DE102008002930A1 - Rotorflügel-Spitzenwirbelbrecher - Google Patents

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DE102008002930A1
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DE102008002930A
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Kevin Standish
Nishant Parsania
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General Electric Co
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General Electric Co
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Abstract

Windkraftmaschine (1), mit einem Turm (2), der einen Antriebsstrang (4) mit einem Rotor (6) lagert, wenigstens einem Flügel (8), der sich radial aus dem Rotor (6) erstreckt; und mehreren Klappen (40, 42), die sich im Wesentlichen senkrecht aus einer Saugfläche (32) des Flügels und entlang unterschiedlichen Sehnenlinien (22) in der Nähe einer Spitze (28) des Flügels (8) erstrecken.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Technisches Gebiet
  • Der hier beschriebene Erfindungsgegenstand betrifft im Wesentlichen Strömungsflächen mit spezifischen Flügelstrukturen und insbesondere Windkraftmaschinen mit Wirbelbrechern in der Nähe der Spitze der Flügel.
  • 2. Stand der Technik
  • Eine Windkraftmaschine ist eine Maschine zum Umwandeln der kinetischen Energie in Wind in mechanische Energie. Wenn die mechanische Energie direkt durch die Maschinerie genutzt wird, wie z. B. zum Pumpen von Wasser oder zum Mahlen von Getreide, wird das Windrad als Windmühle bezeichnet. In ähnlicher Weise kann, wenn die mechanische Energie in Elektrizität umgewandelt wird, dann die Maschine als ein Windgenerator oder Windkraftanlage bezeichnet werden.
  • Windkraftmaschinen verwenden Strömungsflächen in Flügelform, um Auftrieb zu erzeugen und Bewegungsenergie aus sich bewegender Luft zu erfassen, die dann an einen Rotor weitergegeben wird. Der Flügel ist typischerweise an einem Rotor an seinem Fußende befestigt und erstreckt sich radial zu dem freien Spitzenende. Die vordere oder Vorderkante des Flügels verbindet die am weitesten vorne liegenden Punkte des Flügels, die zuerst mit der Luft in Berührung kommen. Die hintere oder Hinterkante des Flügels befindet sich dort, wo der Luftstrom, der durch die Vorderkante getrennt wurde, sich nach dem Ver lauf über die Saug- und Druckseiten des Flügels wieder vereint. Eine Sehnenlinie verbindet die Vorder- und Hinterkanten des Flügels in der Richtung des typischen Luftstroms über den Flügel. Die Länge einer Sehnenlinie wird typischerweise einfach als die Sehne bezeichnet.
  • Die äußeren Enden des Flügels werden als Spitzen bezeichnet, und der Abstand von der Spitze zu dem Fuß an dem gegenüberliegenden Ende des Flügels wird als die Spanne bezeichnet. Da viele Flügel ihre Sehne über der Spanne von dem Fuß bis zur Spitze ändern, wird die Sehnenlänge als die Fußsehne, in der Nähe des Fußes und als die Spitzensehne in der Nähe der Spitze des Flügels bezeichnet. Die sich ergebende Form des Flügels, wenn sie senkrecht zu der Richtung der Luftströmung betrachtet wird, wird als der Grundriss bezeichnet. Da die Dicke eines Flügels typischerweise über dem Grundriss variiert, wird der Begriff Dicke typischerweise dazu genutzt, um den maximalen Abstand zwischen der Niederdrucksaugfläche und der Hochdruckfläche auf der gegenüberliegenden Seite des Flügels zu beschreiben. Wie andere Flügel sind Windkraftmaschinenflügel manchmal mit flachen üblicherweise dünnen Platten versehen, die an einer Kante angebracht sind und als Klappen bezeichnet werden.
  • Windkraftanlagen werden typischerweise anhand der vertikalen oder horizontalen Achse kategorisiert, um welche sich der Rotor dreht. Horizontale Konfigurationen sind in modernen Windkraftmaschinen üblich, und ein so genannter Horizontalachsen-Windgenerator ist schematisch in 1 dargestellt, der aus dem U.S. Patent Nr. 7,144,216 kopiert ist. Diese spezielle Konfiguration für eine Windkraftanlage 1 enthält einen Turm 2, der einen Antriebsstrang 4 mit einem Rotor 6 lagert, der von einer als Gondel bezeichneten Schutzumhüllung abgedeckt ist. Flügel 8 sind an einem Ende des Rotors 6 außerhalb der Gondel für den Antrieb eines Getriebes 10 und eines elektrischen Generators 12 an dem anderen Ende des Antriebsstrangs 4 innerhalb der Gondel angeordnet.
