技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
风能设备
转子叶片，该风能设备转子叶片具有上侧、下侧、前缘、
后缘、毂紧固部和叶片尖部，其中，风能设备转子叶片分成毂区域、中间区域和叶片尖部区域并且根部区域由毂紧固部直至最大叶片深度限定，其中，在风能设备转子叶片的内部设置有径向向
外延伸的空气引导通道，用以将从抽吸区域抽吸的空气引导到设置在叶片尖部区域中的吹出区域并且进行
边界层抽吸，其中，空气的抽吸在风能设备转子叶片的上侧上进行，并且边界层
围栏在毂区域中靠近毂紧固部地设置，用以阻止朝毂紧固部方向的流动。
背景技术
[0002] 由
现有技术已知不同的风能设备转子叶片，其中，设置有关于空
气动力学轮廓以及关于通过边界层抽吸的
空气动力学影响的不同
修改方案，其中，优化风能设备转子叶片的目的总是改进风能设备的总功率。
[0003] 下面详细考察已知的现有技术：
[0004] 文献DE 10 2008 052 858 B9说明一种风能设备的转子叶片的轮廓，该风能设备包括上侧(吸入侧)和下侧(压出侧)，该下侧包括骨架线和在轮廓的前缘与后缘之间的弦，其中，相对的轮廓厚度大于49％，后缘构造成钝的，骨架线具有S形弯转(S-Schlag)并且在轮廓的轮廓深度的0％至60％之间的区段中在弦的下方延伸，并且轮廓的吸入侧和压出侧在后面的区域中分别具有凹形轮廓。
[0005] 文献EP 2 182 203 B1说明一种用于风能设备的转子叶片，该转子叶片包括原有的转子叶片和与此连接的叶片尖部延长部，其特征在于，叶片尖部延长部具有两个玻璃
纤维加强的半壳，这两个半壳相互粘接并且与原有的转子叶片的端部区域粘接。
[0006] 文献EP 2 292 926 A1公开一种风能设备的转子叶片，其中，优化的转子叶片的根部区域优化地构造在前缘和/或后缘上，从而获得转子主要区域的不断进步。
[0007] 在文献EP 2 527 642中说明一种风能设备的转子叶片，在该转子叶片中设置有大致径向向外延伸的空气引导通道，用以将抽吸的空气从设置在根部区域中的抽吸区域引导到吹出区域，其中，边界层影响、特别是边界层抽吸应仅在后缘的区域中进行。
[0008] 文献DE 10 2008 003 411 A1说明一系列用于
风力涡轮机叶片的叶片轮廓。每个叶片轮廓可以包含钝的后缘、基本上椭圆形的吸入侧和基本上S形的压出侧。
[0009] 此外，由文献WO 2007/035758 A1已知一种包括边界层抽吸系统的转子叶片并且其如下限定：设置有处于叶片的根部区域中的空气入口，叶片尖部区域中的空气出口和流动通道，该流动通道设置在叶片的内部中并且将空气入口以及空气出口相互连接。借助于通过旋转运动主导的
离心力优选在空气入口处抽吸空气并且将其运输到空气出口。在空气由于离心力运动通过流动通道期间，空气优选被压缩。边界层的抽吸在转子叶片的表面上进行，其中，抽吸基本上靠近后缘或更可能以无计划的方式进行。
[0010] 在文献DE 10 2012 111 195 A1中说明一种用于风力设备的转子叶片布置结构，其中，转子叶片布置结构具有：包括外表面的转子叶片，所述外表面限定压出侧、吸入侧、前缘和后缘，所述外表面分别基本上沿张紧方向在尖端和底部之间延伸；和包括第一嵌板和对置的第二嵌板的叶片扩大装置，其中，不仅第一嵌板、而且第二嵌板具有分别在近端和远端之间延伸的内表面和外表面，其中，不仅第一嵌板的远端、而且第二嵌板的远端在标准运行
位置中与转子叶片基本上沿弦方向间隔开。
