专利名称：风力涡轮机叶片的主动阻尼的制作方法
技术领域：
在此所描述的主题一般地涉及带有振动阻尼特征的流体反作用 表面，并且更具体地，涉及用于风力涡轮机叶片噪声的主动阻尼和/ 或阻力减小。
背景技术：
风力涡轮机是一种用于把风中的动能转变成机械能的机器。如果 直接通过机器装置使用该机械能，比如抽吸水或者碾磨小麦，那么该 风力涡轮机可以被称为风车。相似地，如果把该机械能进一步转变成 电能，那么该涡轮机还可以被称为风力发电机或风电场。
风力涡轮机使用呈"叶片"形式的一个或多个翼型件(airfoil)来/人 移动的空气产生升力并捕获动量，升力和动量随后^皮施加到转子上。 典型地各叶片在它的"根"端处被紧固，然后径向地"向外侧""延 伸"到自由的"末梢"端。叶片的前部或"前缘"连接首先接触空气 的叶片的最前点。叶片的后部或"后缘"是已经被前缘分离的气流在 经过叶片的抽吸表面和压力表面后重新会合的地方。"弦线"4黄跨叶 片的典型的气流方向连接叶片的前》彖和后缘。
典型地，根据叶片绕其旋转的竖直轴线或水平轴线来对风力涡轮 机进行分类。在图1中示意性图示了一个所谓的水平轴线风力发电机。 用于风力涡轮机2的这种特定构造包括支撑带有转子8的驱动系6的 塔架4，该转子8由被称为"短舱，，的保护壳覆盖。在短舱外侧把叶 片10布置在转子8的一个端部处，以用于驱动连接到发电机14上的 变速箱12,该发电机14在短舱内位于驱动系6的另一端。
尽管风能是可再生能源中一种增长最快速的来源，但是风力涡轮机的噪声仍然是实施中的主要障碍。对于大型的现代风力涡轮机，空 气动力学噪声被认为是这种噪声问题的主要来源，而尤其是所谓的 "后缘噪声"，其由边界层中的湍流与叶片的后缘的相互作用所引起。 边界层是位于叶片10表面上方的一层非常薄的空气。因为空气 具有黏性，所以这层空气趋向于粘附在叶片10上。当叶片IO移动时， 在前缘附近的边界层区域中的空气最初在叶片10的流线型形状上方 平稳地流动，在其中被称为"层流"。然而，当空气进一步沿着叶片
IO的弦继续流动时，由于与叶片的摩^^，所以緩慢移动的空气的此边
界层的厚度增加。在沿着叶片的弦的某一距离处，以逆流和4t涡为特 征的湍流层可在层流层的上方开始形成。然后，当空气进一步沿着叶
片10的表面移动时，湍流层的厚度将增加，而层流层的厚度将减小。
瞬变流动的始端被称为"瞬变点"，在此处边界层从层流变成湍流， 并且在此处由于表面摩擦所以阻力会变得相当高。当叶片的速度和攻
角增加时，该瞬变点趋向于在叶片10的弦上向前移动，这导致更大
的阻力和更多由噪声引起的湍流。
发明内容
方法的这些方面和其它方面，该风力涡轮机叶片包括传感器和促动 器，传感器布置在叶片后缘的上游，用于测量在叶片表面附近的气流
特性；促动器布置在传感器的下游，用于响应于被测量的气流特性来 调节叶片。在此还公开了风力发电机，包括支撑着带有转子的驱动系 的塔架；从转子径向地延伸的至少一个叶片；布置在叶片后*彖的上游 用来检测在叶片表面附近的气流特性的装置；布置在4全测装置下游用 来响应于^皮;险测的气流特性而促动叶片的一部分的装置；和用来响应 于来自检测装置的信号以调节促动装置的装置。在另 一个实施例中， 在此公开的技术涉及减少来自风力涡轮机叶片的噪声的方法，包括在 叶片后缘的上游在叶片表面附近的位置处检测气流特性；和在检测位置的下游响应于检测的气流特性来促动叶片的 一部分。
现在将参考下列图("图，，)来描述本技术发明的各个方面，这些 图不一定是按比例绘制的，但是在几个视图中的每一个视图中都使用 相同的标号指代对应的部件。
图1是传统的风力涡轮机的示意性侧视图。
图2是风力涡轮机叶片的示意性、局部截面图示。
图3是在图2中所示的风力涡轮;f几叶片的运行图示。
部件列表
2风力涡轮才几
4塔架
6驱动系
8转子
10叶片
12变速箱
14发电机
20叶片
22主体
24后缘帽
26传感器
30促动器
32电池
34信号线
36控制器
40检测到的数据
42控制信号
具体实施例方式
