风力涡轮叶片前缘的保护的制作方法

本公开涉及特别是用于风力涡轮叶片的构造成减少叶片侵蚀的前缘保护器。本公开进一步涉及包括这样的保护器的风力涡轮。

背景技术：

现代的风力涡轮通常用于将电供应到电网中。风力涡轮叶片典型地在叶片根部部分处直接地或通过延伸器(即，布置在叶片根部部分与毂之间的圆柱形元件，其用以增大转子扫掠区域的直径)附接到转子毂。在风对叶片的影响下，转子处于旋转状态。转子轴的旋转直接地(“直接驱动式”)或通过使用齿轮箱驱动发电机转子。发电机的运行产生将被供应到电网中的电。

风力涡轮叶片典型地设计成用于最优的空气动力学状况，以优化风力涡轮的性能，来用于最大程度地发电。然而，作为运行负荷的补充，风力涡轮叶片还经受许多种恶劣的环境状况，特别地包括诸如(但不限于)雨滴、灰尘颗粒、砂颗粒、昆虫、盐(尤其是在海上风力涡轮方面)和/或其它物质的磨蚀颗粒的状况。撞击在叶片表面上(特别是在前缘上)的这些磨蚀颗粒可对其造成不利影响，从而引起叶片表面(特别是其前缘)的磨损。已知利用所谓的前缘保护器来保护叶片的前缘。

已知风力涡轮的升力和阻力系数可作为叶片区段的攻角的函数而变化。大体上，升力系数(图4的参考标记21)在所谓的临界攻角23处增加到某一最大值。该临界攻角23有时也被称为失速角。阻力系数(参考标记22)可大体上非常小，且在接近于临界攻角23处开始以显著的方式增加。轮廓或叶片区段的空气动力学行为上的这种快速改变大体上与以下现象有关：围绕轮廓(或叶片区段)的空气动力流不能够沿着空气动力学轮廓前进，且该流与轮廓分离。分离引起湍流的尾流，这减小了轮廓的升力且显著地增大了阻力。

升力系数和阻力系数的准确曲线可根据所选择的空气动力学轮廓而显著地变化。然而，大体上，不管所选择的空气动力学轮廓如何，可发现使升力增大直到临界攻角的趋势以及还有在临界攻角之后阻力上的快速增大。

因此可理解的是，随着攻角增大，轮廓的升力系数增大，直到“失速”。如果攻角进一步增大，则升力系数减小，且拐点被称为失速角。在运行期间，每当叶片受到例如侵蚀时，轮廓的升力系数在达到“失速”状况之前开始“变平”。此外，可在较小的攻角处达到失速。这降低了风力涡轮的效率，因此造成功率产量的损失。

使用如上文描述的前缘保护器(lep)可在某种程度上延长叶片前缘的寿命。然而，在恶劣的环境状况下，前缘保护器也受到腐蚀，由此导致例如末端速度的切向速率上的限制(例如，限制于90m/s)，这涉及年能量产量(aep)的下降。为了减少lep的腐蚀，正在开发具有某一厚度的lep，以进一步延长它们的寿命。然而，具有某一厚度的lep的使用涉及当在使用中时在lep的指向叶片后缘区段的面向后的端部处的突然或急剧的阶跃。这些突然的阶跃可引起从层流到湍流的不受控制的过渡，即尽管对于翼弦的相当大的部分而言层流边界层将围绕不具有lep的叶片而布置，但具有厚lep的叶片(对于相同的风速和相同的攻角而言)可具有湍流边界层。这意味着边界层的空气流比不包括厚lep的叶片中的空气流更易于分离，由此降低了这些转子叶片的空气动力学效率。

为了从前缘保护器或壳体平滑地过渡到叶片表面中，文献ep3144525公开了在面向后的端部中的至少一个中具有逐渐减小的厚度的前缘壳体。在一些示例中，厚度逐渐减小的面向后的端部中的至少一个包括用于对前缘壳体下游的空气流的边界层进行再激励和/或使其稳定的机构。

