CN103670909A - 用于风力涡轮机叶片的负荷和噪声缓解系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于风力涡轮机叶片的负荷和噪声缓解系统，特别是用于附接到风力涡轮机叶片（20）的负荷和噪声缓解系统（40）。该系统（40）包括相邻地附接叶片（20）的后缘（28）的挠曲构件（42）以及与该挠曲构件（42）相关联的降噪构件（44）。所述挠曲构件（42）的至少一部分被构造成在所述挠曲构件（42）的至少一部分上存在空气压力的情况下从第一位置（58）变形和取向改变到第二激活位置（60）。
Description
技术领域
本发明涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及用于风力涡轮机叶片的负荷和噪声缓解系统。
背景技术
本领域已知风力涡轮机用于将风能转换成电能。与风力涡轮机相关联的一个重要问题是在运转期间产生的噪声的量。当风中的紊流结构（例如随机扰动）行进经过风力涡轮机叶片翼型并且与其后缘相互作用时产生噪声。这种现象通常被看作是风力涡轮机发出的主要噪声源之一。进一步，在风力涡轮机叶片的压力侧和吸力侧之间的压力差增加会导致产生低频流动结构，这也能够导致较高的噪声水平。
已经研发出附接包括多根刷毛的后缘刷子作为风力涡轮机噪声的解决方案。例如，美国的已公开专利申请号20080166241和20070077150公开了包括多根刷毛的后缘刷子，所述刷毛在后缘附近被附接到对应的叶片主体。通常，刷毛的一端被附接到后缘，背离叶片主体突出。类似地，可附接到叶片后缘的锯齿状面板也已经被用作风力涡轮机噪声的解决方案。面板各自包括多个间隔开的锯齿状齿，所述齿具有预定大小和形状。例如，Barone的名称为“Survey of Techniques for Reduction of Wind Turbine Blade Trailing Edge Noise”的桑迪亚报告（Sandia Report）SAND2011-5252（2011年八月）描述了利用上述后缘刷子的降噪机构将在刷子延伸部上产生更平缓的阻抗变化从而避免后缘处的突然的阻抗失配。替代性解释是刷子的多孔特性抑制了导致后缘噪声的边界层内的紊流波动。另外，刷子也将笔直后缘（这对于噪声生成是非常有效的）断开成多个较小部位，在此产生大部分噪声。笔直后缘的这种断开减少了由紊流结构与后缘的相互作用而产生的噪声。
不过，如桑迪亚报告结尾处所述，后缘刷子对于大型风力涡轮机叶片的降噪效率仍是个未决问题。一个原因可能是在大持续风或大阵风期间，翼型的后缘上的压力梯度将导致从翼型的高压力侧到吸力侧的强烈流动。这种流动将导致围绕后缘的局部流动的流线的方向变化。如果在翼型的后缘处包括刷子或甚至是锯齿状面板，则希望围绕后缘的流动符合纤维或锯齿部，并且希望纤维或锯齿部被空气动力学加载，特别是在翼型的硬表面和刷子或锯齿部之间的接合处。以此方式，当后缘处发生分离时，不同的噪声机制会支配后缘噪声，对此刷子和锯齿部不会有很大影响。这些现象使得刷子和锯齿部的降噪不太有效。
附图说明
参考附图在下文说明中解释了本发明，附图示出了：
图1示出了根据本发明一方面的具有三个转子叶片的风力涡轮机，每个叶片具有包括安装在其上的刷子的噪声和负荷降低系统。
图2是在线2-2处截取的图1的转子叶片的横截面图。
图3示出了根据本发明一方面的具有带铰链的噪声和负荷降低系统的转子叶片的横截面图。
图4示出了典型的现有技术叶片上的空气流动。
图5A-5B显示了具有刷子的现有技术叶片上的空气流动以及刷子的取向改变。
图6A-6B显示了根据本发明一方面的完全柔性挠曲构件的变形以及相关联的刷子的最终取向。
图7A-7B显示了根据本发明一方面的部分柔性挠曲构件的变形以及相关联的刷子的最终取向。
图8是根据本发明另一方面的具有包括安装在其上的锯齿部的噪声和负荷降低系统的转子叶片的横截面图。
图9是具有安装在其上的图8的噪声和负荷降低系统的叶片的一段的俯视图。
