风能设施的具有导流板的转子叶片的制作方法

本发明涉及一种风能设施的转子叶片，一种具有所述转子叶片的风能设施，一种用于在所述转子叶片上使用的导流板和一种用于优化所述转子叶片的方法。

背景技术：

从风的动能中产生电能并将电能馈送到电网中的风能设施是通常已知的。目前，在这种风能设施中经常使用具有薄的板状轮廓和大的叶片深度的转子叶片，以提升效率。然而，这需要具有后缘区段的多件式构造，这是非常高成本的并且易于发生故障。替选地，能够在内部区域中使用具有至少部分钝的后缘的转子叶片。然而，具有至少部分钝的后缘的转子叶片的缺点是：由于较小的叶片深度，在钝的后缘的区域中升力功率降低，并且此外，在该区域中还会形成所谓的卡门街形式的涡流，所述涡流会引起空气阻力增大和噪声排放增大。

使用导流板来改进飞机机翼的空气动力学特性是已知的。例如，us5,265,830a公开了一种呈简单的直板形式的导流板，所述导流板以预定的角度安装在飞机机翼的钝的后缘上，以便改进机翼的空气动力学特性。将这种导流板安装在转子叶片的后缘上，能够允许：防止形成卡门街，进而防止阻力增大。然而，在此要忍受的是，围绕转子叶片的流动仍在后缘处继续分离，进而无法实现获得升力。

德国专利商标局在关于本申请的优先权申请中检索到以下现有技术：de102011012965b4、de202016101461u1、us5,265,830a、ep2063106a1和wo2016/055076a1。

技术实现要素：

因此，本发明所基于的目的是，解决上述问题中的至少一个。尤其，应对现有技术进行改进并且提出一种解决方案，所述解决方案能够实现：在降低噪声排放的同时改进具有至少一个部分钝的后缘的转子叶片的性能。

根据本发明，所述目的通过一种风能设施的转子叶片来实现，所述转子叶片具有：

-前缘和钝的后缘，

-在前缘和后缘之间的吸力侧和压力侧，其中所述吸力侧在空气环流时产生剪切层，

其中所述前缘、钝的后缘、吸力侧和压力侧形成参考系统，在所述参考系统中所述前缘设置在后缘的前方，而所述吸力侧设置在压力侧的上方，并且其中在所述参考系统中，弦线方向从前缘伸展到后缘，和

-导流板，所述导流板设置在转子叶片的钝的后缘上，其中所述导流板具有：

-根部边缘，其中所述根部边缘在所述后缘上，尤其沿着所述后缘设置在吸力侧到后缘中的过渡部的下方，

-末端边缘，其中所述末端边缘形成自由边缘，和

-在根部边缘和末端边缘之间的面，其中所述面在根部边缘和末端边缘之间具有至少一个弯曲的部分，并且所述面的至少一部分位于由吸力侧产生的剪切层中。

通过将导流板设置在吸力侧到后缘中的过渡部下方，能够有效地防止形成卡门街，使得减小了转子叶片的阻力和噪声。同时，通过导流板的弯曲和导流板的设置使得导流板的面的至少一部分位于剪切层中，能够实现：剪切层再次贴靠于导流板的面上。这确保：改进转子叶片在导流板的区域中的升力。如上所述，借助于弯曲的导流板，因此能够在减少噪声排放的同时改进具有钝的后缘的转子叶片的性能。

转子叶片的吸力侧对应于转子叶片的下述面，所述面在风能设施运行时产生升力，进而在空气环流时驱动转子的转动，在所述转子上固定有转子叶片。压力侧在此与吸力侧相对置。在空气环流时，在吸力侧和压力侧上均形成剪切层，其中在下文中仅考虑在吸力侧处的剪切层。

剪切层在具有不同的速度的平行流的过渡区域中构成。在转子叶片的情况下能够假定，由于在转子叶片和空气之间的摩擦，在转子叶片周围流动的空气流直接在转子叶片的面上具有零速度。随着距所述面的间距的增加，速度会增大，直至达到围绕的空气流的速度。这种过渡部称为剪切层或边界层，其中剪切层的厚度与空气的内部摩擦相关。在此已知，在风能设施的运行中在位于转子叶片周围的流动速度的典型范围中的流动速度下，这种剪切层在转子叶片的后缘上伸展超过吸力侧的端部并且仅在距转子叶片的后缘一定间距处例如由于形成涡流而消失。在此，剪切层在后缘上在静水区域和轮廓环流之间延伸。

根据本发明的转子叶片至少部分地具有钝的后缘，意即，所述转子叶片在其后部端部处，意即在后缘处仍然具有特定的后缘厚度，进而不会任意地成尖锐状。转子叶片的其它部分，尤其是转子叶片的位于外部较远的部分优选不具有钝的后缘。在一个优选的实施形式中，钝的后缘具有大于转子叶片的轮廓深度的0.5％的后缘厚度。

