本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C.§119(e)要求于2014年8月5日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No.62/033,331的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及適于橫穿流體環(huán)境的結(jié)構(gòu)，且更具體地涉及適于橫穿流體環(huán)境的具有細(xì)長(zhǎng)本體和剛性突起的結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

用于從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電力的水平軸線風(fēng)力渦輪機(jī)通常包括一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片，每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片具有從由風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙支撐并在風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙內(nèi)旋轉(zhuǎn)的水平軸向外延伸的空氣動(dòng)力學(xué)本體。機(jī)艙被支撐在從地面或其他表面延伸的塔架上。入射在轉(zhuǎn)子葉片上的風(fēng)施加壓力，使得轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸而移動(dòng)，轉(zhuǎn)子葉片從該軸圍繞軸的水平旋轉(zhuǎn)軸線延伸。軸進(jìn)而與發(fā)電機(jī)相關(guān)聯(lián)，如眾所周知的，發(fā)電機(jī)將軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為用于傳輸、存儲(chǔ)和/或立即使用的電流。水平軸線風(fēng)力渦輪機(jī)通常是熟知并被理解的，雖然改進(jìn)它們的操作以提高功率轉(zhuǎn)換的效率及其總體操作特性是期望的。

甚至在低速下的入射風(fēng)都可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片非?？焖俚匦D(zhuǎn)。如將很好地理解的，對(duì)于給定的旋轉(zhuǎn)速度，轉(zhuǎn)子葉片的線速度在其根部(轉(zhuǎn)子葉片的靠近軸的部分)的區(qū)域中是最低的。類似地，轉(zhuǎn)子葉片的線速度在其翼尖(轉(zhuǎn)子葉片的遠(yuǎn)離軸的部分)的區(qū)域中最高。特別是在較高的線速度下，當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片沿著其旋轉(zhuǎn)路徑快速“切割(slices)”穿過(guò)空氣時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片的方面可能產(chǎn)生顯著的氣動(dòng)聲學(xué)噪聲。這種噪聲可能使其附近的人和動(dòng)物非常不舒服。然而，噪聲也能夠是操作不有效的指示，并且最大翼尖速度實(shí)際上可能受到這種低效率的限制。

近年來(lái)，作為產(chǎn)生可再生能源的裝置的風(fēng)力渦輪機(jī)日益流行。隨著這種增長(zhǎng)，對(duì)于其操作的最佳位置隨后減少，這是由于這些位置是有限的。因此，風(fēng)力渦輪機(jī)已經(jīng)被放置得越來(lái)越靠近社區(qū)，從而使風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的噪聲更接近可以聽(tīng)到該聲音的人。針對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)展而來(lái)自鄰居的投訴和阻力可能增加，特別是在1kHz頻率范圍內(nèi)“嘶嘶”聲或“颼颼”聲的投訴。僅是最近，轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計(jì)者才關(guān)注噪聲排放，該設(shè)計(jì)者必須平衡許多標(biāo)準(zhǔn)以產(chǎn)生最佳轉(zhuǎn)子葉片。然而，由于噪聲是能量的一種形式，所以減少噪聲排放對(duì)于能量產(chǎn)生也可以具有積極的益處，這是因?yàn)槟芰坎粫?huì)在聲波的產(chǎn)生中損失。

來(lái)自轉(zhuǎn)子葉片的噪聲排放來(lái)自尖端或來(lái)自尖端附近但不在尖端處的后緣，其被稱為尖端渦流噪聲。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉片噪聲主要包括后緣噪聲，并且存在兩種變化，即，鈍后緣噪聲或“B-TE”噪聲以及湍流邊界層后緣噪聲或“TBL-TE”噪聲，其中TBL-TE是轉(zhuǎn)子葉片噪聲排放的最大原因。TBL-TE是由后緣處的葉片邊界層內(nèi)的湍流波動(dòng)的發(fā)散引起的，其導(dǎo)致寬頻噪聲的輻射。增強(qiáng)轉(zhuǎn)子葉片的結(jié)構(gòu)以試圖減少TBL-TE轉(zhuǎn)子葉片噪聲排放將是有用的。

已經(jīng)研究了作為用于減少在后緣處的葉片邊界層內(nèi)的湍流波動(dòng)的發(fā)散的裝置的沿著后緣附近的葉片吸力側(cè)輪廓的直鋸齒，并且已經(jīng)顯示出將總聲壓水平減少2dB，這主要?dú)w因于在相對(duì)低的頻率下噪聲的減少。Herr等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)No.2008/0166241公開(kāi)了一種通過(guò)在轉(zhuǎn)子葉片的后緣處應(yīng)用刷毛來(lái)減少轉(zhuǎn)子葉片在使用期間的噪聲排放的裝置。根據(jù)本發(fā)明人，為了減少后緣相關(guān)噪聲，較短的刷毛對(duì)于較低頻率實(shí)現(xiàn)更好的減少結(jié)果，而較長(zhǎng)的刷毛傾向于對(duì)于較高頻率更有效。發(fā)明人解釋說(shuō)，在葉片的相同區(qū)域中具有顯著不同外部尺寸的刷毛的組合有助于在寬頻譜中具有較高效率的減小特性。

