具有抗噪聲裝置的風力渦輪機葉片的製作方法

2023-08-11 05:39:21 1

專利名稱：具有抗噪聲裝置的風力渦輪機葉片的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有抗噪聲裝置的風力渦輪機葉片，更具體地涉及具有用於降低分貝(A)中所產生的空氣動力可聽見噪聲的裝置的葉片。
背景技術：
在運行期間產生的噪聲嚴重製約風力渦輪機中的功率產生。具體 地，由於邊界層與拖尾邊緣之間的相互作用風力渦輪機葉片產生空氣 動力可聽見噪聲。在開始轉換之後及與拖尾邊緣相互作用時，風力渦輪機葉片上的 湍流邊界層產生噪聲。邊界層中湍流的各向異性、變化和長度範圍影 響機翼產生的噪聲。現有幾種公知的方案降低風力渦輪機葉片產生的空氣動力噪聲。其中之一是利用鋸齒形的拖尾邊緣。在這一方面，EP0652367具 體公開了具有以鋸齒形式不規則地形成的後邊緣的轉子葉片。 EP1314885公開了具有鋸齒形拖尾邊緣的轉子葉片，每一個葉片具有 多個沿展翼方向的周期性的鋸齒形缺口，鋸齒的形式是相鄰頂點之間 的夾角在約60度以內。EP1338793公開了轉子葉片，其中在葉片的 拖尾邊緣部分形成鋸齒形缺口，鋸齒的形狀是三角齒、梯形齒或鋸形 齒。在W02006/122547中公開的另一方案是利用湍流生成裝置作為 噪聲減小裝置。所述裝置放置在風力渦輪機葉片的背風表面側和在葉 尖方向的風力渦輪機葉片的外截面。現有技術還提出利用風力渦輪機的運行控制方法減小空氣動力 噪聲，特別是控制轉子轉速。在這方面，1996年Wagner等在 Springer-Verlag Berlin Heidelberg出版的Wind Turbine Noise 中總結了風力渦輪機產生的噪聲引起的問題和 一些減小噪聲的方法。本發明提供了減小風力渦輪機產生的空氣動力噪聲的不同方案。 發明內容本發明的目標是提供一種風力渦輪機葉片，其具有允許改變邊界 層特性並因此減輕發出的噪聲的裝置。本發明的另一目標是提供具有可聽見噪聲減弱裝置的風力渦輪 機葉片。雖然發出的噪聲中聲學能量保持不變，但是產生的可聽見噪 聲減少。本發明的這些和其他目標通過提供包括至少一個葉片的風力渦 輪機實現，葉片的空氣動力外形具有前導邊緣、拖尾邊緣和在前導邊 緣與拖尾邊緣之間的吸入和壓力側，且葉片包括放置在吸入側的由改 變邊界層噪聲頻譜的元件構成的抗噪聲裝置。如下詳細所示，所述元件由於其降噪機構不易於產生湍流，該降噪機構除了相干射流結構外與W0 2006/122547的類似。湍流的引入 意味著引入邊界層中的隨機運動，同時引入相干結構與引入邊界層中 的有序運動相關。從以下結合附圖的詳細說明可以理解本發明的其他特徵和優點。


圖1是根據本發明具有抗噪聲裝置的風力渦輪機葉片的示意性圖2是根據本發明抗噪聲裝置的單個元件的立體圖。 圖3是圖2所示單個元件的平面圖。圖4、 5和6是根據本發明抗噪聲裝置的三個不同實施例的立體圖。圖7示意性地表示根據本發明抗噪聲裝置的單個元件產生的相 幹旋渦結構。圖8是在葉片表面上相干結構的表面油可視化效果。
具體實施方式
當氣流流過葉片時，邊界層形成。邊界層是流場中的區域，其中 速度從遠離葉片的流體速度變化到自然附著在葉片表面上的不滑動 狀態。邊界層的本質是層流或湍流。層流邊界層可以看作氣流平滑移 動的邊界層，好像平行於表面的層。層流邊界層自然地發展為湍流邊 界層，其中有大量的隨機運動。從層流到湍流的變化出現在稱為轉換 區的區域，其中不同射流結構的演化改變了邊界層的本質。第一個出 現的湍流結構是湍流斑。湍流斑順流傳播，結合併形成A結構(也稱 為髮夾結構)。後者的結構促進邊界層中的混合，且由於在氣流中引 入的運動模式，後者的結構能夠自維持。A結構出現之後，氣流很快 完全變為湍流，沒有瞬時的有序。在湍流邊界層中，真正的粘滯效果 (由於粘性導致的)只出現在粘性子層中，粘性子層是靠近壁面的非 常小的區域。在湍流邊界層的其餘部分，粘滯效應僅僅是表面上的， 因為這裡的粘滯效應是由於隨機運動及沒有粘性與剪應力能量消耗。