DE102008003411A1

DE102008003411A1 - Windturbinenflügelprofilfamilie

Info

Publication number: DE102008003411A1
Application number: DE102008003411A
Authority: DE
Inventors: Kevin Standish; Stefan Herr
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: LM WIND POWER A/S, DK
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2008-01-08
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2028-01-09
Also published as: DK200701853A; DE102008003411B4; CN101230836B; US20080166235A1; CN101230836A; US7883324B2

Abstract

Es ist eine Familie von Flügelprofilen (140) für eine Windturbinenschaufel (100) beschrieben. Jedes Flügelprofil (140) kann eine stumpfe Hinterkante (210), eine im Wesentlichen ovale Saugseite (220) und eine im Wesentlichen S-förmige Druckseite (230) enthalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Windturbinen und insbesondere eine Familie von Tragflächenprofil- bzw. Flügelprofilkonfigurationen für einen Innenbereich einer Windturbinenschaufel.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Herkömmliche Windturbinen enthalten im Allgemeinen zwei oder mehrere Turbinenschaufeln oder -flügel, die mit einer zentralen Nabe verbunden sind. Jede Schaufel ragt von der Nabe an einem Fuß der Schaufel vor und setzt sich bis zu einer Spitze fort. Ein Querschnitt der Schaufel ist als ein Tragflächen- bzw. Flügelprofil definiert. Die Gestalt eines Flügelprofils kann in Bezug auf eine Sehnenlinie definiert werden. Die Sehnenlinie stellt eine Messbezugsgröße bzw. Linie dar, die die Vorderkante des Flügelprofils mit der Hinterkante des Flügelprofils verbindet. Die Gestalt kann in Form von X- und Y-Koordinaten ausgehend von der Sehnenlinie definiert werden. Die X- und Y-Koordinaten sind im Allgemeinen dimensionslos. In gleicher Weise bezeichnet die Dicke eines Flügelprofils den Abstand zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche des Flügelprofils und wird als ein Bruchteil der Sehnenlänge ausgedrückt.
Der innere Bereich, d. h. der an der Nabe am nächsten gelegene Bereich, erfordert im Allgemeinen die Verwendung von relativ dicken Flügelprofilen (30% ≤ t/c ≤ 40%). Das aerodynamische Leistungsverhalten herkömmlicher Flügelprofilgestaltungen nimmt jedoch bei Dicken, die größer sind als 30% der Sehnenlänge, aus Gründen, die größtenteils die Strömungsablösung betreffen, schnell ab. Bei Dicken oberhalb von 40% der Sehnenlänge lässt sich eine massive Strömungsablösung eventuell nicht mehr vermeiden, so dass der Bereich der Schaufel aerodynamisch beeinträchtigt sein kann.
Somit besteht ein Bedarf nach einer Flügelprofilgestaltung, die eine verbesserte aerodynamische Eigenschaft insbesondere in Bezug auf den inneren Bereich ergibt. Vorzugsweise ergibt eine derartige Gestaltung eine verbesserte aerodynamische Eigenschaft und Effizienz unter gleichzeitiger Erzielung einer verbesserten strukturellen Steifigkeit und Integrität.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung ergibt somit eine Familie von Flügelquerschnitten oder -profilen für eine Windturbinenschaufel. Jedes Flügelprofil kann eine stumpfe Hinterkante, eine im Wesentlichen ovale Saugkante und eine im Wesentlichen S-förmige Druckseite enthalten.
Die Schaufelblätter können eine Sehnenlinie enthalten, die sich von einer Vorderkante zu der stumpfen Hinterkante erstreckt. Die im Wesentlichen ovalförmigen Saugseiten und die im Wesentlichen S-förmigen Druckseiten schneiden nicht die Sehnenlinie. Die Saugseiten können dimensionslose X- und positive Y-Koordinatenwerte enthalten, wie sie in den Tabellen 1–4 angegeben sind. Die Druckseiten können dimensionslose X- und negative Y-Koordinatenwerte enthalten, wie sie in den Tabellen 1–4 angegeben sind. Jedes der Flügelprofile ist durch eine glatte Kurve verbunden.
Jedes Profil kann eine erste Weite an der stumpfen Hinterkante, eine zweite Weite an einem Übergang zu einer Vorderkante, wobei die zweite Weite kleiner ist als die erste Weite, und eine dritte Weite an einem weiteren Übergang zu der Vorderkante enthalten, wobei die dritte Weite größer ist als die erste Weite. Jedes Flügelprofil bzw. jeder Flügelquerschnitt kann eine gekrümmte Vorderkante enthalten.
