具有锯齿的转子叶片的制作方法

本发明涉及一种用于风力涡轮机的转子叶片，所述转子叶片构造成使得与常规转子叶片相比减少了所述转子叶片后缘部分中的噪声的产生。本发明此外涉及一种包括至少一个这样的转子叶片的风力涡轮机。

背景技术：

在转子叶片围绕风力涡轮机的转子的旋转轴线旋转期间，一般在转子叶片的后缘部分处产生噪声。噪声的主要来源尤其是边界层中的湍流结构与后缘的相互作用。文献表明，如果平均流向和后缘之间的角度为大约90度，则发出的噪声最多。此外，经过后缘将来自转子叶片的吸入侧和压力侧的流量混合（这也称为流量恢复），可能导致湍流，所述湍流也可能不利地影响由风力涡轮机产生的噪声。

特别是在将风力涡轮机在陆上安装在居民区附近的情况下，该噪声可能是个问题。在该情况下，表明最大可允许噪声的阈值是普遍适用的，所述噪声由风力涡轮机产生。

因此，如何降低在转子叶片的后缘部分处产生的噪声的构思是高度有利的。

在现有技术中，存在不同的关于风力涡轮机的转子叶片的降噪的构思。一种方法是在转子叶片的后缘部分处设置锯齿，例如锯齿状的板。由于所述锯齿，修改了气流方向和后缘之间的角度。该改进方案可以显著地降低在后缘处所产生的噪声。

另一种转子叶片的降噪方法是在后缘部分处设置刚毛，例如刷或梳。在专利申请us2007/0077150a1中已公开了在后缘处包括梳状结构的风力涡轮机转子叶片的示例。在其中，设置具有多个柔性刚毛的转子叶片以降低由于边界层中的湍流结构与后缘相互作用而产生的噪声以及归因于由压力恢复产生的湍流的噪声，其中所述刚毛排列成行并且突出于转子叶片后缘之上。

然而，可以通过应用所提及的构思中的一个而实现的降噪可能是不足的并且不能令人满意的。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于，提供用于风力涡轮机的转子叶片，所述转子叶片具有提高了的降噪潜力。

该目的通过独立权利要求的主题实现。在从属权利要求中公开了有利的实施方式和改进方案。

根据本发明的一个方面，设置用于风力涡轮机的转子叶片，其中所述转子叶片沿着转子叶片的后缘部分的至少一部分包括锯齿。所述锯齿包括第一齿以及至少第二齿，其中所述第一齿与第二齿间隔开。此外，所述第一齿和所述第二齿之间的区域至少部分地填充有多孔材料，使得减少了转子叶片后缘部分中的噪音的产生。

本发明的关键方面是通过在所述锯齿的两个相邻齿之间设置多孔材料降低来自相邻齿之间的压力侧和吸入侧的合并气流所产生的噪音。换言之，虽然在具有常规锯齿的转子叶片中，喷射穿过所述齿的气流、即穿过两个相邻齿之间的间隙或裂缝的气流会由于来自转子叶片压力侧和吸入侧的压力恢复而产生噪声，但相邻齿之间的多孔材料允许了在穿过所述后缘的流动方向上的压力梯度更慢地相等。因此，可以实现声发射的量级的降低。

本构造的第二方面和进一步的优点是，多孔材料的与所述锯齿的结构相比一般更精细的结构会导致发出的噪声的频率增加。包括更高频率的噪声具有以下优点：其比频率更低的噪声在环境空气中更迅速地被消减。因此，降低了由地面上的观测者感知到的声压级。

总之，在两个相邻齿之间包括锯齿和多孔材料的创造性的转子叶片具有双重优点，即：由于吸入侧和压力侧之间的压力梯度具有更稳定的环境以相等，因此噪声的强度被降低；并且所产生的噪声由于多孔材料的与锯齿的结构相比更精细的结构而具有一般更高的频率。总的来说，由此可以实现显著的降噪。

风力涡轮机被称为将风的动能转换为风力涡轮机的转子的旋转运动、即旋转动能的设备。该旋转动能注定用于产生电力。

所述第一齿与第二齿间隔开，这必须在所述第一齿的尖端通过间隙与第二齿的尖端分开的情况下理解。在一个替代方案中，两个齿的基部也以预先确定的距离分开。在另一替代方案中，所述第一齿和所述第二齿在其基部相互紧邻并且仅在其尖端相互分开。

