ЗАДНЯЯ КРОМКА РОТОРНОЙ ЛОПАСТИ Российский патент 2017 года по МПК F03D1/06 F03D13/00 

Изобретение относится к задней кромке роторной лопасти ветроэнергетической установки, соответственно, к способу расчета подлежащей изготовлению задней кромки. Кроме того, данное изобретение относится к задней кромке для роторной лопасти, и изобретение относится к роторной лопасти с задней кромкой. Кроме того, данное изобретение относится к ветроэнергетической установке, содержащей по меньшей мере одну роторную лопасть с задней кромкой.

Ветроэнергетические установки широко известны, и на фиг. 1 показана известная ветроэнергетическая установка. Для эффективности ветроэнергетической установки важным аспектом является конструкция роторной лопасти, соответственно, роторных лопастей. Наряду с основным контуром роторной лопасти, на характеристики роторной лопасти оказывает влияние также задняя кромка роторной лопасти.

В этой связи уже предлагались пилообразные задние кромки, соответственно, задние кромки с зубчатым прохождением с множеством зубьев. Однако выполнение такой пилообразной задней кромки может быть сложным, и существует опасность того, что предусмотрение зубчатой задней кромки, соответственно, пилообразной задней кромки, приводит к затратам, которые не соизмеримы с действием.

Из ЕР 0652367 А1 известно выполнение задней кромки в продольном направлении основного лонжерона роторной лопасти пилообразной. За счет этого должно достигаться уменьшение шума.

Из ЕР 1314885 В1 известно выполнение задней кромки в продольном направлении основного лонжерона роторной лопасти пилообразной и одновременно с возможностью эластичного изгиба. За счет этого должно достигаться увеличение крутящего момента, который роторная лопасть прикладывает к генератору.

Таким образом, в основу данного изобретения положена задача решения по меньшей мере одной из указанных выше проблем. В частности, должно быть предложено решение, которое дополнительно повышает эффективность роторной лопасти ветроэнергетической установки.

Задачей изобретения является, в частности, дальнейшее повышение эффективности роторной лопасти без увеличения шумовых эффектов. Должно быть предложено по меньшей мере одно альтернативное решение.

Для этого предлагается роторная лопасть, задняя кромка которой выполнена в продольном направлении основного лонжерона роторной лопасти пилообразной, при этом расстояние друг от друга и/или длина зубьев функционально зависят от условий набегания потока на поперечное сечение лопасти и возникающей за счет этого толщины турбулентного пограничного слоя, соответственно, шкал длины когерентности образующихся в них пучков турбулентности с их колебаниями давления. Предпочтительно, длина отдельных зубьев должна изменяться от зуба к зубу.

Таким образом, предлагается пилообразная задняя кромка, которая имеет, соответственно, множество зубьев или зубцов, что здесь применяется в качестве синонимов, которые остро сужаются от роторной лопасти по существу назад, а именно, на противоположной направлению вращения стороне ротора. Соответственно, промежуточные пространства между двумя зубьями, соответственно, зубцами, остро сужаются в направлении роторной лопасти. Такие зубья имеют высоту, а именно, расстояние от линии основания, на которой заканчиваются остро сужающиеся промежуточные пространства, до линии гребня, на которой заканчиваются остро сужающиеся зубья, при этом линия гребня соединяет вершины зубьев. Эти линия основания и линия гребня могут быть изогнутыми линиями и могут иметь изменяющееся по длине лопасти расстояние друг от друга.

Длина отдельных зубьев может в качестве синонима называться также высотой зубьев, соответственно, высотой зубцов.

Согласно изобретению, предлагается способ расчета подлежащей изготовлению задней кромки, согласно пункту 1 формулы изобретения. В соответствии с этим, предлагается подлежащая изготовлению задняя кромка для роторной лопасти аэродинамического ротора ветроэнергетической установки. Роторная лопасть имеет относительно ротора, в котором должна использоваться роторная лопасть, радиальные положения. Радиальное положение задней кромки и роторной лопасти относится тем самым всегда к этому ротору, т.е. к расстоянию до оси вращения ротора. Этот принцип рассматривания распространяется также на еще не смонтированную роторную лопасть. Роторная лопасть ветроэнергетической установки в принципе согласована со специальной ветроэнергетической установкой, в частности с ротором, который имеет эту роторную лопасть и обычно две другие роторные лопасти.

Для этого роторная лопасть имеет для каждого радиального положения местный профиль лопасти. Другими словами, каждое поперечное сечение лопасти имеет в зависимости от радиального положения собственный профиль лопасти.

Задняя кромка имеет зубчатое прохождение с множество зубьев, которое может называться также пилообразным. Однако при этом отдельные зубья являются в принципе зеркально симметричными, т.е. имеют две наклонные, примерно одинаковые боковые поверхности. В частности, эти зубья не имеют регулярно одну вертикальную и одну наклонную боковую поверхность, а две наклонные боковые поверхности.

Каждый зуб имеет высоту зуба и ширину зуба. Высота зуба является уже указанным расстоянием между линией основания и линией гребня. Ширина зуба является расстоянием между соответствующими концами обоих остро сужающихся промежуточных пространств, которые ограничивают зуб. В первом приближении ширина зуба является расстоянием между вершинами соседних зубьев. Хотя зубья предлагаемой пилообразной задней кромки предпочтительно отличаются друг от друга, однако это различие для непосредственно соседних зубьев является сравнительно небольшим.

Предлагается, что высота зубьев и дополнительно или в качестве альтернативы ширина зубьев рассчитывается в зависимости от радиального положения. Таким образом, для каждого зуба необходимо выполнять собственное вычисление в зависимости от его радиального положения. В результате получается задняя кромка с множеством зубьев, которые рассчитаны по отдельности и, соответственно, могут иметь индивидуальную величину, которая, в частности, по существу, непрерывно изменяется по длине роторной лопасти, соответственно, в соответствии с увеличивающимся или уменьшающимся радиальным положением.

