DE60222079T2

DE60222079T2 - Gezahnte und flexible Windturbinenflügelhinterkante

Info

Publication number: DE60222079T2
Application number: DE60222079T
Authority: DE
Inventors: Henrik Stiesdal; Peder Bay Enevoldsen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2022-11-20
Also published as: EP1314885B1; US20030099546A1; DK1314885T3; US7059833B2; ATE371812T1; ES2289043T3; EP1314885A1; DE60222079D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Windrad-Aerodynamik, insbesondere auf das Optimieren der Energieabgabe von einem Windrad-Rotor, der aus mehreren Blättern besteht.
Typischerweise besitzen die aerodynamisch wirksamen Oberflächen von Windradblättern scharfe oder mäßig stumpfe Hinterkanten, an denen der Sog entsteht. Das Entstehen des Sogs und die Konfluenz der Strömung von den Druck- und den Saugseiten der Profile sind Quellen des Strömungsgeräuschs sowie eines erhöhten Luftwiderstands und eines verringerten Auftriebs.
Es ist möglich, für einen Windrad-Rotor mit einem gegebenen Durchmesser die mechanische Gesamtleistung, die bei einer gegebenen Windgeschwindigkeit verfügbar ist, zu bestimmen. Der Wirkungsgrad des Windrad-Rotors bei einer gegebenen Windgeschwindigkeit ist das Verhältnis zwischen der Leistungsaufnahme und der mechanischen Gesamtleistung, die in dem Wind bei jener Windgeschwindigkeit verfügbar ist.
Zu Alltagszwecken wird der Wirkungsgrad eines Windrad-Rotors in der sogenannten Leistungskurve des Windrades angezeigt. Eine Leistungskurve ist ein Graph und/oder eine Tabelle der elektrischen Leistungsabgabe des Windrades als Funktion der Windgeschwindigkeit. Für Blattwirkungsgradbewertungen ist eine Kurve der mechanischen Leistung, absolut gesehen, notwendig, da der Wirkungsgrad des Windrad-Rotors bei einer gegebenen Windgeschwindigkeit das Verhältnis zwischen der Leistungsaufnahme und der verfügbaren mechanischen Gesamtleistung ist. Die Messung einer Kurve der mechanischen Leistung ist jedoch schwierig, da sie eine stabile bzw. beständige Drehmomentinstrumentierung an der Drehwelle der Turbine bzw. des Windrades erfordert. Folglich wird der Rotorwirkungsgrad gewöhnlich auf der Basis der elektrischen Leistung bewertet, der dadurch von Natur aus die Wirkungen der Verluste in Getriebe, Generator und Kabeln umfasst. Für Blattwirkungsgradbewertungen, absolut gesehen, ist dies unter der Vorausset zung, dass Getriebe-, Generator- und Kabelverluste bekannt sind und während irgendwelchen Modifikationen des Windrad-Rotors unverändert bleiben, hinreichend genau.
Für jenen Windgeschwindigkeitsbereich, der den größten Teil der jährlichen Energieabgabe beiträgt, ist der Wirkungsgrad eines Windrad-Rotors eine Funktion des Verhältnisses zwischen dem Auftrieb und dem Luftwiderstand an den aerodynamischen Profilen des Blattes. Ein hohes Auftrieb/Luftwiderstand-Verhältnis wird bevorzugt.
Gewisse aerodynamische Profile besitzen Formen, die Auftrieb/Luftwiderstand-Verhältnisse über normal verschaffen. Diese sogenannten Laminarprofile werden z.B. an Segelflugzeugen verwendet, die einen Nutzen aus hohen Auftrieb/Luftwiderstand-Verhältnissen ziehen. An Windrädern sind solche Profile jedoch nicht geeignet, da sie sehr empfindlich gegenüber einer Oberflächenverschmutzung, beispielsweise durch Insekten oder Regen, sind. Sobald sie verschmutzt sind, fällt ihr Auftrieb/Luftwiderstand-Verhältnis auf oder unter jenes von normalen Profilen ab.
