CN104279129A - 用于风力涡轮机叶片的降低噪音的涡旋发生器 - Google Patents

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Abstract

一种从风力涡轮机叶片(20)的空气动力学表面(22)延伸的涡旋生成箔片(26A-G)，所述箔片具有沿箔片的吸力侧(32A-G)的巢形(43A,43F-G)，该巢形能有效减少在箔片和形成于跨过箔片而经过的流中的前缘涡旋(27,29)之间的流分离。巢形可部分地由在箔片的吸力侧和风力涡轮机叶片的吸力侧之间的渐进的内圆角(42)形成。巢形可部分地由跨过箔片的吸力侧而卷曲的箔片的远端部分(40C-D)形成。后缘内圆角(52E-G)可形成脊(54E-G)，其可向箔片的后缘的巢形尾部延伸。巢形轴线(50F-G)可从箔片的入射角(Φ)发散。

Description

用于风力涡轮机叶片的降低噪音的涡旋发生器
技术领域
本发明涉及风力涡轮机叶片上的涡旋发生器，并且具体地，涉及成形为用于降低噪音的这样的涡旋发生器。
背景技术
涡旋发生器已知用来引起涡流结构，该结构通过将来自自由流相对流的动量引入边界层中来改善风力涡轮机叶片的性能，从而在操作期间防止或延缓风力涡轮机叶片上的流分离。
附图说明
在下面的描述中结合附图说明本发明，附图示出了：
图1是具有涡旋发生器的现有技术风力涡轮机叶片的透视图。
图2是现有技术涡旋发生器的透视图。
图3是一对发散的现有技术涡旋发生器的俯视图。
图4是本发明的实施例的透视图。
图5是沿图3的线5-5截取的现有技术横向剖视图。
图6是沿图4的线6-6截取的本发明的实施例的横向剖视图。
图7是本发明的另一个实施例的横向剖视图。
图8是本发明的另一个实施例的横向剖视图。
图9是本发明的另一个实施例的横向剖视图。
图10是本发明的另一个实施例的透视图。
图11是本发明的另一个实施例的透视图。
图12是本发明的另一个实施例的透视图。
图13是本发明的另一个实施例的吸力侧视图。
具体实施方式
本发明人已认识到，现有的涡旋发生器(VG)设计在VG周围产生分离的流动区域，其无助于有益涡旋的生成，而是增加空气动力学噪音和阻力。本发明人还发现，由于全球各地严格的规程，空气动力学噪音是在风力涡轮机的设计和优化中的限制因素。因此，开发了本发明以提高风力涡轮机效率，并且同时降低空气动力学噪音以符合规程并最大程度减小现场反对。
图1示出了具有吸力侧空气动力学表面22的现有技术风力涡轮机叶片20，在空气动力学表面22上安装有一排成对的发散涡旋发生器26、28。相对于涡轮机叶片的自由流气流24生成反转涡旋27、29。这些涡旋将自由流能量引入边界层中，这延缓或防止了与空气动力学表面22的流分离。
图2示出了现有技术涡旋发生器(VG) 26，其为从风力涡轮机叶片20的较大的空气动力学表面22延伸的小型翼型件。该翼型件具有压力侧30 (隐藏)、吸力侧32、前缘（leading edge）34、后缘36、附接到较大的空气动力学表面的根部38、以及远侧部分或顶端40。这样的箔片通常为如图所示的三角形或三角翼形板，并且具有高的前缘掠角Λ，例如50-80度。
图3示出了由称为桨距P的距离隔开的两个发散的涡旋发生器26、28的俯视图。每个VG是具有长度L和相对于自由流流动24的入射角Φ的箔片。诸如10-40度的高入射角Φ在VG的压力侧和吸力侧之间形成高压差。高入射角Φ和高掠角Λ (图2)结合促进了从压力侧30到吸力侧32的高压流的泄漏。当局部流40缠绕VG前缘34时，它形成卷成称为前缘涡旋的涡流结构29的剪切层。图中示出的示例性入射角Φ为15度。
噪音由VG上的角的边缘和拐角并且由VG的吸力侧和涡旋29之间的间隔区域或间隙生成，该间隔区域或间隙促进了噪音波和涡流。诸如10-40度的高VG入射角Φ有益于在一定范围的相对风速内维持涡旋29。然而，形成涡旋29从高角度的VG朝自由流24发散的分离区域。此外，诸如冯卡门涡街的VG后缘(TE)波可产生噪音。
