CN112020608B - 具有降噪特征的用于风力涡轮转子叶片的涡流发生器 - Google Patents

Abstract

本公开内容涉及具有降噪特征的用于风力涡轮转子叶片的涡流发生器。例如，涡流发生器安装在转子叶片的压力侧或吸入侧上的层流区域内，且具有基部，该基部带有从其延伸的至少一个气流改变元件。基部具有在第一方向上延伸的前缘和后缘。此外，基部包括形成在前缘或后缘中的任一者或两者内的一个或多个边缘特征。而且，边缘特征相对于第一方向不平行，以便减小层状边界层不稳定性噪声。

Description

具有降噪特征的用于风力涡轮转子叶片的涡流发生器

技术领域

本公开内容大体上涉及风力涡轮转子叶片，且更特别地涉及具有降低噪声特征的用于风力涡轮转子叶片的涡流发生器(generator)。

背景技术

风力被认为是目前可获得的最清洁、最环境友好的能源中的一种，且风力涡轮在该方面获得了增加的关注。现代的风力涡轮典型地包括塔架、发生器、齿轮箱、机舱，以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型(foil)原理来获取风的动能。转子叶片传送呈旋转能形式的动能，以便转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱(或如果不使用齿轮箱，直接联接到发生器)。发生器然后将机械能转换成电能，该电能可部署至公用电网。

在一些情况下，附属构件附接到风力涡轮的转子叶片，以在风力涡轮的操作期间执行各功能。例如，已知通过将凸起或其它结构(通常称为“涡流发生器”)加到叶片的表面来改变风力涡轮转子叶片的空气动力学特性，以便通过增加叶片的升力同时减小阻力来在风力涡轮的正常操作期间增加能量转换效率。涡流发生器用于通过使流动分离点移动至更靠近叶片的后缘或延迟流动分离以免完全发生来增加附着流区域和减小分离流区域。特别地，涡流发生器在叶片的表面上产生纵向旋转的湍动气流的局部区域，作为延迟流动分离且因此优化围绕叶片轮廓的空气动力学气流的手段。

然而，当流动不稳定性由转子叶片表面上的一致不连续性(例如涡流发生器板的边缘或其它叶片附加构件)所分散时，发生层状边界层不稳定性噪声。这些分散的声波向上游行进，其中它们与流动不稳定性相互作用且放大流动不稳定性的初始幅度。结果是产生多个声调(在频率上有规律地间隔)的反馈回路，该声调产生对风力涡轮所不期望的噪声。

因此，解决上述问题的改进的涡流发生器或叶片附加物将是有利的。特别地，将期望具有降噪特征的用于风力涡轮转子叶片的涡流发生器。

发明内容

本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明来获悉。

在一方面，本公开内容涉及一种用于风力涡轮的转子叶片组件。转子叶片组件包括转子叶片，该转子叶片具有表面，该表面限定在叶片末端与叶片根部之间延伸的压力侧、吸入侧、前缘和后缘。转子叶片组件还包括至少一个涡流发生器，该至少一个涡流发生器安装在转子叶片的压力侧或吸入侧中的任一者或两者上的层流区域内。如本文中使用的，层流区域包含其中层状气流转变成湍动气流的转子叶片区域。此外，涡流发生器包括基部和从基部延伸的至少一个气流改变元件。而且，基部具有大体上在第一方向上延伸的前缘和后缘。因此，基部包括形成在前缘或后缘中的至少一者内的一个或多个边缘特征，其中一个或多个边缘特征相对于第一方向不平行，以便减小层状边界层不稳定性噪声。

在一个实施例中，基部可包括形成在其前缘和后缘两者内的一个或多个边缘特征。在另一实施例中，基部可包括围绕其整个周边形成的边缘特征。

在另外的实施例中，边缘特征可包括锯齿、凹部、缝、槽、孔、通道、凸起、肋或类似物。更特别地，在某些实施例中，边缘特征可具有任何合适的形状，包括但不限于U形、V形、C形、正弦形、矩形或方形。

