DE60125172T2 - Rotorblatt für eine windkraftanlage - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage, umfassend ein Verbindungsteil, das an einem Ende mit Verbindungsmitteln zur Verbindung der Achse/Nabe einer Windturbine versehen ist, und ein Windenergie-absorbierendes Profil, das für den Windstrom optimiert ist und sich von dem anderen Ende des Verbindungsteils erstreckt, wobei das Verbindungsteil mit einem Bauteil versehen ist, das so ausgebildet ist, dass die Anordnung, die das Bauteil und das Verbindungsteil umfasst, Windenergie absorbieren kann, wobei das Bauteil eine Rippe umfasst, die von dem Verbindungsteil hervorragt, wie im Oberbegriff gemäß Anspruch 1 beschrieben.
  • Ein solches Rotorblatt ist aus der US 3874816 A bekannt, welche ein starres Schaufelfußendglied offenbart, das auf der Strömungsunterseite des Rotorblattes angeordnet ist. Dieses Endglied dient hauptsächlich dazu, die Rotorblattstrukturen zu verstärken, welche im Falle der Beschreibung dieses US-Patentes aus flexiblem Material, wie z.B. Segeltuch, hergestellt und an das Verbindungsteil geklemmt ist.
  • Im Stand der Technik, in dem das Rotorblatt aus einem starren, nicht deformierbaren Material hergestellt ist und bei dem das Windenergie-absorbierende Profil teuer herzustellen ist und ein längliches Design aufweist, ist es so ausgestaltet, dass ein Verbindungsteil zwischen das Windenergie-absorbierenden Teil und die Achse/Nabe der Windkraftanlage einfügbar ist. Andererseits kann das Verbindungsteil kostengünstig hergestellt werden und ist derart ausgestaltet, dass eine einfache Verbindung möglich ist und große Drehmomente effektiv übertragen werden. Da der Drehmoment der aerodynamischen Kräfte mit zunehmendem Achsenabstand steigt und der durch ein Rotorblattteil hindurchgehende Oberflächenbereich abnimmt – und damit konsequenterweise auch die Energieleistung – erfährt der Blattquerschnitt mit zunehmendem Abstand von der Achse in Richtung Spitze zum Verbindungsende eine Optimierung, welche allgemein von aerodynamisch zu allgemein strukturell übergeht. Bevorzugt wird dieses Verbindungsteil ein Rohr umfassen. Da sich das Verbindungsteil in der Nähe des Rotationszentrums der Windkraftanlage befindet, beträgt der Verlust, der durch den für Windstrom nicht optimierten Querschnitt zustande kommt, weniger als die Kosten, die zur Herstellung eines an den Windstrom optimierten Profils notwendig sind, wie z.B. eines, das auf der anderen Seite des Verbindungsteils angebracht ist. Wenn das Verbindungsteil beispielsweise ein Rohr ist, sind die Kosten dieses Rohres pro Meter um einiges niedriger als die Kosten des daran befestigen, Windenergie-absorbierenden flügelähnlichen Profils. Ferner ist es einfacher, ein Rohr stabil an den übrigen Teil der Strukturen, beispielsweise mittels eines Flansches, zu befestigen. Der Ausdruck Verbindungsteil in der Beschreibung und in den Ansprüchen bezeichnet den Teil eines Blattes, das eher für die Konstruktion optimiert ist und nicht so sehr für die Absorption von Windenergie. Ein solches Teil ist durch eine niedrige natürliche Geschwindigkeit charakterisiert und absorbiert von den Windkräften nur wenig. Im Allgemeinen kann gesagt werden, dass es nicht den Teil von dem freien Ende nach vorn mit zunehmender Blatttiefe umfasst, sondern den Teil jenseits der maximalen Flügeltiefe, d.h. den Teil mit abnehmender oder gleich bleibender Flügeltiefe. Das Verbindungsteil kann mit einem separaten Flansch an das aerodynamische Windenergie-absorbierende Profil befestigt werden.
  • Solche Blätter werden im größeren Maßstab im Stand der Technik verwendet.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Leistung eines solchen Blattes zu erhöhen, ohne dessen Kosten drastisch zu erhöhen, was beispielsweise der Fall sein würde, wenn das Verbindungsteil durch eine Verlängerung des Windenergie-absorbierenden Profils ersetzt werden würde und dafür die Stärke nicht bis zu einem unzulässigen Grad abnehmen würde.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Blatt der vorbeschriebenen Art, bei der die Rippe in einer Ebene angeordnet ist, die einen Winkel bildet, der auf der Druckseite zwischen 30° und 150° zu der Ebene der Blatttiefe des Windenergie-absorbierenden Profils liegt. Insbesondere liegt dieser Winkel zwischen 45° und 135°.