所述第一齿和所述第二齿之间的区域可以部分地以多孔材料填充或者甚至完全以多孔材料填充。

在该专利申请的上下文中，多孔材料理解为包括不同于0%并且也不同于100%的开放面积分数的材料。所述开放面积分数定义为开放空气的面积与由多孔材料覆盖的全部面积相比的分数。

描述性地来说，任何由固体部分并且由具有开孔的部分构成的材料均为多孔材料，所述多孔材料大体上适于布置在转子叶片的锯齿的相邻齿之间。

有利地，多孔材料的开放面积分数，即多孔材料的孔隙率大于10%并且/或者小于90%。孔隙率的精确优选值取决于压力相等需要有多迅速。要注意，大体上，设置较低的孔隙率允许与多孔材料的较高孔隙率相比较快的相等/恢复。特别地，多孔材料的孔隙率大于20%并且/或者小于80%。

孔隙率优选与多孔材料对压力侧和吸入侧之间的合并气流的期望影响相适应。所提及的对孔隙率较低和较高的限制认为是特别适于高效率的降噪的。

多孔材料例如可以是包括多个线的网状物，所述线以有规律的图案相互连接。

所述网状物可例如由第一组平行的线和第二组平行的线组成并且两组平行的线以预先确定的角度布置。该预先确定的角度可以例如是90°。

具有网状物作为多孔材料的优点是，其是现成的和稳健的。此外，孔隙率可以通过线的厚度以及相邻线的距离调整，所述孔隙率定义为开放空气的面积与由网状物覆盖的全部面积相比的分数。

在另一实施方式中，多孔材料由开孔泡沫制成。泡沫被理解为由固体中的气囊形成的物质。

使用开孔泡沫是有利的，因为开孔泡沫的特征在于相互连接的气囊。因此，来自压力侧的空气可以经过相互连接的气囊的复杂结构（labyrinth）流到吸入侧并且反之亦然。

选择开孔泡沫作为相邻的齿之间的多孔材料的优点是，可以在相对广泛的范围内选择多孔材料的孔隙率并且开孔泡沫材料是现成的。有利地，使用固体网状泡沫。

在本发明的另一方面中，多孔材料包括多个纤维。

更特别地，所述多个纤维也可以描述为多孔材料。这种描述纤维的方式基于将“多孔材料”的概念理解为是由固体部分并且由具有开孔的部分构成的材料。换言之，如果两个相邻的齿之间的区域填充有固体纤维并且这些纤维占据了该区域的百分之三十，则该区域可以描述为填充有具有百分之三十的孔隙率的多孔材料。

纤维一般理解为具有显著超过其厚度的长度。纤维也称为刚毛或刷。所述多个纤维可能导致梳状结构。

在本发明的实施方式中，转子叶片具有至少二十米、特别是至少三十米的长度。

在本发明的另一实施方式中，所述第一齿的弦向延伸少于五米、特别是少于三米。

在本发明的另一实施方式中，所述转子叶片沿着转子叶片的后缘部分的至少一部分包括锯齿，其中后缘部分的所述部分的跨度方向延伸超过五十厘米、特别是超过一米。

在另一有利的实施方式中，所述纤维基本上相互平行地布置。特别地，所述基本上平行的纤维布置在转子叶片的基本上弦向的方向上。所述弦向方向定义为转子叶片的弦线的方向。所述弦线垂直于所述转子叶片的跨度并且将转子叶片的前缘与转子叶片的后缘连接。穿过吸入侧或压力侧的气流通常也在基本上弦向的方向上流动。

特别地，所述纤维可以在朝向转子叶片的后缘的方向上逐渐变细。

要注意，在该专利申请的上下文中，转子叶片的后缘定义为转子叶片的部分，所述部分关于流经吸入侧和压力侧的气流位于最远的下游。所述后缘是后缘部分的一部分。

不具有锯齿的转子叶片的后缘或类似物通常具有直线形状。在存在锯齿的情况下，所述锯齿的轮廓代表转子叶片的后缘。在多个纤维填充在锯齿之间的区域中的情况下，就转子叶片的后缘定义为转子叶片的位于最远的下游的部分的定义而言，所述后缘可以由锯齿的轮廓的一部分以及所述纤维的外缘两者形成。

