风力涡轮机叶片

本发明涉及一种具有噪声降低特征的风力涡轮机叶片。

风力涡轮机的设计和操作中的主要考虑之一是在风力涡轮机的操作期间生成的噪声水平。特别是在可位于靠近居住区域处的岸上风力涡轮机的情况下，在考虑可能的风力涡轮机位置时，来自风力涡轮机的噪声可为限制因素。因此，所关心的是提供在操作期间具有降低的噪声输出的风力涡轮机设计。

风力涡轮机操作期间生成的噪声的大部分是由于当相对更快的吸力侧空气流与相对更慢的压力侧空气流相遇时在风力涡轮机叶片的后缘处形成的湍流。组合的空气流中的相对高水平的湍流(turbulent)动能导致后缘处的空气流的湍流散射，这生成了散射噪声。

已知的是将固定的锯齿(serration)或刚毛设在风力涡轮机叶片的后缘处，以便干扰后缘空气流，从而减缓或降低在后缘处形成的湍流以及因此相关联的噪声水平。后缘锯齿的示例在美国专利公开号US 2011/0142666 A1中可见。

然而，此类噪声降低特征并未提供在叶片操作期间后缘噪声的完全消除。

本发明的一个目的在于提供一种风力涡轮机叶片，其具有在已知叶片设计之上的改善的噪声降低特性。

因此，提供了一种用于具有大致水平的转子轴的风力涡轮机的转子的风力涡轮机叶片，转子包含轮毂，风力涡轮机叶片在安装到轮毂上时大致在径向方向上从轮毂延伸，风力涡轮机叶片在平行于纵向轴线的纵向方向上延伸，且具有尖端和根部端，

风力涡轮机叶片包含成轮廓的外形，成轮廓的外形包括压力侧和吸力侧，以及前缘和后缘，带有在前缘与后缘之间延伸的翼弦，翼弦具有翼弦长度，成轮廓的外形在由入射(incident)空气流冲击时产生升力，

其中，风力涡轮机叶片还包含设在外形的后缘处的多个锯齿，所述锯齿突起离开所述后缘或延伸离开所述后缘，所述多个锯齿可操作来通过调节在轮廓的后缘处的空气流来减少在叶片操作期间产生的噪声，所述多个锯齿各自包含大致三角形的锯齿本体，锯齿本体具有位于所述后缘附近的近侧底端和突起远离所述后缘的远侧尖端以及在所述近侧底端与所述远侧尖端之间延伸的锯齿侧边缘，

其中，至少一个贯穿孔限定在所述底端与所述尖端之间的所述大致三角形的锯齿本体中。

优选地，锯齿本体包含压力侧表面和吸力侧表面，其中，所述至少一个贯穿孔从所述压力侧表面延伸至所述吸力侧表面，其中，所述至少一个贯穿孔起作用来平衡所述压力侧表面与所述吸力侧表面之间的压力。

此构造确保了压力连通或空气流连通可出现在锯齿的吸力侧与压力侧之间。此压力连通允许压力平衡出现在锯齿的任一侧上。结果，使用具有贯穿孔的锯齿提供了若干优点：

1. 锯齿表面上的压力平衡降低了从锯齿的边缘散射的湍流旋涡的能量。在锯齿起作用来减少叶片后缘处的低频噪声时，这有助于减少主要由锯齿自身产生的高频噪声。

2. 此外，由于孔的压力平衡协助减少锯齿的任一侧处的压力差上的变化，压力差上的变化是在叶片操作期间锯齿颤振(flutter)的主要原因。锯齿颤振可在中至高的攻角下导致锯齿脱离。因此，贯穿孔的使用起作用来提高锯齿至叶片的附着。

3. 锯齿中的孔可在涡轮机操作时在改变叶片桨距的同时提供额外的优点。在操作期间改变叶片桨距可将额外的动态力施加在锯齿上。这可导致锯齿的急剧脱离或损坏。由于锯齿中的孔的存在缓和了两侧之间的压力差，因此锯齿稳定性逆着由于变桨引起的快速地改变的流体动力而增大。

