CN120548413A - 用于风力涡轮机叶片的流动修改元件 - Google Patents

Abstract

提供一种用于风力涡轮机叶片的流动修改元件。风力涡轮机叶片(10)包括具有前缘(16)、吸力表面(18)和压力表面(19)的叶片主体(20)。流动修改元件(30)被配置成为风力涡轮机叶片(10)的至少纵向区段(15)提供后缘(17)。流动修改元件(30)和叶片主体(20)形成空气动力学轮廓。流动修改元件(30)包括：吸力侧(32)；压力侧(33)；后端(37)，后端(37)提供空气动力学轮廓的后缘(17)；以及压力侧(33)上的压力表面延伸区段(39)，压力表面延伸区段(39)被配置成使叶片主体(20)的压力表面(19)朝向后端(37)延伸。流动修改元件的压力侧轮廓区段(40)具有凹曲线的形状，并且形成凹陷部分(44)。

Description

用于风力涡轮机叶片的流动修改元件

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机叶片、特别是用于为这种叶片提供后缘的流动修改元件，并且还涉及一种包括这种流动修改元件的风力涡轮机叶片。

背景技术

风能的使用正在激增。为从风中提取更多能量，正在制造和安装需要较大叶片的较大风力涡轮机。风力涡轮机叶片在其根部端部处安装到风力涡轮机转子的毂部，并且延伸到尖端端部。然而，叶片的根部区域的性质通常受到结构考虑因素的管控，因此叶片的中部翼展和外侧区域通常被设计成实现经改善的空气动力学性能。因此，叶片的根部区域中的空气动力学轮廓(也称为“翼型”)通常具有大的相对厚度。

为帮助转子在中等风速下启动和发电，叶片的根部区域中的轮廓可以具有大的翼弦长度和大的扭转。然而，这使叶片的制造成本更高且更困难，并且此外，由于叶片的大小和重量，给物流(诸如，叶片的运输)带来问题。

为解决此类问题，文档US 7,204,674 B2描述一种转子叶片，其例如通过提供在运输期间被放气并且可以在正常操作期间被充气的可充气部分而在其后缘处具有允许减小叶片的翼弦长度的部分。在该文档中公开的其他解决方案包括可以延伸以延长叶片的表面的元件或者可以使用延伸的折叠臂卷起的可变形材料。在大风条件期间，由于施加到这种大型叶片的载荷而进一步产生问题。在以上文档中，可充气元件可以被再次放气以减小叶片的面积，或者表面元件可以缩回。在文档EP 2 322 793 A1中公开类似解决方案，其中叶片的后缘区段包括当达到预先确定的转子速度时塌缩的可塌缩室。从而，叶片的空气动力学性能降低，由此实现超速控制。降低的空气动力学性能降低转子速度，并且因此防止对叶片造成损坏。

转子叶片制造还通常导致空气动力学轮廓的钝后缘，这可能例如是由于具有一定厚度的两个壳部分被胶合在一起，该厚度因胶层的厚度而增加，如在文档WO 2011/157849A2中所描述。该文档建议提供具有明确限定的形状和边缘的预先制造的后缘部分，其基本上延伸由叶片给出的轮廓形状。在文档US 2021/0079886 A1中描述处理叶片的内部区域中的钝后缘的另一可能性，其中将分流板安装到钝后缘、在从吸力侧到后缘的过渡部下方，并且该分流板具有位于由叶片的吸力侧产生的剪切层中的表面部分。

以上解决方案关于其空气动力学性能仍存在缺陷。特别地，期望允许根据叶片设计者的设计目标来调整空气动力学性能。提供升力增加和/或阻力减小可能特别有益。

文档EP 2 806 156 A1描述一种沿着翼型的后缘安装或限定的脊部，用于降低噪音。脊部的侧面从后缘的相应吸力侧和压力侧凹入地会聚至峰部。

文档EP 2 811 156 A1描述一种转子叶片，其包括具有后缘的叶片主体。后缘包括后缘基部和单独的后缘延伸件。

文档EP 3 204 634 A1描述一种风力涡轮机叶片，其包括后缘翼片，该后缘翼片具有在叶片的压力侧上从后缘凸出的翼片部分。

发明内容

因此，需要减轻上文提及的至少一些缺点、并且改善风力涡轮机叶片(特别是在其根部区域中)的空气动力学性质。

此需求通过独立权利要求的特征满足。从属权利要求描述本发明的实施例。

根据本发明的一方面，提供一种用于风力涡轮机叶片的流动修改元件，其中该风力涡轮机叶片包括具有前缘、吸力表面和压力表面的叶片主体。流动修改元件被配置成为风力涡轮机叶片的至少纵向区段提供后缘。流动修改元件和叶片主体形成空气动力学轮廓。流动修改元件包括吸力侧、压力侧、提供空气动力学轮廓的后缘的后端以及压力侧上的压力表面延伸区段。压力表面延伸区段被配置成使叶片主体的压力表面朝向后端延伸。压力表面延伸区段被成形为在空气动力学轮廓中提供压力侧轮廓区段，该压力侧轮廓区段具有凹曲线的形状，并且形成从压力侧朝向流动修改元件的吸力侧凹陷的凹陷部分。

当安装到叶片主体或集成到叶片主体中时，流动修改元件可以减小风力涡轮机叶片的阻力并增加升力。凹入弯曲形状特别是可以导致相应升力增加和阻力减小，这可导致较高升阻比。通过这种形状，压力表面延伸区段可以向内凸起，以形成沿流动修改元件的纵向方向延伸的纵向凹部。

为延伸叶片主体的压力表面，压力表面延伸区段可以被配置成与叶片主体的压力表面形成连续表面。例如，连续表面可能暗示不存在台阶，例如，压力表面并不首先过渡到安装流动修改元件的叶片主体的后缘中，而是压力表面直接过渡到压力表面延伸区段中。因此，在空气动力学轮廓中，可能不存在台阶或跳跃(以叶片主体的翼弦线作为参考轴线)。压力表面延伸区段可以被形成为从压力表面平滑地过渡，或者与叶片主体的压力表面形成边缘。

