DE102012108182A1

DE102012108182A1 - Vergrößerung für ein Rotorblatt in einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102012108182A1
Application number: DE102012108182A
Authority: DE
Inventors: Philippe Giguere; Peter James Fritz; Jeffrey Erie Bergmann; Stefan Herr; Scott Gabell Riddell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: LM WIND POWER A/S, DK
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2013-03-14
Also published as: US20120141269A1; DK178210B1; CN102996328B; US8834127B2; CN102996328A; DK201200554A

Abstract

Es werden eine Rotoranordnung (100) für eine Windkraftanlage (10) und ein Verfahren zur Erhöhung der Belastbarkeit eines Rotorblatts (16) innerhalb einer Belastungsobergrenze für eine Windkraftanlage (10) offenbart. Die Rotorblattanordnung (100) weist ein Rotorblatt (16) mit Oberflächen auf, die eine Druckseite (22), eine Saugseite (24), eine Anströmkante (26) und eine Abströmkante (28) definieren und die sich zwischen einer Spitze (32) und einer Wurzel (34) erstrecken. Die Rotorblattanordnung (100) weist ferner ein Vergrößerungselement (102) auf, das mit einer Oberfläche des Rotorblatts (16) verbunden ist, wobei das Vergrößerungselement (102) mindestens ein Konstruktionsmerkmal aufweist, das dazu gedacht ist, eine Belastbarkeit des Rotorblatts (16) innerhalb einer Belastungsobergrenze für die Windkraftanlage (10) zu erhöhen. Das Konstruktionsmerkmal ist eine Verlängerung (120), eine Verbreiterung (122), eine vergrößernde Krümmung, eine Stelle, an der die Spannbreite vergrößert ist, eine Stelle, an der das Profil vergrößert ist, oder ein vergrößernder Winkel (124) in Bezug auf eine Profiltangente (126) des Rotorblatts (16).

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Windkraftanlagen-Rotorblätter, und insbesondere Vergrößerungselemente, die mit Rotorblättern verbunden werden, um die Lasttragfähigkeit bzw. Belastbarkeit der Rotorblätter zu verbessern.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Windkraft wird als eine der saubersten, umweltfreundlichsten Energiequellen angesehen, die derzeit zur Verfügung stehen, und Windkraftanlagen werden vor diesem Hintergrund immer interessanter. Eine moderne Windkraftanlage weist in der Regel einen Turm, einen Generator, ein Getriebe, eine Gondel und eines oder mehrere Rotorblätter auf. Die Rotorblätter ernten kinetische Windenergie unter Anwendung von bekannten Luftleitblechprinzipien. Die Rotorblätter übertragen die kinetische Energie in Form von Rotationsenergie, um eine Welle anzutreiben, die die Rotorblätter mit einem Getriebe verbindet, oder, wenn kein Getriebe verwendet wird, direkt auf den Generator. Der Generator wandelt dann die mechanische Energie in elektrische Energie um, die in ein Versorgungsnetz eingespeist werden kann.
Häufig werden bei der Konstruktion und im Betrieb von Windkraftanlagen zu große Reserven gelassen, beispielsweise zu große Beladungsreserven. Beispielsweise kann die maximale Beladbarkeit bzw. Belastbarkeit der Rotorblätter kleiner sein als die maximale Belastbarkeit, der verschiedene andere Komponenten der Windkraftanlage standhalten können. Gründe dafür können die Verwendung von Konstruktionsparametern für bestimmte Komponenten, die in Bezug auf andere Komponenten veraltet sind, der Betrieb der Windkraftanlagen in Umgebungen, in denen sie niedrigeren Belastungen ausgesetzt ist als denen, für die die Windkraftanlage ursprünglich konzipiert wurde, oder andere Design- oder betriebstechnische Faktoren sein.
In jüngerer Zeit werden Versuche unternommen, die Belastbarkeit von Rotorblättern zu erhöhen. Beispielsweise werden Spoiler an die Druckseite und/oder die Saugseite eines Rotorblatts montiert. Die Spoiler vergrößern effektiv die Oberfläche auf der Druckseite und/oder der Saugseite und verstärken somit den Auftrieb der Rotorblätter. Diese Versuche zur Erhöhung der Belastbarkeit berücksichtigen jedoch nicht die übermäßigen Konstruktionsreserven und die Belastungsobergrenzen von Windkraftanlagen und machen sich diese daher auch nicht zunutze. In Umgebungen oder in anderen Situationen, wo die Belastungen nicht so hoch sind, wird daher nicht die volle Belastbarkeit der Windkraftanlage genutzt.
Somit besteht ein Bedarf an einer verbesserten Vorrichtung zur Erhöhung der Belastbarkeit von Windkraftanlagen-Rotorblättern. Beispielsweise besteht ein Bedarf an einer Vorrichtung, die eine Belastung von Windkraftanlagen-Rotorblättern innerhalb einer und bis zu einer Belastungsobergrenze für die Windkraftanlage ermöglicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden teils in der folgenden Beschreibung dargestellt oder können aus der Beschreibung gefolgert werden oder ergeben sich durch eine praktische Umsetzung der Erfindung.