本发明人已认识到，通过沿VG的吸力侧提供消除或减少涡旋和VG之间的流分离区域的涡巢(vortex nest)可降低噪音。涡巢是一种结构，它部分地配合在涡旋周围，使得大体上圆柱形或圆锥形的涡旋不邻接平坦表面或内角，而是窝在填充本来将易于分离的区域的配合的凹形表面中。
图4示出了在一个实施例中的VG 26A，其在VG的吸力侧32A和较大的空气动力学表面22之间在VG的根部中提供了渐进的内圆角（fillet）42。该内圆角具有随到VG的前方44的距离而增加的半径，提供了匹配或紧密地逼近涡旋的大体上圆锥的形状的凹形巢43A。该实施例还提供了内圆角、渐缩的翼向厚度(图6)和渐缩的纵向厚度以通过消除或减小流分离来降低空气动力学噪音。在本文中，“展向”（span-wise）是指大体上垂直于较大的空气动力学表面22。平滑且薄的前缘减小了在产生涡旋过程中的动量损失。示例性的制造方法为注模。在该实施例中，示出了第二VG 28A，其形成发散的对26A、28A。
图5是图3的现有技术VG 26的横向剖视图。区域A和B是生成噪音的分离的流动区域。角的边缘或顶点46和48也沿前缘和后缘生成噪音和阻力，而无助于有益的涡旋27。涡旋中心线50被标出以用于参考。
图6是本发明的VG实施例26A的横向剖视图，其具有压力侧30A、吸力侧32A、前缘34A和局部气流40。该实施例相比现有技术具有两处改进。首先，渐进的内圆角42通过逐渐地增加匹配逐渐地增加的涡旋27的半径来消除图5的间隙A，从而提供涡巢43。例如，内圆角半径可设计成在涡旋中心线50上基本上或大致居中。其次，前缘34A在横向剖视图中具有至少沿前缘的大部分的仅一个顶点。这使由如在图5中那样多个顶点46、48对流40造成的破坏最小化，这种破坏生成噪音。
图7是本发明的VG实施例26B的横向剖视图。相比图6，该实施例借助于在横截面中观察时至少沿前缘34B的大部分从VG的压力侧30B朝吸力侧32B倾斜的净曲率(net curvature)或不对称性而减小间隙B。
图8是本发明的VG实施例26C的横向剖视图，其具有压力侧30C、吸力侧32C、远端部分40C和局部气流40。该实施例由卷曲跨过吸力侧32C的远端部分40C来消除间隙B，从而形成吸力侧凹陷或涡巢43，如在横截面中所示。该实施例的卷曲可以是如图所示从渐进的内圆角42到远端部分40C连续的，或者它可以形成为如在图9中那样的主要VG翼型件部分和二面角顶端。在任一种情况下，二面角r可限定在垂直于较大的空气动力学表面22的平面P1和VG的远端部分40C、40D的平面P2之间。如果卷曲是如在图8中那样连续的，则第二平面P2被限定为如图所示相切于VG的远端部分。该二面角的最佳范围为20-70度。
图9是本发明的VG实施例26D的横向剖视图，其具有压力侧30D、吸力侧32D、远端部分40D和局部气流40。该实施例由以二面角r卷曲或倾斜跨过吸力侧32C的VG的顶端部分40D来消除间隙B，从而形成吸力侧凹陷或涡巢43，如在横截面所示。
诸如50-80度的高的前缘掠角Λ (图2)引起由VG的中跨形成涡旋27。这样的VG的远端部分或顶端40无助于涡旋，而只是由于流分离而增加阻力和噪音。然而，图8和9的实施例通过提供供卷跟随的几何路径而有助于围绕前缘的流卷曲。因此，图8和9的VG的远端部分40C、40D有助于涡旋27并且容纳和引导该涡旋，使它更小并且更密集。减小涡旋尺寸增加其波频率，这在空气中更快速地衰减，从而有效地减小阈值噪音的距离。
图10是本发明的VG实施例26E的透视图，其具有吸力侧32E、前缘34E、后缘36E、远端部分40E和自由流流动24。后缘(TE)内圆角52E可与后缘36E融合以增加VG的有效根弦，这增加了VG雷诺数和所引起的前缘涡旋的强度。脊54E可由后缘36E和内圆角52E形成，该脊在其弦向或展向剖视图中具有单个顶点。该脊可与前缘34E对齐，或者备选地，它可与吸力侧32E对齐，如用54E所指示的，从而使涡旋43向巢尾延伸。脊例如可被成形为图6和7的前缘形状34A或34B的延续。
