DE102005034078A1

DE102005034078A1 - Windkraftanlagen-Rotorblatt mit in der Ebene liegender Pfeilung und Vorrichtungen welche dasselbe verwenden,und Verfahren für dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102005034078A1
Application number: DE102005034078A
Authority: DE
Inventors: Kyle Kristopher Lawrence Wetzel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: LM WIND POWER A/S, DK
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2025-07-22
Also published as: CN1755103A; DK178689B1; US20140093383A1; DE102005034078B4; US20060067828A1; US7344360B2; CN100557233C; US8757982B2; DK200501030A

Abstract

Eine Windkraftanlage (100) enthält einen Rotor (106) mit einer Nabe (110) und wenigstens einem Blatt (108) mit einem torsionssteifen Fuß (114), einem Innenabschnitt (112) und einem Außenabschnitt (116). Der Innenabschnitt weist eine Vorwärtspfeilung in Bezug auf eine Elastizitätsachse des Blattes auf und der Außenabschnitt weist eine Rückwärtspfeilung auf.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Blätter, die insbesondere als Windturbinen- bzw. Windkraftanlagen-Rotorblätter nützlich sind, und Rotoren und Windkraftanlagen, welche derartige Blätter verwenden.

Wenigstens eine bekannte Rotorblattkonfiguration enthält eine rückwärts gepfeilte Rotorblattkonstruktion. Wenn ein Windstoß auf ein Blatt mit einer Rückwärtspfeilung trifft, erzeugt eine Zunahme in der ebenenversetzten (in Flügelrichtung – „flapwise") Belastung ein Anstellmoment um weiter innen liegende Abschnitte. Dieses Anstellmoment wirkt so, dass es außen liegende Abschnitte des Blattes dazu bringt, die Vorderkante der Blattabschnitte in den Wind zu drehen, um so einen aerodynamischen Angriffswinkel dieser Abschnitte zu reduzieren, um dadurch Spitzenübergangsbelastungen mildern, die das Blatt anderenfalls erfahren würde. Wenn jedoch der Fuß des Blattes ungepfeilt bleibt oder rückwärtsgepfeilt ist, wird das über das gesamte Blatt induzierte Anstellmoment an dem Fuß des Blattes über die Anstellantriebsmechanik aufgefangen. Selbst für eine mäßige Pfeilung kann dieses Moment aerodynamische Basisanstellmomente überschreiten, für welche die Anstellmechanik ausgelegt ist. Mit anderen Worten, obwohl eine in der Ebene liegende Rückwärtspfeilung von Windkraftanlagen-Rotorblättern dazu genutzt werden kann, Übergangsbelas tungen abzufangen, kann eine Rückwärtspfeilung auch Anstellmomente an dem Blattfuß induzieren, welche die aerodynamischen Basisanstellmomente überschreiten, für welche die Anstellmechanik ausgelegt ist.

Beispielsweise zeigen viele bekannte gerade gepfeilte Blätter mit einer Fußpfeilung von Null sehr hohe Änderungen in der Fußtorsion aufgrund von Kopplung. Dasselbe gilt für einige gekrümmte Blätter, die ohne eine Beschränkung bezüglich Fußtorsion ausgelegt sind. Wenigstens eine bekannte Basiskonfiguration zeigt ein maximales Abwärts-(Nose-Down)-Anstellmoment um den Blattfuß von angenähert 30 bis 40 kNm. In einigen gepfeilten Blättern steigt das Abwärtsmoment auf Hunderte von kNm an. Anstellantriebe von wenigstens einem bekannten Windkraftanlagenmodell, der von General Electric Co., Herfield, CT beziehbaren GE 1.5 Turbine, sind einschließlich Sicherheitsfaktoren auf 100 kNm aufgebrachte Last ausgelegt. Daher sollten Zunahmen in dem Abwärtsmoment von mehr als 20 bis 30 kNm vermieden werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Einige Aspekte der vorliegenden Erfindung schaffen daher ein Blatt mit einem torsionssteifen Fuß, einer Vorwärtspfeilung in Bezug auf eine Elastizitätsachse in einem Innenabschnitt des Blattes und einer Rückwärtspfeilung in einem Außenabschnitt des Blattes.

In weiteren Aspekten schafft die vorliegende Erfindung einen Rotor für eine Windkraftanlage. Der Rotor besitzt eine Nabe und wenigstens ein Blatt mit einem torsionssteifen Fuß, einem Innenabschnitt und einem Außenabschnitt. Der Innenab schnitt weist eine Vorwärtspfeilung in Bezug auf eine Elastizitätsachse des Blattes auf und der Außenabschnitt weist eine Rückwärtspfeilung auf.

In noch weiteren Aspekten schafft die vorliegende Erfindung eine Windkraftanlage, die einen Rotor mit einer Nabe und wenigstens einem Blatt mit einem torsionssteifen Fuß, einem Innenabschnitt und einem Außenabschnitt aufweist. Der Innenabschnitt weist eine Vorwärtspfeilung in Bezug auf eine Elastizitätsachse des Blattes auf und der Außenbordabschnitt eine Rückwärtspfeilung auf.