  • Die in 1 dargestellte "Gegenwind"-Konfiguration, in welcher der Rotor 6 in den Wind zeigt, trägt dazu bei, das Geräusch zu verringern, indem der Windschatten des Turms 2, der ansonsten zu einem impulsartigen Klopfgeräusch führt, gemieden wird. Weitere Aspekte von Windkraftanlagengeräusch, wurden ebenfalls bereits durch die Bereitstellung von leiseren Getrieben, schalldichten Gondeln und stromlinienförmigen Gondeln und Türmen angegangen. Effizientere Flügelkonstruktionen, die weniger Windenergie in aerodynamisches Geräusch umwandeln, wurden ebenfalls bereits versucht.
  • Beispielsweise offenbart die U.S. Patentoffenlegung Nr. 20060216153 einen Rotorflügel für eine Windkraftanlage mit einer Spitze, die in ihrem Endbereich in der Richtung der Druckseite des Flügels gekrümmt oder angewinkelt ist. Um die Pegel der Schallemission weiter zu reduzieren, ist der Flügel in seinem Kantenbereich in der Richtung der Hinterkante des Rotorflügeles in der Ebene des Rotorflügels gekrümmt oder angewinkelt. Eine englischsprachige Zusammenfassung der World Intellectual Property Organisation Publication No. 2006059472 offenbart ebenfalls einen Propeller, bei dem die Spitzenteile der Rotorflügel einer horizontalen Wellen-Windmühle in der Vorderseitenrichtung der Rotorflügel gekippt. Jedoch befassen sich diese und weitere herkömmliche Lösungsansätze für eine Flügelspitzenkonfiguration nicht angemessen mit den Problemen des aerodynamischen Wirkungsgrades und des Flügelspitzengeräusches, da sie eigentlich den Flügelwiderstand mit entsprechender Reduzierung der Maschinenleistung vergrößern können.
  • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Diese und weitere Nachteile in Verbindung mit derartigen herkömmlichen Lösungsansätzen werden hierin durch Bereitstellung, eines Flügels für eine Windkraftanlage in verschiedenen Ausführungsformen angegangen, die mehrere im Wesentlichen ebene Klappen enthält, die sich von einer Saugseite des Flügels aus und entlang unterschiedlicher Sehnenlinien in der Nähe einer Spitze des Flügels erstrecken. Der hierin offenbarte Erfindungsgegenstand betrifft auch eine Windkraftanlage, die einen Antriebsstrang mit einem Rotor lagernden Turm, wenigstens einen sich radial von dem Rotor aus erstreckendes Flügel und mehrere im Wesentlichen ebene Klappen enthält, die sich im Wesentlichen senkrecht aus einer Saugseite des Flügels und entlang unterschiedlichen Sehnenlinien in der Nähe einer Spitze des Flügels erstrecken. Ferner wird ein Geräuschreduzierungssystem für einen Windkraftmaschinenflügel bereitgestellt, das mehrere im Wesentlichen flache Klappen für die Unterbrechung von Wirbeln in der Nähe einer Spitze des Flügels enthält, wobei jede Klappe sich im Wesentlichen senkrecht aus einer Basis zur Befestigung an einer Saugfläche des Flügels erstreckt, während sich eine Kante der Klappe entlang einer unterschiedlichen Sehnenlinie in der Nähe einer Spitze des Flügels erstreckt.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Verschiedene Aspekte dieser Technologie werden nun unter Bezugnahme auf die nachstehenden Figuren beschrieben, welche nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet sind, aber dieselben Bezugszeichen verwenden, um entsprechende Teile durchgängig durch die verschiedenen Ansichten zu bezeichnen.
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Windkraftmaschine.
  • 2 ist eine orthographische Ansicht eines Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystems.
  • 3 ist eine Endansicht des in 2 dargestellten Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystems.
