CN104454379A - 减少风轮机转子叶片的噪声的布置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及减少风轮机转子叶片的噪声的布置。该布置(10)包括风轮机转子叶片(20)和噪声减少器件。噪声减少器件包括锯齿状延伸部(41)，以用于至少减少从风轮机转子叶片(20)产生的噪声，且该噪声减少器件附连到后缘区段(27)。锯齿状延伸部(41)包括多个第一齿(61)和多个第二齿(62)。第一齿和第二齿的设计彼此不同，使得在风轮机转子叶片(20)的吸力侧(34)产生的吸力侧噪声和在风轮机转子叶片(20)的压力侧(33)处产生的压力侧噪声都由锯齿状延伸部(41)的齿减少。第一齿和第二齿布置成交替的周期性图案且相对于后缘流线(42)的倾角(43)彼此不同，或者其平台形状彼此不同。

Description

减少风轮机转子叶片的噪声的布置
技术领域
本发明涉及减少风轮机转子叶片的噪声的布置。特别地，该布置包括噪声减少器件，所述噪声减少器件附连到风轮机转子叶片的后缘区段，且所述噪声减少器件以有利的方式减少由风轮机转子叶片产生的噪声。此外，本发明涉及减少风轮机转子叶片的噪声的方法。
背景技术
噪声排放的水平是风轮机的关键和重要的设计参数。特别地，如果风轮机位于岸上且靠近居民区，则对于当地居民而言，由风轮机发出的噪声可能是令人厌烦的且恼人的。因此，已经花费了很大的研发努力来减少风轮机的噪声排放水平。
源于风轮机的噪声的很大一部分是由流经风轮机转子叶片的风产生的。更具体地，源于风轮机转子叶片的噪声的很大一部分是在风轮机转子叶片的后缘区段处产生的。
减少在风轮机转子叶片的后缘区段处产生的噪声的一种方式是使用锯齿状面板，其也被表示为DinoTail。用于风轮机转子叶片的锯齿状面板例如在欧洲专利申请EP2309119Al中被公开。锯齿状面板典型地具有面板或者板的形状，且在面板的至少一侧上包括锯齿，它们也称为齿。这样的锯齿状面板例如通过粘合剂附连到后缘区段。
锯齿状面板的齿典型地在它们的形状和布置方面被优化，使得风轮机转子叶片的总体噪声排放水平被最小化。
由风轮机转子叶片产生和发出的噪声的组成典型地是复杂的。在一方面，噪声在风轮机转子叶片的不同的区段或者位置处被产生或者生成。由于可典型地将压力侧和吸力侧指定给风轮机转子叶片，因此，总体噪声可分成源于压力侧的噪声和源于吸力侧的噪声。此外，所产生和发出的噪声的频谱可较宽。更具体地，由风轮机转子叶片产生的噪声可包括从几个赫兹直至几千赫兹的频率。
通过传统的锯齿状面板减少整个频率范围上的风轮机转子叶片的噪声仅仅在一定程度上是可行的。因此，存在这样的需求和希望：提供一种噪声减少器件来实现风轮机转子叶片的宽频带的噪声减少。特别地，希望减少源于风轮机转子叶片的压力侧的噪声和源于吸力侧的噪声两者。
发明内容
该目的通过独立权利要求实现。从属权利要求描述了本发明的有利的发展和修改。
根据本发明，提供了一种减少风轮机转子叶片的噪声的布置。该布置包括风轮机转子叶片和噪声减少器件。风轮机转子叶片包括根部端、末梢端、前缘区段和后缘区段。噪声减少器件包括用于至少减少从风轮机转子叶片产生的噪声的锯齿状延伸部。该噪声减少器件附连在后缘区段上。锯齿状延伸部包括多个第一齿和多个第二齿。第一齿的设计与第二齿的设计彼此相比较有所不同，使得在风轮机转子叶片的吸力侧处产生的吸力侧噪声和在风轮机转子叶片的压力侧处产生的压力侧噪声两者都通过锯齿状延伸部的齿而减少。
