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CN112585350A - 具有弧形锯齿的用于风力涡轮转子叶片的消音器 - Google Patents

具有弧形锯齿的用于风力涡轮转子叶片的消音器 Download PDF

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CN112585350A
CN112585350A CN201980056325.2A CN201980056325A CN112585350A CN 112585350 A CN112585350 A CN 112585350A CN 201980056325 A CN201980056325 A CN 201980056325A CN 112585350 A CN112585350 A CN 112585350A
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A·赫里
R·德罗比茨
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Abstract

一种用于风力涡轮(10)的转子叶片组件(100)包括转子叶片(10)，其具有限定压力侧(22)、吸入侧(24)、前缘(26)以及后缘(28)的表面，在叶片末端(32)与叶片根部(34)之间延伸。转子叶片组件(100)还包括邻近于后缘(28)的至少一个消音器(102)。(多个)消音器(102)包括至少一个锯齿(104)，该至少一个锯齿(104)在转子叶片(16)的弦向方向上延伸超过后缘(28)。(多个)锯齿(104)还包括吸入侧表面(108)和压力侧表面(110)。吸入侧表面(108)在弦向方向上限定第一曲率半径(116)，而压力侧表面(110)在弦向方向上限定第二曲率半径(118)。此外，第一曲率半径(116)可大于第二曲率半径(118)，使得吸入侧表面(108)比压力侧表面(110)平坦，或者反之亦然。

Description

具有弧形锯齿的用于风力涡轮转子叶片的消音器
相关申请
本申请要求于2018年8月30日提交的美国序列No.: 16/118,533的优先权，美国序列No.: 16/118,533通过引用以其整体并入本文中。
技术领域
本公开大体上涉及风力涡轮转子叶片，并且更具体而言，涉及具有一个或多个弧形锯齿的用于风力涡轮转子叶片的消音器。
背景技术
风力被认为是目前可用的最清洁、最环保的能源之一，并且风力涡轮在这方面获得增加的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发生器、齿轮箱、机舱，以及转子。转子典型地包括可旋转毂，该可旋转毂具有附接于其的一个或多个转子叶片。桨距轴承典型地可操作地构造在毂与转子叶片之间，以允许绕着桨距轴线的旋转。转子叶片使用已知的翼型原理来捕获风的动能。转子叶片以旋转能的形式传递动能，以便使轴转动，该轴将转子叶片联接于齿轮箱，或者如果不使用齿轮箱，则直接地联接于发生器。发生器接着将机械能转换为可部署到电网的电能。
随着转子叶片的大小增加，由转子叶片产生的噪音也可增加。就此而言，在某些情况下，各种叶片附加构件可附接于转子叶片，以帮助减少由此生成的噪音。更具体而言，某些叶片附加构件可邻近于转子叶片的后缘附接。此类叶片附加构件可例如包括附接于转子叶片的后缘的锯齿。然而，由于由锯齿的两侧上的压力不平衡产生的侧边缘涡流，故传统锯齿可遭受高频噪音增加。
因此，本公开涉及消音器，该消音器消除常规锯齿的噪音生成的侧边缘，以解决前述问题。此外，本公开的消音器构造成修改压力波动到声波中的散射。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述为明显的，或者可通过本发明的实践学习。
在一个方面中，本公开涉及一种用于风力涡轮的转子叶片组件。转子叶片组件包括转子叶片，其具有限定压力侧、吸入侧、前缘以及后缘的表面，在叶片末端与叶片根部之间延伸。转子叶片组件还包括至少一个消音器，其邻近于后缘。(多个)消音器包括至少一个锯齿，该至少一个锯齿在转子叶片的弦向方向上延伸超过后缘。(多个)锯齿还包括吸入侧表面和压力侧表面，它们沿着(多个)锯齿的横向方向的至少一部分一起限定潘托(panto)截面形状。此外，吸入侧表面在弦向方向上限定第一曲率半径，而压力侧表面在弦向方向上限定第二曲率半径。
在一个实施例中，(多个)消音器还可包括基部部分，该基部部分装固并邻近于转子叶片的压力侧或吸入侧中的至少一个。此外，在此类实施例中，(多个)锯齿从基部部分延伸。在另一实施例中，(多个)锯齿的截面形状可在(多个)锯齿的横向方向上变化。
