CN102635494A - 用于风力涡轮机的转子叶片 - Google Patents

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CN102635494A CN2012100371799A CN201210037179A CN102635494A CN 102635494 A CN102635494 A CN 102635494A CN 2012100371799 A CN2012100371799 A CN 2012100371799A CN 201210037179 A CN201210037179 A CN 201210037179A CN 102635494 A CN102635494 A CN 102635494A
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R·舒罕
E·R·V·S·J·安朱里
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Abstract

本发明涉及一种用于风力涡轮机的转子叶片和一种用于降低转子叶片噪声的方法。所述转子叶片包括主体，所述主体具有外部表面，所述外部表面限定了在尖端与根部之间延伸的压力侧、吸力侧、前缘和后缘，所述表面进一步限定了内部。所述转子叶片进一步包括至少一个吹扫管道，所述至少一个吹扫管道限定在所述尖端中并且构造成用于从所述内部排出空气，使得所述空气大致降低所述尖端处的噪声。本发明还进一步提供了用于降低转子叶片噪声的方法。

Description

用于风力涡轮机的转子叶片
技术领域
本发明总体涉及风力涡轮机转子叶片，并且更具体地涉及转子叶片中限定的降噪特征。
背景技术
风力被认为是当前可获得的最清洁、最环境友好的能源之一，并且风力涡轮机在这方面已不断获得关注。现代的风力涡轮机典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片利用已知的翼型原理捕获风的动能。转子叶片对旋转能量形式的动能进行传递，从而使轴转动，该轴将转子叶片联接至齿轮箱，或者如果未使用齿轮箱，则将转子叶片直接联接至发电机。发电机接着将机械能转化为可以配置于公用电网的电能。
在风力涡轮机的运行过程中，由于通过转子叶片的气流，转子叶片可以产生不同频率的噪声。随着风力涡轮机越来越多地位于有人居住的区域附近，这种噪声对于居民来说能够是具有破坏性的，因此通常是不期望的。
可由转子叶片产生的噪声的一种具体形式是转子叶片尖端处的流动涡流造成的一般高频宽带噪声。流动涡流通常是由来自压力侧和吸力侧的流动在尖端上方的相互作用造成的。流动涡流可以接着与转子叶片的尖端和后缘相互作用，从而造成一般高频宽带噪声。此外，流动涡流可以干扰尖端附近的压力侧和吸力侧的流线型流出(streamline flows off)，因此降低了转子叶片的性能。
因此，期望提供改进的用于降低与转子叶片相关的噪声的装置和方法，尤其是改进的用于降低与转子叶片的尖端相关的噪声的装置和方法。
发明内容
本发明的各个方面以及优点将会在下文的说明书中进行部分阐述，或者可以通过描述显而易见，或者可以通过实施本发明而获悉。
在一个实施例中，公开一种用于风力涡轮机的转子叶片。该转子叶片包括主体，该主体具有外部表面，所述外部表面限定了在尖端与根部之间延伸的压力侧、吸力侧、前缘和后缘，该表面进一步限定了内部。该转子叶片进一步包括至少一个吹扫管道，该至少一个吹扫管道限定在尖端中并且构造成用于从内部排出空气，使得空气大致降低尖端处的噪声。
在另一个实施例中，公开一种用于降低转子叶片噪声的方法。该方法包括使空气流过转子叶片的内部的步骤。该转子叶片包括主体，该主体具有外部表面，所述外部表面限定了在尖端与根部之间延伸的压力侧、吸力侧、前缘和后缘，该表面进一步限定了内部。该方法进一步包括使空气的至少一部分流过邻近转子叶片的尖端限定的至少一个吹扫管道的步骤，并且从吹扫管道排出空气的至少一部分，使得空气干涉尖端流动涡流并且大致降低尖端处的噪声。
参照下文的描述以及所附权利要求，本发明的这些和其它的特征、方面以及优点将得到更好地理解。结合在本说明书中并且构成本说明书一部分的附图显示了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
