DE102011122140A1

DE102011122140A1 - Delta eddy current generator for generating eddies at rotor blade of wind power plant, has support provided with wing such that eddies are producible over main surface, where eddies comprise axis that is directed parallel to surface

Info

Publication number: DE102011122140A1
Application number: DE102011122140A
Authority: DE
Inventors: Georgios Pechlivanoglou
Original assignee: SMART BLADE GmbH
Current assignee: SMART BLADE GmbH
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-06-27

Abstract

The generator (2) has a support (3) provided with a movable triangular wing (5) such that two moving eddies (6a, 6b) are producible over a main surface of a rotor blade, where the eddies turn in opposite directions and comprise a rotational axis that is directed parallel to the main surface of the rotor blade. The wing is formed from a single-piece plate, where face portions of the wing are arranged at an angle to each other. The wing comprises two standing areas that are spaced from each other in a viewing direction perpendicular to the main surface of the rotor blade.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wirbelgenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Rotorblatt.The invention relates to a vortex generator according to the preamble of claim 1 and a rotor blade.

Stand der TechnikState of the art

Der Einsatz von Wirbelgeneratoren als Mittel zur passiven Kontrolle aerodynamischer Strömungen ist aus dem Stand der Technik bekannt. Die Funktion von Wirbelgeneratoren wurde ursprünglich in der US 2,558,816 und ihr Einsatz an Flugzeugflügeln in der US 4,655,419 beschrieben. Der Einsatz von Wirbelgeneratoren an Rotorblättern einer Windturbine ist ebenfalls bekannt und es gibt mehrere Veröffentlichungen und Patentanmeldungen, die sich mit der Form und der Position solcher Elemente wie zum Beispiel in der WO 00/15961 befassen.The use of vortex generators as a means of passive control of aerodynamic flows is well known in the art. The function of vortex generators was originally in the US 2,558,816 and their use on aircraft wings in the US 4,655,419 described. The use of vortex generators on rotor blades of a wind turbine is also known and there are several publications and patent applications dealing with the shape and position of such elements as in the WO 00/15961 deal.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Windturbinenflügel, nachfolgend auch Rotorblatt genannt, werden gegenwärtig mit Wirbelgeneratoren ausgestattet, um deren Einsatz bei starken Anströmwinkeln zu erweitern. Typischerweise lassen sich die Strömungsverhältnisse an einem Windturbinenflügel durch eine gleichmäßige Umströmung im mittleren und äußeren Bereich und eine starke Querströmung im inneren Bereich aufgrund starker Corioliskräfte beschreiben. Auf starke Querströmungen stößt man auch im Bereich der Flügelspitze, wo ein Druckausgleich zwischen einer Druck- und einer Saugseite des Flügels starke Wirbel an der Spitze erzeugt.Wind turbine blades, also referred to as rotor blades, are currently equipped with vortex generators in order to expand their use at high angles of attack. Typically, the flow conditions on a wind turbine blade can be described by a uniform flow in the middle and outer region and a strong cross flow in the inner region due to strong Corioliskräfte. Strong crossflows are also encountered in the area of the wing tip, where pressure equalization between a pressure and a suction side of the wing creates strong eddies at the tip.

Üblicherweise sind Wirbelgeneratoren über die Spannweite eines Flügelblatts an einem Sehnenabschnitt angeordnet, der sich in Strömungsrichtung vor einem Strömungsabrissbereich befindet. Die Verwirbelung, insbesondere von den Wirbelgeneratoren ausgehende lange Wirbelfäden, verstärken die Vermischung der Grenzschichtströmung des Rotorblatts mit der energiereichen äußeren Strömung. Die energetisch aufgeladene Grenzschicht ist daher in der Lage, auch bei erheblich größeren Angriffswinkeln an der Oberfläche des Rotorblatts anzuhaften und den Auftrieb des Rotorblatts zu erhöhen. Ein Nachteil von Wirbelgeneratoren besteht in der unvermeidlichen Zunahme des Luftwiderstands in Folge der Erzeugung der Wirbel. Darüber hinaus führen gängige Formen von Wirbelgeneratoren zu lokalem Strömungsabriss an der Saugseite der Wirbelgeneratorflächen, wodurch der Widerstand zusätzlich verstärkt wird.Typically, vortex generators are located across the span of a blade at a chord portion which is upstream of a stall region in the flow direction. The turbulence, especially from the vortex generators outgoing long vortex filaments, reinforce the mixing of the boundary layer flow of the rotor blade with the high-energy outer flow. The energetically charged boundary layer is therefore able to adhere to the surface of the rotor blade even at significantly larger angles of attack and to increase the buoyancy of the rotor blade. A disadvantage of vortex generators is the inevitable increase in air resistance due to the generation of the vortex. In addition, current forms of vortex generators lead to local stalling on the suction side of the vortex generator surfaces, thereby further increasing the resistance.

Die vorliegende Erfindung schlägt eine neuartige Gestaltung von Wirbelgeneratoren vor, die die grundlegende Funktionsweise und Aufgabe gängiger Wirbelgeneratoren erfüllt, während sie die Nachteile des dadurch erzeugten Widerstands verringert.The present invention proposes a novel design of vortex generators which accomplishes the basic operation and function of common vortex generators while reducing the disadvantages of the resistance produced thereby.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zur Erzeugung von Wirbeln an einem Rotorblatt, insbesondere für Windkraftanlagen, aus. Dabei ist mindestens ein Flügelelement zur Erzeugung eines Wirbels vorgesehen.The invention is based on a device for generating vortices on a rotor blade, in particular for wind power plants. At least one wing element is provided for generating a vortex.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass Flügelelementmittel mit mindestens einem Flügelelement vorgesehen und dergestalt sind, dass über einer Hauptfläche des Rotorblatts zwei gegenläufig drehende Wirbel erzeugbar sind, die beim Ablösen eine Rotationsachse aufweisen, welche zumindest näherungsweise parallel zur Hauptfläche des Rotorblatts gerichtet ist.The essence of the invention is that wing element means are provided with at least one wing element and are such that over a major surface of the rotor blade two counter-rotating vortices are generated, which have a rotation axis during detachment, which is at least approximately directed parallel to the main surface of the rotor blade.