有利地，多孔材料由塑料制成。替代地，任何其他的材料，例如金属或织物，也可以用于制造多孔材料，特别是纤维。

塑料具有以下优点：其相对便宜、是现成的、无害的并且稳健的。特别地，后面一点比较重要，因为转子叶片注定要在恶劣条件下运转多年。由于纤维的维修和更换较为复杂和昂贵，因此优选所提到的这样寿命较长的材料。

在另一有利实施方式中，所述多个纤维包括布置在转子叶片的弦平面内的第一部以及布置在转子叶片的弦平面外的第二部。

所述弦平面定义为由转子叶片的所述多个弦线限定的平面。在未扭曲转子叶片的情况下，所述弦平面是平坦的平面。在扭曲转子叶片的情况下，所述弦线可能相互间如此布置，使得其相互不平行但是使得其包括朝向彼此的不同角度。在这种情况下，所述弦平面具有曲面的形状。

特别地，所有锯齿可以布置在同一个平面内，优选转子叶片的弦平面。然后，在第一选项中，所述多个纤维也可以布置在弦平面内。这具有容易制造的优点。

替代地，第二部中的多个纤维也可以在弦平面外。这具有以下优点：可以进一步改善具有纤维的锯齿的降噪能力。特别地，所述第二部可以与转子叶片的后缘邻接，也就是在下游。要注意，所述纤维在所述多个纤维的第二部中永久性地弯曲到弦平面之外。此外，它们可以在转子叶片的后缘部分的一定的、特别是较重的载荷下进一步弯曲或偏离到弦平面之外。该情况也称为柔性的并且被动弯曲的后缘部分。

在本发明的实施方式中，所述纤维在该实施方式中可以构造为坚硬的或刚性的。

一般地并且并不限于上述具体实施方式，所述纤维有利地构造为坚硬的。这意味着在风力涡轮机的通常操作条件下，也就是说风速小于二十米每秒时，基本上纤维不会发生弯曲。

在本发明的另一实施方式中，纤维可以一定的柔性为特征，使得纤维甚至可以在低于所提到的二十米每秒的风速时发生一定的弯曲。

转子叶片的后缘定义为转子叶片的线条或边缘，所述线条或边缘关于流经转子叶片的气流位于最下游。所述多个纤维可以完全地填充第一齿和第二齿之间的区域。因此，所述后缘可以描述为基本上直的线条。

替代地，布置所述多个纤维使得其填充邻近所述齿的尖端的整个区域但是使得其并不完全填充两个相邻的齿中间的该区域的部分，这可能是有利的。这导致了后缘朝着两个相邻的齿之间的转子叶片的前缘转移。

所述第一齿和/或所述第二齿可以具有三角形的形状，正如到锯齿上的俯视视图中可见的那样。特别地，所述三角形的形状可以描述为具有一个尖端以及一个基部，其中尖端指向所述后缘，即其甚至可能是后缘的一部分，并且所述齿的基部指向转子叶片的前缘。所述齿的该形状以及定向已经证明对于降低载荷、降噪并且增加转子叶片的上升是特别有利的。可以替代地对本发明的旨在降低用于风力涡轮机的转子叶片的后缘部分中的噪声产生的创造性构思做如下描述：

如在从转子叶片的前缘朝向后缘的弦向方向中所见，所述后缘部分以基线起始，所述基线基本上垂直于弦向方向延伸。继续进一步地朝着后缘，所述后缘部分包括第一区域。所述第一区域的特征在于基本上为固体的材料。所述第一区域在一侧由基线限制并且在另一侧由第一分界线限制。继续进一步地朝着后缘，所述后缘部分进一步包括第二区域。所述第二区域的特征在于基本上多孔的材料。所述第二区域在一侧由第一分界线限制并且在另一侧由第二分界线限制。所述第二分界线与转子叶片的后缘重合。