图2和图3是风力涡轮机叶片20的示意性局部截面图，该风力涡 轮机叶片20用于和在图1中所示的风力发电机或者任何其它的风力 涡轮机一起使用。例如，在图2中所图示的叶片20可以替换在图1 中所图示的任何传统的叶片10和/或所有传统的叶片10。在所图示的 示例中，对应于专利申请No. 2007/0025858,涡轮机叶片20包括主体 22和后缘帽24，如在共同未决的序列号为11/193696的美国专利申请 (代理案件目录号167650)中所公开的那样。然而，还可以把下面所讨 论的技术应用在多种其它的构造中，包括但不限于，把该技术直接应 用到叶片20的主体22上，而没有后缘帽24。
在所图示的实例中，叶片20包括用于测量在叶片表面附近的气流 特性的传感器26，该传感器26布置在叶片20的后缘28的上游，与 在叶片的对应表面上方的气流的方向相反。可以测量任何流特性，包 括湍流、速度、方向、流率、温度、边界层高度和/或压力，该压力包 括动压力和/或静压力。例如，传感器26可以构造成流量换能器，比 如图示在叶片20的上侧(抽吸侧)上的压力换能器。备选地，或者另外 地，该传感器26可包括用于在一个或多个空间维度中测量一个或多 个流特性的热线式传感器、五孔探测器或者激光器。传感器26还可 包括另外的功能性，比如调节、供电、切换和/或通信。例如，传感器 26可以构造成流通继电器，比如图示在叶片20的下侧(压力侧)上的压 力开关。
在叶片的对应表面上方的气流方向上，将促动器30布置在传感器 26的下游，以响应于被测量的气流特性来调节叶片20。可4吏用任何 促动器，包括线性的和/或旋转的机械、气压、液压、热力和/或电子 促动器。例如，促动器30可构造成压电换能器，比如在图2和图3 中所图示的压电条，在其中那些压电条被紧固到后缘帽24的内部表 面上。备选地，可以把压电条紧固到后缘帽24的外部表面上、紧固 到后缘帽24的内部表面和外部表面二者上。例如，在用于压电条促动器的一种构造中，可把金属层夹在多个换能层之间，这些换能层布
置在后缘帽24的表面上或者叶片20的其它部分上。备选地，或者另 外地，促动器可构造成等离子发生器。例如，等离子发生器可以构造 成一个或多个电极，电极由一个或多个脉沖信号、脉冲包线和/或高电 压无线电信号驱动。促动器30还可以包括另外的功能性，比如调节、 供电、切换和/或通信。还可以使用集成促动器的连续条。
尽管把传感器26和促动器30图示成布置在叶片20的上部(抽吸) 表面和下部(压力)表面二者上，但是也可以把它们布置在叶片20的相 对表面上、两个表面上和/或仅仅一个表面上。也可以沿着叶片20的 翼展和/或弦来布置多个传感器26和/或促动器30，并且传感器和促动 器可以比在图中所示间隔得更近或者更远，该图不是按比例绘制的。 而且， 一些或所有的传感器26和促动器30可以布置在叶片20的相 对表面上，以独立地操作每一个，或者彼此结合地操作。例如，当两 个流在叶片20的后缘28处相遇时，它们的响应可由控制器36来协 调以获得最佳的结果。
在图2中，把在叶片20的下部(压力)表面上的压力4企测开关26 连接到电池32上，或者连接到其它电源上。当后缘28上游的^皮4企测 压力升高到设定水平之上时，开关26闭合，以^(更给被紧固在后缘帽 24的下部(压力)表面内的压电促动器30提供电压。然后，压电促动器 30改变形状，以调节叶片的下部(压力)表面，如在下面相对于图3所 描述的。
除了这种使用电路的简单的二进制控制算法以外，还可以使用更 复杂的控制方法和/或通信方法来响应于来自传感器26的信号而调节 促动器30。例如，经由信号线34把所图示的在上部(抽吸)表面上的压 力检测换能器26连接到控制器36上，然后，该控制器36驱动压电 促动器30。信号线34可以包括任何信号通信介质，该介质包括双绞 线、气压管道、液压管道、同轴电缆、光纤电缆和/或无线传输介质， 该无线传输介质比如无线电、《效波和/或卫星链路。还可以卩吏用各种通信协议，包括但不限于，串行、并行、TCP/IP、用于过程控制的OLE、 通用接口协议、DeviceNet、以太网、Modbus、 SINEC和/或GE SRTP。