Высота зуба и дополнительно или в качестве альтернативы ширина зуба предпочтительно вычисляется в зависимости от локального профиля лопасти его радиального положения. Таким образом, для зуба учитывается профиль лопасти его радиального положения, т.е. профиль поперечного сечения лопасти в его радиальном положении.

Согласно одному варианту выполнения предлагается, что высота зуба больше ширины зуба, и ширина зуба вычисляется из высоты зуба. Для этого вычисления отношение высоты зуба к ширине зуба лежит в диапазоне от 0,5 до 10, в частности от 3 до 5. Предпочтительно, оно имеет значение примерно 4, в частности, значение 2. Таким образом, ширина λ зуба вычисляется из высоты Н зуба по формуле

λ=H/k_n, где k_N=[0,5…10], в частности k_N=2.

Таким образом, зуб является сравнительно стройным и, в частности, остро сужается. Установлено, что отношение в этом диапазоне является особенно предпочтительным для уменьшения шума, во всяком случае для таких вычисленных по отдельности зубьев. Особенно тогда, когда высота зуба находится в неизменном соотношении с шириной зуба, равнозначно, вычисляется ли сначала высота зуба, а затем из нее ширина зуба, или же сначала ширина зуба и затем из нее высота зуба.

Предпочтительно, зубья имеют различную друг от друга ширину зуба и/или различную высоту зуба и отличаются за счет этого индивидуально друг от друга.

Предпочтительно, вычисление выполняется так, что у задних кромках для мест установки со слабым ветром высота зубьев относительно глубины профиля уменьшается с увеличением радиуса радиального положения зубьев, в то время как у задних кромках для мест установки с сильным ветром высота зубьев относительно глубины профиля увеличивается с увеличением радиуса радиального положения зубьев. Это вытекает из выполнения лопасти в соответствии со специальным классом ветра.

В отрасли ветровой энергии места установки обычно классифицированы в зависимости от класса ветра. В местах установки с сильным ветром, которые имеются вблизи побережья или в местах установки в море, необходимо в принципе рассчитывать на сильный ветер. Ветроэнергетическая установка, в частности роторные лопасти, выполняются соответственно, а именно так, что они могут выдерживать сильные ветры, и ветроэнергетическая установка может также при этом работать, при этом при слабых ветрах можно извлекать из ветра меньше энергии, чем это возможно в ветроэнергетической установке для мест со слабыми ветрами.

В соответствии с этим, ветроэнергетические установки для мест установки со слабыми ветрами, которые преобладают во внутренних регионах, выполняются так, что они не должны выдерживать сильные ветра или по меньшей мере не должны выдерживать при продолжающейся работе, в частности, должны уменьшать частоту вращения при силах ветра, при которых ветроэнергетическая установка для мест установки с сильным ветром не должна уменьшать частоту вращения. Для этого ветроэнергетическая установка для мест установки со слабым ветром может извлекать больше энергии из слабого ветра. Такая классификация известна для специалистов в данной области техники, и часто выполняется дальнейшее разделение.

Для этого, согласно одному варианту выполнения, предлагается, что вычисление осуществляется так, что высота зубьев относительно глубины профиля для роторных лопастей ветроэнергетических установок для мест установки со слабым ветром уменьшается с увеличением радиуса. Например, в задней кромке для места установки со слабым ветром крутизна изменения высоты Н зубьев для нормального радиуса от 0,6 до 0,8 относительно максимального радиуса может составлять

Таким образом, происходит уменьшение высоты зубьев, и в данном случае в числителе рассматривается высота Н зубьев относительно глубины с профиля, а в знаменателе радиус r относительно максимального R роторной лопасти. Между r/R=0,75 и r/R=0,9 отнесенная к глубине профиля высота зуба имеет предпочтительно неизменное прохождение, для того чтобы при r/R=0,9 снова падать до максимального радиуса R. Это показано также на фиг. 10.

Для задней кромки ветроэнергетической установки одного и того же класса мощности, но для места установки с сильным ветром, соответствующее соотношение может быть положительным и составлять +20, поскольку высота зуба, которая может называться также глубиной зуба, увеличивается. Высота зуба достигает при r/R=0,85 максимума, а затем строго монотонно уменьшается к вершине лопасти.

Такое зависящее от класса ветра вычисление задней кромки позволяет учитывать различные проблемы, которые возникают в зависимости от класса ветра.

Предпочтительно, высота зуба и/или ширина зуба вычисляется через полиномную связь с его локальным радиусом, предпочтительно через полиномную связь от четвертой до восьмой степени, в частности, пятой или шестой степени, в частности, шестой степени для мест установки со слабым ветром и пятой степени для мест установки с сильным ветром. Характеристические изменения высоты зубьев могут принципиально различаться для мест установки со слабым ветром и мест установки с сильным ветром. Это можно учитывать посредством применения для мест установки со слабым ветром и мест установки с сильным ветром полиномов различной степени.

Предпочтительно, вычисление осуществляется в зависимости от одного или нескольких ожидаемых спектров шума. Дополнительно к этому или в качестве альтернативы, вычисление осуществляется в зависимости от одного или нескольких рабочих точек. Предлагается конкретно учитывать характеристики ветроэнергетической установки по меньшей мере в одной рабочей точке. Такая рабочая точка является идеализированной, стационарной рабочей точкой, которая определяется, в частности, скоростью ветра, частотой вращения ротора ветроэнергетической установки и/или создаваемой мощностью ветроэнергетической установки. На эту рабочую точку может оказывать влияние также угол установки роторной лопасти относительно ветра.

