用于风力涡轮机的单个叶片噪声测量系统和方法

摘要

本发明涉及用于风力涡轮机的单个叶片噪声测量系统和方法，具体而言，涉及一种用来为低噪声产生而配置风力涡轮机(100)的叶片(108)的方法。该方法包括提供至少一个噪声测量装置(209)。该噪声测量装置(209)安排并布置在一个位置上以测量转动过程中叶片(108)的噪声。风力涡轮机配置成包括旋转触发器。一个或多个叶片(108)配置有气动修改装置。在风力涡轮机(100)运行过程中用测量装置(209)测量噪声级。确定由各叶片(108)产生的噪声。响应于对各叶片(108)确定的噪声对叶片(108)进行配置。还公开了一种测量由单个叶片(108)产生的噪声级的方法和对所需噪声级进行配置的一种风力涡轮机。

说明书

技术领域

本发明涉及用于安装和/或配置风力涡轮机的方法。具体地，本发明涉及基于由风力涡轮机叶片产生的噪声级为运行而对风力涡轮机进行测量、分析和配置。

背景技术

近来，风力涡轮机作为环境安全和相对便宜的替代能源已获得更多的关注。随着这种日益增长的兴趣，已做了相当大的努力，以发展可靠而有效的风力涡轮机。

通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装在位于桁架或者管状塔架顶部的外壳或者吊舱里。公用级的风力涡轮机(即，设计用来向公用电网提供电力的风力涡轮机)可具有大的转子(例如，长度为30米及以上)。而且，风力涡轮机典型地安装在高度至少为60米的塔架上。这些转子上的叶片将风能转化为驱动一个或多个发电机的旋转力矩或者旋转力。当风驱动叶片旋转时，固有地产生噪声。

存在对由风力涡轮机产生的噪声级进行测量的国际标准。现有的系统和标准典型地从一个固定位置测量由风力涡轮机产生的总噪声级。此总噪声级被用于配置带有降噪装置的风力涡轮机。为噪声级而进行的风力涡轮机叶片的配置需要很长且昂贵的步骤，包括叶片的装配，在测试期内对叶片组进行评价，其中该过程然后对新叶片的布置进行重复。这种步骤需要多次反复，每一次反复都要求对所有的叶片进行吊装。这些叶片的吊装会需要起重设备、人员和时间。风力涡轮机叶片以及相关的设备可能大或重，要求运行昂贵的专业设备。而且，风力涡轮机可能安装在不平坦的地形和/或在很高的塔架上(例如，高度至少60米的塔架)，这些地点对于陆基可移动起重机是无法接近的。安装、维修和配置可能非常昂贵而耗时。

需要一种用来对风力涡轮机噪声级进行配置和/或分析的方法和系统，其允许配置风力涡轮机，并为风力涡轮机的配置和运行提供单个叶片噪声级，其中该过程不需要已知的噪声级测量和配置系统的昂贵而劳动密集的过程。

发明内容

本发明的一个方面包括一种为低噪声生成而用来配置风力涡轮机的叶片的方法。该方法包括至少一个噪声测量装置。该噪声测量装置安排并布置在一个位置上以测量转动过程中叶片的噪声。风力涡轮机配置成包括旋转触发器，该旋转触发器安排成在风力涡轮机叶片的预定的旋转位置处提供信号。一个或多个叶片配置有气动修改装置。在风力涡轮机运行期间采用噪声测量装置测量噪声级。确定由各叶片产生的噪声级。响应于对各叶片确定的噪声级配置叶片。

本发明公开的另一方面包括一种用来确定由风力涡轮机叶片产生的噪声级的方法。该方法包括提供至少一个噪声测量装置，并将该噪声测量装置安排且布置在一个位置上来在运转过程中测量叶片的噪声级。风力涡轮机配置成包括旋转触发器，该旋转触发器安排在预定的旋转位置以提供信号。在风力涡轮机运行期间采用噪声测量装置测量噪声级。对由旋转触发器产生的信号间的时间进行测量。由噪声测量装置测得的噪声级与信号间的时间相关，以确定运行过程中由各叶片产生的噪声级。从而确定由各叶片产生的噪声级。

