带有降噪装置的转子叶片

技术领域

本发明涉及一种尤其是用于风力涡轮机的带有降噪装置的转子叶片。所述转子叶片被设计和配置成用于暴露至例如空气的流体，其中通过本发明最小化转子叶片的流动引发的边缘噪声。此外，本发明涉及一种带有至少一个这种转子叶片的风力涡轮机。

背景技术

当带有前缘和后缘的转子叶片暴露至基本上从所述转子叶片的前缘流到后缘的诸如空气的流体时，通常例如由于涡流而在转子叶片的边缘处产生噪声。噪声的强度和噪声的频率取决于许多参数，诸如流体的性质和边缘的性质，即，边缘的大小和边缘的形状，例如其是倒圆的还是尖锐的。

从风力涡轮机叶片发射的后缘噪声是现代工业规模的风力涡轮机的主要噪声产生机制。已经在降噪技术上投入了大量精力和资金，例如包括当前用于新的陆上涡轮机上的锯齿。来自风力涡轮机的噪声通常决定机器可以竖立的区域，或者相应地决定机器可以操作的方式。通常，风力涡轮机以缩减操作模式运行，为了降噪而牺牲功率输出。因此，当这些条件存在时，涡轮机的噪声发射直接负面地影响其经济可行性。

由于这个问题已经知道好几年，因此已经提出各种用于降低转子叶片的流动引发的边缘噪声的方法。这些方法包括翼型件的形状和设计。在此上下文中，特别地，转子叶片的后缘的形状和设计是最重要的。可以将空气动力学附件添加到或包括在转子叶片中，以便最小化转子叶片的流动引发的边缘噪声。用于降噪的众所周知的附件是锯齿，诸如锯齿状面板，其靠近于后缘安装到转子叶片的压力侧或吸力侧。然而，仍然存在和仍然产生的流动引发的边缘噪声可能仍然相当大。

最近，已经开展技术开发项目来开发用于风力涡轮机后缘噪声的主动噪声消除系统。专利申请EP 3249216 A1公开一种如下系统：其使用风力涡轮机的叶片上所测量的不稳定表面压力来向抗噪控制器进行馈送，所述抗噪控制器产生反向声学信号，从而消除远场中的后缘噪声。然而，主动解决方案处于开发的早期阶段。

发明内容

本发明的目的是改进已知系统、设备和方法以促进关于涉及转子叶片（带有主动装置）的降噪的改进。

此目的通过根据权利要求1的转子叶片、根据权利要求12的方法和根据权利要求13的风力涡轮机来实现。

根据本发明的转子叶片具有前缘和后缘，并且被设计和配置成用于暴露至基本上从转子叶片的前缘流到后缘的流体。例如，所述转子叶片是风力涡轮机的转子叶片。所述转子叶片包括至少两个传感器，所述传感器被设计成用于检测流体的流动特性并提供相应传感器信号，并且所述转子叶片进一步包括至少两个致动器，所述致动器用于基于传感器信号而产生抗噪信号。所述传感器和致动器布置在转子叶片的表面处，其中传感器沿翼展方向布置，并且致动器沿翼弦方向布置。此外，所述致动器被布置和准备成使得转子叶片的由流体产生的流动引发的边缘噪声至少部分被抗噪信号消除。

转子叶片通常包括根部（与转子的轴线连接）和尖端。在操作中，其沿预先限定的方向移动，其中指向移动方向的边缘是前缘，并且相对边缘是后缘。由于转子叶片形成为在其两个表面之间产生压力差，因此转子叶片包括压力侧和吸力侧。转子叶片的特征在于翼展和翼弦，翼展是沿尖端的方向远离根部突出的直线，并且翼弦垂直于翼展取向、从前缘指向后缘。

转子叶片包括至少两个用于检测流体的流动特性的传感器、优选地至少3个、5个、7个或更多个传感器。所述传感器基于检测到的流动特性产生传感器信号。这些传感器信号优选地是压力值或压力信号，然而，其也可以（或者替代地）包含关于流动的方向和/或速度的信息。

