張云芳

摘要：近年來，隨著對風力發(fā)電研究的深入，人們越來越關(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，進一 步提升葉片的捕風功率、降低塔筒的振動。因此渦流發(fā)生器成為近年來研究風電技術(shù)的熱門方向。本文對風力發(fā)電渦流發(fā)生器的技術(shù)進行全面詳細的技術(shù) 分析，旨在詳細了解該方面技術(shù)發(fā)展的演進路線，為相關(guān)領(lǐng)域提供一定的指導作用。

關(guān)鍵詞：風電;渦流發(fā)生器;發(fā)展;路線

本文通過對應(yīng)用于風電葉片的渦流發(fā)生器的相關(guān)專利文獻進行檢索、 梳理、標引，對用于風電葉片不同位置的渦流發(fā)生器的技術(shù)進行全面詳細 的技術(shù)分析，旨在詳細了解該方面技術(shù)發(fā)展的演進路線。但常用安裝位置 包括表面和后緣，下面將重點從上述兩個常用安裝位置進行分析。

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行降 噪或者也可以設(shè)計成鈍尾緣的形式，并且對鈍尾緣的高度對渦流的影響作 了一定的研究。

JP2003254225（2003 年）三菱株式會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、梯形或者錯位排列的圓 形，進一步提出了可以在葉片表面和后緣同時設(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）通用電氣公司申請在后緣設(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，申請中認為：當表面孔隙率小 于可透過的副翼的表面面積的大約 20%時，預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產(chǎn)生 足夠的噪音減少。還預期以孔和/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)過降噪裝置的風流進行控制，從而降低噪聲?？椎亩?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。孔可以 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?shù)膭偠纫约坝捕鹊耐瑫r 更容易地彎折。

US20110142666（2011）對于鋸齒的具體尺寸做了進一步的限定和研究，US20110223030（2012）在鋸齒表面設(shè)置輔助降噪部件，設(shè)置剛毛實現(xiàn)進一 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 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或?多個空氣動力學裝置。這些空氣動力學裝置將邊界層的渦旋分開成若干個?較小的子渦旋。因此，這些空氣動力學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。當此高頻噪聲在圍繞轉(zhuǎn)子葉片的周圍空氣中傳播時，這些高頻率的?衰減增加。因此，降低的噪聲到達位于某個位置并且在與轉(zhuǎn)子葉片相距某?個距離的收聽者。通過該機制，可大幅地降低由轉(zhuǎn)子葉片與在轉(zhuǎn)子葉片附?近流動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 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)相比一般更精細的結(jié)構(gòu)會 導致發(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：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 測者感知到的聲壓級。CA2951802（2016） 在尾緣鋸齒上設(shè)置導葉，進一 步導流。CA2954084A1，CN104948396A 均涉及到了鋸齒具體尺寸的設(shè)計。EP3181895 鋸齒之間設(shè)置分隔板，分隔板可以設(shè)計成各種形狀，能夠起到 更好的降噪效果。

EP3348826（2018）對鋸齒形狀進一步改進，在鋸齒表面設(shè)計氣流調(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 風力渦輪機葉片的原始后緣的散射效率，并使由調(diào)節(jié)的氣流未對齊而導致 的降噪性能的損失最小。與傳統(tǒng)的降噪裝置相比，這種配置進一步提供了 提高的降噪效果，因為氣流調(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 是針對氣流進行設(shè)計安裝的，而是從葉片疏水性方面進行考慮安裝設(shè)計的，但是對本領(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。隨著 其他部位以及其他領(lǐng)域渦流發(fā)生器的發(fā)展，人們逐漸意識到通過氣流沖擊 的方式也可以在一定程度上起到擾動氣流的效果，進而實現(xiàn)破壞邊界層提 升葉片升力，最早的此類文獻出現(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)，人們也同時在突出部件渦流發(fā)生器上進 行了細節(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)達到較 好的提升升力的效果，進而增大風力發(fā)電機的輸出，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速，然而這類渦流發(fā)生器 還導致葉片的氣動阻力增大。2008 年的 WO2009080316A3 專利申請，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的頻率 和幅度，由此實現(xiàn)氣流相交混合，可以提供葉片在整個翼展范圍內(nèi)設(shè)置的 優(yōu)點。以上專利文獻中所討論的渦流發(fā)生器因為他們被部署為活動狀態(tài)而 被認為是“動態(tài)”的，這些元件在“靜止”狀態(tài)中的用處最小。針對以上 技術(shù)缺陷，2011 年的專利申請 US2011142628A1 提出了動靜結(jié)合的渦流發(fā) 生器，該渦流發(fā)生器采用柔性材料組成，并可針對檢測元件檢測的氣流狀 態(tài)通過控制器控制致動器驅(qū)動柔性渦流發(fā)生器狀態(tài)的改變，可以有效改善 各個氣流狀態(tài)下的擾動效果。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)生器且兩者對稱設(shè) 置時可以克服上述問題。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 體后細節(jié)、先靜后動。

3.小結(jié)

本文針對目前風電葉片渦流發(fā)生技術(shù)路線進行梳理和分析，從整體上 對葉片各個部位應(yīng)用渦流發(fā)生器的歷程有了一定的了解和掌握，以期對在 該領(lǐng)域的進一步研究有所幫助。