本发明涉及一种风能设备的转子叶片以及一种用于设计风能设备的转子叶片的方法。本发明尤其涉及一种两件式的或多件式的转子叶片以及与其相关的方法。
背景技术：
用于风能设备的转子叶片是已知的。过去大多使用一件的、不分段的转子叶片，所述转子叶片鉴于尺寸变得越来越大而逐渐地达到极限，尤其运输相关的极限。
出于该原因，由此开始制造分段的转子叶片，其能比不分段的转子叶片更容易运输，并且在施工现场由装配工安装。分段的转子叶片在设计和规划转子叶片时带来一些挑战，因为尤其要考虑在施工现场的可安装性然而还有由于连接部位而提高的叶片质量，从而要考虑作用于设备的相对于一件式的设计预期的附加负荷。
技术实现要素：
出于该背景，本发明的一个目的是，提供一种分段的转子叶片，所述转子叶片根据可能性使得分段的转子叶片的已知的缺点后果和困难最小化。
所述目的根据本发明通过一种风能设备的转子叶片实现，其中转子叶片沿纵向方向在分离部位处分为至少一个靠近毂的转子叶片部件和远离毂的转子叶片部件，其中为了运行风能设备，靠近毂的转子叶片部件和远离毂的转子叶片部件能够在分离部位处连接，其中在分离部位处，翼型厚度与翼型深度的比，所谓的相对厚度，位于0.4至0.5的范围内。
在分离部位处的在0.4至0.5的范围内的相对厚度是不期望高的数值。本发明的认识正是在于，尽管相对厚度的数值高，但是结果上可预期有利的叶片。即出于空气动力学观点，具有高的相对厚度的翼型是不利的，因为该翼型一方面相比于具有较低的相对厚度的翼型具有更差的升阻比，另一方面通常也具有更低的升力系数。然而，该出于空气动力学观点不利的效果通过如下方式得到补偿，即具有较高的相对厚度的翼型带来结构上的优点，所述优点尤其能够实现转子叶片的更轻的结构。通过根据本发明选择的0.4至0.5的范围，可实现由空气动力学方面有效果的叶片和对于两件式的转子叶片相对低的设备负荷构成特别有利的组合。
特别优选地，在分离部位处的相对厚度在0.42至0.46的范围内。已证实的是，可实现尤其在所述数值范围内特别有效的两件式的转子叶片。
在一个实施方式中，在分离部位处连接的靠近毂的和远离毂的转子叶片部件的长度总和得出转子叶片的叶片长度，其中分离部位位于叶片长度的从毂起观察25％至38％的范围中，尤其位于叶片长度的从毂起观察27％至33％的范围中。
与转子叶片的周围部位相比，分离部位总是与更高的局部重量相关联。出于该原因，实际上期望的是，使分离部位尽可能靠近转子毂。然而由此消除了两件式的或多件式的转子叶片的优点，即尤其与运输相关的优点。这些在理想情况下将意味着，要将分离部位设在叶片长度的50％的范围内。已证实的是，作为在转子叶片的出现的质量分布和两件式的或多件式的转子叶片的优点的充分利用之间的折衷，特别有效的是，将分离部位设在叶片长度的25％和38％之间尤其叶片长度的27％和33％之间的窄的范围内。
在一个实施方式中，转子叶片在分离部位处的绝对厚度至少为1.70m。
通过转子叶片在分离部位处的绝对厚度至少为1.70m，对于装配工可能的是，到达转子叶片之内的分离部位并且将两个转子叶片部件在分离部位处彼此连接。对在分离部位处的绝对厚度连同分离部位的位置和在分离部位处的相对厚度的要求造成如下转子叶片，其可在普遍已知的运输限制内实施。尤其这样构成的转子叶片不造成为运输带来困难的翼型深度。
在一个实施方式中，在相对叶片长度的第一位置和相对叶片长度的第二位置之间的平均相对厚度被定义为从第一位置到第二位置的相对厚度的定积分与在第一位置和第二位置之间的间距的比。
优选地，相对叶片长度的20％至30％的平均相对厚度至少为0.460。
替选地或附加地，相对叶片长度的20％至50％的平均相对厚度优选至少为0.390。
