用于风能设备的转子叶片和方法与流程
本发明涉及用于风能设备的转子叶片、风能设备、风电场以及用于铺设两段式的转子叶片的方法。
背景技术：
开头提到类型的风能设备是已知的。目前最常见的类型的风能设备是所谓的水平轴风能设备，其通常配设有三个转子叶片，其中具有一个、两个、四个或更多个转子叶片的风能设备也是可能的。这种风能设备越来越多地具有更大的构造方式，以便一方面可以实现更高的额定功率并且另一方面能实现更好的风能利用，其中最终风能设备的经济性的升高是目标。
风能设备的更大的构造方式例如可以具有更大的毂高度或更大的转子直径或转子叶片长度。因此，这种风能设备可以具有更大的发电机和/或更大的馈入功率。尤其，更大的转子直径然而一般来说也引起风能设备处的更大的力和力矩。更大的力例如通过更长的转子叶片的更大的离心力和/或弯曲力矩引起。
因为转子叶片通常从风能设备的生产地点运输至安装地点并且在那安装在毂上，所以通常使用分段式转子叶片，尤其在转子叶片具有大的纵向伸展的情况下，是必要的或有利的。分段式转子叶片能比不分段的转子叶片更简单地运输。分段式转子叶片沿纵向方向具有两个或更多个相邻的部段，例如从de102014206670a1中已知。尤其在森林地区或山区中的安装地点可能需要分段式转子叶片，由此至安装地点的运输才可实现。
传统的、两段式的转子叶片的缺点是，这些转子叶片由于分离部位而不具有空气动力学优化的型材或仅具有限制的空气动力学优化的型材。因此，风能设备的效率或产率降低，并且还不利地影响力曲线和/或力矩曲线。
德国专利商标局在本申请的优先权申请中检索到如下现有技术：de102012206109b3；de102015116634a1和de102016201114a1。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是，提供用于风能设备的转子叶片、风能设备、风电场以及用于铺设两段式的转子叶片的方法，其减少或消除一个或多个提到的缺点。此外，本发明的目的是，提供一种解决方案，其减少风能设备处的设备负荷和/或提高风能设备的产率。
根据本发明的第一方面，开头提到的目的通过用于风能设备的转子叶片实现，所述转子叶片沿纵向方向以可变的型材深度从叶片接口延伸至叶片尖部，其中转子叶片在分离部位处分开并且在分离部位处具有分离部位型材深度，转子叶片的从叶片接口起始的相对叶片长度限定在0％至100％之间的叶片长度数值范围内，分离部位设置在25％和50％之间的叶片长度数值范围内，朝向叶片接口的转子叶片部段和背离叶片接口的转子叶片部段针对转子叶片的常规运行能够在分离部位处连接，深度比例由可变的型材深度和分离部位型材深度定义，发展度量值定义为深度比例沿相对叶片长度方向的梯度，并且发展度量值在分离部位的区域中小于-1。
转子叶片优选具有理想化地平面的延伸，所述延伸由沿纵向方向的纵向延伸以及由基本上相对于其垂直伸展的型材深度形成。型材深度尤其描述转子叶片的从转子叶片的前棱边至后棱边的延伸。型材深度因此可变地构成，因为转子叶片沿型材深度方向的延伸基本上是不恒定的。虽然如此，转子叶片也可以具有部段，在所述部段中型材深度基本上是恒定的。垂直于纵向延伸和垂直于型材深度，转子叶片具有转子叶片厚度。
转子叶片沿着纵向方向分为两个部段，所述部段在分离部位处彼此接触。分离部位可以完全地或部段地基本上垂直于转子叶片的纵向方向延伸。分离部位优选具有分开平面，所述分开平面对应于一个或两个转子叶片部段的对接面。分离部位可以设置为，使得转子叶片的纵向方向平行于分离部位的分开平面的平面垂直线定向。分开平面在此情况下基本上具有沿型材深度和转子叶片深度方向的延伸。
替选地或附加地优选的是，分离部位的分开平面完全地或部段地倾斜于转子叶片的纵向方向定向。分离部位的倾斜的分开平面尤其意味着，分开平面一方面沿转子叶片厚度方向延伸，然而也还沿转子叶片的纵向方向和沿型材深度方向延伸。此外，分离部位也可以具有其他几何形状，例如所述分离部位可以锯齿形地延伸。
