CN107448354B

CN107448354B - 具有降噪机构的转子叶片

Info

Publication number: CN107448354B
Application number: CN201710385267.0A
Authority: CN
Inventors: P.B.恩沃尔森; S.奥埃勒曼斯; B.里歇特; B.伯克莫斯
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2016-05-27
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2020-06-26
Anticipated expiration: 2037-05-26
Also published as: EP3249216A1; CN107448354A; US20170342960A1; US10502187B2

Abstract

本发明涉及具有前缘（23）和后缘（24）的转子叶片（20），其中，转子叶片（20）被设计并构造用于暴露于流体，该流体基本上从转子叶片（20）的前缘（23）流动至后缘（24），转子叶片（20）包括至少一个传感器（31）以用于检测流体的流动特性，并且转子叶片（20）进一步包括至少一个致动器（32）以用于产生防噪音信号。传感器（31）和致动器（32）二者均被布置在转子叶片（20）的表面处，并且致动器（32）被布置并配置成使得由流体产生的转子叶片（20）的流动引起的边缘噪音被该防噪音信号至少部分地抵消。本发明进一步涉及包括至少一个这样的转子叶片（20）的风力涡轮机。

Description

具有降噪机构的转子叶片

技术领域

本发明涉及被设计并构造成用于暴露于流体的转子叶片，其中，转子叶片的流动引起的边缘噪音被最小化。本发明进一步涉及具有至少一个这样的转子叶片的风力涡轮机。

背景技术

当具有前缘和后缘的转子叶片暴露于基本上从转子叶片的前缘流动至后缘的流体（诸如，空气）时，一般在转子叶片的边缘处产生噪音。噪音的强度和噪音的频率取决于很多参数，诸如，流体的性质和边缘的属性，即，该边缘的大小以及该边缘的形状，例如，其是圆的或是锋利的。

在边缘处产生的噪音通常是不期望的。在被安装在陆上（即，安装在地面上）的风力涡轮机的示例中，由旋转的转子叶片产生的噪音能够令风力涡轮机附近的人们觉得讨厌。为此原因，关于在距风力涡轮机特定距离处所允许产生的噪音水平存在各种法律规定和限制。作为结果，风力涡轮机可能需要被放置在更远离居住区的地方或者风力涡轮机必须以不超过最大允许的噪音水平的方式操作。由于流动引起的边缘噪音，这意味着在特定情况下风力涡轮机可能需要被削减（curtail）。

因为这个问题已知多年，所以已经提出了各种用于降低转子叶片的流动引起的边缘噪音的方案。这些方案包括翼型的形状和设计。在本上下文中，特别地，转子叶片的后缘的形状和设计是至关重要的。可以在转子叶片中添加或包括空气动力附加装置，以便最小化转子叶片的流动引起的边缘噪音。用于降噪的众所周知的附加组件为锯齿形件，诸如，锯齿形面板，该锯齿形面板安装在靠近后缘的转子叶片的压力侧或吸入侧。然而，仍然存在的以及仍然产生的流动引起的边缘噪音仍然可以相当大。

因此，对于提供如何进一步降低转子叶片的流动引起的边缘噪音的构思存在需要。

发明内容

这个目标由在独立权利要求中描述的本发明实现。在从属权利要求中表述有利实施例和修改方案。

根据本发明，一种具有前缘和后缘的转子叶片被提供，其中，转子叶片被设计且构造用于暴露于流体，该流体基本上从转子叶片的前缘流动至后缘。转子叶片包括用于检测流体的流动特性的至少一个传感器以及用于产生防噪音信号的至少一个致动器。传感器和致动器二者被布置在转子叶片的表面处。另外，致动器被布置并配置成使得由流体产生的转子叶片的流动引起的边缘噪音被该防噪音信号至少部分地抵消。

换言之，本发明描述了一种如何从转子叶片降低或者甚至完全消除流动引起的边缘噪音的方法。该噪音的降低或者甚至消除通过防噪音的使用而实现。因为通常流动引起的边缘噪音是由湍流流动导致的宽频噪音源，所以该边缘噪音是随意的（即，随机的）。声压波动是非确定的，这意味着即使统计属性已知，也不能在当前或更早的声音信号的基础上在时间意义上预测声压波动。

