DE102011012965B4

DE102011012965B4 - Rotorblatt für Windenergieanlagen mit horizontaler Drehachse sowie Windenergieanlage mit selbigem

Info

Publication number: DE102011012965B4
Application number: DE102011012965.0A
Authority: DE
Inventors: Frank Kortenstedde
Original assignee: Deutsche Windtechnik AG; WINDTECHNIK AG DEUTSCHE
Current assignee: Deutsche Windtechnik AG; WINDTECHNIK AG DEUTSCHE
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2031-03-05
Also published as: DE102011012965A1

Abstract

Rotorblatt (10) für Windenergieanlagen mit horizontaler Drehachse, umfassend
eine Rotorblattwurzel (12) zur Befestigung an einer Nabe einer Windenergieanlage,
eine der Rotorblattwurzel (12) gegenüberliegend angeordnete Rotorblattspitze (14) am Ende des Rotorblattes (10),
einen zur Rotorblattspitze (14) liegenden aerodynamischen Rotorblattabschnitt (16) mit einer Vorderkante (18) und einer im wesentlichen spitzen Hinterkante (20) sowie
einen Übergangsbereich (22) zwischen der Rotorblattwurzel (12) und dem aerodynamischen Rotorblattabschnitt (16), der eine Vorderkante (24) und eine im wesentlichen stumpfe Hinterkante (26) aufweist, wobei an der stumpfen Hinterkante (26) mindestens ein aerodynamisches Element (28) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das aerodynamische Element (28) eine Platte (30) ist, die unter einem Winkel zur stumpfen Hinterkante (26) angeordnet ist und sich in Richtung zur Rotorblattspitze (14) erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorblatt für Windenergieanlagen mit horizontaler Drehachse gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Windenergieanlage.
Rotorblätter von Windenergieanlagen haben eine große Bedeutung für den Wirkungsgrad (Effizienz) und den wirtschaftlichen Betrieb der Windenergieanlagen. Bei den bekannten Rotorblättern gemäß der eingangs genannten Art besteht die Anforderung an den Rotorblattwurzel nahen Profilquerschnitt darin, in Abhängigkeit vom Anstellwinkel α im Betriebsbereich von –10° < α < 20° zu arbeiten. Die Strömungsbedingungen sind dabei unter anderem instationär und führen aufgrund der Druckunterschiede an den unterschiedlichen Profilschnitten zur Ablösung der Strömung und zur Wirbelbildung. Die Umströmung des Rotorblattes erzeugt dadurch nicht stetige Kraft- und Momentänderungen, d. h. unerwünschte Rotorblattschwingungen, und beeinträchtigt die Effizienz.
Die WO 2010/100 237 A2 offenbart ein Rotorblatt gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Rotorblatt so weiterzubilden, dass der Abriss einer Strömung, und zwar möglichst unabhängig vom Anstellwinkel, im rotorblattwurzelnahen Bereich reduziert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem Rotorblatt der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das aerodynamische Element eine Platte ist, die unter einem Winkel zur stumpfen Hinterkante angeordnet ist und sich in Richtung zur Rotorblattspitze erstreckt. Unter einem aerodynamischen Element soll ein Element verstanden werden, das die Luftströmung beeinflusst. Vorteilhafterweise ist die Platte normal zur stumpfen Hinterkante angeordnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird diese Aufgabe bei dem Rotorblatt der eingangsgenannten Art dadurch gelöst, dass das aerodynamische Element ein im Querschnitt T-förmiges Element ist, dessen Steg unter einem Winkel zur stumpfen Hinterkante angeordnet ist und sich in Richtung zur Rotorblattspitze erstreckt. Vorteilhafterweise ist der Steg normal zur stumpfen Hinterkante angeordnet. Zudem erstreckt sich der Querbalken vorzugsweise parallel zur Hinterkante.
