CN101476537A - 风力涡轮机叶片刷 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮机叶片刷，它提供了一种用于风能系统中的转子叶片，包括具有后缘和前缘的叶片体，以及布置在所述叶片体外表面上的多根刚毛。所述刚毛在典型情况下附连在所述叶片体后缘附近，用于降低工作时由叶片附近的气流所产生的噪声。

Description

风力涡轮机叶片刷

技术领域

本发明涉及具有刚毛(bristles)或刷子(brush)的风力涡轮机叶片，所述刚毛或刷子布置在它的一个外表面上。本发明还涉及包括这种风力涡轮机叶片的风能系统。

背景技术

近年来，作为一种能量源风能系统其具有的重要性已越来越大。因为在一些国家适合它们经济性运营的地区相对较为稀少，位于靠近人口稠密地区的风能系统数量正在增加。由于风能系统中风力涡轮机的运行会产生噪声，这会导致多种问题，如邻近地区居民的抵制及类似问题。虽然有多种来源可造成这种系统总的噪声散发，但人们已知叶片周围的空气流是主要噪声源之一。这造成了例如在1kHz频率范围之内的典型的“嘶嘶”声或“嗖嗖”声。噪声的等级极大地受到所述涡轮机叶片设计的影响，尤其是螺旋桨外形选择的影响。由于这种选择也受到其他标准(例如高效率运转)的影响，因此低噪音运转的目标就经常与设计者认为更重要的方面相矛盾。此外，即使是针对低噪音运转进行了优化的设计依然会造成噪音散发，这在某些情形下是无法忍受的。因此，人们所需要的是减少特定风力涡轮机叶片噪声散发的措施。

从飞机技术领域可知为了减少由气流引起的噪音，可对飞机机翼采取物理措施。例如，在螺旋桨前缘附近贴上锯齿形的镶边。人们提出的另一种技术是针对商业客机的。所谓的前缘缝翼，是和着陆襟翼等价的结构，但位于机翼的前面，此处是起飞或着陆时主要的噪声源。研究表明这可能是由于机翼主体和前缘缝翼之间的缝隙，加上所述前缘缝翼下部的凹面形状所造成的。为了减少由前缘缝翼和机翼之间的湍流所引发的噪声，有人建议在所述前缘缝翼的下部添加刚毛。

发明内容

考虑到上述方案，本发明提供了一种用于风能系统中的风力涡轮机叶片，该叶片包括具有后缘和前缘的叶片体，以及布置在所述叶片体外表面的多根刚毛。

在本发明的第一方面，提供了一种用于风能系统的转子叶片。它包括多根纤维制品，其位于转子叶片外壳(包括前缘和后缘)之上。

用来降低由风力涡轮机叶片所产生噪声的常规方法主要包括在设计期间对螺旋桨外形进行修改。在本发明中，建议将一定数量的刚毛或纤维制品布置在风力涡轮机叶片的一部分，以便减少噪声散发。与已知技术相比，本发明具有明显的优势。首先，本发明可应用于任意螺旋桨，而不依靠其空气动力学设计。因此，与本发明一起使用的螺旋桨可以将效率及其他相似方面的最佳性能作为设计目标，而依然可以获得此系统的改善噪声散发性能。所采取的措施来自可商业购买的商品(典型情况下是人造纤维)，且既易于制造也相对便宜。此外，本发明既可以在叶片的制造过程中应用，也可以以相对较小的工作量和成本在现有的风能系统上应用。刚毛可通过多种方法应用到所述叶片上，例如粘贴，熔接，热封等，或通过机械插入方式插进所述叶片体或中间载体部件上的小针孔当中。根据本发明的转子叶片可应用在有一片，两片，三片或更多转子叶片的风力涡轮机中。

在本发明的一个实施例中，所述刚毛被贴在所述叶片体的后缘附近。在另一个实施例中，从所述刚毛的一组参数(包括长度，直径和柔性)中选出的至少一个参数根据所述刚毛与所述叶片根部之间的距离而变化。