替选地或附加地，相对叶片长度的20％至70％的平均相对厚度优选至少为0.33，尤其至少为0.35。
已证实，尤其叶片长度的0％至20％的靠近毂的范围可以基本上不受作为两件式的或多件式的转子叶片的设计影响地进行设计。然而，在相对叶片长度的从20％起，尤其直至30％或50％或70％的范围中，本发明的一个认识在于，平均相对厚度呈现比这在已知的转子叶片中尤其在已知的一件式的转子叶片中的情况下明显更大的值。换言之，在分离部位处已经过高的在0.4至0.5的范围内的相对厚度明显高于转子叶片的其他范围，使得在转子叶片的其他范围上也存在超过平均水平的高的相对厚度。
本发明的认识正是在于，尽管相对厚度的值高，但是结果上可预期有利的叶片。即出于空气动力学观点，具有高的相对厚度的翼型是不利的，因为该翼型一方面相比于具有较低的相对厚度的翼型具有更差的升阻比，另一方面通常也具有更低的升力系数。但是，该出于空气动力学观点不利的效果通过如下方式得到补偿，即通过同时实现的结构上的优点抵消在两件式的转子叶片中与较高的相对厚度相关联的空气动力学缺点。这尤其通过如下方式实现，即可以通过较高的相对厚度保持外叶片质量低。
在一个实施方式中，结构量值被定义为相对厚度在相对叶片长度的范围内的定积分，其中积分的下限规定到叶片长度的20％的位置，并且能够对于任意上限值求得结构量值。
优选地，对于叶片长度的45％的上限，结构量值至少为0.1。
替选地或附加地，对于叶片长度的80％的上限，结构量值优选至少为0.2。
替选地或附加地，对于叶片长度的45％的上限，结构量值优选最高为0.12。
替选地或附加地，对于叶片长度的80％的上限，结构量值优选最高为0.24。
这样定义的结构量值被证实为特别适合于将包含分离部位的内叶片的大的质量在进一步的叶片伸展上进行补偿，而不会负面地影响设备负荷。如果在转子叶片的设计中将结构量值保持在优选的范围内，那么据此作为结果得到特别优化地设计的两件式的或多件式的转子叶片。
所述目的还通过一种具有至少一个根据本发明的转子叶片的风能设备来实现。通过使用根据本发明的转子叶片也改进了根据本发明的风能设备。尤其，根据本发明的转子叶片的有利的设计方案也可以类似地应用到风能设备上。
所述目的还通过一种具有多个根据本发明的风能设备的风电场来实现。多个根据本发明的风能设备促进风电场的优化。尤其根据本发明的转子叶片和风能设备的有利的设计方案也可以类似地应用于风电场。
所述目的还通过一种用于设计风能设备的转子叶片的方法来实现。转子叶片沿纵向方向在分离部位处分为至少一个靠近毂的转子叶片部件和远离毂的转子叶片部件，其中为了运行风能设备，能够将靠近毂的转子叶片部件和远离毂的转子叶片部件在分离部位处连接。所述方法包括如下步骤：将在分离部位处的翼型厚度与翼型深度的比，所谓的相对厚度，规定在0.4至0.5的范围内，尤其0.42至0.46的范围内。
根据本发明的方法能够实现达到与通过根据本发明的转子叶片所实现的优点相同的优点。尤其执行根据本发明的方法引起根据本发明的转子叶片。转子叶片的实施方式的优选的设计方案也能以类似方式转到方法上。
在所述方法的一个实施方式中，为了设计转子叶片，根据平均相对厚度进行在分离部位处的结构上需要的更高的相对厚度与在分离部位处的空气动力学方面期望的更小的相对厚度之间的折中，其中将在相对叶片长度的第一位置和相对叶片长度的第二位置之间的平均相对厚度定义为从第一位置到第二位置的相对厚度的定积分与在第一位置和第二位置之间的间距的比。
优选地，相对叶片长度的20％至30％的平均相对厚度至少为0.460。
替选地或附加地，相对叶片长度的20％至50％的平均相对厚度优选至少为0.390。