Den Auftrieb modifizierende Vorrichtungen sind an Windradblättern verwendet worden, um das Auftrieb/Luftwiderstand-Verhältnis zu verbessern oder die aerodynamischen Eigenschaften des Blattes anderweitig anzupassen. Gebräuchliche Vorrichtungen umfassen Strömungsabrissstreifen, Wirbelerzeuger und Gurney-Klappen. Im Allgemeinen haben solche Vorrichtungen negative Auswirkungen auf den Luftwiderstand, wobei normalerweise Kompromisse zwischen Auftrieb und Luftwiderstand erwartet werden.
Es ist bekannt, dass gezahnte Hinterkanten die Auftriebs- und Luftwiderstandseigenschaften einer Auftriebsfläche verbessern. In dem US-Patent 5.088.665 sind verschiedene Ausführungsformen beschrieben.
Bekannterweise werden gezahnte Hinterkanten zu Geräuschreduktionszwecken an Windrädern verwendet. Bei solchen Anwendungen sind die Zahnungen gewöhnlich auf die äußeren 10–20 Prozent der Spannweite begrenzt. Eine Ausführungsform zur Geräuschreduktion mit hexagonalem Querschnitt der Zahnungen ist in dem US-Patent 5.533.865 beschrieben.
Eine allgemeine Beschreibung der Verwendung von gezahnten Hinterkanten an Windradblättern zum Zweck der Geräuschreduktion wird in "Noise Reduction By Using Serrated Trailing Edges/K.A. Braun, N.v.d. Borg, T. Dassen, A. Gordner, R. Parchen", Berichte der EWEC 97, Dublin 1997, unterbreitet.
Keine der obigen Beschreibungen oder Verwendungen von gezahnten Hinterkanten ist gezeigt worden, um den Windrad-Rotor-Wirkungsgrad zu verbessern, oder verwendet worden, um den Windrad-Rotor-Wirkungsgrad zu verbessern oder zu verbessern zu versuchen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verbesserung des Windrad-Rotor-Wirkungsgrades zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, Ausführungsformen zur Verbesserung des Windrad-Rotor-Wirkungsgrades zu schaffen.
Diese und weitere Aufgaben der Erfindung werden gelöst, indem die Blätter eines Windrad-Rotors mit gezahnten Hinterkanten versehen werden, wovon jede in Spannweitenrichtung mehrere periodische Kerben besitzt, vorzugsweise in Form von Sägezähnen, die zwischen benachbarten Scheitelpunkten eingeschlossene Winkel von etwa 60 Grad besitzen und die Merkmale gemäß Anspruch 6 aufweisen.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Wirkungsgrad eines vorhandenen Windrad-Rotors durch die Anfügung einer Vorrichtung an wenigstens einen Teil der Hinterkante der Windradblätter verbessert, wobei die Vorrichtung die Form einer gezahnten Platte besitzt, die an der Oberfläche des Blattes befestigt ist und die Zahnungen hat, die sich in den Luftstrom hinter der Hinterkante des vorhandenen Blattes erstrecken.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Wirkungsgrad eines neuen Windradblattes durch Herstellen des Blattes mit Zahnungen an wenigstens einem Teil der Hinterkanten des Windradblattes verbessert.
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die begleitende Zeichnung, die Teil hiervon ist, ausführlicher beschrieben, wobei überall gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile verweisen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines aerodynamischen Profils, das gewöhnlich an Windrädern verwendet wird.
2 ist eine schematische Draufsicht eines typischen Windradblattes.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Windradblattes, das mit den Auftrieb modifizierenden Vorrichtungen, die gewöhnlich an Windrädern verwendet werden, versehen ist.
4 ist eine schematische Draufsicht eines typischen Windradblattes, das mit den Auftrieb modifizierenden Vorrichtungen, die gewöhnlich an Windrädern verwendet werden, versehen ist.