In noch weiteren Aspekten schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Blattes für eine Windkraftanlage. Das Verfahren umfasst die Ermittlung einer Blattform durch Auswählen von Pfeilungswinkeln für Elemente des Blattes, um so: (a) einen Anteil der induzierten Verdrehung und die Verteilung der Verdrehung in einer solchen Weise zu erhöhen oder zu maximieren, dass eine Belastungsreduzierung erzeugt wird, (b) eine Zunahme von Blattmaterial, das zum Einhalten der Auslenkung der Spitzeerforderlich ist, zu reduzieren oder zu minimieren, (c) negative Auswirkungen auf die Aerodynamik zu reduzieren oder zu minimieren, und (d) die strukturelle Integrität beizubehalten und ein Blatt gemäß der ermittelten Blattform herzustellen.

Man wird erkennen, dass, wenn Rotorblätter mit dem korrekten Betrag vorwärtsgepfeilt sind, Konfigurationen der vorliegenden Erfindung ein sich an den Blattfüßen aus der Pfeilung ergebendes Anstellmoment reduzieren oder eliminieren. Außerdem erzeugt eine Vorwärtspfeilung von Innenabschnitten der Rotorblätter keine schädliche Verdrehung mit messbarer Größe in diesen Abschnitten, da der Fuß des Blattes extrem torsionssteif ist. Da die Pfeilung von Außenabschnitten des Blattes in Bezug auf Abschnitte weiter innen in den Konfigurationen der vorliegenden Erfindung unverändert bleibt, bleibt auch die durch die Außenpfeilung induzierte Verdrehung unverändert.

