DE10126814A1 - Windradrotor - Google Patents

Abstract

Aufgabe bei der Entwicklung des neuen Windrades war die Erhöhung der Lebensdauer der Rotorblätter, die Reduzierung der Geräuschentwicklung und Unterbindung von unliebsamen Schwingungen an den Rotorblättern, die maßgeblich zu den vorher erwähnten Nachteilen bei bekannten Anlagen führen. Die Formgebung der Rotorblätter war so gewählt, dass diese von der Nabe her nach außen abnahmen, wodurch sich auch Stabilitätsprobleme ergeben haben, die ein Abschalten der Windkraftanlage bei hohen Windgeschwindigkeiten nach sich gezogen haben. DOLLAR A Aufgabe dieser Erfindung ist es, diese Probleme zu lösen. Aus diesem Grunde wurde ein Rotor entwickelt, der über die gesamte Länge einen etwa konstanten Querschnitt aufweist und der von einem Hohlraum in Längsrichtung durchsetzt ist, wobei der Hohlraum einerseits in der Nabe und andererseits am äußeren Ende in einen dort angebrachten Krümmer in Düsen mündet. Die Düsenaustritte am Ende der Rotoren weisen alle in die gleiche Richtung. Der Wind tritt an der Nabe in die Rotorblätter ein und verlässt die Rotoren über die Düsen. Dadurch entsteht eine Reaktionsturbine. Zusätzlich wirken die Rotorblätter in der bekannten Weise auf Grund ihrer Formgebung wie bei herkömmlichen Windrädern.

Description

1. Windradrotoren
• 1.1 Bisherige Konzeption
• Bei den gängigsten Windradkonzeptionen herkömmlicher Bauweise sind mehrere Rotorblätter in gleichen Abständen senkrecht um eine parallel zur Windrichtung verlaufende Drehachse angeordnet. Der auf die Rotorblätter auftreffende Wind versetzt diese aufgrund ihres speziellen aerodynamischen Profils in Drehbewegung um die Nabe, von der aus die kinetische Energie der Drehbewegung umgewandelt und nutzbar gemacht werden kann.
• Problematisch waren hierbei bisher vor allem Luftverwirbelungen im Bereich der Blattspitzen, die zum einen bremsend auf die Drehgeschwindigkeit des Windrades wirkten und zum anderen hochfrequente Schwingungen im Rotorblatt erzeugten, die dessen Lebensdauer teils drastisch einschränkten. Ergänzend sei an dieser Stelle auch die daraus resultierende Geräusch- bzw. Lärmentwicklung aufgeführt, die die Anwohner derartiger Windkraftanlagen einer oftmals sehr hohen Lärmbelastung aussetzt.
• Dieser Problematik Rechnung tragend nahm das Profil der Rotorblätter bisher von breit und stark gewölbt in Nabennähe nach radial außen hin ab und wurde bei schmäler werdendem Blatt zudem auch flacher, was den Wirkungsgrad beeinträchtigte. Große Windstärken, die zur Energiegewinnung wichtig und nützlich sind, stellten bisher zudem für derartig beschaffene Windräder ein Stabilitätsproblem dar, das häufig zu deren Abschaltung bei hohen Windgeschwindigkeiten führte.
1.2 Verbesserte Weiterentwicklung
• Bei der vorliegenden Weiterentwicklung dient ein hohler Aufbau des Rotorblattes mit entsprechenden inneren Abstützungen dazu, Luft anzusaugen und diese aerodynamisch zu nutzen. Hierbei wird Umgebungsluft in der Nähe der Drehachse durch den Rotorkopf oder durch Schuppen im achsnahen Rotorblatt angesaugt, durch die im sich drehenden Rotorblatt wirkenden Fliehkräfte radial beschleunigt, und durch Austrittsöffnungen bzw. Düsen im Randbereich des Rotorblattes ausgestoßen (s. hierzu Abb. 1/l und 1/2).
• Der Nutzen der Entwicklung ist in mehrerlei Hinsicht interessant:
  
