CN106246478B - 风机叶片用降噪装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风机叶片用降噪装置，包括基板和由超高分子量聚乙烯制成的降噪刷毛，降噪刷毛设置在基板上，降噪装置安装后，基板的底面固定在风机叶片上；本发明公开的风机叶片用降噪装置采用由超高分子量聚乙烯（UHMWPE）制成的降噪刷毛，综合性能好，可解决现有刷毛材料的不足；该降噪刷毛机械性能好、质量轻，耐UV老化性能极佳，强度、模量、耐候性能和耐紫外老化性能均优于现有的刷毛材料，其韧性、抗老化性能、强度、耐低温、抗冲击性等性能满足要求，耐水、耐湿、耐化学腐蚀、耐紫外线辐射性能均极佳，可解决现有降噪技术对风流方向的改变响应性差以及现有降噪组件降噪效果单一的问题。

Description

风机叶片用降噪装置

技术领域

本发明涉及一种降噪装置，具体是一种风机叶片用降噪装置。

背景技术

随着风电装机容量的不断增加，风电机组的噪声问题日益严重。风电机组的噪声污染会干扰附近居民的工作和生活，并制约叶片设计的效率和产量，因此风电机组的噪声控制非常必要。降噪装置在控制噪声的同时需要最小化对对风电机组发电效率的影响。

风电叶片的噪声源主要为风轮叶片旋转引起的结构振动噪声和空气动力噪声。空气动力噪声可以来自叶片的不同位置，包括叶片后缘、叶片表面、叶尖等不同位置，产生原因都是空气的非稳定流动，包括气流的扰动、气流间或气流与物体相互作用而产生的噪声。目前降低叶片噪声的方法主要从叶片的外形、翼型、结构及材料等方面进行设计和研究，开发可行的措施，来达到降低噪音的目的。现有的典型降噪技术各有优缺点，例如在风机叶片尾缘添加锯齿降噪附件，仅能在风沿特定方向上流动时降低噪音，在风向改变时，降噪效果则可能降低，下面列举现有的典型降噪技术。

一、叶片外形：CN 101387262 A公开的风力涡轮转子叶片和风力蜗轮转子，通过改变叶片尖端平面形状，即在叶片尖部安装“小翼”（winglets）来实现降噪。叶尖“小翼”可以抑制扰流和涡流的产生，增加气动阻尼，减少震荡，从而降低噪音，但是这种降噪措施对于后缘涡流产生的噪声效果有限。

二、叶片翼型、结构：CN 102003333 B提出了一种具有降噪功能的风力机叶片，这种叶片尖端安装有锯齿或者毛刷，并且对叶尖的几何形状进行限制和优化，可有效降低叶尖处脱落涡的强度，进而抑制由脱落涡引起的气动噪音。

三、材料：CN 102536639 A公开的用于风力涡轮机中的转子叶片的降噪装置，可以吸收来自叶片应变的降噪装置粘合剂，该粘合剂的剪切模量低，可包括环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸酯、丙烯酸泡沫等，可防止叶片的应变通过粘合剂层传递到降噪装置。

四、涡流发生器：CN 101223356A公开了一种俯仰控制式风轮机叶片、风轮机及其应用，其以一种湍流生成装置作为叶片气动噪音减小装置，该装置放置在风力叶片的背风表面侧，并位于朝向叶片尖端的外段。这种湍流发生装置可以减小涡流脉动噪声和尾缘涡流脱离噪声。

五、锯齿尾缘、硬毛：CN 102562436 B公开的用于风力机中的转子叶片的降噪器，是一种改良的锯齿尾缘降噪装置，该降噪装置为包含多个刚毛或者毛簇的锯齿形尾缘，其中硬毛或者毛簇从锯齿尾缘的围缘表面伸出。 叶片锯齿尾缘结构可以改变尾涡脱落的位置，从而降低叶片后缘涡流脱落引起的噪声。但该降噪装置仅对改善尾缘噪音有效，对叶片表面的噪音效果较差。

六、柔韧性刷毛：CN1936320A公开了一种具有降低噪音的叶片式转子的风轮机，其包括柔韧性刷毛降噪组件，该组件在叶片的后缘上排成一排并凸伸出后缘，从而在空气流动方向上平衡叶片两侧的压力波动，降低噪音。