所述第一和第二分界线大体上可以具有任何形状：它们可以是周期性的或非周期性的，直的或弯曲的，其导数在跨度方向上可以是连续的或间断的等等。在附图和附随的描述中公开了一些可能的设计选择。根据本发明的该方面的唯一要求是，不将所述第一分界线朝向后缘比第二分界线布置得更远。换言之，情况可能是特征在于固体材料的第一区域延伸直到一定的跨度方向区域中的后缘，但是情况不可能是特征在于多孔材料的第二区域如同从由前缘到后缘的弦向方向上可见的那样在基线和第一区域之间。描述性地来说，布置所述第一和第二区域，使得空气首先流经第一、固体的区域并且随后流经第二区域、多孔的区域并且反之不成立。

本发明进一步针对的是如上所述的包括至少一个转子叶片的风力涡轮机。

附图说明

现在，仅通过示例参考附图对本发明的实施方式进行说明，其中：

图1示出了风力涡轮机；

图2示出了创造性的用于风力涡轮机的转子叶片；

图3示出了相邻的齿之间的具有多孔材料的锯齿状的板；

图4示出了第一实施方式中具有多个纤维的锯齿；

图5示出了第二实施方式中具有多个纤维的锯齿；

图6示出了第三实施方式中具有多个纤维的锯齿；

图7示出了第四实施方式中具有多个纤维的锯齿；

图8示出了第五实施方式中具有多个纤维的锯齿；

图9示出了一侧具有翅片以及多个纤维的锯齿；

图10示出了两侧均具有翅片以及多个纤维的锯齿；

图11示出了具有脊以及多个纤维的锯齿；以及

图12至22示出了如何在转子叶片的后缘部分处布置多孔材料的区域的不同变型。

具体实施方式

附图中的例示为示意性形式。需要注意的是，在不同附图中，相似或相同的元件可以设置有相同的附图标记。

在图1中，示出了风力涡轮机10。所述风力涡轮机10包括机舱12以及塔11。所述机舱12安装在所述塔11的顶端处。借助于偏航轴承，机舱12关于塔11可旋转地安装。所述机舱12关于塔11的旋转轴线称为偏航轴线。

风力涡轮机10也包括毂13，所述毂具有三个转子叶片20（其中的两个转子叶片20在图1中示出）。

借助于主轴承，毂13关于机舱12可旋转地安装。所述毂13围绕转子旋转轴线14可旋转地安装。

风力涡轮机10此外包括主轴，所述主轴将毂13连接到发电机15的转子。将毂13直接连接到发电机15的转子，因此风力涡轮机10称为无传动装置的、直接驱动的风力涡轮机。作为替代方案，所述毂13经由齿轮箱也可以连接到发电机15的转子。该类型的风力涡轮机称为齿轮传动式风力涡轮机。

发电机15容纳在机舱12内。其包括所述转子以及定子。所述发电机15布置并且准备用于将来自于转子中的旋转能量转换为电能。

图2示出了风力涡轮机的转子叶片20。所述转子叶片20包括根部部分21以及尖端部分22，所述根部部分具有根部211，所述尖端部分具有尖端221。根部211以及尖端221实质上通过跨度26连接，所述跨度遵循转子叶片20的形状。如果转子叶片是矩形物体，则跨度26为直线。然而，由于转子叶片20的特征是变化的厚度，因此跨度26轻微呈曲形，即也是弯曲的。要注意，如果转子叶片20自身弯曲，则跨度26也是弯曲的。

转子叶片20此外具有前缘部分24以及后缘部分23，所述前缘部分具有前缘241，所述后缘部分具有后缘231.

所述后缘部分23包围后缘231。同样地，前缘部分24包围前缘241。

可以将弦线27限定在各个跨度方向的位置处，所述弦线将前缘241与后缘231连接。要注意，弦线27垂直于跨度26。肩部28限定在所述弦线包括最大弦长的区域中。

图2此外公开了锯齿30，所述锯齿位于转子叶片20的外侧部分中。更特别地，锯齿30位于转子叶片20的后缘部分23中。锯齿30包括多个相邻的齿。所述齿的弦向延伸朝着转子叶片20的尖端221减小。要注意，多个纤维完全填充了锯齿30的相邻的齿之间的区域（以有阴影线的区域表示）。由纤维的最外面的部分以及锯齿30的尖端表示附接有锯齿30的转子叶片的外侧部分中的后缘231.