图10A-10B显示了根据本发明一方面的具有包括锯齿部的负荷和噪声缓解系统的叶片上的空气流动以及挠曲构件的变形。
具体实施方式
本发明已经创新地研发了噪声和负荷缓解系统，其被动地缓解在风力涡轮机叶片上的负荷且同时优化降噪。噪声和负荷缓解系统包括与风力涡轮机叶片的边缘相关联的挠曲构件和与该挠曲构件相关联的降噪结构。在某些实施例中，挠曲构件有利地包括在边缘和降噪结构之间的可变形连接。有利地，在叶片的吸力侧和压力侧之间的增加的压力梯度会导致挠曲构件在空气流动到达降噪结构之前变形并减少负载。此外，挠曲构件的变形不仅降低在叶片和噪声缓解结构上的负荷，而且更好地将降噪结构对齐于自然无扰空气流动流向，这提高了降噪结构在降低后缘噪声方面的效率。
现在参考附图，图1示出了风力涡轮机10，其具有塔12、安装在塔12上的机舱14和具有毂18和其上的多个转子叶片20的转子16。转子叶片20包括根部区域22和限定叶片20的最外侧部分的尖端区域24。转子叶片20还包括前缘26和后缘28。转子叶片20各自在其上包括负荷和噪声缓解系统40，该系统40具有挠曲构件42和负荷缓解装置44，如下面进一步详细描述的。壳体30在前缘26和后缘28之间延伸并且在其间形成横截面上的翼型形状（翼型）32，如图2所示。翼型32包括第一表面34和第二表面36。第一表面34和第二表面36被置于前缘26和后缘28之间并且限定翼型32。通常，第一表面34指的是叶片20的吸力表面，并且第二表面36指的是叶片20的压力表面。从转子叶片20的前缘26延伸到其后缘28的点划线代表转子叶片20的翼弦线38，其沿翼弦方向延伸。叶片20的翼展长度垂直于翼弦方向延伸。
再次参考图2，示出了与叶片20相关联的负荷和噪声降低系统40，其包括挠曲构件42以及噪声缓解结构44。挠曲构件42在被固定到叶片20时有效地增长了叶片20的翼弦。以此方式，挠曲构件42将至少增加相关叶片的升力量，这会增加施加到转子16的扭矩以及风力涡轮机10的输出。在某些实施例中，挠曲构件42被构造成在负载条件下弯曲，例如在大持续风和/或大阵风期间弯曲，并且在正常负荷条件下将维持其构造。有利地，挠曲构件42的变形通常被被动地实现，不过本发明不限制于此。替代性地，挠曲构件的变形可以被主动地实现，例如由本领域已知的气动或机械结构实现。通常，由于第一表面34和第二表面36之间的压力差足以导致挠曲构件42的至少一部分的变形（或弯曲），因此发生被动变形。有利地，变形减小了第一表面34和第二表面36之间的压力差，并且因此减小了用于扭曲和弯曲叶片20的力。此外，挠曲构件42的变形将通过使得降噪结构朝自然无扰空气流动流向对齐且在一些实施例中沿该自然无扰空气流动流向对齐从而改善降噪结构44的效率。
可以通过具体风力涡轮机10所需的变形程度来确定挠曲构件42的组成。挠曲构件42可以是例如从部分可变形（至少一个刚性部分）到完全可变形的范围。挠曲构件42越柔性或可变形，则预期的负载降低和降噪特性就越大；不过升力贡献将预期减小。用于挠曲构件42的示例性柔性且可变形材料包括但不限于，天然橡胶和合成橡胶，例如异戊二烯橡胶、表氯醇橡胶、尿烷橡胶、硅树脂橡胶、丙烯酸类橡胶、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯橡胶等等，及其混合物。在一些实施例中，挠曲构件42可以是部分刚性的且部分可变形的，例如沿翼展或翼弦方向在挠曲构件42的外部和/或外侧部分处部分可变形。在另外的实施例中，挠曲构件42可以是完全可变形的。挠曲构件42可以具有任何合适的厚度以有助于为挠曲构件42提供所需程度的硬度或变形性。应意识到，因此，挠曲构件的结构（例如，材料、厚度、长度等等）可以被修改成改变挠曲构件42的刚度以便在挠曲构件42上呈现所需空气动力学效果。
在图2的实施例中，挠曲构件42被显示成具有明显的长度和宽度。应该理解，本发明不限于此。如图3所示，在另一些实施例中，挠曲构件42可以包括铰链43，该铰链43具有被固定于其上的降噪结构44，例如刷子46。在某些实施例中，铰链43可以进一步包括与其相关联的本领域已知的振动和/或噪声阻尼结构以用于减少与铰链43的操作相关联的任意振动和/或噪声。
