风能设备转子叶片的制作方法

本发明涉及一种风能设备转子叶片以及一种风能设备。此外，本发明涉及一种用于控制风能设备的转子叶片的尾流的方法。

背景技术：

用于产生电流的风能设备通常是已知的并且例如在图1中那样设计。在此，转子从风中吸收机械功率尤其与转子叶片的设计方案相关。通过提高的功率吸收，提高风能设备的效率从而提高风能设备的输出功率。用于进一步提高风能设备的输出功率的常用措施在于增大转子直径。随着转子直径的增加，转子叶片在毂区域中的翼型深度通常同样提高。在转子直径大的情况下，翼型深度在此如此大，使得在运输时在预设的最大的运输尺寸方面从而在运输物流方面会产生问题。为了解决该问题已经已知使用所谓的平背翼型。在下文中将这种平背翼型理解为一种由于厚的，即被截短的后缘而沿着翼型深度方向缩短的翼型。通过这种平背翼型能够考虑关于最大的运输尺寸的物流规定。然而，在这种平背翼型中不利的是，翼型的升力系数自一定的相对翼型厚度起相对于传统的翼型减小并且同时阻力系数提高，所述传统的翼型具有相同的相对翼型厚度，但是具有逐渐变细的，即尖的后缘。这导致转子叶片的空气动力学的功率系数变差从而导致风能设备的输出功率损失。

转子叶片通过风经受环流。所述环流在此是带有摩擦的。所述摩擦引起在转子叶片后方的脱流区域，即所谓的尾流。在尾流中构成涡流，所述涡流对风能设备的输出功率产生影响。由此，尾流从而涡流数量和大小在此与转子叶片的翼型的设计方案相关。小的尾流在此对于风能设备的输出功率是有利的。恰好在上文中所描述的平背翼型中或者在大致圆形的横截面中，如部分地在转子毂的区域中所使用的那样，出现大的尾流并且与之相应地也出现风能设备的大的输出功率损耗。

“movingsurfaceboundary-iayercontrol:areview”v.j.modi,journaloffluidsandstructures(1997)，volume11,pages627–663描述了旋转的滚子在翼或翼型中的使用。滚子沿着流动方向旋转并且能够设置在翼型的前缘、后缘以及上侧上。

在作为优先权的德国专利申请中，德国专利商标局检索了下述文献：de102013204879a1、de10152449a1、de102011012965a1、de10348060a1和de102007059285a1。

技术实现要素：

本发明由此基于下述目的，针对上述问题中的至少一个。特别地，应实现一种解决方案，通过所述解决方案明显地减小或者尤其甚至避免具有如下转子叶片的风能设备的输出功率受损，所述转子叶片具有平背翼型或者具有基本上圆形的横截面。至少应提出一种替选的解决方案。

为了实现该目的，根据本发明提出一种根据权利要求1所述的风能设备转子叶片。

转子叶片在此包括内部部段和外部部段，在所述内部部段中转子叶片固定在转子毂上，所述外部部段具有转子叶片尖端。内部部段可与外部部段固定。转子叶片在内部部段中至少部分地具有平背翼型，所述平背翼型具有截短的后缘，并且在所述平背翼型处设有至少一个用于控制转子叶片处的尾流的流动控制单元。转子叶片的内部部段在此整体上能够具有转子叶片的最大的翼型深度。所述内部部段在此尤其从转子叶片根部，即从通向转子叶片毂的连接区域，伸展直至大约转子叶片的中心。

转子叶片在内部部段中至少部分地具有平背翼型，即如下翼型，所述翼型沿着翼型深度方向缩短并且具有厚的后缘。后缘的厚度在此优选大于0.5m，尤其在0.7m至5m的范围中。这种平背翼型在此有利地考虑关于最大的运输尺寸的物流规定。此外，由于翼型深度减小而考虑在强风时在确定构件尺寸的负载情况中的负载降低。