  • 4 ist eine orthographische Ansicht eines weiteren Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystems.
  • 5 ist eine Endansicht des in 4 dargestellten Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystems
  • 6–12 sind Endansichten weiterer Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersysteme.
  • 13 ist eine Vergleichskurve von berechneten Schalldruckpegeln über dem Logarithmus der Frequenz für ein Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystem mit und ohne das in 2 dargestellten Wirbelbrechersystem.
  • 14 ist eine Vergleichskurve des berechneten minimalen Drucks am Wirbelzentrum über der relativen Sehnenposition für das das in 2 dargestellte Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystem.
  • 15 ist eine vergrößerte orthographische Ansicht einer einzelnen Klappe zur Verwendung in dem Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystem von 2.
  • 16 ist eine vergrößerte orthographische Ansicht eines Klappenpaares.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 2 ist eine orthographische Ansicht eines vergrößerten Spitzenabschnittes eines Windkraftmaschinenflügels, der ein Beispiel eines Spitzenwirbelbrechersystems 20 darstellt. 3 ist eine Endansicht des in 2 dargestellten Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystems. In 2 und 3 ist das Spitzenwirbelbrechersystem 20 in Verbindung mit einem in 1 dargestellten Flügel 8 veranschaulicht. Es kann jedoch jeder beliebige Windkraftmaschinenflügel verwendet werden. Beispielsweise kann das Wirbelbrechersystem 20 mit Flügeln verwendet werden, die andere Draufsichten, Wölbungen, Dicken, Aspektverhältnisse und/oder Spitzengeometrien zusätzlich zu den in den hier dargestellten Figuren verwendet werden.
  • In 2 und 3 repräsentiert die Strichlinie eine Spitzensehnenlinie 22, die sich von der Vorderkante 24 zu der Hinterkante 26 des Rotorflügels 8 erstreckt. Obwohl die Länge dieser Sehnenlinie 22, oder Sehne, gemäß Darstellung in diesen Figuren, als für die Spanne des Flügels 8 (von der nicht dargestellten Wurzel) bis zu der Spitze 28 konstant dargestellt ist, kann die Sehne entlang der Spanne des Flügels variieren. Die maximale Dicke 30 des Flügels 8 an der hier dargestellten Spitzensehnenlinie 22 ist durch eine weitere Strichlinie dargestellt, welche sich von der oberen, Niederdruck-, oder Saugfläche 32 zu der unteren, Hochdruckfläche 34 erstreckt. Die maximale Dicke 30 kann ebenfalls entlang der Spanne des Flügels 8 variieren.
  • Der Flügel 8 ist mit zwei oder mehr Klappen 40 und 42 versehen, die sich von der Saugfläche 32 in der Nähe der Spitze des Flügels aus erstrecken. Jedoch kann jede beliebige Anzahl von zusätzlichen Klappen innerhalb und/oder außerhalb der dargestellten Klappen 40, 42 vorgesehen sein. Die Klappen 40 und 42 sind voneinander in einem Abstand angeordnet, der einen Luftstrom zwischen den Klappen zulässt. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den Klappen 40 und 42 bis zum Doppelten der maximalen Dicke 30 des Flügels 8 oder zwischen dem Einfachen oder Doppelten der maximalen Dicke 30 betragen. Die maximale Dicke bei jeder Sehnenlinie in der Nähe der Spitze kann durch die maximale Dicke an der Spitzensehnenlinie und/oder an der äußersten Sehnenlinie, welche im Wesentlichen senkrecht zu den Vorder- und Hinterkanten des Flügels ist, angenähert werden.
