CN110998088A - 风能设施转子的转子叶片、风能设施及用于改进风能设施转子效率的方法 - Google Patents

风能设施转子的转子叶片、风能设施及用于改进风能设施转子效率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种转子叶片，所述转子叶片具有在转子叶片根部和转子叶片之间在转子叶片长度上延伸的转子叶片后缘以及在转子叶片后缘和转子叶片前缘之间产生的翼型深度。为了提升效率，在转子叶片后缘的区域上或区域中能够安置有至少一个翼型元件，所述翼型元件具有连贯的翼型部段，以用于改变转子叶片的翼型深度，其中所述翼型元件的超出转子叶片后缘的延伸根据转子叶片的翼型深度的与负载相关的标准尺寸以及在风能设施的设立地点处产生的负载水平来确定。

Description

风能设施转子的转子叶片、风能设施及用于改进风能设施转 子效率的方法
技术领域
本发明涉及一种风能设施的转子的转子叶片以及一种风能设施。此外，本发明涉及一种用于改进风能设施的转子效率的方法。
背景技术
风能设施通常是已知的并且示例地如在图1中那样构造。风能设施及其构件的设计基于标准化指南(例如IEC 61400)进行，所述标准化指南涉及确保风能设施的技术完整性的基本设计要求。该标准的目的在于，提供适宜的保护水平，以防止在风能设施的计划的使用寿命期间因风险造成的损坏。在此，标准参数包括在风能设施的尺寸中，所述尺寸与标准负载相关，然而并非是位置特定的。标准参数尤其是剪切力、湍流的出现、气候条件、空气密度、风级和风区的参考速度。由于转子叶片的与标准负载相关的尺寸，所述转子叶片具有带有固定参数的限定的翼型，例如具有相关翼型极线的翼型深度。所确定的翼型形成负载计算和年发电量计算(AEP)的基础。
一个或多个转子叶片的设计对于风能设施的排放和效率而言是一个重要方面。风能设施的转子叶片通常具有吸力侧和压力侧。所述吸力侧和所述压力侧在转子叶片的转子叶片后缘会聚。由于在吸力侧和压力侧之间的压力差，会产生涡流，所述涡流会引起在转子叶片后缘处的噪声排放和功率降低。
风能设施的设计或由此产生的转子叶片构造主要基于标准位置或标准负载，其中还能够包括位置特定的验证/负载。因此，所述转子叶片在其稍后的几何构造方面被限定。尤其，所述转子叶片具有固定的几何形状，所述几何形状不可供稍后在制造工艺中关于扭转或翼型深度方面的调整。
发明内容
因此，本发明所基于的目的是，解决上述问题中的至少一个问题，尤其应提出一种解决方案，所述解决方案进一步提升风能设施的转子叶片的效率。
为了实现所述目的，提出一种风能设施转子的转子叶片。所述转子叶片具有在转子叶片根部和转子叶片之间在转子叶片长度上延伸的转子叶片后缘以及在转子叶片后缘和转子叶片前缘之间产生的翼型深度。为了提升效率，所述转子叶片具有至少一个翼型元件，所述翼型元件具有连贯的翼型部段，所述翼型元件能够安置在转子叶片后缘的区域上或转子叶片后缘的区域中，以用于改变转子叶片的翼型深度，所述翼型元件的超出转子叶片后缘的延伸根据转子叶片的翼型深度的与负载相关的标准尺寸以及在风能设施的设立地点处产生的负载水平来确定。
通过深度的改变通过安置至少一个翼型元件来进行，所述翼型元件的延伸基于在标准负载之间存在的差值和位置特定的、例如所测量到的和/或所模拟的负载水平来确定，所述标准负载是转子叶片在其制造期间所基于的尺寸。如果例如由于较低的空气密度而使所测量到的位置负载低于转子叶片的尺寸所基于的标准负载，那么存在尺寸过大。这种尺寸过大代表负载裕量，所述负载裕量通过转子叶片的翼型深度的后续改变可至少部分地被利用。基于所述尺寸过大，能够确定转子叶片的对于该位置特定的允许翼型深度，以便随后对其进行调整。至少一个翼型元件的安置根据翼型元件的延伸来改变转子叶片的翼型深度。所述翼型元件的连贯的翼型部段能够在翼型深度方向上具有恒定或变化的延展。通过至少一个翼型元件能够在现有的转子叶片上产生较大的风作用面，这与通过有针对性地利用现有的负载裕量来提升功率有关。