为了不引起风能设备的输出功率受损，转子叶片在内部部段中具有至少一个用于控制转子叶片处的尾流的流动控制单元。这种控制单元以运动的壁或者元件的形式在转子叶片表面上构成。通过运动的壁，流动尤其在平背翼型的后缘上运动或加速。特别地，流动朝向翼弦转向。在此，将翼弦理解为虚拟的直线，所述虚拟的直线伸展穿过前缘和后缘。由此，通过转子叶片的通常提高的升力系数和降低的阻力系数实现了尾流的降低。有利地，能够在出现流动脱离时与翼型的临界迎角的明显提高相结合地实现升力系数的显著增加。因此，在平背翼型中通过使用这种控制单元而可行的是，实现如在具有较大的翼型深度的传统翼型中那样的升力系数从而避免因叶片深度降低而产生的风能设备的输出功率受损。除此之外能够经由控制单元影响翼型特性，即升力系数和阻力系数。由此，在转子叶片设计和设备调控中实现了新的可行性。平背翼型与至少一个控制单元的这种组合据此将平背翼型的优点与转子叶片的传统的翼型的优点相结合，也就是说，与在传统的翼型中相比在风能设备的功率至少相同的同时维持转子叶片的最大的运输尺寸。

优选地，控制单元具有至少一个柱形体，所述柱形体具有纵轴线，并且所述至少一个柱形体可围绕纵轴线旋转。通过所述至少一个柱形体围绕其纵轴线的旋转运动，使流动在该部位处运动或加速。尾流被减小，由此提高升力系数。特别地，多个柱形体设置在平背翼型处，所述柱形体要么分别具有纵轴线和/或具有共同的纵轴线。这种柱形体在此尤其构成为空心柱。这种柱形体的尺寸在此尤其在转子叶片的跨度上改变。

在一个尤其优选的实施方式中，控制单元具有至少一个第一柱形体和至少一个第二柱形体，所述第一柱形体具有第一纵轴线，所述第二柱形体具有第二纵轴线，并且所述至少一个第一柱形体可围绕第一纵轴线旋转而所述至少一个第二柱形体可围绕第二纵轴线旋转，并且第一柱形体和第二柱形体借助于用于使环绕平背翼型流动的迎流运动的运输带连接。运输带在此尤其设置在第一柱形体和第二柱形体的外面上，使得运输带围绕第一柱形体和第二柱形体运动。也就是说，运输带包围第一柱形体和第二柱形体。流动附着在运输带上从而通过运输带加速或一起运动。由此，所述流动朝向翼弦转向。这引起尾流的减少。由此能够提高升力系数。

第一纵轴线在此沿着翼型深度方向设置在第二纵轴线前方，即尤其设置在被截短的后缘和第二纵轴线之间，和/或第一纵轴线设置在翼型的上侧上而第二纵轴线设置在翼型的下侧上。第一柱形体和第二柱形体在此可沿着流动方向和/或逆着流动方向旋转。相应地，运输带可沿着流动方向和/或逆着流动方向旋转。

优选地，至少一个控制单元设置在被截短的后缘上。通过将控制单元设置在平背翼型的后缘上，尤其在后缘处使流动运动或加速。由此，流动朝向翼弦转向。由此避免了在翼型的后缘处的突然的流动脱离从而也避免了大的尾流。由此能够在出现流动脱离时与临界迎角的提高相结合地实现升力系数的显著增加。避免了风能设备的输出功率受损。

在一个优选的实施方式中，至少一个柱形体或者第一和/或第二柱形体可沿着流动方向和/或逆着流动方向旋转。出现在柱形体上的流动由此被截住并且相应地加速，使得延迟在翼型处的流动脱离并且减小尾流。由此，转子叶片的升力系数提高并且阻力系数降低。此外，至少一个柱形体或者第一和/或第二柱形体可灵活地使用。

在一个尤其优选的实施方式中，控制单元集成到转子叶片中。这种转子叶片在此在上侧和下侧上具有覆板，或者成为外壳。这种外壳在此对内部的空腔限界并且限定转子叶片的翼型的外轮廓。控制单元集成到该外壳或覆板中。据此，转子叶片构造为，使得尤其在上侧和/或下侧上，首先覆板设置在转子叶片的翼型处，在另一部段中设置控制单元并且在下一部段中重新设置覆板。控制单元据此设置在外壳或覆板之间，使得所述控制单元与迎流风接触，以便使该迎流风在壁附近一起运动或加速。由此，尽可能保护控制单元免受环境影响，并且此外，所述控制单元能够使在翼型的表面处的流动运动或加速。

优选地，至少一个控制单元设置在平背翼型的上侧和/或下侧上。迎流贴靠平背翼型的上侧和下侧。所述上侧或下侧对应于翼型的吸入侧或压力侧。控制单元随后在该部位处使流动转向并且使所述流动运动或加速为，使得避免提前的流动脱离从而避免大的尾流区域。为了使流动更好地朝向翼弦转向，尤其在平背翼型的后缘和控制单元之间设置引导板。引导板已经使流动朝向控制单元转向。该控制单元使与流动一起运动并且使所述流动继续朝向翼弦转向，使得避免大的尾流。