在优选方面中，锯齿从叶片的后缘延伸，其中，孔限定在自由地延伸离开叶片的锯齿的部分中。通过自由地延伸，将理解的是这指的是锯齿的突起部分，并且并非用于将锯齿安装或固定到风力涡轮机叶片上的锯齿构造的任何区段。

可提供安装部分或底板，锯齿从安装部分或底板突起，所述安装部分或底板用于将所述锯齿固定到风力涡轮机叶片上。

优选地，所述至少一个贯穿孔限定为使得孔的宽度大于或等于孔的深度。

孔具有可沿着锯齿的表面测量的宽度，孔在锯齿的表面上开口，并且孔具有对应于孔延伸穿过的锯齿的局部深度的深度。通过将贯穿孔构造成至少与其深度一样宽，这确保了孔直径大于或等于锯齿本体的厚度，以确保锯齿的压力侧与吸力侧之间的最大压力平衡。

优选地，所述锯齿构造成使得所述至少一个贯穿孔包含小于或等于锯齿本体的外廓的面积的25%。

锯齿本体的外廓包含在底端、尖端和锯齿的侧边缘之间形成的由锯齿突起的面积。由于孔占据了小于或等于锯齿的突起轮廓面积的四分之一，因此锯齿结构稳定性并未受损，且额外的操作噪声未由于使用过大的孔而引入。在三角形锯齿的情况下，这意味着贯穿孔占据了小于三角形面积的25%。

在一个实施例中，所述贯穿孔中的至少一个在形状上为大致圆形。额外地或备选地，所述贯穿孔中的至少一个在形状上为大致椭圆形。额外地或备选地，所述贯穿孔中的至少一个在形状上为大致矩形。

可基于期望在锯齿处执行的具体噪声降低、调节和/或压力平衡来选择不同形状的孔。

在一个实施例中，所述锯齿包含在纵向方向上布置在锯齿的近侧底端与锯齿的远侧尖端之间的贯穿孔的至少一个主要阵列，以及布置在所述主要阵列附近的贯穿孔的至少一个次要阵列。

在锯齿上使用的不同阵列的孔允许在锯齿处提供孔的不同效应。

优选地，所述至少一个主要阵列沿着锯齿本体的中心纵向轴线在所述近侧底端与所述远侧尖端之间延伸。

孔的主要阵列沿着锯齿的中心线的定位允许锯齿之上的空气流的主要流动方向通过主要阵列来经历有效的压力平衡。

在一个构造中，所述主要阵列包含至少一个长形孔，长形孔定向成带有在近侧底端与远侧尖端之间的方向上延伸的主轴。额外地或备选地，所述主要阵列包含至少一个大致圆形的孔。

孔的主轴被理解为对应于孔(例如对于长方形(oblong)、长形或矩形的孔)的最宽区段的轴线。

优选地，所述至少一个次要阵列位于所述至少一个主要阵列与锯齿本体的所述侧边缘中的一个之间，其中，所述至少一个次要阵列包含至少一个大致长形的孔，并且其中，所述至少一个次要阵列的所述至少一个长形孔布置成使得所述至少一个孔的主轴在大致侧面的方向上从所述至少一个主要阵列附近朝向锯齿本体的所述侧边缘延伸。

通过在次要阵列中证明长形孔并且将长形孔在侧面方向上朝向锯齿的侧部对齐，孔定向为与锯齿之上的空气流的侧面流径大致共线。这确保了锯齿之上的空气流的压力平衡被最大化。

在一个实施例中，所述成轮廓的外形具有钝形后缘，该钝形后缘包含在所述后缘处在外形的压力侧与吸力侧之间延伸的后缘表面，其中，所述多个锯齿位于所述后缘表面的压力侧和/或吸力侧处。因此，锯齿排列为使得锯齿的近侧底端位于后缘表面附近，且后缘的远侧尖端突起远离叶片。

