用于风力涡轮机转子叶片的降噪器的制作方法

1.本发明涉及一种包括转子叶片和降噪器的风力涡轮机转子叶片组件。在另一方面，本发明涉及一种包括根据本发明的风力涡轮机转子叶片组件的风力涡轮机。


背景技术：

2.风动力由于其清洁和环保的能量的产生而越来越受欢迎。现代风力涡轮机的转子叶片通过使用创建为最大化效率的复杂叶片设计来捕获风动能。然而，风动力技术的广泛接受的障碍之一是从风力涡轮机叶片发出的空气动力噪声的产生。空气动力噪声通常源自湍流与转子叶片的后缘的相互作用。因此，越来越期望降噪设备和相关联的叶片设计。
3.为此，现代风力涡轮机叶片有时沿着叶片后缘设置有锯齿，以努力降低叶片后缘噪声和/或改进风力涡轮机叶片效率，如在ep1314885中能够看到的。虽然这种锯齿的噪声减轻特性是有利的，但仍然存在若干缺点。通常，找到恰当的锯齿几何形状是噪声减轻性能和结构要求之间的权衡。这可导致对厚的后缘区域的需要，尤其是在锯齿基部附近。此增加的厚度可能是附加噪声的来源。
4.其他降噪部件（诸如刷毛、梳子或脊柱）可以附接到转子叶片的后缘以降低噪声并增加与转子叶片相关联的效率。一些系统将这些或其他特征与锯齿组合。例如，wo 2016/184619 a1涉及一种转子叶片，其包括沿着后缘的部分的锯齿，其中邻近的锯齿之间的区域至少部分地填充有多孔材料。
5.然而，如果气流的方向和/或速度变化，则许多这样的已知系统不能有效地防止噪声生成。此外，一些现有技术设备提供降噪益处，但仅在狭窄的操作范围内有效。
6.因此，本发明的一个目的是提供一种具有改进的后缘配置和/或包括改进的降噪器的风力涡轮机叶片。
7.本发明的另一个目的是提供一种具有降噪特征的风力涡轮机叶片设计，其在宽的操作条件的范围内改进降噪。
8.本发明的另一个目的是提供一种具有降噪特征的风力涡轮机叶片设计，其是有成本效益而结构稳定的。
9.本发明的另一个目的是提供一种具有易于制造和安装的降噪特征的风力涡轮机叶片设计。


技术实现要素：

10.本发明人已经发现，以上描述的目的中的一个或多个能够通过一种风力涡轮机转子叶片组件来实现，所述风力涡轮机转子叶片组件包括转子叶片和配置在转子叶片上的降噪器，所述转子叶片具有限定压力侧、吸力侧、前缘和后缘的外表面，压力侧、吸力侧、前缘和后缘中的每个在尖部端和根部端之间延伸，该转子叶片限定翼展和弦，所述降噪器包括多个对准的脊柱状构件，每个脊柱状构件具有长度并且包括沿着脊柱状构件的长度的第一部分延伸的第一段和沿着脊柱状构件的长度的第二部分延伸的第二段，其中第一段具有比
第二段更高的刚度。
11.本发明的叶片组件被发现提供降噪益处，特别是关于扩展降噪器的操作范围。与具有较有限的操作窗口的已知设备相反，本发明的叶片组件能够在更宽的风速范围之上使用，即使在高风速下也允许有效降噪。其还可以增加与转子叶片相关联的效率。此外，本发明的降噪器能够容易地制造并布置在风力涡轮机叶片上。
12.优选地，本发明的降噪器邻近转子叶片的后缘附接。在一些实施例中，脊柱状（spine）构件或其部分从叶片的后缘延伸到后缘之后的气流中。在其他实施例中，降噪器可邻近转子叶片的前缘或邻近转子叶片的尖部或根部配置在转子叶片的表面上。在一些实施例中，降噪器被提供为用于安装在风力涡轮机叶片上的板件。优选地，这样的板件包括用于将板件附接到转子叶片的安装表面或安装板。
13.脊柱状构件优选地是长形构件，即具有长度尺寸是其两个其他尺寸（即，高度和宽度、或直径）的至少三倍、五倍、十倍或二十倍高的构件。脊柱状构件可以（至少沿着其长度的部分）采用杆或丝的形式。在优选实施例中，脊柱状构件的第二段是基本上锥形的。因此优选的是，脊柱状构件朝向其相应远端渐缩。
