DE102008002849A1

DE102008002849A1 - Rotorflügel und Verfahren zum Reduzieren des Geräusches von Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE102008002849A1
Application number: DE102008002849A
Authority: DE
Inventors: Anurag Gupta; Thierry Maeder
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-05-14
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2008-11-20
Also published as: DK200800612A; CN101307745B; DK178340B1; CN101307745A; US7901189B2; US20080286110A1

Abstract

Geräuscharme Rotorflügel werden bereitgestellt, wobei metallische und/oder polymerische zellulare Materialien (12, 16, 20, 34, 36, 38, 40, 50, 54, 56, 62, 66, 68), die in der Lage sind, gerichtete Belastungen aufzunehmen, in dem Aufbau von Rotorflügelteilen oder gesamten Abschnitten verwendet werden. Die Verwendung derartiger Materialien beeinflusst die Luftströmung über diesen in einer solchen Weise, dass die sich ergebende Grenzschichtturbulenz in einer gesteuerten Weise gedämpft wird und somit der Geräuschstreuungsmechanismus an der Hinterkante geschwächt wird und die gestreuten akustischen Wellen durch das als eine akustische Verkleidung wirkenden Material absorbiert und abgeschwächt werden.

Description

Hintergrund der Erfindung
Der aerodynamische Anteil von Geräuschen von Windkraftanlagen ist ein Qualitätskriterium CTQ von wachsender Bedeutung. Es gewinnt seine Bedeutung aus einer Wettbewerbs- und Aufsichtsbehörden-Perspektive, da der Markt die Produktentwicklung zu größeren Turbinen mit höherer Flügelspitzengeschwindigkeit treibt. Hier wird das aerodynamische Geräusch zu einer entscheidenden Einschränkung hinsichtlich Wirkungsgrad und Ausbeute einer Konstruktion. Somit besteht ein Bedarf nach Konzepten zur Geräuschreduzierung.
Die vorliegende Erfindung definiert ein Konzept, in welchem Materialtechnologie als ein Mittel zur Geräuschreduzierung eingesetzt wird, die auf das Flügeleigengeräusch und das Spitzengeräusch, die zwei Hauptkomponenten des aerodynamischen Geräusches der Windkraftanlage abzielt. In der Vergangenheit war aerodynamische Formung das Hauptmittel zur Erzielung geringerer Geräuschpegel, wie zum Beispiel der Einsatz von Blättern höherer Festigkeit mit großer Sehne, geräuscharmem Schaufelflügeldesign, Flügelform- und Spitzen/Winglet-Geometrie. Geräuschreduzierungskonzepte, die Zusätze wie zum Beispiel Hinterkantenzackungen, scharfe Hinterkanteneinsätze und dergleichen verwenden, wurden bereits untersucht und in einigen Fällen in die Produktion übernommen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schlägt den Einbau von zellularem Material in Windkraftanlagen-Rotorflügel zur Geräuschreduzierung über eine Geräuschquellenreduzierung und/oder Geräuschabschwächung und Absorption vor.
Die Erfindung kann in einem Rotorflügel mit einer Druckseite und einer Saugseite, einer Vorderkante, einer Hinterkante und einem Spitzenbereich verkörpert werden, wobei wenigstens ein Teilabschnitt des Flügels aus einem zellularen Material ausgebildet ist, wobei der Teilabschnitt aus zellularem Material einen Abschnitt einer exponierten Oberfläche des Flügels definiert, wodurch aerodynamisches Geräusch durch eine Geräuschquellenreduzierung und/oder Geräuschabschwächung und Absorption durch das zellulare Material reduziert wird.
