CN104220746A - 风轮机叶片 - Google Patents
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Abstract
描述了一种具有降噪特征的风轮机叶片。叶片具有设在叶片后缘处的多个突出元件，以降低在叶片运行期间产生的散射噪音。叶片还包括流体喷射系统，其可将流体喷射至叶片后缘处的湍流气流中，以吸收后缘处的一些湍流动能，并且由此进一步降低由叶片产生的输出噪音水平。另一方面，流体喷射系统可调节成沿上游方向喷射流体，即对着到来的气流，以便提供来自迎面气流的湍流动能的增强的吸收，并且由此提供改善的降噪特征。
Description
技术领域
本发明涉及具有降噪特征的风轮机叶片。
背景技术
风轮机设计和运行中主要的顾虑之一是在风轮机运行期间所产生的噪音水平。特别在可能位于居住区域附近的岸上风轮机的情况中，来自风轮机的噪音可成为在计划准许过程期间考虑可能的风轮机位置时的限制因素。因此，感兴趣的是提供具有在运行期间具有降低的噪音输出的风轮机设计。
在风轮机运行期间产生的噪音的大部分是由于在相对较快的吸力侧空气流遇到相对较慢的压力侧空气流时形成在风轮机叶片的后缘处的湍流。组合的空气流中的相对较高水平的湍流动能导致后缘处的空气流的湍流散射，这产生散射噪音(scattering noise)。
已知的是在风轮机叶片的后缘处提供固定锯齿(serrations)或刷毛(bristles)以便干扰后缘气流，从而抑制或降低在后缘处形成的湍流，以及由此降低相关的噪音水平。后缘锯齿的示例可在美国专利公开号US2011/0142666 A1中看到。后缘刷毛的示例可在美国专利公开号US2008/0166241 A1中看到。
然而，这类降噪特征不能提供在叶片运行期间的后缘噪音的完全消除。
本发明的目的为提供相比已知的叶片设计，具有改善的降噪特征的风轮机叶片。
发明内容
因此，提供了一种风轮机叶片，其用于具有基本水平的转子轴的风轮机转子，转子包括毂，风轮机叶片在安装至毂时从毂基本以径向方向延伸，风轮机叶片以平行于纵向轴线的纵向方向延伸，且具有末梢端和根部端，
该风轮机叶片包括成形的轮廓，其包括压力侧和吸力侧，以及前缘和后缘，其中弦具有在前缘和后缘之间延伸的弦长，成形轮廓在受迎面气流冲击时产生升力，
其中，风轮机叶片还包括设在轮廓的后缘处的至少第一阵列的突出流调整元件，所述流调整元件以基本远离轮廓的前缘的方向突出，所述元件通过在轮廓后缘处的气流的调整来可操作地降低由叶片运行所产生的噪音，
其中，风轮机叶片还包括至少一个流体喷射装置，该流体喷射装置可操作地将流体喷射入在叶片轮廓上的气流中，以降低在成形轮廓的后缘处的气流湍流动能，以进一步降低由叶片运行所产生的噪音。
突出的调整元件作用以提供在翼型的吸力侧和压力侧之间的压力释放机构，以降低在后缘处的湍流气流的散射效应。流体喷射作用成抑制在轮廓上的湍流气流的动能。本发明还可降低对于轮廓的钝后缘的后缘噪音。在突出调整元件的噪音调整效果与流体喷射的能量抑制效果组合时，两个单独降噪特征的共同协作的增效效应作用以提供在这类风轮机叶片的运行期间迎面气流中产生的噪音的可观的降低。该至少一个流体喷射装置优选地设在叶片的成形轮廓的后缘处或邻近的位置处。
优选地，所述至少一个流体喷射装置设在所述成形叶片轮廓上，在距离叶片的前缘的弦距离的90-100%之间。
流体喷射装置可位于后缘自身处，或可位于挨在后缘前的翼型外形上。
优选地，流体选择成具有比迎面气流更高的黏性。
在叶片周围使相对高黏性的流体与相对低黏性的气流混合作用以有效抑制存在于迎面气流中的湍流能，从而降低由在叶片后缘处的气流的散射效应所产生的噪音水平。
优选地，流体是水。流体可备选地包括适当的气雾剂。
气雾剂是细固体颗粒或液体颗粒在气体中的悬浮物。在一个实施例中，气雾剂可包括与气体混合的水颗粒。在一个备选实施例中，气雾剂可包括在气体中的微小尺寸的尘颗粒。在一个实施例中，气雾剂可包括与气体混合的海盐。
在一个实施例中，流体喷射装置包括可操作地将喷雾形式的流体喷射入叶片上的气流中的喷嘴。
通过将作为喷雾的流体喷射，气流和流体的较快速的混合将出现，作用于快速吸收气流的湍流动能，并且从而提供叶片的后缘噪音的快速下降。
此外或备选地，流体喷射装置包括可操作地将液滴形式的流体喷射入叶片上的气流中的喷嘴。
喷射作为液滴柱的流体可提供来自气流的湍流动能的更好的吸收，但其与相对较长的动能吸收时间相平衡。
