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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Fachgebiet
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Die
hier beschriebene Thematik betrifft allgemein Strömungsflächen
mit speziellen Rotorflügelstrukturen und insbesondere Windkraftanlagen
mit Rotorflügel-Grundrissen mit verdrehten und sich verjüngenden Spitzen.
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2. VERWANDTE TECHNIK
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Eine
Windkraftanlage ist eine Maschine zur Umwandlung der kinetischen
Energie des Windes in mechanische Energie. Wird die mechanische
Energie direkt von der Maschinerie genutzt – beispielsweise,
um Wasser zu pumpen oder Weizen zu mahlen – kann die Windkraftanlage
als Windmühle bezeichnet werden. Wird die mechanische Energie
in Elektrizität umgewandelt, kann man die Maschine entsprechend
auch als Windgenerator oder Windkraftwerk bezeichnen.
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Windkraftanlagen
werden typischerweise entsprechend ihrer vertikalen oder horizontalen
Achse kategorisiert, um die die Rotorflügel rotieren. Ein
so genannter Horizontalachsen-Windgenerator ist in 1 schematisch
dargestellt und bei der Firma General Electric erhältlich.
Diese besondere Konfiguration einer Windkraftanlage 2 umfasst
einen Turm 4, der ein Maschinenhaus 6 trägt,
das einen Antriebsstrang 8 umschließt. Die Rotorflügel 10 sind
auf einer Nabe angeordnet und bilden an einem Ende des Antriebsstrangs 8 außerhalb des
Maschinen hauses 6 einen „Rotor”. Die
rotierenden Rotorflügel 10 treiben ein Getriebe 12 an,
das mit einem elektrischen Generator 14 verbunden ist,
der an dem anderen Ende des Antriebsstrangs 8 in dem Maschinenhaus 6 angeordnet
ist. Ebenfalls in dem Maschinenhaus 6 befindet sich ein
Steuerungssystem 16, das Eingaben von einem Anemometer 18 erhält.
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Die
Rotorflügel 10 erzeugen Auftrieb und nehmen den
Impuls aus strömender Luft auf, der dann auf einen Rotor übertragen
wird, während die Rotorflügel sich in der „Rotorebene” drehen.
Jeder Rotorflügel ist typischerweise an seinem „Fußende” gesichert,
und erstreckt sich dann radial nach außen zu einem freien „Spitzen-Ende”.
Die vordere oder „Anströmkante” des Rotorflügels
verbindet die vordersten Punkte des Rotorflügels, die zuerst
mit der Luft in Berührung kommen. An der hinteren oder „Abströmkante” des
Rotorflügels wird der durch die Anströmkante geteilte
Luftstrom wieder zusammengeführt, nachdem er über
die Saug- und die Druckfläche des Rotorflügels
geströmt ist. Eine „Sehnenlinie” verbindet
die Anström- und die Abströmkante des Rotorflügels
in der Richtung des typischen Luftstroms über den Rotorflügel.
Die Länge der Sehnenlinie wird einfach als „Sehne” bezeichnet.
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Die
Außenenden der Rotorflügel 10 werden „Spitzen” und
die Entfernung von der Spitze zu dem an dem entgegengesetzten Ende
des Rotorflügels angeordneten Fuß wird „Rotorradius” genannt.
Da der Fuß des Rotorflügels 10 aus dem
Rotationszentrum des Rotorflügels verlagert ist, wenn dieses
mit der Nabe verbunden ist, wird die Entfernung von dem Rotationszentrum
des Rotorflügels 10 zu der Spitze als der „Rotorradius” bezeichnet
und hier mit dem Buchstaben „R” gekennzeichnet.
Da sich bei vielen Rotorflügeln 10 die Länge
der Sehne über die Spanne ändert (und den entsprechenden
Rotorradius), wird die Sehnenlänge in der Nähe
des Fußes als „Fußsehne” und
in der Nähe der Rotorflügelspitze als „Spitzensehne” bezeichnet.
Die resultierende Form des Rotorflügels 10, senkrecht
zu der Strömungsrichtung gesehen, wird „Grundriss” genannt.
Die Dicke eines Rotorflügels 10 variiert quer über
den Grundriss, und der Begriff „Dicke” wird typischerweise
benutzt, um die maximale Entfernung zwischen der saugseitigen Oberfläche
mit niedrigem Druck und der druckseitigen Oberfläche mit
hohem Druck auf der entgegengesetzten Seite des Rotorflügels
für eine beliebige bestimmte Sehnenlinie zu beschreiben.