挠曲构件42可以由本领域已知的任意合适的结构或者方法固定到叶片20。例如，可以通过粘结剂、熔融、热封或者通过诸如螺母和螺栓等的机械结构，将挠曲构件42固定到叶片20。通常，挠曲构件42被固定在叶片的后缘28处或附近。挠曲构件42也可以在开始于距叶片20的后缘28预定翼弦长度的位置处被固定到叶片的表面34或表面36。在一种实施例中，该预定长度是叶片20的总翼弦长度的5-30%。通常，挠曲构件42被固定到叶片20的第二（压力）表面36的一部分，如图2所示。2. 在替代性实施例中，挠曲构件42的至少一部分可以被固定到叶片20的第一（吸力）表面34。挠曲构件42和降噪结构可以沿后缘沿叶片20的所需翼展长度延伸。在一种实施例中，挠曲构件42和降噪结构44被置于叶片的外侧区域内从叶片20的尖端45（如图1所示）或相邻于该尖端45朝向叶片20的内侧区域。在一种具体实施例中，挠曲构件42和降噪结构44在叶片20的外侧区域内沿翼展的5%到30%设置。
降噪结构44可以是本领域已知的降低与风力涡轮机的操作相关联的噪声的任何合适的结构。根据一方面，如图2-3所示，降噪结构44可以包含用于降低与风力涡轮机10相关的噪声的后缘刷子46。通常，后缘刷子46包括多根刷毛48。刷毛48可以具有任意适当长度、直径和柔性。此外，刷毛48可以相对于叶片20的后缘28具有任何合适的取向。刷毛48可以由本领域已知的任意合适的结构或方法固定到挠曲构件42。在一种实施例中，可以例如通过使用粘结剂、熔融、热封或通过机械插入将刷毛48固定到挠曲构件42。例如，在一种实施例中，刷毛48可以被插入到挠曲构件42中的对应小孔隙内。
在操作中，如图4、5A-5B、6A-6B、7A-7B所示，示出了在不同叶片20的主体上的空气流动的流线52。在图4中，示出了流过典型风力涡轮机叶片20的主体的空气流动（呈流线52的形式）。在图5A-5B中，示出了叶片20的现有技术构造，其具有安装在其上的刷子46但没有挠曲构件42。本领域技术人员将意识到，流线52将在叶片表面34、36的外侧沿自然无扰流动流向55重新取向。不过将意识到，在叶片20的第一表面34和第二表面36之间产生不利压力梯度的情况下，刷子46可以从图5A所示的第一位置54弯曲到图5B所示的第二位置56。以此方式，在存在增大的压力梯度的情况下，刷子46不处于用于降噪的最佳位置并且经历不良的负载力。
然而，有利地，如图6A-6B的构造所示包括挠曲构件42提供了用于缓解叶片20的后缘28上的负载的结构。而且重要的是，挠曲构件42不允许表面34、36之间的压力差或压力梯度产生的空气压力如图5A-5B所示那样当不存在挠曲构件42的情况下传递通过刷子46。实际上，挠曲构件42在刷子46之前将减少第一表面34和第二表面36之间产生的压力梯度。在一种实施例中，挠曲构件42有效地将压力梯度减少至少25%。在另一种实施例中，挠曲构件42有效地将压力梯度减少至少50%。在又一种实施例中，挠曲构件42有效地将压力梯度减少至少75%。
如图6A-6B所示，挠曲构件42被构造成在挠曲构件42的至少一部分上存在空气压力的情况下从图6A所示的第一（停用）位置58弯曲和变形到图6B所示的第二（激活）位置60。通常，由大持续风或阵风导致这种增加的空气压力。当挠曲构件42变形时，刷子46不会显著地经历该空气压力，并且因此将在降噪时更有效。而且，刷子46将更好地对齐于自然无扰流动方向55，这将改善降噪结构44在降低后缘噪声方面的效率。叶片20的外侧部分上的空气动力学负载的这种减少也可以有益于降低在涡轮机10上呈现的附加负荷。