對(duì)于與轉(zhuǎn)子葉片的邊緣對(duì)齊并垂直于該邊緣行進(jìn)的入射壓力波，來(lái)自轉(zhuǎn)子葉片的輻射噪聲是最大的。當(dāng)壓力波通過(guò)該邊緣時(shí)，其遇到聲阻抗的突然變化，這導(dǎo)致噪聲的發(fā)散。刷毛可以被視為在一定的有限距離上分布這種阻抗的突然變化的裝置，由此降低發(fā)散過(guò)程的強(qiáng)度。然而，直鋸齒還導(dǎo)致在高頻(>2000Hz)下的噪聲的顯著增加。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，使用直鋸齒需要仔細(xì)放置和仔細(xì)考慮寬度和長(zhǎng)度，以便獲得期望的效果。此外，湍流流入噪聲可能有助于在低頻下的風(fēng)力渦輪機(jī)的噪聲頻譜。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員必須管理進(jìn)入和離開(kāi)的空氣流，以便獲得期望的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)一個(gè)方面，提供了一種適于橫穿流體環(huán)境的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括：細(xì)長(zhǎng)本體，所述細(xì)長(zhǎng)本體具有根部、翼尖、前緣和后緣；以及多個(gè)剛性突起，每個(gè)剛性突起從沿著前緣和/或后緣的相應(yīng)位置大致沿著與主體的前表面相同的平面延伸。

在一個(gè)實(shí)施例中，細(xì)長(zhǎng)本體是用于風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片。本文描述的結(jié)構(gòu)提供用于減少在轉(zhuǎn)子葉片的后緣處的邊界層內(nèi)的湍流波動(dòng)的發(fā)散的觀點(diǎn)。因此，提供了用于風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片突起，該突起通過(guò)其應(yīng)用和使用而降低噪聲排放和/或整體上提高風(fēng)力渦輪機(jī)的效率。

根據(jù)實(shí)施例，提供在特定位置處產(chǎn)生聲波的結(jié)構(gòu)，使得其可以相消干涉另一聲波。在實(shí)施例中，這通過(guò)提供具有多個(gè)變化長(zhǎng)度和寬度的剛性突起的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該多個(gè)變化長(zhǎng)度和寬度與期望減小的來(lái)自轉(zhuǎn)子葉片的噪聲排放的特定數(shù)量對(duì)應(yīng)。

根據(jù)本專利申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例，其中，該結(jié)構(gòu)是用于風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片，突起可以被安裝到轉(zhuǎn)子葉片的前緣和/或后緣上。

根據(jù)一個(gè)方面，轉(zhuǎn)子葉片突起應(yīng)用于轉(zhuǎn)子葉片的40-96％的范圍中，其中轉(zhuǎn)子葉片的根部表示0％，葉片尖端表示100％。

根據(jù)另一方面，轉(zhuǎn)子葉片突起可以在長(zhǎng)度和寬度上交替，并且不均勻地分散。

根據(jù)再一方面，轉(zhuǎn)子葉片突起朝向葉片尖端移動(dòng)而在長(zhǎng)度和寬度上總體上減小。

根據(jù)又一方面，轉(zhuǎn)子葉片突起交替其長(zhǎng)度和寬度的模式，這具體地由期望減小的聲波的特性來(lái)確定。

根據(jù)再又一方面，轉(zhuǎn)子葉片突起可以由基于生物基或非生物基材料構(gòu)成。

根據(jù)再又一方面，轉(zhuǎn)子葉片突起的長(zhǎng)度與為該突起限定的局部流動(dòng)流線大致平行。

根據(jù)另一方面，轉(zhuǎn)子葉片突起可以由具有在1.0×10^-4m/m·℃至7.0×10^-4m/m·℃之間的線性熱膨脹系數(shù)(CLTE)的材料制成。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，轉(zhuǎn)子葉片突起可以是柔性的或剛性的和/或具有曲線或直線結(jié)構(gòu)。

根據(jù)一個(gè)方面，曲線轉(zhuǎn)子葉片突起可以位于為該突起限定的局部流動(dòng)流線的弧線中。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，與前緣相反，轉(zhuǎn)子葉片突起在后緣上可具有不同的構(gòu)造。

根據(jù)一個(gè)方面，與后緣相比，前緣上的轉(zhuǎn)子葉片突起可具有更大的表面積。

根據(jù)另一方面，轉(zhuǎn)子葉片突起可以僅應(yīng)用在后緣的區(qū)域中。

根據(jù)另一方面，轉(zhuǎn)子葉片突起可以僅應(yīng)用在前緣的區(qū)域中。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子葉片突起和空氣動(dòng)力學(xué)本體可以是單一結(jié)構(gòu)。

