本发明描述了一种转子叶片延伸部；以及一种风力涡轮机。
背景技术：
作用于使风力涡轮发电机的转子转动的大部分风能在风力涡轮机叶片的最外部部分中获得，并且现在的风力涡轮机被设计成具有逐渐增大的转子直径，其中，所述转子直径是在转子叶片的末端旋转时由它们所形成的圆的直径。
叶片的最外部端部，也称为末端区域，服从若干严格的设计标准，例如前缘半径、剖面轮廓(profilecontour)、扭转定向、后缘厚度等。当叶片不满足这些设计标准时，通过直接的制造偏差或通过前缘和/或后缘在风力涡轮机的使用期期间的劣化，结果将会是年发电量(AEP)的降低和涡轮机的噪声水平的增加。
风力涡轮机所产生的风能的成本，即，制造、建立、调试(commission)和维护风力涡轮机的成本，与风力涡轮机的AEP成反比。因此，期望提高现有转子的AEP。提高风力涡轮机的AEP的一种方式是增加转子扫掠区域，即，增加由叶片末端所形成的转子圆的直径。借助于叶片延伸部来延伸转子扫掠区域能够通过根部延伸部来完成，其中，插入件被放置在叶片的轮毂和根部端之间；或通过放置在叶片的末端部段的外侧的末端延伸部来完成。根部延伸部一般是大且重的部段，这是由于它必须承受叶片的完整载荷。此外，根部延伸部是气动效率低的。
根部延伸部的另一个缺点在于叶片的翼型部分实际上“向外”移位，其结果是改变的叶片的气动属性能够显著地偏离原预期设计，这是因为叶片区域将在改变的气动来流条件(inflowcondition)下操作。对比而言，安装到叶片末端上的延伸部能够被设计成是气动效率高的。对于已安装的风力涡轮机，末端延伸部能够在改造步骤中安装到每个叶片上，并且用于延伸叶片末端的翼型部分。已知的末端延伸部的缺点在于增加的末端速度增加了叶片末端区域中边缘的劣化的风险。
叶片在它们最外部区域中的质量和形状对风力涡轮机的功率输出和AEP具有显著的影响。于是，风力涡轮机的整体性能对于与叶片的末端区域中的设计叶片形状的任何偏差高度敏感。在已知方法中，对边缘(例如，前缘)的劣化的保护能够通过施加涂层或聚合物带的薄片来实现。修正措施实际上限于针对新的安装执行，并且很少在现有转子的叶片上实施。在另一种方法中，新的转子叶片的前缘或后缘的缺陷的修正在某种程度上能够通过在制造期间对叶片表面进行局部修理来实现。此外，这样的修理对于在安装叶片之前检测到的偏差而言是在经济上可行的，并且该类型的修理的范围能够受叶片设计约束限制。
技术实现要素：
因此，本发明的目的在于提供一种克服上述问题的装置。
该目的通过权利要求1的转子叶片延伸部来实现；以及通过权利要求14的风力涡轮机来实现。
根据本发明，转子叶片延伸部被实现成用于安装在风力涡轮机的转子叶片的末端上，并且包括：翼型延伸部分，其实现成延伸叶片长度；前缘部分，其实现成覆盖转子叶片的前缘的轮廓的一部分；以及后缘部分，其实现成覆盖转子叶片的后缘的轮廓的一部分。
根据本发明的转子叶片延伸部的优点在于它允许对叶片形状的偏差的修正。对这样的偏差的修正能够在新的转子叶片安装在风力涡轮机上之前执行，或在修复现有风力涡轮机的毁坏的转子叶片的改造步骤中执行。根据本发明的转子叶片延伸部还允许重建部分的外叶片表面，例如，用于在叶片末端区域处引入全新的形状。
根据本发明的转子叶片延伸部的另一优点在于能够降低前缘侵蚀的风险，这是因为处于叶片的易受损害的外端处的边缘通过转子叶片延伸部的设计成抵御更高水平的侵蚀的前缘部分有效地覆盖。