• - zum einen erhalten die Blattspitzen über die radial beschleunigte Luft nach dem Prinzip actio gegengleich reactio einen zusätzlich beschleunigenden Drehimpuls, ohne dass zusätzlich von außen Energie zugeführt werden müsste.
• - die in den Blattspitzen austretende Druckluft ermöglicht das Laminarhalten der die Blattenden umströmenden Luft, wodurch die Bildung des stark bremsenden Wirbelzopfes weitgehend unterbunden wird.
• - das weitgehende Fehlen des Wirbelzopfes seinerseits macht sich in geringeren Schallemissionen bemerkbar und ermöglicht es zudem, den wegen seiner großen Hebelwirkung besonders interessanten Bereich der Blattenden konstruktiv zu vergrößern und mit einem breiteren Profil zu versehen, was den Gesamtwirkungsgrad durch die nun vergrößerte Windangriffsfläche enorm steigert.
• - der aus den vergrößerten Blattspitzen resultierende höhere Gesamtwirkungsgrad erlaubt es im Umkehrschluss, die Rotorblätter bei gleicher Leistung kürzer zu gestalten und ermöglicht kompaktere Windräder, die entsprechend besser eingesetzt werden können
• Insgesamt betrachtet erlaubt die durch die austretende Druckluft deutlich verbesserte Aerodynamik im Bereich der Blattenden eine nach radial außen hin zunehmende Blattgröße, die in einer wesentlichen Verbesserung der Hebelwirkung gegenüber herkömmlichen Konstruktionen resultiert. Hierdurch wird der Wirkungsgrad deutlich verbessert, was nicht zuletzt in einer erhöhten Effizienz gerade bei schwachem Wind resultiert. Andererseits stellen auch große Windgeschwindigkeiten kein Problem mehr dar, da sich mit hohen Rotordrehzahlen auch die Zentrifugalbeschleunigung der Luft im Rotorblatt erhöht, die somit auch bei hohen Relativgeschwindigkeiten eine weitgehend laminare Strömung gewährleistet und somit Mikroschwingungen und hohe Schallabstrahlungen unterbindet.
• Durch die beschriebenen Vorteile eröffnet sich die Möglichkeit einer Anwendung auf breiter Basis auch in Gebieten mit geringer Windtätigkeit bei gleichzeitig steigender öffentlicher Akzeptanz aufgrund der nun leiseren Rotoren.
• Verfahren zur Energieübertragung und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens
• Eine Möglichkeit der Energieübertragung besteht darin, einen Drehflügel mit seiner Umgebung zusammenwirken zu lassen. Dies kann z. B. in Form von Windrädern geschehen. Hierbei wird einem strömenden Fluid, (Wind) Energie entzogen, um den Drehflügel zu bewegen. Diese Bewegungsenergie kann z. B. zum Heben von Wasser aus der Tiefe oder zur Erzeugung von Strom verwendet werden. Im anderen Fall wird der Drehflügel motorisch angetrieben und damit Energie auf sein Umgebungsmedium übertragen. Dies geschieht beispielsweise beim Hubschrauberflug.
• Der Wunsch des Menschen, an praktisch jeden Ort mit einem Flugzeug landen zu können führte im Lauf der Zeit u. a. zur Entwicklung von Hubschraubern und Senkrechtstartern (z. B. Harrier, Do 31). Es gab auch veröffentlichte Ideen, Flugzeuge mit Hubschrauben auszustatten, die im Reiseflug stillgesetzt wurden. In jüngster Zeit wurden Flugzeuge mit Schwenkpropellern (Tiltrotor) ausgestattet, die einen senkrechten Start und eine senkrechte Landung ermöglichen, im Reiseflug aber die Eigenschaften eines Flächenflugzeuges haben. Veröffentlicht wurde auch die Idee, ein Flugzeug am Rumpf mit Kipprotoren auszustatten, die einen senkrechten Start, bzw. eine senkrechte Landung erlauben und im Reiseflug wie ein Push-Pull-Antrieb wirken (z. B. Druckschrift DE 44 22 987 A1).