根據(jù)一個(gè)方面，轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子葉片突起和空氣動(dòng)力學(xué)本體可以是彼此連接的兩(2)件或更多件。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，轉(zhuǎn)子葉片突起可以是鋸齒、刷子、梳子、肋狀物、槽紋或毛條等。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，轉(zhuǎn)子葉片突起可以由嵌入基體內(nèi)的纖維材料制成，并且可以來(lái)自生物或非生物原料。

根據(jù)一個(gè)方面，由生物基材料構(gòu)成的轉(zhuǎn)子葉片突起可以具有纖維，其可包括膠原、彈性蛋白、纖連蛋白、層粘連蛋白、α-幾丁質(zhì)、β-幾丁質(zhì)、α-角蛋白、β-角蛋白、硫酸角質(zhì)、纖維素、基底膜蛋白多糖、聚集蛋白、中膠層、角蛋白纖維大豆(KFS)、雞羽纖維(CFF)和/或多糖，并且存在于包括丙烯酸酯環(huán)氧化大豆油(AESO)樹脂、多糖凝膠、水、糖胺聚糖(GAG)和/或蛋白聚糖的基體中。

根據(jù)一個(gè)方面，由生物基材料構(gòu)成的轉(zhuǎn)子葉片突起可以與膠原型纖維相比具有更高百分比的彈性蛋白型纖維和/或與纖維相比具有更高百分比的基體。

根據(jù)另一方面，由非生物基材料構(gòu)成的轉(zhuǎn)子葉片突起可具有可包括玻璃纖維、塑料纖維和/或碳纖維，并且存在于可以包括硅樹脂、環(huán)氧樹脂和/或聚酯樹脂的基體中。

根據(jù)另一方面，由非生物基材料構(gòu)成的轉(zhuǎn)子葉片突起可具有與纖維相比更高百分比的基體。

根據(jù)另一實(shí)施例，一種用于提高包括轂和轉(zhuǎn)子葉片的操作的風(fēng)力渦輪機(jī)的效率和/或降低其噪聲排放的方法，其中至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片連接至轂并且由空氣動(dòng)力學(xué)本體限定，該空氣動(dòng)力學(xué)本體具有壓力側(cè)、吸力側(cè)、前緣、后緣和葉片尖端，該方法包括：安裝由空氣動(dòng)力學(xué)本體上的貓頭鷹翼產(chǎn)生的多個(gè)突起，所述多個(gè)突起在前緣和/或后緣附近延伸，將這些突起應(yīng)用在轉(zhuǎn)子葉片的40-96％的范圍內(nèi)，其中轉(zhuǎn)子葉片的根部代表0％，且葉片尖端代表100％，并且使長(zhǎng)度和寬度相應(yīng)于所述突起而交替。

根據(jù)一個(gè)方面，提供一種用于提高運(yùn)行的風(fēng)力渦輪機(jī)的效率和/或降低其噪聲排放的方法，其通過(guò)使在轉(zhuǎn)子葉片上的較長(zhǎng)突起的長(zhǎng)度長(zhǎng)出在給定溫度下由較短突起產(chǎn)生的聲波的波長(zhǎng)的1/2來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)一個(gè)方面，一種用于提高運(yùn)行的風(fēng)力渦輪機(jī)的效率和/或降低其噪聲排放的方法通過(guò)利用與由轉(zhuǎn)子葉片的任何部件發(fā)出的相鄰聲波對(duì)應(yīng)的某一波長(zhǎng)的聲波的主動(dòng)作用而引起聲波的相消干涉來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，給出了制造這些轉(zhuǎn)子葉片突起的方法，由此它們可以由嵌入基體中的纖維材料制成。

根據(jù)一個(gè)方面，給出了制造這些轉(zhuǎn)子葉片突起的方法，其中纖維材料是生物基材料，并且可以包括膠原、彈性蛋白、纖連蛋白、層粘連蛋白、α-幾丁質(zhì)、β-幾丁質(zhì)、α-角蛋白、β-角蛋白、硫酸角質(zhì)、纖維素、基底膜蛋白多糖、聚集蛋白、中膠層、角蛋白纖維大豆(KFS)、雞羽纖維(CFF)和/或多糖，并存在于包括丙烯酸酯環(huán)氧化大豆油(AESO)樹脂、多糖凝膠、水、糖胺聚糖(GAG)和/或蛋白聚糖的基體中。

根據(jù)另一方面，給出了制造這些轉(zhuǎn)子葉片突起的方法，其中纖維材料是生物基材料，并且包含與膠原型纖維相比具有更高百分比的彈性蛋白型纖維和/或與纖維相比具有更高百分比的基體。

根據(jù)另一方面，給出了制造這些轉(zhuǎn)子葉片突起的方法，其中纖維材料不是生物基材料，并且可以包括玻璃纖維、塑料纖維和/或碳纖維，并且存在于可以包括硅樹脂、環(huán)氧樹脂和/或聚酯樹脂的基體中。