14.脊柱状构件的总长度可为至少50 mm，或至少100 mm。脊柱状构件的直径可以朝向其远端减小。优选地，脊柱状构件以平行方式对准，使得邻近的脊柱状构件基本上平行于彼此延伸。在一些实施例中，在脊柱状构件的相应远端之间存在基本上恒定的展向距离。通常，脊柱状构件将基本上垂直于转子叶片的展向方向或展向定向布置。
15.每个脊柱状构件优选地包括沿着脊柱状构件的长度的第一部分延伸的第一段，第一段优选地具有圆形或椭圆形横截面。第一段优选地是脊柱状构件的中间段。第二段沿着脊柱状构件的长度的第二部分延伸，优选地邻近于第一段，优选地包括脊柱状构件的远端，即，在正常使用和安装期间，相对于气流的下游端。每个脊柱状构件还可包括第三段，优选地邻近于第一段，第三段优选地包括脊柱状构件的相对的近端。第三段可具有半圆形或半椭圆形横截面。因此，在优选实施例中，每个脊柱状构件包括近端和远端，其中第二段包括远端。
16.降噪器可包括优选地平行于彼此对准的至少10个，诸如至少20个或至少50个脊柱状构件。在优选实施例中，各个脊柱状构件的长度跨降噪器、优选地跨展向方向变化。在一些实施例中，降噪器的最长脊柱状构件是降噪器的最短脊柱状构件的至少两倍长。
17.优选的是，脊柱状构件的第一段具有比第二段更高的刚度。在一些实施例中，脊柱状构件的第一段和可选的第三段由具有比构成第二段的材料更高的刚度的材料制成。
18.在优选实施例中，脊柱状构件的第二段由具有1 gpa或更小、优选地0.1 gpa或更小的弹性模量的材料形成。在一些实施例中，第二段具有在0.01和110 gpa之间、优选地0.01
‑
70 gpa、诸如在0.01
‑
45 gpa之间或在0.01
‑
10 gpa之间、优选地0.01
‑
1 gpa的弹性模量（杨氏模量）。第二段可由包括橡胶或另一聚合物材料的材料制成。
19.在示例性实施例中，脊柱状构件的第一段和可选的第三段由具有大于或等于约2.5 gpa、大于或等于约5 gpa、大于或等于约10 gpa、大于或等于约20 gpa、大于或等于约30 gpa、大于或等于约40 gpa、大于或等于约50 gpa、大于或等于约100 gpa、或者大于或等于约200 gpa的弹性模量的材料形成。在一些实施例中，构件的近段由具有高达约200 gpa的弹性模量的材料形成。
20.在一些实施例中，相应第二段相对于相应第一段能够朝上和/或朝下移动。因此，例如响应于在降噪器之上的气流，可以在由样条（spline）构件的相应第一段和样条构件的第二段限定的表面之间形成一角度。
21.在一些实施例中，由样条构件或其部分限定的表面（诸如由邻近的相应第一段构成的表面）定向成基本平行于叶片弦。因此，所述表面和叶片表面位于平面中，所述平面相对于彼此平行或以不多于15
°
、优选地不多于10
°
的角度布置。在其他实施例中，由样条构件或其部分（诸如相应第一段）限定的表面可以相对于叶片弦以一角度设置。
22.根据另一个实施例，脊柱状构件的第一段邻近于脊柱状构件的第二段，使得在第一段和第二段之间形成接口。接口可以具有圆形形状。在一个实施例中，接口的弦向或气流向位置在降噪器的不同脊柱状构件之间变化。因此，样条构件的近端与接口之间的距离可以在降噪器的不同脊柱状构件之间变化。例如，对于一个脊柱状构件，如与邻近的脊柱状构件的接口相比，接口可以定位成更远离其远端，或者相对于气流的方向更靠下游。