可以限定参考系，根据该参考系，前缘位于后缘前面，并且吸力侧布置在压力侧上方。对“上方”和“下方”以及“向前”和“向后”或“后面”的提及均参考此参考系。

任选地，压力侧轮廓区段可以具有第一部分和第二部分，该第一部分向后且向上(即，朝向后端和吸力侧)延伸、可以到达顶点，该第二部分向后且向下(即，朝向后端和压力侧)延伸。因此，轮廓区段可以具有(对称或非对称的)弧形形状，其开口侧面向叶片主体的翼弦线。

凹陷部分可以位于叶片主体的压力表面的外推线上方、朝向后端。为简单起见，在本文中，压力表面的外推线是指对应于叶片主体的压力表面的叶片主体的轮廓的曲线区段的外推线。应注意，外推线是指相应表面或曲线区段的所估计延伸，即，是指假想表面或曲线，其在本文中用于以几何方式描述部件的相对布置。这种外推线可以使用笔直线或弯曲线，笔直线与对应于压力表面的曲线区段终止的点相切(即，其可以是线性外推线)，弯曲线的曲率对应于待外推的轮廓区段/表面的曲率。然而，应注意，压力表面朝向后端的形状在轮廓中通常相当笔直。因此，可以优选地使用吸力侧和压力侧的线性外推线。

在任选示例中，压力侧轮廓区段可以被成形为在吸力侧的方向上垂直于叶片主体的翼弦线具有顶点，其中该顶点在轮廓中在吸力侧的方向上位于叶片主体的压力表面的外推线上方。优选地，顶点在轮廓中位于吸力侧的外推线与叶片主体的压力侧的外推线之间的中心线上方。这样的中心线也可以被称为“中线”，并且通常是两个参考线之间的几何中点。其可以距两个线具有相同距离，并且可以例如将两个参考线之间的交角减半。通过提供这种深度的凹部，可以进一步增加升力系数。

在轮廓中，凹陷部分的最大面积可以特别是位于中心线下方。

压力侧轮廓区段的第一部分可以被配置成在轮廓中与叶片主体的压力表面或与其外推线形成钝角。该第一部分可以朝向吸力侧并朝向后端延伸。该角度可以例如在压力侧轮廓区段上的切线与压力表面终止(朝向后缘)的点处压力表面上的切线之间测量。该钝角可以在95°至160°的范围内。

在特定示例中，压力表面延伸区段可以被配置成以该钝角与叶片主体的压力表面相交。该元件可以在两个相应表面的相交点处具有相应边缘。从相交点开始，压力表面延伸区段可以向上且朝向后端延伸。可替代地，两个表面相交的点可以被倒圆，并且该角度可以就在这种倒圆之前在轮廓中的表面上的两个切线之间测量。通过在相交点处提供这样的钝角，可以减小阻力，特别是与常规平背后缘相比。

压力侧轮廓区段、特别是凹曲线的形状可以在朝向叶片主体布置的第一点处具有第一切线，并且在朝向后端布置的第二点处具有第二切线。第一切线和第二切线可以形成小于140°、优选地小于120°、更优选地小于100°的角度。轮廓区段可以特别是具有相应长度和/或曲率，以实现这样的角度。凹曲线可以例如借助四分之一圆和该四分之一圆的每一端部处的笔直侧边来实现，其将对应于第一切线与第二切线之间的90°的角度。然而，这仅是示例，并且凹曲线可以由笔直区段和/或弯曲区段的任何合适组合形成。特别地，流动修改元件的压力侧可以具有相应弧形形状或爪形形状。

凹曲线区段的曲率半径可以小于叶片主体的后缘的厚度、优选地小于叶片主体的后缘的厚度的一半。叶片主体的后缘的厚度可以例如垂直于叶片主体的翼弦线从叶片主体的压力表面终止的点(即，过渡到压力表面延伸区段)到吸力表面或叶片主体的吸力表面的外推线测量。通过凹陷部分的切线或曲率之间的这种角度，可以实现紧凑的元件，并且可以进一步减小阻力。

压力表面延伸区段可以被成形为使得压力表面延伸区段和后端在相对于叶片主体的翼弦线朝向吸力侧(在翼弦线上方)或朝向压力侧(在翼弦线下方)定位的点处相交。此点可以是后缘的最低点，并且可以根据元件的所期望空气动力学性质进行调节。优选地，此点位于上述中心线下方。在示例性实施方案中，该点可以位于叶片主体的压力表面的外推线上。

优选地，流动修改元件的后端可以被配置成布置在叶片主体的压力表面的外推线上方或叶片主体的压力表面的外推线下方。其可以完全布置在这种外推线上方或下方，或者至少后缘的中心可以布置在这种外推线上方、下方或外推线上。

在一些示例中，压力侧轮廓区段的凹曲线的形状可以从叶片主体的压力表面延伸到流动修改元件的后端、优选地没有拐点。因此，可以获得简单且空气动力学高效的形状。

在示例中，流动修改元件可以包括被配置成使叶片主体的吸力表面朝向后端延伸的吸力表面延伸区段。优选地，吸力表面延伸区段被配置成与叶片主体的吸力表面形成连续表面。从而，可以获得进一步阻力减小和升力增强。

吸力表面延伸区段可以是元件的吸力侧上的表面，并且压力表面延伸区段可以是元件的压力侧上的表面。后端可以布置在吸力表面延伸区段与压力表面延伸区段之间，并且可以连接吸力表面延伸区段和压力表面延伸区段。该元件在轮廓中可以仅具有单个后端。

吸力表面延伸区段可以被成形为在空气动力学轮廓中提供弯曲端部区段，该弯曲端部区段朝向后端延伸，并且远离吸力侧朝向压力侧弯折，即，向下弯折。元件的吸力侧的这种形状可以进一步减小阻力。

在示例中，吸力表面延伸区段可以被成形为在空气动力学轮廓中提供中间吸力轮廓区段，该中间吸力轮廓区段具有凹曲线的形状，并且形成从流动修改元件的吸力侧朝向压力侧凹陷的另外的凹陷部分。因此，该元件的吸力表面延伸区段可以具有如下表面形状：其朝向吸力侧向内凸起，并且因此可以形成沿纵向方向延伸的凹部。此另外的凹陷部分和形成于元件的压力表面延伸区段中的凹陷部分可以在叶片主体的翼弦的方向上间隔开。考虑平行于叶片主体的翼弦线的线，凹陷部分的顶点可以位于此线上方，并且另外的凹陷部分的顶点可以位于此线下方(换句话说，凹陷部分和另外的凹陷部分在翼弦方向上的投影重叠)。凹陷部分可以被布置成比另外的凹陷部分更靠近于后端。

