fēng)停滯區(qū)中具有壓力面失速邊條的風(fēng)輪機(jī)葉片的局部橫斷面圖；
[0008] 圖3示出了圖2中的裝置處于接近于零迎角的形態(tài)；
[0009] 圖4示出了圖2中的裝置處于負(fù)迎角的形態(tài)；
[0010] 圖5示出了圖2中的裝置處于增大的正迎角的形態(tài)；
[0011] 圖6示出了具有前后凹面的失速邊條；
[0012] 圖7示出了具有前凹面和后凸面的失速邊條；
[0013] 圖8是在有和沒有壓力面失速邊條的條件下的升力系數(shù)與迎角的關(guān)系圖；
[0014] 圖9是風(fēng)輪機(jī)輪葉徑向外側(cè)部分的壓力面的輪廓圖；
[0015] 圖10示出了失速邊條的一個(gè)示例性橫向截面輪廓圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 圖1示出了具有前緣LE、后緣TE、壓力面PS和吸力面SS的風(fēng)輪機(jī)輪葉20的橫向 截面輪廓圖。輪葉在轉(zhuǎn)動(dòng)平面21內(nèi)沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向R轉(zhuǎn)動(dòng)，如果環(huán)境風(fēng)為零，運(yùn)會(huì)導(dǎo)致相對(duì)風(fēng) 矢量RW。增加環(huán)境風(fēng)矢量AW會(huì)產(chǎn)生合成來風(fēng)矢量IW，它限定來風(fēng)矢量和弦線化之間的迎 角α。傾角Θ設(shè)置為使得轉(zhuǎn)子W所需的葉尖速度轉(zhuǎn)動(dòng)并且迎角適合于風(fēng)況。在正常工作 期間，來風(fēng)沖擊前緣附近的葉片壓力面的前部，并從沖擊線向前后伸展。運(yùn)會(huì)沿沖擊線產(chǎn)生 停滯區(qū)22。
[0017] 圖2示出了在停滯區(qū)22內(nèi)具有失速邊條24A的輪葉20的局部輪廓，停滯區(qū)22是 在預(yù)定標(biāo)稱工作條件下在迎角α處產(chǎn)生的。此迎角可為低于最高功率的5-10%的工作條 件或在額定功率的最低環(huán)境條件下提供所需的葉尖速度比。把失速邊條24Α布置在停滯區(qū) 中能消除失速邊條在此工作條件下的阻力。停滯區(qū)的弦向位置可在葉展范圍內(nèi)變化。此位 置可通過針對(duì)特定輪葉設(shè)計(jì)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)來確定。在預(yù)定的標(biāo)稱工作條件下，失速邊 條可布置并排列為保持在停滯區(qū)中。由于沒有阻力帶來的損失，因此失速邊條可比現(xiàn)有技 術(shù)的高，從而能夠更有效地使處于負(fù)迎角的葉片的壓力面失速。
[0018] 圖3示出了具有減小的迎角的葉片20,例如，在高于標(biāo)稱風(fēng)速的工作條件下，可具 有接近于零度的迎角。在此條件下，失速邊條24Α在停滯區(qū)22之后。在失速邊條后形成穩(wěn) 定的再循環(huán)氣流26的氣泡。運(yùn)不會(huì)導(dǎo)致氣流從葉片的壓力面分離。相反地，它提供一種整 流效果，使氣流繼續(xù)流動(dòng)，而不會(huì)發(fā)生分離。在運(yùn)種高風(fēng)速條件下，由失速邊條導(dǎo)致的阻力 可有利于限制輪葉轉(zhuǎn)速。
[0019] 圖4示出了處于負(fù)迎角的葉片20，在運(yùn)種迎角時(shí)，氣流在失速邊條上流動(dòng)的角度 使圖3所示的再循環(huán)氣泡破裂，導(dǎo)致壓力面上的氣流發(fā)生分離27,因而降低負(fù)升力?？赏ㄟ^ 失速邊條的位置、尺寸和截面形狀來控制發(fā)生運(yùn)種不穩(wěn)定狀況的迎角，如下文所述。
[0020] 圖5示出了具有增大的迎角的葉片20,該迎角比圖2所示的迎角大。此時(shí)，停滯區(qū) 22在失速邊條24Α之后。失速邊條的位置和形狀可使得其在迎角大于預(yù)定工作條件下的標(biāo) 稱迎角并且不超過最大工作迎角或另一個(gè)預(yù)定迎角（例如15度）時(shí)在其前側(cè)容納再循環(huán) 氣流28的氣泡。失速邊條上的前向氣流流過再循環(huán)氣泡28,并重新附著到葉片邊界層上。
[0021] 圖6示出了具有凹面的失速邊條24Β。凹面有助于形成并維持穩(wěn)定的再循環(huán)氣泡 28。運(yùn)種形狀有利于失速邊條的前側(cè)和后側(cè)維持層流狀態(tài)，但當(dāng)迎角小于所需的最小迎角 時(shí)除外，此時(shí)后再循環(huán)氣泡26 (圖3)會(huì)破裂，導(dǎo)致負(fù)升力減小。運(yùn)會(huì)減小陣風(fēng)條件下的翼 面向變形。"翼面向"指在與弦正交且與葉展正交的平面中的彎曲方向。
