CN103620216B - 改进的风轮机噪音控制方法 - Google Patents

Abstract

具有位于至少一个转子叶片（5）上的至少一个后缘控制表面（10）的风轮机在第一模式下操作，在该第一模式中，根据一个或多个风轮机控制参数设定转子叶片迎角与后缘控制表面偏转角。所述风轮机选择性地在减少噪音的第二模式下操作，在该第二模式中，对于给定组的风轮机控制参数，相对于所述第一模式，所述后缘控制表面偏转角朝压力侧增加，而所述转子叶片迎角减小。在所述第二模式中，对于给定组的控制参数，与在所述第一操作模式中相比，所述叶片（5）上的负载总体上更靠近轮毂。

Description

改进的风轮机噪音控制方法

技术领域

本发明大体上涉及风轮机，并且具体地涉及对由风轮机发出的噪音的控制。

背景技术

图1示出了传统的风轮机1。该风轮机1包括安装有机舱3的风轮机塔架2。包括至少一个叶片5的转子4安装在轮毂6上。轮毂6借助从机舱前面伸出的低速轴(未示出)连接至机舱3。图1中所示的风轮机可以是旨在用于家用或轻型多用途使用的较小型式，或者可以是诸如能产生几兆瓦电能并且适于在例如风力发电厂中的大型发电中使用的较大型式。在较大型式的情况下，转子的直径可以大到150米以上。

大部分的现代化风轮机在运行期间要被不断地控制与调节，以保证在诸如不同风速或者风速轮廓线或者受制于源于电网的不同需求之类的所有运行条件下的最佳性能。风轮机也可被调节以对抗由阵风引起的风速的快速局部变化。而且，因为每个叶片上的负载由于经过塔架或随着至地面的距离而变化的实际风速(风速轮廓线)而变化，因此单独调节每个转子叶片的能力因能够使风力负载平衡并且减小转子上的偏航负载与倾斜负载而是有利的。

存在包括桨距控制及凸形控制的改变形状与位置的不同方式。桨距控制涉及使叶片5在与轮毂6的接合部处绕轮毂6的纵轴线旋转。凸形控制通过改变叶片的部分或全长的气动表面而实现，从而相应增加或减少叶片升力及阻力。

风轮机会因气动噪音源而发出噪音，气动噪音源包括分离/失速流噪音、后缘噪音(钝音或其它)、层流边界层涡泻噪音、末端噪音、来自表面缺陷的噪音(例如传感器、损坏、不必要的附着)、叶片旋转噪音、提升/控制表面加载噪音、来自叶片与尾涡流之间相互作用的噪音(不稳定的加载噪音)、来自叶片与大气湍流相互作用的噪音(湍流流入噪音)以及来自经过风轮机塔架的叶片的噪音。风轮机也产生机械噪音，例如来自齿轮箱的噪音。

气动噪音的产生高度地依赖风与风轮机叶片的相对速度。更快的相对速度导致产生更多的噪音。因此，通过限制或减少风轮机的RPM(或者发电机转矩)而简单地减小叶片速率是目前控制噪音的优选方法。这通常是一种有效的方法，但是该方法导致功率输出减少。类似地，可以减小叶片桨距以减小叶片负载，也即减少了噪音的产生，但是也减小了功率输出。

因为期望从风中尽可能获取更多的能量，所以由于噪音问题而以小于最大可能的功率输出操作风轮机是非常不理想的。本发明的目的是致力于解决此缺点。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种操作包括位于至少一个转子叶片上的至少一个后缘控制表面的风轮机的方法，该方法包括：在第一模式下操作所述风轮机，在该第一模式中，根据一个或多个风轮机控制参数来设定转子叶片的迎角与后缘控制表面的偏转角；并且选择性地在减少噪音的第二模式下操作所述风轮机，在该第二模式中，对于给定组的风轮机控制参数，相对于所述第一模式，所述后缘控制表面的偏转角朝压力侧增加，而所述转子叶片的迎角减小。这可提供一种使其功率输出最大化的同时减少风轮机的噪音影响的方法。

