专利名称：具有阻尼元件的叶片及其制造方法
技术领域：
本发明的领域大致涉及风力涡轮机叶片，更具体地说，涉
及包括有助于减少在风力涡轮机运转期间由叶片所产生的噪声的阻 尼元件的叶片。
背景技术：
风力涡轮机使用风能来产生电力。已知的风力涡轮机包括 塔架、联接在塔架上的机舱和联接至机艙的具有毂部和叶片的转子。 风力造成转子的叶片和毂部相对于机舱而旋转，从而产生机械能，其 由发电机转换成可用的电能。至少某些已知的公用设施级风力涡轮机
片(例如，30米或更长长度)。然而，至少某些已知的风力涡轮机在其运转期间可能产生 不能接受的噪声水平，特别是当风力涡轮机发电机定位在居住区附近 时。由风力涡轮机发出的噪声一部分可归因于叶片的旋转。至少某些 已知的叶片在旋转期间由于移动和散射高度扰动的空气而发出噪声。 另外，至少某些叶片形成有中空的内部，并且这种叶片在运转期间可 能发出在叶片内部所产生的噪声。例如，噪声可从风力涡轮机的各机 械构件中的一个或多个(例如封装在机舱中的齿轮箱)中传播出来。这 种噪声可能在叶片的中空内部中谐振。另外，在叶片旋转期间，叶片内部松散的碎屑(例如，干的 或松散的粘合剂)可能从叶片的一端翻滚到另一端。具体地说，当其翻 滚时，碎屑击打在叶片的内表面上，从而产生额外的噪声，这种噪声 的产生有时被称为"rainstick效应"。除了噪声问题之外，击打在叶片内表面上的碎屑还可能造成叶片的结构破损。
发明内容
—方面，用于风力涡轮机的叶片一般地包括适于响应于越 过叶片主体的风流而运动的主体。该主体具有限定了内腔的内表面和 相对的内表面。至少一个阻尼元件自该主体的内表面延伸。所述至少 一个阻尼元件构造成有助于减少由叶片产生且通过叶片而传播的噪 声的量。另一方面，风力涡轮机包括塔架、联接在塔架上的机舱和 联接在机舱上的转子。转子包括毂部和从毂部向外延伸的至少 一个叶 片。叶片具有主体，其适于响应于越过该主体的风流而运动，以使转 子产生旋转。该主体包括外层、内层和限定在该内层和外层之间的气隙。在又一方面， 一种制造用于风力涡轮机的叶片的方法包括 制造具有限定了内腔的内表面的主体。至少一个阻尼元件固定在该主 体的内表面上。
图1是示例性风力涡轮机的透视图。图2是可供图1中所示的风力涡轮机使用的示例性叶片的 侧视图，其中该叶片的若干部分一皮剖开以显示示例性阻尼元件。 [OOIO]图3是图2中所示的叶片的一部分的放大的侧视图。 [OOll]图4是图2中所示的叶片沿着线4-4得到的截面视图。
图5是图2中所示的叶片沿着线5-5得到的截面视图。
图6是图5中所示的叶片的一部分的放大的截面视图。
图7是可供图1中所示的风力涡轮机使用的备选叶片的侧 视图，其中若千部分^C剖开，并且包括消声器和緩冲器。图8是可供图1中所示的风力涡轮机使用的另一备选叶片的侧碎见图，其中一部分^皮剖开，并且包括消声器和緩冲器。图9是又一备选叶片的一部分的放大透视图，其中一部分
-波剖开，并且包括间隔开的消声器。图1o是另一备选叶片的一部分的》文大的透碎见图，其中一部 分被剖开，并且包括沿纵向延伸的消声器。
部件列表
10风力涡轮机；
12风力发电机；
14塔架；
16机餘；
18转子；
20第一旋转轴线； 22毂部； 24叶片；
26第二旋转轴线；
28主体；
30转子；
32梢部；
34外层；
36芯部材料；
38内层；
40内部腹板；
42内表面；
44内部空月空；
48气隙；
50阻尼元件；
52消声器；