优选地，所述多个锯齿的第一子集设在所述后缘表面的压力侧处，且所述多个锯齿的第二子集设在所述后缘表面的吸力侧处。

在一个实施例中，所述锯齿的第一子集和第二子集包含锯齿的第一纵向阵列和第二纵向阵列，它们以间隔开的平行布置沿着叶片的一部分的纵向长度从所述后缘突起。

在备选实施例中，所述锯齿的第一子集和第二子集包含一系列锯齿集合(group)，这些锯齿集合具有底板和从所述底板突起的多个锯齿，所述锯齿集合沿着叶片的一部分的纵向长度设在所述后缘处，其中，沿着叶片的纵向长度的连续的锯齿集合交替地定位在所述后缘表面的压力侧和吸力侧上。

在另一个备选实施例中，所述多个锯齿提供为沿着叶片的一部分的纵向长度排列在所述后缘处的间隔开的单个锯齿，其中，沿着叶片的纵向长度的连续锯齿交替地定位在所述后缘表面的压力侧和吸力侧上。

通过使锯齿或锯齿集合在后缘的压力侧和吸力侧处交错，在后缘的两侧处均提供了部分的噪声降低。此外，由于颤振而在相邻的锯齿或锯齿集合之间引起的潜在损坏被最小化。

优选地，所述多个锯齿中的至少第一阵列可相对于叶片的后缘移动。

锯齿的可移动阵列允许调整在叶片的后缘处执行的噪声调节。优选地，阵列可相对于后缘平移地(translationally)移动，但将理解的是，阵列的任何特性均可为可调整的，例如，锯齿的定位、长度、尺寸等可变化来提供在叶片的后缘处的噪声频谱的可变调节。

优选地，风力涡轮机叶片可操作来调整所述至少一个贯穿孔的形状。

优选地，所述调整受控制来调整由所述至少一个贯穿孔所提供的压力平衡效应。这可通过使用例如压电材料、柔性可变形材料等。

额外地或备选地，风力涡轮机叶片还包含可相对于所述至少一个贯穿孔移动的至少一个盖构件，所述盖构件可操作来选择性地覆盖至少一个贯穿孔的至少一部分。盖构件可联接到促动器上，促动器可操作来使所述盖构件相对于所述至少一个孔移动，以控制孔的开口的大小，以控制由所述至少一个贯穿孔提供的压力平衡效应。

使用可移动的盖、挡板或蒙皮来调整孔开口允许改变由孔提供的压力平衡效应。在备选实施例中，盖构件可包含可膨胀元件，可膨胀元件排列为至少部分地在所述孔内选择性地膨胀或缩小，以降低孔的贯穿开口的大小。

额外地或备选地，可透气材料可设在孔内，例如网、网状物、网孔。可透气材料可包含相对地弹性的材料。这可提供锯齿的额外的结构完整性，以防止由于孔在锯齿本体中出现而引起的锯齿偏移或变形。

还提供了一种具有至少一个如以上所述的风力涡轮机叶片的风力涡轮机。

现在将仅通过示例的方式参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：

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示出了图2的叶片的一部分的横截面透视图；

图5(a)和图5(b)示出了根据本发明的后缘锯齿的第一实施例和第二实施例的放大透视图；

图6(a)和图6(b)示出了根据本发明的后缘锯齿的第三实施例和第四实施例的放大透视图； 以及

图7(a)、图7(b)和图7(c)示出了根据本发明的其它实施例的后缘锯齿的布置的放大透视图。

将使用相同的参考标号来表示不同实施例之间的共同的元件。

图1图示了根据所谓“丹麦概念”的常规现代逆风风力涡轮机，其带有塔架4、机舱6和带有大致水平的转子轴的转子。转子包括轮毂8以及从该轮毂8径向地延伸的三个叶片10，各个叶片10均具有最接近轮毂的叶片根部16和最远离轮毂8的叶片尖部14。 转子具有指示为R的半径。

图2示出了根据本发明的实施例的风力涡轮机叶片10的第一实施例的示意性视图。风力涡轮机叶片10具有常规风力涡轮机叶片的形状，且包含最接近轮毂的根部区域30、最远离轮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包含当叶片安装在轮毂上时面向叶片10的旋转的方向的前缘18，以及面向前缘18的相反方向的后缘20。

