CN109416017A - 具有锯齿状后缘的转子叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于风力涡轮机的转子叶片，其中，所述转子叶片包括沿转子叶片的后缘区段的至少一部分的锯齿。锯齿包括第一齿和至少第二齿，其中，第一齿与第二齿间隔开。此外，第一齿与第二齿之间的区域至少部分地填充有多个梳状元件，其中，所述梳状元件基本上彼此平行地并且基本上沿转子叶片的弦向方向布置，使得在转子叶片的后缘区段中的噪音的产生得到降低。转子叶片的特征进一步在于，其包括多个脊，所述脊包括第一脊和至少第二脊，以用于操纵沿所述脊流动的气流。此外，本发明涉及一种用于发电的风力涡轮机，其包括至少一个这样的转子叶片。

Description

具有锯齿状后缘的转子叶片

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的转子叶片，其中，所述转子叶片被设计成使得与常规的转子叶片相比在转子叶片的后缘区段中的噪音的产生得到降低。此外，本发明涉及一种风力涡轮机，其包括至少一个这样的转子叶片。

背景技术

在转子叶片绕风力涡轮机的转子的旋转轴线进行旋转期间，噪音通常在转子叶片的后缘区段处产生。通常，如果气流的平均（mean）流动方向与后缘之间的角度约为90度，则发出高水平的噪音。附加地，来自转子叶片的吸力侧和压力侧的气流流过后缘进行混合（也被称为流动恢复）会导致湍流，这也会不利地影响由转子叶片产生的噪音。

例如，如果风力涡轮机安装在住宅区附近的陆地上，则该噪音可能是一个问题。在这种情况下，通常应用指示由风力涡轮机产生的最大允许噪音的阈值。

多年来已知的是，在风力涡轮机转子叶片的后缘区段处提供锯齿能够实现由转子叶片产生的噪音的降低。由于锯齿，气流的平均流动方向与后缘之间的角度被修改。该修改可显著降低后缘处产生的噪音。

最近，已发现，通过在锯齿状后缘的相邻齿之间提供多个梳状元件，可以实现后缘区段处的进一步的噪音降低。这些梳状元件也可被称为纤维。

发明内容

显然，尽管在转子叶片的后缘区段处提供了梳齿，但仍然在转子叶片的后缘区段处发出一定水平的噪音。本发明旨在提出一种如何进一步降低在风力涡轮机的转子叶片的后缘区段处产生的噪音的概念。

该目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中公开了有利的实施例和修改。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于风力涡轮机的转子叶片，其中，所述转子叶片包括沿转子叶片的后缘区段的至少一部分的锯齿。锯齿包括第一齿和至少第二齿，其中，第一齿与第二齿间隔开。第一齿与第二齿之间的区域至少部分地填充有多个梳状元件，其中，所述梳状元件基本上彼此平行地并且基本上沿转子叶片的弦向方向布置，使得在转子叶片的后缘区段中的噪音的产生得到降低。转子叶片的特征进一步在于，它包括多个脊，所述多个脊包括第一脊和至少第二脊，以用于操纵沿所述脊流动的气流。

例如，通过专利申请DE 10 2010 026 588 Al或WO 2015/167604 Al已知在风力涡轮机的转子叶片的后缘区段处使用脊以用于降低在后缘处产生的噪音。然而，这些结构已被提议作为关于已知的锯齿状后缘的替代例和改进。因此，这些概念已被排他地应用于直线后缘。

本发明人已发现，在风力涡轮机的转子叶片的后缘区段处梳状齿结构和脊的组合能够以出乎意料地高和意外的程度降低在后缘区段处产生的噪音。

在转子叶片的后缘区段处的梳状齿结构可以大体上被描述为提供多个梳状元件，所述多个梳状元件布置在锯齿的齿之间，其中，锯齿沿转子叶片的后缘区段的至少一部分定位。至少两个梳状元件布置在锯齿的第一齿与第二齿之间。优选地，若干个梳状元件（诸如，五个与二十个之间的梳状元件）布置在第一齿与第二齿之间。第一齿和第二齿彼此间隔开，并且它们优选地表示彼此直接相邻的齿。

