DE3126677A1 - Rotor blade design for high-speed rotors - Google Patents
Rotor blade design for high-speed rotorsInfo
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Abstract
Description
Rotorblattausbildung für Rotor blade training for
schnellaufende Rotoren Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotorblattausbildung für schnellaufende Rotoren von Windkraftwerken, insbesondere für schlanke Rotorblätter mit dünnen Profilen, die elastisch ausgebildet und durch einen tragenden Verband verstärkt sind. High-speed rotors The invention relates to a rotor blade design for high-speed rotors of wind power plants, especially for slim rotor blades with thin profiles that are elastic and supported by a load-bearing bandage are reinforced.
Bei Ausbildungen dieser Art besteht das Problem, daB die Rotorblätter in der Richtung der Rotorachse sehr elastisch sind und bei im Betrieb auftretender unterschiedlicher Belastung, beispielsweise durch Böen, Schlagbewegungen ausführen. Hierbei können störende Resonanzen auftreten, wenn die Schwingungszahl der Blattschlagbewegungen im Bereich der Rotordrehzahl oder in der Nähe der Schwingungszahl des Mühlenturmes liegt. Zur Beseitigung wird mit großem Aufwand durch konstruktive Ausgestaltungen, Berechnungen und Versuche eine Abstimmung der Frequenzen der kritischen Bauteile durchgeführt. Das Ziel hierbei ist es, einen großen Abstand der Eigenschwingungszahlen der Bauteile untereinander zu erreichen und von der anregenden Frequenz des Rotors möglichst weit entfernt zu bleiben.The problem with designs of this type is that the rotor blades are very elastic in the direction of the rotor axis and occur during operation perform striking movements with different loads, for example from gusts. This can cause disruptive resonances when the number of vibrations of the blade flapping movements in the area of the rotor speed or in the vicinity of the number of vibrations of the mill tower lies. For the elimination is with great effort by constructive designs, Calculations and attempts to tune the frequencies the critical one Components carried out. The aim here is to keep the natural oscillation numbers a large distance apart between the components and the exciting frequency of the rotor to stay as far away as possible.
Bei dieser Auslegung kommt es aber bei Anderung der Rotordrehzahl, beispielsweise beim Anfahren und Abbremsen der Anlage, trotzdem zu Resonanzerscheinungen und kritischen Betriebszuständen.With this design, however, when the rotor speed changes, For example, when starting up and braking the system, there are still resonance phenomena and critical operating conditions.
Bei den bekannten Rotorblattausbildungen ist der tragende Verband üblicherweise im dicksten Profilbereich, um das Material am besten auszunutzen und ein großes Widerstandsmoment zu erhalten. Hierdurch liegt aber meist der Druckpunkt vor dem Schubmittelpunkt des tragenden Verbandes, so daß sich bei Verwindungen eine noch größere Schlagbewegung einstellen muß.In the known rotor blade designs, the load-bearing association is usually in the thickest profile area in order to make the most of the material and to obtain a large section modulus. However, this usually results in the pressure point in front of the shear center of the load-bearing association, so that a must adjust even greater impact movement.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rotorblattausbildung zu schaffen, die mit einfachen Mitteln einen Dämpfungseffekt herbeiführt und die von unterschiedlichen Belastungen verursachten Durchbiegungen selbsttätig vermindert und einen störungsfreien Betrieb bei unterschiedlichen Drehzahlen gewährleistet.The object of the invention is to create a rotor blade design, which brings about a damping effect with simple means and that of different Deflections caused by loads are automatically reduced and trouble-free Guaranteed operation at different speeds.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der Blattspitzenbereich jedes Rotorblattes als getrenntes Rotorblatteil ausgebildet ist, das mit dem Rotorblatt über eine Drehachse derart verbunden ist, daß das Rotorblatteil durch Windkräfte verstellbar ist und ein am Rotorblatteil angelenktes elastisches Element eine Verstellbewegung begrenzt. Dabei sind im Profilschnitt des Rotorblatteiles Schwerpunkt des Profils, Schubmittelpunkt des tragenden Ver- bandes und Druckpunkt des Profils, ausgehend von der Profilvorderkante, hintereinander angeordnet.This object is achieved according to the invention in that the Blade tip area of each rotor blade designed as a separate rotor blade part which is connected to the rotor blade via an axis of rotation in such a way that the rotor blade part is adjustable by wind forces and an elastic hinged to the rotor blade part Element limited an adjustment movement. Here are in the profile section of the rotor blade part Center of gravity of the profile, shear center of the load-bearing band and pressure point of the profile, starting from the front edge of the profile, one behind the other arranged.