上述现有的典型降噪技术具有各种缺点，而共同的缺点是只能降低某一单一噪声源产生的气动噪声。如典型的后缘锯齿型降噪装置在锯齿的宽度上具有恒定的刚度，会使锯齿难以响应风流方向的改变，从而减低降噪效果。

风机的户外工作环境严苛，叶片运行速度越来越高，刷毛降噪技术要求刷毛不仅能有足够的强度抵抗高风速运转的冲击、拉伸，且要有足够的柔韧性和抗紫外老化性以保证降噪效果和使用年限，而现有降噪专利中所用的降噪刷毛材料并没有意识到抗紫外性能的重要性，紫外不耐受的材料常年暴露在日光下会逐渐降解、变色、变脆，机械性能大幅度下降，最终导致断裂。抗紫外性和耐候性要求所用材料的分子结构中不能含有芳香环、双键等不饱和基团、叔碳中心以及其他易水解的官能团，如凯夫拉纤维中的芳香环在紫外光照下会逐渐降解，因此不适合作为需要长期户外使用的刷毛降噪材料。现有的刷毛降噪技术所用的材料包括热塑料、热塑性玻璃复合纤维、尼龙、聚酯、凯夫拉、聚丙烯等。这些材料的缺点各异，在强度、韧性、耐低温、抗冲击、抗老化性能上难以兼顾，难以满足实际应用需求，如尼龙纤维容易吸湿、耐酸性差，不能耐受酸雨的腐蚀，吸湿后机械性能大幅下降；大多数聚酯纤维机械较差，且易水解；凯夫拉的机械性能较好，但是耐紫外老化性能较差，聚丙烯的机械强度性能较差，在风机高速旋转时，叶尖可以达到100m/s，因此对刷毛的机械强度要求很高。综上所述，要寻找一款各方面性能平衡好、综合性能优异的刷毛材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种风机叶片用降噪装置，该降噪装置采用超高分子量聚乙烯作为刷毛材料，其韧性、抗老化性能、强度、耐低温、抗冲击性等性能满足要求，耐水、耐湿、耐化学腐蚀、耐紫外线辐射性能均极佳，可解决现有降噪技术对风流方向的改变响应性差以及现有降噪组件降噪效果单一的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种风机叶片用降噪装置，包括基板和由超高分子量聚乙烯制成的降噪刷毛，所述的降噪刷毛设置在所述的基板上，降噪装置安装后，所述的基板的底面固定在风机叶片上。

本发明采用由超高分子量聚乙烯（UHMWPE）制成的降噪刷毛，综合性能好，可解决现有刷毛材料的不足，这是本发明人在进行降噪装置设计研发中的一个意外发现。本发明采用的超高分子量聚乙烯中的超长链可以更加有效的通过加强分子间相互作用，将载荷转移至聚合物骨架，因此其冲击强度高于任何现有的热塑性塑料。本发明降噪刷毛采用的超高分子量聚乙烯中超过95 %的分子为平行的取向，结晶度在39～75 %之间，且不含任何官能团，其密度为0.93～0.94 g/cm³，拉伸强度为1400～3090 MPa，拉伸模量为55～172 GPa，该降噪刷毛机械性能好、质量轻，耐UV老化性能极佳，强度、模量、耐候性能和耐紫外老化性能均优于现有的刷毛材料（其强度是常用降噪刷毛材料聚丙烯的五倍，拉伸模量约为聚丙烯的十倍），其韧性、抗老化性能、强度、耐低温、抗冲击性等性能满足要求，耐水、耐湿、耐化学腐蚀、耐紫外线辐射性能均极佳，可解决现有降噪技术对风流方向的改变响应性差以及现有降噪组件降噪效果单一的问题。

作为优选，所述的降噪刷毛设置在所述的基板的前侧，所述的降噪刷毛为锯齿状或波浪状，降噪刷毛可大体裁剪成多个连续的V形、U形或者半圆形单元，以整体形成锯齿状或波浪状。裁剪为锯齿状或波浪状的降噪刷毛可以与经过的风流相互作用，降低与叶片后缘涡流相关的噪声。

实际操作中，除锯齿状或波浪状外，降噪刷毛也可裁剪为适于降低风机叶片噪声的其他任何形状。进一步地，所述的基板的前侧为平面状，或者，所述的基板的前侧为锯齿状或波浪状。降噪装置一般可安装在风机叶片靠近后缘的表面上，也可安装在靠近前缘的表面上，或者靠近叶片尖端、根部的表面上，以及其他任何合适的位置处。