传感器（和致动器）的布置可以称为组。优选地，每一组传感器与致动器（其也是所述组的成员）的翼弦方向分布相对应。优选地，布置长度为大约0.5 m - 2 m的翼展方向传感器的组，每一组对应于致动器的翼弦方向分布以消除所述区段的噪声发射。因此，优选地，一组传感器覆盖转子叶片的翼展的至少0.3 m、优选地至少1 m、特别优选地至少2 m。若干组的若干区段可以重叠，然而，优选的是，每一组覆盖单独的区段，其中所述区段并不重叠。

应注意，噪声的降低或消除是通过使用抗噪来实现的。由于流动引发的边缘噪声通常是由湍流引起的宽频带噪声源，因此其是随机的。因此，声压波动是不确定的，这意味着即使在已知统计性质时，也无法基于当前或更早的声学信号在时间意义上对其进行预测。借助于传感器的翼展方向布置，可以非常准确地预测噪声。

所述转子叶片包括至少两个致动器、优选地至少3个、5个、7个或更多个致动器。转子叶片上的致动器被设计成用于产生抗噪信号。对于每一组传感器，可以存在一个致动器或者两个或更多个致动器。虽然优选地使用两个或更多个传感器的信号来产生一个单个致动器的抗噪信号，但是还可能的是，使用一个单个传感器的信号来产生一个单个致动器的输出信号（例如，每一传感器连接一个致动器）。交错使用传感器的信号的情况也是优选的，因为使用至少一个传感器的信号来产生两个或更多个致动器的输出信号，其中通过使用另一传感器的信号来产生这些致动器中的至少一者的输出信号。

传感器和致动器布置在转子叶片的表面处。这意味着，传感器和致动器以某种方式集成或添加到转子叶片的表面处。为了防止不利的空气动力学影响，一种选择是将传感器和致动器浸没并插入到转子叶片的外壳或表面部分中，使得其与周围空气接触，但是其并不伸出并在转子叶片的表面上产生额外的湍流。

传感器沿翼展方向（即，沿着翼展的方向、优选地沿一条线）布置。致动器沿翼弦方向（即，沿着翼弦的方向、优选地沿一条线）布置。与翼弦方向对准的致动器组相关联的传感器的翼展方向分布允许基于从转子叶片的布置有传感器的整个翼展方向区段辐射的噪声来产生抗噪信号。如上所述，优选地，传感器将沿着翼展（即，沿翼展方向长度1 m - 2 m）按一个或多个组的布置来布置，并且一组翼弦方向致动器将很可能与一组翼展方向传感器相关联，其中优选地，这些组中的多个组将沿着转子叶片存在（优选地，在叶片的两侧上）。尤其是控制单元可以被馈送传感器信号并针对（一组中的）致动器确定抗噪信号。

致动器必须被布置和准备成使得转子叶片的由流体产生的流动引发的边缘噪声至少部分被抗噪信号消除。这种准备通常例如通过上述专利申请EP 3249216 A1的公开内容已知。然而，借助于传感器和致动器的特殊布置，本发明代表主动消除噪声的构思的改进。与传感器对准的致动器应该发射抗噪信号，所述抗噪信号表示从布置有传感器的翼展方向区段辐射的总声音的抗噪（并检测此声音）。在理想环境中，传感器的单个翼弦方向分布可能能够消除从任意长叶片区段发射的噪声，只要待消除噪声的位置处的观察者仍然驻留在几何远场中（即，距离大于约5叶片-区段长度）即可。

致动器的翼弦方向分布提供对所发射抗噪信号的方向性的控制。远场中相应致动器输出的相位相互作用导致非均匀的方向性，这可能与由后缘噪声自身发射的非均匀的方向性近似匹配。这允许系统在叶片周围的宽范围方向上实现噪声消除。