По меньшей мере для одной такой рабочей точки определяется ожидаемый уровень шума, а именно, уровень шума или сила шума или уровень шумности в зависимости от частоты этого шума. При этом получается, как правило, зависящий от частоты ход изменения с одним максимумом. Этот спектр используется для вычисления. В частности, из этого спектра учитывается частота, при которой возникает максимум. Эта частота может называться гребневой частотой или вершинной частотой, и часто называется в немецком языке пиковой частотой. При изменении рабочей точки возникает также новый спектр и тем самым новая пиковая частота. Таким образом, для каждого зуба можно по отдельности для множества рабочих точек получать частотный спектр и тем самым пиковую частоту. Для расчета соответствующего зуба применяется пиковая частота, и для этого из множества определяемых пиковых частот выбирается одна пиковая частота. Применяемая пиковая частота может быть также образована в виде среднего значения из множества определяемых пиковых частот. Определение и оценка частотных спектров поясняется в качестве примера на фиг. 6.

Для определения этих частотных спектров и затем соответствующих пиковых частот можно выполнять исследования в аэродинамической трубе. Существуют также способы моделирования для определения таких спектров и пиковых частот.

Установленная рабочая точка и, насколько соответствует действительности, также изменение рабочих точек основывается, в частности, на реальных рабочих точках. При этом многие способы управления ветроэнергетической установкой осуществляются так, что каждой скорости ветра соответствует в принципе одна рабочая точка. По меньшей мере из этого можно в качестве упрощения исходить, когда для упрощения остаются не учтенными такие эффекты, как различные завихрения, очень сильный ветер, очень сильно усиливающийся или очень сильно ослабевающийся ветер. Таким образом, из диапазона скорости ветра предпочтительно выбираются две или три или четыре конкретные рабочие точки, которые должны перекрывать рабочий диапазон ветроэнергетической установки.

При вычислении соответствующего зуба, в частности, высоты зуба, предпочтительно учитывается также скорость набегания потока, которая согласована с соответствующей рабочей точкой. Эффективная или локальная скорость V_eff набегания потока является той скоростью, которая устанавливается на роторной лопасти в соответствующем месте, т.е. в соответствующем радиальном положении, в результате векторного сложения скорости ветра и скорости движения роторной лопасти в этом месте.

Предпочтительно, вычисление осуществляется в зависимости от соответствующего локального профиля. Таким образом, профиль учитывается при вычислении, или же может учитываться при исследованиях в аэродинамической трубе при измерениях. Также локальная скорость набегания потока может зависеть от профиля и/или от положения роторной лопасти и тем самым от положения профиля.

Предпочтительно, вычисление высоты Н зуба в заданном радиальном положении осуществляется из соответствующей скорости V_eff набегания потока, соответствующей пиковой частоты f_peak шумового спектра рабочей точки и в зависимости от заданного коэффициента k, который можно определять эмпирически и, например, может быть известен из практики. На основании этого высота Н зуба вычисляется по формуле

В основе этого вычисления лежат следующие соображения.

Высота Н зуба вычисляется из шкалы Λ_p,3, соответственно, Λ_р3 длины когерентности турбулентного колебания давления и с помощью модели Corcos [3] и с применением постоянного коэффициента c₂ по следующей формуле

H=c₂⋅Λ_p3.

Коэффициент c₂ может быть определен эмпирически, соответственно, из испытательных измерений. Для с₂ можно применять также практические значения. Λ_р3 является функцией радиуса ротора, в котором установлена роторная лопасть. Шкала Λ_{р3 длины когерентности может быть вычислена из скорости Uc конвекции и пиковой частоты fpeak по следующей формуле}

Скорость U_c конвекции вычисляется из эффективной, соответственно, локальной скорости V_eff набегания потока в поперечном сечении лопасти с помощью постоянной c₁, которая может быть определена эмпирически с помощью испытаний или моделирования, и имеет, в частности, значение 0,7 (c₁=0,7) по формуле

U_c=c₁⋅V_eff.

Эффективная, соответственно, локальная скорость V_eff вычисляется с помощью метода импульсов элементов лопасти, который известен также как метод BEM (Blade Element Momentum method).

В это вычисление входит также угол установки роторной лопасти, частота вращения ротора, скорость ветра, а также конкретный радиус и профиль лопасти поперечного сечения лопасти в радиальном положении и при локальном угле скручивания роторной лопасти, для которых должна вычисляться скорость V_eff набегания потока и тем самым высота Н зуба. Таким образом, вычисление осуществляется для конкретной рабочей точки.

Пиковая частота f_peak и частота, при которой возникает, соответственно, ожидается для исследуемой рабочей точки и исследуемого радиального положения, относительно ротора, наибольший уровень шума. Таким образом, это частота, при которой спектр шума задней кромки, соответственно, спектр шумности задней кромки имеет свой максимум.

Пиковая частота f_peak может быть определена эмпирически, например, с помощью целенаправленных исследований в аэродинамической трубе, например, с помощью динамических датчиков давления на задней кромке лопасти, или же ее можно вычислять с помощью цифрового аэроакустического моделирования для локального числа Re Рейнольдса. Локальное число Рейнольдса получается из локального угла α набегания потока, локальной скорости набегания потока и локальной глубины профиля, и его можно получать также в качестве результата с помощью упомянутого метода ВЕМ. Кроме того, учитывается двумерная геометрия профиля локального поперечного сечения лопасти.

Таким образом, высота Н зуба вычисляется из следующего соотношения скорости V_eff набегания потока и пиковой частоты f_peak шумового спектра по формуле

при

При этом V_eff и f_peak зависят от угла установки роторной лопасти, частоты вращения ротора, скорости ветра, а также конкретного радиуса и профиля лопасти поперечного сечения лопасти радиального положения на роторной лопасти, для которого должна определяться высота Н зуба.

Дополнительно к этому, согласно изобретению, предлагается задняя кромка, согласно пункту 9 формулы изобретения. Такая задняя кромка характеризуется пилообразным прохождением, которое имеет зубья с высотой зубьев и шириной зубьев, при этом высота зубьев и/или ширина зубьев зависит от их радиального положения и/или от локального профиля лопасти их радиального положения.

