DE19580147B3

DE19580147B3 - Windmühle

Info

Publication number: DE19580147B3
Application number: DE19580147T
Authority: DE
Inventors: Peter Grabau
Original assignee: LM Glasfiber AS
Current assignee: LM Wind Power AS
Priority date: 1994-01-12
Filing date: 1995-01-11
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2015-01-12
Also published as: DK172218B1; DE19580147T1; DK73796A; AU1413595A; WO1995019500A1

Abstract

Einrichtung Zur Reduzierung des aerodynamischen Geräusches von Windmühlenflügeln mit einer Vorderkante (3) und einer Rückkante (4) und einem dazwischen liegenden Flügelprofil und einer Flügelspitze, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkante (4) ein Material (5) trägt, das im Wesentlichen entlang der gesamten Rückkante (4) nachgiebig ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Reduzierung des Geräusches von Flügeln von Windmühlen, wobei die Flügel eine Vorderkante und eine Hinterkante mit einem dazwischen angeordneten Flügelprofil und eine Flügelspitze aufweisen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Einrichtung.
Windmühlen nehmen Energie aus strömender Luft auf und ändern die Richtung der Luft, die jeden Flügel verlässt. Während des Laufs von Windmühlen kann ein störendes Geräusch wahrgenommen werden, welches aus einem Geräusch aus dem Getriebe, das zwischen der Rotorwelle und dem Generator angeordnet ist, der von der Windmühle angetrieben wird, und einem aerodynamischen Geräusch, das zusätzlich manchmal die Form eines reinen Tones oder eines Pfeifens annimmt, welches in erster Linie vom Einfluss des Windes auf die Flügel herstammt, besteht. Das Geräusch von den Flügeln wird insbesondere durch Druckdifferenzen erzeugt, wenn zwei Luftströme aufeinandertreffen, d. h., wenn die Strömungen von den vorderen und hinteren Seiten des Flügels sich an den hinteren Kanten treffen sowie an der Flügelspitze. Die Druckdifferenzen erzeugen Querflüsse und Wirbel, und diese werden hörbar, wenn die Strömung über scharte Kanten verläuft, welches die traditionelle Form der Hinterkante der Flügel ist. Dieselbe Wirbelbildung, die das Geräusch erzeugt, beeinflusst auch die Stabilität des Flügels und der gesamten Windmühle und die Belastungscharakteristiken, und bewirkt einen Leistungsverlust, da ein Teil der Leistung als akustische Leistung abgestrahlt wird.
Es wurde bereits in Betracht gezogen, dass ein Teil des Geräusches, das durch die laminare/turbulente Strömung über das Flügelprofil verursacht ist, zur Wirbelbildung an der Hinterkante des Flügels führt. Dies kann auftreten, weil Nicht-Liniaritäten zur Energierückflüssen führen, die näher zur Vorderkante liegen, wodurch die laminare Störung über einen großen Bereich des Flügels gestört ist. Dadurch erhält der Flügel ein aerodynamisch schlechtes Profil, und es wird nicht nur der Wirkungsgrad reduziert, sondern der Flügel unterliegt auch Vibrationen. Ferner erhält das Geräusch ein akustisches Linienspektrum, das als lautes Heulgeräusch empfunden wird. Es wurde vorgeschlagen, den nicht-linearen Umkehrmechanismus zu beeinflussen, indem der Kante eine spezielle Ausbildung gegeben wird, jedoch wurden die besten Resultate durch den sogenannten „Eulenflügel” erreicht, bei dem die Vorderkante des Flügelprofils mit einer gezahnten Kante versehen ist. Anscheinend wird die laminare Strömung auf diese Weise so beeinflusst, dass die Wirkung nicht-linearer Umkehrmechanismen reduziert wird. Jedoch ist die Vorderkante Abnutzungen unterworfen, insbesondere aufgrund Niederschlag und Sanddrift, und es ist gewünscht, die Wirbelbildung direkt an der Rückkante zu beeinflussen.
Aus der DE 25 27 467 A1 ist ein Tragflügel bekannt, dessen Hinterkante zur Minderung der Schallabstrahlung in Abströmrichtung aufgelöst ist, insbesondere durch eine gezahnte, gewellte oder sonstwie in ihrem Verlauf unterbrochene Hinterkante.
Die US 3 779 338 A beschreibt ein Verfahren zur Reduzierung des Geräusches an Flügelstrukturen, indem Teile des Flügelblatts an der Vorder- und/oder Rückkante zur besseren Impedanzanpassung mit einer porösen Oberfläche versehen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Strömung an der rückwärtigen Kante eines Windmühlenflügels auf eine Weise zu beeinflussen, dass die schädliche Erzeugung von Wirbeln vermieden wird und die Stabilität des Flügels verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1, 9 und 10 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Die Druckdifferenzen können schneller ausgeglichen werden, wenn die hierdurch ausgelöste Strömung entweder dazu benutzt wird, an der Bewegungsarbeit des Flügels mitzuwirken, oder diffus abgebrochen wird. Es ist nicht ausreichend zu versuchen, die Richtung der Strömung zu ändern, da dies nur die Tendenz zur Winkelbildung erhöht und die Belastungseigenschaften und die Stabilität und den Wirkungsgrad beeinflusst.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, dass die Hinterkante ein Material trägt, das seine Form an die Druckdifferenz zwischen der oberen und unteren Seite des Flügels an der Hinterkante anpasst, möglicherweise dadurch, dass Teile der erzeugten Strömung durch dieses Material fließen. Aufgrund dieser Erkenntnis ist eine Einrichtung zur Beschränkung des Geräusches eines Windmühlenflügels insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkante mit einer Oberfläche versehen ist, die im Wesentlichen entlang der gesamten Rückkante nachgiebig ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch erreicht, dass diese Oberfläche aus einem elastomeren Material besteht, die sich selbst an lokale Druckbedingungen aufgrund Turbulenz anpasst.