用于风力机转子叶片的降噪装置的制作方法

本发明涉及一种风力机的转子叶片。该转子叶片包括用于降低由转子叶片与从转子叶片的前缘段流向后缘段的空气流的相互作用所产生的噪声的降噪装置。

背景技术：

当提到获准使风力机竖立时，由风力机的转子叶片所产生的噪声会变成一个关键因素。如果风力机应被竖立在靠近住宅区的位置，则尤其如此。因此，风力机行业和研究机构正在持续不断地寻找降低并减弱由风力机所产生噪声的方法。

由转子叶片与在转子叶片附近流动的空气流的相互作用所产生的噪声显著地促成由风力机产生的总噪声。在过去已有人提出了与降低转子叶片相关的噪声的不同方法。

一种可选方法是提供附接到转子叶片后缘的锯齿形襟翼。另一种降低噪声的可选方法是转子叶片的翼型形状的适应设计，具体地在转子叶片的后缘段。

尽管有这些措施，但仍然存在进一步降低由转子叶片与在转子叶片附近流动的空气流的相互作用所产生噪声的需要和愿望。

此目的是通过独立权利要求而实现。优选的改进方案和修改描述于从属权利要求中。

根据本发明提供一种风力机的转子叶片，其中该转子叶片包括压力侧、吸力侧、前缘段、和后缘段。后缘段包括后缘。转子叶片还包括具有至少一个空气动力学装置的降噪装置，该空气动力学装置是用于控制从转子叶片的前缘段流向后缘段的空气流。该空气流建立起具有和转子叶片的表面相邻的涡旋的边界层。空气动力学装置位于转子叶片的后缘段。空气动力学装置布置成使得它能够将边界层的涡旋分开成若干个较小的子涡旋，因此降低由空气流与转子叶片的相互作用所产生的噪声。

风力机是指可以将风能（即，来自风的动能）转换成机械能的设备。该机械能随后被用于发电。风力机也被称为风力发电站。

风力机的转子叶片在转子叶片的大部分截面中具有翼型形状。因此，压力侧、吸力侧、前缘和后缘可以归属于转子叶片。在前缘附近的区域被称为前缘段。同样地，在后缘附近的区域被称为后缘段。当转子叶片处关于周围空气（即大气）处于相对运动状态时，空气流在转子叶片附近流动。具体地，就风力机的旋转的转子叶片而言，存在从前缘段流向后缘段的空气流。

在紧靠转子叶片表面的位置，空气流的速度接近零。随着与转子叶片表面的距离增大，空气流的速度增加直到达到空气流的自由流速度的值。其中空气流速度低于99%的自由流速度的、与转子叶片表面相邻的层被称为边界层。在50至80米长的转子叶片后缘段的边界层的典型厚度共计为数厘米。换句话说，边界层的典型厚度是在1厘米和10厘米之间。在边界层中的空气流至少部分地包括湍流。这意味着在边界层中的空气流包括涡旋。这些涡旋也被称为旋流。当这些涡旋到达边缘或缘（例如后缘）时，会产生明显的噪声。换句话说，涡旋通过后缘是在转子叶片处的相当大的噪声发射源。

本发明的一个关键方面是提供在转子叶片后缘的上游位置的一个或多个空气动力学装置。这些空气动力学装置将边界层的涡旋分开成若干个较小的子涡旋。因此，这些空气动力学装置起边界层大涡旋的破坏者的作用。注意到与最初大涡旋在后缘的通过相比，较小涡旋（也被称为子涡旋）在后缘的通过产生不同的噪声。一个差异是可以归因于由在后缘处的涡旋所产生噪声的频移。通常，子涡旋具有一组更高的频率。因此，从后缘发射并散发具有更高频率的噪声。当此高频噪声在围绕转子叶片的周围空气中传播时，这些高频率的衰减增加。因此，降低的噪声到达位于某个位置并且在与转子叶片相距某个距离的收听者。通过该机制，可大幅地降低由转子叶片与在转子叶片附近流动的空气流的相互作用所产生的噪声。

因此，该降噪装置的第一个优点是通过将边界层的涡旋分开成（换句话说打碎成）多个较小的子涡旋，在后缘所产生噪声的频率被变换到更高的频率。在转子叶片附近的周围空气中，这些更高的频率被更高效率地减弱。因此，在与风力机相距典型距离处可听见的噪声被降低。

