專(zhuān)利名稱(chēng)：風(fēng)輪葉片和用于減小風(fēng)輪中噪音的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
背景技術(shù)：
風(fēng)輪噪音的氣體動(dòng)力部分是日益重要的質(zhì)量關(guān)鍵(CTQ)。由于市場(chǎng) 促使產(chǎn)品設(shè)計(jì)趨向具有更高葉片尖端速度的更大的渦輪，因而風(fēng)輪噪音 的氣體動(dòng)力部分基于竟?fàn)幜驼{(diào)整前景而具有重要性。在此，氣體動(dòng)力 噪音對(duì)于設(shè)計(jì)的效率和收益變?yōu)闆Q定性的限制。因此，需要減噪方案。
本發(fā)明限定一種方案，其中，將材料技術(shù)用作減噪手段，目標(biāo)針對(duì) 葉片自噪音和尖端噪音這兩種風(fēng)輪氣體動(dòng)力噪音的主要部分。在過(guò)去， 氣體動(dòng)力成形已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)低噪音水平的主要手段，例如，使用大弦、 可靠性更高的葉片、低噪音槳翼設(shè)計(jì)、平面形式和尖端/小翼幾何形狀。 使用諸如后緣鋸齒、鋒銳后緣插入物之類(lèi)的附加件的減噪方案也已進(jìn)行 了研究并在一些情況下投入生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出在風(fēng)輪葉片中包含多孔材料，以通過(guò)減少噪音源和/或 削弱和吸收噪音而減噪。
本發(fā)明可體現(xiàn)在一種風(fēng)輪葉片中，該風(fēng)輪葉片包括壓力側(cè)和抽吸 側(cè)、前緣、后緣、和尖端區(qū)域，所述葉片的至少一部分由多孔材料形成， 所述多孔材料部分限定所述葉片的露出表面的一部分，由此，利用所述 多孔材料通過(guò)減少噪音源和/或削弱和吸收噪音而減小氣體動(dòng)力噪音。
本發(fā)明還可體現(xiàn)在一種在風(fēng)輪中減噪的方法中，其中，通過(guò)減少噪 音源和利用風(fēng)輪葉片削弱和吸收噪音兩種方式中的至少一種方式減小 噪音，該方法包括提供用于風(fēng)輪的風(fēng)輪葉片，所述葉片具有壓力側(cè)和 抽吸側(cè)、前緣、后緣、和尖端區(qū)域；其中所述葉片的至少一部分由多孔 材料形成，所述多孔材料部分限定所述葉片的露出表面的一部分。


圖l是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的風(fēng)輪葉片(槳翼)的示意性橫截面圖，其中，全部槳翼部分包括多孔材料；
圖2是根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的風(fēng)輪葉片(槳翼)的示意性 橫截面圖，其中，局部槳翼部分包括多孔材料；
圖3是根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的風(fēng)輪葉片(槳翼)的示意性 橫截面圖，其中，后緣槳翼部分包括多孔材料；
圖4是顯示圖3所示后緣槳翼部分的可替代示例的細(xì)節(jié)的示意性橫 截面圖5是顯示圖3所示后緣槳翼部分的另一可替代示例的細(xì)節(jié)的示意 性橫截面圖6是顯示圖3所示后緣槳翼部分的又一可替代示例的細(xì)節(jié)的示意 性橫截面圖7是根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的示例性實(shí)施例的具有通過(guò)多孔材料制
成的葉片外側(cè)部分的風(fēng)輪葉片的示意性平面圖8是圖7所示風(fēng)輪葉片外側(cè)部分的示意性前視圖9是具有包含多孔材料的葉片外側(cè)部分的另一風(fēng)輪葉片的示意
性前視圖10是根據(jù)本發(fā)明的再一示例性實(shí)施例的具有葉片尖端區(qū)域的風(fēng) 輪葉片的示意性平面圖，其中，尖端和后緣的一部分由多孔材料制成； 和
圖11是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的風(fēng)輪葉片的示意性平面圖，其 中，所述葉片具有用作葉片閃電防護(hù)系統(tǒng)一部分的金屬泡沫體外側(cè)部分 或尖端區(qū)域。
具體實(shí)施例方式