根据本发明，所述风力涡轮机包括若干转子叶片以及安装至每个转子叶片的根据本发明的转子叶片延伸部。
根据本发明的风力涡轮机的优点在于有利地提高了AEP，这能够因为转子扫掠区域的有效增加而实现。此外，根据本发明的风力涡轮机的叶片的气动特性(aerodynamicbehaviour)在进一步向外的区域中主动地改善至高于先前可能的程度。
本发明的特别有利的实施例和特征通过从属权利要求给出，如在下面的描述中所揭示的。不同权利要求类别的特征可以视情况组合以给出本文未描述的另外的实施例。
转子叶片的翼型部分通过若干参数来限定，例如其弦长，即，前缘和后缘之间的距离。在下文中，术语“翼型延伸部分”和“弦延伸部分”可以被可互换地使用。
叶片长度是从叶片的处于其到轮毂和风力涡轮机的其余部分的附接处的根部端至远侧末端端部的距离。在下文中，术语“叶片长度”被用于表示原叶片在没有本文所述的末端延伸部的情况下的长度。
优选地，所述转子叶片延伸部被实现为一件，即，翼型延伸部分、前缘部分和后缘部分以无缝的方式被制成一件。所述翼型延伸部分覆盖叶片末端，而边缘部分沿叶片根部或轮毂的方向向内延伸。因此，叶片延伸部可以具有在侧边缘部分之间具有切口的“罩”的外观。
在本发明的特别实施例中，翼型部分在外侧延伸，即，有效地使转子直径增加叶片长度的至少0.5％的距离，更优选为增加叶片长度的至少2％的距离。要注意的是，最优选地，翼型延伸部分在转子叶片的末端的外侧延伸叶片长度的2％至叶片长度的5％之间的距离。
如上文解释的，叶片的前缘和后缘的质量是非常重要的，这是因为这些对风力涡轮机的年发电量具有直接的影响。因此，在本发明的优选实施例中，所述前缘部分和/或后缘部分向内侧延伸叶片长度的至少1％的距离，更优选为延伸叶片长度的至少5％的距离，最优选为延伸叶片长度的至少10％的距离。边缘部分的外表面有效地承担(assume)了它所取代的边缘的功能，即，前缘部分的外表面承担了被前缘部分所覆盖的范围的前缘的功能。
在本发明的另一实施例中，后缘部分不仅覆盖转子叶片的后缘，而且还显著地延伸了包括原转子叶片和转子叶片延伸部的布置结构的沿弦向方向的弦长。更具体而言，与没有转子叶片延伸部的单独的转子叶片相比，所述布置结构的弦长朝向转子叶片的后缘增加。
同样，在本发明的另一实施例中，前缘部分不仅覆盖转子叶片的前缘，而且还显著地延伸了包括原转子叶片和转子叶片延伸部的布置结构的沿弦向方向的弦长。更具体而言，与没有转子叶片延伸部的单独的转子叶片相比，所述布置结构的弦长朝向转子叶片的前缘增加。
两个实施例还可以结合，使得与没有转子叶片延伸部的单独的转子叶片相比，所述布置结构在后缘和前缘二者处都延伸。
已知的末端延伸部的问题在于增加的叶片载荷，这是由于附加的气动载荷被传递到叶片的其余部分。另一关键问题在于与原叶片构造相比末端偏转的增加。在许多情况下，并且特别是对于现代的长柔性细长叶片而言，由于转子的可允许的载荷包络(loadenvelope)和所需的塔架间隙，必须避免载荷的增加，并且特别是末端偏转的增加。
因此，在本发明的特别优选的实施例中，转子叶片延伸部包括一定程度的“预弯(pre-bend)”，使得翼型延伸部分从转子叶片的纵向轴线向外倾斜。在本文中，术语“向外倾斜”应当被理解成使得翼型延伸部分弯曲成朝向“迎风(intothewind)”方向，即，远离塔架。预弯的翼型延伸部分允许有利地增加转子扫掠区域，同时维持基本上恒定(或仅可忽略地增加)的末端偏转。转子叶片延伸部的向外预弯的翼型延伸部分的优点在于它变为可以升级适用末端偏转约束的现有的风力涡轮机。
