CN112639283A - 转子叶片，风能设备和用于优化风能设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风能设备(100)的转子(106)的转子叶片(108)以及一种相关的风能设备(100)和一种用于优化风能设备(100)的方法。转子叶片(108)在安装在风能设备(100)上之前在分离部位(130)处分为内叶片部段(132)和外叶片部段(114)，其中转子叶片(108)的纵向方向(L)从根部段至叶片尖部被限定，其中转子叶片(108)具有至少一个涡流元件(140)，其中涡流元件(140)具有沿转子叶片(108)的纵向方向(L)的延伸，其中在涡流元件(140)的朝向根部段(114)的起点和朝向转子叶片尖部(116)的端部之间沿纵向方向(L)的间距称作为总长度(L总)，并且其中在分离部位(130)和涡流元件(140)的外端部(142)之间的间距称作为外部长度(L外)，其中外部长度(L外)和总长度(L总)的比为小于0.25。

Description

转子叶片，风能设备和用于优化风能设备的方法
技术领域
本发明涉及一种用于风能设备的转子的转子叶片、一种相关的转子、一种相关的风能设备和一种相关的风电场。本发明同样涉及一种用于优化风能设备的相应的方法。本发明尤其涉及两件式的转子叶片，也就是说这种转子叶片具有至少一个沿着转子叶片纵轴线的分离部位。
背景技术
用于风能设备的转子叶片是已知的。在风能设备的转子处安装的转子叶片具有空气动力学轮廓，其由承受的风产生空气动力学的力，所述力最终被转换以产生风能设备的电功率。历来目的是，使风能设备的转子叶片的产量最大化。
将转子叶片的产量最大化的目的造成转子叶片越来越大，使得具有明显大于100m的直径的转子现在不再少见。转子叶片的较大长度提供产量优势，而在制造和运输领域中提出越来越大的挑战。
刚好对运输问题作出反应的可能性是将转子叶片沿纵向方向分开。所谓的多件式的或两件式的转子叶片具有外叶片和内叶片，外叶片具有叶片尖部，所述外叶片和内叶片在分离部位处连接。即内叶片从转子毂伸展至分离部位，在所述分离部位处外叶片直至叶片尖部。当然，外叶片也可以还分为更多个叶片部分。具有至少一个分离部位的转子叶片的所有形式随后用术语多件式转子叶片表示。
然而也已知的是，分离部位的设置是空气动力学的挑战和尤其由于与其相关的重量是结构上的挑战。
同时，随着转子叶片长度升高，在毂附近的转子叶片区域中，也就是说在转子表面的中心附近，流动分离的可能性也增加。在那必须使用具有相对大的厚度的轮廓，所述轮廓尤其在转子叶片表面被污染时倾向于分离流。这样已知的是，在毂附近的区域中涡流元件例如漩涡发生器设置在转子叶片处，所述转子叶片构成用于，将能量引入流动边界层中并且随后延迟流动的分离。涡流元件不可避免地产生提高的阻力，使得涡流元件的利用相对于随之带来的缺点进行权衡。
德国专利商标局在本申请优先权申请中检索到如下现有技术：DE 10 2012 107415 A1、US 2018/0038343 A1、EP 1 944 505 A1、EP 2 634 418 A2、EP 2 657 513 A2、EP2 799 710 A1。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是，提出一种用于风能设备的至少两件式的转子叶片，其可实现改善的产量。
根据第一方面，所述目的通过风能设备的转子的转子叶片实现，其中转子叶片在安装在风能设备处之前在分离部位处分为内叶片部段和外叶片部段，其中内叶片部段从根部段伸展至分离部位，其中所述根部段用于将转子叶片安装在风能设备的转子毂处，并且外叶片部段从分离部位直至转子叶片尖部。从根部段至叶片尖部限定转子叶片的纵向方向。转子叶片具有至少一个涡流元件。涡流元件具有沿转子叶片的纵向方向的延伸。在涡流元件的朝向根部段的起点和朝向转子叶片尖部的端部之间沿纵向方向的间距称作为总长度。在分离部位和涡流元件的外端部之间的间距称作为外部长度。外部长度和总长度的比小于0.25，优选小于0.2并且特别优选小于0.15。
本发明基于的认识是，存在分离部位的位置与涡流元件到叶片的外部区域中的延伸之间的主要的相互关系。尤其已证实的是，外部长度，即涡流元件越过分离部位朝叶片尖部延伸的长度应当不超过与涡流元件的总长度的特定的比，由此将从中产生的阻力保持在极限内。
