CN114320733A - 风能设施的转子叶片、风能设施和设计转子叶片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于风能设施(100)的转子叶片(108)，转子叶片以从叶片连接部至叶尖的翼型曲线延伸，其中翼型曲线包含至少一个翼型，所述翼型包括：背风面和迎风面；大于25％的相对翼型厚度；翼弦，所述翼弦在翼型的前缘和后缘之间延伸并且具有限定翼型深度的长度；等分线，所述等分线至少部分地在翼弦下方伸展；在背风面上从后缘开始延伸的凸状区域和在迎风面上从后缘开始延伸的凸状区域，其中迎风面上的凸状区域限定迎风面至后缘的倒圆的过渡区域。

Description

风能设施的转子叶片、风能设施和设计转子叶片的方法
技术领域
本发明涉及一种用于风能设施的转子叶片，一种用于风能设施的转子以及一种用于设计转子叶片的方法。
背景技术
风能设施具有带有至少一个、两个或更多个转子叶片、优选三个转子叶片的转子并且构成为，从风动能中产生机械旋转能并且从其中产生电能。这种风能设施是普遍已知的并且通常包括在其上设置有转子的吊舱和塔，吊舱连同转子围绕基本上竖直定向的轴线可转动地设置在所述塔上。
风能设施通常构成为所谓的水平轴线风能设施，所述水平轴线风能设施包括具有基本上水平的轴线的转子，其转子叶片在基本上垂直于风的平面中转动。这种水平轴线风能设施利用升力的空气动力学原理将风动能转换成机械旋转能。在此，转子叶片的翼型构成背风面和迎风面，使得在翼型由运动的空气环流时在背风面上相对于迎风面产生负压。在迎风面和背风面之间的从中得出的压差引起空气动力学升力。升力在此例如与转子叶片的迎角相关。
已知的转子叶片具有下述缺点，紧贴的空气流动尤其在背风面上中断并且形成具有分离的流动的所谓的“死水区”。尤其在迎角较大的情况下，流动不再能够平滑地紧贴在转子叶片的翼型处而中断。死水区减小转子叶片的升力并且使转子叶片减速，其方式为：其阻力提高。由此，转子的效率和从而风能设施的产额降低。
为了改进转子叶片的空气动力学特性并且为了提高效率，已知不同的解决方案。例如已知的是，使用尤其在内部区域中具有平坦的后缘的转子叶片，所谓的平脊翼型。为了生产这种具有压力测和背风面锐利的、平坦的后缘的厚翼型，通常需要附加的泡沫衬垫。因此，生产在构造上是非常耗费的并且与提高的成本、尤其与附加的材料成本、高的人员成本和制造成本相关联。
这种转子叶片的缺点尤其如下，在高的风速下经常出现不期望的振动。转子叶片的已知的动态不稳定性为颤动，组合的弯曲和扭转振动。当转子叶片激励成振荡运动时，会出现颤动，即尤其气动力、弹性力和重力的相互激励。这种状态尤其是危险的，因为振动会加和，其方式为：从环流中接收越来越多的能量，由此例如转子叶片可能被损坏。风能设施的在高于其时出现转子叶片趋于颤动的风险的转子转速因此通常应足够远地处于常见的运行极限之外。尤其在转子叶片未来变得更大和同时更轻时，转子叶片颤动的风险在低风速下也升高。
出于所述原因，通过平脊翼型可实现的优点仅在具有相对小的转子直径的风能设施中在大的额定功率下、即在3MW额定功率和大于500W/m2的转子容量的情况下或在3MW的额定功率和374W/m2的转子容量的情况下或在4.2MW额定功率和337W/m2的转子容量的情况下可以经济地利用。
然而为了节约成本，将风能设施越来越多地尤其设计成，使得所述风能设施具有小于300W/m2的转子容量。由此，通常在发电机成本降低和设施负载降低的情况下可以实现更多的全负载运行时间。然而，所述设计尤其引起，在风速较小时，在内部的转子叶片区域中产生的功率在外部区域中已经必须部分被再次放弃，以便可以降低发电机处的扭矩。在转子电流管中可提供的风功率尤其在所述运行状态下可以比可经由发电机输出的功率明显更高。例如已知的是，通过转子叶片的桨距调节放弃过剩的功率。由此，然而尤其在叶尖处可能出现流动分离，所述流动分离又会引起转子叶片的不期望的振动和尤其颤动。
为了避免在上文中提到的不利的运行状态，风能设施尤其在相对小的风速下、尤其从15m/s或20m/s或25m/s的风速起已经关断。然而，通过所述较早使用的风暴调节出现明显的产额损失。
在航空领域中例如已知的是，借助于尤其在叶根和叶片中部处的升力降低或明显的阻力升高来减少或防止在上文中提到的通过功率降低造成的缺点。对此已知的措施例如是减速板、拱曲板、扰流器和分裂式襟翼。然而缺点是工程复杂性和与此关联的维护耗费。由于所述缺点在风能设施中使用这种措施是不经济的。
现有的用于提高效率和/或用于避免不期望的振动和颤动运动的设备提供不同的优点，然而进一步的改进方案是值得期望的。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种用于风能设施的转子叶片、一种风能设施和/或一种用于设计转子叶片的方法，其减少或消除上述缺点中的一个或多个。本发明的目的尤其是，提供一种解决方案，所述解决方案进一步地提升对于高的设施经济性的风能设施的转子叶片的效率并且同时防止转子叶片的颤动运动。尤其地，目的是降低生产转子叶片的耗费和复杂性以及生产成本。
根据第一方面，所述目的通过一种用于风能设施的转子叶片来实现，所述转子叶片沿纵向方向以从叶片连接部至叶尖的翼型曲线延伸，其中翼型曲线包含至少一个翼型，所述翼型包括：背风面和迎风面；大于25％的相对翼型厚度；翼弦，所述翼弦在翼型的前缘和后缘之间延伸并且具有限定翼型深度的长度；等分线，所述等分线至少部分地在翼弦下方伸展；在背风面上从后缘开始延伸的凸状区域和在迎风面上从后缘开始延伸的凸状区域，其中迎风面上的凸状区域限定迎风面至后缘的倒圆的过渡区域。
