DE102006054683A1

DE102006054683A1 - Rotorblatt mit aerodynamischen Elementen für eine Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102006054683A1
Application number: DE102006054683A
Authority: DE
Inventors: Laurent Bonnet
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: LM WIND POWER A/S, DK
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2026-11-18
Also published as: CN101029629A; DK178323B1; US20070110585A1; CN101029629B; US7604461B2; DE102006054683B4; DK200601511A

Abstract

Ein Rotorblatt (150) für eine Windkraftanlage weist eine Oberfläche (152) mit einer Mehrzahl von darin ausgebildeten Elementen (154) mit aerodynamischen Eigenschaften auf. Die Elemente sind zum Beeinflussen einer Luftströmung an der Oberfläche während des Betriebs der Windkraftanlage eingerichtet und in einem zweidimensionalen Muster oder Array angeordnet.

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Rotorblätter für eine Windkraftanlage und genauer auf die Oberfläche eines Rotorblatts für eine Windkraftanlage.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Rotorblätter sind Hauptbestandteile von Windkraftanlagen für die Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie. Das Funktionsprinzip der Rotorblätter ähnelt dem von Flugzeugflügeln. In 1 ist eine Querschnittsansicht durch ein typisches Blatt während des Betriebs gezeigt. Im Betrieb strömt Luft an beiden Seiten des Blatts entlang und erzeugt eine Druckdifferenz zwischen den Seiten. Folglich wirkt auf das Blatt eine Auftriebskraft, die von einer Druckseite zu einer Saugseite gerichtet ist.

Weiterhin weist ein Bereich mit einer anliegenden Strömung eine im Wesentlichen laminare Strömung entlang eines Außenoberflächenbereiches des Blattes auf. Im Gegensatz dazu weist ein Bereich mit einer abgelösten Strömung im Nachlauf der Strömungsablösung eine turbulentere Strömung auf. Eine Strömungsablösung hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, wie z.B. den Eigenschaften der ankommenden Strömung (z.B. Rey noldszahl, Windgeschwindigkeit, atmosphärische Turbulenz der Einlaufströmung) und Eigenschaften des Blattes (z.B. Blattabschnitte, Blattlänge und -dicke, Twist- bzw. Verwindungswinkel, Pitch- bzw. Anstellwinkel etc.).

Die Auftriebskraft wird hauptsächlich durch den Bereich mit anliegender Strömung erzeugt, während der Bereich mit abgelöster Strömung hauptsächlich infolge einer Druckdifferenz zwischen dem stromaufwärtigen Bereich mit anliegender Strömung und dem stromabwärtigen Bereich mit abgelöster Strömung zu einem Anstieg der Luftwiderstandskraft führt.

Die zum Erzeugen elektrischer Energie verwendete Kraftkomponente ist ein Teil der Auftriebskraft, der als Drehmoment auf die Rotorhauptwelle wirkt. Demnach ist es erwünscht, die Auftriebskraft zu maximieren, um die Effizienz der Energieumwandlung während des normalen Betriebs der Windkraftanlage zu steigern. Andererseits ist es allgemein erwünscht, die Luftwiderstandskraft zu minimieren. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, den Bereich mit anliegender Strömung zu vergrößern und den Bereich mit abgelöster Strömung zu verkleinern, indem die Strömungsablösung in der Nähe der Hinterkante des Blattes, d.h. in dem stromabwärtigen Bereich des Blattes stattfindet. Allgemein ist es auch erwünscht, eine stabile Strömungsablösung zu erhalten, um z.B. die Funktionsstabilität zu erhöhen oder die Geräuscherzeugung zu verringern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 und 2 sind Querschnittsansichten durch ein Standardblatt einer Windkraftanlage;