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Der
Begriff „Anstellwinkel” beschreibt den Winkel
zwischen der Sehnenlinie des Rotorflügels 10 und dem
Vektor, der die relative Bewegung zwischen dem Rotorflügel
und der Luft beschreibt. „Pitching” bezieht sich
auf die Rotation des Anstellwinkels des gesamten Rotorflügels 10 in
den oder aus dem Wind, um die Rotationsgeschwindigkeit und/oder
die Energieaufnahme aus dem Wind zu steuern. Eine Verstellung des
Anstellwinkels (pitching) des Rotorflügels „towards
feather” dreht die Anströmkante des Rotorflügels 10 in
den Wind, während eine Verstellung des Anstellwinkels „towards
stall” die Anströmkante des Rotorflügels
aus dem Wind dreht.
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Da
die Geschwindigkeit der Rotorflügel 10 relativ
zur Luft entlang dem Rotorradius der rotierenden Rotorflügel
zunimmt, ist die Form der Rotorflügel typischerweise verdreht,
um einen im Allgemeinen einheitlichen Anstellwinkel an den meisten
Punkten entlang dem Rotorradius des Rotorflügels beizubehalten. 2 zeigt zum
Beispiel eine konventionelle Rotorflügel-Verdrehungs-Verteilung 20,
wobei der „Verdrehungswinkel” ✓ der Rotorflügel 10 in
Grad auf der Vertikalachse angezeigt ist. Die Horizontalachse in 2 zeigt
die normalisierte Entfernung von dem Rotationszentrum des Rotorflügels 10 entlang
der Spanne nach außen, „r/R”, hier als „Prozent
des Rotorradius” oder „normalisierter Rotorradius” bezeichnet. Aufgrund
der relativ geringen Größe der Nabe im Vergleich
zu der Länge der Rotorflügel 10 können
diese „Prozent des Rotorradius” auch näherungsweise
als die normalisierte Entfernung nach außen, beginnend
an dem Fuß des Rotorflügels, oder „Prozent
der Spanne” bezeichnet werden, als beginnend an dem Rotationszentrum
des Rotorflügels.
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Positive
Werte des Verdrehungswinkels ✓ in diesen Figuren zeigen
an, dass der Rotorflügel 10 in den Wind („towards
feather”) verdreht ist, während negative Werte
anzeigen, dass der Rotorflügel aus dem Wind („toward
stall”) verdreht ist. Der Verdrehungswinkel ✓ beginnt
im Allgemeinen mit einem hohen positiven (In-den-Wind-)Wert innen
und „rotiert” dann in die Aus-dem-Wind-Richtung
in Außenrichtung entlang dem Rotorradius des Rotorflügels.
Diese Veränderung wird als „Vorwärts-Verdrehung” des
Rotorflügels bezeichnet. Wird der Verdrehungswinkel in
die In-den-Wind-Richtung gedreht, bezeichnet man die Veränderung
als „Rückwärts-Verdrehung”.
Ein Nullwert für den Verdrehungswinkel ✓ zeigt
an, dass ein Abschnitt des Rotorflügels 10 in
der Rotorebene liegen wird, wenn der Rotorflügel auf dem
Rotor 8 mit Null Verstellung des Anstellwinkels angeordnet
wird.
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3 ist
ein vergrößerter Teil der in
2 gezeigten
Verdrehungs-Verteilung
20, wobei der gesamte Rotorflügel
10 vorwärts
verstellt (pitched) wurde. Da
3 die Verdrehungs-Verteilung
eines äußeren Abschnitts des Rotorflügels
10 nahe
der Spitze zeigt, wird dies auch als „Spitzen-Verdrehungs-Verteilung” bezeichnet.
3 entspricht
den folgenden numerischen Daten:
| r/R | ✓ – 20 |
| 96,00% | –1,63 |
| 96,80% | –1,68 |
| 97,40% | –1,66 |
| 98,06% | –1,62 |
| 98,56% | –1,54 |
| 99,06% | –1,35 |
| 99,56% | –0,58 |
| 100,00% | 1,67 |
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Andere
Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen wurden jedoch ebenfalls veröffentlicht.