Unter einer Hauptfläche eines Rotorblatts wird hierbei im Wesentlichen eine Oberfläche des Rotorblatts verstanden, die mit einer vergleichsweise kleinen Krümmung eine Längsachse des Rotorblatts an einer Oberseite oder einer Unterseite überspannt. Die Flügelelementmittel können über das Flügelelement hinaus weitere Teile z. B. zur Befestigung und Positionierung des Flügelelements umfassen.In this case, a main surface of a rotor blade essentially refers to a surface of the rotor blade which, with a comparatively small curvature, spans a longitudinal axis of the rotor blade on an upper side or a lower side. The wing element means can beyond the wing element further parts z. B. for attachment and positioning of the wing element.

Durch Wirbel mit einer Rotationsachse parallel zur Hauptfläche können sich Luftmassen von erzeugten Wirbeln auf einer kreis- bzw. spiralförmigen Bahn bewegen, die von einer Grenzschicht an der Hauptfläche in eine äußere Strömungsschicht hineinreicht. Energiereiche Gasmassen können sich dabei mit jenen des Wirbels vermischen, wodurch sie in die Grenzschicht umgelenkt werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, dass Wirbel bereits während deren Erzeugung vorteilhaft energiereiche Luftmassen einer Grenzschicht zuführen können.By means of vortices having an axis of rotation parallel to the main surface, air masses of generated vortices can move in a circular or spiral path that extends from a boundary layer on the main surface into an outer flow layer. High-energy gas masses can mix with those of the vortex, allowing them to be redirected into the boundary layer. The device according to the invention has the advantage that vortices can already advantageously supply high-energy air masses to an interface during their generation.

Aufgrund der Drehimpulserhaltung neigen erzeugte Wirbel dazu, die Richtung ihrer Drehachse beizubehalten, wenn keine rechtwinklig zur Drehachse gerichteten Kräfte auf einen Wirbel einwirken. Zwei gegenläufig drehende Wirbel können dabei derart miteinander zusammenwirken, dass sie sich gegenseitig stabilisieren. Weil die Anströmung eines Rotorblatts derart erzeugte Wirbel entlang der Hauptfläche in energieärmere Bereiche der Grenzschicht drängt, ist dadurch eine vergleichsweise zuverlässige Verzögerung einer Grenzschichtablösung an einem angeströmten Rotorblatt und eine vorteilhafte Verbesserung des Wirkungsgrades einer Windkraftanlage erreichbar.Due to angular momentum conservation, generated vortices tend to maintain the direction of their axis of rotation when no forces directed at right angles to the axis of rotation act on a vortex. Two counter-rotating vortices can cooperate with each other in such a way that they stabilize each other. Because the flow of a rotor blade so vortex forced along the main surface in lower energy areas of the boundary layer, thereby a comparatively reliable delay of a boundary layer separation on a streamlined rotor blade and an advantageous improvement in the efficiency of a wind turbine can be achieved.

Des weiteren entspricht dem Gedanken der Erfindung, dass die Flügelelementmittel mindestens ein Stützelement umfassen und dass das Flügelelement an dem Stützelement angebracht ist, das das Flügelelement in einem vorgegebenen Abstand sowie einer vorgegebenen Winkelstellung zu einer Standfläche am Rotorblatt, die von einem 90°-Winkel zur Standfläche abweicht, anordnet. Denn der Nachteil eines rechtwinklig zur Rotorblattfläche gerichteten Flügelelements besteht darin, dass sich daran entstehende Wirbel mit einer senkrecht zur Rotorblattoberfläche stehenden Drehachse ausbilden, die sich im Zuge der Ablösung zunächst von der Oberfläche des Rotorblatts entfernen. Die Bewegungsrichtung wie auch die Drehachse so erzeugter Wirbel müssen erst von anströmenden Gasmassen in eine Ebene parallel zur Oberfläche des Rotorflügels umorientiert werden, wodurch eine Einleitung energiereicher Luftmassen in die Grenzschicht beeinträchtigt ist. Diesem Nachteil kann umso mehr ausgewichen werden, je mehr ein wirbelerzeugendes Flügelelement in einer senkrechten Richtung zur Strömungsrichtung parallel zur Hauptfläche des Rotorflügels, an der sie befestigt ist, orientiert ist. Daher ist vorzugsweise das Flügelelement mit Hilfe des Stützelements wenigstens näherungsweise parallel zur Standfläche bzw. zur Hauptfläche angeordnet.Furthermore, the idea of the invention is that the wing element means comprise at least one support element and that the Wing member is attached to the support member, which arranges the wing member at a predetermined distance and a predetermined angular position to a footprint on the rotor blade, which deviates from a 90 ° angle to the base surface. For the disadvantage of a wing element directed at right angles to the rotor blade surface is that eddies formed thereon form with a rotation axis perpendicular to the rotor blade surface, which initially move away from the surface of the rotor blade in the course of detachment. The direction of movement as well as the axis of rotation thus generated must first be reoriented by incoming gas masses in a plane parallel to the surface of the rotor blade, whereby an introduction of high-energy air masses is impaired in the boundary layer. This disadvantage can be avoided all the more, the more a vortex-generating wing element is oriented in a direction perpendicular to the flow direction parallel to the main surface of the rotor blade to which it is attached. Therefore, the wing element is preferably arranged with the aid of the support element at least approximately parallel to the standing surface or to the main surface.

