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TWI541433B - 轉子葉片之後緣 - Google Patents

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TWI541433B
TWI541433B TW102144972A TW102144972A TWI541433B TW I541433 B TWI541433 B TW I541433B TW 102144972 A TW102144972 A TW 102144972A TW 102144972 A TW102144972 A TW 102144972A TW I541433 B TWI541433 B TW I541433B
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Taiwan
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trailing edge
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rotor
peak height
Prior art date
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TW102144972A
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TW201441485A (zh
Inventor
安德烈 奧特米庫斯
穆罕默德 坎魯薩曼
Original Assignee
渥班資產公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Application filed by 渥班資產公司 filed Critical 渥班資產公司
Publication of TW201441485A publication Critical patent/TW201441485A/zh
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Description

轉子葉片之後緣
本發明分別係關於一風力發電設施之一轉子葉片之後緣之設計，或係關於一種用於計算欲產生之一後緣之方法。此外，本發明係關於用於一轉子葉片之一後緣且本發明係關於具有一後緣之一轉子葉片。此外，本發明係關於具有至少一個具有一後緣之轉子葉片之一風力發電設施。
風力發電設施係通常習知的且圖1展示一習知風力發電設施。該轉子葉片或該等轉子葉片之設計分別係對風力發電設施之效率較重要之一態樣。除了轉子葉片之基本輪廓外，該轉子葉片後緣亦對轉子葉片之行為具有一影響。
在此內容脈絡中，分別亦已提出鋸齒形狀後緣或具有具有複數個尖峰之一鋸齒狀輪廓之後緣。然而，提供此一鋸齒形狀後緣可係昂貴的且存在提供一鋸齒狀後緣或鋸齒形狀後緣分別將形成與效應不成比例之一費用之一風險。
自EP 0 653 367 A1，知曉後緣在轉子葉片之主翼樑之縱向方向中宜係鋸齒形狀，以便減少噪音位準。
自EP 1 314 885 B1，知曉後緣在轉子葉片之主翼樑之縱向方向中宜係鋸齒形狀，且同時撓性，以便增加轉子葉片施加於發電機上之扭矩。
本發明之目的係解決上文所提及問題中之至少一者。特定而言，應提出進一步增加一風力發電設施之一轉子葉片之效率之一解決 方案。
特定而言，本發明之目的係進一步增加一轉子葉片之效率而不增加噪音效應。應至少提供一替代解決方案。
出於此目的，提出一轉子葉片，該轉子葉片之後緣經設計沿該轉子葉片之主翼樑之縱向方向呈一鋸齒形狀，其中距離及/或長度在功能上分別取決於葉片輪廓處之局部流動狀況及自其形成之紊流邊界層之厚度，或取決於在其中形成壓力波動之情況下紊流包(bales of turbulence)之相干長度尺度。個別齒之長度應較佳逐齒改變。
因此，提出一鋸齒形狀後緣，該鋸齒形狀後緣因此具有複數個尖峰或齒(該等術語在此處同義使用)，該等尖峰或齒遠離轉子葉片(基本上朝向後方，即背對轉子之意欲旋轉移動之側)漸縮至一點。因此，分別兩個尖峰或齒之間的空間沿轉子葉片之方向漸縮至一點。此等尖峰具有一高度，即自基線(在基線處空間漸縮至一終點)至冠狀線(在冠狀線處尖峰漸縮至一終點，如同冠狀線連接尖峰尖端一般)之距離。此基線及此冠狀線可係彎曲線且可沿著葉片之長度彼此具有一可變距離。
各別齒之長度可分別同義稱為齒之高度或尖峰之高度，因此作為尖峰高度。