  • Der Ausdruck „Blatttiefenebene" bezeichnet die Ebene, die von einer Reihe von Blatttiefen des Windenergie-absorbierenden Profils begrenzt wird. Es kann sich um eine flache Oberfläche handeln. Jedoch ist das Windenergie-absorbierende Profil normalerweise gebogen, und dieser Bogenlauf erstreckt sich von der Spitze (auf einer Linie parallel zu) der Achse des Rotors. Eine solche Beugung kann 90° umfassen und beträgt in der Praxis im Allgemeinen weniger als 20°.
  • Wenn die Blatttiefenebene gebogen ist, bedeutet dies natürlich, dass die erfindungsgemäße Rippe nicht notwendigerweise in einer flachen Oberfläche liegen muss und entsprechend den zuvor genannten Erfordernissen auch gebogen sein kann.
  • Darüber hinaus ist es möglich, dass das Windenergie-absorbierende Profil um eine Längsachse zwischen einer Auslaufposition und einer Wirkposition drehbar ist. Die zuvor genannte Blatttiefenebene bezeichnet dann die Ebene der Blatttiefe, in der das Windenergieabsorbierende Profil liegt, wenn die Turbine in Betrieb und wenig Wind vorhanden ist (5–12 m/sec).
  • Gemäß der Erfindung bleibt das existierende Verbindungsteil im Prinzip unverändert, außer dass es mit einem Bauteil versehen ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Bauteil eine einfache Rippe sein, die auf dem Verbindungsteil angebracht ist. Eine solche Rippe kann eine leicht gebogene Form besitzen oder kann einfach eine Form aufweisen, die sich senkrecht zu der Querschnittsfläche erstreckt. Ein solches Bauteil umfasst eine Rippe, die sich von dem Verbindungsteil erstreckt, in einen begrenzten Bereich eingebaut ist und einerseits von der Oberfläche des Windenergie-absorbierenden Profils in deren Wirkposition begrenzt ist und andererseits durch die von der Rotorachse und der Achse des Windenergie-absorbierenden Profils heruntergeklemmten Oberfläche begrenzt ist, die den Quadranten, der zwischen der scharfen Rückkante des aerodynamischen Profils und der Druckseite des Rotorblattes liegt, umfasst. Der Ausdruck Wirkposition bezeichnet die Position, bei der die meiste Windenergie durch das Profil absorbiert wird. Eine solche Position muss beispielsweise von der Auslaufposition eines Windenergie-absorbierenden Profils unterschieden werden. Die oben beschriebene Position der Rippe unterscheidet sich von den Konstruktionen gemäß dem US-Patent US 3,874,816 , bei denen die Rippe in Stromabwärtsrichtung angebracht ist.
  • Im Fall neu zu erstellender Konstruktionen können das Verbindungsteil und das Bauteil als eine Einheit aus einem faserverstärkten Harz hergestellt werden. Im Falle bekannter Konstruktionen kann, wenn das Verbindungsteil eine runde Röhre umfasst, ein davon herausragender Materialstreifen, beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben, auf dieser angebracht werden. Gemäß der Erfindung beträgt die Höhe eines solchen Streifens vorzugsweise das 0,05 bis 0,3-fache des (äußeren) Durchmessers oder der Stärke des Verbindungsteils. Insbesondere beträgt die Höhe ungefähr das 0,1-fache des Durchmessers des Verbindungsteils.
  • Es wurde festgestellt, dass auf diese Weise, insbesondere in Fällen von Windturbinen mit einer Kapazität von mehr als 50 kW, die Leistung um 1,5% oder mehr erhöht werden. Die Kosten zum Anbringen einer solchen Rippe sind erheblich niedriger als die zusätzliche Leistung, da sich eine solche einfache Veränderung immer auszahlt. Es sollte hervorgehoben werden, dass es möglich ist, existierende Blätter mit einer solchen herausragenden Rippe, beispielsweise während einer Überholung, zu versehen.
  • Die Rippe kann verschiedenartig ausgestaltet sein, beispielsweise als ein flaches Band, als (teilweise) dreieckiges Profil, als Blockprofil, als Segeltuch und dergleichen. Weiter kann die Rippe flexibel oder andersartig gemacht werden, da sie nicht zu den zur Stabilität beitragenden Strukturen des Blattes gehört. Die auf dem Band wirkenden Kräfte werden an das Blatt oder das Verbindungsteil übertragen.