优选地，所述至少第一阵列的突出流调整元件在纵向方向上沿在所述根部端和所述末梢端之间的风轮机叶片的长度的至少一部分延伸。
该阵列基本沿叶片的长度的一部分设在叶片的后缘处。优选地，阵列至少设置成向着叶片的远端，向着叶片的末梢端。优选地，阵列至少基本设在距叶片根部端叶片长度的60-90%的区域中。
由于风轮机叶片的主要噪音产生向着叶片的外区段出现，这是由于相对高的风速作用于叶片的外区段，故降噪特征在位于这些区域时表现最有效。
优选地，所述凸出元件包括锯齿。
在叶片的后缘处的锯齿的使用提供在后缘处产生的噪音光谱的调整。锯齿作用以提供在叶片上的压力侧和吸力侧气流之间的压力释放机构，降低与后缘气流相关的散射噪音。
此外或备选地，所述凸出元件包括刷毛。
在后缘处的柔性刷毛的使用作用以抑制在后缘处的湍流气流，将气流的动能转化成刷毛中的机械(折弯)能。
所述刷毛可设为沿叶片后缘的至少一部分沿所述叶片的纵向长度延伸的刷毛阵列。备选地，所述刷毛可设为从后缘突出的多个刷毛的束，所述刷毛的束(clusters)沿所述叶片的纵向长度间隔开。
在一个实施例中，所述至少一个流体喷射装置设在所述后缘处邻近的突出元件之间。
通过将流体喷射装置定位在突出元件之间，两个降噪特征的有效的组合可实现，提供风轮机叶片的后缘噪音的有效和即刻的降低。
在后缘处有锯齿的情况中，散射噪音通常由于在锯齿的侧缘上的气流而产生。因此，在流体喷射定位在邻近锯齿之间时，喷射流体将即刻冲击在锯齿侧缘处的气流上。因此，在锯齿缘自身的缘处产生的散射噪音将由于在邻近锯齿之间的流体喷射而有效地降低。
类似地，在刷毛的束的阵列设在后缘处的情况中，流体喷射位于邻近的刷毛束之间以有效地抑制在束之间的区域所产生的任何噪音。
此外或备选地，至少一个流体喷射装置邻近所述后缘设置，以将流体喷射入在所述后缘的上游的位置处的成形轮廓周围的气流中。
通过在后缘的上游的位置处将流体喷射入迎面气流中，流体喷射装置可操作成在气流到达后缘之前充足地抑制或吸收气流的湍流动能，从而降低在后缘处出现的湍流和散射的水平，以及相关的噪音水平。
优选地，所述至少一个流体喷射装置是定位在与后缘间隔开的位置，距所述后缘大约弦长的5-10%。
在备选实施例中，所述至少一个流体喷射装置是定位在与后缘间隔开的位置，距所述后缘大约弦长的2-5%。
在该情况中，弦长在沿叶片的长度的至少一个流体喷射装置所定位的点处计算。
优选地，所述至少一个流体喷射装置以自叶片前缘相对叶片的成形轮廓的弦成大约145-170度的角度地可操作地将流体喷射至气流中。
通过以基本下游方向但相对叶片后缘以一定角度地喷射流体，流体喷射提供迎面气流的湍流动能有效抑制，同时还提供对叶片运行所产生的功率的可忽略的影响之间的良好平衡。
在一个实施例中，所述成形轮廓包括基本钝的后缘，其中所述至少第一阵列的突出流调整元件被设在所述钝后缘的压力侧，并且其中所述至少一个流体喷射装置被设在所述钝后缘的吸力侧处。
在叶片具有钝或截头的后缘的情况中，存在限定在叶片后缘处在叶片的压力侧和吸力侧之间的后缘表面。在这类情况中，锯齿或刷毛可设在后缘表面的压力侧处，使得突出元件不会导致吸力侧处的空气动力学特征的任何改变(这可能影响在叶片运行期间所产生的功率水平)。因此在后缘表面的吸力侧处提供流体喷射作用以降低在吸力侧处的后缘噪音，而不会本质地影响吸力侧的空气动力学(以及相关产生的功率水平)。此外，两个降噪特征的使用提供总的后缘噪音的复合的降低，这是由于来自锯齿/刷毛和流体喷射两者的作用的调整流的组合。
在优选的实施例中，所述至少第一阵列的突出元件是相对于叶片的后缘可移动的。
可移动的阵列的突出元件允许在叶片后缘处表现出的噪音调整的调节。优选地，阵列相对于后缘可平移移动，但将理解的是阵列的任何特征可受调节，例如，突出部的定位、长度、尺寸等等可改变以提供叶片后缘处的噪音光谱的可变的调整。
在进一步优选的实施例中，所述至少一个流体喷射装置是可移动的以提供可调整的流体喷射方向。
通过移动流体喷射装置，流体喷射的定位和/或方向可被调节以提供在叶片的成形轮廓上的湍流动能的适应性的抑制或吸收。
优选地，流体喷射的角度可从基本下游的方向到基本上游的方向改变。
取决于运行条件，流体喷射可对齐成基本下游的方向(这提供气流中的动能的适合的抑制或吸收，同时不会本质地影响叶片的空气动力学升力特征)，或在基本上游方向(这提供相对增加的气流中的动能的抑制或吸收，同时可能不利地影响叶片升力)。