In einer Ausführungsform ist eine Rotorblattanordnung für eine Windkraftanlage offenbart. Die Rotorblattanordnung weist ein Rotorblatt mit Oberflächen, die eine Druckseite, eine Saugseite, eine Anströmkante und eine Abströmkante beinhalten, die sich zwischen einer Spitze und einer Wurzel erstrecken. Die Rotorblattanordnung weist ferner ein Vergrößerungselement auf, das mit einer Oberfläche des Rotorblatts verbunden ist, wobei das Vergrößerungselement mindestens ein Konstruktionsmerkmal aufweist, das dafür ausgelegt ist, eine Belastbarkeit des Rotorblatts innerhalb einer Belastungsobergrenze für die Windkraftanlage zu erhöhen. Das Konstruktionsmerkmal ist entweder eine Verlängerung, eine Verbreiterung, eine vergrößernde Krümmung, eine Stelle, an der eine Spannbreite vergrößert ist, eine Stelle, an der ein Profil vergrößert ist, oder ein vergrößernder Winkel in Bezug auf eine Profiltangente des Rotorblatts.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zur Erhöhung der Belastbarkeit eines Rotorblatts innerhalb einer Belastungsobergrenze für eine Windkraftanlage offenbart. Das Verfahren beinhaltet die Verbindung eines Vergrößerungselements mit einer Oberfläche eines Rotorblatts. Das Vergrößerungselement weist mindestens ein Konstruktionsmerkmal auf, das dafür ausgelegt ist, die Belastbarkeit des Rotorblatts innerhalb der Belastungsobergrenze für die Windkraftanlage zu erhöhen. Die Windkraftanlage befindet sich in einer Umgebung, in der sie in Bezug auf die Belastungsobergrenze für die Windkraftanlage wenig belastet wird. Das Verfahren beinhaltet ferner das Drehen des Rotorblatts an der Windkraftanlage. Das Konstruktionsmerkmal ist entweder eine Verlängerung, eine Verbreiterung, eine vergrößernde Krümmung, eine Stelle, an der eine Spannbreite vergrößer ist, eine Stelle, an der ein Profil vergrößert ist, oder ein vergrößernder Winkel in Bezug auf die Profilsehne des Rotorblatts.
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen besser verständlich. Die beigefügten Ansprüche, die in die Patentschrift aufgenommen sind und einen Teil davon bilden, zeigen Ausführungsformen der Erfindung auf und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundlagen der Erfindung zu erläutern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Patentschrift liefert einem Durchschnittsfachmann eine vollständige und erklärende Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Ausführungsform, wobei auf die begleitende Zeichnung Bezug genommen wird, in der:
1 eine perspektivische Darstellung einer Windkraftanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
2 eine Draufsicht auf eine Rotorblattanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
3 eine perspektivische Darstellung einer Rotorblattanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
4 eine perspektivische Darstellung einer Rotorblattanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
5 eine perspektivische Darstellung einer Rotorblattanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist; und
6 eine Querschnittsansicht einer Rotorblattanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nun wird ausführlich auf Ausführungsformen der Erfindung eingegangen, für die ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen dargestellt sind. Die Beispiele sind jeweils angegeben, um die Erfindung zu erläutern, nicht um die Erfindung zu beschränken. Ein Fachmann wird denn auch erkennen, dass verschiedene Modifizierungen und Variationen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Bereich oder vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt oder beschrieben sind, mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit soll die vorliegende Erfindung solche Modifikationen und Variationen einschließen, die innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalenten liegen.
1 zeigt eine Windkraftanlage 10 mit einem herkömmlichen Aufbau. Die Windkraftanlage 10 weist einen Turm 12 mit einer daran montierten Gondel 14 auf. Eine Mehrzahl von Rotorblättern 16 ist an einer Rotornabe 18 montiert, die ihrerseits mit einem Hauptflansch verbunden ist, der eine Hauptrotorwelle dreht. Die Leistungserzeugungs- und Steuerkomponenten der Windkraftanlage sind in der Gondel 14 untergebracht. Die Ansicht von 1 soll nur der Erläuterung dienen, um ein Anwendungsbeispiel für die vorliegende Erfindung zu zeigen. Es sei klargestellt, dass die Erfindung nicht auf eine bestimmte Art von Windkraftanlagenaufbau beschränkt ist.
Wie in 2 dargestellt ist, kann ein Rotorblatt 16 gemäß der vorliegenden Offenbarung Außenflächen aufweisen, die eine Druckseite 22 und eine Saugseite 24 definieren (siehe 3 bis 5), die sich zwischen einer Anströmkante 26 und einer Abströmkante 28 erstrecken, und kann sich von einer Blattspitze 32 zu einer Blattwurzel 34 erstrecken. Die Außenflächen können allgemein aerodynamische Oberflächen mit allgemein aerodynamischen Konturen sein, wie sie in der Technik allgemein bekannt sind.
In einigen Ausführungsformen kann das Rotorblatt 16 eine Mehrzahl von einzelnen Blattsegmenten aufweisen, die von der Blattspitze 32 zur Blattwurzel 34 von einem Ende zum anderen hintereinander ausgerichtet sind. Jedes der einzelnen Blattsegmente kann auf einzigartige Wiese so gestaltet sein, dass die Mehrzahl von Blattsegmenten ein vollständiges Rotorblatt 16 mit einem gewünschten aerodynamischen Profil, einer gewünschten Länge und anderen gewünschten Eigenschaften definiert. Beispielsweise kann jedes der Blattsegmente ein aerodynamisches Profil aufweisen, das dem aerodynamischen Profil angrenzender Rotorblattsegmente entspricht. Somit kann das aerodynamische Profil der Rotorblattsegmente ein kontinuierliches aerodynamisches Profil des Rotorblatts 16 bilden. Alternativ dazu kann das Rotorblatt 16 als einzelnes, einheitliches Blatt mit dem gewünschten aerodynamischen Profil, der gewünschten Länge und anderen gewünschten Eigenschaften ausgebildet sein.
