专利名称：用于风力涡轮机叶片的可透过的声学副翼的制作方法
技术领域：
此处所描述的主题一般地涉及流体反应表面，其具有在运行期间使造成工作构 件部件挠曲的工作流体移动的器件，且更具体地，涉及具有可透过的声学副翼(acoustic flap)的风力涡轮机叶片。
背景技术：
风力涡轮机是一种把风中的动能转换成机械能的机械。如果该机械能直接由机械 使用，例如用来泵水或磨麦，则该风力涡轮机可称为风车。类似地，如果该机械能被转换成 电力，则该机械也可称为风力发电机或风力发电设备。风力涡轮机典型地根据叶片绕其旋转的垂直或水平轴线而分类。一个所谓的水平 轴风力发电机示意性地在图1中图示，且可以从通用电气公司获得。用于风力涡轮机2的 这种特殊的“上风向”构造包括支承包围传动系统8的外罩6的塔架4。叶片10布置在“旋 转器”或轮毂9上，以在外罩6的外部在传动系统8的一端处形成“转子”。旋转叶片10驱 动在传动系统8的另一端处连接到发电机14上的齿轮箱12，该齿轮箱12与可从风速计18 接受输入的控制系统16 —起布置在外罩6内。叶片10产生升力并从移动的空气中捕获动量，当叶片在“转子平面”中旋转时，动 量随后被给予转子。各叶片10典型地在其“根”端处紧固到轮毂9上，且然后径向地“向 外” “延展”至自由的“末梢”端。叶片10的前部或“前缘”连接首先接触空气的叶片的最 靠前的点。叶片10的后部或“后缘”是被前缘分开的空气流在经过叶片的吸力侧和压力侧 后再结合的地方。“弦线”沿越过叶片的典型空气流的方向连接叶片10的前缘和后缘，且粗 略地限定叶片的平面。弦线的长度简称为“弦长”。共同拥有的美国专利No. 7，458，777通过引用而整体结合在本文中，且公开了风 力涡轮机转子组件和声学副翼。来自该专利的图2是在该专利中用来与图1中所示的风力 涡轮机2或任何其它合适的风力涡轮机一起使用的涡轮叶片106的透视图。例如，叶片106 可以用来更改或取代图1中的任何叶片10。如在该专利中所讨论的，在使用期间，涡轮机100的叶片106可在某些条件下产生 声学噪音，声学噪音在某些安装中是不期望的，例如当涡轮机100位于居民区且尤其是住 宅区附近时。当多个叶片106产生噪音时，以及当一个以上的涡轮机100位于相同的普通 地理区域中时，此类问题可能是复合的。为了克服此类问题，一个或多个叶片106包括了在 使用中将声学噪音减少和减轻到更可接受的水平的声学副翼。有利的是，使用声学副翼可 以以比传统噪音减少技术更低的成本来减少噪音。
叶片106包括限定前缘132和后缘134(图2中用虚像显示)的主体130。为了解决在运转中叶片106的噪音产生问题，充分刚性的声学副翼136被紧固到叶片主体130上， 并沿箭头138的方向向外延伸且远离后缘134。声学副翼136的远端140从后缘134隔开， 且在一个示例性实施例中，该远端140是大体上平滑和连续的。就是说，声学副翼136的远 端140不包括形成副翼136的尖锐或不连续的边缘的细齿或锯齿，相反声学副翼136的远 端140通常均勻地以平滑和连续的方式平行于叶片主体130的后缘134延伸。换种方式描 述，声学副翼136的远端140的轮廓近似地与叶片主体后缘134的轮廓或几何形状匹配，但 副翼136的远端140与叶片主体130的后缘134隔开预定距离，使得副翼136延伸超过后 缘134，同时保持后缘134的大致相同的形状和几何形状。在一个实施例中，声学副翼136与叶片主体130分别地提供和制作，并且在一个实 施例中，副翼136由诸如金属、纤维增强塑料或刚性塑料材料等具有足够的结构强度的刚 性材料的薄片或薄板制成，以避免当叶片106遭受作用力(例如当叶片106旋转时叶片106 所遭遇的风载荷力和动态力以及振动)时副翼136的弯曲和挠曲。然而可以理解的是，可 同样地使用其它的材料代替金属和塑料材料，只要当叶片106用于风力涡轮机应用中时， 此类材料在使用中展示出足够的刚性来承受作用力。