使用来自一组翼展方向传感器（例如不稳定压力传感器）的传感器输出来产生对从由所述传感器覆盖的相应叶片区段发射的噪声的实时预测。所预测的噪声发射基于使翼型件上的不稳定表面压力与其所发射的声学噪声相关的物理模型。所测量的表面压力与远场噪声之间的关系可以基于实验进一步调整，并且也可以取决于例如后缘几何形状或锯齿的存在。由于来自叶片区段的发射是观察者相对于所述叶片区段的位置的函数（即，发射方向性），因此传递到翼弦方向分布的致动器（例如扬声器）的抗噪信号也必须反映此观察者位置依赖性。为了最有效地消除宽范围的观察者位置处的噪声，抗噪生成算法应该反映后缘噪声方向性，并且将很可能基于使相对于叶片区段的观察者位置的分布处的总均方噪声水平最小化的控制策略。

如上所述，根据本发明，每一传感器可能与一个单个致动器对准。然而，特别优选地，使用至少两个传感器（或者三个或更多个传感器）的信号一起来产生然后由至少两个致动器发射的至少两个空间抗噪信号。

一种用于构造（根据本发明的）转子叶片的根据本发明的方法包括以下步骤：

- 提供带有前缘和后缘的转子叶片，其中转子叶片被设计和配置成用于暴露至基本上从前缘流到后缘的流体；

- 提供至少两个被设计成用于检测流体的流动特性并提供相应传感器信号的传感器和至少两个被设计成用于基于传感器信号产生抗噪信号的致动器；

- 将传感器沿翼展方向布置在转子叶片的表面处，并且将致动器沿翼弦方向布置在转子叶片的表面处，其中致动器被布置和准备成使得转子叶片的由流体产生的流动引发的边缘噪声至少部分被抗噪信号消除。

一种根据本发明的风力涡轮机包括至少一个根据本发明或者借助于根据本发明的方法制造的转子叶片。

应注意，术语‘致动器’必须从广义上被例如理解为能够将电信号或压力信号转变成物理机械移动的任何装置。这种致动器的示例是隔膜或扬声器或转子叶片的变形表面。‘致动器’可以包括适合并且能够产生所期望的抗噪信号的任何装置，随后使用所期望的抗噪信号来至少部分消除流动引发的边缘噪声。

同样地，所提及的‘传感器’也必须从广义上被理解为能够检测通过传感器的流体的流动特性的任何装置。传感器可以例如还包括隔膜。其还可以包括某种麦克风。在最简单的形式中，传感器可以只是表面中的小开口，其感测由通过所述开口的流体引发的波动的表面压力，使得此压力然后引发并产生抗噪信号。

通过从属权利要求给出本发明的特别有利的实施例和特征，如在以下描述中所揭示的。可以视情况组合不同权利要求类别的特征以给出本文中未描述的其它实施例。

根据优选的转子叶片，传感器沿着转子叶片的后缘沿翼展线布置。如上所述，发明人发现，传感器的翼展方向分布（即，沿着叶片的翼展）具有如下优点：处于单个翼展方向位置的致动器可以消除来自经延伸的翼展方向区段（而非特征在于单个传感器的非常窄的区域）的总噪声。因此，使用多于一个传感器信号来产生一个致动器的抗噪信号连同传感器的翼展方向布置一起是特别优选的。

根据优选的转子叶片，传感器相对于流体的流动方向位于致动器的下游。致动器使用这些传感器（尤其是所有传感器）中的至少一者的信号来产生其抗噪信号。

根据优选的转子叶片，传感器包括麦克风（例如表面麦克风），并且致动器包括扬声器并且被布置和准备成用所述扬声器发射声音信号。麦克风和扬声器是众所周知且容易获得的便宜设备，其可以以简单且便宜的方式以几乎任何大小集成或添加到转子叶片，而不影响叶片周围的空气动力学流动。