Das Rotorblatt 16 kann in manchen Ausführungsbeispielen gekrümmt sein. Eine Krümmung des Rotorblatts 16 kann eine Biegung des Rotorblatts 16 in einer allgemeinen Auftriebsrichtung und/oder in einer allgemeinen Kantenrichtung beinhalten. Die Auftriebsrichtung kann allgemein als Richtung betrachtet werden, in der der aerodynamische Auftrieb auf das Rotorblatt 16 wirkt (oder als dazu entgegengesetzte Richtung). Die Kantenrichtung ist allgemein senkrecht zur Auftriebsrichtung. Die auftriebsbezogene Krümmung des Rotorblatts wird auch als Vorbiegung bezeichnet, während die kantenbezogene Krümmung als Pfeilung bezeichnet wird. Somit kann ein gekrümmtes Rotorblatt 16 vorgebogen und/oder gepfeilt sein. Die Krümmung kann das Rotorblatt 16 in die Lage versetzen, in Auftriebsrichtung und in Kantenrichtung wirkenden Belastungen während des Betriebs der Windkraftanlage besser standhalten zu können, und kann ferner für einen Abstand des Rotorblatts 16 vom Turm während des Betriebs der Windkraftanlage sorgen.
Das Rotorblatt kann ferner ein Profil 42 und eine Spannbreite 44 definieren. Wie in 2 dargestellt ist, kann das Profil 42 über der Spannbreite 44 des Rotorblatts 16 variieren. Somit kann ein lokales Profil des Rotorblatts 16 an jedem Punkt des Rotorblatts 16 entlang der Spannbreite 44 definiert werden.
Außerdem kann das Rotorblatt 16 eine innere Tafelfläche 52 und eine äußere Tafelfläche 54 definieren. Die innere Tafelfläche 52 kann ein Spannbreitenabschnitt des Rotorblatts 16 sein, der von der Wurzel 34 ausgeht. Beispielsweise kann die innere Tafelfläche 52 in manchen Ausführungsformen ungefähr 33%, 40%, 50%, 60%, 67% oder irgendeinen Prozentanteil oder Prozentbereich dazwischen oder irgendeinen anderen Prozentanteil oder Prozentbereich der Spannbreite 44 ab der Wurzel 34 beinhalten. Die äußere Tafelfläche 54 kann ein Spannbreitenabschnitt des Rotorblatts sein, der von der Spitze 32 ausgeht, und kann in einigen Ausführungsformen den übrigen Teil des Rotorblatts 16 zwischen dem inneren Tafelfläche 52 und der Spitze 32 beinhalten. Außerdem oder alternativ dazu kann der äußere Tafelbereich 54 in manchen Ausführungsformen ungefähr 33%, 40%, 50%, 60%, 67% oder irgendeinen Prozentanteil oder Prozentbereich dazwischen oder irgendeinen anderen Prozentanteil oder Prozentbereich der Spannbreite 44 ab der Spitze 32 beinhalten.
Wie in 2 bis 6 dargestellt ist, kann die vorliegende Offenbarung ferner auf eine Rotorblattanordnung 100 gerichtet sein. Die Rotorblattanordnung 100 kann eines oder mehrere Vergrößerungselemente 102 und das Rotorblatt 16 beinhalten. Die Vergrößerungselemente 102 können allgemein mit einer Oberfläche des Rotorblatts 16 verbunden sein und können die Belastbarkeit und somit die Auftriebsleistung des Rotorblatts 16 während des Betriebs der Windkraftanlage 10 vergrößern. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann ein Vergrößerungselement 102 angrenzend an die Abströmkante 28 des Rotorblatts 16 mit einer Oberfläche des Rotorblatts 16 verbunden sein. Alternativ dazu kann ein Vergrößerungselement 102 angrenzend an die Anströmkante 26 des Rotorblatts 16 oder angrenzend an die Spitze oder die Wurzel des Rotorblatts 16 oder an irgendeiner geeigneten Stelle am Rotorblatt 16 mit einer Oberfläche des Rotorblatts 16 verbunden sein.
In Ausführungsbeispielen kann ein Vergrößerungselement 102, wie in 2 dargestellt, mit der Druckseite 22 des Rotorblatts 16 verbunden sein. In alternativen Ausführungsformen kann ein Vergrößerungselement 102 mit der Saugseite 24 verbunden sein.
In manchen Ausführungsformen kann eine Rotorblattanordnung 100 nur ein Vergrößerungselement 102 aufweisen, das mit einem Rotorblatt 16 verbunden ist. In anderen Ausführungsformen kann eine Rotorblattanordnung 100 eine Mehrzahl von Vergrößerungselementen 102 aufweisen, die mit einem Rotorblatt 16 verbunden sind, wie in 2 dargestellt. In einigen Beispielen kann beispielsweise eine in der allgemeinen Spannbreitenrichtung angeordnete Mehrzahl von Vergrößerungselementen 102 entlang zumindest eines Teils der Spannbreite 44 des Rotorblatts 16 montiert sein. Diese Vergrößerungselemente 102 können in der allgemeinen Spannbreitenrichtung aneinander anliegen oder voneinander beabstandet sein.