可变的型材深度在分离部位处具有一个数值，即分离部位型材深度。如果分离部位的曲线不能实现用于求得型材深度的具体数值或能实现用于分离部位型材深度的多个数值，那么优选的是由可能的分离部位型材深度形成中间值。这例如可以在倾斜的分开平面或锯齿形的分离部位时是这种情况。此外，也可以使用最小分离部位型材深度或最大分离部位型材深度。
相对叶片长度总是具有0％和100％之间的叶片长度值。0％的叶片长度值优选与叶片接口相关联。100％的叶片长度值还优选与叶片尖部相关联。分离部位设置在25％和50％之间的叶片长度数值范围内。
也就是说，在例如具有50米的长度的转子叶片中，分离部位与叶片接口间隔开10米和20米之间。
通过划分转子叶片，转子叶片具有基本上两个转子叶片部段，即朝向叶片接口的转子叶片部段和背离叶片接口的转子叶片部段。朝向叶片接口的转子叶片部段是一侧邻接于分离部位并且还具有叶片接口或朝向所述叶片接口的转子叶片部段。朝向叶片接口的转子叶片部段在转子叶片的常规运行中还朝向风能设备的毂进而包括转子叶片的近侧端部。背离叶片接口的转子部段是一侧邻接于分离部位并且还具有叶片尖部或邻接于所述叶片尖部的转子叶片部段。由此，背离叶片接口的转子叶片部段包括转子叶片的远侧端部。
深度比例由可变的型材深度和分离部位型材深度得出。由此，深度比例由可变的型材深度和恒定的分离部位型材深度确定。由此，在分离部位本身处，深度比例通常总是等于1。通常，深度比例在0％至分离部位的叶片长度数值范围内具有大于1的数值。在从分离部位至100％的叶片长度数值的范围内，深度比例通常具有小于1的数值。
发展度量值作为深度比例沿相对叶片长度方向的梯度求得。发展度量值由此尤其通过深度比例对相对叶片长度的求导计算。在分离部位的区域中，发展度量值小于-1。也就是说，深度比例在分离部位的区域中相对大程度地减小。
本发明还基于如下认识，在分段式转子叶片中通过型材深度从分离部位朝向叶片尖部的流畅的减少来降低设备负荷。为了安装，在分离部位处然而也保持最小绝对叶片厚度，所述叶片厚度影响转子叶片的空气动力学的设计。为了可以有效地利用分段式转子叶片的逻辑优点，而这不会随着更强提高的设备负荷的缺点再减少，提出小于-1的在分离部位的区域中的发展度量值。
分离部位的区域还可以沿转子叶片的纵向方向延伸。优选地，分离部位的区域沿转子叶片的纵向方向从朝向叶片接口的区域下边界延伸至背离叶片接口的区域上边界。区域下边界优选与分离部位朝叶片接口的方向以小于0.1％、0.5％、1％、2％、5％和/或7％的相对叶片长度的延伸间隔开。区域上边界优选与分离部位朝叶片尖部方向以小于0.1％、0.5％、1％、2％、5％和/或7％的相对叶片长度的延伸间隔开。
根据转子叶片的另一优选的实施变型形式提出，分离部位设置在32％和40％之间的叶片长度数值范围内。
本发明还基于如下认识，有利的是，型材深度在背离叶片接口的转子叶片部段中尽可能快地减小，以便可以实现在转子叶片处的结构改进。尤其由此可以补偿分段式转子叶片的提高的转子叶片质量的缺点。此外，改善了转子叶片的效率，使得产率可以升高。
本发明此外基于如下认识，相对转子叶片厚度，即转子叶片厚度与型材深度的比例的减小引起空气动力学优点。优选地，相对叶片厚度在分离部位处位于0.4至0.5的厚度范围内。还优选将构造尺寸定义为相对转子叶片厚度关于相对于叶片长度的范围的定积分，其中积分的下边界确定为相对叶片长度的20％的位置，并且构造尺寸可针对上边界的任意值评估，其中针对相对叶片长度的45％的上边界的构造尺寸为至少0.1和/或针对相对叶片长度的80％的上边界的构造尺寸为至少0.2。