文献us20110006165描述了一种薄膜或防侵蚀材料，其放置在翼型件上，以提供用于结合翼面边缘涡流发生器的介质。薄膜边缘定形成具有背离前缘朝向后缘的成规则序列的v形结构。

因此，仍需要构造成在避免或至少减少叶片侵蚀的同时提高风力涡轮效率的改进的lep。

技术实现要素：

根据第一方面，提供了一种用于风力涡轮叶片的前缘保护器。前缘保护器构造成至少部分地覆盖叶片前缘区段。前缘保护器包括主体，其具有基本上恒定的厚度且具有后端。前缘保护器进一步包括多个不规则部，其布置在主体的外表面上、在后端的上游且构造成激励边界层。

根据该方面，入射的空气流遇到不规则部(例如，凹部或突出部)，这些不规则部由于其几何结构而可激励围绕叶片的边界层(特别地，通过形成湍流)。该额外的能量在lep的具有恒定厚度的部分上增加，且出现在主体后端的上游。换句话说，出现在例如前缘保护器与叶片表面之间的接合处或密封部分或过渡部之前。在使用中，在lep覆盖叶片前缘区段的情况下，不规则部可通过部分地恢复末端涡流能量来减小叶片阻力，由此减少(或至少延迟)流分离，因此允许风力涡轮叶片增大升力且提高叶片效率。

换句话说，不规则部可在叶片的前缘保护器的表面上方形成局部的湍流空气流区域，以作为延迟流分离且因此优化围绕叶片轮廓的空气动力学空气流的机构。由于不规则部在空气流穿过lep端部(后端)之前激励边界层，故该流在其有效地越过lep后端(即其边缘、(与叶片外表面的)接合处或密封部分)时更易于恢复。由此还可降低噪声。

技术方案1.一种用于风力涡轮叶片的前缘保护器，所述前缘保护器构造成至少部分地覆盖叶片前缘区段，且包括：

主体，其具有基本上恒定的厚度且具有后端，以及

多个不规则部，其布置在所述主体的外表面上、在所述后端的上游，且构造成激励边界层。

技术方案2.根据技术方案1所述的前缘保护器，其特征在于，构造成激励所述边界层的所述多个不规则部为突出部。

技术方案3.根据技术方案2所述的前缘保护器，其特征在于，所述突出部与所述前缘保护器一体地形成。

技术方案4.根据技术方案2或技术方案3所述的前缘保护器，其特征在于，所述突出部具有在从3mm到20mm的范围中的高度。

技术方案5.根据技术方案2-4中的任一个所述的前缘保护器，其特征在于，两个连续的突出部沿翼展方向彼此间隔开，特别地间隔开为所述突出部的高度的1倍到10倍的距离，更具体地间隔开为所述突出部的所述高度的1倍到6倍的距离。

技术方案6.根据技术方案2-5中的任一个所述的前缘保护器，其特征在于，连续的突出部以沿着翼展方向的排布置，其中成对的连续突出部构造成使空气动力流朝向彼此转向。

技术方案7.根据技术方案2-6中的任一个所述的前缘保护器，其特征在于，所述突出部包括入射斜坡，其在使用中面向叶片前缘，且相对于所述主体的所述外表面具有大约10°到30°度的倾角，更具体地具有大约15°到25°的倾角。

技术方案8.根据技术方案2-7中的任一个所述的前缘保护器，其特征在于，所述突出部包括入射斜坡，其在使用中面向叶片前缘，且具有与在使用中面向叶片后缘的向后的斜坡不同的倾角。

技术方案9.根据技术方案1所述的前缘保护器，其特征在于，所述多个不规则部为凹坑或局部凹部。

技术方案10.根据技术方案1-9中的任一个所述的前缘保护器，其特征在于，所述前缘保护器进一步包括在所述主体的所述后端的下游的密封部分，其中所述密封部分的厚度沿下游方向逐渐减小。

技术方案11.根据技术方案1-10中的任一个所述的前缘保护器，其特征在于，所述主体具有：吸力侧部分，其用以覆盖所述叶片前缘区段的吸力侧；以及压力侧部分，其用以覆盖所述叶片前缘区段的压力侧。