發出的噪聲能量等級及其頻率分布很大程度上取決於湍流的長 度範圍和在葉片表面上由湍流運動引起的壓力波動的能譜。在邊界層 內湍流結構的範圍約為邊界層的厚度，其特徵長度範圍和能譜分布很 大程度上取決於所考慮位置的邊界層逆流的變化，對於空氣聲學目 的，所考慮位置通常是拖尾邊緣。本發明的思想是通過使用引入相干射流結構的元件改變湍流的 範圍及其在頻域的能量分布，元件放置在轉換線位置之後，轉換線是 出現從層流邊界層到湍流邊界層的變化的位置。圖1是具有前導邊緣13和拖尾邊緣15的風力渦輪機葉片11，其包括根據本發明放置在從風向17的觀察點看轉換線21的右側的抗 噪聲裝置31，在轉換線出現從層流邊界層到湍流邊界層的變化。當靠近葉片的氣流流過抗噪聲裝置時，產生與自由流對準的相干 旋渦結構35 (見圖7)，動態地改變邊界層並改變其射流特性。流向 對準的相干旋渦已經顯示出對邊界層上的速度分布及其湍流特性有 重大影響，所述特性如湍流等級、湍流動能的產生等。6在現代風力渦輪機葉片中，對於中等角度的衝擊，可以認為轉換線是固定在對應於從前導邊緣13開始測量、範圍在弦長度的40%-95%的弦位置的兩截面之間。圖1表示從根部19延伸到尖端21的抗噪聲裝置31。可以認為 抗噪聲裝置31應當沿葉片11的截面放置，從葉片的根部19開始測 量在其長度的5%-100%之間延伸。在另一實施例中，抗噪聲裝置31沿葉片11的截面放置，從葉片 的根部19開始測量在其長度的66%-100%之間延伸。圖2表示可以用於抗噪聲裝置31的單個元件33的實施例，其所 在位置相對於x軸指示的氣流方向和z軸指示的葉片跨度方向。根據圖2和3，可以看出單個元件33的主體是箭頭形，其放置 在葉片11的吸入側，箭頭尖端41指向前導邊緣13。在另一實施例中，單個元件33固定在葉片11的吸入側，箭頭尖 端41指向拖尾邊緣15。元件33由具有從箭頭尖端41到箭頭中心43的公共中心面的左 上、右上、左下、右下梯形表面51、 53、 55、 57和在所述上、下表 面51、 53、 55、 57之間延展的側面61、 63、 65、 67、 69、 71限定。在優選實施例中，箭頭尖端41、箭頭中心43和箭頭左右端45、 47的高度tl、 t2、 t3和t4分別在0-10毫米之間。在另一優選實施例中，箭頭尖端41的高度tl小於箭頭中心43 的高度t2，箭頭左右端45、 47的高度t3、 t4小於箭頭中心43的高 度t2並大於箭頭尖端41的高度tl。在優選實施例中，在左上表面51的外側75與箭頭軸77之間的 角6i在5-60度之間，在右上表面53的外側79與箭頭軸77之間的角 62在5-60度之間，在左上表面51的內側81與箭頭軸77之間的角03 在30-90度之間，在右上表面53的內側83與箭頭軸77之間的角64 在30-90度之間。在優選實施例中，連接左上表面51的內外側81、 75的側面85 的長度、在0-20釐米之間，連接右上表面53的內外側83、 79的側面87的長度、在0-20釐米之間，元件33的側面投影的長度入3在0-20 釐米之間，元件33的正面投影的長度入4在0-20釐米之間。圖4表示單個放置在葉片上的多個元件33構成的抗噪聲裝置31 ， 元件之間留有間隔。圖5表示分組放置在葉片上的多個元件33構成的抗噪聲裝置31 ， 各組之間留有間隔。圖6表示並排放置在葉片上的多個元件33構成的抗噪聲裝置31 ， 元件之間不留間隔。改變已經定義的幾何尺寸，在元件33之間留出間隔，可以獲得 針對相干旋渦結構的不同旋渦強度和核心尺寸。元件33的幾何尺寸 影響所形成的細絲的射流特性，因此為了減少噪聲的目的將元件33 的幾何尺寸調節為使用於較寬範圍的風力渦輪機運行特性。在所有情 況下，邊界層內的速度和旋渦分布的變化預期能轉移噪聲能譜分布 (分貝(A))。雖然參考優選實施例充分描述了本發明，但不應當視為本發明受 具體實施例的限制。顯然，在本發明的範圍內可以引入修改。
權利要求
1、包括至少一個葉片(11)的風力渦輪機，葉片的空氣動力外形具有前導邊緣(13)、拖尾邊緣(15)和在前導邊緣(13)與拖尾邊緣(15)之間的吸入側和壓力側，其特徵在於葉片(11)包括放置在吸入側的由改變邊界層噪聲頻譜的元件(33)構成的抗噪聲裝置(31)。