在又一实施例中，涡流发生器的基部可包括形成在其前缘或后缘中的至少一者内的多个边缘特征，其中多个边缘特征具有随机的图案。备选地，多个边缘特征可具有一致的图案。

在额外的实施例中，边缘特征可朝转子叶片的压力侧或吸入侧渐缩。在又一实施例中，气流改变元件可包括从基部大体上垂直延伸的翅片。

在另一方面，本公开内容涉及一种用于风力涡轮的转子叶片组件。转子叶片组件包括转子叶片，该转子叶片具有表面，该表面限定在叶片末端与叶片根部之间延伸的压力侧、吸入侧、前缘和后缘。此外，转子叶片组件包括至少一个叶片附加构件，该至少一个叶片附加构件安装在转子叶片的压力侧或吸入侧中的至少一者上的层流区域内。如提到的，层流区域包含其中层状气流转变成湍动气流的转子叶片区域。此外，叶片附加构件包括基部，该基部具有大体上在第一方向上延伸的前缘和后缘。因此，基部包括形成在前缘或后缘中的至少一者内的一个或多个边缘特征，其中一个或多个边缘特征相对于第一方向不平行，以便减小层状边界层不稳定性噪声。

在又一方面，本公开内容涉及一种用于风力涡轮的转子叶片组件。转子叶片组件包括转子叶片，该转子叶片具有表面，该表面限定在叶片末端与叶片根部之间延伸的压力侧、吸入侧、前缘和后缘。此外，转子叶片组件包括至少一个涡流发生器，该至少一个涡流发生器安装在转子叶片的压力侧或吸入侧上的层流区域内。层流区域包含其中层状气流转变成湍动气流的转子叶片区域。而且，涡流发生器包括基部和从基部延伸的至少一个气流改变元件，其中基部具有前缘和后缘。此外，转子叶片组件还包括安装在涡流发生器上游的至少一个边界层激流(trip)元件。因此，边界层激流元件构造成扰乱涡流发生器上游的气流，以便迫使层状气流成湍动气流，从而消除由层状边界层不稳定性所引起的噪声。

在一个实施例中，边界层激流元件可为带有构造成扰乱涡流发生器上游气流的高度的表面特征、具有某一粗糙度的表面特征(例如，砂纸、嵌入涂料中的砂粒、粗糙的涂料表面)，和/或一个或多个凹部。

在另一实施例中，边界层激流元件可安装在涡流发生器上游的预定距离处。因而，预定距离还构造成扰乱涡流发生器上游的气流，以便迫使层状气流成湍动气流。更特别地，在某些实施例中，预定距离可在从约1厘米至约40厘米的范围内。

在另外的实施例中，边界层激流元件的高度可在约0.1毫米与约2.5毫米之间的范围内。更特别地，在某些实施例中，边界层激流元件的高度可在约0.5毫米与约1.5毫米之间的范围内。

在另一实施例中，根据在涡流发生器的安装位置处的边界层厚度来确定预定距离。在另外的实施例中，边界层激流元件可包括带、一个或多个线、一个或多个凹部、吹孔或槽，或表面粗糙度。在额外的实施例中，只要层状边界层在翼型件的足够长的翼展方向部分上转变为湍动气流使得扰乱反馈回路，边界层激流元件可为翼展方向连续或不连续的。

应进一步理解的是，转子叶片组件还可包括如本文中描述的额外特征中的任一个。

参照以下描述和所附权利要求书，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合于该说明书中且构成该说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，且与描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

针对本领域普通技术人员的本发明的完整且开放(enabling)的公开内容(包括其最佳模式)在参照附图的说明书中阐述，在附图中：

图1示出根据本公开内容的风力涡轮的一个实施例的透视图；

图2示出根据本公开内容的转子叶片组件的一个实施例的透视图；

图3示出根据本公开内容的安装在转子叶片上的涡流发生器的一个实施例的透视图；

图4示出根据本公开内容的具有安装到其的涡流发生器的转子叶片的一个实施例的截面图，特别地示出在涡流发生器上游生成的反馈回路；

图5示出根据本公开内容的具有降噪特征的涡流发生器的一个实施例的顶视图；

图6示出根据本公开内容的具有降噪特征的涡流发生器的另一实施例的顶视图；

图7示出根据本公开内容的具有降噪特征的涡流发生器的又一实施例的顶视图；

图8示出根据本公开内容的安装到转子叶片的涡流发生器的一个实施例的截面侧视图，特别地示出具有渐缩不连续性的涡流发生器的基部；

图9示出根据本公开内容的具有安装到其的涡流发生器的转子叶片的一个实施例的截面图，特别地示出安装在涡流发生器上游以便减小层状边界层不稳定性噪声的边界层激流元件；以及

图10示出图9的实施例的详细视图。

具体实施方式

现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个示例在图中示出。每个示例提供作为本发明的解释，不是本发明的限制。实际上，对本领域技术人员将明显的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行各改变和变化。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例使用，以产生还另外的实施例。因此，意图的是，本发明覆盖如归于所附权利要求书和其等同物的范围内的此类改变和变化。