适用于副翼136的薄片或薄板材料可 以以相对低的成本从多个制造商获得，且副翼136可以以最少的成本和机械加工以相对简 单的方式从较大片的材料中切割、冲压或以其它方式分离出来。图3是来自图2的涡轮叶片106的横截面图，该涡轮叶片106包括在叶片主体130 的前缘132和后缘134之间延伸的高压力侧150和低压力侧152。尽管在图3中显示的主 体130在横截面上是中空的，但可认识到在另一个实施例中，可二中择一地使用中空的主 体和实心的主体。叶片主体限定在前缘132和后缘134之间的弦长距离或尺寸C，且声学 副翼136的远端140向外延伸并远离后缘134距离F，该距离F是弦长距离C的特定部分。 在一个示例性实施例中，F是弦长距离C的大约3%或更少。此外，在一个示例性实施例中，声学副翼136具有厚度T，该厚度T在副翼136的主 要表面之间测得，其远小于叶片后缘134的厚度。在一个实施例中，副翼厚度T可达到弦长 距离C的大约0.3%，以实现无需消极地影响叶片106产生电力的效率而降低噪音。虽然提 供了示例性尺寸，但可理解的是此类尺寸仅仅是为了图示的目的，在其它实施例中对T和F 可以使用更大或更小的尺寸。在一个实施例中，声学副翼136被紧固到叶片主体130的外表面154上且与该外 表面154大体上齐平，以避免当副翼136附接到叶片106上时压力侧150上空气流的扰动。 在又一个实施例中，在叶片外表面154中可提供小的凹部或沟槽(未显示)以容纳副翼 136，使得副翼136的外表面与叶片主体130的外表面154大体上齐平和连续。例如通过已 知的粘合剂、胶带或本领域已知的将副翼136牢固地保持到叶片主体外表面154上的其它 附加方法，副翼136被紧固、固定或结合到外表面154上。可机械地、化学地或用机械和化 学结合方法的组合把副翼136安装到叶片主体130上。在一个备选实施例中，如果需要，副 翼136可整体地或单件地形成到叶片主体130中。副翼136从叶片主体130延伸，附到或紧固到叶片主体130上，例如，靠近叶片主 体130的一侧(即一个示例性实施例中叶片主体130的压力侧)上的后缘134。更优选地 要避免铆钉、螺钉或其它紧固件，它们会从叶片主体130的外表面154向上凸起并破坏越过叶片或在叶片上的空气流。此外，声学副翼136大体上沿叶片后缘134的整个长度均勻地 结合到外表面154上，从而避免在副翼136和叶片外表面154之间的可引起副翼136从叶 片主体130隔开的空气间隙，或可引起空气流扰动的空气间隙，该空气流扰动会削弱风力 涡轮机2(图1)的效率或在运转中产生声学噪音。据信应用于叶片106的后缘134的压力侧150上的薄的声学副翼136能在使用中 减少噪音排放或避免音调(tonality)，并且可使用声学副翼136而实现噪音减少。特别地， 对于具有相对厚(在一个示范性实施例中例如为大约3毫米)的后缘134的叶片主体130， 已经发现该声学副翼136消除了厚的后缘的消极效果。通常，并且在没有声学副翼136的 情况下，随着后缘134的厚度增加，在使用期间所得到的叶片的声学噪音也增加。然而已经 发现当使用厚的后缘时，声学副翼136减轻了噪音。对于使用期间涡轮叶片的噪音问题，通过声学副翼136提供了一种通常低成本而 直接的解决方案，且副翼136可相当容易地在现有涡轮叶片上按需要应用和改型翻新。此 夕卜，如果副翼136被损坏，它们可相当容易地更换。从而提供了一种通用的噪音减少特征， 其可按需要在不同类型的叶片中使用。如果需要，声学副翼136可结合其它已知的噪音减 少特征使用，包括但不限于对叶片主体的表面处理，以在使用期间进一步降低涡轮叶片的 后缘噪音宽频带和音调。在多种叶片和涡轮上考虑，可实现实质性的噪音减少。
发明内容
通过在不同的实施例中提供包括从叶片的后缘延伸的可透过副翼的风力涡轮机 叶片，在此解决了与此类传统方法相关的这些和其它缺点。