Ein Vergrößerungselement gemäß der vorliegenden Offenbarung kann in einigen Ausführungsformen, wie in 2 bis 4 dargestellt, eine Vergrößerungsplatte 104 sein. Die Vergrößerungsplatte 104 kann in der allgemeinen Profilrichtung teilweise oder vollständig krummlinig sein, wie in 3 dargestellt, oder sie kann in der allgemeinen Profilrichtung flach bzw. plan sein, wie in 4 dargestellt. Alternativ dazu kann es sich bei dem Vergrößerungselement 102 gemäß der vorliegenden Offenbarung in manchen Ausführungsformen, wie in 5 dargestellt, um einen oder mehrere Hilfs-Leitblechabschnitte 106 handeln. Der Hilfs-Leitblechabschnitt 106 kann eine Druckseite, eine Saugseite, eine Anströmseite und eine Abströmseite aufweisen und kann daher eine allgemein aerodynamische Kontur aufweisen, wie dargestellt.
Vergrößerungselemente 102 gemäß der vorliegenden Ausführungsform können mittels geeigneter Vorrichtungen oder Verfahren mit dem Rotorblatt 16 verbunden sein bzw. werden. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen, wie in 5 dargestellt, ein Vergrößerungselement 102 unter Verwendung einer geeigneten Verbindungsvorrichtung mit Abstand zum Rotorblatt 16 mit dem Rotorblatt 16 verbunden werden. Bei dieser Verbindungsvorrichtung kann es sich um Stangen 110, Rahmen oder andere geeignete Vorrichtungen handeln, die sich zum Verbinden eines Vergrößerungselements 102 mit dem Rotorblatt 16 unter Beibehaltung eines gewünschten Abstands eignen.
Alternativ dazu kann ein Vergrößerungselement 102 am Rotorblatt 16 montiert sein. In manchen Ausführungsformen können mechanische Befestigungsmittel wie Mutter-Bolzen-Kombinationen, Nägel, Schrauben, Nieten oder andere geeignete mechanische Befestigungsmittel verwendet werden, um ein Vergrößerungselement am Rotorblatt 16 zu montieren. In anderen Ausführungsformen können Vorrichtungen wie Scharniere, insbesondere Stangenscharniere, verwendet werden, um das Vergrößerungselement am Rotorblatt 16 zu montieren. In weiteren Ausführungsformen können Haken-Ösen-Befestigungsmittel oder andere geeignete Befestigungsmittel verwendet werden. In nach anderen Ausführungsformen kann, wie in 3, 4 und 6 dargestellt ist, eine Haftschicht 112 zwischen dem Vergrößerungselement 102 und dem Rotorblatt 16 angeordnet werden. Die Haftschicht 112 bindet das Vergrößerungselement an das Rotorblatt 16 und montiert dadurch das Vergrößerungselement am Rotorblatt 16.
Die Haftschicht 112 kann allgemein jeder geeignete Klebstoff oder jedes geeignete Haftmittel sein. In manchen Ausführungsformen kann die Haftschicht 112 verschiedene Eigenschaften aufweisen, um die Spannung zu verringern, die mit dem Montieren des Vergrößerungselements 102 am Rotorblatt 16 verbunden ist. So kann die Haftschicht 112 zumindest teilweise eine Spannung des Rotorblatts 16 absorbieren und verhindern, dass diese Spannung auf das Vergrößerungselement 102 übertragen wird, und kann aus Materialien gebildet sein, die relativ flexibel und relativ zäh sind. In Ausführungsbeispielen kann die Haftschicht 112 die Spannung, die mit dem Rotorblatt 16 assoziiert ist, allgemein isolieren. Dadurch, dass sie die Spannung allgemein isoliert, kann die Haftschicht 112 allgemein verhindern, dass ein relativ großer Anteil der Spannung des Rotorblatts 16 über die Haftschicht 112 auf das Vergrößerungselement 102 übertragen wird.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Haftschicht 112 beispielsweise relativ elastisch sein und kann somit einen relativ niedrigen Schermodul aufweisen. Der Schermodul kann über geeignete Umweltbedingungen oder Umweltbedingungsbereiche, die allgemein für eine Windkraftanlage 10 erwartet werden, bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen kann der Schermodul der Haftschicht 112 beispielsweise 5 Gigapascal oder weniger sein. In anderen Ausführungsformen kann die Haftschicht 112 einen Schermodul von höchstens ungefähr 3 Gigapascal, 1 Gigapascal, 500 Megapascal, 300 Megapascal, 100 Megapascal, 20 Megapascal oder 10 Megapascal aufweisen. Der relativ niedrige Schermodul der Haftschicht 112 kann vorteilhafterweise eine Absorption von Spannungen des Rotorblatts 16 ermöglichen und die Übertragung der Spannung über die Haftschicht 112 auf das Vergrößerungselement 102 verringern oder verhindern.
In manchen Ausführungsformen kann die Haftschicht 112 ferner einen relativ niedrigen Durometer aufweisen Beispielsweise kann der Durometer der Haftschicht 112 höchstens ungefähr 100, 90, 80, 70 oder 60 sein. Der relativ niedrige Durometer der Haftschicht 112 kann vorteilhafterweise eine Absorption der Spannung vom Rotorblatt 16 durch die Haftschicht 112 ermöglichen und eine Übertragung der Spannung über die Haftschicht 112 auf das Vergrößerungselement 102 verringern oder verhindern.
