技术领域
[0001] 本
发明描述了用于
风力
涡轮机
转子叶片的
空气动力学结构、具有这种
空气动力学结构的
风力涡轮机转子叶片、以及为风力涡轮机转子叶片配备空气动力学结构的方法。
背景技术
[0002] 风力涡轮机所产生的噪声
水平是决定是否将给予建立这类风力涡轮机的允许的主要因素，特别是当场地靠近住宅区时。通常，来自空气动力学转子的噪声被认为是最麻烦的。因此，正在投入大量精力来寻找降低风力涡轮机转子叶片在移动通过空气时这些风力涡轮机转子叶片所产生的噪声的方法。降低来自空气动力学转子的噪声的最简单的方法是降低空气动力学转子的旋转速度，但这与功率输出的实质损失（substantial penalty）直接相关。因此，将更优选的是确定降低噪声水平的其它方法。
[0003] 对于具有超过20-30 m的转子叶片长度的大型风力涡轮机来说，主要噪声源是
后缘噪声。当空气流过吸力侧（suction side）或压力侧时，发展漩涡，从而导致通过叶片后缘的
湍流。在该湍流通过后缘时主要引起的噪声被称为“后缘噪声”。后缘噪声的原因也可以看作是后缘处不稳定的表面压力的散射。不稳定的表面压力是湍流
边界层的“足迹”，即，不稳定的表面压力是由边界层中的湍流漩涡的压力场引起的。由于朝向转子叶片的外端的较高旋转速度，后缘噪声主要在转子叶片的外侧部分中产生。
[0004] 存在各种
修改转子叶片的方法，目的是降低后缘噪声。例如，代替直的后缘，后缘可以具有沿着转子叶片的外部部分的呈锯齿状或“锯齿”形状。锯齿有效地降低了后缘处的漩涡散射。然而，虽然这种锯齿状边缘可以在一定程度上降低后缘噪声，但它不能完全地消除噪声。因此，虽然后缘锯齿可以降低后缘噪声，但仍然存在显著的噪声水平。
[0005] 通过在锯齿之间布置梳元件可以改善后缘锯齿的降噪效果。梳元件沿两个相邻锯齿的边缘起始，并终止于由这些锯齿的尖端限定的终止线。这种梳元件与锯齿位于相同的平面内，即，梳齿靠近主气流方向
定位。这种梳元件的有益声学效果可以理解成由
马蹄形漩涡的扩散（即，锯齿之间的梳将大漩涡分裂成较小的漩涡）和/或湍流气流中的一些
能量的耗散引起。
[0006] 虽然锯齿以及平面内的梳元件可以通过就在后缘后面使湍流扩散而对后缘噪声产生明显的积极效果，但它们对后缘上游存在的湍流没有显著效果。因此，已知的解决方案在降低由转子叶片产生的空气动力学噪声方面具有有限的能力。
发明内容
[0007] 因此，本发明的目的是提供一种降低由风力涡轮机转子叶片产生的噪声的改善方法。
[0008] 该目的通过以下来实现：
权利要求1的风力涡轮机转子叶片空气动力学结构；权利要求10的风力涡轮机转子叶片；以及权利要求15的为风力涡轮机转子叶片配备空气动力学结构的方法。
[0009] 根据本发明，空气动力学结构将被安装到风力涡轮机转子叶片的表面并且包括多个梳元件，梳元件包括布置在梳平面中的梳齿（也称为梳
纤维），其特征在于，被安装的梳元件的梳平面大体上垂直于转子叶片的后缘且大体上垂直于转子叶片的
翼型件表面。梳元件的所有齿或纤维位于共同的平面（即梳平面）中。
[0010] 安装表面可以是转子叶片翼型件的表面。等同地，安装表面可以是沿着转子叶片的后缘布置的后缘组件的表面。大体上平行于安装表面和/或大体上平行于后缘的梳元件不需要精确地垂直于安装表面或后缘，并且梳元件的平面在每种情况下可以偏离法线几度。梳元件可以安装在后缘的上游和/或下游。创造性空气动力学结构的梳元件沿从安装表面向外的方向延伸，并且因此不位于主气流方向的平面中。换言之，梳元件的平面不平行于翼型件表面或后缘组件表面，而是大体上垂直于翼型件表面或后缘组件表面。因此，创造性梳元件用作边界层中的沿翼展方向（spanwise）的分离器，并且当边界层通过转子叶片的后缘时，创造性梳元件可以用于“平滑”边界层中的任何不