翼型区域34(也称为成轮廓区域)具有关于产生升力的理想的或几乎理想的叶片形状，而根部区域30由于结构考虑具有大致圆形或椭圆形的横截面，这例如使得更容易且更安全地将叶片10安装到轮毂上。根部区域30的直径(或翼弦)典型地沿着整个根部区域30为恒定的。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形形状40逐渐地改变至翼型区域34的翼型轮廓50的过渡轮廓42。过渡区域32的翼翼弦长度典型地随离轮毂的距离r增大而大致线性地增大。

过渡区域34具有翼型轮廓50，该翼型轮廓50带有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的翼弦。翼弦的宽度随离轮毂的距离r增大而减小。

应当注意的是，叶片的不同区段的翼弦一般并非位于共同的平面上，因为叶片可扭曲和/或弯曲(即，预弯曲)，从而为翼弦平面提供了对应的扭曲和/或弯曲的路线，这在为了补偿取决于离轮毂的半径的叶片的局部速度的情况下是最常见的。

图3示出了描绘有各种参数的风力涡轮机的典型叶片的翼型轮廓50的示意性视图，这些参数典型地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，在使用期间——即在转子的旋转期间——压力侧52和吸力侧54一般地分别面朝上风(或逆风)侧和下风(leeward)(或顺风)侧。翼型50具有翼弦60，翼弦60带有在叶片的前缘56与后缘58之间延伸的翼弦长度c。翼型50具有厚度t，厚度t被限定为在压力侧52与吸力侧54之间的距离。翼型的厚度t沿着翼弦60变化。从对称轮廓的偏离由拱弧(camber)线62给出，拱弧线62为穿过翼型轮廓50的中间线(median line)。中间线可通过从前缘56到后缘58绘出内切圆来到。中间线跟随这些内切圆的中心，且距翼弦60的偏离或距离被称为拱弧f。非对称还可通过使用被称为上拱弧和下拱弧的参数来限定，分别限定为离翼弦60和吸力侧54和压力侧52的距离。

翼型轮廓常具有下列参数的特征：翼弦长度c、最大拱弧f、最大拱弧f的位置df、最大翼型厚度t(其为沿着中间拱弧线62的内切圆的最大直径)、最大厚度t的位置dt以及鼻部半径(未示出)。这些参数典型地限定为与翼弦长度c的比。

参考图4，参考在图3中示出的翼型50的元件示出了图2的风力涡轮机叶片10的一部分的放大视图。叶片10还包含设在叶片10的后缘58处的锯齿阵列70。阵列70包含沿着叶片后缘58的一部分延伸的底板72以及从底板72突起的多个锯齿74。锯齿74大致在远离叶片10的前缘56的方向上突起，大致与在叶片10的后缘58处的平均流动方向共线。

锯齿74起到流动调节元件的作用，以调节在风力涡轮机叶片的后缘处的边界层空气流，以便减轻、频移和/或消除在风力涡轮机叶片10的后缘58处产生的散射噪声。

锯齿74构造成使得多个贯穿孔(通常以76标识)限定在锯齿74中。孔76布置为使得它们从叶片10的压力侧52上的第一锯齿表面至叶片10的吸力侧54上的第二锯齿表面延伸通过锯齿74的本体。锯齿76确保压力或空气流连通可出现在锯齿76的吸力侧与压力侧之间，这允许在锯齿76的任一侧上出现压力平衡。

此压力平衡起作用来降低从锯齿的边缘散射的湍流旋涡能量。当锯齿起作用来降低叶片后缘处的低频噪声时，孔的存在协助降低由锯齿自身产生的高频噪声。

在锯齿中使用孔的另一个惊人的优点允许提高风力涡轮机叶片上的锯齿的可靠性和寿命。由孔生成的压力平衡效应在锯齿的任何一侧处均减少了压力差中的变化。一般地，当锯齿经历锯齿侧之间的大的压力差时，这可导致锯齿颤振(fluttering)，在叶片后缘处的锯齿的振动运动。对于不同的操作雷诺数，锯齿颤振可在中到高的攻角下导致锯齿的脱离。因此，贯穿孔的使用起作用来提高锯齿至叶片的有效粘合，从而提高锯齿寿命。