对于分离部位特别重要的是，转子叶片轮廓由于分离部位而特殊地设计。这样即尤其设置比在单件式的叶片中更厚的，即具有更大相对厚度的轮廓，也就是说轮廓厚度与轮廓长度的比相对更大，因为作用于分离部位的负载在轮廓不太厚的情况下是过大的。因此，分离部位的位置与叶片的相对厚度相互作用，所述相互作用还表现为涡流元件的伸展和有效性的相互作用。尤其也在转子叶片的更靠外的区域中，也可以设有在较薄的轮廓处的替选的分离部位。在此类似地适用，通过分离部位给出转子叶片轮廓的设计的特殊的匹配。
涡流元件不必连续地构成并且也可以例如和优选具有沿径向方向的中断部。尤其，涡流元件也可以由多个子元件构成。在此，涡流元件的起点和端部总是指向涡流元件的所有部分的绝对起点或绝对端部，即也在涡流元件多件式地构成或构成为具有中断部的情况下不改变。
涡流元件的外部长度与总长度的比的根据权利要求限定的最高0.25.5、优选最高0.2并且特别优选最高0.15的值考虑到分离部位位置以及涡流元件的位置和伸展的相互作用的所述认识并且被可靠地作为上限值示出。应当要注意的是，外部长度也可以取得负值，即当涡流元件根本没有沿转子叶片纵向方向向外伸展至分离部位，而是已经在之前终止时可以取得负值。
迄今使用的具有两件式的叶片的风能设备例如Enercon E-126 EP4或E-141 EP4同样具有涡流元件。在这些已知的风能设备中，涡流元件至今伸展至更靠外地位于叶片尖部附近的点，使得外部长度与总长度的比取得更大的值。然而已证实的是，转子叶片通过改变涡流元件和遵循比的根据本发明的值可以根据本发明进行改善。
在一个实施方式中，涡流元件具有一个或多个漩涡发生器。漩涡发生器尤其设置在转子叶片的吸力侧上。
已知的是，转子叶片的轮廓从前缘伸展至后缘，其与所谓的压力侧和吸力侧连接。吸力侧的无分离的环流尤其对于实现符合设计的轮廓升力值和阻力值是重要的。
在一个实施方式中，漩涡发生器构成为成对设置的、基本上垂直于吸力侧设置的鳍。成对的设置可实现，将相反方向的涡流引入边界层中。作为鳍例如呈三角形的构成方式是漩涡发生器的特别简单的设计方案，其中当然对于本领域技术人员也已知其他适宜的形状。在此将基本上垂直于吸力侧理解为在转子叶片表面和鳍之间的角度为大于45°，优选大于60°并且特别优选最少为80°。
特别优选地，涡流元件具有塑料材料，尤其短纤维增强的塑料材料或由其构成。
在一个实施方式中，漩涡发生器具有作为沿转子叶片的纵向方向的位置的函数的几何形状。据此优选的是，根据沿转子叶片纵向方向的位置设置不同几何形状的漩涡发生器。这样例如漩涡发生器越靠近根部段，那么高度，即垂直于转子叶片表面的延伸，或长度，即在转子叶片表面的平面中的延伸越大。替选地或附加地，也可以改变两个相邻的漩涡发生器之间的间距和/或尤其垂直于转子叶片的前缘的主入流方向和具有沿纵向方向的位置的漩涡发生器的方向之间的角度。
在一个实施方式中，涡流元件的起点邻接于根部段。据此，涡流元件延伸至转子叶片根部附近的区域中。在该区域中通过转子旋转引起的速度分量是最小的。替选地，涡流元件的起点与根部段间隔开一定长度。这尤其可以是对于在转子叶片根部周围的柱形轮廓的情况有利的。特别优选地，涡流元件的起点位于转子叶片的如下部段处，该部段具有空气动力学的轮廓。将能产生升力的轮廓理解为空气动力学的轮廓。
在一个实施方式中，当涡流元件的端部沿纵向方向比分离部位更靠近根部段时，外部长度获得负号。外部长度与总长度的比优选为负。换言之，涡流元件在本优选的实施方式中仅在叶片的内部区域中延伸。这可通过如下方式进行，即分离部位更向外设置，和/或然而将涡流元件相应地设计尺寸和设置。
在一个实施方式中，外叶片部段具有另一分离部位。由此，转子叶片不局限于两件式，无论如何作为对于确定涡流元件的长度重要的分离部位是从叶片尖部起观察的第一分离部位。
根据第二方面，所述目的通过具有根据第一方面的至少一个转子叶片的转子实现。转子的直径为至少170m。尤其在具有相应大的设计的转子中有利地适用涡流元件的根据本发明的设置和设计。
根据第三方面，所述目的通过具有根据第二方面的根据本发明的转子的风能设备实现。
根据第四方面，所述目的还通过具有根据第三方面的多个风能设备的风电场实现。