通过这样的两个凹陷部分，流动修改元件的后部部分可以具有包括后端的爪形形状。

在一些实施方案中，压力表面延伸区段和吸力表面延伸区段可以在其朝向后端的延伸部的至少40％上彼此具有(大致)恒定距离(因此，爪形形状可以具有恒定厚度)。该距离可以垂直于相应表面区段测量。可以在元件的后部部分的翼弦方向上的延伸部的超过50％、60％或者甚至70％上提供这种恒定厚度。吸力表面延伸区段的形状可以特别是遵循压力表面延伸区段的形状，同时例如在元件的在翼弦方向上的延伸部的至少40％、50％或60％上保持恒定距离。

流动修改元件可以在相邻于后缘的其在翼弦方向上的延伸部的至少25％、40％或50％上具有叶片主体的后端的厚度的至少5％的厚度、优选地叶片主体的后缘的厚度的5％和100％之间的厚度。因此，由该元件形成的爪形形状可以是中等厚度的，或者可以具有甚至对应于叶片主体的后缘厚度的厚度。

中间吸力轮廓区段可以包括第一部分，该第一部分大致垂直于叶片主体的翼弦线朝向压力侧延伸，并且延续到弯曲部分中，该弯曲部分朝向后端弯折，并且具有平行于翼弦线的切线(例如，另外的凹陷部分的顶点处的切线)。因此，通过大致垂直延伸的第一部分，可以在元件中形成沿纵向方向延伸的相应边缘。

吸力表面延伸区段还可以在轮廓中形成过渡吸力轮廓区段，该过渡吸力轮廓区段被配置成从叶片主体的吸力表面沿朝向后端的方向延伸。这种过渡区段可以包括大致笔直的部分或弯曲部分，大致笔直的部分提供朝向中间区段的边缘，弯曲部分提供至中间区段的平滑过渡，并且包括拐点

在另一示例性配置中，吸力表面延伸区段可以被成形为在空气动力学轮廓中提供吸力侧轮廓曲线，该吸力侧轮廓曲线包括笔直或大致笔直的区段，该笔直或大致笔直的区段可以被配置成与叶片主体的吸力表面相切，或者与叶片主体的吸力表面的外推线形成正角或负角。通过具有笔直区段的这种延伸部，可以调节空气动力学性质，以提供更多升力增加(负角)或提供更多阻力减小(正角)或两者的组合(切向)。如果在轮廓中，前缘在左手侧上，则负角可以对应于逆时针方向旋转，并且正角对应于顺时针方向旋转。笔直区段可以在对应于吸力表面延伸区段的吸力侧轮廓曲线的大部分长度上(例如，在超过其长度的30％或50％上)延伸。

笔直或大致笔直的区段可以在向后方向上后跟端部区段，或者可以终止于元件的后端处，并且从而可以形成至后端的边缘或倒圆过渡部。

流动修改元件可以形成为单个一体式部分，或者可以由两个或更多个部分组成。该元件可以例如包括形成凹陷部分和另外的凹陷部分的第一部分，并且此部分可以安装到叶片主体，或者可以与叶片主体成一体。其还可以包括第二部分，该第二部分覆盖另外的凹陷部分，并且可以提供吸力表面延伸区段的(大致)笔直区段。此第二部分可以安装到第一部分，或者两个部分可以一体地成型。这种配置可以允许提供第一(例如，标准化)部分，并且通过提供不同形状的第二部分来调整空气动力学性质。

流动修改元件的后端可以是扁平端部，或者可以是倒圆端部。在一些示例中，后端可以垂直于叶片主体的翼弦线延伸，或者可以垂直于后端处压力表面延伸区段的切线延伸。

该元件还可以包括一个或多个加强元件，加强元件可以在该元件的一个或多个纵向位置处延伸跨越凹陷部分。从而，可以提高元件的机械稳定性，特别是当提供相对薄的爪形形状时。例如，可以根据制成该元件的材料提供一个或多个加强元件，例如以提供所期望机械稳定性。还可以跨越另外的凹陷区域提供一个或多个相应加强元件。因此，一个或多个加强元件可以提供在压力侧上、吸力侧上或两侧上。加强元件可以沿前后方向(例如平行于轮廓平面)延伸，或者其可以平行于相应纵向位置处空气的主要流动方向延伸。加强元件可以是板形的。在一些实施方案中，其可能不延伸超过凹部。在其他实施方案中，加强元件可以延伸(略微)超过元件的后端，和/或可以(略微)延伸超过压力表面延伸区段与叶片主体的压力表面相交的点。该配置可以取决于结构和/或设计要求。

流动修改元件可以是主动元件，或者可以是被动元件。

例如，该元件还可以包括被配置成改变流动修改元件的延伸、取向和/或曲率的一个或多个致动器。通过例如控制长度和/或曲率，可以根据当时风速和操作条件(例如考虑流速和攻角等等)调适空气动力学轮廓。用于改变元件的形状的致动器可以布置在叶片主体中。特别地，可以通过这种致动器调节流动修改元件的后部部分的高度(垂直于翼弦线的方向)或宽度(平行于翼弦线的方向)。

该元件可以例如在压力侧轮廓区段中包括至少一个铰接点。包括后缘的流动修改元件的后部部分可以例如通过操作致动器而围绕铰接点枢转。从而，可以调节后端的位置。

在另一示例中，压力侧轮廓区段可以包括至少两个铰接点，这至少两个铰接点被布置成允许在叶片主体的翼弦方向上调节流动修改元件的宽度，和/或在垂直于翼弦方向的方向上调节流动修改元件的至少一部分的高度。例如，可以提供两个致动器，每一致动器均控制围绕相应铰接点的枢转。

致动器可以例如是电动(马达)、磁性(螺线管)、链条和齿轮系统、液压或气动致动器，或者可以采用本技术中已知的其他致动器。

流动修改元件可以被配置成具有与叶片主体的后部部分的厚度相匹配的形状，其中流动修改元件可以被布置成使得空气动力学轮廓的厚度在从叶片主体到流动修改元件的过渡部处是连续的。这种平滑过渡可以提供进一步阻力减小。连续可以特别是意指不存在台阶。