本发明降噪装置的另一个优点是子涡旋的旋转方向（换句话说旋转轴线）会受到影响，因而可实现所产生噪声的进一步降低。如果例如所产生的子涡旋包括平行于在后缘段处的空气流方向的旋转轴线，则可实现子涡旋相对于转子叶片表面的分离。换句话说，子涡旋在转子叶片表面的上方被提高并且在增加的距离处经过后缘。利用与后缘的这段距离，可以实现在后缘处所产生噪声的进一步降低。

应注意在本发明的一个优选实施例中，提供多个空气动力学装置，这些空气动力学装置导致在空气动力学装置下游位置所形成的涡旋面并且此涡旋面会使边界层从转子叶片的表面（具体地是从其中发生显著散射的后缘）发生位移。

在本发明的一个优选实施例中，转子叶片包括叶根段，其中转子叶片被布置且被制备用于附接到风力机的轮毂。转子叶片还包括叶尖段，该叶尖段是转子叶片最远离叶根段的区段。空气动力学装置在与叶尖段相邻的转子叶片的外40%、具体地外25%的位置连接到转子叶片。

换句话说，有利的是将具有空气动力学装置的降噪装置放置在转子叶片的外部。这是有利的，因为由转子叶片与空气流相互作用所产生的总噪声中的大部分是在转子叶片的外部产生。与转子叶片的内部相比，在转子叶片的外部存在高风速。因此，总噪声中的相当大的部分是由经过在转子叶片的此区域中的后缘的高速气流所产生。

在另一个优选实施例中，空气动力学装置位于空气流的边界层内。

这具有使可由空气动力学装置所造成的阻力最小化的优点。由发明人所完成的测量和研究已证明：如果转子叶片在标准运行工况下在风力机中运转，那么完全浸没于边界层中的空气动力学装置几乎不造成额外的阻力。

在另一个优选实施例中，空气动力学装置与后缘段成为一体并且直接地附接到转子叶片的表面。

此实施例的一个优点是不必将额外的部件或零件导入和加入到转子叶片的设计中。如果空气动力学装置已包括在转子叶片自身的制造过程中，那么此实施例是特别有利的。

空气动力学装置与转子叶片表面的连接可利用粘合剂（例如胶粘剂）或者利用机械方法而完成。粘合剂具有可以是例如纤维增强复合材料的转子叶片的结构不受到显著破坏的优点。

在另一个优选实施例中，降噪装置包括空气动力学装置附接到其上的板。该板被安装在转子叶片的后缘段上。

如果完全制造和完成的转子叶片中装备有降噪装置，那么此实施例是特别有利的。在将转子叶片装配到风力机的轮毂之前，会是这样的情况。如果用降噪装置对现有的转子叶片进行改造，那么这也是有利的。空气动力学装置可单独地附接到板，并且随后将具有所附接降噪装置的板与转子叶片的后缘段连接。

此过程的一个优点是，与将每个单独的空气动力学装置连接到转子叶片相比，板可更容易附接到转子叶片。与各空气动力学装置与转子叶片的单独连接相比，这也会更快地实现。

在另一个优选实施例中，降噪装置位于另一个降噪装置的上游位置。该另一个降噪装置针对由该降噪装置所产生的子涡旋进行了优化。因此，由空气流与转子叶片相互作用所产生的噪声被进一步减小。

本发明降噪装置的另一个优点是它可以很好地与其它的现有降噪装置相结合。换句话说，所产生的在空气动力学装置的下游传播或发展的子涡旋可由另一个降噪装置作进一步控制。在这种情况下，有利的是使该另一个降噪装置适应于或使其优化至例如子涡旋的旋转方向及尺寸和速度的构型。

这种另一个降噪装置的一个例子是襟翼，例如锯齿形襟翼。这种锯齿形襟翼也被称为锯齿板或者Dino尾翼。

如果将该降噪装置与安装在后缘段上的襟翼结合，那么空气动力学装置有利地位于襟翼的上游段。这是有利的，因为然后襟翼的降噪可能性可以充分地获益，空气动力学装置将边界层的初始的大涡旋分开，然后由襟翼的降噪特征作进一步控制。