根據(jù)另一方面，給出了制造這些轉(zhuǎn)子葉片突起的方法，其中纖維材料不是生物基材料，并且包含與纖維相比具有更高百分比的基體。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，給出了制造這些轉(zhuǎn)子葉片突起的方法，其中這些突起可以通過(guò)使用3D打印機(jī)來(lái)打印，且更具體地使用多材料3D打印機(jī)來(lái)打印。

根據(jù)另一方面，給出了制造這些轉(zhuǎn)子葉片突起的方法，其中該方法可以包括預(yù)浸漬技術(shù)、拉擠成型，自動(dòng)纖維鋪放(AFP)和/或注入成型。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，可以執(zhí)行將轉(zhuǎn)子葉片突起應(yīng)用于空氣動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)子葉片本體的任何方法，并且可以在其制造期間應(yīng)用于現(xiàn)有的風(fēng)力渦輪機(jī)和/或風(fēng)力渦輪機(jī)。

根據(jù)最后一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明可以應(yīng)用于任意機(jī)翼，而不取決于其空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。

附圖說(shuō)明

在包括參考附圖的本說(shuō)明書的其余部分中，更具體地對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員闡述了本發(fā)明的完整且能夠?qū)崿F(xiàn)的公開(kāi)，包括其最佳模式，附圖中：

圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的水平軸線風(fēng)力渦輪機(jī)的側(cè)視圖；

圖2是獨(dú)立的圖1的風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片中的一個(gè)的前透視圖；

圖3是獨(dú)立的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的前透視圖；

圖4是具有各種后緣突起的結(jié)構(gòu)的后緣的透視截面圖；

圖5A是具有各種后緣突起的結(jié)構(gòu)的后緣的透視截面圖；

圖5B是具有各種后緣突起的結(jié)構(gòu)的后緣的透視截面圖；

圖6是具有各種前緣突起的結(jié)構(gòu)的后緣的透視截面圖；

圖7示出了結(jié)構(gòu)的后緣的俯視圖，其示出了各種突起及其各自的長(zhǎng)度；

圖8示出了從結(jié)構(gòu)的后緣突起發(fā)出的聲波的側(cè)視圖，其包括聲波的相消干涉；以及

圖9示出了在從諸如風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的結(jié)構(gòu)的后緣發(fā)出的聲波的頻率范圍內(nèi)的不同頻率的各個(gè)聲波的兩個(gè)側(cè)視圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的各種實(shí)施例，在附圖中示出了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)示例。每個(gè)實(shí)施例為了解釋本發(fā)明而提供，且并不意味著對(duì)本發(fā)明的限制。例如，作為一個(gè)實(shí)施例的一部分示出或描述的特征可以在其它實(shí)施例上使用或與其它實(shí)施例結(jié)合使用，以產(chǎn)生另一實(shí)施例。本發(fā)明旨在包括這樣的修改和變化。

本專利申請(qǐng)包括用于在風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片構(gòu)造的傳統(tǒng)方面進(jìn)行改進(jìn)的機(jī)會(huì)的描述。本專利申請(qǐng)產(chǎn)生了具有獨(dú)特的仿生突起的葉片構(gòu)造，該仿生突起可以根據(jù)需要方便地改裝到葉片部分上，并且其產(chǎn)生相消干涉，使得發(fā)射的聲波減少，因此增加風(fēng)力渦輪機(jī)的總體效率。

圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的水平軸線風(fēng)力渦輪機(jī)10的側(cè)視圖。風(fēng)力渦輪機(jī)10包括由例如地表面的表面S支撐并從該表面延伸的塔架100。進(jìn)而，由塔架100支撐的是水平延伸的機(jī)艙200。具有旋轉(zhuǎn)器300的轂?zāi)軌蛐D(zhuǎn)地安裝在機(jī)艙200的前端，并且能夠圍繞旋轉(zhuǎn)軸線R相對(duì)于機(jī)艙200旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)器300接收和支撐多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片400，每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片從旋轉(zhuǎn)器300向外延伸。轉(zhuǎn)子葉片400捕獲朝向風(fēng)力渦輪機(jī)10流動(dòng)的入射風(fēng)W_i并使轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)。由于其由旋轉(zhuǎn)器300支撐，轉(zhuǎn)子葉片400在旋轉(zhuǎn)時(shí)使得旋轉(zhuǎn)器300圍繞旋轉(zhuǎn)軸線R旋轉(zhuǎn)，由此引起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能夠以熟知的方式轉(zhuǎn)換成可用的電功率或機(jī)械功率。在這個(gè)意義上，轉(zhuǎn)子葉片400均是適于橫穿流體環(huán)境的結(jié)構(gòu)，其中該實(shí)施例中的流體是環(huán)境空氣。機(jī)艙200可以被能夠旋轉(zhuǎn)地安裝至塔架100，使得機(jī)艙200可以相對(duì)于塔架100圍繞基本豎直的軸線(未示出)旋轉(zhuǎn)，由此使得轉(zhuǎn)子葉片400能夠自適應(yīng)地面向入射風(fēng)W_i正靠近風(fēng)力渦輪機(jī)10的方向。通常均勻拋物面形狀的鼻錐500被示出為安裝到旋轉(zhuǎn)器300的前端，以將入射風(fēng)W_i偏轉(zhuǎn)離開(kāi)旋轉(zhuǎn)器300。