替选地或附加地，其中相对叶片长度的20％至70％的平均相对厚度优选至少为0.33，尤其至少为0.35。
在所述方法的一个实施方式中，为了设计转子叶片，根据结构量值进行在分离部位处的结构上需要的更高的相对厚度与在分离部位处的空气动力学方面期望的更小的相对厚度之间的折中，其中将结构量值定义为相对厚度在相对长度的范围内的定积分，其中积分的下限规定到叶片长度的20％的位置，并且能够对于任意上限值求得结构量值。
优选地，对于叶片长度的45％的上限，结构量值至少为0.1。
替选地或附加地，对于叶片长度的80％的上限，结构量值优选至少为0.2。
替选地或附加地，对于叶片长度的45％的上限，结构量值优选最高为0.12。
替选地或附加地，对于叶片长度的80％的上限，结构量值优选最高为0.24。
附图说明
下面，参照附图的实施例更准确地描述其他优点和优选的设计方案。
在此示出：
图1示意地和示例地示出风能设备；
图2示意地和示例地示出转子叶片的相对叶片厚度的曲线；
图3示意地和示例地示出结构量值关于转子叶片的以最大转子叶片长度标准化的叶片长度的曲线；以及
图4示意地和示例地示出平均相对厚度关于转子叶片的以最大叶片长度标准化的叶片长度的曲线。
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上设置有具有三个转子叶片108和一个导流罩110的转子106。转子106在运行中由风置于转动运动中从而驱动吊舱104中的发电机。导流罩110包套转子106的转子毂(未示出)。
转子叶片108分别是两件式的并且具有分离部位109，所述分离部位将靠近毂的转子叶片部件与远离毂的转子叶片部件分离。在其他实例中，同样可考虑多于两件的，例如三件或四件式的转子叶片108，所述转子叶片具有多于一个分离部位。
分段的转子叶片108能比不分段的转子叶片108更简单地运输并且还提供在生产方面的优点，例如通过使用缠绕技术提供。然而，分段的转子叶片108的已知的缺点是与类似尺寸的不分段的转子叶片108相比通常更高的叶片质量。所示出的两件式的转子叶片108据此通常造成风能设备100的更高的负荷。
为了安装，例如将靠近毂的转子叶片部件和远离毂的转子叶片部件在分离部位109处在施工现场从叶片内侧旋拧。为了这能够由装配工保证，转子叶片108在分离部位109处的厚度例如至少为1.70m。在分离部位109处的厚度较小的情况下，相应地提出其他连接方案。
为了最优的负荷分布，分离部位109具有柱形翼型，所述柱形翼型具有在范围1内的相对厚度。然而，因为分离部位109位于转子叶片108的范围中，尤其位于叶片长度的25％至38％的范围中，在该范围处已经可感觉到对收益的明显影响，所以进行翼型确定。出于空气动力学的原因据此得出在分离部位109处的翼型的相对厚度，也就是说在分离部位109处叶片厚度与叶片深度的比，应尽可能小。然而，在分离部位的范围中的小的相对厚度，这直接由相对叶片厚度的定义得出，会造成在分离部位109处的大的叶片深度，这相反对于设备负荷以及转子叶片108的运输都起到不利作用。
根据本发明，证实为特别优选的是，将分离部位规定在0.4至0.5，尤其0.42至0.46的范围内的相对厚度。这能够实现得到如下转子叶片，所述转子叶片将预期的负荷、空气动力学效果然而还有转子叶片108的质量作为整体适当地考虑。
与一件式的转子叶片相比，尤其由于分离部位109，由此得出在转子叶片108的靠近毂的范围中的高的相对厚度。