本发明基于如下知识，在高风速下转子叶片的不期望的振动和尤其颤动尤其归因于转子叶尖处的大的负的迎角，如果在非常高的风速下、尤其在风速高于达到额定功率的风速的情况下、优选在大于15m/s的风速下在内部的转子叶片区域中产生的功率在外部区域中必须降低或甚至至少部分地再次放弃，以便可以降低发电机处的扭矩，那么出现所述负的迎角。在转子电流管中可供使用的风功率因此优选地在所述运行状态中比可以经由发电机输出的功率明显更大。过剩的功率尤其可以通过转子叶片的桨距调节降低或放弃并且在高的风速下引起在叶尖处的流动分离。所述流动分离可以激励转子叶片的不期望的振动和尤其颤动。
发明人已经发现，在至平坦的后缘的过渡部处的、尤其在迎风面的出流棱边处的平脊翼型倒圆部在小的半径下已经可以引起升力的明显降低。例如，迎风面的倒圆的过渡区域处的为在具有大约45％的相对翼型厚度的翼型处的翼弦的长度的大致5％的半径可以引起升力降低30％至80％。
在此处描述的解决方案中，提供一种具有至少一个翼型的转子叶片，其在背风面上和在迎风面上都具有从后缘开始的凸状区域。
通过迎风面至后缘的倒圆的过渡区域，局部产生的功率在高的风速下因升力势能的损失会降低。尤其通过降低由叶根产生的功率，可以在较高的迎角下在外部部段处产生更多功率。
本解决方案的另一优点在于，通过过渡区域的限定的倒圆可以根据需要调整升力系数。尤其地，转子叶片的几何形状可以沿着转子叶片长度根据需要不同地构成。在此有利的是，各个翼型的几何形状可以根据年平均风速调整。此外有利的是，通过提出的解决方案整体上可以提高风能设施的效率和从而尤其也提高年产额。
此外，这种翼型和/或转子叶片的生产耗费以及生产成本可以明显降低。尤其地，翼型在型壳或模具分离移置到背风面的后缘上时可以比已知的平脊翼型明显更简单地脱模。此外，在生产这种翼型和/或转子叶片时可以节约材料和从而降低材料成本。由此，尤其也可以降低转子叶片的总质量。
转子叶片尤其在纵向方向上沿着转子叶片长度的方向以及沿着转子叶片深度和转子叶片厚度的方向延伸。沿转子叶片长度的方向，转子叶片在叶片连接部和叶尖之间延伸。转子叶片深度尤其基本上正交于转子叶片长度定向并且在前缘和后缘之间延伸。在运行中，转子叶片深度基本上平行于转子叶片的迎流方向定向。尤其地，转子叶片沿转子叶片厚度的方向基本上正交于转子叶片长度和转子叶片深度的方向延伸。转子叶片深度和转子叶片厚度尤其在沿着转子叶片长度的基本上任意位置处限定空气动力学翼型。
优选地，后缘可以具有背风面的出流棱边、也称为背风面的后缘，和具有迎风面的出流棱边、也称为迎风面的后缘。背风面的出流棱边和迎风面的出流棱边在此尤其可以彼此间隔开，所谓的平脊翼型，即具有平坦的后缘的翼型。在该情况下尤其地，转子叶片在其后部端部处、即在后缘处可以具有特定的后缘高度和从而基本上不渐缩。作为后缘于是为了确定翼型深度尤其可以使用在背风面的出流棱边和迎风面的出流棱边之间的位置，优选中点。替选地，优选地翼型可以具有闭合的后缘。在闭合的后缘的情况下，翼弦优选地从前缘朝向在其上翼型会聚、称作为后缘的点伸展。优选地，迎风面的、倒圆的过渡区域可以伸展直至背风面的出流棱边并且尤其描述迎风面的凸状的出流部。前缘优选地可以是翼型前端的点，所述翼型前端与后缘最远地间隔开。
转子叶片的背风面尤其可以对应于转子叶片的如下面，所述面在风能设施的运行中产生升力并从而在空气环流时驱动固定有转子叶片的转子的转动。迎风面尤其可以与背风面相对置。
尤其地，转子叶片的翼型曲线可以具有多个翼型，也称为翼型部段，其限定转子叶片的外部轮廓。转子叶片通常包括多个不同的翼型。翼型应在转子叶片的不同的半径位置处能够实现基本上动力学优化的流动曲线。
将也称作为翼型中线、拱曲线或弯曲线的等分线尤其可以理解成内接于翼型中的圆中点的连接线。优选地，等分线可以限定成如下线，所述线垂直于翼型或翼弦的X坐标包括在背风面和迎风面之间的中点。
优选地，将相对翼型厚度可以理解成翼型垂直于翼型弦关于翼型弦长的最大厚度。优选地，可以设有至少为45％的相对翼型厚度。
只要当前参照关于翼弦的方向说明，如例如下方或上方，那么“下方”尤其涉及在翼弦和迎风面之间的区域中的位置，和/或“上方”尤其涉及在翼弦和背风面之间的区域中的位置。
转子叶片、尤其具有迎风面至后缘的倒圆的过渡区域的翼型尤其可以在如下情况下使用，即当使用具有尤其大于25％的大的相对翼型厚度的翼型部段并且要求或至少期望调整升力系数时。
特别有利地并且以经济的方式和方法，所述翼型可以在风能设施的转子叶片的毂部段和/或中间部段中使用。然而所述翼型的使用不限于在风能设施的转子叶片的毂部段和/或中间部段中的使用。
转子叶片尤其可以包括邻接于叶片连接部的内部部段和邻接于叶尖的外部部段。尤其优选地，翼型可以设置在内部部段中。优选地，外部部段可以在相对转子叶片长度的80％和100％之间延伸。优选地，内部部段可以在相对转子叶片长度的0％和80％之间延伸。内部部段优选地可以包括毂部段和中间部段，其中毂部段邻接于叶片连接部并且中间部段邻接于毂部段和外部部段，所述外部部段尤其也能够称作为尖部部段，其中优选地，在中间部段和/或毂部段中至少部分地设有所述翼型。尤其优选地，毂部段可以在相对转子叶片长度的0％和30％之间延伸并且中间部段可以在相对叶片长度的30％和80％之间延伸。
优选地，倒圆的过渡区域可以具有半径。所述半径优选地可以具有任意大小。尤其地，倒圆的过渡区域可以具有不同的半径。特别优选地，一个半径或多个半径或多个半径中的至少一个半径可以具有翼型弦长的至少5％。
尤其优选地，背风面的出流棱边可以构成为半径等于零或近似等于零的尖锐的出流棱边。