在一个优选的实施方式中，在平背翼型处沿着转子叶片的跨度方向设置多个柱形体。在此，柱形体至少部分地具有彼此不同的直径和/或彼此不同的长度。多个柱形体，即至少两个柱形体，据此设置在转子叶片的不同的位置处，尤其设置在位于转子叶片根部和转子叶片尖端之间的不同的位置处。多个柱形体在此至少部分地具有彼此不同的直径和/或不同的长度。据此，设置在转子叶片根部附近的柱形体与设置在转子叶片中心附近的柱形体相比例如具有不同的直径和/或不同的长度。根据转子叶片翼型的流动条件或设计方案，柱形体的直径相应地被调整。因此，柱形体中的一些能够具有相同的直径和长度，而其它柱形体具有与所述直径或长度不同的直径或长度。由此，壁附近的流动或者后缘处的流动能够最佳地一起运动或加速。

多个柱形体在此尤其构成为空心柱。特别地，所述柱形体设置在共同的轴上。

在一个尤其优选的实施方式中，多个柱形体可至少部分地以彼此不同的转速旋转。在转子叶片处的流动在根部区域中与在转子叶片尖端处相比具有不同的速度。根据不同的速度，柱形体能够以不同的转速旋转，使得所述流动经受对于转子叶片处的相应的位置而言最佳的加速。

优选地，提出一种风能设备的转子叶片，所述转子叶片包括内部部段和外部部段，在所述内部部段中转子叶片固定在转子毂上，所述外部部段具有转子叶片尖端。转子叶片的特征在于，在内部部段中设有根部区域，所述根部区域具有基本上圆形的横截面，并且其中在基本上圆形的横截面处设有至少一个用于控制转子叶片处的尾流的控制单元。在根部区域中的这种圆形的横截面中，即在转子叶片与转子毂的直接的连接区域中，由于高的涡流产生，风能设备的输出功率损失是非常大的。在设置至少一个控制单元的情况下，流动能够在内部区域中被控制从而尾流也能够被控制。由此，提高在基本上圆形的横截面处的升力系数并且降低阻力系数。

此外，为了实现所述目的提出一种风能设备，所述风能设备具有塔、可旋转地围绕塔安装的吊舱、可旋转地安装在吊舱上的转子和多个固定在转子上的转子叶片，所述转子叶片中的至少一个转子叶片根据之前所描述的实施方式构成。由此，同样地产生在上文中所提到的优点。

此外，为了实现所述目的，提出一种用于控制根据上述实施方式中的一个所述的转子叶片的尾流的方法。所述方法包括：借助于至少一个控制单元使贴靠转子叶片的迎流运动，使得减小尾流。由于风，在此在各个转子叶片处存在风的迎流。所述迎流在此环绕翼型流动。通过至少一个控制单元，迎流一起运动或被加速，使得流动脱离沿着翼型深度方向进一步向后推迟。由此提高升力系数，降低阻力系数并且减小尾流。提高风能设备的效率或输出功率。

优选地，控制单元以预定的环周速度旋转。当前，将环周速度理解为控制单元的外线的速度。通过控制单元的旋转运动，在此在转子叶片处的、位于壁附近的流动一起运动并且被加速。根据风条件或风能设备的架设地点和/或转子直径，为了实现最佳的结果有意义的是，使环周速度匹配于该条件。

附图说明

接下来根据实施例参考附图示例性地阐述本发明。附图在此部分地包含简化的、示意性的视图。

图1示出风能设备的立体视图，

图2示出根据现有技术的转子叶片的横截面，

图3示出根据本发明的转子叶片的一部分，

图4示出平背翼型的横截面，

图5示出具有流动控制单元的根据本发明的平背翼型的一个实施例，

图6示出根据本发明的平背翼型的另一实施例，

图7示出根据本发明的平背翼型的另一实施例，

图8示出根据本发明的平背翼型的另一实施例，

图9示出根据本发明的转子叶片的另一实施例，

图10示出图9中的转子叶片的横截面，以及

图11示出根据本发明的一个方面的转子叶片的横截面。

具体实施方式

图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和导流罩110的转子106。转子106在运行时通过风进入旋转运动从而驱动吊舱104中的发电机。