23.在优选实施例中，多个脊柱状构件的相应接口沿着跨降噪器的波浪形、展向延伸的路径布置。有利地，多个脊柱状构件的接口沿着跨降噪器的锯齿形或圆化的锯齿形、展向延伸的路径布置。
24.在优选实施例中，多个脊柱状构件共同形成多个锯齿或基本上锯齿状的降噪器。因此优选的是，降噪器具有锯齿状的形状。例如，15
‑
25个脊柱状构件可以形成一个锯齿。一个或多个锯齿可以通过变化脊柱状构件的相应长度使得形成多个锯齿来实现。例如，锯齿的顶端或尖部端能够由一个或两个样条构件形成。
25.根据优选实施例，所述锯齿相对于风力涡轮机叶片之上的流以倾角布置，即相对于在叶片的后缘处在叶片之上的流方向以一角度布置。在一个方面中，所述锯齿朝向风力涡轮机叶片的压力侧成角度。优选地，所述锯齿以相对于流方向0
‑
45度之间（优选地1
‑
25度之间）的角度相对于风力涡轮机叶片之上的流方向成角度。这可以有利地增加叶片的升力。
26.根据另一个实施例，脊柱状构件至少沿着其长度的部分（诸如整个其第一段和/或第二段）具有圆形或椭圆形横截面。
27.在优选实施例中，脊柱状构件的直径或厚度从第一段到第二段减小。特别优选的是，脊柱状构件的直径或厚度在其第二段中从第一段和第二段之间的接口朝向脊柱状构件的远端逐渐减小。优选地，脊柱状构件的远端是基本上尖锐的或尖的尖部。
28.脊柱状构件的第一段的直径可以是例如小于或等于20 mm，优选地小于或等于10 mm。脊柱状构件的第一段的直径可以为至少2 mm，优选地为至少5 mm。
29.优选地，第一段的直径或厚度高于第二段的直径或厚度。
30.根据另一个实施例，邻近的脊柱状构件沿着其相应第一段的至少部分连接，优选地沿着其整个相应第一段连接。优选地，邻近的脊柱状构件沿着其整个相应第一段和其整个相应第三段连接。此外优选的是，包括脊柱状构件的相应远端的第二段不连接或附接到邻近的脊柱状构件的相应第一段。
31.在优选实施例中，连接的脊柱状构件形成肋形或波浪形表面，诸如肋形或波浪形顶表面和/或肋形或波浪形底表面。通常，空气将流动经过所述肋形或波浪形顶表面。
32.根据另一个实施例，脊柱状构件在内部上是中空的。在其他实施例中，脊柱状构件在内部上是实体的或填充的。脊柱状构件可以有利地是通过3d打印、挤压或注入成型能够
获得的。
33.在优选实施例中，第一段的长度至少与转子叶片的操作期间的流边界层厚度一样长。优选的是，第一段的长度为至少2 mm，优选地至少5 mm，最优选地至少10 mm。
34.根据另一个实施例，第二段的长度在转子叶片的操作期间不超过流边界层厚度。优选地，脊柱状构件的第二段的长度不多于10 mm，优选地不多于5 mm。
35.在优选实施例中，第二段的长度是在转子叶片的操作期间的流边界层厚度的至少10％。
36.在一些实施例中，脊柱状构件还包括沿着脊柱状构件的长度的第三部分延伸并包括脊柱状构件的近端的第三段，其中对准的脊柱状构件的相应第三段形成用于降噪器到转子叶片的安装的安装板。因此，本发明的降噪器可通过使用优选地具有半圆形横截面的脊柱状构件的相应第三段附接到转子叶片。优选地，相应第三段的顶表面处是直的，因此将基本上平坦的顶表面限定为安装板的部分。
37.在另一方面中，本发明涉及一种包括根据本发明的风力涡轮机转子叶片组件的风力涡轮机。
38.在又一方面中，本发明涉及一种用于风力涡轮机转子叶片的板件，其中该板件被配置成用于到转子叶片的附接，优选地到其后缘的附接，该板件包括多个对准的脊柱状构件，每个脊柱状构件具有长度并且包括沿着脊柱状构件的长度的第一部分延伸的第一段，以及沿着脊柱状构件的长度的第二部分延伸的第二段，其中第一段具有比第二段更高的刚度。