优选地，背风面上的凸状区域和/或迎风面上的凸状区域从后缘开始朝向前缘的方向可以以为翼弦的长度的最大1％、优选为翼弦的长度的最大5％至最大30％、优选直至长度的最大40％的延伸而延伸。
一个特别优选的实施方式的特征在于，在倒圆的过渡区域处设置有用于空气动力学流动影响的装置，其中优选地，所述装置构成为格尼襟翼或分裂式襟翼。
替选地，例如装置可以构成为空气出口。通过在空气出口处流出的空气，尤其可以实现空气动力学的流动影响。
发明人已经发现，通过过渡区域的倒圆部造成的升力损失通过在所述过渡区域处的用于空气动力学流动影响的装置减少或完全补偿。此外，尤其通过所述装置与常规的平脊翼型相比不明显地影响阻力。
该优选的实施方式的优点尤其如下，翼型关于升力功率改变并且转子叶片可根据需要、尤其根据年平均风速设计。
该设计方案的另一优点尤其是，能够降低具有高的升力势能的转子叶片的生产耗费。此外，尤其不需要复杂的生产技术，如例如使用泡沫衬垫或单独制造的模具元件。
转子叶片的一个优选的改进方案的特征在于，所述装置相对于局部期望迎流方向以大于90°的角度、尤其相对于局部期望迎流方向以大于100°的角度设置在倒圆的过渡区域处。
根据所述优选的改进方案，所述装置、优选格尼襟翼或分裂式襟翼尤其可以从迎风面的表面开始相对于局部期望迎流方向以大于90°的角度、尤其相对于局部期望迎流方向以大于100°的角度延伸。
替选地，例如空气出口可以在迎风面的表面上设置成，使得在局部期望迎流方向和出流的空气的方向之间存在大于90°、尤其大于100°的角度。
通过所述设计方案，可以确保转子叶片的成本优化的生产。此外有利的是，所述装置能够实现调整高度伸展，以便实现在转子叶片处的所在地特定的升力分配。通过所述所在地特定的转子叶片调整例如可能提高年产额，或者减轻确定的所在地特定的负载情况，并从而能够实现特定的风能设施在本来由于过高的负荷而被排除的所在地处的运行。
局部迎流方向尤其可以通过由风速和转子叶尖的速度的合成矢量表示。因此，尤其在转子转速保持不变和转子叶片的迎角保持不变的情况下风速改变时出现局部迎流方向和从而在迎流方向和翼弦之间的迎流角的改变。由此，尤其可以引起作用于转子叶片的升力的改变和从而最终引起转子的效率的改变。尤其在桨距被调节的风能设施中，通过转子叶片的转动和从中得出的迎角的改变可以设定局部期望迎流方向和/或大致保持恒定。
尤其优选的是，所述装置具有在翼弦的0.1％和40％之间的长度，其中优选地，翼型的相对翼型厚度最大为30％，并且装置的长度为翼型深度的最大10％或者大于30％，并且装置的长度为翼型深度的最大40％。
尤其地，长度从迎风面的表面开始延伸直至装置的外部轮廓棱边。长度和尤其外部轮廓棱边例如可以在空气出口处也通过流出的空气限定。
优选地，在装置的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的间距可以为在背风面和迎风面之间形成的最大翼型厚度的至少0.1％至40％。
尤其优选地，距叶根具有第一间距的第一翼型的装置的长度可以比距叶根具有第二间距的第二翼型的装置的长度更大，其中第二间距大于第一间距。
尤其优选地，翼型的装置在内部部段、尤其毂部段中的长度可以为在背风面和迎风面之间形成的最大翼型厚度的10％和40％之间。优选地，翼型的装置在中部部段和/或外部部段中的长度可以在0.1％和5％之间。
优选地，倒圆的过渡区域的一个半径或多个半径可以为装置的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的间距的0％和100％之间。
尤其优选地，在装置的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的假想的连接线优选地基本上正交于期望迎流方向定向。发明人已经认识到，所述假想的连接线尤其可以对应于已知的平脊翼型的钝的后缘。
优选地，在装置的后部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的假想的连接线可以基本上大于90°、尤其在90°和120°之间相对于期望迎流方向倾斜地定向。在此，装置尤其可以超出已知的平脊翼型的轮廓。从中尤其可以在迎风面上得出更高的阻力和更高的力矩系数以及升力提高和有效作用面的增大。总体上，由此尤其可以实现总阻力的减小和/或升力的优化。
这种翼型尤其可以在翼型曲线中在至圆柱体的过渡部处在叶根处构成，因为尤其在此力求尽可能高的升力系数。通过所述附加可达到的升力，转子叶片优选地可以在具有大的迎角的运行状态中附加地稳定，以便避免流动分离。如果还未达到额定功率但由于叶尖速度的限制已经必须离开优化的端速比，则这种大的迎角尤其可以在上部部分负载范围中出现。
转子叶片的另一优选的改进方案的特征在于，装置可以从第一位置朝向第二位置的方向运动，在所述第一位置中，在装置的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的间距为在背风面和迎风面之间形成的最大翼型厚度的至少10％，所述第二位置描述升力减小的配置，在所述配置中，在装置的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的间距减小。
由此，能够实现升力功率的强的和尤其根据需要的改变。优选地，通过精确地设定所述装置的可能性可以实现产额提升。此外，例如可以避免临界运行状态和负载最小化。
所述装置优选地可以围绕内部轮廓棱边枢转，所述内部轮廓棱边设置在迎风面上。