优选的是，在第二位置中，与在第一位置中相比，叶片上的负载总体上更靠近轮毂。

优选的是，负载更靠近轮毂的移动借助一个或多个后缘控制表面的移动来实现。

根据本发明的第二方面，提供了一种操作包括具有一个或多个后缘控制表面的至少一个转子叶片的风轮机的方法，该方法包括：在第一模式下操作所述风轮机，在该第一模式中，根据一个或多个风轮机控制参数设定转子叶片的迎角与后缘控制表面的偏转角；并且选择性地在减少噪音的第二模式下操作所述风轮机，在该第二模式中，对于给定组的控制参数，与在所述第一操作模式中相比，所述叶片上的负载总体上更靠近轮毂。这可提供一种使其功率输出最大化的同时减少风轮机的噪音影响的方法。

优选的是，在减少噪音的第二模式中，通过朝压力侧增加至少一个后缘控制表面偏转角，叶片上的负载更靠近轮毂移动。这使平均负载移向叶片上的其中叶片对大气的相对速率减慢的点，因此能减少噪音输出。

优选的是，后缘控制表面中的至少一个位于叶片的外半部中。

优选的是，风轮机控制参数包括风速、叶片方位角和/或当日时刻。

优选的是，在第一模式与第二模式中，风轮机的功率输出相同。这是优选的实施方式，在该实施方式中，由于在噪音受限模式中运行，因此不存在功率输出损失。

优选的是，一个或多个后缘控制表面包括一个或多个后缘襟翼和/或Gurney襟翼。优选的实施方式使用后缘襟翼或Gurney襟翼是因为它们能够显著地改变风轮机叶片的气动性能。

优选的是，由风轮机控制器执行所述方法。

优选的是，风轮机控制器用于减小特定分贝范围内或者特定频率的噪音水平。优选的是，风轮机控制器用于减小由风轮机发出的噪音的A-加权。这些方案减小了风轮机的环境影响。由于一些频率相较其它频率是环境破坏性的，所以会期望减小特定分贝范围内的噪音输出或者以特定频率减小噪音输出。

优选的是，风轮机控制器定期或循环执行所述方法。该方法能够针对多种变量来控制噪音输出，这些变量诸如为风速、天气或者湍流。

优选的是，风轮机控制器循环执行所述方法。该方法能够针对由于风轮机塔架引起的诸如风剪切及风速变化之类的变量来控制噪音输出。

优选的是，所述方法包括计算噪音输出的理论值，以确定是否以及如何修正一个或多个风轮机操作参数。这提供了改变操作条件所依据的信息，并且与噪音输出的测量相比能够更简单且更容易。

优选的是，使用噪音传感器来确定是否以及如何修正一个或多个风轮机操作参数。这对于利用噪音输出的理论计算会是优选的，因为其提供了噪音的真实水平。

本发明的第三方面包括用于风轮机的控制器，该控制器构造成执行上述一种或多种方法的步骤。本发明的第四方面包括由控制器控制的风轮机。

应注意的是，在此所称的控制器可具体化为一个单一单元、或者多个可布置在风轮机中的不同位置并且适于相互共享信息的单元。例如，可以是用于快速减载的局部后缘襟翼控制器或单独的控制器。