注意到，表述“梳状元件”与表述“纤维”可互换。因此，多个梳状元件也可被称为多个纤维。此外，可以说，多个梳状元件建构一个梳状件。

与由锯齿的齿实现的主要噪音降低构件相比，梳状元件的功能是充当转子叶片的后缘处的辅助（即，次级）噪音降低构件。

梳状元件不一定需要达到直至锯齿的齿的尖端。一些或所有梳状元件也可仅填充第一齿与第二齿之间的区域的一部分。然而，在本发明的有利实施例中，梳状元件填充第一齿与第二齿之间的完整区域。

此外，注意到，梳状元件也可比锯齿向下游延伸地更远。因此，一些或所有梳状元件可覆盖转子叶片的后缘区段处的区域，该区域比锯齿的齿的尖端所处的位置在下游更远处。

梳状元件基本上彼此平行地布置，并且它们基本上沿转子叶片的弦向方向布置。

在本专利申请的上下文中，概念“基本上”包括高达百分之十的偏差或者相对于物体的取向高达二十度的偏差。

转子叶片处的弦向方向由转子叶片的相应展向位置处的弦线限定。弦线被限定为连接转子叶片的前缘和后缘并且垂直于转子叶片的叶展（span）的直线。在这方面，叶展被限定为转子叶片的根部与尖端之间的线。

注意到，时常，弦向方向基本上与气流的平均流动方向一致。因此，梳状元件在锯齿的齿之间的布置也可被描述为基本上平行于气流的平均流动方向。

在本发明的有利实施例中，脊基本上彼此平行地布置。此外，它们优选地基本上沿转子叶片的弦向方向布置。

换句话说，优选地，不仅梳状元件，而且脊也彼此平行并与气流的平均流动方向对准。就所述布置的期望的噪音降低能力而言，脊的这样的取向是有益的。

在本发明的另一个有利实施例中，第一脊包括长度，该长度是其高度的至少三倍大，特别地至少五倍大。另外地或替代地，第一脊包括长度，该长度是其宽度的至少三倍大，特别地是至少五倍大。

换句话说，脊优选地被设计为细长物体，其长度显著大于其宽度和/或其高度。

大体上，脊的高度沿其长度而变化。因此，所提到的优选长度与高度比涉及脊的最大高度。因此，即使在其最大高度的位置处，比起更大的长度，脊的高度也有益地是显著更小的。

这同样适用于脊的宽度。再次，大体上，脊的宽度沿其长度而变化。因此，推荐的长宽与宽度比涉及脊的最大宽度。因此，即使在其最大宽度的位置处，与其高度相比，脊有益地是显著更窄的。

在另一个有利实施例中，脊与梳状元件对准。

将理解的是，脊的构型适于（即，被调节成）梳状元件的构型。在这个背景下，物体的构型包括其设计、位置和取向。作为示例，脊的长度轴线和脊的长度轴线可对准，使得它们基本上彼此平行。作为另一个示例，脊和梳状元件的尺寸（特别是高度）可彼此类似。

脊与梳状元件之间的有利对准的另外的示例是多个梳状元件中的每个梳状元件与多个脊中的一个脊相关联。替代地，多个梳状元件中的每个第二梳状元件可与多个脊中的一个脊相关联。

接下来，后缘和前缘可以被赋予到每个脊。后缘被限定为脊的面向转子叶片的后缘的那部分。类似地，脊的前缘被限定为脊的背离转子叶片的后缘的那部分。

在本发明的有利实施例中，第一脊包括后缘，该后缘延伸到锯齿的第一齿上，即延伸到第一齿的表面上。

换句话说，通常在锯齿上游安装在转子叶片的表面上的脊不会在相应齿的起点前或起点处停止，而是延伸到其上。这具有以下优点：通过脊以有利的方式来引导和操纵的气流以有益的方式受到影响，直至到达齿并且（除此之外还）甚至在到达齿之后。