为了增大风作用面或通过至少一个翼型元件来增加翼型深度，可设想其不同的构造。至少一个翼型元件的相应的延伸根据风能设施的相应的位置相关的负载裕量来确定。
优选地，至少一个翼型元件能够至少部分地在转子叶片长度上延伸。在转子叶片的总长度上连贯地延伸的单个翼型元件具有下述优点：在该翼型元件和所述转子叶片之间存在较少的过渡部，在所述过渡部处可能会引起不期望的湍流。另一方面，提供两个或更多个翼型元件是有利的，因为所述翼型元件在生产技术上更易于实现。此外，更易于安装在转子叶片上。优选的是，至少一个翼型元件垂直于转子叶片后缘的轮廓设置。
在一个优选的实施形式中，至少一个翼型元件在转子叶片后缘的延长部中具有渐缩的轮廓。渐缩的轮廓在此基本上跟随转子叶片的横截面轮廓，也就是说，形成转子叶片翼型的翼型剖面的例如渐缩的延续部，该延续部超出转子叶片后缘。
在一个优选的实施形式中，至少一个翼型元件在转子叶片后缘的延长部中具有恒定的轮廓。为此，至少一个翼型元件能够构成为具有恒定厚度的板。在其它实施形式中，也能够有利地实现渐缩的轮廓和恒定的轮廓和/或扩宽的轮廓的组合。替选地或附加地，例如部分地，关于恒定的厚度，所述翼型元件在转子叶片的后缘的延长部中能够具有减小的厚度，即渐缩的轮廓。
转子叶片的后缘能够构成为尖的或钝的，也就是说，转子叶片能够具有平脊翼型。至少一个翼型元件能够直接设置到后缘上，尤其在钝的后缘的情况下，或者在后缘的区域中，尤其设置在压力侧和/或吸力侧上。
优选地，在转子叶片长度上至少部分地延伸的翼型元件能够具有相对于转子叶片的纵轴线部分地扭转的轮廓。至少一个翼型元件跟随转子叶片的扭转。因此，尽管翼型深度的变化，但是原有转子叶片的特定的空气动力学特性至少基本上保持不变。
优选地，至少部分地在转子叶片长度上延伸的翼型元件的延伸能够根据转子叶片的翼型深度而改变。所述翼型元件的宽度能够随着转子叶片的翼型深度而变化，以便使转子叶片的空气动力学特性保持不变。替选于或除了与转子叶片翼型深度的相关性以外，所述延伸能够与在转子的径向方向上的位置相关。
在一个特别优选的实施形式中，所述翼型元件多件式地构成并且具有带有中断的轮廓的部段，所述部段在转子叶片后缘的延长部中邻接于翼型部段。特别优选的是，所述翼型元件两件式地构成。如对此已经详述的，所述翼型部段优选构成为板。邻接于其的部段能够一件式或多件式地构成。所述部段的中断的轮廓优选构成为锯齿状。锯齿状的构造有助于改进在转子叶片后缘处的流动特性。通过该部段的锯齿状中断的轮廓，能够减少在转子叶片后缘处产生的涡流。此外，这样的部段能够有助于减少噪声排放。
在一个特别优选的实施形式中，至少一个翼型元件一件式地构成并且具有锯齿状轮廓，优选在背离转子叶片后缘的一侧上具有锯齿状轮廓。为了实现翼型深度的增加，在翼型深度方向上的深度和/或在转子叶片纵向方向上的宽度根据现有的负载裕量而变化，以便使转子叶片的翼型深度适配于对于该位置特定的、允许的翼型深度。这伴随着转子叶片的风作用面增大。锯齿状轮廓邻接于至少一个翼型元件的翼型部段或形成翼型部段的一部分，也就是说，所述翼型元件具有一件式地邻接于翼型部段的锯齿。
在多件式构造的情况下锯齿状中断的轮廓和在单件式构造的情况下锯齿状轮廓也延伸超出转子叶片后缘，其中优选根据转子叶片的翼型深度的与负载相关的标准尺寸和在风能设施的设立地点处产生的负载水平来确定和优化特征，即尤其锯齿的长度、宽度和/或形状。
此外，提出一种风能设施，所述风能设施具有至少一个根据本发明的转子叶片，优选具有三个根据本发明的转子叶片。
此外，提出一种用于改进风能设施的转子的效率的方法。所述转子包括至少一个转子叶片，所述转子叶片具有在转子叶片根部和转子叶片之间在转子叶片长度上延伸的转子叶片后缘以及在转子叶片后缘和转子叶片前缘之间产生的翼型深度。为此，为了改变转子叶片的翼型深度，在转子叶片后缘的区域上或区域中安置至少一个设有连贯的翼型部段的翼型元件，所述翼型元件的超出转子叶片后缘的延伸根据转子叶片的翼型深度的与负载相关的标准尺寸以及在风能设施的设立地点处产生的负载水平来确定。在风能设施持续运行期间，检测并且评估关于所发生的状况的信息，以便能够推断出实际的负载水平。通过安置至少一个翼型元件，能够利用负载裕量，所述负载裕量在基于与负载相关的标准尺寸假定的设计负载与风能设施的在设立位置实际确定的满载之间产生。