在一个实施例中，叶片包括流体连通系统，其操作地将流体从流体容器传送至所述至少一个流体喷射装置。
一定量的流体可储存在设在叶片中的容器中，或叶片可具有内部管系统，其可从外部源接受一定量的流体以用于在后缘处喷射。外部源可来自例如当地供水系统，或在岸上轮机的情况中可来自周围的海水。
在一个实施例中，流体连通系统包括至少一个泵。
叶片可利用泵机构来保证正确量的流体被提供至流体喷射装置。
在一个实施例中，流体连通系统包括至少一个阀，其可操作地调节通至所述至少一个流体喷射装置的流体流。
流体的喷射速率基于轮机的运行状态可受控制。例如，叶片可与可操作地侦测由叶片在运行期间所产生的声学噪音水平的噪音传感器联接，其中喷射速率根据叶片的输出噪音而改变，以使由叶片产生的噪音最小化。
还提供的是具有如上所述的至少一种风轮机叶片的风轮机。
还提供的是一种风轮机叶片，其用于具有基本水平的转子轴的风轮机转子，转子包括毂，风轮机叶片在安装至毂时从毂基本径向方向地延伸，风轮机叶片在平行于纵轴线的纵向方向上延伸，且具有末梢端和根部端，
该风轮机叶片包括成形的轮廓，其包括压力侧和吸力侧，以及前缘和后缘，其中弦具有在前缘和后缘之间延伸的弦长，成形轮廓在受迎面气流冲击时产生升力，
其中，风轮机叶片还包括向所述后缘设置的至少一个流体喷射装置，该流体喷射装置可操作将流体喷射至叶片轮廓上的气流中，以降低气流的湍流动能，以降低由叶片的运行在成形轮廓的后缘处产生的散射噪音。
其中至少一个流体喷射装置以上游方向，基本以成形轮廓的前缘的方向，以远离后缘的方向可操作地喷射流体。
通过以上游方向，即以基本进入到来的迎面流的方向喷射流体，产生了叶片的运行噪音的可观的降低，这是由于来自叶片周围的气流的湍流动能的相对大的吸收。
优选地，所述至少一个流体喷射装置是可调节的，使得流体喷射的角度可从所述基本上游方向改变成向着成形轮廓的后缘，基本远离前缘的基本下游方向。
通过改变喷射方向，叶片的降噪特征可从上游方向调节至下游方向，上游方向提供高水平的降噪，但这可影响叶片的空气动力学升力特征，下游方向提供适当的降噪，同时对叶片的空气动力学特征的影响可忽略。
在一个实施例中，所述至少一个流体喷射装置是可调节的，使得流体喷射方向可从以将流体喷射入叶片成形轮廓上的气流的位置改变成将流体施加至叶片成形轮廓的表面上的位置。
通过具有可移动流体喷射装置，流体可直接施加至叶片的表面。通过将流体施加至叶片的表面，这通过减少叶片表面的表面摩擦阻力提供了叶片的阻力特征的降低。
在进一步的实施例中，风轮机叶片还包括设在轮廓的后缘处的至少第一阵列的突出流调整元件，所述流调整元件以基本远离轮廓后缘的方向突出，所述元件通过在轮廓的后缘处的气流的调整可操作地降低由叶片运行所产生的噪音。
叶片的构造是可操作地降低叶片的运行噪音，特别是后缘散射噪音。钝后缘噪音也可降低。
优选地，叶片可操作地控制由至少一个流体喷射装置喷射的流体的速率。
叶片可包括至少一个阀，其连通地联接至所述至少一个流体喷射装置，以调节通至至少一个流体喷射装置的流体流的速率。
通过调节流体喷射入气流的速率或体积，叶片的降噪特征可变化，这是由于由流体喷射吸收的湍流动能水平的变化。
在一个实施例中，流体喷射装置包括可操作地将喷雾形式的流体喷射入叶片上的气流中的喷嘴。
通过将作为喷雾的流体喷射，气流和流体的较快速的混合将出现，作用以快速吸收气流的湍流动能，并且从而提供叶片的后缘噪音的快速下降。
优选地，喷嘴可操作地将喷雾形式的流体喷射，喷雾具有从沿叶片纵向方向的所述喷嘴的喷雾倾斜角。优选地，所述喷雾倾斜角为相对喷嘴的标称喷射方向成大约+/-45度之间。在该情况中，标称喷射方向可理解成喷射喷嘴指向的总体方向，例如在叶片后缘的总体方向上沿喷嘴位置处的叶片的弦的方向。
此外或备选地，流体喷射装置包括可操作地将液滴形式的流体喷射入叶片上的气流中的喷嘴。
喷射作为液滴柱的流体可提供来自气流的湍流动能的更好的吸收。
优选地，流体被选择成具有比迎面气流更高的黏性。
在叶片周围使相对高黏性的流体与相对低黏性的气流混合作用以有效抑制存在于迎面气流中的湍流能，从而降低由在叶片后缘处的气流的散射效应所产生的噪音水平。
优选地，流体是水。流体可备选地包括适当的气雾剂。
还提供了一种控制风轮机叶片的方法，风轮机叶片具有前缘和后缘，以及可操作地将流体喷射入叶片上的气流中的至少一个流体喷射装置，该方法包括以下步骤：
在风轮机上的旋转布置中提供所述风轮机叶片；以及
在风轮机的运行期间，基于风轮机的运行条件，调节叶片的所述至少一个流体喷射装置的流体喷射方向。