图2示意地和示例地示出两件式的根据本发明的转子叶片108的相对叶片厚度的曲线210。相比之下，在相同的图中，将已知的一件式的转子叶片的相对叶片厚度的曲线220作为线示出。可以看到的是，在转子叶片长度的广泛的伸展上，相对厚度曲线210高于相对厚度曲线220。也就是说根据本发明的两件式的转子叶片108在广泛的伸展上具有比已知的转子叶片更大的相对厚度，以便保持外叶片的质量低从而尽可能补偿包含分离部位109的内叶片的大的质量，并且在设备负荷方面保持转子叶片108的总质量尽可能小。
分离部位109的范围用箭头230表明。在用箭头240表示的转子毂的范围中，已知的厚度曲线220具有圆柱形的翼型，这在为1的相对厚度处可见。同样已知其他翼型曲线220，所述翼型曲线不在毂范围240中示出圆柱形状。然而与根据本发明的转子叶片108相比，所有已知的转子叶片或其厚度曲线220在分离部位230的范围中，也就是说尤其在转子叶片长度的25％和38％之间，具有明显低于厚度曲线210的相对厚度。
在图2以及进一步在图3和4中，水平轴上标出标准化的转子叶片半径，也就是说从毂开始沿转子叶片的纵向方向已经以转子叶片的长度标准化的位置。
由此，根据本发明实现如下目的，将在空气动力学方面关键的具有大的相对厚度的翼型相对于在结构上有利的厚度分布曲线进行折中。这由于分离部位109而尤其在两件式的或多件式的转子叶片108中变得特别困难。为了解决问题，本发明提出量值f，其基本上对应于相对厚度的积分：
在此，d是在相对位置
量值f的曲线示意地针对多个不同的转子叶片在图3中示出。作为积分下限x1在此数值0.2证实为特别有利的。量值f的曲线310在此对应于针对根据本发明的转子叶片108计算的曲线，而曲线320对应于已知的一件式的转子叶片的比较曲线。可见的是，量值f针对根据本发明的转子叶片108呈现比针对已知的一件式的转子叶片的情况更大的数值。应注意的是，于是为了计算量值仅使用不具有单位的相对变量。当然也可以替选地使用其他量值，其考虑根据本发明的转子叶片108的特征曲线。
图4示出另一实例，其中标出不同转子叶片关于相对叶片位置的平均相对厚度。在此，同样曲线410对应于根据本发明的转子叶片108的平均相对厚度的示例曲线，其中曲线420示例性表示已知的一件式的转子叶片。根据本发明的转子叶片的平均相对厚度在整个绘出的范围内明显高于已知的转子叶片的曲线420。换言之，在叶片的相对叶片长度的0.2和0.8之间的中间范围中，曲线410总是高于已知的一件式的转子叶片设计的曲线420。
在本实例中确定对于从相对叶片半径的0.2起的范围的平均相对叶片厚度。也就是说，确定从0.2直至在水平线上标出的数值的范围。为了计算，例如可以求得具有下限x1＝0.2的量值f并且将结果除以被研究的数值为0.2的间距。当然也可以将其他范围用于判断平均相对厚度，所述范围不必要在0.2处开始。因此，例如也可以研究相对叶片半径的从0.1或0.3起的范围。
1.一种风能设备(100)的转子叶片(108)，其中
所述转子叶片(108)沿纵向方向在分离部位(109)处分为至少一个靠近毂的转子叶片部件和远离毂的转子叶片部件，其中
为了运行所述风能设备(100)，所述靠近毂的转子叶片部件和所述远离毂的转子叶片部件能够在所述分离部位(109)处连接，
其特征在于，
在所述分离部位(109)处，翼型厚度与翼型深度的比，所谓的相对厚度，位于0.4至0.5的范围内，尤其位于0.42至0.46的范围内。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(108)，其中
在所述分离部位(109)处连接的靠近毂的和远离毂的转子叶片部件的长度总和得出所述转子叶片(108)的叶片长度，其中
所述分离部位(109)位于叶片长度的从毂起观察25％至38％的范围中，尤其位于叶片长度的从毂起观察27％至33％的范围中。
