DE102008037368A1

DE102008037368A1 - Rotorflügel mit Hinterkantenzackenprofilen

Info

Publication number: DE102008037368A1
Application number: DE102008037368A
Authority: DE
Inventors: Klaus U. Koegler; Stefan Herr; Murray Fisher
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2009-04-02
Also published as: CN101392721A; US20090074585A1; DK200801159A

Abstract

Ein Windgenerator (2) und ein Rotorflügel (30) weisen eine Hinterkante (32) mit mehreren Zackenprofilen (38) auf, wobei eine Länge (H) der Zackenprofile (38) in jedem von mehreren Abschnitten (I-IV) der Hinterkante (32) zwischen angenähert 10% und 40% einer mittleren Sehne für den entsprechenden Abschnitt ist und ein Längen/Breiten-Verhältnis (H/W) von jedem der Zackenprofile (38) zwischen angenähert 1 : 1 bis 4 : 1 ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet
Der hier beschriebene Erfindungsgegenstand betrifft im Wesentlichen Strömungsflächen mit spezifischen Flügelstrukturen und insbesondere Rotorflügel mit Hinterkantenzackenprofilen.
2. Stand der Technik
Eine Windkraftanlage ist eine Maschine zum Umwandeln der kinetischen Energie in Wind in mechanische Energie. Wenn diese mechanische Energie direkt durch eine Maschinerie genutzt wird, wie z. B. zum Pumpen von Wasser oder zum Mahlen von Getreide, wird dann die Windkraftanlage als eine Windmühle bezeichnet. In ähnlicher Weise kann, wenn die mechanische Energie weiter in Elektrizität umgewandelt wird, dann die Maschine als ein Windgenerator oder Windkraftmaschine bezeichnet werden.
Windkraftanlagen verwenden einen oder mehrere Blätter in Form von "Flügeln", um Auftrieb zu erzeugen und Bewegungsenergie aus sich bewegender Luft zu erfassen, die dann an einen Rotor weitergegeben wird. Jeder "Flügel" ist typischerweise mit seinem "Fuß"-Ende an einem Rotor befestigt und "erstreckt" sich dann radial "nach außen" zu einem freien "Spitzen"-Ende. Die vorne befindliche oder "Vorder"-Kante des Flügels verbindet die am weitesten vorne liegenden Punkte des Flügels, die zuerst mit der Luft in Berührung kommen. Die hinten befindliche oder Hinterkante des Flügels befindet sich dort, wo der Luftstrom, der durch die Vorderkante getrennt wurde, sich nach dem Verlauf über die Saug- und Druckseiten des Flügels wieder vereint. Eine "Sehnen"-Linie verbindet die Vorder- und Hinterkanten des Flügels in der Richtung des typischen Luftstroms über den Flügel. Die Länge einer Sehnenlinie wird typischerweise einfach als die "Sehne" bezeichnet.
Windkraftanlagen werden typischerweise anhand der vertikalen oder horizontalen Achse kategorisiert, um welche sich die Windkraftanlage dreht. Ein so genannter Horizontalachsen-Windgenerator ist schematisch in 1 dargestellt. Diese spezielle Konfiguration für eine Windkraftanlage 2 enthält einen Turm 4, der einen Antriebsstrang 6 mit einem Rotor 8 lagert, der von einer als "Gondel" bezeichneten Schutzumhüllung abgedeckt ist. Die Flügel 10 sind an einem Ende des Rotors 8 außerhalb der Gondel für den Antrieb eines Getriebes 12 und eines elektrischen Generators 14 an dem anderen Ende des Antriebsstrangs 6 innerhalb der Gondel angeordnet.
Obwohl die Windenergie eine der am schnellsten wachsenden Quellen für erneuerbare Energie ist, ist das Geräusch der Windkraftanlage immer noch ein größeres Hindernis für deren Anwendung. Für große moderne Windkraftanlagen wird das aerodynamische Geräusch als die dominierende Quelle dieses Geräuschproblems betrachtet und insbesondere das so genannte "Hinterkantengeräusch", das durch die Wechselwirkung einer Turbulenz in der Grenzschicht mit der Hinterkante des Flügels verursacht wird.
