CN117052589A - 风能设施转子叶片和风能设施 - Google Patents

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CN117052589A CN202310532186.4A CN202310532186A CN117052589A CN 117052589 A CN117052589 A CN 117052589A CN 202310532186 A CN202310532186 A CN 202310532186A CN 117052589 A CN117052589 A CN 117052589A
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Abstract

本发明涉及一种风能设施转子叶片(200)，风能设施转子叶片具有：长度(201)；转子叶片根部(210)；转子叶片尖端(220)；压力侧(250)；吸力侧(260)；前缘(230)；后缘(240)；转子叶片深度(270)；转子叶片厚度(280)和用于加热的空气的空气引导装置(400)，空气引导装置用于将加热的空气沿着转子叶片(200)的纵向方向(L)从转子叶片根部(210)朝向转子叶片尖端(220)的方向引导。此外，所述风能设施转子叶片(200)具有转向部段(500)，所述转向部段设置在所述转子叶片尖端(202)的区域中并且具有以下横截面面积，所述横截面面积至少分部段地朝向所述转子叶片尖端(220)至少是恒定的或者至少分部段地朝向所述转子叶片尖端(220)增大。

Description

风能设施转子叶片和风能设施
技术领域
本发明涉及一种风能设施转子叶片和风能设施。
背景技术
因为风能设施的转子叶片不受保护地暴露于所有气候条件下，在特定的温度下可能会引起转子叶片的结冰。为了防止这种情况，能够使用转子叶片加热装置。在这种情况下，能够在转子叶片的外部设有加热装置，或者也能够在转子叶片内部提供加热的空气。这例如能够借助于产生暖空气的放热器来实现，所述暖空气然后被吹入转子叶片的内部中。
WO 2017/021350 A1示出一种风能设施转子叶片，所述风能设施转子叶片具有转子叶片根部区域和转子叶片尖端区域以及转子叶片加热装置。此外，沿着转子叶片的纵向轴线设有至少一个腹板。在腹板上能够设有呈腹板水滴形件的形式的转向单元，以便能够减少在转向时的空气涡流。
WO 2018/211055示出一种具有转子叶片加热装置的风能设施转子叶片。所述转子叶片具有腹板和在转子叶片尖端的区域中的转向单元，以用于使加热的空气转向。
发明内容
本发明的目的是，提供一种风能设施转子叶片，所述风能设施转子叶片能够实现改进的转子叶片加热。
所述目的通过根据本发明的风轮设施转子叶片来实现。
因此提供一种风能设施转子叶片，所述风能设施转子叶片具有转子叶片根部、转子叶片尖端、压力侧、吸力侧、前缘和后缘。转子叶片具有纵向方向。借助于转子叶片加热装置产生暖空气，然后所述暖空气被吹入转子叶片的内部中。可选地，在压力侧和吸力侧之间沿着转子叶片的纵向方向设有至少一个腹板。由转子叶片加热装置加热的空气能够沿着腹板吹向转子叶片尖端，在该处所述加热的空气被转向，使得加热的空气能够在腹板的另一侧上从转子叶片尖端的区域向回流动至转子叶片根部区域。
在转子叶片尖端的区域中设有横截面面积的增大部，所述增大部能够设置在转向区域中，以使加热的空气转向。替选于此，在朝向转子叶片尖端的方向的转向部段的区域中的横截面面积能够至少分部段地保持恒定。
根据本发明，横截面或横截面面积代表能够用于空气流的有效的(内部)横截面。
根据本发明的一个方面，在转子叶片尖端的区域中设有转向部段，所述转向部段的内部的横截面面积(所述横截面面积形成用于空气流的自由面)比在相邻的部段中(朝向转子叶片根部的方向以及朝向转子叶片尖端的方向)更大。这是有利的，因为借此能够减少伴随空气流转向的压力损失。
这种具有增大的横截面(尤其是增大的内部横截面)的转向部段能够通过增大叶片深度、翼型厚度以及其组合来实现。