Таким образом, получаются взаимосвязи, пояснения и преимущества в соответствии по меньшей мере с одним вариантом выполнения указанного способа расчета подлежащей изготовлению задней кромки.

Предпочтительно, предлагается задняя кромка, которая рассчитана с помощью способа, согласно одному из указанных выше вариантов выполнения.

Задняя кромка для роторной лопасти может называться также задней кромкой роторной лопасти.

Предпочтительно, вычисление высоты Н зуба для заданного радиального положения осуществляется из соответствующей шкалы Λ_р3 длины когерентности с учетом постоянного коэффициента c₂ по формуле

Н=c₂⋅Λ_p3.

Таким образом, в вычисление для зуба соответствующего радиуса входит шкала длины когерентности того же радиуса. Шкала Λ_р3 длины когерентности является зависимой от радиуса ротора функцией и, соответственно, для значений высоты зубьев задней кромки получается зависящая от радиуса функция. С помощью постоянного коэффициента c₂ можно пропорционально увеличивать или уменьшать эту функцию по ее амплитуде, за счет чего, однако, не изменяется принципиальное прохождение этой функции. С помощью кривой с очень малым с₂ и другой кривой с очень большим с₂ может быть задан диапазон, в котором может быть выбрана предпочтительная функция для значений высоты зубьев.

Предпочтительно, предлагается роторная лопасть для ветроэнергетической установки с задней кромкой, согласно по меньшей мере одному из указанных вариантов выполнения.

Кроме того, предпочтительно предлагается ветроэнергетическая установка с одним, в частности, тремя такими роторными лопастями.

Ниже приводится в качестве примера более подробное пояснение изобретения на основе примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:

фиг. 1 - ветроэнергетическая установка, в изометрической проекции;

фиг. 2 - роторная лопасть, содержащая заднюю кромку с пилообразным прохождением с множеством зубьев;

фиг. 3 - часть роторной лопасти с контуром для установки для слабого ветра и изображенным штриховыми линиями отклоняющимся от него контуром для установки для сильного ветра, на виде сверху;

фиг. 4 - поперечное сечение лопасти со схематично изображенной зоной завихрений;

фиг. 5 - ход изменения высоты Н зуба, по меньшей мере согласно одному варианту выполнения, в зависимости от радиуса;

фиг. 6 - частотные спектры в выбранных в качестве примера радиальных положениях одного варианта выполнения;

фиг. 7 - локальные аэродинамические параметры, которые лежат в основе вычисления с помощью метода ВЕМ, соответственно, могут быть вычислены с его помощью;

фиг. 8 - пиковая частота в зависимости от радиуса для одного варианта выполнения;

фиг. 9 - график различных возможных изменений значений высоты Н зубьев в зависимости от радиуса для установки для сильного ветра;

фиг. 10 - график различных возможных изменений значений высоты Н зубьев в зависимости от радиуса для установки для слабого ветра;

фиг. 11 - график изменения значений высоты зубьев, которая нормирована относительно локальной глубины профиля, в зависимости от нормированного радиуса для установок для слабого и сильного ветра;

фиг. 12а и 12b - задняя кромка для установки для сильного ветра;

фиг. 13а и 13b - задняя кромка для установки для слабого ветра.

Пояснение изобретения на основе примеров со ссылками на фигуры осуществляется по существу схематично, и конструктивные элементы, которые поясняются на соответствующей фигуре, могут быть для лучшей иллюстрации выделены, а другие элементы упрощены. Так, на фиг. 1 показана ветроэнергетическая установка лишь схематично, так что предусмотренная пилообразная задняя кромка нераспознаваема.

На фиг. 1 показана ветроэнергетическая установка 100 с башней 102 и гондолой 104. На гондоле 104 расположен ротор 106 с тремя роторными лопастями 108 и обтекателем 110. Ротор 106 приводится во время работы во вращательное движение и тем самым приводит в действие генератор в гондоле 104.

На фиг. 2 схематично показана роторная лопасть 2 с задней кромкой 1 роторной лопасти, которая упрощенно называется также задней кромкой. Роторная лопасть в соответствии с предназначением закреплена на ступице 4, что показано здесь лишь схематично, для вращения вокруг оси 6 вращения ступицы 4.

Задняя кромка 1 имеет зубчатое прохождение с множеством зубьев 8, которые расположены рядом друг с другом вдоль роторной лопасти 2. Эта задняя кромка 1 с зубьями 8 расположена здесь лишь на наружной половине роторной лопасти 2. Каждый зуб имеет радиальное положение относительно оси 6 вращения. Первый зуб 8 начинается при радиусе r₁, и последний зуб заканчивается при радиусе r₂, который одновременно соответствует всему радиусу R роторной лопасти относительно оси 6 вращения.

Каждый зуб 8 имеет высоту Н зуба, которая зависит от соответствующего радиуса r. Таким образом, высота Н зуба является функцией радиуса r:

Н=f(r).

Соответственно, высота зуба 8 при радиусе r₁ является высотой H(r₁), а высота Н последнего зуба является высотой Н(r₂). Ширина каждого зуба 8 обозначена на фиг. 2 греческой буквой λ, которая также зависит от соответствующего радиуса r и поэтому указывается как λ(r).

Каждый зубец 8 имеет вершину 10 зуба, и между двумя зубьями 8 имеется вырез с вершиной 12 выреза. Соединяющая вершины 10 зубьев линия может называться гребневой линией 14, и изображена на фиг. 1 в виде штриховой линии. Линия основания или базовая линия 16 соединяет вершины 12 вырезов и может представлять, как показано в качестве иллюстрирующего примера на фиг. 2, заднюю линию роторной лопасти 2, которая образовывала бы заднюю кромку роторной лопасти 2 при отсутствии изображенной зубчатой задней кромки 1.