Zum Beispiel zeigt „Design of Tapered and Twisted
Blade for the NREL Combined Experiment Rotor", Veröffentlichung
Nr. NREL/SR-500-26173 (April 1999), eine Verdrehungs-Verteilung,
die ab circa 75% des Rotorradius bis zu der Rotorflügelspitze
negativ ist.
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Die
Geräusch- und Energieleistung von Windmaschinenrotorflügeln 10 hängt
zum Teil von der Wirbelentwicklung an der Spitze des Rotorflügels
ab. Es wurden verschiedene Verfahren zur Steuerung dieser Wirbelbildung
vorgeschlagen. Zum Beispiel offenbart die gemeinsame parallele (commonly-owned,
copending) U. S.-Anmeldung Seriennr. 11/827532 (Anwaltsaktenzeichen
Nr. 225992), eingereicht 12. Juli 2007, einen Windmaschinenrotorflügel
mit einem „Wirbelzerstörungssystem” zur
Geräuschreduzierung. Während die Wirbelbildung
im Allgemeinen durch eine Minimierung der aerodynamischen Last an
der Rotorflügelspitze reduziert werden kann, bewirkt die
sogenannte „Spitzenentlastung” typischerweise
eine signifikante Reduzierung der von dem Rotorflügel produzierten
Energie.
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Die
Vor- und Nachteile einer solchen Spitzenentlastung können
auch durch eine Verkürzung der Sehne in Spitzennähe
erreicht werden.
7 ist zum Beispiel eine grafische
Dar stellung der Sehne „c” als ein Prozentanteil
des Gesamt-Rotorradius „R” (auch als „c/R” oder „normalisierte
Sehne” bezeichnet) versus dem normalisierten Rotorradius
des konventionellen Rotorflügels, wie er oben mit Bezug
auf die
2 und
3 erörtert
wurde. Die in
7 gezeigte „Spitzen-Sehnen-Verteilung”
22 entspricht
den folgenden Daten:
| r/R | c/R – 22 |
| 95,56% | 1,95% |
| 96,00% | 1,94% |
| 96,80% | 1,92% |
| 97,40% | 1,90% |
| 98,06% | 1,88% |
| 98,56% | 1,85% |
| 99,06% | 1,79% |
| 99,56% | 1,52% |
| 100,00% | 0,70% |
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9 ist
eine grafische Darstellung der Sehne „c” als ein
Prozentanteil des Gesamt-Rotorradius „R” (auch
als „c/R” oder „normalisierte Sehne” bezeichnet)
für die An- und Abströmkanten der Rotorflügelspitze versus
dem normalisierten Rotorradius des konventionellen Rotorflügels,
wie er oben mit Bezug auf die
2,
3 und
7 erörtert
und in den genannten Figuren gezeigt wurde. Die resultierende „Spitzen-Grundriss-Verteilung” oder
der Grundriss der Kontur der Rotorflügelspitze entspricht
den folgenden Daten, wobei der Nullwert für c/R willkürlich
der Pitch-Achse des Rotorflügels zugewiesen wurde:
| r/R | c/R
(24) | c/R
(25) |
| 95,56% | 0,60% | –1,35% |
| 96,00% | 0,60% | –1,34% |
| 96,80% | 0,59% | –1,33% |
| 97,40% | 0,58% | –1,32% |
| 98,06% | 0,57% | –1,31% |
| 98,56% | 0,55% | –1,30% |
| 99,06% | 0,53% | –1,25% |
| 99,56% | 0,39% | –1,13% |
| 100,00% | 0,00% | –0,70% |
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Die
Werte für c/R in der Linie 24 entsprechen der
Anströmkante (LE) des Rotorflügels, während
die Werte in der Linie 25 der Abströmkante (TE)
des Rotorflügels entsprechen. Ein Nullwert für
c/R wird dem Mittelpunkt der Anstellwinkel-Rotation auf der Sehne
an jeder Rotorradius-Position zugewiesen. Er kann beliebigen anderen
Schnittpunkten zwischen einer Linie entlang dem Rotorflügel
und der Sehne an jeder Rotorradius-Position zugewiesen werden, in
dem der angemessene Wert von allen c/R-Sehnen-Werten addiert oder subtrahiert
wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Auf
diese und andere Nachteile derartiger konventioneller Ansätze
wird hier eingegangen, indem in verschiedenen Ausführungsformen
ein Rotorflügel für eine Windmaschine mit einer
Gesamt-Rückwärtsverdrehung von zwischen circa
6 Grad und circa 15 Grad zwischen äußeren circa
1 Prozent bis circa 10 Prozent eines Rotorradius des Rotorflügels
sowie eine ungefähre Grundriss-Verteilung innerhalb folgender
Bereiche zur Verfügung gestellt wird:
| r/R | c/R
(LE) | c/R
(TE) |
| ,96 | 0,60
bis 0,65% | –1,42
