DE102008026474A1 - Rotor blade for a wind turbine and wind turbine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage, insbesondere für eine Horizontalachsenturbine mit einem aerodynamischen Profil, das eine Druckseite (16) und eine Saugseite (15) aufweist. Die Tiefe (T) des aerodynamischen Profils wird durch den Abstand der Blattvorderkante (13) zur Blatthinterkante (14) bestimmt, und dessen Decke (D) ist durch den Abstand der Saugseite (15) zur Druckseite (16) definiert. Das Rotorblatt erstreckt sich, ausgehend vom Blattanschluss (10), entlang einer Längserstreckungsrichtung zur Blattspitze (11). Gemäß der Erfindung ist auf der Saugseite (15) des Rotorbaltts (6) im Bereich der Vorderkante (13) unter Einhaltung eines Spalts zur Saugseite (15) ein Vorflügel (20) angeordnet, der sich etwa vom Blattanschluss (10) über maximal ein Drittel der Länge des Rotorblatts (6) erstreckt. Mit Hilfe des Vorflügels (209 werden die Leistungsdefizite aufgrund aerodynamisch unvollkommener Profile im angegebenen Bereich wenigstens teilweise kompensiert und dadurch das Leistungspotential eines erfindungsgemäßen Rotorblatts erhöht.The invention relates to a rotor blade for a wind turbine, in particular for a horizontal axis turbine with an aerodynamic profile, which has a pressure side (16) and a suction side (15). The depth (T) of the aerodynamic profile is determined by the distance of the blade leading edge (13) to the blade trailing edge (14), and its ceiling (D) is defined by the distance of the suction side (15) to the pressure side (16). The rotor blade extends, starting from the blade connection (10), along a longitudinal extension direction to the blade tip (11). According to the invention, a slat (20) is arranged on the suction side (15) of the rotor coil (6) in the region of the front edge (13) while maintaining a gap to the suction side (15), which extends approximately from the blade connection (10) over a maximum of one third the length of the rotor blade (6) extends. With the help of the slat (209 the power deficits due to aerodynamically imperfect profiles in the specified range are at least partially compensated and thereby increases the performance potential of a rotor blade according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2 sowie eine Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Rotorblatt gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 23.The The invention relates to a rotor blade for a wind turbine according to the preambles of the claims 1 and 2 and a wind turbine with an inventive Rotor blade according to the preamble of the claim 23rd
Angesichts eines in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich steigenden Energiebedarfs, der zur Deckung dieses Energiebedarfs immer knapper werdenden Primärrohstoffe sowie eines gesteigerten Bewusstseins für eine umweltverträgliche Energieerzeugung rücken regenerative Energiequellen immer mehr ins Interesse der Öffentlichkeit. Neben der Nutzung der Wasserkraft und Sonnenenergie bestehen erhebliche Anstrengungen darin, die Windkraft zur Erzeugung von Energie zu nutzen.in view of a continuously increasing energy demand in recent decades, the primary raw materials becoming increasingly scarce to meet this energy demand and increased awareness of environmental sustainability Energy generation is always driven by renewable energy sources more in the public interest. In addition to use Hydropower and solar energy make considerable efforts in using wind power to generate energy.