Расстояние между гребневой линией 14 и линией 16 основания не постоянно и задает для соответствующего радиуса r высоту Н расположенного там зуба 8. Соответственно, изменяется также высота зубьев 8 в зависимости от локального радиуса r роторной лопасти 2. Для выполнения или крепления несколько зубьев 8 могут группироваться, как показано с помощью изображенных значений ширины B₁ и В₂. Вычисление зубьев 8, в частности, высоты зубьев 8, зависит от профиля соответствующего поперечного сечения лопасти, и для иллюстрации изображено такое поперечное сечение 18 лопасти.

Ширина λ, соответственно, λ(r) может также изменяться с радиусом r и находится, в частности, в неизменном соотношении с высотой Н соответствующего зуба 8. Это соотношение составляет предпочтительно 2, так что высота Н зуба 8 в два раза больше ширины λ того же зуба. Если, согласно другому варианту выполнения, отношение высоты Н к ширине λ значительно больше 2, то, в частности, по соображениям технологии изготовления может быть целесообразным выполнение зуба 8 прямоугольным или приблизительно прямоугольным, так что для задней кромки получается своего рода гребенчатая структура, или задняя кромка имеет вместо зубьев зубцы.

На фиг. 3 показана роторная лопасть 2, которая, однако, может отличаться от показанной на фиг. 1 роторной лопасти 2. Эта роторная лопасть 2 на фиг. 3 имеет переднюю кромку 20 и заднюю кромку 1, пилообразное прохождение которой здесь для упрощения не изображено. Эта роторная лопасть 2 с передней кромкой 20 и задней кромкой 1 иллюстрирует принципиальную форму роторной лопасти установки для сильного ветра. Для сравнения штрихами изображена задняя кромка 1' роторной лопасти 2 установки для слабого ветра, т.е. для ветроэнергетической установки для мест установки со слабым ветром. Для пояснения также изображена ось 6 вращения, с целью указания направления вращения лопасти 2 и показа обращенной к оси 6 вращения стороны роторной лопасти 2.

Во всяком случае, на фиг. 3 можно видеть, что роторная лопасть установки для слабого ветра, в частности в наружной зоне, выполнена более стройной, чем роторная лопасть для установки для сильного ветра. Фиг. 3 должна лишь иллюстрировать это и обращать внимание на то, что роторная лопасть установки для слабого ветра при том же классе мощности ветроэнергетической установки может быть более длинной, т.е. иметь больший радиус, чем роторная лопасть ветроэнергетической установки для слабого ветра.

Фиг. 4 иллюстрирует условия потока на роторной лопасти 2 ветроэнергетической установки. При этом на фиг. 4 показано поперечное сечение лопасти, которое может быть, например, поперечным сечением 18 лопасти, согласно фиг. 2. Набегающий ветер 22, который изображен здесь лишь в виде линии, разделяется на роторной лопасти 2 в зоне ее передней кромки 20 и проходит сначала ламинарно. В частности, на нижней поверхности 24 он проходит до вблизи задней кромки ламинарно. На верхней стороне 26 образуется пограничный слой, в котором могут возникать завихрения или турбулентности. При приближении к задней кромке толщина пограничного слоя увеличивается. Толщина обозначена здесь как δ₁. Это увеличение толщины δ₁ пограничного слоя к задней кромке 1 приводит к тому, что в зоне задней кромки 1 возникают, соответственно, большие завихрения или турбулентности. В частности, там в зоне задней кромки 1 возникают так называемые пучки турбулентности. Эти пучки турбулентности по меньшей мере частично разрушаются или предотвращается их образование с помощью предлагаемой пилообразной задней кромки. Для этого наклонное положение боковых поверхностей зубьев 8 (согласно фиг. 2) должно быть по возможности согласовано с этими пучками турбулентности. Также величина зубьев 8, соответственно, их промежуточных пространств, должна быть максимально согласована с этими пучками турбулентности. Соответственно, было установлено, что зубья и их промежуточные пространства не должны быть слишком большими или слишком малыми. Если они большие, то такие пучки турбулентности могут задерживаться между двумя зубьями. Если зубья слишком малы, то они оказывают лишь небольшое влияние на пучки турбулентности. При этом было установлено, что пучки турбулентности по виду и величине могут зависеть от радиуса их возникновения. Таким образом, зубья приспосабливаются к этим зависящим от радиуса пучкам турбулентности.

На фиг. 5 показано в качестве примера изменение высоты Н зубьев 8 задней кромки 1 в зависимости от радиуса r. Показанный ход изменения относится к роторной лопасти установки для сильного ветра. При этом высота Н сначала увеличивается с увеличением радиуса r, а затем снова уменьшается с увеличением радиуса r. Этот ход изменения показывает средняя кривая H₁. Кроме того, изображена кривая Н₂, которая показывает очень низкое возможное прохождение высоты Н, и, соответственно, показана кривая Н₃, которая показывает, соответственно, очень большие значения высоты Н. Эти кривые Н₂ и Н₃ могут образовывать пограничные кривые, внутри которых предпочтительно выбирается кривая H₁.

На фиг. 6 показаны четыре частотных спектра SPC₁, SPC₂, SPC₃ и SPC₄. Это спектры шума или спектры шумности для рабочей точки ветроэнергетической установки в четырех выбранных в качестве примера радиальных положениях. Эти четыре частотных спектра SPC₁, SPC₂, SPC₃ и SPC₄ измерены в положениях радиуса r₁=0,39, r₂=0,606, r₃=0,779, соответственно, r₄=0,989. Для этого были определены, соответственно, пиковые частоты f_peak1, f_peak2, f_peak3 и f_peak4. Каждый из этих спектров шумности имеет точку максимума, и соответствующие частоты применяются в качестве пиковых частот f_peak1, как указывалось выше. Таким образом, такой результат получается, когда для одной рабочей точки ветроэнергетической установки измеряются спектры шума в различных радиальных положениях роторной лопасти. Из этого можно определять зависящую от радиуса функцию максимумов пиковых частот и/или зависящую от радиуса функцию получающихся вычисленных значений высоты Н(r) зубьев.

