专利名称：俯仰控制式风轮机叶片，风轮机及其使用的制作方法
技术领域：
本发明涉及如权利要求1的前序所述的俯仰控制式风轮机叶片，如权利要求16的前序所述的风轮机及其使用。
技术背景现有技术中已知的风轮机包括风轮机塔架和设置在塔架顶部的风轮机 引擎舱。该引擎舱上通过低速轴连接有三个带有三个风轮机叶片的风轮机 转子，所述低速轴在前面伸出引擎舱，如图1所示。在失速控制式风轮机中，转子叶片通常以固定的角度连接。然而，转 子叶片轮廓的几何形状是按空气动力学设计的，以保证在高风速状态下在 转子叶片的背侧产生湍流，从而使它失速。失速控制的主要优点是避免了 转子中的移动部件和复杂的控制系统。失速控制式风轮机叶片的缺点是，当边界层与叶片表面分开时，失速 是产生很大噪音的机制。所产生的噪音通常是高水平且高频率的，例如在千赫区o为了防止在达到标称功率之前产生的风速下的早期失速，已知为失速 控制式叶片设置靠近叶片根部的涡流发生器，在所述根部处叶片速度最低。 应用涡流发生器可形成可控的湍流，并因此可延迟边界层分离。另外从W00/15961中已知，在叶片上沿其整个长度上设置涡流发生器， 以防止在高风速下失速控制式叶片过早失速。然而，失速控制式风轮机的叶片必须适当设计并坚固，以防止由失速 引起的振动并且承受高风速的力。失速控制式风轮机叶片的尺寸以及尤其 是重量显著大于任何其它类型的风轮机叶片。因此在设计大型现代风轮机时，失速控制不是典型的选择。另外，在失速控制式风轮机中使用涡流发生器导致正常运行时的阻力 和另外由涡流发生器自身产生噪音都有很大增加。本发明的目的是提供一种用于大型现代风轮机和风轮机叶片的有利的 空气动力学叶片技术。尤其是，本发明的目的是提供一种与噪音排放有关的用于俯仰控制式 风轮机和风轮机叶片的有利技术。发明内容本发明提供俯仰(pitch)控制式风轮机叶片，其特征在于，所述叶片 包括涡流发生机构，其中所述机构安放在所述风轮机叶片的背风表面侧上 并且位于所述风轮机叶片的朝向尖端的外段。提供带有湍流发生机构的俯仰控制式风轮机叶片是有利的，因为这可 连续地优化与功率输出和噪音排放有关的叶片迎角。此外，人耳是对窄频带中的噪音敏感。提供带湍流发生机构的叶片使 噪音排放的频带变宽，就可减小对人耳的刺激。另外，湍流发生机构可将一部分所产生的噪音频率从低频变速到高频。 这是有利的，因为空气对高频噪音的吸收比低频噪音有效得多，因此减少 了来自叶片以及由此来自叶片安装于其上的风轮机的人耳可感知的总噪音 排放量。术语"背风表面侧"也可理解为吸风侧，即在正常运行期间逆风的风轮机上的叶片的面向塔架的侧面。在本发明的一个方面中，所述湍流发生机构是气流噪音减小机构。 当叶片穿过空气旋转时，风轮机产生噪音。因此，提供带气流噪音减小才几构的叶片是有利的，即使这样可能增加阻力并因而较少地降低风轮才几的效率。在本发明的一个方面中，所述湍流发生机构安放在所述叶片长度 60%-100%范围内的外段中，例如所述风轮才几叶片的最外面三分之一中。当叶片的旋转速度增加时，来自风轮机叶片的噪音排放增加；叶片的 相对于周围空气的速度朝向尖端变大。因此本范围提供了湍流发生机构相 对于噪音排放的有利安放。
在本发明的一个方面中，所述外段细分成两个或更多子段，所述湍流 发生机构在每个所述子段内基本都是均勻的。
将湍流发生机构制成均匀的是有利的生产方式，因为这样可大量生产， 并因此显著降低单个湍流发生机构的生产成本。但为了有效地降低来自叶 片的噪音排放，可有利地在其上分布湍流发生机构的整个叶片段中改变所 述湍流发生机构的设计和尺寸。通过将外段细分成其中湍流发生机构基本 均匀的两个或多个子段，可实现制造成本与降低噪音排放之间的有利关系。