根據本發明，提出如技術方案1之一種用於計算欲產生之一後緣之方法。因此，提出一種欲產生用於一風力發電設施之一空氣動力轉子之一轉子葉片之後緣。轉子葉片具有相對於此轉子之徑向位置，在該等徑向位置中分別將使用或使用轉子葉片。後緣及轉子葉片之一徑向位置因此始終參考此轉子，因此參考距離該轉子之旋轉軸之距離。此方法亦用作初始尚未安裝之一轉子葉片之一基礎。一風力發電設施之一轉子葉片基本上適合於一特定風力發電設施，特定而言，適合於具有此轉子葉片及通常兩個額外轉子葉片之轉子。
出於彼目的，轉子葉片在每一徑向位置處具有一局部葉片輪廓。換言之，每一葉片輪廓取決於其徑向位置具有其特有葉片輪廓。
後緣具有具有複數個尖峰之一鋸齒狀輪廓(其亦可稱為鋸齒形狀)。此處，個別尖峰基本上鏡像對稱，且因此具有兩個傾斜、大致相同齒腹。特定而言，此等齒並非規則地具有一垂直齒腹及一傾斜齒腹，而是兩個傾斜齒腹。
每一尖峰具有一尖峰高度及一尖峰寬度。尖峰高度係上文已闡述之一基線與一冠狀線之間的距離。尖峰寬度係漸縮至一點之兩個空間之各別端部之距離，該等空間定界尖峰。作為一第一近似，尖峰之寬度係自其尖峰尖端至一毗鄰尖峰之尖峰尖端之距離。一所提出尖峰形狀後緣之此等尖峰較佳地彼此不同，然而，此不同對緊鄰尖峰而言相當小。
現在提出依據尖峰之徑向位置計算尖峰高度及另外或替代地尖峰寬度。因此，取決於每一尖峰之徑向位置，存在對每一尖峰之一單獨計算。因此，一後緣藉此形成具有諸多尖峰，該等尖峰經個別計算且因此可具有個別大小，該等大小特定而言分別隨著增加或減少徑向位置跨越轉子葉片之長度而準連續地改變。
較佳地依據尖峰之徑向位置之局部葉片輪廓計算尖峰高度及另外或替代地尖峰寬度。因此考量一尖峰之徑向位置之葉片輪廓或換言之在此徑向位置中之葉片輪廓之輪廓。
根據一項實施例，提出尖峰高度大於尖峰寬度且尖峰寬度係依據尖峰高度計算。針對此計算，尖峰高度對尖峰寬度之比率在0.5至10(特定而言，3至5)之範圍中。較佳地，該比率具有大致4之一值，特定而言，一值2。尖峰寬度λ可因此根據以下公式依據尖峰高度H計算：λ=H/k n 其中k N =[0,5...10]，特定而言k N =2
尖峰因此相當窄，且特定而言漸縮成一銳角。此範圍中之一比率已證明尤其有利於使噪音最小化，至少針對彼等個別計算尖峰。尤其在尖峰高度與尖峰寬度成一固定比率之情形中，無論首先計算尖峰高度且然後依據其計算尖峰寬度，或無論首先計算尖峰寬度且然後依據其計算尖峰高度，結果相同。
尖峰較佳地具有不同尖峰寬度及/或不同尖峰高度且藉此彼此個別不同。
計算較佳經設立以使得在用於低風位置之後緣之情形中，尖峰之尖峰高度隨著後緣之尖峰之徑向位置之半徑增加而相對於輪廓深度減少，而在用於強風位置之後緣之情形中，尖峰之尖峰高度隨著後緣之尖峰之徑向位置之半徑增加而相對於輪廓深度增加。此歸因於特定風級葉片設計。
在風能行業中，根據風級分類場地係常見的。通常，較強風可預期位於強風位置中，其特定而言存在於沿海地區或海域位置中。風力發電設施(特定而言，轉子葉片)相應地經設計，即，以使得其可耐受強風，且風力發電設施可藉此亦操作以使得其能夠比在用於低風位置之一風力發電設施之情況下自風捕獲較少能量。
因此，用於低風位置之風力發電設施(其特定而言在島嶼位置處佔優勢)經設計以使得其不需要能夠耐受強風，或至少在操作期間不需要能夠耐受強風，但必須至少針對風力加以調節，針對此，用於一強風位置之一風力發電設施將不需要調節。繼而，用於低風位置之此類之一風力發電設施可在弱風中捕獲更多能量。熟習此項技術者熟習此種類之分類且在某些情形中可區分甚至更多子分類。
根據一項實施例，藉此提出計算經設立以使得尖峰高度隨著半徑增加而相對於用於低風位置之風力發電設施之轉子葉片之輪廓深度減少。舉例而言，在用於一低風位置之一後緣之情形中，針對一標準 化半徑之尖峰高度H之改變之斜率 特定而言=-20
可相對於半徑係自0.6至0.8。因此，存在尖峰高度之一減少，且此處在計數器中考量與輪廓深度c有關之尖峰高度H，且在計數器中考量與轉子葉片之最大半徑R有關之半徑r。與輪廓深度有關之尖峰高度較佳地具有介於r/R=0.75與r/R=0.9之間的一常數數列，且在r/R=0.9下再依據最大半徑R第一次下降。此亦在圖10中圖解說明。
針對用於相同功率級但用於一強風位置之一風力發電設施之一後緣，對應比率可係正的且可由於尖峰高度(其亦可稱為尖峰深度)增加而具有一值+20。尖峰高度在0.85r/R下達到一最大值且然後經歷一嚴格單調下降至葉片尖端。
基於風級之後緣之此一計算適應根據分級產生之各種問題。
尖峰高度及/或尖峰寬度較佳地藉助於一多項式關係，較佳地一四次至八次多項式關係，特定而言五次或六次，特定而言針對低風位置為六次且針對強風位置為五次，依據該尖峰之局部半徑而計算。尖峰高度之特性進展可在低風位置與強風位置之間基本上不同。此可藉由針對低風位置及強風位置使用不同等級之多項式計算出。