因此本发明的一个重要的方面基于将锯齿状延伸部的齿分成第一组第一齿以及分成为至少第二组第二齿的概念或者构思，其中，第一齿具体地解决了由风轮机转子叶片产生的总体噪声的第一方面或者第一分量，而第二齿具体地解决了噪声的第二方面或者第二分量。具有两个齿组的优点在于，两个组可在它们的设计方面彼此单独地且独立于彼此被优化。例如，第一齿可具体地设计为以便减少由风轮机转子叶片的压力侧产生的噪声，而第二齿可具体地被设计为以便减少由风轮机转子叶片的吸力侧产生的噪声。备选地，不同的齿组可解决总体噪声的不同的频率范围。解决了总体噪声的不同方面的具体齿组的结果是，总体噪声排放水平可被减少。
必须注意，齿的设计包括多个方面。第一，该设计包括齿的形状。形状包括关于齿的相对几何形状的所有方面。因此，齿可具有三角形的形状或者矩形的形状；它们可具有边缘和边框和/或它们可为圆形的以及弯曲的；此外，齿可为长形的，打弯的，等。该设计还包括齿的尺寸。特别地，这涉及齿的纵向延伸、横向延伸以及厚度。最后，重要的是要注意，齿的设计还包括齿相对于风轮机转子叶片的后缘区段如何布置。例如齿可与风轮机转子叶片的弦对齐。备选地，齿可相对于弦倾斜。
锯齿状延伸部可成形为传统的锯齿状面板。换言之，锯齿状延伸部可包括板，其中，该板的至少一侧包括锯齿。该锯齿状面板可附连到风轮机转子叶片的后缘区段。该附连可在制造风轮机转子叶片期间实施，或者备选地作为翻新件被实施。锯齿状延伸部到风轮机转子叶片上的翻新附连指这样一种选项：锯齿状延伸部附连到已经安装到风轮机的毂上的风轮机转子叶片上。特别地，该翻新可在风轮机已经运行了一定时间之后被实施。
备选地，锯齿状延伸部还可在制造风轮机转子叶片时整体地制造。将锯齿状延伸部的制造集成到风轮机转子叶片的制造中的优点是：不需要制造随后必须附连到风轮机转子叶片的单独的锯齿状面板，因为锯齿状延伸部已经是制造好的风轮机转子叶片的一部分。
虽然在许多传统的噪声减少器件中，特别地是在具有齿的锯齿状面板中，中低频率的噪声的减少伴随有高频的噪声的增加，但是本发明中提出的锯齿状延伸部既从吸力侧又从压力侧减少了噪声，从而在宽的频率范围中减少了噪声。
第一齿和第二齿的尺寸取决于多个参数，诸如风轮机转子叶片的大小、风流速度（预期风轮机转子叶片在该风流速度下运行）等。然而，在有利的实施例中，齿的翼展方向延伸和弦向延伸在1cm(厘米)与20cm之间的范围中。此外，有利地，齿的厚度不超过2cm，特别地不超过1cm。
在有利的实施例中，后缘区段包括后缘，且第一齿和第二齿大致沿着后缘成排布置。
后缘也可被理解为在弦向上距前缘区段最远的边框或者线。在风轮机的典型运行条件下，风沿着压力侧和吸力侧从前缘区段流到后缘区段。换言之，典型的风流大致垂直于后缘。因此，有利的是沿着后缘设置或者布置第一齿和第二齿，以便在大的空间区域中减少由流过风轮机转子叶片的风产生的噪声。
可行的是布置第一齿和第二齿，使它们之间具有间隔。然而，有利地，第一齿和第二齿成排布置，且布置成沿着后缘彼此直接相邻。
在第一备选方案中，锯齿状延伸部沿着整个后缘延伸。这意味着锯齿状延伸部从风轮机转子叶片的根部端延伸到末梢端。
然而，在第二备选方案中，锯齿状延伸部仅仅设置在后缘区段的外侧部分中。有利的是将锯齿状延伸部仅设置在外侧部分中，因为由风轮机转子叶片产生的噪声的显著的且很大的一部分是在风轮机转子叶片的外侧部分处产生的。
在另一有利的实施例中，第一齿和第二齿布置成交替的周期性图案。
在某些条件和情况下，可能有利的是随机地和/或不规则地布置第一齿和第二齿。然而，为了有效地且可靠地最小化由风轮机转子叶片产生的总体噪声，交替图案是有利的。例如，各个第二齿是第一组第一齿的齿，且类似地，每隔一个的第二齿是第二组第二齿的齿。换言之，各个第一齿具有两个相邻的第二齿，而各个第二齿具有两个相邻的第一齿。然而，还可能有利的是，仅仅每隔两个或者每隔三个的齿是第二组第二齿的齿。一般而言，可以说，锯齿状延伸部有利地包括第一齿，除了每隔（n-1）个齿(n=1，2，3，……)之外，所述每隔（n-1）个齿是第二组第二齿的齿。