5 ist eine schematische Draufsicht eines Windradblattes, das mit einer gezahnten Hinterkante, wie sie Bekannterweise zu Geräuschreduktionszwecken verwendet wird, versehen ist.
6 ist eine schematische Draufsicht eines Windradblattes, das zu Wirkungsgradverbesserungszwecken mit einer gezahnten Hinterkante versehen ist, gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Vergrößerung von 6, die einige bevorzugte Abmessungen eines Typs von gezahnter Platte zeigt.
8 ist eine schematische Querschnittsansicht der Anbringung einer bevorzugten Ausführungsform der gezahnten Platte an einem Windradblatt.
9 ist eine weitere schematische Querschnittsansicht der Anbringung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der gezahnten Platte an einem Windradblatt.
10 ist ein Diagramm der Messung der Leistungsstärke eines Windrades, das mit standardmäßigen den Auftrieb modifizierenden Vorrichtungen, die gewöhnlich an Windrädern verwendet werden, versehen war.
11 ist ein Diagramm der Messung der Leistungsstärke desselben, in 10 gezeigten Windrades, das jedoch zusätzlich zu den standardmäßigen den Auftrieb modifizierenden Vorrichtungen mit gezahnten Hinterkanten versehen war.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Windradblattes 1 mit einer Vorderkante 2, einer Hinterkante 3 und einer Auftriebsfläche 4 zwischen der Vorderkante und der Hinterkante. Die Auftriebsfläche besitzt eine stärker konvexe Seite 5, die als Saugseite bezeichnet wird, und eine schwächer konvexe Seite 6, die als Druckseite bezeichnet wird. Eine Profilsehne 7 ist eine zwischen der Vorderkante 2 und der Hinterkante 3 gezogene imaginäre Linie.
2 zeigt eine schematische Draufsicht eines Windradblattes 1 mit einem Wurzelende 8 und einem Spitzenende 9. Die Länge des Blattes von der Wurzel bis zur Spitze wird als Spannweite bezeichnet. Teile des Blattes in der Nähe der Spitze werden als außenbords liegend bezeichnet, während Teile des Blattes in der Nähe der Wurzel als innenbords liegend bezeichnet werden. Der Außenbordteil des Blattes besitzt einen aerodynamisch geformten Querschnitt, gewöhnlich mit einem Profil, das zu einer von zahlreichen "Familien" aerodynamischer Profile, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden, gehört. Am Innenbordteil des Blattes ist der aerodynamisch geformte Querschnitt gewöhnlich zu einem zy lindrischen Querschnitt am Wurzelende verändert. Der Übergang von einem profilierten Abschnitt zu einem kreisförmigen Abschnitt erstreckt sich im Allgemeinen von dem Radius der längsten Profilsehne 10 zu einem Punkt, der normalerweise als Schulter des Blattes bezeichnet wird, zu einem Punkt zwischen der Schulter und dem Blatt.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Windradblattes 1, das mit den Auftrieb modifizierenden Vorrichtungen, die gewöhnlich an Windrädern verwendet werden, versehen ist. Diese Vorrichtungen umfassen einen Strömungsstreifen 11, einen Wirbelerzeuger 12 und eine Gurney-Klappe 13. In den meisten Fällen werden alle diese Typen von Auftrieb modifizierenden Vorrichtungen nicht gleichzeitig an einem gegebenen Abschnitt des Blattes verwendet, jedoch können sie an verschiedenen Abschnitten verwendet werden.
4 ist eine schematische Draufsicht eines typischen Windradblattes, das mit den Auftrieb modifizierenden Vorrichtungen, die gewöhnlich an Windrädern verwendet werden, versehen ist. Es sind typische Orte von Strömungsstreifen 11, Wirbelerzeugern 12 und Gurney-Klappen 13 in Spannweitenrichtung gezeigt.