因此获得根据所描述的转子叶片的至少一个实施形式的关系、阐述和优点。
尤其，随着由于所产生的位置特定的负载水平而引起越来越低于与负载相关的标准尺寸，能够选择至少一个翼型元件的更大的延伸。
优选地，对至少一个翼型元件进行改装。通过对具有至少一个翼型元件的转子叶片的特定的改装而产生更大的风作用面，使得能够实现对年发电量的更大的贡献。
附图说明
下面示例性地根据实施例参考附图详细阐述本发明。
图1示意性地示出风能设施的立体图。
图2示出转子叶片的示意图，所述转子叶片具有转子叶片前缘以及转子叶片后缘。
图3a示出转子叶片后缘的具有至少一个在其上设置的翼型元件的部分部段的示意图。
图3b至3e示意性地示出在图3a中示出的翼型元件的横截面的不同示例。
图4示出转子叶片后缘的部分部段的示意图，在改变转子叶片的翼型深度之前，该部分部段具有设置在其上的、具有锯齿状轮廓的部段。
图5示出根据图4的转子叶片后缘的部分部段的示意图，该部分部段具有设置在其上的翼型元件。
图6示出转子叶片后缘的部分部段的示意图，该部分部段具有构成为翼型元件的、具有锯齿状轮廓的部段。
图7示出根据图6的转子叶片后缘的部分部段的示意图。
具体实施方式
要注意的是，相同的附图标记能够表示不同的实施形式的可能类似的、不相同的元件。
基于示例参考附图对本发明的阐述基本上是示意性的，并且在相应附图中阐述的元件能够在其中为了更好的图解示出而被放大示出，并且其它元件能够被简化。因此，例如图1示意性地图解示出风能设施本身，使得不能清楚地识别出在转子叶片上所设置的锯齿状后缘。
图1示出具有塔102和吊舱104的风能设施100。在吊舱104上设置有带有三个转子叶片108和一个整流罩110的转子106。在运行期间，所述转子106通过风置于转动运动中，进而驱动吊舱104中的发电机。
图2示出具有转子叶片前缘2和转子叶片后缘3的转子叶片1的示意图。所述转子叶片1从转子叶片根部4延伸至转子叶片尖端5。在所述转子叶片尖端5和所述转子叶片根部4之间的长度称为转子叶片长度L。在所述转子叶片前缘2和所述转子叶片后缘3之间的间距称为翼型深度T。转子叶片长度L和翼型深度T在很大程度上决定了所述转子叶片1的风作用面。
图3a示出转子叶片后缘3的部分部段的示意图，所述部分部段具有设置在其上的至少一个翼型元件6。所述翼型元件6具有板状翼型部段7。所述翼型部段7在转子叶片后缘3的延长部中具有渐缩的横截面轮廓，如其例如在图3c至3e中所示。图3c示出从压力侧和吸力侧均匀地渐缩的横截面轮廓，而图3d和3e示出下述横截面轮廓，所述横截面轮廓仅从翼型元件6的侧面之一，意即从压力侧或吸力侧的面示出渐缩部。替选地或部分地，所述翼型部段7在转子叶片后缘3的延长部中也附加地能够具有恒定的横截面轮廓。为此，所述翼型部段7能够具有基本上长方形状的横截面，如在图3b中示意性示出。也能够考虑其它横截面轮廓，例如凹形、凸形等，以及在所示出的轮廓之间的组合。
翼型元件6在转子叶片1的纵向方向上匹配于转子叶片后缘3的轮廓，使得其跟随转子叶片后缘3的弯曲的以及扭曲的轮廓。所述翼型元件6形成转子叶片后缘3的部分的延长部。
以ΔT表示翼型部段7的超出转子叶片后缘3的延伸，这引起在翼型元件6随后被设置在转子叶片后缘3上时翼型深度T的增加。在此，至少部分地在转子叶片长度L上延伸的翼型部段6的延伸ΔT能够例如根据转子叶片1的翼型深度T而变化。在所示出的实施形式中，所述翼型元件6一件式地构成，并且至少部分地在转子叶片长度L上延伸。可设想的还有多个翼型元件6的区段式设置。为此，多个翼型元件6并排地设置在转子叶片后缘3上。优选地，在这种情况下在多个翼型元件6之间的过渡部锋利地构成，其中过渡部的其它构造也是可行的。