在转子叶片的一个优选的实施变型形式中提出，在25％和50％之间的叶片长度数值范围内，尤其在32％和40％之间的叶片长度数值范围内的发展度量值，在分离部位的区域中是最小的。由此，在分离部位的区域中，发展度量值在本实施变型形式中具有局部最小值。不受此影响，其他转子部段的发展度量值可以采用小于在分离部位处的数值的数值，只要这些转子叶片部段不位于25％和50％之间的叶片长度数值范围内。通过在25％和50％之间的叶片长度数值范围内的小的发展度量值实现空气动力学有利的转子叶片。尤其，在该转子叶片中有利地降低设备负荷。
根据转子叶片的另一优选的实施变型形式提出，发展度量值在分离部位的区域中位于-3和-1之间的度量值数值范围内，特别优选位于-2.5和-2之间的度量值数值范围内。此外，在50％和90％之间，尤其55％和80％之间的叶片长度数值范围内的发展度量值可具有升高的数值。还优选的是，在25％和50％之间，尤其32％和40％之间的叶片长度数值范围内的发展度量值小于-1。还优选的可以是，在25％和50％之间，尤其32％和40％之间的叶片长度数值范围内的发展度量值小于-1.5，和/或-2，和/或-2.2，和/或-2.4。
转子叶片的另一优选的改进方案的特征在于，在60％和80％之间的叶片长度数值范围内的发展度量值位于-1.1和-0.5之间的度量值数值范围内。还优选的是，从25％的相对叶片长度朝向分离部位，发展度量值减小，和/或从分离部位朝向90％的相对叶片长度，发展度量值增加。根据一个或多个前述实施变型形式的具有发展度量值的转子叶片引起进一步优化的转子叶片。尤其，每个单个实施变型形式造成转子叶片的空气动力学改进。因此，设备负荷进一步降低。同时改善转子叶片的强度和/或提高产率。
在另一实施方式中，在5％和20％之间，尤其10％和20％之间的叶片长度数值范围内的深度比例位于1.1和1.3之间，尤其1.15和1.25之间的深度数值范围内，和/或在90％和100％之间，尤其95％和100％之间的叶片长度数值范围内的深度比例位于0.1和0.2之间的深度数值范围内，和/或在40％和70％之间的叶片长度数值范围内的深度比例位于0.4和0.75之间的深度数值范围内。
在转子叶片的一个优选的实施变型形式中还提出，转子叶片沿纵向方向的纵向延伸为至少40米。此外，转子叶片沿纵向方向的纵向延伸可以为至少40米。此外，根据一个或多个上述实施变型形式的转子叶片是尤其适合的，以便与其他所需的部件组合构成弱风风能设备。优选地，在此涉及弱风转子叶片，其中转子叶片优选构成为，使得其适合于具有大于或等于4百万瓦特的额定功率的风能设备。
根据本发明的另一方面，所述目的通过具有至少一个根据前述实施变型形式之一的转子叶片的风能设备实现。优选地，风能设备构成为弱风风能设备。此外，风能设备可以具有大于或等于4百万瓦特的额定功率。
此外，所述目的通过具有根据上一项权利要求的两个或更多个风能设备的风电场实现。风电场可以包括一个、两个或更多个弱风风能设备。此外优选的是，两个或更多个风能设备中的至少一个具有大于等于4百万瓦特的额定功率。
根据另一方面，开头提到的目的通过用于铺设用于风能设备的两段式转子叶片的方法实现，所述转子叶片沿纵向方向以可变的型材深度从叶片接口延伸至叶片尖部，其中转子叶片沿纵向方向在分离部位处分开并且在分离部位处具有分离部位型材深度，转子叶片的从叶片接口起始的相对叶片长度限定在0％至100％之间的叶片长度数值范围内，朝向叶片接口的转子叶片部段和背离叶片接口的转子叶片部段针对转子叶片的常规运行能够在分离部位处连接，深度比例由型材深度和分离部位型材深度定义，所述方法包括：将分离部位在25％和50％之间的叶片长度数值范围内确定，并且使用发展度量值，所述发展度量值定义为深度比例沿相对叶片长度方向的梯度，其中发展度量值在分离部位的区域中小于-1。
还优选的是，在25％和50％之间的叶片长度数值范围内的发展度量值在分离部位的区域中是最小的。