根据第五方面，所述目的还通过用于优化风能设备的方法实现。风能设备具有空气动力学转子，所述空气动力学转子具有至少一个转子叶片，其中转子叶片在分离部位处分为内叶片部段和外叶片部段，其中内叶片部段从根部段伸展至分离部位，其中所述根部段用于将转子叶片安装在风能设备的转子毂处，并且外叶片部段从分离部位直至转子叶片尖部，其中从根部段至叶片尖部限定转子叶片的纵向方向。所述方法具有如下步骤：提供和安装至少一个涡流元件，所述涡流元件具有沿转子叶片的纵向方向的延伸，其中在涡流元件的朝向根部段的起点和朝向转子叶片尖部的端部之间沿纵向方向的间距称作为总长度，并且其中在分离部位和涡流元件的外端部之间的间距称作为外部长度，其中提供和安装涡流元件，使得外部长度和总长度的比为小于0.25，优选小于0.2并且特别优选小于0.15。
根据本发明的方法能实现与根据本发明的转子叶片相同的优点并且能以相同的方式与针对转子叶片所描述的实施方式组合。
附图说明
下面，参照附图描述其他优点和设计方案。在此示出：
图1示意地且示例地示出风能设备；以及
图2示意地且示例地示出风能设备的转子叶片。
本发明根据实例参照附图的阐述基本上示意地进行并且在各个附图中产生的元件可以在其中夸大示出，以便更好的图解说明并且简化其他元件。这样，例如图1示意地图解说明这种风能设备，使得涡流元件的提出的设置方式不能明确地识别。
具体实施方式
图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104处设置有具有三个转子叶片108的转子106和导流罩110。转子叶片106在运行中由风置于转动运动中进而驱动吊舱104中的发电机。转子叶片108的叶片角度是可设定的。
图2示出具有转子叶片前缘120以及转子叶片后缘122的单个转子叶片108的示意视图。示出的是转子叶片的吸力侧124的俯视图，相对置的压力侧在视图中不可见。
转子叶片108具有转子叶片根部114和转子叶片尖部116。在转子叶片根部114和转子叶片尖部116之间的长度称作为沿着纵向方向L的转子叶片长度R。在转子叶片前缘120和转子叶片后缘122之间的间距称作为轮廓深度。在转子叶片根部114处或概括来说在靠近转子叶片根部114的区域中，转子叶片108具有大的轮廓深度T。而在转子尖部116处，轮廓深度T是小很多的。
沿转子叶片108的纵向方向L，大致在中间区域中设有分离部位130。分离部位将转子叶片分为两个部段，内叶片部段132和外叶片部段134。内叶片部段132从转子叶片根部114的区域伸展至分离部位130并且外叶片区域134连接于分离部位130并且伸展至转子叶片尖部116。当然也可设想多于一个分离部位130，其中随后将外叶片区域134分为多个部分。在叶片分离部位130处将转子叶片108在建造地点处安装之前或安装时组装。
在图2中示出的吸力侧124的示意俯视图中还设置有涡流元件140。在其他实施方案中，涡流元件140例如也可以设置在压力侧上。通过将能量附加地输入边界层中，涡流元件140延迟在涡流元件140所设置的区域中的流动分离。不同类型的涡流元件140是已知的，所述涡流元件包含主动的和被动的涡流元件。
本发明的核心现在是，找到分离部位130和涡流元件140沿转子叶片108的纵向方向L的延伸的共同作用。总延伸L总表示涡流元件140从转子叶片根部114起沿纵向方向L至径向外端部142的延伸。涡流元件140的外部长度L外表示为沿纵向方向L从叶片分离部位130起直至涡流元件140的径向外端部142的长度。L外的值针对分离部位130比涡流元件140的端部142更靠外的情况获得负号。
为了判断涡流元件140的设置方式是否是有利的，形成外部长度或外长度L外与总长度L总的比。一旦所述比达到最高0.25的值，比视为有利的。换言之，叶片分离部位130必须根据比关于涡流元件140的总长度更靠外。
在此，分离部位130也可以与涡流元件140的端部142比更靠外，然而不利的是，涡流元件140向外延伸，使得L外与L总的比大于0.25。
本发明的认识是，更向外延伸的涡流元件产生过大的阻力，而所述涡流元件不再以如下程度引起流动分离延迟的作用，使得带来由此效率提升的总体考虑。
尤其，在此比下在两件式的转子叶片108中要考虑的分离部位130的特殊的几何结构和空气动力学是重要的。这样，本发明的特殊认识是，要关于分离部位130的位置设置涡流元件140的延伸。优选地，风能设备具有至少170m的转子直径D，因为尤其在转子大的情况下涡流元件140的优点和转子叶片108的多件式的优点完全适用。