bis –1,34% |
| ,968 | 0,54
bis 0,59% | –1,31
bis –1,34% |
| ,974 | 0,39
bis 0,58% | –1,36
bis –1,22% |
| ,9806 | 0,13
bis 0,57% | –1,45
bis –1,06% |
| ,9856 | –0,23
bis 0,56% | –1,56
bis –0,74% |
| ,9906 | –0,76
bis 0,55% | –1,74
bis –0,24% |
| ,9956 | –1,44
bis 0,54% | –1,99
bis 0,23% |
| 1,00 | –2,17
bis 0,54% | –2.27
bis 0,44% |
wobei „r/R” eine ungefähre
normalisierte Entfernung von einem Rotationszentrum des Rotorflügels
entlang einem Rotorradius des Rotorflügels ist und „c/R
(LE)” und „c/R (TE)” ungefähre
relative Positionen einer Anströmkante (LE) und einer Abströmkante
(TE) einer Sehne „c” sind, ausgedrückt
als Prozentanteil einer gesamten Entfernung von einem Rotationszentrum
nach außen bei jeder r/R sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Verschiedene
Gesichtspunkte dieser Technologie werden anschließend mit
Bezug auf die folgenden Figuren (abgekürzt: FIG.) beschrieben,
die nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet sind.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen durchweg gleiche Teile.
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1 ist
eine schematische Seitenansicht eines konventionellen Windgenerators.
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2 ist
eine grafische Darstellung, die eine konventionelle Verdrehungs-Verteilung
für den in 1 gezeigten Rotorflügel
zeigt.
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3 ist
ein Diagramm, das einen vergrößerten Teil der
konventionellen Spitzen-Verdrehungs-Verteilung aus 2.
zeigt.
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4 ist
eine grafische Darstellung, die die konventionelle Rotorflügel-Verdrehungs-Verteilung
aus 2 und eine andere Rotorflügel-Verdrehungs-Verteilung
zeigt.
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5 ist
eine grafische Darstellung, die eine andere Rotorflügel-Verdrehungs-Verteilung
und Toleranzspanne zusammen mit der konventionellen Spitzen-Verdrehungs-Verteilung
aus 3 zeigt.
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6 ist
eine grafische Darstellung, die verschiedene andere Rotorflügel-Verdrehungs-Verteilungen zeigt.
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7 ist
eine grafische Darstellung, die eine konventionelle Rotorflügelspitzen-Sehnen-Verteilung
für den in 1 gezeigten Rotorflügel
zeigt.
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8 ist
eine grafische Darstellung, die verschiedene andere Rotorflügelspitzen-Verteilungen
für den in 1 gezeigten Rotorflügel
zeigt.
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9 ist
eine grafische Darstellung, die eine konventionelle Rotorflügelspitzen-Grundriss-Verteilung für
den in 1 gezeigten Rotorflügel zeigt.
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10 ist
eine grafische Darstellung, die andere Rotorflügelspitzen-Grundriss-Verteilungen
für den in 1 gezeigten Rotorflügel
zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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4 ist
eine grafische Darstellung, die die konventionelle Rotorflügel-Verdrehungs-Verteilung
20 aus
2 und
eine andere Rotorflügel-Verdrehungs-Verteilung
30 zeigt.
Die Rotorflügel-Verdrehungs-Verteilungen
20 und
30 sind
gleich, ab gesehen von dem äußeren Abschnitt des
Rotorflügel-Rotorradius in der Nähe der Spitze
des Rotorflügels
10, wo die dargestellte Verdrehungs-Verteilung
30 im
Allgemeinen den folgenden numerischen Daten entspricht:
| r/R | ✓ – 30 |
| 0,952128 | –2,40979 |
| 0,973404 | –0,28983 |
| 0,978723 | 0,999573 |
| 0,984043 | 2,292061 |
| 0,989362 | 3,421259 |
| 0,994681 | 4,220788 |
| 1 | 4,52427 |
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Im
Vergleich zu der konventionellen Verdrehungs-Verteilung 20 umfasst
der äußere Abschnitt der Verteilung 30 eine
größere Spitzen-Rückwärts-Verdrehung
als der entsprechende Abschnitt der konventionellen Verdrehungs-Verteilung 20.