稳定性。除非另有说明，否则术语“沿翼展方向的分离器”和“梳元件”在下文中可以视为同义词。实现该创造性空气动力学结构以抵消特定的空气动力学噪声源，即，靠近后缘的湍流。沿翼展方向的分离器或梳元件的作用是分裂这种湍流中的漩涡，使得气流在其通过后缘时变得更均匀。因此，创造性空气动力学结构可以有效地降低由后缘附近的湍流引起的空气动力学噪声。
[0011] 以其可接受的含义使用，“梳元件”可以理解成包括从内安装线延伸到外终止线的一组梳齿或梳纤维。梳齿的内端沿着安装线定位并且梳齿的外端沿着终止线定位。
[0012] 梳元件优选地安装到转子叶片，使得梳元件的梳齿与安装表面成0°至45°范围内的
角度。因此，沿翼展方向的分离器梳元件具有大体上为三角形的形状，并且除非另有说明，否则术语“沿翼展方向的分离器”和“三角形梳元件”可以在下文中用作同义词。取决于空气动力学结构的实现方式，三角形梳元件可以用于“切割”或“切断”进入气流，或者可以用于将进入气流从翼型件表面进一步向外推动，如下文将解释的。为了抵消当气流通过转子叶片时作用在梳元件的柔性齿上的力，沿翼展方向的分离器梳元件可以包括一个或更多个
支撑肋，所述支撑肋布置成保持梳元件与转子叶片的安装表面之间的期望倾斜角度。
[0013] 风力涡轮机转子叶片包括安装在转子叶片的安装表面上的创造性空气动力学结构的至少一个实例。
[0014] 可以有效地降低配备有这种转子叶片的风力涡轮机的噪声发射。在风力涡轮机的操作期间，转子叶片移动通过空气，使得气流通过转子叶片，并且气流在到达转子叶片的后缘之前将首先通过创造性空气动力学结构。转子叶片的后缘附近的湍流可以被沿翼展方向的分离器有效地扩散，使得风力涡轮机在以其额定功率输出下操作时可以满足可适用的声学噪声规定的需求。
[0015]
从属权利要求给出了本发明的特别有利的
实施例和特征，如在以下描述中揭示的。可以适当地组合不同权利要求类别的特征以给出本文中未描述的另外的实施例。
[0016] 优选地，沿翼展方向的分离器布置在安装装置上，该安装装置可以附接到安装表面，例如附接到转子叶片的翼型件表面。替代性地或额外地，安装表面可以是转子叶片的后缘组件的表面。
[0017] 如上文所提到的，被安装的梳元件的梳平面可以大体上垂直于转子叶片的后缘并且也大体上垂直于转子叶片的翼型件表面。有效地，这种沿翼展方向的分离器梳元件的安装线沿大体上垂直于转子叶片的后缘的方向延伸。然而，离心效应可以导致气流表现出朝向转子叶片的尖端的对角线“扫掠”。因此，在本发明的优选实施例中，根据其外侧
位置，沿翼展方向的分离器梳元件的安装线可以与后缘成高达45°的角度。优选地，更内侧的梳元件的安装线大体上垂直于转子叶片的后缘，而更外侧的梳元件的安装线与后缘逐渐成甚至更大的角度，因此最外侧的梳元件与后缘成高达45°的角度。
[0018] 将理解，空气动力学结构的安装装置沿翼展方向的方向（即沿由在叶片根部和叶片尖端之间延伸的线限定的方向，或沿由转子叶片的后缘限定的方向）附接到叶片的翼型件表面，使得梳元件沿翼展方向的方向布置。在本发明的优选实施例中，创造性空气动力学结构的安装装置在从后缘向内（即，上游）的一定距离处附接到转子叶片的翼型件表面。可以通过使用合适的模型的计算和/或基于从诸如风洞测试、现场的声学测量等测试获得的观察结果来确定从后缘向内的距离。在这种实施例中，安装线有效地布置在后缘的逆风的一定距离处。等同地，可以实现该创造性空气动力学结构，使得梳元件沿着或超出转子叶片的后缘终止。在这些实现方式中的任一者中，空气动力学结构优选地包括多个这种沿翼展方向的分离器梳元件，其在转子叶片的外侧区域中以0.5-5cm的间距布置。
[0019] 替代性地或额外地，安装表面可以是转子叶片的后缘组件的表面，例如梳元件可以安装到锯齿状后缘组件的锯齿。在这种实现方式中，空气动力学结构优选地在每个锯齿上包括一个或更多个沿翼展方向的分离器梳元件。
