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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorblatt mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Windkraftanlagen zeichnen sich durch eine besonders komplexe Rotoraerodynamik aus. Neben der Blattrotation ist der Rotor zusätzlich äußeren Einflüssen, wie atmosphärischer Turbulenz, sowie zeitlichen und räumlichen Schwankungen der Anströmungsgeschwindigkeit, ausgesetzt. Viele dieser strömungsmechanischen Problemstellungen an Windkraftanlagen sind mit denen an Hubschrauberrotoren eng verwandt und damit direkt übertragbar.
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Damit sich bei einem aerodynamischen Auftrieb eines Rotorblatts die Auftriebskraft voll entfalten kann, muss die Strömung des Windes möglichst lange am Profil des Rotorblatts anliegen. Durch das längere Anliegen der Strömung wird zudem, die von der Rotorspitze ausgehende Schallemission verringert.
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Aus der
DE 10 2008 052 858 A1 ist eine Familie von aerodynamischen Profilen bekannt, die dazu ausgelegt sind die Leistung von Windkraftanlagen zu optimieren. Diese Profile zeichnen sich dadurch aus, dass die Skelettlinie wenigstens abschnittsweise unterhalb der Sehne in Richtung der Druckseite verläuft.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rotorblatt anzugeben, das gute aerodynamische Eigenschaften aufweist und die von der Rotorspitze ausgehende Schallemission reduziert.
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Diese Aufgabe wird von einem Rotorblatt mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach ist ein Rotorblatt mit einem Profil, das eine Saugseite, eine Druckseite, eine Profilnase, eine Profilhinterkante und eine Profilsehne mit einer Profiltiefe aufweist, wobei die Druckseite mit einem festen Radius konvex gekrümmt ist, vorgesehen, bei dem die Saugseite in einem mittleren Abschnitt mit einem festen Radius konvex gekrümmt ist. Die zirkelschlagartige Formgebung der Saugseite bedingt dabei ein langes Anliegen der Luftmasse.
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Bei der erfinderischen Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn der mittlere Abschnitt der Saugseite wenigstens eine Länge aufweist, deren Projektion auf die Profilsehne sich über einen Bereich von 10% bis 90% der Profiltiefe von der Profilnase aus erstreckt. Dadurch liegt die Strömung besonders lange und zwar bis zu 90% der Profiltiefe von der Profilnase aus an.
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Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Radius der Druckseite äquivalent zur doppelten Profiltiefe ist.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Radius der Saugseite äquivalent zur Profiltiefe ist.
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Zudem ist es vorteilhaft, wenn der vordere und hintere Abschnitt der Saugseite mit dem zirkelschlagartigen mittleren Abschnitt der Saugseite so verbunden sind, dass die mathematische Funktion des Verlaufs differenzierbar ist.
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Bei der erfinderischen Ausführungsform weist zudem die Verdrehung und Verjüngung des Profils einen linearen Verlauf auf, der an den Durchmesser des Rotors angepasst wird. Somit kann eine konstant anliegende Strömungsgeschwindigkeit des Windes an dem Rotorblatt von der Blattwurzel bis zur Blattspitze erreicht werden, was eine optimale Energieausbeute und einen geräuscharmen Betrieb gewährleistet.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1: einen Querschnitt eines Rotorblattes,
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2: schematische Darstellung einer Windkraftanlage,
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3: Profilansicht einer linearen Profilverdrehung, sowie
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4: Konstruktionsskizze der linearen Profilverdrehung.
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Profil 1 eines Rotorblattes gezeigt. Das Profil 1 ist definiert durch seine Saug- und Druckseite 2, 3 und eine Profiltiefe T. Die Profiltiefe T ist definiert als die gerade Verbindung von Profilnase 4 nach Profilhinterkante 5. Die Krümmung der Druckseite 3 ist konstant mit einem Radius RD. Dabei ist der Radius RD der Profiltiefe T äquivalent.