在图6A-6B的实施例中，负荷和噪声缓解系统40的挠曲构件42被示为完全柔性的。应意识到，在另一些实施例中，挠曲构件42a可以仅沿翼展方向或翼弦方向中的任一者或二者是部分柔性的。如图7A-7B所示，挠曲构件42a被示为具有外侧区域62，其可以响应例如大持续风或大阵风从图7A所示的第一位置66弯曲到图7B所示的第二位置68。同时，挠曲构件42a的内侧区域64在第二位置68保持相对刚性。还应意识到，在这种实施例中，挠曲构件42a可以包含至少两种不同材料：一种比另一种具有更大柔性。进一步，在这种实施例中，挠曲构件42a可以通过具有较小柔性程度从而为相关叶片20提供更大的升力量，不过可能会损失一些降噪特性，但是在一些构造中这是轻微的。
根据另一方面，如图8-9所示，示出了与叶片20相关联的负荷和噪声降低系统40b，其包括挠曲构件42以及噪声缓解结构44。在该实例中，噪声缓解结构44包括本领域已知的多个锯齿部70以用于降低与风力涡轮机10的操作相关联的噪声量。锯齿部70可以如这里所述被固定到柔性构件42或者与其一体成形。例如，可以通过本领域已知的任意合适的结构方法，例如通过双侧粘结带、其他粘结结构、熔融、热封或者通过诸如螺母和螺栓的机械结构，将锯齿部70固定到挠曲构件42。在一种实施例中，如本领域已知的，将锯齿部70设置在锯齿状面板上。示例性锯齿状面板包括那些由相对柔性的聚合材料（例如2mm聚碳酸脂材料）制成的面板。以此方式，负荷和噪声降低系统能够被设置成具有与商售锯齿状面板相关联的挠曲构件。
在一种实施例中，锯齿部70是具有预定高度、长度和宽度以及具有在相邻顶点间的预定角度的锯齿的形式，例如具有100-1000 mm的长度、50-150 mm的宽度、50-150 mm的高度。而且，锯齿部70可以具有诸如V形或U形的任意所需形状。进一步地，锯齿部70可以具有预定横截面形状，例如平坦、矩形、多边形或圆形横截面。甚至进一步，锯齿部70可以具有任何合适的顶角，例如30-60度。
在一种实施例中，锯齿部70可以是相对刚性的。在另一实施例中，锯齿部70可以具有足以确保锯齿部70响应叶片20的后缘28处的空气流动的速度和角度而弯曲的材料和厚度。以此方式，锯齿部70也可以弯曲到一定范围内的任何其他位置，该范围由锯齿部70的刚性特征和风力涡轮机10的工作风速范围中的空气动力学力的范围的组合来限定。这意味着通过适当调试锯齿部70以及挠曲构件42的硬度特征，负荷和噪声缓解系统40的空气动力学特性可以适合于实际风力条件，从而改善风力涡轮机10的效率并且降低噪声。用于这里描述的系统40的具有锯齿部70的示例性结构被公开于美国专利号7,059,833中，其全部内容以参考形式被并入本文。
在某些实施例中，挠曲构件42将具有比锯齿部70更大的柔性程度（较小弹簧常数k）从而允许挠曲构件变形到足以将锯齿部70放置成更好地对齐于离开叶片的空气流的程度且同时锯齿部70具有足以最佳地降低噪声的刚性。可以通过任意合适的方法，例如通过利用不同材料、不同厚度、不同长度等等来实现这种柔性的差异。
图10A-10B显示出负荷和噪声缓解系统40b的操作，该系统包括挠曲构件42和降噪结构44，其中该降噪结构44包括锯齿部70。该操作类似于在上文针对包括后缘刷子46作为降噪结构44的实施例所描述的操作。在低风力期间，挠曲构件不会经历在第一表面34和第二表面36之间的强压差。因此，支架构件42在如图10A所示的第一（停用）位置74保持基本不变形或笔直。
如图10B所示，挠曲构件42被构造成在挠曲构件42的至少一部分上存在空气压力的情况下从图10A所示的第一（停用）位置74弯曲和变形到图10B所示的第二（激活）位置76。通常，由大的持续风或阵风导致这种增加的空气压力。当挠曲构件42变形时，锯齿部70不显著地经历该空气压力，并且因此将在降低噪声时更有效。而且，锯齿部70将更好地对齐于自然无扰流动方向55，这将改善降噪结构44在降低后缘噪声方面的效率。叶片20的后侧部分上的空气动力学负载的这种减少也可有益于降低在涡轮机10上呈现的附加负荷。
虽然这里已经示出并描述了本发明的各种实施例，不过显而易见的是这样的实施例仅通过示例方式被提供。在不背离这里本发明的情况下可以做出大量修改、改变和替代。因此，旨在仅由所附权利要求的精神和范围来限制本发明。