In manchen Ausführungsformen kann die Haftschicht 112 ein Epoxy, Polyurethan, Methacrylat wie beispielsweise Methylmethacrylat oder ein anderes geeignete Methacrylat, oder ein Acryl umfassen. In Ausführungsformen, wo die Haftschicht 112 ein Acryl ist, kann das Acryl ein Acrylschaum, wie ein geschlossenzelliger Acrylschaum oder irgendein massives oder nicht geschäumtes Acryl sein.
In manchen Ausführungsformen kann die Haftschicht 112, wie in 6 dargestellt, eine Innenschicht 114 und eine Mehrzahl von Außenschichten 116 aufweisen. Die Innenschicht 114 kann zwischen den einander gegenüber liegenden Außenschichten 116 angeordnet sein. Die Innenschicht 114 kann beispielsweise ein Epoxy, ein Polyurethan, ein Methacrylat oder ein Acryl umfassen. In manchen Ausführungsbeispielen ist die Innenschicht 114 ein Acrylschaum.
Die Innenschicht 114 kann eine Dicke 118 definieren. In manchen Ausführungsformen, beispielsweise wenn die Innenschicht 114 eine Innenschicht aus Acrylschaum ist, kann die Dicke 118 im Bereich zwischen ungefähr 0,1 Millimeter und ungefähr 10 Millimeter liegen. Alternativ dazu kann die Dicke 118 im Bereich zwischen ungefähr 0,3 Millimeter und ungefähr 10 Millimeter oder im Bereich zwischen ungefähr 0,3 Millimeter bis ungefähr 3 Millimeter oder im Bereich zwischen ungefähr 0,5 Millimeter und ungefähr 10 Millimeter oder im Bereich zwischen ungefähr 0,5 Millimeter und ungefähr 3 Millimeter liegen oder im Bereich zwischen ungefähr 0,6 Millimeter und ungefähr 3 Millimeter oder im Bereich zwischen ungefähr 0,6 Millimeter und ungefähr 1 Millimeter liegen.
Die Außenschichten 116 können allgemein so gestaltet sein, dass sie das Vergrößerungselement 102 am Rotorblatt 16 montieren. In Ausführungsbeispielen umfassen die Außenschichten 116 Haftmittel und sind äußere Haftschichten. In manchen Ausführungsbeispielen können die Außenschichten 116 beispielsweise Acryl-Haftmittel umfassen. Die Haftmittel sind allgemein so auf den Außenflächen der Außenschichten 116 angeordnet, dass sie beispielsweise am Vergrößerungselement 102 und/oder am Rotorblatt 16 haften. Die Innenschicht kann allgemein als Beschichtung auf die Innenflächen der Außenschichten aufgebracht sein, um die Haftschicht 112 zu bilden.
Die Vergrößerungselemente 102 gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen eines oder mehrere Konstruktionsmerkmale auf, die dafür gedacht sind, die Belastbarkeit des Rotorblatts 16 zu erhöhen. Anders ausgedrückt erhöhen diese Konstruktionsmerkmale die Auftriebsleistung und somit die Belastbarkeit des Rotorblatts 16, mit dem das Vergrößerungselement 102 verbunden ist. Ferner sind die Konstruktionsmerkmale dafür gedacht, die Belastbarkeit innerhalb einer festgelegten Belastungsobergrenze für die Windkraftanlage 10 zu erhöhen. Die Belastungsobergrenze kann während der Konstruktion, der Herstellung und/oder des Betriebs des Rotorblatts 16 und der Windkraftanlage 10 festgelegt werden und legt die Gesamtbelastungsobergrenze, für die Windkraftanlage, in der Regel mit einem eingerechneten Sicherheitsfaktor, fest.
Beispielsweise kann die Belastungsobergrenze festgelegt sein, und die Gesamtbelastbarkeit der Rotorblätter 16 ohne Vergrößerungselemente 102 kann unter dieser Belastungsobergrenze liegen. Dadurch wird eine Beschädigung der Windkraftanlage 10 während ihres Betriebs verhindert. Aufgrund der Verwendung von veralteten Konstruktionsparametern oder eines Betriebs der Windkraftanlagen in Umgebungen, die weniger belastend sind als diejenigen, für die die Windkraftanlage ursprünglich konstruiert wurde, können jedoch erhebliche konstruktionsbedingte Belastungsreserven zwischen der Belastungsobergrenze und der Gesamtbelastbarkeit liegen. Die Konstruktionsmerkmale der Vergrößerungselemente 102 ermöglichen daher eine Erhöhung der Belastbarkeit der Rotorblätter 16 innerhalb der Belastungsobergrenze, so dass sich die Belastbarkeit der Rotorblätter 16 insgesamt der Belastungsobergrenze nähert oder diese erreicht. Dadurch können Windkraftanlagen, die beispielsweise unter Verwendung von veralteten Konstruktionsparametern konstruiert wurden oder die in weniger belastenden Umgebungen betrieben werden, eine höhere Leistung ausgeben.