根据另一方面能够实现所述转向部段，其方式在于，沿转子叶片的纵向方向和朝向转子叶片尖端的方向设有具有恒定的叶片深度伸展的部段。与此相反，在现有技术中，叶片深度朝向转子叶片尖端的方向连续地减小。因此，根据本发明的一个方面能够设有以下部段，在所述部段处叶片深度朝向转子叶片尖端的方向不连续地减小。此外能够设有以下部段，在所述部段处转子叶片深度朝向转子叶片尖端的方向至少分部段地至少保持恒定或增大。
替选地或者附加地，转子叶片厚度能够朝向转子叶片尖端的方向不连续地减小，就像在根据现有技术的通常的转子叶片中那样。相反能够存在以下转向部段，在所述转向部段处转子叶片厚度不作为转子叶片的长度的函数减小，而是至少部分地增加。替选于此，转子叶片的翼型厚度能够沿着转子叶片的长度至少分部段地是恒定的。
根据本发明的一个方面，混合式解决方案同样是可行的，其中叶片深度和叶片厚度朝向转子叶片尖端的方向至少分部段地保持恒定。
根据本发明的另一方面，转子叶片深度和/或转子叶片厚度能够朝向转子叶片尖端的方向至少分部段地增大。
借助转子叶片(例如通过增大在转子叶片尖端的区域中的可用的流动横截面)，在用于加热转子叶片的空气流中的压力损失能够显著减少。此外，在这种情况下，(尤其在转向区域中)能够减小空气流的流速。此外，能够将壁摩擦损失(尤其在转向区域中)最小化。这能够引起：提高叶片加热装置的有效功率，而在此不必提高叶片加热装置的电功率。
根据本发明的一个方面，在转子叶片尖端的区域中的流动横截面的增大能够引起：尤其用于空气引导元件的结构和安装空间增大，所述空气引导元件尤其用于使空气流在转子叶片尖端的区域中转向。所述空气引导元件能够用于：在转子叶片尖端的区域中实现阻力优化的180°的流动转向。因此，由转子叶片加热装置沿着腹板朝向转子叶片尖端的方向引导的空气能够以阻力优化的方式朝向转子叶片根部流回。因此，转子叶片加热装置的热传输也能够在外部的转子叶片区域中(即在转子叶片尖端的区域中)得以改进。
根据本发明的一个方面，在转子叶片根部和转子叶片尖端之间设有至少一个具有增大的横截面的部段。
根据本发明的一个方面，具有增大的横截面的部段具有直至转子叶片长度的10％的长度。
根据本发明的一个方面，转子叶片尖端的区域是转子叶片的具有转子叶片长度的10％至30％的长度的外部区域。
根据本发明的一个方面，转向部段的长度对应于直至转子叶片长度的30％或直至转子直径的15％。
本发明的其它设计方案是从属权利要求的主题。
附图说明
下面参考附图详细阐述本发明的优点和实施例。
图1示出根据本发明的风能设施的示意图；
图2示出图1中的风能设施的转子叶片的示意性的分部段视图；
图3A示出根据现有技术的转子叶片尖端的示意图；
图3B示出根据本发明的一个方面的转子叶片尖端的示意图；
图3C示出根据本发明的另一方面的转子叶片尖端的示意图；
图4A示出根据现有技术的转子叶片尖端的示意图；
图4B示出根据本发明的一个方面的转子叶片尖端的示意图；
图4C示出根据本发明的另一方面的转子叶片尖端的示意图；
图5A示出根据本发明的一个方面的转子叶片尖端的示意图；
图5B示出根据本发明的另一方面的转子叶片尖端的示意图；
图6A示出根据现有技术的转子叶片的深度伸展的示意图；
图6B示出根据本发明的一个方面的转子叶片的深度伸展的示意图；
图7A示出根据现有技术的转子叶片尖端的翼型厚度的示意图；以及
图7B示出根据本发明的一个方面的转子叶片尖端的翼型厚度的伸展的示意图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的风能设施的示意图。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200和整流罩110的空气动力学转子106。空气动力学转子106在风能设施运行时通过风置于转动运动中，进而也使发电机的转子或旋转件置于转动运动中，所述转子或旋转件与空气动力学转子106直接或间接地耦联。发电机设置在吊舱中并且产生电能。转子叶片200的浆距角能够通过在相应的转子叶片200的转子叶片根部210上的变浆马达来改变。
图2示出图1中的风能设施的转子叶片的示意性的分部段的视图。转子叶片200具有长度201、转子叶片根部210、转子叶片尖端220、前缘230、后缘240、压力侧250和吸力侧260。在转子叶片200内设有空气引导装置400，所述空气引导装置例如能够构造为腹板410。在转子叶片根部210的区域中能够设有转子叶片加热装置300。转子叶片加热装置300能够具有通风器和加热单元并且产生能够被引导到转子叶片200的内部中的暖空气。