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Der Verlauf der Saugseite 2 hingegen lässt sich in drei Abschnitte einteilen: einen vorderen, einen mittleren und einen hinteren Abschnitt Za, Zb, Zc. Für die Beschreibung der Abschnitte Za, Zb, Zc werden zwei Punkte A, B auf der Profilsehne 6 definiert: der erste Punkt A liegt von der Profilnase 4 ausgehend bei einer Tiefe von 10% der Profiltiefe T, der zweite Punkt B liegt von der Profilnase 4 aus bei einer Tiefe von 90% der Profiltiefe T. Der vordere Abschnitt Za der Saugseite 2 ist dann definiert als das Stück von der Profilnase 4 bis zu dem ersten Schnittpunkt, an dem das Lot vom ersten Punkt A der Profilsehne 6 die Saugseite 2 schneidet. Der Abschnitt von diesem ersten Schnittpunkt aus bis zum zweiten Schnittpunkt, an dem das Lot vom zweiten Punkt B der Profilsehne 6 die Saugseite 2 schneidet, wird als mittlerer Abschnitt Zb bezeichnet. Weiterhin ist der hintere Abschnitt Zc gegeben als das Teilstück zwischen dem zweiten Schnittpunkt und der Profilhinterkante 5. Dabei weist der Verlauf des mittleren Abschnitts Zb eine konstante Krümmung auf mit einem Radius RS, der äquivalent zur doppelten Profiltiefe T ist. Der vordere und hintere Abschnitt Za, Zc verbinden den mittleren Abschnitt Zb der Saugseite 2 mit der Profilnase 4 und Profilhinterseite 5 so, dass die beschreibende mathematische Funktion an jeder Stelle differenzierbar ist und ein konvexer Verlauf der Saugseite 2 beibehalten wird.
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Durch den zirkelschlagartigen Verlauf des mittleren Abschnitts Zb der Saugseite 2 wird ein längeres Anliegen der Strömung bewirkt und somit die Geräuschemission weitgehend reduziert.
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Der dargestellte Einstellwinkel zwischen Rotorebene und Profilsehne 6 hat die Position an der Blattwurzel. Die Verdrehung und Verjüngung des Profils wird linear gestaltet und ist von dem Durchmesser des Rotors abhängig. Wobei vorzugsweise das Profil eine Verjüngung von der Blattwurzel bis zu der Blattspitze in der Profiltiefe und der dazu senkrecht liegenden Profilhöhe um die Hälfte aufweist.
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2 zeigt eine Windkraftanlage, die eine Drehachse d des Rotors, eine Narbe 7 und von der Narbe 7 ausgehende Rotorblätter 8 mit Blattwurzel 9 und Blattspitze 10 aufweist. Dabei ist rs der Abstand zwischen der Drehachse d des Rotors und der Blattspitze 10, rm der Abstand zwischen der Drehachse d des Rotors und der Rotorblattmitte und rw der Abstand zwischen der Drehachse d des Rotors und der Blattwurzel 9.
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3 zeigt eine Rotorblattverdrehung. Da die Blattspitze 9 eine höhere Geschwindigkeit gegenüber der Blattwurzel 10 hat, muss das Profil 1 des Rotorblatts von der Blattwurzel zur Blattspitze flacher werden. Bevorzugt wird dies durch Verdrehung des Profils erzeugt, wobei sich ein Verdrehwinkel α(r), der den Winkel der Profilsehne im Abstand r von der Drehachse d des Rotors zur Profilsehne an der Blattwurzel 61 beschreibt, linear ändert.
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3 zeigt das Profil 1 an der Blattwurzel mit Profilsehne 61 und das Profil an der Blattspitze mit Profilsehne 62. Der Vollständigkeit halber ist die Anströmrichtung des Windes mit W bezeichnet und D gibt die Drehrichtung des Rotors an. Der Durchmesser des Rotors in diesem speziellen Ausführungsbeispiel beträgt 5 m. Die Steigung S, die Wegstrecke des Windes entlang des Rotors, die für eine Umdrehung des Rotors benötigt wird, ist 2,50 m. Je größer die Steigung S desto mehr Winddurchfluss durch den Rotor, ein größeres Drehmoment, leichteres Anlaufen des Rotors und geringere Drehzahl bei wenig Lärm. Die gewünschte Umdrehung pro Minute des Rotors erreicht man durch Angleichung der Steigung S an die Windgeschwindigkeit. Da vorzugsweise die Steigung S entlang des Rotors von der Blattwurzel zur Blattspitze konstant ist, beträgt der Verdrehwinkel α zwischen Blattwurzel und Blattspitze in diesem konkreten Beispiel 38,84°.