该元件可以是实心的，或者该元件可以包括空隙或空腔。通过这种空隙或空腔，可以减少重量和制造所需的材料。这种空隙或空腔可以例如沿纵向方向延伸穿过该元件的主体，并且可以在垂直于该元件的纵向延伸部的横向方向上被封闭。

该元件可以由塑料材料、纤维加强材料(例如玻璃纤维或碳纤维加强)、复合材料或任何其他合适材料制成。

流动修改元件可以是附加元件，其还包括被配置成安装到叶片主体的后缘的安装区段，或者流动修改元件和叶片主体可以一体地成型，以形成风力涡轮机叶片。在前一情况下(附加件)，叶片主体可以具有自己的后缘，附加元件到安装后缘，该元件则借助于其后端为风力涡轮机叶片提供后缘。因此，叶片主体的后缘可以被覆盖，并且可以基本上被由该元件提供的后缘所替代。在后一情况下(集成元件)，可以在制造风力涡轮机叶片时形成流动修改元件，使得该元件的后端与风力涡轮机叶片的后缘相同。在此情况下，叶片主体在相应纵向区段中可能不具有后缘，但是可以估计叶片主体的后缘处于由其形成叶片主体的翼型将具有其后缘的位置处。

在示例中，流动修改元件的安装区段可以具有被配置成安装到叶片主体的倒圆后缘的倒圆形状。安装区段可以特别是被配置成适于叶片主体的后缘的表面形状。从而，可以实现较大附接区，这可导致元件至叶片主体的更牢固安装。叶片主体的后缘可以例如由叶片主体的吸力表面形成，该吸力表面朝向叶片主体的压力表面弯曲，以便以大于45°、优选地大于70°或80°(例如约90°)的角度与压力表面相交。叶片主体的后缘的曲率半径可以例如等于或小于叶片主体在其后缘处的厚度。

附加元件可以被配置成借助于粘合剂、接触式紧固件(例如，)、机械紧固件或任何其他安装元件安装到叶片主体。

在空气动力学轮廓中，叶片主体的后缘可以在厚度方向上被流动修改元件覆盖至少50％、优选地至少70％，例如完全覆盖。从而，可以在流动修改元件与叶片主体的后缘之间实现坚固的机械连接。

流动修改元件的宽度可以沿叶片主体的翼弦的方向从压力表面延伸区段邻接叶片主体的压力表面的位置到该元件的后端限定。

该元件可以是被配置成安装到叶片主体的附加元件，并且宽度可以选自3％c至50％c、优选地5％c至50％c、更优选地10％c至40％c的范围，其中c是流动修改元件的纵向位置处叶片主体的翼弦长度，或者是平均翼弦长度，该平均翼弦长度被认为是流动修改元件(例如相应段)在其上方延伸的叶片的纵向范围内叶片主体的翼弦长度的平均值。在此情况下，翼弦长度可能不包括该元件。

当流动修改元件与叶片主体成一体时，元件的宽度可以选自3％c至35％c、优选地5％c至35％c、更优选地9％c至30％c的范围，其中c是元件的纵向位置处风力涡轮机叶片的翼弦长度或平均翼弦长度，该平均翼弦长度被认为是该元件(例如相应段)在其上方延伸的叶片主体的纵向范围内叶片的翼弦长度的平均值。由于在此情况下，该元件形成叶片的一体式部分，因此翼弦长度可以包括该元件。

流动修改元件可以是在叶片的预先确定的纵向区段上连续地延伸的连续元件，或者该元件可以被提供为在叶片的纵向方向上具有预先限定的长度的纵向段。多个这样的段可以沿着叶片的纵向方向彼此相邻地布置，以覆盖叶片的预先确定的纵向区段。

流动修改元件在其纵向延伸部上可以具有相同宽度，或者在其纵向延伸部上可以具有可变宽度。纵向延伸部可以是指叶片的纵向方向上的延伸部。

在示例中，风力涡轮机叶片可以沿纵向方向从0％L处的位置延伸到100％L的位置处的叶片尖端，在0％L处的位置处，风力涡轮机叶片可安装到风力涡轮机转子的毂部，其中L对应于叶片长度。流动修改元件可以被配置成提供在叶片主体上、在0％L和60％L之间、优选地5％L和50％L之间、更优选地10％L和40％L之间的纵向区域内，或这些区域边界的任何子组合内，例如10％L和50％L之间。因此，该元件可以提供在叶片的根部区域中，在根部区域中，轮廓通常具有大的相对厚度，并且可以具有钝后缘。因此，包括一个或多个相应元件的叶片的根部区域可以具有经改进空气动力学性能，并且特别是可以对年发电量(AEP)做出更大贡献。流动修改元件特别是可以增加叶片的根部区域中的升力和/或减小阻力，从而增加AEP。

例如，该元件可以被配置成提供在叶片主体上、在其中叶片的相对厚度(t/c)在30％至100％、优选地35％至95％的范围内的纵向区域内。厚度t可以被限定为该轮廓的垂直于翼弦线的最大尺寸，并且相对厚度被限定为t/c。这种相对厚的轮廓可能特别是受益于流动修改元件。

流动修改元件可能不横跨整个相应区域，而是可以仅提供在该区域的一部分上，例如可以在相应区域内提供流动修改元件的多个纵向段。

流动修改元件可以例如被配置成提供在叶片主体上、在具有至少10％L、优选地至少15％L、更优选地至少20％L的纵向延伸部的纵向区段上，其中L对应于叶片长度。流动修改元件可以在此纵向区段上方连续地延伸，或者该元件的段可以彼此相邻地布置，以覆盖此区段。

根据本发明的另外的方面，提供一种风力涡轮机叶片，其包括具有前缘、吸力表面和压力表面的叶片主体。风力涡轮机叶片还包括具有本文中描述的任何配置的流动修改元件。流动修改元件安装到叶片主体，或者流动修改元件和叶片主体一体地成型，以形成风力涡轮机叶片。流动修改元件被配置成为风力涡轮机叶片的至少纵向区段提供后缘。借助于这样的风力涡轮机叶片，可以实现与上文进一步概述的优点类似的优点。

