風力渦輪機葉片刷的製作方法

2023-10-24 03:21:27

專利名稱：風力渦輪機葉片刷的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有剛毛(bristles)或刷子(brush)的風力渦輪機葉片， 所述剛毛或刷子布置在它的一個外表面上。本發明還涉及包括這種風 力渦輪機葉片的風能系統。
背景技術：
近年來，作為一種能量源風能系統其具有的重要性已越來越大。 因為在一些國家適合它們經濟性運營的地區相對較為稀少，位於靠近 人口稠密地區的風能系統數量正在增加。由於風能系統中風力渦輪機 的運行會產生噪聲，這會導致多種問題，如鄰近地區居民的抵制及類 似問題。雖然有多種來源可造成這軒系統總的噪聲散發，但人們已知 葉片周圍的空氣流是主要噪聲源之一。這造成了例如在1kHz頻率範 圍之內的典型的"嘶嘶，，聲或"嗖嗖，，聲。噪聲的等級極大地受到所 述渦輪機葉片設計的影響，尤其是螺旋槳外形選擇的影響。由於這種 選擇也受到其他標準(例如高效率運轉)的影響，因此低噪音運轉的目 標就經常與設計者認為更重要的方面相矛盾。此外，即使是針對低噪 音運轉進行了優化的設計依然會造成噪音散發，這在某些情形下是無 法忍受的。因此，人們所需要的是減少特定風力渦輪機葉片噪聲散發 的措施。
從飛機技術領域可知為了減少由氣流引起的噪音，可對飛機機翼 採取物理措施。例如，在螺旋槳前緣附近貼上鋸齒形的鑲邊。人們提 出的另一種技術是針對商業客^L的。所謂的前緣縫翼，是和著陸襟翼 等價的結構，但位於機翼的前面，此處是起飛或著陸時主要的噪聲源。 研究表明這可能是由於機翼主體和前緣縫翼之間的縫隙，加上所述前緣縫翼下部的凹面形狀所造成的。為了減少由前緣縫翼和機翼之間的 湍流所引發的噪聲，有人建議在所述前緣縫翼的下部添加剛毛。

發明內容
考慮到上述方案，本發明提供了 一種用於風能系統中的風力渦輪 機葉片，該葉片包括具有後緣和前緣的葉片體，以及布置在所述葉片 體外表面的多根剛毛。
在本發明的第一方面，提供了一種用於風能系統的轉子葉片。它 包括多根纖維製品，其位於轉子葉片外殼(包括前緣和後緣)之上。
用來降低由風力渦輪機葉片所產生噪聲的常規方法主要包括在
設計期間對螺旋槳外形進行修改。在本發明中，建議將一定數量的剛 毛或纖維製品布置在風力渦輪^L葉片的一部分，以便減少噪聲散發。
與已知技術相比，本發明具有明顯的優勢。首先，本發明可應用於任 意螺旋槳，而不依靠其空氣動力學設計。因此，與本發明一起使用的 螺旋槳可以將效率及其他相似方面的最佳性能作為設計目標，而依然 可以獲得此系統的改善噪聲散發性能。所採取的措施來自可商業購買 的商品(典型情況下是人造纖維)，且既易於製造也相對便宜。此外， 本發明既可以在葉片的製造過程中應用，也可以以相對較小的工作量 和成本在現有的風能系統上應用。剛毛可通過多種方法應用到所述葉 片上，例如粘貼，熔接，熱封等，或通過機械插入方式插進所述葉片 體或中間載體部件上的小針孔當中。根據本發明的轉子葉片可應用在 有一片，兩片，三片或更多轉子葉片的風力渦輪機中。
在本發明的一個實施例中，所述剛毛被貼在所述葉片體的後緣附 近。在另一個實施例中，從所迷剛毛的一組參數(包括長度，直徑和柔 性)中選出的至少 一個參數根據所述剛毛與所述葉片根部之間的距離 而變化。
根據本發明的另 一方面，風能系統中使用的風力渦輪機包括具有 後緣和前緣的葉片體，包括多#^剛毛的刷子，其中，所述刷子被布置
5在所述葉片體的後緣附近。
在本發明的第三方面，本發明提供了一種用於風能系統中的風力 渦輪機，該風力渦輪機包括具有後緣和前緣的葉片體，以及布置在所 述葉片體外表面的多根剛毛。