沿着转子叶片200的纵向方向L，至少一个腹板410、411、412在转子叶片内部延伸，所述腹板是空气引导装置400的一部分或者出于其它原因已经存在，并且空气引导装置400仅是次级功能。可选地能够设有多于一个的腹板。
通过转子叶片加热装置300加热的空气能够沿着作为空气引导装置400的一部分的腹板411朝向转子叶片尖端220的方向被引导，并且然后在转子叶片尖端220的区域中转向。因此，在转子叶片尖端220的区域中存在转向部段202。可选地，转子叶片尖端220能够至少部分地空心地构造，使得加热的空气中的一部分能够穿过转子叶片尖端流动，以便也对转子叶片尖端220进行除冰。
加热的空气能够借助于转子叶片加热装置300要么在转子叶片根部区域中产生，其方式为：借助于加热单元加热空气，要么加热的空气在转子叶片根部的区域中被输送给转子叶片200。
图3A示出根据现有技术的转子叶片尖端的示意图，而图3B示出根据本发明的一个方面的转子叶片尖端的示意图。图3C示出根据本发明的另一方面的转子叶片尖端的示意图。
在图3A中示出根据现有技术的转子叶片，所述转子叶片的转子叶片深度270随着转子叶片的长度201的增大朝向转子叶片尖端220连续地减小。
在图3B中示出在转子叶片尖端的区域中的叶片深度伸展。与根据图3A(转子叶片深度随着转子叶片长度的增大而连续地减小)中的现有技术的连续地减小的转子叶片深度相反，根据图3B的转子叶片深度270至少分部段地具有在转子叶片200的长度201增大时恒定的转子叶片深度的值。因此，根据图3B的实施例的转向部段500实现为具有在转子叶片的长度增大时恒定的转子叶片深度的部段。在转向部段500中能够设有空气引导元件202。
根据图3C，在转子叶片尖端220的区域中同样设有转向部段500。在转子叶片尖端220处的转子叶片深度减小之前，该转向部段500具有随着长度201的增大而更大的转子叶片深度270。因此，在部位201c的叶片深度270可比在较小的长度201的情况下的叶片深度更大。
根据上述实施例，设有具有变化的转子叶片深度的转向部段500会引起：产生空气动力学影响。在转子叶片尖端的区域中的这种空气动力学影响(在转子的流管中的高感应)例如能够通过具有低驱动力的转子叶片翼型来补偿。替选地或者附加于此，也能够调整转子叶片的扭曲度。在这种情况下，尤其是叶片部分能够朝向较小的迎角方向扭转，使得仅产生低的升力，进而产生低的感应(Induktion)。
图4A示出根据现有技术的转子叶片尖端的示意图。沿着转子叶片的长度201，转子叶片的横截面发生变化。在图4A中示出在长度201d、201e和201f处的三个不同的横截面。在这种情况下，转子叶片深度270和转子叶片厚度发生变化。随着转子叶片200的长度201的增大，转子叶片深度和转子叶片厚度减小。
图4B示出根据本发明的一个方面的转子叶片尖端的示意图。与在图4A中示出的转子叶片伸展相反，转子叶片厚度280在长度201e处比在靠近转子叶片尖端220设置的长度201f处更小。因此，转子叶片厚度280在靠近转子叶片尖端220的区域中比在更远离转子叶片尖端的区域中更大。因此，在长度201e处存在以下转子叶片部段，所述转子叶片部段小于在长度201d和长度201f处的转子叶片部段。因此，在长度201f的区域中设有部段500(转向部段)，所述部段比在更远离转子叶片尖端220设置的长度处具有更大的横截面。
因此，在转子叶片尖端的区域中的相对的翼型厚度的伸展在长度201e处具有局部最小值。然后，相对翼型厚度朝向叶片尖端的方向再次增大(在长度201f处)。根据本发明的一个方面，相对翼型厚度能够具有最小值，而绝对翼型厚度保持恒定，或者甚至严格单调递减。但是也能够是绝对和相对翼型厚度都具有最小值的情况。但是，在任何情况下，相对翼型厚度具有最小值。
图4C示出根据本发明的另一方面的转子叶片尖端的示意图。在图3C中示出转子叶片尖端以及在位置201d、201e和201f处的三个横截面。根据本发明的一个方面，在位置201e和201f之间设有部段500(转向部段)，所述部段具有基本上恒定的相对翼型厚度280。换言之，在长度201f处的横截面的转子叶片厚度280基本上对应于在长度201e处的转子叶片厚度280。根据本发明的一个方面，转子叶片厚度能够通过以下方式保持为较大的：相对翼型厚度不向外进一步减小。但是，这非强制性地表示：转子叶片厚度保持恒定。所述转子叶片厚度也能够向外减小。其减小的程度比在具有向外恒定地减小的相对翼型厚度的设计的情况下仅更小。