Etwa 1996 begann die Europäische Kommission unter dem nicht-nuklearen Energieforschungsprogramm "Joule III" das Projekt "Serrated Trailing Edge Noise ("STENO") mit dem Ziel einer Verifizierung eines Vorhersagealgorithmus für Hinterkantengeräusch, in welchem verschiedene Zackenprofile konstruiert und in Freifeldmessungen mit der "Universal Wind Turbine for Experiments" ("UNIWEX") in Schnittlingen, Deutschland getestet wurden. Zackenprofile mit unterschiedlichen Gesamtlängen, Aspektverhältnissen und Geometrien im Querschnittsprofil (gerade, geknickt, gekrümmt) wurden getestet. Gemäß dem "Veröffentlichungsbereiten Endbericht" hatten geknickte Zackenprofile mit 2:1 Aspektverhältnis nahezu dieselben aeroakustischen Geräuscheigenschaften wie die gekrümmten Zackenprofile mit 2:1 Verhältnis, und die größere maximale Reduzierung in dem aeroakustischen Geräusch, das innerhalb des moderaten Frequenzbereichs emittiert wurde, machte die längeren geknickten 3:1 Zackenprofile gegenüber den 2:1 Zackenprofilen besser.
Gemäß Darstellung in 2 offenbart das U.S. Patent Nr. 7 059 833 von Stiesdal et al. einen herkömmlichen Rotorflügel mit Zackenprofilen 16, die eine dreieckige Form, einen sechseckigen Querschnitt und einen relativ spitzen Scheitelwinkel, typischerweise kleiner als 30° besitzen. Der gezackte Anteil der Hinterkante ist auf den äußeren Bereich des Flügels in der Nähe der Spitze beschränkt und besitzt eine Länge von typischerweise 10 bis 20% der Spanne.
3 und 4 aus dem U.S. Patent Nr. 7 059 833 von Stiesdal et al. stellen ein Zackenpaneel 18 dar, das mit einigen bevorzugten Abmessungen der Zackenprofile offenbart ist, die zur Anwendung bei Rotorflügeln von 20 bis 50 Meter Länge geeignet sind. Das Zackpaneel 18 kann aus einer 1000 × 110 mm Polycarbonatplatte hergestellt werden. Eine Zacke kann ein gleichschenkliges Dreieck mit einer Höhe von 50 mm sein. Der Querschnitt kann rechteckig mit einer Dicke von 2 mm sein, und das Paneel kann entlang der Längsachse gemäß Darstellung in 4 geknickt sein, wobei die Biegung 20 einen Winkel von 15° besitzt.
5 ist ebenfalls aus dem U.S. Patent Nr. 7 059 833 von Stiesdal et al. kopiert und stellt eine schematische Querschnittsansicht der Montage des gezackten Paneels an einem Rotorflügel dar. Eine gerade Version des Paneels kann auf der Druckseite des Flügels befestigt sein und über die Hinterkante hinaus vorstehen. Die in 5 dargestellte geknickte Version des Paneels 18 kann ebenfalls auf der Druckseite des Flügels über die Hinterkante hinaus vorstehend befestigt sein, oder eine weitere Version kann auf der Saugseite befestigt sein. Das Paneel 18 wird mit einem Material und einer Dicke hergestellt, die zur Sicherstellung ausreichen, dass der Winkel des gezackten Teils im Wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit und dem Winkel des Luftstroms an der Hinterkante des Flügels unverändert bleibt. Das Paneel 18 kann mit einem Material und einer Dicke hergestellt werden, um sicherzustellen, dass der Winkel der gezackten Teile sich in Reaktion auf die Geschwindigkeit und den Winkel des Luftstroms an der Hinterkante des Flügels nicht ändert.
Die Europäische Patentanmeldung Nr. 1 338 793 offenbart ebenfalls einen Rotorflügel mit einer gezackten Hinterkante, bei der die Zackenhöhe durch die Dicke der Grenzschicht auf der Sehnenfläche des Flügels definiert ist. In einer Ausführungsform ist die Zackenhöhe entlang der Länge des Flügels so variiert, dass das Verhältnis der Zackenhöhe zu der Dicke der Grenzschicht auf der oberen und unteren Sehnenfläche entlang der Länge des Flügels konstant ist. Dieses Patent offenbart auch, dass die Dicke der Grenzschicht proportional zu der Sehnenlänge des Flügels gemäß der Gleichung Δ = cL(1/Re)/5 zunimmt, wobei Δ die Dicke der Grenzschicht, c ein Koeffizient mit einem Wert von etwa 0,37, L die Sehnenlänge und Re die Reynoldszahl ist.