通過所附權利要求，描述以及附圖，本發明的其他方面，優勢以 及特徵將變得更加明顯。
本發明的風力渦輪機可用於任何風能系統中。


在本發明的其餘部分，包括對附圖的說明和引用，對本發明的全 面及允許公開內容，包括對本領域技術人員而言的最佳模式，進行了
更加詳細的描述，其中
圖1是一種具有三個轉子葉片的風力渦輪機的示意圖。 圖2是根據常規現有技術設計的風力渦輪機轉子葉片的前視圖。 圖3是根據本發明一個實施例的風力渦輪機轉子葉片的前視圖。 圖4是根據本發明另一個實施例的風力渦輪機轉子葉片的剖面圖。
圖5是根據本發明 一個實施例的風力渦輪機轉子葉片的剖面圖。 圖6是根據本發明另一個實施例的風力渦輪機轉子葉片的前視圖。
圖7是根據本發明 一個實施例的風力渦輪機轉子葉片的前視圖。
圖8顯示了根據本發明一個實施例的刷子的正視圖。
圖9顯示了根據本發明一個實施例的刷子的前視圖。
圖10顯示了根據本發明又一個實施例的風力渦輪機葉片。
圖11顯示了根據本發明一個實施例的風力渦輪機葉片。
圖12顯示了根據本發明另 一個實施例的風力渦輪機葉片。
圖13顯示了根據本發明一個實施例的風力渦輪機葉片。零部件清單
100風力渦輪才幾
110塔架(tower)
120短艙(nacelle)
130輪轂
140轉子葉片
150葉片根部(blade root)
160葉片頂部(blade tip)
170葉片體
180前緣
190後緣
300,310，320,330,340,350 剛毛 500 載體部件(carrier member) 600,620,630,640 刷子 610刷體
具體實施例方式
現在將對本發明的多個實施例進行詳細引用，其中 一個或多個範 例在圖中進行了圖解說明。每個範例都通過對本發明進行解釋的方式 進行提供，且不意味著對本發明的限制。例如，被圖解或描述為一個 實施例的一部分的特徵還可用於其他實施例，或與其他實施例相關聯 以產生其他的實施例。其意圖在於使本發明包括此類更改和變動。
圖1是一種典型風力渦輪才幾的示意圖。所述風力渦輪機100包括 塔架110，在其頂端安裝了機械短艙120。所述短艙外殼內安裝了傳 動系統，其上連接了主發電機(未示出)。承載著三個轉子葉片140的 輪轂130安裝在所述機械短搶120的橫向一端。所述轉子葉片140可 由節距驅動器進行調節，節距驅動器典型情況下位於輪轂130內。
風力渦輪機葉片或轉子葉片140的基本構造如圖2所示。其中，所述風力渦輪機葉片140包括根部150，其用來將葉片140安裝到輪 轂130。和所述葉片根部150相對，布置了所迷風力渴輪機葉片140 的頂部160。所述葉片140的葉片體170在所述葉片根部150和葉片 頂部160之間延展。所述風力渦輪機葉片包括前緣180和後緣190。 所述轉子葉片具有總長RL和弦長CL，典型情況下，弦長沿轉子葉片 140的長度方向變化。
圖3顯示了本發明的一個實施例。風力渦輪機葉片140配有布置 在所述葉片體170外表面的多根剛毛300。為了降低由所述葉片後緣 190相關的各種效應所引起的噪聲，所述剛毛被附連在所述葉片體的 所述後緣190附近。典型情況下，所述剛毛300的一端附連在所述後 緣190上，沿所述葉片140向後的方向伸出所述葉片體170。典型情 況下，所述剛毛300沿所述葉片的縱向排列成至少一排。所述剛毛可 沿所述葉片按組布置，以便形成有剛毛的區域和沒有剛毛的區域。剛 毛可通過多種方法應用到所述葉片體上，例如粘貼，熔接，熱封等， 或通過機械插入方式插進所述葉片體或中間載體部件上的小針孔當 中。特別的是，現有風力渦輪機的轉子葉片可使用剛毛進行改型翻新， 從而降低噪聲散發。