На фиг. 7 показано для выбранного в качестве примера поперечного сечения 18 роторной лопасти 2, которая вращается с частотой Ω вращения в плоскости 28 ротора, локальные аэродинамические параметры, которые необходимо для вычисления с помощью метода ВЕМ, соответственно, вычисляются с его помощью. Для частоты Ω вращения изображен вектор, который направлен противоположно фактическому направлению частоты вращения, с целью указания соответствующего противоположному движению, расчетного ветра. Векторное сложение этого расчетного ветра с ветром, соответственно, скоростью V_w ветра, приводит тем самым к получению эффективной скорости V_eff набегания потока.

При этом на фиг. 7 иллюстрируются частота Ω вращения ротора, локальный угол α набегания потока, локальный угол β установки, который складывается из угла установки лопасти и скручивания роторной лопасти, и угол ϕ набегания потока. Кроме того, показана локальная глубина с профиля показанного поперечного сечения 18 лопасти. Другие релевантные величины поясняются в следующей таблице.

Применение в связи с вычислением с помощью метода ВЕМ указано в источнике [1].

Теперь может быть вычислена, в частности, также шкала длины когерентности.

Зависящая от радиуса/размаха шкала длины когерентности турбулентных колебаний давления вычисляется с помощью модели Коркоса [3] по следующей формуле

при U_c=с₁⋅V_eff

c₁ является постоянной со значением 0,7. U_c известна как скорость конвекции. Эффективная или локальная скорость V_eff набегания потока на поперечном сечении лопасти зависящего от радиуса/размаха положения r определяется с помощью вычислений с использованием метода импульсов элементов лопасти (Blade Element Momentum method - ВЕМ) (см. фиг. 7). Метод ВЕМ поставляет также все другие требуемые локальные параметры потока, такие как локальный угол α набегания потока, числа Рейнольдса (Re) и Маха (Ма). Параметр f_peak является частотой, при которой спектр шумности задней кромки в пограничном слое имеет свой максимум. Этот параметр можно определять либо с помощью специальных испытаний в аэродинамической трубе на профиле, в которых частотный спектр колебаний давления стенки турбулентного пограничного слоя измеряется в точке в непосредственной близости от задней кромки профиля, либо с помощью любой теоретической модели прогнозирования шумности цифровым способом.

Спектр шумности и пиковую частоту f_peak можно определять эмпирически, например, с помощью специальных исследований в аэродинамической трубе, например, с помощью динамических датчиков давления на задней кромке лопасти, или же ее можно вычислять с помощью цифрового аэроакустического моделирования для локального числа Re Рейнольдса. Локальное число Рейнольдса получается из локального угла α набегания потока, локальной скорости набегания потока и локальной глубины профиля, и может быть получена также как результат указанного метода ВЕМ. Кроме того, учитывается двумерная геометрия профиля локального поперечного сечения лопасти.

При этом Λ_р3 определяется для каждого профиля вдоль ширины размаха лопасти посредством применения указанного выше процесса.

Для определения локальных геометрических размеров зубьев задней кромки применялись следующие формулы.

Высота Н зубьев как функция нормированного радиуса:

и расстояние между зубьями:

При этом c₂=c_const является эмпирической постоянной в диапазоне значений от 4 до 15. В предпочтительном варианте выполнения с₂=8.

На фиг. 8 показан график зависимости пиковой частоты f_peak от радиуса для одной рабочей точки. Пиковые частоты f_peak1-f_peak4 соответствуют частотам на фиг. 6 и получены, как пояснено применительно к фиг. 6. При этом радиус является безразмерным, а именно, радиус r нормирован относительно максимального радиуса R. Для иллюстрации изображено несколько измеренных, зависящих от радиуса r пиковых частот, и соединены друг с другом линией. Как показано на графике, пиковые частоты увеличиваются с увеличением радиуса. Таким образом, из графика следует, что частота максимума шумности, соответственно, частота максимума шума сдвигается к более высоким значениям при увеличении радиуса. Это объясняется тем, что пучки турбулентности, которые могут называться также узлами турбулентности, становятся меньше с увеличением радиуса.

На фиг. 9 показана высоты Н зуба в зависимости от нормированного относительно максимального радиуса R радиуса r. На этом графике, также как на графике на фиг. 10, показана лишь примерно зона наружной трети исследуемой роторной лопасти. На графике показаны 11 дискретных значений H_r в зависимости от нормированного радиуса в виде маленьких квадратов. Эти значения измерены по отдельности, посредством определения соответствующей пиковой частоты для соответствующего радиуса. Эти дискретные значения высоты H_r зубьев относятся все к одной и той же рабочей точке. Для этих дискретных значений H_r затем определена функциональная взаимная связь, которая изображена в виде кривой Н₈. Кривая Н₈ представляет полимномное приближение этих дискретно измеренных значений H_r. Такое приближение с помощью полиномов можно осуществлять, например, посредством минимизации стандартных отклонений или суммы квадратов отклонений. Можно в принципе применять также другие приближения, например, с помощью полинома более высокой или более низкой степени. Это приближенное прохождение Н₈ может быть выражено также в виде Н=с₂⋅Λ_p3, при этом c₂ имеет здесь значение 8 (с₂=8). Эта определенная так зависящая от радиуса функция Н₈ задает ход изменения значений высоты зубьев в зависимости от радиуса для одной рабочей точки. Для других рабочих точек получаются другие прохождения значений высоты Н зубьев, что отражается другим значением для с₂.