die 3 und 4 sind Querschnittsansichten durch ein Windkraftanlagenblatt, das eine mit Dimples bzw. Vertiefungen versehene Außenhaut aufweist;
5 zeigt eine Draufsicht auf ein Blatt, das verschiedene Oberflächenbereiche, z.B. mit Dimples unterschiedlicher Größe, aufweist;
die 6 bis 13 sind vergrößerte Ansichten der mit Dimples versehenen Außenhaut, wobei die Dimples eine unterschiedliche Größe und Tife aufweisen; und
die 14 bis 31 sind Draufsichten auf Beispiele für aerodynamische Elemente, die in die Blattoberfläche hinein vertieft oder aus der Blattoberfläche hervorstehend ausgebildet sind.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines typischen Blatts 100, das eine Saugseite 102 und eine Druckseite 104 mit einem höheren Druck aufweist. Wie durch die Linien 106 dargestellt strömt an beiden Seiten 102, 104 des Blattes 100 Luft entlang. Zwischen den Seiten 102 und 104 entsteht eine Druckdifferenz, so dass die Seite 102, die einem niedrigeren Druck ausgesetzt ist, eine Saugseite ist, und die Seite 104, die einem höheren druck ausgesetzt ist, eine Druckseite ist. Folglich wirkt auf das Blatt 100 eine Auftriebskraft, die von der Druckseite 104 zu der Saugseite 102 gerichtet ist.
Wie in 1 gezeigt erfolgt zwischen einem Bereich 108 mit einer anliegenden Luftströmung und einem Bereich 110 mit einer abgelösten Luftströmung eine Strömungsablösung. Der Bereich 108 mit anliegender Strömung weist entlang des Außenoberflächenbereichs des Blattes 100 eine im Wesentlichen laminare Strömung auf. Im Gegensatz dazu weist der Bereich 110 mit abgelöster Strömung im Nachlauf der Strömungsablösung eine turbulentere Strömung auf. Eine Strömungsablösung hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, wie z.B. Eigenschaften der ankommenden Luftströmung (z.B. Reynoldszahl, Windgeschwindigkeit, Turbulenz) und Eigenschaften des Blattes (z.B. Blattdicke, Pitchwinkel etc.).
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Blatts 120, in der gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente bezeichnen, wie sie in 1 beschrieben worden sind. Das Blatt 120 weist einen kleineren Pitchwinkel als das (in 1 gezeigte) Blatt 100 auf. Folglich liegt der Bereich der Strömungsablösung in 2 weiter stromabwärts, d.h. im Vergleich zu der Strömungsablösung in 1 näher an der Hinterkante des Blatts.
Unter Bezug auf die 3 und 4: Es sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gezeigt, die auf einer Oberfläche eines Blattes Vertiefungen bzw. Dimples als Elemente mit aerodynamischen Eigenschaften aufweisen. Dimples sind von Golfbällen bekannt, wo sie gewöhnlich verwendet werden, um die aerodynamischen Eigenschaften des Golfballs als breiter Körper bzw. Bluff Body zu verbessern.
Konkret stellt 3 einen Querschnitt eines Blattes 150 dar, das sowohl auf der Druckseite 156 als auch auf der Saugseite 158 des Blattes 150 eine Oberfläche 152 mit aerodynamischen Elementen 154 ausweist. In der dargestellten Aus führungsform weist die Oberfläche 152 auf dem gesamten Blatt, d.h. auf beiden Seiten des Blattes 150 von der Vorderkante 160 bis zu der Hinterkante 162 aerodynamische Elemente 154 auf.