2、 根據權利要求1所述的風力渦輪機，其特徵在於所述抗噪 聲裝置(31)放置在兩截面之間的吸入側上，所述兩截面對應於從前 導邊緣(13)開始測量的範圍在弦長度的40%-95%的弦位置。
3、 根據權利要求2所述的風力渦輪機，其特徵在於所述抗噪 聲裝置(31)沿葉片(11)的截面放置，其在從葉片的根部(19)開 始測量的葉片長度的5%_100%之間延伸。
4、 根據權利要求3所述的風力渦輪機，其特徵在於所述抗噪 聲裝置(31)沿葉片(11)的截面放置，其在從葉片的根部(19)開 始測量的葉片長度的66%-100%之間延伸。
5、 根據權利要求1-4任一所述的風力渦輪機，其特徵在於所 述抗噪聲裝置(31)由單個放置在葉片(11)上的多個元件(33)構 成，元件之間留有間隔。
6、 根據權利要求1-4任一所述的風力渦輪機，其特徵在於所 述抗噪聲裝置(31)由分組放置在葉片(11)上的多個元件(33)構 成，各組之間留有間隔。
7、 根據權利要求1-4任一所述的風力渦輪機，其特徵在於所 述抗噪聲裝置(31)由並排放置在葉片(11)上的多個元件(33)構 成，元件之間不留間隔。
8、 根據權利要求1-4任一所述的風力渦輪機，其特徵在於所 述元件(33)主體是箭頭形，所述主體由具有從箭頭尖端(41)到箭 頭中心(43)的公共中心面的左上、右上、左下、右下梯形表面(51、 53、 55、 57)和在所述上、下表面(51、 53、 55、 57)之間延展的側 面(61、 63、 65、 67、 69、 71)限定。
9、 根據權利要求8所述的風力渦輪機，其特徵在於所述元件(33)放置在葉片(11)上，箭頭尖端(41)指向前導邊緣(13)。
10、 根據權利要求8所述的風力渦輪機，其特徵在於所述元件(33)放置在葉片(11)上，箭頭尖端(41)指向拖尾邊緣(15)。
11、 根據權利要求8所述的風力渦輪機，其特徵在於箭頭尖端(41)、箭頭中心(43)和箭頭左右端(45、 47)的高度tl、 t2、 t3 和t4分別在0-IO毫米之間。
12、 根據權利要求11所述的風力渦輪機，其特徵在於箭頭尖 端(41)的高度tl小於箭頭中心(43)的高度t2，箭頭左右端(45、 47)的高度t3、 t4小於箭頭中心(43)的高度t2並大於箭頭尖端(41) 的高度tl。
13、 根據權利要求12所述的風力渦輪機，其特徵在於在左上 表面(51)的外側(75)與箭頭軸(77)之間的角6i在5-60度之間， 在右上表面(53)的外側(79)與箭頭軸(77)之間的角62在5-60 度之間。
14、 根據權利要求13所述的風力渦輪機，其特徵在於在左上 表面(51)的內側(81)與箭頭軸(77)之間的角63在30-90度之間， 在右上表面(53)的內側(83)與箭頭軸(77)之間的角04在30-90 度之間。
15、 根據權利要求14所述的風力渦輪機，其特徵在於連接左 上表面(51)的內外側(81、 75)的側面(85)的長度、在0-20釐 米之間，連接右上表面(53)的內外側(83、 79)的側面(87)的長 度入2在0-20釐米之間，所述元件(33)的側面投影的長度^在0-20 釐米之間，及所述元件(33)的正面投影的長度人4在0-20釐米之間。
全文摘要
包括至少一個葉片(11)的風力渦輪機，葉片(11)的空氣動力外形具有前導邊緣(13)、拖尾邊緣(15)和在前導邊緣(13)與拖尾邊緣(15)之間的吸入側和壓力側，葉片(11)包括放置在吸入側的由改變邊界層噪聲頻譜的元件(33)構成的抗噪聲裝置(31)。優選抗噪聲裝置(31)放置在兩截面之間的吸入側，所述兩截面對應於從前導邊緣(13)開始測量的範圍在弦長度的40％-95％的弦位置。
文檔編號F03D11/00GK101324218SQ20081009824
公開日2008年12月17日 申請日期2008年5月28日 優先權日2007年5月31日
發明者路易斯米格爾·加西良魯埃達, 阿爾瓦羅·馬特桑斯希爾 申請人:歌美颯創新技術公司