在某些实施例中，使脊延伸直至侧面（即，直至侧部）或甚至直至相应齿的尖端会是有利的。使脊与突出进入齿之间或超越齿的区域中的梳状元件合并也可能是有益的。

关于脊的形状和设计，建议了若干种选项，这些选项可在噪音降低方面提供有益的结果。

在第一种设计选项中，脊的后缘朝向转子叶片的后缘平滑地逐渐消失。脊的最大高度可在（纵长方向）脊的中心部分中或在脊的前缘处。

在第二种设计选项中，脊的后缘在截面图中具有四分之一圆的形状。优选地，脊的最大高度是在脊的后缘处。该设计选项也可被描述为如下的脊，所述脊使其最大高度基本上在脊的后缘处，其中，后缘是圆状的（即，钝的）。

尽管原则上可将具有锯齿状后缘的转子叶片制造为一个单件，但是本发明的转子叶片优选地由至少两个部分制成，即转子叶片主体和（锯齿状）板，它们经单独地制造并且随后联结在一起。梳状元件被提供在锯齿状板的齿之间，并且脊也被提供在该板处。可在提供板之后将脊安装到板，或者可将板制成为具有集成的脊。

在优选实施例中，锯齿状板借助于附接区段附接到转子叶片主体的压力侧。在大多数情况下，由于空气动力学的缘故，压力侧处的附接是有益的。

如果在板的压力侧处提供脊，则这些脊可从附接区段的上游端覆盖整个长度直至锯齿的齿。

如果在板的吸力侧处提供脊，则这些脊可大体上从其最上游区域（该最上游区域大体上对应于附接区段的下游端）覆盖板的吸力侧直至锯齿的齿。

替代地，如果脊安装在转子叶片主体的吸力侧处并且板在转子叶片主体的压力侧处附接到转子叶片主体，则这些脊也可比板进一步向上游延伸。换句话说，脊可在转子叶片主体的表面上部分地延伸。这具有延长脊的纵向延伸部的作用。

在下文中，给出了在转子叶片的后缘区段处梳状元件和脊的一些示例性尺寸。应注意，这些尺寸仅通过示例给出，而并非限制本发明的范围。此外，应注意，具体的尺寸需要关于转子叶片的尺寸进行优化，例如，关于转子叶片的其总展向长度及其最大弦长度进行优化。

脊的最大高度可小于20毫米，例如，其可在1到20毫米的范围中。特别地，最大高度可小于10毫米。甚至更特别地，最大高度可小于5毫米。

脊的最大宽度可小于10毫米。特别地，最大宽度可小于5毫米。甚至更特别地，最大宽度可等于或小于2毫米。

脊的长度可在10毫米与500毫米之间的范围中变化。脊的长度很大程度上取决于锯齿状板的尺寸以及脊是仅到达直至锯齿的齿还是延伸到齿的表面上。还应注意的是，通常，压力侧上的脊（所谓的压力侧脊）大于吸力侧上的脊（其也被称为吸力侧脊）。

两个相邻脊之间的间距优选地比相应脊的最大宽度大并且比相应脊的所提到的最小宽度的10倍小。例如，确切的间距取决于脊与梳状元件的排布（alignment）比（例如，1:1或1:2）。

最后应注意，本发明最有利地适合于风力涡轮机的转子叶片。然而，本专利申请还寻求对用于发电的整个风力涡轮机的专利保护，该风力涡轮机具有如上文所描述的至少一个转子叶片。

附图说明

现将参考附图仅通过示例来描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了风力涡轮机；

图2示出了风力涡轮机的现有技术转子叶片，所述转子叶片具有锯齿状后缘；

图3示出了根据本发明的第一实施例的转子叶片的后缘区段；

图4示出了根据本发明的第二实施例的转子叶片的锯齿状板；

图5示出了根据本发明的第三实施例的到转子叶片的锯齿状板的一部分的吸力侧上的俯视图；

图6示出了图5的一部分的放大视图；

图7示出了根据本发明的第三实施例的到转子叶片的锯齿状板的一部分的压力侧上的俯视图；

图8示出了根据本发明的第三实施例的变型的到转子叶片的锯齿状板的一部分的压力侧上的俯视图；以及

图9示出了根据本发明的第四实施例的具有吸力侧脊的转子叶片的锯齿状板的截面图。

具体实施方式

附图中的图示呈示意性形式。应注意，在不同的附图中，类似或相同的元件可设有相同的附图标记。

图1是风力涡轮机10的高度示意图。风力涡轮机10包括塔架11和机舱12。机舱12可旋转地安装在塔架11的顶部。这使得机舱12能够关于塔架11进行所谓的偏转运动。机舱12容纳风力涡轮机10的发电机和风力涡轮机10的若干其他部件。