在若干实施例中，(多个)锯齿可具有吸入侧表面和压力侧表面。在此类实施例中，吸入侧表面限定第一曲率半径，而压力侧表面限定第二曲率半径。此外，在一个实施例中，第一曲率半径和第二曲率半径可为不同的。例如，在某些实施例中，第一曲率半径可大于第二曲率半径，使得吸入侧表面比压力侧表面平坦。作为备选，第一曲率半径和第二曲率半径为相等的。
在另外的实施例中，吸入侧表面的第一曲率半径和/或压力侧表面的第二曲率半径可沿着(多个)锯齿的纵向方向的至少一部分变化。例如，(多个)锯齿的吸入侧表面的第一曲率半径可从基部部分处的第一端部至相对的第二端部沿着(多个)锯齿的纵向方向的至少一部分增加。类似地，(多个)锯齿的压力侧表面的第二曲率半径可从基部部分处的第一端部至相对的第二端部沿着(多个)锯齿的纵向方向的至少一部分增加。
在附加的实施例中，(多个)锯齿的襟翼角(flap angle)可相对于转子叶片的翼弦从大约-30度(°)到+30°变化。负角指示锯齿朝向转子叶片的压力侧挠曲。在另一实施例中，(多个)锯齿还可具有限定最远端的末端的末端端部。更具体而言，在此类实施例中，末端端部可具有圆锥形形状。
在若干实施例中，(多个)消音器的基部部分可邻近于转子叶片的压力侧。在另一实施例中，基部部分的截面形状可为锥形的。
在特定的实施例中，(多个)锯齿的至少一部分可为中空的。
在另一方面中，本公开涉及一种用于风力涡轮的转子叶片组件。转子叶片组件包括转子叶片，其具有限定压力侧、吸入侧、前缘以及后缘的表面，在叶片末端与叶片根部之间延伸。转子叶片组件还包括至少一个消音器，其邻近于后缘。(多个)消音器包括基部部分和至少一个锯齿，该至少一个锯齿在转子叶片的弦向方向上从基部部分延伸并延伸超过后缘。(多个)锯齿包括吸入侧表面和压力侧表面。吸入侧表面在弦向方向上限定第一曲率半径，而压力侧表面在弦向方向上限定第二曲率半径。此外，第一曲率半径大于第二曲率半径，使得吸入侧表面比压力侧表面平坦。还应当理解的是，转子叶片组件还可包括如本文中描述的附加特征中的任一个。
在又一方面中，本公开涉及一种用于风力涡轮的转子叶片的消音器。消音器包括邻近于转子叶片的压力侧或吸入侧中的至少一个的基部部分，和从基部部分延伸的至少一个锯齿。(多个)锯齿在转子叶片的弦向方向上延伸超过后缘。(多个)锯齿还包括吸入侧表面和压力侧表面，它们在(多个)锯齿的纵向方向上一起限定翼型截面形状。此外，(多个)锯齿的翼型截面形状在至少一个锯齿的横向方向上变化。还应当理解的是，消音器还可包括如本文中描述的附加特征中的任一个。
本发明的这些及其它的特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入在本说明书中并且构成本说明书的部分的附图示出本发明的实施例，并且连同描述用于阐释本发明的原理。
附图说明
包括针对本领域技术人员的其最佳模式的本发明的完整且开放的公开在参照附图的说明书中阐述，在该附图中：
图1示出根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2示出根据本公开的转子叶片组件的透视图，特别地示出在转子叶片的后缘处邻近的多个消音器；
图3示出根据本公开的消音器的一个实施例的透视图，特别地示出从其吸入侧表面观察的消音器；
图4示出根据本公开的消音器的一个实施例的另一透视图，特别地示出从其吸入侧表面观察的消音器以及沿着截面线5-5和6-6的截面视图；
图5示出沿着截面线5-5的图4的消音器的截面视图；
图6示出沿着截面线6-6的图4的消音器的截面视图；
图7示出根据本公开的消音器的一个实施例的透视图，特别地示出从其压力侧表面观察的消音器；
图8示出根据本公开的消音器的一个实施例的正视图；
图9示出根据本公开的邻近于转子叶片的后缘的消音器的一个实施例的透视图；
图10示出沿着截面线10-10的图4的消音器的截面视图；
图11示出沿着截面线11-11的图4的消音器的截面视图；
图12示出根据本公开的消音器的一个实施例的侧视图，特别地示出消音器的(多个)锯齿的各种襟翼角；以及
图13示出根据本公开的消音器的一个实施例的侧视图，特别地示出在消音器之上经过的流线型气流。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。每个实例经由阐释本发明提供，而不限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可在本发明中作出各种改型和变型，而不脱离本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明覆盖归入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此类改型和变型。