5 ist eine schematische Draufsicht eines Windradblattes, das mit einer gezahnten Hinterkante, die bekannterweise zu Geräuschreduktionszwecken angewandt wird, versehen ist. Die Zahnungen 14 sind in der Form dreieckig mit einem hexagonalen Querschnitt und besitzen einen ziemlich spitzen Scheitelpunktwinkel von typischerweise weniger als 30 Grad. Der gezahnte Teil der Hinterkante ist auf den Außenbordteil des Blattes in der Nähe der Spitze, der eine Länge von typischerweise 10–20 Prozent der Spannweite besitzt, begrenzt.
6 ist eine schematische Draufsicht eines Windradblattes, das zu Wirkungsgradverbesserungszwecken gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer gezahnten Hinterkante versehen ist. Die Zahnungen 15 sind als dreieckig in der Form mit einem flachen rechtwinkligen oder gerundeten Querschnitt gezeigt und besitzen einen stumpferen Scheitelpunktwinkel als die Zahnungen 14 zur Geräuschreduktion, typischerweise in der Größenordnung von 60 Grad. Die Zahnungen können andere Formen, z.B. mit gerundeten Seiten oder von 60 Grad verschiedenen Scheitelpunktwinkeln, besitzen. Der gezahnte Teil der Hinterkante ist nicht auf den Außenbordteil des Blattes in der Nähe der Spitze begrenzt, sondern hat eine Länge von typischerweise 40–80 Prozent der Spannweite.
7 zeigt eine gezahnte Platte mit einigen bevorzugten Abmessungen der Zahnungen, die zur Verwendung an Windradblättern mit einer Länge von 20–50 m geeignet ist. Die gezahnte Platte 16 kann aus einer Polycarbonat-Tafel von 1000 × 110 mm gefertigt sein. Ein Zahnungszahn 17 kann ein gleichseitiges Dreieck mit einer Höhe von 50 mm bilden. Der Querschnitt kann rechtwinklig bei einer Dicke von 2 mm sein, und die Platte kann entlang der Längsachse gebogen sein, wobei die Biegung 18 einen Winkel von 15 Grad bildet.
8 ist eine schematische Querschnittsansicht der Anbringung von verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen der gezahnten Platte an einem Windradblatt. Eine geradlinige Version der Platte 19 kann an der Druckseite 6 des Blattes angebracht sein und hinter der Hinterkante 3 vorstehen. Eine gebogene Version der Platte 20 kann ebenfalls an der Druckseite 6 des Blattes angebracht sein und hinter der Hinterkante 3 vorstehen, oder eine Version 21 kann an der Saugseite 5 angebracht sein. Die Platte ist aus einem Material und mit einer Dicke gefertigt, die ausreichend sind, um sicherzustellen, dass sich der Winkel des gezahnten Teils ungeachtet der Geschwindigkeit und des Winkels der Luftströmung an der Hinterkante des Blattes im Allgemeinen nicht verändert.
9 ist eine schematische Querschnittsansicht der Anbringung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der gezahnten Platte an einem Windradblatt. Die Platte 22 ist an der Druckseite 6 des Blattes angebracht und längs ihrer Achse gebogen. Die Platte ist aus einem Material und mit einer Dicke gefertigt, die ausreichend sind, um sicherzustellen, dass sich der Winkel des gezahnten Teils in Reaktion auf die Geschwindigkeit und den Winkel der Luftströmung an der Hinterkante des Blattes verändert. Bei einer ziemlich niedrigen Umgebungswindgeschwindigkeit, die einen resultierenden Windgeschwindigkeitsvektor 23 mit einem flachen Winkel zur Profilsehne 7 ergibt, kommt die Form der Platte der unbelasteten Form nahe. Bei einer höheren Umgebungswindgeschwindigkeit, besitzt der resultierende Windgeschwindigkeitsvektor 24 einen größeren Winkel zur Profilsehne 7, wobei sich die Platte zu einer neuen Position 25 oder einer anderen Position in einem Bereich, der durch die Kombination der Steifigkeitseigenschaften der gezahnten Platte und den Bereich von Luftkräften in dem wirksamen Windgeschwindigkeitbereich des Windrades definiert ist, biegt. Dies bedeutet, dass die aerodynamischen Eigenschaften der gezahnten Hinterkante durch richtiges Abstimmen der Steifigkeitseigenschaften der gezahnten Platte automatisch und unmittelbar den aktuellen Windbedingungen angleichen, und zwar in einer Weise, die für die Verbesserung des Wirkungsgrades des Windrad-Rotors besonders vorteilhaft ist.