在根据本发明的风力涡轮机的优选实施例中，转子叶片呈现出当静止时“向外弯曲”的形状，即，它当静止时远离塔架弯曲，并且当旋转时呈现较直的形状。在根据本发明的转子叶片延伸部的情况下，对其而言所述翼型延伸部分具有向外预弯的形式，这样的预弯的叶片的转子扫掠区域能够甚至进一步增加，这是因为转子叶片延伸部以如下方式设计，即：以便进一步增加延伸的叶片末端和塔架之间的距离。
在根据本发明的转子叶片延伸部的另一优选实施例中，翼型延伸部分的纵向轴线相对于转子叶片的纵向轴线偏斜。当这样的转子叶片延伸部被安装到转子叶片上时，叶片呈现出“后掠(sweep)”。通过叶片延伸部引入的后掠用于进一步增加弯扭耦合(bend-twistcoupling)，其效果是被动地减少了叶片载荷。当叶片末端延伸部被安装到“后掠式(swept-back)”的叶片上时，积极效果甚至更为显著，所述后掠式叶片即：对其而言，外末端部分已朝向后缘成一定角度倾斜的叶片。
由风力涡轮机的转子叶片产生的气动噪声与叶片的末端速度直接相关。因此，在本发明的优选实施例中，转子叶片延伸部包括布置在后缘部分上的若干锯齿状或锯齿形的元件。这样的元件用于有利地减少或甚至消除否则将由延伸的末端区域产生的附加的气动噪声冲击。因此，根据本发明的转子叶片延伸部使得可以实现噪声中性(noise-neutral)的末端延伸部，或具有边界噪声惩罚(penalty)，从而允许直接降低能量成本(通过增加转子扫掠区域)，而同时不增加或略微地增加总噪声水平。
涡流发生器能够被用于避免叶片的外侧部段中的边界层的分离，并且增加涡轮机的稳健性(robustness)。因此，在本发明的特别优选的实施例中，转子叶片延伸部包括布置在转子叶片延伸部的表面上的若干涡流发生器。优选地，涡流发生器例如沿前缘部分被应用在叶片延伸部的吸力表面上。利用涡流发生器的这样的布置，能够抵消或甚至消除由所述转子叶片延伸部引起的气动噪声。
在本发明的另一优选实施例中，转子叶片延伸部包括实现成改变转子叶片延伸部的表面形状的若干主动装置。例如，主动装置能够包括液压、气动或压电的装置，或者用于操作例如后缘处的襟翼并且能够作用于减轻涡轮机在不同载荷条件下的载荷的任何其他类型的主动促动器。
在本发明的另一优选实施例中，转子叶片延伸部包括实现成响应于被动脉冲或信号而作出反应的至少一个控流装置。例如，例如柔性襟翼之类的控流装置能够根据转子叶片的相对风速被激活。
当转子叶片旋转时，流首先遇到前缘，因此与后缘相比，前缘更容易受到环境影响。由于这个原因，前缘能够趋于比后缘更快地磨损。因此，在本发明的优选实施例中，前缘部分比后缘部分向内侧延伸得更远。
雷击对于转子叶片是相当常见的，并且因此，转子叶片一般配备有一些雷电保护的装置，例如，沿叶片的长度布置的避雷针和处于末端端部处的接收器。雷击一般将在叶片的外端处击中叶片。因此，在本发明的优选实施例中，转子叶片延伸部包括雷电保护布置结构。例如，接收器和避雷针能够被布置成使得电连接到所述延伸部所安装到的叶片的现有的雷电保护布置结构。
