DE102008026474A1

DE102008026474A1 - Rotorblatt für eine Windkraftanlage sowie Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102008026474A1
Application number: DE102008026474A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Mickeler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2009-12-10
Also published as: EP2297455A2; WO2009146810A2; WO2009146810A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage, insbesondere für eine Horizontalachsenturbine mit einem aerodynamischen Profil, das eine Druckseite (16) und eine Saugseite (15) aufweist. Die Tiefe (T) des aerodynamischen Profils wird durch den Abstand der Blattvorderkante (13) zur Blatthinterkante (14) bestimmt, und dessen Decke (D) ist durch den Abstand der Saugseite (15) zur Druckseite (16) definiert. Das Rotorblatt erstreckt sich, ausgehend vom Blattanschluss (10), entlang einer Längserstreckungsrichtung zur Blattspitze (11). Gemäß der Erfindung ist auf der Saugseite (15) des Rotorbaltts (6) im Bereich der Vorderkante (13) unter Einhaltung eines Spalts zur Saugseite (15) ein Vorflügel (20) angeordnet, der sich etwa vom Blattanschluss (10) über maximal ein Drittel der Länge des Rotorblatts (6) erstreckt. Mit Hilfe des Vorflügels (209 werden die Leistungsdefizite aufgrund aerodynamisch unvollkommener Profile im angegebenen Bereich wenigstens teilweise kompensiert und dadurch das Leistungspotential eines erfindungsgemäßen Rotorblatts erhöht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2 sowie eine Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Rotorblatt gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 23.
Angesichts eines in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich steigenden Energiebedarfs, der zur Deckung dieses Energiebedarfs immer knapper werdenden Primärrohstoffe sowie eines gesteigerten Bewusstseins für eine umweltverträgliche Energieerzeugung rücken regenerative Energiequellen immer mehr ins Interesse der Öffentlichkeit. Neben der Nutzung der Wasserkraft und Sonnenenergie bestehen erhebliche Anstrengungen darin, die Windkraft zur Erzeugung von Energie zu nutzen.
Zu diesem Zweck bekannte Windkraftanlagen bestehen aus einem Turm, an dessen Ende ein Rotor mit radial ausgerichteten Rotorblättern drehbar gelagert ist. Der auf die Rotorblätter auftreffende Wind versetzt den Rotor in eine Rotationsbewegung, die einen mit dem Rotor gekoppelten Generator zur Stromerzeugung antreibt. Durch ein entsprechend aerodynamisches Design der Rotorblätter ist man dabei bestrebt, einen möglich großen Wirkungsgrad zu erzielen, d. h. die dem Wind innewohnende kinetische Energie mit möglichst geringen Verlusten in elektrische Energie umzuwandeln. Ein Beispiel für eine solche Windkraftanlage ist in der DE 103 00 284 A1 beschrieben.
Dabei stellt sich als allgemein problematisch heraus, dass Windkraftanlagen mehreren Bedingungen gleichzeitig genügen müssen, die sich teilweise gegenseitig ausschließen und die teilweise in Abhängigkeit weiterer Parameter veränderlich sind. Die Gründe hierfür sind zum Teil konstruktionsbedingt, nämlich dass infolge der Rotation eines Rotorblatts in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse über die Länge des Rotorblattes in Abhängigkeit des jeweiligen radialen Abstandes zur Rotationsachse unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten auftreten. Überlagert werden diese unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten von in der Natur schwankend vorherrschenden Windverhältnissen, so dass ein Rotorblatt im Betrieb sowohl stark schwankenden Anströmgeschwindigkeiten als auch veränderlichen Anströmwinkeln gegenübersteht. Weitere Rahmenbedingungen sind durch Grenzwerte bei Lärmemissionen sowie maximale Abmessungen zur Bewerkstelligung des Transports gegeben. Beim Design eines Rotorblattes besteht die Kunst daher darin, den unterschiedlichen Ausgangsbedingungen und Anforderungen in einem Design gerecht zu werden. Das Design eines Rotorblatts ist daher immer ein bestmöglicher Kompromiss, um allen Erfordernissen gerecht zu werden.
Die aerodynamische Optimierung von Rotorblättern in ihrem Außenbereich ist bereits weit fortgeschritten. Hingegen ist der Innenbereich eines Rotorblatts einer weiteren Zwangsbedingung unterworfen, die dessen Optimierung erheblich erschwert. Infolge der auf die Rotorblätter auftreffenden Windlast ergibt sich in Richtung des Anschlussbereichs des Rotorblatts an die Rotornabe eine exponential steigende Momentenbeanspruchung. Beim Design eines Rotorblatts muss dieser Beanspruchung in konstruktiver Hinsicht Rechnung getragen werden, was in der Praxis zu einer erheblichen Verdickung der aerodynamischen Profile im Bereich der Blattwurzel führt. Ab einem bestimmten Dicken-Tiefen-Verhältnis sind diese Profile aerodynamisch nur noch bedingt wirksam, wenn nicht sogar unwirksam und tragen daher nur in geringem Umfang oder gar nicht zur Leistungsausbeute der Windkraftanlage bei. Hinzu kommt, dass die Hinterkante konventioneller Rotorblätter im Blattwurzelbereich oft abgeschnitten ist, was die aerodynamische Leistungsfähigkeit des Rotorblatts prinzipiell beeinträchtigt und in der Folge der aerodynamisch wirksame Nabenradius radial nach außen verlagert wird.