圖2是獨(dú)立的轉(zhuǎn)子葉片400中的一個(gè)的前透視圖。轉(zhuǎn)子葉片400包括細(xì)長(zhǎng)本體，其從根部410延伸通過(guò)主區(qū)段412并且終止于翼尖414處。根部410在附接至機(jī)艙200或與其一體形成時(shí)從機(jī)艙延伸，而翼尖414是細(xì)長(zhǎng)本體的遠(yuǎn)離機(jī)艙200的部分。細(xì)長(zhǎng)本體具有前緣420和后緣430，其中當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片400在與機(jī)艙200一起圍繞旋轉(zhuǎn)軸線R在方向D上旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)中時(shí)，前緣420在后緣430前面。在圖2中示出了細(xì)長(zhǎng)本體的吸力側(cè)440，并且以虛線示出的壓力側(cè)450與細(xì)長(zhǎng)本體的吸力側(cè)440相反。

圖3是獨(dú)立的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)400A的前透視圖。結(jié)構(gòu)400A的詳細(xì)透視圖限定了具有壓力側(cè)440、吸力側(cè)450、前緣420、后緣430和翼尖414的空氣動(dòng)力學(xué)本體，葉片本體進(jìn)一步包括在轉(zhuǎn)子葉片的40-96％的范圍139中的應(yīng)用，其中轉(zhuǎn)子葉片的根部140表示0％，并且葉片尖端141表示100％。以前緣145和后緣150為輪廓的兩個(gè)區(qū)域示出了用于突起的可能的附接區(qū)域。

圖4示出了風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的后緣150的透視剖視圖，其示出了作為示例的直線151或曲線152結(jié)構(gòu)的各種柔性或剛性突起。曲線突起152位于為該突起限定的局部流動(dòng)流線的弧線中，并且所述多個(gè)突起中的每一個(gè)的長(zhǎng)度與為該突起限定的局部流動(dòng)線大致平行。相對(duì)于線性突起151示出了局部流動(dòng)流線153。突起可以被稱為梳子、刷子、鋸齒、肋狀物、槽紋或毛條，并且可以通過(guò)各種方法來(lái)應(yīng)用。突起具有朝向葉片尖端154移動(dòng)在總體上減小的長(zhǎng)度和寬度。

圖5A示出了風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的后緣150的另一透視剖視圖，其示出了具有比圖4的表面積更大的表面積的各種突起152b。在制造期間，突起152b可以與在后緣137處的葉片的主體一體形成，使得突起152b和后緣137的主體是單一結(jié)構(gòu)，或者可替代地可以是在形成葉片本體137之后施加以改進(jìn)風(fēng)力渦輪機(jī)的操作的元件。在這種可替代構(gòu)造中，重要的是，由于在點(diǎn)150處的突起152b和葉片本體137之間的接縫/不連續(xù)性，所以沿著葉片前表面的風(fēng)的流動(dòng)被盡可能少地中斷。

圖5B示出了風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的后緣150的另一透視剖視圖，其示出了各種示例性突起，諸如附接至葉片本體137的刷子152c和鋸齒l52d。刷子152c可優(yōu)選地類似于從貓頭鷹式翼的后緣延伸的所述多個(gè)突起。這些突起是各種長(zhǎng)度和尺寸的羽毛的破碎組件。從葉片的后緣延伸的突起可以相對(duì)于其直徑獨(dú)立地具有任何長(zhǎng)度，并且可以是相對(duì)于其長(zhǎng)度的任何厚度，使得所產(chǎn)生的作用有益于減少噪聲排放和/或整體上提高風(fēng)力渦輪機(jī)單元的效率。

圖6示出了風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片130的前緣145的透視剖視圖，其示出了各種突起155。這些突起用于將入射在前緣145上的風(fēng)中的湍流分解成較小的微湍流組，由此減小風(fēng)力渦輪機(jī)的噪聲排放的總量，并且整體上提高風(fēng)力渦輪機(jī)的效率。從葉片的前緣延伸的突起必須是錐形的，并且必須至少間隔開(kāi)其各自的直徑和/或?qū)挾?56，使得所產(chǎn)生的作用有益于減少噪聲排放和/或整體上提高風(fēng)力渦輪機(jī)單元的效率。前緣上的突起155與后緣上的突起不同，并且可以比圖5的突起更大，并且其可以僅應(yīng)用于后緣或者僅應(yīng)用于前緣。突起155朝向翼尖138的區(qū)域而表面積減小，使得突起155a比155b大。從這些突起中可以看出，它們可以具有球根狀的性質(zhì)。