Ein erster Flügelquerschnitt kann ein Profil enthalten, das im Wesentlichen den dimensionslosen Koordinatenwerten X und Y, wie sie in Tabelle 1 angegeben sind, entspricht. Ein zweiter Flügelquerschnitt kann ein Profil enthalten, das im Wesentlichen den dimensionslosen Koordinatenwerten X und Y, wie sie in Tabelle 2 angegeben sind, entspricht. Ein dritter Flügelquerschnitt kann ein Profil im Wesentlichen entsprechend den dimensionslosen Koordinatenwerten X und Y, wie sie in Tabelle 3 angegeben sind, enthalten. Ein vierter Flügelquerschnitt kann ein Profil im Wesentlichen entsprechend den dimensionslosen X- und Y-Koordinatenwerten, wie sie in Tabelle 4 angegeben sind, enthalten. Jedes Flügelprofil kann ein Profil eines inneren Bereichs darstellen.
Die vorliegende Anmeldung beschreibt ferner eine Turbinenschaufel mit einer Anzahl von Flügelprofilen oder -querschnitten. Die Flügelprofile können ein erstes Flügelprofil mit einem Profil, das im Wesentlichen den in Tabelle 1 angegebenen dimensionslosen Koordinatenwerten X und Y entspricht, ein zweites Flügelprofil mit einem Profil, das den in Tabelle 2 angegebenen dimensionslosen X- und Y-Koordinatenwerten im Wesentlichen entspricht, ein drittes Flügelprofil mit einem Profil, das den in Tabelle 3 angegebenen dimensionslosen Koordinatenwerten X und Y im Wesentlichen entspricht, und ein viertes Flügelprofil mit einem Profil enthalten, das den in Tabelle 4 angegebenen dimensionslosen Koordinatenwerten X und Y im Wesentlichen entspricht. Die Profile sind durch eine glatte Kurve verbunden.
Die X- und Y-Werte lassen sich in Abhängigkeit von derselben Konstante oder Zahl skalieren, um ein aufskaliertes oder abskaliertes Flügelprofil zu erhalten. Die Flügelprofile können eine Anzahl von Profilen des inneren Bereichs enthalten. Die Turbinenschaufel kann eine Windturbinenschaufel darstellen.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung erschließen sich für einen Fachmann auf dem Fachgebiet bei der Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Perspektivansicht einer Schaufel, wie sie hier beschrieben ist, wobei eine Anzahl von Flügelprofilen bzw. Schaufelquerschnitten veranschaulicht ist.
2 zeigt eine Kombinationszeichnung der Flügelprofile bzw. Schaufelquerschnitte, wie sie hier beschrieben sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezugnehmend nun auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten gleiche Elemente bezeichnen, zeigt 1 eine Schaufel 100, wie sie hier beschrieben ist. Die Schaufel 100 enthält einen inneren Bereich 110 benachbart zu der (nicht veranschaulichten) Nabe, einen äußeren Bereich 120 oder den mittleren Abschnitt sowie einen Spitzenbereich 130. Der innere Bereich 110 nimmt in etwa ungefähr die erste Hälfte der Schaufel 100 ein, während der äußere Bereich in etwa die nächsten vierzig Prozent (40%) einnimmt und die Spitze 130 ungefähr die restlichen zehn Prozent (10%) der Schaufel 100 einnimmt. Die Figuren können davon abweichen.
2 zeigt eine Familie bzw. ein Feld von Flügelprofilen bzw. -querschnitten 140. Die Flügelprofile 140 sind für den inneren Bereich 110 der Schaufel 100 entworfen. In diesem Beispiel sind vier (4) Flügelprofile 140 veranschaulicht, nämlich ein erstes Flügelprofil 150, ein zweites Flügelprofil 160, ein drittes Flügelprofil 170 und ein viertes Flügelprofil 180. Es kann eine unendliche Anzahl von Flügelprofilen bzw. -querschnitten 140 verwendet werden. Eine Sehnenlinie 190 erstreckt sich von einer Vorderkante 200 zu einer Hinterkante 210 jedes der Flügelprofile 140. In diesem Beispiel verläuft die Sehnenlinie 190 durch die Mitte der Flügelprofile 140.
In diesem Beispiel sind die Hinterkanten bzw. hinteren Ränder 210 stumpf oder haben eine „flache Rückseite". Die Vorderkanten 200 sind bogenförmig gekrümmt. Jedes Flügelprofil 140 enthält eine Saugseite 220 und eine Druckseite 230. Jede Saugseite 220 weist eine im Wesentlichen ovale Gestalt auf, während jede Druckseite eine im Wesentlichen S-förmige Gestalt aufweist. Die Saugseiten 220 und die Druckseiten 230 kreuzen nicht die Sehnenlinie 190. Alle Flügelprofile 140 sind durch eine glatte Kurve verbunden.