Die Erfindung kann auch in einem Verfahren zum Reduzieren von Geräusch in einer Windkraftanlage über wenigstens eines von einer Geräuschquellenreduzierung und Geräuschabschwächung und Absorption durch ein Rotorflügel bestehen, wobei das Verfahren den Schritte aufweist: Bereitstellen eines Rotorflügels für die Windkraftanlage, wobei der Flügel eine Druckseite und eine Saugseite, eine Vorderkante, eine Hinterkante und einen Spitzenbereich besitzt; wobei wenigstens ein Teilabschnitt des Flügels aus einem zellularen Material ausgebildet ist, und wobei das zellulare Material einen Teilabschnitt einer exponierten Oberfläche des Flügels definiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Querschnittsansicht (Flügelprofil) eines Rotorflügels, in welchem der volle Flügelprofil querschnitt zellulares Material gemäß einer Beispielausführung der Erfindung aufweist;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht (Flügelprofil) eines Rotorflügels, in welchem ein Teilflügelprofilquerschnitt zellulares Material gemäß einer weiteren Beispielausführung der Erfindung aufweist;
3 ist eine schematische Querschnittsansicht (Flügelprofil) eines Rotorflügels, in welchem ein Hinterkanten-Flügelprofilquerschnitt zellulares Material gemäß einer weiteren Beispielausführung der Erfindung aufweist;
4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein alternatives Beispieldetail des Hinterkantenflügelprofilabschnittes von 3 darstellt;
5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein weiteres alternatives Beispieldetail des Hinterkantenflügelprofilabschnittes von 3 darstellt;
6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein alternatives Beispieldetail des Hinterkantenflügelprofilabschnittes von 3 darstellt;
7 ist eine schematische Draufsicht auf ein Rotorflügel mit einem Flügelaußenabschnitt, der aus einem zellularen Material gemäß einer weiteren Beispielausführungsform der Erfindung besteht;
8 ist eine schematische Vorderansicht des Außenabschnittes des Rotorflügels von 7;
9 ist eine schematische Vorderseitenansicht eines weiteren Rotorflügels mit einem Flügelaußenabschnitt, der zellulares Material aufweist;
10 ist eine schematische Draufsicht auf ein Rotorflügel mit einem Flügelspitzenbereich, bei dem die Spitze und ein Teil der Hinterkante aus einem zellularen Material gemäß noch einer weiteren Beispielausführungsform der Erfindung bestehen; und
11 ist eine schematische Draufsicht auf einen Rotorflügel mit einem Metallschaumaußenabschnitt oder Spitzenbereich, wie er als Teil eines Flügelblitzschutzsystems gemäß einer Beispielausführungsform der Erfindung verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie vorstehend erwähnt, schlägt die Erfindung den Einbau von zellularem Material in Rotorflügel zur Reduzierung von Geräusch über eine Geräuschquellenreduzierung und/oder Geräuschabschwächung und Absorption vor.
Insbesondere beeinflusst in Hinblick auf die Geräuschquellenreduzierung die Verwendung von zellularen Materialien, wie in Beispielausführungsformen der Erfindung vorgeschlagen, beispielsweise an dem hinteren Ende einer Flügelstruktur die Grenzschichtströmung auf dem Flügel und die damit in Verbindung stehenden Turbulenzaktivität. Durch Steuern des der Strömung angebotenen Widerstandes über Porosität und/oder andere Oberflächeneigenschaften, welche die turbulenten Wirbel in der Grenzschicht beeinflussen, können die Turbulenzgeräuschquellen modifiziert werden, um geringeres Geräusch zu erzeugen oder die Spektren zu Frequenzen zu verschieben, die für Abschwächung geeigneter sind. In Bereichen von Wirbelströmungen, wie zum Beispiel im Spitzenbereich kann die Struktur vollständig aus zellularen Materialien aufgebaut sein, deren Eigenschaften darauf zugeschnitten sind, die Größe und die Stärke des Spitzenwirbels zu verringern, welcher die Hauptquelle von Spitzengeräusch bildet. Somit wirken in gewissem Sinne zellulare Materialien ähnlich wie Behandlungen mit porösen Oberflächen, bei denen es sich gezeigt hat, dass sie aerodynamische Geräuschquellen in anderen Anwendungen reduzieren.