根据另外的方面，提供一种包括相应风力涡轮机叶片的风力涡轮机。

根据另外的方面，提供一种操作风力涡轮机的方法，其中风力涡轮机包括具有本文中描述的任何配置的风力涡轮机叶片。通过这种方法，可以增加风力涡轮机的年发电量。

应理解，上文提及的特征和下文尚未解释的那些特征不仅可以以所指示的相应组合使用，而且还可以以其他组合或单独使用，而不脱离本发明的范围。特别地，除非另有说明，否则本发明的不同方面和实施例的特征可以相互组合。

附图说明

根据结合附图阅读的以下具体实施方式，本发明的前述以及其他特征和优点将变得更加明显。在附图中，相似附图标记指代相似元件。

图1是示出根据实施例的风力涡轮机的示意图，该风力涡轮机包括具有风力涡轮机叶片的风力涡轮机转子。

图2是示出根据实施例的风力涡轮机叶片的示意图，其中示出流动修改元件在其上方延伸的纵向区段。

图3是示出不带流动修改元件的风力涡轮机叶片的叶片主体的轮廓的示意图。

图4是示出根据实施例的包括流动修改元件的风力涡轮机叶片的轮廓的示意图。

图5是示出对图4的流动修改元件的修改的示意图。

图6和图7是示出图4和图5的流动修改元件的不同几何形状的示意图。

图8是示出根据实施例的流动修改元件的透视图的示意图。

图9-图11是各自示出根据另外的实施例的流动修改元件的示意图。

图12是示出根据另外的实施例的流动修改元件的透视图的示意图。

图13是示出对应于图12的元件的流动修改元件的轮廓的示意图。

图14是示出根据实施例的主动流动修改元件的轮廓的示意图。

图15是示出根据另外的实施例的主动流动修改元件的轮廓的示意图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例。应理解，对实施例的以下描述仅出于说明目的而给出，并且不应视为具有限制意义。应注意，附图仅应被视为示意性表示，并且附图中的元件未必相互按比例绘制。相反，选择各种元件的表示，使得其功能和一般用途对于本领域技术人员来说变得显而易见。如本文中所使用，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该”也打算包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包括”、“具有”、“包括有”和“包含”将被解释为开放式术语(即，意指“包括、但不限于”)，除非另有说明。

图1示意性地图示根据一示例的风力涡轮机100。风力涡轮机100包括风力涡轮机转子101和风力涡轮机塔架103。转子101具有毂部102，三个转子叶片10安装到毂部102，转子叶片可以根据本文中描述的任何示例和实施例进行配置。

图2示意性地图示根据实施例的风力涡轮机叶片10。叶片具有长度L，长度L可以例如超过30m、50m、或者甚至超过60m。叶片10具有根部端部11，叶片10可在根部端部11处安装到毂部102，并且具有尖端端部12，转子叶片的尖端位于尖端端部12处。根部端部位于0％L处，并且尖端端部在100％L处。根部区域30可以横跨0％L至约50％L，尽管也可以不同地限定这种根部区域。

叶片10可以包括叶片主体20和流动修改元件30。叶片主体20和流动修改元件30可以一体地成型，以形成风力涡轮机叶片10，或者流动修改元件30可以是安装到叶片主体20的附加元件。流动修改元件可以提供在0％L和60％L之间、优选地5％L和50％L之间(例如，10％L和50％L之间或10％L和40％L之间)的纵向区域内。在相应纵向区域内，可以提供元件30的各自具有预先限定的长度的数个纵向段，并且这数个纵向段可以连续地提供，或者可以间隔开。在纵向区域内，元件30还可以连续地提供在某一纵向区段15上方。其上方提供元件30的纵向区段15的大小可以例如为至少10％L、至少15％L或至少20％L。该元件可以例如在大小在10％L和40％L之间的纵向区段15上方延伸。该元件可以连续地覆盖此区段，或者该元件的纵向段可以彼此相邻地布置，以覆盖此区段。

叶片10具有前缘16和后缘17，其中在叶片的未设置元件30的纵向区域中，叶片主体20的后缘21可以形成叶片的后缘17；而在被元件30覆盖的纵向区域中，元件30的后端37可以形成叶片10的后缘17。

通常，轮廓是叶片的垂直于叶片的纵向轴线的横截面。这种轮廓(在本文中也称为“空气动力学轮廓”)通常在叶片的外侧区域中具有较薄翼型形状，在叶片的根部区域中具有较厚翼型形状，并且甚至可能在根部端部11处接近圆形形状。图3图示可以用于根部区域13中的叶片主体20的示例性轮廓。翼弦线26可以被限定为与具有最大相互距离的两个轮廓点相交的线。在轮廓具有扁平后缘21的情况下(如图3的示例中所示)，翼弦线26可能在后缘的中间切割后缘。翼弦长度c是这两个轮廓点之间的距离。轮廓的厚度t可以被限定为垂直于翼弦方向的最大厚度。轮廓的相对厚度是厚度与翼弦长度的比值，t/c。翼弦长度和厚度可以在没有附加件或延伸部的情况下测量。

叶片主体20的轮廓包括前缘16和后缘21，其对应于不带附加件的叶片的前缘16和后缘17。叶片主体20还包括吸力表面18和压力表面19，其对应于图3中所示的轮廓中的相应吸力侧轮廓区段28和压力侧轮廓区段29。这些轮廓曲线从叶片主体20的前缘16延伸到后缘21。由于主体20的轮廓具有扁平后缘21，因此其可以被称为平背翼型。根部区域的这种翼型的钝后缘也可以被倒圆。特别地，如图4中所示，吸力侧后缘可以被倒圆；例如，后缘的轮廓曲线可以远离吸力侧朝向压力侧轮廓区段29弯折，并且可以以大致直角与其相交。后缘21的这种形状从制造角度来看可能具有优点，但是可能与降低的空气动力学性能相关联。