可选地，转子叶片的转子叶片深度不发生变化，意即转子叶片深度不偏离基本形状。
图5A示出根据本发明的一个方面的转子叶片尖端的示意图。沿着转子叶片的长度201在转子叶片尖端220的区域中，转子叶片深度270在长度201a的区域中能比在长度201f处(更靠近转子叶片尖端220)更小。在图5A中尤其示出混合式解决方案。在这种情况下，转子叶片200能够具有恒定的、相对高的叶片厚度280和朝向尖端220增大的叶片深度270。可选地，绝对叶片厚度能够向外增大。因此，例如，在位置201e处的叶片厚度280能够对应于在位置201f处的叶片厚度280。此外，转子叶片深度270在长度201f处能比在可更远离转子叶片尖端的长度201e处更大。
因此，能够在长度201f的区域中设有具有增大的有效横截面(即内部横截面)的转向部段500。
图5B示出根据本发明的一个方面的转子叶片的示意图。在图5B中示出关于转向部段500的设计方案的另一混合式解决方案。翼型厚度朝向转子叶片尖端的方向例如从长度201e至长度201f增大，而转子叶片深度270同样增大。换言之，转子叶片厚度和转子叶片深度都朝向转子叶片尖端的方向增大。因此，在转子叶片200的长度201f的区域中设有转向部段500。
图6A示出根据现有技术的转子叶片的叶片深度伸展的示意图。图6B示出根据本发明的一个方面的相应的视图。在图6B中的转子叶片200中，在长度201g处设有部段500，所述部段分部段地具有更大的叶片深度270。通过较大的叶片深度270能够增大转子叶片200的横截面。替选于此，叶片厚度280能够分部段地增大。根据另一方面，叶片厚度280和叶片深度270都能够在部段500中增大。
图7A示出根据现有技术的转子叶片的翼型厚度的示意图，并且图7B示出根据本发明的一个方面的翼型厚度伸展的示意图。在图7B中，翼型厚度280在长度201e处增大，使得能够设有局部增厚部，以便能够实现部段500，其中部段500具有更大的流动相关的横截面。
根据本发明的另一方面，同样能够在转子叶片根部和转子叶片尖端之间的转子叶片的区域中实现具有增大的流动横截面的另外的部段，以便能够在该区域插入空气引导元件。为了增大流动横截面，能够分部段地增大转子叶片深度和/或转子叶片翼型厚度。导流元件或流动控制元件能够是旁路、转向弧形件或导向板。
借助根据本发明的转子叶片能够实现在转子叶片的内部中基于热空气的转子叶片加热时对空气引导或空气流动进行优化。通过增大流动横截面能够避免在转子叶片内部中的压力损失。借助根据本发明的转子叶片，能够提升热空气叶片加热装置的效率。通过尤其在转子叶片顶端的区域中设有具有增大的流动横截面的部段，能够实现在转向区域中的流速以及减少壁摩擦。
转子叶片厚度280和翼型厚度290通常沿着转子叶片的长度201变化。通常情况下，转子叶片厚度280和翼型厚度290朝向转子叶片尖端220的区域减小。空气动力学和制造技术地引起所述变化。本发明提出：偏离空气动力学和/或制造技术地引起的转子叶片伸展，并且在转子叶片尖端的区域中设有至少一个部段，在所述部段中转子叶片厚度和/或翼型厚度不减小，而是至少分部段地至少保持恒定。实现转子叶片几何形状与通常的转子叶片几何形状的这种偏差，以便能够设有允许更大的可用的流动横截面的部段。在该部段中能够放置空气转向元件，以便能够在转子叶片尖端的区域中使加热的空气转向。
根据本发明的一个方面，对于在转子叶片内的空气流动，能够在转子叶片的部段中增大有效可用的流动横截面，尤其在转子叶片尖端的区域中增大，以便能够改进空气流动的转向。这尤其能够通过如下方式进行：通过增大流动横截面同样增大对于转向所需的空间。因此，用于相应的空气引导元件的可用体积同样会增大。借此能够实现可行的空气引导元件的较大的变型方案。
为了增大在转子叶片尖端的区域中的有效可用的流动横截面，能够增大转子叶片深度(翼型深度)或转子叶片厚度(翼型厚度)。此外，这两种措施的组合是可行的。