39.优选地，板件还包括用于将板件布置在风力涡轮机转子叶片上的安装板或支撑结构。板件的脊柱状构件可布置成形成锯齿状结构。以上关于本发明的叶片布置和降噪器描述的所有实施例或特征同样适用于本发明的板件。
40.在另一方面中，本发明涉及一种风力涡轮机转子叶片组件，其包括转子叶片和配置在转子叶片上的降噪器，所述转子叶片具有限定压力侧、吸力侧、前缘和后缘的外表面，压力侧、吸力侧、前缘和后缘中的每个在尖部端和根部端之间延伸，该转子叶片限定翼展和弦，该降噪器包括多个对准的脊柱状构件，每个脊柱状构件具有长度并且包括沿着脊柱状构件的长度的第一部分延伸的第一段和沿着脊柱状构件的长度的第二部分延伸的第二段，其中邻近的脊柱状构件沿着其相应第一段的至少部分连接，优选地沿着其整个相应第一段连接，并且其中邻近的脊柱状构件沿着其相应第二段不连接。因此，连接的第一段将提供相对刚硬或刚性的结构，随之是脊柱状构件的自由第二段的更柔韧的结构。每个脊柱状构件可包括近端和远端，其中第二段包括远端。第二段可以是基本上锥形的。脊柱状构件的第一段可以具有柱形形状。脊柱状构件的第三段可以具有半柱体形状。
41.第一段优选地邻近于第二段，使得在第一段和第二段之间形成接口。接口的弦向位置可以在降噪器的不同脊柱状构件之间变化。在一些实施例中，多个脊柱状构件的接口沿着跨降噪器的波浪形、展向延伸的路径布置。降噪器的脊柱状构件可布置成形成锯齿状结构。类似地，以上关于本发明的其他方面描述的实施例或特征同样适用于此方面。
42.本领域技术人员将理解，弹性模量（也称为杨氏模量）限定了材料中应力（每单位面积的力）和应变（成比例的变形）之间的关系。因此，弹性模量是材料的刚度的量度。弹性
模量能够通过悬臂梁试验来确定，如本领域所公知的。
43.如本文中所使用的，术语“近”是指相对于脊柱状构件或降噪器之上的气流的上游位置，其在正常使用和安装期间最靠近叶片的前缘。近端将通常安装到风力涡轮机叶片或布置在风力涡轮机叶片上。相比之下，术语“远”是指相对于脊柱状构件或降噪器之上的气流的下游位置，其在正常使用和安装期间相对于气流更靠下游并且更远离叶片的前缘。
附图说明
44.现在将参考所附附图仅通过示例的方式描述本发明的实施例，其中：图1示出了风力涡轮机；图2示出了根据本发明的风力涡轮机叶片的示意性视图；图3示出了图2的叶片的翼型轮廓的示意性视图；图4示出了从上看和从侧面看的图2的风力涡轮机叶片的示意性视图；图5图示了一组后缘锯齿；图6是根据本发明的一个实施例的降噪器的局部透视图；图7示出了根据本发明的降噪器的顶视图；图8是根据本发明的一个实施例的降噪器的局部透视图；图9是根据本发明的一个实施例的降噪器的局部透视图；以及图10是根据本发明的另一实施例的降噪器的局部透视图。
45.将理解的是，本发明的不同实施例所共有的元件已在附图中被提供有相同的参考标号。
46.图1图示了根据所谓的“丹麦概念”的常规现代逆风风力涡轮机2，其带有塔架4、机舱6和带有基本上水平的转子轴的转子。转子包括毂8和从毂8径向地延伸的三个叶片10，每个叶片10具有最接近毂的叶片根部16和最远离毂8的叶片尖部14，叶片在根部16和尖部14之间在展向方向上延伸。转子具有表示为r的半径。