转子叶片一般不是密封的(hermeticallysealed)，并且水能够以各种方式进入叶片。为了防止水在叶片中积聚，并且为了避免在冷冻状态期间导致的毁坏，转子叶片一般包括排放布置，所述排放布置在叶片末端处具有小的开口以允许水分从叶片中漏出。在本发明的优选实施例中，转子叶片延伸部也包括排放布置，例如，在外端处的一个或多个孔，使得从原叶片逸出的水也能从转子叶片延伸部逸出。
优选地，转子叶片延伸部被实现成齐平地配合(fitflush)在叶片末端上。这能够通过应用合适的制造技术来制作转子叶片延伸部实现。例如，转子叶片延伸部优选地使用铸造技术制成，这是因为这允许比一般用于构造原转子叶片的层压过程高的精度。
在本发明的另一优选实施例中，转子叶片延伸部能够被制成具有信号颜色(signalcolour)，使得所述延伸部(并且因此，风力涡轮机的转子扫掠区域)可见，例如用于航空目的或缓解鸟类撞击的目的。信号颜色能够被施加为涂层和/或能够被结合在转子叶片延伸部的材料中。
附图说明
通过结合附图考虑的下面的详细描述，本发明的其他目的和特征将变得清楚。然而，要理解的是，这些附图仅为说明的目的而设计，并且不作为对本发明的限制的限定。
图1示出了一种延伸的转子叶片，其包括处于转子叶片末端上的位置的根据本发明的转子叶片延伸部的第一实施例；
图2示意性地示出了图1的延伸的转子叶片的剖面图；
图3示出了根据本发明的转子叶片延伸部的第二实施例；
图4示出了图3的转子叶片延伸部的剖面图；
图5示出了根据本发明的转子叶片延伸部的第三实施例；
图6示出了根据本发明的转子叶片延伸部的第四实施例；
图7和图8示出了根据本发明的风力涡轮机的实施例。
在附图中，相同的附图标记始终表示相同的物体。附图中的物体不一定按比例绘制。
具体实施方式
图1示出了风力涡轮机3的延伸的转子叶片4的外侧部分。延伸的转子叶片4包括根据本发明的转子叶片延伸部1的第一实施例，其处于转子叶片2的末端20上的位置。转子叶片2包括后缘TE和前缘LE。转子叶片2是逐渐变细的，即，有尖端的，并且包括末端20。附图标记20表示“原”转子叶片2的末端，即，没有任何转子叶片延伸部的转子叶片2的末端。一旦转子叶片延伸部1被附接至转子叶片2，就获得了延伸的转子叶片4。附图标记21表示延伸的转子叶片4的末端，因此，它也被称为“延伸的末端”21。
转子叶片延伸部1被示出为包括：翼型延伸部分1_AF，其有效地延伸了转子叶片2的长度；前缘部分1_LE，其被用于覆盖或延伸转子叶片2的前缘LE的一部分；以及后缘部分1_TE，其被用于修正转子叶片2的后缘TE的轮廓。常规的末端延伸部一般仅包括翼型延伸部分，其被用于覆盖或延伸转子叶片2的后缘TE的一部分。在根据本发明的叶片延伸部1中，不仅通过翼型部分1_AF有利地增加了总叶片长度，而且还通过部分1_LE、1_TE修正和/或优化了前缘和后缘。
图2示出了延伸的转子叶片4在图1的线A-A处的剖面。该剖面图示出了前缘部分1_LE如何覆盖或延伸转子叶片2的原前缘LE，以及后缘部分1_TE如何覆盖或延伸转子叶片2的原后缘TE。制造期间的偏差和/或次优设计特征能够被覆盖，即，通过修正部分1_LE、1_TE来修正(correct)，以及新的设计能够借助于这些部分1_LE和1_TE来精制(elaborate)。
图3示出了根据本发明的转子叶片延伸部1的第二实施例。这里，转子叶片延伸部1展示出显著程度的预弯，即，翼型部分1_AF是向外弯曲的，使得当安装到转子叶片上时，翼型部分1_AF将朝向“迎风”方向。
预弯的程度被示出在图4中的剖面中，该剖面示出了转子叶片2的纵向轴线X2和延伸通过转子叶片延伸部1的翼型部分1_AF的纵向轴线X1。