Im Hinblick auf Geräuschabschwächung und Absorption kann das zellulare Material selbst den Zweck der Abschwächung und Absorption des in der turbulenten Grenzschicht erzeugten Geräusches dienen. Eigenschaften von metallischen oder polymerischen (oder anderer Art, zum Beispiel Kohlenstoff-)Schaum wie zum Beispiel Porosität und Tiefe können so variiert werden, dass die Struktur des Flügels selbst zu einer akustischen Verkleidung wird und keinerlei spezielle Einsätze zum Absorbieren von aerodynamischem Geräusch benötigt.
Offenzelliges Material wird in dem Spitzenbereich bevorzugt, um ein geeignetes Druckgleichgewicht zwischen Druck- und Saugseiten zu ermöglichen. In dem Hinterkantenbereich wird eine geeignete Mischung von offen- und geschlossenzelligem Material in einer Beispielausführungsform vorgeschlagen, um die vorstehend beschriebenen aerodynamischen und aeroakustischen Eigenschaften zu erzielen.
In Beispielausführungsformen der Erfindung werden zellulare Materialien, die strukturelle Integrität in den Rotorflügelanwendungen bereitstellen können in ausgesuchten Abschnitten verwendet, wobei deren Oberflächeneigenschaften speziell angepasst werden, um aerodynamische Vorteile bereitzustellen. Sowohl Geräuschquellenreduzierung als auch akustische Abschwächungsmechanismen werden genutzt, um geräuscharme Rotorflügel zu erzeugen, welche höhere Spitzengeschwindigkeiten für Windkraftanlagen und somit einen besseren Wirkungsgrad und Ausbeute ermöglichen.
Insbesondere werden in Beispielausführungsformen der Erfindung aerodynamische Formen aus zellularen Materialien erzeugt, um die aerodynamische Struktur selbst zu einem Geräuschreduzierungssystem zu machen, statt die Verwendung von zusätzlichen Elementen, Einsätzen oder Verkleidungen auf einer Basisflügelstruktur zu erfordern.
In den Zeichnungen ist 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Rotorflügels 10 gemäß einer Beispielausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform weist der volle Flügelprofilquerschnitt ein zellulares Material 12 so auf, dass die gesamte Oberfläche des Rotorflügels Eigenschaft gemäß dem bereitgestellten zellularen Material hat, das darauf zugeschnitten ist, aeroakustische Vorteile bereitzustellen. Durch Steuern der Porosität und/oder der Oberflächeneigenschaften der exponierten Oberfläche des zellularen Materials können die Turbulenzgeräuschquellen modifiziert werden, dass sie ein geringeres Geräusch erzeugen oder die Spektren zu Frequenzen verschieben, die für Abschwächung geeigneter sind. Ferner dient das zellulare Material selbst dem Zweck der Abschwächung und Absorption des in der turbulenten Grenzschicht erzeugten oder übertragenen Geräusches. Gemäß einer weiteren Beispielausführungsform, wie sie schematisch in 2 dargestellt ist, weist ein Teilflügelprofilquerschnitt 14 zellulares Material 16 auf. Als eine weitere Alternative gemäß Darstellung in 3 weist ein hinterer Abschnitt, beispielsweise ein Hinterkantenflügelprofilquerschnitt 18, zellulares Material 20 auf.
Wie vorstehend beschrieben, stellen die 1, 2 und 3 schematisch zellulares Material dar, das als eine Strukturkomponente integriert ist; als ein Vollprofilquerschnitt, insbesondere in der Nähe der Spitze. Als eine Alternative kann jedoch das zellulare Material nur auf der Oberfläche mit einer geeigneten Dicke oder als eine Kombination einer Strukturkomponente und einer Oberflächenkomponente bereitgestellt werden, bei der sich der Strukturanteil in einen Oberflächenanteil verjüngt. Dort wo ein Oberflächenabschnitt oder ein Teilflügelprofilabschnitt aus zellularem Material ausgebildet ist, wird das Schaummaterial an dem Rest der Struktur unter Anwendung einer beliebigen herkömmlichen Befestigungstechnik wie zum Beispiel mittels Kleber oder eine Verbindung mit einer mechanischen Komponente wie zum Beispiel einer Schraube befestigt. Weitere Verbindungstechniken sind bekannt und könnten stattdessen ohne Abweichung von dieser Erfindung eingesetzt werden.