风力涡轮机10还包括关于机舱12可旋转地安装的轮毂13。轮毂13能够绕旋转轴线14执行旋转运动。该旋转运动通过风力涡轮机10的发电机转化成电力。

风能被转子叶片20捕获。风力涡轮机通常包括至少两个转子叶片，优选地为三个。每个转子叶片20在其相应的根部区段21处以可枢转的方式安装到轮毂13。转子叶片20的可枢转附接允许转子叶片20进行俯仰运动，俯仰运动转而允许在宽泛的风速范围内（通常在3米/秒与30米/秒之间）实现风力涡轮机10的最佳效率。绕俯仰轴线15实施俯仰运动，俯仰轴线15基本上从根部区段21延伸直至转子叶片20的尖端区段22。

图2是风力涡轮机的现有技术转子叶片20的透视图。转子叶片20包括在其尖端区段22中且进一步地在其内侧（inboard）的锯齿状后缘。转子叶片20的离根部区段21最远的点被称为转子叶片20的尖端221。转子叶片20的主要部分由翼型部分表示。翼型部分大体上以相应截面的翼型形状为特征。当受到流体（诸如，空气）的流动的冲击时，翼型形状能够产生升力。

在图2中，示例性地绘制了一个翼型。该翼型包括吸力侧26和压力侧25。两个侧25、26通过弦线27彼此分开。弦线27是连接转子叶片20的前缘区段24和后缘区段23的直线。后缘区段23时常具有相对尖锐边缘的形状，特别地朝向转子叶片20的尖端区段22。

图2图示了锯齿30，锯齿30被提供在后缘区段23处，处于外侧（outboard）部分（即，转子叶片20的径向外半部）中。锯齿30包括多个三角形齿。可通过锯齿状板（其通常也被称为锯齿状面板）实现的锯齿30可例如附接到转子叶片的压力侧25。替代地，板也可滑入间隙（或狭缝）中，该间隙（或狭缝）在制造转子叶片的两个半壳之后被提供在后缘处。

图3示出了根据本发明的第一实施例的转子叶片的后缘区段23的示意性截面图。转子叶片包括转子叶片主体41和具有锯齿的板42。由于该图的截面图特性，在图3中锯齿的存在是不可见的。

板42包括压力侧421、吸力侧422、附接区段423、以及对准区段424。附接区段423被注定用于将板42附接到转子叶片的剩余部分，诸如转子叶片主体41。对准区段424被注定用于在板42的附接期间将板42对准到剩余的转子叶片。在图3中所示的示例中，板42在转子叶片主体41的压力侧25处附接到转子叶片主体41。与板42在转子叶片主体41的吸力侧26处附接相比，板42在转子叶片主体41的压力侧25处附接就最小化空气动力学冲击而言是有利的。

对准区段424被设计为阶梯状凸缘。提供这样的凸缘的第一个原因是：在板42于转子叶片20的后缘区段23处附接期间改进板42与转子叶片主体41的对准。存在这样的凸缘的第二个原因是易于制造，因为与制造包括一定厚度的后缘相比，制造完全锐利后缘是相对复杂的。

如图3中所图示的板42在其吸力侧422处配备有脊50。因此，脊50也被称为吸力侧脊。脊50包括前缘52和后缘51。后缘51表示脊50的面向转子叶片的后缘231的部分。注意到，通常转子叶片的位于下游最远处的那部分被称为转子叶片的后缘。在没有板42的情况下，区域411将表示转子叶片的后缘；在板42安装到转子叶片主体41的情况下，区域231表示转子叶片的后缘。