参照附图，说明书中阐述了面向本领域普通技术人员的本发明的完整公开，这种公开使得本领域普通技术人员能够实现本发明，包括本发明的最佳模式，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的透视图；
图2是根据本发明的一个实施例的转子叶片的透视图；
图3是根据本发明的一个实施例的尖端的主视图，该尖端限定了多个吹扫管道；
图4是根据本发明的另一个实施例的尖端的主视图，该尖端限定了多个吹扫管道；
图5是沿图3的线5-5截取的根据本发明的一个实施例的尖端的横截面图，该尖端限定了多个吹扫管道；
图6是根据本发明的另一个实施例的尖端的横截面图，该尖端限定了多个吹扫管道；以及，
图7是根据本发明的一个实施例的转子叶片的一部分的透视图，该转子叶片包括尖端(该尖端限定了多个吹扫管道)并且进一步包括滞止区。
                           40   内部
附图标记列表：             42   翼弦
10  风力涡轮机             44   翼展
12  塔架                   46   当地弦长
14  机舱                   50   尖端流动涡
16  转子叶片                    流
18  转子毂                 100  吹扫管道
20  主体                   102  空气
22  压力侧                 104  滞止区
24  吸力侧                 106  进气管道
26  前缘                   112  入口
28  后缘                   114  出口
32  叶片尖端               122  槽
34  叶片根部               124  孔
36  外部表面(尖端)         130  角度
38  内部表面(尖端)
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其中的一个或多个示例示于附图中。每个示例都以对发明进行解释的方式给出，并不对本发明构成限制。实际上，对于本领域内普通技术人员而言显而易见的是，能够在不偏离本发明的范围或者精神的前提下对本发明进行各种改型和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或者描述的特征能够用于另一个实施例，从而产生又一个实施例。因此，期望的是，本发明覆盖落入所附权利要求及其等同形式的范围内的这些改型以及变型。
图1示出了常规构造的风力涡轮机10。风力涡轮机10包括塔架12，塔架12上安装有机舱14。多个转子叶片16安装至转子毂18，转子毂18接着连接到主凸缘，主凸缘使主转子轴转动。风力涡轮机发电部件以及控制部件容纳在机舱14中。图1的视图仅用作说明目的，从而将本发明置于示例性的使用领域。应当理解，本发明并不限于任何特定类型的风力涡轮机构造。
参照图2，根据本发明的转子叶片16包括主体20。主体20可以包括外部表面，外部表面限定了在前缘26与后缘28之间以及叶片尖端32与叶片根部34之间延伸的压力侧22和吸力侧24(见图3至图7)。为了本发明的目的，尖端32可以是主体20的大致最外表面。例如，如图5和图6所示，尖端32可以包括外部表面36和内部表面38并且在外部表面36与内部表面38之间延伸。此外，主体20的多个表面可以限定转子叶片16的内部40(见图5至图7)。
转子叶片16可以进一步限定翼弦42和翼展44。如图2所示，翼弦42可以在转子叶片16的整个翼展44上进行变化。因此，如下文所讨论的，可以沿翼展44在转子叶片16上的任意点处限定转子叶片16的当地弦长46。例如，如图2至图4以及图7所示，当地弦长46可以限制在尖端32处，以及转子叶片16的整个翼展44上的任何其它位置处。