Der Spitzen-Verdrehungs-Abschnitt der Verteilung 30 kann
auch bei anderen Rotorflügeln verwendet werden, darunter
Rotorflügeln mit anderen Innenbord-Verdrehungs-Verteilungen.
Die Verdrehungs-Verteilung 30 kann auch einen veränderten
Anstellwinkel aufweisen (pitched).
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Der äußere
Spitzen-Verdrehungs-Abschnitt der Verdrehungs-Verteilung
30 kann
auch verschiedene andere Formen aufweisen.
5 zeigt
zum Beispiel die konventionelle Spitzen-Verdrehungs-Verteilung
20 zusammen
mit einer anderen Spitzen-Verdrehungs-Verteilung
31, wo
der Anstellwinkel der Rotorflügel
10 geändert
wurde, sodass die Verdrehung bei 0,96 r/R normalisiertem Rotorradius
(circa 96% der Spanne) in der Rotorebene angeordnet ist, was Null
Grad Verdrehung entspricht. Die gestrichelten Linien
312 und
314 in
5 zeigen
ferner eine obere und eine untere Toleranzspanne von circa ±1,5
Grad Ver drehung für den größten Teil des
Spitzenabschnitts der Verdrehungs-Verteilung
31. Die Verdrehungs-Verteilung
31 und
die Toleranzspannen
312 und
314, die in
5 gezeigt
werden, entsprechen den folgenden numerischen Daten:
| r/R | ✓ – 31 | ✓ – 312 | ✓ – 314 |
| 0,96 | 0 | 0 | 0 |
| 0,968 | 0,865823127 | 2,365823127 | –0,63418 |
| 0,974 | 2,622128497 | 4,122128497 | 1,122128 |
| 0,98064 | 4,613066853 | 6,113066853 | 3,113067 |
| 0,98564 | 6,032056696 | 7,532056696 | 4,532057 |
| 0,99064 | 7,160486604 | 8,660486604 | 5,660487 |
| 0,99564 | 7,798481894 | 9,298481894 | 6,298482 |
| 1 | 7,798481894 | 9,298481894 | 6,298482 |
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In 5 werden
die obere und untere Toleranzspanne 312 und 314 so
dargestellt, dass sie bei der tatsächlichen Verdrehungs-Verteilung
bei 96 Prozent des Rotorradius konvergieren, wobei die Verdrehungs-Toleranzspanne
für andere Abschnitte des Rotorflügels unterschiedlich
sein kann oder auch nicht. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass
die obere und untere Toleranzspanne 312 und 314 miteinander
oder der Verdrehungs-Verteilung 31 konvergieren, wie in 5 gezeigt.
Es können ferner auch andere Toleranzspannen angewendet
werden, darunter große von ±3 Grad, ±2
Grad und kleine wie ±1 Grad, ±0,75 Grad, ±0,5
Grad, ±0,25 Grad und/oder deren Kombinationen. Diese und
andere geeignete Toleranzspannen können auch als normalisierter
und tatsächlicher Rotorradius und/oder normalisierter und
tatsächlicher Prozentanteil der Verdrehung ausgedrückt
werden.
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6 zeigt
verschiedene andere Konfigurationen für den äußeren
Abschnitt der Verdrehungs-Verteilung
30 zusammen mit der
konventionellen Spitzen-Verdrehungs-Verteilung
20, die
folgenden numerischen Daten entsprechen:
| r/R | ✓ – 20 | ✓ – 32 | ✓ – 33 | ✓ – 34 | ✓ – 35 | ✓ – 36 | ✓ – 37 | ✓ – 38 |
| 96,00% | –1,63 | –1,63 | –1,63 | –1,63 | –1,63 | –1,63 | –1,63 | –1,63 |
| 96,70% | –1,68 | –1,15 | –0,84 | –0,26 | –0,76 | 0,06 | –0,47 | –0,76 |
| 97,40% | –1,66 | 0,00 | 0,00 | 1,10 | 0,99 | 2,73 | 1,87 | 0,99 |
| 98,06% | –1.62 | 1,01 | 0.71 | 2,40 | 2,98 | 4,84 | 4,52 | 2,98 |
| 98,56% | –1,54 | 1,46 | 1,34 | 3,37 | 4,40 | 5,80 | 6,41 | 4,40 |
| 99,06% | –1,35 | 1,65 | 2,10 | 4,35 | 5,53 | 6,17 | 7,92 | 5,53 |
| 99,56% | –0,58 | 2,43 | 3,43 | 5.32 | 6,17 | 6,17 | 8,77 | 6,17 |
| 100,00% | 1,67 | 4,67 | 6.17 | 6,17 | 6,17 | 6,17 | 9,30 | 14,00 |
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Aus
diesen Daten und aus 6 ist ersichtlich, dass einige
der Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen einander überlagern.