在本发明一个方面中，所述湍流发生机构的高度相等，或者最靠近所 述风轮机叶片尾缘的机构的高度比最靠近所述风轮机叶片前缘的高。
将湍流发生机构制成具有恒定高度或者当从叶片尖端或根部看去时后 部较高是有利的，因此它提供具有良好湍流发生质量的机构。
在本发明的一个方面中，所述湍流发生机构的最高高度是所述风轮机 叶片的弦长度的0.01%-5%,优选是0.1%-3%间，最优选是0.2%-0.8%。
本高度范围使得湍流发生机构具有噪音排放和阻力间的有利关系。
在本发明的一个方面中，所述湍流发生机构间的距离基本恒定。
使湍流发生机构间的距离保持基本恒定是有利的，因为这可容易地将 湍流发生机构安装在预制的风轮机叶片上。此外，也可改善湍流发生机构 噪音降低效率。
在本发明的一个方面中，从风轮机片的前缘起，所述湍流发生机构放 置在弦长度的5%至85%之间，优选在10%至75%之间，最优选在15% 至60%之间的范围内。
本范围为湍流发生机构提供了相对于噪音排放的有利安放。
在本发明的一个方面中，所述湍流发生机构通过连接装置例如螺钉、 螺栓、铆钉、焊接或优选的胶粘剂单独或成对地连接到风轮机叶片上。
单独或成对地连接湍流发生机构是有利的，因为它能使得能单独安;^丈该才几构以用于最佳地降低噪音。
在本发明的一个方面中，所述湍流发生机构作为绳串、线圏或带的一 部分通过连接装置例如螺钉、螺栓、铆钉、焊接或优选的胶粘剂连接到风 轮机叶片上。
将湍流发生机构作为绳串、线圏或带的 一部分连接到叶片的表面上是 有利的，因为它提供一种简单而成本有效的机构连接方法。
在本发明的一个方面中，所述湍流发生机构是以60°至120°的角例 如正交于所述风轮机叶片背风表面侧的表面延伸的板。
将湍流发生机构设计成以本角度范围从叶片吸风表面侧延伸的板为湍 流发生机构提供了在降低噪音排放方面的有利设计。
在本发明的一个方面中，所述湍流发生机构包括侧面，所述侧面交替 地以与气流方向成一角度的安放，所述角度为50°至2°以及-50。至-2° ， 优选为30°至5。以及-30°和-5。，并且最优选为20。至10。以及-20° 至画IO0 。
值提供了湍流发生机构在湍流发生和噪音排放方面的有利设计。
在本发明的一个方面中，所述湍流发生机构与风轮机叶片整体形成。 使湍流发生机构例如在制造叶片期间与风轮机叶片整体形成是有利 的，因为它提供带有湍流发生机构的叶片的简单而成本有效的方式。 在本发明的一个方面中，所述湍流发生机构是涡流发生器。 利用涡流发生器作为防止和尽量减小失速的机构在制造风轮机叶片、 飞机机翼等的领域中是众所周知的。许多关于生产方法、连接方法及其它 等问题已经涉及，因此在制造湍流发生机构时利用这些经验是有利的。 在本发明的一个方面中，所述风轮机叶片包括至少一个俯仰控制单元。 本发明还提供一种风轮机，所述风轮机包括至少两个俯仰控制式风轮 机叶片和用于使所述叶片俯仰的俯仰控制机构，其特征在于，所述叶片包 括湍流发生机构，其中所述机构安放在所述风轮机叶片的背风表面侧上， 并位于所述风轮才几的朝向尖端的外端。因而得到按照本发明所述的有利的设备。
在本发明的一个方面中，所述风轮机是可变速俯仰控制式风轮机。 可变旋转速度产生可变水平的可变噪音，所述可变噪音尤其是对人耳产生刺激。因此，利用可变速俯仰控制式风轮机中叶片上的湍流发生机构来降低声音排放是有利的。
本发明还涉及对按照权利要求1-15之一所述的俯仰控制式风轮机叶片 的使用，该使用与根据16-18之一所述的俯仰控制式风轮机有关，并用于 调节叶片俯仰和噪音水平。