此外，除了导流板以外，所述转子叶片还能够具有其它空气动力学元件，如一个或多个格尼襟翼、涡流发生器或前缘襟翼。所述转子叶片优选在压力侧上附加地具有格尼襟翼或类似的结构。格尼襟翼在吸力侧后方产生剪切层的弯曲，使得所述剪切层能够更好地贴靠于导流板的弯曲的面上。格尼襟翼与导流板的组合也能够附加地提高转子叶片的功率。在具有格尼襟翼的转子叶片的一个实施形式中，钝的后缘也能够仅通过格尼襟翼产生。

导流板设置在转子叶片的区域中，在该区域中转子叶片具有钝的后缘，并且导流板沿着钝的后缘延伸。在一个优选的实施形式中，所述根部边缘平行于从吸力侧到后缘中的过渡部延伸。

提出的是：所述面的弯曲的部分至少部分地位于剪切层中。根据转子叶片的吸力侧的设计方案，剪切层的走向，尤其是剪切层的曲率在吸力侧到后缘中的过渡部之后能够变化。如果将弯曲的面的至少一部分引入剪切层中，那么这能够实现将剪切层特别有效地重新贴靠到导流板的面的弯曲的部分上。

此外提出的是，基于对剪切层的负荷能力的确定来确定位于剪切层中的弯曲的部分的曲率。在此，所述剪切层的负荷能力通过剪切层在不剥离的情况下能够克服的最大压力梯度来定义。基于剪切层的负荷能力来确定导流板的曲率具有下述优点：能够为每个转子叶片几何形状调整所述导流板，使得能够实现将剪切层最佳地贴靠到导流板上。

此外提出，所述面的弯曲的部分关于转子叶片的弦线方向顺时针弯曲。通过使所述面关于弦线顺时针弯曲，能够实现：导流板的面最佳地跟随剪切层，从而改进了转子叶片的升力功率。在一个优选的实施形式中，在导流板的面上的下述点是根部边缘，在所述点处所述导流板的面与转子叶片的弦线相距最大间距。在此，弦线或翼弦线被定义为在转子叶片的轮廓凸起和轮廓后缘之间的假想的连接线。替选地，在导流板的面上的下述点也位于根部边缘和末端边缘之间，在所述点处所述导流板的面与转子叶片的弦线具有最大间距。

此外提出，所述面的弯曲的部分具有第一部分和第二部分，其中所述第一部分和所述第二部分具有不同的曲率。在一个优选的实施形式中，所述第一部分关于转子叶片的弦线方向逆时针弯曲，而所述第二部分关于转子叶片的弦线方向顺时针弯曲。在此有利的是，第二部分在弦线方向上连接于第一部分。在逆时针弯曲的第一部分和顺时针弯曲的第二部分之间的过渡能够连续进行，或者也能够通过设置边缘来进行。此外有利的是，所述第二部分在弦线方向上自导流板的沿弦线方向的长度的至少三分之二处起开始。在一个优选的实施形式中，第二部分的顺时针曲率在弦线方向上连续地减小。因此能够将剪切流最佳地贴靠到导流板上。此外提出，在导流板的面上的下述点位于第二部分中，在所述点处所述导流板的面与转子叶片的弦线具有最大间距。

此外提出，所述面的弯曲的部分始于根部边缘。

此外提出，所述导流板具有直的部分，并且所述直的部分在弦线方向上连接于所述弯曲的部分并且以所述末端边缘终止。因为所述剪切流在吸力侧后方通常仅具有很小的曲率，因此在弯曲的部分之后提供直的部分能够提供对剪切流的走向的改进的适配性。因此尤其优选的是，所述直的部分至少部分地位于剪切流中。

还提出，转子叶片的后缘具有后缘厚度，并且所述导流板在弦线方向上在根部边缘和末端边缘之间的长度是后缘厚度的0.75-1.5倍。替选地提出，所述导流板的长度小于通过后缘和在吸力侧上在后缘的区域中的切线与弦线的交点限定的线段。具有在上述范围中的长度的导流板具有下述优点：所述导流板能够在更少的材料消耗下产生与例如闭合的后缘相同的功率。

在一个优选的实施形式中，所述导流板的末端边缘与根部边缘相比距转子叶片的弦线的间距更大，其中所述导流板的末端边缘位于剪切层中。这具有优点是，所述导流板能够设计成具有较小的长度，这节省材料和运输成本。

此外提出，将所述导流板设置在转子叶片的后缘上，使得所述根部边缘与转子叶片的弦线相距一定间距。在一个优选的实施形式中，将根部边缘与弦线之间的间距设定为，使得导流板的一部分位于剪切层中。