Man wird auch beobachten, dass Konfigurationen der vorliegenden Erfindung eine nützliche Kopplung zwischen einer Flügelrichtungs- (d.h., ebenenversetzten)-Auslenkung eines Rotorblattes und der Verdrehung (d.h., Anstellung) des Rotorblattes mit geringer oder keiner Zunahme im Fußanstelldrehmoment erzeugen. Eine gekoppelte Verdrehung des Rotorblattes erzeugt auch eine allgemeine Reduzierung in den Übergangsbelastungen, die durch die Windkraftanlage erfahren werden. Eine innen liegende Vorwärtspfeilung ermöglicht auch eine größere pfeilungsinduzierte Kopplungsgröße für eine Blattgeometrie, die in eine vorgegebene geometrische Hüllkurve passt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Zeichnung einer exemplarischen Konfiguration einer Windkraftanlage der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine grafische Darstellung einer mäßig gepfeilten Blattkonfiguration der vorliegenden Erfindung, die zur Verwendung in einer in 1 dargestellten Windkraftanlagenkonfiguration geeignet ist.
3 ist eine grafische Darstellung einer stark gepfeilten Blattkonfiguration der vorliegenden Erfindung, die zur Verwendung in der in 1 dargestellten Windkraftanlagenkonfiguration geeignet ist.
4 ist eine grafische Darstellung eines Blattes, das auf einem herkömmlichen Windkraftanlagenblatt beruht.
In den 2, 3 und 4 ist die Ebene des Papiers die Ebene des Rotors. Die Linie an dem linken Ende des Graphen kann als eine Blattnabe oder ein Blattfußlager interpretiert werden. Die X-Achse entspricht der Anstellachse P, während eine mit E bezeichnete Linie durch das Blatt die Elastizitätsoder Strukturachse des Blattes bezeichnet. Die Hinterkante jedes Blattes befindet sich auf der Oberseite der Figur und die Vorderkante befindet sich an der Unterseite. Die Blätter zeigen somit nach unten.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
So wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "Pfeilung" auf einen Winkel einer Elastizitätsachse in Bezug auf eine Anstellachse eines Blattes, wobei sich die "Elastizitätsachse" auf eine Ortskurve von Punkten bezieht, die einen Torsionsmittelpunkt bei jedem Längsrichtungsabschnitt („spanwise section") des Blattes definieren.
In einigen Konfigurationen und gemäß 1 weist eine Windkraftanlage 100 eine Gondel 102 auf, die einen (in 1 nicht gezeigten) Generator aufnimmt. Die Gondel 102 ist auf einem sehr hohen Turm 104 montiert, von dem nur ein Teil in 1 dargestellt ist. Die Windkraftanlage 100 weist auch einen Rotor 106 auf, der ein oder mehrere an einer rotierenden Nabe 110 angebrachte Rotorblätter 108 enthält. Obwohl die in 1 dargestellte Windkraftanlage 100 drei Rotorblätter 108 enthält, gibt es keine spezifischen Einschränkungen be züglich der Anzahl von Rotorblättern 108, die aufgrund der vorliegenden Erfindung erforderlich sind.
In der dargestellten Konfiguration sind in der Gondel 102 auf der Spitze des Turms 104 der Windkraftanlage 100 verschiedene Komponenten der Windkraftanlage 100 untergebracht. Die Höhe des Turms 104 wird auf der Basis von im Fachgebiet bekannten Faktoren und Bedingungen gewählt. In einigen Konfigurationen werden ein oder mehrere ein Kontrollsystem bildende Mikrokontroller für eine Gesamtsystemüberwachung und Steuerung einschließlich der Anstell- und Drehzahlregelung, Hochdrehzahlwelle und Gierbremsbetätigung, Gier- und Pumpmotoranwendung und Fehlerüberwachung verwendet. Alternativ werden verteilte oder zentralisierte Steuerarchitekturen in einigen Konfigurationen verwendet. Die Anstellungen der Blätter 108 können in einigen Konfigurationen individuell gesteuert werden. Die Nabe 110 und Blätter 108 bilden zusammen den Windkraftanlagenrotor 106. Die Rotation des Rotors 106 bewirkt, dass ein (in den Figuren nicht dargestellter) Generator elektrische Energie erzeugt.
In einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung sind die Rotorblätter 108 einer Windkraftanlage 100 in Bezug auf eine Elastizitätsachse E (in einer Rotationsebene des Rotors) in einem Innenbereich 112 vorwärtsgepfeilt. Wenn es mit einem richtigen Betrag vorwärtsgepfeilt ist, wird ein Anstellmoment des Blattes 108 an dessen Fuß 114 aufgrund der Pfeilung reduziert oder eliminiert. Eine Vorwärtspfeilung von Innenabschnitten 112 der Rotorblätter 108 erzeugt keine nachteilige Verdrehung mit messbarer Größe der Abschnitte 112, da Blattfüße 114 extrem torsionssteif sind. Da die Pfeilung von Außenabschnitten 116 der Blätter 108 in Bezug auf Abschnitte weiter innen unverändert bleibt, bleibt auch eine durch die Außenpfeilung induzierte Drehung unverändert.
