渦流發(fā)生器在風(fēng)電葉片的發(fā)展應(yīng)用

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摘要：近年來，隨著對(duì)風(fēng)力發(fā)電研究的深入，人們?cè)絹碓疥P(guān)注功率的提升以及噪聲的減少。研究發(fā)現(xiàn)，渦流發(fā)生器能夠有效抑制邊界層的分離，進(jìn)一 步提升葉片的捕風(fēng)功率、降低塔筒的振動(dòng)。因此渦流發(fā)生器成為近年來研究風(fēng)電技術(shù)的熱門方向。本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電渦流發(fā)生器的技術(shù)進(jìn)行全面詳細(xì)的技術(shù) 分析，旨在詳細(xì)了解該方面技術(shù)發(fā)展的演進(jìn)路線，為相關(guān)領(lǐng)域提供一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電;渦流發(fā)生器;發(fā)展;路線

本文通過對(duì)應(yīng)用于風(fēng)電葉片的渦流發(fā)生器的相關(guān)專利文獻(xiàn)進(jìn)行檢索、 梳理、標(biāo)引，對(duì)用于風(fēng)電葉片不同位置的渦流發(fā)生器的技術(shù)進(jìn)行全面詳細(xì) 的技術(shù)分析，旨在詳細(xì)了解該方面技術(shù)發(fā)展的演進(jìn)路線。但常用安裝位置 包括表面和后緣，下面將重點(diǎn)從上述兩個(gè)常用安裝位置進(jìn)行分析。

1. 后緣上渦流發(fā)生器技術(shù)發(fā)展路線

FI944650（1994 年），最早于 1994 年提出尾緣涉及為鋸齒狀用于降低 噪音。JP2000120524（1998 年）其在尾緣設(shè)置鋸齒狀或者梯形形狀進(jìn)行降 噪或者也可以設(shè)計(jì)成鈍尾緣的形式，并且對(duì)鈍尾緣的高度對(duì)渦流的影響作 了一定的研究。

JP2003254225（2003 年）三菱株式會(huì)社提出了多種尾緣渦流發(fā)生器的 形狀，例如采用豎向的渦流發(fā)生器，或者三角形、梯形或者錯(cuò)位排列的圓 形，進(jìn)一步提出了可以在葉片表面和后緣同時(shí)設(shè)置渦流發(fā)生器，發(fā)生器的 形狀可以是豎狀的或者八字形加鋸齒形結(jié)合。該篇專利可以說開啟了渦流 發(fā)生器研究的熱潮，各種形狀的渦流發(fā)生器均有應(yīng)用，并且安裝位置等也 均有涉及。US20080187442（2008 年）通用電氣公司申請(qǐng)?jiān)诤缶壴O(shè)置鋸齒和 剛毛交替的部件用于降噪，并且尾緣插接在葉片上，能夠拆卸，便于更換。

US20100143151（2010 年）在葉片尾緣設(shè)置副翼，并且在副翼上設(shè)置 穿孔，穿孔可以是圓柱形孔和/或切口或槽，申請(qǐng)中認(rèn)為：當(dāng)表面孔隙率小 于可透過的副翼的表面面積的大約 20%時(shí)，預(yù)期具有為提供透過性的穿過 材料（例如開口或穿孔的薄片）的常規(guī)穿孔的非可透過的薄片材料會(huì)產(chǎn)生 足夠的噪音減少。還預(yù)期以孔和/或切口的形式穿過另外的非可透過副翼的 許多較小的穿孔將產(chǎn)生比遍布在副翼的相同百分比的表面區(qū)域上的更少的 大孔更好的結(jié)果。還預(yù)期沿副翼上的流的方向增加或以其它方式變化表面 孔隙度和相應(yīng)的副翼的透過性會(huì)提供較好的結(jié)果。

US20110142635（2011 年）其也是公開了可以拆除的渦流發(fā)生器，在 葉片后緣延伸，并且延伸部還包括多個(gè)仿形槽口，仿形槽口大體上沿著葉 片延伸部的長度而根據(jù)需要從葉片延伸部切除。US20110142637（2011 年），設(shè)置在尾緣上鋸齒狀降噪裝置基板上定位設(shè)置有孔，并且鋸齒之間還設(shè)有 狹縫，狹縫能夠?qū)?jīng)過降噪裝置的風(fēng)流進(jìn)行控制，從而降低噪聲。孔的定 位可以有利地減小將降噪裝置安裝至轉(zhuǎn)子葉片上產(chǎn)生的相關(guān)應(yīng)變?？卓梢?減小基板的表面積并且減小基板沿降噪裝置長度的連續(xù)性，從而減小降噪 裝置內(nèi)的應(yīng)變，并且在使得降噪裝置能夠保持適當(dāng)?shù)膭偠纫约坝捕鹊耐瑫r(shí) 更容易地彎折。