技术方案12.根据技术方案11所述的前缘保护器，其特征在于，所述不规则部设在所述前缘保护器的所述主体的所述吸力侧部分上。

技术方案13.根据技术方案12所述的前缘保护器，其特征在于，所述不规则部设在所述前缘保护器的所述主体的所述吸力侧部分和所述压力侧部分两者上。

技术方案14.根据技术方案1-13中的任一个所述的前缘保护器，其特征在于，所述前缘保护器包括沿着翼展方向的多排不规则部，其中连续的两排沿翼弦方向彼此间隔开，特别地间隔开为所述突出部的长度的大约1倍到20倍的距离。

技术方案15.一种风力涡轮叶片，其包括限定压力侧和吸力侧的表面，所述表面沿翼弦方向在前缘与后缘之间延伸，其中所述叶片进一步包括根据技术方案1-14中的任一个所述的前缘保护器。

附图说明

在下文中将参照附图来描述本公开的非限制性示例，在附图中：

图1示出了风力涡轮的一个示例的透视图；

图2示出了图1的风力涡轮的机舱的一个示例的简化内部视图；

图3显示了风力涡轮的典型的功率曲线；

图4以非常概括的方式显示了升力系数和阻力系数可如何作为叶片区段的攻角的函数而变化；

图5显示了具有前缘保护器的转子叶片轮廓；

图6显示了图5的前缘保护器的放大；

图7显示了根据另一个示例的前缘保护器的放大；以及

图8显示了布置在前缘保护器的部分上的成对突出部的示例。

具体实施方式

在这些图中，相同的参考标记已用于指定匹配的元件。

现在将详细地参照示例，这些示例中的一个或多个在附图中被示出。各示例作为本公开的阐释而非其限制来提供。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可作出多种改型和变型，而不脱离本发明的范围。例如，被示出或描述为一个示例的部分的特征可与另一个示例一起使用，以产生另外其它的示例。因此，意图的是，本公开涵盖如处于所附权利要求书及其等效体的范围内的这样的改型和变型。

图1示出了风力涡轮160的一个示例的透视图。如显示的那样，风力涡轮160包括从支承表面150延伸的塔架170、安装在塔架170上的机舱161，以及联接到机舱161的转子115。转子115包括可旋转的毂110和至少一个转子叶片120，转子叶片120联接到毂110且从毂110向外延伸。特别地，在图1的示例中，转子115包括三个转子叶片120。然而，在备选的示例中，转子115可包括更多或更少的转子叶片。各转子叶片120可围绕毂110隔开，以促进使转子115旋转，以使动能能够从风转换成可用的机械能，且随后转换成电能。例如，可将毂110可旋转地联接到定位在机舱161内的发电机162(图2)，以允许产生电能。

图2示出了图1的风力涡轮160的机舱161的一个示例的简化内部视图。如显示的那样，发电机162设置在机舱161内。大体上，发电机162可联接到风力涡轮160的转子115，以用于从由转子115生成的旋转能生成电功率。在该示例中，转子115包括主转子轴163，主转子轴163联接到毂110以用于随其旋转。发电机162然后联接到转子轴163，使得转子轴163的旋转驱动发电机162。此外，在该示例中，发电机162包括发电机轴166，其通过齿轮箱164而可旋转地联接到转子轴163。

此外，在该示例中，转子轴163、齿轮箱164和发电机162由定位在风力涡轮塔架170的顶上的支承框架或底板165支承在机舱161内。可预见将转子轴、齿轮箱和发电机支承在机舱内部的其它方式。

叶片120利用设在叶片120与毂110之间的变桨轴承100而联接到毂110。变桨轴承100包括内轴承环和外轴承环，其安装成使得允许两个轴承环相对于彼此旋转。风力涡轮叶片可附接在内轴承环处或外轴承环处，而毂附接到内轴承环和外轴承环中的另一个。因此，当变桨系统107被促动时，叶片可相对于毂执行相对旋转运动。图2的示例中显示的变桨系统107包括小齿轮108，小齿轮108与设在内轴承环上的环形齿轮109啮合，以使风力涡轮叶片处于旋转状态。