根据本发明的另一方面，风能系统中使用的风力涡轮机包括具有后缘和前缘的叶片体，包括多根刚毛的刷子，其中，所述刷子被布置在所述叶片体的后缘附近。

在本发明的第三方面，本发明提供了一种用于风能系统中的风力涡轮机，该风力涡轮机包括具有后缘和前缘的叶片体，以及布置在所述叶片体外表面的多根刚毛。

通过所附权利要求，描述以及附图，本发明的其他方面，优势以及特征将变得更加明显。

本发明的风力涡轮机可用于任何风能系统中。

附图说明

在本发明的其余部分，包括对附图的说明和引用，对本发明的全面及允许公开内容，包括对本领域技术人员而言的最佳模式，进行了更加详细的描述，其中：

图1是一种具有三个转子叶片的风力涡轮机的示意图。

图2是根据常规现有技术设计的风力涡轮机转子叶片的前视图。

图3是根据本发明一个实施例的风力涡轮机转子叶片的前视图。

图4是根据本发明另一个实施例的风力涡轮机转子叶片的剖面图。

图5是根据本发明一个实施例的风力涡轮机转子叶片的剖面图。

图6是根据本发明另一个实施例的风力涡轮机转子叶片的前视图。

图7是根据本发明一个实施例的风力涡轮机转子叶片的前视图。

图8显示了根据本发明一个实施例的刷子的正视图。

图9显示了根据本发明一个实施例的刷子的前视图。

图10显示了根据本发明又一个实施例的风力涡轮机叶片。

图11显示了根据本发明一个实施例的风力涡轮机叶片。

图12显示了根据本发明另一个实施例的风力涡轮机叶片。

图13显示了根据本发明一个实施例的风力涡轮机叶片。

零部件清单

100  风力涡轮机

110  塔架(tower)

120  短舱(nacelle)

130  轮毂

140  转子叶片

150  叶片根部(blade root)

160  叶片顶部(blade tip)

170  叶片体

180  前缘

190  后缘

300，310，320，330，340，350刚毛

500  载体部件(carrier member)

600，620，630，640刷子

610  刷体

具体实施方式

现在将对本发明的多个实施例进行详细引用，其中一个或多个范例在图中进行了图解说明。每个范例都通过对本发明进行解释的方式进行提供，且不意味着对本发明的限制。例如，被图解或描述为一个实施例的一部分的特征还可用于其他实施例，或与其他实施例相关联以产生其他的实施例。其意图在于使本发明包括此类更改和变动。

图1是一种典型风力涡轮机的示意图。所述风力涡轮机100包括塔架110，在其顶端安装了机械短舱120。所述短舱外壳内安装了传动系统，其上连接了主发电机(未示出)。承载着三个转子叶片140的轮毂130安装在所述机械短舱120的横向一端。所述转子叶片140可由节距驱动器进行调节，节距驱动器典型情况下位于轮毂130内。

风力涡轮机叶片或转子叶片140的基本构造如图2所示。其中，所述风力涡轮机叶片140包括根部150，其用来将叶片140安装到轮毂130。和所述叶片根部150相对，布置了所述风力涡轮机叶片140的顶部160。所述叶片140的叶片体170在所述叶片根部150和叶片顶部160之间延展。所述风力涡轮机叶片包括前缘180和后缘190。所述转子叶片具有总长RL和弦长CL，典型情况下，弦长沿转子叶片140的长度方向变化。

图3显示了本发明的一个实施例。风力涡轮机叶片140配有布置在所述叶片体170外表面的多根刚毛300。为了降低由所述叶片后缘190相关的各种效应所引起的噪声，所述刚毛被附连在所述叶片体的所述后缘190附近。典型情况下，所述刚毛300的一端附连在所述后缘190上，沿所述叶片140向后的方向伸出所述叶片体170。典型情况下，所述刚毛300沿所述叶片的纵向排列成至少一排。所述刚毛可沿所述叶片按组布置，以便形成有刚毛的区域和没有刚毛的区域。刚毛可通过多种方法应用到所述叶片体上，例如粘贴，熔接，热封等，或通过机械插入方式插进所述叶片体或中间载体部件上的小针孔当中。特别的是，现有风力涡轮机的转子叶片可使用刚毛进行改型翻新，从而降低噪声散发。

为了获得更高的噪声降低效果，可采用多行刚毛。这些由沿着所述叶片140纵向的刚毛安装点所限定的行彼此靠近，并被布置在所述后缘190的附近。图4显示了一个实施例，该实施例有布置在所述叶片体170的后缘190上的五行刚毛，每行刚毛位于另一行刚毛之上。然而，本发明并不限于将刚毛按行布置。风力涡轮机叶片上刚毛的任何排列都被认为属于本发明的范围之内，包括在所述叶片体的多个区域(典型情况下，但不限于，后缘区域)任意布置的刚毛。

所述刚毛300的长度在5mm到100mm之间，典型情况下在15mm到80mm之间，而更典型地在25mm到70mm之间，例如30mm或50mm。直径在0.1mm到4mm之间，典型情况下在0.2mm到0.8mm之间，而更典型地在0.3mm到0.6mm之间，例如0.3mm或0.5mm。所述刚毛300的材料可以从多种用于人造纤维的材料中选择，典型情况下为聚合物，如聚烯烃，环状聚烯烃，硅树脂，丙烯酸类聚合物，聚酯，聚酰胺，芬芳聚酰胺以及类似材料，也可以使用金属或石英。更典型的是，所述材料为聚丙烯，聚乙烯，聚酰胺或聚氯乙烯。也可以是天然或纤维素基纤维，例如大麻纤维，亚麻，苎麻或剑麻都可使用，并被认为属于本发明范围之内。所述纤维当暴露在阳光的紫外线成分当中时，应能够提供柔性、抗疲劳性和长期稳定性。

