CN101517227A - 优化的风轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种优化的风轮机叶片，其包括第一部件(7)和第二部件(9、12)，第一部件具有空气动力学轮廓，该轮廓具有前缘(11)、厚度T大于2mm的钝后缘(13)和在前缘(11)与钝后缘(13)之间的吸入侧和压力侧(17、19)的空气动力轮廓的风轮机(11)，第二部件用于减少钝后缘噪音，并且沿着叶片的半径具有恒定的横截面，第二部件在风轮机叶片的至少一部分上通过允许替换的连接方式坚固地连接到第一部件(7)的钝后缘(13)上。

Description

优化的风轮机叶片
技术领域
本发明涉及一种空气动力学的优化风轮机叶片，更具体地，涉及一种减小钝后缘噪音的风轮机叶片设计。本发明还涉及一种用于风轮机叶片的补充的雷电保护装置。
背景技术
风轮机的噪音源自于机械源和空气动力源。
空气动力噪音能分解进入到不同的产生噪音的机械装置中：
厚度噪音。源自于通过在空气中移动来移动空气的叶片。频率是离散的，并与叶片通过频率相关(典型的大约为1Hz+最高大约为30Hz的和声)。
不稳定的载荷噪音。源自于由于叶片的不稳定的空气动力载荷的压力波动(源自风切变、转子偏心、塔遮蔽等)。频率是离散的并与叶片通过频率相关(典型的大约为1Hz+最高大约为30Hz的和声)。
流入紊流噪音，也被认为是前缘噪音。源自于前缘并由大气紊流引起，当撞击前缘时，所述紊流包括压力波动。频率为宽频并与大气紊流的频谱和梢部速率相关(典型的从0Hz到大约5000Hz，在低频至中频之间最明显)。
紊流边界层后缘噪音。源自于当气流在后缘汇合时吸入侧与压力侧之间的波动压力差别。频率为宽频并且与边界层参数相关(典型的从100Hz到10000Hz，在大约1000Hz的中频最明显)。
梢部噪音。源自于梢部涡流的动荡。频率为宽频并且与梢部涡流的直径相关(典型的大约为1000Hz至8000Hz之间)。
失速噪音。源自于在气流分离区域的压力波动，通常出现在高迎角时。频率为宽频，并且与失速区域的范围相关(典型的在20Hz至1000Hz之间)。
层流边界层涡旋噪音。源自于导致涡旋的压力侧边界层的不稳定性。频率与音调相关，并与压力侧边界层厚度相关(典型的在1000Hz与4000Hz之间)。
钝后缘噪音。源自于在钝后缘后面的小型气流分离区域，所述钝后缘导致涡旋(通常认作卡门涡旋)。频率与音调相关，并且与后缘厚度相关(典型的在1000Hz与4000Hz之间)。
越过孔、切口、凹入口的气流噪音。源自于不稳定的剪切紊流和涡旋。频率与音调有关，并与气流干扰元件的尺寸有关(典型的在1000Hz和10000Hz之间)。
现有技术教示使用锯齿状的后缘来减少不同类型的后缘噪音。
EP1314885公开了一种由锯齿状的面板构成的附着在叶片的后缘上的后缘装置。
EP1338793公开了一种由金属制成的单片式叶片和一种双片式叶片，所述单片式叶片具有在后缘部分形成的齿状结构，双片式叶片由金属构成的主叶片体和后部元件构成，该后部元件由不同的金属制成并且在后缘部分成形有齿状结构。
这些方案中均不能产生完全令人满意的结果，因此，继续存在对于具有减小的钝后缘噪音级别的风轮机叶片的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种减小钝后缘噪音的风轮机叶片。
本发明的另一个目的是提供一种容易制造、操作和运输的风轮机叶片。
本发明的另一个目的是提供一种具有受损时易于维修的后缘的风轮机叶片。
本发明的另一个目的是提供一种用于风轮机叶片的改进的雷电保护系统。
本发明的这些和其它目的通过提供下述一种风轮机叶片来实现，该风轮机叶片包括第一部件和第二部件)，第一部件具有空气动力学轮廓，该空气空气动力学轮廓具有前缘、厚度T大于2mm的钝后缘和在前缘(11)与钝后缘之间的吸入侧和压力侧，所述第二部件在叶片的顺翼展方向具有恒定的横截面，并且在风轮机叶片的至少一部分上通过允许替换的附着方式坚固地附着到第一部件的钝后缘上。
在一优选实施例中，第二部件包括连接到风轮机叶片雷电系统上的导电层板。因此获得一种用于风轮机叶片的改进的雷电保护系统。
本发明的其它特征和优点将从下面结合附图的详细说明中得以理解。
附图说明
图1显示了钝后缘噪音的主要机构；
图2是根据本发明的风轮机叶片第一部件的轮廓的示意图；
图3和图4是根据本发明的具有附着在第一部件上的第二部件的两个实施例的风轮机叶片轮廓的示意图；