在有利的实施例中，第一齿的数量与第二齿的数量之差少于两个。
换言之，第一齿的数量大致等于第二齿的数量。例如，锯齿状延伸部可包括51个齿，其中25个为第一齿，而26个为第二齿。这51个齿有利地布置成使得各个第一齿与两个第二齿相邻，且该排的第一端处的齿是第二齿，并且该排的第二端处的齿也是第二齿。
在另一有利的实施例中，第一齿大致为三角形的。
虽然原则上齿可具有任意形状，但针对减少噪声以及针对影响沿着风轮机转子叶片经过的风流的有效方式来说，有利的是将第一齿成形为三角形。
此外，有利的是，各个第一齿包括与后缘区段连接的底部、第一侧边以及第二侧边。底部和两个侧边构成了三角形的第一齿的三条边。
换言之，有利的是，齿的底部面向风轮机转子叶片，而三角形的齿的末梢或者顶点面向相反方向。可有利的是，将第一齿直接连接到后缘。
在另一有利的实施例中，第一齿成形为大致等腰三角形。
这意味着两个侧边在它们的长度方面是相等的。作为示例，第一齿成形为大致等边三角形，即，其中所有三条边在它们的长度上相等的三角形。因此，底部长度与齿高度之间的比率是大约0.9。
然而，还可有利的是，选择其中底部长度与齿高度之间的比率小于0.9的第一齿。对于减少噪声而言特别有益的可能是底部长度与齿高度之间的在0.4与0.6之间的范围中的比率。
在另一有利的实施例中，第一侧边和/或第二侧边是锯齿状和/或弯曲的，特别地是凸出地弯曲的。
齿的锯齿状侧边的一个优点在于，经过齿边缘的紊流的声散射效率较低，从而减少了噪声。齿有利地在其侧边上包括一到十个锯齿。
具有凸出地弯曲的侧边的齿也被描述性地称为羽毛形的齿。凸出地弯曲的侧边很适于降低经过齿边缘的紊流的声散射的效率。这又可减少噪声。使侧边弯曲以及将锯齿添加到侧边也可被结合。
在另一有利的实施例中，噪声减少器件包括位于压力侧和/或吸力侧处的凸块。凸块相对于从前缘区段流到后缘区段的风流来说位于上游。此外，凸块布置为且准备为使得风流通过该凸块被选择性地引导到第一齿或者引导到第二齿。
凸块还可称为丘峰或者凸脊。有利地，凸块位于后缘区段处。有利的是将凸块布置在每个第一齿的上游，使得例如风流被明确地引导到每一个第二齿。凸块可添加到风轮机转子叶片的压力侧和吸力侧两者上。然而，还可有利的是将凸块仅布置在压力侧和吸力侧其中之一上。
在另一有利的实施例中，第一齿中的各个相对于后缘流线以第一倾角倾斜。第二齿中的各个相对于后缘流线以第二倾角倾斜。第一倾角和第二倾角彼此相差超过1度，特别地超过三度。
减少吸力侧噪声和压力侧噪声两者的比较简单的方式是选择第一齿的设计和第二齿的设计，使得两组齿具有相同的形状，但是在其相对于后缘流线的倾角方面不同。在上下文中，后缘流线指风流在沿着后缘经过时的方向。换言之，后缘流线指沿着压力侧流动的第一部分和沿着吸力侧流动的第二部分在后缘处再次相遇所处的点处的风流方向。
通过使齿相对于后缘流线以不同的倾角弯曲或者倾斜，可有效地调节和影响对噪声减少的影响。有利地，倾角被选择为使得风轮机转子叶片的升力系数不会受到不利影响，至少不会受到显著程度的不利影响。
应当注意，本创造性构思也可被转用以及应用到其中存在后缘噪声的其它应用，例如，飞行器机翼或者通风风扇。
本发明还涉及减少风轮机转子叶片的噪声的方法，而风轮机转子叶片包括根部端、末梢端、前缘区段和后缘区段。从风轮机转子叶片产生的噪声通过噪声减少器件而被减少，噪声减少器件作为锯齿状延伸部附连到后缘区段。噪声通过形成为锯齿状延伸部的部分的齿而减少。锯齿状延伸部的齿设计为多个第一齿和多个第二齿。第一齿的设计和第二齿的设计彼此相比有所不同，因此，在风轮机转子叶片的吸力侧处产生的吸力侧噪声和在风轮机转子叶片的压力侧处产生的压力侧噪声两者都通过锯齿状延伸部的齿而得以减少。