在叶片上提供流体喷射的适应性控制允许降噪的有效率和有效的调节，同时提供在风轮机运行期间的最佳功率产出。
优选地，该方法包括侦测风轮机运行特征的步骤，以及其中所述调节流体喷射方向的步骤基于所述侦测的运行特征。
所述运行条件或特征可包括但不限于以下的任何组合：在风轮机处侦测的总体噪音水平；对于风轮机叶片的运行噪音水平；在风轮机处的风速水平；风轮机叶片的旋转位置等等。
在优选的实施例中，所述调节步骤包括：
在所述叶片基本向下方向行进时，将所述流体喷射装置布置成将流体以基本上游的方向喷射；以及
在所述叶片基本向上方向行进时，将所述流体喷射装置布置成将流体以基本下游的方向喷射。
借助上游方向，这意味着流体以基本向着叶片前缘的方向喷射，基本远离后缘，即以基本与叶片处的迎面气流的方向相反的方向。
借助下游方向，这意味着流体以基本向着叶片后缘的方向喷射，基本远离前缘，即以基本与在叶片处的迎面气流的方向一致的方向。
由于在风轮机叶片在旋转循环的向下路径上时，相对于站立在地面上的观察者，在风轮机运行期间产生的噪音是最高的，上游喷射凭借在旋转的该阶段期间的降噪提供最大益处，这是由于相对于基于地面的观察者潜在的较高水平的降噪可实现。由于叶片升力产生特征在叶片的向下路径中较为不关键，在旋转循环的该阶段期间，上游喷射对于叶片升力的任何影响具有较低的重要性。相反地，下游喷射选择以用于旋转循环的向上路径，以提供一些降噪，同时还保证对叶片的升力产生特征的最小化的影响。
将理解的是，上游流体喷射可仅在旋转循环的向下路径的一部分出现，例如在叶片在相对于风轮机的竖直轴线成30-120度之间以向下方向行进时。
还提供了风轮机，其具有至少一个如上所述的风轮机叶片。
附图说明
现在将仅通过参考附图举例的方式来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了风轮机；
图2示出了根据本发明的风轮机叶片的示意图；
图3示出了图2的叶片的翼型外形的示意图；
图4示出了图2的叶片的一部分的横截面透视图；
图5示出了根据本发明的第一实施例的叶片的后缘的放大横截面视图；
图6示出了根据本发明的第二实施例的叶片的后缘的放大横截面视图；
图7示出了根据本发明的第三实施例的叶片的后缘的放大透视图；
图8示出了在运行期间对于两种不同水平的气流湍流动能来自风轮机叶片的翼型的输出噪音的测样图表；
图9示出了来自风轮机叶片的输出噪音相对风轮机叶片的旋转路径的测样分布；以及
图10示出了根据本发明的另一个方面的叶片的后缘的一对放大横截面视图。
在不同实施例之间共同的元件将使用相同的参考数字指出。
具体实施方式
图1示出了根据所谓的“丹麦概念”的常规现代上风风轮机，其具有塔架4、舱6以及具有基本水平的转子轴的转子。转子包括毂8和从毂8径向延伸的三个叶片10，各叶片10具有最接近毂的叶片根部16以及距离毂8最远的叶片末梢14。转子具有以R标注的半径。
图2示出了根据本发明的实施例的风轮机叶片10的第一实施例的示意图。风轮机叶片10具有常规的风轮机叶片的形状，并且包括最接近毂的根部区30，距离毂最远的成型或翼型区34以及在根部区30和翼型区34之间的过渡区32。叶片10包括在叶片安装在毂上时面对叶片10的旋转方向的前缘18，以及面对前缘18的相反方向的后缘20。
翼型区34(也称为成型区)在产生升力(lift)方面具有完美或几近完美的叶片形状，而根部区30由于结构性的考虑具有基本圆形或椭圆形的横截面，例如使将叶片10安装至毂更容易并更安全。根部区30的直径(或弦)通常是沿整个根部区域30一致的。过渡区32具有从根部区30的圆形或椭圆形形状40向翼型区34的翼型外形50逐渐改变的过渡外形42。过渡区32的弦长通常随距毂的距离r的增加而基本线性地增加。
翼型区34具有翼型外形50，其中弦在叶片10的前缘18和后缘20之间延伸。弦的宽度随距毂的距离r的增加而减少。
应当注意叶片的不同区段的弦通常不在共同的平面中，因为叶片可扭曲或弯曲(即预先变弯)，从而提供具有对应的扭曲和/或弯曲行程的弦平面，这是最常见情况以便补偿取决于距毂的半径的叶片的局部速度。