图4示意性地图示安装到叶片主体20的后缘21的流动修改元件30。元件30包括可以粘附到或以其他方式附接到后缘21的安装表面31。元件30包括吸力表面延伸区段38，吸力表面延伸区段38延伸叶片主体20的吸力表面18(示出为吸力侧轮廓区段28)。元件30还包括压力表面延伸区段39，压力表面延伸区段39延伸叶片主体20的压力表面19(在图4的轮廓中，示出为压力侧轮廓区段29)。如图可见，延伸区段38、39分别与吸力表面18和压力表面19连续，即，不存在后缘21的中间台阶或部分。在图4的示例中，元件30的轮廓包括压力侧轮廓区段40，压力侧轮廓区段40被成形为凹曲线，该凹曲线形成凹陷部分44。在该轮廓中，凹部44的主要面积位于翼弦线26的外推线上方，并且还位于压力表面区段29的外推线29e上方。凹部44从元件30的压力侧33朝向吸力侧32延伸。吸力侧32可以被视为位于压力侧33上方，并且前缘16可以被视为在后缘21前面。在此参考系中，轮廓区段40包括第一区段41，第一区段41从压力表面19终止的过渡点45向后且向上延伸。在压力表面29与第一区段41之间形成钝角49，钝角49可以例如大于95°且小于170°、优选地小于140°。在过渡点45处，形成边缘。在其他实施方案中，第一区段41可以不是笔直的，而是可以是弯曲的；其可以例如为S形，并且包括拐点以提供平滑过渡。

弯曲区段42包括顶点47(距翼弦线26的最大距离)，并且进一步再次朝向压力侧33向下弯折。在本示例中，弯曲区段42是圆形的(例如，四分之一圆)，但是其可以具有任何其他凹入弯曲的形状，并且可以由数个不同弯曲区段和/或笔直区段组成。压力轮廓区段40还包括第二区段43，在本示例中，第二区段43是笔直的，但是也可以是弯曲的。第二区段43在相交点46处与后端37相交。为根据叶片主体20的翼型形状和纵向安装位置调节升力和阻力，相交点46和/或后端37可以布置在压力表面19的外推线29e上方、上或下方。相交点46和/或后端37可以布置在翼弦线26上方、上或下方。压力侧轮廓区段40的凹入形状可以从过渡点45延伸到相交点46，或者可以仅横跨其一部分(例如，在区段41或43中存在拐点时)。

凹陷部分44的顶点47优选地位于翼弦线26上方，或者位于压力表面19的外推线29e上方。附图标记60表示中心线(或中线)，该中心线等距地布置在吸力表面18的外推线28e与压力表面19的外推线29e之间，如图4中所示。顶点47可以位于中心线60上方。

在本示例中，后端37是大致垂直于翼弦线c的扁平端部。在其他实施方案中，后端37可以垂直于压力表面延伸区段39的端部区段43，特别是垂直于其在相交点46处的切线。后端37的边缘可以被倒圆，或者整个后端37可以被倒圆，其在轮廓中可以例如对应于半圆或对应曲线。

元件30的宽度w是沿平行于翼弦线c的方向从压力表面延伸区段39与压力表面19相交的过渡点45到后端37测量的。宽度w可以根据元件30的所需空气动力学性质进行调节。长度w可以在5％c和60％c之间，其中c表示叶片主体20的翼弦长度。优选地，宽度w可以在10％c和50％c之间，或15％c和40％c之间。压力表面延伸区段39的形状可以在轮廓的下侧处提供升力增加，而关于阻力增加的影响则相对较低。上文论述的性质和配置可以应用于本文中论述的元件30的任何实施例和示例。

图4图示吸力表面延伸区段38的形状的特定配置。其包括吸力侧轮廓区段50，吸力侧轮廓区段50被成形为提供朝向压力侧33延伸的另外的凹陷部分54。相对于翼弦线c，另外的凹部54具有顶点57，顶点57可以位于吸力表面18的外推线28e下方，并且可以特别是位于中心线60下方。轮廓区段40包括过渡吸力轮廓区段51，过渡吸力轮廓区段51与吸力表面18形成连续表面，并且在本示例中弯曲(凸起地)上至拐点53。其还包括中间轮廓区段52，中间轮廓区段52是弯曲的，并且还可以包括上至另外的拐点53的笔直区段。其还可以包括弯曲端部区段55，弯曲端部区段55朝向后端37向下弯曲，其与后端37形成相交点56。在本示例中，弯曲端部区段55形成顶点58(相对于翼弦线c，沿吸力侧方向)，顶点58位于顶点47的对面。

在后部部分中，在大部分宽度w(>50％)上，吸力侧轮廓区段50的形状遵循压力侧轮廓区段40的形状，从而形成元件30的后部部分的爪形形状。顶点58可以布置在吸力表面18的外推线28e上方或下方。吸力侧轮廓区段50可以特别是呈S形、在弯曲区段52与弯曲区段55之间具有拐点53，如图4中所图示。这种形状可以导致较高升力和较低阻力。通过这种形状，可以减少或防止吸力侧处的流动分离，并且与常规翼弦延伸部相比，特别是由于压力侧上的曲率，在大攻角下，升力增加可能较高。

弯曲区段55还可以与吸力表面18的外推线28e相切。

元件30可以覆盖叶片主体20的整个后缘21。特别是对于倒圆后缘21，可以实现较大附接区，因此确保牢固且安全的附接。

图5图示元件30的另外的示例性实施方案。元件30可以例如在共同制造过程中与叶片主体20一体地成型。因此，将针对常规叶片主体定位的后缘21的位置仅用虚线示意性地图示。针对本文中公开的每一实施例和示例，可以提供两种可能性(附加元件或集成到叶片主体中)。在图5的示例中，过渡吸力轮廓区段51也是笔直的，并且切向于吸力表面18延伸。其在相交点59处与弯曲区段52相交，相交点59形成元件30的纵向延伸的边缘(还请参见图8)。因此，中间轮廓区段52还可以包括笔直区段，该笔直区段从点59朝向翼弦线c向下延伸。

应清楚，弯曲区段可以由具有不同曲率的笔直段和/或弯曲段的混合物组成。在图4和图5的示例中，弯曲区段42的曲率半径大于弯曲区段52的曲率半径。区段42的曲率半径小于叶片主体20的后端的厚度tt(其可以如图7中所图示那样测量)；其可以小于厚度tt的一半。应清楚，这些仅为示例性配置，并且可以根据所期望空气动力学性质调适几何形状。

图6提供元件30的爪形部分的高度的不同示例。在上部示例中，顶点47和顶点58两者都布置在吸力表面轮廓区段28的外推线28e下方。在中间示出的示例中，凹陷部分44的顶点47和吸力表面延伸区段的顶点58布置在吸力表面轮廓区段28的外推线28e上方。在下部示例中，吸力侧轮廓区段50大致与吸力表面延伸区段28的外推线28e相切。在图6的示例中，后端37的相交点46位于压力侧轮廓区段29的外推线29e上。外推线29e可以例如在过渡点45处与轮廓区段29相切。应清楚，点46还可以位于该外推线上方或下方。