4 stellt einen Querschnitt durch ein Blatt 170 dar, in dem gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente bezeichnen, wie sie in 3 beschreiben worden sind. Wie in 4 dargestellt sind nur auf einem Hinterkantenbereich 172 des Blattes 170, d.h. zwischen Holmgurten und der stromabwärtigen Hinterkante 164 des Blatts 170, aerodynamische Elemente 154 vorhanden. In anderen Ausführungsformen könnten die Elemente 154 mit aerodynamischen Eigenschaften weiterhin nur an einem Vorderkantenbereich 160 des Blatts 170, d.h. zwischen den Holmgurten und einer (nicht gezeigten) stromaufwärtigen Vorderkante, vorhanden sein. Die zweite Anordnung kann für einen dicken oder zylindrischen Abschnitt in der Nähe des Blattfußes oder an diesem nützlich sein. In Abhängigkeit von der Blattgeometrie und den gewünschten Blatteigenschaften sind auch andere Anordnungen der aerodynamischen Elemente auf der Blattoberfläche möglich. Die Ausdehnung der Oberfläche mit den aerodynamischen Elementen hängt in einer Ausführungsform von der radialen Position auf dem Blatt ab.
Wie in den 3 und 4 gezeigt sind die Elemente 154 mit aerodynamischen Eigenschaften integral in der Außenwand ausgebildet. Hierbei sind die aerodynamischen Elemente als ein Höhenprofil über der Oberfläche der Außenwand definiert. In den in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen bildet die Oberfläche 152 einen glatten Oberflächenbereich, in den hinein die aerodynamischen Elemente 154 als Vertiefun gen ausgebildet sind, d.h. von dem ausgehend sich die aerodynamischen Elemente in einer Richtung nach innen erstrecken.
Die aerodynamischen Elemente 154 weisen in der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsform alle die gleiche Form, Größe und Anordnung auf. In anderen Ausführungsformen mit einer anderen Blattbereichsgröße, lokalen Luftströmungsgeschwindigkeit und Reynoldszahl kann es jedoch wünschenswert sein, aerodynamische Elemente zu schaffen, die in Abhängigkeit von der Position auf den Blättern 150, 170 in der Form, Größe, Anordnung und/oder Ausrichtung variieren. Die aerodynamischen Elemente 154 können z.B. an dem Fußbereich sehr groß (mit einer Länge zwischen 0,3 m und 10 m und einer Breite und Tiefe jeweils zwischen 0,3 cm und 5 cm) und an dem Spitzenbereich sehr klein (mit einer Länge, Breite und Tiefe jeweils zwischen 0,3 mm und 5 mm) sein.
Die obige Variation der aerodynamischen Elemente 154 kann kontinuierlich oder schrittweise erfolgen. Weiterhin kann die Variation in einer Radial-, Umfangs- oder einer anderen Richtung auf den Blätter 150, 170 erfolgen. Die aerodynamischen Elemente 154 können weiterhin auf den Druckseiten 156 und den Saugseiten 158 der Blätter 150, 170 unterschiedlich sein.
In 5 ist ein Beispiel für eine Variation der aerodynamischen Elemente 154 in Schritten dargestellt. Wie in 5 gezeigt weist ein Blatt 180 mehrere Oberflächen A bis F und A' bis F' mit aerodynamischen Elementen auf, wobei jede der Oberflächen aerodynamische Elemente 154 von einer bestimmten Form, Größe, Anordnung und/oder Ausrichtung aufwei sen kann. Folglich wird eine schrittweise Variation der aerodynamischen Elemente 154 erreicht.
Auf diese Weise können Unterschiede der Luftströmungsgeschwindigkeiten und anderer Luftströmungsbedingungen zwischen den jeweiligen Blattabschnitten berücksichtigt werden. Weiterhin können die aerodynamischen Elemente 154 in den jeweiligen Abschnitten unterschiedlichen Zwecken dienen. Die Oberflächen A bis C und A' bis C' können z.B. hauptsächlich die Stabilität des Strömungsübergangs in einem Bereich mit einer vergleichsweise niedrigen Blattgeschwindigkeit fördern. Demgegenüber können die Oberflächen D bis F und D' bis F' hauptsächlich dazu dienen, in einem Bereich mit einer vergleichsweise hohen Blattgeschwindigkeit den Strömungsübergang so weit wie möglich in stromabwärtiger Richtung zu erstrecken, um den Luftwiderstand zu reduzieren. In 5 sind die Oberflächen D bis F und D' bis F' mit aerodynamischen Elementten entlang der äußeren 50 Prozent der Blattspannweite vorgesehen, um den Strömungsübergang so weit wie möglich zu der Hinterkante hin zu erstrecken, um den Luftwiderstand zu verringern. Weiterhin kann die Verwendung von Bereichen mit aerodynamischen Elementen 154 von unterschiedlicher Form und Größe dazu dienen, insbesondere bei einem hohen Pitchwinkel einen progressiven Strömungsübergang auszulösen.