控制器36响应于来自传感器26的信号而调节促动器30。控制器 可以使用任何控制方法，包括但不限于，二进制、比例-积分-微分 (P-I-D)、反馈、前馈、离散批量、连续、开环、闭环、逻辑、模糊逻 辑、分布和/或控制方法。在这点上，控制器36可以包括;溪拟控制器 和/或可编程控制器，比如数字计算机。控制器36可设置成以各种控 制方案来驱动促动器30，以便减少噪声和/或延迟瞬变流动的始端。 例如，控制器36可设置成以便(压力)促动器30提供由传感器26所检 测的声学降噪输出，该输出大致与压力噪声或其它流特性异相。备选 地，或者另外地，控制器36可构造成驱动(等离子发生)促动器30，以 I起在流方向的改变和/或另外地延迟瞬变流动的始端。在后 一种设置 中，促动器30中的至少一些促动器将典型地布置成靠近叶片20的前 缘，瞬变流动可能在此处开始。
事实上，可以以硬件、软件、固件或它们的组合来实施由控制器 36所执行的控制方法的各种实施例。适当的硬件可以包括但不限于， 任何技术，比如用于对数据信号执行逻辑功能的具有逻辑门的离散逻 辑电路、具有适当的组合逻辑门的专用集成电路(ASIC)、可编程门阵 列(PGA)、现场可编程门阵列(FPGA)等等。备选地，或者另外地，可 以把软件或固件存储在存储器中，并且由适当的指令执行系统来执 行。
任何这种软件程序都将包括用于执行逻辑功能的可执行指令的有 序列表，并且可以包含在任何计算机可读的介质中，以由指令执行系 统、装置或设备使用或者与该指令执行系统、装置或设备结合使用， 该指令执行系统、装置或设备比如基于计算机的系统、包含处理器的 系统或者可以从指令执行系统、装置或设备提取指令并且执行指令其 它系统。在本文件的上下文中，"计算机可读的介质"可以是任何装 置，该装置可以包含、存储、通信、传播或传送程序，该程序由指令执行系统、装置或设备使用或者与该指令执行系统、装置或设备结合 使用。例如，计算机可读的介质可以是但不限于，电、磁、光、电磁、 红外或半导体系统、装置、设备或传播介质。计算机可读介质的更特 別的实例包括但不限于，具有一条或多条电线的电连接(电子的)、便
携式计算机磁盘(磁的)、随机存储器(RAM)(电子的)、只读存储器 (ROM)(电子的)、可擦可编程只读存储器(EPROM或闪存)(电子的)、 光纤(光的)和便携式只读光盘(CDROM)(光的)。注意计算机可读的介 质甚至可以是纸或另外的在其上打印有程序的合适介质，由于程序可 以被电捕获，所以例如经由对纸或其它介质的光学扫描，然后编译、 翻译或如果需要以适当的方式另外处理，然后存储在计算机的存储器 中。
图3示意性图示了处在操作的典型模式中的来自图2的叶片20。 如由在图3中的上部(抽吸)表面所图示的，(压力检测换能器)传感器 26将把关于被检测的流特性40的数据(压力)提供给控制器36。尽管 来自传感器26的被4企测的流特性数据40被图示成实时的连续波，但 是也可以检测和/或收集其它类型的数据，包括但不限于，断续的、离 散的、抽象的、代数的和/或其它的数据类型，并且该数据不必是实时 的。然后，将检测到的流特性数据发送到控制器36，该控制器36用 响应于检测到的数据信号40的控制信号42来调节和/或驱动促动器 30。相似地，如由在图3中的下部(压力)表面所图示的，(压力检测开 关)传感器26将检测流特性(压力)40，并且使用该信息来开启和闭合 开关以及根据控制信号42来驱动促动器30。
尽管控制信号42也被图示成实时的连续波形，该波形与检测到的 流特性数据信号40相反，但是也可以使用其它的输出控制信号，包 括但不限于，断续的、离散的、抽象的、代数的和/或其它信号类型。 例如，用来把来自传感器26的输入数据变换成用于驱动促动器30的 指令的算法可以是适当的降噪算法，在该算法中把来自传感器的镜像 波形"处理"到使用所谓的主动降噪的换能器中。备选地，或者另外地，可以把来自传感器26的输入波形分成频率分量或者频率范围， 以便可以在后缘帽24的相同区域中或者不同区域中使用这些不同的 频率分量来驱动不同的促动器30。使用一个或多个这些频率分量，某 些事件，比如可以与单个音调频率相关的层流分离气泡和钝形后缘的 涡旋脱落，可以因此被特別地处理。