图3示出了风轮机的典型叶片的翼型外形50的示意图，其中描绘有各种参数，这些参数典型地用于限定翼型的几何形状。翼型外形50具有压力侧52和吸力侧54，其在使用期间(即在转子的旋转期间)通常分别面向迎风(或上风)侧并和背风(或下风)侧。翼型50具有弦60，其中弦长c在叶片的前缘56和后缘58之间延伸。翼型50具有厚度t，其定义为在压力侧52和吸力侧54之间的距离。翼型的厚度t沿弦60而改变。与对称外形的偏离通过弧线(camber line)62来给出，弧线62为贯穿翼型轮廓50的中间线。中间线可通过从前缘56至后缘58画内切圆来找到。中间线顺着这些内切圆的圆心，并且距弦60的偏离或距离被称为弧f。该不对称还可通过使用称为上弧和下弧的参数来限定，其分别被定义成距弦60以及吸力侧54和压力侧52的距离。
翼型外形通常特征在于以下参数：弦长c、最大弧f、最大弧f的位置df，最大翼型厚度t，其为沿中间弧线62的内切圆的最大直径，最大厚度t的位置dt，以及鼻半径(未示出)。这些参数典型地定义为相对弦长c的比率。
参考图4，图2的风轮机叶片10的部分的放大视图被示出，参考图3中所示的翼型50的元件。叶片10还包括设在叶片10的后缘58处的流调整阵列70。阵列70包括沿叶片后缘58的部分延伸的基板72，和从基板72突出的多个锯齿74。锯齿74基本沿远离叶片10的前缘56的方向突出，其基本与在叶片10的后缘58处的平均流方向一致。
锯齿74充当流调整元件，来调整在风轮机叶片的后缘处的边界层气流，以便缓和，频移，或消除在风轮机叶片10的后缘58处产生的散射噪音。
此外或备选地，锯齿74还可具有对于钝后缘噪音的降噪趋势。钝后缘噪音由于有限的后缘厚度(在图10(a)中以58指示)而产生，其在后缘后基本上产生Von-Karman类型的涡旋调整。锯齿的存在可影响这些调整，因为，如果没有锯齿，在后缘后的涡旋流型主要取决于来自吸力侧和压力侧压力的压力差。
阵列70设在叶片50的后缘58的至少一部分上，优选地在从叶片10的根部端16沿叶片10的40-98%的外长度的叶片10的区段中或周围。在备选范围内，阵列沿叶片的60-95%的外长度设置。
叶片10还包括设在后缘58在叶片10的吸力侧54上的多个流体喷射装置80。这些装置80，采用例如液体喷嘴、喷射嘴、喷口的形式，其可操作地将流体喷射至在风轮机叶片上的气流中。流体至叶片10上方的气流中的喷射作用以吸收存在于气流中的湍流动能中的一些，有效地抑制在叶片后缘58处可见的湍流效应。通过从气流吸收一些能量，出现在锯齿状后缘58处的散射水平甚至进一步地降低，因此在叶片运行期间，后缘噪音显著地降低，特别是后缘散射噪音。
参考图5，根据本发明的实施例的叶片后缘的放大横截面视图被示出。在图5中，锯齿74从叶片后缘58突出，从附接至后缘58的压力侧52处的叶片主体的锯齿状阵列70的基板72的区段。流体喷射装置80设在后缘58的吸力侧54处，并且如箭头82所示，将流体喷射入在叶片10上后缘58处的迎面气流中。流体喷射装置80的使用作用以降低在叶片10上的气流中的湍流动能，并且从而改善叶片10的锯齿状区段70的有效性，以降低在叶片后缘58处的噪音。
将理解的是，尽管图5的流体喷射装置80设在叶片10的后缘58处，但装置可备选地设在叶片10的表面上，与后缘58间隔一定距离。该间隔布置的优点在于流体喷射出现在后缘的上游，并且因此在气流到达锯齿状后缘之前，具有增加的时间以降低气流的湍流动能。因此，流体装设装置和锯齿74两者的降噪表现都最大化。
在一个实施例中，流体喷射装置80定位成与后缘间隔开，距所述后缘58等于弦长(chordal length)(即，在沿叶片的纵向长度的位置处的弦的长度)的大约5-10%的位置处。
还将理解的是，尽管图5的流体喷射装置80设在叶片10的吸力侧54上，但可能额外或备选地设在叶片10的压力侧52上。
优选地，所述至少一个流体喷射装置可操作成与成形的叶片外形的邻近表面成大约10度的倾斜角，和/或自叶片的前缘与叶片的成形轮廓的弦成大约145-170度的倾斜角将流体喷射入气流中。此外或备选地，至少一个流体喷射装置具有沿叶片的纵向长度测量的喷射分布角地可操作地将流体喷射至气流中。优选地，该喷射分布角距标称喷射方向(即，从喷射装置向后缘方向)在+/-45度之间，但基于邻近喷射装置的分布不同的角度可被选择。例如，接近地布置的喷射装置可具有相对小的喷射分布角，而具有相对较大的装置间距离的装置可具有相对较高的喷射分布角。