Zum Beispiel enthalten die Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen 35 und 38 dieselben
Daten für r/R unter 99,56 Prozent.
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Die
Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen in 6 weisen
eine Gesamt-Rückwärtsverdrehung von zwischen circa
sechs und fünfzehn Grad auf. Die Gesamt-Rückwärtsverdrehung
der Verteilung 32 beträgt zum Beispiel circa 6,30
Grad, während die Gesamt-Rückwärtsverdrehung
der Verteilung 38 circa 15,63 Grad beträgt. Diese
und andere geeignete Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen können
jedoch mit einer Gesamt-Rückwärtsverdrehung von
zwischen circa sechs und zehn Grad versehen werden. Die in 6 gezeigten
Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen treten über die äußeren
4 Prozent des Rotorflügel-Rotorradius auf. Diese und andere
geeignete Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen können jedoch
zwischen äußeren ein bis zehn Prozent des Rotorflügel-Rotorradius
oder zwischen äußeren ein bis fünf Prozent
des Rotorflügel-Rotorradius angeordnet werden.
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In
jeder der in 6 gezeigten Ausführungsformen
nimmt der Verdrehungswinkel ✓ über zumindest einem
Teil des äußeren Abschnitts des Rotorradius zu,
wie die Steigung der Spitzen-Verdrehungs-Verteilungs-Linien zeigt.
Zum Beispiel ist die Steigung der Spitzen-Verdrehungs-Verteilung
oder „Verdrehungsrate” (oder „Rate der
Verdrehung” oder „Verdrehungsgeschwindigkeit”),
angezeigt durch die Änderung des Verdrehungswinkels ✓ relativ
zu Prozent des Rotorradius r/R für die Spitzen-Verdrehungs-Verteilung 34 im
Wesentlichen konstant. Die Spitzen-Verdrehungs-Verteilung kann jedoch
auch gekrümmt sein, wie durch die Kurvatur der Spitzen-Verdrehungs-Verteilungs-Linien
mit einer Verdrehungsrate, die über einem Teil oder dem
gesamten äußeren Abschnitt des Rotorradius zu-
und/oder abnimmt, gezeigt wird. Zum Beispiel nimmt die Verdrehungsrate
der Spitzen-Verdrehungs-Verteilung 32 in einem Außenbord-Abschnitt
der gezeigten Verteilung zu, während die Verdrehungsrate
der Spitzen-Verdrehungs-Verteilung 36 in einem Außenbord-Abschnitt
der Verteilung abnimmt. Die Verdrehungsrate der Spitzen-Verdrehungs-Verteilung 35 nimmt
in einem Innenbord-Abschnitt der Verteilung zu und dann in einem
Außenbord-Abschnitt der Verteilung ab. Diese sich ändernde
Steigung der Spitzen-Verdrehungs-Verteilung, die Kurvatur der Verdrehungs-Verteilung
oder „Verdrehungs-Beschleunigung” kann über
diese und andere geeignete Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen ebenso
zu- und/oder abnehmen.
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Die
verschiedenen oben erörterten Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen
bieten eine hohe Energieleistung des Rotorflügels, eine
geringe spitzenbezogene Geräuschentwicklung und eine geringere
Turbulenzempfindlichkeit. Während typische Rückwärts-Verdrehungs-Verteilungen
für beinahe die gesamte Entlastung direkt an der Spitze
des Rotorflügels 10 sorgen, entlasten viele der
oben erörterten Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen den Rotorflügel
geringfügig innenbords der Spitze, mit wenig oder gar keiner
Veränderung der Verdrehung direkt an der Spitze des Rotorflügels.