554隔壁； 60声箱； 70前缘； 72后缘； 80緩冲器； 124叶片； 128主体； 144内腔； 150阻尼元件； 154隔壁； 224叶片； 228主体； 250阻尼元件； 272后缘
具体实施例方式现在参看附图，更具体地说参看图1，其由参考标号10整 体地标示了一种示例性风力涡轮机。风力涡轮机10包括用于从风能 中产生电功率的发电机12。在该示例性实施例中，风力涡轮机10具 有水平轴线构造。或者，在某些实施例中，除了水平轴线构造之外或 作为水平轴线构造备选，风力涡轮机10可包括竖直轴线构造(未显示)。 此外，虽然在图1中只显示了一个风力涡轮机发电机10,但是在某些 实施例中，可将多个风力涡轮机10成组地布置在一起，有时称为"风 电场"。发电机12联接在塔架14(图1中只显示了其一部分)上，并 受到塔架14的支撑。此外，在该示例性实施例中，发电机12包括机 抢16和联接在机舱16上以围绕第一旋转轴线20而旋转的转子18。 转子18包括毂部22和多个叶片24(有时称为"翼型")，叶片自毂部22沿径向向外延伸，以用于将风能转换成旋转能量。在本文中将转子18
描述并显示为具有三个叶片24。然而，转子18可具有许多叶片24。现在参看图2，各个叶片24可具有可使转子18如此处所述 起作用的任何合适的长度L。例如，在一个实施例中， 一个或多个叶 片24具有大约30米的长度。在另一实施例中， 一个或多个叶片24 具有大约50米的长度。合适的叶片长度L的其它示例包括大约10米、 大约20米、大约37米和大约40米的长度L。此外，不管图1和图2 中如何来显示叶片24,转子18可具有任何形状的叶片，并且可具有 任何类型和/或任何构造的叶片，无论本文中是否描述和/或显示了这 种形状、类型和/或构造。例如，叶片24可具有适于在带管道的转子(未 显示)中使用的类型、形状和/或构造，这种转子具有包含在管道(未显 示)中的涡轮(未显示)。在另一示例中，叶片24可具有适于在darrieus 风力涡轮机中使用的类型、形状和/或构造，这种风力涡轮机有时被称 为"打蛋器型，，涡轮。在又一示例中，叶片24可具有用于savonious风 力涡轮机的类型、形状和/或构造。此外，在某些实施例中，风力涡轮 机IO可以是一种其中转子18大体顶风以利用风能的风力涡轮机，和 /或可以是一种其中转子18大体顺风以利用能量的风力涡轮机。或者， 可将转子18相对于风力方向定向在可由其利用能量的任意方位或角
度c其是可变的)上。发电机12包括联接到并容纳在机艙16中的发电机(未显 示)。发电机可操作地连接至转子18,用于从转子18经由叶片24所 产生的旋转能量中产生电功率。发电机由转子18的旋转能量产生电 功率的大致操作在本领域中是已知的。在某些实施例中，风力涡轮机10可包括一个或多个控制器 (未显示)，其安装在机舱16内部并且可操作地连接在风力发电机12 的某些或所有构件上，用于控制风力发电机12和/或其某些或所有构 件的运转。例如，控制器可用于，但不局限于整个系统的监测，以及 控制包括例如倾斜和速度调节、高速轴和偏转制动应用、偏转和泵电动机应用以及故障监测。在某些实施例中可使用备选的分布式或集中 式控制架构。在某些实施例中，风力发电机12可包括安装在机舱16