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine Windenergieanlage gemäß Anspruch 16.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Rotorblattwurzel einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist das aerodynamische Element mit dem Übergangsbereich integral bzw. monolithisch ausgebildet.
Alternativ ist auch denkbar, dass das aerodynamische Element vom Übergangsbereich separat ausgebildet und daran befestigt ist. Beispielsweise kann es nachträglich angebracht sein.
Vorteilhafterweise ist das aerodynamische Element formstabil.
Zweckmäßigerweise ist das aerodynamische Element aus einem wetterfesten Material hergestellt.
Vorteilhafterweise ist das aerodynamische Element aus einem Glasfaserlaminat, Edelstahl, Aluminium, einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK), Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff oder einem Kunststoff hergestellt. Das Glasfaserlaminat kann ein Glasfaserlaminat mit Sandwichaufbau und/oder Wabenkern sein. Ganz allgemein kann das aerodynamische Element aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) hergestellt sein.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Höhe der Platte im Bereich von ca. 5% bis ca. 15% der Profilsehnenlänge liegt. Vorzugsweise beträgt die Höhe der Platte 9% der Profilsehnenlänge.
Andererseits ist auch denkbar, dass die Höhe der Platte von der Rotorblattwurzel zum aerodynamischen Rotorblattabschnitt ansteigt. Vorzugsweise steigt die Höhe der Platte von der Rotorblattwurzel zum aerodynamischen Rotorblattabschnitt linear an.
Zweckmäßigerweise ist die Platte entlang ihrer Längserstreckung mit einem Winkelprofil einseitig oder beidseitig zur Befestigung an dem Übergangsbereich versehen.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Höhe des Stegs im Bereich von ca. 2% bis 15% der Profilsehnenlänge liegt. Vorzugsweise beträgt die Höhe des Stegs 5% der Profilsehnenlänge.
Andererseits ist auch denkbar, dass die Höhe des Stegs von der Rotorblattwurzel zum aerodynamischen Rotorblattabschnitt ansteigt. Vorzugsweise steigt die Höhe des Stegs von der Rotorblattwurzel zum aerodynamischen Rotorblattabschnitt linear an.
Vorteilhafterweise ist der Steg entlang seiner Längserstreckung mit einem Winkelprofil einseitig oder beidseitig zur Befestigung an den Übergangsbereich versehen.
Schließlich kann die Höhe des Querbalkens im Bereich von ca. 10% bis 30% der Profilsehnenlänge liegen. Vorzugsweise beträgt die Höhe des Querbalkens 19% der Profilsehnenlänge.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die Anordnung mindestens eines speziellen aerodynamischen Elements bzw. Strömungselements an der stumpfen Hinterkante im Übergangsbereich eine Wirbelbildung im Nachlauf sowie eine Grenzschichtablösung reduziert und dadurch der Luftwiderstand verringert wird. Dies hat wiederum zur Folge, dass die Gleitzahl erhöht wird und über einen weiten Anstellwinkelbereich einen vergleichsweise hohen Wert erreicht, der für die Effizienz der Rotorblätter entscheidend ist. Es lässt sich also eine aerodynamische Optimierung mittels mindestens eines aerodynamischen Elements erreichen.
In der nachfolgenden Beschreibung werden zwei Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Dabei zeigt:
1 eine Vertikalansicht von einem Rotorblatt gemäß einer ersten besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 1;
3 eine Vertikalansicht von einem Rotorblatt gemäß einer zweiten besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 3.