然而，在边缘处产生声音的不稳定的表面压力模式能被视作与沿着转子叶片的翼弦的流动无变化地对流。要注意的是，在实际中，该无变化的对流发生直至特定程度。这意味着不稳定的表面压力模式的最小变化是可能的。该现象在文献中被称为“冻结湍流”假设。在本发明中，该事实被用来检测边缘上游的不稳定的表面压力，使得能够在湍流涡流经过边缘的时刻反相地构建并发出抵消噪音的防噪音信号，该湍流涡流是产生不稳定的表面压力模式和噪音的原因。

因此，在转子叶片处的本发明的结构的必要部件是用于检测流体的流动特性的至少一个传感器以及用于产生防噪音信号的至少一个致动器。传感器和致动器二者被布置在转子叶片的表面处。这意味着它们以某种方式集成或添加至转子叶片的表面处。为了防止不利的空气动力效果，一个选项是将传感器和致动器埋入并插入至转子叶片的外壳或表面部分中，使得它们与周围空气接触，但是它们不会在转子叶片的表面上突出并产生额外的湍流。

要注意的是，术语“致动器”必须在广泛的意义上理解。其必须理解为能够将电信号转变成物理、机械运动的任意机构。此样的致动器的示例是膜状物、扬声器或转子叶片的变形表面。在更广泛的意义上， “致动器”的概念包括适合并且能够用于产生期望的防噪音信号的任意机构，该期望的防噪音信号随后被使用从而至少部分地抵消流动引起的边缘噪音。

同样地，所提及的“传感器”也必须在广泛的意义上理解为能够检测经过传感器的流体的流动特性的任意机构。例如，传感器还可以包括膜状物。传感器还可以包括某种扩音器。在最简单的形式中，传感器可以仅是表面中的小开口，其感测由经过该开口的流体引起的波动的表面压力，使得该压力随后引起并且产生防噪音信号。

在本发明的实施例中，转子叶片包括具有翼型形状的部分，该翼型包括压力侧和吸入侧，并且压力侧和吸入侧的每一个由转子叶片的后缘和前缘限定。

换言之，在本发明的优选实施例中，转子叶片是产生升力的转子叶片，其至少部分地具有翼型的形状。翼型的特征在于，其包括压力侧和吸入侧，并且当其暴露于基本上从转子叶片的前缘流动至后缘的流体时，能够产生升力。如本领域技术人员熟知的，这样的翼型形状的转子叶片的外表面的特征在于下述的一个部分：该部分被称作压力侧，并且在一侧上由后缘限定且在另一侧上由前缘限定，而且表面的剩余部分通常被称作转子叶片的吸入侧。

本发明特别地涉及风力涡轮机的转子叶片。然而，本发明的构思不限于风力涡轮机的转子叶片的流动引起的边缘噪音。其也能够应用于从例如航空器机翼、直升机叶片、风扇等降低流动引起的边缘噪音。

示例性地，致动器包括扬声器。此样的扬声器是众所周知并且能够容器获得的便宜的装置，其能够以简单且便宜的方式集成或添加至几乎任意大小的转子叶片，而不影响围绕该叶片的空气动力流动。

对于传感器，该传感器可以示例性地包括表面压力换能器。这样的压力换能器也是众所周知且被充分证明的，并且也可以被添加或实施并包括至转子叶片，而不需要多的花费或者对现有的转子叶片进行改变。

要注意的是，流动引起的边缘噪音优选涉及转子叶片的后缘噪音，即，涉及是流动引起的边缘噪音并且在转子叶片的后缘中产生的噪音，该流动引起的边缘噪音由致动器产生的防噪音信号至少部分地抵消。然而，在原理上，本发明也可以应用于其他流动引起的边缘噪音源，诸如例如，转子叶片的前缘流入湍流噪音或者尖端噪音。