尤其优选地，所述装置可以移入和移出，其中优选地，移入的位置描述第二位置，其中优选地，所述装置在第二位置中相对于与迎风面的表面叠合的平面向内凹进。尤其地，所述装置在第一位置中可以相对于所述平面向外伸出。
特别优选的是，所述装置有源可控地构成用于升力控制。尤其地，所述装置可以包括执行器，所述执行器可以由控制单元操控，以便将装置从第一位置移动到第二位置中以及从第二位置移动到第一位置中和/或移动到在第一位置和第二位置之间的任意其他位置中。
由此，所述装置尤其可以根据需要有针对性地且精确地设定，以便实现产额增加并且在风暴的情况下避免临界运行状态和负载最小化。
所述优选的实施方式的优点尤其如下，该翼型在其升力功率方面可以根据需要大幅改变。通过所述设计方案可以优选在高的风速下有针对性地减小本地地尤其由转子叶根和叶片中间区域产生的功率，以便可以尤其在转子叶尖处避免大的负迎角。由此，风能设施的风暴关断可以朝向较大的风速移动并从而实现产额提高，尤其在所在地风强的情况下。
通过有源可控的装置，尤其可以使在翼型处的局部升力系数在大的范围中匹配于风能设施的相应的运行状态。因此，对于每个运行状态可以实现优化的感应系数分配，所述感应系数分配尤其明显地提高功率。
例如，装置可以作为格尼襟翼、尤其作为折页、弹性襟翼或具有执行器的线性元件或作为可充气的轮廓并且有源可控地构成。
在转子叶片的另一优选的实施变型形式中提出，等分线在如下区域中在翼弦下方伸展和/或具有数学正曲率，在所述区域中，等分线由在迎风面上从后缘开始延伸的凸状区域和在背风面上从后缘开始延伸的凸状区域限定。
尤其地，迎风面上的凸状区域可以比背风面上的凸状区域具有更强的凸性。
优选地，等分线在端部区域中可以陡峭地朝向背风面的方向伸展。尤其地，在端部区域中的切线的斜率可以比在端部区域之前的切线的斜率更陡峭。优选地，端部区域可以从后缘朝向前缘以小于后缘区域的50％、尤其小于后缘区域的30％、尤其小于后缘区域的10％的延伸而延伸。
尤其优选地，等分线可以在后缘的区域中具有S形。
等分线优选地可以尤其在从后缘开始朝向前缘的方向的具有在翼弦的长度的20％和0％之间、尤其在翼弦的长度的10％和0％之间的延伸的区域中具有数学正曲率。
特别优选的是，等分线在如下区域中具有处于翼弦下方的后部局部最小值，在所述区域中，等分线由在迎风面上从后缘开始延伸的凸状区域和在背风面上从后缘开始延伸的凸状区域限定，和/或其中等分线在如下区域中具有处于翼弦下方的前部局部最小值，在所述区域中，等分线由在迎风面上从前缘开始延伸的凸状区域和在背风面上从前缘开始延伸的凸状区域限定。
只要在本文中参照涉及一个最小值或多个最小值的方向说明，如例如后部局部最小值和/或前部局部最小值，那么这尤其涉及相对于翼型的位置，其中尤其地，前缘应理解成翼型的前部端部并且后缘应理解成翼型的后部端部。因此，尤其前部局部最小值可以比后部局部最小值更进一步地朝向前缘的方向。
优选地，在背风面上的凸状区域和/或在迎风面上的凸状区域可以从前缘开始朝向后缘的方向以在翼弦的长度的0％和60％之间的延伸而延伸。
特别优选的是，等分线具有前部局部最小值和后部局部最小值，其中迎风面在从前缘开始延伸的凸状区域和从后缘开始延伸的凸状区域之间的区域中具有凹状区域，其中优选地，后部局部最小值或前部局部最小值是绝对最小值。
根据一个特别优选的改进方案提出，整个等分线在翼弦下方伸展。因此，等分线优选地可以在翼弦和迎风面之间的区域中伸展。
此外优选的是，后缘是闭合的后缘或平坦的后缘，其中平坦的后缘的高度小于在背风面和迎风面之间形成的最大翼型厚度的40％、优选地小于20％、优选地小于10％，和/或可能大致为在装置的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的间距的50％。
在转子叶片的另一优选的改进方案中提出，翼型具有厚度缩进部，所述厚度缩进部限定沿翼弦的方向的最大翼型厚度距前缘的间距和翼弦的长度构成的比值，其中所述比值优选为小于40％。
根据另一方面，开始提到的目的通过具有至少一个转子叶片的风能设施来实现，如下所述。
根据另一方面，开始提到的目的通过一种用于设计转子叶片的方法来实现，所述转子叶片沿纵向方向以从叶片连接部至叶尖的翼型曲线延伸，所述方法具有如下步骤：为翼型曲线选择至少一个翼型，所述翼型包括：背风面和迎风面；大于25％的相对翼型厚度；翼弦，所述翼弦在翼型的前缘和后缘之间延伸并且具有限定翼型深度的长度；等分线，所述等分线至少部分地在翼弦下方伸展；在背风面上从后缘开始延伸的凸状区域和在迎风面上从后缘开始延伸的凸状区域，其中迎风面上的凸状区域限定迎风面至后缘的倒圆的过渡区域；优选地，通过在倒圆的过渡区域处设置用于空气动力学的流动影响的装置，调整翼型的高度伸展，其中选择至少一个翼型和/或调整高度伸展至少部分地基于应实现的年能量产额的计算和/或应预期的所在地特定的负载情况的确定。
一个特别优选的实施方式提出，将翼型的高度伸展调整成，使得在装置的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的间距为在背风面和迎风面之间形成的最大翼型厚度的至少10％，优选地所述方法还包括如下步骤：通过借助如下方式将装置定向使局部升力系数尤其匹配于风能设施的运行状态：即装置从第一位置朝向第二位置的方向运动，在所述第一位置中，在装置的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的间距为在背风面和迎风面之间形成的最大翼型厚度的至少10％，所述第二位置描述升力减小的配置，在所述配置中，在装置的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的间距减小，和/或装置从第二位置朝向第一位置的方向运动，所述第二位置描述升力减小的配置，在所述配置中，在装置的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的间距小于在背风面和迎风面之间形成的最大翼型厚度的10％，在所述第一位置中，在装置的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的间距为在背风面和迎风面之间形成的最大翼型厚度的至少10％。