Zu
diesem Zweck bekannte Windkraftanlagen bestehen aus einem Turm,
an dessen Ende ein Rotor mit radial ausgerichteten Rotorblättern
drehbar gelagert ist. Der auf die Rotorblätter auftreffende
Wind versetzt den Rotor in eine Rotationsbewegung, die einen mit
dem Rotor gekoppelten Generator zur Stromerzeugung antreibt. Durch
ein entsprechend aerodynamisches Design der Rotorblätter
ist man dabei bestrebt, einen möglich großen Wirkungsgrad
zu erzielen, d. h. die dem Wind innewohnende kinetische Energie
mit möglichst geringen Verlusten in elektrische Energie
umzuwandeln. Ein Beispiel für eine solche Windkraftanlage
ist in der
Dabei stellt sich als allgemein problematisch heraus, dass Windkraftanlagen mehreren Bedingungen gleichzeitig genügen müssen, die sich teilweise gegenseitig ausschließen und die teilweise in Abhängigkeit weiterer Parameter veränderlich sind. Die Gründe hierfür sind zum Teil konstruktionsbedingt, nämlich dass infolge der Rotation eines Rotorblatts in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse über die Länge des Rotorblattes in Abhängigkeit des jeweiligen radialen Abstandes zur Rotationsachse unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten auftreten. Überlagert werden diese unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten von in der Natur schwankend vorherrschenden Windverhältnissen, so dass ein Rotorblatt im Betrieb sowohl stark schwankenden Anströmgeschwindigkeiten als auch veränderlichen Anströmwinkeln gegenübersteht. Weitere Rahmenbedingungen sind durch Grenzwerte bei Lärmemissionen sowie maximale Abmessungen zur Bewerkstelligung des Transports gegeben. Beim Design eines Rotorblattes besteht die Kunst daher darin, den unterschiedlichen Ausgangsbedingungen und Anforderungen in einem Design gerecht zu werden. Das Design eines Rotorblatts ist daher immer ein bestmöglicher Kompromiss, um allen Erfordernissen gerecht zu werden.there turns out to be generally problematic that wind turbines have to satisfy several conditions simultaneously, partially mutually exclusive and partially variable depending on further parameters are. The reasons for this are partly due to design, namely that as a result of the rotation of a rotor blade in a plane perpendicular to the axis of rotation over the length of the rotor blade in dependence of the respective radial Distance to the axis of rotation different peripheral speeds occur. Superimposed on these different peripheral speeds of prevailing wind conditions in nature, so that a rotor blade in operation both strongly fluctuating flow velocities as well as varying angles of incidence faces. Further framework conditions are due to noise emission limits and given maximum dimensions to accomplish the transport. In the design of a rotor blade, the art is therefore the, different starting conditions and requirements in one To meet design. The design of a rotor blade is therefore always the best possible compromise to all requirements to meet.
Die aerodynamische Optimierung von Rotorblättern in ihrem Außenbereich ist bereits weit fortgeschritten. Hingegen ist der Innenbereich eines Rotorblatts einer weiteren Zwangsbedingung unterworfen, die dessen Optimierung erheblich erschwert. Infolge der auf die Rotorblätter auftreffenden Windlast ergibt sich in Richtung des Anschlussbereichs des Rotorblatts an die Rotornabe eine exponential steigende Momentenbeanspruchung. Beim Design eines Rotorblatts muss dieser Beanspruchung in konstruktiver Hinsicht Rechnung getragen werden, was in der Praxis zu einer erheblichen Verdickung der aerodynamischen Profile im Bereich der Blattwurzel führt. Ab einem bestimmten Dicken-Tiefen-Verhältnis sind diese Profile aerodynamisch nur noch bedingt wirksam, wenn nicht sogar unwirksam und tragen daher nur in geringem Umfang oder gar nicht zur Leistungsausbeute der Windkraftanlage bei. Hinzu kommt, dass die Hinterkante konventioneller Rotorblätter im Blattwurzelbereich oft abgeschnitten ist, was die aerodynamische Leistungsfähigkeit des Rotorblatts prinzipiell beeinträchtigt und in der Folge der aerodynamisch wirksame Nabenradius radial nach außen verlagert wird.The Aerodynamic optimization of rotor blades in their outdoor area is already well advanced. On the other hand is the interior area a rotor blade subjected to another constraint, the its optimization considerably more difficult. As a result of on the rotor blades incident wind load results in the direction of the connection area of the rotor blade to the rotor hub an exponentially increasing moment load. When designing a rotor blade, this stress must be considered constructive Be taken into account, which in practice is a considerable Thickening of the aerodynamic profiles in the area of the leaf root leads. From a certain thickness-depth ratio aerodynamically these profiles are only partially effective, if not even ineffective and therefore carry only a small amount or not at all to the power output of the wind turbine. Come in addition, that the trailing edge of conventional rotor blades in the blade root area Often cut off is what the aerodynamic performance of the rotor blade in principle impaired and in consequence the aerodynamically effective hub radius radially outward is relocated.