在本发明的另一实施例中，传感器相对于流体的流动方向被定位在致动器的上游。

如已经描述的，转子叶片被设计并构造成用于暴露于基本上从转子叶片的前缘流动至后缘的流体；因此，流动方向能够被分配并限定至暴露的且环绕的转子叶片。为了有效地监测并确定不稳定的表面压力模式的特性，首先由定位在致动器上游的传感器在时间意义上监测这些特性，并且所得到的以及所产生的防噪音信号能够稍后由致动器发出或者引起。在被分配翼弦的风力涡轮机的转子叶片的情况中，该优选实施例也可以被描述成关于翼弦方向的距离致动器比传感器更接近后缘。

在本发明的实施例中，传感器和致动器二者被定位在转子叶片的压力侧上或者吸入侧上。

这包括下述可能性：布置有两个传感器，一个在压力侧上并且一个在吸入侧上；并且布置有一个或者两个致动器，一个在压力侧上并且一个在吸入侧上。

在本发明的另一实施例中，传感器定位在吸入侧处并且致动器定位在压力侧处，或者，传感器定位在压力侧处并且致动器定位在吸入侧处。

要注意的是，传感器和致动器可以经由连接机构（诸如，管或通道）与彼此直接连接。

这具有非常简单且结实的结构的优点。在该情况中，必须基于预期的不稳定的表面压力模式和这些表面压力模式朝向产生流动引起的边缘噪音的边缘行进的速度谨慎地选取距离，特别是在致动器和传感器之间的翼弦方向上的距离。如果这是已知的或者能够精确地合理预见，则该实施例是在转子叶片中实施本发明的构思的有希望和有利的方式。

替代地，转子叶片可以进一步包括控制单元以用于构建防噪音信号，并且致动器经由连接机构和控制单元连接至传感器。

这具有的优点是：可以产生更优化且定制的防噪音信号，并且可能能够在更大的程度上实现流动引起的噪音的消除。这样的控制单元有利地定位在转子叶片内，这具有的优点是：控制单元不会干扰流过转子叶片的空气流动，并且控制单元免于环境和环境的影响。要注意的是，致动器可以被布置并配置成引起表面压力抵消或者发出声音信号。

还可想到的是，空气流动以某种方式被操控，例如通过被动或主动的空气动力装置，从而获得特定（固定）厚度的后缘边界层，使得能够应用调谐的（被动的或者主动的）防噪音系统。具有固定的边界层厚度使设计有效的调谐防噪音系统更简单。同样地，还可想到的是，空气流动以某种方式被操控以使得获得特定（固定）频率组成的压力波动，使得能够应用调谐的（被动的或者主动的）防噪音系统。换言之，边界层的厚度和/或表面压力波动的频率可以被调节从而与给定的防噪音构思相匹配。操控空气流动以便获得特定厚度的边界层或者特定频率组成的压力波动的该一般原理也能够应用于其他降噪构思，诸如例如，后缘锯齿形件。

本发明还涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有如在上面的各种实施例中描述的至少一个转子叶片。

附图说明

现在仅借助示例来通过下述附图描述本发明的实施例，其中：

图1示出转子叶片；

图2示出在特定翼展方向位置处的转子叶片的构型；

图3示出包括两个传感器、控制单元和一个致动器的本发明的实施例；

图4示出包括传感器和致动器的本发明的另一实施例，该传感器和致动器经由连接机构直接连接；以及

图5示出安装在吸入侧并且直接连接至致动器的传感器，该致动器安装在转子叶片的压力侧处。

图示和附图为示意性的形式。要注意的是，在不同的附图中类似或相同的元件可以设置有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出转子叶片20。转子叶片20包括根部21和尖端22。转子叶片20进一步包括前缘23和后缘24。图1图示了在转子叶片20上（即，在转子叶片的压力侧上）的俯视图或平面视图。转子叶片20的特征在于翼展（span）25，翼展25是从根部21伸出的直线。在风力涡轮机的转子叶片的情况中，其中，转子叶片能够围绕倾斜（pitch）轴线倾斜，该倾斜轴线与如在本发明申请的上下文中限定的翼展25重合。