本发明的又一方面包括对所需噪声产生进行配置的一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括多个风力涡轮机叶片。而且，旋转触发器安排并布置成在叶片的预定的位置处提供信号。各叶片为降噪而单独地配置，并且该配置包括一个或多个具有气动修改装置的叶片，气动修改装置的排列响应于对各叶片测得的噪声级来确定。

本发明公开的一个实施例的优点包括在一个涡轮机上同时测试不同的降噪措施的能力。而且，噪声测量和分析过程允许确定风力涡轮机叶片的单独的噪声级和噪声级频谱。

这种测量单独叶片处噪声级的能力由于更少的测量装置、起重机动作以及减少的叶片准备工作而允许减少时间和费用。而且，本发明公开的方法具有比标准的国际标准测量方法更低的不确定性和更多的噪声级测量细节。

该方法还允许在各种不同的地点进行稳定而可靠的噪声级测量，基本上与环境和现场条件无关。

从以下对优选实施例的更详细描述，结合附图，本发明的其它特征和优点将变得显而易见；附图以示例的方式图示了本发明的原理。

附图说明

图1为根据本发明公开的一个实施例的风力涡轮机的侧视图。

图2-4示出了采用本发明公开的一个实施例的方法的风力涡轮机叶片的不同旋转位置。

图5示出了数据，包括根据本发明公开的方法关于单个叶片的不同旋转位置测得的噪声级。

图6示出了根据本发明公开的一个实施例的过程流程图。

图7示出了数据，包括根据本发明公开的方法测得的单个叶片关于风速的噪声级。

在可能的任何地方，所有附图中采用相同的参考标号表示相同或相似的部件。

具体实施方式

如图1所示，风力涡轮机100通常包括容纳发电机(图1中没有示出)的吊舱102。吊舱102是安装在塔架104的顶部的壳体，图1只示出了其一部分。塔架104的高度基于本领域已知的因素和条件进行选择，并可达到高达60米或更高。风力涡轮机100可被安装在提供到具有所需风力条件区域的通道的任何地形上。地形可变化很大，并可包括但不限于多山地区或离岸位置。风力涡轮机100还包括转子106，该转子106包括附装到旋转轮毂110上的一个或多个叶片108。虽然示于图1的风力涡轮机100包括三个叶片108，但是对本发明所需的转子叶片108的数量没有具体的限制。当叶片108旋转时，就产生了噪声。如本文所采用的“噪声级”、“噪声”以及它们的一些文法上的变化包括以分贝或其它声压级单位测量的声压级或声功率级的测量单位。

图2示出了风力涡轮机100，其具有可沿方向207旋转的第一叶片201、第二叶片203和第三叶片205。噪声测量装置209安排在被布置以测量单个叶片发出的噪声的位置。该噪声测量装置209可为能够测量噪声或声压级的任何装置，包括但不限于麦克风、声学摄像机、激光多普勒测振仪或别的声音测量或检测装置，包括直接测量声压级或通过无接触测量而间接测量声压级的装置。该噪声测量装置209放置在适于测量单个叶片108发出的噪声的位置，同时由其它叶片产生的噪声被最小化以减少与单个叶片噪声测量的干涉。例如，噪声感测装置可布置在叶片108的下行程下方。然而，位置并非如此有限，而可以包括任何位置，在该处由一个叶片产生的噪声的幅度可与由其它叶片108产生的噪声区分。