大体上，本公开涉及一种用于风力涡轮转子叶片后缘的翼型形状的构件，其设计成抑制由后缘发出的空气动力噪音。更具体而言，消音器具有带三维弧形流线型本体设计的锯齿形状。就此而言，本公开的消音器消除与常规锯齿几何形状相关联的锐利边缘中的大多数，该锐利边缘最终对远场噪音生成负有责任。因此，本公开的消音器通过减少引入且自身生成的湍流波动的散射来实现较高的噪音减少。此外，弧形形状有利地操纵在锯齿周围和上游的流场，以实现最佳的低频噪音减少。
现在参照附图，图1示出根据本公开的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如示出的，风力涡轮10包括塔架12，塔架12具有安装在其上的机舱14。多个转子叶片16安装于转子毂18，转子毂18继而连接于使主转子轴转动的主凸缘。风力涡轮功率生成和控制构件收纳在机舱14内。图1的视图仅出于说明性目的而提供，以将本发明放置在示例性使用领域中。应当认识到的是，本发明不限于任何特定类型的风力涡轮构造。
现在参照图2，示出包括图1的转子叶片16中的一个的转子叶片组件100的透视图。如示出的，转子叶片组件100包括转子叶片16。此外，转子叶片16大体上包括限定在前缘26与后缘28之间延伸的压力侧22和吸入侧24的表面，并且可从叶片末端32延伸至叶片根部34。在一个实施例中，转子叶片16可包括从叶片末端32至叶片根部34以端对端的顺序对准的多个单独的叶片节段。就此而言，单独的叶片节段中的每个可独特地构造成以使多个叶片节段限定完整的转子叶片16，完整的转子叶片16具有设计的空气动力学轮廓、长度以及其它期望的特性。例如，叶片节段中的每个可具有空气动力学轮廓，该空气动力学轮廓对应于相邻的叶片节段的空气动力学轮廓。因此，叶片节段的空气动力学轮廓可形成转子叶片16的连续空气动力学轮廓。作为备选，转子叶片16可形成为单个整体叶片，该单个整体叶片具有设计的空气动力学轮廓、长度以及其它期望特性。
此外，在示例性实施例中，转子叶片16可为弯曲的。转子叶片16的弯曲可需要使转子叶片16沿大体摆振(flapwise)方向和/或沿大体挥舞(edgewise)方向挠曲。摆振方向可大体上解释为空气动力升力沿其作用在转子叶片16上的方向(或相反方向)。挥舞方向大体上垂直于摆振方向。转子叶片16的摆振弯曲也被称为预挠曲，而挥舞弯曲也被称为扫掠。因此，弯曲的转子叶片16可被预弯曲和/或扫掠。弯曲可使得转子叶片16能够在风力涡轮10的操作期间更好地耐受摆振和挥舞负载，并且可在风力涡轮10的操作期间进一步向转子叶片16提供与塔架12的间隙。
仍然参照图2，转子叶片16还可限定桨距轴线40。桨距轴线40可大体上相对于风力涡轮10的转子毂18限定。例如，桨距轴线40可大体上垂直于转子毂18和叶片根部34延伸穿过叶片根部34的中心。转子叶片16的桨距角或叶片桨距(即，确定转子叶片16相对于经过风力涡轮10的气流的视角的角)可通过转子叶片16绕着桨距轴线40的旋转来限定。转子叶片16还可限定翼弦42和翼展44。如图2中示出的，翼弦42可遍及转子叶片16的翼展44变化。因此，可在转子叶片16上沿着翼展44的任何点处为转子叶片16限定局部翼弦46。
此外，如示出的，转子叶片组件100包括例如邻近于或接近转子叶片16的后缘28的至少一个消音器102。作为备选，消音器102可邻近于转子叶片16的前缘26，邻近于叶片末端32，并且/或者邻近于转子叶片16的叶片根部34。此外，(多个)消音器102可装固于或安装于转子叶片16，或者可与转子叶片16集成。因此，应当理解的是，(多个)消音器102可沿着转子叶片16的表面中的任一个邻近于任何合适的地点。就此而言，消音器102构造成减少在风力涡轮10的操作期间由转子叶片16生成的噪音，并且/或者可增加转子叶片16的效率。(多个)消音器102可使用任何合适的手段装固于转子叶片16，诸如通过粘合剂、胶带、焊接和/或机械紧固件(例如，螺栓、螺钉以及铆钉)和/或通过将(多个)消音器102夹持到合适的凹槽中或到突起上。
此外，如示出的，(多个)消音器102可沿着转子叶片16的后缘28的一部分延伸。例如，(多个)消音器102可沿着接近叶片末端32的后缘28的一部分延伸，如图2中示出的。在其它实施例中，(多个)消音器102可沿着接近叶片根部34的后缘28的一部分延伸。再者，在其它实施例中，(多个)消音器102可沿着在叶片末端32与叶片根部34中间的转子叶片16的一部分延伸。还应当认识到，(多个)消音器102可沿着后缘28的整体延伸。
现在参照图3-13，示出根据本公开的消音器102的各种实施例的多个视图。更具体而言，如示出的，本公开的消音器102均包括基部部分106和至少一个锯齿104，至少一个锯齿104在弦向方向(即，沿着转子叶片16的翼弦42的方向)上从基部部分106延伸并延伸超过后缘28。例如，图3-9示出根据本公开的消音器102的各种实施例的透视图，消音器102具有从基部部分106延伸的多个锯齿104。图13示出根据本公开的消音器102的一个实施例的侧视图，消音器102具有从基部部分106延伸的单个锯齿104。应当理解的是，每个消音器102可包括任何数量的锯齿104。