对于其他方面的其他优点、实施变型形式和实施细节以及其可能的改进方案也参照对相应的特征和改进方案的已经进行的描述。
附图说明
优选的实施例示例性地根据附图描述。附图示出：
图1示出风能设施的示例性的实施方式的示意三维视图；
图2A示出具有迎风面至后缘的倒圆的过渡区域的翼型的视图；
图2B示出具有迎风面至后缘的倒圆的过渡区域的翼型的视图；
图3A示出具有迎风面至后缘的倒圆的过渡区域的翼型的视图；
图3B示出具有迎风面至后缘的倒圆的过渡区域的翼型的视图；
图4A示出具有迎风面至后缘的倒圆的过渡区域的翼型的视图；
图4B示出具有迎风面至后缘的倒圆的过渡区域的翼型的视图；
图5示出具有迎风面至后缘的倒圆的过渡区域和用于空气动力学影响的装置的翼型的视图；
图6示出具有迎风面至后缘的倒圆的过渡区域和用于空气动力学影响的装置的翼型的视图；
图7示出具有迎风面至后缘的倒圆的过渡区域和用于空气动力学影响的装置的翼型的视图；和
图8示出图形，在所述图形中示出不同翼型的升力系数。
在图中，相同的或基本上功能相同的元件设有相同的附图标记。一般性的描述通常涉及全部实施方式，只要没有明确地说明区别。
具体实施方式
本发明根据实例参照附图的阐述基本上示意性地进行并且在相应的附图中阐述的元件在其中可以为了更好的图解说明而夸大地示出，而其他元件简化。因此，例如图1示意性地图解说明这种风能设施，使得翼型曲线的各个翼型的设计方案不可见。
图1示出风能设施100的示意三维视图。风能设施100具有塔102和在塔102上的吊舱104。在吊舱104上设有具有三个转子叶片108和整流罩110的空气动力学转子106。转子叶片中的至少一个转子叶片具有带有至少一个翼型的翼型曲线，所述翼型分别具有在背风面和迎风面上从后缘开始延伸的凸状区域(在图1中不可见)，如例如在图2至7中示出的那样。空气动力学转子106在风能设施100的运行中通过风置于转动运动和从而也使发电机的电动力学转子或旋转体转动，所述电动力学转子或旋转体直接地或间接地与空气动力学转子106耦联。发电机设置在吊舱104中并且产生电能。
在图1中示出的转子叶片108中的至少一个转子叶片尤其沿纵向方向112以从叶片连接部114至叶尖116的翼型曲线延伸。翼型曲线在此尤其包括至少一个翼型(在图1中未示出)，如在下文中描述的那样。
图2A至4B分别示出不同实施变型形式中的具有背风面201和与背风面201相对置的迎风面202的翼型200。翼型200优选地具有大于25％的相对翼型厚度，即尤其翼型垂直于翼弦203关于翼型弦长的最大厚度。翼型弦长在此限定成从前缘204开始延伸至后缘205的翼弦203的长度。从后缘205开始，凸状区域206不仅在背风面201上延伸，而且凸状区域207在迎风面上延伸。
如图2A至4B所示，迎风面202和/或背风面201尤其可以具有其他的凸状区域和/或凹状区域。例如，迎风面202从前缘204开始可以具有第一凸状区域217、邻接于第一凸状区域204的凹状区域227和邻接于凹状区域227的第二凸状区域207。迎风面202的这种伸展例如在图2A至3B中示出。尤其地，迎风面202和/或背风面201总体上可以凸状地构成。
在图2A中示出具有闭合的后缘205的翼型200，其中翼弦203优选地从前缘204朝向翼型在其上会聚的称作为后缘205的点伸展。图2B相反地示出具有迎风面的出流棱边225和与其间隔开的背风面的出流棱边215的后缘。作为用于确定翼型深度的后缘205使用在背风面的出流棱边215和迎风面的出流棱边225之间的中点。在图2A和2B中示出的翼型200分别具有等分线230，所述等分线在翼弦203下方伸展。
等分线230在如下区域中具有后部局部最小值231，在所述区域中，所述等分线由在迎风面202上从后缘205开始延伸的凸状区域207和在背风面201上从后缘205开始延伸的凸状区域206限定。后部局部最小值231处于翼弦203下方。此外，等分线230在如下区域中具有前部局部最小值232，在所述区域中，等分线230从在迎风面202上从前缘204开始延伸的凸状区域217和在背风面201上从前缘204开始延伸的凸状区域216限定。在图2A和2B中示出的实施变型形式中，前部局部最小值232处于翼弦203下方。前部局部最小值232在此处示出的实例中是绝对最小值。
迎风面202在凸状区域207和凸状区域217之间的区域中具有凹状区域227。
在图3A中示出具有闭合的后缘205的翼型200，其中翼弦203优选地从前缘204朝向在其上翼型会聚的、称作为后缘205的点伸展。图3B相反地示出具有迎风面的出流棱边225和与其间隔开的背风面的出流棱边215的后缘。作为用于确定翼型深度的后缘205使用在背风面的出流棱边215和迎风面的出流棱边225之间的中点。在图3A和3B中示出的翼型200分别具有等分线240，所述等分线在翼弦203下方伸展。