10 ist ein Diagramm der Messung der Leistungsstärke eines 1,3-MW-Windrades mit einem Rotordurchmesser von 62 m, das mit standardmäßigen den Auftrieb modifizierenden Vorrichtungen, die gewöhnlich an Windrädern verwendet werden, versehen ist.
11 ist ein Diagramm der Messung der Leistungsstärke desselben, in 10 gezeigten Windrades, das jedoch zusätzlich zu den standardmäßigen den Auftrieb modifizierenden Vorrichtungen mit gezahnten Hinterkanten versehen ist. Die gezahnten Kanten waren als Nachrüstung mit gezahnten Platten vorgesehen, wobei jede Platte aus 2-mm-Polycarbonat gefertigt war, eine Länge von 1000 mm und eine Breite von 107 mm besaß und Zahnungen in Form von Sägezähnen mit einer Höhe von 50 mm und zwischen benachbarten Scheitelpunkten eingeschlossene Winkel von 60 Grad besaß. Die Platten waren mit zweiseitig klebenden Bändern an der Druckseite des Blattes angebracht, wobei 75 mm der Plattenbreite (wovon 50 mm Zahnungen waren) über eine Erstreckung in Spannweitenrichtung von 50 Prozent Radius bis 90 Prozent Radius hinter die Hinterkante des vorhandenen Blattes führten. Als Folge hat sich die Leistungskurve bei mittelhohen Windgeschwindigkeiten nach links verschoben, was bedeutet, dass sich die jährliche Energieabgabe des Windrades erhöht hat. In dem vorliegenden Beispiel beträgt die Erhöhung der jährlichen Energieabgabe etwa 4 Prozent. Diese Verbesserung kann zu einer Steigerung der jährlichen Energieerzeugung von etwa 150.000 kWh bei mittelmäßiger Windlage führen, was einer Zunahme der Einkünfte um 6000 $ entspricht. Die für diese Verbesserung des Windrad-Wirkungsgrades aufgebrachten Kosten der gezahnten Hinterkantenplatten betragen weniger als 100 $.
Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen können die Größe, die Form und die Elastizität der Zahnungen entlang der Flügelspannweite variiert werden und große oder kleine Abschnitte der Flügelspannweite ohne Zahnungen belassen werden, und zwar um die Verbesserung des Wirkungsgrades des Windrad-Rotors zu maximieren.
Die vielen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus den Einzelheiten der Patentbeschreibung deutlich; folglich sollen die beigefügten Ansprüche sämtliche solche Merkmale und Vorteile der gezahnten Platte, die dem Erfindungsgedanken entsprechen und im Umfang der Erfindung liegen, abdecken. Da Fachleuten auf der Grundlage der Offenbarung hierin sogleich zahlreiche Abwandlungen und Abänderungen offenbar werden, soll die Erfindung nicht auf die exakte Konstruktion und Funktionsweise, die hier gezeigt und beschrieben sind, begrenzt sein. Daher kann auf alle geeigneten Modi fikationen und Äquivalente zurückgegriffen werden, die in den Umfang der Erfindung fallen.