[0011] 由文献CH 209 491已知一种螺旋桨，其中，进行独立的边界层影响。在螺旋桨的内部区域的表面上，通过狭缝设置一个或多个抽吸区域，所述抽吸区域通过至少一个径向向外引导的在螺旋桨内部延伸的空气引导通道与螺旋桨尖端处的吹出区域连接。通过旋转，抽吸的空气借助于离心力被动地运输到螺旋桨尖端并且在那里吹出。此外，对所输送的空气量的影响能通过调节
阀和节气
门实现。
[0012] 文献EP 1 760 310 A1公开一种风能设备的转子叶片，其中，转子叶片面在根部区域中明显扩大并且因此提高整个系统的功率。转子叶片轮廓在根部区域中构造成长的和渐收的，由此，构成根部区域中的窄的后缘。在这里，根部区域中的转子叶片的总面积相对于转子叶片的常规的根部区域提高很多倍。
[0013] 此外，由文献EP 2 204 577 A2已知一种转子叶片附装部件，该转子叶片附装部件可以在转子叶片的后缘上设置在根部区域的附近用于效率提高，从而设置有相应构造的转子叶片风能设备的功率能够较有效率地运行，其中，附装部件连同转子叶片能以大升程轮廓的型式构造。
[0014] 关于一般的现有技术，特别是也指出之前提及的文献中的关于风能设备转子叶片的
流体力学的就内容而言的实施方案。
[0015] 在风能设备转子叶片中的最大问题在于空气流的流动与风能设备转子叶片的上侧的适配。通过优化空气流，可以明显提高风能设备的效率。
[0016] 然而，在现有技术中已知的风能设备转子叶片不能实现效率的进一步提高，从而还存在用于进一步改进新的亦或特别是现有的风能设备的功率的操作需求。
发明内容
[0017] 本发明的任务在于，风能设备转子叶片在其功率方面这样改进，使得在风能设备转子叶片的上侧上的否则在现有技术中通常的并且可接受的层状的转变成紊流的流动明显或者甚至减少到将近零并且同时所述效率通过改变风能设备转子叶片几何形状来改进，其中，至少层状流动转变成紊流流动的转变点应尽可能远地朝后缘移动。
[0018] 该任务提高按照本发明所述的风能设备转子叶片得以解决。
[0019] 已认识到：风能设备转子叶片在多年的使用之后在其上侧上具有特定的和与转子叶片几何形状相关的污染区，这些污染区由环境影响引起，并且其中，这些污染区在某一区域中才开始。该区域被详细研究并且在这里被确定：经过现有技术中已知的风能设备转子叶片的流动在污染物的起点中具有经过上侧的表面的流动空气的流动中的转变。在污染物的该起点中，流动从层状转变成紊流，其中，形成使污物颗粒沉积在风能设备转子叶片的上侧上的
涡流。
[0020] 从该起始位置和认识出发，之前提及的任务通过风能设备转子叶片的以下特征得以解决，其中，同时可以减少的风能设备转子叶片的上侧的污染物：
[0021] 后缘在毂区域中并且至少在中间区域的连接于该毂区域的第一区段中构造成钝的、宽的和/或切面式的并且朝叶片尖部区域的方向渐收，其中，该后缘通过根部区域朝叶片尖部的方向继续引导。
[0022] 此外，抽吸区域设置在层状空气流从上侧以转子叶片几何形状特定的方式分离的区域中，从而层状空气流施加和继续引导到上侧的其他表面上，并且抽吸区域在毂区域中在边界层围栏处或附近开始延伸直至中间区域，其中，抽吸区域通过根部区域朝叶片尖部方向在中间区域中继续引导。
[0023] 通过该构造方案，边界层抽吸由此准确地在层状流动的分离点中进行。分离大约已经在风能设备转子叶片的中心中开始，但沿径向向外不同地延伸，其中，导流缘在从风能设备转子叶片长度的1/3至大约3/5的区域中显著接近后缘并且进入其中。
[0024] 在改装现有的转子叶片时，毂区域的改造通过相应的附装部件进行，其中，通过抽吸，层状流动引导或施加到新的附装件上并且刚好以这种方式和方法利用毂区域中的力，用以产生