計算較佳地取決於一或多個預期噪音頻譜。另外或替代地，計算取決於一或多個操作點。因此提出，針對至少一個操作點具體考量風力發電設施之行為。在此態樣中，此種類之一操作點係一理想化、平穩操作點，其特定而言係由一風速、風力發電設施之轉子之一旋轉速度及/或由風力發電設施產生之功率定義。轉子葉片與風之葉片角度亦可影響此操作點。
現在針對至少一個此操作點判定一預期噪音頻譜，即，依據此噪音之頻率之一噪音位準或一聲音位準或一噪音臨限值。通常，此導 致具有一最大值之一頻率相依進展。此頻譜包含於計算中。特定而言，考量在其下達到此最大值之此頻譜之頻率。此頻率可稱為峰值頻率或最大頻率，且在德國亦通常稱為「峰值頻率」。若操作點現在經修改，則產生一新頻譜及因此一新峰值頻率。因此，可在複數個操作點處針對每一個別尖峰記錄頻率頻譜及因此峰值頻率值。為計算相關尖峰，出於彼目的使用一峰值頻率，且一個峰值頻率可自經判定之複數個峰值頻率當中選擇。所使用之峰值頻率亦可係來自所記錄之複數個峰值頻率之一平均值。頻率頻譜之記錄及評估亦作為圖6中之實例加以闡釋。
為記錄此等頻率頻譜及最終各別峰值頻率，可能在一風洞中進行測試。同樣地，存在可用於判定此種類之頻譜及峰值頻率之模擬方法。
設定操作點以及(若適用)對操作點之修改特定而言基於實際操作點。此處，一風力發電設施之諸多控制程序工作以使得一操作點基本上指派至每一風速。當諸如不同位準之紊流、極強風或極其強烈增加或減少風之效應藉助於簡化自考量因素省略時，可至少藉助於簡化假設上述情形。因此兩個或三個或四個特定操作點較佳地選自風速範圍，此可涵蓋所討論之風力發電設施。
經指派至各別操作點之有效流速較佳地包含於各別尖峰(特定而言，尖峰高度)之計算中。有效或局部流動速度Veff係由處於適當位置處(因此處於適當徑向位置處)之轉子葉片之觀點由風速及處於此位置處之轉子葉片之移動速度之向量相加而產生之速度。
較佳地取決於各別局部輪廓實施計算。因此，輪廓包含於計算中或亦可包含於在風洞中之測試期間進行之量測中。局部流動速度亦可取決於轉子葉片之輪廓及/或位置且因此取決於輪廓之位置。
一選配徑向位置之尖峰高度H之計算係較佳地基於相關聯流動速 度Veff、一操作點之噪音頻譜之相關聯峰值頻率fpeak且取決於一預定因子k(其可根據經驗判定且其(舉例而言)亦可作為一經驗值存在)而實施。在此基礎上，然後可根據公式計算尖峰高度H：
此計算係基於以下考量因素。
尖峰高度H係根據以下方程式依據分別在Corcos模型[3]之意義內且藉助於Corcos模型[3]之紊流壓力波動之相干長度尺度Λ p,3或Λ p3且藉由使用一常數因子c2來計算：H=c 2．Λ p3。
因子c2可自(舉例而言)測試量測而根據經驗判定。經驗值亦可用於c2。Λ p3係其中使用轉子葉片之轉子之半徑之一函數。相干長度尺度Λ p3可根據以下計算依據對流速度Uc及峰值頻率fpeak(其在德語國家亦稱為峰值頻率)計算：
對流速度Uc係根據以下方程式藉助於常數c1依據分別處於葉片輪廓處之有效或局部流動速度Veff計算，常數c1可透過測試或模擬根據經驗判定且特定而言具有值0.7(c1=0.7)：U c =c 1．V eff
有效或局部流動速度Veff分別藉助於一葉片元件動量方法(其亦稱為縮寫字BEM(用英語表達，「Blade Element Momentum(葉片元件動量)」方法))計算。
轉子葉片之螺距角、轉子之旋轉速度、風速以及處於徑向位置處之葉片輪廓之具體半徑及葉片輪廓以及其在轉子葉片上之局部扭轉角包含於此計算中，針對其將計算流動速度Veff及因此尖峰高度H。因此針對一特定操作點實施計算。
峰值頻率fpeak係在其下相對於轉子針對正檢查之操作點及正檢查之轉子葉片上之徑向位置分別發生或將預期之最大噪音位準之頻率。因此，其係在其下一後緣噪音頻譜或後緣聲音頻譜分別處於其最大值之頻率。
峰值頻率fpeak可根據經驗判定，舉例而言，藉由在風洞中進行專用實驗，舉例而言，在風洞樣品之後緣處運用動態壓力感測器，或可針對局部雷諾數Re使用一數值空氣聲學模擬來計算。局部雷諾數係自局部傾角α、局部流動速度及局部輪廓深度獲得且亦可因此使用指定BEM獲得。此外，亦包含局部葉片輪廓之二維輪廓幾何形狀。
尖峰高度H因此係根據以下公式依據以下流動速度Veff對噪音頻譜之峰值頻率fpeak之比率計算：
其中
此處，Veff及fpeak係取決於轉子葉片之葉片角度、轉子之旋轉速度、風速以及轉子葉片上之徑向位置之葉片輪廓之具體半徑及葉片輪廓，針對其將判定尖峰高度H。
此外根據本發明提出的係一種如技術方案9之後緣。此一後緣藉由一鋸齒狀輪廓加以區別，該鋸齒狀輪廓具有若干尖峰，該等尖峰具有一尖峰高度及尖峰寬度，其中該尖峰高度及/或該尖峰寬度取決於其徑向位置及/或其徑向位置之局部葉片輪廓。
因此，如用於計算欲產生之一後緣之所闡述方法之至少一項實施例產生關係、闡釋及優點。