另外，多个翼弦26可以被分配给转子叶片20。每个翼弦26被定向成垂直于翼展25。因此，对于从根部21处开始并且到达尖端22的每个翼展方向的位置均可以限定翼弦26。最大的翼弦26（换言之，具有最大长度或延长部的翼弦26）被称作最大翼弦261。最大翼弦261定位的区域被称作转子叶片20的肩部262。

图2示出转子叶片20的翼型的示意性视图。垂直于转子叶片20的翼展25取得该翼型或构型。换言之，该构型是在转子叶片的特定的径向位置或翼展方向位置处的横截面视图。前缘23能够被看作并且被描述为相对圆的边缘，由此后缘24被相对锐利地设计。连接前缘23和后缘24的直线被称为翼弦26。

要注意的是，当从前缘23开始测量时，从前缘23直到翼弦26的弦长的百分之十的整个区域被称作前缘区段231。同样地，远离后缘24的翼弦方向长度的百分之十内的区域被称作后缘区段241。

要注意的是，在该示意性视图中，被限定为压力侧28与吸入侧27之间的距离的翼型的最大厚度相对大。至少在风力涡轮机的现代转子叶片中，该厚度通常朝向转子叶片的尖端22显著地减小。

图3至图5示出本发明的三个示例性实施例。

图3示出后缘区段241，其包括两个传感器31，一个传感器31被定位在转子叶片的吸入侧27处，并且一个传感器31被定位在转子叶片的压力侧28处。这些传感器31相对于致动器32被定位在上游，致动器32被布置并定位在转子叶片20的吸入侧27处。

要注意的是，本发明不限于传感器被布置在转子叶片的后缘区段（即，在远离转子叶片的后缘、朝向转子叶片的前缘的翼弦方向长度的百分之十内的区域）中的情况。而且，在本发明的替代实施例中，传感器还可以被定位在更上游处，例如，远离转子叶片的后缘、朝向前缘的翼弦方向长度的百分之二十、或者百分之三十、或者甚至百分之四十处。

两个传感器31借助于连接机构34与致动器32连接。在致动器32和两个传感器31之间布置并定位有控制单元33。该控制单元被构造成基于由传感器31接收的输入而产生防噪音信号。由致动器32发出的防噪音信号由箭头36表示。

该防噪音36有意地被选择成使得其破坏性地干扰在转子叶片20的后缘24处产生并发出的噪音35。要注意的是，在图3的图示中，噪音的两个主要方向由两个箭头35可视化，一个远离后缘24伸出进入吸入侧的方向，并且一个远离后缘24伸出进入压力侧的方向。在图3的示例性实施例中，防噪音36主要抵消或最小化在后缘24产生并发出的进入吸入侧27的方向的噪音35。如果需要的话，可以添加压力侧致动器以便也消除向压力侧发出的噪音。还要注意的是由吸入侧涡流421和压力侧涡流422表示的湍流边界层。流体的整体流动方向由附图标记41表示。

应该注意的是，代替防噪音，致动器（例如，膜状物）还可以产生防压力，因此抵消波动的表面压力，该波动的表面压力是后缘噪音的来源。通过（部分地）消除波动的表面压力，在后缘处的噪音辐射被抑制或完全阻止。

与在图3中图示的实施例相比，图4示出本发明的另一实施例，其中，控制单元33被省略。相反地，被布置在吸入侧27处的传感器31经由连接机构34与致动器32直接连接。这些连接机构可以被设计为弹性管或通道。其效果（即，被布置并配置成至少部分地抵消翼型表面27上的波动的表面压力的所产生的防压力）在原理上与图3中图示的实施例相当。然而，与图3的实施例相比，在图4的实施例中，用于致动器32的输入仅来自位于吸入侧处的一个传感器，这表明该结构更简单，即，更结实并且更便宜，但是其可能稍微较少地消除的在后缘24处产生的噪音35。