参考图6，根据本发明的进一步的实施例的叶片后缘的放大横截面视图被示出。在图6中，风轮机叶片具有钝或截头的后缘58，其具有后缘表面58a。在该叶片10中，锯齿阵列70设在后缘的压力侧52处以避免在叶片的吸力侧54处的对空气动力学特征上的任何不利的影响，这会影响所产生的功率。然而，由于散射噪音从叶片后缘的两侧52、54产生，故流体喷射装置80设在后缘58的吸力侧54处。因此，在钝后缘58的压力侧上的锯齿74和在钝后缘58的吸力侧54上的流体喷射装置80的组合作用用以有效降低由后缘表面58a两端所产生的噪音，而不会不利地影响叶片升力特征(以及相关的功率产出)。
参考图7，根据本发明的进一步的实施例的叶片后缘的放大透视图被示出。在该实施例中，流体喷射装置80(在图7所示的区段中仅示出其中之一)定位在叶片后缘58处(在该情况，在后缘表面58a上)邻近的锯齿74之间。在叶片10的后缘58处的锯齿74的使用有时将引入由在锯齿74其自身的侧缘处的湍流散射导致的高频率噪音。通过将流体喷射装置80定位在邻近锯齿74之间，由装置80喷射的流体82集中在邻近区段74之间的区域中。因此，喷射装置80的降噪性能集中在降低由使用锯齿74所产生的高频率噪音上，提供了对于叶片10的改善的降噪特征。
后缘流体喷射的潜在降噪效果可参考图8来看出。图8示出了在风轮机叶片的后缘处侦测的噪音水平相对噪音频率的图表，图表针对在叶片上两个不同水平的气流湍流动能。图表使用基于频率-波数的壁压光谱方程。噪音测量为声音压力水平(SPLs)。SPL的单位为分贝(dB)。
所示的上曲线对应于基线湍流动能水平Kt，而下曲线示出动能的降低结果为Kt/2。因此，一旦气流中的动能降低，在所有关注频率的噪音水平降低。可看见的是使用流体喷射以部分降低在气流中的湍流动能可降低侦测的噪音水平大约2-3dB。
在本发明的其它方面中，风轮机叶片可包括流体喷射装置，其可操作地在上游方向上喷射流体，即，对着到来的气流，和/或从装置喷射的流体的方向可调节。通过对着进入迎面气流喷射流体，提供了气流的湍流动能的更有效的吸收，导致可观的风轮机叶片的运行噪音的降低。
在本发明的进一步的实施例中，流体喷射装置80为可调节的，使得流体喷射方向可受控制。在第一方面，流体喷射方向可从基本下游方向(即，基本与在叶片10的成形外形上的平均流方向一致)改变成上游方向(即，基本与在叶片10的成形外形上的平均流方向相反)。喷射方向的这种改变允许叶片10的降噪特征的更佳的控制，这可与叶片10在空气动力表现上的需求相平衡。
参考图9，示出了在标准三叶片风轮机叶片运行期间侦测到的单个风轮机叶片的噪音水平的图示。所示的图示来自由荷兰的National Lucht-en Ruimtevaartlaboratorium(NLR)执行的测量。噪音水平相对于在地面上的观察者来测量，并且是IEC(国际电工委员会)标准测量噪音并且确保噪音限制。随风轮机转子叶片沿顺时针方向旋转，可看见的是在轮机运行期间所产生的最大的噪音强度(相对于基于地面上的观察者)在风轮机叶片在旋转的向下路径(大致以100指示)时出现。相反，最小噪音水平在大致以102指示的向上部分的旋转路径期间被侦测到。
在叶片的向下行程时刻产生高水平的噪音的主要原因是对流放大以及噪音源接近观察者。在向上路径期间，基本上噪音源(由于该叶片的后缘作为主要源)离开观察者，因此所察觉到的噪音较少(多普勒效应)。
随叶片10的升力性能在叶片10的向下路径期间相比于向上路径时具有降低的重要性，因此，所执行的流体喷射的类型可被控制以使叶片降噪特征的表现最大化。
参考图10(a)和(b)，本发明的进一步的实施例被示出，涉及叶片后缘58(在所示的实施例中，后缘58是具有后缘表面58a的截头叶片外形的一部分)的放大的横截面视图。在图10(a)和(b)中，所示的流体喷射装置80包括可指向的流体喷嘴，其可可调节地相对于叶片10的表面枢转。
在图10(a)中，流体喷射装置80被定位使得流体喷射82在下游方向上，基本与由箭头90指示的在叶片10上的迎面气流一致。因此，流体被喷射入气流90中以减少气流的湍流动能，并且以提供叶片10运行噪音的降低。
在图10(b)中，旋转流体喷射装置80，使得喷嘴指向远离叶片的大致后缘方向，并且定位成使得流体喷射器84在上游方向，基本与叶片10上的迎面气流(在该情况中由箭头92指示)相反。因此，流体对着气流方向喷射入气流92中，这可导致叶片10的空气动力学特征的改变，因为气流92遇到以流体喷射84的形式的阻力。该流体84的上游喷射作用以显著地降低气流92的湍流动能，提供在叶片10的运行期间产生的噪音的对应的显著的降低，但可能不利地影响叶片10的升力表现(由于调节叶片空气动力学特征)。