在锯齿中提供孔的另一有益效应在于在涡轮机操作时在改变叶片桨距的同时出现的额外的优点。由于在改变叶片的桨距时锯齿可经历额外的动态力，这可导致锯齿的急剧脱离或损坏。然而，锯齿中的孔的存在起作用来缓和两侧之间的压力差，且因此锯齿稳定性逆着由于变桨引起的快速改变的流体动力而增大。

尽管设在锯齿74中的孔76可包含设在锯齿本体中的单个洞，但将理解的是，可提供其它孔构造。参考图5和图6，提供了用于单个三角形形状锯齿的示例孔布置的放大视图。然而，将理解的是，本发明可应用至任何适合的锯齿形状，例如细圆齿(crenulation)、半圆形锯齿等。

在图5和图6中，锯齿74包含具有近侧底端78a和远侧尖端78b的大致平面的三角形主体78。在使用中，锯齿74排列为使得近侧底端78a设为邻近风力涡轮机叶片(未示出)的后缘，远侧尖端78b在大致与风力涡轮机叶片的外形的平均流动方向共线的方向上突起远离后缘。锯齿侧边缘79在近侧底端78a与远侧尖端78b之间延伸。

在图5(a)的实施例中，多个圆形孔80设在锯齿本体78上，孔80从本体的上表面至本体78的下表面延伸通过锯齿本体78。孔80从近侧底端78a附近的位置朝向远侧尖端78b以间隔的并串联布置来排列。

在图5(b)中示出的实施例中，多个矩形贯穿孔82设在锯齿本体78上，孔以平行布置从近侧底端78a附近朝向远侧尖端78b延伸。

孔80、82优选地为以若干平行排的间隔孔(如图5(a)的圆形孔80)的形式来排列，或以若干长形孔(如图5(b)的矩形孔82)的平行布置的形式来排列。因此，孔分布提供为与锯齿74之上的空气流方向大致共线。

参考图6(a)和图6(b)，提供了用于单个三角形形状锯齿的另一个示例孔布置的放大视图。

在图6(a)中，间隔开的大致圆形的孔84的主要系列设为沿着锯齿本体78的中心线，从锯齿本体78的近侧底端78a的中点附近的位置延伸至朝向本体78的远侧尖端78b的位置。

在孔84的主要系列的任一侧上，椭圆形孔86的次要系列位于主要孔84与锯齿侧边缘79之间。如主要孔84一样，次要椭圆形孔86从接近远侧尖端86b的位置朝向近侧底端78a共线间隔开。次要椭圆形孔86布置成使得椭圆定向成在朝外方向上在孔84的居中的主要系列与锯齿边缘79之间延伸。

因此，当空气在锯齿本体78之上流动时，主流动方向(即，沿着锯齿76的中心线)的空气流将在孔84的主要系列之上直接地流动(如由箭头A标识)。不与主流动方向共线的空气流将在相对于主流动方向的大致侧面的方向上流动，即，从中心线朝向锯齿本体78的侧边缘79(这由标记为B的箭头标识出)。结果，侧面空气流被引导越过孔86的次要系列。

优选地，所述孔86的次要系列对准为使得孔的伸长的方向与锯齿本体之上的侧面流动的方向大致共线。这可为相对于锯齿本体的中心纵向轴线或中心线在0到90度之间，优选地在45到90度之间。以此方式对准次要孔将确保次要孔对锯齿之上的侧面流动的压力平衡效应将最大化。具有与流动方向共线的孔将为流动提供足够的长度以及因此足够的时间，以在吸力侧与压力侧之间连通。

图6(b)示出了类似于图6(a)的构造，其中，圆形孔84的主要系列以单个矩形主要孔88来替代，主要孔88在伸长方向上从锯齿本体78的近侧底端78a的中点附近的位置延伸至朝向本体78的远侧尖端78b的位置。如图6(a)的实施例一样，锯齿74之上的主要空气流被引导越过主要孔88，且侧面流被引导越过相邻的孔86的次要系列，以提供最大化的压力平衡效应。

在优选布置中，孔76、80、82、84、86、88的尺寸定为使得孔76、80、82、84、86、88的宽度大于或等于锯齿本体78的深度，以确保空气流容易地在锯齿表面之间连通。这提供了表面之间的有效的压力平衡，且改善了锯齿78的性能。例如，在图5(a)的实施例中，孔80的直径选择为大于贯穿孔80的深度。