在一些实施例中，转子叶片16可以包括自叶片尖端32至叶片根部34以端靠端顺序对齐的多个单个叶片段。单个叶片段中的每一个都可以独特地构造成使得多个叶片段限定具有经过设计的空气动力学外形、长度以及其它期望特性的完整的转子叶片16。例如，叶片段中的每一个所具有的空气动力学外形都可以对应于相邻叶片段的空气动力学外形。因此，叶片段的空气动力学外形可以形成转子叶片16的连续的空气动力学外形。备选地，转子叶片16可以形成为具有经过设计的空气动力学外形、长度以及其它期望特性的单一的、统一的叶片。
在示例性实施例中，转子叶片16可以是弯曲的。转子叶片16的弯曲可能需要在大致翼向的方向上和/或在大致边缘向的方向上对转子叶片16进行弯折。翼向方向通常可以解释为气动升力作用在转子叶片16上所沿的方向(或者相反方向)。边缘向方向大致垂直于翼向方向。转子叶片16的翼向曲度也被认为是预弯折的，而边缘向曲度也被认为是掠形的。因此，弯曲的转子叶片16可以是预弯折的和/或掠形的。弯曲可以使得转子叶片16能够在风力涡轮机10的运行过程中更好地承受翼向和边缘向的负载，并且还可以在风力涡轮机10的运行过程中提供转子叶片16与塔架12的间隙。
在风力涡轮机10的运行过程中，流过转子叶片16的空气可以产生各种形式的噪声。例如，流过转子叶片16的空气可以形成位于尖端32处或邻近尖端32的至少一个尖端流动涡流50(见图5至图7)，或者多个尖端流动涡流50。这些尖端流动涡流50可以是由例如来自压力侧22和吸力侧24的气流在尖端32上方的相互作用造成的，或者任何其它这样的气流造成的。气流涡流50可以与例如转子叶片16的尖端32和/或后缘28以及/或者转子叶片16的其它部分进行相互作用，从而产生噪声。在许多情况下，噪声可以是一般高频宽带噪声。此外，气流涡流50可以干扰尖端32附近的压力侧22和吸力侧24的流线型流出，因此降低转子叶片16的性能。因此，通常期望降低或消除与转子叶片16的尖端32相关的噪声，尤其是降低或消除与尖端流动涡流50相关的噪声。
如图2至图7所示，本发明的转子叶片16可以因此包括至少一个吹扫管道100或多个吹扫管道100。吹扫管道100可以限定在尖端32中。如下文所讨论的，吹扫管道100可以构造成用于从内部40排出空气102(见图5至图7)，使得空气102大致降低尖端32处的噪声。例如，空气102可以通过与尖端处的流动涡流进行相互作用从而降低涡流的强度以及涡流与尖端32处和/或邻近尖端32的转子叶片16的表面的相互作用来大致降低尖端32处的噪声，因此降低尖端32处的噪声。
应当理解，本申请所使用的术语“空气”包含可以如所讨论的流过转子叶片16的内部40的任何合适的流体，例如任何合适的气体。
如图5至图7所示，空气102可以流过转子叶片16的内部40。空气102可以以任何合适的方式并且通过转子叶片16的任何合适的位置或部件供给至内部40。例如，在一些实施例中，空气102或空气102的一部分可以通过根部34供给至内部40。在一些实施例中，可以通过转子叶片16上的滞止区104供给空气102或空气102的至少一部分，如图7所示。
总体而言，滞止区104可以是主体20的外部上的这样的区域：通过转子叶片16的气流在该区域最初接触主体20。滞止区104的定位通常基于转子叶片16的迎角和通过转子叶片16的气流的方向。在示例性实施例中，滞止区104或者滞止区104的至少一部分位于前缘26上或前缘26附近。但是，滞止区104的一部分或者整个滞止区104可以备选地位于主体20的任何合适的外部表面上或外部表面附近，例如压力侧22上或吸力侧24上。
为了通过滞止区104将空气102供给至主体20的内部40，进气管道或多个进气管道106可以限定在滞止区104中。进气管道106可以构造成使空气102流入主体20的内部40。例如，进气管道106通常可以是通过主体20延伸到内部40中的管或其它合适的管道。进气管道106可以具有任何合适的横截面形状和/或区域，并且可以根据需要成锥形并且/或者进行弯折以优化流入内部40中的空气102的量。空气102可以是通过转子叶片16的气流的一部分。当气流最初接触转子叶片16时，气流的被指定成空气102的部分可以流入进气管道106中并且流过进气管道106，并且流入内部40。
在一些示例性实施例中，进气管道106可以相对靠近尖端32进行定位。因此，例如，在一些实施例中，进气管道106可以距离尖端32位于翼展42的大约0％与大约5％之间。但是，应当理解，本发明并不限于这个范围的定位，相反，任何合适的进气管道106的定位都落入本发明的范围和精神内。