Claims (11)

1.一种风能设备(100)的转子(106)的转子叶片(108)，其中所述转子叶片(108)在安装在所述风能设备(100)上之前在分离部位(130)处分为内叶片部段(132)和外叶片部段(134)，其中所述内叶片部段(132)从根部段(114)伸展至所述分离部位(130)，所述根部段用于将所述转子叶片(108)安装在所述风能设备(100)的转子毂处，并且所述外叶片部段(134)从所述分离部位(130)伸展直至转子叶片尖部(116)，
其中从所述根部段至所述叶片尖部限定所述转子叶片(108)的纵向方向(L)，
其中所述转子叶片(108)具有至少一个涡流元件(140)，
其中所述涡流元件(140)具有沿所述转子叶片(108)的纵向方向(L)的延伸，
其中在所述涡流元件(140)的朝向所述根部段(114)的起点和朝向所述转子叶片尖部(116)的端部之间沿纵向方向(L)的间距称作为总长度(L总)，并且
其中在所述分离部位(130)和所述涡流元件(140)的外端部(142)之间的间距称作为外部长度(L外)，
其中所述外部长度(L外)和所述总长度(L总)的比小于0.25，优选小于0.2并且特别优选小于0.15。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(108)，其中所述涡流元件(140)具有一个或多个漩涡发生器，所述漩涡发生器尤其设置在所述转子叶片(108)的吸力侧(124)上。
3.根据权利要求2所述的转子叶片(108)，其中所述漩涡发生器构成为成对设置的、垂直于所述吸力侧(124)设置的鳍。
4.根据权利要求3所述的转子叶片(108)，其中所述漩涡发生器具有作为沿所述转子叶片(108)的纵向方向(L)的位置的函数的几何形状。
5.根据上述权利要求中任一项所述的转子叶片(108)，其中所述涡流元件(140)的起点邻接于所述根部段(114)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的转子叶片(108)，其中当所述涡流元件(140)的端部沿纵向方向(L)与所述分离部位(130)相比更靠近所述根部段(114)时，所述外部长度(L外)获得负号，
其中所述外部长度(L外)和所述总长度(L总)的比为负数。
7.根据上述权利要求中任一项所述的转子叶片(108)，其中所述外部段(134)具有另一分离部位(130)。
8.一种转子(106)，具有至少一个根据上述权利要求中任一项所述的转子叶片(108)，其中所述转子(106)的直径为至少170m。
9.一种风能设备(100)，具有根据权利要求8所述的转子(106)。
10.一种风电场，具有多个根据权利要求9所述的风能设备(100)。
11.一种用于优化风能设备(100)的方法，其中所述风能设备(100)具有空气动力学的转子(106)，所述转子具有至少一个转子叶片(108)，其中所述转子叶片(108)在分离部位(130)处分为内叶片部段(132)和外叶片部段(134)，其中所述内叶片部段(132)从根部段(114)伸展至所述分离部位(130)，所述根部段用于将所述转子叶片(108)安装在所述风能设备(100)的转子毂处，并且所述外叶片部段(134)从所述分离部位(130)伸展直至转子叶片尖部(116)，
其中从所述根部段至所述转子叶片尖部(116)限定所述转子叶片(108)的纵向方向(L)，
其中所述方法包括如下步骤：
提供和安装至少一个涡流元件(140)，所述涡流元件具有沿所述转子叶片(108)的纵向方向(L)的延伸(L总)，其中在所述涡流元件(140)的朝向所述根部段(114)的起点和朝向所述转子叶片尖部(116)的端部之间沿纵向方向(L)的间距称作为总长度(L总)，并且其中在所述分离部位(130)和所述涡流元件(140)的外端部之间的间距称作为外部长度(L外)，
其中提供和安装所述涡流元件(140)，使得所述外部长度(L外)和所述总长度(L总)的比小于0.25，优选小于0.2并且特别优选小于0.15。
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