In einigen Konfigurationen und gemäß 2 enthalten die Blätter 108 eine mäßige Pfeilung im Innenbereich in der Größenordnung von 1 bis 2 Grad in Bezug auf das Blattanstellachse P, während Außenabschnitte 116 bis zu 10 Grad in Bezug auf die Anstellachse P rückwärtsgepfeilt sind. Konfigurationen der vorliegenden Erfindung sind auf Blätter 108 jeder Länge anwendbar. Beispielsweise und keinesfalls als Einschränkung gedacht sind in einigen Konfigurationen die Blätter 108 0,5 m lang, während in anderen Konfigurationen die Blätter 108 50 m lang sind. Weitere nicht einschränkende Beispiele von Längen des Blattes 108 umfassen 10 m oder weniger, 20 m, 37 m und 50 m. Obwohl die optimale Vorwärtsinnenpfeilung für unterschiedliche Blattlängen variieren kann, wird eine Vorwärtsinnenpfeilung von nur 0,25 Grad in einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung verwendet. Dieser Betrag einer Innenpfeilung ist größer als die Herstellungstoleranz für ein auf einer Nabe montiertes Blatt mit einer Pfeilung von Null, und stellt einen gewissen Vorteil einer Blatttorsionssteuerung als einen unerwarteten Vorteil bereitstellt. In einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung wird ein größerer Vorteil mit einem Blatt 108 mit wenigstens 0,5 Grad Innenvorwärtspfeilung erreicht. In einigen Konfigurationen werden wenigstens 1,0 Grad von Innenvorwärtspfeilung verwendet oder sogar mehr, wie z.B. 2,0 bis 3,0 Grad. In einigen Konfigurationen und gemäß 3 wird eine deutlichere Dreh/Flügel-Kopplung mit Außenabschnitten erreicht, die bis zu 20 Grad in Bezug auf die Anstellachse P gepfeilt sind, mit einer Innenvorwärtspfeilung von bis zu 10 bis 15 Grad, um das inkrementelle Anstelldrehmoment abzuschwächen. In vielen Konfigurati onen ist der Betrag der Rückwärtspfeilung außen geringer als der Betrag der Vorwärtspfeilung an dem Fuß des Blattes.
4 ist eine Zeichnung eines Beispiels eines Blattes 308, das auf einem herkömmlichen GE 37a Blatt basiert. Sowohl das Blatt 308 von 4 als auch das Blatt 108 entweder von 2 oder 3 erfordern für Transportzwecke dieselbe geometrische Hüllkurve. Tabelle 1 stellt den Unterschied in der Verdrehung der Spitze, die durch die Blattpfeilung induziert wird, wenn das Blatt 108 und das Blatt 308 unter maximaler Flügelbelastung stehen, abgeschätzt aus einer Computermodelberechnung, und das entsprechende Wurzelanstelldrehmoment aufgrund der Pfeilung dar. Es ist ersichtlich, dass das Blatt 108 sowohl mit Vorwärts- als auch Rückwärtspfeilung eine größere Kopplung ohne Zunahme in dem Anstelldrehmoment erzeugt.
TABELLE 1
Ein aerodynamischer Mittelpunkt von Außenabschnitten 116 liegt (in einem tangentialen Sinne) hinter der Elastizitätsachse E von weiter innen liegenden Abschnitten. Demzufolge induziert die Kraft senkrecht zu der Ebene des Rotors 106 bei einem vorgegebenen Abschnitt 116 ein signifikantes Abwärtsanstellmoment und die Elastizitätsachse E innerhalb dieser Station. Dieses Anstellmoment bewirkt wiederum, dass sich das Blatt 108 an allen inneren Stationen abwärts verdreht. Wichtiger ist jedoch, dass, wenn ein Windstoß auf das Blatt 108 trifft, der Stoß eine Zunahme in dem von einem Außenabschnitt 116 erfahrenen Angriffwinkel induziert und somit den von den Abschnitten 116 erzeugten Hubs vergrößert. Diese Zunahme im Hub induziert wiederum eine Abwärtsverdrehung des Blattes 108, was etwas von dem vergrößerten Angriffswinkel verschiebt, und dadurch einen Teil der stoßinduzierten Belastung mindert.
Im Rahmen einer weiteren Erläuterung werde ein Elementarmodell eines gepfeilten Blattes betrachtet. In diesem Modelltyp wird ein Blatt 108 als eine Vielzahl von in Längsrichtung angeordneten Elementen des Blattes 108 betrachtet. Es werde angenommen, dass die ebeneninterne Lage der klassischen Achse in Bezug auf die Anstellachse durch die Funktion y_ea(z) vorgegeben ist, wobei y_ea(0) = 0 angenommen wird. (Man beachte, dass alle Bezugnahmen auf Blätter und Blattabschnitte bereits in den 1 und 2 eingeführte Bezugszeichen verwenden, obwohl sich die Formen der vorstehend unter Bezugnahme auf das Modell diskutierten Blätter sowie die relativen Längen der Abschnitte von den in den 1 und 2 dargestellten unterscheiden können).
Zuerst werde angenommen, dass die aerodynamische Belastung über jedem Element gleichmäßig ist, so dass die Nettokraft durch den Mittelpunkt des Elementes wirkt. Eine Berechnung von Kräften V und Momenten M für jedes Element in Bezug auf die Achse dieses Elementes ermöglicht eine einfache Ana lyse. Aus der Geometrie für jedes Element i treffen die nachstehenden Beziehungen zu: Vinnen,i = Vaußen,i + VMitte,i (1) My,innen,i = (Vaußen,i + 12 VMitte,i)Δli + Maußen,i (2) My,außen,i = (My,außen,i+1)cos(θi+1 – θ) – (Mz,innen,i+1)sin(θi+1 – θi) (3) Mz,außen,i = (My,außen,i+1)sin(θi+1 – θ) – (Mz,innen,i+1)cos(θi+1 – θi) (4) Vz,innen,i = Vz,außen,i + Vz,i (5)wobei sich die Indizes i auf die diskreten Längsrichtungselemente auf einem Blatt beziehen, wie sie zum Analysieren des Blattes in einer Turbinendynamik-Simulationssoftware verwendet werden; die tiefgestellten Anmerkungen innen, oder außen, beziehen sich auf die Belastungen an dem außen liegenden bzw. innen liegenden Ende jedes derartigen Elementes; M_y und M_z beziehen sich jeweils auf die Flügelrichtungs-(ebenenversetzte) und Torsionsmomente; θ bezieht sich auf den Winkel der Elementelastizitätslinie des Elementes in Bezug auf das Blattanstellachse, gemessen in der Rotationsebene; und Δl ist die Länge des Elementes i, die gegeben ist durch:
Die Zunahme in der Verdrehung über jedem Element ist dann gegeben durch:
wobei GJ die Torsionssteifigkeit des Blattes und die kumulative Verdrehung an dem Außenende jedes Elementes i ist, die gegeben ist durch:
Die Vorzeichenkonvention hier ist so, dass angenommen wird, dass die positiven interessierenden Kräfte V, die nach unten gerichteten (d.h., ebenversetzten) Flügelrichtungskräfte sind, positive Pfeilungswinkel θ Pfeilungen der Blattabschnitte zu der Hinterkante hin (d.h., nach hinten in einem tangentialen Sinne) entsprechen, und positive Anstellmomente, M_z so sind, dass sie eine positive (d.h., nach oben gerichtete) Verdrehung Δψ induzieren. Verschiedene Konfigurationen der vorliegenden Erfindung erzeugen eine abwärts gerichtete Verdrehung.
Die Gleichungen (4) und (5) zeigen, dass die Belastung außerhalb eines Elementes i ein Anstellmoment auf diesem Element immer dann bewirkt, wenn eine Veränderung in dem Pfeilungswinkel an dem Außenende dieses Elementes vorliegt. Dieser Umstand demonstriert, dass das Anstellmoment M_z nur ansteigen kann, wenn eine Veränderung in der Pfeilung vorliegt. Wenn θ_i = θ_i+1 ist, ist dann der Sinusterm in der Gleichung (4) gleich 0, M_z,außen,i = M_z,innen,i+1, M_z,innen,i = M_z,innen,i+1, und es liegt keine Zunahme in M_z vor, so dass Änderungen in der Pfeilung erforderlich sind, um Zunahmen im Anstellmoment zu erzeugen.
Insbesondere muss die Pfeilung der Außenabschnitte 116 in bezogen auf die Elastizitätsachse E innen und nicht bezogen auf eine etwas beliebige Achse wie z.B. die Anstellachse P gemessen werden. Somit geben die verschiedenen Konfiguratio nen der vorliegenden Erfindung dem Blatt 108 nicht einfach eine gerade Pfeilung aus dem Fuß 114 heraus. Ein gerades Blatt 108 mit nur einem Knie an dem Fuß 114 erfährt kein Anstellmoment entlang seiner gesamten Länge, da tatsächlich keine Abschnitte bezogen auf die Elastizitätsachse E selbst gepfeilt sind, mit Ausnahme des Knicks unmittelbar an dem Fuß 114. Das gesamte Anstellmoment wird allein bei dem Fuß 114 absorbiert. Jedoch ist bei dem Fuß 114 die Torsionssteifigkeit so hoch, dass nur eine geringe Verdrehung auftritt.
Die Gleichungen (4) und (5) zeigen auch, dass je größer die Änderung in dem Winkel von Element zu Element (und somit je größer die tangentiale Verschiebung jedes nachfolgenden Abschnittes) ist, desto größer das Verdrehungsinduzierungsmoment wird. Jedoch können große Anteile einer Pfeilung auch negative Konsequenzen erzeugen. Es muss nämlich, wenn die entlang der Elastizitätsachse E gemessene Gesamtlänge eines Blattes 108 beibehalten wird, dann der Radius des Blattes 108 reduziert werden. Alternativ nimmt, wenn der Radius des Blattes 108 beibehalten wird, dann, wenn das Blatt 108 gepfeilt wird, die Länge des Blattes 108 zu. Jeder Ansatz beeinträchtigt nachteilig die Energiegewinnung, das Blattgewicht und/oder die Steifigkeit.
Durch Messen der Gesamtpfeilung in Form einer tangentialen (d.h., y)-Auslenkung der Blattspitze 120 in Bezug auf den Fuß 114 der Elastizitätsachse E ergibt die Gleichung (6) die nachstehende Beziehung für die Auslenkung an der Spitze 120:
In einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung wird der Radius des Blattes 108 auf einem Basiswert R beibehalten. Es folgt dann, dass:
Mit der Kenntnis, dass der kürzeste Abstand zwischen zwei Punkten eine gerade Linie ist, folgt aus den Gleichungen (6) und (10), dass das kürzeste Blatt 108 mit der größten Pfeilung in Hinblick auf die tangentiale Auslenkung der Spitze 120 ein gerades Blatt 108 ist, das von aus seinem Fuß 114 heraus gepfeilt ist. Diese Blatt wird jedoch wenig wenn überhaupt eine Verdrehung aufgrund der Torsionssteifigkeit des Fußes 108 induzieren. Es folgt auch daraus, dass dieses Blatt die minimale Spitzenpfeilung zeigt. Insbesondere wird, wenn man versucht, dieselbe Auslenkung der Spitze mit einer anderen Form zu erzielen, ein bestimmter Abschnitt des Blattes 108 eine höhere Pfeilung zeigen. Beispielsweise muss sich ein gekrümmtes Blatt mit einer Elastizitätsachse E parallel zu der Anstellachse P bei dem Fuß 114 notwendigerweise mehr nach außen krümmen, um dieselbe Auslenkung bei der Spitze 120 zu erzielen. Dieses Blatt wird dann länger. Ferner erzeugen höhere Pfeilungswinkel auch einen negativen aerodynamischen Einfluss, der schwierig zu quantifizieren sein kann.
Daher wird in einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung ein Blatt erzeugt, indem zuerst eine Blattform 108 bestimmt wird, indem Pfeilungswinkel jedes Elementes so gewählt werden, um so:

(a) einen Anteil der induzierten Verdrehung und die Verteilung der Verdrehung in einer solchen Weise zu erhöhen oder zu maximieren, dass eine Belastungsreduzierung erzeugt wird,
(b) eine Zunahme von Blattmaterial, das zum Einhalten der Auslenkung der Spitzeerforderlich ist, zu reduzieren oder zu minimieren,
(c) negative Auswirkungen auf die Aerodynamik zu reduzieren oder zu minimieren, und
(d) die strukturelle Integrität beizubehalten und ein Blatt gemäß der ermittelten Blattform herzustellen.

Das Blatt wird dann gemäß der ermittelten Blattform hergestellt.
Die vorgenannten vier Aufgaben (a)–(d) sind nicht notwendigerweise miteinander konsistent, so dass statt dem Versuch, jedes Ziel zu erreichen, eine Effektivitätszahl, definiert wird, die es einem ermöglicht, die Beiträge aller Effekte auf eine Maßnahme hin zu gewichten. In einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung wird die Effektivitätszahl auf die Energiekosten bezogen. (Die Effektivitätszahl kann so definiert sein, dass ein höherer Wert eine bessere Lösung darstellt, obwohl sie auch so definiert sein könnte, dass ein niedrigerer Wert eine bessere Lösung darstellt. Ohne Verlust an Allgemeingültigkeit wird hierin angenommen, dass eine höhere Effektivitätszahl eine bessere Lösung darstellt, obwohl der Fachmann auf diesem Gebiet in der Lage wäre, die notwendigen mathematischen Manipulationen durchzuführen, um äquivalente Ergebnisse unter Verwendung von Effektivitätszahlen durchzuführen, für welche das Gegenteil gilt). Verschie dene Konfigurationen der vorliegenden Erfindung liefern eine hohe Effektivitätszahl, d.h., niedrige Energiekosten. Idealerweise wird die maximal mögliche Effektivitätszahl gesucht, jedoch beinhaltet die Erfindung auch innerhalb ihres Schutzumfangs erwünschte, jedoch weniger perfekte Konfigurationen, da Perfektion zumindest bei einigen der Vorteile der vorliegenden Erfindung nicht erzielt werden muss.
In jeder praktischen Konfiguration kann erwartet werden, dass eine Beschränkung bezüglich einer maximalen tangentialen Auslenkung der Spitze vorgegeben wird, und dass diese Beschränkung sich auf Fertigungs- oder Transportbeschränkungen beziehen kann. Die Gleichung (4) zeigt, dass, wenn man gleichzeitig eine ziemlich harte Beschränkung bezüglich der Lage der Spitze 120 und auch eine Beschränkung bezüglich des maximalen Pfeilungswinkels aufgrund der Aerodynamik vorgibt, dann das "optimale" Blatt 800 eines ist, das zwei gerade Segmente besitzt, nämlich ein Innensegment 112 ohne Pfeilung und ein Außensegment 116, das die maximal zulässige Pfeilung besitzt. Außerhalb eines Knies zwischen den Segmenten 112 und 116 gibt es kein Anstellmoment, und innerhalb des Knies gibt es kein konstantes Anstellmoment, welches den Schwenkpunkt soweit wie möglich nach außen verlegt, so dass die maximale Längsausdehnung des Blattes 108 dem Anstellmoment unterworfen wird. In dieser Konfiguration wird die maximal mögliche Verdrehung induziert.
Es ist ferner möglich, eine zusätzliche "ästhetische" Beschränkung hinzuzufügen, die scharfe Kniestellen in der Blattpfeilung beseitigt. Derartige Beschränkungen können viele Formen annehmen, wie z.B. eine maximale Änderung im Winkel zwischen beliebigen zwei Elementen des Blattes 108. Ästhetische Gesichtspunkte könnten ferner vorschreiben, dass ein Blatt 108 mit zusammenhängender Krümmung ansprechender als ein Blatt 108 mit geraden Abschnitten ist, selbst wenn die geraden Abschnitte über einen gekrümmten Bereich statt über ein Knie verbunden sind. Eine derartige Beschränkung könnte in der Form eines minimalen Winkels zwischen beliebigen zwei Elementen vorgegeben werden.
Sobald all diese Beschränkungen vorgegeben sind, wählen einige Konfigurationen iterativ Werte für Pfeilungswinkel und Längsrichtungselemente eines Blattes 108, um so die Effektivitätszahl zu maximieren (oder wenigstens zu steigern), während gleichzeitig alle Beschränkungen erfüllt werden.
Die Lage der Elastizitätsachse E (im Gegensatz zu der Anstellachse P) bezogen auf den Außenabschnitt oder Abschnitte 116 ist signifikant. Die Lage der Anstellachse P des Blattes 108, welche vollständig dadurch gesteuert ist, wie das Blatt 108 auf der Nabe montiert ist, hat nichts damit zu tun, wie sehr sich das Blatt 108 verdreht. Die Lage des oder der Außenabschnitte 116 in Bezug auf die Anstellachse P hat jedoch einen Einfluss auf die um den Blattfuß 114 herum induzierten Momente, denen ein Anstellsystem widerstehen muss, und dieses ist einer von den Nachteilen der Einführung der Blattverdrehung in der hierin beschriebenen Weis. Dieser Nachteil beeinflusst jedoch nicht die Physik der Dreh/Biege-Kopplung.
Insbesondere sind verschiedene Verfahren zum Befestigen des Blattes 108 an der Fußnabe 110 möglich, wovon jede ihre eigenen Nachteile und Vorteile aufweist. Beispielsweise zeigt die Gleichung (4), dass, wenn das Blatt 108 tatsächlich an dem Fuß 114 in der entgegengesetzten Richtung zur gesamten anderen Pfeilung des Blattes 108 (d.h., ebenenintern) vorwärtsgepfeilt wird, diese Vorwärtspfeilung dazu verwendet werden kann, das gesamte Anstellmoment zu neutralisieren, die durch die Blattpfeilung weiter außen aufgebaut wird. Mit anderen Worten, wenn das Blatt 108 über die Längserstreckung dort, wo es torsionsflexibel genug ist, um eine Drehung zu induzieren, rückwärtsgepfeilt wird, kann dieses gesamte pfeilungsinduzierte Moment mit einem kleinen Bereich einer Längsrichtungspfeilung in der Nähe des Fußes 114 herausgenommen werden, wo es torsionssteif ist. In einer derartigen Konfiguration ergibt sich keine Auswirkung auf die durch die Pfeilung induzierte Drehung, aber das externe Anstellmoment, auf welches eine Anstelllagerung und Antrieb reagieren muss, ist reduziert oder beseitigt.
Um diese Reduzierung des pfeilungsinduzierten Moments zu bewirken, sehen einige Konfigurationen der vorliegenden Erfindung eine Vorwärtspfeilung von Blättern 108 nur bei deren Füßen 114 vor. Obwohl einige weitere Konfigurationen eine Vorwärtspfeilung in die Nabe 110 einführen können, müssten derartige weitere Konfigurationen immer noch Anstellmomente, durch die Lager und Antriebe herausnehmen.
Gemäß nochmaliger Bezugnahme auf die Gleichungen (4) und (5) folgt, wenn die Bezeichnung i = 0 dazu verwendet wird, um sich auf die Werte unmittelbar an dem Fuß 114 des Blattes 108 (d.h., an der Nabenbefestigung) zu beziehen, und ferner angemerkt wird, dass per Definition θ₀ = 0 ist, dass: Mz,0 = –(My,innen,1)sin(θ1) + (My,innen,1)cos(θ1) (11)