4 stellt schematisch ein Beispiel eines Hinterkantenabschnittes 22 dar. In diesem Beispiel sind komplementäre Kopplungskomponenten in der Form einer Rippe 24 und einer Nut 26 in dem oder auf dem Hinterkantenabschnitt (22) (der in diesem Beispiel aus zellularem Material ausgebildet ist), und der Hinterkante 28 des Gegenstückes des Flügels 30 vorgesehen, um eine Ausrichtung und Verbindung zu ermöglichen. Der Hinterkantenabschnitt kann mit im Wesentlichen homogenem zellularen Material 20 bereitgestellt werden, wie es in 3 dargestellt ist. Alternativ wird, wie es in 5 dargestellt ist, eine funktionale Abstufung in dem hinteren Abschnitt mit unterschiedlichen zellularen Schäumen 34, 36, 38 zur Steuerung der Materialeigenschaften in Sehnenrichtung bereitgestellt. Beispielsweise können die zellularen Materialien unterschiedliche Porosität aufweisen oder können offene oder geschlossene Zellen enthalten, wie es für notwendig oder angemessen erachtet wird. Als eine weitere Alternative kann das zellulare Material in der Spannenrichtung variiert werden.
In noch einer weiteren Beispielausführungsform kann der zellulare Schaum 40 eine darin definierte Luftkammer 42 aufweisen oder ist mit einer unter Druck stehenden Luftkammer 42 in der Struktur verbunden, welcher aktiv die Transpiration des Flügels und somit dessen akustische Abschwächung steuert. Somit kann gemäß Darstellung in 6 Luft in den oder aus dem Luftraum 42 durch Einblasen oder Einsaugen aus dem Hauptkörper des Flügels wie bei 44 strömen, während eine Transpiration aus dem Luftraum zu der Außenoberfläche des Flügels gemäß Darstellung durch die Pfeile 46 auftritt. Die Bereitstellung von zellularem Material, durch welches Transpiration erfolgen kann, stellt eine wichtige Strömungssteuerungsfähigkeit bereit, die nicht nur zur Geräuschreduzierung durch die Modifizierung der Grenzschichten, die zu dem Flügeleigengeräusch beitragen, sondern auch zur aerodynamischen Verhaltensverbesserung (von Luftwiderstandsverringerung, Abrissverzögerung, Auftriebsverbesserung) genutzt werden kann.
Schäume können auch zum Herstellen von Spitzenabschnitten und Winglet-Konstruktionen verwendet werden, die deutlich effektiver bei der Änderung von Spitzenwirbeleigenschaften zum Reduzieren von Spitzengeräusch sind. Oder die Vorteile der Verwendung derartiger Materialien für die Konstruktion geräuscharmer Flügelspitzen und/oder Winglets wäre die, dass derartige Spitzen/Winglets kleiner sind, und somit wesentlich kleinere Systemnachteile (Gewicht, aeroelastische Phänomene wie zum Beispiel Flattern, Turmabstand) als mit herkömmlichen Materialien ausgelegte Spitzen/Winglets haben. Somit sind als weitere Beispielausführungsformen 7, 8 und 9 Draufsichten und Vorderansichten der Flügelaußenabschnitte 48, 52, wobei die Spitzenbereiche aus zellularem Material 50, 54, 56 aufge baut sind. In 9 ist beispielsweise ein Winglet 58 mit zwei zellularen Materialsegmenten 54, 56 mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie zum Beispiel unterschiedlicher Porosität, Dichte oder offenen Zellen im Verhältnis zu geschlossenen Zellen zur Steuerung von Materialeigenschaften dargestellt.