• Um die Nachteile eines Hubschraubers gegenüber den Flächenflugzeugen auszugleichen, wurden Ideen bekannt, einen Hubschrauber mit kleinen Tragflächen auszustatten, die im Reiseflug einen Teil des Auftriebs liefern, damit den Rotor entlasten und eine geringfügig höhere Reisefluggeschwindigkeit zulassen. Solche Hubschrauber sind auch als Verbundhubschrauber bekannt geworden.
• Ziel dieser Erfindung ist es, die erkannten Nachteile des Hubschraubers gegenüber einem Flächenflugzeug zu minimieren.
• Dazu wird, ausgehend von einem Verbundhubschrauber der Rotor so am Rumpf gehalten, daß er während des Fluges von einer Lage oberhalb des Rumpfes in eine Lage am vorderen Ende des Rumpfes verbracht werden kann. Die Kraftübertragung vom Motor zum Rotor über ein Getriebe kann dabei zum Beispiel über eine Gelenkwelle zwischen Getriebe und Rotorkopf erfolgen, die der Bewegung des Rotorkopfes folgen kann. Am einfachsten ist eine Lösung denkbar, bei der der Antrieb des Rotors direkt über einen Motor erfolgt, der im Rotorkopf angeordnet ist. Läßt sich dies noch mit einem Reaktionsantrieb mit Ausblasung an den Rotorblattspitzen kombinieren, so entfällt auch die übliche Verwendung eines Heckrotors und der damit verbundene Aufwand.
• Ein solcher Hubschrauber benötigt natürlich Tragflächen, die den Auftrieb erzeugen, wenn der Rotor in seiner vordersten Stellung angekommen ist. Um beim Start den beispielsweise senkrechten Steigflug nicht zu beeinträchtigen, muß diese Tragfläche am Hubschrauber so angebracht werden, daß sie beim vertikalen Start und bei senkrechter Landung mit ihrer Sehne nicht in waagerechter, sondern in etwa senkrechter Richtung verläuft. Entsprechend der Bewegung des Rotors von oben am Rumpf nach vorne muß die Fläche dann von ihrer bspw. annähernd senkrechten Position beispielsweise um ihre Längsachse so gedreht werden, daß sie beispielsweise in etwa parallel zum Rotorstrahl verläuft oder entsprechend so, daß sie zusammen mit dem Rotor stets den notwendigen Auftrieb liefert. Damit kann die Tragfläche in einer Transitionsphase den Auftrieb erzeugen, den der Rotor aufgrund seiner Bewegung und damit verbundenen Schräglage nicht mehr erzeugen kann.
• Die Blattsteuerung des Rotors sollte dabei während der Bewegung von der oberen in die vordere Endposition von der herkömmlichen überlagerten zyklischen und kollektiven Steuerung in eine rein kollektive Steuerung (Wirkung als Verstellpropeller) übergehen.
• Die Rotorblattsteuerung kann herkömmlich über eine Taumelscheibe erfolgen. Dabei wären mechanische, aber auch pneumatische oder hydraulische Kraftübertragungen denkbar. Eine sehr schnell reagierende Steuerung ließe sich auch über die elektrische Ansteuerung von Piezokristallen verwirklichen. Um größere Verstellwege zu realisieren könnte man mehrere Kristalle hintereinander in Reihe anbringen oder kleine Bewegungen über ein Hebelgetriebe vergrößern. Wenn man die Kristalle entsprechend anordnet und ansteuert, so kann man z. B. auf die Verwendung einer Taumelscheibe verzichten. Die Rotorsteuerung gestaltet sich in diesem Fall viel einfacher als mit einer herkömmlichen Taumelscheibe.
• Der Rotor kann am Rumpf z. B. in einem geschlitzten Hohlprofil gehalten werden, an dessem Grund sich eine Zahnstange befindet, die mittels eines Ritzels ein exaktes Verstellen und Positionieren des Rotors erlaubt. Der Schlitz kann dabei vor und hinter dem Rotor abgedeckt sein.