图3示出了锯齿状的板41，所述板布置并且准备用于附着到用于风力涡轮机的转子叶片。锯齿状的板41在其锯齿之间包括多孔材料。示例性地，锯齿状的板41由塑料制成并且已通过注塑成型生产。锯齿状的板41包括附接部43，所述附接部布置并且准备用于将锯齿状的板41附接到转子叶片的其余部分。锯齿状的板41此外包括具有锯齿30的部分。锯齿包括多个齿。特别地，图3中示出了第一齿31，第二齿32，第三齿33以及第四齿34。图3中示出的所有齿31至34基本上具有相同形状，即如俯视图中所见的三角形形状。所述三角形包括圆形的尖端。替代地，三角形的齿也可以包括锋利的尖端。在第一齿31和第二齿32之间的区域35中放置网状物。所述网状物作为多孔材料用于以有利的、降噪的方式修改从压力侧至吸入侧的压力梯度恢复。此外，所述网状物设计用于将所产生的噪声的频率移到更高值。网状物由多个第一线制成，所述多个第一线基本上相互平行并且所述多个第一线与多个第二线交叉，所述多个第二线本身也基本上相互平行。由此获得了有规律的并且可再生的多孔材料。网状物填满了第一齿31和第二齿32之间的整个区域35。其也覆盖了锯齿30的另外的齿32,33,34之间的区域。

要注意，转子叶片也可以包括多个锯齿状的板41，所述锯齿状的板具有一个在跨度方向上相邻排列的板。相邻的板在其侧面处可以有利地重叠，以降低哨音，所述哨音在其他方面可能产生于两个相邻的板相接的边界处。

图4示出了另一锯齿状的板41。在该实施方式中，多孔材料通过一组纤维42实现。这些纤维42定向在转子叶片的基本上弦向的方向上，所述纤维也可以描述为刚毛或针。要理解的是，锯齿状的板42布置并且准备用于附接到转子叶片的其余部分，使得在将锯齿状的板41附接到其余的转子叶片之后将纤维42定位在弦向方向上。要注意，第一齿31和第二齿32之间的纤维42全部终止在大约相同的弦向位置处。由此获得了直的后缘231.

与其相反，第二齿32和第三齿33之间的以及第三齿33和第四齿34之间的纤维长度是变化的。这导致了一旦锯齿状的板41已附接到其余的转子叶片，后缘231缩回，也就是说向前缘转移。纤维42的此形状具有以下优点：在多孔材料的设计中给予了更多柔性并且关于降噪给予了进一步的改进潜力。在图4的实施方式中，仅实现了纤维42的长度的改变。这意味着仍然是全部纤维42布置在转子叶片的弦平面内。

图5示出了本发明的实施方式，其中纤维42在第一部36中的弦平面内，然而所述纤维在第二部37中的弦平面之外。由此，获得了如剖面图中所见的多孔材料的波状的或波浪状的形状。该设计也具有进一步改进降噪的潜力。要注意，图5示出了纤维42永久性地偏转处第二部37中的弦平面而并非纤维42在极限载荷下弯曲。此外可能发生由于纤维42的载荷引起的纤维42定向的改变。

可能有利的是，纤维42朝着后缘231逐渐变细。就结构考虑的方面来说，这可能是有利的。

对于纤维的长度变化，正弦波形可以是特别有利的。

相邻齿之间的纤维的示例性尺寸可以是2毫米的直径以及1至10厘米之间的长度。

图6至12公开了可以如何具体地构造和布置锯齿以及多个纤维的示例性实施方式。

图6示出了第一齿31以及第二齿32，所述第一齿以及第二齿分开并且由区域35间隔开。在该区域35中，布置多个纤维42。纤维42基本上相互平行地定向。此外，纤维42在该径向位置处、也就是在该跨度方向的位置处基本上平行于转子叶片的弦向方向定向。

与以更简要的方式示出齿31,32,33,34之间的纤维42布置的图4和5相比，图6寻求以更详细的方式示出纤维42的示例性构造和布置。例如，纤维42描绘为三维物体，示出了纤维42实际上可以有利地具有确定的厚度以提供所期望的刚度。作为结果，纤维42在风力涡轮机的标准操作情况期间基本不会弯曲，锯齿31,32也不会。