此外，本文中描述的基部部分106可邻近于转子叶片16的后缘28。在此类实施例中，(多个)锯齿104可从基部部分106延伸并且延伸经过或超过后缘28。此外，在若干实施例中，(多个)消音器102的基部部分106可邻近于转子叶片16的压力侧22。作为备选，基部部分106可邻近于转子叶片16的吸入侧24。在另一实施例中，基部部分106的截面形状可为锥形的或带轮廓的，以便对应于其所附接的转子叶片表面的弯曲。
此外，(多个)锯齿104可与基部部分106集成，并且/或者可分离地联接于基部部分106。在备选的实施例中，消音器102可不存在基部部分106。在此类实施例中，(多个)锯齿104可直接地安装于转子叶片16。就此而言，(多个)消音器102的基部部分106和/或(多个)锯齿12可使用任何合适的手段装固于转子叶片16，诸如通过粘合剂、胶带、焊接和/或机械紧固件(例如，螺栓、螺钉以及铆钉)和/或通过将(多个)消音器102夹持到合适的凹槽中或到突起上。
特别地参照图3-13，(多个)锯齿104中的每个包括吸入侧表面108和压力侧表面110，它们在(多个)锯齿104的纵向方向114和横向方向112两者上一起限定弧形截面形状。在一个实施例中，如图9-12中示出的，(多个)锯齿104的弧形截面形状可在纵向方向114上限定翼型件。在此类实施例中，如图10和图11中特别地示出的，(多个)锯齿104的翼型截面形状可在(多个)锯齿104的横向方向112上变化(如由变化的翼型形状120指示的)。此外，如在图8的示出的实施例中特别地显示的，吸入侧表面108可在弦向方向上限定第一曲率半径116，而压力侧表面110在弦向方向上限定第二曲率半径118。因此，如示出的，第一曲率半径108可大于第二曲率半径118，使得吸入侧表面108比压力侧表面110平坦，或者反之亦然。
在另外的实施例中，如图4-6中特别地示出的，吸入侧表面108的第一曲率半径116和/或压力侧表面110的第二曲率半径118可沿着(多个)锯齿104的纵向方向114的至少一部分变化。例如，如由截面线5-5和6-6示出的，(多个)锯齿104的吸入侧表面108的第一曲率半径116可从基部部分106处的第一端部122至相对的第二端部124沿着(多个)锯齿104的纵向方向114的至少一部分增加。类似地，(多个)锯齿104的压力侧表面110的第二曲率半径118可从基部部分106处的第一端部122至第二端部124沿着(多个)锯齿104的纵向方向114的至少一部分增加。
此外，如图5和图6中示出的，弧形截面形状可在横向方向112上限定大体潘托截面形状。如本文中使用的，潘托截面形状大体上描述使圆形和椭圆形的方面组合的混合形状。因此，潘托形状大体上在一侧上较宽，由此具有比另一侧平坦的一侧。
具体地参照图3-8，(多个)锯齿104还可具有限定最远端的末端128的末端端部126。更具体而言，在此类实施例中，末端端部126可具有圆锥形形状。末端端部126可与(多个)锯齿104的其余部分集成，或者可作为分离件附接。此外，如图9中示出的，(多个)锯齿104的至少一部分可为中空的，以便减小(多个)锯齿104的重量。在备选的实施例中，(多个)锯齿可具有实心截面。
在附加的实施例中，(多个)锯齿104的襟翼角132可相对于转子叶片16的翼弦42从大约-30度(°)到+30°变化。例如，如图12中示出的，(多个)锯齿104可以以在大约-30(°)到大约+30°之间的任何合适的角度安装于转子叶片16的压力侧22和/或吸入侧24。如本文中描述的，(多个)锯齿104的襟翼角132大体上是指在翼弦线134与从压力侧后缘至(多个)锯齿104的末端的线136之间的角度。
现在参照图13，示出在转子叶片16的后缘28处的转子叶片组件100的侧视图，其中消音器102邻近于转子叶片16的后缘28。更具体而言，如示出的，示出在后缘28处的流线130。因此，如示出的，本公开的(多个)消音器102的弧形/弯曲特征在吸入侧表面108与压力侧表面110之间产生压力差，并且以进一步减少低频噪音的方式引导流线130。因为(多个)锯齿本体的部分延伸到接近边界的层中，所以噪音的此类减少发生。此外，纵向涡流形成在流线型锯齿齿本体上，由此影响上游流。
尽管本发明的各种实施例的特定特征可在一些附图中示出并且在其它附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征组合来提及和/或要求权利。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种用于风力涡轮(10)的转子叶片组件(100)，所述转子叶片组件(100)包括：