Das in den 1 und 2 gezeigte Rotorblatt 10 für Windenergieanlagen mit horizontaler Drehachse umfasst eine Rotorblattwurzel 12 mit einem kreisrunden Querschnitt, die hier nicht im Detail dargestellt ist, zur Befestigung an einer Nabe (nicht gezeigt) einer Windenergieanlage, eine am der Rotorblattwurzel 12 gegenüberliegenden Ende des Rotorblattes angeordnete Rotorblattspitze 14, einen zur Rotorblattspitze 14 liegenden aerodynamischen Rotorblattabschnitt 16 mit einer Vorderkante 18 und einer im wesentlichen spitzen Hinterkante 20 sowie einen Übergangsbereich 22 zwischen der Rotorblattwurzel 12 und dem aerodynamischen Rotorblattabschnitt 16, der eine Vorderkante 24 und eine im wesentlichen stumpfe Hinterkante 26 aufweist. In der 2 sind auch noch die Druckseite 27 und die Saugseite 29 eingezeichnet. Die Vorderkante 24 stellt eine Fortsetzung der Vorderkante 18 dar und geht in diese, vorzugsweise stufenlos, über. Die Hinterkante 26 stellt eine Fortsetzung der Hinterkante 20 dar. Die Hinterkante 26 ist jedoch stumpf und weist ein aerodynamisches Element 28 auf, das ein im Querschnitt T-förmiges Element aus zwei Platten 30 und 32 ist. Die den Steg bildende Platte 30 ist normal zur stumpfen Hinterkante 26 angeordnet und erstreckt sich in Richtung zur Rotorblattspitze 14 hin über nahezu den gesamten Übergangsbereich 22. Die den Querbalken bildende Platte 32 erstreckt sich parallel zur Hinterkante 26. Das aerodynamische Element 28 steigert die Gleitzahl für das Rotorblatt und erreicht über einen weiten Anstellwinkelbereich einen vergleichsweise hohen Wert, der für die Effizienz des Rotorblatts bzw. der Rotorblätter entscheidend ist. Die Auswertung der Stromlinien im Nachlauf des Rotorblatts lassen erkennen, dass das aerodynamische Element 28 an der Hinterkante 26 die Wirbelbildung im Nachlauf sowie die Grenzschichtablösung positiv beeinflusst und dadurch den Widerstand verringert.
Die Dicke der Platten 30 und 32 richtet sich vornehmlich nach dem verwendeten Material und der Art der Befestigung. Beide Platten und somit das aerodynamische Element 28 sind nicht elastisch und somit formstabil. Als Materialien sind alle wetterfesten Materialien geeignet, welche die vorgenannten Bedingungen erfüllen. Dabei handelt es sich vorzugsweise um Glasfaserlaminate mit Sandwichaufbau und Wabenkern, aber auch Edelstahl, Aluminium, Kohlefaser und andere Kunststoffe. Die Platte 30 ist im unteren Bereich entlang ihrer Ausdehnung zur Anbringung an das Rotorblatt 10 mit einem Winkelprofil, von dem nur der jeweils zur Hinterkante 26 parallele Schenkel 34 gezeigt ist, beidseitig versehen.
Vorzugsweise nimmt die Höhendifferenz dabei über den Übergangsbereich 22 von der Rotorblattwurzel 12 in Richtung zum aerodynamischen Rotorblattabschnitt 16 linear zu. Die Höhe 38 der Platte 32 beträgt vorzugsweise 19% der Profilsehnenlänge 36, kann aber auch einen Wert zwischen ca. 10 und ca. 30% der Profilsehnenlänge 36 aufweisen.
Die in den 3 und 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform lediglich darin, dass das aerodynamische Element 28 anders gestaltet ist. Es weist eine Platte 30 auf. Die Höhe der Platte 30 beträgt in dieser Ausführungsform vorzugsweise 9% der Profilsehnenlänge 36 des jeweiligen Rotorblattprofiles, kann aber auch einen Wert zwischen ca. 5 bis ca. 15% aufweisen. Die Höhendifferenz nimmt genau wie bei der Platte 30 der ersten Ausführungsform über den Übergangsbereich 22 von der Rotorblattwurzel 12 zum aerodynamischen Rotorblattabschnitt 16 linear zu.
Bezugszeichenliste