為了獲得更高的噪聲降低效果，可採用多行剛毛。這些由沿著所 述葉片140縱向的剛毛安裝點所限定的行彼此靠近，並被布置在所述 後緣190的附近。圖4顯示了一個實施例，該實施例有布置在所述葉 片體170的後緣190上的五行剛毛，每行剛毛位於另一行剛毛之上。 然而，本發明並不限於將剛毛按行布置。風力渦輪機葉片上剛毛的任 何排列都被認為屬於本發明的範圍之內，包括在所述葉片體的多個區 域(典型情況下，但不限於，後緣區域)任意布置的剛毛。
所述剛毛300的長度在5mm到100mm之間，典型情況下在15mm 到80mm之間，而更典型地在25mm到70mm之間，例如30mm或 50mm。直徑在O.lmm到4mm之間，典型情況下在0.2mm到0.8mm 之間，而更典型地在0.3mm到0.6mm之間，例如0.3mm或0.5mm。所述剛毛300的材料可以從多種用於人造纖維的材料中選擇，典型情 況下為聚合物，如聚烯烴，環狀聚烯烴，矽樹脂，丙烯酸類聚合物， 聚酯，聚醯胺，芬芳聚醯胺以及類似材料，也可以使用金屬或石英。 更典型的是，所述材料為聚丙烯，聚乙烯，聚醯胺或聚氯乙烯。也可 以是天然或纖維素基纖維，例如大麻纖維，亞麻，薴麻或劍麻都可使 用，並被認為屬於本發明範圍之內。所述纖維當暴露在陽光的紫外線 成分當中時，應能夠提供柔性、抗疲勞性和長期穩定性。
圖5顯示了本發明的又一個實施例，根據此發明在所述葉片體 170和所述剛毛300之間有載體部件500。所述載體部件可為，但不 限於， 一條鋁，鋼，塑料或類似材料製成的長型面。典型情況下，所 述型面的厚度與所述後緣190的厚度大致相等或小於該後緣厚度。還 可有多個以連續行或間斷方式布置的此類部件。這種載體部件有更有 利於更簡便的安裝，維護等優點。例如，出於測試或優化目的，具有 不同剛毛排列的部件可快速進行更換。所述載體部件通過機械方法(如 螺絲或快速鎖定系統等)，化學方法(如粘合)或熱封及類似方法附連在 所述葉片體上。所述剛毛典型情況下，但不必須是，通過機械方式附 連在所述部件上。所述帶有剛毛的載體部件可在葉片的生產過程中， 或在現有風能系統的改型翻新過程中進行應用。
圖6顯示了根據本發明另一個實施例的風力渦輪機葉片140。由 於風力渦輪機中所使用的旋轉螺旋槳的特性，環繞在螺旋槳周圍的氣 流速度隨著與轉子輪轂130之間距離的增加而升高。因此，處於葉片 最裡面部分的氣流速度相對較低，而在葉片頂端卻可以達到每秒數百 米的速度等級。氣流速度的差異導致所述葉片不同部分所產生噪聲的 振幅，頻譜組成等方面的變化。因此，本發明的降噪措施沿所述葉片 以不同的變化形式被方便地進行應用。影響所述剛毛降噪特性的主要 參數包括長度，直徑和柔性。在此實施例中，所述剛毛的一個或多個 這些參數根據相應剛毛300， 310, 320距離葉片根部150的距離而變 化。選定參數對該距離的相關性可由數學關係決定，例如由線性或多項式相關性決定。典型情況下，噪聲散發方面最適宜的構造通過如下 方法確定，即，將單個風力發動機葉片和具有不同參數，距所述葉片
根部150距離不等的剛毛結合在一起進行測試。例如，位於所述轉子 葉片頂部附近，長度在50mm到100mm之間(如70mm)的長剛毛300。 位於所述轉子葉片中部，長度在30mm到70mm之間(如40mm)的中 等尺寸剛毛310。位於所述葉片根部附近，長度在10mm到40mm之 間(如25mm)的短剛毛320。確切值取決於設計者根據使用特定轉子葉 片的測試結果所做出的選擇。如果希望有柔性變化，這可以通過例如 所述纖維直徑的變化，或所述材料或纖維類型的變化來達成目的。關 於所述風力渦輪機葉片周圍的氣流特性，很明顯所述葉片的弦長將影 響所述後緣附近氣流的行為。因此，所述剛毛的參數也可以通過將它 們在所述葉片上位置處的實際弦長納入考慮來確定。