图5显示了根据示例的具有前缘保护器200的风力涡轮转子叶片120的横截面视图。转子叶片120包括限定压力侧121和吸力侧122的表面。转子进一步包括在叶片的末端与根部部分之间延伸的前缘123和后缘124。

翼梁箱125布置在叶片内部，以便维持叶片吸力侧122的内表面与叶片压力侧121的内表面之间的距离。翼梁箱125可支承作用在叶片上的风力负荷，且特别是作用在叶片上的弯曲负荷。在备选的示例中，翼梁箱可由工字梁型翼梁、c形翼梁或具有其它横截面形状的任何其它基本上刚性的结构来替代。

根据该示例，前缘123由前缘保护器200覆盖，前缘保护器200还朝向后缘124而覆盖压力侧121和吸力侧122的叶片表面的部分。前缘保护器构造成保护限定叶片前缘区段的叶片前缘123和相邻区域免受由于例如来自颗粒物质(诸如，砂、雨滴、灰尘、小虫、冰雹、雨滴)的冲击、海洋环境状况或任何其它恶劣的环境状况而造成的侵蚀。

前缘保护器可沿着叶片的外部部分设置，特别地，叶片翼展的外部40％(更具体地，叶片翼展的外部33％或25％)可具有前缘保护器。特别地，可限定针对表观风速(自由流风速和叶片区段的旋转速度的组合)的阈值，并且表观风速阈值可被超过的叶片区段可设有前缘保护器。

前缘保护器可覆盖局部翼型件的翼弦的5-30％，且更具体地覆盖局部翼型件的10-25％。局部翼型件被覆盖的比例遍及叶片翼展而变化。特别地，在末端区域中，局部区域由前缘保护器覆盖的比例可增大。在一些示例中，前缘保护器可具有恒定的长度，但由于叶片的翼弦在较接近于末端处减小，故末端由保护器覆盖的比例可增大。

前缘保护器的尺寸可针对各具体情况来改变。上文说明的与翼展和翼弦有关的尺寸可适用于本文中公开的任何示例。

图6和图7各显示了根据不同示例的前缘保护器的部分的放大。在这些示例中，前缘保护器包括具有基本上恒定的厚度hl的主体，以及设在主体外表面202上的突出部201。在示例中，两个连续的突出部可沿翼展方向彼此间隔开。特别地，间隔开为其高度的大约1倍到10倍的距离，更特别地，间隔开为其高度的大约1倍到6倍的距离。在备选的示例中，代替突出部，可预见凹部或突出部和凹部的组合。

图6的示例显示了前缘保护器200，其具有以沿着翼展方向的单排设在其外表面202上的突出部201。在备选的示例中，可预见其它数量的突出部排，例如参见图7。在这些示例中，成连续对的连续突出部可构造成使入射的空气流朝向彼此转向。

在图6和图7的示例中，突出部201布置在前缘保护器200的主体的后端210的上游，且与后端210间隔开距离d。具有嵌入lep中的突出部的方面在于，它们在到来的流中形成的湍流也减少了过渡区域lep-叶片表面的降解和/或侵蚀，由此允许在该区域中有较低的密封品质。这在海上风力涡轮方面特别受关注(特别是当在原位修理lep时)。

图6的放大细节显示，在一些示例中，突出部可具有为局部叶片翼弦的大约0.1％到大约1％的高度hp。这提供了具有如下形状或几何结构的突出部：该形状或几何结构构造成生成涡流和/或湍流，使得入射的空气流边界层在到达后端210之前被再激励。

在更多的示例中，作为叶片翼弦和翼展尺寸的函数，突出部的高度可在从3mm到20mm的范围中。长度和/或高度和/或位置上的变化也是可能的。

具有突出部(即，竖直/向上延伸的形状或几何结构)的方面在于，突出部倾向于捕获到来的空气流的较高(上)层。这些上层然后可混合在边界层内，由此对其进行再激励。距离d由此提供沿翼弦方向的空间，在该空间中，上层可与到来的空气流的边界层混合。