Im Januar 2003 wurde das fünfte europäische Grundlagenprojekt SIROCCO: Silent Rotors by Acoustic Optimization unter der Koordination des Energieforschungszentrums der Niederlande mit dem Ziel gestartet, dieses Hinterkantengeräuschproblem durch die Auslegung von Flügelprofilen zu bearbeiten, für welche die Grenzschicht so modifiziert wird, dass das Hinterkantengeräusch reduziert wird, während gleichzeitig die aerodynamischen Fähigkeiten beibehalten werden, um die Bedingungen an einer Windkraftanlage im Originalmaßstab zu variieren. Eine zweite Aufgabe für das Projekt liegt in der Konstruktion und der Herstellung von Rotorflügeln im Originalmaßstab. Da das Hinterkantengeräusch hauptsächlich an den äußeren Teilen der Flügel (wo die Geschwindigkeiten am höchsten sind) erzeugt wird, könnten alle neuen geräuscharmen Flügelkonstruktionen nur auf den äußeren Abschnitt der Flügelspanne angewendet werden. Zusätzlich zu diesen aerodynamischen und akustischen Aspekten des Problems sind aeroelastische, strukturelle und Lastprobleme sorgfältig in Betracht zu ziehen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Diese und weitere Probleme in Verbindung mit derartigen herkömmlichen Lösungsansätzen werden hier bearbeitet, indem in verschiedenen Konfigurationen ein Rotorflügel mit einer Hinterkante mit mehreren Zackenprofilen bereitgestellt wird; wobei eine Länge der Zackenprofile in jedem von mehreren Abschnitten der Hinterkante angenähert 10% und 40% einer mittleren Sehne für einen entsprechenden Abschnitt ist; und ein Längen/Breiten-Verhältnis von jedem Zackenprofil etwa 1:1 bis 4:1 ist. Ferner wird ein Windgenerator bereitgestellt, welcher aufweist: einen Turm, der einen Rotor trägt, der mit einem Getriebe und einem Generator verbunden ist; wenigstens einen sich radial von dem Rotor weg erstreckendes Flügel mit einer Hinterkante mit mehreren dreieckigen Zackenprofilen, die im Wesentlichen in einer Ebene mit der Hinterkantenstromlinie angeordnet sind; wobei eine Länge der Zackenprofile in jedem der mehreren Abschnitte der Hinterkante etwa 18% und 22% der mittleren Sehne für den entsprechenden Abschnitt ist; und ein Längen/Breiten-Verhältnis der Zackenprofile zwischen etwa 1,5:1 bis 2,5:1 beträgt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Aspekte dieser Technologie werden nun unter Bezugnahme auf die nachstehenden Figuren beschrieben, welche nicht notwendigerweise maßstäblich sind, aber dieselben Bezugszeichen verwenden, um entsprechende Teile durchgängig durch jede von den verschiedenen Ansichten zu bezeichnen.
1 ist eine schematische Seitenansicht einer herkömmlichen Windkraftanlage.
2 ist eine schematische Draufsicht auf einen Abschnitt eines herkömmlichen Rotorflügels, der mit einer gezackten Hinterkante ausgestattet ist.
3 ist eine schematische Draufsicht auf ein herkömmliches gezacktes Paneel für einen Rotorflügel.
4 ist eine Seitenansicht des herkömmlichen gezackten Paneels für einen in 3 dargestellten Rotorflügel.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht der Befestigung des in den 3 und 4 dargestellten gezackten Paneels auf einem Rotorflügel.
6 ist eine schematische Teildraufsicht auf einen Rotorflügel.
7 ist eine vergrößerte Teildraufsicht auf einen Abschnitt des in 6 dargestellten gezackten Paneels.
8 ist eine schematische Querschnittsansicht des Rotorflügels in 6.
9 ist eine graphische Auftragung der relativen scheinbaren Schalldruckpegeldifferenz über der Frequenz für zwei Rotorflügel.
10 ist eine graphische Auftragung der relativen scheinbaren Schalldruckpegeldifferenz über der Windgeschwindigkeit für zwei Rotorflügel.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
6 ist eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Rotorflügels 30 zur Verwendung mit dem in 1 dargestellten Windgenerator 2 oder irgendeiner anderen Windkraftanlage. Der Flügel 30 enthält eine gezackte Hinterkante 32 die sich im Wesentlichen aus der Nähe der Spitze 34 des Flügels nach innen erstreckt. Für die hier dargestellten Beispiele ist die gezackte Hinterkante 32 in vier benachbarte mit I bis IV bezeichnete gezackte Abschnitte unterteilt. Es kann jedoch jede andere Anzahl von Abschnitten vorgesehen werden, und die verschiedenen Abschnitte können über Abschnitte der Hinterkante ohne Zackenprofile und/oder mit anderen Zackenprofilen beabstandet sein.