  • Die Klappen 40 und 42 sind an oder in der Nähe der Spitze 28 des Flügels 8 so angeordnet, dass während des Normalbetriebs zu erwarten ist, dass ein Teil oder von dem oder der gesamte Wirbelstrom, der von der Hochdruckzone in der Nähe der Hochdruckfläche 34 ausgeht und sich um die Spitze 28 zu der Niederdruckzone in der Nähe der Saugfläche 32 bewegt, in dem Raum zwischen den Klappen 40 und 42 (und/oder anderen nicht dargestellten) erfasst wird. Die erfassten Wirbel werden dann glatt über die Hinterkante 26 zwischen den Klappen geführt, um so das aerodynamische Geräusch zu minimieren. Da dieser Wirbelstrom typischerweise in der Nähe der Hinterkante 24 der Spitze 34 sehr stark ist, kann die Hinterkante der Klappen 40 und 42 an oder in der Nähe der Hinterkante des Flügels 8 angeordnet werden. Da jedoch Geräusch erzeugende Wirbelströme auch vor der und/oder hintere der Hinterkante 26 des Flügels auftreten können, können eine oder mehrere von den Klappen 40, 42 vor oder hinter der Hinterkante 26 gemäß nachstehender Diskussion in Bezug auf die 4, 5, 11 und 12 angeordnet werden. Die Anzahl der Klappen 40 und 42 kann so gewählt werden, dass der größte Teil oder der gesamte Wirbelstrom zwischen den Klappen erfasst wird, und beinhaltet erwartungsgemäß etwa 2 bis 10, insbesondere 2 bis 5 Klappen.
  • Jede von der Innenklappe 40 und der Außenklappe 42 ist hier als an dem Flügel 8 entlang einer Kante befestigt dargestellt, wobei jede von diesen befestigten Kanten zu einer unterschiedlichen Sehnenlinie in der Strömungsrichtung quer zu dem Flügel 8 ausgerichtet ist. Jedoch können eine oder mehrere von den Klappen 40 und 42 beweglich in Bezug auf die Saugfläche 32 oder ein anderes Teil des Flügels 8 positioniert sein. Beispielsweise können eine oder beide von den Klappen 40 und 42 in der Flügel 8, angelenkt an ihren Verbindungskanten, zurückziehbar sein und/oder auf einer Achse drehbar sein, welche senkrecht zu der Saugfläche 32 ist, um die Klappen besser an den Luftstrom quer über der Flügel anzupassen, um den Widerstand zu minimieren. Die Positionierung derartiger beweglicher Klappen kann auch automatisch auf der Basis verschiedener Umgebungsbedingungen, wie z. B. Windgeschwindigkeit und/oder Betriebseinstellpunkte, wie z. B. Rotordrehzahl gesteuert werden.
  • Die hier dargestellten Ausführungsformen zeigen auch die Klappen 40 und 42, die sich im Wesentlichen senkrecht aus der Saugfläche 32 und im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken. Jedoch können eine oder beide von den Klappen schräg, gekrümmt oder anderweitig zu der Innen- und/oder Außenrichtung des Flügels 8 hin ausgerichtet sein. Beispielsweise kann die Innenklappe 40 gekrümmt sein, so dass sie im Wesentlichen dem Radius des erwarteten Wirbelstroms entspricht, während die Außenklappe 42 zu der Spitze 34 geneigt ist, um eine breitere obere Öffnung zwischen den Flügeln bereitzustellen, in welchen der Wirbelstrom aufzunehmen ist.
  • In 2 und 3 haben die Klappen 40 und 42 im Wesentlichen dieselbe Größe, Form und Position entlang unterschiedlichen Sehnenlinien in Bezug auf die Hinterkante 26 des Flügels 8. Die Anordnung der Klappen 40 und 42 entlang Sehnenlinien, welche im Wesentlichen der Strömungsrichtung über dem Flügel 8 entsprechen, minimiert den scheinbaren Querschnitt der Klappen 40 und 42 und entsprechend den Widerstand des Flügels 8. Die Klappen 40 sind auch im Wesentlichen so flach und dünn wie möglich, um den Widerstand weiter zu minimieren, während gleichzeitig deren strukturelle Steifigkeit beibehalten wird. In einigen Fällen kann eine Drehung oder Verdickung der Klappen 40, 42, um so unbeabsichtigt oder bewusst deren scheinbaren Querschnitt für die Strömung über dem Flügel 8 zu erhöhen, trotzdem zu akzeptablen Widerstandspegeln führen.