在另一个优选实施例中，如果后缘以大体上平行于转子叶片的叶展方向的方式而延伸，那么空气动力学装置位于后缘的上游最多20厘米距离处。在转子叶片包括锯齿形襟翼并因此后缘包括锯齿形襟翼锯齿状突起的情况下，空气动力学装置优选地位于锯齿状突起的尖端的上游最多50厘米距离处。

在另一个优选实施例中，空气动力学装置的高度比空气动力学装置的相对厚度至少大三倍，具体地至少大五倍。

正如本领域技术人员众所周知的，可以将翼展和翼弦赋值于翼型形状的转子叶片。翼展也被称为转子叶片的纵向轴线。它从转子叶片的叶根段延伸至转子叶片的叶尖段。转子叶片的弦线在翼展的垂直方向上延伸。弦线是从转子叶片的前缘到后缘的直线。

空气动力学装置的高度可以是例如1厘米。因为边界层和后缘段的厚度为数厘米，所以空气动力学装置被完全地浸没于边界层中。空气动力学装置可具有从数毫米直到数厘米弦向尺寸的。然而，空气动力学装置的最大相对厚度有利地仅为例如1毫米的十分之几。有利的是使空气动力学装置的最大相对厚度最小化，从而使边界层中的空气流的阻力最小化。

在另一个优选实施例中，在平行于转子叶片的弦平面的平面中的空气动力学装置的截面包括翼型形状。

转子叶片的弦平面是指在转子叶片的特定的径向位置由翼展和弦线所跨越的平面。这意味着在转子叶片的各径向位置，弦平面会是不同的。然而，实际上弦平面可沿翼展略微地变化。该空气动力学装置在空气动力学装置的俯视图中包括翼型形状的截面的事实应被理解成：前缘、后缘及甚至压力侧和吸力侧可以归属于该空气动力学装置。有人提出对空气动力学装置的截面的此形状进行最优化控制并且使边界层的涡旋破碎。与此同时，空气动力学装置的影响（例如空气动力学装置的阻力）被最小化。

在另一个优选实施例中，降噪装置包括被布置成沿后缘彼此紧靠的多个空气动力学装置。翼型形状空气动力学装置的弦线是大体上彼此平行的。

换句话说，各空气动力学装置彼此对齐地排成一行，具有相同的取向。此实施例的一个优点是易于制造。

在另一个优选实施例中，降噪装置包括至少一对的空气动力学装置，即，第一空气动力学装置和第二空气动力学装置。第一空气动力学装置的弦线与第二空气动力学装置的弦线形成在5度和90度之间、具体地在10度和60度之间范围内的角度。

在此实施例中，各空气动力学装置的弦线并非彼此平行，但至少一对的空气动力学装置显示各自弦线与彼此成角度。这对空气动力学装置的取向类似于已知可防止空气流在转子叶片处失速的一对涡旋发生器，其是一个有利替代。这种构造的优点是所产生子涡旋的可能的有序排列。由于具有两个空气动力学装置相对于彼此的该倾斜，因而可以获得具有大体上平行于转子叶片的此区域中的空气流的旋转轴线的涡旋。这具有进一步降低随后在转子叶片后缘处所产生的噪声的可能性。

在又一个优选实施例中，使空气动力学装置发生扭转使得在靠近转子叶片表面的空气动力学装置底部的弦线与在空气动力学装置顶部的的弦线形成在5度和60度之间、具体地在10度和45度之间范围内的角度。

换句话说且作为一个例子，在空气动力学装置的底部，两个相邻的空气动力学装置的弦线可以是平行的。由于空气动力学装置的增加的高度，弦线的取向改变构型，使得在两个相邻空气动力学装置的顶部的弦线形成在5度和60度之间的角度。因此，可实现这两个空气动力学装置的倾斜，这可具有额外的降噪的可能性，如上所述。

在另一个优选实施例中，在平行于转子叶片的弦平面的平面中的空气动力学装置的截面是大体上呈圆形。

此类型的空气动力学装置也被称为钉子。该空气动力学装置可取向在相对于空气动力学装置所附接的转子叶片表面的大体垂直方向上。这种空气动力学装置具有优点易于制造的优点。

在再一个优选实施例中，降噪装置包括被布置成沿后缘彼此紧靠的多个空气动力学装置，并且各空气动力学装置的形状和/或取向关于它们在转子叶片的叶展位置是不同的。

利用各空气动力学装置在转子叶片叶展方向上的变化，可以实现局部范围的降噪。叶展变化的另一个效果是例如靠近转子叶片叶尖的位置会需要与被放置在转子叶片更内侧的另一个空气动力学装置所不同的尺寸。