如上文所讨论的，空气102或空气102的一部分可以以任何合适的方式并且通过转子叶片16的任何合适的位置或部件供给至内部40。在风力涡轮机10的运行过程中，转子叶片16的内部40中的空气102可以通过转子叶片16的内部40流动。例如，由于转子叶片16的旋转而产生的离心力可以造成内部40中的空气102大致朝向尖端32流动。空气102朝向尖端32的流动可以使接近尖端32的空气102的压力增大。如下文所讨论的，因此可以利用接近尖端32的压力相对较高的内部40与转子叶片16外部的压力之间的压差来使空气102流过吹扫管道100。
因此，为了降低转子叶片16的尖端32处的噪声(例如由尖端流动涡流50造成的噪声)，内部40中的空气102的至少一部分可以流过吹扫管道100并且从吹扫管道100排出。排出的空气102可以通过例如上文所讨论的干涉尖端流动涡流50来降低转子叶片16的尖端32处的噪声，或者通过其它方式总体作用来降低噪声。
如图5和图6所示，根据本发明的吹扫管道100可以包括入口112和出口114。入口112可以大致邻近内部40并且限定在尖端32的内部表面38中，而出口114可以大致与内部40间隔开并且限定在尖端32的外部表面36中。因此，入口112和出口114可以将吹扫管道100大致限定在两者之间，使得吹扫管道100在入口112与出口114之间延伸。流过内部40的空气102的至少一部分(例如上文所讨论的由于离心力而朝向尖端32流动的空气102的至少一部分)可以通过入口112进入吹扫管道100并且流过吹扫管道100。吹扫管道100中的这部分空气102或者这部分空气102的至少一部分可以通过出口114从吹扫管道100排出，并且因此可以如上文所讨论地降低尖端32处的噪声。
根据本发明的吹扫管道100可以在尖端32上的任何位置处限定在尖端32中。例如，在如图2至图7所示的一些实施例中，吹扫管道100或多个吹扫管道100可以大致邻近压力侧22并且/或者大致邻近吸力侧24限定在尖端32中。如果需要，吹扫管道100或多个吹扫管道100可以进一步大致跟随压力侧22和/或吸力侧24的轮廓。
根据本发明的吹扫管道100可以具有任何合适的形状和尺寸。例如，在如图2、图3以及图5至图7所示的一些实施例中，吹扫管道100可以是槽122。槽122可以延伸通过尖端32的任何部分。例如，如上文所示和所讨论的，槽122可以延伸通过尖端32的大致邻近压力侧22和/或大致邻近吸力侧24的部分，并且/或者可以跟随压力侧22和/或吸力侧24的轮廓。
如图4所示，在其它实施例中，吹扫管道100可以是孔124。孔124或多个孔124可以限定在尖端32上的任何合适的位置或多个位置处。与槽122相类似并且如图4所示，在一些实施例中，多个孔124可以延伸通过尖端32的一部分。例如，如上文参照槽122所示和所讨论的，多个孔124可以延伸通过尖端32的大致邻近压力侧22和/或大致邻近吸力侧24的部分，并且/或者可以跟随压力侧22和/或吸力侧24的轮廓。
如上所述，应当理解，根据本发明的槽122和孔124可以具有任何合适的形状和尺寸。例如，槽122和孔124可以具有大致成矩形或正方形、椭圆形或圆形、三角形或者任何其它合适的多边形形状的横截面形状。
在一些实施例中，根据本发明的吹扫管道100可以在入口112与出口114之间成锥形。例如，在示例性实施例中，成锥形可以是使得入口112大致大于出口114，使得流过吹扫管道100的空气102得到加速，如图5和图6所示。但是，在其它实施例中，成锥形可以是使得入口112大致小于出口114。吹扫管道100的锥形可以通过吹扫管道100的整个长度，或者通过吹扫管道100的一部分。
但是，应当理解，根据本发明的吹扫管道100不必成锥形，并且可以例如在入口112与出口114之间具有大致恒定的区域，或者具有任何其它合适的构造。
如图5所示，在一些实施例中，根据本发明的吹扫管道100可以大致垂直于尖端32(例如大致垂直于尖端32的外部表面36)在入口112与出口114之间延伸。因此，从吹扫管道100排出的空气102可以大致垂直于尖端32排出。但是，如图6所示，在其它实施例中，根据本发明的吹扫管道100可以以与垂直于尖端32的方向成一定的角度130在入口112与出口114之间延伸。如图所示，在一些实施例中，角度130可以处于大约0°与大约80°之间的范围内，或者处于大于0°与大约60°之间的范围内。角度130可以使得从吹扫管道100排出的空气102大致朝向例如压力侧22、吸力侧24、前缘26或后缘28排出，或者可以使得从吹扫管道100排出的空气102大致从例如压力侧22、吸力侧24、前缘26或后缘28排出。