  • Die Vorderkanten der in den 2 und 3 dargestellten Klappen 40 und 42 sind kürzer als die Hinterkanten der Flügel, um die Größe des Vorderkantenquerschnittes zu minimieren und somit den Widerstand zu reduzieren. Beispielsweise kann die Höhe der Vorderkante der Klappen 40 und 42 bis zur maximalen Dicke 30 des Flügels 8 oder insbesondere zwischen der halben und der einfachen maximalen Dicke 30 der entsprechenden Sehnenlinie für die Klappe oder der Spitzensehne für der Flügel 8 betragen. Die Höhe der Hinterkante der Klappen 40 und 42 kann bis zum Vierfachen der maximalen Dicke 30 des Flügels 8 oder insbesondere zwischen dem zwei- und vierfachen der maximalen Dicke 30 auf der entsprechenden Sehnenlinie für die Klappe, der Sehnenlinie an der maximalen Gesamtdicke des Flügels oder der Spitzensehne für der Flügel 8 betragen. Jedoch können auch andere Vorderkanten- und Hinterkantengrößen und -formen verwendet werden. Beispielsweise können bei einem Flügel 8 mit 50 m Spannweite vom Fuß zur Spitze die Klappen 40 und 42 bis zu etwa 0,1 m oder etwa 0,2% der Spannweite groß sein. Für kürzere Flügel 8, können die Klappen 40 und 42 bis zu etwa 0,5% der Spannweite für einen Klappenhöhenbereich für verschiedene Flügelgrößen von etwa 0,2% bis 0,5% der Spannweite sein.
  • In den 2 und 3 kann die Länge der Klappen 40 und/oder 42 entlang der entsprechenden Sehnenlinie zwischen dem 0,1 und 0,7-fachen oder insbesondere zwischen dem 0,2 und 0,6-fachen der Länge der Sehnenlinie sein, auf welche die Klappe ausgerichtet ist. Es können jedoch auch andere Klappenlängen verwendet werden. Die Sehnenlänge, auf welcher die Klappe ausgerichtet ist, kann an die Spitzensehnenlänge für den Flügel 8 angenähert sein. Für Flügelspitzen, die nicht eckig sind (im Gegensatz zu den hierin dargestellten), und/oder andere Flügelkonfigurationen kann die Spitzensehne als die Länge der äußersten Sehnenlinie angenähert werden, welche im Wesentlichen senkrecht zu den Vorder- und Hinterkanten des Flügels liegt.
  • Hinsichtlich der Sehnenposition der Klappen 40 und 42, können sich die Klappen bis zum 0,2-fachen der entsprechenden Sehnenlänge über die Hinterkante hinaus, oder insbesondere bis zur 0,1-fachen Länge der entsprechenden Sehnenlänge über die Hinterkante hinaus erstrecken. Die Klappen können bei mindestens dem 0,15-fachen der entsprechenden Sehnenlänge stromabwärts von der Vorderkante, oder insbesondere bis zum 0,3-fachen der entsprechenden Sehnenlänge stromabwärts von der Vorderkante beginnen. Es können jedoch auch andere Sehnenpositionen genutzt werden. Die Sehnenlänge, auf welcher die Klappe ausgerichtet ist, kann als die Spitzensehnenlänge des Flügels 8 angenähert werden. Für Flügelspitzen, die nicht eckig sind (im Gegensatz zu den hierin dargestellten), und/oder andere Flügelkonfigurationen kann die Spitzensehne als die Länge der äußersten Sehnenlinie angenähert werden, welche im Wesentlichen senkrecht zu den Vorder- und Hinterkanten des Flügels liegt.
  • Hinsichtlich der Spannenposition der Klappen 40 und 42, können die Klappen bis zur vierfachen entsprechenden Sehnenlänge, auf welcher die Sehne ausgerichtet ist oder insbesondere bis zur zweifachen Länge entsprechenden Sehnenlänge innerhalb der Spitze angeordnet sein. Es können jedoch auch andere Spannenpositionen genutzt werden. Die Sehnenlänge, auf welcher die Klappe ausgerichtet ist, kann als die Spitzensehnenlänge des Flügels 8 angenähert werden. Für Flügelspitzen, die nicht eckig sind (im Gegensatz zu den hierin dargestellten), und/oder andere Flügelkonfigurationen kann die Spitzensehne als die Länge der äußersten Sehnenlinie angenähert werden, welche im Wesentlichen senkrecht zu den Vorder- und Hinterkanten des Flügels liegt.
