涡流发生器在风电叶片的发展应用

张云芳

摘要：近年来，随着对风力发电研究的深入，人们越来越关注功率的提升以及噪声的减少。研究发现，涡流发生器能够有效抑制边界层的分离，进一 步提升叶片的捕风功率、降低塔筒的振动。因此涡流发生器成为近年来研究风电技术的热门方向。本文对风力发电涡流发生器的技术进行全面详细的技术 分析，旨在详细了解该方面技术发展的演进路线，为相关领域提供一定的指导作用。

关键词：风电;涡流发生器;发展;路线

本文通过对应用于风电叶片的涡流发生器的相关专利文献进行检索、 梳理、标引，对用于风电叶片不同位置的涡流发生器的技术进行全面详细 的技术分析，旨在详细了解该方面技术发展的演进路线。但常用安装位置 包括表面和后缘，下面将重点从上述两个常用安装位置进行分析。

1. 后缘上涡流发生器技术发展路线

FI944650（1994 年），最早于 1994 年提出尾缘涉及为锯齿状用于降低 噪音。JP2000120524（1998 年）其在尾缘设置锯齿状或者梯形形状进行降 噪或者也可以设计成钝尾缘的形式，并且对钝尾缘的高度对涡流的影响作 了一定的研究。

JP2003254225（2003 年）三菱株式会社提出了多种尾缘涡流发生器的 形状，例如采用竖向的涡流发生器，或者三角形、梯形或者错位排列的圆 形，进一步提出了可以在叶片表面和后缘同时设置涡流发生器，发生器的 形状可以是竖状的或者八字形加锯齿形结合。该篇专利可以说开启了涡流 发生器研究的热潮，各种形状的涡流发生器均有应用，并且安装位置等也 均有涉及。US20080187442（2008 年）通用电气公司申请在后缘设置锯齿和 刚毛交替的部件用于降噪，并且尾缘插接在叶片上，能够拆卸，便于更换。

US20100143151（2010 年）在叶片尾缘设置副翼，并且在副翼上设置 穿孔，穿孔可以是圆柱形孔和/或切口或槽，申请中认为：当表面孔隙率小 于可透过的副翼的表面面积的大约 20%时，预期具有为提供透过性的穿过 材料（例如开口或穿孔的薄片）的常规穿孔的非可透过的薄片材料会产生 足够的噪音减少。还预期以孔和/或切口的形式穿过另外的非可透过副翼的 许多较小的穿孔将产生比遍布在副翼的相同百分比的表面区域上的更少的 大孔更好的结果。还预期沿副翼上的流的方向增加或以其它方式变化表面 孔隙度和相应的副翼的透过性会提供较好的结果。

US20110142635（2011 年）其也是公开了可以拆除的涡流发生器，在 叶片后缘延伸，并且延伸部还包括多个仿形槽口，仿形槽口大体上沿着叶 片延伸部的长度而根据需要从叶片延伸部切除。US20110142637（2011 年），设置在尾缘上锯齿状降噪装置基板上定位设置有孔，并且锯齿之间还设有 狭缝，狭缝能够对经过降噪装置的风流进行控制，从而降低噪声。孔的定 位可以有利地减小将降噪装置安装至转子叶片上产生的相关应变。孔可以 减小基板的表面积并且减小基板沿降噪装置长度的连续性，从而减小降噪 装置内的应变，并且在使得降噪装置能够保持适当的刚度以及硬度的同时 更容易地弯折。

US20110142666（2011）对于锯齿的具体尺寸做了进一步的限定和研究，US20110223030（2012）在锯齿表面设置辅助降噪部件，设置刚毛实现进一 步降噪，US20120134817 涉及到了降噪部件在尾缘上的安装方法，主要通 过粘接实现，WO2012156359 在锯齿之间形成第二锯齿后缘，形成更好的 降噪效果。WO2014044412（2014 年）通过在锯齿上设置加强筋使得锯齿 状后缘的柔性和刚度可以以可控的方式变化。EP2806156（2014 年）针对 钝后缘，在尾缘设置降噪设备，在類似于锯齿状的降噪装置上设置孔。

CA2948068（2015 年）其提出了在转子叶片后缘的上游位置的一个或 多个空气动力学装置。这些空气动力学装置将边界层的涡旋分开成若干个 较小的子涡旋。因此，这些空气动力学装置起边界层大涡旋的破坏者的作 用。注意到与最初大涡旋在后缘的通过相比，较小涡旋（也被称为子涡旋） 在后缘的通过产生不同的噪声。因此，从后缘发射并散发具有更高频率的 噪声。当此高频噪声在围绕转子叶片的周围空气中传播时，这些高频率的 衰减增加。因此，降低的噪声到达位于某个位置并且在与转子叶片相距某 个距离的收听者。通过该机制，可大幅地降低由转子叶片与在转子叶片附 近流动的空气流的相互作用所产生的噪声。