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform wird erreicht dadurch, dass die Oberfläche aus einem Streifen gewebten Stoffs in einem festen Material besteht, jedoch ist ein gestrickter Stoff nachgiebiger, wie bekannt ist, und dies bildet eine weitere Ausführungsform.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform mit noch größerer Nachgiebigkeit und einem gewissen Grad von Dämpfung der Strömung wird erreicht dadurch, dass die Oberfläche aus einer großen Zahl schmaler Streifen gebildet ist, die rechtwinklig zur Hinterkante angeordnet sind, so dass diese sich unabhängig bewegen und dadurch an lokale Druckbedingungen anpassbar sind.
Das Maximale an Mobilität in der Reaktion auf lokale Druckbedingungen wird in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch erreicht, dass individuelle Fasern die gewünschte Hinterkante bilden. Weitere Ausbildungen ergeben bevorzugte Ausführungen aufgrund der Struktur der Fasern. Glatte Fasern ergeben relativ gesehen eine größere Steifheit in Querrichtung zur Hinterkante für jede Faser, während gekräuselte Fasern eine erhöhte Möglichkeit der Strömungsdämpfung aufgrund lokaler Druckvariationen bieten.
Die Erfindung wird nachstehend im Detail im Hinblick auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen
1 den Querschnitt eines Flügelprofils mit einer elastischen Rückkante zeigt,
2 einen Querschnitt eines Flügelprofils mit einer lokalen Ablenkung der elastischen Kante zeigt,
3 eine vergrößerte Ansicht einer Verbindung zwischen dem Flügelprofil und der elastischen Rückkante zeigt,
4 ein Flügelprofil mit einer Rückkante, die mit Fasern versehen ist, zeigt, und
5 eine vergrößerte Ansicht einer Verbindung zwischen dem Flügelprofile mit einer Hinterkante, die aus Fasern aufgebaut ist, zeigt.
In 1 ist ein hohles Flügelprofil gezeigt, das aus den zwei Hälften 1, 2 besteht. Sie sind jeweils auf traditionelle Art durch Aufbau in einer Form und z. B. unter Verwendung unterschiedlicher Schichten von Polyesterharz und Glasgewebe aufgebaut, wobei eine glatte Gelhaut als erste Schicht verwendet wird, d. h. dem glatten Formteil am nächsten. Während des Baus wird ein spezieller Zement auf die Vorderkante 3 und auf die Rückkante 4 gegeben und gemäß der Erfindung wird ein Streifen eines elastomeren Materials gleichzeitig mit dem Zusammensetzen der Flügelprofile einzementiert. In 3 ist gezeigt, wie ein ausreichend großer Bereich zum Zementieren zur sicheren Befestigung des elastomeren Streifens vorgesehen ist. In 2 ist gezeigt, wie der Streifen 5 lokal nach oben in Reaktion auf einen lokalen Unterdruck an der Oberseite sich abbiegt. Da interne Reibung in dem Streifen vorhanden ist, wird ein beträchtlicher Teil der Energie, die sonst in einem Wirbel parallel zur Rückkante umgewandelt würde, stattdessen in Wärme umgewandelt. Auf diese Weise wird zum Teil vermieden, dass Energie entlang dem Flügelprofil zur Vorderkante zurückgeführt wird, und teils, dass sich ein starker Wirbel bildet.
Der Streifen 5 aus elastomeren Material kann vorzugsweise ein eigenes Profil aufweisen, das zur Rückseite hin spitz zuläuft und es kann verstärkt sein, so dass es nicht durch Partikel während der Verwendung abgenutzt wird.
In 4 ist entsprechend dargestellt, wie ein Faserstreifen 6 durch Einzementieren zwischen den zwei Hälften 1, 2 an der Rückkante 4 befestigt wird und in 5 ist dieses Einzementieren in vergrößerter Darstellung gezeigt. In diesem Stadium der Herstellung ist es unbedeutend, ob der Streifen der letzte Schritt in der Herstellung, wie bei der Verwendung eines gestrickten Streifens, ist oder ob der fertiggestellte Flügel mit Schlitzen in dem gewebtem Material versehen ist oder ob der Streifen vollständig genommen wird, um individuelle Fasern zu erzielen. Das wichtige Verankern der Fasern wird in dem vorliegenden Fall durch Einzementieren zwischen den zwei Flügelprofilhälften erreicht, jedoch kann auch vorgesehen sein, dass diese als Augenlaschen in Verbindung mit der Lamination eines der zwei Flügelprofilhälften ausgebildet sind. Es ist wichtig, dass es keine scharfe Kante gibt, an der die Fasern gebrochen werden können.
Im Fall von individuellen Fasern ähnlich den Haaren einer Bürste, die die Hinterkante begrenzen, würde die festere Konstruktion durch Spalten eines gewebten Bandes erreicht werden, das starke Fasern enthält, vorzugsweise Aramidfasern. Das Band besteht typischerweise aus einer Baumwollkette mit Aramidfasern als Schuss. Das Längsschneiden ermöglicht es, dass eine Webkante oder -leiste an den Flügel zementiert oder laminiert werden kann, wodurch eine feste Verankerung aufgrund der Schlaufen erreicht wird. Wenn der Streifen befestigt ist, werden die Kettfäden durch Aufriffeln entfernt und eine sehr große Zahl von Aramidfasern verbleibt, die eine leichte Wellung aufweisen. Für den Fall, dass eine härtere Kette verwendet wird, werden die Wellungen ausgeprägter. Dies kann durch Wärmebehandlung nach dem Webvorgang beeinflusst werden.