Um auch den Blattwurzelbereich für die Energiegewinnung besser zu nutzen, wird gemäß der DE 103 19 246 A1 vorgeschlagen, ein Rotorblatt im Wurzelbereich mit extrem großen Blatttiefen auszustatten. Auf diese Weise wird das Blattprofil aerodynamisch verbessert, so dass die Häufigkeit von Strömungsabrissen abnimmt und damit Verluste minimiert werden. Zudem wird mit der großen Blatttiefe im Bereich der Blattwurzel eine zusätzliche Ertragsfläche zur besseren Ausnutzung der Windenergie bereitgestellt. Auch entspricht eine große Blatttiefe im Blattwurzelbereich besser der optimalen Blattzirkulationsverteilung mit der Folge einer geringeren induzierten Verlustleistung.
Der Nachteil eines solchen Rotorblatts wird vor allem bei Windkraftanlagen mit großem Rotordurchmesser deutlich. So werden bei Rotorblättern mit einer Länge von 50 m bis 70 m Blatttiefen im Wurzelbereich bis zu 8 m erreicht. Solche Rotorblätter sind für einen Transport auf der Straße nicht mehr geeignet. Es ist daher notwendig, derartige Rotorblätter mehrteilig zu konstruieren mit dem damit verbundenen zusätzlichen Aufwand bei der Blattherstellung und den Gefahren einer aerodynamisch problematischen Stoßstelle.
Schließlich ist auch schon durch Benutzung eine Windkraftanlage mit einem einflügligen Rotor bekannt. Das einzige Rotorblatt der Anlage ist über ein Schlaggelenk an der Rotorwelle befestigt. Das über seine Länge verwindungsfreie Rotorblatt weist einen konstanten Querschnitt auf und besitzt somit über seine gesamte Länge konstante aerodynamische Eigenschaften. Um die Anlage stets im stabilen Bereich betreiben zu können, ist eine Bremseinrichtung zur Begrenzung der Rotordrehzahl vorgesehen. Die Bremseinrichtung sieht einen Vorflügel entlang der Vorderkante des Rotorblatts vor, der bei Überschreiten einer Grenzdrehzahl fliehkraftbetätigt um seine Längsachse schwenkt und das bis zum Nennlastbereich aerodynamisch qualifizierte Profil derart verändert, dass sich die Luftströmung auf der Profiloberseite plötzlich ablöst und damit Bremsleistung erzeugt. Um die Bremsleistung überhaupt erzeugen zu können beträgt die Länge des Vorflügels etwa 75% der Länge des Rotorblatts. Bei kürzeren Vorflügeln überwiegt der im Außenbereich des Rotorblatts erzeugte Vortrieb die dem entgegenwirkende Bremsleistung im Innenbereich, so dass nur ungenügend Bremsleistung zur Verfügung gestellt wird. Dem Vorflügel dieser Windkraftanlagen kommt somit ausschließlich die Funktion einer Überlastsicherung zu.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Windkraftanlagen in ihrer Leistung zu steigern, insbesondere ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage anzugeben, das über seinen gesamten Innenbereich einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist, ohne die vorgenannten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
Diese Aufgabe wird durch ein Rotorblatt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder 2 sowie eine daraus hergestellte Windkraftanlage gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 23 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung löst sich von der im Stand der Technik allgegenwärtigen Vorstellung, eine Windkraftanlage aerodynamisch zu optimieren, indem das Profil des Rotorblatts im Blattwurzelbereich modifiziert wird. Stattdessen beschreitet die Erfindung einen gänzlich anderen Weg, indem Verluste infolge aerodynamisch unvollkommener oder gänzlich unwirksamer Blattwurzelprofile durch die Anordnung eines Vorflügels in dem entsprechenden Bereich ausgeglichen werden.
Die Anordnung eines Vorflügels erzeugt gewöhnlicherweise, also bei einem Profil mit Druck- und Saugseite, eine Luftströmung mit hoher Geschwindigkeit von der Druckseite des Rotorblatts hin zu dessen Saugseite und führt so der Saugseite kinetische Energie zu. Angereichert mir dieser kinetischen Energie kann die Grenzschicht der Strömung den Druckanstieg im hinteren Bereich der Saugseite weit besser aushalten ohne abzulösen. Ganz besonders geeignet ist der Vorflügel bei Profiltiefen von relativen Dicken D/T von 40% und mehr, das heißt also für sogenannte Strakprofile, die durch den Strak von einem letzten aerodynamisch gesicherten Profil von zum Beispiel 40% relativer Dicke D/T auf das Kreisprofil des unmittelbaren Blattanschlussbereichs entstehen. Selbst im Extremfall eines Kreisprofils, wie es zum Beispiel im Blattanschlussbereich vorhanden ist, wirkt sich der Vorflügel leistungssteigernd aus. Bei diesem per se neutralen Profil (kein Auftrieb, nur Widerstand) erzeugt der Vorflügel eine Unsymmetrie der Umströmung und dadurch eine Saug- und eine Druckseite und somit einen nutzbaren Auftrieb bei nur geringer Widerstandserhöhung. Durch den Vorflügel wird also zum einen der aerodynamisch wirksame Blattbeginn wesentlich in Richtung der Rotorachse verlagert und somit das Rotorblatt über seine Länge besser genutzt.