本发明在本文中描述为它可涉及风力涡轮叶片的构件。然而，应了解的是，根据本发明原理的独特的涡流发生器构造(或叶片附加构件)不限于在风力涡轮叶片上使用，而是适用于将受益于由涡流发生器提供的改变的空气动力学特性的任何类型的翼型件或流动表面。此类表面的示例包括飞机机翼、船体、帆等。

大体上，本公开内容涉及一种具有降噪特征的用于风力涡轮转子叶片的叶片附加构件，诸如涡流发生器、后缘特征、偏转的襟翼边缘和/或板条。换句话说，在气流中产生一致不连续性的任何叶片附加构件在本发明的范围和精神内。例如，叶片附加构件安装在转子叶片的压力侧或吸入侧上的层流区域内，且具有基部，该基部带有大体上在第一方向上延伸的前缘和后缘，例如其基本平行于层状边界层接受性(receptivity)线。因此，基部包括形成在前缘或后缘中的至少一者内的一个或多个边缘特征，其中一个或多个边缘特征相对于第一方向不平行，以便减小层状边界层不稳定性噪声。因而，当某些附加物安装在风力涡轮转子叶片上时，本公开内容的叶片附加构件避免不期望的声调。

现在参照图，图1示出根据本公开内容的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如示出的，风力涡轮10包括塔架12，其上安装有机舱14。多个转子叶片16安装到转子毂18，转子毂18继而连接到主凸缘，该主凸缘转动主转子轴(未示出)。风力涡轮功率生成和控制构件容纳在机舱14内。图1的视图仅提供用于说明性目的来使本发明置于示例性的使用领域中。应了解的是，本发明不限于任何特定类型的风力涡轮构造。

现在参照图2，示出结合本发明的方面的风力涡轮叶片16。如示出的，转子叶片16包括吸入侧表面20、压力侧表面22、前缘24和后缘26。此外，转子叶片16从根部部分28延伸到末端部分30。根据下文更详细描述的本发明的方面的多个独特的涡流发生器32置于转子叶片16的流动表面20、22中的任一者或两者上的任何位置处。例如，如示出的，涡流发生器32可位于沿转子叶片的翼展46的任何位置处和/或位于任何翼弦位置处。如本文中使用的和图2中示出的，转子叶片16的翼展46大体上是指在根部部分28至末端部分30之间延伸的方向，而转子叶片16的翼弦44大体上是指在前缘24至后缘26之间延伸的方向。此外，涡流发生器32可设置成与末端部分30相比更接近于转子叶片16的根部部分28，或与根部部分28相比更接近于末端部分30。

另外，如图2和图3中示出的，在转子叶片16的吸入侧表面20上描绘涡流发生器32。在额外的实施例中，本公开内容的涡流发生器32也可安装在压力侧表面22上。因此，涡流发生器32可以以任何合适的构造布置在叶片表面20、22中的一者上，以便提供期望的气流。此外，涡流发生器32可通过使用例如粘合剂或合适的机械紧固件来安装到转子叶片16的外部。

此外，如对图3特别示出的，涡流发生器32包括基部36，该基部36带有从其基本垂直延伸的至少一个气流改变元件34。例如，如图3和图6中示出的，涡流发生器32包括基部36，该基部36具有相对于彼此成相反角度安装的气流改变元件35对35或翅片。更特别地，对应的气流改变元件34对35可相对彼此成角度，例如成45度角、锐角或钝角。例如，如图3中示出的，对应的气流改变元件34对35相对于风向15形成角度θ。

而且，如图3中示出的，基部36具有前缘38和后缘40，其中前缘38为面向于风向15的边缘。更特别地，在示出的实施例中，四个气流改变元件34从基部36延伸。在另外的实施例中，多于四个或少于四个气流改变元件34可从基部36延伸。

在特定实施例中，涡流发生器32安装在压力侧20或吸入侧22上在层流区域内。此外，如示出的，涡流发生器32在第一方向上安装到转子叶片16，使得它们大体上平行于层状接受性线45。如本文中使用的，转子叶片16的“层流区域”大体上是指其中层状气流转变成湍动气流的叶片位置。因而，层流区域取决于许多因素，包括但不限于流速、翼弦长度、翼型件压力分布、逆压梯度的位置(即，此类压力梯度开始处)、攻角和/或表面粗糙度。更特别地，如图4中示出的，层流分离可发生在涡流发生器32上游，其可引入气流不稳定性。流动不稳定性向下游行进，且由通过涡流发生器32的基部36产生的不连续性所放大和分散。分散的声波向上游传播，其中它们与流动不稳定性相互作用且放大流动不稳定性。结果，产生反馈回路48，且生成多个声调。