Um
auch den Blattwurzelbereich für die Energiegewinnung besser
zu nutzen, wird gemäß der
Der Nachteil eines solchen Rotorblatts wird vor allem bei Windkraftanlagen mit großem Rotordurchmesser deutlich. So werden bei Rotorblättern mit einer Länge von 50 m bis 70 m Blatttiefen im Wurzelbereich bis zu 8 m erreicht. Solche Rotorblätter sind für einen Transport auf der Straße nicht mehr geeignet. Es ist daher notwendig, derartige Rotorblätter mehrteilig zu konstruieren mit dem damit verbundenen zusätzlichen Aufwand bei der Blattherstellung und den Gefahren einer aerodynamisch problematischen Stoßstelle.Of the Disadvantage of such a rotor blade is mainly in wind turbines with a large rotor diameter clearly. This is how rotor blades are made with a length of 50 m to 70 m leaf depths in the root area up to reached to 8 m. Such rotor blades are for no longer suitable for transport on the road. It is therefore necessary, such rotor blades in several parts to construct with the associated additional Overhead of sheet manufacturing and the dangers of aerodynamic problematic joint.
Schließlich ist auch schon durch Benutzung eine Windkraftanlage mit einem einflügligen Rotor bekannt. Das einzige Rotorblatt der Anlage ist über ein Schlaggelenk an der Rotorwelle befestigt. Das über seine Länge verwindungsfreie Rotorblatt weist einen konstanten Querschnitt auf und besitzt somit über seine gesamte Länge konstante aerodynamische Eigenschaften. Um die Anlage stets im stabilen Bereich betreiben zu können, ist eine Bremseinrichtung zur Begrenzung der Rotordrehzahl vorgesehen. Die Bremseinrichtung sieht einen Vorflügel entlang der Vorderkante des Rotorblatts vor, der bei Überschreiten einer Grenzdrehzahl fliehkraftbetätigt um seine Längsachse schwenkt und das bis zum Nennlastbereich aerodynamisch qualifizierte Profil derart verändert, dass sich die Luftströmung auf der Profiloberseite plötzlich ablöst und damit Bremsleistung erzeugt. Um die Bremsleistung überhaupt erzeugen zu können beträgt die Länge des Vorflügels etwa 75% der Länge des Rotorblatts. Bei kürzeren Vorflügeln überwiegt der im Außenbereich des Rotorblatts erzeugte Vortrieb die dem entgegenwirkende Bremsleistung im Innenbereich, so dass nur ungenügend Bremsleistung zur Verfügung gestellt wird. Dem Vorflügel dieser Windkraftanlagen kommt somit ausschließlich die Funktion einer Überlastsicherung zu.After all is already by using a wind turbine with a einflügligen Rotor known. The only rotor blade of the plant is over a hinged joint attached to the rotor shaft. The above Its length torsion-free rotor blade has a constant Cross-section on and thus has over its entire length constant aerodynamic properties. To keep the system stable To operate area is a braking device intended to limit the rotor speed. The braking device sees a slat along the leading edge of the rotor blade before, the centrifugal force actuated when a limit speed is exceeded pivots about its longitudinal axis and that up to the nominal load range aerodynamically qualified profile changed so that The air flow on the profile top suddenly replaces and thus generates braking power. To the braking power at all to be able to produce is the length of the slat about 75% of the length of the rotor blade. For shorter slats outweighs the Propulsion generated in the outer area of the rotor blade counteracting braking performance indoors, so that only insufficient Braking power is provided. The slat This wind turbine is thus exclusively the function an overload protection.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Windkraftanlagen in ihrer Leistung zu steigern, insbesondere ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage anzugeben, das über seinen gesamten Innenbereich einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist, ohne die vorgenannten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.In front In this background, the object of the invention is to wind turbines to increase in their performance, in particular a rotor blade for specify a wind turbine that will run throughout its entire Interior has improved efficiency, without the to have to accept the aforementioned disadvantages.