47.图2示出了风力涡轮机叶片10的示意性视图。风力涡轮机叶片10具有常规风力涡轮机叶片的形状，且包括最靠近毂的根部区域30、最远离毂的成轮廓区域或翼型区域34以及在根部区域30与翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括当叶片安装在毂上时面向叶片10的旋转的方向的前缘18，以及面向前缘18的相对方向的后缘20。以后缘锯齿21的阵列的形式的降噪器70沿着叶片的后缘20的部分设置。通常，在风力涡轮机叶片10之上的空气的流在总体上横向或弦向方向上从前缘18延伸到后缘20。尽管图2中的降噪器70被描绘为沿着叶片的中间部分布置，但应认识到的是，降噪器可以布置成例如更靠近叶片10的尖部，或者其可以沿着例如叶片10的整个翼型区域34布置。
48.翼型区域34（也称为成轮廓区域）具有关于生成升力的理想或几乎理想的叶片形状，而由于结构考虑，根部区域30具有基本圆形或椭圆形的横截面，其例如使得将叶片10安装到毂更容易且更安全。根部区域30的直径（或弦）沿着整个根部区域30通常是恒定的。过渡区域32具有过渡轮廓42，其从根部区域30的圆形或椭圆形形状40逐渐地改变成翼型区域34的翼型轮廓50。过渡区域32的弦长通常随距毂的增加的距离r基本上线性地增加。
49.翼型区域34具有翼型轮廓50，该翼型轮廓50具有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的弦。弦的宽度随距毂的增加的距离r而减小。
50.应当注意的是，叶片的不同段的弦通常不位于共同的平面中，因为叶片可被扭曲和/或弯曲（即，预弯曲），因此为弦平面提供对应地扭曲的和/或弯曲的趋向（course），这是最常见的情况，以便补偿取决于距毂的半径的叶片的局部速度。
51.图3示出了用各种参数描绘的风力涡轮机的典型叶片的翼型轮廓50的示意性视图，所述参数通常用于限定翼型的几何形状。翼型轮廓50具有压力侧52和吸力侧54，其在使用期间——即在转子的旋转期间——通常分别面朝向迎风（或逆风）侧和背风（或顺风）侧。翼型50具有弦60，弦60具有在叶片的前缘56和后缘58之间延伸的弦长c。翼型50具有厚度t，其被限定为压力侧52和吸力侧54之间的距离。翼型的厚度t沿着弦60变化。距对称轮廓的偏差由拱度线62给出，该拱度线62是通过翼型轮廓50的中线。能够通过从前缘56到后缘58绘制内切圆来找到中线。中线跟随这些内切圆的中心并且距弦60的偏差或距离称为拱度f。不对称也能够通过使用称为上拱度（或吸力侧拱度）和下拱度（或压力侧拱度）的参数来限定，所述上拱度（或吸力侧拱度）和下拱度（或压力侧拱度）分别限定为距弦60以及吸力侧54和压力侧52的距离。
52.翼型轮廓通常由以下参数表征：弦长c、最大拱度f、最大拱度f的位置d
f
、最大翼型厚度t（其是沿着中拱度线62的内切圆的最大直径）、最大厚度t的位置d
t
和鼻部半径（未示出）。这些参数通常限定为与弦长c的比率。因此，局部相对叶片厚度t/c被给出为局部最大厚度t和局部弦长c之间的比率。此外，最大压力侧拱度的位置d
p
可以用作设计参数，以及当然还有最大吸力侧拱度的位置。
53.图4示出了叶片的一些其他几何参数。叶片具有总叶片长度l。如图2中所示，根部端位于位置r=0处，以及尖部端位于r=l处。叶片的肩部40位于位置r=l
w
处，并且具有肩部宽度w，其等于肩部40处的弦长。根部的直径限定为d。此外，叶片设置有预弯曲，其限定为δy，其对应于距叶片的俯仰轴线22的平面外偏斜。