在本发明的另 一方面中，该使用涉及根据通过声音测量机构例如扩音 器测量的噪音水平的结果来控制所述噪音水平。
下面将参照
本发明，其中
图1示出从前面(正面)看去的大型现代风轮机，
图2示出从前面看去的风轮机叶片，
图3示出从叶片根部看去的风轮机叶片的剖视图，
图4示出从前面看去的湍流发生机构的实施例，
图5示出与图4所示相同的湍流发生机构的实施例，其从侧面看去，
图6示出与图4所示相同的湍流发生机构的实施例，其从顶部看去，
图7示出从前面看去的实心淌流发生机构的实施例，
图8示出与图7所示相同的湍流发生机构的实施例，其从侧面看去，
图9示出与图7所示相同的湍流发生机构的实施例，其从顶部看去，
图IO示出从前面看去的实心湍流发生机构的另一实施例，
图ll示出与图IO所示相同的湍流发生机构的实施例，其从侧面看去，
图12示出与图IO所示相同的湍流发生机构的实施例，其从顶部看去，
图13示出从背风侧看去的风轮机叶片段，其包括多个湍流发生机构，
图14示出从叶片前缘看去的风轮机叶片段，其包括多个湍流发生机构，以及图15示出一系列试验结果的曲线图。
具体实施例方式
图1示出现代风轮机1,该风轮机包括塔架(塔筒)2和设置在该塔架 2顶部的风轮机引擎艙(吊抢)3。引擎抢3上通过低速轴连接有风轮机转 子4,该转子包括三个风轮机叶片5,该低速轴从引擎舱3的前面伸出。
图2示出从前侧/压力侧14看去的风轮机叶片5。风轮机叶片5包括前 缘6、尾缘7、尖端8和根部9。现有技术已知的风轮机叶片5通常用玻璃 纤维、碳纤维增强的树脂复合材料、碳纤维增强的木材或它们的组合制成。
叶片5的长度用BL表示。
在根部9处，叶片5具有一俯仰控制单元16，所述俯仰控制单元16 可包括轴承、齿轮、用于使叶片5俯仰的机构和/或用于连接该使叶片5俯 仰的4几构的^几构。
OS表示本发明的这个实施中的叶片5的外段，该外段OS还细分成子 段1即SS1、子段2即SS2和子段3即SS3。在本发明的另一实施例中， 外段OS可细分成其它数量的子段，例如两个或四个具有相同或不同长度 的子段。
在本发明的这个实施例中，外段OS构成叶片长度BL的大约40%, 即当从根部9测量时，外段OS从叶片长度BL的大约60%处延伸到叶片 长度BL的100%处。
图3示出从叶片5的根部9所看到的风轮机叶片5的剖面。叶片5包 括吸风侧/背风侧13、压力侧14、前缘6和尾缘7。叶片5的弦长度示出为 C，该弦长度是前缘6和尾缘7之间的距离。叶片5的高度用t标示。
在本发明的这个实施例中，在叶片5的背风侧13,在距前缘6约20% 弦长处安放有湍流发生机构10。
图4示出从前面看去的湍流发生机构IO的实施例。在该实施例中，湍 流发生机构10由整块板制成，其中该板的两端向上弯，从而形成从基底 11的每端垂直延伸的翼或板15。然后将基底11例如通过胶粘剂、螺钉、螺栓、铆钉或其它合适的固定装置连接到风轮机叶片5的表面上。在本发明的另一实施例中，翼15可以是通过用胶粘剂、焊接、螺钉、螺栓或其它方法固定到基底11上的单独的板，或者翼15可以例如通过用胶粘剂、螺钉、螺栓或其它方法直接连接到风轮机叶片5上，或者甚至在制造叶片5期间与叶片5—体形成。翼15也可以与由例如铝、不锈钢、塑料或任何其它适于该用途的材料制成的绳串、线圏或带整体形成。这种包含大量湍流发生机构10的绳串、线圏或带则例如通过胶粘剂、螺钉、螺栓或其它方法连接到风轮机叶片5。 湍流发生机构IO可以用与制造叶片5相同的材料制成，或者该机构可以用木材、金属如铝或不锈钢、塑料或任何其它适于制造湍流发生机构10的材料制成。