Hierdurch ist es möglich, die Anregungen für die Schlagbewegungen in Form unterschiedlicher Windgeschwindigkeiten zu dämpfen. Mit der Erhöhung der Windgeschwindigkeit wird nämlich zwangsläufig die resultierende Luftkraft vergrößert, die eine Verdrehung des Rotorblatteiles bewirkt. Dabei vergrößert sich der Blatteinstellwinkel und es verkleinert sich der Anströmwinkel, so daß die resultierende Luftkraft abnimmt. Weiterhin tritt durch den vor dem Schubmittelpunkt des tragenden Verbandes liegenden Schwerpunktes ein zusätzlicher Dämpfungseffekt ein. Dieses kommt daher, daß bei sich vergrößernder Luftkraft das elastisch reagierende Rotorblatt in Richtung der einwirkenden Luftkraft durchgebogen wird. Damit wirken die im Schwerpunkt des Rotorblatteiles angreifenden Massenkräfte der Beschleunigung entgegen und es stellt sich ein Drehmoment um den Schubmittelpunkt des tragenden Verbandes ein und der wirksame Anströmwinkel des Rotorblatteiles wird verkleinert. Die Luftkraft nimmt ab und es kommt zu einer Dämpfung der angeregten Schlagbewegung. Diese Dämpfung tritt auch bei einer entgegengesetzt wirkenden Luftkraft, beispielsweise einer negativen Bö, ein, da sich die Winkeländerungen sinngemäß umkehren.This makes it possible to use the suggestions for the flapping movements in the form of different wind speeds. With the increase in Wind speed will inevitably increase the resulting air force, which causes a rotation of the rotor blade part. This increases the blade pitch angle and the angle of attack decreases, so that the resulting air force decreases. Furthermore occurs through the lying in front of the shear center of the load-bearing association Emphasis an additional damping effect. This is because at increasing air force the elastically reacting rotor blade in the direction of acting air force is deflected. Thus they act in the center of gravity of the rotor blade part attacking inertia forces counteract the acceleration and a torque arises around the shear center of the load-bearing structure and the effective angle of attack of the rotor blade part is reduced in size. The air force decreases and there is one Damping of the excited stroke movement. This attenuation also occurs in the opposite direction acting air force, for example a negative gust, as the angle changes reverse accordingly.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung wird erfindungsge-.mäßt dadurch geschaffen, daß die Drehachse im Schubmittelpunkt des Rotorblatteiles angeordnet ist.According to the invention, an advantageous embodiment is created by that the axis of rotation is arranged in the thrust center of the rotor blade part.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Blattspitzenbereiches eines Rotorblattes und Fig. 2 einen Profil schnitt des Blattspitzenbereiches.An exemplary embodiment is shown schematically in the drawing. 1 shows a perspective illustration of a blade tip area of a Rotor blade and FIG. 2 shows a profile section of the blade tip area.
Das dargestellte Rotorblatt 1 besitzt an seiner Blatt spitze ein getrenntes Rotorblatteil 2, wobei die Verbindung über eine Drehachse 3 erfolgt. Zusätzlich ist zwischen Rotorblatt 1 und Rotorblattteil 2 ein elastisches Element 4 zur Stabilisierung und Begrenzung der Bewegungen angeordnet.The illustrated rotor blade 1 has a separate tip at its blade Rotor blade part 2, the connection being made via an axis of rotation 3. Additionally is an elastic element 4 for stabilization between the rotor blade 1 and the rotor blade part 2 and limiting movements arranged.
Das Rotorblatteil ist dabei so ausgebildet, daß jeweils bezogen auf den Profilschnitt ein Schubmittelpunkt 5 zwischen einem Schwerpunkt 6 und einem Druckpunkt 7 liegt und an dem Druckpunkt 7 eine resultierende Luftkraft 8 angreift. Die entsprechenden Verbindungslinie zwischen den Schubmittelpunkten 5 uber die ProfiLlänge ergibt in diesem Fall die Drehachse 9.The rotor blade part is designed so that in each case based on the profile section a thrust center point 5 between a center of gravity 6 and a Pressure point 7 is and a resulting air force 8 acts on pressure point 7. The corresponding connecting line between the shear centers 5 over the length of the profile in this case results in the axis of rotation 9.
Das Rotorblatt 1 ist mit seiner Wurzel in einer nicht näher dargestellten Nabe um eine Horizontalachse drehbar, wobei sich eine Rotorebene 10 ergibt, die in einer Windrichtung II angeblasen wird.The rotor blade 1 is with its root in a not shown in detail Hub rotatable about a horizontal axis, resulting in a rotor plane 10 which is blown in a wind direction II.
Das Rotorblatt 1 bzw. das Rotorblatteil 2 nimmt einen Blatteinstellwinkel 12 zur Rotorebene 4 ein und besitzt einen Anströmwinkel 13.The rotor blade 1 or the rotor blade part 2 takes a blade pitch angle 12 to the rotor plane 4 and has an angle of attack 13.
Durch die Anordnung der Punkte 5,6 und 7 und die entsprechende Verstellung des Rotorblattteiles tritt bei einer Luftkraftvergrößerung eine Vergrößerung des Blatteinstellwinkels 12 und eine Verkleinerung des Anströmwinkels 13 ein, so daß auch die angreifende Luftkraft 8 herabgesetzt wird.Through the arrangement of points 5, 6 and 7 and the corresponding adjustment of the rotor blade part occurs when the air force increases, an increase in the Blade pitch angle 12 and a reduction in the angle of attack 13, so that the attacking air force 8 is also reduced.
Bei einer negativen Bö tritt sinngemäß der umgekehrte Effekt auf. Hierdurch wird eine entsprechende Dämpfung selbsttätig durchgeführt.In the case of a negative gust, the opposite effect occurs. As a result, a corresponding damping is carried out automatically.
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