[发明专利]风力涡轮叶片前缘的保护

说明书

本发明涉及风力涡轮叶片前缘的保护。公开了用于风力涡轮叶片的前缘保护器。前缘保护器构造成至少部分地覆盖叶片前缘区段。前缘保护器包括主体，其具有基本上恒定的厚度且具有后端。前缘保护器进一步包括多个不规则部，其布置在主体的外表面上、在后端的上游，且构造成激励边界层。还公开了包括这样的前缘保护器的风力涡轮。

技术领域

本公开涉及特别是用于风力涡轮叶片的构造成减少叶片侵蚀的前缘保护器。本公开进一步涉及包括这样的保护器的风力涡轮。

背景技术

现代的风力涡轮通常用于将电供应到电网中。风力涡轮叶片典型地在叶片根部部分处直接地或通过延伸器(即，布置在叶片根部部分与毂之间的圆柱形元件，其用以增大转子扫掠区域的直径)附接到转子毂。在风对叶片的影响下，转子处于旋转状态。转子轴的旋转直接地(“直接驱动式”)或通过使用齿轮箱驱动发电机转子。发电机的运行产生将被供应到电网中的电。

风力涡轮叶片典型地设计成用于最优的空气动力学状况，以优化风力涡轮的性能，来用于最大程度地发电。然而，作为运行负荷的补充，风力涡轮叶片还经受许多种恶劣的环境状况，特别地包括诸如(但不限于)雨滴、灰尘颗粒、砂颗粒、昆虫、盐(尤其是在海上风力涡轮方面)和/或其它物质的磨蚀颗粒的状况。撞击在叶片表面上(特别是在前缘上)的这些磨蚀颗粒可对其造成不利影响，从而引起叶片表面(特别是其前缘)的磨损。已知利用所谓的前缘保护器来保护叶片的前缘。

已知风力涡轮的升力和阻力系数可作为叶片区段的攻角的函数而变化。大体上，升力系数(图4的参考标记21)在所谓的临界攻角23处增加到某一最大值。该临界攻角23有时也被称为失速角。阻力系数(参考标记22)可大体上非常小，且在接近于临界攻角23处开始以显著的方式增加。轮廓或叶片区段的空气动力学行为上的这种快速改变大体上与以下现象有关：围绕轮廓(或叶片区段)的空气动力流不能够沿着空气动力学轮廓前进，且该流与轮廓分离。分离引起湍流的尾流，这减小了轮廓的升力且显著地增大了阻力。

升力系数和阻力系数的准确曲线可根据所选择的空气动力学轮廓而显著地变化。然而，大体上，不管所选择的空气动力学轮廓如何，可发现使升力增大直到临界攻角的趋势以及还有在临界攻角之后阻力上的快速增大。

因此可理解的是，随着攻角增大，轮廓的升力系数增大，直到“失速”。如果攻角进一步增大，则升力系数减小，且拐点被称为失速角。在运行期间，每当叶片受到例如侵蚀时，轮廓的升力系数在达到“失速”状况之前开始“变平”。此外，可在较小的攻角处达到失速。这降低了风力涡轮的效率，因此造成功率产量的损失。

使用如上文描述的前缘保护器(LEP)可在某种程度上延长叶片前缘的寿命。然而，在恶劣的环境状况下，前缘保护器也受到腐蚀，由此导致例如末端速度的切向速率上的限制(例如，限制于90 m/s)，这涉及年能量产量(AEP)的下降。为了减少LEP的腐蚀，正在开发具有某一厚度的LEP，以进一步延长它们的寿命。然而，具有某一厚度的LEP的使用涉及当在使用中时在LEP的指向叶片后缘区段的面向后的端部处的突然或急剧的阶跃。这些突然的阶跃可引起从层流到湍流的不受控制的过渡，即尽管对于翼弦的相当大的部分而言层流边界层将围绕不具有LEP的叶片而布置，但具有厚LEP的叶片(对于相同的风速和相同的攻角而言)可具有湍流边界层。这意味着边界层的空气流比不包括厚LEP的叶片中的空气流更易于分离，由此降低了这些转子叶片的空气动力学效率。

为了从前缘保护器或壳体平滑地过渡到叶片表面中，文献EP3144525公开了在面向后的端部中的至少一个中具有逐渐减小的厚度的前缘壳体。在一些示例中，厚度逐渐减小的面向后的端部中的至少一个包括用于对前缘壳体下游的空气流的边界层进行再激励和/或使其稳定的机构。

文献US20110006165描述了一种薄膜或防侵蚀材料，其放置在翼型件上，以提供用于结合翼面边缘涡流发生器的介质。薄膜边缘定形成具有背离前缘朝向后缘的成规则序列的V形结构。

因此，仍需要构造成在避免或至少减少叶片侵蚀的同时提高风力涡轮效率的改进的LEP。