Auf den ersten Blick muss es nicht ersichtlich sein, dass M_z,0 nicht gleich M_z,innen,1 ist. Jedoch wird das Anstellmoment immer um die Elastizitätsachse E des Elementes gemessen, und somit ändert sich, wenn sich der Winkel des Elementes ändert, die Achse, um weiche das Moment gemessen wird. Bei dem Fuß 114 nimmt die Struktur des Blattes 108 das Moment M_z,innen,1 auf. Jedoch ist das Blatt 108 in Bezug auf Torsion bei dem Fuß 114 steif, so dass die Tatsache, dass die Struktur des Blattes 108 die Torsion M_z,innen,1 aufnimmt, ziemlich irrelevant ist und der Wert M_z,0, welcher direkt in Bezug auf die von dem Anstellbetätigungselement aufgenommen Belastung steht, relevanter ist. Daher wird einfach durch Pfeilung des Fußes 114 des Blattes 108 die fundamentale Beziehung zwischen M_z,0 und M_z,innen,1 verändert.
Aus einer praktischen Perspektive muss jede spezielle Konfiguration die Vorwärtspfeilung über eine begrenzte Längsspanne ausführen. Solange diese Pfeilung über einen Abschnitt des Blattes 108 ausgeführt wird, der sehr torsionssteif ist, induziert jedoch die Vorwärtspfeilung keine nachteilige Verdrehung.
Der Wert von M_y,innen,1 d.h., die Flügelrichtungs-Belastung am Fuß 114 ist größtenteils eine Funktion der Flügelrichtungs-Belastungsverteilung über dem Blatt 108. Der Wert von M_y,innen,1 hängt von der Größe und Form der Pfeilung über der vollen Längsspanne des Blattes 108 und der Verteilung der Flügelrichtungs-Belastung ab. Die Gleichungen (1) bis (5) können beginnend an dem Spitzenelement und nach innen verlaufend integriert werden, um die Belastungen an jedem Längsrichtungselement zu berechnen. Wenn eine bestimmte Verteilung der ebeneninternen Pfeilung und der Flügelrichtungs-Belastungsverteilung vorgegeben ist, ist der Wert von M_y,innen,1 gegeben. Sobald dieser Wert bekannt ist, kann der Wert der Fußtorsion, M_z,0 unter Verwendung der Gleichung (1) gefunden werden. Umgekehrt kann, wenn ein bestimmter Wert der Fußtorsion gesucht ist, die Gleichung (11) verwendet werden, um den geeigneten Wert der Pfeilung des ersten Elementes θ₁ zu finden.
Insbesondere wird, wenn in einer bestimmten Konfiguration ein Nettoeffekt von Null bezüglich der Fußtorsion gewünscht ist, dann die Gleichung (11) verwendet, um sie aufzulösen nach:
was die optimale Fußvorwärtspfeilung für eine Nettoveränderung von Null in der Fußtorsion aufgrund der Pfeilung definiert.
Wenn ein Windstoß ein Blatt 108 mit einer Rückwärtspfeilung trifft, erzeugt die Zunahme der ebenenversetzten (Flügelrichtungs-) Belastung auch ein Anstellmoment um Abschnitte weiter innen, die so wirken, dass sie die äußeren Abschnitte des Blattes dazu bringen, die Vorderkante der Blattabschnitte in den Wind zu drehen. Der aerodynamische Angriffswinkel dieser Abschnitte wird reduziert, und dadurch die Spitzenübergangsbelastungen gemindert, welche das Blatt 108 anderenfalls erfahren würde. Eine derartige Dreh/Flügel-Kopplung durch die Pfeilung führt zur erheblichen Reduzierung in den Flügelrichtungs-Übergangsbelastungen des Blattes 108, was sowohl die Flügelrichtungs-Höchstbelastungen als auch die Flügelrichtungs-Ermüdung des Blattes reduziert. Eine Rückwärtspfeilung kann im Allgemeinen auch Belastungsreduzierung in anderen Komponenten der Windkraftanlage 100 einschließlich der Turmspitzendruckkraft und der Turmspitzenkipp- und Giermomente reduzieren. Diese Belastungsreduzierungen setzen sich in Reduzierungen in Energiekosten aus Windenergie um, indem entwe der teueres Material aus Komponenten entfernt wird, das leichteren Belastungen eines gepfeilten Blattes 108 unterworfen ist, oder der Durchmesser der Blätter 108 des Rotors 106 vergrößert wird, um die Energieproduktion der Windkraftanlage zu erhöhen.
Die Tabelle II vergleicht unter Berücksichtigung der Verwendung einer Vorwärtspfeilung an dem Fuß, um die Fußtorsion auf Null zu halten, ein Blatt ohne Vorwärtspfeilung an seinem Fuß mit einem mit einem vorwärts gepfeilten Fuß, in welchem das gesamte Blatt um einige Grad vorwärts angestellt ist. Die Tabelle II zeigt, dass durch Vorwärtspfeilung des Blattes an dem Fuß die Fußtorsion eliminiert werden kann, da das Blatt an dem Fuß so torsionssteif ist, dass eine Einführung einer Vorwärtspfeilung dort nur geringen oder keinen Einfluss auf die Verdrehungsreaktion des Blattes hat. Ab dort nach außen sieht das Blatt genauso aus, und somit ist die Verdrehungsreaktion auf die Pfeilung exakt dieselbe.
Tabelle II
Ein weiterer Vorteil von Konfigurationen der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass, wenn der Radius des Rotors 106 beibehalten wird, da die Blätter 108 nach vorne gedreht werden, die entlang der Elastizitätsachse E gemessene Blattlänge leicht reduziert wird. Diese Reduzierung ist für die 0,05 Prozent Verbesserung in den Energiekosten verantwortlich, die in Tabelle II für das Blatt mit Vorwärtsfußpfeilung dargestellt ist.
Noch ein weiterer Vorteil einer Vorwärtspfeilung des Blattes 108 am Fuß 114 besteht darin, dass die Blatthüllkurve auf eine vorgegebene Pfeilungstiefe reduziert wird. Für eine vorgegebene Beschränkung bezüglich der Hüllkurve ermöglicht die Zulassung einer Vorwärtspfeilung des Fußes 114 eine wesentlich größere Pfeilungstiefe.
Aerodynamische Betrachtungen berücksichtigend geben einige Konfigurationen der vorliegenden Erfindung eine Begrenzung bezüglich des maximalen Pfeilungswinkels jedes Elementes vor. In derartigen Konfigurationen haben die Blätter 108 eine maximale Vorwärtspfeilung am Fuß 114 und die maximale Rückwärtspfeilung in einem Außenbereich 116 mit einem scharfen Knie. Beispielsweise haben für 15 Grad Maximalwinkel einige Konfigurationen des Blattes 108 eine Vorwärtspfeilung von 15 Grad am Fuß 114 und ein Knie bei 60 Prozent der Länge mit einer Rückwärtspfeilung von 15 Grad an der Spitze 120.
Konfigurationen der vorliegenden Erfindung können auf eine existierende Windkraftanlage 100 angewendet werden, indem herkömmliche Blätter durch Konfigurationen des gepfeilten Blatt 108 der vorliegenden Erfindung ersetzt werden, ohne teuere Aufrüstungen der Anstellungsantriebmechanik zu erfordern, was eine vollständige Realisierung des Potentials für die Reduzierung der Energiekosten ermöglicht. Ferner ermöglicht eine Innenvorwärtspfeilung auch eine größere Amplitude der pfeilungsinduzierten Dreh/Flügel-Kopplung für eine Blattgeometrie, die in eine vorgegebene geometrische Hüllkurve passt.
Obwohl die Erfindung in Form verschiedener spezifischer Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass die Erfindung mit Modifikationen innerhalb des Erfindungsgedankens und Schutzumfangs der Ansprüche ausgeführt werden kann.