  • Hinsichtlich der Form ist die Oberkante 44 der Klappen 40 und 42 in den 2 und 3 im Wesentlichen parallel zu der Sehnenlinie 22. Jedoch können auch andere Klappenformen ebenfalls verwendet werden, einschließlich der hierin nachstehend detaillierter diskutierten Formen. Beispielsweise stellen 4 und 5 eine weitere Ausführungsform des Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystem 20 dar, bei denen die Innenklappen 40 und die Außenklappen 42 unterschiedliche Größen, Formen und Positionen entlang ihren entsprechenden Sehnenlinien haben. In 4 und 5 ist die Innenklappe 40 größer als die Außenklappe 42 und von der Hinterkante 26 des Flügels 8 aus versetzt. Zusätzlich hat die Vorderkante der Innenklappe 40 von der Saugfläche 32 aus im Wesentlichen dieselbe Höhe entlang der gesamten Länge der Klappe 40. Demzufolge entspricht die Form der Oberkante 44 der Innenklappe 40 im Wesentlichen der Neigung der Saugfläche in der Nähe der Hinterkante 26. Jedoch kann in anderen Ausführungsformen die Hinterkante von einer oder beiden der Klappen 40 und 42 größer als die Hinterkante der entsprechenden Klappe sein.
  • 6–12 stellen verschiedene weitere Ausführungsformen von Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystemen 20 dar, welche die Klappe 40 und/oder 42 zeigen, welche zur Vereinfachung hier als die Klappen 40 bezeichnet werden. In 6 besitzt die Klappe 40 eine Vorderkante, welche wesentlich kürzer als eine Hinterkante der Klappe ist, so dass die Oberkante 44 der Klappe sich zu der Saugseite 32 hin neigt. 7 stellt eine weitere Ausführungsform des Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystems 20 dar, in welchem die Vorderkante der Klappe 40 weiter reduziert ist, um so eine dreiseitige Klappe 40 mit einer Geraden zu Kante 44 hin auszubilden. In 8 ist eine weitere dreiseitige Klappe 40 mit einer konvexen Oberkante 44 versehen, während die dreiseitige Klappe 40 in 9 mit einer konkaven Oberkante 44 versehen ist. In 10 ist die Oberkante 44 der Klappe 40 im Wesentlichen parallel zu der Saugseite 32 angeordnet. In 11 ist die Hinterkante der Klappe 40 dahinter angeordnet, und die Unterseite der Hinterkante ist unterhalb der Hinterkante des Flügels 8 angeordnet. In 12 ist die Hinterkante der Klappe 40 vor der Hinterkante des Flügels 8 angeordnet.
  • (Hierin nicht dargestellte) Konturendarstellungen aus einer CFXpost-Software wurden verwendet, um berechnete Verwirbelung und Druck für ein Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystem 20 ähnlich dem in 2 und 3 dargestellten zu vergleichen. Für den Ausgangsfall ohne Klappen 40 und 42 traten die stärkste Verwirbelung und der niedrigste Druck in der Mitte des Wirbels auf, der in der Nähe der Hinterkante des Flügels 8 auftrat. Ähnliche Darstellungen für das Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystem 20 mit den Klappen 40 und 42 zeigten eine deutlich geringere Verwirbelung und einen höheren Druck in der Mitte dieser sich ergebenden Wirbel mit den Klappen 40 und 42. Ein derartiger höherer Druck ist im Wesentlichen erwünscht, um die Fluidrotation zu reduzieren, während eine geringere Verwirbelung dazu tendiert, geringeres Geräusch und verbesserten aerodynamischen Wirkungsgrad des Flügels 8 anzudeuten.
  • 13 und 14 stellen die Ergebnisse einer weiteren rechnerischen Fluiddynamik-Simulation für ein Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystem 20 ähnlich dem in den 2 und 3 dargestellten dar. In diesen Figuren repräsentiert die Kurvenlinie 50 das Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystem 20 (mit Klappen), während die Kurvenlinie 60 das Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystem 20 ohne die Klappen 40 und 42 repräsentiert.