图5显示了本发明的又一个实施例，根据此发明在所述叶片体170和所述刚毛300之间有载体部件500。所述载体部件可为，但不限于，一条铝，钢，塑料或类似材料制成的长型面。典型情况下，所述型面的厚度与所述后缘190的厚度大致相等或小于该后缘厚度。还可有多个以连续行或间断方式布置的此类部件。这种载体部件有更有利于更简便的安装，维护等优点。例如，出于测试或优化目的，具有不同刚毛排列的部件可快速进行更换。所述载体部件通过机械方法(如螺丝或快速锁定系统等)，化学方法(如粘合)或热封及类似方法附连在所述叶片体上。所述刚毛典型情况下，但不必须是，通过机械方式附连在所述部件上。所述带有刚毛的载体部件可在叶片的生产过程中，或在现有风能系统的改型翻新过程中进行应用。

图6显示了根据本发明另一个实施例的风力涡轮机叶片140。由于风力涡轮机中所使用的旋转螺旋桨的特性，环绕在螺旋桨周围的气流速度随着与转子轮毂130之间距离的增加而升高。因此，处于叶片最里面部分的气流速度相对较低，而在叶片顶端却可以达到每秒数百米的速度等级。气流速度的差异导致所述叶片不同部分所产生噪声的振幅，频谱组成等方面的变化。因此，本发明的降噪措施沿所述叶片以不同的变化形式被方便地进行应用。影响所述刚毛降噪特性的主要参数包括长度，直径和柔性。在此实施例中，所述刚毛的一个或多个这些参数根据相应刚毛300，310，320距离叶片根部150的距离而变化。选定参数对该距离的相关性可由数学关系决定，例如由线性或多项式相关性决定。典型情况下，噪声散发方面最适宜的构造通过如下方法确定，即，将单个风力发动机叶片和具有不同参数，距所述叶片根部150距离不等的刚毛结合在一起进行测试。例如，位于所述转子叶片顶部附近，长度在50mm到100mm之间(如70mm)的长刚毛300。位于所述转子叶片中部，长度在30mm到70mm之间(如40mm)的中等尺寸刚毛310。位于所述叶片根部附近，长度在10mm到40mm之间(如25mm)的短刚毛320。确切值取决于设计者根据使用特定转子叶片的测试结果所做出的选择。如果希望有柔性变化，这可以通过例如所述纤维直径的变化，或所述材料或纤维类型的变化来达成目的。关于所述风力涡轮机叶片周围的气流特性，很明显所述叶片的弦长将影响所述后缘附近气流的行为。因此，所述刚毛的参数也可以通过将它们在所述叶片上位置处的实际弦长纳入考虑来确定。

图7显示了本发明的另一个实施例，根据该实施例，刚毛300，330，340，350具有不同的长度及/或直径及/或柔性，并在所述叶片体170上间断性地或分组地布置。刚毛的降噪特性随(例如)长度的变化而变化。实验数据暗示这样的事实，即要降低与后缘相关的噪声，对于低频噪声，较短的刚毛长度能获得较好的降噪效果，而对于高频噪声，较长的刚毛往往更有效。因此，在所述叶片的同一区域，具有明显不同外部尺寸的刚毛组合有助于在宽频谱范围内获得具有更高效率的降噪特性。例如，刚毛300和350的长度都在30mm到50mm之间，例如40mm，而直径分别是0.5mm和0.3mm，而刚毛330和340的长度都在60mm到90mm之间，例如70mm，而直径分别是0.5mm和0.3mm。

图8显示了根据本发明一个实施例的刷子600的正视图。该刷子包括刷体610和多根刚毛300，刚毛布置在前者的一个表面上。在图9显示了刷子600的前视图。

图10显示了本发明的另一个实施例，根据该实施例，所述风力涡轮机叶片140配有长刷子600，刷子沿纵向而向前突出，突出长度等于叶片总长度的一个百分比(1到100％之间)，典型情况下，该百分比在1％到70％之间，而更典型地在1％到20％之间。典型情况下，所述刷子的一端位于所述叶片顶端160附近的一个点。刷子600包括刷体610和多根柔性纤维或刚毛300。所述刚毛300的长度在5mm到100mm之间，典型情况下在15mm到80mm之间，而更典型地在25mm到70mm之间，例如30mm或50mm。直径在0.1mm到4mm之间，典型情况下在0.2mm到0.8mm之间，而更典型地在0.3mm到0.6mm之间，例如0.3mm或0.5mm。所述刚毛300的材料可以从多种用于人造纤维的材料中选择，典型情况下为聚合物，如聚烯烃，环状聚烯烃，硅树脂，丙烯酸类聚合物，聚酯，聚酰胺，芬芳聚酰胺以及类似材料，也可以使用金属或石英。更典型地，所述材料为聚丙烯，聚乙烯，聚酰胺或聚氯乙烯。也可以是天然或纤维素基纤维，例如大麻纤维，亚麻，苎麻或剑麻都可使用，并被认为属于本发明范围之内。所述纤维当暴露在阳光的紫外线成分当中时，应提供柔性，抗疲劳性和长期稳定性。刷子可通过机械方法(如螺丝或快速锁定系统等)，化学方法(如粘合)或热封及类似方法附连在所述叶片体上。所述刚毛典型情况下，但不必须是，通过机械方式附连在刷体上。现有风力涡轮机的转子叶片可经济而快速地用一个或多个刷子进行改型翻新，从而降低噪声散发，或者刷子还可在所述叶片的制造过程中附连在叶片上。