Zum anderen lässt sich die optimale Zirkulationsverteilung Γ über die Spannweite des Rotorblatts besser realisieren und somit die induzierte Verlustleistung des Rotors verringern. Mit der Zirkulationsgleichung Γ(r) = ½·weff·t·ca (wobei w_eff der effektiven lokalen Anströmgeschwindigkeit des betreffenden Profilschnitts entspricht)
zeigt sich, dass die optimale Zirkulation im Blattwurzelbereich sowohl mit vergrößerter Blatttiefe t (wie bei DE 103 19 246 A1 ) als auch mit vergrößertem Auftriebsbeiwert c_a realisiert werden kann. Die vorliegende Erfindung zielt auf eine Vergrößerung des c_a-Wertes mit Hilfe eines Vorflügels ab.
Diese beiden genannten Vorteile, die der Vorflügel am Innenflügel bewirkt, nämlich bessere Ausnutzung des Rotorblatts und geringere induzierte Verlustleistung durch bessere Anpassung an die optimale radiale Zirkulationsverteilung, addieren sich nicht nur, sondern verstärken sich gegenseitig mit dem Effekt einer überproportionalen Leistungssteigerung der Windturbine.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich dabei, dass die Leistungssteigerung dank der Erfindung ohne Änderungen am Blattprofil selbst erreicht werden kann. Es ist also möglich, weiterhin Rotorblätter mit verhältnismäßig geringen Tiefen im Blattwurzelbereich herzustellen und zu nutzen mit dem Vorzug einer einfachen und kostengünstigen Herstellung sowie eines einfachen Transports, ohne Einbußen beim Wirkungsgrad einer Windkraftanlage hinnehmen zu müssen.
Da der erfindungsgemäße Vorflügel nicht zwangsläufig Modifikationen am Blattprofil voraussetzt, ist es ferner möglich, bestehende Windkraftanlagen in erfindungsgemäßer Weise nachzurüsten, um auch bei bestehenden Anlagen in den Genuss einer erhöhten Leistungsausbeute zu kommen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden zur Erleichterung des Verständnisses für gleiche oder gleichwirkende Elemente der Erfindung bei allen Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet.
Es zeigt
1 eine Ansicht auf die Luvseite einer erfindungsgemäße Windkraftanlage,
2a eine Draufsicht auf die Saugseite eines erfindungsgemäßen Rotorblatts der in 1 dargestellten Windkraftanlage,
2b–f Profilschnitte des in 2a dargestellten Rotorblatts in unterschiedlichen Querschnittsebenen,
3 eine Teilansicht von schräg hinten auf den Innenbereich des in den 1 und 2a bis f dargestellten Rotorblatts,
4–5 zwei Teilansichten weiterer Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Rotorblatts im Bereich des Innenflügels,
6–9 jeweils einen Querschnitt weiterer Ausführungsformen durch ein erfindungsgemäßes Rotorblatt im Bereich des Vorflügels,
10–12 jeweils eine Schrägansicht auf weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Rotorblatts im Bereich des Innenflügels,
13–16 jeweils eine Schrägansicht auf weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Rotorblatts im Anschlussbereich an die Rotornabe,
17 eine Schrägansicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotorblatts im Bereich des Innenflügels,
18 einen Querschnitt durch das in 17 dargestellte Rotorblatt entlang der dortigen Linie XVIII-XVIII,
19 einen Teilquerschnitt durch den Anschlussbereich eines erfindungsgemäßen Rotorblatts mit der Anordnung einer Gurney-Flap und
20 einen Teilquerschnitt durch ein erfindungsgemäßes Rotorblatt mit einer Gurney-Flap im Bereich der Hinterkante.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Windkraftanlage 1, die sich zusammensetzt aus einem Turm 2, der mit seinem Fußbereich fest im Untergrund 3 verankert ist. Im Kopfbereich des Turms 2 sieht man einen Rotor 4, der um eine senkrecht zur Darstellungsebene verlaufende Rotationsachse 7 in Richtung eines Pfeils 8 rotiert. Der Rotor 4 setzt sich im Wesentlichen zusammen aus einer Nabe 5, die am Kopf des Turms 2 drehbar gelagert und mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist. Im Bereich der Nabe 5 sind die Rotorblätter 6 an den Rotor 4 angeschlossen.