In Richtung einer lokalen Anströmungsrichtung kann das Flügelelement durch das Stützelement geneigt sein. Wenn beispielsweise eine angeströmte Kante tiefer liegt als dahinterliegende Bereiche des Flügelelements, kann sich an einer Oberseite des Flügelelements eine Druckzone ausbilden, die eine Wirbelbildung antreibt. Dabei kann sich ein oberer Bereich eines Wirbels mit einer äußeren Strömung mitbewegen. Nach einer Ablösung des Wirbels kann ein näher an einer Oberfläche des Rotorblatts gelegener Bereich an bzw. in der Grenzschicht abrollen, so dass in die Grenzschicht energiereiche Strömung bei vergleichsweise geringem Bremswiderstand durch erzeugte Wirbel einleitbar ist. Die Neigung des Flügelelements durch das Stützelement kann auch derart vorgegeben sein, dass eine angeströmte Kante des Flügelelements einen größeren Abstand zur Rotoroberfläche aufweist als dahinter liegende Bereiche. Hierdurch kann das Flügelelement direkt bis in einen Bereich der Aussenströmung reichen, um von dort energiereiche Gasmassen an einer Unterseite des Flügelelements in die Grenzschicht umzuleiten.In the direction of a local inflow direction, the wing element may be inclined by the support element. If, for example, a streamlined edge lies deeper than regions of the wing element located behind it, a pressure zone can form on an upper side of the wing element, which drives a vortex formation. In this case, an upper region of a vortex can move with an outer flow. After detachment of the vortex, a region located closer to a surface of the rotor blade can roll on or in the boundary layer so that energy-rich flow can be introduced into the boundary layer with generated comparatively little braking resistance by generated eddies. The inclination of the wing member by the support member may also be predetermined such that a flowed edge of the wing member has a greater distance from the rotor surface than behind lying areas. As a result, the wing element can extend directly into a region of the outer flow in order to divert high-energy gas masses therefrom on an underside of the wing element into the boundary layer.

Vorzugsweise ist das Flügelelement durch das Stützelement in einem Abstand über einer Hauptfläche des Rotorblatts positioniert, der sich im Bereich eines Übergangs zwischen einer Grenzschicht und einer Aussenströmung befindet. Dadurch lässt sich auch bei einer Änderung einer Rotorblattstellung oder bei Änderungen der Windrichtung eine vergleichsweise gute Verzögerung einer Grenzschichtablösung erzielen.Preferably, the wing member is positioned by the support member at a distance above a major surface of the rotor blade which is in the region of a junction between a boundary layer and an outer flow. As a result, it is possible to achieve a comparatively good deceleration of a boundary layer separation even when a rotor blade position changes or when the wind direction changes.

Insbesondere ist es bevorzugt, dass ein Ende des Flügelelements freistehend von dem Stützelement seitlich absteht. Dadurch ist eine vergleichsweise wirkungsvolle Wirbelerzeugung erreichbar, weil sich am Flügelelement zumindest im freistehenden Bereich ein umlaufender Strömungsanteil ausbilden kann. Wenn der freistehende Bereich ein Flügelende umfasst, kann ein umlaufender Strömungsanteil vorteilhaft zur Bildung und Ablösung von Wirbeln beitragen.In particular, it is preferable for one end of the wing element to project laterally free from the support element. As a result, a comparatively effective vortex generation can be achieved because at least in the free-standing area, a circumferential flow component can form on the wing element. If the freestanding region comprises a wing tip, a circumferential flow fraction can advantageously contribute to the formation and detachment of vertebrae.

In einer Blickrichtung senkrecht zu einer Hauptfläche des Rotorblatts kann das Flügelelement winklig zueinanderstehende Anströmkanten aufweisen. Die Anströmkanten können insbesondere in einer Spitze aufeinander zulaufen. Dadurch ist ein bremsender Beitrag des Strömungswiderstands verringerbar, insbesondere wenn die Anströmkanten in einem gemeinsamen Schnittpunkt zusammenlaufen.In a viewing direction perpendicular to a main surface of the rotor blade, the wing element may have angularly mutually facing leading edges. The leading edges can converge in particular in a tip. As a result, a braking contribution of the flow resistance can be reduced, in particular if the leading edges converge at a common point of intersection.

Vorzugsweise weist das Flügelelement im Wesentlichen eine Dreicksform, insbesondere die eines gleichschenkligen Dreiecks, auf. Dadurch ist vorteilhaft das Strömungsverhalten von Dreiecksflügeln und insbesondere von Deltaflügeln nutzbar. Eine vorgegebene Spitze des Dreiecksflügels kann zur lokalen Anströmung vorgesehen sein und kann vorwiegend in Richtung einer Vorderkante eines Rotorblatts zu zeigen. Eine der angeströmten Spitze entgegengesetzte Hinterkante des Dreiecksflügels ist dabei in Strömungsrichtung hinter der Spitze angeordnet. Der Dreiecksflügel ist mit einem Stützelement verbunden, das zur Anbringung an der Rotoroberfläche vorgesehen ist, wobei das Stützelement den Dreiecksflügel in einem vorbestimmten Abstand zur Rotoroberfläche halten kann.Preferably, the wing element substantially has a triangular shape, in particular that of an isosceles triangle. As a result, the flow behavior of triangular wings and in particular of delta wings is advantageously usable. A predetermined tip of the triangular wing may be provided for local flow and may be predominantly pointing in the direction of a leading edge of a rotor blade. A trailing edge of the triangular wing opposite the streamlined tip is arranged behind the tip in the flow direction. The triangular wing is connected to a support member which is provided for attachment to the rotor surface, wherein the support member may hold the triangular wing at a predetermined distance from the rotor surface.