附图说明

现在将参照附图仅以实施例的方式描述本发明的实施方式，在附图中：

图1(以上提到的)示出了公知的风轮机；

图2示出了沿通过风轮机叶片的弦向方向的剖面图；

图3示出了沿通过具有处于不同位置的襟翼的风轮机叶片的弦向方向的剖面图；

图4是示出了在不同襟翼角下噪音水平分布的图表；以及

图5A和图5B示出了沿着风轮机叶片的顺翼展方向的长度的负载分布，其中，图5A示出了在正常操作模式中负载的典型分布，图5B示出了在噪音控制模式中的负载分布。

图6示出了在本发明的一个实施方式中的风轮机叶片。

具体实施方式

本发明的实施方式涉及具有带一个或多个叶片的转子的风轮机，其中，一个或多个叶片包括至少一个控制表面。

术语控制表面是指用于改变风轮机叶片的气动轮廓的风轮机叶片的可动表面。控制表面的示例包括襟翼、前缘襟翼、后缘襟翼、前缘缝翼、Krueger襟翼、Gurney襟翼(wickerbill襟翼)、失速诱导襟翼、用于控制边界层分离的涡流发生器、结合在叶片表面中的适配弹性构件、用于改变表面粗糙度的装置、可调节的开口或孔、或者可动补翼。叶片可以具有一个或多个这种控制表面，并且每个控制表面通常仅沿着叶片顺翼展方向长度的部分延伸。

图2示出了第一操作模式下的风轮机转子叶片5。叶片5描绘出顺风速方向的迎角A。后缘襟翼10附接至叶片5，并且描绘出相对于机翼翼弦线的偏转角B。偏转角B可能是0，或作为另选，偏转角B可不同于迎角A，例如以改变叶片的局部上的气动负载。

图3示出了附接有后缘襟翼10的风轮机叶片5。现在，叶片5处于第二操作模式。与图2相比，迎角A被减小，并且偏转角B被增大。这改善了风轮机的噪音谱，并且还可以减少由风轮机发出的噪音总量。可使用迎角A与偏转角B的各种组合来实现期望的气动力与力矩。

迎角A通常在-35度至45度之间变化，或更优选地在-15度至25度之间变化，或最优选地在2度至12度之间变化。偏转角B可在-90度至90度之间变化，或更优选地在-30度至45度之间变化，或最优选地在-20度与20度之间变化。在偏转角B仅朝叶片的压力侧变化的实施方式中，偏转角B可在0度至90度之间变化，或者优选地在0度至45度之间变化，或最优选地在0度至20度之间变化。

虽然控制表面可放置在沿叶片长度的任何位置，但是当控制表面被放置于最接近叶片的末端时他们将具有更大的影响。在此区域中，旋转速度最大，从而控制表面具有最大的影响。本发明可以使用单一的控制表面来实施，但是多个控制表面的使用允许用于改变负载、噪音及输出能量的更大灵活性。目前认为将控制表面布置在叶片的最外一半处是优选的，但是在配置有多个控制表面的情况下，这些控制表面中的至少一个可以位于叶片的最内一半处。

本发明的优选实施方式使用一个或多个后缘襟翼或者Gurney襟翼。这是因为叶片的气动性能必须被大幅度地改变，以显著变更噪音的发射(噪音输出)。

图4示出了机翼噪音谱。尽管噪音谱或者噪音发射频谱可以被限定为仅一部分的可听频谱或者延伸到可听频谱之外，但噪音谱或者噪音发射频谱通常是横跨所有可听频率范围的总噪音输出。典型范围为10Hz至20,000Hz、20Hz至15,000Hz、50Hz至10,000Hz以及100Hz至5,000Hz。在一些实施方式中，可以在一个或多个特定范围(例如1.000Hz至4,000Hz)内测量发射频谱以符合局部调节。

在图4中能看出当襟翼偏转角改变时噪音发射频谱中的变化。y轴是以分贝计的SPL，或者声压水平。x轴是对数的，并且示出以Hertz计的频率。图表中清楚地可见四条曲线，每条曲线均示出不同的襟翼偏转角(类似于图2和图3中的偏转角B)。菱形线示出了襟翼偏转角为0度的噪音频谱。矩形线示出了襟翼偏转角为10度的噪音频谱。其它线示出其它襟翼偏转角。