图2包括第一叶片201处于12点钟即0度位置(即，轮毂110上方的垂直位置)。在一个实施例中，旋转触发器由第一叶片201的位置触发。当叶片108沿方向207旋转时，第一叶片201旋转回到0度位置所需要的时间通过测量旋转触发器发出的信号之间的时间来测得。该时间与旋转位置相关(即，从0度到360度的角度)，以便测得的声功率级可进一步与叶片108的位置相关。旋转触发器可为任何允许记录一个或多个叶片108的位置的装置。例如，旋转触发器可在叶片108的单周旋转期间的单个位置处被触发，或者随叶片108的旋转而在多个位置处或被连续地触发。在一个实施例中，旋转触发器是机械特征，例如轮毂110和叶片108绕其旋转的轴上的凸起、凹陷、特征或者突耳。在旋转过程中，当该机械特征经过预定的位置时，产生信号并记录时间。在其它的实施例中，旋转触发器是电子开关，当轴旋转经过预定的位置时发出信号。而且，对旋转触发器触发之间的时间也进行测量。在旋转过程中，采用噪声测量装置209测量噪声级。第一叶片201的旋转位置通过使旋转位置与旋转触发器发出的信号之间的时间相关来确定。通过“相关”，意味着对单周旋转的时间进行测量，并对此相同的时间间隔对噪声级进行比较或标图。使由噪声测量装置测得的噪声级相关包括将两个触发信号之间的时间归一化成0到360度(圆整)以减少或消除对转子速度的依赖。这种相关允许对特定的叶片108(如见图5)的噪声级的幅度进行辨识。例如，在图2中，第一叶片201即参考叶片，处于0度的位置，其中旋转触发器被触发。当叶片108沿方向207旋转时，第一叶片201旋转并回到0度位置所需的时间通过测量旋转触发器发出的信号间的时间来测得。

图3示出了处于旋转位置的第一叶片201，其中第一叶片201沿方向207向噪声测量装置209旋转。当第一叶片201位于图4所示的位置时，在噪声测量装置209处可测得处于或接近最大噪声级的噪声级。随着叶片108旋转，噪声测量装置209获得从风力涡轮机100的叶片108检测的噪声级的连续测量。如图5中可见，噪声级中会产生若干最大值，该最大值与各叶片108相关。

图5示出了在叶片108的旋转过程中在噪声测量装置209处测量的噪声级的一个示例。该图形以分贝图示噪声级，但也可以采用任何其它的声压级单位。如该图形中所示，噪声级相对以弧度表示的位置显示。当第一叶片201经过0度标志时(即，在轮毂110上方垂直地定向)，旋转触发器被触发，且记录对应于该第一叶片201的位置的信号。同时，旋转触发器被图示为对应于0度位置的信号，旋转触发器可在任何合适的位置处或在多个位置处被触发。随着第一叶片201旋转，通过在噪声测量装置209处连续地随时间测量噪声级而确定第一叶片201的位置，直到旋转触发器重新被触发，这标志着第一叶片201的旋转完成。随时间的旋转定位与在噪声测量装置209处测得的噪声级相关，且图5中示出了一个完整的单周旋转之上的幅度。对单周旋转获得的数据可存储起来用于后续分析或可用来对多周旋转而组合数据。如图5中可见，峰值出现在触发器触发之间的噪声级中。当第一叶片201触发旋转触发器时，第二叶片203处于一个位置，其中由第二叶片203产生的噪声级接近最大值(例如，大约为旋转的120度)。这被示为第一个峰值501。同理，第二个峰值503对应于第一叶片201且第三个峰值505对应于第三叶片205。

因为各叶片108的噪声级测量值均可通过噪声测量装置209确定，该噪声级与旋转触发器触发之间的叶片位置相关，可将这些幅度进行比较来确定产生例如最大噪声量的叶片108和叶片的配置。