如前所述，本發(fā)明提出在風(fēng)輪葉片中包含多孔材料以通過(guò)減少噪音 源和/或削弱和吸收噪音而減噪。
更具體地，對(duì)于減少噪音源而言，如在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中所 提到的多孔材料用于例如葉片結(jié)構(gòu)的尾端上，影響葉片上的邊界層流以 及相關(guān)的湍流(turbulence)活動(dòng)。通過(guò)控制^皮提供到所述流的阻力， 通過(guò)影響邊界層中湍流渦旋(turbulent eddy)的孔隙率和/或其他表 面特性，湍流噪音源可以被削減以產(chǎn)生較低的噪音或使頻譜移向更易于 削弱的頻率。在旋渦(vortical)流的區(qū)域中，例如在尖端區(qū)域中，所 述結(jié)構(gòu)可以完全由多孔材料制成，多孔材料的特性將適于使形成尖端噪音主源的尖端渦流(vortex)的尺寸和強(qiáng)度減小。因此，在某種意義上， 多孔材料的作用類(lèi)似于有孔表面處理，有孔表面處理在其他應(yīng)用中已經(jīng) 顯示可減少氣體動(dòng)力噪音源。
對(duì)于削弱和吸收噪音而言，多孔材料自身可以用于削弱和吸收在湍 流邊界層中產(chǎn)生或傳播的噪音的目的。金屬或聚合物(或其他類(lèi)型，例 如碳)的泡沫體特性，例如孔隙率和深度，可改變而使得葉片自身結(jié)構(gòu) 變?yōu)槲曇r墊而且不需要任何專(zhuān)用插入物來(lái)吸收氣體動(dòng)力噪音。
開(kāi)放單元材料優(yōu)選地處于尖端區(qū)域中，以允許在壓力側(cè)與抽吸側(cè)之
間形成適當(dāng)?shù)膲毫ζ胶?。在示例性?shí)施例中，在后緣區(qū)域中，采用開(kāi)放
單元材料與封閉單元材料的適當(dāng)混合以獲得如前所述的氣體動(dòng)力的和 氣體聲學(xué)的特性。
在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，在風(fēng)輪葉片應(yīng)用中可提供結(jié)構(gòu)整體性 的多孔材料用于目標(biāo)部分中，多孔材料的表面特性適于提供氣體聲學(xué)優(yōu) 勢(shì)。利用噪音源的減少和聲音削弱的機(jī)制來(lái)形成低噪音風(fēng)輪葉片，這種 低噪音風(fēng)輪葉片能夠具有更高的風(fēng)輪尖端速度以及更佳的效率和收益。
更具體地，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，利用多孔材料構(gòu)造氣體動(dòng) 力形狀，從而使氣體動(dòng)力結(jié)構(gòu)自身形成減噪方式，而不需在基底葉片結(jié) 構(gòu)上使用另外的裝置、插入物或襯墊。
參見(jiàn)各附圖，圖1是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的風(fēng)輪葉片10的示 意性橫截面圖。在此實(shí)施例中，全部槳翼部分包括多孔材料12，使得 風(fēng)輪葉片的整個(gè)表面具有通過(guò)多孔材料實(shí)現(xiàn)的適于提供氣體聲學(xué)優(yōu)勢(shì) 的特性。通過(guò)控制多孔材料外露表面的孔隙率和/或表面特性，湍流噪 音源可削減以產(chǎn)生較低的噪音或使頻鐠移向更易于削弱的頻率。而且， 多孔材料自身用于削弱和吸收在湍流邊界層中產(chǎn)生或傳播的噪音的目 的。根據(jù)另一示例性實(shí)施例，如圖2中示意性所示，局部槳翼部分14 包括多孔材料16。在又一可替代方案中，如圖3中所示，后緣槳翼部 分18包括多孔材料20。
如前所述，圖1、 2和3示意性例示了整體作為一結(jié)構(gòu)部件的多孔 材料，其作為全部槳翼部分，特別是在尖端附近。不過(guò)，在可替代方案 中，多孔材料可僅在表面上提供，多孔材料具有適合的厚度，或者作為 結(jié)構(gòu)部分與表面部分的組合且其中所述結(jié)構(gòu)部分以錐形至表面部分中。 如果表面部件或局部槳翼部分由多孔材料形成，則泡沫體材料使用任何傳統(tǒng)的緊固技術(shù)附接到所述結(jié)構(gòu)的其余部分，傳統(tǒng)的緊固技術(shù)例如為膠 粘或通過(guò)諸如螺釘?shù)臋C(jī)械部件進(jìn)行連接。其他結(jié)合技術(shù)是已知的并可在 不背離本發(fā)明的情況下作為替代而使用。