转子叶片(16)，其具有限定压力侧(22)、吸入侧(24)、前缘(26)以及后缘(28)的表面，在叶片末端(32)与叶片根部(34)之间延伸；以及，
至少一个消音器(102)，其邻近于所述后缘(28)，所述至少一个消音器(102)包括至少一个锯齿(104)，所述至少一个锯齿(104)在所述转子叶片(16)的弦向方向上延伸超过所述后缘(28)，所述至少一个锯齿(104)包括吸入侧表面(108)和压力侧表面(110)，它们沿着所述至少一个锯齿(104)的横向方向(112)的至少一部分一起限定潘托截面形状，所述吸入侧表面(108)在所述弦向方向上限定第一曲率半径(116)，所述压力侧表面(110)在所述弦向方向上限定第二曲率半径(118)。
2.根据权利要求1所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述至少一个消音器(102)还包括基部部分(106)，所述基部部分(106)装固并邻近于所述转子叶片的所述压力侧(22)或所述吸入侧(24)中的至少一个，所述至少一个锯齿(104)从所述基部部分(106)延伸。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述第一曲率半径(116)和所述第二曲率半径(118)为不同的。
4.根据权利要求3所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述第一曲率半径(116)大于所述第二曲率半径(118)，使得所述吸入侧表面(108)比所述压力侧表面(110)平坦。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述第一曲率半径(116)和所述第二曲率半径(118)为相等的。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述吸入侧表面(108)的所述第一曲率半径(116)或所述压力侧表面(110)的所述第二曲率半径(118)中的至少一个沿着所述至少一个锯齿(104)的纵向方向(114)的至少一部分变化。
7.根据权利要求6所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述至少一个锯齿(104)的所述吸入侧表面(108)的所述第一曲率半径(116)从第一端部至相对的第二端部沿着所述至少一个锯齿(104)的所述纵向方向(114)的至少一部分增加。
8.根据权利要求6所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述至少一个锯齿(104)的所述压力侧表面(110)的所述第二曲率半径(118)从第一端部至相对的第二端部沿着所述至少一个锯齿(104)的所述纵向方向(114)的至少一部分增加。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述至少一个锯齿(104)的襟翼角相对于所述转子叶片的翼弦从大约-30度(°)到+30°变化。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述至少一个锯齿(104)包括限定最远端的末端的末端端部，所述末端端部包括圆锥形形状。
11.根据权利要求2所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述基部部分(106)邻近于所述转子叶片的所述压力侧(22)。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述至少一个锯齿(104)的至少一部分为中空的。
13.根据权利要求2所述的转子叶片组件(100)，其特征在于，所述基部部分(106)的截面形状为锥形的。
14.一种用于风力涡轮(10)的转子叶片(16)的消音器(102)，所述消音器(102)包括：
基部部分(106)，其构造用于在所述转子叶片的后缘(28)处装固于所述转子叶片的压力侧(22)或吸入侧(24)中的至少一个；以及，
至少一个消音器(102)，其邻近于所述后缘(28)，所述至少一个消音器(102)包括邻近于所述转子叶片的所述压力侧(22)或所述吸入侧(24)中的至少一个的基部部分(106)，和从所述基部部分(106)延伸的至少一个锯齿(104)，所述至少一个锯齿(104)在所述转子叶片的弦向方向上延伸超过所述后缘(28)，所述至少一个锯齿(104)包括吸入侧表面(108)和压力侧表面(110)，它们在所述至少一个锯齿(104)的纵向方向(114)上一起限定翼型截面形状，
其中所述至少一个锯齿(104)的所述翼型截面形状在所述至少一个锯齿(104)的横向方向(112)上变化。
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