In den 2a bis f ist ein Rotorblatt 6 des Rotors 4 in größerem Maßstab dargestellt. Während 2a eine Draufsicht auf die Saugseite eines erfindungsgemäßen Rotorblatts 6 zeigt, stellen die 2b bis f Querschnitte desselben in den entsprechend benannten Lotebenen zur Blattlängsachse dar.
In 2a ist mit dem Bezugszeichen 9 die Längserstreckungsrichtung des Rotorblatts 6 bezeichnet. In Längserstreckungsrichtung 9 erstreckt sich das Rotorblatt 6 vom nabenseitigen Blattanschluss 10 bis zum freien Ende des Blatts 6, das als Blattspitze 11 bezeichnet ist.
Aus 2a ist zudem eine Längsgliederung des Rotorblatts 6 ersichtlich, auf die im weiteren Teil der Beschreibung Bezug genommen wird. Die Bezugsebene für ein erfindungsgemäßes Rotorblatt 6 ist die Blattanschlussebene 12, die den Übergang des Rotorblatts 6 zur Nabe 5 definiert. Der Abstand der Blattanschlussebene 12 zur Rotationsachse 7 ist in 2a mit L₁ bezeichnet und entspricht dem Nabenradius. Der kreiszylindrische Teil des Rotorblatts mit der Länge L₂ stellt den Abstand von der Blattanschlussebene 12 zum Beginn der Strakprofile des Rotorblatts 6 dar und wird im Weiteren als Blattanschlussbereich bezeichnet. Mit L₃ ist der Blattwurzelbereich gekennzeichnet, der dem Abstand der Blattanschlussebene 12 zum aerodynamisch wirksamen Blattbeginn entspricht. Der aerodynamisch wirksame Blattbeginn liegt in der Lotebene zur Längserstreckungsrichtung 9, in der aufgrund eines ausreichend aerodynamisch qualifizierten Profils erstmals ein Beitrag zur Leistungsausbeute der Windkraftanlage 1 erwirtschaftet wird. Der aerodynamisch wirksame Blattbeginn wird auch aerodynamischer Nabenradius genannt. L₄ beschreibt schließlich den Abstand der Blattanschlussebene 12 zum ersten Drittelpunkt des Rotorblattes 6, der im weiteren auch als Innenbereich oder Innenflügel bezeichnet ist.
In 2a ist ferner die Blattvorderkante 13 des Rotorblatts 6 erkennbar, die bei Rotation des Rotors 4 die Anströmkante darstellt. Ihr in Blattebene gegenüberliegend verläuft die Blatthinterkante 14. Der Abstand zwischen Vorderkante 13 und Hinterkante 14 ergibt die Tiefe T, die ausgehend vom Blattanschlussbereich L₂ zunimmt bis zu einem Punkt innerhalb des Innenflügels, von wo sie sich zur Blattspitze 11 hin kontinuierlich verringert.
Die in 2a dargestellte Oberseite des Rotorblatts entspricht der Saugseite 15, die darunter liegende Unterseite der Druckseite 16.
Die 2b–2f geben die unterschiedlichen Profilquerschnitte in den angegebenen Abständen zur Blattanschlussebene 12 wieder. In der Blattanschlussebene 12 besitzt demnach das Rotorblatt 6 einen Kreisquerschnitt, mit dem es an die Nabe 5 anschließt. Der Kreisquerschnitt wird in der Regel über den gesamten Blattanschlussbereich L₂ beibehalten. Da ein Kreisprofil ohne zusätzliche Maßnahmen keinen Auftrieb liefert, würde in diesem Bereich kein Beitrag zur Energiegewinnung erzeugt werden. Das gilt auch weitgehend für die ersten Strakprofile auf der Strecke L₃ bis L₂. 2c zeigt einen solchen Profilschnitt, der ohne weitere Maßnahmen praktisch nichts zur Leistung des Rotors beitragen kann.
Erst außerhalb von L₃ würden die Strakprofile ohne weitere Maßnahme in der Lage sein, Auftrieb zu erzeugen, wenn auch nur in geringem Maße. Hinzu kommt, dass die Hinterkante 14 bekannter Rotorblätter meist abgeschnitten ist, um große Blatttiefen zu vermeiden (vgl. 2d). Durch den Hinterkantenabschnitt erhält man aber große relative Profildicken D/T von z. B. 70%, womit der Auftrieb sowie der wirksame Anstellwinkelbereich sinken und der Widerstand steigt. Diese Probleme lassen sich auch nicht dadurch beheben, dass man ein solches Profil einfach an der Hinterkante zuspitzt, Profildicke und -tiefe aber beibehält. Man würde durch diese Zuspitzung in Richtung der Hinterkante einen Druckanstieg verlangen, den die Grenzschicht nicht darstellen kann. Die Strömung löst auf der Ober- und eventuell auch auf der Unterseite ab und zwar mit schlechterem Ergebnis als bei einem Profil mit gut gewählter endlicher Hinterkantendicke. Mit zunehmender radialer Position erhält man eine immer besser werdende Annäherung an ein aerodynamisch qualifiziertes Profil. Die Profiltiefe nimmt zu, Profildicke und Hinterkantendicke nehmen ab (siehe 2e).