能量。在毂区域中的叶片深度的大大延长已证实为不利的并且不导致希望的功率提高，从而恰恰不是带来效率提高和与此相关联的能量产生的面积扩大，而是施加层状流动差不多直至后缘或直至后缘。通过现世的特征组合，模拟非常大的面，而不必实际上构造该面，但是其中，同时实现具有直至每年能量产量的15％的功率的提高值的高能量获得。
[0025] 在这里，风能设备转子叶片的轮廓几何形状相应于与沃特曼轮廓(Wortmann Profil)不同的轮廓并且绝不相应于沃特曼轮廓或与沃特曼类似的轮廓，因为边界层抽吸例如借助在EP 1 760 310 A1中描述的轮廓几何形状出于技术原因不是有效率的和富有意义的。
[0026] 同样重要的是边界层围栏，通过该边界层围栏，形成界定的轮廓开始并且因此能实现叶片在
空气动力学上有利地连接于风能设备的毂上。特别是在将现有的风能设备转子叶片改装为按照本发明的风能设备转子叶片时，没有流动地过渡到原有的转子叶片几何形状，因为边界层围栏现在构成封闭部。
[0027] 要使用的风能设备转子叶片轮廓这样构造，使得构造成钝的、宽的和/或切面式的后缘区域通过最大转子叶片深度沿径向朝叶片尖部、即尖端的方向向外伸展，这导致效率明显提高。
[0028] 相反于EP 2 527 642 A1，抽吸在层状流动的分离点或者说转变点中进行并且不是仅仅在风能设备转子叶片的后缘上进行。具体而言，在分离点中的抽吸刚好是用于获得较高效率的决定性因素。同样地，预见了沃特曼轮廓或与沃特曼类似的轮廓结合于包括边界层抽吸的钝的轮廓。
[0029] 边界层抽吸的
定位总是根据层状流动的与转子叶片几何形状相关的分离边界进行，其中，这不仅对于现有的风能设备转子叶片的改装区域是必需的，而且对于风能设备转子叶片的新结构是必需的。
[0030] 相反于DE 10 2008 003 411 A1以及WO 2007/035758 A1，现世的轮廓构造这样构造，使得钝的、宽的和/或切面式的后缘通过具有最大叶片深度的点沿径向向外继续引导，以便获得显而易见的效率提高。
[0031] 认识到：层状空气流转变成紊流空气流的区域在转子叶片扭转时游动，从而为此与抽吸线、亦即沿径向进行抽吸的区域的适配可能是必需的。该现象与流入速度和叶片安装
角度相关。
[0032] 抽吸区域具有多个可打开和可闭合的抽吸部段，各抽吸部段根据由转子叶片在毂上的用以适配转子叶片与风的定位角的扭转引起地游动的转变点打开和/或闭合，在所述转变点中，层状空气流从上侧以转子叶片几何形状特定的方式分离，其中，构成可改变的抽吸线。
[0033] 通过该构造方案可能的是，实施抽吸的非常准确的
跟踪，并且因此，基于转子叶片扭转，如其在现代设备中通常的那样，抽吸线与转子叶片的定位角适配。由此，移位的转变点或转变点的线通过打开或关闭各个抽吸部段进行抽吸的跟踪。
[0034] 抽吸区域的自由激活可以根据定位角和风速进行。
[0035] 风能设备转子叶片的最大叶片深度设置在毂区域中或中间区域的第一区段中并且叶片深度从最大叶片深度直至边界层围栏减小。
[0036] 抽吸区域设置在从前缘起本地叶片深度的40％至从后缘起本地叶片深度的5％的表面区段中。
[0037] 在将径向设置的抽吸区域定位在风能设备转子叶片的上侧上时十分重要的方面在于，首先开始地在边界层围栏处，抽吸区域几乎设置在转子叶片的中心中，并且在最大叶片深度的区域之后才逐渐以转子叶片几何形状特定的方式引向到后缘上，其中，这根据层状流动转变成紊流流动的流转变点进行。