图5示出从侧面看去的与图4所示相同的湍流发生机构IO的实施例。 在本发明的这个实施例中，湍流发生机构10的翼15是三角形，从而使翼 15在后部最高。翼15的最高高度示出为测量值H。在本发明的另一实施例中，翼15可以成形为圆形或锥形的一部分、鱼 鳍形、矩形或任何其它适合于发生^流的形状。图6示出从顶部看去的与图4所示相同的湍流发生机构IO的实施例。 湍流发生机构10前面的箭头示出当湍流发生机构10安装在风轮机叶片5 上时，正常运行期间的气流方向。如角A所示，湍流发生机构10的两个 侧边12^1置成与气流方向成大约16。和-16°的角。在本发明的另一实施 例中，两个侧边12可以设置成与气流方向成另一角度，或者两侧边12可 以与气流方向平行。图7示出从正面看去的实心湍流发生机构10的实施例。在本发明的这 个实施例中，湍流发生机构10制成包括基底11的实心元件，它可以比如 通过胶粘剂、螺钉、螺栓、铆钉或其它合适的固定方法连接到风轮机叶片 5的表面，或者湍流发生机构IO可以在制造叶片5期间与叶片5整体形成。 在本发明的另一实施例中，所示出的湍流发生机构IO也可以是空心的。如角度A所示，实心湍流发生机构10的两侧边12与气流方向形成一i大约15。和-15°的角度。在本发明的另一实施例中，两侧边12可以与气 流方向成另 一角度设置，或者两侧边12可以与气流方向平行。图8示出从侧面看去的与图7所示湍流发生机构IO相同的实施例。 图9示出从顶部看去的与图7所示湍流发生机构IO相同的实施例。 图IO示出从前面看去的实心湍流发生机构10的另一实施例。 图ll示出从侧面看去的与图IO所示湍流发生机构IO相同的实施例。 在本发明的另一实施例中，机构10的前面和后面可以相等，以将机构10 形成从侧面看去基本是矩形或正方形。如果机构10是实心的、板或其它， 则这可能是无关紧要的情况。图12示出从顶部看去的与图IO所示湍流发生机构IO相同的实施例。 图13示出从背风侧看去的风轮机叶片5的外段中的一段，该段包括多 个湍流发生机构10。在本发明的这个实施例中，湍流发生才几构10沿直线 安置在叶片上，但在发明的另一实施例中，它们可以安置在从叶片5的前 缘6或尾缘7开始的固定的或变动的范围内。湍流发生机构10以均匀的间距设置，但在本发明的另一实施例中，湍 流发生机构10可安置成相邻的机构10之间具有变动的距离。在本发明的 另一实施例中，湍流发生机构IO也可安置成一排以上，例如两排或三排。 在本发明的这个实施例中，所有湍流发生机构10都具有从前面看去的 相同的尺寸和设计，但在另一实施例中，尺寸和设计都可在湍流发生机构 IO放置在其中的叶片段的整个长度上改变。图14示出从前缘6看去的风轮机5的外段中的一段，该段包括多个湍 流发生机构10。在本发明的这个实施例中，所述其中安放湍流发生机构10 的外段细分成两个子段，其中湍流发生机构IO在不同的子段中具有不同的 高度。图15示出一曲线图，该曲线图显示出在维斯i荅斯(Vestas) V卯-2MW 风轮机上进行的一系列试验的结果。纵坐标轴表示所测得的以分贝(dBA) 为单位的A加权的声能级，而横坐标轴表示所测得的以度(deg)为单位 的迎角(AoA)。在风轮机l的正常运行期间，叶片5相对于转子平面旋转。迎面风(来 风)大致垂直于该转子平面，迎面风的有效角和速度(即与稳定的叶片相 对应)取决于叶片的旋转速度。该有效角称为迎角(AoA)。理想情况下，迎角约为3。至8° ，但当风速变得太大时，叶片则俯仰 出风流，以保护风轮机。因此，本曲线图示出在不同的叶片5迎角，即不 同风速下，从风轮机所产生的总噪音输出之间的关系。