10 stellt noch eine weitere Beispielausführungsform dar, bei der der Flügelspitzenbereich 60 des Außenabschnittes eine aus zellularem Material 62 ausgebildete Spitze enthält, und ein Teil der Hinterkante 64 aus einem zellularen Material 66 besteht. Wie man erkennen wird, kann die Ausdehnung des aus zellularem Material gebildeten Bereichs und ob es als eine Oberflächenschicht oder zur Definition der strukturellen Komponente in der Gesamtheit vorgesehen ist, variiert werden, um seine Geräuschabschwächungs- und Dämpfungseigenschaften auszunutzen.
Wie es sich aus dem Vorstehenden versteht, werden in Beispielausführungsformen der Erfindung aerodynamische Formen vollständig aus zellularem Material, entweder metallischem, polymerischem oder anderem ausgebildet und in Windkraftanlagenkomponenten, insbesondere Blättern, eingebaut. Das zellulare Material kann in jedem Teil des Rotorflügels eingesetzt werden, oder so, dass es das gesamte Flügel, einen Teil des Flügelprofilquerschnittes oder einen gesamten Flügelprofilquerschnitt umfasst. In Beispielausführungsformen werden aus zellularen Materialien bestehende Flügelspitzenabschnitte bereitgestellt und in Form und Aufbau so ausgelegt, dass sie wie Winglets wirken, um das Spitzengeräusch durch Änderung der Spitzenwirbelerzeugung und Entwicklung zu reduzieren. Es dürfte erkennbar sein, dass eine Verwendung von metallischem Schaum 68 selbst zur Integration mit einem (betrieblich damit verbundenen) Blitzschutzsystem 70 führt, das gemäß schematischer Darstellung in 11 in den Flügel eingebaut ist.
Zusammengefasst wird ein Verfahren zum Erzeugen von geräuscharmen Rotorflügeln bereitgestellt, wobei metallische und/oder polymerische (oder andere) zellulare Materialien, welche hierin auch als Schäume bezeichnet werden, die in der Lage sind, gerichtete Belastungen aufzunehmen, in dem Aufbau von Rotorflügelabschnitten oder gesamten Abschnitten verwendet werden. Die Verwendung derartiger Materialien in aerodynamischen Strukturen ist darauf zugeschnitten, den Luftstrom über diese in einer solchen Weise zu beeinflussen, dass a) die Grenzschichtturbulenz gedämpft oder in einer kontrollierten Weise geändert wird, um die Geräuschverteilungsmechanismen in der Hinterkante abzuschwächen, und b) die gesteuerten akustischen Wellen durch die Materialien, welche selbst als akustische Verkleidungen wirken, absorbiert und abgeschwächt wirken. In dem Falle von Bereichen mit steilen Druckradienten, welche zu Leckageströmungen führen, wie zum Beispiel eine Schaufelflügelspitze, wird die Druckdifferenz zwischen den Druck- und Saugseiten reduziert, was zu schwächeren Spitzenwirbeln und somit geringerem Spitzengeräusch führt.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit als die praktikabelste und bevorzugte Ausführungsform betrachtet wird, dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen, die in dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind, mit abdecken soll.
Geräuscharme Rotorflügel werden bereitgestellt, wobei metallische und/oder polymerische zellulare Materialien 12, 16, 20, 34, 36, 38, 40, 50, 54, 56, 62, 66, 68, die in der Lage sind, gerichtete Belastungen aufzunehmen, in dem Aufbau von Rotorflügelteilen oder gesamten Abschnitten verwendet werden. Die Verwendung derartiger Materialien beeinflusst die Luftströmung über diesen in einer solchen Weise, dass die sich ergebende Grenzschichtturbulenz in einer gesteuerten Weise gedämpft wird, und somit der Geräuschstreuungsmechanismus an der Hinterkante geschwächt wird, und die gestreuten akustischen Wellen durch das als eine akustische Verkleidung wirkende Material absorbiert und abgeschwächt werden.