因此，从风轮机转子叶片产生的噪声通过第一齿和有益的第二齿的有益设计而得以减少，其中，第一齿的设计和第二齿的设计彼此不同，使得有效地解决了噪声的不同方面。应当注意，已经在上文描述过的用来减少风轮机转子叶片的噪声的布置的有利实施例也可有利地用于所述的方法。
有利地，该方法的特征在于，锯齿状延伸部在风轮机转子叶片的制造过程期间作为翻新件附连到风轮机转子叶片、或者作为整体部分附连到风轮机转子叶片。
附图说明
现在参照附图仅仅以示例的方式来描述本发明的实施例，附图中：
图1在平面图中示出了根据现有技术的风轮机转子叶片；
图2在透视图中示出了根据现有技术的风轮机转子叶片；
图3在平面图中示出了包括风轮机转子叶片和锯齿状延伸部的布置；
图4在透视图中示出了包括风轮机转子叶片和具有交替齿的锯齿状延伸部的布置；
图5示出了具有第一齿的风轮机转子叶片的截面；
图6在平面图中示出了附连到后缘的锯齿状延伸部；
图7在平面图中示出了具有锯齿状侧边的第一齿；
图8在平面图中示出了具有凸出地弯曲的侧边的第一齿；以及
图9在平面图中示出了附连到后缘区段的锯齿状延伸部，在该后缘区段上附连了凸块/凸脊。
附图的图示是示意性的。在图中，如果没有做其它说明，指代相同功能的元件由同一附图标记表示。
具体实施方式
图1在平面图（即俯视图）中示出了风轮机转子叶片20。风轮机转子叶片20包括末梢端21和根部端23。末梢端21指的是风轮机转子叶片20的、在该风轮机转子叶片20的末梢22周围的部分。特别地，末梢端21的体积至多包括整个风轮机转子叶片20的体积的百分之十的部分。类似地，根部端23指的是风轮机转子叶片20的、在该风轮机转子叶片20的根部24附近的部分。特别地，根部端23的体积至多包括整个风轮机转子叶片20的体积的百分之十。
此外，风轮机转子叶片20包括具有前缘26的前缘区段25，以及具有后缘28的后缘区段27。此外，前缘区段25指的是风轮机转子叶片20的包围前缘26的部分。类似地，后缘区段27指的是风轮机转子叶片20的包围后缘28的部分。
风轮机转子叶片20的弦36是前缘26与后缘28之间的假想线。后缘28的其中相应弦36最大的点表示为风轮机转子叶片20的肩部29。
翼展35（也表示为风轮机转子叶片20的纵向轴线）从末梢22延伸到根部24。弦36被限定为垂直于翼展35。
最后，风轮机转子叶片20可分成内侧部分31和外侧部分32。内侧部分指的是风轮机转子叶片20的邻近根部24的翼展方向的一半；外侧部分32指的是邻近末梢22的翼展方向的一半。
图2示出了风轮机转子叶片20的一部分的透视图。风轮机转子叶片20包括吸力侧34、以及与吸力侧34相对的压力侧33。弦36分成三个部分：第一部分361，第二部分362，以及第三部分363。第一部分361包括弦长度365的百分之十，第二部分362包括弦长度365的百分之七十，而第三部分363包括弦长度365的百分之二十。因此，前缘区段25包括风轮机转子叶片20的百分之十的弦向部分，而后缘区段27包括风轮机转子叶片20的百分之二十的弦向部分。
图3在平面图中示出了本发明的示例性布置10。该布置10包括风轮机转子叶片20和锯齿状延伸部41。锯齿状延伸部41在风轮机转子叶片20的外侧部分32中附连到后缘28。锯齿状延伸部41包括多个齿。更具体地，锯齿状延伸部41的齿被分成第一齿61和第二齿62。第一齿61和第二齿62设计得略微不同，为了简化的目的在图3中未示出这一点。
图4示出了根据本发明的布置10的一部分，该布置包括风轮机转子叶片20、以及具有第一齿61和第二齿62的锯齿状延伸部41。齿61、62沿着后缘28附连到后缘区段27。第一齿61和第二齿62彼此的不同在于，它们相对于后缘流线42不同地倾斜或者弯曲。后缘流线42被限定为后缘28处的风流的流线方向。在图4中，与第一齿61相比，第二齿62朝向风轮机转子叶片20的吸力侧34弯曲得更多。第一齿61和第二齿62的形状大致相同。