Um die Leistungsausbeute eines erfindungsgemäßen Rotorblatts 6 im Bereich aerodynamisch ungünstiger Profilquerschnitte zu erhöhen, ist gemäß der Erfindung ein Vorflügel 20 vorgesehen, der, wie 2a zeigt, sich auf der Saugseite 15 in Längserstreckungsrichtung 9 mindestens über die ganze Strecke L₃ erstreckt. Nach innen hin kann der Vorflügel 20, soweit es die Nabengeometrie erlaubt, über den Blattanschluss 12 überstehen und die Nabe überlappen, wie 2a zeigt. Nach außen hin wird man ihn soweit fortsetzen, bis er Profilschnitte genügender aerodynamischer Qualifikation erreicht. In der Regel werden das Profilschnitte mit einer relativen Dicke bis annähernd 40% sein, entsprechend einer relativen radialen Position r/R (R ist der Blattradius) von durchschnittlich 20% bis 25%, je nach Blattdesign. Wesentliche Verlängerungen des Vorflügels über diese radiale Position hinaus, also bis zu Profilschnitten deutlich unter 40% relativer Dicke D/T, können sich als schädlich erweisen, da hier der Vorflügel zuviel zum Auftrieb beiträgt und damit die optimale Zirkulationsverteilung nicht erfüllen hilft wie weiter innen, sondern diese verletzt mit dem Ergebnis einer unnötig hohen induzierten Verlustleistung.
Die Vorderkante des Vorflügels 20 verläuft etwa parallel zur Vorderkante 13 des Rotorblatts 6. Wie aus den 2a bis 2e ersichtlich, liegt der Vorflügel 20 unter Einhaltung eines Spalts zur Saugseite 15 hin mit seiner Vorderkante in etwa auf Höhe der Vorderkante 13 des Rotorblatts 6 und endet etwa im Bereich der größten Dicke D des Rotorblatts 6.
3 zeigt den Innenflügel des in 2a bis f dargestellten Rotorblatts 6 aus einer anderen Perspektive, nämlich von schräg oben auf die Hinterkante 14. Die in gestrichelter Darstellung erkennbaren Profilquerschnitte werden zum Blattanschlussbereich L₂ hin immer dicker und verlangen daher nach großen Tiefen um aerodynamisch effektiver zu sein. Da sich große Blatttiefen bei der Herstellung und dem Transport von Rotorblättern 6 nachteilig auswirken, ist die Hinterkante 14 in diesem Bereich abgeschnitten, wobei in Kauf genommen wird, dass die dadurch entstehenden Profile nur bedingt Vortrieb entwickeln. Zur Leistungssteigerung dieses Bereichs ist im Abstand zur Saugseite 15 entlang der Vorderkante 13 des Rotorblatts 6 ein Vorflügel 20 angeordnet. Da der Vorflügel auch dem Kreiszylinder einen Auftrieb verleiht, kann der Vorflügel sogar auch den zylindrischen Blattanschlussbereich L₂ überdecken und überlappt dabei nach innen gegebenenfalls die Nabe des Rotors soweit wie möglich.
Während der in den 2a bis f dargestellte Vorflügel 20 in der Draufsicht einen rechteckförmigen Grundriss besitzt, d. h. also mit einer konstanten Tiefe T_VF ausgestattet ist, besitzt die in den 4 und 5 dargestellte Ausführungsform des Vorflügels 20 eine vom Blattwurzelbereich in Richtung der Blattspitze 11 abnehmende Tiefe, d. h. der Vorflügel 20 ist nach außen hin verjüngt. Die Verjüngung kann dabei sowohl einen linearen als auch gekrümmten Verlauf aufweisen. Mit einer solchen Ausbildung des Vorflügels 20 wird berücksichtigt, dass das Profil des Rotorblatts 6 zur Blattspitze 11 hin aerodynamisch leistungsfähiger wird, so dass ein Ausgleich der profilbedingten Leistungsdefizite mit Hilfe des Vorflügels 20 nicht mehr in dem Maße notwendig ist.
Aus den 4 und 5 ist ferner ersichtlich, dass das innere Ende 31 des Vorflügels 20 sowie dessen äußeres Ende 32 jeweils einen elliptisch geformten Randbogen 21 und 22 aufweisen, um die induzierte Verlustleistung möglichst gering zu halten.
Die 6, 7, 8 und 9 zeigen Querschnitte durch ein erfindungsgemäßes Rotorblatt 6 im Bereich des Vorflügels 20. Demnach besitzt der Vorflügel 20 ein aerodynamisches Profil, d. h. bei einer Luftumströmung wird am Vorflügel 20 ein Zusatzauftrieb erzeugt, der zusätzlich zum Auftrieb des Rotorblatts 6 wirksam ist und zur Leistungssteigerung insgesamt beiträgt.