Claims

Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades eines Windrad-Rotors, das das Vorsehen einer gezahnten Platte an einer Hinterkante (13) jedes der Windrad-Rotorblätter (1) des Windrad-Rotors umfasst, wobei jede der Platten in Spannweitenrichtung mehrere periodische Kerben (15) besitzt, derart, dass sich die Zahnungen von der Hinterkante in den Luftstrom hinter der Hinterkante an jedem Windrad-Rotorblatt des Windrad-Rotors erstrecken, wobei die Zahnungen unter einem von 0 Grad verschiedenen Winkel in Bezug auf die Blatttiefe vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Winkel des gezahnten Teils in Reaktion auf die Geschwindigkeit und den Winkel der Luftströmung an der Hinterkante des Blattes auf Grund der Biegung der Zahnungen und/oder der gezahnten Platte passiv ändert.
Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades eines Windrad-Rotors nach Anspruch 1, wobei die Zahnungen (15) als Nachrüstung eines vorhandenen Windrad-Rotors durch Befestigen einer gezahnten Platte an der Oberfläche des Windradblatts in der Nähe der vorhandenen Hinterkante bereitgestellt werden und die Zahnungen sich von der vorhandenen Hinterkante (3) des Blattes in die Luftströmung hinter der vorhandenen Hinterkante erstrecken.
Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades eines Windrad-Rotors nach Anspruch 1, wobei die Zahnungen (15) als Teil eines neuen Blattes bereitgestellt werden.
Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades eines Windrad-Rotors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zahnungen (15) über eine Erstreckung der Hinterkante in Spannweitenrichtung mit einer Länge im Bereich von 30 bis 100 Prozent des Radius des Blattes bereitgestellt werden.
Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades eines Windrad-Rotors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zahnungen (15) in Form von Sägezähnen bereitgestellt werden, die zwischen benachbarten Scheitelpunkten eingeschlossene Winkel von etwa 60 Grad besitzen.
Vorrichtung zum Verbessern des Wirkungsgrades eines Windrad-Rotors, mit einer gezahnten Platte, die mit jedem Windrad-Rotorblatt verbunden ist, einer oberen und einer unteren Oberfläche an jeder Platte, mehreren periodischen Kerben (15) in Spannweitenrichtung an jeder Platte und Mitteln zum Verbinden der gezahnten Platte mit einer Hinterkante (3) an den Windrad-Rotorblättern des Windrad-Rotors, derart, dass sich die gezahnte Platte von der Hinterkante in die Luftströmung hinter der Hinterkante an jedem Windrad-Rotorblatt des Windrad-Rotors erstreckt, wobei die Zahnungen an jedem Windrad-Rotorblatt einen von 0 Grad verschiedenen Winkel in Bezug auf eine Anbringungsfläche an jedem der Windrad-Rotorblätter des Windrad-Rotors haben, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnungen und jede der gezahnten Platten eine gegebene Steifigkeit haben, die erlaubt, dass sich ein Winkel der Zahnungen in Reaktion auf die Geschwindigkeit und den Winkel der Luftströmung an der Hinterkante jedes der Windrad-Rotorblätter (1) auf Grund der Biegung der Zahnungen (15) und der gezahnten Platte passiv ändert.
Vorrichtung zum Verbessern des Wirkungsgrades eines Windrad-Rotors nach Anspruch 6, wobei die Zahnungen (15) eine Erstreckung in Spannweitenrichtung der Hinterkante haben, die eine Länge im Bereich von 30 bis 100 Prozent des Radius des Blattes hat.
Vorrichtung zum Verbessern des Wirkungsgrades eines Windrad-Rotors nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Zahnungen (15) die Form von Sägezähnen haben, die zwischen benachbarten Scheitelpunkten einen Winkel von etwa 60 Grad einschließen.
Vorrichtung zum Verbessern des Wirkungsgrades eines Windrad-Rotors nach einem der Ansprüche 6–8, wobei der Teil der Zahnungen (15) der gezahnten Platte die Form von Sägezähnen hat, die zwischen benachbarten Scheitelpunkten Winkel von etwa 60 Grad einschließen.