[0022] 圖7示出了具有前凹面和后凸面的失速邊條24C。前凹面有助于在所示條件下形 成并維持穩(wěn)定的前再循環(huán)氣泡28。當(dāng)停滯點(diǎn)向邊條前方移動(dòng)時(shí)，后凸面能促進(jìn)后滿流發(fā)散。 在此，由失速邊條導(dǎo)致的滿流和氣浪發(fā)散與由用于延遲氣流分離的滿流發(fā)生器產(chǎn)生的滿流 不同。由失速邊條導(dǎo)致的滿流發(fā)散是朝向葉展方向的。它們會(huì)促進(jìn)氣流分離，而滿流發(fā)生 器產(chǎn)生朝向弦向的滿流。
[0023] 圖8是未經(jīng)改造的葉片32與使用本文所教導(dǎo)的用于一種示例性風(fēng)輪機(jī)輪葉設(shè)計(jì) 的壓力面失速邊條改造后的葉片34的升力系數(shù)化與迎角α的函數(shù)關(guān)系對(duì)比圖。失速邊 條的位置和形狀可使得其在特定負(fù)沖角36或負(fù)升力系數(shù)38時(shí)導(dǎo)致氣流分離。
[0024] 圖9示出了布置在風(fēng)輪機(jī)葉片20的壓力面PS上的失速邊條24。例如，在至少 15%葉展范圍內(nèi)，該失速邊條可保持在停滯區(qū)中。停滯區(qū)的弦向位置可沿失速邊條的跨度 39變化。例如，失速邊條的弦向位置可沿葉展的外側(cè)30%的大部分在弦的1% -25%范圍 內(nèi)變化，例如在1%和5%之間變化。"葉展"指從葉根到葉尖40的距離。"弦向位置"指從 前緣算起沿弦線的距離，W弦長(zhǎng)的百分比表示。在所示的例子中，停滯區(qū)的弦向位置沿輪葉 的外側(cè)30%隨徑向位置而增大。停滯區(qū)可遵循一條直線或曲線，運(yùn)取決于特定的輪葉設(shè)計(jì) 和選擇的標(biāo)稱工作條件。
[002引圖10示出了失速邊條的立角形截面，其具有高度Η、底Β和頂角卸，W及可選的對(duì) 稱軸42。在一些實(shí)施例中，示例性的截面形狀可為Ξ角形或基本上為Ξ角形。例如，Ξ角形 的高可為1-20毫米，夾角可為45-150度。也可使用其它形狀，例如前文所示的凹/凸Ξ角 形、柵欄形（fences)、或其它形狀。
[0026] 在本發(fā)明的方法中，選擇標(biāo)稱工作條件，例如小于最高功率的工作條件，并把失速 邊條布置到在該條件下出現(xiàn)的壓力面停滯區(qū)中。運(yùn)種布置能消除失速邊條在標(biāo)稱工作條件 下的阻力。通過按本文所述確定失速邊條的尺寸和形狀，能夠在較大或較小的迎角時(shí)分別 在失速邊條的前側(cè)或后側(cè)維持再循環(huán)氣流的氣泡，直到達(dá)到預(yù)定的負(fù)迎角或負(fù)升力系數(shù)。 隨后，失速邊條會(huì)使葉片壓力面上的氣流分離。運(yùn)會(huì)減少輪葉、轉(zhuǎn)子軸和塔架上的結(jié)構(gòu)疲勞 和最大應(yīng)力，同時(shí)不會(huì)顯著降低性能。
[0027] 雖然本發(fā)明在上文中是通過各種實(shí)施例來展示和說明的，但顯而易見的是，運(yùn)些 實(shí)施例僅是示例性的。在不脫離本發(fā)明的精神的前提下，能夠進(jìn)行無數(shù)的變化、更改和替 換。因此，請(qǐng)注意，本發(fā)明僅受所附權(quán)利要求書的精神和范圍限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種包括處于前緣和后緣之間的壓力面的風(fēng)輪機(jī)輪葉，該輪葉包括： 在預(yù)定的風(fēng)輪機(jī)工作條件下的來風(fēng)停滯區(qū)，該停滯區(qū)沿輪葉的壓力面朝葉展方向延 伸；和 在至少15%葉展范圍內(nèi)布置在停滯區(qū)內(nèi)并對(duì)正停滯區(qū)的失速邊條。2. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)輪葉，其中，所述失速邊條沿一條直線或曲線布置，該直 線或曲線的弦向位置在所述的至少15%葉展范圍內(nèi)變化。3. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)輪葉，其中，所述失速邊條沿一條直線或曲線布置，該直 線或曲線的弦向位置隨所述輪葉的徑向位置增大。4. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)輪葉，其中，所述失速邊條包括具有前凹邊的橫向截面 輪廓。5. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)輪葉，其中，所述失速邊條包括具有前凹邊和后凸邊的 橫向截面輪廓。6. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)輪葉，其中，所述失速邊條包括三角形或基本上為三角 形的橫向截面輪廓，三角形的頂角為45至150度，高為1至20毫米。7. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)輪葉，其中，所述失速邊條的位置和形狀使得該失速邊 條在迎角小于預(yù)定工作條件下的標(biāo)稱迎角時(shí)能夠有效地在該失速邊條的后側(cè)容納再循環(huán) 氣流的氣泡，直至達(dá)到預(yù)定的負(fù)迎角，隨后會(huì)導(dǎo)致氣流沿葉片的壓力面分離。8. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)輪葉，其中，所述失速邊條的位置和形狀使得該失速邊 條在迎角小于預(yù)定工作條件下的標(biāo)稱迎角時(shí)能夠在該失速邊條的后側(cè)容納再循環(huán)氣流的 氣泡，直至達(dá)到預(yù)定的負(fù)升力系數(shù)，隨后會(huì)導(dǎo)致氣流沿葉片的壓力面分離。9. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)輪葉，其中，所述失速邊條的位置和形狀使得該失速邊 條在迎角大于預(yù)定工作條件下的標(biāo)稱迎角并且不超過最大工作迎角時(shí)能夠在該失速邊條 的前側(cè)容納再循環(huán)氣流的氣泡。10. -種包括處于前緣和后緣之間的壓力面的風(fēng)輪機(jī)輪葉，其特征在于： 位于預(yù)定標(biāo)稱迎角處的來風(fēng)停滯區(qū)，該停滯區(qū)在輪葉壓力面的前部上沿葉展方向的直 線或曲線布置； 在至少15%葉展范圍內(nèi)布置在停滯區(qū)內(nèi)并對(duì)正停滯區(qū)的失速邊條；和 所述失速邊條的位置和形狀使得該失速邊條在迎角小于標(biāo)稱迎角時(shí)能夠在該失速邊 條的后側(cè)容納再循環(huán)氣流的后氣泡，直至達(dá)到預(yù)定的負(fù)迎角，隨后會(huì)使輪葉壓力面上的氣 流分離，因而減小輪葉上的負(fù)升力。11. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)輪葉，其中，在所述的至少15%葉展范圍內(nèi)，所述失速 邊條的弦向位置在弦的1% -25%范圍內(nèi)變化。12. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)輪葉，其中，在所述的至少15%葉展范圍內(nèi)，所述失速 邊條的弦向位置在弦的1% -5%范圍內(nèi)變化。13. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)輪葉，其中，所述失速邊條包括具有前凹邊的橫向截面 輪廓。14. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪機(jī)輪葉，其中，所述失速邊條的位置和形狀使得該失速邊 條在迎角大于標(biāo)稱迎角時(shí)能夠在該失速邊條的前側(cè)容納循環(huán)氣流的前氣泡。
【專利摘要】一種失速邊條(24)，在風(fēng)輪機(jī)葉片(20)的至少一部分葉展(39)范圍內(nèi)布置在壓力面(PS)上的來風(fēng)(IW)停滯區(qū)(22)內(nèi)并與停滯區(qū)(22)對(duì)正。在某個(gè)工作條件下(例如比最高功率低5-10％的工作條件下)，停滯區(qū)沿一條葉展方向的直線或曲線在標(biāo)稱迎角(α)處出現(xiàn)。失速邊條的形狀可使其在迎角小于標(biāo)稱迎角時(shí)在其后側(cè)產(chǎn)生并支撐再循環(huán)氣流的氣泡(26)，該氣泡維持壓力面的層流狀態(tài)，直到達(dá)到預(yù)定的負(fù)迎角(36)或負(fù)升力系數(shù)(38)，隨后失速邊條導(dǎo)致輪葉壓力面上的氣流分離(27)，因而降低輪葉上的負(fù)升力(34)。
【IPC分類】F03D1/06
【公開號(hào)】CN105298738
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510336977
【發(fā)明人】A.O.扎莫拉羅德里格斯
【申請(qǐng)人】西門子能量股份有限公司
【公開日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年6月17日
【公告號(hào)】EP2957766A1, US20150361951