在另一个优选实施例中，可将各空气动力学装置的间距和分布选为规则图案（例如具有一致的间距），或者可将它们选为在弦向和/或叶展方向上无规则地分布。同样地，关于各空气动力学装置的高度，可选择一致的高度或无规则的分布。

在另一个优选实施例中，在将空气动力学装置安装在转子叶片表面上的位置，空气动力学装置大体上垂直于转子叶片的表面。

换句话说，空气动力学装置部不朝向在后缘处的转子叶片表面倾斜，即不偏斜。

在又一个实施例中，在横穿各空气动力学装置且垂直于转子叶片弦平面的截面中，被各空气动力学装置所覆盖的面积是在2%和50%之间。

下面，给出了空气动力学装置的优选尺寸：

优选地，空气动力学装置的高度，即其叶展方向延伸，是在1毫米和4厘米之间的范围内。

优选地，空气动力学装置的长度，即其弦向延伸，是在0.5毫米和4厘米之间的范围内。

优选地，空气动力学装置的宽度，即其最大相对厚度，是在0.5毫米和1厘米之间的范围内。

所提及的尺寸已被证明最适合于大范围的典型的常规转子叶片。

附图说明

现在仅通过举例并参照附图对本发明的实施例进行描述，在附图中：

图1示出了风力机；

图2示出了风力机的转子叶片；

图3示出了装备有降噪装置的第一实施例的锯齿形襟翼的透视图；

图4示出了图3的降噪装置的第一实施例的俯视图；

图5示出了被安装在一个单独板上的降噪装置的第一实施例；

图6示出了降噪装置的第二实施例的透视图；

图7示出了降噪装置的第三实施例的透视图；

图8示出了降噪装置第四实施例的透视图。

在附图中的图解说明是示意性的。注意到在不同的附图中，可给相似或相同的元件提供相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中示出了风力机10。该风力机10包括机舱12和塔架11。机舱12被安装在塔架11的顶部。借助于偏航轴承，机舱12被安装成可相对于塔架11旋转。机舱12相对于塔架11的旋转轴线被称为偏航轴线。

风力机10还包括具有三个转子叶片20（其中两个转子叶片20示于图1中）的轮毂13。借助于主轴承，轮毂13被安装成可相对于机舱12旋转。轮毂13被安装成可围绕转子的旋转轴线14而旋转。

风力机10还包括将轮毂13与发电机15的转子连接的主轴。轮毂13直接地连接到转子，因此风力机10被称为无齿轮直驱风力机。作为替代，轮毂13也可经由齿轮箱连接到转子。此类型的风力机被称为齿轮传动风力机。

发电机15被容纳在机舱12的内部。发电机15包括转子和定子。发电机15被布置成且制备成将来自转子的旋转能转换成电能。

图2示出了风力机的转子叶片20。该转子叶片20包括：具有叶根211的叶根段21、和具有叶尖221的叶尖段22。叶根211与叶尖221实质上经由翼展26连接，该翼展26是遵循转子叶片20的形状。如果转子叶片是矩形形状的物体，翼展26将会是直线。然而，因为转子叶片20是以变化的厚度为特征，所以翼展26也略微地形成曲线或弯曲。应注意，如果转子叶片20自身发生弯曲，那么翼展26也将会弯曲。

转子叶片20还包括具有前缘241的前缘段24、和具有后缘231的后缘段23。

后缘段23围绕后缘231。同样地，前缘段24围绕前缘241。

在各叶展方向位置，可以限定将前缘241与后缘231连接的弦线27。应注意，弦线27垂直于翼展26。肩部28被定义在弦线具有最大翼弦长度的区域中。

此外，转子叶片20可以被划分为包括与叶根段21相邻的转子叶片20的一半的内侧部、和包括与叶尖段22相邻的转子叶片20的一半的外侧部。

图3示出了降噪装置30的第一实施例的透视图。该降噪装置30包括多个空气动力学装置31。这些空气动力学装置31在尺寸和取向上是相同的。换句话说，它们是一致的并且它们被放置使得两个相邻的空气动力学装置31是一致的且具有相同的间距。空气动力学装置31被安装在襟翼34上。该襟翼34包括在襟翼34的下游段锯齿状的突起343。图3中示出了正在从转子叶片前缘段流向后缘段的空气流32。