等分线240在如下区域中具有后部局部最小值241，在所述区域中，所述等分线由在迎风面202上从后缘205开始延伸的凸状区域207和在背风面201上从后缘205开始延伸的凸状区域206限定。后部局部最小值241处于翼弦203下方。此外，等分线240在如下区域中具有前部局部最小值242，在所述区域中，等分线240从在迎风面202上从前缘204开始延伸的凸状区域217和在背风面201上从前缘204开始延伸的凸状区域216限定。在图3A和3B中示出的实施变型形式中，前部局部最小值242处于翼弦203下方。
迎风面202在凸状区域216和凸状区域217之间的区域中具有凹状区域227。前部局部最小值242在这里示出的实例中是绝对最小值。在这里示出的实例中，等分线240至少部分地在翼弦203上方伸展。等分线240与翼弦203在后部局部最小值241和前部局部最小值242之间在第一交点243中和在第二交点244中相交。等分线240在此在第一交点243和第二交点244之间在翼弦203上方伸展。
在图4A中示出具有闭合的后缘205的翼型200，其中翼弦203优选地从前缘204朝向翼型会聚在其上的、称作为后缘205的点伸展。图4B相反地示出具有迎风面的出流棱边225和与其间隔开的背风面的出流棱边215的后缘。作为用于确定翼型深度的后缘205使用在背风面的出流棱边215和迎风面的出流棱边225之间的中点。
在图4A和4B中示出的翼型200分别具有等分线250，所述等分线在翼弦203下方伸展并且具有数学正曲率。正曲率通过基本上凸状的迎风面202和基本上凸状的背风面201限定。等分线250在此具有唯一的最小值251，其位于翼弦203下方。
在图5和6中示出具有背风面301和与背风面301相对置的迎风面302的翼型300。翼型300优选地具有大于25％的相对翼型厚度。翼弦303从前缘304开始延伸至后缘305。从后缘305开始，凸状区域306在背风面301上延伸并且凸状区域307在背风面上延伸。凸状区域307限定倒圆的过渡区域，在所述倒圆的过渡区域处设置有用于空气动力学流动影响的装置360。在此处示出的实施变型形式中，示例性地示意地示出作为装置360的格尼襟翼。
翼型300具有后缘，所述后缘具有迎风面的出流棱边325和与其间隔开的背风面的出流棱边315。作为用于确定翼型深度的后缘305使用在背风面的出流棱边315和迎风面的出流棱边325之间的中点。在图5和6中示出的翼型300分别具有等分线330，所述等分线部分地在翼弦303下方伸展。等分线330在如下区域中具有最小值331，在所述区域中所述等分线由在迎风面302上从后缘305开始延伸的凸状区域307和在背风面301上从后缘305开始延伸的凸状区域306限定。最小值331处于翼弦303下方。此外，等分线330在如下区域中具有最大值308，在所述区域中，等分线330由在迎风面302上从前缘304开始延伸的凸状区域317和在背风面301上从前缘304开始延伸的凸状区域316限定，所述最大值位于翼弦303上方。
在图5中示出处于第一位置中的装置360，在所述第一位置中，装置360的外部轮廓棱边361与迎风面的出流棱边325和从而也与背风面的出流棱边315间隔开。所述间距尤其可以为在背风面301和迎风面302之间形成的最大翼型厚度的至少10％。在图6中示出处于第二位置中的装置360，所述装置描述升力减小的配置，在所述配置中，在装置360的外部轮廓棱边361和迎风面的出流棱边325和从而背风面的出流棱边315之间的间距减小。
尤其优选地，装置360可以从第一位置运动到第二位置中。优选地，装置360可以在此构成为有源可控，以用于升力控制。
图5和6示出，装置360构成为，调整翼型300的高度伸展。通过处于在图5中示出的第一位置中的装置360，外部轮廓棱边361可以用作为迎风面的出流棱边。由此，翼型的高度伸展可以大致对应于具有相应的翼弦371的平脊翼型370的高度伸展。限定所述翼弦371的后缘在此与迎风面的出流棱边325重叠。所述后缘是在装置360的外部轮廓棱边361和背风面的出流棱边315之间的中点。
在图7中也示出具有背风面301和与背风面301相对置的迎风面302的翼型300。翼型300优选地具有大于25％的相对翼型厚度。翼弦303从前缘304开始延伸至闭合的后缘305。从后缘305开始，凸状区域306在背风面301上延伸并且凸状区域307在迎风面上延伸。
翼型具有等分线330，所述等分线部分地在翼弦303下方伸展。等分线330在如下区域中具有最小值331，在所述区域中所述等分线由在迎风面302上从后缘305开始延伸的凸状区域307和在背风面301上从后缘305开始延伸的凸状区域306限定。最小值331处于翼弦303下方。此外，等分线330在如下区域中具有最大值308，在所述区域中，等分线330由在迎风面302上从前缘304开始延伸的凸状区域317和在背风面301上从前缘304开始延伸的凸状区域316限定，所述最大值位于翼弦303上方。
凸状区域307限定倒圆的过渡区域，在所述倒圆的过渡区域处设置有用于空气动力学流动影响的装置380。在此处示出的实施变型形式中，示例性示意地示出作为装置380的格尼襟翼。装置380尤其可以固定地安装或是有源可控的，以便调整翼型300的高度伸展并且用作为迎风面的出流棱边。
与在图5中示出的装置360相比，装置380具有更大的长度。尤其地，过渡区域的倒圆部的半径越大，则装置360的长度可以越大。由此，翼型300的高度伸展可以优化地调整，以便大致对应于具有对应的翼弦391的平脊翼型390的高度伸展。