Diese Aufgabe wird durch ein Rotorblatt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder 2 sowie eine daraus hergestellte Windkraftanlage gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 23 gelöst.These The object is achieved by a rotor blade having the features of the patent claim 1 or 2 and a wind turbine made therefrom according to the Characteristics of claim 23 solved.
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.advantageous Embodiments emerge from the subclaims.
Die Erfindung löst sich von der im Stand der Technik allgegenwärtigen Vorstellung, eine Windkraftanlage aerodynamisch zu optimieren, indem das Profil des Rotorblatts im Blattwurzelbereich modifiziert wird. Stattdessen beschreitet die Erfindung einen gänzlich anderen Weg, indem Verluste infolge aerodynamisch unvollkommener oder gänzlich unwirksamer Blattwurzelprofile durch die Anordnung eines Vorflügels in dem entsprechenden Bereich ausgeglichen werden.The Invention dissolves from the ubiquitous in the prior art To optimize a wind turbine aerodynamically by the profile of the rotor blade in the blade root area is modified. Instead The invention takes a completely different route by Losses due to aerodynamically imperfect or entirely ineffective leaf root profiles by the arrangement of a slat be compensated in the corresponding area.
Die Anordnung eines Vorflügels erzeugt gewöhnlicherweise, also bei einem Profil mit Druck- und Saugseite, eine Luftströmung mit hoher Geschwindigkeit von der Druckseite des Rotorblatts hin zu dessen Saugseite und führt so der Saugseite kinetische Energie zu. Angereichert mir dieser kinetischen Energie kann die Grenzschicht der Strömung den Druckanstieg im hinteren Bereich der Saugseite weit besser aushalten ohne abzulösen. Ganz besonders geeignet ist der Vorflügel bei Profiltiefen von relativen Dicken D/T von 40% und mehr, das heißt also für sogenannte Strakprofile, die durch den Strak von einem letzten aerodynamisch gesicherten Profil von zum Beispiel 40% relativer Dicke D/T auf das Kreisprofil des unmittelbaren Blattanschlussbereichs entstehen. Selbst im Extremfall eines Kreisprofils, wie es zum Beispiel im Blattanschlussbereich vorhanden ist, wirkt sich der Vorflügel leistungssteigernd aus. Bei diesem per se neutralen Profil (kein Auftrieb, nur Widerstand) erzeugt der Vorflügel eine Unsymmetrie der Umströmung und dadurch eine Saug- und eine Druckseite und somit einen nutzbaren Auftrieb bei nur geringer Widerstandserhöhung. Durch den Vorflügel wird also zum einen der aerodynamisch wirksame Blattbeginn wesentlich in Richtung der Rotorachse verlagert und somit das Rotorblatt über seine Länge besser genutzt.The Arrangement of a slat usually generates, So in a profile with pressure and suction side, an air flow at high speed from the pressure side of the rotor blade to the suction side and thus leads the suction side kinetic Energy too. Enriched me this kinetic energy can be Boundary layer of the flow the pressure rise in the rear The area of the suction side can withstand much better without detaching. Especially suitable is the slat at profile depths relative D / T of 40% and more, that is for so-called Strakprofile by the Strak of a last aerodynamically secured profile of, for example, 40% relative Thickness D / T on the circular profile of the immediate blade connection area arise. Even in the extreme case of a circular profile, as for example is present in the blade connection area, the slat affects performance enhancing. In this per se neutral profile (no buoyancy, resistance only), the slat generates an imbalance the flow around and thereby a suction and a pressure side and thus a useful buoyancy with only a small increase in resistance. By the slat so on the one hand the aerodynamic effective blade beginning substantially shifted in the direction of the rotor axis and thus the rotor blade better over its length used.