[0020] 梳元件可以由任何合适的材料制成，例如塑料。梳元件可以通过使用任何合适的技术制成，诸如注射模制、
铸造等。优选地，梳纤维/齿彼此平行，并且间隔开足够大的距离。例如，梳纤维可以具有大约1mm的直径，并且可以以与梳纤维直径大约相同的距离间隔开。
[0021] 空气动力学结构可以以任何合适的方式构造。在本发明的一个优选实施例中，通过形成梳元件并沿着安装线将梳元件的齿嵌入到安装装置中的合适深度来制造空气动力学结构。梳元件的齿从安装装置向
外延伸所在的一系列点可以整体地看成该梳元件的“安装线”。在替代性实施例中，通过形成梳元件并沿着安装线将梳元件的齿的内端胶合在安装装置的表面上来制造空气动力学结构。在另外的替代性实施例中，空气动力学结构通过以下步骤来制造：形成梳元件，沿着安装线在安装装置中形成孔，并且从安装装置下方使梳元件的齿通过所述孔。安装装置可以实现为胶合或以其它方式附接到转子叶片的外表面的材料（例如塑料）条带，使得已经存在的转子叶片可以改装有创造性空气动力学结构的一个或更多个实例。
[0022] 创造性空气动力学结构的实施例可以安装到转子叶片的吸力侧。替代性地或额外地，创造性空气动力学结构的实施例可以安装到转子叶片的压力侧。
[0023] 如上文所提到的，三角形梳元件或沿翼展方向的分离器的形状由内安装线和外终止线限定。梳元件的安装线优选地是直的；类似地，终止线优选地是直的。这种梳元件的终止线也沿大体上垂直于转子叶片的翼型件表面的方向延伸。在这种实施例中，当梳元件安装在后缘的上游时，梳元件具有整体的三角形形状，其中，三角形的
顶点离后缘最远。当三角形的梳元件安装在后缘组件的锯齿上时，三角形的顶点可以与后缘重合。在本发明的优选实施例中，空气动力学结构包括一系列这种直立梳元件，其用作沿翼展方向的分离器，即，梳元件“切穿”或分离通过转子叶片的气流，具有扩散或者分裂后缘附近的边界层湍流的沿翼展方向的连贯性的效果。空气动力学结构可以在转子叶片的外侧50%上延伸，并且可以包括沿安装装置以一定间距布置的这种“直立”三角形梳元件。梳平面的特征（间隔、高度等）可以根据它们沿转子叶片的径向位置而变化。
[0024] 如在引言中提到的，出于降低空气动力学噪声的目的，风力涡轮机转子叶片可以配备有沿其后缘的一部分的锯齿。在本发明的优选实施例中，实现空气动力学结构，使得梳元件的安装线与锯齿的中心线重合。换言之，梳元件与每个锯齿成直线地布置。该布置结构的效果是改善后缘锯齿上游的气流中的湍流的沿翼展方向的分离。
[0025] 如上文所解释的，还已知在锯齿之间布置平面内的梳元件，即，与后缘锯齿位于相同平面中的梳元件。通过布置梳元件以“切断”锯齿平面，可以实现围绕后缘的湍流的进一步耗散。因此，在本发明的优选实施例中，梳元件的梳齿在两个相邻锯齿之间的点附近（例如恰好在后缘的上游）起始，并且梳元件的终止线大体上垂直于包含锯齿的该平面。在这种实现方式中，梳元件具有与其相邻锯齿成直角的整体扇形形状。这种类型的梳元件在降低后缘附近的湍流方面可以具有有益效果。当然，除了包括安装到安装表面的多个三角形梳元件的上述任何实施例之外，还可以使用这种直立的“扇形梳元件”。
[0026] 与锯齿状后缘相关的降噪机理之一是可以将吸力侧边界层推离翼型件表面，从而增加吸力侧湍流与后缘之间的距离，并降低声学散射效率，即，将湍流转
化成声压的效率。
[0027] 实现这种效果的另一方式是在翼型件的吸力侧上布置额外的空气动力学元件。该额外的元件可以具有细长平面或矩形的形式，所述细长平面或矩形与后缘平行对齐，并且相对于转子叶片的翼型件表面以0°至45°范围内的角度倾斜，使得该平面元件用作一种“
覆盖件”，其用于将吸力侧边界层推离翼型件表面。这具有上文描述的伴随的有益效果，即，从翼型件表面进一步向外移动较大的边界层漩涡，以便抑制在后缘处的声学散射。优选地，这种平面元件沿转子叶片的外部一半或外部三分之一延伸。
附图说明
