用于风能设备的转子叶片和风能设备

技术领域

本发明尤其涉及一种用于风能设备的转子叶片以及相关的风能设备。同样，本发明涉及一种用于降低风能设备的音调(Tonhaltigkeit)的方法。

背景技术

用于降低和控制风能设备的声发射的设备和方法例如从DE 10 2015 008 812 A1中已知。其中提出一种用于风能设备的声发射控制设备，其具有带有至少一个单音频率的声发射谱，其中声发射控制设备包括至少一个有源的声源，所述声源构成用于在至少一个单音频率周围的频带中确定沿至少一个空间方向的屏蔽噪音，以及包括控制设备，所述控制设备构成用于根据风能设备的至少一个运行参数控制至少一个有源的声源。

前述方法和前述设备的特征尤其在于，有源的声源的必要性。所述有源的声源需要附加的构件，所述构件经由另外的要设置的控制机构操控。前述解决方案据此是耗费的且复杂的，因为附加的组件是额外增加成本的。

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：DE102012104604 A1、DE 102015008812 A1、US 2014/0093380 A1、WO 2013/075718 A1和WO2015/195327 A1。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是，提出一种用于风能设备的转子叶片以及相关的风能设备和一种用于降低音调的方法，其至少部分地消除现有技术的缺点。

根据第一方面，提出一种用于风能设备的转子叶片，所述转子叶片具有沿着转子叶片的纵向方向在转子叶片根部和转子叶片尖部之间延伸的转子叶片后缘。转子叶片的厚度变化在转子叶片后缘的区域中沿着转子叶片的纵向方向具有局部最大值。

由此，厚度变化在转子后缘的区域中具有局部最大值。局部最大值例如通过后缘的增厚部产生并且用于扩宽声发射谱。总的来说，后缘优选是尽可能薄的，尤其在转子叶片的靠外的区域中，优选从转子半径的50％起并且特别优选从转子半径的75％起是尽可能薄的。在限定的区域中，应当将所述后缘有意地增厚，由此减小声发射的尤其通过音调引起的心理声学的干扰，因为所述音调峰值通过谱在限定的频率范围内的升高或水平提高来屏蔽从而失去相对于谱的其他部分的优势。

例如通过结构振荡产生的音调由发电机或必要时也由传动机构激励，随后所述音调与宽带或窄带的噪音叠加从而不容易被听到。

在上下文中，转子叶片后缘的区域尤其是指从前缘起轮廓弦线的60％至100％的区域。优选地，所述区域包括80％至100％并且尤其优选刚好包括在后缘处的厚度。尤其，后缘的形状和设计方案不受限制，使得厚的/钝的后缘可以至少部段地设置在转子叶片上。

据此，可以通过后缘的区域的因此简单的、结构的设计方案，例如通过在转子叶片的压力侧和/或吸力侧上增厚部来产生对音调峰值的令人惊讶地有利的影响。

根据局部最大值的位置可以屏蔽不同的频率。优选地，转子叶片具有多个局部最大值，其分别通过屏蔽使得不同频率是对于观察者不太能听见的。

在一个实施方式中，沿着转子叶片的纵向方向观察，转子叶片后缘的厚度从局部最大值起在两个方向上开始减小。据此排除了：局部最大值在本实施方案中位于起始部处，即在根部区域中，或在端部处，即在叶片尖部处。局部最大值的位置可以为此匹配于要求，尤其声特性的要求。

特别优选地，转子叶片后缘沿纵向方向的变化是连续的且可微分的，即尤其不具有折点或不具有阶梯。在一个特殊的设计方案中，在局部最大值的整个区域中存在转子叶片后缘的弯曲部，也就是说，转子叶片后缘沿纵向方向的变化的二次求导在局部最大值的整个区域中不等于零。在另外的实施方案中，也可实现平台式的局部最大值，其中在局部最大值的区域中随后可能出现如下部位，在该部位处，二次求导，即曲率为零。