Die aerodynamischen Elemente 154 können auf den verschiedenen Oberflächen aus 5 mit aerodynamischen Elementen können sich in verschiedener Hinsicht unterscheiden. Als ein erstes Beispiel kann die Größe der aerodynamischen Elemente variieren. Die Oberfläche A kann z.B. große, tiefe aerodynamische Elemente aufweisen, während die Oberflächen B bis F aerodynamische Elemente von wachsender Ausdehnung und Tiefe aufweisen können. Weiterhin können die Oberflächen A' bis F', die nahe bei dem Vorderkantenabschnitt des Blatts 180 angeordnet sind, kleiner als die entsprechenden Oberflächen A bis F auf dem Hinterkantenabschnitt des Blattes 180 sein, um an die allgemein laminarere Luftströmung in der Nähe der Vorderkante angepasst zu sein.
Die aerodynamischen Elemente 154 auf der Oberfläche A können z.B. in jeder Richtung um einen entsprechenden Faktor von 1/2 bis 1/10 kleiner sein als diejenigen auf der Oberfläche F, während die aerodynamischen Elemente 154 auf den Oberflächen B bis E Zwischengrößen aufweisen. Die Elemente auf der Oberfläche F können z.B. eine Maximalausdehnung entlang der Oberfläche von 1 bis 10 cm und eine maximale Tiefe von 0,1 bis 1 cm aufweisen, während die Oberfläche A Elemente mit einer maximalen Ausdehnung entlang der Oberfläche von 1 bis 10 mm und eine maximale Tiefe von 0,1 bis 1 mm aufweisen kann. Dadurch kann die Außenhaut F, die aerodynamische Elemente 154 aufweist, relativ dünn sein (z.B. eine etwa 1 mm dicke äußere Schicht aufweisen), und die Außenhaut A kann dicker sein (z.B. eine äußere etwa 4 mm dicke äußere Schicht aufweisen). Alternativ können die beiden mit Dimples versehenen Außenhäute A und F von der gleichen Dicke sein. In beiden Fällen kann die untere Oberfläche von z.B. einer mit Dimples versehenen Außenhaut die Form der Bodenflächen der Dimples aufweisen oder glatt sein.
Um einen kontinuierlichen Übergang zwischen einem Oberflächenbereich mit vergleichsweise großen Elementen und einem Oberflächenbereich mit vergleichsweise kleinen Elementen zu erhalten, ist es auch möglich, Elemente von unterschiedlicher Größe auf einer Oberfläche vorzusehen.
Als ein zweites Beispiel kann die Form der aerodynamischen Elemente variiert werden. In den 6 bis 13 sind Beispiele für eine Variation der Form gezeigt. Wie hierin beschrieben kann jede beliebige Ausführungsform aus den 6 bis 13 zu einer beliebigen Oberfläche mit aerodynamischen Elementen gemäß 5 gehören. Wie in den 6 bis 13 gezeigt ist jede Form an eine bestimmte Luftströmungscharakteristik angepasst. Die länglichen Strukturen 190 in den 8, 9, 12 und 13 sind z.B. an eine bevorzugte Gesamtrichtung der Luftströmung angepasst, während kreisförmige Formen, wie sie in den 5, 6, 7, 10 und 11 gezeigt sind, keine bevorzugte Luftströmungsrichtung aufweisen. Weiterhin neigen die als Vertiefung ausgebildeten Strukturen aus den 6 bis 9 dazu, innerhalb der vertieften Ausnehmungen eine mikroturbulente Strömung herbeizuführen, während die hervorstehenden Elemente aus den 10 bis 13 dazu neigen, in dem Nachlauf der Elemente eine mikroturbulente Strömung herbeizuführen. Daher kann es vorteilhaft sein, die letzteren Elemente in einem asymmetrischen Muster auszubilden, das zwischen einem im Wesentlichen stromaufwärtigen und einem im Wesentlichen stromabwärtigen Bereich (die nicht gezeigt sind) jedes Elementes unterscheiden.