最后，图5图示了其中设置有两个膜状物的本发明的实施例，这两个膜状物用作传感器31和致动器32。因为后缘噪音通常反相地辐射至吸入侧27和压力侧28，所以这种替代的无源噪音抵消技术可以是有利的。通过连接翼型的吸入侧27和翼型的压力侧28，使吸入侧27和压力侧28上的不稳定的表面压力均衡，然而不必为零。当均衡的压力侧和吸入侧的波动的表面压力到达后缘24时，其二者分别向压力侧和吸入侧辐射相同的声音信号。然而，这些声音信号反相地辐射，使得噪音被至少部分地抵消。为了确保均衡的不稳定的表面压力同时到达后缘，膜状物的位置需要考虑在两侧（翼型的吸入侧27和压力侧28）上的差异和对流速度。

Claims

1.一种具有前缘（23）和后缘（24）的转子叶片（20），其中，

- 所述转子叶片（20）被设计并构造用于暴露于流体，所述流体基本上从所述转子叶片（20）的所述前缘（23）流动至所述后缘（24），

- 所述转子叶片（20）包括至少一个传感器（31）以用于检测所述流体的流动特性，以及

- 所述转子叶片（20）进一步包括至少一个致动器（32）以用于产生防噪音信号，

- 所述传感器（31）和所述致动器（32）二者被布置在所述转子叶片（20）的表面处，以及

- 所述致动器（32）被布置并配置成使得由所述流体产生的所述转子叶片（20）的流动引起的边缘噪音由所述防噪音信号至少部分地抵消；

所述致动器（32）经由连接机构（34）与所述传感器（31）直接连接，所述连接机构能够设计为弹性通道。

2.根据权利要求1所述的转子叶片（20），其中，所述连接机构能够设计为弹性管。

3.根据权利要求1所述的转子叶片（20），其中，

- 所述转子叶片（20）包括具有翼型的形状的部分，所述翼型包括压力侧（28）和吸入侧（27），以及

- 所述压力侧（28）和所述吸入侧（27）的每一个由所述后缘（24）和所述前缘（23）限定。

4.根据权利要求1-3之一所述的转子叶片（20），其中，所述致动器（32）包括扬声器。

5.根据权利要求1-3之一所述的转子叶片（20），其中，所述传感器（31）包括表面压力换能器。

6.根据权利要求1-3之一所述的转子叶片（20），其中，所述流动引起的边缘噪音在所述转子叶片（20）的所述后缘（24）处产生，所述流动引起的边缘噪音由所述致动器（32）产生的所述防噪音信号至少部分地抵消。

7.根据权利要求1-3之一所述的转子叶片（20），其中，所述传感器（31）相对于所述流体的流动方向（41）被定位在所述致动器（32）的上游。

8.根据权利要求3所述的转子叶片（20），其中，所述传感器（31）和所述致动器（32）二者定位在所述转子叶片（20）的所述压力侧（28）或所述吸入侧（27）上。

9.根据权利要求3所述的转子叶片（20），其中，所述传感器（31）定位在所述吸入侧（27）处，并且所述致动器（32）定位在所述压力侧（28）处；或者，所述传感器（31）定位在所述压力侧（28）处，并且所述致动器（32）定位在所述吸入侧（27）处。

10.根据权利要求1-3之一所述的转子叶片（20），其中，

- 所述转子叶片（20）进一步包括控制单元（33）以用于构建所述防噪音信号，以及

- 所述致动器（32）经由连接机构（34）和所述控制单元（33）而与所述传感器（31）连接。

11.根据权利要求1-3之一所述的转子叶片（20），其中，所述传感器（31）被布置并配置成感测由经过所述传感器（31）的流体引起的表面压力波动。

12.根据权利要求1-3之一所述的转子叶片（20），其中，由所述致动器（32）产生的表面压力波动是基于由所述传感器（31）感测的表面压力波动。

13.根据权利要求1-3之一所述的转子叶片（20），其中，所述致动器（32）被布置并配置成至少部分抵消不稳定的表面压力。

14.根据权利要求10所述的转子叶片（20），其中，所述致动器（32）被布置并配置成发出声音信号。

15.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机具有至少一个根据权利要求1-14之一所述的转子叶片（20）。