此外提出，借助于铰链将所述导流板设置在转子叶片的后缘上。这具有的优点是，所述导流板例如能够在运输时折叠，使得对于转子叶片产生较小的运输尺寸。所述导流板的简单打开然后便于在现场安装。此外，能够提供对导流板的主动控制，所述主动控制根据风能设施的期望的功率来控制打开和折叠。替选地，所述铰链也能够具有基于弹簧力的支承件，使得在超过预定的压力时，所述导流板会自动折叠。

根据本发明，还提出一种具有如上所述的转子叶片的风能设施。

此外，根据本发明，提出一种用于在风能设施的转子叶片上使用的导流板，其中所述导流板具有：

-根部边缘，其中所述根部边缘适合于，在转子叶片的后缘上设置，尤其沿着转子叶片的后缘设置，

-末端边缘，其中所述末端边缘适合于形成自由边缘，和

-在根部边缘和末端边缘之间的面，其中所述面在根部边缘和末端边缘之间具有至少一个弯曲的部分，并且所述面的至少一部分适合于，位于由转子叶片的吸力侧产生的剪切层中。

此外，根据本发明，提出一种用于优化风能设施的根据权利要求1所述的转子叶片的方法，其中所述方法具有以下步骤：

-确定转子叶片的流型，其中所述确定包括确定剪切层的位置，所述剪切层由转子叶片的吸力侧产生，和

-确定导流板的根部边缘与转子叶片的弦线之间的间距以及导流板的曲率，使得导流板的至少一部分位于剪切流中。

应理解的是，根据权利要求1所述的转子叶片，根据权利要求22所述的风能设施，根据权利要求24所述的导流板和根据权利要求24所述的方法具有类似和/或相同的优选的实施形式，如其尤其在从属权利要求中限定的那样。

附图说明

现在在下文中示例性地借助实施例参考附图详细地阐述本发明。

图1示出具有根据本发明的转子叶片的风能设施的示意图。

图2示意性地示出根据本发明的具有导流板的转子叶片的轮廓截面。

图3至5示意性地示出根据本发明的导流板的不同的实施形式。

具体实施方式

图1示出根据本发明的风能设施的示意图。所述风能设施100具有塔102和在塔102上的吊舱104。在吊舱104处设有具有三个根据本发明的转子叶片108和导流罩110的空气动力学转子106。所述空气动力学转子106在风能设施运行中通过风置于转动运动中，进而还转动与空气动力学转子106直接或间接耦联的发电机的电动转子或旋转件。所述发电机设置在吊舱104中并且产生电能。所述转子叶片108的桨距角能够通过在相应的转子叶片108的转子叶片根部处的变桨马达来改变。

图2示意性地示出穿过风能设施106的转子叶片的轮廓截面。在此，所述转子叶片201具有轮廓凸起202和后缘203。对于该轮廓，所述后缘203被设计为具有特定的后缘厚度的钝的后缘203。所述钝的后缘203优选从转子叶片201在转子上的起点向外延伸，其中钝的后缘203自转子叶片201的特定的长度起过渡到会聚的后缘中。此外，所述转子叶片201具有吸力侧204和压力侧205。弦线206从轮廓凸起202到后缘203限定了弦线方向，其中所述弦线方向在绘图中对应于x轴线方向。在转子叶片201的吸力侧204上产生剪切流，其中假定：空气沿弦线方向，即沿x方向围绕转子叶片201周围流动。所述剪切流在此延续超过从吸力侧204到后缘203的过渡部，意即在该实施形式中超过后缘203。

在此示出的转子叶片201的轮廓是纯示意性的，并且根据本发明的转子叶片201能够具有任意的有利的轮廓，只要所述轮廓至少部分地示出钝的后缘。

此外，转子叶片201根据本发明具有导流板207，其中所述转子叶片201的部分的，尤其是后缘203和导流板207的增大的部段208在图3至图5中详细地示出。

图3示出一个优选的导流板的第一实施形式，其中相同的附图标记表示相同的特征。在图3中所示出的导流板301具有根部边缘302和末端边缘303。在根部边缘302与末端边缘303之间，所述导流板301的面在弦线方向上，即在x方向上正弯曲。所述点304一方面表示所述导流板301的下述点，在该点处所述导流板301的面与转子叶片201的弦线206相距最大间距，另一方面，表示由所述吸力侧204产生的剪切流施加到导流板301上的点。在所述实施形式中，导流板301的根部边缘302设置在从吸力侧204到后缘203的过渡部的下方，但是设置在弦线206上方。因此，根部边缘302具有从根部边缘302到弦线206的间距305。在将导流板301设置在转子叶片201上时，所述间距305能够选择为，使得所述导流板301自点304起最佳地贴靠于剪切层。在根部边缘302和点304之间的间距308也同样能够选择为，使得所述导流板301的后部部分最佳地插入剪切层中，所述点304具有导流板301的面距弦线206的最大间距。所述导流板301沿着弦线方向在根部边缘302与末端边缘303之间的长度306又与根部边缘厚度307相关。