Als ein drittes Beispiel können die aerodynamischen Elemente auf jeder der Oberflächen A bis F und A' bis F' aus 5 die gleichen sein. Der Vorteil dieses Aufbaus besteht darin, dass die Außenhaut des Blattes nicht aus einer einstückigen Außenwandplatte hergestellt zu sein braucht, sondern auch aus mehreren Außenwandplattenabschnitten hergestellt sein kann. Dabei können die Außenwandplattenabschnitte die Form von Kacheln aufweisen und in der Art von Kacheln auf dem Blatt oder einem Teil des Blattes angebracht werden. Die Anzahl der Kacheln ist weder auf 2 × 6 Kacheln wie in 5 gezeigt beschränkt, noch ist das Kachelmuster auf eine quadratische Kachelung beschränkt, sondern der Fachmann wird erkennen, dass es vielfältige Arten der Kachelung einer Blattoberfläche oder eines Teils einer Blattoberfläche unter Verwendung von Oberflächen mit aerodynamischen Elementen gibt.
In weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsbeispielen können auf der Saugseite und der Druckseite des Blattes Flächen mit unterschiedlichen aerodynamischen Elementen verwendet werden. Hierbei kann der Ausdruck „unterschiedlich" z.B. bedeuten, dass die Form, die Größe, die Anordnung oder die Ausrichtung der aerodynamischen Elemente verschieden sein kann. Weiterhin können mehr oder weniger als 2 × 6 Kacheln oder Oberflächen mit aerodynamischen Elementen vorhanden sein. Weiterhin können die kennzeichnenden Eigenschaften der aerodynamischen Elemente innerhalb einer Oberfläche in beliebiger Richtung variiert werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel liegen Variationen in der Anordnung und/oder der Ausrichtung der aerodynamischen Elemente vor.
Typischerweise ist es erwünscht, das Strömungsablösungsverhalten zu beeinflussen. Wenn möglich sollte zu diesem Zweck ein Bereich mit potentieller Strömungsablösung mit aerodynamischen Elementen bedeckt sein. Weiterhin kann es erwünscht sein, die Leistungsfähigkeit hinsichtlich Aerodynamik und Geräuschentwicklung an dem Fußbereich des Blattes zu verbessern, der gewöhnlich dadurch gekennzeichnet ist, dass er ein dickes Schaufelblatt und eine niedrige lokale Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Zu diesem Zweck kann es vorteilhaft sein, in der Nähe des Fußbereiches große aerodynami schen Elemente vorzusehen, wie z.B. um eine stabile, turbulente Grenzschicht früher mit Energie zu speisen.
Andererseits können die Prioritäten in dem Spitzenbereich, der durch dünne Blätter und eine hohe lokale Strömungsgeschwindigkeit gekennzeichnet ist, andere sein. Hier kann es z.B. erwünscht sein, den Reibungswiderstand wirksam zu begrenzen, aber weiterhin die Strömungsablösung und das übrige Strömungsverhalten zu stabilisieren. Dies kann über einem großen Betriebsbereich (z.B. Pitch und Rotordrehzahl) zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit hinsichtlich Aerodynamik und Geräuschen führen. Demnach sollte die Größe der aerodynamischen Elemente nicht zu groß sein, um z.B. den Reibungswiderstand infolge von erzeugten Turbulenzen zu begrenzen. Analog sollte die Verwendung in anderen Bereichen des Blattes von einer Anzahl weiterer Faktoren abhängig gemacht werden, wie z.B. der relativen Bedeutung des Reibungswiderstandes.