转子叶片后缘优选是封闭的，也就是说，基本上连贯的或连续的面将压力侧和吸力侧在转子叶片后缘的区域中连接。换句话说，在压力侧和吸力侧之间的空间在转子叶片后缘的区域中优选是封闭的。

在一个实施方式中，局部最大值设置在转子叶片的转子半径的60％至95％的区域之内。优选地，例如引起局部最大值的增厚部随后设置在相对远地在外部位于转子叶片上的区域中。在此情况下示例性的增厚部可以在锯齿或其他附件之前，即关于叶片半径更靠内地，或也在锯齿之间设置，其中锯齿在后一种情况下优选是中断的。由此可以特别有利地避免音调峰值。

在一个实施方式中，局部最大值设置在叶片半径的90％至95％的区域之内。

通常，频率f与转速n(f～n)相关。如果增厚部更靠外，尤其位于叶片半径的特别优选的90％至95％的区域中，那么频率跟随音调的频率。在转速高的情况下还出现双重效应，使得代替仅一个频率峰值产生两个频率峰值。准确来说，通过双重效应限定频率范围，具有通过多普勒频移得到的频率下限和频率上限。

在一个实施方式中，转子叶片后缘在转子半径的70％至95％处具有多个齿，用于影响在转子叶片后缘处的流动特性并且局部最大值设置在齿的区域中，其中转子叶片后缘在局部最大值的位置处不具有齿。齿例如是对于本领域技术人员已知的锯齿，所述锯齿也可以具有与精确的齿形状不同的几何形状。通过锯齿在局部最大值的位置处的中断可实现可听到的噪音发生的特别有效的改善。

在一个实施方式中，转子叶片后缘的厚度变化沿着转子叶片的纵向方向至少部段地卷曲地(gewunden)伸展。相对于尖锐的棱边或尖锐的折点，至少部段地卷曲的伸展具有如下优点，即在其他或相邻的频率范围内不产生新的不期望的噪音。

引起局部最大值的增厚部可以采用任何几何形状上有意义的形状或变化，包含三角形、正态分布的形状、泊松分布和所有其他可能的形状和变化。所述变化可以要么关于局部最大值对称地要么朝向两侧中的一侧，即朝转子叶片根部方向或朝转子叶片尖部方向不对称地伸展。所有组合是可考虑的。

在一个实施方式中，轮廓厚度在转子叶片后缘的区域中的局部最大值为3cm至6cm，优选4cm至5cm。借助于所述尺寸已证实：引起局部最大值的增厚部刚好将在风能设备中典型地产生的音调峰值在声学方面减弱。

在一个实施方式中，转子叶片具有压力侧的面和吸力侧的面，其通过转子叶片后缘彼此分离，并且转子叶片后缘的具有局部最大值的厚度变化通过在转子叶片的吸力侧的面和/或在转子叶片后缘的区域中的压力侧的面上的增厚部形成。

增厚部据此可以在压力侧上和/或在吸力侧上相对于环境突出。增厚部沿转子叶片纵向方向的伸展优选经由对厚度变化的求导确定，其中阈值，例如零或也还有与零不同的值可以用于限制增厚部。替选地或附加地，也可以考虑厚度变化的曲率变化，即二次求导。

在一个实施方式中，增厚部沿着转子叶片的纵向方向具有叶片半径的3％和30％，优选10％和25％并且特别优选15％和20％之间的纵向伸展。

在一个实施方式中，转子叶片还具有转子叶片前缘，其中增厚部沿着横向方向在转子叶片后缘和转子叶片前缘之间具有转子叶片的轮廓深度的20％至50％之间的横向伸展。

在另一方面，所述目的根据本发明通过具有塔、吊舱和转子的风能设备实现，其中转子包括至少一个根据本发明的转子叶片。

在另一方面，所述目的根据本发明通过具有至少两个根据本发明的风能设备的风电场实现。

在另一方面，所述目的根据本发明通过用于降低音调的方法实现，所述方法包括沿着转子叶片的纵向方向在转子叶片根部和转子叶片尖部之间延伸的转子叶片后缘的区域中沿着转子叶片的纵向方向确定转子叶片的厚度变化的局部最大值。