100: Windkraftanlage
102: Gondel
104: Turm
106: Rotor
108: Blatt
110: Nabe
112: Innenbereich
114: Fuß
116: Außenabschnitte
120: Spitze
308: Blatt

Claims

Blatt (108) mit einem torsionssteifen Fuß (114), einer Vorwärtspfeilung in Bezug auf eine Elastizitätsachse in einem Innenabschnitt (112) des Blattes und einer Rückwärtspfeilung in einem Außenabschnitt (116) des Blattes.
Rotor (106) für eine Windkraftanlage, wobei der Rotor eine Nabe (110) und wenigstens ein Blatt (108) mit einem torsionssteifen Fuß (114), einem Innenabschnitt (112) und einem Außenabschnitt (116) aufweist, wobei der Innenabschnitt eine Vorwärtspfeilung in Bezug auf eine Elastizitätsachse des Blattes aufweist und der Außenabschnitt eine Rückwärtspfeilung aufweist.
Rotor nach Anspruch 2, wobei die Vorwärtspfeilung effektiv einem Torsionsanteil entgegenwirkt, der sich aus der Rückwärtspfeilung ergibt.
Rotor nach Anspruch 3, wobei sich die Vorwärtspfeilung an dem Fuß (114) des Blattes befindet und ein Anteil der Vorwärtspfeilung effektiv ein Anstellmoment kompensiert, das durch Blattpfeilung weiter außen aufgebaut wird.
Windkraftanlage (100), die einen Rotor (106) mit einer Nabe (110) und wenigstens einem Blatt (108) mit einem torsionssteifen Fuß (114), einem Innenabschnitt (112) und einem Außenabschnitt (116) aufweist, wobei der Innenabschnitt eine Vorwärtspfeilung in Bezug auf eine Elastizitätsachse des Blattes aufweist und der Außenabschnitt eine Rückwärtspfeilung aufweist.
Rotor nach Anspruch 5, wobei die Vorwärtspfeilung effektiv einem Torsionsanteil entgegenwirkt, der sich aus der Rückwärtspfeilung ergibt.
Rotor nach Anspruch 6, wobei sich die Vorwärtspfeilung an dem Fuß (114) des Blattes befindet und ein Anteil der Vorwärtspfeilung effektiv ein Anstellmoment kompensiert, das durch Blattpfeilung weiter außen aufgebaut wird.
Verfahren zum Herstellen eines Blattes (108) für eine Windkraftanlage (100), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Ermitteln einer Blattform durch Auswählen von Pfeilungswinkeln für Elemente des Blattes, um so: (a) einen Anteil der induzierten Verdrehung und die Verteilung der Verdrehung in einer solchen Weise zu erhöhen oder zu maximieren, dass eine Belastungsreduzierung erzeugt wird, (b) eine Zunahme von Blattmaterial, das zum Einhalten der Auslenkung der Spitzeerforderlich ist, zu reduzieren oder zu minimieren, (c) negative Auswirkungen auf die Aerodynamik zu reduzieren oder zu minimieren, und (d) die strukturelle Integrität beizubehalten; und Herstellen eines Blattes (108) gemäß der bestimmten Blattform.
Verfahren nach Anspruch 8, welches ferner die Auswahl einer Effektivitätszahl und von Gewichtungsfaktoren (a)–(d) in Abhängigkeit von dem ausgewählten Effektivitätszahl aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Blatt eine Spitze (120) besitzt, und wobei ferner das Ermitteln einer Blattform ferner das Vorgeben einer Beschränkung bezüglich einer Lage der Spitze und eines maximalen Pfeilungswinkels beinhaltet.