  • 13 ist eine Vergleichskurve von berechneten Schalldruckpegeln in Dezibel über dem Logarithmus der Frequenz für Windkraftmaschinenflügelspitzen mit und ohne das in 2 dargestellte Wirbelbrechersystem. Die Geräuschberechnung verwendete eine Korrelation, die durch "Airfoil Tip Vortex Formation Noise", bei Thomas F. Brooks and Michael A. Marcolini in American Institute of Aeronautics und Astronautics Volume 24, Number 2 angegeben ist. In dieser Korrelation wird ein als "benetzte Länge" bezeichneter Parameter bei einer Ebene (ein Zehntel der Sehne) nach der Hinterkante berechnet, indem die turbulente kinetische Energie für einen Konturwert von 0,05 betrachtet wird. Die benetzte Länge wird dann mit einer maximalen MACH-Zahl verwendet, um einen Schalldruckpegel an der Spitze SPL(Spitze) für verschiedene Frequenzen zu berechnen. Die Kurve zeigt eine Geräuschreduzierung von 6 ist 8 Dezibel für die meisten Frequenzen.
  • Eine Schalldruckpegeldifferenz von 3 dB ist grob die Hälfte der entsprechenden Energiepegeldifferenz, und wird somit als ein Referenzpunkt in Schallmessungen verwendet. Praktisch ausgedrückt nimmt Schall, der von einer Punktquelle ausgestrahlt wird, im Pegel um etwa 6 dB pro Verdoppelung des Abstandes ab. Daher hat man, wenn man bei 50 m von der Quelle beginnt und sich 100 m von der Quelle entfernt, einen Abfall von 6 dB im Pegel. Ebenso hat man, wenn man sich von 500 m auf 1000 m bewegt, einen Pegelabfall von 6 dB. Von dem in 2 und 3 dargestellten Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystem 20 wird daher die Erzeugung wenigstens ähnlicher Geräuschpegelreduzierungen erwartet.
  • 14 ist eine Kurve von berechnetem relativen minimalem Druck im Wirbelmittelpunkt in Pascal abhängig von der relativen Sehnenposition für Windkraftmaschinenflügelspitzen mit und ohne das in 2 dargestellte Wirbelbrechersystem. Der eingekreiste Abschnitt der Darstellung in 14 stellt angenähert 3500 bis 400 Pascal Druckdifferenz über der Grundlinienkonfiguration ohne Klappen in der Nähe der Hinterkante 26 des Flügels 8 und bei bis zu 30% der Sehne hinter der Hinterkante dar.
  • 15 und 16 stellen vergrößerte orthographische Ansichten der Klappen 40 und/oder 42 zur Verwendung mit dem Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystem 20 in irgendeiner der vorstehenden Figuren dar. 15 stellt eine Einzelklappenkonfiguration dar, während 16 eine vergrößerte orthographische Ansicht eines Klappenpaares ist. Jede von diesen T-förmigen Konfigurationen enthält ein Basiselement 70 zum Befestigen an der Saugfläche 32 des Flügels 8 mittels einer Kleber oder Halterung umfassenden geeigneten Einrichtung. Beispielsweise kann jedes von diesen Basiselementen 70 mit Befestigungslöchern 72 für die Aufnahme von Schrauben, Stiften oder anderen Befestigungselementen versehen sein, die das Basiselement an dem Flügel 8 befestigen. Das Basiselement kann auch in die allgemeine Form des Saugabschnittes 32 gemäß Darstellung in 15 gekrümmt sein. Ein oder mehrere Armelemente 80, erstrecken sich dann aus dem Basiselement 70, um wie vorstehend diskutiert, den Wirbelluftstrom zu erfassen und zu führen.
  • Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen bieten viele Vorteile. Beispielsweise zeigen 13 und 14, dass von dem in den 2 und 3 dargestellten Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystem 20 eine erheblich verbesserte Geräuschreduzierung erwartet wird. Es wird auch erwartet, dass weitere Konfigurationen des Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystem 20, einschließlich den in den 4–12 und 15–16 wenigstens einen bestimmten Pegel an nützlicher Geräuschreduzierung erzeugen.