根据本发明的转子叶片的所有优选的设计方案和优选的设计方案的组合能以相同的方式有利地传递到风能设备、风电场以及还有根据本发明的方法上。

附图说明

下面参照附图描述其他优点和有利的设计方案。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音调的效应；

图3示意地且示例地示出关于转子叶片长度的厚度变化曲线。

图4示意地且示例地示出转子叶片的俯视图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的风能设备的示意图。风能设备100具有塔102和在塔102上的吊舱104。在吊舱104上设有空气动力学的转子106，所述转子具有三个转子叶片108和导流罩110。空气动力学的转子106在风能设备的运行中由风置于转动运动中从而也转动发电机的电动的转子或工作轮，所述转子或工作轮直接或间接地与空气动力学的转子106耦合。发电机设置在吊舱104中并且产生电能。转子叶片108的桨距角可以通过在相应的转子叶片108的转子叶片根部处的变桨马达改变。

转子叶片108分别具有前缘120和后缘122。前缘120和后缘122经由压力侧的面124和吸力侧的面126彼此连接。转子叶片108沿转子叶片纵向方向从转子叶片根部128至转子叶片尖部129延伸转子叶片长度R。

沿叶片纵向方向在一个部位处，转子叶片108无论如何在后缘122的区域中具有增厚部130，所述增厚部根据本发明具有减小或避免音调的结果，如下文中所描述。

图2示意地且示例地在两侧上对数化的图表200中示出音调的效果，其中在竖轴上关于频率log f记录声压log p。在图表200中风能设备100的整个噪音发展205的音调清楚可见，其表现在声压峰值210中。当在噪音之内可听到单个音时，存在噪音的音响或音调。音调通常明显地提高噪音的可能的干扰作用。声压峰值210通常通过特别大的表面，例如塔、吊舱衬里、转子叶片的振荡引起。所述振荡通常通过在发电机中或在传动机构中的机械力产生并且通过在相应的发射位置处的结构传播。

通过根据本发明的解决方案屏蔽声压峰值210，其方式为通过增厚的后缘产生附加的噪音源，其包括比声压峰值210更大的频率范围。在足够的屏蔽的情况下。也就是说，产生较平坦的弧形部220的情况下，声压峰值210随后不再被评估为音调，尤其根据DIN EN61400-11:2013-09的音调。在后缘处产生的声音的频率与后缘的厚度的倒数相关联，即后缘在一个部位处越厚，在该部位处所产生的后缘噪音的频率越低。

根据本发明，如图3示意地和示例地示出，这通过改变转子叶片的后缘厚度H实现。图3示出厚度变化曲线300，其中具有在竖轴上的后缘的厚度H和具有关于整个转子叶片长度R的转子叶片纵向位置r。

厚度变化曲线300示出在靠近毂的区域中的已知的减小的变化曲线310。根据本发明，为了避免音调现在在更远地靠外的叶片区域中设有厚度H的局部最大值320。局部最大值320尤其位于相对的叶片半径r的60％至95％之间的区域中。

图4最后示出根据本发明的转子叶片108的俯视图，其中增厚部130示意地可见。增厚部130造成：如在图3中所示出那样出现后缘厚度H的局部最大值320。增厚部130在本实例中在垂直于转子叶片的纵向方向的整个轮廓深度上延伸。替选地，也可实现如下增厚部130，其仅具有在后缘122处构成的变化并且例如在轮廓深度的一半上延伸。

对于增厚部130附加地或替选地，在后缘处可以设置有后缘齿或锯齿132，后缘齿也通过名称锯齿已知。在增厚部130的区域中优选不设置有锯齿132。优选地，增厚部130设置在60％至95％的区域中，尤其设置在90％至95％的靠外的区域中，因为在该区域中产生干扰噪音，其可能以所需的振幅引起屏蔽噪音。

增厚部130的大小和伸展范围匹配于转子叶片的和整个风能设备100的尺寸。在转子叶片长度R上可以设有多个增厚部130。