Die Hinterkante des Dreiecksflügels kann zumindest an einer Seite in einer freistehenden Spitze enden, an der sich bei einer Anströmung Wirbel, insbesondere in Form eines Wirbelfadens, ablösen können. Der Flächenbereich des Dreiecksflügels, an dem sich die freistehende Spitze befindet, ist dabei derart angeordnet, dass die Fläche des Dreiecksflügels das Rotorblatt in einer Sicht senkrecht auf die Oberfläche des Rotorblatts überdeckt. Dadurch bewegen sich ablösende Wirbel nur wenig oder gar nicht von der Oberfläche des Rotorblatts weg. Zudem können Drehachsen sich von der freistehenden Spitze ablösender Wirbel eine Richtungskomponente parallel zur Rotoroberfläche erhalten, mit der aufgrund der Drehimpulserhaltung ein Verbleiben eines Wirbels bzw. eines Wirbelfadens nahe der Rotorblattoberfläche begünstigt ist.The trailing edge of the triangular wing may terminate at least on one side in a freestanding tip on which vortex, especially in the form of a vortex filament, can come off during a flow. The surface area of the triangular wing on which the freestanding tip is located is arranged such that the surface of the triangular wing covers the rotor blade in a view perpendicular to the surface of the rotor blade. As a result, detaching vortices move only slightly or not at all away from the surface of the rotor blade. In addition, axes of rotation can receive a direction component parallel to the rotor surface from the free-standing tip detaching vortex, with which due to the conservation of angular momentum a vortex or a vortex filament near the rotor blade surface is favored.

Weil erfindungsgemäß der Dreiecksflügel mit einem Stützelement in einem Abstand über der Oberfläche des Rotorblatts angeordnet ist, kann der Wirbelgenerator vorteilhaft auf einen vergleichsweise geringen Luftwiderstand abgestimmt werden. Beispielsweise können das Flügelelement und das Stützelement plattenförmig ausgebildet sein. Dadurch ist ein vergleichsweise geringer Querschnitt, der einer lokalen Anströmung ausgesetzt ist, erreichbar. Um eine vergleichsweise gute Stabilität des Wirbelgenerators zu erreichen, kann der Dreiecksflügel z. B. als gleichschenkliges Dreieck eine symmetrische Fläche aufweisen. Aus dem gleichen Grund sind das Stützelement und das Flügelelement im Bereich z. B. einer Symmetrieachse des Flügelelements miteinander verbunden. Dadurch können sich Kräfte, die an der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Anströmung entstehen wenigstens teilweise gegenseitig vorteilhaft aufheben.Because according to the invention the triangular wing is arranged with a support element at a distance above the surface of the rotor blade, the vortex generator can advantageously be tuned to a comparatively low air resistance. For example, the wing member and the support member may be plate-shaped. This is a comparatively small cross section, which is exposed to a local flow, accessible. In order to achieve a comparatively good stability of the vortex generator, the triangular wing z. B. as an isosceles triangle have a symmetrical surface. For the same reason, the support element and the wing element in the range z. B. an axis of symmetry of the wing member connected to each other. As a result, forces that arise on the device according to the invention by flow can cancel each other at least partially mutually beneficial.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass die Hinterkante durch zwei freistehende Spitzen begrenzt ist, an denen sich bei einer Anströmung vorteilhaft zwei gegensinnig drehende Wirbelfäden in einem vorgegebenen Abstand von der Oberfläche des Rotorblatts gleichzeitig ablösen können. Der Dreiecksflügel kann ein Deltaflügel, insbesondere ein gleichschenkliges Dreieck, sein, den das Stützelement an einer insbesondere zentralen Stützstelle in einem vorgegebenen Abstand über der Rotoroberfläche hält.A preferred embodiment of the invention is that the trailing edge is bounded by two free-standing tips, at which two counter-rotating vortex filaments can advantageously detach simultaneously in a given distance from the surface of the rotor blade. The triangular wing may be a delta wing, in particular an isosceles triangle, which the support element holds at a particular central support point at a predetermined distance above the rotor surface.

Das Stützelement kann als insbesondere senkrecht von einer Oberfläche des Rotorblatts abstehenden Flosse ausgebildet sein. Diese ist vergleichsweise einfach parallel zu einer lokale Anströmung ausrichtbar. Auf diese Weise leistet die Flosse nahezu keinen Beitrag zum Luftwiderstand des Rotorblatts. Die Neigung der senkrecht stehenden Flosse ist derart, dass die lokale Anströmung nur dann mit einem merklichen Winkel auf die Flosse einwirkt, wenn dies erforderlich ist, um entgegengesetzt drehende Wirbel zu erzeugen.The support element can be designed as a fin extending in particular perpendicularly from a surface of the rotor blade. This is relatively easy aligned parallel to a local flow. In this way, the fin makes almost no contribution to the air resistance of the rotor blade. The inclination of the upright fin is such that the local flow only acts on the fin at a significant angle when required to produce counter-rotating vortices.

Das Stützelement kann ein flächiges Fußstück aufweisen, das zur Anbringung der Vorrichtung am Rotorblatt vorgesehen ist. Dadurch ist eine vergleichsweise stabilere Befestigung erreichbar.The support element may have a flat foot piece, which is provided for mounting the device on the rotor blade. As a result, a comparatively stable attachment can be achieved.

