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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verbesserung der
vom Rotor beeinflussten wirbelbehafteten Umströmung der statischen Teile einer
Propellergesamtanlage.
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Diese
kann sowohl eine Windkraftanlage sein, eine Wasserturbine oder ein
drehbarer Hydraulikantrieb (Schiffsantrieb).
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Bei
Windkraftanlagen ist der Einfluss der Rotorabströmung mit den Turm- und Gondelelementen zu
berücksichtigen,
bei Propelleranlagen ist der Einfluss der abströmenden Medien mit der Propellerhalterung
zu beachten. Insbesondere der Turmbereich auf Höhe der Blattspitzen kann zur
Verbesserung der Gesamtaero(fluid)dynamik in einfacher Weise modifiziert
werden. Die unvermeidbar vorhandenen, rotierenden Wirbelschleppen
der von der Blattspitze erzeugten Endwirbel können mit geeigneter, erfindungsgemäßer Ausrüstung am
Turm besser ablösen und
eine rückwirkungsfreie,
da weniger gestaute Umströmung
im bisherigen Bereich des Schlagschattens vor dem Turmkörper bewirken.
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Die
Umströmung
eines Körpers
im Unterschallbereich ist nicht rückwirkungsfrei, Störungen innerhalb
der Strömung
setzen sich auch in Richtung der Strömungsherkunft fort. Ein Effekt
ist beispielsweise der erhöhte
Staudruck vor einem umströmten Körper, der
mit einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit
einhergeht. So ist das Einfahren eines Zuges in einen Tunnel deutlich
vorher zu spüren.
Bei einer Windkraftanlage heißt
dies, dass die Umströmung
der Gondel und des Turms auf die Rotorblattumströmung negativ einwirken. So
ist die Gondel heutzutage zumeist strömungsgünstig geformt, der Turm jedoch
ist immer rund, da er unterschiedliche Windrichtungen berücksichtigen
muss. Die alleinig drehbare Gondel erlaubt es nicht in kostengünstiger Weise
einen profilierten Turm zu verwenden.
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Derzeit
einzige Methode darauf zu reagieren ist der vergrößerte Abstand
zwischen Rotorblatt und Turm, was zu erhöhten mechanischen Belastungen aufgrund
der Hebelwirkung führt,
die konstruktiv aufgefangen werden müssen.
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Weiterhin
erzeugen umströmte
Tragflächen einen
Endwirbel, der durch den Druckunterschied der beiden Tragflächenseiten
erzeugt wird, dieser Druckunterschied ist ein Maß des nutzbaren Energiegewinns
der Tragfläche.
An der Blattspitze treffen beide Druckzonen direkt aufeinander,
es entsteht eine Ausgleichsströmung
zwischen den beiden Druckzonen, welche den Endwirbel bildet. Dieser
Endwirbel vernichtet nutzbare Energie. Die Entwicklung von sogenannten
Winglets – speziell
geformte, abgewinkelte Flügelspitzen – versucht
diesen Druckausgleich zu reduzieren und die Energiegewinnung zu
maximieren. Diese Technologie hat in der Windkraftbranche bereits
Einzug gehalten. Jedoch bleibt der strömungsbremsende Effekt des Endwirbels
erhalten. Hier können
bis zu 30% der Energie vernichtet werden.
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Die
Erzeugung mehrere kleiner Wirbel anstatt eines großen hat
sich ebenfalls als aerodynamisch günstig herausgestellt, hier
ist der Golfball als Beispiele zu nennen. Mit dem gleichen Zweck
finden Vorflügel
Verwendung. Mit einer wesentlich geringeren Größenordnung der Wirbelbildung
wird die strömungsgünstige Wirkung
von der sogenannten mikrostrukturierten Haifischhaut erklärt.
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So
wird in WO 00/34651 eine Oberflächenbeschichtung
vorgeschlagen, die Aufgrund von einer Nano-Strukturierung vorzugsweise
die Blattspitzen geräuschärmer macht.
Die im Vergleich weiche, da faserartige Lotusoberfläche soll
dem Wirbel Energie entziehen und geräuschmindernd wirken. Sie kann auch
zur Geräuschminderung
an Elementen der Gondel oder des Turmes verwendet werden. Die Oberflächenstrukturen
haben eine Größenordnung von
0,0001 bis 0,15 mm und sollen als Stoßdämpfer wirken. Auf die Wirbelbildung
an der Tragfläche
an sich und dessen Ablösung
wird keinen Einfluss genommen.