  • Eine weitere Optimierung der Strömungseigenschaften des Verbindungsteils kann erreicht werden, indem wirbelerzeugende Generatoren angebracht werden oder mittels Luftströmen, welche dieselbe Wirkung haben. Die Wirkung kann zu einem gewissen Grad auch durch die Oberflächenbeschaffenheit allein erreicht werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschrieben, in denen
  • 1 ein Blatt einer Windturbine in perspektivischer und diagrammatischer Ansicht zeigt,
  • 2 einen Querschnitt entlang der Line II-II von 1 zeigt,
  • 3 eine Variante der Strukturen gem. 1 zeigt,
  • 4 einen Querschnitt durch ein Blatt zeigt, wobei der Bereich angegeben ist, in dem die erfindungsgemäße Rippe angebracht werden kann,
  • 5 in Vorderansicht eine erste Alternative der erfindungsgemäßen Konstruktionen zeigt und
  • 6 eine zweite Variante zeigt.
  • In 1 ist ein erfindungsgemäßes Blatt einer Windturbine als 1 gezeigt. Es besteht aus einem Verbindungsteil 2. Die Verbindung an eine Nabe 3, die Teil eines Schaftes 4 bildet, hinter dem der eigentliche Generator verbunden ist, ist über eine Flanschverbindung möglich (nicht gezeigt). Auf der anderen Seite wird das Verbindungsteil 2 mit dem Windenergieabsorbierenden Profil 5 des Blattes 1 verbunden. In der gezeigten Ausführungsform ist das Profil als ein Flügelprofil gezeigt und es ist erkennbar, dass auch sie jede beliebige andere Form möglich ist. Die Achse des Blattes ist mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet.
  • In dem hier gezeigten Beispiel weist das Verbindungsteil 2 eine runde Ausgestaltung auf und umfasst ein einfaches Rohr. Im allgemeinen Stand der Technik war dieses Rohr glatt ausgebildet, ohne dass irgendwelche weiteren Maße genommen wurden.
  • Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein Bauteil oder eine Rippe 6 am Rohr 2 angebracht wird. Es wird auch vorgeschlagen, dass wirbelerzeugende Generatoren 8 an der gezeigten Position angebracht werden. Die Verwirbelungsgeneratoren (nicht maßstabsgetreu gezeichnet) können aus einem leistenförmigen Material gestanzt werden, wobei das Basismaterial an das Verbindungsteil 2 befestigt ist, beispielsweise mittels einer Klebeschicht. Die Wirbelgeneratoren (nicht maßstabsgetreu gezeigt) erstrecken sich senkrecht zur Ebene des Verbindungsteils 2, vorzugsweise mit einem Winkel von 15° relativ zu der Ebene, die senkrecht zu der Längsachse 7 steht. Der Winkel kann entweder positiv oder negativ sein. Das erfindungsgemäße Bauteil oder die Rippe 6 ist im Detail in 2 gezeigt. Dessen Höhe ist geringfügig außer Proportion gezeichnet. Tatsächlich ist es gemäß der Erfindung bevorzugt, dass die Höhe H 0,05–0,3 des Durchmessers des Zylinders entspricht. Insbesondere soll die Höhe ungefähr 1/10 des Durchmessers betragen.
  • 3 zeigt eine Variante der Erfindung. In diesem Fall ist das Blatt als Gesamtes mit dem Bezugszeichen 31 und die Rippe mit dem Bezugszeichen 36 versehen. Die anderen Teile sind unverändert und sind mit denselben Bezugszeichen versehen wie diejenigen in 1.
  • Es ist zu erkennen, dass die Rippe spiralartig verläuft.
  • In 4 zeigt die gestrichelte Fläche den Bereich, in dem die Rippe verlaufen kann. Dieser Bereich bezeichnet den Querschnitt des Blattes in situ. Im Falle eines gebogenen Blattes rotiert das Koordinaten-Achsen-System relativ zu der Blattachse in konstanter Weise.
  • Die erfindungsgemäße Rippe ist in dem Quadranten angeordnet, der zwischen der 90°- und 180°-Linie begrenzt ist.
  • Weitere Varianten der Erfindung sind in den 5 und 6 gezeigt. In 5 ist ein Blatt einer Windturbine durch das Bezugszeichen 11 gekennzeichnet. Es besteht aus einem Verbindungsteil. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet die Blattachse, während das Windenergieabsorbierende Profil mit dem Bezugszeichen 15 versehen ist. Das erfindungsgemäße Bauteil ist mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnet. Wie im Falle der zuvor genannten Ausführungsform und der weiter unten beschriebenen Ausführungsform kann das Teil flexibel oder sogar steuerbar sein.
  • Eine weitere Ausführungsform ist in 6 gezeigt und als Gesamtes mit dem Bezugszeichen 21 versehen. Der Schaft ist mit dem Bezugszeichen 23 versehen, während das Bezugszeichen 27 die Blattachse bezeichnet. Der windabsorbierende Teil ist durch das Bezugszeichen 25 gekennzeichnet und das Verbindungsteil durch das Bezugszeichen 22. Das erfindungsgemäße Teil ist durch das Bezugszeichen 26 gekennzeichnet.