在图4中示出转子叶片后缘3的部分部段的示意图，所述部分部段在转子叶片1的翼型深度T改变之前具有在其上设置的、带有锯齿状轮廓的部段8。所述部段8垂直于转子叶片后缘3设置，意即其基本上形成转子叶片1的翼弦的延续部。设有锯齿9的部段8用于改进在转子叶片后缘3处的流动特性。在作为锯齿9的最外部的点的锯齿尖端12与转子叶片后缘3的起点之间的间距设有附图标记Z。分别位于两个相邻的锯齿9之间的最深点称为锯齿基部11。间距Z包括在部段8的朝向转子叶片后缘3的一侧(即部段8的起点)与锯齿基部11之间的区域，以及在锯齿基部11和锯齿尖端12之间的间距。在锯齿9的锯齿基部11和锯齿尖端12之间的相应的间距称为锯齿高度H。锯齿高度H和/或在两个锯齿9之间的间距和/或锯齿9本身的形状能够沿着转子叶片后缘3的轮廓变化。在该示例中，部段8示出为具有V形轮廓的、锯齿状轮廓。替选地或除了图示的V形轮廓的形状以外，也能够想到直至正弦曲线形轮廓的完全或部分倒圆的轮廓。
在图5中示出根据图4的转子叶片后缘3的部分部段的示意图，所述部分部段具有在其上设置的翼型元件6，锯齿状部段8邻接于所述翼型元件。所述翼型元件6设置在转子叶片后缘3和锯齿状部段8之间。翼型部段7的延伸ΔT或宽度决定了转子叶片1的翼型深度T的变化。邻接于翼型部段7的锯齿状部段8同样能够后续地设置在翼型元件6上。优选的是下述设计方案，其中部段8是翼型元件6的组成部分。
在图6中示出转子叶片后缘3的部分部段的示意图，在转子叶片1的翼型深度T变化之前，所述部分部段具有构成为翼型元件的、带有锯齿状轮廓的部段8。
在图7中示出根据图6的转子叶片后缘3的部分部段的示意图。在该实施形式中，在其几何尺寸方面变化的、具有锯齿状轮廓的部段8’形成翼型元件6本身。为了改变转子叶片1的翼型深度T，间距Z增加了延伸ΔT。为此，在部段8’的起点与锯齿基部11之间的区域中设有附加的、用作为翼型部段7的间隔10，对此的替选方案提出，增加锯齿高度H和/或宽度，而在锯齿基部11与部段8’的起点之间的间距保持不变。为了改变翼型深度T，设置在转子叶片后缘3上的部段8被部段8’取代。
风能设施100的设计或转子叶片1的尺寸和构造基于标准位置或标准负载。为了确保风能设施的运行安全性，这考虑了所出现的负载峰值。因此，转子叶片1在其稍后的几何构造方面被限定。因此，转子叶片1具有固定的几何形状，所述几何形状不再可供稍后在制造工艺中关于其扭转或翼型深度T方面的调整。
对于转子叶片的设计而言，标准参数包括在风能设施的尺寸中，所述尺寸与标准负载相关，然而并非是位置特定的。标准参数尤其是剪切力、湍流的出现、气候条件、空气密度、风级和风区的参考速度。基于该信息，确定转子叶片1的尺寸，以便确保适宜的保护水平，以防止在风能设施的计划的使用寿命期间因风险造成的损坏。实际出现的运行条件经常会偏离设计所基于的所述标准参数。因此，例如由于比在设计转子叶片1时所基于的风密度更低的风密度，能够产生负载裕量。由尺寸过大引起的负载裕量用作为用于确定该位置特定的转子叶片1的允许的翼型深度T的参数。如果基于实际出现的负载已确定了对于该位置特定的允许的翼型深度T，那么能够由此确定翼型元件6的可能的附加的延伸ΔT。因此，对由转子叶片长度以及转子叶片1的翼型深度和翼型元件的延伸ΔT产生的风作用面进行位置特定的调整，以便优化风能设施的年发电量。
应注意，翼型元件6当然也能够具有另外的有利的应用，进而不限于负载优化。例如，借助于一个或多个翼型元件6的构造能够用于优化感应系数分布。为此，文献“
Figure BDA0002380448710000083
bei
Figure BDA0002380448710000084
von Windenergieanlagen mitSchwerpunkt auf Grenzschichtabsaugung”，B.Souza Heinzelmann,http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2975，通常考虑了轴向感应系数a和径向感应系数a’，所述轴向感应系数和径向感应系数通过空气流在转子平面中的轴向或径向减速来表示转子的效率。借助远离转子平面的风速u1和位于转子平面中的风速u2，所述轴向感应系数a如下定义：