Claims (20)
1.一种用于附接到具有叶片主体的风力涡轮机叶片的负荷和噪声缓解系统，所述负荷和噪声缓解系统包括：
用于相邻地附接所述叶片主体的后缘的挠曲构件；以及
与所述挠曲构件相关联的降噪构件；
其中所述挠曲构件的至少一部分被构造成在所述挠曲构件的至少一部分上存在空气压力的情况下从第一停用位置变形和取向改变到第二激活位置；以及
其中所述挠曲构件的取向改变有效地减少所述叶片的相对侧之间的压力梯度并且同时使得所述降噪构件朝向自然无扰流动流向取向。
2.根据权利要求1所述的负荷和噪声缓解系统，其中所述降噪构件包括来自由后缘刷子和锯齿部构成的组的构件。
3.根据权利要求2所述的负荷缓解系统，其中所述降噪构件是后缘刷子，并且其中所述取向改变被设置成使得所述后缘刷子的大部分刷毛对齐于所述自然无扰流动流向。
4.根据权利要求1所述的负荷和噪声缓解系统，其中所述降噪构件包括锯齿状面板。
5.根据权利要求1所述的负荷和噪声缓解系统，其中所述挠曲构件被构造成在取向改变时将压力梯度减少至少25%。
6.根据权利要求1所述的负荷和噪声缓解系统，其中所述挠曲构件被构造成在取向改变时将压力梯度减少至少50%。
7.根据权利要求1所述的负荷和噪声缓解系统，其中所述挠曲构件被构造成在取向改变时将压力梯度减少至少75%。
8.根据权利要求1所述的负荷和噪声缓解系统，其中所述挠曲构件包括不构造成响应所述压力梯度而弯曲的沿翼展方向的刚性内侧部分以及被构造成响应所述压力梯度而弯曲的沿所述翼展方向的外侧柔性部分。
9.根据权利要求1所述的负荷和噪声缓解系统，其中所述挠曲构件包括不构造成响应所述压力梯度而弯曲的沿翼弦方向的刚性内部部分以及被构造成响应所述压力梯度而弯曲的沿所述翼弦方向的外部柔性部分。
10.根据权利要求1所述的负荷和噪声缓解系统，其中所述挠曲构件包括铰链。
11.根据权利要求1所述的负荷和噪声缓解系统，其中所述挠曲构件被构造成响应所述压力梯度而完全弯曲。
12.根据权利要求1所述的负荷和噪声缓解系统，其中所述挠曲构件包括橡胶材料。
13.一种包括根据权利要求1所述的负荷和噪声缓解系统的风力涡轮机叶片。
14.一种用于附接到具有叶片主体的风力涡轮机叶片的负荷和噪声缓解系统，所述负荷和噪声缓解系统包括：
用于相邻地附接所述叶片主体的后缘的挠曲构件；以及
附接到所述挠曲构件并且包括多根刷毛的后缘刷子；
其中所述挠曲构件的至少一部分被构造成在所述挠曲构件的至少一部分上存在空气压力的情况下从第一停用位置变形和取向改变到第二激活位置；以及
其中所述挠曲构件的取向改变有效地减少所述叶片的相对侧之间的压力梯度并且同时使得所述刷子的多根刷毛朝向自然无扰流动流向取向。
15.根据权利要求14所述的负荷和噪声缓解系统，其中所述挠曲构件被构造成在取向改变时将压力梯度减少至少25%。
16.根据权利要求14所述的负荷和噪声缓解系统，其中所述挠曲构件被构造成在取向改变时将压力梯度减少至少50%。
17.根据权利要求14所述的负荷和噪声缓解系统，其中所述挠曲构件被构造成在取向改变时将压力梯度减少至少75%。
18.一种包括根据权利要求14所述的负荷和噪声缓解系统的风力涡轮机叶片。
19.一种用于附接到具有叶片主体的风力涡轮机叶片的负荷和噪声缓解系统，所述负荷和噪声缓解系统包括：
用于相邻地附接所述叶片主体的后缘的挠曲构件；以及
与所述挠曲构件相关联的多个锯齿部；
其中所述挠曲构件的至少一部分被构造成在所述挠曲构件的至少一部分上存在空气压力的情况下从第一停用位置变形和取向改变到第二激活位置；以及
其中所述挠曲构件的取向改变有效地减少所述叶片的相对侧之间的压力梯度并且同时使得所述刷子的多个锯齿部朝向自然无扰流动流向取向。
20.根据权利要求19所述的负荷和噪声缓解系统，其中所述挠曲构件呈现比所述多个锯齿部所呈现的柔性程度更大的柔性程度。
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