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Hier
wird in
DE 19614420 eine
Geometrievariation an der Tragflächenhinterkante
vorgeschlagen, die die Geräuschentwicklung
reduzieren soll, die Wirbelbildung wird zumindest an der Tragflächenhinterkante
seitens der Geräuschentwicklung
beeinflusst.
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Bei
rotierenden Tragflächen
nun, wie bei Windkraftanlagen, steigt die Strömungsgeschwindigkeit jedoch
mit dem Radius der Rotors zur Blattspitze an. So ist der Endwirbel
eines Rotorblatts im Bereich der höchsten Anströmgeschwindigkeit
und damit im Bereich des höchsten
Energiepotenzials. Hier greifen eine Reihe von weiteren Entwicklungen
an. So werden die Blattspitzen mit Winglets versehen, kleinen aerodynamisch
wirksamen Stummelflügeln,
die den Druckausgleich zwischen Ober- und Unterseite der Tragfläche und
damit die Wirbelbildung verringern sollen.
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Ein
derzeitiges reglementiertes Auslegungsmaß für Windkraftanlagen ist beispielsweise
die maximale Blattspitzengeschwindigkeit, die aus Geräuschgründen nicht überschritten
werden darf, die mögliche
Energieausbeute wird damit bereits limitiert.
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Bei
hydrodynamischen Systemen vergleichbar ist der minimal erzeugbare
Unterdruck ein Auslegungsmaß,
Kavitation und mechanische Schäden am
Propeller sind sonst die Folge. Hier wird der Wirkungsgrad ebenfalls
limitiert.
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Bisher
nicht berücksichtigt
ist jedoch das Zusammenspiel und die Rückwirkung der wirbelbehafteten
Umströmung
zwischen dem Rotor und den statischen Turmelementen, insbesondere
auf Höhe
der Blattspitzen.
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Die
periodische Anregung des Turmes beim Vorbeilaufen eines Rotorblatts
führt zum
einen zu Schwingungen des Turmes, des Rotors und der gesamten Struktur.
Diese muss bei der dynamischen Sicherheitsrechnung und strukturellen
Auslegung der Konstruktion berücksichtigt
werden. Dieses sogenannte Schlagmoment des Rotors beim Durchlaufen des
Schlagschattens hinter aber auch vor dem Turm führt zudem zu einer erhöhten periodischen
Geräuschbelastung,
die deutlich störend
in der näheren Umgebung
der Windkraftanlage vernehmbar ist. Die Schwingungsanregung kann
im ungünstigen
Fall die Regelung zur Blattverstellung beeinflussen und den gesamten
Betrieb gefährden.
Die vom Rotor abströmende
Wirbelschleppe schlägt
gegen den Turm, staut sich und muss erneut ablösen, da nach dem Rotorblattdurchgang
wieder eine nicht beeinflusste Strömung anströmt und anliegt, die beim erneuten Blattdurchlauf
wieder durch eine Wirbel abgelöst wird.
Die effektive Abströmgeschwindigkeit
am konventionell runden Turm im Bereich der wichtigen Rotorfläche wird
erheblich reduziert, zudem steigt der Staudruck, diese Rückwirkung
beeinflusst die Rotorumströmung
negativ. Dies hat Auswirkungen auf die Laufruhe, die Schwingungsanregung
und die Geräuschentwicklung,
letztendlich auf die Betriebsdauer und auch den Wirkungsgrad der
Windkraftanlage bzw. Propelleranlage (hydraulische Systeme).
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine entsprechende einfache Vorrichtung anzugeben,
mit der die Wirbelablösung
und Umströmung
am statischen Aufhängeapparat,
dem Turm, effektiv und kostengünstig verbessert
werden kann.
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Die
Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gelöst, daß in vorteilhafter Ausführung um
den Turm verteilte Strömungsleitelemente
in geeigneter Weise befestigt werden, die der drallbehafteten Rotorabströmung auf
Höhe der
Blattspitzen geringeren Widerstand entgegensetzen, als es ein konventionelles
oder auch rundes Turmelement kann.
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Bei
der erfindungsgemäßen Wirkung,
welche die Vorrichtung nach dem Anspruch 1 umsetzt, ist folgendes
wesentlich:
Es gelten die gleichen Wirkweisen, wie sie bei
der Wirbelablösung
bei Tragflächen
benutzt werden, es können
also Flügelendprofile
(Winglets) oder Strömungsprofile
verwendet werden. Diese sollen einen verbesserten Strömungsabriss
gewährleisten.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
können kleine
Profilkanten oder Schienen auf dem Turm angebracht werden. Geeignet
sind beispielsweise ein oder mehrere umlaufende Ringelemente. Weiterhin sind
die bei Schornsteinen verwendeten Windleitelemente eine zielführende Möglichkeit,
wenn diese erfindungsgemäß verwendet
werden.
