DE4440744A1

DE4440744A1 - Wind turbine generator rotor blade

Info

Publication number: DE4440744A1
Application number: DE4440744A
Authority: DE
Inventors: Peter Frieden
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-11-15
Filing date: 1994-11-15
Publication date: 1996-05-23

Abstract

The rotor blade has a fully enclosed surface (6) at the tip (2) of the rotor blade, through which the air can pass without any additional air resistance. The closed surface is pref. provided by a ring, formed by a tube section (5) attached to the tip of the rotor blade, with or without a gap(s) in its peripheral surface.Pref. the tube section is made of a conductive material, e.g. high quality steel, for additionally providing a lightning protection function, the dia., length and relative spacing of the ring surface from the blade rear edge selected to provide the optimum compromise between the noise reduction and the increase in air resistance.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt eines Rotors für Windkraftanlagen.The invention relates to a rotor blade of a rotor for Wind turbines.

Bei der aktuellen technologischen Verbesserung und Weiter entwicklung von modernen Windkraftanlagen (WKA) bestehen die wesentlichen Zielsetzungen darin, einerseits die Wirt schaftlichkeit zu verbessern, andererseits die Umweltbeein flussung und dabei insbesondere die Geräuschemission zu mini mieren.With the current technological improvement and further development of modern wind turbines (WKA) exist the main objectives in it, on the one hand the host improve efficiency, on the other hand environmental flow and in particular the noise emission to mini lubricate.

Die Wirtschaftlichkeit einer WKA hängt in großem Maße von der spezifischen Turmkopfmasse (kg/installiertes kW) ab. Langsamlaufende Windrotoren erzeugen hohe Drehmomente und benötigen entsprechend steife und schwere Bauteile, ins besondere Getriebe mit hohem Übersetzungsverhältnis und/oder entsprechend aufwendige langsamlaufende Generatoren. Von da her liegt es auf der Hand, die Auslegungsdrehzahlen bzw. die Umfangsgeschwindigkeiten von modernen WKA-Rotoren so hoch wie möglich anzusetzen.The profitability of a wind turbine largely depends on the specific tower head mass (kg / installed kW). Slow-running wind rotors generate high torques and require correspondingly stiff and heavy components, ins special gears with high gear ratio and / or correspondingly expensive slow-running generators. From there here it is obvious, the design speeds or Circumferential speeds of modern wind turbine rotors so high as possible.

Dem steht entgegen, daß mit steigender Umfangsgeschwindigkeit die aerodynamische Geräuschentwicklung an den Rotorblättern zunimmt. Während beim Stand der Technik alle übrigen Maschinen geräusche durch Maßnahmen wie Präzisionsverzahnung, Körper schallentkopplung und Kapselung etc. inzwischen gut beherrsch bar geworden sind, bilden die aerodynamisch bedingten Geräusche am Rotor und insbesondere an den Blattspitzen ein nach wie vor schwer beherrschbares Problem.This is opposed to the fact that with increasing peripheral speed the aerodynamic noise development on the rotor blades increases. While in the state of the art all other machines noise through measures such as precision gearing, body sound decoupling and encapsulation etc. are now well controlled the aerodynamically induced noises form on the rotor and especially at the tips of the blades from difficult to control problem.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch eine be sondere geometrische Gestaltung der Blattspitzen die dort besonders intensiv wirkenden Geräuschentstehungsmechanismen soweit wie möglich zu unterdrücken.The object of the invention is to be special geometric design of the leaf tips there particularly intensive-acting noise generation mechanisms suppress as much as possible.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im Bereich der Blattspitze des Rotorblattes eine nahezu oder vollständig ummantelte Fläche vorhanden ist, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, daß sie von der anströmenden Luft durchströmt wird, ohne einen nennenswerten zusätzlichen Luftwiderstand zu erzeugen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß in den Randwirbel,der sich bekanntermaßen durch den Druckunterschied zwischen Flügelober- und -unterseite bildet, ein Wirbelkern injiziert wird, dessen Drall konstruktiv vorge geben werden kann. Wenn die Eintrittsöffnung der ummantelten Fläche, vorzugsweise eine Ringfläche, genügend weit von der Vorderkante des Rotorblattes liegt, wird der Drall innerhalb der Ringfläche praktisch gleich Null.According to the invention this object is achieved in that Area of the blade tip of the rotor blade an almost or fully encased surface is present, which is such is arranged and designed so that it flows from the Air flows through without any noteworthy additional To create air resistance. This measure ensures that in the vertebrae, which is known to be characterized by the Forms the pressure difference between the top and bottom of the wing, a vortex core is injected, the swirl of which is structurally provided can be given. If the entry opening of the encased Area, preferably an annular area, sufficiently far from the Front edge of the rotor blade, the twist is inside the ring area practically zero.