Die Winkelstellung kann zwischen Neigungen von 0 bis 40° bezüglich des lokalen Flügelabschnitts variieren. Das Konzept des Delta-Wirbelgenerators erlaubt daher eine Anordnung des Deltaflügels parallel zur Strömung bei normalem Betrieb des Flügels (das heißt bei anliegender Umströmung). Dies führt zu einem niedrigen Widerstandsaufschlag und verbesserter Wirkung der Flügel der Windturbine, wenn ein Beitrag durch Wirbelerzeugung nicht benötigt wird. Wenn jedoch der lokale Anströmwinkel zunimmt, führt dies zu einer Zunahme des Angriffswinkels der Wirbelgeneratoren. Deren Deltaflügel können nun starke gegensätzlich drehende Wirbel erzeugen und damit einen Strömungsabriss verzögern.The angular position may vary between inclinations of 0 to 40 degrees with respect to the local wing section. The concept of the delta vortex generator therefore permits an arrangement of the delta wing parallel to the flow during normal operation of the wing (that is, when the flow around). This leads to a low resistance impact and improved effect of the blades of the wind turbine, when a contribution by vortex generation is not needed. However, as the local angle of incidence increases, this leads to an increase in the angle of attack of the vortex generators. Their delta wings can now generate strong counter-rotating vortices and thus delay a stall.

Die Umsetzung des hier vorliegenden Gestaltungsprinzips für Wirbelgeneratoren kann zu verschiedenen Wirbelgeneratorformen und Größen von Wirbelgeneratorelementen führen. Die folgenden Figuren zeigen mehrere Ausführungen der vorliegenden Erfindung.The implementation of the present design principle for vortex generators can lead to various vortex generator shapes and sizes of vortex generator elements. The following figures show several embodiments of the present invention.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Hilfe von Zeichnungen beschrieben und weitere Vorteile erläutert. Es zeigen:The invention will be described with reference to several embodiments with the aid of drawings and further advantages explained. Show it:

1 schematische perspektivische Ansicht eines Rotorblatts einer Windturbine nach dem Stand der Technik, 1 schematic perspective view of a rotor blade of a wind turbine according to the prior art,

2 schematische perspektivische Ansicht eines Rotorblatts mit Wirbelgeneratoren nach dem Stand der Technik, 2 schematic perspective view of a rotor blade with vortex generators according to the prior art,

3 schematische perspektivische Ansicht eines Wirbelgenerators nach dem Stand der Technik, 3 schematic perspective view of a vortex generator according to the prior art,

4a schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wirbelgenerators, 4a schematic perspective view of a vortex generator according to the invention,

4b schematische perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführung eines Wirbelgenerators, 4b schematic perspective view of a second embodiment of a vortex generator,

4c schematische perspektivische Ansicht einer dritten Ausführung eines Wirbelgenerators, 4c schematic perspective view of a third embodiment of a vortex generator,

4d schematische perspektivische Ansicht einer vierten Ausführung eines Wirbelgenerators, 4d schematic perspective view of a fourth embodiment of a vortex generator,

5a schematische Seitenansicht einer fünften Ausführung eines Wirbelgenerators, 5a schematic side view of a fifth embodiment of a vortex generator,

5b schematische Rückansicht einer sechsten Ausführung eines Wirbelgenerators, 5b schematic rear view of a sixth embodiment of a vortex generator,

6 schematische perspektivische Ansicht einer siebten Ausführung eines Wirbelgenerators, 6 schematic perspective view of a seventh embodiment of a vortex generator,

7a schematische Seitenansicht einer achten Ausführung eines Wirbelgenerators, 7a schematic side view of an eighth embodiment of a vortex generator,

7b schematische perspektivische Ansicht des Wirbelgenerators, 7b schematic perspective view of the vortex generator,

8 schematische perspektivische Ansicht einer neunten Ausführung eines Wirbelgenerators. 8th schematic perspective view of a ninth embodiment of a vortex generator.

In 1 ist ein innerer Bereich des Rotorblatts 1 durch große Anströmwinkel und große Corioliskräfte, die zu dreidimensionalen Querströmungen 12 und Strömungsabrisse 14 führen, gekennzeichnet. Der mittlere und äußere Bereich 11 der Spannweite des Rotorblatts 1 weist eine gleichmäßige Strömung nahezu senkrecht zur Flügelachse auf. Eine Region der Rotorblattspitze weist Querströmungen aufgrund des Druckausgleichs bei endlicher Flügelspannweite auf, die zu starken Wirbeln 13 an der Spitze führen.In 1 is an inner area of the rotor blade 1 due to large angle of attack and large Coriolis forces leading to three-dimensional cross flows 12 and stalls 14 lead, marked. The middle and outer area 11 the span of the rotor blade 1 has a uniform Flow almost perpendicular to the wing axis. A region of the rotor blade tip has transverse flows due to the pressure balance at finite wing span, the strong vortex 13 lead at the top.

In 2 sind Wirbelgeneratoren 20 nach dem Stand der Technik an einer Unterdruckseite des Rotorblatts 1 angeordnet, wobei deren Anordnung an Flügelsehnenabschnitten abhängig vom lokalen Anströmwinkel variiert. Die Wirbelgeneratoren 20 nahe der Rotorblattwurzel sind näher an einer Vorderkante des Rotorblatts 1 positioniert, um eine gute Wirkung bei großen Angriffswinkeln der lokalen Anströmung zu erreichen.In 2 are vortex generators 20 according to the prior art on a negative pressure side of the rotor blade 1 arranged, wherein the arrangement of wing chord sections varies depending on the local angle of attack. The vortex generators 20 near the rotor blade root are closer to a leading edge of the rotor blade 1 positioned to achieve a good effect at high angles of attack of the local flow.