根据优选的转子叶片，传感器包括表面压力转换器，并且致动器包括隔膜并且被布置和准备成用所述隔膜引发不稳定表面压力的至少部分消除。合适的压力转换器是众所周知并经过充分证明的，并且可以添加或实现以及包括到转子叶片，而无需大量费用或对所述转子叶片的改变。

根据优选的转子叶片，至少一个额外的致动器相对于其它致动器沿翼展方向布置。例如，存在致动器的翼弦线和在这些致动器旁边、优选地相邻于其它致动器中的一者的一个致动器（或第二翼弦线中的更多致动器）。这样布置的额外致动器甚至可以触碰其它致动器中的一者。

根据优选的转子叶片，致动器的抗噪信号基于来自至少两个传感器、优选地来自三个或更多个传感器的传感器信号。

优选的转子叶片进一步包括用于构造抗噪信号的控制单元，其被布置成使得致动器经由控制单元与传感器中的至少一者连接。

根据优选的转子叶片，（一组中的）多个传感器位于吸力侧处，并且多个传感器位于压力侧处。使用此组传感器的传感器信号的致动器优选地位于压力侧和吸力侧处，然而，致动器也可以仅布置在这些侧中的一者上。

根据优选的转子叶片，致动器和/或控制单元经由连接装置与所述传感器中的至少一者连接，其中所述连接装置优选地被设计成引导电信号或压力信号。在所述连接装置被设计成引导电信号的情况下，其优选地是电线。如果所述连接装置被设计成引导压力，则其被优选地设计为柔性管或通道。

优选的转子叶片包括至少三个传感器，所述至少三个传感器按非均匀布置来布置，优选地以二次、指数、混沌或对数间距布置，或者按交替非线性方式布置成使得沿着传感器的布置存在交替长短间距，其中所述间距是非周期性的。

如上所述，所述至少三个传感器优选地以非均匀间距布置（优选地至少沿横向方向布置在表面处）。这意味着，尽管所述传感器可以被全部布置成与转子叶片的表面平齐或类似地从转子叶片的表面凸出，但是至少相邻传感器的横向距离必须不均匀。传感器可以混乱地布置在一区域中，然而优选地，其沿一条线或多条线布置（其中相邻传感器的间距是非均匀的）。尤其优选地，相邻传感器之间的所有距离都具有不同值，使得甚至不存在周期性布置。

在本发明的优选实施例中，转子叶片包括具有翼型件的形状的部分，所述翼型件包括压力侧和吸力侧，并且所述压力侧和吸力侧各自由转子叶片的后缘和前缘限定。换句话说，优选的转子叶片是产生升力的转子叶片，其至少部分具有翼型件的形状。翼型件的特征在于其包括压力侧和吸力侧，并且能够在暴露至基本上从转子叶片的前缘流到后缘的流体时产生升力。如本领域技术人员所众所周知的，这种翼型件形状的转子叶片的外表面的特征在于：一个部分称为压力侧并且在一侧处由后缘限定并且在另一侧上由前缘限制，并且表面的其余部分通常称为转子叶片的吸力侧。

转子叶片被优选地设计成用于风力涡轮机。然而，本发明的构思并不限于风力涡轮机的转子叶片的流动引发的边缘噪声。其也可以用于减少来自例如飞机机翼、直升机叶片、风扇等等的流动引发的边缘噪声。

根据本发明的传感器和致动器的特殊布置的优点将使得转子叶片的性能更高效，同时必须使用更少致动器。尽管散布在叶片的吸力侧上方的传感器网格可以提供与本发明相同的信息，但是由于后缘附近的湍流上游的空间湍流条件的去相关性，在后缘更上游提供的传感器的信息实际上将是无用的。后者因其与边缘的相互作用而辐射声能。因此，本发明减少传感器的数量，并且由此减少总成本。