在优选的实施例中，流体喷射装置80连通地与控制器联接，控制器可操作地调节装置80的喷射方向。因此，流体喷射可在基本下游和基本上游喷射方向之间改变。该改变可基于风轮机的目前的运行条件，例如对于轮机所侦测的噪音水平，对于叶片所侦测的噪音水平，轮机处所侦测的风速、轮机处的预测风速等等。
例如，在高风条件下，叶片升力特征可具有降低的重要性，由于可获得的增加的风力，而降噪可具有增高的重要性，因为在叶片周围的气流中的增大的动能。在这种情况中，控制器可操作成调节流体喷射装置的喷嘴的喷射方向至基本上游方向的点处，以提供最大的降噪性能。如果风速大大降低，则控制器可随后改变流体喷射装置的方向以提供基本下游的喷射，导致降噪和最小影响叶片升力之间的平衡。
在一个优选实施例中，控制器可操作成基于风轮机叶片的旋转位置来调节装置80的喷射方向。例如，参考图9，主要的叶片噪音在叶片10的向下路径期间产生，但叶片的升力性能对于该区段不是最大重要性的，叶片升力在叶片的向上路径中更关键。因此，控制器操作成旋转装置80使得在叶片10的旋转路径的向下部分期间，流体喷射以基本上游方向提供，并且在叶片10的旋转路径的向上部分期间，对齐成基本下游方向。在该情况中，在叶片旋转的主要叶片噪音产生的部分期间(即区段100)，提供了流体喷射装置80的最大降噪性能，而在叶片10的向上路径期间(其中产生相对较少的叶片噪音，区段102)，装置对齐成提供对叶片升力的最小影响。
将理解的是，流体喷射装置的旋转可受控制，使得上游喷射84仅出现在旋转循环的向下路径的一部分，例如，在叶片的向下路径期间，在叶片相对于风轮机的竖直轴线成30-120度之间的旋转范围中时，这使得上游喷射集中在最大叶片噪音产生的那些点(即，区段100)。
在本发明的进一步的实施例中，将理解的是流体喷射装置80是可调节的，使得流体喷射方向可在第一位置和第二位置之间改变，第一位置中流体喷射入叶片周围的气流中，第二位置中流体指向叶片外形的表面上。通过在叶片成形轮廓的表面上施加流体(例如水)，可能降低叶片表面的表面摩擦阻力，从而降低总叶片阻力。这提供了叶片表现的运行和控制的进一步的灵活性，使得在叶片处的流体喷射的适应性控制可被使用以对于经历的运行条件使叶片功率输出最大化。
优选地，使用装置80喷射的流体相比于迎面气流具有相对高的黏性。在优选实施例中，水用作喷射流体，但应当理解的是可使用任何适合的气雾剂或液体组分。将理解的是，流体可以任何适合的形式喷射，例如细雾或喷雾，或任何适合的尺寸的液滴的流。
用于喷射的适合流体的容器可设在叶片自身中，和/或叶片可包括管道或管以从风轮机结构向喷射装置80传导流体。
流体喷射过程可控制作为闭环(closed-loop)控制系统的部分，其中流体喷射特征可取决于风轮机的运行条件改变(例如轮机处的风速，所侦测的轮机处的噪音水平)以使由风轮机叶片产生的运行噪音最小化。
例如，叶片可进一步包括泵机构和/或至少一个可控制的阀，使得可调节喷射至气流中的流体的体积。叶片还可操作成控制流体喷射至气流时的速率和/或压力。此外，流体喷射装置可被调节以控制实质流体喷射的特征，例如，喷射图形，喷射角，喷射液滴的尺寸等等。因此，流体喷射的特征可改变以提供对于给定的运行条件的最大的降噪表现。
将理解的是，任何适合的流体喷射装置可被采用以用于本发明，例如喷射喷嘴、喷雾器喷嘴、表面冲击喷嘴等。
尽管图10中示出的实施例指示流体喷射装置80是以铰接旋转可移动的，但是应当理解的是可使用装置80的任何适合的运动。此外，将理解的是在表面冲击喷嘴被用作流体喷射装置的情况下，可能足够的是仅移动这类喷嘴的冲击表面以提供所得流体喷射流的所需的方向调整。
将理解的是，可对所示的实施例作出不同调节。例如，任何适合的突出流调整装置可与流体喷射装置组合，例如刷毛。刷毛的使用允许迎面气流的动能转化成在刷毛中的机械折弯能，从而降低所产生的叶片后缘噪音。
在特别的备选实施例中，单独的锯齿74可被替代或与单独的刷毛束组合。
此外，将理解的是，尽管本文示出的锯齿74是基本平面的，但在叶片后缘处也可采用三维锯齿，以降低散射噪音，即锯齿可在深度以及宽度上改变。
将理解的是，流体喷射装置和/或锯齿可沿叶片的纵向长度设在叶片的后缘处。优选地，装置和/或锯齿设在从叶片的根部端的叶片长度的40-98%的区中。在备选实施例中，锯齿可设在叶片长度的60-95%的区中。由于大部分风轮机叶片的噪音产生朝着向着叶片的外区段的区(由于由那些外锯齿的作用导致的相对高的风速)出现，在位于这些区中时，降噪特征将表现得最有效。