3.根据上述权利要求中任一项所述的转子叶片(108)，其中
所述转子叶片(108)在所述分离部位(109)处的绝对厚度至少为1.70m。
4.根据上述权利要求中任一项所述的转子叶片(108)，其中
在相对叶片长度的第一位置和相对叶片长度的第二位置之间的平均相对厚度被定义为从所述第一位置到所述第二位置的相对厚度的定积分与在第一位置和第二位置之间的间距的比，
其中所述相对叶片长度的20％至30％的平均相对厚度至少为0.460，和/或
其中所述相对叶片长度的20％至50％的平均相对厚度至少为0.390，和/或
其中所述相对叶片长度的20％至70％的平均相对厚度至少为0.33，优选至少为0.35。
5.根据上述权利要求中任一项所述的转子叶片(108)，其中
结构量值被定义为相对厚度在相对叶片长度的范围内的定积分，其中积分的下限规定到叶片长度的20％的位置，并且能够对于任意上限值求得结构量值，其中
对于所述叶片长度的45％的上限，所述结构量值至少为0.1，和/或
对于所述叶片长度的80％的上限，所述结构量值至少为0.2。
6.根据权利要求5所述的转子叶片(108)，其中
对于所述叶片长度的45％的上限，所述结构量值最高为0.12，和/或
对于所述叶片长度的80％的上限，所述结构量值最高为0.24。
7.一种具有至少一个根据上述权利要求中任一项所述的转子叶片(108)的风能设备(100)。
8.一种具有多个根据权利要求7所述的风能设备(100)的风电场。
9.一种用于设计风能设备(100)的转子叶片(108)的方法，
其中将所述转子叶片(108)沿纵向方向在分离部位(109)处分为至少一个靠近毂的转子叶片部件和远离毂的转子叶片部件，其中
为了运行所述风能设备(100)，能够将所述靠近毂的转子叶片部件和所述远离毂的转子叶片部件在所述分离部位(109)处连接，
其特征在于，
在所述分离部位(109)处，翼型厚度与翼型深度的比，所谓的相对厚度，位于0.4至0.5的范围内，尤其位于0.42至0.46的范围内。
10.根据权利要求9所述的方法，其中
为了设计所述转子叶片(108)，根据平均相对厚度进行在所述分离部位(109)处的结构上需要的更高的相对厚度与在所述分离部位(109)处的空气动力学方面期望的更小的相对厚度之间的折中，其中
将在相对叶片长度的第一位置和相对叶片长度的第二位置之间的平均相对厚度定义为从所述第一位置到所述第二位置的相对厚度的定积分与在第一位置和第二位置之间的间距的比，
其中所述相对叶片长度的20％至30％的平均相对厚度至少为0.460，和/或
其中所述相对叶片长度的20％至50％的平均相对厚度至少为0.390，和/或
其中所述相对叶片长度的20％至70％的平均相对厚度至少为0.33，优选至少为0.35。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中
为了设计所述转子叶片(108)，根据结构量值进行在所述分离部位(109)处的结构上需要的更高的相对厚度与在所述分离部位(109)处的空气动力学方面期望的更小的相对厚度之间的折中，其中
将所述结构量值定义为相对厚度在相对长度的范围内的定积分，其中积分的下限规定到叶片长度的20％的位置，并且能够对于任意上限值求得结构量值，其中
对于叶片长度的45％的上限，所述结构量值至少为0.1，和/或
对于叶片长度的80％的上限，所述结构量值至少为0.2。
12.根据权利要求11所述的方法，其中
对于叶片长度的45％的上限，所述结构量值最高为0.12，和/或
对于叶片长度的80％的上限，所述结构量值最高为0.24。
技术总结