当襟翼处于0度角时，能在1kHz至2kHz附近看到峰值。当襟翼处于10度角时，此峰值具有较低水平并且已移动至较低的频率，并且与较低的襟翼偏转角测量值的水平相比，在10kHz至200Hz的区域中噪音产生显著增加。

人类的听觉范围可以从大约20Hz至20kHz。然而，敏感度低于此范围的极端值。人类敏感度的最高点在1kHz至4kHz的范围内，这样，由图4中在1kHz至2kHz附近的最高点产生的尖锐的鸣声可能比在10Hz至100Hz的范围内产生的低沉的隆隆声更令人厌烦。因此，即便在未减少总音量时，以此方式将主要发射频率减小至或者将主要发射频率转换至不那么让人厌烦的频率也是期望的结果。

一些噪音测量值与调整值使用不同频率的噪音水平的整合，对于不同频率使用不同的加权。一种加权方式是“A-加权”方式，该方式试图模拟人类听觉的灵敏度。根据这种方式，如果在峰值附近的频率中的噪音没有升得太高时，才仅能降低频谱中的峰值或拐点，例如图4中的大约1kHz至2kHz的峰值。也可将噪音从“高敏感度”的频段移至敏感度较低因此加权较低的频率。

如上所述的功率输出的减少会小于由噪音减少或控制的公知方法所导致的功率输出的减少。在优选的实施方式中，功率输出可以被提高至少2％。

风轮机控制策略可包括若干不同噪音控制策略，并且如图3中所示减小叶片桨距并增加襟翼偏转角仅是一种可行的控制方法。存在若干种可使用各种风轮机控制机构来提高功率产出并控制噪音输出的方式。下面所有方法都提供一种控制策略，借此，可提高给定噪音量或者噪音躁扰度下的功率输出。

可减少风轮机的RPM，并且可增大一个或多个襟翼的偏转角。从功率输出的角度来讲，增加曲度可部分或完全地抵消风轮机的RPM的减少，因此部分地或完全地维持相同的功率产出。在此实施方式中，叶片的桨距本身可以未改变。与在此公开的其它噪音控制的方法一样，此方法显著减少或完全消除如下需求：减少风轮机的功率输出以减少噪音发射。

图5示出了沿着风轮机叶片的长度的负载分布。y轴表示负载，x轴示出距离轮毂的距离。图5A示出了在正常操作模式中负载的典型分布，在该模式中，负载主要朝叶片的末端集中。图5B示出了在噪音控制模式中的负载分布，在该模式中，负载分布被改变，以使得与正常操作模式中的负载相比，叶片的接近末端的最外部分上的负载被减小。

图6示出了在本发明的一个实施方式中的风轮机叶片5。多个襟翼10设置在叶片5的后缘上，优选地设置在叶片的外半部上；即，与距离叶片根部14相比，叶片的该部分更接近叶片末端12定位。通过操纵这些襟翼10可实现负载分布的变化。襟翼可单独移动或一起移动。例如，这些襟翼在翼展方向上可大约为1米长。

在正常操作中，叶片负载通常会在从轮毂至末端的距离的大约85％(可能为80％至90％)处出现最高点。如上所概述的改变负载分布以改善噪音输出通常会将最大负载位置更靠近轮毂移动，例如，移至从轮毂至叶片末端的距离的大约70％(可能为60％至85％)的点。实际的负载变更将在很大程度上依赖叶片的物理结构而改变，并且一些叶片将具有特别不同于图5中所示的负载分布。然而，通过操纵襟翼而重新分配负载的宽泛理念将在大部分类型的风轮机叶片上奏效。

因为距离轮毂越远叶片的外部相对于风的相对速度也越大，所以大部分噪音由叶片的外部区域产生，其中，每单位负载在每单位长度发射的噪音通常随着距轮毂的距离的增加而增大。如图5中所示的叶片的外部上的负载的减少可对噪音发射产生有益影响。换言之，在改变所发射的噪音方面而言，将平均负载点更靠近轮毂移动是有益的。具体地说，借助后缘襟翼对径向负载分布的变化影响末端涡流强度并因此变更涡流噪音。