Ein Konstruktionsmerkmal kann beispielsweise eine Verlängerung 120 oder eine Verbreiterung 122 sein. Die Länge 120 kann beispielsweise im Bereich zwischen 0% und 30%, 0% und 25%, 0% und 20% oder 0% und 15% der Spannbreite 44 liegen. Die Breite 122 kann beispielsweise im Bereich zwischen 0% und 30%, 0% und 25%, 0% und 20% oder 0% und 15% des lokalen Profils liegen. Ein weiteres Konstruktionsmerkmal kann eine vergrößernde Krümmung sein. Die vergrößernde Krümmung ist die Krümmung von krummlinigen Abschnitten des Vergrößerungselements 102, beispielsweise in der allgemeinen Profilrichtung. Ein weiteres Konstruktionsmerkmal kann die Stelle sein, an der das Profil vergrößert ist. Die Stelle, an der das Profil vergrößert ist, kann in machen Ausführungsformen den Anteil oder das Verhältnis der Profilvergrößerung, die innerhalb der Konturen oder an den Konturen der Rotorblätter 16 liegt, gegenüber derjenigen, die außerhalb der Konturen des Rotorblatts 16 liegt, definieren. Ein anderes Konstruktionsmerkmal kann die Stelle sein, an der die Spannbreite vergrößert ist. Beispielsweise kann sich eine Vergrößerung in der inneren Tafelfläche 52 oder in der äußeren Tafelfläche 54 des Rotorblatts 16 befinden. Ein weiteres Konstruktionsmerkmal kann ein vergrößernder Winkel 124 in Bezug auf eine Profiltangente 126 des Rotorblatts 16 sein. Die Profiltangente des Rotorblatts 16 kann anhand von bekannten Verfahren festgestellt werden und kann ferner für jedes Rotorblatt 16 an jeder geeigneten Profilstelle bestimmt werden. Der vergrößernde Winkel 124 ist der Winkel zwischen der Profiltangente 126 und einer Tangente durch einen Berührungspunkt 128 zwischen dem Vergrößerungselement 102 und dem Rotorblatt 16. Der vergrößernde Winkel 124 kann beispielsweise im Bereich von 4 Grad und –40 Grad, 30 Grad und –30 Grad, 20 Grad und –20 Grad oder 10 Grad und –10 Grad liegen.
In manchen Ausführungsformen weist die Rotorblattanordnung 100, wie in 2 und 3 dargestellt, außerdem eine als Gurney-Flap bezeichnete Auftriebshilfe 130 auf. Das Gurney-Flap 130 kann sich an das Vergrößerungselement 102 anschließen. In manchen Ausführungsformen kann das Gurney-Flap unter Verwendung eines geeigneten mechanischen Befestigungselements, einer Haftschicht oder einer anderen geeigneten Verbindungsvorrichtung mit dem Vergrößerungselement 102 verbunden sein. In anderen Ausführungsformen kann das Gurney-Flap 130 eine Einheit mit dem Vergrößerungselement 102 bilden, wie dargestellt.
Gurney-Flaps 130 gemäß der vorliegenden Offenbarung können eines oder mehrere Konstruktionsmerkmale aufweisen, die dazu gedacht sind, die Belastbarkeit des Rotorblatts 16 zu erhöhen. Anders ausgedrückt erhöhen diese Konstruktionsmerkmale die Belastbarkeit und somit die Auftriebsleistung des Rotorblatts 16, mit dem das Gurney-Flap verbunden ist. Ferner sind die Konstruktionsmerkmale dazu gedacht, die Belastbarkeit innerhalb einer festgelegten Belastungsobergrenze für die Windkraftanlage 10 zu erhöhen. Die Belastungsobergrenze kann während der Konstruktion, der Herstellung und/oder des Betriebs des Rotorblatts 16 und der Windkraftanlage 10 festgelegt werden und legt die höchste Gesamtbelastbarkeit der Windkraftanlage fest, in der Regel mit einem eingerechneten Sicherheitsfaktor.
Ein Konstruktionsmerkmal kann beispielsweise eine Länge 132 oder eine Höhe 134 der Auftriebshilfe sein. Die Länge 132 kann beispielsweise im Bereich zwischen 0% und 30%, 0% und 25%, 0% und 20% oder 0% und 15% der Spannbreite 44 liegen. Die Höhe 134 kann beispielsweise im Bereich zwischen 0% und 15%, 0% und 12%, 0% und 10% oder 0% und 5% des lokalen Profils liegen. Ein anderes Konstruktionsmerkmal kann die Stelle sein, wo sich die Auftriebshilfe am Profil befindet. Die Stelle, wo sich die Auftriebshilfe am Profil befindet, kann in manchen Ausführungsformen den Abstand zwischen dem Gurney-Flap 130 und dem Vergrößerungselement 102 definieren. Ein anderes Konstruktionsmerkmal kann die Stelle sein, wo sich ein Vergrößerungselement in Bezug auf die Spannbreite befindet. Beispielsweise kann ein Gurney-Flap 130 in der inneren Tafelfläche 52 oder der äußeren Tafelfläche 54 des Rotorblatts 130 angeordnet sein. Ein weitertes Konstruktionsmerkmal kann ein Auftriebshilfenwinkel 136 in Bezug auf die Profilsehne 126 des Rotorblatts 16 sein. Die Profilsehne für das Rotorblatt 16 kann unter Verwendung bekannter geeigneter Verfahren festgestellt werden, und kann ferner an jedem geeigneten lokalen Profil für das Rotorblatt 16 bestimmt werden. Der Flap-Winkel 136 ist allgemein der Winkel zwischen der Profiltangente 126 und der Auftriebshilfe 130. In manchen Ausführungsformen kann das Gurney-Flap 130 allgemein senkrecht zur Profiltangente 126 des Rotorblatts 16 verlaufen. In anderen Ausführungsformen kann das Gurney-Flap 130 in jedem geeigneten Winkel 136 zur Profiltangente 126 verlaufen.