Zum
anderen lässt sich die optimale Zirkulationsverteilung Γ über
die Spannweite des Rotorblatts besser realisieren und somit die
induzierte Verlustleistung des Rotors verringern. Mit der Zirkulationsgleichung
zeigt sich, dass
die optimale Zirkulation im Blattwurzelbereich sowohl mit vergrößerter
Blatttiefe t (wie bei
shows that the optimal circulation in the leaf root area both with increased blade depth t (as in
Diese beiden genannten Vorteile, die der Vorflügel am Innenflügel bewirkt, nämlich bessere Ausnutzung des Rotorblatts und geringere induzierte Verlustleistung durch bessere Anpassung an die optimale radiale Zirkulationsverteilung, addieren sich nicht nur, sondern verstärken sich gegenseitig mit dem Effekt einer überproportionalen Leistungssteigerung der Windturbine.These both advantages mentioned, the slat on the inner wing causes, namely better utilization of the rotor blade and lower induced power loss due to better adaptation the optimal radial circulation distribution, do not add up only, but reinforce each other with the effect a disproportionate performance increase of the wind turbine.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich dabei, dass die Leistungssteigerung dank der Erfindung ohne Änderungen am Blattprofil selbst erreicht werden kann. Es ist also möglich, weiterhin Rotorblätter mit verhältnismäßig geringen Tiefen im Blattwurzelbereich herzustellen und zu nutzen mit dem Vorzug einer einfachen und kostengünstigen Herstellung sowie eines einfachen Transports, ohne Einbußen beim Wirkungsgrad einer Windkraftanlage hinnehmen zu müssen.It proves to be particularly advantageous that the increase in performance thanks to the invention without Changes to the leaf profile itself can be achieved. It is therefore possible to continue to produce rotor blades with relatively small depths in the blade root area and to use with the advantage of a simple and cost-effective production and a simple transport without having to accept losses in the efficiency of a wind turbine.
Da der erfindungsgemäße Vorflügel nicht zwangsläufig Modifikationen am Blattprofil voraussetzt, ist es ferner möglich, bestehende Windkraftanlagen in erfindungsgemäßer Weise nachzurüsten, um auch bei bestehenden Anlagen in den Genuss einer erhöhten Leistungsausbeute zu kommen.There the slat according to the invention not inevitably requires modifications to the leaf profile, it is also possible existing wind turbines in inventive Way to retrofit even in existing facilities in to enjoy the benefits of increased performance.
Die Erfindung wird nachstehend anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden zur Erleichterung des Verständnisses für gleiche oder gleichwirkende Elemente der Erfindung bei allen Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet.The Invention is illustrated below with reference to the drawings Embodiments explained in more detail. These are to facilitate understanding for identical or equivalent elements of the invention in all figures same reference numerals used.
Es zeigtIt shows
In
den
In
Aus
In
Die
in
Die
Erst
außerhalb von L3 würden
die Strakprofile ohne weitere Maßnahme in der Lage sein,
Auftrieb zu erzeugen, wenn auch nur in geringem Maße. Hinzu
kommt, dass die Hinterkante
Um
die Leistungsausbeute eines erfindungsgemäßen
Rotorblatts
Die
Vorderkante des Vorflügels
Während
der in den
Aus
den
Die
Geeignete
Profile für einen Vorflügel
Während
der in den
Wie
aus den
Eine
hierzu alternative Ausführungsform ist in
Im
Hinblick auf die Minimierung der induzierten Verlustleistung und
damit Erhöhung der Rotorleistung kommt dem Anschluss der
Enden
Bei
der in
Die
in den
Die
In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung dieser Ausführungsform
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, an der Nabe
Ein ähnlicher
Effekt lässt sich mit der in
Die
in
Die
Es
versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die in den einzelnen
Figuren dargestellten und mit den Patentansprüchen beanspruchten
Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr liegen
auch Merkmalskombinationen unterschiedlicher Ausführungsformen
im Rahmen der Erfindung, soweit sie an den Sinn und Zweck der Erfindung
anschließen. Bezugszeichenliste:
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140101 |