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CN104704233A - 燕尾型翼 - Google Patents

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Abstract

一种空气动力元件，该空气动力元件的横截面在气流方向上具有平背型翼的后缘(10c)。空气动力元件(10)还包括连接在所述空气动力元件(10)的后缘(10c)上的非对称燕尾形腔体(1，2)。所述空气动力元件(10)为例如应用在风力涡轮机的转子叶片中。

Description

燕尾型翼
技术领域
本发明涉及一种空气动力元件(aerodynamic element)，例如用于风力涡轮机转子叶片的空气动力元件，该空气动力元件在气流方向上的横截面具有平背型翼(flatback airfoil)(或钝后缘型翼(blunt railing edge))的后缘。该空气动力元件也可以用于其他应用中，例如翼体等。另一方面，本发明涉及一种风力涡轮机的转子叶片。
现有技术
钝后缘型翼或平背型翼是用于多种空气动力应用中的空气动力元件的示例，这些空气动力元件符合这些应用(例如翼身混合型飞机(blendedwing-body aircraft)，无人驾驶飞行器和风力涡轮机转子)的结构和体积需要。此外，现有技术中已知地可以对平背型翼进行进一步改进以解决相关的问题。这些改进中的一种是使用主动流控装置(active flow control devices)，例如微片(micro-tabs)、合成射流(synthetic jets)和微瓣(micro-flaps)(通常称为智能控制)。这些装置能够在局部流场(local flow field)中带来改进并帮助减少例如阻力等。但是，所有的这些类型的解决方案都会导致翼更加复杂。为了实现这些解决方案，将会导致的结果是开发和/或生产的成本增加。并且，在维护方面(特别是空气动力)需要成本，实际上在设计阶段已经付出了这样的成本，因为需要使用更昂贵和复杂的工具来设计空气动力并预测其效果(例如涡轮性能)。一种替代方案是利用例如分裂板(split plates)。这些分裂板在弦向方向上应用到平背型翼的后缘中。
由C.P.van Dam等人在2008年3月的《桑迪亚报告(Sandia Report)》2008-1781上发表的《平背型翼后缘的改进(Trailing Edge Modifications forFlatback Airfoils)》中公开了一些用于平背型翼(或钝后缘型翼)的改进方法，这些改进方法能够应用在风力涡轮机叶片中，该改进包括圆形翼后缘(rounded trailing edge)，底凹(base cavity)，开槽/穿孔腔(slotted/perforatedcavity)，分裂板和锯齿形后缘(serrated trailing edge)。
由J.P.Baker和C.P.van Dam在2008年7月20-24日的意大利米兰的《BBAA第六届国际研讨会：阻流体的气体力学和应用(BBAA VIInternational Colloquium on Bluff Bodies Aerodynamics&Application)》上的文章《钝后缘型翼的减阻(Drag Reduction of blunt trailing-edge airfoils)》中公开了减小钝后缘型翼的阻力的解决方案，这些钝后缘型翼应用在多种空气动力系统中，包括风力涡轮机叶片。本文提出了翼后缘的改进的多种实施方式，包括分裂板，使用两个分裂板的底凹，以及使用两个板的偏心腔(offsetcavity)。
另一个现有技术是由Thu Thau,Li Chenb,Jiyuan Tu在《流体与结构杂志(Journal of Fluids and Structures)》的第26部(part 26)，第7-8期(nr 7-8)，第115-1173页上的《文章利用URANS方法对带有底凹的翼后缘湍流的数值模拟(Numerical study of turbulent trailing-edge flows with base cavity effectsusing URANS)》。这篇文章公开多个位于空气动力元件的翼后缘的空气动力元件。例如，在表1和表5中显示了方形钝缘(Squared-off Blunt)(A)，三角形腔(Triangular Cavity)(B)，半圆形腔(Semi-Circular Cavity)(C)，和矩形腔(Rectangular Cavity)(D)。
发明内容
本发明试图提供一种翼体的翼型的改进设计，例如风力涡轮机的转子叶片。
根据本发明，提供了根据上文所述的空气动力元件，其中，该空气动力元件还包括燕尾形腔体(swallow tail shaped cavity body)，该燕尾形腔体与空气动力元件的后缘连接。该燕尾形腔体包括第一部件和第二部件，该第一部件具有与该空气动力元件的上表面共面的顶表面，该第二部件具有与该空气动力元件的下表面共面的底表面，所述第一部件和第二部件之间还形成有腔部。所述第一部件和第二部件分别设置在(平背型)后缘的顶部和底部，因此在第一部件和第二部件之间形成燕尾形的腔部。该腔部具有非对称(横截面)轮廓。这通过例如将第一部件在空气动力元件的气流方向上的长度选择为长于第二部件在空气动力元件的气流方向上的长度(即在空气动力元件的上方和下方)来实现。燕尾形腔体会对空气动力元件周围的气流产生积极的影响，并且会产生更好的性能。
在另一实施方式中，第一部件的下表面和第二部件的上表面形成单独的凹形后缘表面。可替代地，第一部件的下表面和第二部件的上表面形成锐缘表面(sharp edged surface)。
在另一实施方式中，第二部件可移动地连接到空气动力元件的后缘，并在第二部件安装之后允许对空气动力元件进行进一步的改进，从而能够与实际环境相适应。驱动器可操作地与第二部件连接，该驱动器设置为相对于空气动力元件的下表面控制第二元件的下表面的角度。这使得即使在运行过程中也能够对腔体进行主动控制。