Geeignete Profile für einen Vorflügel 20 besitzen eine konvexe Saugseite 23 und eine konkave Druckseite 24, wobei letztere unter Einhaltung eines sich verjüngenden Spalts 25 der Saugseite 15 des Rotorblatts 6 folgt. Mit seiner Vorderkante, die etwa parallel zur Vorderkante 13 des Rotorblatts 6 verläuft, bildet der Vorflügel 20 einen Lufteintritt 26 aus. In diesem Bereich weist der Spalt 25 seine größte Höhe auf und wird in Richtung des stromabwärts liegenden Luftaustritts 27 enger. Auf diese Weise findet eine Beschleunigung der Luftströmung im Spalt 25 statt, die die Neigung zur Strömungsablösung auf der Saugseite 15 des Rotorblatts 6 reduziert.
Während der in den 6, 7 und 8 dargestellte Querschnitt des Vorflügels 20 einen über seine Tiefe T_VF veränderlichen Dickenverlauf besitzt, ist die in 9 gezeigte Ausführungsform des Vorflügels 20 durchgehend aus einem Blech gedrückt, das im Bereich der Anströmkante umgebördelt ist. Die auf diese Weise sehr einfach herzustellende Verdickung im Bereich der Vorderkante des Vorflügels 20 ergibt eine Annäherung an ein aerodynamisch qualifiziertes Profil und erhöht somit die Leistung des Vorflügels 20 im Vergleich zu einem Flügel aus einem einfachen Blech.
Wie aus den 6, 7 und 9 hervorgeht, können zur Befestigung des Vorflügels 20 am Rotorblatt 6 Abstandhalter 28 vorgesehen sein. Die Abstandhalter 28 können selbst ein in Anströmrichtung aerodynamisches Profil aufweisen und sind zwischen der Saugseite 15 des Rotorblatts 6 und der Druckseite 24 des Vorflügels 20 zwischengeschoben, um die Geometrie des Spalts 25 sicher zu stellen. Mittels Schrauben 29, die sich durch den Vorflügel 20 und die Abstandshalter 28 bis in das Rotorblatt 6 erstrecken, wird der Vorflügel 20 in seiner bestimmungsgemäßen Lage fixiert.
Eine hierzu alternative Ausführungsform ist in 8 dargestellt. Dort wird der Flügel mittels Rippen 30, die in regelmäßigen Abständen über die Länge des Vorflügels 20 angeordnet sind, am Rotorblatt 6 befestigt. Die Rippen 30 sind präzise in den Spalt 25 eingepasst, so dass sich für den Vorflügel 20 eine größere Auflagefläche ergibt mit dem Vorteil, dass die exakte relative Lage des Vorflügels 20 gegenüber dem Rotorblatt 6 besser eingehalten werden kann.
Im Hinblick auf die Minimierung der induzierten Verlustleistung und damit Erhöhung der Rotorleistung kommt dem Anschluss der Enden 31 und 32 des Vorflügels 20 an das Rotorblatt 6 bzw. an die Nabe 5 eine besondere Bedeutung zu. Gemäß einer ersten in 10 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ruht der Vorflügel 20 auf in regelmäßigen axialen Abständen angeordneten Abstandhaltern 28 oder Rippen 30, wobei das innere Ende 31 und das äußere Ende 32 frei fahrend ausgebildet sind, d. h. diese Enden kragen mit einem Teil ihrer Länge über die äußeren Befestigungspunkte aus. Wie bereits unter den 4 und 5 erwähnt, erweist es sich als vorteilhaft, bei einer solchen Ausführungsform die Enden 31 und 32 als elliptische Randbögen auszubilden.
Bei der in 11 dargestellten Ausführungsform der Erfindung schließt der Vorflügel 20 im Bereich seiner Enden 31 und 32 durch die Anordnung von bündig mit dem Vorflügel 20 abschließenden Endrippen 33 an das Rotorblatt 6 an. Auf diese Weise wird die induzierte Verlustleistung minimiert.
12 zeigt eine weitere Möglichkeit des Anschlusses der Enden 31 und 32 des Vorflügels 20 an das Rotorblatt 6. Dort sind die Enden 31 und 32 zweifach in entgegengesetzter Richtung gekröpft und mit dem auf diese Weise entstehenden, zum Rotorblatt 6 parallelen Endabschnitt mittels Befestigungsschrauben angeschraubt.
Die in den 10 bis 12 beschriebenen Varianten zum Anschluss des Vorflügels 20 an ein Rotorblatt 6 stellen eine nicht abschließende Aufzählung von Beispielen dar, so dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, den Anschluss des inneren Endes 31 des Vorflügels 20 anders zu gestalten als den Anschluss des äußeren Endes 32. Auch können die in den 10 bis 12 aufgezeigten Varianten miteinander kombiniert werden.