内部的制动器(未显示)，其用于制动转子18的旋转，以便例如减少由 发电机产生的电功率。此外，在某些实施例中，风力发电机12可包 括偏转驱动器(未显示)，其用于使风力发电机12围绕第二旋转轴线26 旋转，以改变转子18的偏转，更具体地说，用于改变转子18所面向 的方向，以便例如，调整在转子18所面向的方向和风向之间的相对 角度。此外，在某些实施例中，风力发电机12可包括用于测量风速 的风速表(未显示)。在某些实施例中，风速表可以可操作地连接在控 制器上，以用于将测量值发送到用于对其进行处理的控制器。在某些 实施例中，风力发电机12包括用于测量风向的风向标(未显示)。在某 些实施例中，风向标可以可操作地连接在控制器和/或偏转驱动器上， 以用于改变转子18的偏转。在某些实施例中，风力发电机12包括可 变叶片倾斜驱动器(未显示)，其用于控制转子叶片24的间距。可变叶 片倾斜驱动器可操作地连接在控制器上，以便由其控制。在某些实施 例中，叶片24的间距是由叶片倾斜驱动器单独地控制的。风力涡轮 机10,更具体地说风力发电机12的一般操作在本领域中是已知的， 因此在本文中将不进行更详细的描述。如图2中所示，在该示例性实施例中，各个叶片24包括主 体28,其具有在叶片24的根部30和梢部32之间测量的长度L。根 部30可使叶片24联接到毂部22。主体28包括内侧段IN(通常是叶片 最内部的三分之一)、外侧段OB(通常是叶片最外面的三分之一)以及 分别在内侧段IN和外侧段OB之间延伸的中间段M。主体28适于响 应于风流而运动，以便通过发电机12而产生电力。在该示例性实施 例中，随着其从内侧段IN延伸至外侧段OB,各主体28沿着其长度L 扭曲大约90。。然而，应该懂得，在其它实施例中，主体28可沿着其 长度L而扭曲多于或少于90°,包括根本不扭曲(即，直的)。如上所述， 在不脱离本发明的范围的情况下，叶片24可具有不同于此处所示和所描述的形状、尺寸和构造。如图5和图6中最佳所示，各个主体28 包括由内层38限定的内表面42。图5是沿着线5-5得到的截面视图， 并且图6是图5—部分的放大图。主体28的内表面42限定了叶片24 中的内部空腔44。在该示例性实施例中，至少一个阻尼元件50通过胶合或任 何其它合适的结合方式而联接在主体内表面42上，该至少一个阻尼 元件50构造有助于减少由叶片24所产生并通过叶片24而传播的噪 声的量。在该示例性实施例中，叶片主体28包括两个阻尼元件50, 其采用一对间隔开的消声器52的形式。更具体地说，在该示例性实 施例中，其中 一个消声器52联接在内侧段IN中邻近主体根部30处， 且另 一消声器52联接在主体外侧段OB中、自梢部32向内间隔开的 位置处。在该示例性实施例中，主体中间段M不包括4壬何阻尼元件 50。然而，应该懂得，在不脱离本发明的范围内，主体28可以只包 括一个阻尼元件50,或不止两个阻尼元件50。还应该懂得，阻尼元 件50可定位在沿着叶片主体28的长度L的任何位置。参看图3和图 4,各个消声器52包括相匹配的一对间隔开的隔壁54,其各具有与主 体28的截面形状基本上相对应的形状(大致圓形或泪^^形)。隔壁54 基本上封闭了腔体，并且由于主体中存在的结构(例如，抗剪腹板)而 不需要跨越主体28的整个宽度。隔壁54与主体内表面42协作以形 成限定在主体内腔44中的声箱60。在该示例性实施例中，声箱60基 本上是封闭的。图3是图2的一部分的放大图，并且图4是沿着线4-4 得到的截面视图。虽然这里显示隔壁54是成对的，但是应该懂得可 使用更多或更少(例如一个)的隔壁。在该示例性实施例中，声箱60形成有预定的容积。由消声 器52所阻尼的噪声频率或频率范围至少部分地依赖于声箱60的容 积。增加声箱60的容积导致消声器52阻尼更大的噪声频率范围。在 一个实施例中，声箱60的容积在大约4立方米(1113)与大约40m3之间。 