Die Wirbelgeneratoren 20 nach dem Stand der Technik sind gemäß 3 sowohl zueinander als auch zu einer lokalen Strömungsrichtung an einem Rotorflügel 1 in einem Winkel angeordnet. Senkrecht zu einer Fußplatte 21 angeordnete Flügel 22 definieren einen Angriffswinkel für eine lokale Strömung 7 und damit die Eigenschaften erzeugter Wirbel. Die bekannten Wirbelgeneratoren 20 können zwei gegensätzlich drehende Wirbel 6a, 6b erzeugen, wobei ein im Uhrzeigersinn drehender Wirbel 6b an der linken Seite des Wirbelstromgenerators und ein entgegen dem Uhrzeigersinn drehender Wirbel 6a an der rechten Seite erzeugt wird. Der Bereich 8 des Strömungsabrisses an der Unterdruckseite der senkrecht stehenden Flügel 22 des Wirbelgenerators 20 ist ebenfalls eingezeichnet. Der Widerstandsbeitrag des bekannten Wirbelgeneratordesigns ist aufgrund der gezeigten Niederdruckbereiche 8 erhöht.The vortex generators 20 According to the prior art are according to 3 both to one another and to a local flow direction on a rotor blade 1 arranged at an angle. Perpendicular to a foot plate 21 arranged wings 22 define an attack angle for a local flow 7 and thus the properties of generated vortex. The known vortex generators 20 can two oppositely spinning swirls 6a . 6b generate, with a clockwise rotating vortex 6b on the left side of the eddy current generator and a counterclockwise rotating vortex 6a is generated on the right side. The area 8th the stall on the negative pressure side of the vertical wing 22 of the vortex generator 20 is also shown. The resistance contribution of the known vortex generator design is due to the low pressure ranges shown 8th elevated.

In 4a ist ein erfindungsgemäßer Wirbelgenerator 2 dargestellt, bei dem ein Flügel 5 auf eine Flosse 3 montiert ist, die von einer Fußplatte 4 senkrecht aufragt. Die Flosse 3 ist vergleichsweise flach ausgebildet, so dass sie sich in Richtung der lokalen Strömung ausrichten lässt. Der Wirbelgenerator 2 kann auf die Rotorblattoberfläche mittels der Fußplatte 4 angebracht werden. Der z. B. plattenförmige Flügel 5 weist eine dreieckige Form z. B. eines gleichschenkligen Dreiecks auf, wobei eine Spitze dazu vorgesehen ist, dass sie einer lokalen Anströmung entgegen gestellt ist. Vorzugsweise befindet sich die Spitze am Ende einer Symmetrieachse der Dreicksform des Flügels 5. In einem mittleren Bereich des Flügels 5 ist dieser auf der vertikalen Flosse derart angeordnet, dass der Flügel 5 von der Flosse 3 in entgegengesetzte Richtungen z. B. rechtwinklig von der Flosse absteht. Durch die Form der Flosse 3 ist der Flügel 5 mit einem Neigungswinkel A angeordnet, wobei in 4a eine Ausführung mit negativer Neigung A des Flügels 5 gezeigt ist. Dadurch erzeugt der Wirbelgenerator 2 ein Paar einander entgegengesetzt drehender Wirbel 6a und 6b, wobei ein im Uhrzeigersinn drehender Wirbel 6a an einer rechten Hälfte des Flügels 5 und ein gegen den Uhrzeigersinn drehender Wirbel 6b an einer linken Hälfte erzeugt wird.In 4a is an inventive vortex generator 2 shown in which a wing 5 on a fin 3 is mounted by a foot plate 4 rises vertically. The fin 3 is relatively flat, so that it can be aligned in the direction of the local flow. The vortex generator 2 can on the rotor blade surface by means of the base plate 4 be attached. The z. B. plate-shaped wings 5 has a triangular shape z. B. an isosceles triangle, with a tip is provided that it is opposed to a local flow. Preferably, the tip is at the end of an axis of symmetry of the Dreicksform the wing 5 , In a middle area of the grand piano 5 this is arranged on the vertical fin such that the wing 5 from the fin 3 in opposite directions z. B. projects at right angles from the fin. By the shape of the fin 3 is the wing 5 arranged at an inclination angle A, wherein in 4a a version with negative slope A of the wing 5 is shown. This creates the vortex generator 2 a pair of oppositely rotating swirls 6a and 6b , wherein a clockwise rotating vortex 6a on a right half of the wing 5 and a counterclockwise rotating vortex 6b is generated on a left half.

In 4b ist eine zweite Ausführung eines Wirbelgenerators 2 gezeigt, der einer Variante des in 4a gezeigten Wirbelgenerators 2 entspricht. In diesem Fall ist der Winkel A des Flügels 5 positiv, so dass der Flügel 5 mit einem großen Angriffswinkel auf eine lokale Strömung treffen kann. Dies führt zur Erzeugung eines Paars gegeneinander drehender Wirbel 6a, 6b mit einem in Uhrzeigersinn drehenden Wirbel 6a, der an einer links abstehenden Hälfte des Flügels 5 erzeugt wird, und einem gegen den Uhrzeigersinn drehenden Wirbel 6b, der an einer rechts abstehenden Hälfte des Flügels 5 erzeugt wird. Die Wirkung unterscheidet sich gegenüber der in 4a gezeigten Ausführung darin, dass bei der vorliegenden Ausführung eine Wechselwirkung der gegeneinander drehenden Wirbel 6a und 6b zu einer Abwärtsbewegung des ganzen Wirbelpaars zur Fußplatte 4 und damit zu einer Flügeloberfläche führt. Diese Bewegung des Wirbelpaars erhöht die umleitende Wirkung der Wirbel in die Flügelgrenzschicht mit positiven Leistungsergebnissen.In 4b is a second embodiment of a vortex generator 2 shown a variant of the in 4a shown vortex generator 2 equivalent. In this case, the angle A of the wing 5 positive, so the wing 5 can hit a local flow with a large attack angle. This leads to the generation of a pair of mutually rotating vortices 6a . 6b with a clockwise rotating vortex 6a , which is on a left half of the wing 5 is generated, and a counter-clockwise rotating vortex 6b , which is on a right half of the wing 5 is produced. The effect differs from that in 4a shown embodiment in that in the present embodiment, an interaction of the mutually rotating vortex 6a and 6b to a downward movement of the whole vertebrae pair to the base plate 4 and thus leads to a wing surface. This movement of the vortex pair increases the diverting effect of the vortexes in the wing boundary layer with positive performance results.