Figure BDA0002380448710000081
在理想情况下，最优的工作点的特征在于a的值为1/3。如果在局部的半径位置引入局部的叶尖速比λlocal，那么切向的感应系数a’能够如下定义：
Figure BDA0002380448710000082

Claims (13)

1.一种风能设施的转子的转子叶片(1)，所述转子叶片具有在转子叶片根部(4)和转子叶片尖端(5)之间在转子叶片长度(L)上延伸的转子叶片后缘(3)以及在转子叶片前缘(2)和转子叶片后缘(3)之间产生的翼型深度(T)，其特征在于，所述转子叶片(1)具有至少一个翼型元件(6)，所述翼型元件具有连贯的翼型部段(7)，所述翼型元件能够安置在所述转子叶片后缘(3)的区域上或区域中，以用于改变所述转子叶片(1)的翼型深度，所述翼型元件的超出所述转子叶片后缘(3)的延伸(ΔT)根据所述转子叶片(1)的翼型深度(T)的与负载相关的标准尺寸以及在所述风能设施的设立地点处产生的负载水平来确定。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(1)，其特征在于，至少一个所述翼型元件(6)至少部分地在所述转子叶片长度(L)上延伸。
3.根据权利要求1或2所述的转子叶片(1)，其特征在于，至少一个所述翼型元件(6)在所述转子叶片后缘(3)的延长部中具有渐缩的轮廓。
4.根据权利要求1或2所述的转子叶片(1)，其特征在于，至少一个所述翼型元件(6)在所述转子叶片后缘(3)的延长部中具有恒定的轮廓。
5.根据上述权利要求中任一项所述的转子叶片(1)，其特征在于，至少部分地在所述转子叶片长度(L)上延伸的翼型元件(6)具有相对于所述转子叶片(1)的纵轴线部分地扭转的轮廓。
6.根据上述权利要求中任一项所述的转子叶片(1)，其特征在于，至少部分地在所述转子叶片长度(L)上延伸的翼型元件(6)的延伸(ΔT)根据所述转子叶片(1)的翼型深度(T)而改变。
7.根据上述权利要求中任一项所述的转子叶片(1)，其特征在于，所述翼型元件(6)多件式地构成并且具有带有中断的轮廓的部段(8)，所述部段在所述转子叶片后缘(3)的延长部中邻接于所述翼型部段(7)。
8.根据权利要求7所述的转子叶片(1)，其特征在于，所述部段(8)具有锯齿状轮廓。
9.根据上述权利要求中任一项所述的转子叶片(1)，其特征在于，所述翼型元件(6)一件式地构成并且具有锯齿状轮廓。
10.一种风能设施(100)，所述风能设施具有至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的转子叶片(1)，优选具有三个根据权利要求1至9中任一项所述的转子叶片(1)。
11.一种用于改进风能设施的转子的效率的方法，所述转子具有至少一个转子叶片(1)，所述转子叶片具有在转子叶片根部(4)和转子叶片尖端(5)之间在转子叶片长度(L)上延伸的转子叶片后缘(3)以及在转子叶片前缘(2)和转子叶片后缘(3)之间产生的翼型深度(T)，其特征在于，为了改变所述转子叶片(1)的翼型深度(T)，在所述转子叶片后缘(3)的区域上或区域中安置至少一个具有连贯的翼型部段(7)的翼型元件(6)，所述翼型元件的超出所述转子叶片后缘(3)的延伸(ΔT)根据所述转子叶片(1)的翼型深度(T)的与负载相关的标准尺寸以及在所述风能设施的设立地点处产生的负载水平来确定。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，随着由于所产生的负载水平而引起越来越低于与负载相关的尺寸，所述方法选择至少一个所述翼型元件(6)的更大的延伸(ΔT)。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，对至少一个所述翼型元件(6)进行改装。
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