[0028] 从结合附图所考虑的以下详细描述中，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。然而，要理解，附图仅仅是出于说明的目的而设计并且不作为对本发明的限制的限定。
[0029] 图1示出了创造性空气动力学结构的实施例；图2示出了图1的空气动力学结构的替代性实施例；
图3示出了创造性空气动力学结构的另外的实施例；
图4示出了图3的空气动力学结构的替代性实施例；
图5示出了创造性空气动力学结构的另外的实施例；
图6示出了创造性空气动力学结构的另外的实施例；
图7示出了梳元件的替代性实现方式；
图8示出了风力涡轮机的转子叶片；
图9示出了转子叶片上的湍流的发展。
[0030] 在附图中，相似的附图标记始终指代相似的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。
具体实施方式
[0031] 图1示出了创造性空气动力学结构1的实施例，该空气动力学结构1附接到风力涡轮机转子叶片2的吸力侧20S。在该示例性实施例中，空气动力学结构1包括多个三角形梳元件10T，三角形梳元件10T布置在安装装置11T上，使得梳元件10用作沿翼展方向的分离器10T。这些分离器10T可以分开0.5-5cm的距离。安装装置11T具有用于容纳梳元件10T的深度或宽度11W，并且安装在距转子叶片2的后缘TE的距离11D处。
[0032] 每个三角形梳元件10T具有由内安装线M和外终止线T限定的形状。这里，每个梳元件10T的安装线M沿大体上垂直于转子叶片2的后缘TE的方向延伸，并且每个梳元件10T的终止线T沿大体上垂直于转子叶片2的翼型件表面20S的方向延伸。在该示例性实施例中，安装线M可以延伸超过例如3-10cm的长度，并且终止线T可以延伸到高达4cm的高度。
[0033] 转子叶片2还具有锯齿状后缘组件，即，沿着后缘TE布置一系列锯齿30，以降低在转子叶片通过空气时通过转子叶片的后缘的漩涡的流动而引起的空气动力学噪声。该附图还示出了相邻锯齿30之间的额外的平面内的梳元件31，其目的是进一步降低后缘噪声。
[0034] 三角形梳元件10T沿着安装装置11T均匀地布置，并且以距离10D分开。在该实施例中，每个锯齿30有大约两个沿翼展方向的分离器10T，其布置成使得每个第二梳元件10T的安装线M沿着锯齿30的中心线30C延伸。替代性地，针对后缘TE处的每个锯齿30，高达十个这种三角形梳元件10T可以沿着安装装置布置。
[0035] 代替如这里所示出的单排的沿翼展方向的分离器10T，安装装置可以承载两排或更多排沿翼展方向的分离器10T。例如，一排沿翼展方向的分离器可以布置在第二排沿翼展方向的分离器的上游。替代性地，可以设置交错的布置结构，其中第二排的沿翼展方向的分离器在第一排的沿翼展方向的分离器之间起始。
[0036] 在图2中示出了该实施例的另一变型，其（为了清楚起见）仅示出了每个锯齿30的一个这种梳元件10T。该图还示出了梳齿100的平行布置结构，其中这些梳齿100从安装线M延伸到垂直的终止线T。梳齿100或梳纤维100与转子叶片2的表面上的主流动方向大体上对齐。该图还示出了支撑肋101，其用于保持梳元件10T的直立形状。
[0037] 在该实施例中，安装装置11T附接到转子叶片的翼型件表面20S，使得梳元件10T的终止线T与转子叶片2的后缘TE有效地相交。在该图的左手侧上，示出了三个相交平面PX、PY、PZ。三角形梳元件或沿翼展方向的分离器10T的梳平面10P与平面PZ重合，平面PZ有效地垂直于或
正交于翼型件表面10S的平面PX，并且还垂直于或正交于平面PY，所述平面PY包含后缘TE且其垂直于平面PX。