Ein in 4c gezeigter Wirbelgenerator 2 ist eine weitere Variante der in den 4a und 4b gezeigten Ausführungen. Dabei ist ein Flügel 5 des Wirbelgenerators 2 nicht eben, sondern entlang einer zur Strömung parallelen Achse V-förmig mit einem Winkel zwischen seitlichen Flügelhälften B geformt. Dieser Winkel kann positiv oder negativ sein und ändert wirkungsvoll die Intensität und Eigenschaften der erzeugten Wirbel 6a, 6b ab.An in 4c shown vortex generator 2 is another variant of the in the 4a and 4b shown embodiments. There is a wing 5 of the vortex generator 2 not even, but along an axis parallel to the flow V-shaped with an angle between lateral wing halves B. This angle can be positive or negative and effectively changes the intensity and properties of the generated vortices 6a . 6b from.

Eine in 4d gezeigte Ausführung bildet einen bekannten, in 3 gezeigten Wirbelgenerator 20 nach dem Stand der Technik im Sinne der Erfindung weiter, indem anstelle nach oben gerichteter Ecken der Flügel 22 hier an zwei nach oben abstehenden Flossen 3 jeweils ein Flügel 5 seitlich absteht. Die senkrecht stehenden Flossen 3 können in einem beliebigen Winkel zueinander stehen oder parallel zueinander angeordnet sein. Die senkrecht stehenden Flossen 3 sind mit Delta- bzw. Dreiecksflügeln ausgestattet, die einen relativen Winkel gegenüber einer senkrechten Ebene und gegebenenfalls auch zueinander einen V-Winkel aufweisen. Durch eine solche Ausführung ist es möglich, die aerodynamischen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Wirbelgenerators 2 mit jenen eines Wirbelgenerators 20 nach dem Stand der Technik zu kombinieren. Abhängig von der Wahl der Flossen- und Flügelwinkel (A1, A2 und B) ist es möglich, für die Wirbeleigenschaften wie auch den Widerstandsbeitrag des Wirbelsgenerators zum Rotorblatt Feineinstellungen vorzunehmen.An in 4d embodiment shown forms a known, in 3 shown vortex generator 20 according to the prior art in the context of the invention further, by instead of upwardly directed corners of the wing 22 here at two upstanding fins 3 one wing each 5 protrudes laterally. The vertical fins 3 can be at any angle to each other or arranged parallel to each other. The vertical fins 3 are equipped with delta or triangular wings, which have a relative angle to a vertical plane and optionally to each other a V-angle. By such an embodiment, it is possible, the aerodynamic properties of a vortex generator according to the invention 2 with those of a vortex generator 20 to combine according to the prior art. Depending on the choice of the fin and wing angles (A1, A2 and B), it is possible to make fine adjustments for the vortex properties as well as the resistance contribution of the vortex generator to the rotor blade.

Die 5a zeigt einen erfindungsgemäßen Wirbelgenerator 2 schematisch in seitlicher Darstellung. Der Flügel 5 ist eben und ist mit einem positiven Winkel A auf eine senkrechte Flosse 3 montiert. Der Deltaflügel reicht nicht bis zu einer Fußplatte 4 herunter, um einer Grenzschicht eines Rotorblatts (nicht gezeigt) einen geeigneten Durchlass zu ermöglichen.The 5a shows a vortex generator according to the invention 2 schematic in lateral Presentation. The wing 5 is flat and is at a positive angle A to a vertical fin 3 assembled. The delta wing is not enough to a foot plate 4 down to allow a boundary layer of a rotor blade (not shown) a suitable passage.

In 5b ist eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Wirbelgenerators 2 gezeigt. Bei diesem sind mehrere Flossen 3 mit darauf angebrachten Flügeln 5 auf einer Fußplatte 4 angebracht, um die Anbringung an einer Oberfläche eines Rotorflügels zu erleichtern. In diesem Fall haben die Flügel 5 eine V-Form mit einem Winkel B.In 5b is another embodiment of a vortex generator according to the invention 2 shown. In this are several fins 3 with wings attached 5 on a foot plate 4 mounted to facilitate attachment to a surface of a rotor blade. In this case, the wings have 5 a V-shape with an angle B.

Die 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Wirbelgenerator 2 mit einer ebenen, im Wesentlichen dreieckigen Form des Flügels 5. In der gezeigten Ausführung können ein oder mehr Ecken des Flügels 5 abgerundet sein, um die Erzeugung von Geräuschen durch scharfe Kanten zu verringern.The 6 shows a vortex generator according to the invention 2 with a flat, substantially triangular shape of the wing 5 , In the embodiment shown, one or more corners of the wing 5 rounded to reduce the generation of noise by sharp edges.