Weitere Vorteile und Einzelheiten sollen anhand der Figuren bis 5 erläutert werden.Further advantages and details should be based on the figures to 5 are explained.

Fig. 1 zeigt den Grundriß eines modernen schnelläufigen Rotorblattes 1 nach dem Stand der Technik sowie den an der Blattspitze 2 erzeugten Randwirbel 3. Wesentliche Anteile der aerodynamischen Geräuschbildung entstehen im Kern dieses Wirbels im unmittelbaren Bereich der Blattspitze 2. Fig. 1 shows the outline of a modern schnelläufigen rotor blade 1 according to the prior art as well as the generated at the blade tip vortex edge 2. 3 Substantial parts of the aerodynamic noise generation arise in the core of this vortex in the immediate area of the blade tip 2 .

Fig. 2 zeigt einen Blick auf die Profilvorderkante des Tragflügels (Rotorblattes 1). Der Druckunterschied zwischen Profilober- und -unterseite gleicht sich am Ende des endlichen Flügels aus und läßt den aus der Flugmechanik bekannten Rand wirbel 3 entstehen. Sobald Auftrieb erzeugt wird, kann dieser Wirbel prinzipbedingt nicht verhindert werden, wohl aber kann man versuchen, auf die Drallverteilung innerhalb des Wirbels Einfluß zu nehmen. Fig. 2 shows a view of the profile leading edge of the wing (rotor blade 1 ). The pressure difference between the top and bottom of the profile is equalized at the end of the finite wing and creates the edge vortex 3 known from flight mechanics. As soon as buoyancy is generated, this vortex cannot be prevented by principle, but one can try to influence the swirl distribution within the vortex.

Fig. 3 und 4 zeigen eine besonders kostengünstige Möglich keit der erfindungsgemäßen Blattspitzengestaltung: Ein dünn wandiges Edelstahlrohr 5, welches gleichzeitig auch noch die Funktion eines Blitzableiters übernehmen kann, wird auf die Blattspitze 2 geschraubt. Es bildet eine von der anströmenden Luft durchströmte Ringfläche 6. Rohrdurchmesser D und -länge 1 sowie der Lageparameter α und der Abstand x der Rohrmündung von der Flügelhinterkante müssen in ein optimales Verhältnis zur Blattiefe t gebracht werden, um auch hier den oben be schriebenen Optimalkompromiß zu erreichen. Gestrichelt dar gestellt und mit 5′ und 6′ bezeichnet ist eine weitere Lösung. Es handelt sich um eine nicht vollständig ummantelte Ringfläche 6′ mit dem Restspalt s und mit einem vom Lageparameter der Ringfläche 6 verschiedenen Lageparameter. FIGS. 3 and 4 show a particularly cost possible ness of the blade tip design according to the invention: A thin wall stainless steel tube 5 which at the same time can also take over the function of a lightning rod, is screwed onto the blade tip 2. It forms an annular surface 6 through which the incoming air flows. Pipe diameter D and length 1 as well as the positional parameter α and the distance x of the pipe mouth from the trailing edge of the wing must be brought into an optimal relationship to the depth of the sheet t in order to achieve the optimal compromise described above. Dashed represents and designated 5 'and 6 ' is another solution. It is a not completely encased ring surface 6 'with the remaining gap s and with a different from the position parameter of the ring surface 6 position parameter.

Fig. 5 zeigt, daß als weitere Variable noch der Schränkungs winkel β zwischen der Achse 7 des Rohres 5 und der Profil sehne 8 des Rotorblattes 1 hinzukommt. Fig. 5 shows that as a further variable, the angle of inclination β between the axis 7 of the tube 5 and the chord 8 is added to the rotor blade 1 .