Claims

Einrichtung Zur Reduzierung des aerodynamischen Geräusches von Windmühlenflügeln mit einer Vorderkante (3) und einer Rückkante (4) und einem dazwischen liegenden Flügelprofil und einer Flügelspitze, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkante (4) ein Material (5) trägt, das im Wesentlichen entlang der gesamten Rückkante (4) nachgiebig ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus dünnen Elastomerstreifen (5) gebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (5) durch ein gewebtes Band, vorzugsweise aus Aramid, gebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Band als gestricktes Band, insbesondere aus Aramidfaser, besteht.
Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Band entlang wenigstens eines Teils seiner Länge durch Einschnitte rechtwinklig zur Rückkante (4) gebrochen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (5) aus einer sehr großen Zahl von Aramidfasern gebildet ist, die im Wesentlichen rechtwinklig zur Rückkante (4) angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern gerade sind.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern gewellt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Reduzierung des aerodynamischen Geräusches von Windmühlenflügeln nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Streifen nachgiebigen Materials (5) beim Zusammensetzen der zwei Flügelhälften an ihrer Rückkante (4) einzementiert wird.
Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Reduzierung des aerodynamischen Geräusches von Windmühlenflügeln nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1, 3–8, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einem Aramidgewebe abgeschnittener Streifen in eine oder mehrere der Schichten der Rückkante (4) einlaminiert wird, und dass Kett- bzw. Schussfäden von dem Streifen entfernt werden, wodurch Schuss- bzw. Kettfäden verbleiben.