图11是本发明的实施例的透视图，示出了一对发散的涡旋发生器26F、28F，涡旋发生器26F、28F由在其前缘34的前端44之间的距离P间隔开。吸力侧32F上的渐进的内圆角42F由虚轮廓线示出。在两个VG 26F、28F的吸力侧32F上的渐进的内圆角42F由虚轮廓线示出。这些内圆角沿着较大的空气动力学表面22从前向后朝彼此收敛。这种收敛56通过文丘里效应和伯努利原理而使流在VG之间加速，这增加了横跨每个VG的压差，从而提供了更强的前缘涡旋。在VG 28F的压力侧30上用虚轮廓线示出的压力侧内圆角58可以是或可以不是渐进的，并且它可以小于吸力侧上的内圆角42F，因为它不一定以相邻VG的对应的内圆角收敛。
脊54F可由后缘36F和TE内圆角52F形成。该脊可从后缘36F向尾部延伸，与吸力侧32F对齐。它可以延伸吸力侧32F的轮廓，从而提供平滑的涡巢43F。该涡巢可具有大体上圆锥的形状，其具有从VG的入射角朝自由流24发散的轴线。作为另一个改进，涡巢43F可具有凹陷的轴线50F (表示沿内圆角42F的中心线或焦点画出的曲线)，该轴线朝自由流方向24弯曲至少5度。该弯曲致使涡巢在涡旋原理VG的入射角朝自由流24弯曲时引导或跟随涡旋(图3)。这允许更平滑的方向改变并减少间隙和噪音。
图12是本发明的实施例的透视图，示出了一对发散的涡旋发生器26G、28G，涡旋发生器26G、28G由在其前缘34B的前端44之间的距离P间隔开。如在图11中那样，吸力侧32G上的渐进的内圆角42G由虚轮廓线示出。脊54G可由后缘36E和TE内圆角52E形成，该脊在弦向或展向剖视图中具有单个顶点。该脊可从后缘36G向尾部延伸，与吸力侧32G对齐。它可以延伸吸力侧32G的轮廓，从而提供平滑的涡巢43G。该涡巢可具有大体上圆锥的形状，其具有从VG的入射角朝自由流24发散的轴线。作为另一个改进，涡巢43G可具有凹陷的轴线50G，该轴线朝自由流方向24弯曲至少5度。每个前缘34B可具有在横向截面中观察时至少沿前缘34B的大部分(如例如图7中所示)从VG的压力侧30G朝吸力侧32G倾斜的净曲率或不对称性。
图13是具有沿后缘36H的齿状物60的VG实施例26H的吸力侧视图。齿状物可沿着后缘内圆角脊54G(如有)继续。虽然涡旋发生器中的主流型为前缘涡旋27 (此前示出)，但跨过后缘36H也存在流。由于跨过吸力侧32G的流被前缘涡旋加速，在一些设计中在后缘36H处可存在强压差。这会产生作为空气动力学噪音的源的相干压力波。诸如山形切口的齿状物添加了各种较小的波结构，其破坏后缘压力波的相干性，并且降低噪音。这种效应也减少由诸如冯卡门涡街的后缘压力波对前缘涡旋27的破坏。
本文所描述和示出的实施例可单独地使用或结合。例如，图13的齿状物可添加到图12的VG 26G、28G。作为另一示例，图7的前缘34B在图12的实施例中与图11的渐进的内圆角42F结合。
本发明提供了减小流分离的噪音腔(noisy pocket)的涡巢。它减小了涡旋与平坦表面和内部拐角之间的间距。在一些实施例中，它还通过减少急剧的外部边缘的数目来减小间距。它通过使无助于产生涡旋而只增加阻力和噪音的VG的部分具体地成轮廓来减小由流分离和摩擦导致的动量损失。它还通过减少分离的尾流与涡旋的混合来最优化有益的前缘涡旋的生成。
虽然本文示出和描述了本发明的各种实施例，但是这种实施例显然仅仅通过示例的方式提供。在不脱离本发明的情况下，可以做出许多变型、修改和替换。因此，本发明意图仅受所附权利要求的精神和范围的限制。

Claims (20)

1. 一种用于风力涡轮机叶片的涡旋发生器，包括：
流体箔片，其包括从所述叶片的较大的空气动力学表面延伸的压力侧和吸力侧；以及
涡巢，其沿所述流体箔片的所述吸力侧的至少一部分形成。
2. 根据权利要求1所述的涡旋发生器，其中，所述流体箔片的所述吸力侧的至少所述部分包括具有紧邻所述流体箔片的所述吸力侧的前端的顶点的圆锥表面。
3. 根据权利要求1所述的涡旋发生器，其中，所述涡巢包括在所述流体箔片的所述吸力侧和所述较大的空气动力学表面之间的渐进的内圆角，其中，所述渐进的内圆角的半径从所述流体箔片的前端到后端逐步增加。
4. 根据权利要求3所述的涡旋发生器，其中，所述涡巢包括所述流体箔片的远端部分，所述远端部分跨过所述流体箔片的所述吸力侧而卷曲并且形成从所述渐进的内圆角到所述远端部分的吸力侧展向凹陷。