应当理解，本发明的吹扫管道100并不限于上文所公开的角度130的范围，相反，任何合适的角度130或角度130的范围都落入本发明的范围和精神内。
如上文所讨论的，根据本发明的吹扫管道100可以在尖端32上的任何位置处限定在尖端32中。在一些示例性实施例中，吹扫管道100可以限定在尖端32中的特定弦向位置处。例如，如上文所讨论的，尖端32可以限定当地弦长46。在一些示例性实施例中，吹扫管道100或多个吹扫管道100可以距离后缘28位于当地弦长46的大约0％与大约80％之间、大约5％与大约80％之间、大约0％与大约60％之间或者大约5％与大约60％之间。
本发明进一步涉及用于降低转子叶片16噪声的方法。例如，如上文所讨论的，该方法可以降低尖端32处的噪声(例如降低由尖端流动涡流50造成的噪声)。例如，如上文所讨论的，该方法可以包括使空气102流过转子叶片16的内部40的步骤。此外，例如，该方法可以包括使空气102的至少一部分流过邻近转子叶片16的尖端32限定的至少一个吹扫管道100或多个吹扫管道100的步骤。例如，如上文所讨论的，吹扫管道100可以限定在转子叶片16的尖端32中。备选地，吹扫管道100可以限定在转子叶片16的另一个表面(例如接近尖端32的压力侧24、吸力侧26、前缘26或后缘28)中，例如距离尖端32限定在翼展44的大约0％与大约5％之间。此外，例如，该方法可以包括从吹扫管道100或多个吹扫管道100排出空气102的至少一部分的步骤。如上文所讨论的，从吹扫管道100排出的空气102可以通过例如干涉尖端流动涡流50或多个尖端流动涡流50来降低尖端32处的噪声。
在一些实施例中，例如，该方法可以包括使空气流入内部40中的步骤。例如，如上文所讨论的，空气102可以通过至少一个进气管道106或多个进气管道106流入内部40中。如上文所讨论的，进气管道106可以限定在滞止区104中。
本发明的转子叶片16和用于降低转子叶片16的噪声的方法对转子叶片16的尖端32处的噪声可具有相对较为显著的影响。例如，在一些实施例中，包括本申请所述的吹扫管道100示为能够降低尖端32处的平均湍流动能。例如，尖端32处的平均湍流动能可以显著降低。该降低造成了尖端32处的噪声减小。此外，包括本申请所述的吹扫管道100示为能够增加尖端32处的转子叶片16的动力。
本申请使用示例对本发明进行了公开，其中包括最佳模式，并且还使本领域普通技术人员能够实施本发明，其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法。本发明的专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它示例。期望这些其它的示例落入权利要求的范围内，只要这些其它的示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者只要这些其它的示例包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件。

Claims (15)

1.一种用于风力涡轮机(10)的转子叶片(16)，其包括：
主体(20)，所述主体(20)具有外部表面，所述外部表面限定了在尖端(32)与根部(34)之间延伸的压力侧(22)、吸力侧(24)、前缘(26)和后缘(28)，所述表面进一步限定了内部(40)；以及，