Соответственно, кривые H₄ и Н₁₀ показывают ход изменения значений высоты Н зубьев для других рабочих точек, при этом рабочая точка соответствующей кривой Н₄, соответственно, Н₁₀ является одинаковой для всех показанных радиусов. Было установлено, что измерение дискретного значения H_r для других рабочих точек является не обязательным, и изменение постоянной с₂ является достаточным, для изображения с хорошей точностью хода изменения значений высоты Н зубьев в зависимости от радиуса для такой другой рабочей точки.

На фиг. 9 показаны взаимосвязи для установки для сильного ветра с расчетной скоростью вращения 7, а именно, для ветроэнергетической установки фирмы Enercon типа Е82. На фиг. 10 показаны аналогичные прохождения как на фиг. 9, однако для установки для слабого ветра, а именно, установки фирмы Enercon типа Е92-1. Здесь также показаны изменения высоты Н для различных рабочих точек, и для улучшения обзорности здесь применяются те же обозначения, что и на фиг. 9. В соответствии с этим, для рабочей точки имеется функция Н₈, которая с помощью полинома пятой степени приближает множество измеренных по отдельности значений H_r. Для других рабочих точек получается прохождение Н₄, соответственно, Н₁₀. В основе прохождений Н₈, Н₄ и Н₁₀ лежит функциональная взаимосвязь H=c₂⋅Λ_p3, при этом c₂=8, с₂=4, соответственно, c₂=10.

Таким образом, для получения непрерывного прохождения по ширине размаха вычислены в различных дискретных положениях вдоль ширины размаха и применяются для определения полинома шестого порядка с помощью оптимальной подгонки кривой. При этом количество членов полинома, а именно, до , применяется для обозначения порядка, и тем самым в данном случае обозначается полином пятой степени.

Получающийся полином пятой степени для высоты Н зубьев в виде функции нормированного радиуса лопасти для показанного на фиг. 9 примера имеет вид:

При с₂=8 получается предпочтительный ход изменения, который показан на фиг. 9 в виде кривой Н₈.

Расчетный диапазон показан на фиг. 9 с помощью пограничных кривых Н₄ с с₂=4, а также Н₁₀ с с₂=10. Линия с квадратными символами указывает ход изменения вычисленных в дискретных местах значений Λ_р3.

При этом на фиг. 10 показаны расчетные данные для установки для слабого ветра класса 9. Расчетный диапазон снова задан, как и на фиг. 9, с помощью кривой Н₄ с c₂=4, а также Н₁₀ с с₂=10. Линия с квадратными символами указывает ход изменения вычисленных в дискретных местах значений Λ_р3. В данном случае полином шестой степени для непрерывного прохождения имеет вид:

При c₂=8 получается предпочтительный ход изменения, который показан на фиг. 10 в виде кривой Н₈.

Область определения полинома проходит через нормированный радиус r/R=0,5-10. Предпочтительно, область определения лежит между r/R=0,65-1,0, однако должна обеспечиваться область по меньшей мере от r/R=0,7 до 1,0.

Если интерес представляет ход изменения при r/R<0,65, то необходимо выполнить расширенное вычисление значений Λ_р3 и подогнать факторы членов полинома.

При этом вычисленное значение Λ_р3 зависит от локального состояния потока в рассматриваемой рабочей точке ветроэнергетической установки. Поэтому окончательное значение высоты зубьев и расстояния между зубьями (или в качестве эквивалента ) необходимо выбирать так, что зубчатая задняя кромка в выбранной рабочей точке ветроэнергетической установки является оптимальной в номинальном режиме работы.

Вычисление с помощью модели Коркоса не является тривиальным и может более точно осуществляться с помощью двухточечной корреляции измерений колебаний давления стенки в аэродинамической трубе на профиле вблизи задней кромки, как указано в источнике [2].

На фиг. 11 показан график для одного, соответственно, двух вариантов выполнения изменения значений высоты зубьев, нормированных относительно соответствующей локальной глубины профиля, в зависимости от нормированного радиуса для установок для сильного ветра и слабого ветра. Можно видеть, что при выполнении для сильного ветра получается другая характеристика. Предлагается учитывать это при определении значений высоты зубьев.

При этом фиг. 12а так же, как и фиг. 12b, 13а и 13b, выполнены с соблюдением масштаба. Можно видеть, что значения высоты Н зубьев сильно уменьшаются от малого локального радиуса r₁ к большому локальному радиусу r₂. Для иллюстрации этого изображена высота H₁ для малого радиуса r₁ и малая высота Н₂ для большого радиуса r₂. Показанная задняя кромка изображена здесь отдельно для выполнения на роторной лопасти для установки для сильного ветра. При этом показанная задняя кромка 1 имеет длину примерно 12 м. Можно видеть, что высота H₁ значительно больше высоты Н₂, и что значения высоты Н зубьев сначала остаются одинаковыми, а затем сильно уменьшаются к большему, а именно, наружному радиусу r₂. На основании одновременно уменьшающейся глубины профиля, увеличиваются тем самым сначала значения относительной высоты Н зубьев 8, а именно отнесенной к соответствующей глубине профиля высоты зубьев, а затем уменьшаются к концу роторной лопасти, а именно, при r₂.

Изображение в изометрической проекции на фиг. 12b еще раз иллюстрирует ход изменения высоты зубьев. На обеих фигурах можно также видеть, что вместе с высотой зубьев становится меньше также ширина зубьев, соответственно, расстояние между зубьями.