Die spezielle Gestalt des Flügelprofils 150 ist in Tabelle 1 in Form von dimensionslosen Koordinatenwerten angegeben. Die X/c-Werte stellen Orte an der Sehnenlinie 190 im Verhältnis zu der Hinterkante 210 dar. Die Y/c-Werte stellen Höhen von der Sehnenlinie 190 zu Punkten entweder an der Saugseite 220 oder an der Druckseite 230 dar. Die Werte sind als Funktion derselben Konstante oder Zahl skalierbar, so dass ein proportional vergrößertes oder verkleinertes Flügelprofil erhalten werden kann. Tabelle 1

X/c	Y/c
1,00000000	0,03726164
0,90036720	0,06785235
0,80067860	0,08990651
0,70007530	0,10734770
0,60106600	0,12091980
0,50066880	0,13214710
0,40005820	0,14126440
0,30031070	0,14733190
0,20042560	0,14654610
0,10049920	0,12712570
0,00000000	0,00000000
0,10065920	–0,12659800
0,20022940	–0,14866100
0,30009620	–0,15000300
0,40096110	–0,13401000
0,50042920	–0,10618000
0,60041830	–0,07248480
0,70074310	–0,03982390
0,80018960	–0,01648170
0,90094460	–0,01118480
1,00000000	–0,03773510

Wie an der Stelle X = 1 veranschaulicht, weist die Hinterkante 210 des Profils 140 eine gegebene Weite auf. Die Weite wird zu der Position X = 0,9 hin schmäler, verringert sich weiter und nimmt anschließend bis über die Position X = 0,3 hinweg zu. Die Gestalt verschmälert sich erneut zu der Vorderkante 200 hin in Form einer weitgehend ovalen Gestalt und läuft anschließend zu der Hinterkante 210 zurück.

Das zweite Flügelprofil 160 ist ähnlich, jedoch etwas dicker. Wie vorstehend weist das zweite Flügelprofil 160 ebenfalls die Weitenverringerung bzw. Verengung zwischen der Position X = 1 und der Position X = 0,8 auf. Die Form des zweiten Flügelprofils 160 ist in der folgenden Weise definiert. Tabelle 2

X/c	Y/c
1,00000000	0,07476157
0,90046010	0,10220790
0,80029790	0,12248030
0,70049780	0,13862410
0,60022080	0,15149490
0,50073840	0,16167160
0,40103380	0,16936190
0,30001950	0,17332270
0,20017300	0,16904810
0,10033560	0,14399980
0,00000000	0,00000000
0,10085420	–0,14364800
0,20034960	–0,17120100
0,30024750	–0,17597900
0,40050510	–0,16227900
0,50051480	–0,13568000
0,60100430	–0,10275700
0,70074630	–0,07116550
0,80063010	–0,04891650
0,90051680	–0,04553450
1,00000000	–0,07523460

Die Gestalt des dritten Flügelprofils 170 ist den vorstehend beschriebenen ähnlich, jedoch wiederum dicker. Das dritte Flügelprofil 170 weist die Verminderung zwischen der Position X = 1 und der Position X = 0,8 auf. Die Gestalt des dritten Flügelprofils 170 ist in der folgenden Weise definiert. Tabelle 3

X/c	Y/c
1,00000000	0,11226081
0,90063769	0,13652491
0,80109208	0,15473962
0,70100077	0,16967702
0,60050336	0,18158922
0,50083265	0,19073012
0,40094014	0,19697082
0,30087793	0,19867672
0,20005762	0,19089852
0,10048941	0,16042992
0,00000000	0,00000000
0,10034881	–0,15978302
0,20060802	–0,19312702
0,30043493	–0,20132002
0,40002894	–0,18996502
0,50060705	–0,16471402
0,60057116	–0,13303101
0,70081557	–0,10227001
0,80004708	–0,08139181
0,90013649	–0,07984641
0,90125599	–0,07998141
1,00000000	–0,11273501

Die Gestalt des vierten Flügelprofils 180 ist der vorstehend beschriebenen ähnlich, jedoch erneut dicker. Das vierte Flügelprofil 180 weist die Weitenverminderung zwi schen der Position X = 1 und der Position X = 0,8 auf. Die Gestalt des vierten Flügelprofils 180 ist in der folgenden Weise definiert: Tabelle 4

X/c	Y/c
1,00000000	0,13726020
0,90000000	0,15989241
0,80000000	0,17787950
0,70000000	0,19334258
0,60000000	0,20609266
0,50000000	0,21607175
0,40000000	0,22261591
0,30000000	0,22363103
0,20000000	0,21369481
0,10000000	0,17827485
0,00000000	0,00002100
0,10000000	–0,17758316
0,20000000	–0,21583323
0,30000000	–0,22630101
0,40000000	–0,21557439
0,50000000	–0,19017060
0,60000000	–0,15766700
0,70000000	–0,12602585
0,80000000	–0,10435340
0,90000000	–0,10306262
1,00000000	–0,13773604