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Allgemein ist der Verdrehwinkel α(r) bei gleichbleibender Steigung S durch folgende Gleichung gegeben:
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4 zeigt die geometrische Konstruktion des Verdrehwinkels α(r) für das Ausführungsbeispiel der 3. Auf der vertikalen Achse ist die Steigung S und auf der horizontalen Achse ist der Umfang des Rotors an der Blattspitze aufgetragen. Diese beiden Achsen bilden die Katheten eines rechtwinkligen Dreiecks, wobei der zwischen Hypotenuse und Ankathete liegende Winkel α(rs) die Summe des zu bestimmenden Verdrehwinkels αs und des Winkels α(rw) = αw ist, und wobei der Winkel αw bestimmt wird, in dem man auf die horizontale Achse den Umfang des Rotors an der Blattwurzel aufträgt und den Winkel zwischen neuer Hypotenuse und neuer Ankathete bei gleichbleibender Steigung S abliest. Um weiterhin den Verdrehwinkel αm der Rotorblattmitte zu bestimmen, trägt man auf die horizontale Achse den Umfang des Rotors an der Rotorblattmitte auf und liest den Winkel α(rm) zwischen neuer Hypotenuse und neuer Ankathete bei gleichbleibender Steigung S ab und subtrahiert αw.
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Der Verdrehwinkel α(r) gibt somit die Verdrehung des Profils ausgehend von der Blattwurzel des Rotorblatts an.
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Zur Leistungsregelung wird ein sogenannter Anstellwinkel des Rotors, der Winkel zwischen der Richtung der anströmenden Luft und der Profilsehne, verändert. Dabei wird der Anstellwinkel an der Blattwurzel eingestellt, so dass dieser Winkel das gesamte Rotorblatt gegenüber der anströmenden Luft dreht. Durch die Verdrehung des Rotorblatts flacht so stets der Anstellwinkel linear von der Blattwurzel zur Blattspitze hin ab.
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Mittels der erfindungsgemäßen Profilverdrehung kann der Verdrehwinkel α(r) für jeden beliebigen Punkt des Rotorblattes errechnet werden. Die lineare Profilverdrehung und deren Konstruktion sind für alle Größen von Windkraftanlagen, alle Steigungen und alle Anstellwinkel anwendbar. Durch die erfindungsgemäße Verdrehung des Rotorblattprofils kann eine konstante Steigung von der Blattwurzel zur Blattspitze erreicht werden, wodurch der Rotor sich geräuscharm und energieeffizient dreht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Profil
- 2
- Saugseite
- 3
- Druckseite
- 4
- Profilnase
- 5
- Profilhinterkante
- 6
- Profilsehne
- 61
- Profilsehne
- 62
- Profilsehne
- 7
- Narbe
- 8
- Rotorblatt
- 9
- Blattwurzel
- 10
- Blattspitze
- T
- Profiltiefe
- RD
- Radius Druckseite
- RS
- Radius Saugseite
- Za
- vorderer Abschnitt
- Zb
- mittlerer Abschnitt
- Zc
- hinterer Abschnitt
- d
- Drehachse Rotor
- rs
- Abstand d-10
- rm
- Abstand d-8
- rw
- Abstand d-9
- D
- Drehrichtung des Rotors
- W
- Anströmrichtung des Windes
- αs
- Verdrehwinkel zwischen Profilsehne der Blattwurzel und Profilsehne der Blattspitze
- αw
- Winkel zwischen Drehachse und Profilsehne der Blattwurzel
- αm
- Verdrehwinkel zwischen Profilsehne der Blattwurzel und Profilsehne der Blattmitte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008052858 A1 [0004]