在本描述和权利要求书各处，突出部可被视为设在前缘保护器的外表面处(特别地，在其主体外表面处)的“涡流或微涡流发生器几何结构”。在风力涡轮的正常运行期间，这些几何结构通过增大叶片的升力同时减小其阻力而使能量转换效率提高。在本文中公开的示例中，突出部用来通过朝向叶片的前缘移动(推进)边界层流分离来增大附接流区域且减小分离流区域。

此外，在图6的示例中，突出部201具有三角形形状，特别地涉及面向叶片前缘的入射突出部斜坡2011，其相对于前缘保护器200的主体的外表面202具有大约10°到30°度(特别地，大约15°到25°)的倾角。在示例中，倾角可为大约20°。在一些示例中，面向叶片前缘的入射突出部斜坡2011具有与面向叶片后缘(参见图5的数字参考124)的后斜坡2012不同的倾角。在另外的示例中，突出部可具有其它形状和/或大小，包括不同的倾角，且/或如将结合图8的示例来阐释的那样，突出部可成对地布置。

图7的示例与图6的示例的不同之处在于，前缘保护器200的后端210(即，前缘保护器-叶片表面的接合处)不再基本上是直的，而是其包括在主体的后端210的下游的密封部分211。密封部分211包括沿朝向叶片后缘(参见图5的数字参考124)的下游方向逐渐减小的厚度，但应清楚的是，密封部分典型地实际上将不会达到叶片的后缘。

图7的示例与图6的示例的不同之处进一步在于，提供了两排突出部201、203。两排突出部201、203沿翼弦方向彼此间隔开，特别地，间隔开在突出部的长度的大约1倍到20倍的范围内的距离。在备选方案中，两个连续的突出部可沿翼展方向彼此间隔开，且/或可预见其组合。还可预见其它数量的突出部排。

图8显示了在lep的外表面202上成对地布置的突出部2031、2032的示例。在该示例中，突出部2031、2032相对于彼此成角度，使得该对总体上以截头v形构造来布置。截头v形构造沿着突出部2031、2032的长度l可具有不同的截面(宽度或间距)b。在使用中，例如当lep安装在风力涡轮叶片上时，成对的突出部可布置成使得截头v形构造使其较窄的截面b朝向叶片前缘定向。

特别地，在该示例中，突出部2031、2032具有基本上梯形棱柱的形状，其具有入射面i和后面t。入射面i和后面t从lep的外表面202突出，且具有基本上矩形的形状。另外，入射面i和后面t的连接的远侧端限定也具有基本上矩形的形状的斜坡面s。在突出部与lep一体地构建的那些情况下，直的底面(未显示)可形成lep外表面的部分。在所有这些面之间，突出部2031、2032进一步包括具有梯形形状的侧面lf。

此外，在该示例中，入射面i和后面t均布置成相对于lep外表面202成基本上90°，即它们相对于lep外表面202是基本上直的或竖直的面。此外，在该示例中，入射面i的高度h1短于后面t的高度h2。这样的高度关系限定了斜坡面s相对于与lep外表面202平行的虚线的倾斜角。在示例中，斜坡面s的倾斜角可为大约10°到30°度，特别是在从15°到25°的范围中。在特定的示例中，可预见大约20°的倾斜角。

尽管在上文显示的示例中未明确地公开，但构造成激励边界层的不规则部也可为凹部，而不是突出部。特别地，在一些示例中，可预见凹坑。凹部或凹坑或其它表面纹理可引入足够的粗糙度，来以与突出部类似的方式使边界层混合且将边界层转变成湍流层。还可预见凹部和突出部的组合。

在一些示例中，凹坑可以以多个翼展方向的排来布置。备选地，凹坑可以以斜排或以鳞片式布置来布置。

在所有的示例中，前缘保护器可由例如聚氨酯材料制成。粘着层可设在聚氨酯材料的内层上，以用于粘着到叶片表面。在示例中，聚氨酯材料可由多元醇、丁二醇和异氰酸酯制备。

在一些示例中，可使不规则部嵌入带中。因此，如果需要，则这些示例在具有lep的现有风力涡轮中非常易于改造。

在一些示例中，不规则部可与lep一体地形成。突出部可在注射模塑工艺中连同lep的其余部分一起形成。

在另一个方面中，一种用于改造风力涡轮的方法，该风力涡轮具有带有多个叶片的转子，其中一个或多个叶片具有前缘保护器，并且该方法包括施加例如嵌入带中的突出部，使得提供基本上如本文中公开的lep。