下面參考圖7至圖9解釋通過(guò)各種量改變相鄰?fù)黄鸬拈L(zhǎng)度的技術(shù)原因。這些距離基于在轉(zhuǎn)子葉片的變化區(qū)域處產(chǎn)生的聲波的波長(zhǎng)，其進(jìn)而基于在該點(diǎn)的流體的速度。圖7示出了風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的后緣150的俯視圖，其示出了各種突起151b及其各自的長(zhǎng)度。這些后緣突起在長(zhǎng)度和寬度上交替，并且不均勻分散，如在151b和151c處的突起可以看到的。相鄰?fù)黄鸬拈L(zhǎng)度151d的差基于待最小化的聲波的波長(zhǎng)距離。

圖8示出了這種距離的進(jìn)一步推理，該距離是待最小化的聲波的波長(zhǎng)的1/2。這里，可以看到從本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的后緣突起151b發(fā)出的聲波160的側(cè)視圖，其示出了聲波的相消干涉的方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，非均勻長(zhǎng)度151b、151d基于在風(fēng)力渦輪機(jī)的操作期間從各種突起發(fā)出的聲波160、161。

圖8進(jìn)一步示出了相消干涉，以及當(dāng)發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)產(chǎn)生的聲波162。圖9也示出了在從可操作的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的后緣發(fā)出的聲波的范圍內(nèi)的不同頻率的兩個(gè)聲波160a、160b的側(cè)視圖。在接近葉片尖端時(shí)，所發(fā)出的聲波的波長(zhǎng)減小，并且因此需要不同長(zhǎng)度的突起。這里，這被示出為波長(zhǎng)160a比160b長(zhǎng)，并且因此靠近尖端發(fā)出。這些突起可以由生物或非生物基材料構(gòu)成，其中它們由具有在1.0×10^-4m/m·℃與7.0×10^-4m/m·℃之間，并且更優(yōu)選為5.87×10^-4m/m·℃的線性熱膨脹系數(shù)(CLTE)。這種材料可以由嵌入基體中的纖維材料制成。在纖維材料是生物基材料的情況下，其可以包括膠原、彈性蛋白、纖連蛋白、層粘連蛋白、α-幾丁質(zhì)、β-幾丁質(zhì)、α-角蛋白、β-角蛋白、硫酸角質(zhì)、纖維素、基底膜蛋白多糖、聚集蛋白、中膠層、角蛋白纖維大豆(KFS)、雞羽纖維(CFF)和/或多糖，并且存在于可以包括丙烯酸酯環(huán)氧化大豆油(AESO)樹脂、多糖凝膠、水、糖胺聚糖(GAG)和/或蛋白聚糖的基體中。在纖維材料不是生物基材料的情況下，其可以包括玻璃纖維、塑料纖維和/或碳纖維，并且存在于可以包括硅樹脂、環(huán)氧樹脂和/或聚酯樹脂的基體中。此外，在纖維是生物基纖維的情況下，可以存在與膠原型纖維相比具有更高百分比的彈性蛋白型纖維和/或與纖維相比具有更高百分比的基體。在纖維是非生物基纖維的情況下，可以存在與纖維相比具有更高百分比的基體。

理論注意事項(xiàng)：

給定聲波的波長(zhǎng)(w)隨溫度而較大程度變化，隨著仰角而較小程度變化。在5000英尺以下發(fā)出和接收的聲波可以被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的，并且由于大多數(shù)商業(yè)風(fēng)電場(chǎng)低于該高度，所以本考慮因素將認(rèn)為高度相對(duì)于聲音波長(zhǎng)具有微不足道的重要性。然而，溫度對(duì)聲音波長(zhǎng)的影響較大，如下圖所示。給定聲波的波長(zhǎng)(w)由波的速度(v)(其取決于空氣的溫度)除以頻率(f)的結(jié)果來(lái)確定，如下列等式1：

w＝v/f (1)

因此，在15℃且低于5000英尺的海拔處，聲速為約340.276米每秒(m/s)，1000赫茲(Hz)的聲波的波長(zhǎng)為約34厘米(cm)，如下列等式2所示：

w＝340.276m/s/1000hz＝34.028cm (2)