图5是根据本发明的风轮机叶片后缘的示意图，示出了具有垂直壁的分流板的实施例；
图6为根据本发明的风轮机叶片的平面示图；
图7为图6中所示的包括用于保护叶片免受雷电的装置的风轮机叶片的外侧部分的放大图；
图8a至8d为根据本发明的结合有用于保护叶片免受雷电的装置的分流板不同实施例的剖面示意图。
具体实施方式
图1显示了从具有前缘11、钝后缘13以及吸入侧17和压力侧19的空气动力学轮廓辐射的音调噪音21。
根据后缘13钝度和形状以及雷诺数，可能产生涡旋23而导致卡门式涡街。近尾迹中的交互涡流产生靠近后缘13的较高的表面压力波动。如果钝度参数T/δ足够大，将产生波动力从而导致音调特征的偶极噪音，其中，T为后缘厚度，δ为边界层25位移厚度。
如图2所示，根据本发明的风轮机叶片第一部件7具有空气动力学轮廓，该轮廓具有前缘11、厚度为T的钝后缘13、以及吸入侧17和压力侧19。
在图3所示的实施例中，根据本发明的风轮机叶片第二部件9是在叶片的至少一部分上附着到第一部件7的钝后缘13上的带状物。
由钝后缘噪音机构(一种完全不同于紊流边界层后缘噪音的物理机构)产生的噪音与后缘厚度T成比例。
由紊流边界层机构所产生的噪音与cosq3成比例，其中q是后缘上的气流方向与垂直后缘的直线之间的流动角度。对于没有明显顺翼展方向气流的普通风轮机叶片，这个角度通常较小(大约0°至10°)，并且余弦值大约为1。在锯齿形后缘的情况中，例如上述现有技术方案中的那些，这个角度非常大(取决于锯齿的角度)，可能大约为70°至85°，并且所述余弦值接近0。这将从理论上明显地降低噪音，但是实际上的结果总是不象预料中的那样好。
后缘带状物9具有尖锐的轮廓，其上下表面形成为所述第一部件7的吸入侧和压力侧的延伸部并且终止于一尖锐的边缘。
通过使用后缘带状物9，其或多或少是尖锐，因而后缘厚度接近于0，因此，消除了钝后缘噪音机构。
后缘带状物9在顺翼展方向具有恒定的横截面，然而，上述现有技术方案中的锯齿形后缘在顺翼展方向具有非恒定的横截面。
所述后缘带状物9的上下表面可以具有平面的几何形状或略微弯曲的几何形状。
所述后缘带状物9附着到所述第一部件7上的可以采用任何适宜的方式来完成。
在一优选实施例中，后缘带状物9包括在第一部件7的壳体之间延伸的板10，并且其是粘贴在一起的。
在另一优选实施例中，后缘带状物9通过“点击装置(click-ondevice)”(未图示)附着到所述第一部件7上。
在图4所示的实施例中，根据本发明的风轮机叶片第二部件12是在叶片的上下壳体之间安装在钝后缘13上的小的分流板，在顺翼展方向具有恒定的横截面和小于钝后缘13的厚度T的厚度T2。
在一优选取实施例中，所述分流板12的厚度T2小于1mm。
在另一优选实施例中，所述分流板12从钝后缘13延伸的宽度W2大于所述钝后缘13的厚度T的两倍。
所述分流板12防止源自于所述钝后缘13的上下角落的周期性的交互的涡旋，该周期性的交互的涡旋会产生音调噪音。所述分流板12显著地减少了周期性的涡旋，并且能几乎消除后缘钝度噪音的音调部分。还存在一些源自于分流板12的端部的周期性涡旋，但如果这个分流板的厚度T2小，音调噪音的振幅将也会小(可能被其它噪音源掩盖)，而且频率将会变高(可能在人类听觉的音频范围之外)。如果所述钝后缘13受到损害，只要通过替换一块分流板12就能容易地对其进行维修。
分流板12通过粘合、点击装置或其它方式固定在壳体之间。分流板12的精确布置并不是关键的，因为相对于钝后缘13的不同角度和从钝后缘的不同延伸长度都是有效的。
在一优选实施例中，分流板12包括一个或几个具有的长度L1小于钝后缘13的厚度T的垂直壁14。
所述钝后缘13的厚度T大于2mm，在使用标准制造程序的批量生产中，其是标准风轮机叶片的最小厚度。
在另一优选实施例中，所述钝后缘13的厚度T大于5mm。
在另一优选实施例中，所述钝后缘13的厚度T大于10mm。
具有比当前的后缘厚度在2-3mm范围内的标准叶片更厚后缘的叶片在制造和抛光过程中更容易，而且在运输中更坚固。
在一优选实施例中，后缘带状物9或分流板12可以覆盖叶片的最外侧的部分，长度从叶片半径的2％到35％。在叶片的中跨和内侧部分，通常没必要设有第二部件，因为相较于外侧部分，从叶片的这些部分产生的噪音较小。而且，还存在其它因素使得想要在叶片的内侧部分具有更厚的钝后缘。