进一步优选地，所述的基板的表面设置有若干上凸且并行的降噪导轨，若干所述的降噪导轨间隔设置，若干所述的降噪导轨的前端自所述的基板的前侧伸出，每根所述的降噪导轨上设置有辅助刷毛，所述的辅助刷毛沿每根所述的降噪导轨的长度方向间隔设置。进一步地，若干所述的降噪导轨均为前粗后细的鳍状。降噪刷毛与带有辅助刷毛的降噪导轨的组合，可起到协同降噪的效果，降低与叶片后缘涡流和叶片表面涡流相关的噪声，尤其是在经过降噪装置的风流方向改变的情况下，具有更加有利的响应，从而在风向改变时仍然保持较好的降噪效果。在实际应用中，在叶片尾缘和表面同时安装本发明降噪装置，令降噪导轨与风机叶片宽度方向大体平行，可同时改变叶片表面、后缘、叶尖涡流降噪，起到较好的协同降噪效果。

优选地，所述的基板的表面设置有若干上凸且并行的降噪导轨，若干所述的降噪导轨间隔设置，若干所述的降噪导轨的前端自所述的基板的前侧伸出，若干所述的降噪导轨上均设置有所述的降噪刷毛，所述的降噪刷毛沿每根所述的降噪导轨的长度方向间隔设置。在风机叶片运作时，含降噪刷毛的降噪导轨可以与流经叶片表面的风流相互作用，有效降低翼型间的扰流作用，减小涡流脉动噪声和尾缘涡流脱离噪声。该降噪装置可安装在风机叶片靠近后缘的表面上，此时降噪刷毛可提高导轨对风流方向改变的响应性，减少翼型表面压力脉动。进一步地，若干所述的降噪导轨均为前粗后细的鳍状，而在实际应用中，降噪导轨也可设计为能够降低风机叶片噪声的其他任何形状。

在实际应用中，可限定降噪导轨的高度、厚度及其自风机叶片后缘伸出的长度以及相邻的两个辅助导轨之间的间距。导轨间隔越小，降噪效果越佳，但极小的导轨间隔会导致涡流脱落。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的风机叶片用降噪装置采用由超高分子量聚乙烯（UHMWPE）制成的降噪刷毛，综合性能好，可解决现有刷毛材料的不足；本发明降噪刷毛采用的超高分子量聚乙烯中超过95 %的分子为平行的取向，结晶度在39～75%之间，且不含任何官能团，其密度为0.93～0.94 g/cm³，拉伸强度为1400～3090 MPa，拉伸模量为55～172 GPa，该降噪刷毛机械性能好、质量轻，耐UV老化性能极佳，强度、模量、耐候性能和耐紫外老化性能均优于现有的刷毛材料（其强度是常用降噪刷毛材料聚丙烯的五倍，拉伸模量约为聚丙烯的十倍），其韧性、抗老化性能、强度、耐低温、抗冲击性等性能满足要求，耐水、耐湿、耐化学腐蚀、耐紫外线辐射性能均极佳，可解决现有降噪技术对风流方向的改变响应性差以及现有降噪组件降噪效果单一的问题。

附图说明

图1（a）～图1（c）为不同形式的实施例1的降噪装置的局部外观示意图；

图2为图1（a）的降噪装置在风机叶片上安装后效果图；

图3为实施例2的降噪装置的外观示意图；

图4为实施例3的降噪装置的外观示意图；

图5为实施例4的降噪装置的外观示意图；

图6为实施例5的降噪装置的外观示意图；

图7为实施例5的降噪装置在风机叶片上安装后效果图；

图8为图7中A处放大图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1的风机叶片用降噪装置，如图1（a）～图1（c）所示，包括基板1和由超高分子量聚乙烯制成的降噪刷毛2，降噪刷毛2设置在基板1的前侧，基板1的前侧为平面状，降噪刷毛2为锯齿状或波浪状。图1（a）、图1（b）、图1（c）是实施例1的降噪装置的三种形式，其降噪刷毛2为锯齿状或波浪状，但在实际操作中，除锯齿状或波浪状外，降噪刷毛也可裁剪为适于降低风机叶片噪声的其他任何形状。降噪装置安装后，基板1的底面固定在风机叶片3上，图2为图1（a）的降噪装置在风机叶片3上安装后效果图，图2中，降噪装置的安装位置靠近风机叶片3的尖端，但在实际操作中，降噪装置也可安装在风机叶片靠近后缘的表面上，或者靠近前缘的表面上，或者靠近叶片根部的表面上，以及其他任何合适的位置处。