在一种实施方式中，第一部件和第二部件合并为一个单独的燕尾形腔体，从而使得组装和安装更加简单且节约成本。可替换地，第一部件和第二部件分别为单独的元件。
另一方面，本发明涉及用于风力涡轮机的转子叶片，其中该转子叶片至少部分地设置有根据上述任意一种实施方式所述的空气动力元件。风力涡轮机的转子叶片的特定部分通常设置有平背型后缘以满足结构需要。该空气动力元件设置在具有平背型后缘的转子叶片的一部分上，以获得空气动力特性的提高。在另一实施方式中，空气动力元件设置在具有基本上为圆柱形横截面的转子叶片的一部分上。这种圆柱形横截面通常也由结构需要决定，因此适用本发明的实施方式可以提高操作性能。
附图说明
下面将参考附图，利用多个典型的实施方式对本发明进行更加详细的介绍，其中
图1是根据本发明第一实施方式的空气动力元件的横截面视图；
图2是根据本发明另一实施方式的空气动力元件的横截面视图；
图3是根据本发明另一实施方式的空气动力元件的部分横截面视图。
具体实施方式
风力涡轮机叶片的根部需要保证叶片的结构特性，即使这会降低叶片的空气动力性能。但是，随着风力涡轮机尺寸的增加，根部需要良好的空气动力性能以提高叶片的整体性能。
目前流行将平背型厚翼用作空气动力元件，该空气动力元件用于例如风力涡轮机转子叶片中，由于后缘的钝形有利于提高翼的举升性能并且还能保持翼的结构特性。这种方案的缺点是增加了底部阻力(base drag)和流动非定常性(flow unsteadiness)，并且，结果会导致噪声的增加(尽管根部的噪声并不是噪声的主要来源)。
图1是平背型翼10沿气流方向的横截面视图，例如风力涡轮机转子叶片的平背型翼10。转子叶片至少部分地(沿其长度方向)设置有根据本发明的一种实施方式的空气动力元件，例如在转子叶片的一部分上具有平背形后缘10c。该平背型翼10是一种特定类型的空气动力元件，并且该平背型翼10具有上表面10a和下表面10b，该上表面10a和下表面10b的形状不同以提供举升力。翼10的后缘10c为基本上平坦的表面。
平背型翼10的这一实施方式还进一步地设置有第一部件1和第二部件2，该第一部件1和第二部件2连接到翼10的后缘10c。该第一部件1具有与翼10的上表面10a共面的顶表面1a。相似地，第二部件2具有与翼10的下表面10b共面的底表面2a。这样的效果是，翼的上表面10a流线型地(aerodynamically)延伸超过第一部件1的长度l1，下表面流线型地延伸超过第二部件2的长度l2。
在第一部件1和第二部件2之间形成有腔部5，该腔部5影响翼10的空气动力特性。也就是说，第一部件1和第二部件2形成燕尾形腔体，该腔体设置在翼10的后缘10c处。
在一个实施方式中，第一部件1的长度l1大于第二部件2的长度l2。因此，也就是说，通过第一部件和第二部件产生了一个非对称轮廓。
在图1的实施方式中，第一部件1的下表面1b设置为弯曲的。并且，第二部件2的上表面2b也设置为弯曲表面。
通过采用新颖的形状，平背型翼10的主要优点得以保留，同时也减小了不良的副作用。由于非对称腔部5，当从底表面2a分离出的气流与另一侧(从第一部件1的上表面1a)的气流以“更平缓”的方式合并时，导致产生了更好的性能。翼10的改进的后缘部分在后缘流场中引入了扰动，从而导致噪声、底部阻力和流动非定常性减小。在这个方案中并没有涉及到移动或运动部件，因此安装、维护和生产的成本更小。
图2是根据本发明另一实施方式的横截面视图。这里，第一部件1和第二部件2合并为单独的燕尾形腔体并连接到基本为圆形的横截面部11。这个圆形横截面部11为例如风力涡轮机转子叶片的圆柱形根部，该圆柱形根部距离风力涡轮机的轮毂最近(该根部很多情况下设置为圆形以方便地对转子叶片进行节距控制)。在此情况下，在转子叶片的一部分设置有具有基本为圆柱形横截面的空气动力元件11。
组合的第一部件1和第二部件2与图1所示的第一部件1和第二部件2作为单独元件的实施方式不同。这使得第一部件1和第二部件2能够更容易组装到空气动力元件11的后缘上。
参考图1所示的实施方式，第一部件1具有与圆形部11的上表面11a共面的顶表面1a(可以看做翼10的一种特殊的可能的结构)。相似地，第二部件2具有与圆形部11的下表面11b共面的底表面2a。
在图2的横截面视图中可见地，组合的第一部件1和第二部件2的腔部5为单独的凹形的后端表面。凹形的意思是向内拱起(arched in)或者向内弯曲。与凹形相反的是凸形，凸形的意思是向外弯曲或者向外的圆形(roundedoutward)。一个物体的凹形线(在此为翼10的横截面的外周缘)描述了通过线连接的一对点，其中并不是该凹形线上的所有点都在物体上。凸形线描述了通过线连接的一对点，其中凸形线上的所有点都在同一物体上。
在图3中，显示了具有第一部件1和第二部件2的翼10的另一实施方式的部分横截面视图。在该实施方式中，第一部件1的下表面1b和第二部件2的上表面2b形成有锐缘表面，该锐缘表面在第一部件1的下表面1b和第二部件2的上表面2b之间限定有腔部5。图示的弯曲表面1b和2b还可以形成为直表面。
此外，在本实施方式中，第二部件2可移动地连接到翼10的后缘表面10c上，例如该第二部件2围绕附图标记3所指示的轴线可枢转。第二部件2的底表面2a仍然保持与翼的下表面10b共面，从而在运行中保持无干扰的气流。但是，可调整的第二部件2可以用于整体地对翼10的空气动力特性进行精密调节。
在另一个实施方式中，可调节的第二部件2利用驱动器来进行调节，该驱动器可操作地连接到第二部件2以相对于翼10的下表面10b来控制第二部件2的下表面2a的角度。
在上文所述的多种实施方式中描述了组合有燕尾形腔体1和2的翼10，该翼10也可以看成是这种翼的新的几何结构。特别地，从生产加工的角度来讲，翼10的后缘10c的形状可以利用实现第一部件1和/或第二部件2的特殊附件组件来改造，而不是为整个翼10设计特殊模具，节省了成本。并且，这样就可以对现有的翼10进行改造，即使是已经安装的翼(例如风力涡轮机的转子叶片)。
以上结合大量示附图所示的例性的实施方式来描述本发明的实施方式。可以对一些部分或元件进行改变和替换，这些改变和替换包括在从属权利要求限定的保护范围内。