表征和量化转子叶片延伸部1的预弯的程度的第一种方法是由这些轴线X2、X1所包(subtend)的角α。
表征和量化转子叶片延伸部1的预弯的程度的第二种方法是延伸的末端21和纵向轴线X2之间的距离22。该距离22涉及转子叶片的末端和风力涡轮机的塔架之间的距离所增加的量。
对于具有50米的叶片长度的转子叶片2，延伸的末端21和纵向轴线X2之间的至少0.5米的距离22是有利的。优选地，延伸的末端21和纵向轴线X2之间的距离22为至少1米。
同样，对于具有100米的叶片长度的转子叶片2，延伸的末端21和纵向轴线X2之间的至少1米的距离22是有利的。优选地，延伸的末端21和纵向轴线X2之间的距离22为至少2米。
图5示出了根据本发明的转子叶片延伸部1的第三实施例。在该示例中，部分1_LE、1_TE具有基本上相同的长度。转子叶片2包括后掠式的末端，即，与朝向前缘LE相比，叶片的末端更加朝向后缘TE成一定角度倾斜。在该实施例中，翼型部分1_AF也是“后掠式”的，使得原叶片设计的后掠被重复或甚至通过转子叶片延伸部1的后掠而增加。该实施例能够与图4的实施例结合，例如，用于给出呈现出后掠以及预弯的转子叶片延伸部1。
图5的转子叶片延伸部1还包括用于使得例如水之类的液体能够离开延伸的转子叶片4的内部的排放孔6。此外，转子叶片延伸部1包括用于吸引雷击的延伸部雷电接收器7，所述雷击通常在末端附近击中转子叶片。延伸部雷电接收器7被添加到原转子叶片2的雷电接收器8，或它替代原转子叶片2的雷电接收器8。在两种情况下，延伸部雷电接收器7和原转子叶片2的雷电接收器8通过连接元件8电连接。这使得能够实现将延伸部雷电接收器7连接到转子叶片2和风力涡轮机3的现有的避雷针系统作为一个整体。
图6示出了根据本发明的转子叶片延伸部1的第四实施例。这里，涡流发生器元件11已在吸力侧上被应用于前缘部分1_LE。此外，要注意的是，涡流发生器元件11还可以进一步在外侧应用在转子叶片延伸部1上，即，在翼型延伸部分1_AF上。在转子叶片延伸部1的第四实施例中，锯齿状元件10也被附接至后缘部分1_TE。可替代地，锯齿状元件10还可以一直延伸到转子叶片延伸部1的远端。这些元件10的效果在于减少或消除否则将由于因叶片延伸部造成的转子扫掠区域(sweptarea)的增加而产生的噪声。在图中，边缘部分1_LE、1_TE的长度被示出为是大致相等的，但它们的长度也可以是不同的。
图7和图8示出了根据本发明的风力涡轮机3的实施例。
在图7中，风力涡轮机3处于静止，使得转子叶片2不旋转。附图图示了转子叶片2相对于风力涡轮机3的塔架30的位置，并且指示了转子叶片2的“原”末端20和塔架30之间的距离d。附图还指示了延伸的转子叶片4的延伸的末端21和塔架30之间的增加的距离d1。
在图8中，风力涡轮机3是操作的，并且转子叶片2在旋转。附图示出了延伸的末端21和塔架30之间的距离d载荷仍是有利地充足的，即，转子叶片延伸部1在风力涡轮机3的操作期间不会显著地改变延伸的转子叶片4的末端和塔架30之间的距离。
尽管已按照优选的实施例及其上的变型的形式公开了本发明，但将理解的是，对其能够作出许多附加的修改和变型，而不脱离本发明的范围。
为清楚起见，应当理解的是，贯穿本申请，“一”、“一个”或“一种”的使用并不排除多个，并且“包括”并不排除其他步骤或元件。