实施例2的风机叶片用降噪装置，如图3所示，包括基板1和由超高分子量聚乙烯制成的降噪刷毛2，降噪刷毛2设置在基板1的前侧，基板1的前侧为锯齿状，降噪装置安装后，基板1的底面固定在风机叶片（图中未示出）上，基板1的前侧为锯齿状，降噪刷毛2为可以采用图1中示出的锯齿状、波浪状或者其他形状。本实施例中，基板1的前侧也可以采用波浪状或者其他形状。

实施例3的风机叶片用降噪装置，如图4所示，包括基板1和由超高分子量聚乙烯制成的降噪刷毛2，降噪刷毛2设置在基板1的前侧，降噪刷毛2为锯齿状；基板1的表面设置有若干上凸且并行的降噪导轨3，若干降噪导轨3均为前粗后细的鳍状，若干降噪导轨3间隔设置，若干降噪导轨3的前端自基板1的前侧伸出，每根降噪导轨3上设置有辅助刷毛4，辅助刷毛4沿每根降噪导轨3的长度方向间隔设置；降噪装置安装后，基板1的底面固定在风机叶片（图中未示出）上。

实施例4的风机叶片用降噪装置，如图5所示，包括基板1和由超高分子量聚乙烯制成的降噪刷毛2，降噪刷毛2设置在基板1的前侧，基板1的前侧为锯齿状，降噪刷毛2为锯齿状；基板1的表面设置有若干上凸且并行的降噪导轨3，若干降噪导轨3均为前粗后细的鳍状，若干降噪导轨3间隔设置，若干降噪导轨3的前端自基板1的前侧伸出，每根降噪导轨3上设置有辅助刷毛4，辅助刷毛4沿每根降噪导轨3的长度方向间隔设置；降噪装置安装后，基板1的底面固定在风机叶片（图中未示出）上。

实施例5的风机叶片用降噪装置，如图6所示，包括基板1和由超高分子量聚乙烯制成的降噪刷毛2，基板1的表面设置有若干上凸且并行的降噪导轨3，若干降噪导轨3均为前粗后细的鳍状，若干降噪导轨3间隔设置，若干降噪导轨3的前端自基板1的前侧伸出，若干降噪导轨3上均设置有降噪刷毛2，降噪刷毛2沿每根降噪导轨3的长度方向间隔设置；降噪装置安装后，基板1的底面固定在风机叶片4上，降噪导轨3与风机叶片4宽度方向大体平行，安装后效果图见图7。

Claims (6)

1.一种风机叶片用降噪装置，其特征在于包括基板和由超高分子量聚乙烯制成的降噪刷毛，所述的降噪刷毛设置在所述的基板的前侧，所述的降噪刷毛为锯齿状或波浪状，所述的基板的表面设置有若干上凸且并行的降噪导轨，若干所述的降噪导轨间隔设置，若干所述的降噪导轨的前端自所述的基板的前侧伸出，若干所述的降噪导轨上均设置有所述的降噪刷毛，所述的降噪刷毛沿每根所述的降噪导轨的长度方向间隔设置，降噪装置安装后，所述的基板的底面固定在风机叶片上。

2.根据权利要求1所述的一种风机叶片用降噪装置，其特征在于所述的基板的前侧为平面状。

3.根据权利要求1所述的一种风机叶片用降噪装置，其特征在于所述的基板的前侧为锯齿状或波浪状。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种风机叶片用降噪装置，其特征在于所述的基板的表面设置有若干上凸且并行的降噪导轨，若干所述的降噪导轨间隔设置，若干所述的降噪导轨的前端自所述的基板的前侧伸出，每根所述的降噪导轨上设置有辅助刷毛，所述的辅助刷毛沿每根所述的降噪导轨的长度方向间隔设置。

5.根据权利要求4所述的一种风机叶片用降噪装置，其特征在于若干所述的降噪导轨均为前粗后细的鳍状。

6.根据权利要求1所述的一种风机叶片用降噪装置，其特征在于若干所述的降噪导轨均为前粗后细的鳍状。