专利名称：风轮叶片和用于减小风轮中噪音的方法
技术领域：
背景技术：
风轮噪音的气体动力部分是日益重要的质量关键(CTQ)。由于市场 促使产品设计趋向具有更高叶片尖端速度的更大的涡轮，因而风轮噪音 的气体动力部分基于竟争力和调整前景而具有重要性。在此，气体动力 噪音对于设计的效率和收益变为决定性的限制。因此，需要减噪方案。
本发明限定一种方案，其中，将材料技术用作减噪手段，目标针对 叶片自噪音和尖端噪音这两种风轮气体动力噪音的主要部分。在过去， 气体动力成形已经成为实现低噪音水平的主要手段，例如，使用大弦、 可靠性更高的叶片、低噪音桨翼设计、平面形式和尖端/小翼几何形状。 使用诸如后缘锯齿、锋锐后缘插入物之类的附加件的减噪方案也已进行 了研究并在一些情况下投入生产。
发明内容
本发明提出在风轮叶片中包含多孔材料，以通过减少噪音源和/或 削弱和吸收噪音而减噪。
本发明可体现在一种风轮叶片中，该风轮叶片包括压力侧和抽吸 侧、前缘、后缘、和尖端区域，所述叶片的至少一部分由多孔材料形成， 所述多孔材料部分限定所述叶片的露出表面的一部分，由此，利用所述 多孔材料通过减少噪音源和/或削弱和吸收噪音而减小气体动力噪音。
本发明还可体现在一种在风轮中减噪的方法中，其中，通过减少噪 音源和利用风轮叶片削弱和吸收噪音两种方式中的至少一种方式减小 噪音，该方法包括提供用于风轮的风轮叶片，所述叶片具有压力侧和 抽吸侧、前缘、后缘、和尖端区域；其中所述叶片的至少一部分由多孔 材料形成，所述多孔材料部分限定所述叶片的露出表面的一部分。
图l是根据本发明示例性实施例的风轮叶片(桨翼)的示意性横截面图，其中，全部桨翼部分包括多孔材料；
图2是根据本发明另一示例性实施例的风轮叶片(桨翼)的示意性 横截面图，其中，局部桨翼部分包括多孔材料；
图3是根据本发明另一示例性实施例的风轮叶片(桨翼)的示意性 横截面图，其中，后缘桨翼部分包括多孔材料；
图4是显示图3所示后缘桨翼部分的可替代示例的细节的示意性横 截面图5是显示图3所示后缘桨翼部分的另一可替代示例的细节的示意 性横截面图6是显示图3所示后缘桨翼部分的又一可替代示例的细节的示意 性横截面图7是根据本发明进一步的示例性实施例的具有通过多孔材料制
成的叶片外侧部分的风轮叶片的示意性平面图8是图7所示风轮叶片外侧部分的示意性前视图9是具有包含多孔材料的叶片外侧部分的另一风轮叶片的示意
性前视图10是根据本发明的再一示例性实施例的具有叶片尖端区域的风 轮叶片的示意性平面图，其中，尖端和后缘的一部分由多孔材料制成； 和
图11是根据本发明示例性实施例的风轮叶片的示意性平面图，其 中，所述叶片具有用作叶片闪电防护系统一部分的金属泡沫体外侧部分 或尖端区域。
具体实施例方式
如前所述，本发明提出在风轮叶片中包含多孔材料以通过减少噪音 源和/或削弱和吸收噪音而减噪。
更具体地，对于减少噪音源而言，如在本发明的示例性实施例中所 提到的多孔材料用于例如叶片结构的尾端上，影响叶片上的边界层流以 及相关的湍流(turbulence)活动。通过控制^皮提供到所述流的阻力， 通过影响边界层中湍流涡旋(turbulent eddy)的孔隙率和/或其他表 面特性，湍流噪音源可以被削减以产生较低的噪音或使频谱移向更易于 削弱的频率。在旋涡(vortical)流的区域中，例如在尖端区域中，所 述结构可以完全由多孔材料制成，多孔材料的特性将适于使形成尖端噪音主源的尖端涡流(vortex)的尺寸和强度减小。因此，在某种意义上， 多孔材料的作用类似于有孔表面处理，有孔表面处理在其他应用中已经 显示可减少气体动力噪音源。
对于削弱和吸收噪音而言，多孔材料自身可以用于削弱和吸收在湍 流边界层中产生或传播的噪音的目的。金属或聚合物(或其他类型，例 如碳)的泡沫体特性，例如孔隙率和深度，可改变而使得叶片自身结构 变为吸声衬垫而且不需要任何专用插入物来吸收气体动力噪音。
开放单元材料优选地处于尖端区域中，以允许在压力侧与抽吸侧之
间形成适当的压力平衡。在示例性实施例中，在后缘区域中，采用开放