图5示出了与图4中所示的类似的布置10的截面图。可以看出，风流11在后缘28处沿被称为后缘流线42的方向流动。
后缘流线42相对于弦36以后缘流线倾角44倾斜。在图5中，还可见第一齿61的截面图。第一齿61在风轮机转子叶片20的后缘28处附连到风轮机转子叶片20。第一齿61相对于后缘流线42以倾角43倾斜或者弯曲。有利地，倾角在0度与45度(朝向压力侧或者吸力侧)之间的范围中。实验证实，在2度与15度(朝向压力侧或者吸力侧)之间的范围中的倾角43对于减少在风轮机转子叶片20的后缘区段27处产生的噪声而言特别有益。
在特别有利的实施例中，第一齿61包括朝向风轮机转子叶片20的压力侧33的5度倾角。此外，第二齿62包括朝向风轮机转子叶片20的吸力侧34的5度倾角。
图6示出了锯齿状延伸部41的平面图，所述锯齿状延伸部附连到风轮机转子叶片20的后缘区段27的后缘28。锯齿状延伸部41包括第一齿61和第二齿62。两个齿61、62布置成交替的周期性图案。
底部51、第一侧边52、第二侧边53和顶角56可指定给第一齿61。在图6中所示的示例中，第一齿61具有等腰三角形的形状。顶角56相对地较钝，在图6中所示的示例中大约包括55度。
图7和图8示出了齿50的两个有利的实施例。两个齿50具有可描述为大致三角形的形状。理想的三角形形状以虚线描绘。
偏离理想三角形的形状，图7示出了具有锯齿状第一侧边52和镜面对称的锯齿状第二侧边53的齿50。通过参照和比较，假想的非锯齿状侧边由虚线521和531标示。在图7中，可以看到，底部51的底部长度54以及齿高度55可指定给齿50。作为示例，齿高度55是6cm而底部长度54是4cm。此外，在底部51处，齿50的厚度是2mm。锯齿状侧边52、53具有经过齿边缘的紊流的声散射效率较低的优点。这会导致噪声减少。
在图8中，第一侧边52和第二侧边53相对于理想的等腰三角形的假想的第一侧边521和假想的第二侧边531凸出地弯曲。这也会导致经过齿边缘的紊流的效率较低的散射，最终导致减少由风流产生的噪声。图8中所示的齿50的形状也被描述为羽毛形。
如已经提到的，附图的图示是示意性的。特别地，图7和图8中所示的齿的形状甚至更具体地底部长度54与齿高度55之间的比率都不一定真实地按比例绘制。有利地，底部长度54与齿高度55之间的比率在0.4到0.6的范围中。
最后，图9示出了附连到风轮机转子叶片20的后缘区段27的凸块或者凸脊45。凸块45导致风流的后缘流线42的偏转。这具有如下优点：与没有凸块45的平面状后缘区段27相比，风以不同的角度流过锯齿状延伸部41的齿61、62。由于偏转的或者转向的风流与第二齿62的侧边更加对齐这一事实，噪声得以减少。必须注意，凸块45的其中一个方面在于，风流被选择性地引导到第二齿62且被防止流到第一齿61。

Claims (12)

1. 一种减少风轮机转子叶片(20)的噪声的布置(10)，其中：
-   所述布置(10)包括风轮机转子叶片(20)和噪声减少器件，
-   所述风轮机转子叶片(20)包括根部端(23)、末梢端(21)、前缘区段(25)以及后缘区段(27)，
-   所述噪声减少器件包括锯齿状延伸部(41)，以用于至少减少从所述风轮机转子叶片(20)产生的噪声，且
-   所述噪声减少器件附连到所述后缘区段(27)，
其特征在于，
-   所述锯齿状延伸部(41)包括多个第一齿(61)和多个第二齿(62)，且
-  所述第一齿(61)的设计和所述第二齿(62)的设计彼此不同，使得在所述风轮机转子叶片(20)的吸力侧(34)处产生的吸力侧噪声和在所述风轮机转子叶片(20)的压力侧(33)处产生的压力侧噪声都由所述锯齿状延伸部(41)的齿(61，62)来减少。