  • Unter Bezugnahme auf 4 wird unten ein Beispiel einer Rippe bereitgestellt, die spiralförmig um das Verbindungsteil verläuft. Die 90–270°-Linie entspricht dem Rotorschaft. Das Koordinatensystem hier ist relativ zu der Achse fixiert und rotiert nicht mit der Blattdrehung. Bei einer Gesamtlänge von 5% des Blattes beträgt die Position der Rippe 158°. Bei einer Gesamtlänge von 10% des Blattes beträgt die Position 122°, und bei 30% der Länge des Blattes beträgt diese 103°.
  • Es handelt sich hierbei lediglich um ein Beispiel, und es sind erhebliche Modifikationen innerhalb des in 4 schraffierten Bereichs möglich. Abweichungen von bis zu 30° relativ zu dieser bevorzugten Position sind möglich.
  • Obwohl die Erfindung oben unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, ist diese so zu verstehen, dass zahlreiche Modifikationen möglich sind. Zum Beispiel kann das Bauteil 6 nur über einen begrenzten Teil der Höhe des Verbindungsteils 2 verlaufen, und das Verbindungsteil 2 kann eine Form aufweisen, die von der Kreisform abweicht. Solche Modifikationen sind für den Fachmann ersichtlich, nachdem er die oben genannte Beschreibung gelesen hat, und liegen innerhalb des Schutzumfangs der nachfolgenden Ansprüche.

Claims (9)

  1. Blatt (1, 11, 21, 31) einer Windturbine, umfassend ein Verbindungsteil (2, 12, 22), das an einem Ende mit Verbindungsmitteln zur Verbindung der Achse (4)/Nabe (3, 13, 23) einer Windturbine versehen ist, und ein Windenergie-absorbierendes Profil (5, 15, 25), das für den Windstrom optimiert ist und sich von dem anderen Ende des Verbindungsteils erstreckt, wobei das Verbindungsteil mit einem Bauteil (6, 16, 26, 36) versehen ist, das so ausgebildet ist, dass die Anordnung, die das Bauteil (6, 16, 26, 36) und das Verbindungsteil umfasst, Windenergie absorbieren kann, wobei das Bauteil eine Rippe (6, 16, 26, 36) umfasst, die von dem Verbindungsteil hervorragt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (6, 16, 26, 36) in einer Ebene angeordnet ist, die einen Winkel bildet, der auf der Druckseite zwischen 45° und 135° zu der Ebene der Blatttiefe des Windenergie-absorbierenden Profils liegt.
  2. Blatt nach Anspruch 1, wobei der Winkel zwischen 45° und 135° liegt.
  3. Blatt (1, 11, 21, 31) nach Anspruch 1, wobei sich die Rippe in einer Ebene befindet, die einen Winkel von etwa 90° zu der Ebene der Blatttiefe des Windenergie-absorbierenden Profils bildet.
  4. Blatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsteil einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt umfasst.
  5. Blatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsteil den Übergang von einem kreisförmigen zu einem aerodynamischen Profil umfasst.
  6. Blatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Höhe (h) der Rippe (6, 16, 26) das 0,05- bis 0,3-fache des Durchmessers (d) oder der Dicke des Verbindungsteiles ausmacht.
  7. Blatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsteil mit wirbelerzeugenden Generatoren (8) versehen ist.
  8. Blatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches als ein flexibles Teil ausgebildet ist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Blattes (1, 11, 21) einer Windturbine, umfassend das Bereitstellen eines Blattes (1, 11, 21), das ein Verbindungsteil (2, 12, 22), das an einem Ende mit Verbindungsmitteln zur Verbindung der Achse (4)/Nabe (3, 13, 23) einer Windturbine versehen ist, und ein Windenergie-absorbierendes Profil (5, 15, 25), das für den Windstrom optimiert ist und sich von dem anderen Ende des Verbindungsteiles erstreckt, umfasst, wobei das Verbindungsteil mit einem Bauteil (6, 16, 26, 36) versehen ist, das derart ausgebildet ist, dass die Anordnung, die das Bauteil (6, 16, 26, 36) und das Verbindungsteil umfasst, Windenergie absorbieren kann, wobei das Bauteil eine Rippe (6, 16, 26, 36) umfasst, die von dem Verbindungsteil herausragt, wobei die Rippe (6, 16, 26, 36) in einer Ebene angeordnet ist, die einen Winkel bildet, der auf der Druckseite zwischen 45° und 135° zu der Ebene der Blatttiefe des Windenergie-absorbierenden Profils liegt, wobei nach der Bereitstellung des Verbindungsteils eine Rippe darauf derart angeordnet wird, dass die Anordnung, welche die Rippe (6, 16, 26) und das Verbindungsteil umfasst, Windenergie erzeugen kann.
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