Die Oberfläche mit den aerodynamischen Elementen ist typischerweise eine polymere Außenhautplatte. In einer Ausführungsform enthält sie einen harten Polymerverbund. In einer anderen Ausführungsform wird als Polymerverbund ein thermosplastisches ionomerisches Harz verwendet, wie z.B. das von Dupont hergestellte „Surlyn" (siehe US-Patent Nr. 4,884,814) oder das von Exxon hergestellte „Escor" und „Iotek" (siehe US-Patent Nr. 4,911,451). In der beispielhaften Ausführungsform ist die Oberfläche aus einem vorgeformten Material hergestellt und kann eine gemäß einem Muster gekrümmte Schale aufweisen, die typischerweise einem geschichteten Verbundwerkstoff bzw. Composite Sandwich ähnlich ist. Ihre äußere Schichtdicke beträgt für eine normale Blattlänge typischer weise etwa 1 bis 4 mm. Bei großen Blättern, d.h. mit einer Blattspannweite von mehr als 50 m, wird die Dicke der Außenhaut gemäß einem Skalierungsfaktor skaliert. In den meisten Fällen wird die Spannweite des Blattes dividiert durch 50 m als Skalierungsfaktor verwendet.
Die aerodynamischen Elemente können in verschiedenen zweidimensionalen und dreidimensionalen Mustern angeordnet sein. Beispielhafte Muster umfassen hexagonale, rechteckige, quadratische, quadratisch-innenzentrierte und weitere regelmäßige Muster. Außerdem ist es möglich, die Dimples in zufälligen unregelmäßigen Mustern anzuordnen. Die Muster können periodisch oder unperiodisch sein. Die Zufallsanordnung ist in dem Sinne isotrop, dass keine Richtung bevorzugt ist.
Während in der obigen Beschreibung hauptsächlich Dimples als Beispiel verwendet werden, können in ähnlicher Weise auch andere Elemente mit aerodynamischen Eigenschaften verwendet werden. Diese anderen Elemente können in der Oberfläche mit aerodynamischen Elementen durch ihr Höhenprofil definiert sein. Eine Anzahl solcher Elemente ist in den 14 bis 31 dargestellt. Hierbei ist es möglich, zwischen Elementen, die aus der Oberfläche hervorstehen, und Elementen, die in die Oberfläche hinein vertieft ausgebildet sind, zu unterscheiden. Die Ausdrücke „hervorstehend" und „vertieft" werden unter Bezug auf einen glatten Oberflächenbereich verwendet, der durch die Oberfläche zwischen den aerodynamischen Elementen gegeben ist.
Die 14 bis 31 zeigen Beispiele für aerodynamische Elemente. Die aerodynamischen Elemente sind entweder in die Oberfläche hinein vertieft ausgebildet oder stehen aus der Oberfläche nach außen hervor. Die 14, 17 und 20 stellen die geneigte Fläche jedes Elementes dar, die 15, 18 und 21 stellen die vertieft nach innen ausgebildeten Elemente dar, und die 16, 19 und 22 stellen die nach außen hervorstehenden Elemente dar. Die 23 bis 31 stellen längliche Schlitze dar. Wie in den 23 bis 25 gezeigt weisen die Schlitze entweder abgerundete oder scharfe Ränder auf und können symmetrisch oder unsymmetrisch sein. Weiterhin können sie vielfältige Formen und Querschnitte aufweisen. Die in den 26 bis 31 dargestellten Ausführungsbeispiele enthalten Schlitze, die eine gerade, gekrümmte, mehrfach gekrümmte oder Zickzack-Form (ähnlich einer vergrößerten Rille einer Vinylschallplatte) aufweisen. Die Schlitze oder Nuten weisen offene oder geschlossene Enden auf. Weiterhin sind die Schlitze solche mit geradlinigen Seitenflächen oder gekrümmten abgerundeten Rändern.