  • Es sollte betont werden, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, und insbesondere alle "bevorzugten" Ausführungsformen lediglich Beispiele verschiedener Implementationen sind, die hierin dargestellt wurden, um ein klares Verständnis der verschiedenen Aspekte dieser Technologie zu ermöglichen. Ein Durchschnittsfachmann wird in der Lage sein, viele von diesen Ausführungsformen zu ändern, ohne im Wesentlichen von dem Schutzumfang gemäß Definition durch den alleinigen Aufbau der nachstehenden Ansprüche zu ändern.
  • Windkraftmaschine 1, mit einen Turm 2, der einen Antriebsstrang 4 mit einem Rotor 6 lagert, wenigstens einem Flügel 8, das sich radial aus dem Rotor 6 erstreckt; und mehreren Klappen 40, 42, die sich im Wesentlichen senkrecht aus einer Saugfläche 32 des Flügels und entlang unterschiedlichen Sehnenlinien 22 in der Nähe einer Spitze 28 des Flügels 8 erstrecken.
    • 1
    Windkraftmaschine
    2
    Turm
    4
    Antriebsstrang
    6
    Rotor
    8
    Flügel
    10
    Getriebe
    12
    Generator
    20
    Windkraftmaschinenflügel-Spitzenwirbelbrechersystem
    22
    Sehnenlinie
    24
    Vorderkante
    26
    Hinterkante
    28
    Spitze
    30
    Maximale Flügeldicke
    32
    Saugfläche
    34
    Hochdruckfläche
    40
    Innenklappe
    42
    Außenklappe
    44
    Oberkante der Klappe
    50
    Kurvenlinie (mit Klappen)
    60
    Kurvenlinie (ohne Klappen)
    70
    Basiselement
    72
    Befestigungslöcher
    80
    Arme
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • - "Airfoil Tip Vortex Formation Noise", bei Thomas F. Brooks and Michael A. Marcolini in American Institute of Aeronautics und Astronautics Volume 24, Number 2 [0035]

Claims (10)

  1. Flügel (8) für eine Windkraftanlage (1) mit mehreren Klappen (40, 42), die sich aus einer Saugfläche (32) des Flügels (8) und entlang unterschiedlichen Sehnenlinien (22) in der Nähe einer Spitze (28) des Flügels (8) erstrecken.
  2. Flügel (8) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Klappen (40, 42) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
  3. Flügel (8) nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens eine von den Klappen (40, 42) sich im Wesentlichen senkrecht zu der Saugfläche (32) des Flügels erstreckt.
  4. Flügel (8) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei eine Hinterkante (26) von wenigstens einer der Klappen (40, 42) größer als eine Vorderkante (24) von der einen Klappe ist.
  5. Flügel (8) nach Anspruch 4, wobei die Hinterkante (26) von der einer Klappe (40, 42) weniger als viermal größer als eine maximale Dicke des Flügels an einer Sehnenlinie für die eine Klappe ist.
  6. Flügel (8) nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei eine Länge von wenigstens einer der Klappen (40, 42) zwischen angenähert dem 0,2 und dem 0,6-fachen einer Länge der Sehnenlinie (22) ist, an der sich die eine Klappe entlang erstreckt.
  7. Flügel (8) nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, wobei sich wenigstens eine von den Klappen (40, 42) über eine Hinterkante (26) des Flügels weniger als das 0,1-fache einer Län ge einer Sehnenlinie (22) für diese eine Klappe hinaus erstreckt.
  8. Flügel (8) nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, wobei eine innere von den Sehnenlinien (22) weniger als das 2-fache der Länge der Innensehnenlinie (22) von einer Spitze (28) des Flügels angeordnet ist.
  9. Flügel (8) nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, wobei die unterschiedlichen Sehnenlinien (22) weniger als das 2-fache einer maximalen Dicke des Flügels an einer von den verschiedenen Sehnenlinien voneinander beabstandet sind.
  10. Windkraftmaschine (1), aufweisend: einen Turm (2), der einen Antriebsstrang (4) mit einem Rotor (6) lagert; wenigstens einen Flügel (8), der sich radial von dem Rotor (6) weg erstreckt; und mehrere Klappen (40, 42), die sich im Wesentlichen senkrecht aus einer Saugfläche (32) des Flügels und entlang unterschiedlichen Sehnenlinien (22) in der Nähe einer Spitze (28) des Flügels (8) erstrecken.
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