在本发明的进一步增强方案中，将理解的是锯齿(或刷毛)可相对于叶片的后缘移动，优选地可平移移动，以便提供叶片的降噪特征的进一步的控制和适应性。
将理解的是，上述实施例的任何特征可与任何其它实施例的特征互相改变，而不脱离本发明的范围。
本发明不限于本文描述的实施例，并且可修改或适应而不偏离本发明的范围。
Claims (15)
1. 一种风轮机叶片，其用于具有基本水平的转子轴的风轮机转子，所述转子包括毂，所述风轮机叶片在安装至所述毂时从所述毂基本以径向方向延伸，所述风轮机叶片以平行于纵向轴线的纵向方向延伸，并且具有末梢端和根部端，
所述风轮机叶片还包括成形轮廓，所述成形轮廓包括压力侧和吸力侧，以及前缘和后缘，其中弦具有在所述前缘和后缘之间延伸的弦长，所述成形轮廓在由迎面气流冲击时产生升力，
其中，所述风轮机叶片还包括设在所述轮廓的后缘处的至少第一阵列的突出流调整元件，所述流调整元件以基本远离所述轮廓的前缘的方向突出，所述元件通过在所述轮廓后缘处的气流的调整来可操作地降低由所述叶片运行产生的噪音，
其中，所述风轮机叶片还包括至少一个流体喷射装置，所述流体喷射装置可操作地将流体喷射入在所述叶片轮廓上的气流中，以降低所述成形轮廓的所述后缘处的气流的湍流动能，以进一步降低由所述叶片运行产生的噪音。
2. 根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述流体选择成具有比所述迎面气流更高的黏性。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述流体喷射装置包括可操作成将喷雾或液滴形式的流体喷射入所述叶片轮廓上的气流中的喷嘴。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的叶片，其特征在于，所述至少第一阵列的突出流调整元件在纵向方向上沿所述风轮机叶片的长度的至少一部分在所述根部端和所述末梢端之间延伸。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的叶片，其特征在于，所述突出元件选自以下中的至少一者：锯齿、刷毛、刷毛束。
6. 根据在前权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述至少一个流体喷射装置设在所述后缘处在邻近突出元件之间。
7. 根据在前权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，至少一个流体喷射装置设在邻近所述后缘处，以将流体喷射入在所述后缘的上游位置处所述成形轮廓周围的气流中。
8. 根据权利要求7所述的叶片，其特征在于，所述至少一个流体喷射装置定位在与所述后缘间隔开的位置，距离所述后缘大约弦长的5-10%。
9. 根据在前权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述至少一个流体喷射装置可操作地以自所述叶片的前缘相对于所述叶片的成形轮廓的弦成大约145-170度的角度将流体喷射入气流中。
10. 根据在前权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述成形轮廓包括基本钝的后缘，其中所述至少第一阵列的突出流调整元件设在所述钝后缘的压力侧，并且其中所述至少一个流体喷射装置设在所述钝后缘的吸力侧处。
11. 根据在前权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述至少一个流体喷射装置可移动以提供可调节的流体喷射方向。
12. 根据权利要求11所述的叶片，其特征在于，所述流体喷射角度可从基本下游方向改变成基本上游方向。
13. 根据在前权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述叶片包括流体连通系统，其可操作地将流体从流体容器向所述至少一个流体喷射装置传送。
14. 根据权利要求13所述的叶片，其特征在于，所述流体连通系统包括至少一个阀，其可操作地调节通至所述至少一个流体喷射装置的流体流。
15. 一种风轮机，其具有至少一个如权利要求1至14中任一项所述的风轮机叶片。
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