另外，致动器的翼弦方向分布提供对沿极向方向（即，经由多个致动器的相位相互作用垂直于翼展方向的平面）的总次要源（致动器阵列）方向性的控制。在理想情况下，次要源将相同地匹配主要源（叶片的后缘噪声）的方向性，使得可以在任何地方消除噪声。翼弦方向分布简单给出此情况的高效近似，其中沿极向方向控制方向性，并且方向性在垂直于翼弦的平面中自然是偶极状的。

传感器和/或致动器的无限数量的布置是可能的。

附图说明

根据结合附图考虑的以下具体实施方式，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。然而，应理解，附图仅出于图示目的而设计，而不是作为对本发明的限制的限定。

图1示出典型转子叶片。

图2示出转子叶片在某一翼展方向位置处的轮廓。

图3示出现有技术的实施例，其包括传感器和致动器，所述传感器和致动器经由连接装置直接连接。

图4示出本发明的实施例，其包括多个传感器和致动器，所述传感器和致动器经由连接装置直接连接。

图5示出根据本发明的优选方法的处理流程的框图。

图6示出根据本发明的风力涡轮机的实施例。

图7示出后缘噪声的理论方向性模式。

在附图中，相似的附图标记始终指代相似的对象。附图中的对象未必按比例绘制。

具体实施方式

图1示出转子叶片2。转子叶片2包括根部21和尖端22以及前缘23和后缘24。所述图图示了到达转子叶片2上、即到达转子叶片的压力侧上的顶视图或平面视图。转子叶片2的特征在于翼展25，翼展25是远离根部21突出的直线。在风力涡轮机1的转子叶片2（参见例如图6）的情况下，其中转子叶片2可围绕俯仰轴线俯仰。

此外，可以将多个翼弦26指派到转子叶片2。每一翼弦26垂直于翼展25取向。因此，对于沿尖端22的方向在根部21处开始的每一翼展方向位置，可以限定翼弦26。最大（即，具有最大长度或延伸）的翼弦26称为最大翼弦261。最大翼弦261所在的区域称为转子叶片2的肩部262。

如果转子叶片2在例如空气的流体中移动，则在边缘处产生声音的不稳定表面压力模式可以被认为与沿着转子叶片2的翼弦26的流动保持不变地对流。应注意，实际上，这种不变的对流一直发生到一定程度。这意味着，不稳定表面压力模式的最小变化是可能的。此现象在文献中被称为‘冻结湍流’假设。在本发明中，使用此事实来检测边缘上游的不稳定表面压力，使得可以在作为不稳定表面压力模式和噪声产生的原因的湍流涡流通过边缘的时刻以反相构造和发射噪声消除抗噪信号。

图2示出转子叶片2的翼型件的示意图。此翼型件或轮廓垂直于转子叶片2的翼展25截取。换句话说，此轮廓是转子叶片2的特定径向位置或翼展方向位置处的横截面视图。前缘23可以被看到和描述为相对圆的边缘，由此后缘24被相对尖锐地设计。连接前缘23与后缘24的直线称为翼弦26。

应注意，从前缘23直到翼弦26的从前缘23测量的翼弦长度的百分之十的整个区域称为前缘区段231。同样地，距后缘24在翼弦方向长度的百分之十内的区域称为后缘区段241。

应注意，在此示意图中，翼型件的被限定为压力侧28与吸力侧27之间的距离的最大厚度相对大。至少在风力涡轮机1的现代转子叶片2中，此厚度常常朝向转子叶片的尖端22显著减小。

图3示出根据现有技术的后缘区段241，其包括传感器31，一个传感器31定位在转子叶片2的吸力侧27处并与致动器32直接连接。传感器31相对于致动器32定位在上游，致动器32布置和定位在转子叶片2的吸力侧27处。