US20110142666（2011）對(duì)于鋸齒的具體尺寸做了進(jìn)一步的限定和研究，US20110223030（2012）在鋸齒表面設(shè)置輔助降噪部件，設(shè)置剛毛實(shí)現(xiàn)進(jìn)一 步降噪，US20120134817 涉及到了降噪部件在尾緣上的安裝方法，主要通 過粘接實(shí)現(xiàn)，WO2012156359 在鋸齒之間形成第二鋸齒后緣，形成更好的 降噪效果。WO2014044412（2014 年）通過在鋸齒上設(shè)置加強(qiáng)筋使得鋸齒 狀后緣的柔性和剛度可以以可控的方式變化。EP2806156（2014 年）針對(duì) 鈍后緣，在尾緣設(shè)置降噪設(shè)備，在類似于鋸齒狀的降噪裝置上設(shè)置孔。

CA2948068（2015 年）其提出了在轉(zhuǎn)子葉片后緣的上游位置的一個(gè)或?多個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)裝置。這些空氣動(dòng)力學(xué)裝置將邊界層的渦旋分開成若干個(gè)?較小的子渦旋。因此，這些空氣動(dòng)力學(xué)裝置起邊界層大渦旋的破壞者的作?用。注意到與最初大渦旋在后緣的通過相比，較小渦旋（也被稱為子渦旋） 在后緣的通過產(chǎn)生不同的噪聲。因此，從后緣發(fā)射并散發(fā)具有更高頻率的?噪聲。當(dāng)此高頻噪聲在圍繞轉(zhuǎn)子葉片的周圍空氣中傳播時(shí)，這些高頻率的?衰減增加。因此，降低的噪聲到達(dá)位于某個(gè)位置并且在與轉(zhuǎn)子葉片相距某?個(gè)距離的收聽者。通過該機(jī)制，可大幅地降低由轉(zhuǎn)子葉片與在轉(zhuǎn)子葉片附?近流動(dòng)的空氣流的相互作用所產(chǎn)生的噪聲。

EP3096003（2016）在鋸齒之間設(shè)置多孔材料，通過在所述鋸齒的兩個(gè) 相鄰齒之間設(shè)置多孔材料降低來自相鄰齒之間的壓力側(cè)和吸入側(cè)的合并氣流所產(chǎn)生的噪音。多孔材料的與所述鋸齒的結(jié)構(gòu)相比一般更精細(xì)的結(jié)構(gòu)會(huì) 導(dǎo)致發(fā)出的噪聲的頻率增加。包括更高頻率的噪聲具有以下優(yōu)點(diǎn)：其比頻 率更低的噪聲在環(huán)境空氣中更迅速地被消減。因此，降低了由地面上的觀 測(cè)者感知到的聲壓級(jí)。CA2951802（2016） 在尾緣鋸齒上設(shè)置導(dǎo)葉，進(jìn)一 步導(dǎo)流。CA2954084A1，CN104948396A 均涉及到了鋸齒具體尺寸的設(shè)計(jì)。EP3181895 鋸齒之間設(shè)置分隔板，分隔板可以設(shè)計(jì)成各種形狀，能夠起到 更好的降噪效果。

EP3348826（2018）對(duì)鋸齒形狀進(jìn)一步改進(jìn)，在鋸齒表面設(shè)計(jì)氣流調(diào)節(jié) 元件，其組合了降噪元件的效果與氣流調(diào)節(jié)元件的效果。這種配置降低了 風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的原始后緣的散射效率，并使由調(diào)節(jié)的氣流未對(duì)齊而導(dǎo)致 的降噪性能的損失最小。與傳統(tǒng)的降噪裝置相比，這種配置進(jìn)一步提供了 提高的降噪效果，因?yàn)闅饬髡{(diào)節(jié)元件調(diào)節(jié)了邊界層中的湍流。