Jeder Abschnitt der gezackten Hinterkante 32 kann getrennt oder zusammenhängend aus einem beliebigen Material, einschließlich Aluminium, Kunststoff, verstärktem Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff, glasfaserverstärktem Kunststoff und/oder anderen Materialien ausgebildet sein. Beispielsweise kann die gezackte Hinterkante 32 als eine oder mehrere relativ steife Platten ausgebildet sein, die sich nicht wesentlich unter den erwarteten aerodynamischen Belastungen verformen. Diesbezüglich wird erwartet, dass eine ein bis zwei Millimeter dicke Aluminiumplatte eine geeignete Steifigkeit in vielen Anwendungen bereitstellt. Es können jedoch auch weniger starre Materialien verwendet werden, und die gezackte Hinterkante 32 kann auch in einem Stück mit dem Flügel 30 ausgebildet sein.
Jeder von den dargestellten Abschnitten I bis IV enthält mehrere dreieckige Zackenprofile 38, wie es am besten in einer vergrößerten Teildetailansicht in 7 dargestellt ist. Jedoch kann auch jede andere Form für einige oder alle Zackenprofile 38 verwendet werden, einschließlich Formen wie zum Beispiel halbkreisförmig, elliptisch, tropfenförmig, rechteckig und/oder quadratisch. In den hier dargestellten Beispielen erstreckt sich jede von den Zackenprofilen 38 aus einem Streifen 40 mit einer Breite "S" zur Befestigung an der Saugseite des Flügels in der Nähe der Hinterkante 32. Beispielsweise kann der Streifen 40 mit der Saugseite des Flügels 30 verklebt oder anderweitig daran befestigt sein. Der Streifen 40 kann jedoch auch an der Druckseite des Flügels 30 befestigt sein und/oder in die ungezackte Hinterkante des Flügels 30 eingefügt sein. Obwohl die Zackenprofile 38 als mit dem Streifen 40 zusammenhängend dargestellt sind, können sie auch getrennt an dem Streifen 40 und/oder direkt an dem Flügel 30 befestigt sein.
Jedes von den in den 6 und 7 dargestellten dreieckigen Zackenprofilen 38 besitzt ein Scheitelverhältnis der Höhe (oder "Länge") A zur Breite W von angenähert 2:1. Dieses führt zu einem Scheitelwinkel α für das Dreieck von angenähert 28°. Jedoch können auch andere Höhen/Breiten-Verhältnisse, H:W oder H/W ebenfalls verwendet werden, welche einem Breitenbereich von 1:1 zu 4:1 (mit entsprechenden Scheitelwinkeln von 14,25° bis 53,13°) und einen schmäleren Bereich von 1,5:1 bis 2,5:1 (mit entsprechenden Scheitelwinkeln zwischen 22,62° und 36,87°) oder angenähert 2:1 beinhalten. Die Höhe H wird typischerweise innerhalb eines breiten Bereichs zwischen 10% und 40% und eines schmäleren Bereichs von 18% und 22% der Sehnenlänge des Flügels 30 an der Stelle des Zackenprofils 38 gewählt. Da die Sehne über der Spanne jedes Abschnittes variieren kann, kann eine durchschnittliche oder mittlere Sehnenlänge für jeden Abschnitt verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine mittlere Sehnenlänge über den Abschnitt oder nur eine einzige Sehnenlänge in der Nähe der Mitte jedes Abschnittes für die Ermittlung der Höhen (oder Längen)-Dimension H verwendet werden.
Die dargestellten Täler 42 zwischen den Zackenprofilen 38 bilden ebenfalls einen Winkel α, welcher derselbe wie der Scheitelwinkel α an der Spitze der Zackenprofile ist. Jedoch muss der Winkel α nicht notwendigerweise derselbe für den Scheitel der dreieckigen Zackenprofilen 38 und die Täler 42, wie beispielsweise dort sein, wo benachbarte Zackenprofile nicht dasselbe Höhen/Breiten-Verhältnis haben. Ebenso sind die Täler 42 nicht notwendigerweise V-förmig um dem V-förmigen Scheitel der dreieckigen Zackenprofile zu entsprechen. Beispielsweise können einige oder alle von den Tälern 42 U-förmig, halbkreisförmig, elliptisch, rechteckig und/oder quadratisch sein.