图4示出根据本发明的导流板的另一实施形式。也在该实施形式中，所述导流板401在从吸力侧204到后缘203的过渡部下方具有根部边缘402和末端边缘403。如在之前的实施形式中一样，所述点404限定了所述导流板401的面与转子叶片201的弦线206之间的最大间距，并且描述了如下点，在该点处所述剪切层贴靠于导流板401上。与导流板401的之前的实施形式不同，所述导流板401在直接连接于根部边缘402的第一部分中沿弦线方向，即x方向具有负曲率，而在伸展直至末端边缘403的第二部分中沿弦线方向具有正曲率。如在之前的实施形式中一样，在根部边缘402和弦线206之间的间距405根据剪切流的在从吸力侧204到后缘203中的过渡部之后的走向来确定并且被设定为，使得所述导流板401的正弯曲的部分至少部分地贴靠于剪切流。在根部边缘402和点404之间的间距408被相应地确定。在该实施形式中，导流板401的长度406也经由转子叶片201的后缘厚度407确定。

图5示出根据图4的实施形式的导流板的实施形式，其中导流板501再次具有根部边缘502、末端边缘503和点504，所述点示出导流板501距弦线206的最大间距。在该实施形式中，所述转子叶片201示出如下后缘轮廓，所述后缘轮廓与之前的附图的后缘轮廓不同。在本实施形式中，所述后缘509是倒圆的并且在位于吸力侧204和后缘509之间的过渡部处不具有锐利的边缘。也在这样的实施形式中，在弦线206和根部边缘502之间的间距505也能够被限定和设定为，使得导流板501的后部部分位于由吸力侧204产生的剪切层内。在根部边缘502和点504之间的间距508也在该实施形式中与在之前的实施形式中一样确定。此外，在这种情况下还能够限定后缘厚度507，根据所述后缘厚度507确定导流板501的长度506。所述后缘厚度507在此例如能够限定为，使得确定：转子叶片轮廓在转子叶片轮廓的哪些点处偏离有利于后缘的半径的期望的轮廓。然后，能够将这两点的彼此的间距定义为后缘厚度507。

在另一实施形式中，所述转子叶片具有格尼襟翼，其中所述导流板设置在格尼襟翼上。在该实施形式中，钝的后缘通过格尼襟翼限定，其中所述转子叶片本身不必具有钝的后缘。

在另一实施形式中，所述导流板能够与吸力侧延长部组合。在这种组合中，所述导流板能够用于防止在吸力侧延长部后方形成卡门街。在所述实施形式中，升力的改进能够完全或部分地由吸力侧延长部承担。在此，所述吸力侧延长部的末端边缘和导流板的末端边缘能够重合。

所示出的用于根据本发明的导流板的实施例不是排他性的。因此，在另一实施形式中，导流板可以沿弦线方向从根部边缘到末端边缘具有顺时针曲率。此外，从根部边缘开始，所述导流板能够首先沿弦线方向具有顺时针曲率，并且然后例如自导流板距弦线的最大间距的点起转为直线。在此，自距弦线的最大间距的点起，正曲率沿弦线方向连续减小，直到导流板变直。此外，所述导流板可以从根点向外自跟点起是笔直的，并且然后顺时针弯曲。在另一实施形式中，所述导流板也可以自根点起逆时针弯曲，然后具有边缘，并且在所述边缘之后沿弦线方向顺时针弯曲。

在一个优选的实施形式中，所述导流板的长度是后缘厚度的0.75-1.5倍，其中例如由于剪切层的走向，所述导流板也能够构成为更短的。

为了实现导流板的空气动力学效果，特别有利的是，最晚自导流板的从根部边缘到末端边缘测量的长度的三分之二起沿弦线方向开始顺时针弯曲。如果导流板具有曲率变化，例如从逆时针弯曲到顺时针弯曲的曲率变化，那么有利的是，所述曲率变化在从根部边缘到末端边缘测量导流板的长度的0％至80％之间发生。

在根部边缘与距弦线具有最大间距的点之间的、也称为坡高的间距能够通过在转子叶片的最佳迎角范围中的剪切流的走向来确定。此外，所述剪切流进而还有坡高能够与附加的安置在转子叶片上的部件，例如格尼襟翼相关。在此可行的是，实验性地例如通过风洞测量或借助于2d或3d计算机仿真来确定剪切流的走向。相应地还可行的是，确定在根部边缘与弦线之间的间距的以及坡高的最佳位置，使得所述导流板的弯曲的面位于剪切层中。尽管上文示出的所有实施形式均示出：根部边缘设置在弦线上方，但是也可行的是，将根部边缘设置在弦线下方。此外，导流板的末端边缘能够位于根部边缘的上方和下方。