在方法的另一优选的实施变型形式中提出，在50％和90％之间，尤其55％和80％之间的叶片长度数值范围内具有升高的数值，和/或在分离部位的区域中位于-3和-1之间的度量值数值范围内，特别优选位于-2.5和-2之间的度量值数值范围内。
分离部位的区域还可以沿转子叶片的纵向方向延伸。优选地，分离部位的区域沿转子叶片的纵向方向从朝向叶片接口的区域下边界延伸至背离叶片接口的区域上边界。区域下边界优选从分离部位朝叶片接口方向以小于0.1％、0.5％、1％、2％、5％和/或7％的相对叶片长度的延伸间隔开。区域上边界优选与分离部位朝叶片尖部方向以小于0.1％、0.5％、1％、2％、5％和/或7％的相对叶片长度的延伸间隔开。
还优选的可以是，在60％和80％之间的叶片长度数值范围内，发展度量值位于-1.1和-0.5之间的度量值数值范围内。
还优选的是，从20％，尤其25％的相对叶片长度朝向分离部位，发展度量值减小，和/或从分离部位朝向90％的相对叶片长度，发展度量值增加。
根据本发明的方法及其可能的改进方案具有特征或方法步骤，其尤其适合于针对根据本发明的转子叶片及其改进方案使用。针对这些其他方面的另外的优点、实施变型形式和实施细节及其可能的改进方案也参照对于转子叶片的相应的特征和改进方案的之前进行的描述。
附图说明
其他优点和优选的设计方案下面参照附图的实施例更准确地描述。在此示出：
图1示意地且示例地示出风能设备；
图2示意地且示例地示出转子叶片的俯视图；
图3示意地且示例地示出图2中的转子叶片的横截面视图；
图4示意地且示例地示出深度比例关于用最大转子叶片长度归一化的转子叶片的叶片长度的曲线；以及
图5示出发展度量值关于用最大转子叶片长度归一化的转子叶片的叶片长度的示意的且示例的曲线。
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上设置有转子106，所述转子具有三个转子叶片108和导流罩110。转子106在运行中由风置于转动运动中进而驱动吊舱104中的发电机。导流罩110包套转子106的未示出的转子毂。
转子叶片108分别是两段式的并且具有分离部位109。在分离部位109上，各一个朝向叶片接口的转子叶片部段112和背离叶片接口的转子叶片部段114彼此接触。转子叶片108基本上由朝向叶片接口的转子叶片部段112和背离叶片接口的转子叶片部段114构成。在转子叶片108的优选的实施变型形式中也构成每个转子叶片108设有两个或更多个分离部位109的可能性。
分段式的转子叶片108能比不分段的转子叶片108更简单地运输并且还提供生产中的优点，例如通过使用绕线技术。尤其优选的是，朝向叶片接口的转子叶片部段112借助于绕线技术制造，由此能实现快速且低成本的生产。然而这种分段式转子叶片108的已知的缺点是，转子叶片108的与类似尺寸的不分段的转子叶片相比通常更高的总质量。尤其优选的是，背离叶片接口的转子叶片部段114具有小的重量。朝向叶片接口的转子叶片部段112和背离叶片接口的转子叶片部段114例如可以在叶片内侧上彼此连接，其中尤其螺纹连接是优选的。为了在实践中可以实现这种连接，特别优选的是，转子叶片108在分离部位109处具有1.7至1.8米的转子叶片厚度。为了定义转子叶片厚度参照图3的下述说明。伸展尤其在转子叶片内部沿转子叶片厚度方向优选为1.7m或更长，以便能实现简单的安装。
转子叶片108优选借助发展度量值铺设。发展度量值由深度比例沿相对叶片长度方向的梯度得出。深度比例由可变的型材深度与分离部位型材深度得出。
根据本发明证实为特别优选的是，发展度量值在分离部位109的区域中设计为，使得所述发展度量值采用小于-1的数值。这种转子叶片108具有型材深度曲线，其具有型材深度在分离部位的区域中的大幅减小。这能够实现获得如下转子叶片，其将预期的设备负荷，空气动力学效率，然而还有转子叶片108的总质量作为整体适当地考虑。