图7示出了本发明的替代的实施方式。与图6中示出的实施方式相比较，该实施方式的唯一区别是纤维42的弦向长度。虽然在图6的实施方式中，选择纤维的长度，使得结果是转子叶片的直的后缘，而在图7的实施方式中，相邻的齿31,32之间的区域35的中心部中的纤维选择为具有比较短的长度。

图8示出了如何构造并且布置纤维42的另一个变型。如同图6的实施方式中，选择纤维42的长度，使得结果是转子叶片的直的后缘231。不同的是，纤维42的厚度朝着纤维42的各个尖端降低。换言之，纤维42朝着尖端逐渐变细。可选地，锯齿的齿31,32也可以降低的厚度为特征。

图9至12示出了如何可以将具有纤维的锯齿状的板与其他空气动力的设备结合的各个示例。

图9示出了锯齿状的板41的齿31,32上游的翅片44的布置。所述翅片44可视为另一种操纵穿过转子叶片的气流的装置，使得最终降低了在转子叶片的后缘部分中产生的噪声。翅片44可以布置在锯齿状的板41的一侧上，即在吸入侧处。

翅片44也可以替代地布置在锯齿状的板的两侧上，即在压力侧和吸入侧处。图10中示出了此实施方式。布置在转子叶片的吸入侧处的翅片称为吸入侧翅片441，布置在转子叶片的压力侧处的翅片称为压力侧翅片442.

图11示出了具有脊45的锯齿状的板41的实施方式。所述脊45具有引导气流并且/或者打断所述气流跨度方向的连贯性的目的。

所述脊可以布置在转子叶片的压力侧处（如在图11中示出的示例）、转子叶片的吸入侧处或在这两侧上。所述脊45可以布置在锯齿的上游并且可以延伸纤维42。

图12至22示出了如何在转子叶片的后缘部分23处布置多孔材料的区域的不同变型。

如在从转子叶片的前缘朝着后缘的弦向方向271上所见，所述后缘部分23以基线f0起始，所述基线基本上垂直于弦向方向271延伸。继续进一步地朝着后缘231，所述后缘部分23包括第一区域52。所述第一区域52的特征在于基本上为固体的材料。所述第一区域52在一侧由基线f0限制并且在另一侧由第一分界线f1限制。继续进一步地朝着后缘231，所述后缘部分23进一步包括第二区域53。所述第二区域53的特征在于基本上多孔的材料。所述第二区域53在一侧由第一分界线f1限制并且在另一侧由第二分界线f2限制。所述第二分界线f2与转子叶片的后缘231重合。

所述第一和第二分界线f1，f2可以大体上具有任何形状：它们可以是周期性的或非周期性的，直的或弯曲的，其导数可以是连续的或间断的（在跨度方向272上）,等等。图12至22中公开了一些可能的设计选择。

在图12中，所述第一分界线f1是锯齿状的并且所述第二分界线f2是直的。

在图13中，第一分界线f1和第二分界线f2均为锯齿状的。两个分界线f1，f2具有相同的周期性。

图14的实施方式与图13的实施方式相似，但是所述第二分界线f2的锯齿指离基线f0而非朝向基线f0。

图15的实施方式也与图13的实施方式相似，但是第二分界线f2的锯齿是平滑的——它们实际上更类似于包括波浪形而非锯齿。

在图16中，第一分界线f1和第二分界线f2均包括波浪形。分界线f1，f2均具有相同的周期性。

在图17中，第一分界线f1是锯齿状的并且第二分界线选择成使得仅仅第一区域52的相邻的齿之间区域的一部分填充有多孔材料、即填充有第二区域53。

在图18中，第一分界线f1和第二分界线f2均类似于脉冲波形。分界线f1，f2均具有相同的周期性。

在图19中，第一分界线f1和第二分界线f2均包括波浪形，特别是正弦波形。所述第一分界线f1的周期性区别于所述第二分界线f2的周期性。

在图20中，第一分界线f1和第二分界线f2均具有随机形状，导致了混乱的图案。

图21的实施方式类似于图19，但是两个分界线f1，f2均具有相同周期性而非不同周期性。

最后，在图22中，第一分界线f1和第二分界线f2均是直的。