图7图示元件30的后部部分的厚度te，其可以垂直于压力侧轮廓区段40和吸力侧轮廓区段50限定。叶片主体20的后缘21的厚度tt可以垂直于翼弦线26从过渡点45到与吸力表面轮廓区段28或其外推线28e的交点限定。厚度TE可以例如在后缘厚度tt的5％至100％之间。在图7的上部示例中，爪的厚度为约te＝11％tt；在下部示例中，其为约te＝90％tt。当然，可以想到其间的任何其他值。在超过元件30的在宽度w上的延伸部的后部50％上，厚度可以大致恒定。

图8示出安装到叶片主体20的后缘21的元件30的透视图。后端37被倒圆，并且吸力表面延伸区段38包括边缘59以及另外的凹陷部分54。如所图示，可以横跨跨越凹陷部分44提供加强元件65。元件65被配置成提供机械稳定性。其可以在平行于轮廓平面的平面中延伸，或者可以以所期望空气动力学有益角度(例如平行于预期空气流动方向)延伸。可以在吸力侧上跨越凹陷部分54提供类似机械加强元件(未示出)。多个这样的元件可以沿着元件30的长度l纵向分布。图8仅示出一小段。实际长度l可能显著更长，例如，其跨度可以在50cm和5m之间。

加强元件可以布置在吸力侧和/或压力侧上。其可以与元件30一体地成型，或者可以安装在元件30上。

如图9中所图示，元件30可以包括第一部分和第二部分70，第一部分可以具有任何上述配置。第二部分70可以放置在另外的凹陷部分54中。其可以提供吸力表面延伸区段38的至少一部分。在本示例中，其包括笔直区段71，笔直区段71大致与叶片主体20的吸力表面轮廓区段28相切，但是其也可以以正角或负角与叶片主体20的吸力表面轮廓区段28成角度，如图10中所图示。在图9的示例中，吸力表面延伸区段38由切向相交的笔直区段71和弯曲端部区段55形成。通过这种配置，可以进一步减少吸力侧流动分离，并且可以提供额外结构支撑。弯曲区段55大致与吸力侧轮廓区段28的外推线相切，并且笔直区段71基本上桥接两者之间的间隙。

在图10中，笔直区段71与区段28的外推线28e形成负角76，其中该角在前缘在左手侧上并且吸力表面在上侧上的轮廓中沿逆时针方向呈锐角。额外部分70还包括将第一笔直区段71连接到弯曲端部区段55的第二笔直区段72。当然，可以想到其他配置，诸如区段71、72朝向弯曲区段55形成平滑弯曲过渡。部分70和/或元件30的其他部分还可以包括空腔75，空腔75允许减轻重量并且节省用于制造元件30的材料。空腔75可以具有确保元件30的结构稳定性的任何所期望形状。

图11图示元件30的另外的示例性实施方案，其中另外的额外部分70与元件30的其余部分一体地成型。元件30在图11中被图示为附加元件，但是也可以如上文所解释那样与叶片主体20集成在一起。吸力表面延伸区段38的形状与图9中所示的形状类似，但是应该清楚，可以使用本文中描述的任何形状以及其任何变型。

图12图示另外的示例性实施方案，其中未提供弯曲端部区段55，但是其中笔直区段71直接在相交点56处与后端37相交。在图12的示例中，元件30形成为可安装到叶片主体20的单个一体式元件，但是其也可以由多个部件形成，如参考图9和图10所解释。同样地，笔直区段71可不与吸力表面18相切，而是可以与之形成正角或负角。因此，可以提供相应第二笔直或弯曲区段72，并且其可以在相交点56处与后端37相交。

在图12的示例中，压力侧轮廓区段40具有大致抛物线形状，并且点46被下拉至压力表面19的外推线。还可以采用本文中描述的压力表面延伸区段39的任何其他配置。

图13示出其中压力侧轮廓区段40由多个弯曲段和笔直段组成的示例。在区段40的起始和终止处，提供两个笔直区段41、43。弯曲区段42由第一弯曲区段、笔直区段和第二弯曲区段组成，其共同近似凹曲线。这种形状可以用于本文中描述的实施例和示例，并且还可以想到其他形状。

元件30优选地是刚性元件。在图4至图13的示例中，元件30具有预先限定的形状，并且是被动元件。在一些示例中，元件30可以是主动元件。可以提供相应致动器，其例如通过改变元件宽度(平行于翼弦方向)、元件高度(垂直于翼弦方向)、元件的曲率等等中的一者或组合来改变元件30的形状。可以根据当时风速和操作条件主动调适元件30的几何形状。相应致动器可以安装在元件30上和/或叶片主体20中。

在图14的示例中，可以在弯曲端部区段55处、例如在相邻于顶点47的位置处提供铰接点81。包括后端37的端部区段可以围绕铰接点81枢转。在沿着元件30的纵向延伸部的一个或多个位置处，可以提供液压或气动致动的活塞、链条和齿轮系统以及电动或液压马达等等，以使元件30的端部部分围绕铰接点81可控地枢转。因此，可以调节元件30的形状，以实现额外升力增加、阻力减小和/或升阻比增加。

在图15中图示另外的示例，其中提供第二铰接点82，元件30的中心部分可围绕第二铰接点82枢转。相应致动器可以再次提供对围绕点82的枢转角度的可控制性。因此，可以通过围绕点81、82进行枢转来缩短或加长元件30的宽度w。例如，可实现的最小长度可以在5％c和20％c之间，并且可实现的最大长度可以在30％c至60％c之间。当使元件30延伸时，元件30的后部部分的高度相应地改变。例如，可以在叶片主体20内部提供电动马达和相应链条或皮带，以使元件30的若干部分围绕一个或多个铰接点枢转。通过调节图15中所图示的两个可移动段的位置、并且因此元件宽度，可以根据操作点改善空气动力学性质，并且可以优化发电。根据情况，元件30的较大宽度或较大曲率可能导致最佳升阻比。

因此，与叶片后缘的常规几何形状相比，流动修改元件30在其主动配置和被动配置两者中都可以提供显著优点。

虽然本文中公开具体实施例，但是可以作出各种改变和修改、而不背离本发明的范围。本实施例在所有方面都被视为说明性和非限制性的，并且其中旨在包括在所附权利要求的含义和等效范围内的所有改变。