較佳地提出使用如上文所闡述之實施例中之一者之一方法來計算之一後緣。
用於一轉子葉片之一後緣亦可稱為一轉子葉片後緣。
尖峰高度H之計算較佳地針對一預定徑向位置藉助以下公式考量一常數因子c2，依據對應相干長度尺度Λ p3實施：H=c2．Λ p3。
因此，針對對應半徑之尖峰，針對相同半徑之相干長度尺度包含於計算中。相干長度尺度Λ p3係取決於轉子之半徑之一函數，且因此，取決於半徑之一函數針對後緣之尖峰高度產生。然而，此函數之振幅可藉助於常數因子c2成比例地增加或減少，藉此此函數之基本數列不改變。一範圍可由具有一極其小c2之一曲線及具有一極其大c2之一額外曲線覆蓋，其中可選擇關於尖峰高度之一有利函數。
較佳地提出如至少一項所闡述實施例之具有一後緣之用於一風力發電設施之一轉子葉片。
另外，較佳地提出具有一個且特定而言三個此等轉子葉片之一風力發電設施。
基於實例且參考圖之對本發明之闡釋係基本上示意性且各別圖中所闡釋之元件可為圖解說明起見而擴大而其他元件可簡化。因此，舉例而言，圖1示意性圖解說明一風力發電設施以使得所提供尖峰形狀後緣不可見。
圖1展示具有一塔架102及一機艙104之一風力發電設施100。具有三個轉子葉片108及一旋轉體110之一轉子106配置於機艙104上。轉子106藉由風以一旋轉移動而進行操作且藉此驅動機艙104中之一發電機。
圖2展示具有轉子葉片後緣1(其為簡潔起見，亦稱為一後緣)之一轉子葉片2之一示意圖。轉子葉片如所意欲附接至一輪轂4(其在此處僅示意性指示)以便繞輪轂4之一旋轉軸6旋轉。
後緣1具有一鋸齒狀輪廓，該鋸齒狀輪廓具有複數個尖峰8，該複數個尖峰8沿著轉子葉片2毗鄰安置。具有尖峰8之此後緣1此處僅配 置於轉子葉片2之外部半體上。每一尖峰具有一徑向位置，該徑向位置與旋轉軸6相關。第一尖峰8在半徑r1處開始且最後尖峰8在半徑r2處結束，半徑r2同時相對於旋轉軸6對應於轉子葉片2之總半徑R。
每一尖峰8具有一高度H，該高度H取決於個別半徑r。尖峰8之高度H因此係半徑r之一函數：H=f(r)。
因此，半徑r1處之尖峰8之高度係高度H(r1)，且最後尖峰之高度H係高度H(r2)。每一尖峰8之寬度在圖2中用希臘字母λ指示，該寬度同樣取決於各別半徑r且因此表示為λ(r)。
每一尖峰8具有一尖峰尖端10且在每對尖峰8之間存在具有之一凹部頂點12之一凹部。連接尖峰尖端10之一線可稱為一冠狀線14且在圖2中展示為一虛線。一基線16連接凹部之定點12且可如在圖2中之所圖解說明之實例中之情形圖解說明轉子葉片2之一後位線，若所示之鋸齒狀後緣1不存在，則該後位線將形成轉子葉片2之一後緣。
冠狀線14與基線16之間的距離並非恆定，且針對各別半徑r，指示配置於其上之尖峰8之高度H。因此，尖峰8之高度H取決於轉子葉片2之局部半徑r而改變。針對佈局或附接，複數個尖峰8可分組，如所示寬度B1及B2指示。尖峰8(特定而言，尖峰8之高度H)之計算取決於各別葉片輪廓之輪廓，且出於圖解說明之目的呈現此種類之此一葉片輪廓18。
寬度λ或λ(r)分別亦可隨半徑r改變，且特定而言，與各別尖峰8之高度H成一固定比率。此比率較佳係2，以使得一尖峰8之高度H之大小因此係相同尖峰之寬度λ的兩倍。根據其他實施例，若高度H對寬度λ之比率顯著大於2，則其可尤其有用於製造考量因素以形成當前尖峰8以使得其係矩形或大致矩形，以使得針對後緣形成一梳狀結構，或後緣具有鈍鋸齒狀物而非尖峰。
圖3展示一轉子葉片2，然而，該轉子葉片可不同於圖2中之轉子葉片2。圖3中之此轉子葉片2具有一前緣20及一後緣1，為清晰起見，此處未展示其尖峰狀進展。具有前緣20及後緣1之此轉子葉片2圖解說明一強風力渦輪機之一轉子葉片之一基本形式。作為與該基本形式之一比較，一後緣1'經展示為一虛線，其屬於一低風力渦輪機之一轉子葉片2，因此屬於用於低風位置之一風力發電設施。出於圖解說明之目的，展示旋轉軸6，以便圖解說明葉片2之旋轉方向及呈現面向輪轂之轉子葉片2之側，因此面向旋轉軸6。
在任何情形中，在圖3中之圖解說明中可看到，一低風力渦輪機之一轉子葉片具有與一強風力渦輪機之一轉子葉片類似之一設計，尤其在外部區。圖3僅意欲圖解說明上述情形且必須指出可預期一低風力渦輪機之一轉子葉片將往往較長，因此具有比相同功率等級之一低風力渦輪機之一轉子葉片大之一半徑。