Die Basis der Täler 42 muss zu der ungezackten Hinterkante des Flügels 30 so ausgerichtet sein, dass sich nur die Zackenprofile 38 aus der ungezackten Hinterkante des Flügels 30 er strecken. Alternativ kann sich ein Teil des Streifens 40 über die Kante der ungezackten Hinterkante des Flügels 30 hinaus erstrecken. Die Zackenprofile 38 können auch voneinander entlang des Streifens 40 und/oder des Flügels 30 in Abstand angeordnet sein.
8 ist eine schematische Querschnittsansicht des Rotorflügels entlang einer Sehnenquerschnittslinie VIII-VIII' in 6. 8 stellt die Zackenprofile 38 auf der Bezugslinie 50 angeordnet dar, welche der Hinterkantenströmungslinie des Flügels 30 entspricht. Bezugslinien 52 und 54 sind auf jeder Seite der gezackten Hinterkante 32 dargestellt. Die Bezugslinie 52 erstreckt sich tangential und parallel zu den letzten 5% der Druckseitenoberfläche des Flügels 32. Die Bezugslinie 54 erstreckt sich aus der ungezackten Hinterkante der Druckseite des Flügels 32 und ist eine Tangente zu einem weiteren Punkt der Flügelkontur auf der Druckseite des Flügels 30. Die Bezugslinie 54 ist daher insbesondere nützlich, da sie relativ einfach in dem Bereich auf einem existierenden Flügel zu definieren ist. Die Winkelposition der gezackten Hinterkante 32 kann in Form der Winkel β oder γ in Bezug auf die Bezugslinien 52 oder 54 gemäß Darstellung in 8 definiert werden. Tatsächlich können γ, δ und β mathematisch aus der Konfiguration der Flügels 30 in Bezug auf die Bezugslinie 50 ermittelt werden, welche aus den Hinterkantenströmungslinien an der Kante 32 des Flügels 30 bestimmt werden kann.
Die Position der Strömungslinien für einen spezielles Flügel 30 kann sich jedoch für verschiedene Windbedingungen und Flügelkonfigurationen ändern. Demzufolge wird die gerade und die angewinkelte Position der gezackten Hinterkante 32 typischerweise für jeden Flügel 30 und dessen erwartete Betriebsumgebung optimiert. Obwohl eine weitere Optimierung durch De finieren einer Länge und Position von jedem Zackenprofil 38 entlang des Flügels 30 erzielt werden kann, wäre dieses für große Flügel wie zum Beispiel das in 6 dargestellte sehr schwierig.
Angesichts dieser und weiterer Schwierigkeiten kann der Flügel 30 in eine geeignete Anzahl von Spannenabschnitten unterteilt werden, wobei jedes von den Zackenprofilen 38 eine ähnliche Länge und Winkelkonfiguration in diesem Abschnitt haben kann. Obwohl eine beliebige Anzahl von Abschnitten verwendet werden kann, hat sich herausgestellt, dass ein geeigneter Kompromiss einen breiten Bereich zwischen 1 und 10 Abschnitten oder einen kleineren Bereich zwischen 2 und 6 Abschnitten wie zum Beispiel eine von 4 Abschnitten verwendet. Die mit I bis IV beginnend von der Spitze des Flügels 30 bezeichneten vier Abschnitte, die in 6 dargestellt sind, werden nachstehend dazu verwendet, um verschiedne Ausführungsformen dieser Technologie darzustellen. Es kann jedoch irgendeine beliebige Anzahl von Abschnitten verwendet werden.
Jedes von den Zackenprofilen 38 kann dieselbe Konfiguration in jedem Abschnitt aufweisen, oder die nachstehend angegebenen Zahlen können Durchschnitts- oder Mittelwerte über den gesamten Abschnitt sein. Ferner wird in den nachstehenden Beispielen erwartet, dass geeignete Ergebnisse durch Variieren der Längen über einen breiten Bereich von ±30% und/oder durch Variieren der Winkel um ±20°, oder durch Variieren der Längen über einen kleineren Bereich von ±5% und/oder variieren der Winkel um ±5° erzielt werden. Beispielsweise werden von den nachstehend aufgelisteten Werten technische Toleranzen von ±10% oder ±20° erwartet.
In einer Ausführungsform zur Verwendung mit einem Modell Nr. GE46 Rotorflügel, der von General Electric Corporation of Fairfield, Connecticut, USA beziehbar ist, können vier Abschnitte mit den Zackenprofilen 38 mit einem Verhältnis der Höhe H zur Breite W von angenähert 2:1 verwendet werden und ferner wie folgt konfiguriert sein, wobei die Länge in Millimeter und die Winkel in Grad angegeben sind:

Abschnittsnummer Abstand von der Flügelspitze H δ β γ

I 750 123 6,4 7,5 –1,1

II 3250 171 6,4 5,5 0,9

III 7400 220 6,4 6,5 –0,1

IV 12900 284 7,7 7,0 0,7
Wie für die vorstehend aufgelisteten Winkel für β angezeigt ist jedes von den Zackenprofilen in einem Winkel zwischen angenähert 7,5° und 5,5° von der in 8 dargestellten Bezugslinie, die tangential zu der Druckoberfläche des Flügels ist und sich mit der ungezackten Hinterkante des Flügels 30 schneidet, angewinkelt.
Feldmessungen wurden für einen 2,3 MW Windgenerator mit Hybridrotor (mit einem Rotordurchmesser von angenähert 94 Metern) der einen derartigen Flügel von GE Energie enthält, auf dem Testgelände des Energy Center of the Netherlands in Wieringmeer durchgeführt. Die Ergebnisse sind in 9 dargestellt, wobei ein von den SIROCCO Consortium Partnern spezifizierter, optimierter "SIROCCO"-gezackter Flügel mit quadratischen Datenpunkten angegeben ist, und das in der vorstehenden Tabelle beschriebene gezackte GE Energy Modell GE46 mit runden Datenpunkten angegeben ist. Die vertikale Achse von 6 gibt die relative scheinbare Schalldruckpegeldifferenz ("SPL") in Dezibel im Vergleich zu einem herkömmlichen ungezackten Mo dell GE46-Blatt auf demselben Rotor an, während die horizontale Achse die Frequenz ("f") in Hertz angibt. 9 veranschaulicht daher, dass das durchschnittliche Doppler-Geräuschspektrum des Flügels für das vorstehend beschriebene gezackte GE46-Blatt niedriger als das eines ähnlichen GE46-Flügels ohne Zackenprofile war. Tatsächlich war die durch die Zackenprofile erzeugte Reduzierung des Gesamtgeräuschpegel bei wenigstens zwei Frequenzen über 6 dBA. Ferner arbeitete das gezackte GE46-Blatt bei nahezu allen Frequenzen besser als der optimierte "SIROCCO"-gezackte Flügel.
10 stellt ebenfalls dieselbe relative scheinbare Schalldruckpegeldifferenz ("SPL") in Dezibel im Vergleich zu einem herkömmlichen ungezackten Modell GE46-Blatt auf demselben Rotor dar, wobei die horizontale Achse geändert wurde, um die Windgeschwindigkeit in 10 Metern über Grund (die so genannte "U10") darzustellen. In 10 stellt die obere Linie 60 das gezackte Modell GE46-Blatt, das in 9 mit runden Datenpunkten dargestellt ist, dar, während die untere Linie 62 das in 9 mit quadratischen Datenpunkten dargestellte "SIROCCO"-Blatt darstellt. Die obere Linie 60 in 10 stellt daher dar, dass das gemittelte Doppler-Geräuschspektrum des Flügels für das GE46-Blatt mit Zackenprofilen im Vergleich zu einem ähnlichen Flügel ohne Zackenprofilen niedriger ist. Ferner ist der Geräuschreduzierungspegel bei höheren Windgeschwindigkeiten am größten. Tatsächlich arbeitete, wie durch die untere Linie 62 veranschaulicht, das gezackte GE46-Blatt bei allen Windgeschwindigkeiten besser als der optimierte "SIROCCO"-gezackte Flügel.