10: Rotorblatt
12: Rotorblattwurzel
14: Rotorblattspitze
16: aerodynamischer Rotorblattabschnitt
18: Vorderkante
20: Hinterkante
22: Übergangsbereich
24: Vorderkante
26: Hinterkante
27: Druckseite
28: aerodynamisches Element
29: Saugseite
30, 32: Platten
34: Schenkel
36: Profilsehnenlänge
38: Höhe

Claims

Rotorblatt (10) für Windenergieanlagen mit horizontaler Drehachse, umfassend eine Rotorblattwurzel (12) zur Befestigung an einer Nabe einer Windenergieanlage, eine der Rotorblattwurzel (12) gegenüberliegend angeordnete Rotorblattspitze (14) am Ende des Rotorblattes (10), einen zur Rotorblattspitze (14) liegenden aerodynamischen Rotorblattabschnitt (16) mit einer Vorderkante (18) und einer im wesentlichen spitzen Hinterkante (20) sowie einen Übergangsbereich (22) zwischen der Rotorblattwurzel (12) und dem aerodynamischen Rotorblattabschnitt (16), der eine Vorderkante (24) und eine im wesentlichen stumpfe Hinterkante (26) aufweist, wobei an der stumpfen Hinterkante (26) mindestens ein aerodynamisches Element (28) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das aerodynamische Element (28) eine Platte (30) ist, die unter einem Winkel zur stumpfen Hinterkante (26) angeordnet ist und sich in Richtung zur Rotorblattspitze (14) erstreckt.
Rotorblatt (10) für Windenergieanlagen mit horizontaler Drehachse, umfassend eine Rotorblattwurzel (12) zur Befestigung an einer Nabe einer Windenergieanlage, eine der Rotorblattwurzel (12) gegenüberliegend angeordnete Rotorblattspitze (14) am Ende des Rotorblattes (10), einen zur Rotorblattspitze (14) liegenden aerodynamischen Rotorblattabschnitt (16) mit einer Vorderkante (18) und einer im wesentlichen spitzen Hinterkante (20) sowie einen Übergangsbereich (22) zwischen der Rotorblattwurzel (12) und dem aerodynamischen Rotorblattabschnitt (16), der eine Vorderkante (24) und eine im wesentlichen stumpfe Hinterkante (26) aufweist, wobei an der stumpfen Hinterkante (26) mindestens ein aerodynamisches Element (28) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das aerodynamische Element (28) ein im Querschnitt T-förmiges Element ist, dessen Steg unter einem Winkel zur stumpfen Hinterkante (26) angeordnet ist und sich in Richtung zur Rotorblattspitze (14) erstreckt.
Rotorblatt (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblattwurzel (12) einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Rotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das aerodynamische Element (28) mit dem Übergangsbereich (22) integral bzw. monolithisch ausgebildet ist.
Rotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das aerodynamische Element (28) vom Übergangsbereich (22) separat ausgebildet und daran befestigt ist.
Rotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aerodynamische Element (28) formstabil ist.
Rotorblatt (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aerodynamische Element (28) aus einem wetterfesten Material hergestellt ist.
Rotorblatt (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aerodynamische Element (28) aus einem Glasfaserlaminat, Edelstahl, Aluminium, einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK), Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff oder einem Kunststoff hergestellt ist.
Rotorblatt (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Platte (30) im Bereich von ca. 5% bis ca. 15% der Profilsehnenlänge (36) liegt.
Rotorblatt (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Platte (30) von der Rotorblattwurzel (12) zum aerodynamischen Rotorblattabschnitt (16) ansteigt.
Rotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (30) entlang ihrer Längserstreckung mit einem Winkelprofil einseitig oder beidseitig zur Befestigung an dem Übergangsbereich (22) versehen ist.
Rotorblatt (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Stegs im Bereich von ca. 2% bis 15% der Profilsehnenlänge (36) liegt.
Rotorblatt (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Stegs von der Rotorblattwurzel (12) zum aerodynamischen Rotorblattabschnitt (16) ansteigt.
Rotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 2, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg entlang seiner Längserstreckung mit einem Winkelprofil einseitig oder beidseitig zur Befestigung an den Übergangsbereich (22) versehen ist.
Rotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (38) des Querbalkens im Bereich von ca. 10% bis 30% der Profilsehnenlänge (36) liegt.
Windenergieanlage mit horizontaler Drehachse, umfassend mindestens ein Rotorblatt (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.