圖4圖解說明一風力發電設施之一轉子葉片2之流動狀況。舉例而言，圖4藉此展示可係根據圖2之葉片輪廓18之一葉片輪廓。流入風22(其在此處簡單展示為一線)在轉子葉片2處在轉子葉片之前緣20之區中分流且最初以一層流連續。特定而言，在壓力側24直至後緣1之附近上存在風流之一層流。其中可形成紊流或渦流之一邊界層形成於吸入側26處。邊界層之厚度隨愈來愈接近於後緣而增加。厚度此處展示為δ 1。邊界層之厚度δ 1朝向後緣1之此增加導致在後緣1之區中產生對應較大之紊流或渦流。特定而言，所謂紊流包在後緣1之彼區中相遇。分別藉由所提出尖峰形狀後緣至少部分地分裂此等紊流包或防止其形成。出於此目的，尖峰8之齒腹之傾斜(根據圖2)應儘可能地調整以適應於此等紊流包。尖峰8之大小或此等尖峰之間的空間亦應儘可能調整以適應於此等紊流包。因此，已發現，尖峰及此等尖峰之間的空間不能過大或過小。若其係大的，則此等紊流包可在兩個尖峰之間 徘徊。若尖峰過小，則其將對該等紊流包具有極其小影響。藉此發現，該等紊流包之大小及方式可取決於其發生處之半徑。尖峰藉此適應於此等半徑相依之紊流包。
圖5展示依據半徑r之一後緣1之尖峰8之高度H之一樣本進展。所示之進展係一強風力渦輪機之一轉子葉片之進展。高度H藉此初始隨半徑r增加而增加，且然後再隨半徑r繼續增加而減少。中間曲線H1展示此進展。另外，展示一曲線H2，其展示高度H之一極其低可能進展，且相應地展示一曲線H3，其對應地展示高度H之一極其大值之進展。此等曲線H2及H3可形成限制曲線，在該等限制曲線內較佳地選擇一曲線H1。
圖6展示四個頻率頻譜：SPC1、SPC2、SPC3及SPC4。此等頻率頻譜係針對四個經選擇樣本半徑位置處之基本風力發電設施之一設施操作點之噪音頻譜或聲音頻譜。分別在半徑位置r1=0.39、r2=0.606、r3=0.779或r4=0.989處記錄此等四種頻率頻譜SPC1、SPC2、SPC3及SPC4。出於此目的，相應地選擇峰值頻率fpeak1、fpeak2、fpeak3及fpeak4。此等噪音頻譜中之每一者具有一最大點且對應頻率進一步用作如所述之峰值頻率fpeak。當在風力發電設施之一操作點處之轉子葉片之不同徑向位置處記錄噪音頻譜時產生此一結果。依據其可判定峰值頻率之最大值之一半徑相依函數及/或所得經計算尖峰高度H(r)之一半徑相依函數。
圖7展示一轉子葉片2之一樣本葉片輪廓18之局部空氣動力參數，轉子葉片沿著轉子平面28以旋轉速度Ω旋轉，一BEM計算需要該等參數或該等參數分別藉助BEM計算而計算。針對轉子之旋轉速度Ω獲得一向量，該向量與旋轉速度之實際方向相反，以便指示與該運動相反之一相關聯、經計算風力。此經計算風力與風力或風速VW之向量相加因此導致一有效流動速度Veff。
圖7藉此圖解說明轉子之旋轉速度Ω，有效葉片角度α，局部安裝角β(其包括轉子葉片之螺距角及扭轉角)，以及傾角π。亦標繪所示葉片輪廓18之局部輪廓深度c。此外，下表中闡釋相關變數。
結合一BEM計算之使用可在參考文獻[1]中找到。
特定而言，現在亦可計算相干長度尺度。
根據以下方程式使用Corcos模型[3]計算紊流壓力波動之半徑/跨距寬度相干長度尺度，
其中U c =c 1．V eff
c1係具有一值0.7之一常數。Uc稱為對流速度。半徑/跨距寬度位置r之葉片輪廓上之有效或局部流動速度Veff係使用一葉片元件動量方法(BEM)藉由一計算判定，參見圖7。BEM亦提供所有其他需要的局部流動參數，諸如有效葉片角度α，雷諾(Re)數及馬赫(Ma)數。參數fpeak係在其下邊界層之後緣噪音頻譜達到其最大值之頻率。此參數可藉助於對輪廓之專用風洞實驗(其中量測輪廓之後緣之中間附近中之一點處之紊流邊界層之壁壓波動之頻率頻譜)判定，或可使用任何理論噪音預測模型來在數值上加以判定。
噪音頻譜及峰值頻率fpeak可根據經驗判定，舉例而言，藉由在風洞中進行專用實驗，舉例而言，在風洞樣品之後緣處運用動態壓力感測器，或可針對局部雷諾數Re使用一數值空氣聲學模擬來計算。局部雷諾數係自局部傾角α、局部流動速度及局部輪廓深度獲得且亦可因此使用指定BEM獲得。此外，亦包含局部葉片輪廓之二維輪廓幾何形狀。
Λ p3係透過使用上文所闡述程序針對沿著葉片跨距寬度之每一輪廓判定。
以下公式用於定義後緣尖峰之局部幾何尺寸：尖峰高度H依據無因次半徑
且尖峰距離
其中c2=const係在自4至15之值範圍中之一經驗常數。在一較佳實施例中，c2=8。
圖8展示圖解說明針對一操作點之依據半徑之峰值頻率fpeak之一圖式。峰值頻率fpeak1至fpeak4對應於圖6中之彼等頻率且如圖6中所闡述獲得。在圖解說明中，針對半徑選擇一無因次圖解說明，即半徑r經標準化至最大半徑R。藉助於圖解說明，已標繪係半徑r之一函數之諸多所記錄峰值頻率且每一峰值頻率由一線連接。圖解說明展示峰值頻率亦隨著半徑增加變高。因此，在此圖解說明中可看到，最大噪音或最大聲音之頻率分別隨著半徑r增加而移位至較高值。此可藉由紊流包(其亦可稱為紊流渦流)隨半徑增加而變小之事實闡釋。