EP3096003（2016）在锯齿之间设置多孔材料，通过在所述锯齿的两个 相邻齿之间设置多孔材料降低来自相邻齿之间的压力侧和吸入侧的合并气流所产生的噪音。多孔材料的与所述锯齿的结构相比一般更精细的结构会 导致发出的噪声的频率增加。包括更高频率的噪声具有以下优点：其比频 率更低的噪声在环境空气中更迅速地被消减。因此，降低了由地面上的观 测者感知到的声压级。CA2951802（2016） 在尾缘锯齿上设置导叶，进一 步导流。CA2954084A1，CN104948396A 均涉及到了锯齿具体尺寸的设计。EP3181895 锯齿之间设置分隔板，分隔板可以设计成各种形状，能够起到 更好的降噪效果。

EP3348826（2018）对锯齿形状进一步改进，在锯齿表面设计气流调节 元件，其组合了降噪元件的效果与气流调节元件的效果。这种配置降低了 风力涡轮机叶片的原始后缘的散射效率，并使由调节的气流未对齐而导致 的降噪性能的损失最小。与传统的降噪装置相比，这种配置进一步提供了 提高的降噪效果，因为气流调节元件调节了边界层中的湍流。

2. 表面上涡流发生器技术发展路线

最早在叶片表面上设置相关部件的专利申请是 1999 年的 AR023721A 1，之所以称之为相关部件而非涡流发生器其主要原因是该部件的存在并非 是针对气流进行设计安装的，而是从叶片疏水性方面进行考虑安装设计的，但是对本领域技术人员而言在叶片表面的疏水性结构部件也能起到涡流发 生器的相应效果，故此将其考虑在内。2000 年首次出现了在表面以扰动气 流为主的涡流发生器，即 DK200001450A，该涡流发生器仍然采用的是传统 的结构形式，即将一定的部件安装在叶片表面由此引起气流的扰动。随着 其他部位以及其他领域涡流发生器的发展，人们逐渐意识到通过气流冲击 的方式也可以在一定程度上起到扰动气流的效果，进而实现破坏边界层提 升叶片升力，最早的此类文献出现在 2005 年的 GB0514338D0 中。伴随上 述新形式涡流发生器结构的出现，人们也同时在突出部件涡流发生器上进 行了细节的研究，如改变形状、安装位置等，以期能优化相关结构达到较 好的提升升力的效果，进而增大风力发电机的输出，如 2005 年的 WO2006 122547A1。通常采用小翅片类似结构的涡流发生器可以产生涡流，正反交 替布置的翅片可以产生正反转涡流，可以向叶片的边界层提供更多的能量，由此增大叶片外形周围的气流离开叶片表面的风速，然而这类涡流发生器 还导致叶片的气动阻力增大。2008 年的 WO2009080316A3 专利申请，首次 记载了以各种频率和幅度控制涡流发生器的竖直伸展以及水平摆动的频率 和幅度，由此实现气流相交混合，可以提供叶片在整个翼展范围内设置的 优点。以上专利文献中所讨论的涡流发生器因为他们被部署为活动状态而 被认为是“动态”的，这些元件在“静止”状态中的用处最小。针对以上 技术缺陷，2011 年的专利申请 US2011142628A1 提出了动静结合的涡流发 生器，该涡流发生器采用柔性材料组成，并可针对检测元件检测的气流状 态通过控制器控制致动器驱动柔性涡流发生器状态的改变，可以有效改善 各个气流状态下的扰动效果。常规的涡流发生器的技术效果之一是增加转 子叶片的升力，但是升力系数的增加也可能是不利的，如当它使转子叶片 的最大升力朝向高于没有涡流发生器的转子叶片的最大升力的值增大，则 在这种背景下最大升力的增加通常被视为不利，为了克服上述问题，2014 年的 US2016177914A1 通过在叶片表面设置主副涡流发生器且两者对称设 置时可以克服上述问题。随后技术的发展则更多的关注了以上现有涡流发 生器的安装方式以及结构尺寸等，如沿叶片根至尖安装在不同位置的 JP61 54050B2（2017 年）、不同的驱动方式（如 2018 年的 WO2020120330A1）。该叶片表面涡流发生器的发展路线与其他安装位置有相似之处，均是先整 体后细节、先静后动。

3.小结

本文针对目前风电叶片涡流发生技术路线进行梳理和分析，从整体上 对叶片各个部位应用涡流发生器的历程有了一定的了解和掌握，以期对在 该领域的进一步研究有所帮助。