In manchen Ausführungsformen kann das Gurney-Flap 130 ferner eine Flap-Justierungsplatte 140 aufweisen. Die Flap-Justierungsplatte 140 kann am Gurney-Flap 130 montiert sein und kann die Höhe 134 des Gurney-Flaps 130 vergrößern. Die Flap-Justierungsplatte 140 kann dauerhaft am Gurney-Flap 130 montiert sein oder kann lösbar am Gurney-Flap 130 montiert sein. Beispielsweise kann die Flap-Justierungsplatte 140 während bestimmter Zeiten, beispielsweise in Zeiten relativ schwacher Belastung oder zu erwartender schwacher Belastung des Rotorblatts 16 am Gurney-Flap montiert werden. Diese Zeiten können auf Zeit, Monat, Jahreszeit oder anderem beruhen.
Man beachte, dass das Vergrößerungselement 102 gemäß der vorliegenden Ausführungsform während der Herstellung des Rotorblatts 16 mit den Rotorblättern 16 verbunden werden kann oder nachträglich an vorhandene Rotorblätter 16 angepasst werden kann, um Rotorblattanordnungen 100 zu bilden.
Die vorliegende Offenbarung ist ferner auf ein Verfahren zur Erhöhung der Belastbarkeit eines Rotorblatts 16 innerhalb einer Belastungsobergrenze für eine Windkraftanlage 10 gerichtet. Das Verfahren kann das Verbinden eines Vergrößerungselements 102 am Rotorblatt 16 beinhalten, wie oben erörtert. Das Rotorblatt 16 kann mit einer Windkraftanlage 10 verbunden werden, und die Windkraftanlage 10 kann in einer Umgebung aufgestellt werden, die weniger belastend ist als die Belastungsobergrenze für die Windkraftanlage. Das Verfahren kann ferner das Drehen des Rotorblatts 16 an der Windkraftanlage 10 beinhalten wie oben beschrieben.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Weise zu ihrer Ausführung, zu offenbaren, und auch, um einen Durchschnittsfachmann zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und die Durchführung von zugehörigen Verfahren gehört. Der zu schützende Bereich der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die einem Fachmann einfallen mögen. Diese anderen Beispiele sollen im Bereich der Erfindung liegen, wenn sie Strukturelemente enthalten, die sich vom Wortlaut der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Strukturelemente enthalten, die sich vom Wortlaut der Ansprüche nur unwesentlich unterscheiden.
Es werden eine Rotoranordnung 100 für eine Windkraftanlage 10 und ein Verfahren zur Erhöhung der Belastbarkeit eines Rotorblatts 16 innerhalb einer Belastungsobergrenze für eine Windkraftanlage 10 offenbart. Die Rotorblattanordnung 100 weist ein Rotorblatt 16 mit Oberflächen auf, die eine Druckseite 22, eine Saugseite 24, eine Anströmkante 26 und eine Abströmkante 28 definieren und die sich zwischen einer Spitze 32 und einer Wurzel 34 erstrecken. Die Rotorblattanordnung 100 weist ferner ein Vergrößerungselement 102 auf, das mit einer Oberfläche des Rotorblatts 16 verbunden ist, wobei das Vergrößerungselement 102 mindestens ein Konstruktionsmerkmal aufweist, das dazu gedacht ist, eine Belastbarkeit des Rotorblatts 16 innerhalb einer Belastungsobergrenze für die Windkraftanlage 10 zu erhöhen. Das Konstruktionsmerkmal ist eine Verlängerung 120, eine Verbreiterung 122, eine vergrößernde Krümmung, eine Stelle, an der die Spannbreite vergrößert ist, eine Stelle, an der das Profil vergrößert ist, oder ein vergrößernder Winkel 124 in Bezug auf eine Profiltangente 126 des Rotorblatts 16.
Bezugszeichenliste

10: Windkraftanlage
12: Turm
14: Gondel
16: Rotorblatt
18: Rotornabe
22: Druckseite
24: Saugseite
26: Anströmkante
28: Abströmkante
32: Blattspitze
34: Blattwurzel
42: Profil
44: Spannbreite
52: Innere Tafelfläche
54: Äußere Tafelfläche
100: Rotorblattanordnung
102: Vergrößerungselement
104: Vergrößerungsplatte
106: Hilfs-Tragflächenabschnitt
110: Stangen
112: Haftschicht
114: Innenschicht
116: Außenschicht
118: Dicke
120: Verlängerung
122: Verbreiterung
124: Vergrößernder Winkel
126: Profiltangente
128: Berührungspunkt
130: Gurney-Flap
132: Länge der Auftriebshilfe
134: Höhe der Auftriebshilfe
136: Auftriebshilfenwinkel
140: Auftriebshilfen-Justierplatte

Claims

Rotorblattanordnung (100) für eine Windkraftanlage (10), umfassend: ein Rotorblatt (16) mit Oberflächen, die eine Druckseite (22), eine Saugseite (24), eine Anströmkante (26) und eine Abströmkante (28) definieren, die zwischen einer Spitze (32) und einer Wurzel (34) verlaufen; und ein Vergrößerungselement (102), das mit einer Oberfläche des Rotorblatts (16) verbunden ist, wobei das Vergrößerungselement (102) mindestens ein Konstruktionsmerkmal aufweist, das dazu gedacht ist, eine Belastbarkeit des Rotorblatts (16) innerhalb einer Belastungsobergrenze der Windkraftanlage (10) zu erhöhen, wobei das Konstruktionsmerkmal eine Verlängerung (120), eine Verbreiterung (122), eine vergrößernde Krümmung, eine Stelle, wo eine Spannbreite vergrößert ist, eine Stelle, wo ein Profil vergrößert ist, oder ein vergrößernder Winkel (124) in Bezug auf eine Profiltangente (126) des Rotorblatts (16) ist.
Rotorblattanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei das Vergrößerungselement (102) eine Vergrößerungsplatte (104) ist.
Rotorblattanordnung (100) nach Anspruch 2, wobei mindestens ein Teil der Vergrößerungsplatte (104) in der allgemeinen Profilrichtung flach ist.
Rotorblattanordnung (100) nach Anspruch 2, wobei mindestens ein Teil der Vergrößerungsplatte (104) in der allgemeinen Profilrichtung krummlinig ist.
Rotorblattanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das Vergrößerungselement (102) an einer Oberfläche des Rotorblatts (16) montiert ist.
Rotorblattanordnung (100) nach Anspruch 5, ferner eine Haftschicht (112), die zwischen dem Vergrößerungselement (102) und dem Rotorblatt (16) angeordnet ist, umfassend, wobei die Haftschicht (112) das Vergrößerungselement (102) an das Rotorblatt (16) bindet.
Rotorblattanordnung (100) nach Anspruch 6, wobei die Haftschicht (112) einen Schermodul aufweist, der ungefähr 5 Gigapascal oder weniger beträgt.
Rotorblattanordnung (100) nach einem der Ansprüche 6–7, wobei die Haftschicht (112) Epoxy, Polyurethan, Methacrylat und/oder Acryl aufweist.
Rotorblattanordnung (100) nach einem der Ansprüche 6–7, wobei die Haftschicht (112) eine Acrylschaum-Innenschicht (114) aufweist, die zwischen einander gegenüber liegenden Haftmittel-Außenschichten (116) angeordnet ist.
Rotorblattanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1–9, ferner ein Gurney-Flap (130) umfassend, das sich an das Vergrößerungselement (102) anschließt.
Rotorblattanordnung (100) nach Anspruch 10, wobei das Gurney-Flap (130) sich im Wesentlichen senkrecht zur Profiltangente (126) des Rotorblatts (16) erstreckt.
Rotorblattanordnung (100) nach einem der Ansprüche 10–11, wobei das Gurney-Flap (130) mindestens ein Konstruktionsmerkmal aufweist, das dazu gedacht ist, die Belastbarkeit des Rotorblatts (16) innerhalb der Belastungsobergrenze der Windkraftanlage (10) zu erhöhen, und wobei das Konstruktionsmerkmal die Länge (132) der Auftriebshilfe, die Höhe (134) der Auftriebshilfe, die Stelle, wo sich die Auftriebshilfe bezogen auf die Spannbreite befindet, die Stelle, wo sich die Auftriebshilfe bezogen auf das Profil befindet, oder den Auftriebshilfenwinkel (136) in Bezug auf die Profiltangente (126) ist.
Rotorblattanordnung (100) nach einem der Ansprüche 10–11, wobei das Gurney-Flap (130) ferner eine daran montierte Auftriebshilfen-Justierplatte (140) aufweist, wobei die Auftriebshilfen-Justierplatte (140) eine Höhe (134) des Gurney-Flaps (130) vergrößert.
Windkraftanlage (10), aufweisend: eine Mehrzahl von Rotorblättern (16), wobei jedes von der Mehrzahl der Rotorblätter (16) Oberflächen aufweist, die eine Druckseite (22), eine Saugseite (24), eine Anströmkante (26) und eine Abströmkante (28) aufweist, die zwischen einer Spitze und einer Wurzel (34) verlaufen; und ein Vergrößerungselement (102), das mit einer Oberfläche von einer von der Mehrzahl von Rotorblättern (16) verbunden ist, wobei das Vergrößerungselement (102) mindestens ein Konstruktionsmerkmal aufweist, das dazu gedacht ist, eine Belastbarkeit des Rotorblatts (16) innerhalb einer Belastungsobergrenze der Windkraftanlage (10) zu erhöhen, wobei das Konstruktionsmerkmal eine Verlängerung (120), eine Verbreiterung (122), eine vergrößernde Krümmung, die Stelle, wo die Spannbreite vergrößert ist, die Stelle, wo das Profil vergrößert ist, oder ein vergrößernder Winkel (124) in Bezug auf eine Profiltangente (126) des Rotorblatts (16) ist.
Verfahren zur Erhöhung einer Belastbarkeit eines Rotorblatts (16) innerhalb einer Belastungsobergrenze für eine Windkraftanlage (10), wobei das Verfahren umfasst: Verbinden eines Vergrößerungselements (102) mit einer Oberfläche eines Rotorblatts (16), wobei das Vergrößerungselement (102) mindestens ein Konstruktionsmerkmal aufweist, das dazu gedacht ist, die Belastbarkeit des Rotorblatts (16) innerhalb der Belastungsobergrenze für die Windkraftanlage (10) zu erhöhen, wenn die Windkraftanlage (10) in einer Umgebung steht, die eine im Vergleich zu der Belastungsobergrenze der Windkraftanlage (10) niedrige Belastung ausübt, und Drehen des Rotorblatts (16) an der Windkraftanlage (10), wobei das Konstruktionsmerkmal eine Verlängerung (120), ein Verbreiterung (122), eine vergrößernde Krümmung, eine Stelle, wo die Spannbreite vergrößert ist, eine Stelle, wo das Profil vergrößert ist, oder ein vergrößernder Winkel (124) in Bezug auf eine Profiltangente (126) des Rotorblatts (16) ist.