然而，应该懂得，在不脱离本发明的范围的情况下，声箱60的容积可大于大约401113或小于大约4m3。在一个实施例中，声箱60由主体 28的基本上整个内腔44来限定。也就是说，在这种实施例中，声箱 60和主体内腔44是共同延伸的。然而，形成所有内表面42显著地增 加了叶片24的制造费用和总重量。因而，可选择不同的声箱60容积， 以有助于阻尼噪声的选定频率，同时减少消声器52的材料量，以有 助于减少叶片24的成本和重量。隔壁54和叶片24主体内表面42的、在相邻隔壁54之间 延伸的部分基本上被消声器52所覆盖。换句话说，声箱60中的主体 内表面42基本上被消声器52所覆盖。在一个实施例中，消声器52 选自一组阻尼材料，例如但不限于橡胶、泡沫、矿棉、发泡、玻璃纤 维、毡和/或高岭土矿棉。或者，消声器52可以是如本文所述有利于 阻尼的任何材料。此外，消声器52可具有任何合适的形状，包括， 但并不局限于圆锥形、截头体形、棱锥形和/或波形。在一个实施例中， 消声器52是商业上可从Richmond, Virginia, USA的Acoustical Solutions, Inc.得到的ALPHAPYRAMID吸声泡沫。在另 一实施例中， 消声器52是应用于声箱60内表面上的涂层。还可设想可将任何合适 的声音阻尼材料固定在声箱60的内表面上，而且声音阻尼材料可具 有任何合适的形状或构造。还可以设想声箱60的内表面42的Y又一部 分可由消声器22覆盖。在某些实施例中，例如在图6所示的实施例中，叶片主体 28利用一个或多个层压的纤维层(例如但不限于玻璃和/或碳化纤维) 制造而成，其形成了主体28的外层34。如图6中所示，主体28包括 夹在外层34和内层38之间的芯部材料36。在芯部材料36的一部分 中限定有气隙48。气隙48通过例如^旦不限于以下方式而有助于衰减 噪声抑制由于外层34上的扰动的空气流而引起的自外层34传播的 声波传递至内层34。这就有助于减少到达主体28的内腔44中的声波 的量，在内腔中声波可能发生谐振。因而，气隙48有助于减少风力 涡轮机10发出的噪声水平。
在该示例性实施例中，气隙48 ^皮限定为与外层34相比更 靠近内层38,但应该懂得，气隙48可定位在在内层38和外层34之 间的任何地方。在一个实施例中，气隙48的延伸小于叶片主体28的 全长L。例如，在这种实施例中，气隙48可仅延伸越过主体外侧段 OB或越过外侧段OB的一部分。然而，应该懂得，气隙48可连续地 延伸越过整个叶片主体28或处于叶片主体28的不同的隔离段中，而 不脱离本发明的范围。如图5中最佳所示，叶片主体28还具有在主体28的前缘 70和后缘72之间测量的宽度W(或横向距离)。在一个实施例中，气 隙48延伸少于主体28的宽度W。例如，在这种实施例中，气隙48 延伸少于主体宽度W的50%。在另一实施例中，气隙48延伸少于主 体28的宽度W的33。/。。在又一实施例中，气隙48延伸少主体28的 宽度W的25。/。。此外，在另一实施例中，气隙48定位成与前缘70 相比更靠近后缘72。然而，应该懂得，可将气隙48限定在叶片主体 28的任何部分中而不脱离本发明的范围。在一个实施例中，例如图5中所示，内部腹板40在叶片主 体28的长度L上延伸，用于总体地支撑和/或加固叶片24。应该懂得， 在内，主体28可包括不止一个腹板40或者根本没有腹板,而不脱离本 发明的范围。还应该懂得，可使用其它合适的结构从内部支撑主体28, 以防止由于风力负荷而引起的弯曲。