渦流發生器在風電葉片的發展應用

張云芳

摘要：近年來，隨著對風力發電研究的深入，人們越來越關注功率的提升以及噪聲的減少。研究發現，渦流發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。因此渦流發生器成為近年來研究風電技術的熱門方向。本文對風力發電渦流發生器的技術進行全面詳細的技術 分析，旨在詳細了解該方面技術發展的演進路線，為相關領域提供一定的指導作用。

關鍵詞：風電;渦流發生器;發展;路線

本文通過對應用于風電葉片的渦流發生器的相關專利文獻進行檢索、 梳理、標引，對用于風電葉片不同位置的渦流發生器的技術進行全面詳細 的技術分析，旨在詳細了解該方面技術發展的演進路線。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. 后緣上渦流發生器技術發展路線

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）其在尾緣設置鋸齒狀或者梯形形狀進行降 噪或者也可以設計成鈍尾緣的形式，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生器的 形狀，例如采用豎向的渦流發生器，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置渦流發生器，發生器的 形狀可以是豎狀的或者八字形加鋸齒形結合。該篇專利可以說開啟了渦流 發生器研究的熱潮，各種形狀的渦流發生器均有應用，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）在葉片尾緣設置副翼，并且在副翼上設置 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）的常規穿孔的非可透過的薄片材料會產生 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生比遍布在副翼的相同百分比的表面區域上的更少的 大孔更好的結果。還預期沿副翼上的流的方向增加或以其它方式變化表面 孔隙度和相應的副翼的透過性會提供較好的結果。

US20110142635（2011 年）其也是公開了可以拆除的渦流發生器，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需要從葉片延伸部切除。US20110142637（2011 年），設置在尾緣上鋸齒狀降噪裝置基板上定位設置有孔，并且鋸齒之間還設有 狹縫，狹縫能夠對經過降噪裝置的風流進行控制，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子葉片上產生的相關應變。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性，從而減小降噪 裝置內的應變，并且在使得降噪裝置能夠保持適當的剛度以及硬度的同時 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）在鋸齒表面設置輔助降噪部件，設置剛毛實現進一 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，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，在尾緣設置降噪設備，在類似于鋸齒狀的降噪裝置上設置孔。

CA2948068（2015 年）其提出了在轉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） 在后緣的通過產生不同的噪聲。因此，從后緣發射并散發具有更高頻率的?噪聲。當此高頻噪聲在圍繞轉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，可大幅地降低由轉子葉片與在轉子葉片附?近流動的空氣流的相互作用所產生的噪聲。

EP3096003（2016）在鋸齒之間設置多孔材料，通過在所述鋸齒的兩個 相鄰齒之間設置多孔材料降低來自相鄰齒之間的壓力側和吸入側的合并氣流所產生的噪音。多孔材料的與所述鋸齒的結構相比一般更精細的結構會 導致發出的噪聲的頻率增加。包括更高頻率的噪聲具有以下優點：其比頻 率更低的噪聲在環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） 在尾緣鋸齒上設置導葉，進一 步導流。CA2954084A1，CN104948396A 均涉及到了鋸齒具體尺寸的設計。EP3181895 鋸齒之間設置分隔板，分隔板可以設計成各種形狀，能夠起到 更好的降噪效果。

EP3348826（2018）對鋸齒形狀進一步改進，在鋸齒表面設計氣流調節 元件，其組合了降噪元件的效果與氣流調節元件的效果。這種配置降低了 風力渦輪機葉片的原始后緣的散射效率，并使由調節的氣流未對齊而導致 的降噪性能的損失最小。與傳統的降噪裝置相比，這種配置進一步提供了 提高的降噪效果，因為氣流調節元件調節了邊界層中的湍流。

2. 表面上渦流發生器技術發展路線

最早在葉片表面上設置相關部件的專利申請是 1999 年的 AR023721A 1，之所以稱之為相關部件而非渦流發生器其主要原因是該部件的存在并非 是針對氣流進行設計安裝的，而是從葉片疏水性方面進行考慮安裝設計的，但是對本領域技術人員而言在葉片表面的疏水性結構部件也能起到渦流發 生器的相應效果，故此將其考慮在內。2000 年首次出現了在表面以擾動氣 流為主的渦流發生器，即 DK200001450A，該渦流發生器仍然采用的是傳統 的結構形式，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域渦流發生器的發展，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，進而實現破壞邊界層提 升葉片升力，最早的此類文獻出現在 2005 年的 GB0514338D0 中。伴隨上 述新形式渦流發生器結構的出現，人們也同時在突出部件渦流發生器上進 行了細節的研究，如改變形狀、安裝位置等，以期能優化相關結構達到較 好的提升升力的效果，進而增大風力發電機的輸出，如 2005 年的 WO2006 122547A1。通常采用小翅片類似結構的渦流發生器可以產生渦流，正反交 替布置的翅片可以產生正反轉渦流，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生器的豎直伸展以及水平擺動的頻率 和幅度，由此實現氣流相交混合，可以提供葉片在整個翼展范圍內設置的 優點。以上專利文獻中所討論的渦流發生器因為他們被部署為活動狀態而 被認為是“動態”的，這些元件在“靜止”狀態中的用處最小。針對以上 技術缺陷，2011 年的專利申請 US2011142628A1 提出了動靜結合的渦流發 生器，該渦流發生器采用柔性材料組成，并可針對檢測元件檢測的氣流狀 態通過控制器控制致動器驅動柔性渦流發生器狀態的改變，可以有效改善 各個氣流狀態下的擾動效果。常規的渦流發生器的技術效果之一是增加轉 子葉片的升力，但是升力系數的增加也可能是不利的，如當它使轉子葉片 的最大升力朝向高于沒有渦流發生器的轉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 通過在葉片表面設置主副渦流發生器且兩者對稱設 置時可以克服上述問題。隨后技術的發展則更多的關注了以上現有渦流發 生器的安裝方式以及結構尺寸等，如沿葉片根至尖安裝在不同位置的 JP61 54050B2（2017 年）、不同的驅動方式（如 2018 年的 WO2020120330A1）。該葉片表面渦流發生器的發展路線與其他安裝位置有相似之處，均是先整 體后細節、先靜后動。

3.小結

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