圖4示意性例示了示例性后緣部分22。在此示例中，采用肋24和 槽26形式的互補(bǔ)連接部件設(shè)置在后緣部分22 (在此示例中由多孔材料 形成)之中或之上，葉片30的平衡后緣28有利于對(duì)準(zhǔn)和連接。后緣部 分可以設(shè)置為包括基本上均勻的多孔材料20，如圖3中所示。在可替 代方案中，如圖5中所示，在尾部中設(shè)置功能分級(jí)，其中具有不同多孔 泡沫體34、 36、 38，用于材料性能的弦向控制。例如，在認(rèn)為必要時(shí) 或適合時(shí)，多孔材料可以具有不同的孔隙率或可具有開(kāi)放單元和封閉單 元。在進(jìn)一步的可替代方案中，多孔材料可沿展向而不同。
在又一示例性實(shí)施例中，多孔泡沫體40可具有在其中限定的通風(fēng) 部42或連接到在所述結(jié)構(gòu)內(nèi)部的加壓通風(fēng)部42，通風(fēng)部42有效地控 制葉片的流逸(transpiration)以及其聲音削弱。這樣，如圖6中所 示，空氣可通過(guò)從葉片主體在44處的吹出和吸入而流動(dòng)出入通風(fēng)部42， 同時(shí)從通風(fēng)部至葉片的外表面發(fā)生流逸，如箭頭46所示。提供可用于 產(chǎn)生流逸的多孔材料，這提供了重要的流控制能力，其不僅可通過(guò)修改 可引起葉片自身噪音的邊界層而用于減噪，還可用于氣體動(dòng)力性能的改 進(jìn)(減阻、失速延遲、提升改進(jìn))。
泡沫體也可用于形成尖端部分和小翼設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)在改變尖端渦 流特性以減少尖端噪音方面顯然更有效?；蛘?，使用這樣的材料用于設(shè) 計(jì)低噪音翼尖端和/或小翼的益處應(yīng)在于，這樣的尖端/小翼將會(huì)更小并 因而比采用常規(guī)材料設(shè)計(jì)的尖端/小翼具有小得多的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)(重量， 例如顫振等的氣動(dòng)彈性現(xiàn)象，塔間隙)。這樣，在進(jìn)一步的示例性實(shí)施 例中，圖7、 8和9是具有例如通過(guò)多孔材料50、 54、 56制成的尖端區(qū) 域的葉片外側(cè)部分48、 52的平面圖和前視圖。在圖9中，小翼58顯示 為具有兩種多孔材料部分54、 56，這兩種多孔材料部分54、 56具有不 同特性，例如不同的孔隙率、密度或開(kāi)放單元與封閉單元的比率，用于 例如控制材料性能。
圖10例示了再一示例性實(shí)施例，其中，外側(cè)部分的葉片尖端區(qū)域 60包括由多孔材料62形成的尖端，后緣64的一部分由多孔材料66制 成。應(yīng)認(rèn)識(shí)到的是，由多孔材料形成的區(qū)域的范圍和所述區(qū)域是否被設(shè)置為表面層或設(shè)置以整體限定結(jié)構(gòu)部分，可以有所不同，從而采用材料 自身的削弱和減弱噪音的特性。
通過(guò)如前所述而應(yīng)理解的是，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，氣體動(dòng) 力形狀完全由金屬的、聚合物的或其他的多孔材料形成，并且包含在風(fēng) 輪的部件中，特別是在葉片中。多孔材料可用于風(fēng)輪葉片的一部分中或 者構(gòu)成整個(gè)葉片，可用于槳翼部分的局部或整個(gè)槳翼部分。在示例性實(shí) 施例中，由多孔材料形成的葉片尖端部分被設(shè)置和設(shè)計(jì)為具有一定形狀 和結(jié)構(gòu)，以類(lèi)似于小翼而作用，從而通過(guò)改變尖端渦流的形成和發(fā)展而
減小尖端噪音。應(yīng)認(rèn)識(shí)到的是，使用金屬泡沫體68使得其自身與包含 在葉片中的閃電防護(hù)系統(tǒng)70—體化(或有效相連)，如圖11中示意性 所示。