Eine vorteilhafte Entlastung des Rotor flügels 10 an
dessen Außenende resultiert in erhöhter Energieleistung
und reduzierter Geräuschentwicklung. Die hier erörterten
Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen bieten auch einen optimalen Ausgleich
zwischen einem scharfen Abfall der aerodynamischen Belastung direkt
am Ende des Rotorflügels, was tendenziell einen geräuschvollen
Spitzen-Wirbel hervorruft, und einer graduelleren Reduzierung der
Rotorflügelbelastung, die zu einer suboptimalen Energieleistung über
große Abschnitte des Rotorflügels führt.
Ferner behalten die hier offenbarten Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen
eine relativ lange Sehne über einen längeren Abschnitt
des Rotorflügels bei, um eine höhere Energieleistung
und geringere Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen
der Windanströmgeschwindigkeit zu bieten. Derartige Spitzenformen
mit erhöhter Stabilität ermöglichen auch
eine höhere Präzision bei der Herstellung von
Rotorflügeln, die aerodynamisch weniger empfindlich gegenüber
physisch konstanten Konturabweichungen sind und mehr Raum für
Drainageöffnungen und Blitzschutz an der Rotorflügelspitze
bieten.
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8 zeigt
verschiedene Spitzen-Sehnen-Verteilungen zusätzlich zu
der in
7 gezeigten konventionellen Spitzen-Sehnen-Verteilung
22,
die den folgenden Daten entsprechen:
| r/R | c/R – 42 | c/R – 43 | c/R – 44 | c/R – 45 | c/R – 46 | c/R – 47 | c/R – 48 | c/R – 22 |
| 92,76% | 2,06% | 2,06% | 2,06% | 2,06% | 2,06% | 2,06% | 2,06% | 2,06% |
| 95,56% | 1,95% | 1,95% | 1,95% | 1,95% | 1,95% | 1,95% | 1,95% | 1,95% |
| 96,00% | 1,94% | 1,94% | 1,94% | 1,94% | 1,94% | 1,94% | 1,94% | 1,94% |
| 96,80% | 1,88% | 1,89% | 1,91% | 1,88% | 1,89% | 1,92% | 1,92% | 1,92% |
| 97,40% | 1,64% | 1,69% | 1,85% | 1,76% | 1,79% | 1,90% | 1,90% | 1,90% |
| 98,06% | 1,23% | 1,35% | 1,63% | 1,58% | 1,64% | 1,88% | 1,89% | 1,88% |
| 98,56% | 0,83% | 1,01% | 1,30% | 1,33% | 1,43% | 1,80% | 1,82% | 1,85% |
| 99,06% | 0,44% | 0,69% | 0,79% | 0,98% | 1,14% | 1,55% | 1,61% | 1,79% |
| 99,56% | 0,14% | 0,43% | 0,31% | 0,55% | 0,78% | 0,97% | 1,13% | 1,52% |
| 100,00% | 0,10% | 0,40% | 0,10% | 0,10% | 0,40% | 0,10% | 0,40% | 0,70% |
-
Aus
diesen Daten und aus 8 ist ersichtlich, dass einige
dieser Spitzen-Sehnen-Verteilungen einander überlagern.
-
Über
die äußeren vier Prozent des Rotorradius weisen
die Spitzen-Sehnen-Verteilungen 42 bis 48 und 22 in 8 eine
gesamte normalisierte Sehnenänderung von zwischen circa
einem und zwei Prozent auf. Zum Beispiel beträgt die gesamte
normalisierte Sehnenänderung der Verteilung 42 circa
1,84 Prozent, während die gesamte normalisierte Sehnenänderung
der Verteilung 22 1,24 Prozent beträgt. Mit Ausnahme
der konventionellen Spitzen-Sehnen-Verteilung 22, zeigen
die verbleibenden in 8 gezeigten Spitzen-Sehnen-Verteilungen
eine gesamte Spitzen-Sehnen-Änderung von zwischen circa
eineinhalb und zwei Prozent oder 1,5 und 1,9 Prozent und, wie in 8 gezeigt,
zwischen 1,54 und 1,84 Prozent über die äußeren
vier Prozent des Rotorradius.
-
Die
oben mit Bezug auf 8 erörterten Spitzen-Sehnen-Verteilungen
treten über die äußeren vier Prozent
des Rotorradius des Rotorflügels auf. Diese und andere
geeignete Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen können jedoch
zwischen äußeren ein bis zehn Prozent des Rotorflügel-Rotorradius
oder zwischen äußeren ein bis fünf Prozent
des Rotorflügel-Rotorradius angeordnet werden.