在该曲线图中，灰色点示出未在叶片5上安装任何湍流发生机构10 之前在不同天气条件下进行的一系列测量的结果。灰色曲线示出灰点的方 程拟合。暗灰色点示出在叶片5上安装有湍流发生机构IO的情况下在坏天气条 件下进行的一系列测量的结果。黑色点示出在叶片5上安装有湍流发生机 构10的情况下在不可抗力天气(god weather)条件下进行的一系列测量 的结果。黑色曲线示出暗灰色点和黑色点的组合的方程拟合。这两条曲线 示出，为叶片5设置湍流发生机构10可在正常运行期间将A加权声能级 减少达3dBA，而在高迎角下减少达5dBA。上面已经参照风轮机叶片5和涡流发生机构10的具有实施例举例说明 了本发明。然而，应该理解，本发明不限于上述特定实施例，而是可以在 如权利要求所述的本发明范围内进行各种各种设计和改变。标号列表1风轮机2塔架3引擎舱4转子5叶片6前缘7尾沿8尖端9根部10湍流发生才几构11湍流发生机构的基底12湍流发生才几构的侧面13背风侧14压力侧15板或翼16俯仰控制单元OS外段C弦长度T叶片高度A侧面角度H湍流发生机构的最大高度AoA迎角SSI子段lSS2子段2SS3子段3BL叶片长度
权利要求
1.一种俯仰控制式风轮机叶片(5)，包括压力表面侧(14)和背风表面侧(13)，所述表面(13、14)建立前缘(6)和尾缘(7)，其特征在于，所述叶片(5)包括湍流发生机构(10)，其中所机构(10)安放在所述风轮机叶片(5)的背风表面侧(13)上，并位于所述风轮机叶片(5)的朝向叶片尖端(8)的外段(OS)处。
2. 按照权利要求l所述的风轮机叶片(5),其特征在于，所述湍流 发生机构(10)是气流噪音降低机构。
3. 按照权利要求1或2所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，所述 湍流发生机构(10 )安放在其范围是所述叶片(5 )的长度(BL )的60%-100% 的外段(OS)中，例如所述风轮机叶片(5)的最外面的三分之一中。
4. 按照权利要求3所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，所述外段 (OS)细分成两个或更多子段(例如SSl, SS2, SS3)，所述湍流发生机构(10)在每个所述子段内基本上都是均匀的。
5. 按照上述权利要求之一所述的风轮机叶片(5),其特征在于，所 述湍流发生机构(10)的高度相等，或者该高度在最靠近所述风轮机叶片(5)的尾缘(7)处比最靠近所述风轮机叶片(5)的前缘(6)处高。
6. 按照权利要求5所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，所述湍流 发生机构(10)的最大高度(H)是所述风轮机叶片(5)的弦长度(C) 的0.01%至5%，优选在0.1%至3%之间，最优选在0.2%至0.8%之间。
7. 按照上述权利要求之一所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，所 述湍流发生机构(10)之间的距离基本上是恒定的。
8. 按照上述权利要求之一所述的风轮机叶片(5),其特征在于，所 述湍流发生机构(10)安放在从所述风轮机叶片(5)的所述前缘(6)起 的弦长度(C)的5%至85%之间，优选10%至75%之间，最优选15%至65%之间的范围内。
9. 按照上述权利要求之一所述的风轮机叶片(5),其特征在于，所 述湍流发生机构(10)通过连接装置例如螺钉、螺栓、铆钉、焊接或优选 的胶粘剂单独或成对地连接到风轮机叶片(5)上。