为了增大流动横截面，能够在转子叶片尖端的区域中增大转子叶片深度。这引起例如在转子叶片的翼型相同的情况下转子叶片深度的增大。可选地，与根据现有技术的转子叶片相比，能够增大转子叶片的绝对厚度。
为了增大流动横截面，能够在转子叶片尖端的区域中增大翼型厚度。在这种情况下，转子叶片深度(与在根据现有技术中的转子叶片一样)能够保持为较小的，而转子叶片的绝对厚度增大。
可选地，转子叶片深度和转子叶片翼型的相对厚度都能够增大，以便增大流动横截面。这尤其能够引起可用的流动横截面的显著增大。在此能够通过使用更厚的翼型和同时增大在转子叶片尖端的区域中的叶片深度来增大流动横截面。
在整个叶片尖端被修改的转子叶片中(例如参见图3A、3B和3C，图4A、4B和4C，图5A和5B)，可选地，转向部段能够具有直至转子叶片长度的30％或转子直径的15％的最大长度。所述转子叶片能够可选地具有分离部位。
在具有局部增厚或局部深度突变的变型方案中(图6B)，转向区域能够可选地具有最大为叶片长度的10％的长度延展部。
附图标记列表：
100风能设施
102塔
104吊舱
106转子
110整流罩
200转子叶片
201长度
201a长度
201b长度
201c长度
201d长度
201e长度
201f长度
201g长度
202转向部段
210转子叶片根部
220转子叶片尖端
230前缘
240后缘
250压力侧
260吸力侧
270转子叶片深度
280转子叶片厚度
290翼型厚度
300转子叶片加热装置
400空气引导装置
410腹板
411腹板
412腹板
500空气转向部段
L纵向方向

Claims (8)

1.一种风能设施转子叶片(200)，所述风能设施转子叶片具有：
长度(201)；
转子叶片根部(210)；
转子叶片尖端(220)；
压力侧(250)；
吸力侧(260)；
前缘(230)；
后缘(240)；
转子叶片深度(270)；
转子叶片厚度(280)；
用于加热的空气的空气引导装置(400)，所述空气引导装置用于将加热的空气沿着所述转子叶片(200)的纵向方向(L)从所述转子叶片根部(210)朝向所述转子叶片尖端(220)的方向引导；和
转向部段(500)，所述转向部段设置在所述转子叶片尖端(202)的区域中并且具有以下横截面面积，所述横截面面积至少分部段地朝向所述转子叶片尖端(220)至少是恒定的或者至少分部段地朝向所述转子叶片尖端(220)增大。
2.根据权利要求1所述的风能设施转子叶片(200)，其中所述空气引导装置(400)具有至少一个腹板(410)，所述腹板设置在所述压力侧(250)和所述吸力侧(260)之间并且沿着所述转子叶片(200)的纵向方向(L)延伸，其中在所述转子叶片尖端(220)的区域中设有转向单元(500)。
3.根据权利要求1或2所述的风能设施转子叶片(200)，其中在所述转向部段(500)的区域中，所述转子叶片厚度(280)和/或所述转子叶片深度(270)随着所述转子叶片(200)的长度(201)增大是恒定的或者增大。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的风能设施转子叶片(200)，其中所述风能设施转子叶片还具有至少一个部段(201a)，所述部段具有在所述转子叶片根部(210)和所述转子叶片尖端(220)之间的增大的横截面。
5.根据权利要求4所述的风能设施转子叶片(200)，其中具有增大的横截面的所述部段(201a)具有直至所述转子叶片(200)的长度的10％的长度。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的风能设施转子叶片(200)，其中所述转子叶片尖端(202)的区域设有所述转子叶片(200)的外部区域，所述外部区域的长度是所述转子叶片的长度10％至30％。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的风能设施转子叶片(200)，其中所述转向部段(500)的长度为直至所述转子叶片的长度的30％或直至所述转子直径的15％。
8.一种风能设施，所述风能设施具有至少一个根据权利要求1至7中任一项所述的风能设施转子叶片。
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