圖9展示依據經標準化至最大半徑R之半徑r之尖峰高度H。在此圖式中，如在圖10中之圖式中，僅展示經檢查之轉子葉片之外部三分之一之區。存在圖式中所示依據標準化半徑之11個離散值Hr，每一離散值經繪示為一小正方形。藉由針對每一各別半徑判定一單個峰值頻率來獨立記錄此等值。此等離散尖峰高度Hr全部關於相同操作點。現在針對此等離散值Hr判定一函數相關(其經圖解說明為曲線H8)。此曲線H8表示對此等離散記錄值Hr之一多項式近似。舉例而言，可藉由使標準差或差之平方之總和最小化，實施藉助於多項式之此一方法。在 原則上，可使用其他方法，諸如例如，一較高或較低次之一多項式。此近似進展H8亦可經指定為H=c 2．Λ p3，其中此處c2具有值8(c2=8)。藉此因此判定之此半徑相依函數H8指示針對一操作點依據半徑之尖峰之高度之進展。針對其他操作點，存在尖峰高度H之其他進展，其可由c2之另一值表達。
因此，進展H4及H10展示其他操作點之尖峰高度H之對應進展，其中操作點等於分別針對所示之半徑中之每一者之各別曲線H4或H10。已發現，包含針對其他操作點之離散Hr'值係非必要的且修改常數c2係足以用較佳準確度表示針對此種類之其他操作點之依據半徑之尖峰高度H之進展。
圖9展示針對具有一設計尖端速度比7之一強風力渦輪機(即，針對Enercon之具有型號E82之一風力發電設施)之相關性。圖10展示極其類似於圖9之進展，但係針對一低風力渦輪機，即，來自Enercon之一E92-1型號設施。亦在此情形中，展示針對不同操作點之高度進展H，且為改良之清晰起見，使用與圖9中相同之名稱。因此針對一操作點存在一函數H8，其藉助於一個五次多項式近似多個離散記錄值Hr。分別針對其他操作點產生進展H4或H10。進展H8、H4及H10分別基於函數相關性H=c 2．Λ p3，其中c 2=8、c 2=4或c 2=10。
為沿著跨距寬度獲得一連續進展，因此在各種離散跨距寬度位置處計算且將其用於藉助於一最佳曲線擬合來定義一個六次多項式。如此做，多項式元(即，至)之數目用於指定階且因此此指定一五次多項式。
在根據圖9之實例之情形中，依據無因次葉片半徑之關於尖峰高度H之所得五次多項式係：
產生較佳進展(其在圖9中展示為進展H8)，其中c2=8。
設計範圍在圖9中藉由限制曲線H4(其中c2=4)以及H10(其中c2=10)表示。具有方形符號之線繪示在離散位置處計算之Λ p3值之進展。
圖10藉此展示關於具有一尖端速度比9之一低風力渦輪機之設計。此外，設計範圍如圖9中所示具有H4(針對c2=4)且具有H10(針對c2=10)。具有方形符號之線繪示在離散位置處計算之Λ p3值之進展。
此處，一連續進展之六次多項式如下：
產生較佳進展(其在圖10中圖解說明為H8)，其中c2=8。
多項式之域在一無因次半徑至1.0內擴展。在較佳情形中，範圍在至1.0之間，然而最小必須涵蓋自0.7至1.0之一範圍。
若考量之一進展，則必須存在對Λ p3值之一額外計算且多項式元之因子必須自適應。
如此做，經計算之局部Λ p3值取決於所考量之風力發電設施之操作點處之局部流動狀況。因此，尖峰高度及距離之最終尺寸(或等效)必須經選擇以使得鋸齒狀後緣在風力發電設施之一經選擇操作點處有效，最佳地標稱規格。
藉助於Corcos模型對之計算並非平凡，且可藉助於接近輪廓之後緣之風洞中之壁壓波動量測之一兩點相關性而更精確地進行，如參考文獻[2]中所闡明。
圖11展示分別針對一或兩項實施例之尖峰高度之進展之一圖式，該等高度針對強風及低風設計在無因次半徑內針對各別局部輪廓深度調整。可看到，針對強風之設計具有一不同特性。提出，將上述情形 在尖峰高度之設計中納入考量。
此處，圖12a且此外圖12b、圖13a及圖13b經計算以調整。可看到，尖峰高度H實質上自一小局部半徑r1至一大局部半徑r2減少。為圖解說明上述情形，針對小半徑r1獲得尖峰高度H1且針對大半徑r2獲得小尖峰高度H2。此處，所示後緣經單獨圖解說明且必須仍安裝於用於一強風力渦輪機之一轉子葉片上。此處，所示後緣1具有大致12米之一長度。可看到，高度H1顯著大於高度H2且尖峰8之尖峰高度H初始保持相同且然後在大半徑(亦即，外徑)r2處急劇下降。由於同時區分輪廓深度，尖峰8之相對尖峰高度H因此初始增加，即與各別輪廓深度有關之尖峰高度，且然後在轉子葉片之端部處(即，在r2處)下降。
根據圖12b之透視圖解說明再次圖解說明尖峰高度之進展。在兩個圖中可看到，連同尖峰高度，尖峰寬度或尖峰距離減小。
圖13a及圖13b關於用於一低風力渦輪機之一後緣1。亦可看到，存在自尖峰高度H1至尖峰高度H2(即，自一小半徑r1至一大半徑r2)之一實質減少。一方面之圖13a與另一方面之圖12a及圖12b的半徑r1及r2在大小上彼此不同.同時一方面之圖12及圖12b及另一方面之圖13a中之兩個後緣1經提供用於各別轉子葉片之一外部三分之一。另外，兩個後緣1進一步經劃分成分段S1至S5，其中不管不同後緣1如何，而使用相同元件符號以便促進一比較。圖13a之後緣1之第五分段S5亦經劃分成額外子分段。在圖13a中，可看到，尖峰高度H已在第二分段中減少，而根據圖12之強風力渦輪機之後緣之第二分段之一減少在第二分段S2中不可識別且不存在。在彼方面，根據圖12a及圖12b之用於強風力渦輪機之後緣1之尖峰高度H之高度進展不同於用於一低風力渦輪機之根據圖13a之進展。