在另一个优选布置中，孔76、80、82、84、86、88排列成使得它们占据小于或等于由锯齿本体78的外边缘限定的三角形轮廓的面积的25%。这确保了锯齿74的结构完整性不会由具有过多的孔而削弱，且还确保了不会由于使用过大的孔76、80、82、84、86、88而引入额外的操作噪声。

如图4中所示，锯齿74可提供为位于叶片后缘58处的单个锯齿阵列70。将理解的是，可应用其它锯齿构造，例如，一对锯齿阵列可设在后缘处，锯齿阵列可相对于彼此移动。

在另一个备选方案中，可为截平(truncated)的叶片轮廓提供锯齿。参考图7，在截平的轮廓中，风力涡轮机叶片具有钝形的或截平的后缘58，该后缘58具有后缘表面58a。在此类截平的叶片10中，锯齿阵列70可设在后缘表面58a的压力侧52或吸力侧54中的一个或两者处。(在图7(a)中示出的视图中，锯齿阵列70设在后缘表面58a的吸力侧54处。)

为了进一步防止由颤振导致锯齿的损坏或锯齿从叶片脱离，锯齿可在后缘表面58a的任一侧上分散或交错，使得将为后缘的两侧上的空气流均提供部分噪声降低效应，同时由于独个锯齿之间的间隔，将防止在相邻锯齿之间引起的任何损坏。此类布置在图7(b)中图示，其中，锯齿76a的第一系列设在后缘表面的吸力侧54上，且锯齿76b的第二系列设在后缘表面58a的压力侧54上。锯齿76a、76b可布置成使得锯齿的多系列中的至少一个的锯齿间距离d大致等于另一系列的锯齿的宽度，使得间置(interleave)的连续锯齿轮廓出现在后缘58处，且连续的锯齿76a、76b设在后缘表面58a的交替侧上。

图7(c)中图示了另一个备选构造，其中，锯齿76以锯齿77a、77b的独个集合或(cluster)的形式来提供，连续的锯齿集合设在后缘表面58a的交替侧上，从而提供为防止相邻的锯齿集合77a、77b之间的损坏。

在本发明的另一个增强方案中，将理解的是，锯齿76、76a、76b或锯齿集合77a、77b可相对于叶片的后缘移动，优选地可平移地移动，以便提供叶片的噪声降低特性的进一步的控制和适应性。

额外地或备选地，锯齿可构造成：其中，限定在锯齿上的孔的大小或形状可为可调整的，以提供可调整的压力平衡性能。这可为以任何适合的调整方法的形式，如从压电材料形成锯齿。额外地或备选地，锯齿可与可调整的套筒或盖(未示出)联接，可调整的套筒或盖可被操作来相对于锯齿本体移动，以选择性地覆盖或打开限定在锯齿本体中的孔。

此外，将理解的是，尽管本文中图示的锯齿和锯齿集合76、77为大致平面的，但在叶片后缘处也可采用三维锯齿来降低散射噪声，即，可在深度以及宽度上变化的锯齿。

在额外的增强方案中，可透气材料(如网、网状物、网孔)可设在孔内。如果可透气材料由相对弹性的材料(如线、弹性橡胶等)形成，则这可提供锯齿的额外的结构完整性，以防止由于在锯齿本体中存在孔而引起的锯齿偏转或变形。

将理解的是，锯齿76沿着叶片的纵向长度设在叶片的后缘处。优选地，锯齿设在距叶片的根部端的叶片的长度的40%到98%的区域中。在备选实施例中，锯齿设在叶片的长度的60%到95%的区域中。由于风力涡轮机叶片的大部分噪声产生朝向在朝向叶片的外侧区段的区域中出现(由于在这些外部区段处的相对高的有效风速)，故噪声降低特征在位于这些区域中时将最有效率地执行。

将理解的是，以上实施例的任何特征均可与任何其它实施例的特征互换，而不会脱离本发明的范围。

本发明不限于本文中描述的实施例，且可改变或改动而不脱离本发明的范围。