總之，提供了一種形成低噪音風(fēng)輪葉片的方法，其中，能夠承栽定 向載荷的金屬和/或聚合物(或其他)的多孔材料，在此也稱(chēng)為泡沫體， 用于構(gòu)造風(fēng)輪葉片的一部分或整個(gè)部分。在氣體動(dòng)力結(jié)構(gòu)中使用這種材 料適于以如下方式影響葉片上的氣流a)邊界層湍流以可控方式被減 弱或改變，以減弱在后緣處的噪音散播機(jī)制；和b)散播的聲波通過(guò)所 述材料被吸收和削弱，所述材料自身用作吸聲襯墊。在產(chǎn)生滲漏流的具 有急變壓力梯度的區(qū)域中，例如在葉片尖端處，在壓力側(cè)與抽吸側(cè)之間 的壓力差減小，導(dǎo)致較弱的尖端渦流以及較低的尖端噪音。
雖然本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合目前被認(rèn)為最具實(shí)用性和最優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn) 行了描述，但應(yīng)理解的是，本發(fā)明并不僅限于所公開(kāi)的實(shí)施例，相反， 本發(fā)明意在涵蓋包含于所附各權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種修改和 等同設(shè)置。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)輪葉片(10)，包括壓力側(cè)和抽吸側(cè)、前緣、后緣、和尖端區(qū)域(60)，所述葉片的至少一部分由多孔材料(12，16，20，34，36，38，40，50，54，56，62，66，68)形成，所述多孔材料部分限定所述葉片的露出表面的一部分，由此，通過(guò)利用所述多孔材料減少噪音源和/或削弱和吸收噪音而減小氣體動(dòng)力噪音。
2. 權(quán)利要求l的風(fēng)輪葉片，其中，所述多孔材料包括開(kāi)放單元多 孔材料和/或封閉單元多孔材料。
3. 權(quán)利要求l的風(fēng)輪葉片，其中，所述多孔材料為金屬的或聚合 物的或碳的多孔材料，
4. 權(quán)利要求l的風(fēng)輪葉片，其中，所述葉片完全由多孔材料形成，
5. 權(quán)利要求l的風(fēng)輪葉片，其中，所述多孔材料被設(shè)置為在所述 葉片的至少一部分上的表面層，所述表面層具有預(yù)定深度，
6. 權(quán)利要求l的風(fēng)輪葉片，其中，所述葉片的尾部由多孔材料(40) 形成，所述多孔材料具有限定在其中的通風(fēng)部(4 2 )或連接到 一通風(fēng)部， 通過(guò)所述通風(fēng)部，所述葉片的流逸可通過(guò)吹出或吸入(44、 46)有效地 控制，以改進(jìn)所述葉片的氣體動(dòng)力性能和氣體聲學(xué)性能。
7. 權(quán)利要求l的風(fēng)輪葉片，其中，所述葉片的尾部由多孔材料形 成，由多孔材料形成的所述尾部包括沿弦向的多種多孔材料(34， 36, 38),所述多種多孔材料中的每一種具有至少一種不同于相鄰多孔材料 的性能。
8. 權(quán)利要求l的風(fēng)輪葉片，其中，所述尖端區(qū)域包括尖端(62), 所述葉片的后緣(64)的一部分(66)和所述尖端(62)均由多孔材料 制成.
9. 權(quán)利要求l的風(fēng)輪葉片，其中，所述尖端包括小翼結(jié)構(gòu)(58), 所述小翼結(jié)構(gòu)由多孔材料(56)形成，該多孔材料(56)的材料性能不 同于設(shè)置在所述葉片的相鄰的尖端區(qū)域中的多孔材料(54).
10. 權(quán)利要求l的風(fēng)輪葉片，其中，所述尖端區(qū)域的至少一部分由 金屬泡沫體(68 )制成，所述葉片包括有效連接到所述金屬泡沫體部分 的閃電防護(hù)系統(tǒng)(70).
全文摘要
本發(fā)明提供一種低噪音風(fēng)輪葉片，其中，能夠承受定向載荷的金屬的和/或聚合物的多孔材料(12，16，20，34，36，38，40，50，54，56，62，66，68)用于構(gòu)造風(fēng)輪葉片的一部分或整個(gè)部分。使用這樣的材料以一定方式影響風(fēng)輪葉片上的氣流，從而使所形成的邊界層湍流以受控方式被減緩，因而在后緣處減弱噪音散播機(jī)制，被散播的聲波通過(guò)用作吸聲襯墊的材料被吸收和削弱。
文檔編號(hào)F03D3/06GK101307745SQ200810097130
公開(kāi)日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月14日
發(fā)明者A·古普塔, T·梅德 申請(qǐng)人:通用電氣公司