可通过襟翼操纵而实现减少叶片末端处的负载；或者通过减小叶片末端附近的襟翼的偏转角，或者通过增加靠近轮毂的襟翼的偏转角，或者通过两者的混合。在一些实施方式中，改变叶片的桨距也可有助于改变叶片的负载分布。

靠近轮毂的襟翼通常被称作内侧襟翼，靠近叶片末端的襟翼通常被称作外侧襟翼。在优选实施方式中，一个或多个内侧襟翼的偏转角增大，并且一个或多个外侧襟翼的偏转角减小。在另一优选实施方式中，内侧襟翼比外侧襟翼更坚硬。使外侧襟翼更具挠性从而减弱末端后缘的噪音。也可借助外侧襟翼不同的几何结构、或者利用孔或刷作为襟翼的一部分来提供减弱后缘噪音的额外帮助。

通过朝压力侧移动襟翼使叶片的一个部分上的升力增大来增加由叶片该部分所承受的负载的比例。如果襟翼比叶片的平均负载点更靠近轮毂(即，图5A上的竖线会平分该曲线从而使曲线下具有两个同等面积的点)，那么叶片的平均负载点会朝轮毂移动。这也会增加叶片的总升力。

另选或附加的是，距轮毂比叶片的平均负载点更远的襟翼可朝吸力侧移动。这也会使叶片的平均负载点朝轮毂移动，并且会减小叶片的总升力。如果襟翼以此方式朝吸力侧移动(远离压力侧)，并且另一襟翼如前面段落所述的朝压力侧移动，那么可以减小或完全抵消叶片的总升力中的任何变化。

风轮机叶片就其大部分长度而言通常具有基本固定的形状(在该情况下，叶片的固定性质不包括附接至叶片的任何襟翼)。由于因旋转而产生的速度沿旋转叶片的跨度增加，所以叶片的形状通常被扭曲成具有沿叶片的长度的期望局部迎角。

如图5中所示的对径向的负载分布的修正可以采取进一步的步骤，并且襟翼能够被致动，使得叶片的有效几何扭曲被修正。而后，涡轮机将优选地使用不同组的操作参数，以使得便就噪音、功率产生以及与襟翼偏转角的新组合的负载而言涡轮机最佳地运行。

有益的是确定由风轮机产生的噪音水平以帮助确定最佳控制反应。然而，难以直接从特定的噪音源以任意精度测量噪音，因此考虑到在常规的操作中，使用理论模型以提供对风轮机噪音输出的估测是和使用外部传感器一样地精确。可使用各种因素(包括风轮机RPM、叶片桨距、襟翼偏转角及风速)以助于估测噪音输出。然而，在一些情况下测量噪音而非对其估测是有益的，并且在本发明的一个优选实施方式中，风轮机控制器使用来自一个或多个噪音传感器的信号来确定风轮机RPM、叶片桨距和/或襟翼偏转角是否应该被修改或应当如何修正。可提供一组关于风轮机RPM、叶片桨距以及襟翼偏转角的预定值，从而详细地说明风轮机响应于诸如风速、当日时刻、风向或例如温度或湿度的其它环境参数之类的因素做出反应应当如何操作。

如前所述，风轮机产生大量不同的气动噪音源。各种不同的噪音源可借助能单独或联合使用的多种不同控制策略来解决。

通常，一次控制重估(结合任一后续调整)与下次重估之间的最长时间是每小时或每天。这可仅需要当人们通常睡眠时切换至整晚低噪音设置以减小噪音输出。也可每小时或每天进行天气状况调整。因为在风速越高时风轮机的噪音输出越高，所以当风速高时，将典型天气状况响应切换至低噪音设置。低噪音设置也可用于噪音输出可能超乎常态的紊流状态。