2. 根据权利要求1所述的布置(10)，
其特征在于，
-   所述后缘区段(27)包括后缘(28)，且
-   所述第一齿(61)和所述第二齿(62)大致沿着所述后缘(28)成排布置。
3. 根据权利要求1或2所述的布置(10)，
其特征在于，所述第一齿(61)和所述第二齿(62)布置成交替的周期性图案。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的布置(10)，其特征在于，所述第一齿(61)的数量与所述第二齿(62)的数量之差小于2。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的布置(10)，其特征在于，所述第一齿(61)是大致三角形的。
6. 根据权利要求5所述的布置(10)，其特征在于，
-   所述第一齿(61)中的各个包括与所述后缘区段(27)连接的底部(51)、第一侧边(52)和第二侧边(53)，且
-   所述底部(51)和所述侧边(52，53)构成所述三角形的第一齿(61)的三条边。
7. 根据权利要求6所述的布置(10)，
其特征在于，
所述第一齿(61)成形为大致等腰三角形。
8. 根据权利要求6或7所述的布置(10)，
其特征在于，所述第一侧边(52)和/或所述第二侧边(53)是：
锯齿状的；和/或
弯曲的，特别地凸出地弯曲的。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的布置(10)，
其特征在于，
-   所述噪声减少器件包括位于所述压力侧(33)和/或所述吸力侧(34)处的凸块(45)，
-   所述凸块(45)相对于从所述前缘区段(25)流到所述后缘区段(27)的风流(11)来说位于上游，且
-  所述凸块(45)和/或凸脊布置且准备成使得所述风流(11)由所述凸块(45)选择性地引导到所述第一齿(61)或者引导到所述第二齿(62)。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的布置(10)，
其特征在于，
-   所述第一齿(61)中的各个相对于后缘流线(42)以第一倾角倾斜，
-   所述第二齿(62)中的各个相对于后缘流线(42)以第二倾角倾斜，且
-   所述第一倾角和所述第二倾角彼此之差大于1度，特别地大于3度。
11. 一种减少风轮机转子叶片(20)的噪声的方法，
-   其中所述风轮机转子叶片(20)包括根部端(23)、末梢端(21)、前缘区段(25)以及后缘区段(27)，
-   其中，从所述风轮机转子叶片(20)产生的噪声由噪声减少器件减少，所述噪声减少器件作为锯齿状延伸部(41)附连到所述后缘区段(27)，
-   其中，所述噪声通过形成为所述锯齿状延伸部(41)的部分的齿(61，62)得以减少，
其特征在于，
-   所述锯齿状延伸部(41)的齿(61，62)设计为多个第一齿(61)和多个第二齿(62)，
-   其中，所述第一齿(61)的设计和所述第二齿(62)的设计彼此不同，从而在所述风轮机转子叶片(20)的吸力侧(34)处产生的吸力侧噪声和在所述风轮机转子叶片(20)的压力侧(33)处产生的压力侧噪声都由所述锯齿状延伸部(41)的所述齿(61，62)来减少。
12. 根据权利要求11所述的方法，
其特征在于，所述锯齿状延伸部(41)在所述风轮机转子叶片(20)的制造过程期间作为翻新件附连到所述风轮机转子叶片(20)、或者作为整体部分附连到所述风轮机转子叶片(20)。
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