因此，如图3、图5和图6中大体上示出的，基部36包括一个或多个边缘特征42，该一个或多个边缘特征42形成在前缘38或后缘40中的至少一者内，且局部相对于第一方向(即，层状接受性线45)不平行，以便减小层状边界层不稳定性噪声。例如，如图5和图6中示出的，基部36可包括形成在其前缘38和后缘40两者内的一个或多个边缘特征42。在另一实施例中，如图6中示出的，基部36可包括围绕其整个周边形成的一个或多个边缘特征42。在又一实施例中，如图3中示出的，基部36可包括在对应的气流改变元件34对35的上游或下游的一个或多个边缘特征42。此外，如图7中示出的，边缘特征42可形成在基部36的仅一侧中。

在额外的实施例中，边缘特征42可包括锯齿、凹部、缝、槽、孔、通道、凸起、肋或类似物。此外，如图3和图5-7中示出的，涡流发生器32的基部36包括多个锯齿50。更特别地，锯齿50可具有任何合适的形状，包括但不限于U形、V形、C形、正弦形、矩形或方形。例如，图3和图5-7中大体上示出的边缘特征42包括具有基本V形截面的锯齿50。此外，如示出的，相邻的锯齿50大体上可在它们之间限定凹槽52。虽然在示例性实施例中锯齿50为大体上V形的，限定大体上V形的凹槽52，在备选实施例中锯齿50和凹槽52可为U形的或可具有适于减小层状边界层不稳定性噪声的任何其它形状或构造。例如，在一些实施例中，锯齿50和凹槽52可为大体上正弦的或方正弦的(squared-sinusoidal)。

应理解的是，虽然本文中论述边缘特征42的示例性实施例，根据本公开内容的边缘特征可具有任何合适的特性，诸如宽度、长度、形状或定向，其取决于对涡流发生器32所期望的降噪特性。此外，在示例性实施例中，每个单独的边缘特征42可具有按需要以实现最佳降噪特性的单独特性。然而，在备选实施例中，取决于对涡流发生器32所期望的降噪特性，各组的边缘特征42可具有类似的特性，或所有边缘特征42可具有类似的特性。

另外，如示出的，边缘特征42可具有一致的图案。备选地，如图7中示出的，形成在基部36内的边缘特征42可具有随机的图案。在额外的实施例中，如图8中示出的，边缘特征42可朝转子叶片16的压力侧20或吸入侧22中的一者渐缩(或斜切)。

应理解的是，本文中描述的涡流发生器32可由任何合适的材料构成。例如，在一个实施例中，涡流发生器32可由相对刚性的材料形成，以便产生期望的空气动力学性质，例如塑料或金属材料。备选地，涡流发生器32可由柔性的低硬度的材料构成。

现在参照图9，示出根据本公开内容的转子叶片组件的另一实施例的截面图。如示出的，转子叶片组件包括：转子叶片16；至少一个涡流发生器32，其安装在转子叶片16的压力侧20或吸入侧22上的层流区域内；以及至少一个边界层激流元件54，其安装在涡流发生器32上游。

例如，在某些实施例中，边界层激流元件54可为高度H的表面特征，高度H构造成扰乱涡流发生器32上游的气流，以便迫使层状气流成湍动气流，从而消除由层状边界层不稳定性所引起的噪声。更特别地，在一个实施例中，边界层激流元件54的高度H可在约0.1毫米与约2.5毫米之间的范围内。此外，在某些实施例中，边界层激流元件54的高度H可在约0.5毫米与约1.5毫米之间的范围内。备选地，边界层激流元件54可为具有某一粗糙度的表面特征(例如，砂纸、嵌入涂料中的砂粒、粗糙的涂料表面)、吹孔或槽，和/或一个或多个凹部。更特别地，在一个实施例中，边界层激流元件54可包括带或者一个或多个线。

在额外的实施例中，如图10中示出的，边界层激流元件54可安装在涡流发生器32上游的预定距离D处。因而，预定距离D构造成扰乱涡流发生器32上游的气流，以便迫使层状气流成湍动气流。更特别地，在某些实施例中，预定距离D可在从约1厘米至约40厘米的范围内。在另一实施例中，可根据在涡流发生器32的安装位置处的边界层厚度来确定预定距离D。

该书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括带有与权利要求书的字面语言非实质性差异的等同结构元件，此类其它示例意在处于权利要求书的范围内。

Claims (18)