Die in 7 gezeigte Ausführung eines erfindungsgemäßen Wirbelgenerators 2 ist dazu ausgebildet, einen Anstellwinkel A passiv zu verändern. Der Flügel 5 ist auf eine senkrecht stehende Flosse 3 montiert, die an einem Scharnier befestigt ist. Die Form der Flosse 3 ist so gewählt, dass eine Winkelstellung des Flügels 5 begrenzt ist. Hebekräfte zur Aktivierung des Wirbelgenerators 2 werden durch den unteren Strömungsfelddruck aufgrund des lokalen Strömungsabrisses verursacht. Daher ist der bewegliche Flügel 5 deaktiviert, wenn die Strömung an der Oberseite des Flügels 5 anhaftet und sobald ein Strömungsabriss eintritt, ist der Wirbelgenerator 2 durch Anheben des Flügels 5 aktiviert und erzeugt Wirbel, die die Strömung über die Rotorblattoberfläche an diese anheften. So lange der Wirbelgenerator 2 deaktiviert bleibt, ist dessen parasitärer Widerstand minimal und minimiert den Bremswiderstandsbeitrag des Wirbelgenerators 2 auf eine Windturbinenleistung.In the 7 shown embodiment of a vortex generator according to the invention 2 is designed to passively change an angle of attack A. The wing 5 is on a vertical fin 3 mounted, which is attached to a hinge. The shape of the fin 3 is chosen so that an angular position of the wing 5 is limited. Lifting forces to activate the vortex generator 2 are caused by the lower flow field pressure due to the local stall. Therefore, the movable wing 5 disabled when the flow is at the top of the wing 5 attaches and as soon as a stall occurs, is the vortex generator 2 by lifting the grand piano 5 activates and creates vortices that attach the flow to the rotor blade surface. As long as the vortex generator 2 remains deactivated, its parasitic resistance is minimal and minimizes the braking resistance contribution of the vortex generator 2 on a wind turbine performance.

8 zeigt eine Variante der in 7 gezeigten Ausführung, wobei eine Aktivierung des beweglichen Wirbelgenerators 2 aktiv durch ein geeignetes Stellelement 10 erfolgt. Die Arbeitsweise und ihre wesentliche Funktion des aktiv kontrollierten Wirbelgenerators 2 ist gleich dem des passiv aktivierten Wirbelgenerators 2, wobei jedoch die aktive Betätigung die Möglichkeit bietet, die Leistungsfähigkeit eines Rotorblatts (nicht gezeigt) durch die Wirbelgeneratoren 2 aktiv zu beeinflussen. 8th shows a variant of in 7 shown embodiment, wherein an activation of the movable vortex generator 2 active by a suitable actuator 10 he follows. The operation and its essential function of the actively controlled vortex generator 2 is equal to that of the passively activated vortex generator 2 However, the active actuation offers the possibility of the performance of a rotor blade (not shown) by the vortex generators 2 actively influence.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Wirbelgeneratorvortex generator
22: Wirbelgeneratorvortex generator
33: Stützesupport
44: Fußelementfoot element
55: Flügelwing
6a6a: Wirbelwhirl
6b6b: Wirbelwhirl
77: Umströmungflow around
88th: BereichArea
99: Scharnierhinge
1010: Stellelementactuator
1111: BereichArea
1212: Querströmungcrossflow
1313: Wirbelwhirl
1414: Strömungsabrissstall
2020: Wirbelgeneratorvortex generator
2121: Fußplattefootplate
2222: Flügelwing

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2558816 [0002]
US 4655419 [0002]
WO 00/15961 [0002]

Claims

Contraption ( 2 ) for generating vertebrae ( 6a . 6b ) on a rotor blade ( 1 ), in particular for wind turbines, wherein at least one wing element ( 5 ) for generating a vortex ( 6a . 6b ), characterized in that wing element means ( 3 . 5 ) with at least one wing element ( 5 ) and are such that over a main surface of the rotor blade ( 1 ) two counter-rotating vortices ( 6a . 6b ) are generated, which each have an axis of rotation during detachment, which is at least approximately parallel to the main surface of the rotor blade ( 1 ).

Contraption ( 2 ) according to the preamble of claim 1, in particular according to claim 1, characterized in that the wing element ( 5 ) on at least one support element ( 3 ) is attached, on which the wing element ( 5 ) at a predetermined distance and in a predetermined angular position to a footprint on the rotor blade ( 1 ), which deviates from a 90 ° angle to the base surface, is arranged.

Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the wing element ( 5 ) two spaced from the standing surface, in a viewing direction perpendicular to a main surface of the rotor blade ( 1 ) has angled leading edges.

Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the wing element ( 5 ) has a substantially triangular shape.

Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the wing element ( 5 ) is formed of a one-piece plate.

Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that surface sections of one or more wing elements ( 5 ) are arranged at an angle to each other.

Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the wing element ( 5 ) via the support element ( 3 ) is mounted so movable that the wing element ( 5 ) different positions in a predetermined distance range to the footprint on the rotor blade ( 1 ) can take.

Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the supporting element ( 3 ) a joint ( 9 ), with which the wing element ( 5 ) is pivotable over a predetermined angular range such that a substantially parallel alignment of the support element ( 3 ) is constant relative to at least one velocity component of a flow field in the region of the base surface.

Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the joint with respect to the local flow direction in the region of a side edge of the wing element ( 5 ) is arranged, wherein a pivot axis of the joint ( 9 ) runs at least in the middle parallel to the side edge.

Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 2 ) Comprises adjustment means with which a position of the wing element ( 5 ) to the footprint on the rotor blade ( 1 ) is adjustable.

Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 2 ) Comprises sensor means with which one on the wing element ( 5 ) attacking force can be determined.

Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one corner of the wing element ( 5 ) is rounded.

Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one edge of the wing element ( 5 ) is rounded.

Rotor blade for a wind turbine with a device ( 2 ) according to one of the preceding claims.