[0038] 不言而喻，可以设置具有不同大小尺寸的空气引导通道的不同的抽吸区域区，由此，其他的改进方案是可能的并且这最终由不同旋转速度范围引起地导致不同的抽吸体积。
[0039] 抽吸区域在毂区域中设置在从前缘起本地叶片深度的40％至从后缘起本地叶片深度的30％的表面区段中。
[0040] 所述一个或多个设置的或要设置的边界层围栏特别是沿半径延伸地设置。构造方案这样仍然也是可能的，使得由旋转引起的横向流动与旋转的转子叶片相关地优化地辅助支持，其中，边界层围栏于是不是跟随半径地定向，而是在移动程度上横向通过转子叶片引导。
[0041] 在现有技术中已知的转子叶片通过附装部件改装。
[0042] 转子叶片的叶片内体用作空气引导通道。不必需的是将特定的管敷设在转子叶片内部，以便将空气从毂侧运输到叶片尖部。足够的是，转子叶片的毂侧通过几乎不透气的、优选完全不透气的隔壁密封并且在叶片尖部的区域中设置排出区域。特别优选地，在叶片尖部中借助于包括整合的空气引导通道的附装件进行相应的适配，由此，通过空气引导通道的体积流量在叶片尖部中限制，优选同样可以在那里设置阀，所述阀调节抽吸并且由此调节被动的边界层影响。
[0043] 附装部件构造成分段的，其中，可以进行在风能设备上的直接装配。
[0044] 一个重要方面是对现有的设备的改装，其中，在分段的构造方案中，两个人可以在几天内完全改装一个设备，其中，所有重要的部件设置在分段的附装件中并且可以仅通过磨削现有的风能设备转子叶片紧接着分层。
[0045] 在现有技术中已知的转子叶片的叶片尖部通过不使转子叶片在其总长度方面延长的附装部件改装。
[0046] 备选地，在现有技术中已知的转子叶片的叶片尖部通过使转子叶片在其总长度方面延长0.5至7m的附装部件改装。在这里，特别是小翼可以附接亦或延长以及设有相应的吹出区域。
[0047] 分段的附装部件具有至少一个边界层围栏区段。在该构造方案中，所述部段可以
马上以最简单的方式相互接合，而不必同时非常准确地考虑定位。每个部段至少在一侧上具有边界层围栏或至少边界层围栏区段，使得各个部段是界定的空气动力学的面。
[0048] 在空气引导通道中设置有阀，用以控制边界层影响。
[0049] 用于控制包括现世要求的边界层抽吸的风能设备的功率的方法在无功率的范围、起动范围、工作范围和最大功率范围内具有如下特征：
[0050] -在无功率的范围和/或最大范围内不进行边界层抽吸，
[0051] -在起动范围内进行最大可用的边界层抽吸并且
[0052] -在工作范围内进行可变的边界层抽吸，在小功率时以最大边界层抽吸开始并且在大功率时以最小边界层抽吸结束。因此，风能设备效率的附加改进在低功率范围内以及在起动范围内获得，从而在风力较小时可以产生较多能量。仍然可以已经及早阻止过载，如果边界层抽吸往下移动到最小值的话。用于控制风能设备的方法通过以下方式进一步改善，即，在达到最大额定功率时解除边界层抽吸。最大额定功率的达到已经在风速较低时进行，使得可以及时停止使用边界层影响，因为否则由于过大的功率破坏或至少损坏风能设备的发
电机。
[0053] 设置有用于通过在空气引导通道的内部引导空气来主动地影响边界层的输送器件，从而空气能够不仅从抽吸区域运输到吹出区域、而且能够沿相反方向运输。
[0054] 抽吸区域和/或吹出区域的开口构造为孔和/或狭缝。
[0055] 所设想的整个改进方案特别是这样构造，使得该构造方案也设计为事后的附装部件。因此，总体上也要求附装部件，所述附装部件可以这样改进标准实施方案的转子叶片，使得转子叶片至少构造有独本发明的特征。为此，第一附装件这样构造根部区域中，使得在这里附加元件可安放到正常构造成圆形的根部区域上并且该附加元件具有钝的后缘，在该后缘上设置有抽吸区域。第二附装件设置用于叶片尖部的区域，使得在这里实现吹出区域。用于标准转子叶片的事后的改进方案的另一个部分是用于装入到转子叶片的内部空间中的空气引导通道。为了紧固附装部件，可以使用标准紧固方法，如