10. 按照上述权利要求之一所述的风轮机叶片(5),其特征在于，所 述湍流发生机构(10)作为绳串、线圏或带的一部分通过连接装置例如螺 钉、螺栓、铆钉、焊接或优选的胶粘剂连接到风轮机叶片(5)上。
11. 按照上述权利要求之一所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，所 述湍流发生机构(10 )是板(15 )，该板(15 )例如与所述风轮机叶片(5 ) 背风表面侧(13)的表面正交地以60。至120。的角度延伸。
12. 按照上述权利要求之一所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，所 述湍流发生4几构(10)包括交替地以与气流方向成50。至2。以及-50。至 -2°的角度(A)安放的侧边(12)，该角度优选在30。至5°以及-30° 至-5。之间，最优选在20。至10°以及-20。至-10。之间。
13. 按照上述权利要求之一所述的风轮机叶片(5),其特征在于，所 述湍流发生机构(10)与风轮机叶片(5)整体形成。
14. 按照上述权利要求之一所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，所 述湍流发生机构(10)是涡流发生器。
15. 按照上述权利要求之一所述的风轮机叶片(5),其特征在于，所 述风轮机叶片(5)包括至少一个俯仰控制单元(16)。
16. 风轮机(1)，包括 至少两个俯仰控制式风轮机叶片(5)，以及 用于使所述叶片(5)俯仰的俯仰控制机构， 其特征在于，所述叶片(5)包括湍流发生机构(10),其中所述机构放置在所述风 轮机叶片(5)的背风表面侧(13)，并且位于所述风轮机叶片(5)的朝 向尖端(8)的外段(OS)处。
17. 按照权利要求16所述的风轮机(1),其特征在于，所述湍流发生机构(10)是涡流发生器。
18. 按照权利要求16或17所述的风轮机(1),其特征在于，所述风 轮机(1)是可变速俯仰控制式风轮机。
19. 俯仰控制式风轮机叶片(5)的使用，该风轮机叶片为按照权利要 求1-15之一所述的风轮机叶片，该使用与按照权利要求16-18之一所述的 俯仰控制式风轮机(1)有关，以用于调节叶片俯仰和噪音水平。
20. 按照权利要求19所述的俯仰控制式风轮机叶片(5)的使用，其 特征在于，4艮据利用声音测量装置例如扩音器测量的噪音水平结果控制所 述噪音水平。
全文摘要
本发明涉及俯仰控制式风轮机叶片(5)，所述风轮机叶片(5)包括压力表面侧(14)和背风表面侧(13)，其中所述表面(13、14)建立前缘(6)和尾缘(7)。该叶片(5)包括湍流发生机构(10)，其中所述机构放置在风轮机叶片(5)的背风表面侧(13)并且位于该风轮机叶片(5)的朝向尖端(8)的外段(OS)。本发明还涉及风轮机(1)，该风轮机(1)包括至少两个俯仰控制式风轮机叶片(5)和用于使叶片(5)俯仰的俯仰控制机构。该叶片(5)包括湍流发生机构(10)，其中所述机构放置在风轮机叶片(5)的背风表面侧(13)并位于风轮机叶片(5)的朝向尖端(8)的外段(OS)。
文档编号F03D1/06GK101223356SQ200580051091
公开日2008年7月16日 申请日期2005年5月17日 优先权日2005年5月17日
发明者K·B·戈德斯克, T·S·B·尼尔森 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司