单元材料与封闭单元材料的适当混合以获得如前所述的气体动力的和 气体声学的特性。
在本发明的示例性实施例中，在风轮叶片应用中可提供结构整体性 的多孔材料用于目标部分中，多孔材料的表面特性适于提供气体声学优 势。利用噪音源的减少和声音削弱的机制来形成低噪音风轮叶片，这种 低噪音风轮叶片能够具有更高的风轮尖端速度以及更佳的效率和收益。
更具体地，在本发明的示例性实施例中，利用多孔材料构造气体动 力形状，从而使气体动力结构自身形成减噪方式，而不需在基底叶片结 构上使用另外的装置、插入物或衬垫。
参见各附图，图1是根据本发明示例性实施例的风轮叶片10的示 意性横截面图。在此实施例中，全部桨翼部分包括多孔材料12，使得 风轮叶片的整个表面具有通过多孔材料实现的适于提供气体声学优势 的特性。通过控制多孔材料外露表面的孔隙率和/或表面特性，湍流噪 音源可削减以产生较低的噪音或使频镨移向更易于削弱的频率。而且， 多孔材料自身用于削弱和吸收在湍流边界层中产生或传播的噪音的目 的。根据另一示例性实施例，如图2中示意性所示，局部桨翼部分14 包括多孔材料16。在又一可替代方案中，如图3中所示，后缘桨翼部 分18包括多孔材料20。
如前所述，图1、 2和3示意性例示了整体作为一结构部件的多孔 材料，其作为全部桨翼部分，特别是在尖端附近。不过，在可替代方案 中，多孔材料可仅在表面上提供，多孔材料具有适合的厚度，或者作为 结构部分与表面部分的组合且其中所述结构部分以锥形至表面部分中。 如果表面部件或局部桨翼部分由多孔材料形成，则泡沫体材料使用任何传统的紧固技术附接到所述结构的其余部分，传统的紧固技术例如为胶 粘或通过诸如螺钉的机械部件进行连接。其他结合技术是已知的并可在 不背离本发明的情况下作为替代而使用。
图4示意性例示了示例性后缘部分22。在此示例中，采用肋24和 槽26形式的互补连接部件设置在后缘部分22 (在此示例中由多孔材料 形成)之中或之上，叶片30的平衡后缘28有利于对准和连接。后缘部 分可以设置为包括基本上均匀的多孔材料20，如图3中所示。在可替 代方案中，如图5中所示，在尾部中设置功能分级，其中具有不同多孔 泡沫体34、 36、 38，用于材料性能的弦向控制。例如，在认为必要时 或适合时，多孔材料可以具有不同的孔隙率或可具有开放单元和封闭单 元。在进一步的可替代方案中，多孔材料可沿展向而不同。
在又一示例性实施例中，多孔泡沫体40可具有在其中限定的通风 部42或连接到在所述结构内部的加压通风部42，通风部42有效地控 制叶片的流逸(transpiration)以及其声音削弱。这样，如图6中所 示，空气可通过从叶片主体在44处的吹出和吸入而流动出入通风部42， 同时从通风部至叶片的外表面发生流逸，如箭头46所示。提供可用于 产生流逸的多孔材料，这提供了重要的流控制能力，其不仅可通过修改 可引起叶片自身噪音的边界层而用于减噪，还可用于气体动力性能的改 进(减阻、失速延迟、提升改进)。
泡沫体也可用于形成尖端部分和小翼设计，这种设计在改变尖端涡 流特性以减少尖端噪音方面显然更有效。或者，使用这样的材料用于设 计低噪音翼尖端和/或小翼的益处应在于，这样的尖端/小翼将会更小并 因而比采用常规材料设计的尖端/小翼具有小得多的系统负担(重量， 例如颤振等的气动弹性现象，塔间隙)。这样，在进一步的示例性实施 例中，图7、 8和9是具有例如通过多孔材料50、 54、 56制成的尖端区 域的叶片外側部分48、 52的平面图和前视图。在图9中，小翼58显示 为具有两种多孔材料部分54、 56，这两种多孔材料部分54、 56具有不 同特性，例如不同的孔隙率、密度或开放单元与封闭单元的比率，用于 例如控制材料性能。
图10例示了再一示例性实施例，其中，外侧部分的叶片尖端区域 60包括由多孔材料62形成的尖端，后缘64的一部分由多孔材料66制 成。应认识到的是，由多孔材料形成的区域的范围和所述区域是否被设置为表面层或设置以整体限定结构部分，可以有所不同，从而采用材料 自身的削弱和减弱噪音的特性。