Die 13 bis 16 betreffen die relative Lage des inneren Endes 31 des Vorflügels 20 zur Nabe 5. Bei Windkraftanlagen mit Pitch-Verstellung der Rotorblätter 6 ist es notwendig, eine Relativbewegung zwischen Rotorblatt 6 und Nabe 5 zu ermöglichen. Um dennoch einen aerodynamisch optimal arbeitenden Vorflügel 20 zu erhalten, ist bei der in 13 dargestellten Ausführungsform eines Rotors 4 vorgesehen, den in Längserstreckungsrichtung 9 ankommenden Vorflügel 20 im Blattanschlussbereich L₂ beispielsweise mittels eines Abstandhalters 28 oder einer Rippe 30 zu halten und im weiteren Verlauf unter Überlappung der Nabe 5 frei auskragen zu lassen. Dadurch wird ein kleinst möglicher aerodynamisch wirksamer Blattbeginn erreicht und somit die nutzbare Rotorfläche vergrößert und die induzierte Verlustleistung reduziert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung dieser Ausführungsform wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, an der Nabe 5 im Bereich des inneren Endes 31 des Vorflügels 20 eine zusätzliche Rippe 35 vorzusehen. Dabei erstreckt sich der Vorflügel 20 unter Einhaltung eines geringen Luftspaltes bis zur Rippe 35, so dass die induzierte Verlustleistung zusätzlich reduziert wird (14).
Ein ähnlicher Effekt lässt sich mit der in 15 dargestellten Ausführungsform der Erfindung zeigen. Dort ist das in den Bereich der Nabe 5 auskragende innere Ende 31 des Vorflügels 20 zur Nabe 5 hin abgekröpft. Ein dabei eingehaltener geringer Spalt ermöglicht Relativbewegungen des Rotorblatts 6 und damit auch des Vorflügels 20 gegenüber dem Kreisquerschnitt der Nabe 5.
Die in 16 dargestellte Ausführungsform der Erfindung zeigt den Anschluss eines Vorflügels 20 an die Nabe 5 bei einem Rotor 4 mit starrer Befestigung der Rotorblätter 6, wie es bei Windkraftanlagen mit Stallregelung üblich ist. Ähnlich wie bereits unter 11 beschrieben, ist das innere Ende 31 des Vorflügels 20 zweimal wechselseitig gekröpft und mit seinem Endabschnitt an die Nabe 5 geschraubt.
Die 17 und 18 zeigen eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung eines Vorflügels 20 an einem Rotorblatt 6. Die Besonderheit dieser Ausführungsform liegt darin, dass der Vorflügel 20 integraler Bestandteil des Rotorblatts 6 ist, d. h. Vorflügel 20 und Rotorblatt 6 bilden eine monolithische Einheit, die durch Herausformen des Vorflügels 20 und gegebenenfalls auch der Rippen aus einem Ganzen entstanden ist. Auf diese Weise ist ein aerodynamisch hochqualifiziertes Profil erhältlich.
19 und 20 zeigen schließlich die Kombination einer Gurney-Flap 36 in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Rotorblatt 6 mit Vorflügel 20. Die Gurney-Flap 36 ist auf der Druckseite 16 des Rotorblatts 6 entlang der Hinterkante 14 über einen der Länge des Vorflügels 20 entsprechenden eventuell auch kürzeren oder auch längeren Längsabschnitt angebracht. Deren von der Druckseite 16 des Rotorblatts 6 abstehender Schenkel bewirkt eine Auftriebserhöhung des Rotorblatts 6 und trägt auf diese Weise zusätzlich zur Leistungssteigerung der Windkraftanlage 1 bei.

Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die in den einzelnen Figuren dargestellten und mit den Patentansprüchen beanspruchten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr liegen auch Merkmalskombinationen unterschiedlicher Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung, soweit sie an den Sinn und Zweck der Erfindung anschließen. Bezugszeichenliste:

1	Windkraftanlage
2	Turm
3	Untergrund
4	Rotor
5	Nabe
6	Rotorblatt
7	Rotationsachse
8	Drehsinn
9	Längserstreckungsrichtung
10	Blattanschluss
11	Blattspitze
12	Blattanschlussebene
13	Vorderkante
14	Hinterkante
15	Saugseite
16	Druckseite
17	- unbesetzt -
18	- unbesetzt -
19	- unbesetzt -
20	Vorflügel
21	Elliptischer Randbogen innen
22	Elliptischer Randbogen außen
23	Saugseite Vorflügel
24	Druckseite Vorflügel
25	Spalt
26	Lufteintritt
27	Luftaustritt
28	Abstandhalter
29	Schraube
30	Rippen
31	Inneres Ende Vorflügel
32	Äußeres Ende Vorflügel
33	Abschlussrippe
34	- unbesetzt -
35	Rippe an Nabe
36	Gurney-Flap

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10300284 A1 [0003]
- DE 10319246 A1 [0006, 0014]

Claims

Rotorblatt für eine Windkraftanlage (1), insbesondere für eine Horizontalachsenwindturbine mit einem eine Druckseite (16) und eine Saugseite (15) aufweisenden aerodynamischen Profil, dessen Tiefe (T) durch den Abstand der Blattvorderkante (13) zur Blatthinterkante (14) und dessen Dicke (D) durch den Abstand der Saugseite (15) zur Druckseite (16) definiert ist und das sich ausgehend vom Blattanschluss (10) entlang einer Längserstreckungsrichtung zur Blattspitze (11) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Saugseite (15) des Rotorblatts (6) im Bereich der Blattvorderkante (13) und unter Einhaltung eines Spalts zur Saugseite (15) ein Vorflügel (20) angeordnet ist, der sich etwa vom Blattanschluss (10) über maximal ein Drittel der Länge des Rotorblatts (6) erstreckt.