Durch Berücksichtigung einer verhältnismäßig dicken Hinterkante 210 wird das Ausmaß der Druckerholung an der Saugfläche des Flügelprofils verringert. Dies ermöglicht der Strömung, haften zu bleiben, um eine deutliche Auftriebsleistung zu erzielen. Insbesondere sind Auftriebskoeffizienten von mehr als 3,0 gemessen worden. Die Flügelprofile 140 ergeben somit ein verbessertes aerodynamisches Leistungsverhalten und einen verbesserten aerodynamischen Wirkungsgrad bei besserer struktureller Steifigkeit (besserem Biegeträgheitsmoment). Diese Verbesserungen führen zu einer Erhöhung des Energieeinfangs und einem reduzierten Schaufelgewicht. In indirekter Weise minimieren die Profile 140 ferner die aerodynamische Beeinträchtigung, die auf Transportbeschränkungen (maximale Sehne) zurückzuführen ist. Die Weitenverringerung zwischen den Stellen 1,0 und 0,8 reduziert ferner das Gesamtgewicht im Vergleich zu bekannten Konstruktionen von stumpfen Hinterkanten.
Es sollte ersichtlich sein, dass das Vorstehende lediglich die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung betrifft und dass daran verschiedene Veränderungen und Modifikationen durch einen Fachmann vorgenommen werden können, ohne von dem allgemeinen Rahmen und Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist, und deren äquivalenten Ausführungsformen abzuweichen.
Es ist eine Familie von Flügelprofilen 140 für eine Windturbinenschaufel 100 beschrieben. Jedes Flügelprofil 140 kann eine stumpfe Hinterkante 210, eine im Wesentlichen ovale Saugseite 220 und eine im Wesentlichen S-förmige Druckseite 230 enthalten.

100: Schaufel
110: Innerer Bereich
120: Äußerer Bereich
130: Spitzenbereich
140: Flügelprofile, -querschnitte
150: Erstes Flügelprofil
160: Zweites Flügelprofil
170: Drittes Flügelprofil
180: Viertes Flügelprofil
190: Sehnenlinie
200: Vorderkante
210: Hinterkante
220: Saugseite
230: Druckseite

Claims

Mehrere Flügelprofile (140) für eine Windturbinenschaufel (100), wobei jedes aufweist: eine stumpfe Hinterkante (210); eine im Wesentlichen ovale Saugseite (220) und eine im Wesentlichen S-förmige Druckseite (230).
Mehrere Flügelprofile (140) nach Anspruch 1, die ferner eine Sehnenlinie (190) aufweisen, die sich von einer Vorderkante (200) zu der stumpfen Hinterkante (210) erstreckt.
Mehrere Flügelprofile (140) nach Anspruch 2, wobei die im Wesentlichen ovalförmigen Saugseiten (220) und die im Wesentlichen S-förmigen Druckseiten (230) die Sehnenlinie (190) nicht schneiden.
Mehrere Flügelprofile (140) nach Anspruch 2, wobei die im Wesentlichen ovalförmigen Saugseiten (220) dimensionslose X- und positive Y-Koordinatenwerte aufweisen, wie sie in den Tabellen 1–4 angegeben sind.
Mehrere Flügelprofile (140) nach Anspruch 2, wobei die im Wesentlichen S-förmigen Druckseiten (230) dimensionslose X- und negative Y-Koordinatenwerte aufweisen, wie sie in den Tabellen 1–4 angegeben sind.
Mehrere Flügelprofile (140) nach Anspruch 1, wobei ein erstes (150) der mehreren Flügelprofile (140) ein Profil aufweist, das den in Tabelle 1 angegebenen dimensi onslosen Koordinatenwerten X und Y im Wesentlichen entspricht.
Mehrere Flügelprofile (140) nach Anspruch 1, wobei ein zweites (160) der mehreren Flügelprofile (140) ein Profil aufweist, das den dimensionslosen Koordinatenwerten X und Y, wie sie in Tabelle 2 angegeben sind, im Wesentlichen entspricht.
Mehrere Flügelprofile (140) nach Anspruch 1, wobei ein drittes (170) der mehreren Flügelprofile (140) ein Profil aufweist, das den dimensionslosen Koordinatenwerten X und Y, wie sie in Tabelle 3 angegeben sind, im Wesentlichen entspricht.
Mehrere Flügelprofile (140) nach Anspruch 1, wobei ein viertes (180) der mehreren Flügelprofile (140) ein Profil aufweist, das den dimensionslosen Koordinatenwerten X und Y, wie sie in Tabelle 4 angegeben sind, im Wesentlichen entspricht.