传感器31经由连接装置34与致动器32连接。致动器32被配置成基于由传感器31接收到的输入产生抗噪信号36。由致动器32发射的抗噪信号36由虚线箭头表示。

抗噪信号36被特意选择成使得其破坏性地干扰在转子叶片2的后缘24处产生和发射的噪声35。应注意，此处，噪声35的两个主要方向由两个箭头可视化，一个远离后缘24向吸力侧27的方向突出，并且一个远离后缘24向压力侧28的方向突出。在附图的示例性实施例中，抗噪信号36主要消除或最小化在后缘24处向吸力侧27的方向发射和产生的噪声35。如果需要，可以添加压力侧致动器32（未示出）以便也消除发射到压力侧28的噪声35。还要注意由吸力侧涡流421和压力侧涡流422表示的湍流边界层。流体的总流动方向由附图标记41表示。

图4示出本发明的实施例，其包括四个传感器31和三个致动器32，所述传感器和致动器经由连接装置34直接连接。传感器31和致动器32布置在转子叶片2的表面处，其中传感器31沿着后缘按翼展方向布置来布置，并且致动器32按翼弦方向布置来布置。转子叶片2具有前缘23和后缘24，并且被设计和配置成用于暴露至基本上从前缘23流到后缘24的流体。

此处，转子叶片2包括用于基于所有四个传感器31的传感器信号产生抗噪信号36（参见例如图3）的三个致动器32。致动器32经由连接装置34与传感器31连接。任选地，在传感器31与致动器32之间可能存在控制单元33（虚线）以由传感器信号产生抗噪信号。致动器32被布置和准备成使得转子叶片2的由流体产生的流动引发的边缘噪声35至少部分被抗噪信号36消除。致动器32的翼弦方向分布提供对所发射抗噪信号的方向性的控制，远场中相应致动器输出的相位相互作用导致非均匀的方向性，这可能与由后缘噪声自身发射的非均匀的方向性近似匹配。这允许系统在叶片周围的宽范围方向上实现噪声消除。应注意，尽管涡轮机的噪声发射示出一些不对称性，但是噪声消除应该很可能沿两个方向。因此，优选地，所示布置应该应用于转子叶片2的吸力侧27和压力侧28上。

借助于虚线，示出两个额外的致动器32a在沿翼展方向移位到两个其它致动器32的位置的位置中。

图5示出根据本发明的优选方法的处理流程的框图。

在步骤I中，提供转子叶片2（参见例如图1）、三个传感器31和两个致动器32。如上所述，传感器31被设计成用于检测流体的流动特性并提供相应传感器信号，并且两个致动器32被设计成用于基于传感器信号产生抗噪信号36。

在步骤II中，传感器31沿翼展方向布置在转子叶片2的后缘24处的表面处（参见箭头），致动器32沿翼弦方向布置在转子叶片2的表面处（参见箭头），其中致动器32被布置和准备成使得转子叶片2的由流体产生的流动引发的边缘噪声35至少部分被抗噪信号36消除。

图6绘示根据本发明的风力涡轮机1，其具有三个转子叶片2，转子叶片2具有根据本发明的实施例的传感器和致动器配置（参见例如图4）。转子叶片2连接到风力涡轮机1的毂5。毂5连接到在风力涡轮机塔架4顶上的机舱3。

图7示出后缘噪声的理论方向性模式，其中流体沿箭头的方向流动（“入流”）。入流出现在转子叶片的翼弦方向上。心形（心脏形）曲线绘示噪声沿翼弦方向的幅度，其中箭头“幅度”示出在约40°的某一角度处噪声的幅度的示例。翼弦方向分布简单给出此情况的高效近似，其中沿极向方向控制方向性，并且方向性在垂直于翼弦（沿Y方向和Z方向）的平面中自然是偶极状的。

虽然已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是将理解，可以在不背离本发明的范围的情况下对其作出许多额外修改和变化。为清楚起见，应理解，贯穿此申请使用“一（a）”或“一（an）”并不排除多个，并且“包括”并不排除其它步骤或元件。对一“单元”或一“设备”的提及并不排除使用多于一个单元或设备。