54.风力涡轮机叶片10通常包括由纤维增强聚合物制成的壳体，并且通常制成为沿着粘合线28胶合在一起的压力侧或逆风壳体部分24和吸力侧或顺风壳体部分26，所述粘合线28沿着叶片10的后缘20和前缘18延伸。风力涡轮机叶片通常由纤维增强塑料材料制成，该纤维增强塑料材料例如是玻璃纤维和/或碳纤维，其布置在模具中并利用树脂固化以形成实体结构。现代风力涡轮机叶片通常能够在长度方面超过30或40米，具有若干米的叶片根部直径。风力涡轮机叶片通常设计用于相对长的寿命并承受大量的结构和动态负载。
55.参考图5，示出了锯齿状后缘21的多个现有技术锯齿100的放大视图。锯齿100包括布置在风力涡轮机叶片10的后缘20处的基部端102和关于叶片后缘20顺风延伸的尖部端104。从基部102的中点延伸到顶端或尖部端104的概念线限定了锯齿的高度h。所图示的锯齿是基本上平坦的，但是将理解的是，锯齿可以在深度或厚度方面变化，特别是具有渐缩的或倒角的边缘。锯齿100被示出为具有基本上对应于等腰三角形的轮廓，但是将理解的是，可以使用其他锯齿形状的轮廓，例如，弯曲的、波形轮廓或雉堞状的边缘。
56.图6是根据本发明的一个实施例的降噪器70的局部透视图。降噪器70包括多个对准的脊柱状构件72a、72b，每个脊柱状构件具有长度ls，如关于脊柱状构件72a所图示的。每个脊柱状构件包括沿着脊柱状构件72a、72b的长度的第一部分延伸的第一段74a、74b，以及沿着脊柱状构件的长度的第二部分延伸的第二段76a、76b，其中第一段74a、74b具有比第二段更高的刚度。
57.还如图6中所看到的，每个脊柱状构件包括近端78和远端80，如关于脊柱状构件72b所图示的，其中第二段76包括远端80。此外如图9和图10看到，第二段76是基本上锥形的。在第一段74和邻近的第二段76之间存在接口82。优选地，每个脊柱状构件72还可包括第三段84a、84b，其沿着脊柱状构件72的长度的第三部分延伸并且包括脊柱状构件72的近端78，其中对准的脊柱状构件72a、72b的相应第三段84a、84b形成用于降噪器70到转子叶片的安装的安装板86。如图8和图9中所图示的，第三段84可具有基本上半圆形或半椭圆形的横截面。
58.如图9和图10中最佳地看到的，接口82的弦向位置在降噪器的不同脊柱状构件之间变化。如图2看到的，脊柱状构件将通常沿着叶片的弦向方向基本对准。
59.图7是根据本发明的降噪器70的顶视图，包括在弦向方向上基本对准的54个脊柱状构件。当布置在转子叶片上时，空气在如由箭头fc所指示的总体上横向或弦向方向上流动经过降噪器70。如由图7中的虚曲线所指示的，多个脊柱状构件的接口82沿着跨降噪器70的波浪形、展向延伸的路径布置。展向方向以sp指示。此外，多个脊柱状构件72共同形成具有锯齿90a、90b、90c的锯齿状结构。
60.如在图8中最佳地看到的，脊柱状构件72可以至少沿着其长度的部分、特别是沿着其第一段74和其第二段76具有圆形或椭圆形横截面。脊柱状构件72的直径可以从第一段74到第二段76减小。因此，第一段74的直径或厚度高于第二段76的直径或厚度。
61.如图9和图10中所图示的，邻近的脊柱状构件72a、72b沿着其相应第一段74a、74b的至少部分连接，优选地沿着其整个相应第一段74a、74b连接。相比之下，邻近的脊柱状构件的相应第二段76a、76b不连接到彼此，并因此能够单独摆动或共振。脊柱状构件72可提供降噪器70的基本上肋形或波浪形表面88。
62.本发明不限于本文中描述的实施例并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行修改或调整。