In einer weiteren Ausführungsform zur Verwendung mit einem Modell Nr. GE48.7 Rotorflügel, der von General Electric Corporation of Fairfield, Connecticut, USA beziehbar ist, können fünf Abschnitte mit den Zackenprofilen 38 mit einem Verhältnis der Höhe H zur Breite W von angenähert 2:1 verwendet werden und ferner wie folgt konfiguriert sein, wobei die Länge in Millimeter und die Winkel in Grad angegeben sind:

C Abstand von der Flügelspitze H

I 800 150

II 3500 200

III 7500 250

IV 13000 320

V 20000 400
In noch einer weiteren Ausführungsform zur Verwendung mit einem Modell Nr. GE40 Rotorflügel, der von General Electric Corporation of Fairfield, Connecticut, USA beziehbar ist, können fünf Abschnitte mit den Zackenprofilen 38 mit einem Verhältnis der Höhe H zur Breite W von angenähert 2:1 verwendet werden und ferner wie folgt konfiguriert sein, wobei die Länge in Millimeter und die Winkel in Grad angegeben sind:

C Abstand von der Flügelspitze H

I 600 100

II 1500 150

III 3000 190

IV 8000 230

V 15000 300
In den letzteren zwei Beispielen können die Winkel δ aus der Flügelgeometrie bestimmt werden und die Winkel γ und β können aus der erwarteten Position der Hinterkantenströmungslinie für erwarteten Strömungsbedingungen ermittelt werden.
Die vorstehend beschriebene Technologie bietet eine Vielfalt von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Lösungsansätzen. Beispielsweise können die Rotorflügel leicht mit der gezackten Hinterkante 32 ausgestattet werden, was das aerodynamische Geräusch signifikant ohne wesentliche Gewichtserhöhungen oder Änderungen an den existierenden Flügelformen verringert.
Es sollte betont werden, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, und insbesondere alle "bevorzugten" Ausführungsformen lediglich Beispiele verschiedener Implementationen sind, die hier beschrieben wurden, um ein klares Verständnis verschiedener Aspekte dieser Technologie zu ermöglichen. Diese Ausführungsformen können ohne wesentliche Abweichung von dem Schutzumfang, welcher allein durch den korrekten Aufbau der nachstehenden Ansprüche bestimmt ist, modifiziert werden.
Ein Windgenerator 2 und ein Rotorflügel 30 enthalten eine Hinterkante 32 mit mehreren Zackenprofilen 38, wobei eine Länge H der Zackenprofile 38 in jedem von mehreren Abschnitten I– IV der Hinterkante 32 zwischen angenähert 10% und 40% einer mittleren Sehne für den entsprechenden Abschnitt ist; und ein Längen/Breiten-Verhältnis H/W von jedem der Zackenprofile 38 zwischen angenähert 1:1 bis 4:1 ist.