图2示出根据现有技术的风能设备的转子叶片的翼型1的横截面。这种横截面在此具有前缘2以及后缘3。在后缘3中下侧4和上侧5彼此碰到。后缘3在此逐渐变尖并且变扁平。后缘厚度8，即翼型1在后缘3处的厚度，在此近似为零。翼型1的最大的翼型厚度7在此朝向前缘2设置。此外，在图2中示出翼弦6，所述翼弦从前缘2朝向后缘3伸展。

图3示出根据本发明的转子叶片20的一部分。转子叶片20在此被划分为内部部段25和外部部段24。外部部段24具有转子叶片尖端21。在内部部段25中，到转子叶片轮毂上的连接在此未示出。在图3中，在转子叶片20中示出不同的横截面或翼型26、27。在内部部段25中示出三个平背翼型26以及传统的翼型27。在外部部段24中可以看到两个传统的翼型27。平背翼型26在此在后缘23处具有翼型厚度28，所述翼型厚度大于零，尤其在0.5m至5m的范围中。传统的翼型27在此在后缘23处逐渐变扁平和变尖并且相应地在后缘23处具有近似为零的厚度28。在此，在转子叶片20中，在后缘23处设有用于控制尾流的、呈柱形的滚子33形式的(流动)控制单元。这种转子叶片在此尤其对于运输而言遵循规定的最大的运输尺寸。此外，能够像具有例如在图2中所示出的传统的翼型的转子叶片那样产生至少相同的功率。

替选地，也能够在这种平背翼型处设置多个(流动)控制单元。在此，特别地，多个控制单元的直径、长度和/或转速可变。

图4示出不具有(流动)控制单元的平背翼型26的横截面。平背翼型26在此具有被截短的后缘23，所述后缘具有大的后缘厚度28。在此风的迎流29撞击平背翼型26。迎流29在前缘22上分开并且在下侧30和上侧31上环绕平背翼型26流动。所述迎流在此贴靠上侧31和下侧30。沿着翼型深度的方向在后缘23后方，迎流29脱离。产生涡流32，所述涡流在转子叶片上构成尾流。由此降低平背翼型26的升力系数并且提高阻力系数。整个风能设备的功率被降低。

图5示出根据本发明的转子叶片的横截面。所述横截面在此构成为平背翼型46。平背翼型46具有前缘42和后缘43以及上侧51和下侧50。后缘43在此具有大的后缘厚度48。平背翼型46由迎流48环流。迎流49在前缘42上分开，以便继续在上侧51和下侧50上流动。在后缘43上设有第一滚子53和第二滚子54作为(流动)控制单元的一个实施例。第一滚子53在此设置在上侧51上而第二滚子54设置在下侧50上。第一滚子53具有第一纵轴线55而第二滚子54具有第二纵轴线56。第一滚子53可围绕第一纵轴线55旋转而第二滚子54可围绕第二纵轴线56旋转。旋转方向在此分别通过箭头57或58示出。第一滚子53和第二滚子54据此分别沿着被环流的平背翼型46的流动的方向旋转。然而，第一和第二滚子53、54的旋转方向也能够分别顺时针进行，也就是说，一个滚子沿着流动的方向旋转而一个逆着流动的方向进行。由此，迎流49由第一滚子53或第二滚子54截住从而运动或加速。尾流被减小。在后缘43的区域中出现更少和更小的涡流52。由此提高了转子叶片的升力系数并且降低了阻力系数。由此，实现了风能设备的输出功率的提高。

图6示出风能设备的转子叶片的平背翼型66的横截面的另一实施例。平背翼型66在此由迎流69环流。平背翼型66具有上侧71和下侧70以及被截短的后缘63和前缘62。与图5的区别在于，在后缘63上设有第一运输带81和第二运输带79作为用于(流动)控制单元的一个实施例。第一运输带81和第二运输带79在此围绕第一滚子对73或第二滚子对74，分别包括两个沿着翼型深度方向设置的滚子。第一运输带81和第二运输带79将第一滚子对73的两个滚子彼此连接或将第二滚子对74的两个滚子彼此连接。第一运输带81在此设置在平背翼型66的后缘的上侧81上而第二运输带79设置在下侧上。迎流69通过第一运输带71或第二运输带79运动。由此降低尾流。