從風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片發(fā)出的聲音相對(duì)于流動(dòng)流線相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線經(jīng)過(guò)的機(jī)翼的位置而變化，其中遠(yuǎn)離該軸線的區(qū)域經(jīng)歷較高頻率且具有較高局部流速。這種比例關(guān)系以流體速度的五次方(U⁵)增加噪聲強(qiáng)度。1kHz內(nèi)或約1kHz的頻率被聽(tīng)到聲音的人描述為聽(tīng)起來(lái)像“嘩嘩”聲，2kHz聽(tīng)起來(lái)像“嗡嗡”聲，并且20kHz(人類聽(tīng)力的極限)聽(tīng)起來(lái)像刺耳的“振鈴”聲。由風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片發(fā)出的頻率通常落在1-20kHz的頻率范圍內(nèi)是本發(fā)明的主要關(guān)注點(diǎn)。如下表1所示，我們還可以看到，變化波長(zhǎng)以約四十(40)微米(μm)的量級(jí)增加。波長(zhǎng)相對(duì)于溫度的平均變化被確定為0.0587cm。因此，用于該應(yīng)用的理想材料將具有α＝5.87×10^-4m/m·℃的線性熱膨脹系數(shù)(CLTE)。

表1

如上所述，優(yōu)選的CLTE是α＝5.87×10^-4m/m·℃。這可進(jìn)一步從材料的線性膨脹方程導(dǎo)出，如下列等式(3)所示：

ΔL＝α·L₀·(T-T₀) (3)

其中：

ΔL是長(zhǎng)度的增加；

α是線性膨脹系數(shù)；

L₀是原始長(zhǎng)度；

T₀是原始溫度；并且

T是被加熱到的溫度。

后緣噪聲的理論比例法則已經(jīng)建立了一段時(shí)間。例如，對(duì)于低速氣流(>馬赫數(shù)0.3)的噪聲強(qiáng)度具有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的關(guān)系，如下列等式4所示：

其中：

p²是在與后緣相距距離r處觀察到的聲壓強(qiáng)度；

ρ₀是流體密度；

c₀是聲速；

U是邊緣附近的流體速度；

L是流動(dòng)的翼展范圍(例如，葉片部分的長(zhǎng)度)；

δ是邊緣處的邊界層厚度的度量；并且

D是方向性函數(shù)，其是觀察者與邊緣的角度的函數(shù)。

可以看出，噪聲強(qiáng)度的五次方(U⁵)的縮放突出了氣動(dòng)噪聲作為風(fēng)力渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)約束所起的作用。在半徑R處的葉片截面上的局部速度為UΩR，其中Ω是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。這個(gè)速度在尖端處可以高達(dá)320公里/小時(shí)?？紤]到U⁵比例關(guān)系，旋轉(zhuǎn)速度增加15％將由此使噪聲增加約3dB。相反，通過(guò)設(shè)計(jì)變化使氣動(dòng)噪聲降低3dB將允許渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速增加15％。當(dāng)與葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)結(jié)合時(shí)，這種旋轉(zhuǎn)速度的增加可以減少系統(tǒng)負(fù)載并且使得更輕、更便宜的轉(zhuǎn)子葉片和傳動(dòng)系成為可能。

上述用于橫穿流體環(huán)境的結(jié)構(gòu)的構(gòu)造可以與Ryan Church同日提交的名稱為“STRUCTURE WITH RIGID WINGLET ADAPTED TO TRAVERSE A FLUID ENVIRONMENT(具有適于橫穿流體環(huán)境的剛性小翼的結(jié)構(gòu))”的待審的PCT專利申請(qǐng)No.PCT/CA2015/050740(其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文)或者Ryan Church同日提交的名稱為“FLUID-REDTRECTING STRUCTURE(流體再引導(dǎo)結(jié)構(gòu))”的待審的PCT專利申請(qǐng)No.PCT/CA2015/050739(其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文)中公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)造結(jié)合地應(yīng)用。

此外，上述水平軸線風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片的構(gòu)造還可以應(yīng)用于豎直軸線風(fēng)力渦輪機(jī)，以及任何比例的這兩種風(fēng)力渦輪機(jī)。這樣的改進(jìn)可以等同地適用于任意機(jī)翼，而不取決于其經(jīng)過(guò)必要修改的具有相關(guān)性變化的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，包括但不限于高空風(fēng)力(HAWP)裝置、風(fēng)箏式風(fēng)力渦輪機(jī)、能量風(fēng)箏、城市風(fēng)力渦輪機(jī)、飛機(jī)機(jī)翼、滑翔機(jī)、無(wú)人機(jī)等。本文描述的發(fā)明可以應(yīng)用于具有比通過(guò)示例描述的葉片更少或更多葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)，以便增加風(fēng)力渦輪機(jī)的操作效率和降噪能力，以減少振動(dòng)、負(fù)載、維護(hù)成本和機(jī)械磨損，以及增加這種風(fēng)力渦輪機(jī)的可擴(kuò)展性和可銷售性。

對(duì)于城市風(fēng)力渦輪機(jī)，這種裝置可以全部受益于在其機(jī)翼上具有前緣和后緣突起。對(duì)于“螺桿”型裝置(http://inhabitat.com/eddy-gt-wind-turbine-is-sleek-silent-and-designed-f or-the-city)，它們將被放置在前緣和后緣兩者上。