后缘带状物9或分流板12可以由塑料或任何其它材料制成，所述任何其它材料是指廉价的并且易于以方便附着到第一部件7上的预定长度L例如1m成形成期望的几何形状的材料。
在一优选实施例中，多孔材料(或具有孔的固体材料)或柔韧性材料用来降低表面声阻抗，从而降低由其它噪音源引起的噪音。
根据本发明的后缘带状物9或分流板12可以附着到优选由GFRP制造的叶片上，尽管也能附着到由其它材料例如木头、金属、CFRP或其它纤维材料制成的叶片上。
除了用作减少钝后缘噪音装置的功能，所述分流板12还可以用作保护叶片免受雷电或其它放电损害的补充装置。
如图5所示，用于风轮机的雷电保护装置通常包括位于叶片的表面用于捕捉雷电的雷电接收器43和叶片内部的雷电下传导体41，该雷电下传导体与吊舱和塔中的其它导体连接，允许将雷电排放到接地电位。
为了实现上述补充的雷电保护，所述分流板12包括由非导电材料制成的基板31和连接到雷电保护系统的由导电材料制成的层板33，所述层板覆盖基板31的一个表面的至少一部分。
在一优选实施例中，层板33固定到基板31上将以与电子印刷电路板(PCB)上的导电层相似的方式完成。
考虑到层向载荷特别地使后缘13处在叶片的一个最大应力区域中，此处极限张力可达到最高为10000μ，所述层板33不能是“直的”，而是一种能够承受上述张力的“柔韧性”导体元件。
因此，不期望所述层板33对于正常的恒定电流具有良好的导电性能，而是对于具有高电压的电离空气空间具有良好的导电性能。层板33可以看作是能够朝着更重负的雷电下传导体41引导能量的“引力导体(attractive conductor)”，雷电下传导体设计用于传输具有高电流幅度(high current altitude)的高频电流，因此，潜在的热生成朝向稳定的接地电位。
因此，层板33必须有间距地连接到雷电下传导体41，并且这种连接必须以下述一种方式进行，即这种方式使能够实现极限能量传输的好的引导，而在雷电保护系统外部没有或有限的可能产生损害的“击穿(flashover)”。所述连接之间的物理间距是在从0.5m至5m的范围内。
所述连接可以通过叶片内部的柔韧性导体45和/或安装在层板33与雷电接收器43之间的叶片表面上的导电带47制成。
风轮机上的典型的雷电冲击区域是叶片的外侧部分5。由于这样，分流板12优选地包括位于叶片外侧部分5的沿着叶片半径2％至35％范围的长度的导电层板33。
在优选实施例中，如图8a至8c所示，分流板12包括非导电材料制成的基板31，以及覆盖在基板31不同部分上的导电材料制成的一个或多个层板33。
在图8a所示的实施例中，两个导电材料构成的层板33覆盖在基板31的一部分37的上下表面上。
在图8b所示的实施例中，两个导电材料构成的层板33覆盖在基板31的一部分37的上下表面上，所述部分37的宽度小于未受任何导电材料层板覆盖的部分35的宽度，部分37的宽度加上两个层板33的宽度大约与部分35的宽度相等。
在图8c至8d所示的实施例中，导电材料的层板33不具有前述实施例中所述的均匀的宽度，而是具有沿着基板31可变的宽度。
图8b至8d所示的实施例是结合了保护叶片免受雷电或其它放电影响的装置的分流板12例子，选择所述装置的形状以为分流板12提供一些特定的空气动力学特性。
在分流板12上具有用于保护叶片免受雷电或其它放电影响的补充的装置的主要优点是在叶片本身上由雷电引起的损害减少。另一方面，在分流板12上引起的损害容易维修。
尽管本发明结合优选实施例已得到充分说明，很明显在本发明保护范围内，并不局限于这些实施例，而是受下述权利要求书的内容所限定的范围，可以进行修改。

Claims (23)

1.一种风轮机叶片，其包括第一部件(7)和第二部件(9、12)，所述第一部件具有空气动力学轮廓，该空气空气动力学轮廓具有前缘(11)、厚度T大于2mm的钝后缘(13)和在前缘(11)与钝后缘(13)之间的吸入侧和压力侧(17、19)，所述第二部件在风轮机叶片的至少一部分上附着到第一部件(7)的钝后缘(13)上，用于减少钝后缘噪音，其特征在于，
a)所述第二部件(9、12)在叶片的顺翼展方向具有恒定的横截面；
b)所述第二部件(9、12)通过允许替换的附着方式坚固地附着到所述第一部件(7)上。
2.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其特征在于，所述第二部件(9)具有尖锐的轮廓，该尖锐轮廓的上下表面成形为所述第一部件的吸入侧和压力侧的延伸部并且终止于一尖锐的边缘。