Die 16, 19 und 22 stellen einen Abschnitt einer nach außen ausgebildeten Kugelform, Polygonformen und abgerundeten Polygonformen dar. Die 23 bis 31 stellen Rippen dar, die der obigen Beschreibung der Schlitze entsprechen, wobei der Unterschied darin besteht, dass die Rippen aus der Oberfläche nach außen hervorstehen.
Weitere Beispiele für Ausnehmungen, die als aerodynamische Elemente geeignet sind, enthalten Poren, umgekehrte Kegel und Nuten. Die Nuten weisen z.B. einen U-förmigen oder einen V-förmigen vertikalen Querschnitt auf. Weitere Beispiele für Vorsprünge sind z.B. Haifischzähne, Pyramiden, Kegel, Halbkugelabschnitte, Flossen und Rippen. Die Rippen weisen in einem Beispiel einen vertikalen Querschnitt in Form eines umgekehrten U oder eines umgekehrten V auf.
Die aerodynamischen Elemente können weiterhin asymmetrisch verformt oder auf eine andere Weise anisotrop sein und dadurch eine ausgewählte Ausrichtung und z.B. eine stromaufwärtige und eine stromabwärtige Seite aufweisen. Beispiele für aerodynamische Elemente mit einer ausgewählten Orientierung enthalten Haifischzähne und wellenartige Elemente (d.h. asymmetrisch verformte Rippen). Die wellenartigen Elemente sind z.B. mit einer langen Seite entlang einer Richtung der Luftströmung oder orthogonal zu einer Richtung der Luftströmung angeordnet.
Wenn die anisotropen Elemente in einer geeigneten Weise angeordnet sind, kann ihre Verwendung einer Art zur Anpassung der aerodynamischen Elemente and eine erwartete Richtung der Luftströmung sein. Weiterhin kann ihr Gebrauch die Wirkung haben, die Luftströmung entlang der Blattoberfläche zu lenken. Dies kann weitere vorteilhafte Wirkungen auf die Gesamtluftströmung haben. Es kann z.B. eine großräumige laminare Strömung in einer festgelegten Richtung auf der Blattoberfläche gefördert werden. Dies kann zu einer Verringerung der Geräuscherzeugung führen.
Weiterhin können Elemente mit scharfen oder abgerundeten Rändern bzw. Kanten verwendet werden. Darüberhinaus liegen auch andere Elemente, z.B. solche Elemente, die sowohl hervorstehende als auch vertieft ausgebildete Bereiche aufweisen, innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung. Allgemein können die aerodynamischen Elemente u.a. mit den Begriffen einer positiven oder negativen Vertiefung, der Vertiefungskrümmung, der Vertiefungsseitenflächen, der scharfen oder abgerundeten Ränder, der zufälligen oder periodischen Musteranordnungen und der isotropen oder anisotropen Form bezeichnet werden.
Die in den 6 bis 31 gezeigten aerodynamischen Elemente haben eine ähnliche Wirkung wie die oben beschriebenen Dimpels, nämlich ein Beeinflussen der Luftströmung in der Nähe der Grenzschicht an der Blattoberfläche. Demnach werden die aerodynamischen Elemente so ausgebildet, dass sie der obigen Beschreibung entsprechen, wobei jedoch die Dimples durch andere aerodynamische Elemente, wie z.B. die in den 6 bis 31 gezeigten, ersetzt werden.