Claims (14)

1.一种用于风力涡轮机叶片的流动修改元件，其中，所述风力涡轮机叶片(10)包括具有前缘(16)、吸力表面(18)和压力表面(19)的叶片主体(20)，其中，所述流动修改元件(30)被配置成为所述风力涡轮机叶片(10)的至少纵向区段(15)提供后缘(17)，其中，所述流动修改元件(30)和所述叶片主体(20)形成空气动力学轮廓，其中，所述流动修改元件(30)包括：

-吸力侧(32)；

-压力侧(33)；

-后端(37)，所述后端(37)提供所述空气动力学轮廓的后缘(17)；以及

-压力表面延伸区段(39)，所述压力表面延伸区段(39)在所述压力侧(33)上，并且被配置成使所述叶片主体(20)的压力表面(19)朝向所述后端(37)延伸，

其中，所述压力表面延伸区段(39)被成形为在所述空气动力学轮廓中提供压力侧轮廓区段(40)，所述压力侧轮廓区段(40)具有凹曲线的形状，并且形成从所述压力侧(33)朝向所述流动修改元件(30)的吸力侧(32)凹陷的凹陷部分(44)，

其中，所述压力侧轮廓区段(40)被成形为在所述吸力侧(32)的垂直于所述叶片主体(20)的翼弦线(c)的方向上具有顶点(47)，其中，所述顶点(47)在所述轮廓中在所述吸力侧的方向上位于所述吸力表面的外推线(28e)与所述叶片主体(20)的压力表面的外推线(29e)之间的中心线(60)上方，并且

其中，所述压力侧轮廓区段(40)具有第一部分和第二部分，所述第一部分朝向所述后端(37)和所述吸力侧(32)向后且向上延伸、到达所述顶点(47)，所述第二部分朝向所述后端(37)和所述压力侧(33)向后且向下延伸。

2.根据权利要求1所述的流动修改元件，其中，所述压力表面延伸区段(39)被配置成以钝角(49)与所述叶片主体(20)的压力表面(19)相交，所述压力表面延伸区段(39)被配置成从所述压力表面(19)朝向所述吸力侧(32)延伸。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的流动修改元件，其中，具有凹曲线的形状的所述压力侧轮廓区段(40)在朝向所述叶片主体(20)定位的第一点处具有第一切线，并且在朝向所述后端(37)定位的第二点处具有第二切线，其中，所述第一切线和所述第二切线形成小于140度、优选地小于120度、更优选地小于100度的角度。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的流动修改元件，其中，所述压力侧轮廓区段(40)的凹曲线的形状被配置成从所述叶片主体的压力表面(19)延伸到所述后端(37)、优选地没有拐点。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的流动修改元件，其中，所述流动修改元件(30)还包括被配置成使所述叶片主体(20)的吸力表面(18)朝向所述后端(37)延伸的吸力表面延伸区段(38)，其中，所述吸力表面延伸区段(38)被优选地配置成与所述叶片主体(20)的吸力表面(18)形成连续表面。

6.根据权利要求5所述的流动修改元件，其中，所述吸力表面延伸区段(38)被成形为在所述空气动力学轮廓中提供弯曲端部区段(55)，所述弯曲端部区段(55)朝向所述后端(37)延伸，并且远离所述吸力侧(32)朝向所述压力侧(33)弯折。

7.根据权利要求5或6所述的流动修改元件，其中，所述吸力表面延伸区段(38)被成形为在所述空气动力学轮廓中提供中间吸力轮廓区段(52)，所述中间吸力轮廓区段(52)具有凹曲线的形状，并且形成从所述流动修改元件(30)的所述吸力侧(32)朝向压力侧(33)凹陷的另外的凹陷部分(54)。

8.根据权利要求5或6所述的流动修改元件，其中，所述吸力表面延伸区段(38)被成形为在所述空气动力学轮廓中提供吸力侧轮廓曲线，所述吸力侧轮廓曲线包括笔直或大致笔直的区段(71)，所述笔直或大致笔直的区段(71)被配置成与所述叶片主体(20)的吸力表面(18)相切，或者与所述叶片主体(20)的吸力表面(18)的外推线(28e)形成正角或负角(76)。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的流动修改元件，其还包括被配置成改变所述流动修改元件(30)的延伸、取向和/或曲率的一个或多个致动器。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的流动修改元件，其中，所述流动修改元件(30)被配置成具有与所述叶片主体(20)的后部部分的厚度相匹配的形状，其中，所述流动修改元件(30)被布置成使得所述空气动力学轮廓的厚度在从所述叶片主体(20)到所述流动修改元件(30)的过渡部处是连续的。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的流动修改元件，其中，所述流动修改元件(30)是附加元件，其还包括被配置成安装到所述叶片主体(20)的后缘(21)的安装区段(31)，或者其中，所述流动修改元件(30)和所述叶片主体(20)一体地成型，以形成所述风力涡轮机叶片(10)。

12.根据权利要求11所述的流动修改元件，其中，所述安装区段(31)具有被配置成安装到所述叶片主体的倒圆后缘(21)的倒圆形状。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的流动修改元件，其中，所述风力涡轮机叶片(10)沿纵向方向从0％L处的位置延伸到100％L的位置处的叶片尖端(12)，在0％L处的位置处，所述风力涡轮机叶片能够安装到风力涡轮机转子(101)的毂部(102)，其中，L对应于所述叶片的长度，其中，所述流动修改元件(30)被配置成设置在所述叶片主体(20)上、在0％L和60％L之间、优选地5％L和50％L之间、更优选地10％L和40％L之间的纵向区域内。

14.一种风力涡轮机叶片，其包括具有前缘(16)、吸力表面(18)和压力表面(19)的叶片主体(20)，其中，所述风力涡轮机叶片(10)还包括：

根据前述权利要求中的任一项所述的流动修改元件(30)，其中，所述流动修改元件(30)安装到所述叶片主体(20)，或者其中，所述流动修改元件(30)和所述叶片主体(20)一体地成型，以形成所述风力涡轮机叶片(10)，其中，所述流动修改元件(30)为所述风力涡轮机叶片(10)的至少纵向区段(15)提供后缘(17)。