通过如前所述而应理解的是，在本发明的示例性实施例中，气体动 力形状完全由金属的、聚合物的或其他的多孔材料形成，并且包含在风 轮的部件中，特别是在叶片中。多孔材料可用于风轮叶片的一部分中或 者构成整个叶片，可用于桨翼部分的局部或整个桨翼部分。在示例性实 施例中，由多孔材料形成的叶片尖端部分被设置和设计为具有一定形状 和结构，以类似于小翼而作用，从而通过改变尖端涡流的形成和发展而
减小尖端噪音。应认识到的是，使用金属泡沫体68使得其自身与包含 在叶片中的闪电防护系统70—体化(或有效相连)，如图11中示意性 所示。
总之，提供了一种形成低噪音风轮叶片的方法，其中，能够承栽定 向载荷的金属和/或聚合物(或其他)的多孔材料，在此也称为泡沫体， 用于构造风轮叶片的一部分或整个部分。在气体动力结构中使用这种材 料适于以如下方式影响叶片上的气流a)边界层湍流以可控方式被减 弱或改变，以减弱在后缘处的噪音散播机制；和b)散播的声波通过所 述材料被吸收和削弱，所述材料自身用作吸声衬垫。在产生渗漏流的具 有急变压力梯度的区域中，例如在叶片尖端处，在压力侧与抽吸侧之间 的压力差减小，导致较弱的尖端涡流以及较低的尖端噪音。
虽然本发明已经结合目前被认为最具实用性和最优选的实施例进 行了描述，但应理解的是，本发明并不仅限于所公开的实施例，相反， 本发明意在涵盖包含于所附各权利要求的精神和范围内的各种修改和 等同设置。
权利要求
1.一种风轮叶片(10)，包括压力侧和抽吸侧、前缘、后缘、和尖端区域(60)，所述叶片的至少一部分由多孔材料(12，16，20，34，36，38，40，50，54，56，62，66，68)形成，所述多孔材料部分限定所述叶片的露出表面的一部分，由此，通过利用所述多孔材料减少噪音源和/或削弱和吸收噪音而减小气体动力噪音。
2. 权利要求l的风轮叶片，其中，所述多孔材料包括开放单元多 孔材料和/或封闭单元多孔材料。
3. 权利要求l的风轮叶片，其中，所述多孔材料为金属的或聚合 物的或碳的多孔材料，
4. 权利要求l的风轮叶片，其中，所述叶片完全由多孔材料形成，
5. 权利要求l的风轮叶片，其中，所述多孔材料被设置为在所述 叶片的至少一部分上的表面层，所述表面层具有预定深度，
6. 权利要求l的风轮叶片，其中，所述叶片的尾部由多孔材料(40) 形成，所述多孔材料具有限定在其中的通风部(4 2 )或连接到 一通风部， 通过所述通风部，所述叶片的流逸可通过吹出或吸入(44、 46)有效地 控制，以改进所述叶片的气体动力性能和气体声学性能。
7. 权利要求l的风轮叶片，其中，所述叶片的尾部由多孔材料形 成，由多孔材料形成的所述尾部包括沿弦向的多种多孔材料(34， 36, 38),所述多种多孔材料中的每一种具有至少一种不同于相邻多孔材料 的性能。
8. 权利要求l的风轮叶片，其中，所述尖端区域包括尖端(62), 所述叶片的后缘(64)的一部分(66)和所述尖端(62)均由多孔材料 制成.
9. 权利要求l的风轮叶片，其中，所述尖端包括小翼结构(58), 所述小翼结构由多孔材料(56)形成，该多孔材料(56)的材料性能不 同于设置在所述叶片的相邻的尖端区域中的多孔材料(54).
10. 权利要求l的风轮叶片，其中，所述尖端区域的至少一部分由 金属泡沫体(68 )制成，所述叶片包括有效连接到所述金属泡沫体部分 的闪电防护系统(70).
全文摘要
本发明提供一种低噪音风轮叶片，其中，能够承受定向载荷的金属的和/或聚合物的多孔材料(12，16，20，34，36，38，40，50，54，56，62，66，68)用于构造风轮叶片的一部分或整个部分。使用这样的材料以一定方式影响风轮叶片上的气流，从而使所形成的边界层湍流以受控方式被减缓，因而在后缘处减弱噪音散播机制，被散播的声波通过用作吸声衬垫的材料被吸收和削弱。
文档编号F03D3/06GK101307745SQ200810097130
公开日2008年11月19日 申请日期2008年5月14日 优先权日2007年5月14日
发明者A·古普塔, T·梅德 申请人:通用电气公司