因此，上游段和下游段可以归属于且被分配给襟翼34。应注意，该襟翼包括连接段342，利用该连接段342将襟翼34布置成被安装到风力机的转子叶片。具体地，连接段342被指定安装到转子叶片的压力侧。最后，应注意，与锯齿状突起343的尺寸相比，空气动力学装置31的尺寸较小。

图4示出了图3中所示降噪装置30的第一实施例，这次是在俯视图中示出。此外，可以看到连接段342、锯齿状突起343和多个空气动力学装置31。也示出了襟翼34的上游段341。在图4中上游段341不是在襟翼34的左边缘，因为其中安装襟翼34的原始转子叶片的后缘将紧密地局限于襟翼34的上游段341。换句话说，连接段342将例如利用粘合剂被连接在转子叶片的压力侧。

关于空气动力学装置31，示出了空气动力学装置31的弦线314和弦向尺寸312、以及最大相对厚度311。可以看到，弦向尺寸312显著地大于最大相对厚度311。因此，阻力被最小化并且边界层的初始涡旋被空气动力学装置31高效率地分开。

图5示出了降噪装置30的第一实施例的一组空气动力学装置31的另一个透视图。在这种情况下，空气动力学装置31附接到单独的板33。此板33也被称为基板。具有预先装配和安装的空气动力学装置31的此板33可以容易地连接到现有的转子叶片。特别有利的是对现有转子叶片进行改造。通过在被装配且安装的转子叶片处使用有降噪装置30的此板33对现有转子叶片进行升级和改造也是可能的。换句话说，由于利用板33将降噪装置30与转子叶片连接的容易性，因而不必拆卸轮毂的转子叶片。

图6示出了降噪装置的第二实施例的透视图。更具体地，图中示出了一对空气动力学装置。图中示出了第一空气动力学装置41和第二空气动力学装置42。这两个空气动力学装置41、42的构造是相似的。然而，将空气动力学装置41、42安装在板33上的取向是不同的。具体地，第一空气动力学装置41的弦线411与第二空气动力学装置42的弦线421形成角度43。在图6中所示的实例中，此角度43为大约30度。通过比较，如果这两个空气动力学装置41、42大体上彼此平行，那么角度43将会明显地较小，或者将会甚至根本不存在。

在图6中，也可以看到第一空气动力学装置41的高度313与第一空气动力学装置41的最大相对厚度311的比率大于3。这是有利的，因为它优化了空气动力学装置对边界层涡旋的影响，同时不给转子叶片增加显著的阻力。

图7示出了一个略微不同的实施例，即，降噪装置的第三实施例的透视图。图中示出了相对于它们的垂直构造被扭转的一对空气动力学装置。在空气动力学装置的底部，各空气动力学装置的弦线大体上平行。然而，由于各空气动力学装置的扭转，在各空气动力学装置顶端的弦线形成一个角度。

具体地，底部弦线51与顶部弦线52形成角度53。应注意，顶部弦线52向底部弦线的平面（即底部弦线51的弦平面）的投影正好形成角度53。此外，如果没有扭转，那么底部弦线51与顶部弦线52将会形成角度53，该角度53是可忽略的或者甚至根本不存在。

最后，图8示出了降噪装置30的第四实施例的透视图。该降噪装置30包括多个空气动力学装置31，这些空气动力学装置31被安装在襟翼34上，具体地表现为齿状突起343的锯齿形襟翼。此外，襟翼34包括被指定用于将襟翼34与转子叶片的压力侧连接的连接段342。

空气动力学装置31具有钉子的形状。可以说，在俯视图中空气动力学装置31的截面将会具有圆形形状。在图8中，空气动力学装置31沿后缘均匀地分布。在另一个可选方法中，也有利的是将各空气动力学装置（即钉状的空气动力学装置）以不同的方式分布。例如，可存在各空气动力学装置在弦向的无规则分布和/或在叶展方向的无规则取向的分布。