• Um einen Reaktionshubschrauber mit Antrieb im Rotorkopf zu realisieren, muß der Antrieb ein Druckfluid liefern, das durch die Rotorblätter getrieben wird. Das Druckfluid kann durch einen Verdichter erzeugt werden, aber auch Abgas oder Kühlluft des Antriebs enthalten. Wenn die Rotornabe nach außen offen ist, kann man in der Art einer Strahlpumpe Umgebungsluft mit ansaugen. Ist das Rotorblatt hohl und zu Beginn der Drehbewegung mit Umgebungsluft gefüllt, so wird diese durch die Drehung infolge der Fliehkraft nach außen gefördert. Durch eine Öffnung am Ende des Blattes kann diese das Blatt z. B. parallel zum Druckfluid verlassen. Bei geschickter Formgebung der Auslaßdüse kann diese Luft einen Beitrag zum Rotorantrieb leisten. Wird der Rotor im Reiseflug als Propeller betrieben, so staut sich die Luft an der Nabe und dieser Staudruck unterstützt das Durchströmen der Umgebungsluft durch die Rotorblätter. Um das Durchströmen der hohlen Rotorblätter nicht zu behindern, sollte deren Querschnitt von innen nach außen nicht kleiner werden. Durch das Ausströmen von Fluid am äußeren Ende des Rotors kann man auch erreichen, daß die Randwirbel des Rotors beeinflußt werden. Dadurch läßt sich bei geschickt gestalteter Ausströmung des Fluids der Randwirbel verkleinern und damit der induzierte Widerstand verringern. Dies stellt eine Leistungssteigerung des Antriebs dar.
• Der oben dargestellte Rotor wird motorisch angetrieben, überträgt Energie auf seine Umgebung, erzeugt damit eine Querkraft auf den Rotor (Auftrieb) und läßt den Hubschrauber fliegen.
• Prinzipiell kann die Energieübertragung aber auch von der Umgebung auf einen Rotor geschehen. Dies ist beispielsweise bei einem Windrad der Fall. Dabei wird der Bewegung der umgebenden Luft, bzw. dem Wind, durch einen Rotor Energie entnommen. Dazu ist der Rotor z. B. mit einem Generator oder mit einer Hydraulikpumpe verbunden, die durch den Rotor angetrieben wird. Bei längerer Zeit gleichbleibendem Wind ist aber auch eine direkte mechanische Verbindung als Antrieb für eine Maschine denkbar. Es ist aber auch z. B. eine mechanische Übertragung auf einen Apparat, z. B. eine Wasserpumpe, möglich. Auch hier bietet eine Ausgestaltung des Rotors in der oben dargelegten Art einige Vorteile gegenüber den herkömmlichen Anlagen. Bei dieser Ausgestaltung fehlt zwar das durch den Motor erzeugte Druckfluid, jedoch staut sich auch hier die anströmende Luft an der Rotornabe und erzeugt damit ein natürliches Druckgefälle zur sich drehenden Rotorblattspitze hin. Außerdem wirkt auch hier die Zentrifugalkraft auf die Luft in den hohlen Rotorblättern. Durch die oben dargelegte Möglichkeit der Beeinflussung des Randwirbels läßt sich ferner die Effektivität der Windenergieanlage erhöhen.

Claims (3)

1. Rotorblatt fit Windräder, dessen Innenraum einen Luftführungskanal aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es an einen Rotornabe angeschlossen ist, der Lufteintrittsöffnungen aufweist, die mit dem Innenraum des Rotorblattes verbunden sind und Luftaustrittsöffnungen, z. B. in Form von Luftdüsen, am stromab liegenden Rotorblattrand und der äußeren Spitze des Rotorblattes.

2. Rotorblatt nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nahe der Rotornabe am Rtorblatt selbst Luftansaugöffnungen vorgesehen sind.

3. Rotorblatt nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lufteintrittsöffnungen mit Schuppen abgedeckt sind, die Lufteintritt öffnen.