在叶片24，的另一实施例中，例如图7中所示，阻尼元件 50，包括消声器52，(类似于上面参看图1-6所述的消声器52)和緩沖器 80，，用于阻尼自风力涡轮机IO传播的、在叶片24'旋转期间由于叶片 24，主体28，的内腔44，中的松散石争屑翻滚而造成的噪声。当叶片24，翻 滚时，其里面的碎屑击打在叶片内表面42，上，从而引起噪声，其有 时被称为"rainstick效应"。除了传播噪声之外，碎屑击打在叶片内表 面42，上还可能造成叶片24，的结构破损。如图7中所示，阻尼元件50，的緩冲器80，定位在主体28，的内侧段IN中，并且与消声器52，相比，更靠近根部30，。此外，阻 尼元件50，的緩冲器80，定位在主体28，的外侧段OB中，并且定位成 与相关联的消声器52，相比更靠近梢部32，。然而，应该懂得，緩冲器 80，可定位在阻尼元件50两侧中的任一侧。緩冲器80，有助于抑制主体 内腔44'中的松散的碎屑下落叶片28，全长L。相反，在叶片28'旋转 期间，靠近叶片28，的根部30'或梢部32，的任何松散的碎屑都将只下 落很短的距离。因此，在叶片28，旋转期间，緩冲器80有助于显著地 减少由于松散的碎屑而造成的噪声，并且有助于减少由于碎屑在内腔 44，中翻滚而对叶片28，造成的潜在的结构破损。緩冲器80，可由任何合适的材料制成。例如，緩冲器80'可 由，但并不局限于橡胶、可膨胀的泡沫、杠、散的玻璃纤维和/或毡制成。 或者，緩冲器80，可由任何可使緩沖器80'如本文所述起作用的合适的 材料制成。图8显示了叶片24"的可供风力涡轮机IO(图1中所示)使 用的一个备选实施例。然而，在这个实施例中，叶片24，，只包括单个 阻尼元件50",其包括位于主体内侧段IN中的缓沖器80"和消声器 52"。緩冲器80"和消声器52"类似于緩冲器80'和消声器52'(各示 于图7中)，并因此将不做详细地描述。在这个实施例中，主体28的 中间段M和外侧段OB不包括阻尼元件50"。然而，应该懂得，除了 内侧段IN之外或作为其替代，阻尼元件50"可定位在中间段M和/ 或外侧l史OB中。图9显示了可供风力涡轮机IO(图1中所示)使用并且包括 阻尼元件150的叶片124的又一备选实施例。在该示例性实施例中， 阻尼元件150包括贯穿叶片124的主体128的内腔144而间隔开的多 个隔壁154。隔壁154可制成如上所述的消声器和/或緩冲器的形式。图IO显示了可在风力涡轮机IO(示于图1中)中使用并且包 括阻尼元件250的叶片224的又一备选实施例。在该示例性实施例中， 阻尼元件250在叶片224的主体228内邻近其后缘272沿纵向延伸。在一种构造中，阻尼元件250定位在叶片224外侧20%至50%处。阻 尼元件250可制成如上所述的消声器和/或緩冲器的形式。—种制造可供风力涡轮机IO使用的叶片(例如图1-6中所示 叶片24)的示例性方法包括制造带有限定了内腔44的内表面42的主 体28。在一个实施例中，主体28由外层34、内层38和芯部36限定 的层压件制成，芯部36分别夹在内层38和外层34之间。如上所述， 芯部36包括气隙48。此外，至少一个阻尼元件50联接(例如，胶合) 在主体内表面42上。阻尼元件50可制造成消声器52和/或緩冲器(例 如，分别是图7和图8中的緩冲器80，， 80，，)。在各个实施例中，阻 尼材料在内腔44中覆盖联接到主体28的任何隔壁54,以及主体内表 面42的定位在一对间隔开的隔壁54之间的至少一部分。