5. 根据权利要求4所述的涡旋发生器，其中，所述凹陷从所述内圆角到所述远端部分是连续的。
6. 根据权利要求3所述的涡旋发生器，还包括第二流体箔片，所述第二流体箔片包括横跨在所述两个流体箔片的所述吸力侧之间的镜平面的权利要求3的所述流体箔片的镜像，其中，所述两个流体箔片彼此断开并且从前至后彼此发散，并且其中，所述两个流体箔片的所述吸力侧上的所述渐进的内圆角沿着所述较大的空气动力学表面从前至后朝彼此收敛。
7. 根据权利要求3所述的涡旋发生器，还包括在所述流体箔片的后缘和所述较大的空气动力学表面之间的内圆角，其中，所述后缘内圆角包括在所述后缘和所述较大的空气动力学表面之间跨越的脊。
8. 根据权利要求7所述的涡旋发生器，其中：
所述流体箔片相对于沿所述较大的空气动力学表面的自由流流动具有10-40度的入射角；并且
所述脊从所述后缘向尾部延伸，与来自所述流体箔片的所述吸力侧的连续轮廓对齐。
9. 根据权利要求8所述的涡旋发生器，其中，所述连续轮廓形成具有凹陷轴线的所述涡巢，所述凹陷轴线从所述入射角朝所述自由流流动发散并且朝所述自由流流动的方向弯曲曲率的至少5度。
10. 根据权利要求1所述的涡旋发生器，其中，所述流体箔片包括附接到所述较大的空气动力学表面的相对厚的根部和向外延伸且从所述根部的前端向后成角度的相对薄的前缘，其中，所述流体箔片的所述前缘在沿所述前缘的至少大部分截取的横向截面中观察时具有仅单个顶点。
11. 根据权利要求10所述的涡旋发生器，其中，所述前缘在所述横截面中观察时具有从所述流体箔片的所述压力侧朝所述吸力侧的净曲率。
12. 根据权利要求1所述的涡旋发生器，其中，所述涡巢包括跨过所述流体箔片的所述吸力侧而卷曲的所述流体箔片的远端部分。
13. 根据权利要求1所述的涡旋发生器，其中，所述流体箔片还包括锯齿状后缘。
14. 根据权利要求1所述的涡旋发生器，其中，所述涡巢通过在展向上凹陷的所述流体箔片的所述吸力侧的至少一部分形成并且包括凹陷轴线，所述凹陷轴线在所述流体箔片的后端处远离所述流体箔片的入射角朝所述自由流流动弯曲。
15. 一种从风力涡轮机叶片的吸力侧延伸的涡旋发生结构，所述结构包括沿所述结构的吸力侧的至少一部分形成的巢形，所述巢形能有效减少在所述结构和形成于跨过所述结构的前缘而经过的流中的涡旋之间的流分离。
16. 根据权利要求15所述的涡旋发生结构，其中，所述巢形由在所述结构的所述吸力侧和所述风力涡轮机叶片的所述吸力侧之间的渐进的内圆角形成，其中，所述渐进的内圆角沿所述结构的长度从前至后半径增加。
17. 根据权利要求15所述的涡旋发生结构，其中，所述巢形部分地由跨过所述结构的所述吸力侧而卷曲的所述结构的远端部分形成。
18. 根据权利要求15所述的涡旋发生器，还包括第二流体箔片，所述第二流体箔片包括横跨在所述两个流体箔片的所述吸力侧之间的镜平面的权利要求15的所述流体箔片的镜像，其中，所述两个流体箔片彼此断开并且从前至后彼此发散，并且其中，所述两个流体箔片的所述吸力侧上的渐进的内圆角沿着所述风力涡轮机叶片的所述吸力侧从前至后朝彼此收敛。
19. 根据权利要求15所述的涡旋发生结构，其中，每个结构还包括：
前缘，所述前缘具有相对于所述风力涡轮机叶片的所述吸力侧的法线50-80度的掠角，其中，所述前缘在所述结构的横截面中观察时包括仅单个顶点；以及
后缘，所述后缘具有包括脊的内圆角，所述脊与所述结构的所述吸力侧对齐并且延伸出形成所述巢形的所述结构的所述吸力侧的轮廓。
20. 一种用于风力涡轮机叶片的涡旋发生器，包括：
一对发散的翼型件，其在所述风力涡轮机叶片的边界层中从所述风力涡轮机叶片延伸；
其中，所述翼型件中的每一个沿所述风力涡轮机叶片相对于自由流流动具有10-40度的入射角；
其中，由展向上凹陷的每个翼型件的吸力侧的至少一部分在所述翼型件中的每一个上而形成涡巢；并且
其中，所述涡巢包括从所述入射角朝所述自由流流动的方向发散的凹陷轴线。
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