层压、
螺纹连接、粘接、
螺栓连接或类似方法，这些方法全部在转子叶片技术的范围内已知。
附图说明
[0056] 下面借助附图详细说明本发明的示例性
实施例。
[0057] 其中示出：
[0058] 图1示出以按照本发明改装的在现有技术中已知的风能设备转子叶片的实施例的示意图；
[0059] 图2示出作为新转子叶片的风能设备转子叶片的第二实施例的示意图；
[0060] 图3示出在现有技术中已知的风能设备转子叶片的示意性横截面，其中，示出流动和转变点；
[0061] 图4示出按照本发明的风能设备转子叶片的示意性横截面，其中，示出流动和转变点；
[0062] 图5以分段的结构方式在空间图中示出风能设备转子叶片的第三实施例的示意图；
[0063] 图6以分段的结构方式在上侧上的俯视图中示出风能设备转子叶片的由图5示出的第三实施例的示意图；
[0064] 图7示出在图1中示出的风能设备转子叶片的示意图，其包括在风能设备转子叶片的不同部位上的包括不同叶片深度的截面；
[0065] 图8a)至g)示出在图1中示出的风能设备转子叶片的横截面，其包括比例r/R＝…的说明，其中，示出与毂间隔开距离的在所述比例为a)0.03、b)0.05、c)0.1、d)0.2、e)0.25、f)0.3和g)0.4/0.5处的截面；
[0066] 图9示出在风能设备上的按照本发明的风能设备转子叶片的第一实施例的示意图；
[0067] 图10示出在风能设备上的按照本发明的风能设备转子叶片的第二实施例的示意图以及
[0068] 图11示出在风能设备上的按照本发明的风能设备转子叶片的第三实施例的示意图。
具体实施方式
[0069] 图1示出以按照本发明改装的在现有技术中已知的风能设备转子叶片1的实施例的示意图。
[0070] 风能设备转子叶片1包括叶片尖部12、上侧13、下侧14、后缘15、前缘16和毂紧固部17。
[0071] 包括其中设置有抽吸区域21的抽
吸附装件31以及包括延长的转子叶片尖和小翼29的吹出附装件32设置到现有的风能设备转子叶片1上。此外，示出设置在抽吸区域21上的空气引导通道23，该空气引导通道引导直至吹出区域22。
[0072] 风能设备转子叶片1分成毂区域111、中间区域112和叶片尖部区域113，它们为相应的风能设备转子叶片区段。
[0073] 在该图中，可良好地看到新构造的后缘15，该后缘通过安放的抽吸附装件31改造。现在，后缘15在新的边界层围栏28处开始直至过渡到旧的后缘15中的过渡点构造成钝的、宽的和/或切面式的。
[0074] 此外，可良好地看到抽吸区域21的布置结构，该抽吸区域不是像在现有技术中已知的那样设置在后缘15处、靠近后缘15设置在上侧13上或者非限定地设置在上侧13的不清楚的区域中，而是沿着转变点线设置，在该转变点线中，环流风能设备转子叶片1的空气的层状流动转变成紊流流动。
[0075] 仅通过该非常特定的构造方案能实现相对于在现有技术中已知的风能设备转子叶片的显著的效率提高。
[0076] 此外，对于相同元件使用与图1中相同的附图标记。对其原理上的功能参阅图1。
[0077] 图2示出作为新转子叶片的风能设备转子叶片1的第二实施例的示意图。
[0078] 示出抽吸区域21、吹出区域22以及空气引导通道23。