在比每小时或每天更频繁的基础上对湍流有效地做出控制响应。通常平均10分钟就进行诸如桨距修正之类的风轮机设置，并且该时间标度也能适用于响应于湍流水平进行修正。也可利用平均10分钟来响应于改变天气变化进行修正。

此外，存在若干用于回转(循环)水平控制的可行应用程序。当每个叶片每次旋转经过塔架时，由塔架提供的风障易于导致不同的风力状况。每当叶片经过塔架时，状况的改变通常导致产生“swach”噪音。通常是有利的是：当叶片经过塔架时修正它们的轮廓以使由状况改变导致的震动最小化，从而减少或修正此循环噪音的发出。

剪切条件可在风轮机的最高处(比在地面)产生明显较大的风速。这可意味着：当叶片处于其穿过较低的部分而接近地面时，叶片将落入所允许的噪音发射参数范围内，但是当叶片处于其穿过较高的部分时在较高风速下，所发出的噪音超出可接受的水平。前面概述的控制方法可用于循环水平以在叶片穿过较高部分期间减小噪音输出，同时从叶片行进而较靠近地面时维持最佳的功率输出。

最终，噪音发射未均匀地分布在风轮机上，或者是相对于风轮机的表面的位置的函数。噪音发射也未根据距接收器的距离而均匀地分布。旋转水平后缘襟翼操纵可用于消除不平衡的循环噪音，诸如因方向性而导致的多普勒效应波动及噪音波动，从而产生更一致的噪音输出，因此该噪音输出在周遭环境中不那么明显。

以上讨论专注于倾斜的控制表面。对于Gurney襟翼而言，严格来说，襟翼偏转角是常数。为此应用目的，为了简洁起见，将Gurney襟翼延伸的程度定义为偏转角度。因此偏转角了20度的Gurney襟翼实际上延伸了偏转角10度的Gurney襟翼的两倍而不改变其角度。

在不脱离由所附权利要求限定的本发明的情况下，本领域的技术人员会想到针对所述实施方式的各种变型，并且这些变型是可行的。

Claims (16)

1.一种操作包括位于至少一个转子叶片上的至少一个后缘控制表面的风轮机的方法，该方法包括：在第一模式下操作所述风轮机，在该第一模式中，根据一个或多个风轮机控制参数来设定所述转子叶片的迎角与所述后缘控制表面的偏转角；并且选择性地在减少噪音的第二模式下操作所述风轮机，在该第二模式中，对于给定组的风轮机控制参数，相对于所述第一模式，所述后缘控制表面的所述偏转角朝压力侧增加，而所述转子叶片的所述迎角减小。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二模式中，与在所述第一模式中相比，所述叶片上的负载总体上更靠近轮毂。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述负载更靠近所述轮毂的移动借助一个或多个所述后缘控制表面的移动来实现。

4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述后缘控制表面中的至少一个位于所述叶片的外半部中。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述风轮机控制参数包括风速、叶片方位角和/或当日时刻。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一模式与所述第二模式中，所述风轮机的功率输出相同。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个后缘控制表面包括一个或多个后缘襟翼和/或Gurney襟翼。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，由风轮机控制器执行所述方法。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述风轮机控制器用于减小特定分贝范围内或者特定频率的噪音水平。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述风轮机控制器用于减小由风轮机发出的噪音的A-加权。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述风轮机控制器定期执行所述方法。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述风轮机控制器循环执行所述方法。

13.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括计算噪音输出的理论值，以确定是否以及如何修正一个或多个风轮机操作参数。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，使用噪音传感器来确定是否以及如何修正一个或多个风轮机操作参数。

15.一种用于风轮机的控制器，该控制器构造成执行任一项前述权利要求所述的步骤。

16.一种由根据权利要求15所述的控制器控制的风轮机。