3.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其特征在于，所述第二部件(12)是安装在叶片的上下部分之间的分流板，所述分流板具有小于钝后缘(13)的厚度T的厚度T2。
4.根据权利要求3所述的风轮机叶片，其特征在于，第二部件(12)的厚度T2小于1mm。
5.根据权利要求3-4中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述第二部件(12)从钝后缘13延伸的宽度W2大于所述钝后缘(13)的厚度T的两倍。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述第二部件(12)包括至少一个垂直于分流板(12)的垂直壁(14)，该垂直壁具有小于钝后缘(13)的厚度T的长度L1。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述第二部件(9、12)在叶片的外侧部分附着到第一部件(7)上，长度处于叶片半径1％到35％的范围内。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述第二部件(9、12)提供在预定长度L的单元内。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述钝后缘(13)的厚度T大于5mm。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述钝后缘(13)的厚度T大于10mm。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述第二部件(9、12)由柔韧性材料制成。
12.根据权利要求1-10中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述第二部件(9、12)由多孔材料制成。
13.根据权利要求7-9中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述的风轮机叶片具有位于第一部件(7)中的雷电保护装置，所述雷电保护装置包括位于其表面上的雷电接收器(43)和雷电下传导体(41)，所述分流板(12)包括用来保护叶片免受雷电或其它放电影响的附加装置，所述附加装置连接到第一部件(7)中的所述雷电保护装置。
14.根据权利要求13所述的风轮机叶片，其特征在于，所述分流板(12)包括由非导电材料制成的基板(31)和覆盖所述基板(31)一个表面的至少一部分的由导电材料制成的层板(33)。
15.根据权利要求14所述的风轮机叶片，其特征在于，所述基板(31)在叶片的外侧部分(5)由所述层板(33)覆盖，长度在叶片半径2％至35％的范围内。
16.根据权利要求15所述的风轮机叶片，其特征在于，所述层板(33)以0.5m至5m的间距连接到所述雷电接收器(43)上和/或连接到所述雷电下传导体(41)上。
17.根据权利要求16所述的风轮机叶片，其特征在于，在所述层板(33)与所述雷电接收器(43)之间的连接是通过导电带(47)构成，并且所述层板(33)与所述雷电下传导体(41)之间的连接是通过柔韧性的导体(45)构成。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述层板(33)覆盖所述基板(31)的上表面的一部分。
19.根据权利要求14-18中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述层板(33)覆盖所述基板(31)的上下表面的一部分(37)。
20.根据权利要求18-19中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述基板(31)具有均匀的厚度。
21.根据权利要求20所述的风轮机叶片，其特征在于，所述层板(33)具有均匀的厚度。
22.根据权利要求20所述的风轮机叶片，其特征在于，所述层板(33)具有可变的厚度。
23.根据权利要求18-19中任一项所述的风轮机叶片，其特征在于，所述分流板(12)具有均匀的厚度。
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