图2示出转子叶片200的另一优选的实施变型形式的示例的和示意的示图。转子叶片200沿纵向方向l从叶片接口202延伸至叶片尖部204。在此涉及两段式的转子叶片，其具有分离部位209。转子叶片200的一个部段邻接于分离部位209并且邻接于叶片接口202或者包括叶片接口202，该部段是朝向叶片接口的转子叶片部段212。另一转子叶片部段背离叶片接口并且邻接于叶片尖部204或包括叶片尖部204，该部段是背离叶片接口的转子叶片部段214。沿型材深度t的方向，转子叶片从前棱边206朝后棱边208延伸。型材深度通常对应于从前棱边206至后棱边208的间距。图2的转子叶片200例如可以是图1的转子叶片108之一。
转子叶片200的在图3中示出的横截面表示在分离部位的区域中的横截面。在分离部位处存在的型材深度是分离部位型材深度210。通过转子叶片200的相应的几何构造，转子叶片具有吸入侧216和压力侧218。转子叶片厚度d垂直于转子叶片200的型材深度t的方向和转子叶片200的纵向方向l伸展。要观察的是，在分离部位的区域中与转子叶片200的图3中示出的实例不同地也使用具有钝的或厚的后棱边的型材，所谓的平背型材。
图4中的深度比例300的曲线示出沿着转子叶片纵向方向从叶片接口朝向叶片尖部的减少的曲线。在示出的图表中，转子叶片沿纵向方向的纵向延伸在归一化的示图中示出，使得转子叶片的从叶片接口起始的相对叶片长度在0％至100％之间的叶片长度数值范围内示出。尤其要认识到的是，深度比例在分离部位的区域310中在大约28％的相对叶片长度的范围内等于1。深度比例tv尤其由下述函数得出：
在此t是转子叶片200的在转子叶片的相对位置
在图5中示出发展度量值的两个曲线。第一曲线330表示用于传统的、一件式的转子叶片的第一发展度量值的曲线。深度比例的梯度沿相对叶片长度方向定义为发展度量值e，所述深度比例对于在一件式的转子叶片中缺少实际的分离部位的情况下的第一曲线330定义为可变的型材深度和在大致0.3的相对叶片长度的范围内的假设的分离部位处的型材深度的比例。
第二曲线350表示根据本发明的转子叶片的第二发展度量值。尤其可见的是，在分离部位的区域352中存在发展度量值的局部最小值。仅在叶片尖部的区域354中，发展度量值的数值还是更小的，这归因于转子叶片的叶片尖部的或远侧端部的特殊变形。发展度量值e基本上由深度比例沿相对叶片长度的梯度得出：
在第二曲线350中还可见，发展度量值在分离部位的区域中位于-3和-1之间的度量值数值范围内。尤其，发展度量值在分离部位的区域中位于-2.4和-2.0之间的度量值数值范围内。在50％和90％之间的叶片长度数值范围内，发展度量值示出升高的数值。还可见的是，发展度量值在25％和50％之间的叶片长度数值范围内，尤其在32％和40％之间的叶片长度数值范围内小于-1。第二曲线350还具有如下曲线，使得在60％和80％之间的叶片长度数值范围内发展度量值位于-1.1和-0.5之间的度量值数值范围内。
发展度量值的数值还从20％，尤其25％的相对叶片长度朝向分离部位减小。此外，发展度量值从分离部位朝向90％的相对叶片长度增加。
附图标记列表
100风能设备
102塔
104吊舱
106转子
108，200转子叶片
109，209分离部位
110导流罩
112，212朝向叶片接口的转子叶片部段
114，214背离叶片接口的转子叶片部段
202叶片接口
204叶片尖部
206前棱边
208后棱边
210分离部位型材深度
216吸入侧
218压力侧
300深度比例的曲线
310，352分离部位的区域
320叶片长度数值范围
330第一发展度量值的第一曲线
350第二发展度量值的第二曲线
354叶片尖部的区域
d转子叶片厚度
l纵向方向
t型材深度
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