脊50的前缘52被限定为脊50的背离转子叶片的后缘231的那部分。替代地，脊50的前缘52也可被限定为脊50的面向转子叶片的前缘的那部分。

在本发明的示例性第一实施例中，脊50在其前缘52处具有逐渐增加的高度，并且在其后缘51处具有陡峭边缘。边缘51、52的设计对如何操纵沿脊50流动的气流43具有显著影响。

图4示出了根据本发明的第二实施例的转子叶片的锯齿状板42的透视图。图4提供了板42的压力侧上的视图。类似于图3中所图示的第一实施例的锯齿状板42，根据本发明的第二实施例的板42也包括被注定用于将板42附接到转子叶片主体的压力侧的区段。该区段被称为附接区段423。板42还包括对准区段424，对准区段424以小的阶梯状凸缘为特征。

与本发明的第一实施例相反，第二实施例的锯齿状板42包括在其压力侧处的多个脊。因此，这些脊被称为压力侧脊502。这些压力侧脊在附接区段423的上游端（如沿气流的方向所见）逐渐上升，并且在齿的基部处平滑地逐渐消失。

锯齿状板42还包括多个梳状元件33。梳状元件33布置在相邻齿之间的区域32中，诸如在第一齿311与第二齿312之间。脊502和梳状元件33彼此对准。特别地，它们彼此平行。此外，每个第二梳状元件33与一个脊502对准并且相关联。因此，脊与梳状元件的比为1:2。还可以说，每个脊502是延伸的，即通过梳状元件33而延长。将锯齿状板42安装到转子叶片主体的后缘区段是用于在转子叶片的后缘区段处提供显著的噪音降低的一种有前景的方式。

图5至图8图示了根据本发明的第三实施例的转子叶片的锯齿状板42的一部分。图5示出了到板的一部分的吸力侧上的俯视图，图6示出了其放大视图，图7示出了到锯齿状板的一部分的压力侧上的俯视图，并且图8示出了图7的压力侧设计的变型。

板42包括在其吸力侧上的多个脊，因此这些脊也被称为吸力侧脊501。吸力侧脊501在板42的对准区段424处大致“开始”（如沿气流的方向所见），并且延伸跨过相应齿（例如，第一齿311或第二齿321）的整个表面。再次，齿之间（诸如，第一齿311与第二齿312之间）的区域32填充有多个梳状元件33。吸力侧脊501与梳状元件33对准，使得每个第二梳状元件33建构对应的脊501的“延伸部”。在图5至图8的实施例中，存在比梳状元件33多一半的吸力侧脊501。

如在图6（图6是图5的一部分的放大视图）中可以看出，吸力侧脊501不仅沿齿的完整弦向延伸部延伸，而且甚至略微进一步向下游延伸。换句话说，脊501甚至略微超过齿的侧面（即，侧部）。因此，确保了对沿脊以及沿/跨越锯齿的齿流动的气流的最佳连接和引导。

图6还图示了示例性吸力侧脊501与其长度53相比而相对小的宽度55（图5中示例性地示出了其中一个脊的长度53）。

图7示出了根据本发明的第三实施例的锯齿状板42的“底侧”（即，压力侧421）。注意到，虽然板的吸力侧相对平坦并且是平面的，但是板42的压力侧421以一定的凸度（由图7中的虚线暗示）为特征。在如图7中所图示的实施例中的板42的压力侧421不包括任何脊。因此，仅板的齿形结构（参见第一齿311和第二齿312）以及在锯齿的齿之间多个梳形元件33的存在是可见的。

图8示出了板42的压力侧421的变型，因此是本发明的第三实施例的变型。在这种情况下，板42包括在其压力侧421处的多个脊，这些脊也被称为压力侧脊502。这些压力侧脊502部分地延长并直接连接到相应的梳状元件33。然而，特别地，布置在齿的中心部分中的脊502在相应齿的表面上平滑地逐渐消失并且不直接连接到相关联的梳状元件33。脊与梳状元件的比为1:2，因此，其与板42的吸力侧处的情况相同。