圖13b亦展示低風力渦輪機之後緣1之一區段，以便闡明尖峰8之(特定而言)一可能結構化實施例。因此，可初始看到，尖峰8沿著一 基底30彼此連接。沿著基線或基底16(凹部之頂點12亦配置於其處)量測尖峰高度H，圖13b亦展示尖峰尖端10可具備一稍微圓形。
[1] B.H. Bulder、S.A.M. Barhorst、J.G. Schepers、F. Hagg的Theory and User Manual BLADOPT，ECN report，2011年8月
[2] M. S. Howe。Acoustics of Fluid-Structure Interactions。Cambridge University Press，線上版ISBN：9780511662898，精裝本ISBN：9780521633208，平裝本ISBN：9780521054287 edition，1998年。
[3] G. M. Corcos。The structure of the turbulent pressure field in boundary-layer flows。Journal of Fluid Mechanics。18：353-378。1964年。
[4] Andreas Herrig，Validation and Application of a Hot-Wire based Method for Trailing-Edge Noise Measurements on Airfoils，PhD Thesis，University of Stuttgart，2011年，ISBN 978-3-8439-0578。
自一製造立場，較佳地形成所要進展，此乃因藉助於一自動化電腦控制切割程序來機械加工一預定義後凸緣。
1‧‧‧轉子葉片後緣/後緣/鋸齒狀後緣
1'‧‧‧後緣
2‧‧‧轉子葉片/葉片
4‧‧‧輪轂
6‧‧‧旋轉軸
8‧‧‧尖峰
10‧‧‧尖峰尖端
12‧‧‧凹部頂點/頂點
14‧‧‧冠狀線
16‧‧‧基線/基底
18‧‧‧葉片輪廓
20‧‧‧前緣
22‧‧‧流入風
24‧‧‧壓力側
26‧‧‧吸入側
28‧‧‧轉子平面
30‧‧‧基底
100‧‧‧風力發電設施
102‧‧‧塔架
104‧‧‧機艙
106‧‧‧轉子
108‧‧‧轉子葉片
110‧‧‧旋轉體
B1‧‧‧寬度
B2‧‧‧寬度
c‧‧‧輪廓深度/局部輪廓深度
c1‧‧‧常數
cd‧‧‧阻力係數
cn‧‧‧法向力係數
ct‧‧‧切向力係數
fpeak1‧‧‧峰值頻率
fpeak2‧‧‧峰值頻率
fpeak3‧‧‧峰值頻率
fpeak4‧‧‧峰值頻率
H‧‧‧尖峰高度/高度
H1‧‧‧中間曲線/尖峰高度/高度
H2‧‧‧曲線/尖峰高度
H3‧‧‧曲線
H4‧‧‧進展/曲線/限制曲線
H8‧‧‧進展/曲線/半徑相依函數/函數
H10‧‧‧進展/曲線/限制曲線
Hr‧‧‧離散值/離散尖峰高度/離散值/離散記錄值
R‧‧‧最大半徑/最大半徑
r‧‧‧半徑/局部半徑/跨距寬度位置
r1‧‧‧半徑/半徑位置/小局部半徑
r2‧‧‧半徑/半徑位置/大局部半徑/大半徑/外徑
S1‧‧‧分段
S2‧‧‧分段/第二分段
S3‧‧‧分段
S4‧‧‧分段
S5‧‧‧分段/第五分段
SPC1‧‧‧頻率頻譜
SPC2‧‧‧頻率頻譜
SPC3‧‧‧頻率頻譜
SPC4‧‧‧頻率頻譜
Veff‧‧‧有效流動速度/局部流動速度/流動速度
Vw‧‧‧風速
α‧‧‧有效葉片角度
β‧‧‧局部安裝角
δ1‧‧‧厚度
π‧‧‧傾角
Ω‧‧‧旋轉速度
下文參考附圖使用作為實例之實施例更詳細闡述本發明。
圖1 展示一風力渦輪機之示意性透視圖。
圖2 展示具有帶有具有複數個尖峰之一鋸齒狀輪廓之一後緣之一轉子葉片之一示意圖。
圖3 在一俯視圖中展示一轉子葉片之一區段之一示意圖，具有用於一強風力渦輪機之一示意性外形且具有展示用於一低風力渦輪機之一偏離外形之一虛線。
圖4 展示具有一示意性圖解說明紊流區之一轉子葉片之一葉片輪廓之一示意圖。
圖5 展示依據半徑之根據至少一項實施例之尖峰高度H之進展之一示意圖。
圖6 展示一實施例之所選擇樣本半徑位置處之頻率頻譜。
圖7 展示係一BEM計算之基礎或分別藉助BEM計算而計算之局部空氣動力參數。
圖8 展示依據半徑之一實施例之峰值頻率。
圖9 展示針對一強風力渦輪機之依據半徑之尖峰高度H之不同可能進展之一圖式。
圖10展示針對一低風力渦輪機之依據半徑之尖峰高度H之不同可能進展之一圖式。
圖11展示針對強風及低風設計之經由無因次半徑針對各別局部輪廓深度調整之尖峰高度之進展之一圖式。