在图3中，调节或者偏转后缘帽24的各侧的一部分，以便由对应 的促动器30来改变形状。对于所图示且非限制性的示例，当由(多个) 传感器26探测到低压时，由(多个)促动器30向外偏转后缘帽24,如 由叶片20的上部(压力)表面所示。相似地，当由(多个)传感器26探测 到高压时，由(多个)促动器30向内偏转后缘帽24，如由叶片20的下 部(压力)表面所示。因此，在流的该部分在叶片20的后》彖28上方向 下游移动之前或者同时，调节在叶片20上的后缘帽24的形状，以补 偿在叶片表面附近;f企测到的压力。这样，可以稳定通过叶片20的后 缘28的流，以便最小化由叶片所产生的空气动力学噪声。所以，对 于传统方法而言，上面所描述的这些实施例和其它实施例提供了各种 优点，包括比传统方法更安静且具有更小的阻力和更大的空气动力学 效率的运行。
还可以把上面所描述的技术与用于风力涡轮机(包括带有后缘锯 齿的风力涡轮机叶片)的各种其它的噪声降低技术相结合，例如但不限 于，在共同持有的共同未决的序列号为11/857844(代理案件目录号 227892)的美国专利申请中和在该主题中所引用的参考中所公开的那 些技术。例如，可以布置促动器30以促动被布置在后缘处或后缘附 近的锯齿，和/或叶片20的其它部分。
应该强调的是，上述的实施例，特别是任何"优选的，，实施例， 仅仅是已经在此陈述的各种实施例的示例，以提供对此技术的各个方 面的清晰理解。在大致不偏离保护范围的情况下可改变许多这些实施 例，该保护范围仅由所附权利要求的正确i全释来限定。
权利要求
1. 一种风力涡轮机叶片(20)，包括传感器(26)，其布置在所述叶片(20)的后缘的上游，用于测量在所述叶片(20)的表面附近的气流特性；和促动器(30)，其布置在所述传感器(26)的下游，用于响应于所述测量到的特性来调节所述气流(20)。
2. 根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(20),其特征在于，所 述促动器(30)包括等离子发生器。
3. 根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(20)，其特征在于，所 述促动器(30)改变所述叶片(20)的表面的形状。
4. 根据权利要求1或3所述的风力涡轮机叶片(20),其特征在于， 所述促动器(30)包括压电条。
5. 根据权利要求l、 2、 3或4所述的风力涡轮机叶片(20),其特 征在于，所述传感器(26)包括压力传感器。
6. 根据权利要求1、 2、 3、 4或5所述的风力涡轮机叶片(20), 其特征在于，所述风力涡轮机叶片(20)还包括控制器(36)，所述控制器 (36)用于响应于来自所述压力传感器(26)的信号而调节所述促动器 (30)。
7. —种降低来自风力涡轮机叶片(20)的噪声的方法，包括 在所述叶片的后缘的上游在所述叶片的表面附近的位置处检测(26)气流特性；和在检测位置的下游响应于检测到的气流特性而促动(30)所述叶片 的一部分。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述4企测到的气 流特性是压力。
9. 根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法还 包括响应于所述检测到的气流特性来控制(36)所述促动步骤。
10.根据权利要求7、 8或9所述的方法，其特征在于，所述促 动步骤包括主动抵消检测到的噪声。
全文摘要
本发明涉及风力涡轮机叶片的主动阻尼，具体而言，一种风力涡轮机叶片(20)，包括传感器(26)和促动器(30)，该传感器(26)布置在叶片(20)后缘的上游，用于测量在叶片(20)表面附近的气流特性；促动器(30)布置在传感器(26)下游，用于响应于测量到的特性来调节气流。
文档编号F03D11/00GK101413478SQ20081016976
公开日2009年4月22日 申请日期2008年10月15日 优先权日2007年10月15日
发明者H·D·德赖弗, K·W·坎齐, S·赫尔 申请人:通用电气公司