此技术的各个方面现在将参照以下图形(“图.”)描述，这些图形不一定按照比 例画出，但贯穿若干视图的每一个视图，使用相同的标号来标明相应的部件。图1是传统风力发电机的示意性侧视图。图2是传统风力涡轮机叶片的透视图。图3是图2中显示的传统涡轮叶片的横截面图。图4是在图2和图3中显示的用于风力涡轮机叶片的副翼的部分正射投影图。图5是在图2和图3中显示的用于风力涡轮机叶片的另一种副翼的部分正射投影 图。图6是在图2和图3中显示的用于风力涡轮机叶片的另一种副翼的部分正射投影 图。部件列表2风力涡轮机4 塔架6 外罩8传动系统9 轮毂10 叶片
12齿轮箱14发电机16控制系统18风速计106 叶片130叶片主体132 前缘134 后缘136 副翼140 远端150高压力侧152低压力侧154夕卜表面200可透过的副翼202 穿孔204 毡206 屏板T 厚度C弦长距离F弦长距离的小部分
具体实施例方式图4至图6图示了用于与图1中显示的风力涡轮机叶片10共同使用的可透过的 副翼200的各种构造。例如，可透过的副翼200将从叶片10的后缘延伸，且在这点上，可用 于替换、更改或补充在图2和3中显示的刚性副翼136。可透过的副翼200可构造成类似于 以上关于图2和3所描述的副翼136和/或其它构造。例如，可透过的副翼200也可是多 孔的和/或柔性的，和/或该可透过的副翼200可与叶片10或叶片10的一部分结合。可 透过的副翼200可沿叶片10的一些或全部跨度连续地或间断地延伸。此外，副翼200可应 用到叶片10的压力侧或吸力侧中的任一侧上。如图4中所示，可透过的副翼200可包括穿孔的表面。穿孔202可包括圆柱形孔和 /或例如切口或槽的其它形状的孔。穿孔202在尺寸上可以是显微可见的(microscopic)， 或另外极小而肉眼不可见的。当表面孔隙率小于可透过的副翼200的表面面积的大约20% 时，预期具有为提供透过性的穿过材料(例如开口或穿孔的薄片)的常规穿孔202的非可 透过的薄片材料会产生足够的噪音减少。还预期以孔和/或切口的形式穿过另外的非可透 过副翼200的许多较小的穿孔202将产生比遍布在副翼的相同百分比的表面区域上的更少 的大孔更好的结果。还预期沿副翼上的流的方向增加或以其它方式变化表面孔隙度和相应 的副翼200的透过性会提供较好的结果。例如，在否则非可透过的副翼的情况下，预期在副翼200的后缘的附近提供较高密度的穿孔202会提供改善的结果。如图5中所示，其中可透过的副翼200可包括一个或多个毡表面204。也可使用其它可透过的纺织物，包括动物纺织物(如毛绒或蚕丝)、植物纺织物、矿物纺织物和玻璃、玄武岩和/或石棉纤维以及合成纺织物(例如GORE-TEX 膜和织物、聚酯、丙烯酸树脂、尼龙、 斯潘德克斯弹性纤维、Kevlar _ )和/或这些与纺织物的任意组合。尽管图5图示了仅覆 盖可透过的副翼200的一部分的等距隔开的毡条，但毡204也可完全地覆盖可透过的副翼 200。例如，毡204可用来覆盖另外的开口支承结构。毡也可用来覆盖穿孔202的开口和/ 或也可为了附加的可透过性而在毡材料中提供穿孔202。如图6中所示，可透过的副翼200也可包括屏板206，例如烧结的或非烧结的金属 丝网屏板。该屏板206也可由包括纺织物纤维的其它纤维形成。该屏板还可作为用来支承 例如毡的纺织物的底层结构，和/或作为毡204上的保护层。例如，诸如毡、Kevlar 和织 物的高柔性材料可应用在更具刚性的框架或底层结构上，而诸如穿孔的板、硬的烧结的屏 板或切口等的更大刚性的材料可无需另外的支承结构而使用，和/或作为用于柔性材料的 ■石出。副翼200可在其整个长度和宽度上或仅仅在其中的一部分上是可透过的，并且透 过性可在副翼的任何尺寸上改变。可透过的副翼200也可布置成任何构造。例如，可透过的 副翼200可从叶片10(图1)的后缘延伸(图3中的距离“F”)叶片弦长的大约到5%之 间，叶片弦长的大约2%到4%之间，或叶片弦长的大约3%。可透过的副翼也可具有比叶片 弦长的大约0.5%小的厚度(图3中的“T”)，或比叶片弦长的大约0.3%小的厚度。例如，沿 副翼200的一些或全部跨度，厚度“T”可为大约1-2毫米(或弦长的0. 