圖7顯示了本發明的另一個實施例，根據該實施例，剛毛300， 330， 340, 350具有不同的長度及/或直徑及/或柔性，並在所述葉片體 170上間斷性地或分組地布置。剛毛的降噪特性隨(例如)長度的變化而 變化。實驗數據暗示這樣的事實，即要降低與後緣相關的噪聲，對於 低頻噪聲，較短的剛毛長度能獲得較好的降噪效果，而對於高頻噪聲， 較長的剛毛往往更有效。因此，在所述葉片的同一區域，具有明顯不 同外部尺寸的剛毛組合有助於在寬頻譜範圍內獲得具有更高效率的 降噪特性。例如，剛毛300和350的長度都在30mm到50mm之間， 例如40mm，而直徑分別是0.5mm和0.3mm，而剛毛330和340的長 度都在60mm到90mm之間，例如70mm，而直徑分別是0.5mm和 0.3mm。
圖8顯示了根據本發明一個實施例的刷子600的正^L圖。該刷子 包括刷體610和多根剛毛300,剛毛布置在前者的一個表面上。在圖 9顯示了刷子600的前視圖。
圖10顯示了本發明的另一個實施例，根據該實施例，所述風力 渦輪機葉片140配有長刷子600,刷子沿縱向而向前突出，突出長度
10等於葉片總長度的一個百分比(l到100%之間)，典型情況下，該百分
比在1%到70%之間，而更典型地在1 %到20%之間。典型情況下， 所述刷子的一端位於所述葉片頂端160附近的一個點。刷子600包括 刷體610和多根柔性纖維或剛毛300。所述剛毛300的長度在5mm到 100mm之間，典型情況下在15mm到80mm之間，而更典型地在25mm 到70mm之間，例如30mm或50mm。直徑在O.lmm到4mm之間， 典型情況下在0.2mm到0.8mm之間，而更典型地在0.3mm到0.6mm 之間，例如0.3mm或0.5mm。所述剛毛300的材料可以從多種用於人 造纖維的材料中選擇，典型情況下為聚合物，如聚烯烴，環狀聚烯烴， 矽樹脂，丙烯酸類聚合物，聚酯，聚醯胺，芬芳聚醯胺以及類似材料， 也可以使用金屬或石英。更典型地，所述材料為聚丙烯，聚乙烯，聚 醯胺或聚氯乙烯。也可以是天然或纖維素基纖維，例如大麻纖維，亞 麻，薴麻或劍麻都可使用，並^L認為屬於本發明範圍之內。所述纖維 當暴露在陽光的紫外線成分當中時，應提供柔性，抗疲勞性和長期穩 定性。刷子可通過機械方法(如螺絲或快速鎖定系統等)，化學方法(如 粘合)或熱封及類似方法附連在所述葉片體上。所述剛毛典型情況下， 但不必須是，通過機械方式附連在刷體上。現有風力渦輪機的轉子葉 片可經濟而快速地用一個或多個刷子進行改型翻新，從而降低噪聲散 發，或者刷子還可在所述葉片的製造過程中附連在葉片上。
在本發明的一個實施例中，刷子600位於所述後緣190附近。 在本發明的又一個實施例中，刷子600包括具有不同長度及/或不 同直徑及/或不同柔性的剛毛300，所述剛毛300間斷性地或隨機地布 置在刷子外面。
在本發明的再一個實施例中，所述剛毛的至少 一個參數(從包括 長度、直徑和柔性的參數組中選出)由所述葉片140的弦長決定，該弦 長如相關剛毛所處的位置處所測。
圖11顯示了本發明的又一個實施例，根據該實施例，所述轉子 葉片配有至少兩個刷子，它們的長度、直徑以及剛毛長度等可能不同。在此實施例中，單個刷子的長度在0.3m到20m之間變化，典型情況下為lm到5m，例如2m。分開的刷子在多個方面提供了更大的靈活性，如裝卸，支撐以及預製刷子的商業可購買性。