在图8中示出图表，所述图表示出与迎角α相关的不同翼型的升力系数CL。在图8中可见三个图形401、402、403，其中图形401示出具有在迎风面至后缘的倒圆的过渡区域、具有用于空气动力学流动影响的装置的翼型的升力系数，图形402示出平脊翼型的升力系数，并且图形403示出具有在迎风面至后缘的倒圆的过渡区域、不具有用于空气动力学流动影响的装置的翼型的升力系数。
在图形402和403的比较中可看到，在迎风面至后缘的倒圆的过渡区域在迎角相同的情况下引起升力势能的明显损耗。将用于空气动力学流动影响的装置安置在倒圆的过渡区域处，如在上文中描述的那样，引起优化的升力系数，所述升力系数与平脊翼型的升力系数相似。所述比较通过图形401和402示出。
具有这种翼型的转子叶片和具有这种转子叶片的风能设施具有不同的优点。尤其地，通过上述实施例可以根据需要调整升力系数。此外有利的是，通过提出的解决方案总体上可以提高风能设施的效率和从而尤其提高年产额。此外，生产的耗费和成本都可以降低并且同时节约重量。
附图标记列表：
100 风能设施
102 塔
104 吊舱
106 转子
108 转子叶片
110 整流罩
112 纵向方向
114 叶片连接部
116 叶尖
200 翼型
201 背风面
202 迎风面
203 翼弦
204 前缘
205 后缘
206 凸状区域
207 凸状区域
215 背风面的出流棱边
216 凸状区域
217 凸状区域
225 迎风面的出流棱边
227 凹状区域
230 等分线
231 局部最小值
232 局部最大值
240 等分线
241 局部最小值
242 局部最小值
243 第一交点
244 第二交点
250 等分线
251 最小值
300 翼型
301 背风面
302 迎风面
303 翼弦
304 前缘
305 后缘
306 凸状区域
307 凸状区域
315 背风面的出流棱边
325 迎风面的出流棱边
330 等分线
331 最小值
308 最大值
360 装置
361 外部轮廓棱边
370 平脊翼型的高度伸展
371 翼弦
380 装置
390 平脊翼型的高度伸展
391 翼弦
401 图表
402 图表
403 图表

Claims (15)

1.一种用于风能设施(100)的转子叶片(108)，所述转子叶片沿纵向方向(112)以从叶片连接部(114)至叶尖(116)的翼型曲线延伸，
其中所述翼型曲线包含至少一个翼型(200，300)，所述翼型包括：
-背风面(201，301)和迎风面(202，302)；
-大于25％的相对翼型厚度；
-翼弦(203，303)，所述翼弦在所述翼型(200，300)的前缘(204，304)和后缘(205，305)之间延伸并且具有限定翼型深度的长度；
-等分线(230，240，250，330)，所述等分线至少部分地在所述翼弦(203，303)下方伸展；
-在所述背风面(201，301)上从所述后缘(205，305)开始延伸的凸状区域(206，306)，和
-在所述迎风面(202，302)上从后缘(205，305)开始延伸的凸状区域(207，307)，
其中所述迎风面(202，302)上的凸状区域(207，307)限定所述迎风面(202，302)至所述后缘(205，305)的倒圆的过渡区域。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(108)，
其中在所述倒圆的过渡区域处设置有用于空气动力学的流动影响的装置(360，380)，
其中优选地，所述装置(360，380)构成为格尼襟翼或分裂式襟翼。
3.根据上述权利要求2所述的转子叶片(108)，
其中所述装置(360，380)相对于局部期望迎流方向以大于90°的角度、尤其相对于局部期望迎流方向以大于100°的角度设置在所述倒圆的过渡区域处。
4.根据上述权利要求2或3中至少一项所述的转子叶片(108)，
其中所述装置(360，380)具有在所述翼型深度的0.1％和40％之间的长度，
其中优选地，所述翼型(200，300)的相对翼型厚度
-为所述翼型深度的最大30％并且所述装置(360，380)的长度为所述翼型深度的最大10％，或者
-大于所述翼型深度的30％并且所述装置(360，380)的长度为所述翼型深度的最大40％。
5.根据上述权利要求4所述的转子叶片(108)，
其中所述装置(360，380)能够从第一位置朝向第二位置的方向运动，在所述第一位置中，在所述装置(360，380)的外部轮廓棱边(361)和背风面的出流棱边之间的间距为在所述背风面(201，301)和所述迎风面(202，302)之间形成的最大翼型厚度的至少10％，所述第二位置描述升力减小的配置，在所述配置中，在所述装置(360，380)的外部轮廓棱边(361)和所述背风面的出流棱边(315)之间的间距减小。
6.根据上述权利要求2至5中至少一项所述的转子叶片(108)，
其中所述装置(360，380)构成为有源可控，以用于升力控制。
7.根据上述权利要求中至少一项所述的转子叶片(108)，其中所述等分线(230，240，250，330)在如下区域中在所述翼弦(203，303)下方伸展和/或具有数学正曲率，在所述区域中，所述等分线(230，240，250，330)由在所述迎风面(202，302)上从所述后缘(205，305)开始延伸的凸状区域(207，307)和在所述背风面(201，301)上从所述后缘(205，305)开始延伸的凸状区域(206，306)限定。
8.根据上述权利要求中至少一项所述的转子叶片(108)，
其中所述等分线(230，240，250，330)在如下区域中具有位于所述翼弦(203，303)下方的后部局部最小值(231，241)，在所述区域中，所述等分线(230，240，250，330)由在所述迎风面(202，302)上从所述后缘(205，305)开始延伸的凸状区域(207，307)和在所述背风面(201，301)上从所述后缘(205，305)开始延伸的凸状区域(206，306)限定，和/或