在又一个方面中，提供了包括基本上如本文中公开的前缘保护器的风力涡轮叶片。

在本文中公开的所有示例中，主体可具有用以覆盖叶片前缘区段的吸力侧的吸力侧部分和用以覆盖叶片前缘区段的压力侧的压力侧部分。在这些示例中的一些中，突出部可设在主体的吸力侧部分上。在其它示例中，主体的吸力侧部分和压力侧部分两者均可设有如本文中公开的突出部。

在本文中公开的所有示例中，构造成激励边界层的不规则部可设在距前缘保护器的主体的后端的沿翼弦方向的一定距离处，该距离在由lep覆盖的翼弦的从10％到100％的范围中(即，距前缘的距离)。这意味着在示例中，不规则部(突出部/凹部)可基本上布置或施加在后端上，即在lep后缘处。

在具体情况下，不规则部的数量和布置可基于前缘保护器(不具有不规则部)可对围绕叶片的空气动力流造成的影响来确定，且达到不规则部可避免该影响的程度。

在本文中公开的所有示例中，不规则部可与前缘保护器一体地形成。可以以该方式简化制造和组装。

在本文中公开的所有示例中，两个或更多个突出部可具有不同的形状和/或大小。

在另一个方面中，可提供一种风力涡轮叶片。叶片包括限定压力侧和与压力侧相反的吸力侧的表面。表面沿翼弦方向在前缘与后缘之间延伸。叶片进一步包括附接到叶片前缘区段的外表面的前缘保护器。前缘保护器包括：主体，其具有基本上恒定的厚度且具有后端；以及多个突出部，其布置在主体的外表面上，朝向叶片前缘而在后端的上游。

在一些示例中，前缘保护器可进一步包括在主体的后端的下游的密封部分。密封部分的厚度可沿朝向叶片后缘的下游方向逐渐减小。

在一些示例中，主体可具有覆盖叶片前缘区段的吸力侧的吸力侧部分和覆盖叶片前缘区段的压力侧的压力侧部分。在这些示例中，突出部可设在前缘保护器的主体的前缘保护器的吸力侧部分上。在一些示例中，突出部可设在前缘保护器的主体的吸力侧部分和压力侧部分两者上。

在另一个方面中，可提供一种风力涡轮叶片。叶片包括限定压力侧和与压力侧相反的吸力侧的表面。表面沿翼弦方向在前缘与后缘之间延伸。叶片进一步包括附接到叶片前缘区段的外表面的前缘保护器。前缘保护器包括：主体，其具有基本上恒定的厚度且具有后端；以及在主体的后端的下游的密封部分。密封部分的厚度沿朝向叶片后缘的下游方向逐渐减小。前缘保护器进一步包括与前缘保护器的主体一体地形成的多个突出部。突出部形成在主体的外表面上，朝向叶片前缘而在后端的上游。

在这些示例中的一些中，主体可具有覆盖叶片前缘区段的吸力侧的吸力侧部分和覆盖叶片前缘区段的压力侧的压力侧部分。突出部可设在前缘保护器的主体的前缘保护器的吸力侧部分上。在一些示例中，突出部可进一步设在前缘保护器的主体的压力侧部分上。

本书面描述使用示例来公开本发明(包括优选的实施例)，且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法)。本发明的可取得专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。来自所描述的多种实施例的方面以及针对各个这样的方面的其它已知等效体可由本领域中的普通技术人员混合和匹配，以根据本申请的原理来构造额外的实施例和技术。如果涉及附图的参考标记放置在权利要求书中的括号中，则它们仅用于试图增加权利要求书的可理解性，而不应被解释为限制权利要求书的范围。