1%-0.2%)ο在这 种情形下，因为弦长随着跨度改变，尺寸“T”作为弦长的百分数将在末梢附近接近0.5%， 而在副翼200的内侧部分的附近接近0. 或更少。此外，对于例如穿孔薄片金属或玻璃纤 维的充分刚硬的材料，尺寸“T”可小得多。通过以低成本和最小的性能影响减少风力涡轮机叶片后缘噪音，以上所描述的技 术提供了相对传统方法的多种优点。例如，为了改善传统副翼136的噪音减少能力，副翼 200的透过性允许叶片10的压力侧和吸力侧之间的压力场的连通。同样地，可透过的副翼 200的柔性允许副翼通过改变形状而适应流条件。对于柔性的可透过的副翼200，叶片的上 表面和下表面之间的压力差异会导致副翼的平均形状以顺应的、降低后缘涡流强度并减少 噪音的方式适应。所得到的副翼的形状则将由副翼材料的材料柔性和透过性控制。表面 孔隙度的较低值(低至开孔面积的0%)和相应的透过性通常将允许在叶片的压力侧和吸 力侧之间较少的压力减轻，但将允许副翼的更多弯曲。表面孔隙度的较高值(多达开孔面 积的大约50% )和相应的透过性通常将允许更多的压力减轻，但将允许声学副翼形状上由 于上表面和下表面之间的压力差别的较少改变。为了影响对于多种叶片构造和/或操作环 境特定叶片10的噪音源特性和声音发散效率，可用不同的材料和/或穿孔密度来调整副翼 200的透过性和/或柔性。需要强调的是以上所描述的实施例，且尤其是任何“优选的”实施例，仅仅是已经 在此处进行阐明以提供此技术的多个方面的清楚认识的各种实施方式的示例。本领域普通 技术人员将能够改变许多这些实施例，而无需实质上地背离仅由所附权利要求的适当解释 限定的保护范围。
权利要求
一种风力涡轮机叶片(106)，包括从该叶片(106)的后缘延伸的可透过的副翼(200)。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片(106)，其特征在于，所述可透过的副翼(200) 是充分柔性的。 1
3.如权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片(106)，其特征在于，所述可透过的副翼 (200)包括穿孔的表面(202)。
4.如权利要求3所述的风力涡轮机叶片(106)，其特征在于，所述穿孔包括切口。
5.如权利要求3或4所述的风力涡轮机叶片(106)，其特征在于，所述穿孔(202)在尺 寸上是显微可见的。
6.如任一前述权利要求所述的风力涡轮机叶片(106)，其特征在于，所述可透过的副 翼(200)包括毡表面。
7.如任一前述权利要求所述的风力涡轮机叶片(106)，其特征在于，所述可透过的副 翼(200)包括屏板(206)。
8.如权利要求7所述的风力涡轮机叶片(106)，其特征在于，所述屏板(206)包括烧结 的金属丝网屏板。
9.如任一前述权利要求所述的风力涡轮机叶片(106)，其特征在于，所述可透过的副 翼(200)从所述叶片(106)的后缘(134)延伸所述叶片(106)的弦长的大约到5%之间。
10.如权利要求9所述的风力涡轮机叶片(106)，其特征在于，所述可透过的副翼(200) 从所述叶片的后缘(134)延伸所述叶片(106)的弦长的大约2%到4%之间。
11.如任一前述权利要求所述的风力涡轮机叶片(106)，其特征在于，所述可透过的副 翼(200)具有小于所述叶片(106)的弦长(C)的大约0.5%的厚度(T)。
12.如任一前述权利要求所述的风力涡轮机叶片(106)，其特征在于，所述可透过的副 翼(200)具有小于所述叶片(106)的弦长(C)的大约0.3%的厚度(T)。
全文摘要
本发明涉及用于风力涡轮机叶片的可透过的声学副翼。风力涡轮机叶片(106)包括从叶片(106)的后缘(134)延伸的可透过副翼(200)。
文档编号F03D1/06GK101839210SQ20101011877
公开日2010年9月22日 申请日期2010年2月4日 优先权日2009年2月6日
发明者K·W·金奇, R·德罗比茨 申请人:通用电气公司