图6示出了根据本发明的一个实施例用来针对所需的噪声级而配置风力涡轮机100的一种方法。该方法包括在风力涡轮机100运行期间利用噪声测量装置209测量声压级或噪声级。在步骤601，用叶片108配置风力涡轮机100，该叶片108可带有或不带气动修改装置(即，裸叶片)。在步骤603，测量作为功率、转速和/或叶片108的倾角的函数的噪声级。如之前更完整地所述，单个叶片108的噪声级通过使用触发器触发之间的时间而记录相对于在噪声测量装置209处测得的噪声的旋转位置，以及观察测得的噪声级的绝对峰值来测量。在步骤605随后合适的平均计算相对稳态运行条件对噪声级进行平均，以对于单个叶片确定绝对噪声级和优化的噪声级。在步骤607，将获得的数据对每个叶片相对于其它叶片进行相互比较。在步骤609，对数据进行分析以确定数据的稳定性，并确定稳定性是否足够用来确定单个叶片108所需的绝对噪声级。但不限于此，稳定的数据可包括分布在风力涡轮机运行范围内的每叶片和风速段(wind bin)预定最小数量的数据值。例如，各风速段(例如，5.5到6.5米/秒)可填充有至少36个有效而不受干扰的数据点。如果没有足够的稳定数据，则步骤603-609的过程重复，且在步骤603测量单个叶片108的噪声。如果存在足够的稳定数据，则在步骤611选择某个叶片108作为参考叶片。但不限于此，也可选择对噪声级具有最少值的叶片作为参考叶片。

在步骤613，从风力涡轮机去除最少一个叶片108，优选地为两个叶片，并配置降噪装置。降噪装置可包括但不限于气动修改装置。气动修改装置可被安排并布置在叶片108上。在其它实施例中，可用配置有不同气动曲线(例如，不同翼型件几何形状)的叶片108取代叶片108来确定产生的噪声。气动修改装置可包括但不限于湍流孔、之字形湍流带、失速带(stall strip)、漩涡发生器、古奈扰流板，声学板(acoustical flap)、它们的任意组合，或者能够调节叶片108上的气动流的任何其它装置或配置。降噪装置的排列可基于任何标准。例如，排列可为随机排列，预先选定的排列或响应于对特定风力涡轮机或环境的配置的历史数据的排列。在步骤615，测得的噪声级是功率、转速和/或叶片108倾角的函数。在步骤615，接着相对稳定的运行状态对噪声级进行平均，以对单个叶片确定绝对噪声级和优化噪声级。在步骤615，将获得的数据对各叶片相对于其它叶片相互比较。在步骤615，进行数据分析以确定数据的稳定性，并确定稳定性是否足够确定单个叶片108的绝对噪声级。然后，在步骤617，确定是否已经测量了所有所需的叶片配置组合。如果组合不充分，在步骤615叶片108被重新配置并继续进行测量。然而，如果所有的组合都已经进行了测量和记录，则在步骤619确定所需的噪声级以及与所需的噪声级相关联的配置。但不限于此，所需的噪声级可为最小量的噪声，可为由当地法令所规定的噪声级，或可为关于成本或涡轮机效率的优化噪声级。在步骤621，叶片108设有与所需噪声级相关的配置，并允许风力涡轮机运行。

为了确定降噪装置的优化配置，现有的噪声级测量方法允许分析许多不同的风力涡轮机参数，包括但不局限于风速、涡轮机输出、转速(rpm)、叶片108的倾角或多种其它的风力涡轮机参数。例如，图7示出了一段时间内关于风速采用上风向测量(LUV)的噪声级。利用在噪声测量装置209处获得的数据，可获得叶片108关于多个风速的优化或所需配置。还可提供额外的数据处理，其中为了确定对于由风力涡轮机100产生的噪声级所需的或最优的配置，可关于任何风力涡轮机参数进行比较。

尽管已经参考优选的实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做各种修改，并且可使用等价物替换其要件。而且，可进行许多修改以使特定的情况和材料适应于本发明的教导而不脱离本发明的本质范围。因此，其意在本发明不限于作为设想用来实施本发明的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有的实施例。