[0038] 图3示出了另一实施例，在该情况下，两排梳元件10T安装在后缘TE的上游。为清楚起见，该图仅表示了转子叶片2的外侧部分。一排梳元件10T从另一排梳元件10T偏移。在该示例性实施例中，梳元件10T之间的间隔随着沿转子叶片2向外的径向距离的增加而减小。梳元件10T的尺寸朝向转子叶片的尖端可以减小。当然，可以使用多于两排的梳元件10T，并且这些排不需要包括相同数量的梳元件，并且可以包括不同尺寸的梳元件。
[0039] 图4示出了创造性空气动力学结构的另一可能实施例。同样，示出了两排梳元件10T。在该情况下，两排梳元件10T彼此成直线地安装。在该示例性实施例中，梳元件10T的尺寸随着沿转子叶片2向外的径向距离的增加而减小。在该实施例中，梳元件10T的安装线M在更内侧位置处与后缘成直角。而更外侧的梳元件10T具有与后缘TE成较大角度θ的安装线M。
[0040] 当然，可以使用这些实施例的任何组合。例如，在最外侧叶片半部的更内侧部分中可以使用具有相对大的梳元件以及相对大的间隔间距的偏移排的布置结构。在转子叶片的外侧部分的其余部分中可以使用成较小间隔间距的较小梳元件。
[0041] 图5示出了另一实施例，其中一排沿翼展方向的分离器10T沿转子叶片2的后缘TE布置。在该实施例中，平面“覆盖件（canopy）”21也安装到叶片2的吸力侧20S，以便有助于将边界层推离叶片2的吸力侧。覆盖件21优选地相对于翼型件表面20S以小于45°的小角度β倾斜。覆盖件21以及沿翼展方向的分离器10T的布置结构可以安装在共同的安装装置上，该安装装置然后附接到翼型件表面20S，或者其可以单独地安装。
[0042] 在图6中示出了该实施例的另一变型。这里，沿翼展方向的分离器10T安装在后缘组件的锯齿30上。安装装置11T在该情况下可以是装配在锯齿30的外表面上的三角形粘合片。该图还示出了可以安装到翼型件表面20S的额外的平面覆盖件21，其目的是将湍流推离该表面。
[0043] 图7示出了替代性实施例。这里，扇形梳元件10F沿转子叶片2的后缘TE布置在相邻的锯齿30之间。扇形梳元件10F的终止线12T垂直于锯齿30的平面。这种扇形梳元件10F的作用是进一步扩散锯齿30之间的湍流，并且这种扇形梳元件10F可用于上文所述的任何实施例中，例如代替沿后缘TE在锯齿30之间的任何平面内的梳元件。可以形成扇形梳元件10F，使得所有的梳齿在锯齿之间的顶点处或恰好在这点的上游起始。安装装置11F可以是可以将梳元件10F附接在锯齿30之间的任何合适的装置。
[0044] 图8示出了风力涡轮机的转子叶片2。该图示出了前缘LE、后缘TE和吸力侧20S。在
现有技术中，已知在转子叶片的外侧部分中沿着后缘TE的安装长度L附接锯齿状部件3。在上文所述的创造性空气动力学结构1的实施例中，可以假设安装装置在类似的安装长度L上沿平行于后缘TE的方向被附接。
[0045] 图9示出了当转子叶片2沿旋转方向移动时湍流的发展。该图示出了在转子叶片2的吸力侧20S上的边界层中的初始
层流气流F20S，以及在转子叶片2的压力侧20P上的边界层中的初始层流气流F20P。边界层通常不能保持稳定，因此当气流通过翼型件时，发展后缘湍流VTE。由于湍流区域中的漩涡VTE的分裂而产生声学噪声。
[0046] 尽管这些图主要示出了在转子叶片的吸力侧上就位的空气动力学结构，但是将理解，空气动力学结构可以替代地或额外地布置在压力侧上。如上文所解释的，创造性空气动力学结构用于降低由于后缘上游的湍流而产生的空气动力学噪声。因此，尽管一些图示出了锯齿状后缘，但将理解，这种锯齿状后缘不是所述创造性空气动力学结构所必须的，但是由于其在降低后缘噪声方面的贡献而可以被实施。
[0047] 尽管已经以优选实施例及关于其变化的形式公开了本发明，但是将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多额外的修改和变化。
[0048] 为了清楚起见，将理解，贯穿本
申请的“一”或“一个”的使用并不排除多个，并且“包括”不排除其它步骤或元件。