[0079] 图3示出在现有技术中已知的风能设备转子叶片1的示意性横截面，其中，示出流动和转变点X。
[0080] 在转变点X中，首先层状施加的空气流开始转变成紊流空气流，这导致效率变差并且此外导致风能设备转子叶片1的上侧13的污染物增加。
[0081] 在图4中示出按照本发明的风能设备转子叶片1的示意性横截面，其中，示出流动和转变点X。
[0082] 通过在抽吸区域21中设置的抽吸结合于风能设备转子叶片1的钝的、宽的和/或切面式的后缘15，在转变点X中还是层状的空气流施加到附加地附接的面状元件上，由此，整个风能设备W的能量产量提高大约15％。紊流流动很久之后才形成并且与钝的、宽的和/或切面式的后缘15相结合地导致风能设备W的能量产量功率的进一步提高。
[0083] 图5以分段的结构方式在空间图中示出风能设备转子叶片1的第三实施例的示意图。
[0084] 抽吸附装件31的六个部段安放到要改装的风能设备转子叶片1上。所述部段31中的每个单独的部段在沿前缘视向左边的侧上具有边界层围栏28或28‘。在例如在自由场地中组装的情况下，可以从空气动力学角度以及从装配角度实现这样良好的过渡。
[0085] 图6以分段的结构方式在上侧13上的俯视图中示出风能设备转子叶片1的由图5示出的第三实施例的示意图。
[0086] 在图7中示出在图1中示出的风能设备转子叶片的示意图，其包括在风能设备转子叶片1的不同部位上的具有不同叶片深度Smax、Sgr、Smb、Sx的截面。
[0087] 图8a)至g)示出在图1中示出的风能设备转子叶片的横截面，其包括比例r/R＝…的说明，其中，示出与毂间隔开距离的在所述比例为a)0.03、b)0.05、c)0.1、d)0.2、e)0.25、f)0.3和g)0.4/0.5处的截面。
[0088] 在这里，横截面的较大周长为新设计并且较小横截面为改装的风能设备转子叶片1的原有设计。
[0089] 在图9、10和11中示出在风能设备W上的按照本发明的风能设备转子叶片1的三个实施例的示意图。
[0090] 风能设备W包括安放在
基座上的风能设备塔T、安放在该风能设备塔T上的发电机壳体，在该发电机壳体上设置有毂，该毂包括三个设置在其上的风能设备转子叶片1。
[0091] 为了改装现有的风能设备W，可以从发电机壳体放下装配设备M或
工作台，或者备选地在风能设备塔T或风能设备转子叶片1上从下方向上移动，以便装配抽吸附装件31或构造成分段的附装件31‘或吹出附装件32以及未示出的空气引导通道23。
[0092] 附图标记列表
[0093] 1 风能设备转子叶片
[0094] 11 根部区域
[0095] 111 毂区域
[0096] 112 中间区域
[0097] 113 叶片尖部区域
[0098] 12 叶片尖部
[0099] 13 上侧
[0100] 14 下侧
[0101] 15 后缘
[0102] 16 前缘
[0103] 17 毂紧固部
[0104] 21 抽吸区域
[0105] 22 吹出区域
[0106] 23 空气引导通道
[0107] 28、28‘ 边界层围栏
[0108] 29 小翼
[0109] 31、31‘ 抽吸附装件
[0110] 32 吹出附装件
[0111] M 装配设备
[0112] Smax 最大叶片深度/凸肩深度
[0113] Sgr 在边界层围栏的区域中的叶片/凸肩深度
[0114] Smb 在中间区域的区域中的叶片/凸肩深度
[0115] Sx 在转子叶片的点中的本地叶片深度
[0116] T 风能设备塔
[0117] W 风能设备
[0118] X 层状地在紊流流动中的转变点
[0119] → 空气流