在本发明的一个实施例中，刷子600位于所述后缘190附近。

在本发明的又一个实施例中，刷子600包括具有不同长度及/或不同直径及/或不同柔性的刚毛300，所述刚毛300间断性地或随机地布置在刷子外面。

在本发明的再一个实施例中，所述刚毛的至少一个参数(从包括长度、直径和柔性的参数组中选出)由所述叶片140的弦长决定，该弦长如相关刚毛所处的位置处所测。

图11显示了本发明的又一个实施例，根据该实施例，所述转子叶片配有至少两个刷子，它们的长度、直径以及刚毛长度等可能不同。在此实施例中，单个刷子的长度在0.3m到20m之间变化，典型情况下为1m到5m，例如2m。分开的刷子在多个方面提供了更大的灵活性，如装卸，支撑以及预制刷子的商业可购买性。

图12显示了本发明的另一个实施例，根据该实施例，所述转子叶片长度在5％到30％之间(例如15％)的一部分配有一个或多个分离的刷子。所述一个或多个刷子典型地但并非必需地位于所述叶片的顶部区域。

图13显示了本发明的一个实施例，根据该实施例用于风能系统的风力涡轮机140包括转子叶片，该转子叶片具有后缘和前缘，以及布置在所述叶片体外表面上的刚毛300。

本书面描述使用范例来公开本发明，包括本发明的最佳模式，并使得任何本领域的技术人员能够制造和使用本发明。虽然本发明根据多个特定实施例进行描述，但本领域技术人员应意识到本发明可通过处于权利要求精神和范围之内的更改形式来实施。特别地，上述实施例中相互不排斥的特征可彼此组合。本发明可申请专利的范围由权利要求定义，并可包括本领域技术人员想到的其他范例。如果此类其他范例的结构要件与权利要求的书面语言描述没有差异，或如果它们包括的等价性结构要件与权利要求书面语言描述没有实质性的差异，则此类其他范例应属于权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于风能系统(130)中的转子叶片(140)，包括：

具有后缘(190)和前缘(180)的叶片体(170)，及

布置在所述叶片体的外表面上的多根刚毛(300，310，320，330，340，350)。

2.根据权利要求1所述的转子叶片(140)，其特征在于，所述刚毛(300，310，320，330，340，350)位于所述叶片体(170)上且处于所述后缘(190)附近。

3.根据权利要求1或2所述的转子叶片(140)，其特征在于，所述刚毛(300，310，320，330，340，350)沿所述转子叶片的纵向而排列成至少一行。

4.根据权利要求3所述的转子叶片(140)，其特征在于，所述刚毛(300，310，320，330，340，350)的至少一行的长度为所述叶片总长度的1％到100％之间。

5.根据以上权利要求中任一项所述的转子叶片(140)，还包括载体部件(500)，

其特征在于，所述载体部件(500)附连在所述叶片体(170)上，且

所述刚毛(300，310，320，330，340，350)附连在所述载体部件(500)上。

6.根据以上权利要求中任一项所述的转子叶片(140)，其特征在于，所述刚毛(300，310，320，330，340，350)的长度在10mm到100mm之间的范围内。

7.根据以上权利要求中任一项所述的转子叶片(140)，其特征在于，所述刚毛(300，310，320，330，340，350)是柔性的。

8.根据以上权利要求中任一项所述的转子叶片(140)，其特征在于，所述刚毛(300，310，320，330，340，350)的直径在0.1mm到4mm之间。

9.根据以上权利要求中任一项所述的转子叶片(140)，其特征在于，所述叶片包括具有不同长度及/或不同直径的刚毛(300，310，320，330，340，350)。

10.根据以上权利要求中任一项所述的转子叶片(140)，其特征在于，从包括所述刚毛(300，310，320，330，340，350)的长度、直径和柔性在内的参数组中选出的至少一个参数根据所述刚毛与所述叶片根部(150)之间的距离而变化。

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