1.一种用于风力涡轮的转子叶片组件，包括：

转子叶片，所述转子叶片具有表面，所述表面限定在叶片末端与叶片根部之间延伸的压力侧、吸入侧、前缘和后缘；以及

至少一个涡流发生器，所述至少一个涡流发生器安装在所述转子叶片的压力侧或吸入侧中的至少一者上的层流区域内，所述层流区域包含其中层状气流转变成湍动气流的所述转子叶片的区域，所述涡流发生器包括基部和从所述基部延伸的至少一个气流改变元件，所述基部具有在第一方向上延伸的前缘和后缘，其中，所述气流改变元件中的至少一者包括从所述基部大体上垂直延伸的翅片，

其中所述基部包括形成在所述前缘或所述后缘中的至少一者内的一个或多个边缘特征，所述一个或多个边缘特征相对于所述第一方向不平行，以便减小层状边界层不稳定性噪声。

2.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其特征在于，所述基部包括形成在其所述前缘和所述后缘两者内的所述一个或多个边缘特征。

3.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其特征在于，所述基部包括围绕其整个周边形成的所述一个或多个边缘特征。

4.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其特征在于，所述一个或多个边缘特征包括锯齿、凹部、缝、槽、孔、通道、凸起或肋中的至少一者。

5.根据权利要求4所述的转子叶片组件，其特征在于，所述锯齿包括U形、V形、C形、正弦形、矩形或方形中的至少一者。

6.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其特征在于，所述涡流发生器的基部包括形成在其所述前缘或所述后缘中的至少一者内的多个边缘特征，所述多个边缘特征具有随机的图案。

7.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其特征在于，所述涡流发生器的基部包括形成在其所述前缘或所述后缘中的至少一者内的多个边缘特征，所述多个边缘特征具有一致的图案。

8.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其特征在于，一个或多个边缘特征朝所述转子叶片的压力侧或吸入侧中的至少一者渐缩。

9.一种用于风力涡轮的转子叶片组件，包括：

转子叶片，所述转子叶片具有表面，所述表面限定在叶片末端与叶片根部之间延伸的压力侧、吸入侧、前缘和后缘；

至少一个涡流发生器，所述至少一个涡流发生器安装在所述转子叶片的压力侧或吸入侧中的至少一者上的层流区域内，所述层流区域包含其中层状气流转变成湍动气流的所述转子叶片的区域，所述涡流发生器包括基部和从所述基部延伸的至少一个气流改变元件，所述基部具有前缘和后缘，其中，所述气流改变元件中的至少一者包括从所述基部大体上垂直延伸的翅片；以及

至少一个边界层激流元件，所述至少一个边界层激流元件安装在所述涡流发生器的上游，所述边界层激流元件构造成扰乱所述涡流发生器上游的所述气流，以便迫使层状气流成湍动气流，从而消除由层状边界层不稳定性所引起的噪声。

10.根据权利要求9所述的转子叶片组件，其特征在于，所述至少一个边界层激流元件安装在所述涡流发生器上游的预定距离处，所述预定距离构造成扰乱所述涡流发生器上游的所述气流，以便迫使层状气流成湍动气流，所述预定距离在从1厘米至40厘米的范围内。

11.根据权利要求9所述的转子叶片组件，其特征在于，所述边界层激流元件的高度在0.1毫米与2.5毫米之间的范围内。

12.根据权利要求10所述的转子叶片组件，其特征在于，根据在所述涡流发生器的安装位置处的边界层厚度来确定所述预定距离。

13.根据权利要求9所述的转子叶片组件，其特征在于，所述边界层激流元件包括带、一个或多个线、一个或多个吹孔或槽、一个或多个凹部或者表面粗糙度中的至少一者。

14.根据权利要求9所述的转子叶片组件，其特征在于，所述基部包括形成在其所述前缘和所述后缘两者内的一个或多个边缘特征。

15.根据权利要求14所述的转子叶片组件，其特征在于，所述一个或多个边缘特征包括锯齿、凹部、缝、槽、孔、通道、凸起或肋中的至少一者。

16.根据权利要求9所述的转子叶片组件，其特征在于，所述涡流发生器的基部包括形成在其所述前缘或所述后缘中的至少一者内的多个边缘特征，所述多个边缘特征具有随机的图案。

17.根据权利要求9所述的转子叶片组件，其特征在于，所述涡流发生器的基部包括形成在其所述前缘或所述后缘中的至少一者内的多个边缘特征，所述多个边缘特征具有一致的图案。

18.根据权利要求14所述的转子叶片组件，其特征在于，所述一个或多个边缘特征朝所述转子叶片的压力侧或吸入侧中的至少一者渐缩。