2. 表面上渦流發(fā)生器技術(shù)發(fā)展路線

最早在葉片表面上設(shè)置相關(guān)部件的專利申請(qǐng)是 1999 年的 AR023721A 1，之所以稱之為相關(guān)部件而非渦流發(fā)生器其主要原因是該部件的存在并非 是針對(duì)氣流進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝的，而是從葉片疏水性方面進(jìn)行考慮安裝設(shè)計(jì)的，但是對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言在葉片表面的疏水性結(jié)構(gòu)部件也能起到渦流發(fā) 生器的相應(yīng)效果，故此將其考慮在內(nèi)。2000 年首次出現(xiàn)了在表面以擾動(dòng)氣 流為主的渦流發(fā)生器，即 DK200001450A，該渦流發(fā)生器仍然采用的是傳統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)形式，即將一定的部件安裝在葉片表面由此引起氣流的擾動(dòng)。隨著 其他部位以及其他領(lǐng)域渦流發(fā)生器的發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到通過氣流沖擊 的方式也可以在一定程度上起到擾動(dòng)氣流的效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)破壞邊界層提 升葉片升力，最早的此類文獻(xiàn)出現(xiàn)在 2005 年的 GB0514338D0 中。伴隨上 述新形式渦流發(fā)生器結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，人們也同時(shí)在突出部件渦流發(fā)生器上進(jìn) 行了細(xì)節(jié)的研究，如改變形狀、安裝位置等，以期能優(yōu)化相關(guān)結(jié)構(gòu)達(dá)到較 好的提升升力的效果，進(jìn)而增大風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出，如 2005 年的 WO2006 122547A1。通常采用小翅片類似結(jié)構(gòu)的渦流發(fā)生器可以產(chǎn)生渦流，正反交 替布置的翅片可以產(chǎn)生正反轉(zhuǎn)渦流，可以向葉片的邊界層提供更多的能量，由此增大葉片外形周圍的氣流離開葉片表面的風(fēng)速，然而這類渦流發(fā)生器 還導(dǎo)致葉片的氣動(dòng)阻力增大。2008 年的 WO2009080316A3 專利申請(qǐng)，首次 記載了以各種頻率和幅度控制渦流發(fā)生器的豎直伸展以及水平擺動(dòng)的頻率 和幅度，由此實(shí)現(xiàn)氣流相交混合，可以提供葉片在整個(gè)翼展范圍內(nèi)設(shè)置的 優(yōu)點(diǎn)。以上專利文獻(xiàn)中所討論的渦流發(fā)生器因?yàn)樗麄儽徊渴馂榛顒?dòng)狀態(tài)而 被認(rèn)為是“動(dòng)態(tài)”的，這些元件在“靜止”狀態(tài)中的用處最小。針對(duì)以上 技術(shù)缺陷，2011 年的專利申請(qǐng) US2011142628A1 提出了動(dòng)靜結(jié)合的渦流發(fā) 生器，該渦流發(fā)生器采用柔性材料組成，并可針對(duì)檢測(cè)元件檢測(cè)的氣流狀 態(tài)通過控制器控制致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)柔性渦流發(fā)生器狀態(tài)的改變，可以有效改善 各個(gè)氣流狀態(tài)下的擾動(dòng)效果。常規(guī)的渦流發(fā)生器的技術(shù)效果之一是增加轉(zhuǎn) 子葉片的升力，但是升力系數(shù)的增加也可能是不利的，如當(dāng)它使轉(zhuǎn)子葉片 的最大升力朝向高于沒有渦流發(fā)生器的轉(zhuǎn)子葉片的最大升力的值增大，則 在這種背景下最大升力的增加通常被視為不利，為了克服上述問題，2014 年的 US2016177914A1 通過在葉片表面設(shè)置主副渦流發(fā)生器且兩者對(duì)稱設(shè) 置時(shí)可以克服上述問題。隨后技術(shù)的發(fā)展則更多的關(guān)注了以上現(xiàn)有渦流發(fā) 生器的安裝方式以及結(jié)構(gòu)尺寸等，如沿葉片根至尖安裝在不同位置的 JP61 54050B2（2017 年）、不同的驅(qū)動(dòng)方式（如 2018 年的 WO2020120330A1）。該葉片表面渦流發(fā)生器的發(fā)展路線與其他安裝位置有相似之處，均是先整 體后細(xì)節(jié)、先靜后動(dòng)。

3.小結(jié)

本文針對(duì)目前風(fēng)電葉片渦流發(fā)生技術(shù)路線進(jìn)行梳理和分析，從整體上 對(duì)葉片各個(gè)部位應(yīng)用渦流發(fā)生器的歷程有了一定的了解和掌握，以期對(duì)在 該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究有所幫助。