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Als
Beispiel sei
GB 2362938 erwähnt, wo
Anbauteile für
Turmelemente vorgeschlagen werden, die den Windwiderstand und die
Wirbelbildung verringern sollen. Hier werden runde Turmelemente
aerodynamisch ausgerüstet
um zunächst
die Erzeugung der Karman'schen
Wirbelschleppe zu verhindern bzw. zu verringern. Damit soll die
Schwingungsanregung gemindert werden, jedoch führt die verbesserte Wirbelablösung unmittelbar
auch zu einem geringeren Windwiderstand, der bei der hier beabsichtigten
erfindungsgemäßen Verwendung
ebenfalls von Vorteil ist. Die Anmeldung
GB 2362938 schlägt auch die Verwendung an Türmen bei
sogenannten Leeläufern
vor. Jedoch berücksichtigt
die Anmeldung ausschließlich
nur homogene und laminare Anströmungen
auf die zu modifizierenden Bauteile. Die vom Wirkungsgrad deutlich
vorzuziehenden Luvläufer werden
nicht berücksichtigt.
Die Anmeldung vernachlässigt,
wie alle Entwicklungen auf diesem Gebiet, die drallbehafteten Strömungen und
die Rückwirkung
der Strömung
bei mehreren umströmten Körpern.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können
einzelne Leitbleche montiert sein, die schraubenförmig orientiert über den
Umfang des Turmes verteilt werden. Diese erzeugen einen Grundwirbel
am Turm, der die Rotorwirbelschleppe beim auftreffen auf den Turmkörper günstig beeinflusst.
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Der
widerstandsmindernde Effekt von vielen kleinen erzeugten Wirbeln
kann ebenso genutzt werden. Hier sei noch mal der Golfball erwähnt, bzw.
die Haifischhaut, jedoch in nicht mikroskopischen Größenordnungen.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
können
viele kleine Elemente angeordnet werden. Diese können in sich asymmetrisch oder
symmetrisch sein, schraubenförmig,
parallel oder gekreuzt zueinander angeordnet sein und jeweils einen
kleinen Wirbel erzeugen der den Rotorwirbel leichter abströmen lässt.
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Ein
generell zu berücksichtigender
Unterschied zu den beschriebenen konventionellen Leitelementen ist
jedoch die Drallbehaftung der zu beeinflussenden Strömung im
erfindungsgemäßen Einsatz,
die in der Geometrie der Stromelemente Berücksichtigung finden sollte.
Dieser ist zum einen von der Rotationsrichtung des Rotor abhängig aber
auch von der generellen Anströmgeschwindigkeit,
die wiederum auch einen Fliehkraftanteil bewirkt, der diese Wirbelstromschleppe
nach außen
wandern lässt.
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Bei
höheren
Windgeschwindigkeiten greift der Wirbel mit ebenfalls stärkerer Anströmung weiter unten
am Turm an, dies kann mit veränderten
Profilgeometrien berücksichtigt
werden. Die mit Leitelementen auszurüstende Turmfläche ist
daran anzupassen, sie wird sowohl den am Turm nach unten wandernden
Wirbel, als auch den nach oben mit beeinflussten Teil des Turmes
im Schlagschatten berücksichtigen.
Aufgrund der verringerten Anströmgeschwindigkeit
des Wirbels, kann die Gondel und der Turm im oberen Bereich jedoch
weitgehend vernachlässigt
werden.
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Vorteilhaft
bei der Ausführung
ist eine rotationssymmetrische Verteilung über den Umfang, jedoch kann
es auch vorteilhaft sein eine Anströmungsvorzugsrichtung gesondert
zu berücksichtigen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung für
einen Einsatz in der Serienfertigung ist ein Ringsegment, welches
in Art einer sehr großen
Schelle an der Aufhängeachse
(Turm, Stutzen) sicher befestigt werden kann.
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Dies
ermöglicht
den Einsatz eines Profilsystems an nahezu allen marktüblichen
Turmelementen bei Windkraftanlagen, oder eine einfache Nachrüstung.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
es, die Laufruhe, die Geräuschentwicklung
und letztlich auch den Wirkungsgrad und die Anlagensicherheit zu
verbessern.
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Eine
ebenso erfindungsgemäße Anwendung im
Bereich der Fluidantriebe kann zur Verbesserung des Wirkungsgrades
und des Kavitationsverhaltens genutzt werden.