2: Windkraftanlage
4: Turm
6: Antriebsstrang
8: Rotor
10: Flügel
12: Getriebe
14: Generator
16: herkömmliche Zackenprofile
18: herkömmliches Zackprofilpaneel
20: herkömmliche Zackprofilzacke
30: Rotorflügel
32: gezackte Hinterkante
34: Spitze
38: Zackenprofil
40: Streifen
42: Tal
50: Zackenprofillinie
52: Bezugslinie
54: Bezugslinie
60: obere Linie im Diagramm
62: untere Linie im Diagramm

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7059833 [0007, 0008, 0009]
- EP 1338793 [0010]

Claims

Rotorflügel (30), aufweisend: eine Hinterkante (32) mit mehreren Zackenprofilen (38); eine Länge H der Zackenprofile (38) in jedem von mehreren Abschnitten (I–IV) der Hinterkante (32) zwischen angenähert 10% und 40% einer mittleren Sehne für den entsprechenden Abschnitt; und ein Längen/Breiten-Verhältnis (H/W) von jedem der Zackenprofile (32) das zwischen angenähert 1:1 bis 4:1 liegt.
Rotorflügel nach Anspruch 1, wobei die Länge der Abschnitte (38) zwischen angenähert 18% und 22% der mittleren Sehne für den entsprechenden Abschnitt beträgt.
Rotorflügel nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Länge der Zackenprofile (38) angenähert 20% der mittleren Sehne für den entsprechenden Abschnitt beträgt.
Rotorflügel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Längen/Breiten-Verhältnis (H/W) von jedem der Zackenprofile (38) zwischen angenähert 1,5:1 und 2,5:1 ist.
Windgenerator, aufweisend: einen Turm (4), der einen Rotor (8) trägt, der mit einem Getriebe (12) und einem Generator (14) verbunden ist; wenigstens einen Rotorflügel (30), der sich radial von dem Rotor weg erstreckt, wobei eine Hinterkante (32) mehrere drei eckige Zackenprofile (38) besitzt, die im Wesentlichen in einer Ebene mit einer Hinterkantenströmungslinie (50) angeordnet sind; eine Länge (H) der Zackenprofile (38) in jedem von den mehreren Abschnitten der Hinterkante die zwischen angenähert 18% und 22% einer mittleren Sehne für den entsprechenden Abschnitt beträgt; und ein Längen/Breiten-(H/W)-Verhältnis von jedem der Zackenprofile (38), das zwischen angenähert 1,5:1 bis 2,5:1 ist.
Windgenerator nach Anspruch 5, wobei sich ein erster Abschnitt (I) der Zackenprofile (38) über angenähert 600 bis 800 mm nahezu von einer Spitze des Flügels aus nach innen erstreckt.
Windgenerator nach Anspruch 5 und 6, wobei sich ein zweiter Abschnitt (II) der Zackenprofile (38) über angenähert 1500 bis 3250 mm von einem inneren Ende des ersten Abschnittes aus nach innen erstreckt.
Windgenerator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei sich ein dritter Abschnitt (III) der Zackenprofile (38) über angenähert 3000 bis 7500 mm von einem inneren Ende des zweiten Abschnittes aus nach innen erstreckt.
Windgenerator nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei eine Länge der Zackenprofile (38) in einem ersten Abschnitt (I) zwischen angenähert 100 und 150 mm ist; eine Länge der Zackenprofile (38) in einem zweiten Abschnitt (II) zwischen angenähert 150 und 200 mm ist; und eine Länge der Zackenprofile (38) in einem dritten Abschnitt (III) zwischen angenähert 190 und 250 mm ist.
Windgenerator nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei jedes von den Zackenprofilen (38) in einem Winkel zwischen angenähert 5,5 und 7,5° zu einer Bezugslinie (54) angeordnet ist, die tangential zu einer Druckoberfläche des Flügels ist und sich mit einer ungezackten Hinterkante des Flügels schneidet.