Ein Rotorblatt 150 für eine Windkraftanlage weist eine Oberfläche 152 mit einer Mehrzahl von darin ausgebildeten Elementen 154 mit aerodynamischen Eigenschaften auf. Die Elemente sind zum Beeinflussen einer Luftströmung an der Oberfläche während des Betriebs der Windkraftanlage eingerichtet und in einem zweidimensionalen Muster oder Array angeordnet.
Während die Erfindung mit den Begriffen verschiedener spezieller Ausführungsbeispiel beschreiben worden ist, werden Fachleute erkennen, dass die Erfindung innerhalb des Geistes und des Bereiches der Ansprüche auch mit Abwandlungen in die Praxis umgesetzt werden kann.

Claims

Rotorblatt (150) für eine Windkraftanlage, wobei das Rotorblatt eine Oberfläche (152) mit mehreren darin ausgebildeten aerodynamischen Elementen (154) aufweist, wobei die Elemente zum Beeinflussen einer Luftströmung an der Oberfläche während des Betriebs der Windkraftanlage eingerichtet und in einem dreidimensionalen Muster angeordnet sind.
Rotorblatt (150) nach Anspruch 1, bei dem die Oberfläche (152) einen glatten Oberflächenbereich bildet und die aerodynamischen Elemente (154) in dem Oberflächenbereich nach innen vertieft ausgebildet sind.
Rotorblatt (150) nach Anspruch 1, bei dem die Oberfläche (152) einen glatten Oberflächenbereich bildet und die aerodynamischen Elemente (154) aus dem Oberflächenbereich nach außen hervorstehen.
Rotorblatt (150) nach Anspruch 2, bei dem die aerodynamischen Elemente (154) als sphärische Vertiefungen, abgerundete polygonale Vertiefungen, Schlitze mit geraden Seitenflächen, Schlitze mit gekrümmten abgerundeten Rändern und/oder Schlitze mit mehrfach gekrümmten abgerundeten Rändern oder als Teile derselben ausgebildet sind.
Rotorblatt (150) nach Anspruch 3, bei dem die aerodynamischen Elemente (154) als sphärische Formen, abgerundete polygonale Formen, Rippen mit geraden Seitenflächenrändern, Rippen mit gekrümmten abgerundeten Rändern und/oder Rippen mit mehrfach gekrümmten abgerundeten Rändern oder als Teile derselben ausgebildet sind.
Rotorblatt (150) nach Anspruch 1, bei dem jedes der aerodynamischen Elemente (154) eine Maximalausdehnung in wenigstens einer Richtung entlang der Oberfläche von 10 m und/oder eine Maximalausdehnung in einer Richtung rechtwinklig zu der Oberfläche von 1 m aufweist.
Rotorblatt (150) nach Anspruch 1, bei dem jedes der aerodynamischen Elemente (154) eine Mindestausdehnung in wenigstens einer Richtung entlang der Oberfläche (152) von 10 um und/oder eine Mindestausdehnung in einer Richtung rechtwinklig zu der Oberfläche von 1 um aufweist.
Rotorblatt (150) nach Anspruch 1, bei dem die Oberfläche (152) eine Beschichtung ist, die einen harten Polymerverbund enthält.
Rotorblatt (150) nach Anspruch 1, bei dem die Oberfläche (152) eine geformte glasfaserverstärkte Plastikkonstruktion ist, die an der Oberfläche aerodynamische Elemente (154) aufweist.
Rotorblatt (150) nach Anspruch 1, bei dem die Oberfläche (152) eine erste Oberfläche ist, wobei das Blatt weiterhin eine zweite Oberfläche mit einer zweiten Mehrzahl von darin ausgebildeten aerodynamischen Elementen aufweist, wobei die Elemente zum Beeinflussen einer Luftströmung an der zweiten Oberfläche eingerichtet und in einem zweidimensionalen Muster angeordnet sind, wobei die Elemente der ersten Oberflächen von einer anderen Form, Größe oder Anordnung als die Elemente der zweiten Oberfläche sind.