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Vorteilhafte
Ausführungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Im
folgenden sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung in den Zeichnungen dargestellt und werden anhand der
Figuren näher
erläutert.
Im Einzelnen zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen ringförmigen Vorrichtung;
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2:
eine schematisch Darstellung einer leitblechförmigen Vorrichtung;
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3:
eine schematisch Darstellung einer mehrteiligen Vorrichtung mit
asymmetrischen Stromkörpern
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4:
eine schematische Darstellung einer mehrteiligen Vorrichtung mit
symmetrischen Stromkörpern
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5:
eine schematische Darstellung einer Montagegruppe auf einem Ringkörper, bestehend aus
mehreren Ringelementen.
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6:
eine schematische Darstellung einer Montagegruppe auf einem Ringkörper, bestehend aus
mehreren einzelnen, schraubenförmig
und parallel angeordneten Flügelstummeln.
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7:
eine schematische Darstellung eines steuerbaren Fluidantriebes der
einen Ringkörper
am drehbaren Aufhängeschaft
aufweist.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, wird eine Windkraftanlage 1 dargestellt,
die mit den Blattspitzen 2 auf dem Turm 4 im Bereich 3 den
vom Endwirbel betroffenen Bereich aufweist. Das Strömungselement 5,
ist hier ein umlaufendes, ringförmiges
Profil-Element, oder Schiene, die die Strömung ähnlich wie bei einem Stromkörper abfließen lässt. Das
ansonsten runde Turmprofil wird hier zur Verbesserung der Aerodynamik,
im betroffenen Bereich gestreckt. Eine mögliche, denkbare maßstäblich kleinere
Ausbildung der Ringelemente oder mehrere Ringelemente würde zur
Bereitstellung von Abrisskanten, ähnlich eines Spoilers bei Fahrzeugen
dienen.
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2 zeigt
eine andere Ausgestaltung mit mehreren schaufelförmigen Leitelemente 6,
wie sie zur Wirbelerzeugung Verwendung finden. Auch hier ist die
Größengestaltung
variierbar.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
mit einer Reihe von kleinen Stromelementen, welche eine Wirbelgruppe
erzeugen, die das Ablösen
des Rotorwirbels erleichtern sollen. Zu erkenne ist hier die weitere Ausgestaltung
mit einer Variation der Profilgröße und Form
mit veränderter
Turmhöhe,
hier wird die unterschiedliche Auftrefffläche bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten
berücksichtigt.
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So
zeigt 4 eine vergleichbare Anordnung mit symmetrischen
Stromelementen zur Wirbelerzeugung, auch diese Variieren in Form
und Größe zur Turmpositionierung.
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5 nun
zeigt ein ringförmiges
Montageelement 10, welches als mehrteiliges Segment zu
Erkennen an der Verbindungsfuge 11 für alle marktgängigen Turmgrößen hergestellt
werden kann. Hier sind ringförmige
Stromkörper 9 dargestellt.
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6 zeigt
abschließend
eine weitere denkbare Gestaltung eines Montagerings mit einer mehrteiligen
Profil- bzw. Flügelstummelanordnung,
die hier schraubenförmig
gewendelt und paarweise parallel angeordnet sind. Weiterhin sind
kreuzförmige, versetzte
oder unregelmäßige verteilte
Anordnungen der Stromelemente denkbar. Die eventuell die Vorzugswindrichtung
im besonderen Maße
berücksichtigen.
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7 zeigt
eine erfindungsgemäßen Vorrichtung 14 auf
die Fluiddynamik angewendet, hier wird eine drehbare Propellerantriebsgondel 15 mit
einer ringförmigen
Vorrichtung ausgerüstet.
Die ringförmige
Vorrichtung ist hier mit asymmetrischen, zueinander parralelen,
schraubenförmigen
Stromelementen ausgerüstet.
Weitere bei den aerodynamischen Beispielen erwähnte Ausbildungen sind hier denkbar.
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- 1
- Windkraftanlage
- 2
- Rotorblatt
- 3
- vom
Rotorwirbel beeinflusster Turmbereich
- 4
- Turm
- 5
- ringförmiger Stromkörper
- 6
- Leitbleche/-profile
- 7
- asymmetrische
Stromkörper
- 8
- symmetrische
Stromkörper
- 9
- Ringprofile
- 10
- Montageelement
- 11
- Verbindungsfuge
des Montageelements
- 12
- profilierter
Stummelflügel
- 13
- schraubenförmig, parallele
Anordnung
- 14
- asymmetrisch,
schraubenförmig
profiliertes Ringelement
- 15
- drehbarer
Fluidantrieb bzw. Fluidturbine