Das Durcharbeiten einer mehrdimensionalen Matrix von Para meterkombinationen zur Optimierung von Geräusch und Luftwider stand ist zwar experimentell aufwendig; aus der Literatur sind jedoch Verfahren bekannt, die den natürlichen Evolutionsprozeß nachahmen und mit deren Hilfe man die Optimierung von komplexen Strömungsvorgängen auf einige wenige Schritte abkürzen kann. Eine von mehreren möglichen Optimierungsaufgaben könnte darin bestehen, den Grad der Aufwicklung (Ummantelung) bzw. die Größe eines Restspaltes "s" herauszufinden, bei denen der beste Kompromiß zwischen Geräuschminderung einerseits und Erhöhung des Luftwiderstandes andererseits liegt.Working through a multi-dimensional matrix of Para Meter combinations to optimize noise and air deflection stand is experimentally complex; are from the literature however, processes are known that affect the natural process of evolution imitate and with whose help one can optimize complex Flow processes can be shortened to a few steps. One of several possible optimization tasks could be in it exist, the degree of winding (sheathing) or the Find out the size of a gap "s" where the best Compromise between noise reduction on the one hand and increase the air resistance, on the other hand.

Da bei der heute gängigen Herstellungsweise von Rotorblättern die Ausformung einer speziellen Blattspitzengestaltung kaum praktikabel erscheint, wird weiterhin vorgeschlagen, eine ge normte Trennstelle 8 im Bereich der Blattspitze einzuführen (siehe auch Fig. 3 und 4). An diese Trennstelle 8 kann dann ein beliebig kompliziert geformter Körper, der nur noch nach aerodynamischen Kriterien gestaltet wurde (und der separat durch Spritzen oder Gießen etc. hergestellt wurde) angeschraubt werden Auch hier bietet sich die Möglichkeit an, durch Verwendung von leitendem Material die Blitzschutzfunktion mit zu übernehmen.Since the shape of a special blade tip design hardly seems practicable in the current production method of rotor blades, it is also proposed to introduce a standardized separation point 8 in the area of the blade tip (see also FIGS. 3 and 4). An arbitrarily complicated shaped body, which was only designed according to aerodynamic criteria (and which was manufactured separately by spraying or pouring, etc.), can then be screwed onto this separation point 8. Here, too, there is the possibility of using the lightning protection function by using conductive material to take over with.

Claims

1. rotor blade ( 1 ) of a rotor for wind turbines, characterized in that in the region of the blade tip ( 2 ) of the rotor blade ( 1 ) there is an almost or completely covered surface ( 6 , 6 '), which is arranged and designed in this way, that the incoming air flows through it without generating any appreciable additional air resistance.

2. Rotor blade according to claim 1, characterized in that the coated surface is a closed ring surface ( 6 ).

3. Rotor blade according to claim 1 or 2, characterized in that the coated surface is a not completely enclosed surface, preferably an annular surface ( 6 ') with a residual gap ( 5 ).

4. Rotor blade according to claim 1, 2 or 3, characterized in that a flowed through by the incoming air, at the tip ( 2 ) of the rotor blade ( 1 ) attached pipe section ( 5 ) with a closed or up to a residual gap (s) open Jacket forms the annular surface ( 6 , 6 ').

5. Rotor blade according to one of claims 1 to 4, characterized in that a separation point ( 8 ) is provided in the region of the blade tip.

6. Rotor blade according to one of the preceding claims, characterized in that the ring surface ( 6 , 6 ') forming component ( 5 , 5 ') consists of electrically conductive material and has lightning protection function.

7. Procedure for optimizing a leaf tip design according to one of the preceding claims, characterized records that the parameters shape, size and / or residual gap (s) the casing can be varied.

8. A method for optimizing a blade tip design according to claim 4, characterized in that diameter (D), length ( 1 ), distance (x) of the ring surface ( 6 , 6 ') from the trailing edge of the wing, position parameters (α), helix angle (β) and / or size of the remaining gap (s) of the casing can be varied.

9. The method according to claim 7 or 8, characterized in that known when optimizing the parameters Procedures are applied to natural evolution mimicking processes.