这里参照风力涡轮机，更具体地说，参照风力发电机而描 述并显示了本发明方法和叶片的实施例。然而，(这里所描述和/或所 显示的)本发明方法和叶片的实施例并不局限于风力发电机，也不一般 地局限于风力涡轮机。相反，(这里所描述和/或所显示的)本发明方法 和叶片的实施例可适用于其它具有一个或多个叶片的物体。这里详细描述和/或举例说明了本发明的示例性实施例。这 些实施例并不局限于此处所述的特定的实施例，相反各实施例的构件 和步骤可与此处所述的其它构件和步骤独立且分开地使用。各个实施 例的构件和步骤还可结合其它实施例(这里所描述和/或所显示的)构件 和/或步骤一起使用。当介绍本发明实施例的元件时，冠词"一"、"一个"、"这个" 和"所述"都意图表示有一个或多个元件。用语"包括"、"包含"和"具有" 都意图包含和意味着除了列出的元件之外，还可以有其它元件。此外， 参照某物体使用的术语"部分"意图指该物体的部分或全部。虽然已经就各种特定的实施例描述了本发明，^f旦是本领域 中的技术人员应该认识到(这里所描述和/或所显示的)本发明的实施例 可利用权利要求的精神和范围内的修改来实践。
权利要求
1.一种用于风力涡轮机(10)的叶片(24)，所述叶片包括主体(28)，其适于响应于越过所述叶片主体的风流而运动，所述主体包括限定了内腔(44)的内表面(42)和相对的外表面；和至少一个阻尼元件(50)，其自所述主体的所述内表面延伸，所述至少一个阻尼元件构造成有助于减少由所述叶片产生并通过所述叶片传播的噪声的量。
2. 根据权利要求1所述的叶片(24)，其特征在于，所述主体(28) 包括内侧段、外侧段以及在所述内侧段和所述外侧段之间延伸的中间 段，所述至少一个阻尼元件设置在所述段的其中至少一段中。
3. 根据权利要求2所述的叶片(24)，其特征在于，所述至少一个 阻尼元件(50)联接在所述主体(28)内侧段中。
4. 根据权利要求2所述的叶片(24),其特征在于，所述至少一个 阻尼元件(50)联接在所述主体(28)外侧段中。
5. 根据权利要求1所述的叶片(24),其特征在于，所述至少一个 阻尼元件(50)包括至少 一个隔壁(54)。
6. 根据权利要求5所述的叶片(24),其特征在于，所述至少一个 隔壁(54)和所述主体内表面(42)的至少一部分覆盖有阻尼材料。
7. 根据权利要求6所述的叶片(24)，其特征在于，所迷阻尼材料 选自由橡胶、泡沫、矿棉、发泡、玻璃纤维、毡和高岭土矿棉组成的 材料组。
8. 根据权利要求5所述的叶片(24)，其特征在于，所述阻尼材料 具有选自由圆锥、截头体、棱锥和波状组成的形状组的形状。
9. 根据权利要求5所述的叶片(24)，其特征在于，所述至少一个 隔壁(54)包括緩沖器。
10. 根据权利要求9所述的叶片(24)，其特征在于，所述至少一 个隔壁(54)还包括消声器(52)。
全文摘要
本发明涉及具有阻尼元件的叶片及其制造方法。提供了一种用于风力涡轮机(10)的叶片(24)。该叶片包括主体(28)，其适于响应于越过叶片主体的风流而运动，所述主体包括限定了内腔(44)的内表面(42)和相对的外表面，以及自该主体的内表面延伸的至少一个阻尼元件(50)，该至少一个阻尼元件构造成有助于减少由叶片产生并通过该叶片而传播的噪声的量。
文档编号F03D1/06GK101555864SQ20091013010
公开日2009年10月14日 申请日期2009年3月17日 优先权日2008年3月17日
发明者B·佩蒂特让, B·格伯, N·K·阿尔索夫 申请人:通用电气公司