10: Rotorflügel
12: zellulares Material
14: Profilquerschnitt
16: zellulares Material
18: Hinterkantenflügelprofilquerschnitt
20: zellulares Material
22: Hinterkantenquerschnitt
24: Rippe
26: Nut
28: Hinterkante
30: Flügelgegenstück
34, 36, 38: unterschiedliche zellulare Schäume
40: zellularer Schaum
42: Luftraum
44, 46: Einblas- oder Einsaugrichtungspfeile
48, 52: Flügelaußenabschnitte
50, 54, 56: zellulares Material
58: Winglet
60: Flügelspitzenbereich
62: zellulares Material
64: Hinterkante
66: zellulares Material
70: Blitzschutzsystem

Claims

Rotorflügel 10 mit einer Druckseite und einer Saugseite, einer Vorderkante, einer Hinterkante und einem Spitzenbereich 60, wobei wenigstens ein Abschnitt des Flügels aus einem zellularen Material 12, 16, 20, 34, 36, 38, 40, 50, 54, 56, 62, 66, 68 ausgebildet ist, wobei das zellulare Material einen Abschnitt einer exponierten Oberfläche der Schaufel definiert, wodurch ein aerodynamisches Geräusch über eine Geräuschquellenreduzierung und/oder Geräuschabschwächung und Absorption durch das zellulare Material reduziert wird.
Rotorflügel nach Anspruch 1, wobei das zellulare Material ein zellulares Material mit offenen Zellen und/oder zellulares Material mit geschlossenen Zellen aufweist.
Rotorflügel nach Anspruch 1, wobei das zellulare Material metallisch, polymerisch oder Kohlenstoff ist.
Rotorflügel nach Anspruch 1, wobei das gesamte Flügel aus zellularem Material ausgebildet ist.
Rotorflügel nach Anspruch 1, wobei das zellulare Material als eine Oberflächenschicht auf wenigstens einem Teil des Flügels vorgesehen ist, und die Oberflächenschicht eine vorbestimmte Tiefe hat.
Rotorflügel nach Anspruch 1, wobei ein hinterer Abschnitt des Flügels aus einem zellularen Material 40 ausgebildet ist, und wobei das zellulare Material eine darin ausgebildete Luftkammer besitzt oder mit einer Luftkammer verbunden ist, durch welche die Transpiration des Flügels aktiv durch Einblasen oder Einsaugen 44, 46 gesteuert werden kann, um das aerodynamische und aeroakustische Verhalten des Flügels zu steuern.
Rotorflügel nach Anspruch 1, wobei ein hinterer Abschnitt des Flügels aus einem zellularen Material 40 ausgebildet ist und wobei der aus einem zellularen Material ausgebildete hintere Abschnitt mehrere zellulare Materialien 34, 36, 38 in einer Sehnenrichtung aufweist, wobei jedes von dem mehreren zellularen Materialien wenigstens eine Eigenschaft aufweist, die sich von der eines benachbarten zellularen Materials unterscheidet.
Rotorflügel nach Anspruch 1, wobei der Spitzenbereich eine Spitze 62 aufweist, und wobei ein Teil 66 der Hinterkante 64 des Flügels und die Spitze 62 beide aus zellularem Material bestehen.
Rotorflügel nach Anspruch 1, wobei die Spitze einen Winglet-Aufbau 58 aufweist, und wobei der Winglet-Aufbau aus einem zellularen Material 56 mit Materialeigenschaften aufgebaut ist, die sich von einem zellularen Material 54 unterscheiden, das in einem benachbarten Spitzenbereich des Flügels vorgesehen ist.
Rotorflügel nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Abschnitt des Spitzenbereichs aus metallischem Schaum 68 besteht, und wobei das Flügel ein Blitzschutzsystem 70 enthält, das funktionell mit dem metallischen Schaumabschnitt verbunden ist.