其中所述等分线(230，240，250)在如下区域中具有位于所述翼弦(203，303)下方的前部局部最小值(232，242，251)，在所述区域中，所述等分线(230，240，250)由在所述迎风面(202)上从所述前缘(204)开始延伸的凸状区域(207)和在所述背风面(201，301)上从所述前缘(204，304)开始延伸的凸状区域(206)限定。
9.根据上述权利要求8所述的转子叶片(108)，包括所述前部局部最小值(232，242)和所述后部局部最小值(231，241)，
其中所述压力测(202，302)在如下区域中具有凹状区域(227)，所述区域在从所述前缘(204，304)开始延伸的凸状区域(217)和从所述后缘(205，305)开始延伸的凸状区域(207)之间延伸，
其中优选地，所述后部局部最小值(231，241)或所述前部局部最小值(232，242)是绝对最小值。
10.根据上述权利要求中至少一项所述的转子叶片(108)，
其中整个等分线(230，240，250，330)在所述翼弦(203，303)下方伸展。
11.根据上述权利要求中至少一项所述的转子叶片(108)，其中所述后缘(205，305)
-是闭合的后缘(205，305)，或者
-是平坦的后缘(205，305)，其中所述平坦的后缘(205，305)的高度
○小于在所述背风面(201，301)和所述迎风面(202，302)之间形成的最大翼型厚度的40％，优选小于20％，优选小于10％，和/或
○可选地为在所述装置(360，380)的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的间距的大约50％。
12.根据上述权利要求中任一项所述的转子叶片(108)，
其中所述翼型(200，300)具有厚度缩进部，所述厚度缩进部限定在朝向所述翼弦(203，303)的方向上最大翼型厚度距所述前缘(204，304)的间距与所述翼弦(203，303)的长度的比值，其中所述比值优选小于40％。
13.一种风能设施(100)，所述风能设施具有根据上述权利要求1至12中至少一项所述的转子叶片(108)。
14.一种用于设计转子叶片(108)的方法，所述转子叶片沿纵向方向(112)以从叶片连接部(114)至叶尖(116)的翼型曲线延伸，所述方法具有如下步骤：
-为所述翼型曲线选择至少一个翼型(200，300)，所述翼型包括：
○背风面(201，301)和迎风面(202，302)；
○大于25％的相对翼型厚度；
○翼弦(203，303)，所述翼弦在所述翼型(200，300)的前缘(204，304)和后缘(205，305)之间延伸并且具有限定翼型深度的长度；
○等分线(230，240，250，330)，所述等分线至少部分地在所述翼弦(203，303)下方伸展；
○在所述背风面(201，301)上从所述后缘(205，305)开始延伸的凸状区域，和
○在所述迎风面(202，302)上从所述后缘(205，305)开始延伸的凸状区域，
其中所述迎风面(202，302)上的凸状区域限定所述迎风面(202，302)至所述后缘(205，305)的倒圆的过渡区域，
-优选地，通过在所述倒圆的过渡区域处设置用于空气动力学的流动影响的装置(360，380)，调整翼型(200，300)的高度伸展，
其中至少部分地基于要实现的年能量产额的计算和/或对预期的所在地特定的负载情况的确定来选择所述至少一个翼型(200，300)和/或调整所述高度伸展。
15.根据上述权利要求14所述的方法，
其中将所述翼型(200，300)的所述高度伸展调整成，使得在所述装置(360，380)的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的间距为在所述背风面(201，301)和所述迎风面(202，302)之间形成的最大翼型厚度的至少10％，
优选地所述方法还包括如下步骤：
-通过借助
○所述装置(360，380)从第一位置朝向第二位置的方向运动，在所述第一位置中，在所述装置(360，380)的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的间距为在所述背风面(201，301)和所述迎风面(202，302)之间形成的最大翼型厚度的至少10％，所述第二位置描述升力减小的配置，在所述配置中，在所述装置(360，380)的外部轮廓棱边和所述背风面的出流棱边之间的间距减小，和/或
○所述装置(360，380)从第二位置朝向第一位置的方向运动，所述第二位置描述升力减小的配置，在所述配置中，在所述装置(360，380)的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的间距小于在所述背风面(201，301)和所述迎风面(202，302)之间形成的最大翼型厚度的10％，在所述第一位置中，在所述装置(360，380)的外部轮廓棱边和背风面的出流棱边之间的间距为在所述背风面(201，301)和所述迎风面(202，302)之间形成的最大翼型厚度的至少10％，
将所述装置(360，380)定向来调整局部升力系数，尤其使局部升力系数匹配于风能设施(100)的运行状态。
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