Claims (11)

1.一种空气动力元件，该空气动力元件在气流方向上的横截面具有平背型翼的后缘(10c)，其中，所述空气动力元件(10)还包括连接在所述空气动力元件(10)的后缘(10c)上的燕尾形腔体(1，2)，
其中，所述燕尾形腔体(1，2)包括第一部件(1)和第二部件(2)，该第一部件(1)具有与所述空气动力元件(10)的上表面(10a)共面的顶表面(1a)，该第二部件(2)具有与所述空气动力元件(10)的下表面(10b)共面的底表面(2a)，所述第一部件(1)和第二部件(2)之间还形成有腔部(5)，并且，
其中，所述腔部(5)具有非对称轮廓。
2.根据权利要求1所述的空气动力元件，其中，所述第一部件(1)在所述空气动力元件(10)的气流方向上的长度(l1)长于所述第二部件(2)在所述空气动力元件(10)的气流方向上的长度(l2)。
3.根据权利要求1或2所述的空气动力元件，其中，所述第一部件(1)的下表面(1b)和所述第二部件(2)的上表面(2b)形成单独的凹形后缘表面。
4.根据权利要求1或2所述的空气动力元件，其中，所述第一部件(1)的下表面(1b)和所述第二部件(2)的上表面(2b)形成锐缘表面。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的空气动力元件，其中，所述第二部件(2)可移动地连接到所述空气动力元件(10)的后缘(10c)。
6.根据权利要求5所述的空气动力元件，其中，所述空气动力元件还包括驱动器(3)，该驱动器可操作地连接到所述第二部件(2)以相对于所述空气动力元件(10)的下表面(10b)来控制所述第二部件(2)的下表面(2a)的角度。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的空气动力元件，其中，所述第一部件(1)和第二部件(2)合并成单独的燕尾形腔体。
8.根据权利要求1-6中任意一项所述的空气动力元件，其中，所述第一部件(1)和第二部件(2)分别为单独的元件。
9.一种风力涡轮机的转子叶片，其中，所述转子叶片至少部分地设置有根据权利要求1-8中任意一项所述的空气动力元件(10，1，2)。
10.根据权利要求9所述的转子叶片，其中，所述空气动力元件(10，1，2)设置在具有平背型后缘(10c)的转子叶片的一部分中。
11.根据权利要求9或10所述的转子叶片，其中，所述空气动力元件(10，1，2)设置在具有基本为圆柱形横截面(11)的转子叶片的一部分中。
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