至少一个吹扫管道(100)，所述至少一个吹扫管道(100)限定在所述尖端(32)中并且构造成用于从所述内部(40)排出空气(102)，使得所述空气(102)大致降低所述尖端(32)处的噪声。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(16)，其特征在于，所述吹扫管道(100)在入口(112)与出口(114)之间成锥形。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的转子叶片(16)，其特征在于，所述吹扫管道(100)以与垂直于所述尖端(32)的方向成大约0°与大约80°之间的范围内的角度(130)延伸。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的转子叶片(16)，其特征在于，所述吹扫管道(100)大致邻近所述压力侧(22)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的转子叶片(16)，其特征在于，所述吹扫管道(100)大致邻近所述吸力侧(24)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的转子叶片(16)，其特征在于，所述转子叶片(16)进一步包括多个吹扫管道(100)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的转子叶片(16)，其特征在于，所述吹扫管道(100)是槽(122)。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的转子叶片(16)，其特征在于，所述吹扫管道(100)是孔(124)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的转子叶片(16)，其特征在于，所述尖端(32)限定了当地弦长(46)，并且所述吹扫管道(100)距离所述后缘(28)位于所述当地弦长(46)的大约0％与大约80％之间。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的转子叶片(16)，其特征在于，所述转子叶片(16)进一步包括限定在所述主体(20)的外部表面上的滞止区(104)，所述滞止区(104)限定至少一个进气管道(106)，所述至少一个进气管道(106)构造成使空气(102)流入所述主体(20)的所述内部(40)。
11.根据权利要求10所述的转子叶片(16)，其特征在于，所述主体(20)限定了翼展(44)，并且所述至少一个进气管道(106)距离所述尖端(32)位于所述翼展的大约0％与大约5％之间。
12.一种风力涡轮机(10)，其包括：
至少一个转子叶片(16)，所述至少一个转子叶片(16)包括：
主体(20)，所述主体(20)具有外部表面，所述外部表面限定了在尖端(32)与根部(34)之间延伸的压力侧(22)、吸力侧(24)、前缘(26)和后缘(28)，所述表面进一步限定了内部(40)；以及，
至少一个吹扫管道(100)，所述至少一个吹扫管道(100)限定在所述尖端(32)中并且构造成用于从所述内部(40)排出空气(102)，使得所述空气(102)大致降低所述尖端(32)处的噪声。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述风力涡轮机(10)进一步包括限定在所述主体(20)的外部表面上的滞止区(104)，所述滞止区(104)限定至少一个进气管道(106)，所述至少一个进气管道(106)构造成使空气(102)流入所述主体(20)的所述内部(40)。
14.一种用于降低转子叶片(16)噪声的方法，所述方法包括以下步骤：
使空气(102)流过所述转子叶片(16)的内部(40)，所述转子叶片(16)包括主体(20)，所述主体(20)具有外部表面，所述外部表面限定了在尖端(32)与根部(34)之间延伸的压力侧(22)、吸力侧(24)、前缘(26)和后缘(28)，所述表面进一步限定了内部(40)；
使所述空气(102)的至少一部分流过邻近所述转子叶片(16)的所述尖端(32)限定的至少一个吹扫管道(100)；以及
从所述吹扫管道(100)排出所述空气(102)的至少一部分，使得所述空气(102)干涉尖端流动涡流(50)并且大致降低所述尖端(32)处的噪声。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使空气(102)通过至少一个进气管道(106)流入所述内部(40)中的步骤，所述进气管道(106)限定在滞止区(104)中，所述滞止区(104)限定在所述主体(20)的外部表面上。
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