圖12顯示了本發明的另一個實施例，根據該實施例，所述轉子葉片長度在5%到30%之間(例如15%)的一部分配有一個或多個分離的刷子。所述一個或多個刷子典型地但並非必需地位於所述葉片的頂部區域。
圖13顯示了本發明的一個實施例，根據該實施例用於風能系統的風力渦輪機140包括轉子葉片，該轉子葉片具有後緣和前緣，以及布置在所述葉片體外表面上的剛毛300。
本書面描述使用範例來公開本發明，包括本發明的最佳模式，並使得任何本領域的技術人員能夠製造和使用本發明。雖然本發明根據多個特定實施例進行描述，但本領域技術人員應意識到本發明可通過處於權利要求精神和範圍之內的更改形式來實施。特別地，上述實施例中相互不排斥的特徵可彼此組合。本發明可申請專利的範圍由權利要求定義，並可包括本領域技術人員想到的其他範例。如果此類其他範例的結構要件與權利要求的書面語言描述沒有差異，或如果它們包括的等價性結構要件與權利要求書面語言描述沒有實質性的差異，則此類其他範例應屬於權利要求的範圍之內。
權利要求
1. 一種用於風能系統(130)中的轉子葉片(140)，包括具有後緣(190)和前緣(180)的葉片體(170)，及布置在所述葉片體的外表面上的多根剛毛(300，310，320，330，340，350)。
2. 根據權利要求1所述的轉子葉片(140)，其特徵在於，所述剛毛 (300， 310， 320， 330, 340， 350)位於所述葉片體(170)上且處於所述 後緣(190)附近。
3. 根據權利要求1或2所述的轉子葉片(140)，其特徵在於，所述 剛毛(300， 310, 320， 330， 340, 350)沿所述轉子葉片的縱向而排列 成至少一行。
4. 根據權利要求3所述的轉子葉片(140),其特徵在於，所述剛毛 (300, 310， 320， 330， 340， 350)的至少一行的長度為所述葉片總長 度的1%到100%之間。
5. 根據以上權利要求中任一項所述的轉子葉片(140)，還包括載體 部件(500)，其特徵在於，所述載體部件(500)附連在所述葉片體(170)上，且 所述剛毛(300， 310, 320， 330， 340， 350)附連在所述載體部件 (500)上。
6. 根據以上權利要求中任一項所述的轉子葉片(140),其特徵在 於，所述剛毛(300， 310， 320， 330， 340, 350)的長度在10mm到100mm 之間的範圍內。
7. 根據以上權利要求中任一項所述的轉子葉片(140)，其特徵在 於，所述剛毛(300, 310， 320， 330, 340， 350)是柔性的。
8. 根據以上權利要求中任一項所述的轉子葉片(140),其特徵在 於，所述剛毛(300， 310， 320， 330， 340， 350)的直徑在O.lmm到4 mm 之間。
9. 根據以上權利要求中任一項所述的轉子葉片(140),其特徵在330， 340, 350)。
10. 根據以上權利要求中任一項所述的轉子葉片(140)，其特徵 在於，從包括所述剛毛(300,310,320,330,340,350)的長度、直徑和柔性 在內的參數組中選出的至少 一個參數根據所述剛毛與所述葉片根部 (150)之間的距離而變化。
全文摘要
一種風力渦輪機葉片刷，它提供了一種用於風能系統中的轉子葉片，包括具有後緣和前緣的葉片體，以及布置在所述葉片體外表面上的多根剛毛。所述剛毛在典型情況下附連在所述葉片體後緣附近，用於降低工作時由葉片附近的氣流所產生的噪聲。
文檔編號F03D1/06GK101476537SQ20081000250
公開日2009年7月8日 申請日期2008年1月4日 優先權日2008年1月4日
發明者K·克格勒, S·赫爾, W·多布林斯基 申請人:通用電氣公司