На фиг. 13а и 13b показана задняя кромка 1 для установки для слабого ветра. Можно также видеть, что высота H₁ зуба сильно уменьшается к высоте Н₂ зуба, а именно, от малого радиуса r₁ к большому радиусу r₂. Радиусы r₁ и r₂ на фиг. 13а, с одной стороны, и на фиг. 12а и 12b, с другой стороны, отличаются по величине. При этом обе задние кромки 1 на фиг. 12а и 12b, с одной стороны, и на фиг. 13а, с другой стороны, предусмотрены примерно для наружной трети соответствующей роторной лопасти. Кроме того, обе задние кромки 1 разделены на сегменты S₁-S₅, при этом для различных задних кромок 1 применяются одинаковые обозначения, с целью упрощения сравнения. Дополнительно к этому, пятый сегмент S₅ задней кромки 1 на фиг. 13а разделен на дальнейшие подсегменты. На фиг. 13 можно видеть, что высота Н зубьев уже уменьшилась во втором сегменте, в то время как уменьшение во втором сегменте S₂ задней кромки для установки для сильного ветра, согласно фиг. 12, еще не распознаваема, а также еще не происходит. Тем самым ход изменения значений высоты Н зубьев задней кромки 1 для установок для сильного ветра, согласно фиг. 12а и 12b, отличается от показанного на фиг. 13а ходя изменения для установки для слабого ветра.

На фиг. 13b показана дополнительно часть задней кромки 1 установки для слабого ветра, с целью иллюстрации возможного конструктивного выполнения, в частности, зубьев 8. В соответствии с этим можно видеть, что зубья 8 соединены друг с другом через основание 30. Значения высоты Н зубьев измеряется от линии основания, соответственно, базовой линии 16, на которой расположены, таким образом, также вершины 12 вырезов. На фиг. 13b показано также, что вершина 10 зуба может быть снабжена легким округлением.

[1] Theory and User Manual BLADOPT, ECN report, August 2011, by B.H. Bulder, S.A.M Barhorst, J.P. Scheppers, F. Hagg.

[2] M.S. Howe. Acoustics of Fluid-Structure Interactions. Cambridge University Press, online ISBN: 9780511662898, hardback ISBN: 9780521633208, paperback ISBN: 9780521954287 edition, 1998.

[3] G.M. Corcos. The structure of the turbulent pressure field in boundary-layer flows. Journal of Fluid Mechanics, 18:353-378, 1964.

[4] Andreas Herrig. Validation and Application of a Hot-Wire based Method for Trailing-Edge Noise Measurements on Aitfoils, PhD Thesis, University of Stuttgart, 2011, ISBN 978-3-8439-0578.

Технологически желаемый ход изменения предпочтительно создается посредством обработки при компьютерном управлении заданной полосы задней кромки с помощью автоматизированного процесса резания.

Изобретение относится к способу расчета подлежащей изготовлению задней кромки для роторной лопасти. Способ расчета подлежащей изготовлению задней кромки для роторной лопасти аэродинамического ротора ветроэнергетической установки, при этом роторная лопасть имеет относительно ротора радиальные положения, роторная лопасть имеет локальный, зависящий от радиальных положений относительно ротора профиль лопасти, и задняя кромка имеет зубчатое прохождение с множеством зубьев, при этом каждый зуб имеет высоту зуба и ширину зуба, и высота зуба и/или ширина зуба вычисляется в зависимости от его радиального положения и/или в зависимости от профиля лопасти его радиального положения. Изобретение направлено на снижение шумовых эффектов. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Способ расчета подлежащей изготовлению задней кромки для роторной лопасти аэродинамического ротора ветроэнергетической установки, при этом

- роторная лопасть имеет радиальные положения относительно ротора,

- роторная лопасть имеет локальный профиль лопасти, зависящий от радиальных положений относительно ротора,

- и задняя кромка имеет зубчатый профиль с множеством зубьев,

- при этом каждый зуб имеет высоту зуба и ширину зуба, и

- высоту зуба и/или ширину зуба рассчитывают в зависимости от его радиального положения или в зависимости от локального профиля лопасти его радиального положения,

при этом высоту Н зуба радиальных положений рассчитывают из шкалы длины когерентности, связанной с зубом радиального положения, с применением постоянного коэффициента c₂, по формуле

при этом шкалу длины когерентности вычисляют из скорости U_c конвекции и пиковой частоты f_peak по следующей формуле

при этом скорость U_c конвекции вычисляется из эффективной скорости V_eff набегания потока у профиля лопасти с помощью постоянной c₁.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высота зуба больше ширины зуба, ширину зуба вычисляют из высоты зуба, и таким образом отношение высоты зуба к ширине зуба лежит в диапазоне от 0,5 до 10.

3. Способ по любому из п. 1 или 2, отличающийся тем, что высота зуба и/или ширина зуба зависит от его локального радиуса через полиномную связь от четвертой до восьмой степени.

4. Способ по любому из п. 1 или 2, отличающийся тем, что зубья имеют различные друг от друга значения ширины зубьев и/или высоты зубьев.

5. Способ по любому из п. 1 или 2, отличающийся тем, что вычисление включает в себя установку задних кромок таким образом, что у задних кромок для мест установки со слабым ветром высота зубьев уменьшается с увеличением радиуса радиального положения ее зубьев сильнее, чем у задних кромок для мест установки с сильным ветром, или что высота зубьев одинакового радиального положения у задних кромок для ветроэнергетических установок для мест установки со слабым ветром меньше, чем у задних кромок для ветроэнергетических установок одинакового класса мощности для мест установки с сильным ветром.

6. Способ расчета подлежащей изготовлению задней кромки для роторной лопасти аэродинамического ротора ветроэнергетической установки, при этом

- роторная лопасть имеет радиальные положения относительно ротора,

- роторная лопасть имеет локальный профиль лопасти, зависящий от радиальных положений относительно ротора,

- и задняя кромка имеет зубчатый профиль с множеством зубьев,

- при этом каждый зуб имеет высоту зуба и ширину зуба, и

- высоту зуба и/или ширину зуба рассчитывают в зависимости от его радиального положения или в зависимости от локального профиля лопасти его радиального положения,

при этом вычисление высоты Н зуба радиального положения осуществляют из соответствующей скорости V_eff набегания потока, соответствующей пиковой частоты f_peak шумового спектра рабочей точки и заданного коэффициента k, по формуле