圖12a及圖12b 展示用於一強風力渦輪機之一後緣。
圖13a及圖13b 展示用於一低風力渦輪機之一後緣。
1‧‧‧轉子葉片後緣/後緣/鋸齒狀後緣
2‧‧‧轉子葉片/葉片
4‧‧‧輪轂
6‧‧‧旋轉軸
8‧‧‧尖峰
10‧‧‧尖峰尖端
14‧‧‧冠狀線
16‧‧‧基線/基底
18‧‧‧葉片輪廓
20‧‧‧前緣
B1‧‧‧寬度
B2‧‧‧寬度
r1‧‧‧半徑/半徑位置/小局部半徑
r2‧‧‧半徑/半徑位置/大局部半徑/大半徑/外徑

Claims (11)

  1. 一種用於計算欲產生用於一風力發電設施之一空氣動力轉子之一轉子葉片之一後緣之方法，其中該轉子葉片具有相對於該轉子之徑向位置，該轉子葉片具有取決於相對於該轉子之該等徑向位置之一局部葉片輪廓，且該後緣具有具有複數個尖峰之一鋸齒狀輪廓，其中每一尖峰具有一尖峰高度及一尖峰寬度，且該尖峰高度及該尖峰寬度中至少一者係依據該尖峰之該徑向位置或依據該尖峰之該徑向位置之該局部葉片輪廓而計算，其中，使用以下公式，考量一常數因子c2，依據一相干長度尺度Λρ3來計算該徑向位置之該尖峰高度H，該相干長度尺度Λρ3與該徑向位置之該尖峰相關聯H=c 2．Λρ3其中，該相干長度尺度Λρ3係根據以下計算依據一對流速度Uc及一峰值頻率fpeak計算 其中，該對流速度Uc係藉助於常數c1依據在該葉片輪廓處之該有效流動速度Veff計算。
  2. 如請求項1之方法，其中該尖峰高度大於該尖峰寬度，該尖峰寬度係依據該尖峰高度計算且因此該尖峰高度對該尖峰寬度之比率在0.5至10之範圍中。
  3. 如請求項1或2之方法， 其中該尖峰高度及該尖峰寬度中至少一者藉助於一個四次至八次多項式關係，而取決於該尖峰之局部半徑。
  4. 如請求項1或2之方法，其中該等尖峰具有相對於彼此變化之尖峰寬度及尖峰高度中至少一者。
  5. 如請求項1或2之方法，其中該計算包含設立該後緣以使得在針對低風位置之後緣之情形中與在針對強風位置之後緣之情形中相比，隨著該後緣之該等尖峰之該徑向位置之一半徑增加，該等尖峰之該尖峰高度在該後緣之該等尖峰中具有一較大減少，或該相同徑向位置之該尖峰高度在用於低風位置之風力發電設施之後緣之情形中比在相同功率等級之強風位置中之風力發電設施之後緣之情形中低。
  6. 一種用於計算欲產生用於一風力發電設施之一空氣動力轉子之一轉子葉片之一後緣之方法，其中該轉子葉片具有相對於該轉子之徑向位置，該轉子葉片具有取決於相對於該轉子之該等徑向位置之一局部葉片輪廓，且該後緣具有具有複數個尖峰之一鋸齒狀輪廓，其中每一尖峰具有一尖峰高度及一尖峰寬度，且該尖峰高度及該尖峰寬度中至少一者係依據該尖峰之該徑向位置或依據該尖峰之該徑向位置之該局部葉片輪廓而計算，其中，使用以下公式依據一相關聯流動速度Veff、該噪音頻譜之一相關聯峰值頻率fpeak及一預定因子k來計算該徑向位置之該 尖峰高度H之該計算
  7. 一種用於一風力發電設施之一轉子葉片，包含一縱軸；一後緣；及取決於沿著該縱軸之位置之一局部葉片輪廓，其中該後緣具有具有複數個尖峰之一鋸齒狀輪廓，其中每一尖峰具有一尖峰高度及一尖峰寬度，其中該尖峰高度及該尖峰寬度中至少一者隨該尖峰之沿著該縱軸之該位置而變，或係隨該尖峰之沿著該縱軸之該位置之該局部葉片輪廓而變，其中，使用以下公式，考量一常數因子c2，依據一相干長度尺度Λρ3來計算該位置之該尖峰高度H，該相干長度尺度Λρ3與該位置之該尖峰相關聯H=c 2．Λρ3其中，該相干長度尺度Λρ3係根據以下計算依據一對流速度Uc及一峰值頻率fpeak計算 其中，該對流速度Uc係藉助於常數c1依據在該葉片輪廓處之該有效流動速度Veff計算。
  8. 一種用於一風力發電設施之一轉子葉片，包含一縱軸；一後緣，用於一風力發電設施之一空氣動力轉子之一轉子葉片；及取決於沿著該縱軸之位置之一局部葉片輪廓， 其中該後緣具有具有複數個尖峰之一鋸齒狀輪廓，其中每一尖峰具有一尖峰高度及一尖峰寬度，其中該尖峰高度及該尖峰寬度中至少一者隨該尖峰之沿著該縱軸之該位置而變，或係隨該尖峰之沿著該縱軸之該位置之該局部葉片輪廓而變，其中使用以下公式依據一相關聯流動速度Veff、該噪音頻譜之一相關聯峰值頻率fpeak及一預定因子k來計算該位置之該尖峰高度H之該計算
  9. 如請求項8之用於一風力發電設施之轉子葉片，其中該尖峰高度大於該尖峰寬度且該尖峰高度對該尖峰寬度之比率在0.5至10之範圍中。
  10. 如請求項8或9之用於一風力發電設施之轉子葉片，其中該尖峰高度及該尖峰寬度中至少一者藉助於一個四次至八次多項式函數，而取決於該尖峰之該位置。
  11. 一種具有如請求項7或8之一轉子葉片之風力發電設施。
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