Rotorblatt für eine Windkraftanlage (1), insbesondere für eine Horizontalachsenwindturbine mit einem eine Druckseite (16) und eine Saugseite (15) aufweisenden aerodynamischen Profil, dessen Tiefe (T) durch den Abstand der Blattvorderkante (13) zur Blatthinterkante (14) und dessen Dicke (D) durch den Abstand der Saugseite (15) zur Druckseite (16) definiert ist und das sich ausgehend vom Blattanschluss (10) entlang einer Längserstreckungsrichtung zur Blattspitze (11) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Saugseite (15) des Rotorblatts (6) im Bereich der Blattvorderkante (13) und unter Einhaltung eines Spalts zur Saugseite (15) ein Vorflügel (20) angeordnet ist, der sich über einen Längsabschnitt des Rotorblatts (6) erstreckt, in dem das Blattprofil eine relative Dicke von D/T ≥ 40% besitzt, vorzugsweise eine relative Dicke D/T zwischen 60% und 100%.
Rotorblatt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Vorflügel (20) über maximal 25% der Länge des Rotorblatts (6) erstreckt.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorflügel (20) starr gegenüber dem Rotorblatt (6) angeordnet ist.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Vorflügel (20) ausgehend vom Blattanschluss (10) bis maximal zum Bereich der größten Profiltiefe (T) erstreckt.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Vorflügel (20) ausgehend vom Blattanschluss (10) bis maximal zum aerodynamisch wirksamen Nabenradius erstreckt.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorflügel (20) über seine Länge einen konstanten Querschnitt besitzt, vorzugsweise aus einem strangpressgezogenen Profil besteht.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorflügel (20) über seine Länge einen variablen Tiefen-, Wölbungs-, Spalt- oder Dickenverlauf aufweist.
Rotorblatt nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe und/oder Dicke des Vorflügels (20) in Richtung der Blattspitze (11) verjüngt sind.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des Vorflügels (20) etwa 10% bis 14% der Tiefe des Rotorblatts (6) entspricht, vorzugsweise 12%.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Norflügel (20) ein aerodynamisches Profil besitzt.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass das innere Ende (31) und/oder das äußere Ende (32) des Vorflügels (20) frei fahrend sind.
Rotorblatt nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorflügel (20) an seinem inneren und/oder äußeren Ende (31, 32) mit einem elliptischen Randbogen (21, 22) abschließt.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorflügel (20) an seinem inneren Ende (31) und/oder äußeren Ende (32) mit einer Rippe (33) abschließt, die mit dem Rotorblatt (6) verbunden ist.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorflügel (20) an seinem inneren Ende (31) und/oder äußeren Ende (32) in Richtung des Rotorblatts (6) abgekröpft und an dieses angeschlossen ist.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorflügel (20) mit Abstandhalter (28) oder Rippen (30) am Rotorblatt (6) befestigt ist.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorflügel (20) aus einem Blech gedrückt ist.
Rotorblatt nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech an der die Vorderkante des Vorflügels (20) bildende Kante zu einer Nase umgebördelt ist.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorflügel aus einem strangpressgezogenen Profil besteht.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorflügel (20) monolithisch aus dem Rotorblatt (6) herausgeformt ist.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Längsabschnitts des Rotorblatts (6), an dem ein Vorflügel (20) angeordnet ist, auf der Druckseite (16) in der Nähe der Hinterkante (14) des Rotorblatts (6) eine Gurney-Flap (36) angeordnet ist.
Rotorblatt nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Gurney-Flap (36) auf dem Kreisprofil des Blattanschlussbereichs (L₂) des Rotorblatts (6) so abgeordnet ist, dass die Gurney-Flap (36) etwa diametral zum Vorflügel (20) zu liegen kommt und die Lage des freien Randes der Gurney-Flap (36) dabei eine Position von etwa 120° gegenüber der lokalen effektiven Anströmgeschwindigkeit aufweist.
Windkraftanlage mit einem Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) mindestens ein, vorzugsweise drei Rotorblätter (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 22 besitzt.
Windkraftanlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) einen Nabenkörper (5) besitzt und der Vorflügel (20) unter Einhaltung eines geringen Spalts oder mittels einer Dichtung an den Nabenkörper (5) anschließt.
Windkraftanlage nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Ende des Vorflügels (20) den Blattanschluss (10) und teilweise den Nabenkörper (5) überdeckt.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Ende gerade verläuft oder abgekröpft ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt starr an die Nabe anschließt und der Vorflügel mit seinem inneren Ende starr an den Nabenkörper anschließt.