最后，图9图示了根据本发明的第四实施例的具有吸力侧脊501的锯齿状板42的截面图。

第四实施例与例如第一实施例的不同之处在于，其包括吸力侧脊501，吸力侧脊501朝向转子叶片的前缘向上游延伸且因此在板42的吸力侧422与板42的附接区段423之间产生某种槽56。附加地，在板42的吸力侧脊501与附接区段423之间存在槽56。

如图9中所示的吸力侧脊501使其最大高度54靠近其后缘51。吸力侧脊501的后缘51的形状类似于四分之一圆。该形状是得到建议的以高效地降低在吸力侧脊501的后缘51处产生的噪音。

如沿气流的方向所见，吸力侧脊501的前缘52具有缓慢增加的高度。

如图9中的设计表示一个有前景的选项，因为其允许使吸力侧脊501进一步向上游延伸，同时仍确保板42稳定地附接到转子叶片的剩余部分。

Claims (14)

1.一种用于风力涡轮机（10）的转子叶片（20），

其中

- 所述转子叶片（20）包括沿所述转子叶片（20）的后缘区段（23）的至少一部分的锯齿（30），

- 所述锯齿（30）包括第一齿（311）和至少第二齿（312），其中，所述第一齿（311）与所述第二齿（312）间隔开，

- 所述第一齿（311）与所述第二齿（312）之间的区域（32）至少部分地填充有包括第一梳状元件（331）和至少第二梳状元件（332）的多个梳状元件（33），其中，所述梳状元件（33）基本上彼此平行地并且基本上沿所述转子叶片（20）的弦向方向布置，使得在所述转子叶片（20）的后缘区段（23）中的噪音的产生得到降低，

其特征在于，

所述转子叶片（20）还包括多个脊（50），所述多个脊（50）包括第一脊（501）和至少第二脊（502），以用于操纵沿所述脊（50）流动的气流（43）。

2.根据权利要求1所述的转子叶片（20），

其中，所述脊（50）基本上彼此平行地并且基本上沿所述转子叶片（20）的弦向方向布置。

3.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），

其中，所述第一脊（501）包括长度（53），所述长度（53）：

- 是其高度（54）的至少三倍大，特别地是至少五倍大，和/或

- 是其宽度（55）的至少三倍大，特别地是至少五倍大。

4.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），

其中，所述脊（50）与所述梳状元件（33）对准。

5.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），

其中，所述多个梳状元件中的每个梳状元件（33）与所述多个脊中的一个脊（50）相关联。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的转子叶片（20），

其中，所述多个梳状元件中的每个第二梳状元件（33）与所述多个脊中的一个脊（50）相关联。

7.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），

其中，所述第一脊（501）包括：

- 后缘（51），所述后缘（51）面向所述转子叶片（20）的后缘（231），以及

- 前缘（52），所述前缘（52）背离所述转子叶片（20）的后缘（231）。

8.根据权利要求7所述的转子叶片（20），

其中，所述第一脊（501）包括后缘（51），所述后缘（51）延伸到所述锯齿（30）的第一齿（311）上。

9.根据权利要求7或8中任一项所述的转子叶片（20），

其中，所述第一脊（501）的后缘（51）朝向所述转子叶片（20）的后缘（231）平滑地逐渐消失。

10.根据权利要求7或8中任一项所述的转子叶片（20），

其中，所述第一脊（501）的后缘（51）在截面图中具有四分之一圆的形状。

11.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），

其中

- 所述转子叶片（20）包括转子叶片主体（41）和锯齿状板（42），

- 所述脊（50）和所述梳状元件（33）安装在所述板（42）上，并且

- 所述板（42）借助于所述板（42）的附接区段（423）附接到所述转子叶片主体（41）的或者压力侧（25）或者吸力侧（26）。

12.根据权利要求10所述的转子叶片（20），

其中，所述第一脊（501）的前缘（52）延伸到所述转子叶片主体（41）的表面（411）上，特别地延伸到所述转子叶片主体（41）的吸力侧上。

13.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（30），

其中，所述第一脊（501）的最大高度小于20毫米，特别地，小于10毫米。

14.一种用于发电的风力涡轮机（10），所述风力涡轮机（10）具有根据前述权利要求中任一项所述的至少一个转子叶片（20）。