一些實(shí)施例可以參考方法類權(quán)利要求來(lái)描述，而其他實(shí)施例可以參考裝置型權(quán)利要求描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將從上述和以下描述中得到，除非另有通知，否則除了屬于一種類型的主題的特征的任何組合之外，還涉及與不同主題相關(guān)的特征之間的任何組合，特別是在方法類權(quán)利要求的特征和裝置類權(quán)利要求的特征之間的任何組合被認(rèn)為是本文獻(xiàn)所公開(kāi)的。

以上定義的方面和另外的方面從下文將要描述的實(shí)施例的示例中是顯而易見(jiàn)的，并且參考實(shí)施例的示例對(duì)其進(jìn)行解釋。

在閱讀以下內(nèi)容之后，其他方面對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。

雖然已經(jīng)參照附圖描述了實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不偏離由所附權(quán)利要求限定的精神和范圍的前提下，可以進(jìn)行變化和修改。

用于水平軸線風(fēng)力渦輪機(jī)的上述轉(zhuǎn)子葉片構(gòu)造還可以應(yīng)用于能夠用于豎直軸線風(fēng)力渦輪機(jī)的一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片，并且可以應(yīng)用于任何尺寸的這兩者的轉(zhuǎn)子葉片，或者可以應(yīng)用于可用于水電壩渦輪機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)、潮汐渦輪機(jī)或航空風(fēng)能渦輪機(jī)或者處理氣體或液體的流體流動(dòng)的其它類型的渦輪機(jī)中的一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片。

上述轉(zhuǎn)子葉片構(gòu)造可替代地用于諸如為商用飛機(jī)、軍用噴氣飛行器、直升機(jī)葉片、直升機(jī)機(jī)翼、民用飛機(jī)、無(wú)人機(jī)和其他類似飛行器的飛行器中。本文描述的發(fā)明可以應(yīng)用于具有比通過(guò)示例描述的葉片更少或更多葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)，以便提高風(fēng)力渦輪機(jī)的操作效率、降低維護(hù)成本、以及增加這種風(fēng)力渦輪機(jī)的可擴(kuò)展性和可銷售性。

觀察到的是，商用飛機(jī)、民用飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、直升機(jī)機(jī)翼將具有與現(xiàn)代商用飛機(jī)相似尺寸比的翼，其具有向后彎曲超過(guò)后緣線的結(jié)構(gòu)。

如本文所述的結(jié)構(gòu)可以包含降低雨雪的沖擊力從而限制侵蝕和葉片故障的微型突起。

此外，諸如本文所述的結(jié)構(gòu)可以設(shè)置有表面處理，諸如一系列凹部和/或一系列六邊形圖案和/或一系列凹陷或凹槽，所有這些都可以陷入小翼的表面中或在小翼的表面上方突起，諸如在上述的Ryan Church的名稱為“STRUCTURE WITH RIGID WINGLET ADAPTED TO TRAVERSE A FLUID ENVIRONMENT(具有適于橫穿流體環(huán)境的剛性小翼的結(jié)構(gòu))”的待審PCT申請(qǐng)中所描述的。

諸如本文所述的那些結(jié)構(gòu)可以加上必要的變更而適當(dāng)?shù)貞?yīng)用于相關(guān)的變化，包括但不限于商用飛機(jī)、軍用噴氣飛行器、直升機(jī)葉片、直升機(jī)機(jī)翼、民用飛機(jī)、航天器、無(wú)人機(jī)等。

此外，本文所公開(kāi)的結(jié)構(gòu)可用于除環(huán)境空氣之外的其它流體環(huán)境，諸如水環(huán)境，油環(huán)境等。

適于橫穿流體環(huán)境的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于豎直軸線風(fēng)力渦輪機(jī)。

適于橫穿流體環(huán)境的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于水電壩渦輪機(jī)。

適于橫穿流體環(huán)境的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪機(jī)。

適于橫穿流體環(huán)境的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于潮汐渦輪機(jī)。

適于橫穿流體環(huán)境的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于航空風(fēng)能渦輪機(jī)。

適于橫穿流體環(huán)境的結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于商用飛機(jī)。

適于橫穿流體環(huán)境的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于軍用噴氣飛行器和航天器。

適于橫穿流體環(huán)境的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于直升機(jī)葉片。

適于橫穿流體環(huán)境的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于直升機(jī)機(jī)翼。

適于橫穿流體環(huán)境的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于民用飛機(jī)的機(jī)翼。

適于橫穿流體環(huán)境的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的機(jī)翼。

本文所述的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)各種方法形成，包括對(duì)突起使用3D打印，或者利用預(yù)浸漬技術(shù)、拉擠成型、自動(dòng)化纖維鋪放(AFP)和/或注入成型來(lái)制造突起。

應(yīng)當(dāng)注意，術(shù)語(yǔ)“包括”不排除其他元件或步驟，并且冠詞“一”或“一個(gè)”的使用不排除多個(gè)。此外，可以組合與不同實(shí)施例相關(guān)聯(lián)描述的元件。應(yīng)當(dāng)注意，權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制權(quán)利要求的范圍。