图7示出风能设备的根据本发明的转子叶片的横截面的另一实施方式。所述横截面在此构成为平背翼型460。平背翼型460具有前缘420和后缘430以及上侧510和下侧500。平背翼型460由迎流490环流。迎流490在前缘420上分开，以便环绕上侧510和下侧500流动。与在图5中所示出的平背翼型的区别在于，第一滚子530和第二滚子540作为(流动)控制单元的一个实施例集成到转子叶片中，也就是说，第一滚子530和第二滚子540并非设置为后缘430上的终止部。第一滚子530和第二滚子540设置在后缘430后方，其中在第一滚子530和第二滚子540后方还设有第一覆板511或第二覆板501。由此，第一滚子530和第二滚子540至少部分地包含在平背翼型460中。第一滚子530和第二滚子540使迎流490运动并且尽管如此仍在很大程度上被保护免受环境影响。由此，第一滚子530和第二滚子540具有高的使用寿命。在该实施例中，尾流的扩展也被降低。因此，该实施例也具有之前所提到的优点。

图8示出风能设备的根据本发明的转子叶片的横截面的另一实施方式。平背翼型660在此由迎流690环流。平背翼型660具有上侧710和下侧700以及被截短的后缘630和前缘620。在后缘630上设有第一运输带712和第二运输带790。第一运输带712和第二运输带790在此围绕第一滚子对730或第二滚子对740，所述第一滚子对或第二滚子对分别包括两个沿着翼型深度方向设置的滚子。第一运输带712和第二运输带790在此分别集成到转子叶片中。在第一运输带712和第二运输带790后方设有第一覆板711或第二覆板701。由此，第一滚子730和第二滚子740至少部分地包含在平背翼型660中。

图9示出转子叶片200的另一实施例。转子叶片200具有前缘220和后缘230以及内部部段250和外部部段240。在内部部段250中设有转子叶片200的根部区域251，即如下区域，在所述区域中，转子叶片200连接到转子叶片毂上。根部区域251在此具有圆形的横截面252。外部部段240大致从转子叶片200的一半处伸展至转子叶片尖端210。在圆形的横截面252处设有两个第一滚子253作为两个控制单元的实施例。两个第一滚子253在此柱形地构成。

图10示出图9中的转子叶片200的圆形的横截面252。圆形的横截面252在此由风的迎流290环流。在圆形的横截面252的一侧上设置第一滚子253和第二滚子254。第一滚子253具有第一纵轴线255而第二滚子254具有第二纵轴线256。第一滚子253和第二滚子254在此沿着箭头257或258的方向旋转，即沿着迎流290的方向旋转。由此降低尾流，降低涡流产生从而提高升力系数并且降低阻力系数。由此提高风能设备的输出功率。替选于此，第一和第二滚子253、254能够分别顺时针旋转，也就是说，第一滚子253随着流动旋转而第二滚子254逆着流动旋转。

此外，在图10中可以看到两个引导板259，所述引导板将圆形的横截面252与第一滚子253或第二滚子254连接。通过引导板259，流动朝向第一滚子253或第二滚子254转向。所述流动由此从圆形的横截面的外侧朝向中心转向。所述流动被控制并且相应地尾流也被控制。

图11示出根据本发明的另一实施例的风能设备转子叶片的示意性的横截面。横截面在此构成为平背翼型46。平背翼型具有前缘42和后缘43以及上侧51和下侧50。后缘43具有第一和第二凹槽43a、43b。第一滚子53设置在第一凹槽43a的区域中而第二滚子54设置在第二凹槽43b的区域中。第一滚子43具有第一纵轴线55而第二滚子54具有第二纵轴线56。第一滚子53可围绕第一纵轴线55旋转而第二滚子54可围绕第二纵轴线56旋转。旋转方向在此分别通过箭头57、58示出。根据本发明的该方面，第一和第二滚子的旋转方向是相同的。由此，这意味着，第一滚子沿着流动方向旋转，而第二滚子54逆着流动方向旋转。根据本发明的该方面，第一和第二滚子53、56设置在第一和第二凹槽43a、43b中，使得第一和第二滚子设置在上侧和下侧51、50的假想的延长的轮廓内部。

由此，第一和第二滚子嵌入到转子叶片的翼型轮廓中，其方式是：滚子设置在第一和第二凹槽的区域中。

通过设置第一和第二滚子以及相应的旋转方向，进行流动控制。

根据本发明的一个方面，第一和第二滚子53、54、253、254设置在平背翼型的区域中，使得所述第一和第二滚子不伸出于延长的后缘翼型轮廓。换言之，如果转子叶片不设有平背翼型，那么滚子必须位于假想的后缘的轮廓内部。由此，当后缘以当前的梯度延长时，这两个滚子位于该后缘的假想的轮廓内部。

通过这种设置，能够设置具有高的升力系数的转子叶片。