-
In
jeder der in 8 gezeigten Ausführungsformen
nimmt die normalisierte Sehne c/R über zumindest einen
Teil des äußeren Abschnitts des Rotorradius ab,
wie die Steigung der Sehnen-Verteilungs-Linien in 8 zeigt.
Diese „Änderungsrate der normalisierten Sehne” (oder „Sehnenänderungsrate”, „Rate
der Sehnenänderung”, „Sehnensteigung” oder „Sehnenänderungsgeschwindigkeit”)
von „c/R” relativ zu Prozent des Rotorradius „r/R” kann
im Wesentlichen konstant sein. Die Sehnen-Verteilungs-Linie kann
jedoch auch gekrümmt sein und eine zu- und/oder abnehmende
Steigung über einen Teil des oder über den gesamten äußeren
Abschnitt des Rotorradius aufweisen. Zum Beispiel nimmt die Rate
der Sehnenänderung der Spitzen-Sehnen-Verteilungen 22, 45, 46, 47, 48 und 49 in
einem Außenbord-Abschnitt der dargestellten Verteilungen
zu, während die Rate der Sehnenänderung der Spitzen-Sehnen-Verteilungen 42, 43 und 44 in
einem Außenbord-Abschnitt der Verteilung abnimmt. Tatsächlich
nimmt die Rate der Sehnenänderung der Spitzen-Verteilungen 42, 43 und 44 anfänglich
zu und später wieder ab, über die äußeren
vier Prozent des Rotorradius.
-
Die
verschiedenen oben erörterten Vorteile können
genutzt und/oder vergrößert werden, indem die Spitzen-Sehnen-Verteilungen 42 bis 49 und 22 mit
einer der oben erörterten Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen 20 und 32 bis 38 angewendet
werden. Beispielsweise kann die Spitzen-Verdrehungs-Verteilung 35 mit
der Spitzen-Sehnen-Verteilung 49 (bei einer als hochstabil
bezeichneten Rotorflügelspitze) oder mit der Spitzen-Sehnen-Verteilung 45 (bei
dem so genannten „Windmaschinen-Rotorflügelspitzen-Design”)
angewendet werden. Die Spitzen-Verdrehungs-Verteilung 38 kann
auch mit der Spitzen-Sehnen-Verteilung 45 (bei einer so genannten „dornförmigen
Rotorflügelspitze”) angewendet werden und die
Spitzen-Verdrehungs-Verteilung 37 kann mit der Spitzen-Sehnen-Verteilung 44 mit
Grundrissen des Ogee-Typs (und/oder anderen) Grundrissen angewendet
werden.
-
10 zeigt
verschiedene Spitzen-Grundriss-Verteilungen, die den folgenden Daten
entsprechen, zusätzlich zu der konventionellen Spitzen-Grundriss-Verteilung,
die den in
9 gezeigten Linien
24 und
25 entspricht:
| r/R | c/R – 24 | c/R – 25 | c/R – 52 | c/R – 53 | c/R – 54 | c/R – 55 | c/R – 56 | c/R – 57 |
| 92,76% | 0,65% | –1,42% | 0,65% | –1,42% | 0,65% | –1,42% | 0,65% | –1,42% |
| 95,56% | 0,60% | –1,35% | 0,60% | –1,35% | 0,60% | –1,35% | 0,60% | –1,35% |
| 96,00% | 0,60% | –1,34% | 0,60% | –1,34% | 0,60% | –1,34% | 0,60% | –1,34% |
| 96,80% | 0,59% | –1,33% | 0,54% | –1,34% | 0,57% | –1,31% | 0,58% | –1,33% |
| 97,40% | 0,58% | –1,32% | 0,39% | –1,36% | 0,53% | –1,22% | 0,57% | –1,27% |
| 98,06% | 0,57% | –1,31% | 0,13% | –1,45% | 0,48% | –1,10% | 0,56% | –1,06% |
| 98,56% | 0,55% | –1,30% | –0,23% | –1,56% | 0,40% | –0,93% | 0,56% | –0,74% |
| 99,06% | 0,53% | –1,25% | –0,76% | –1,74% | 0,29% | –0,69% | 0,55% | –0,24% |
| 99,56% | 0,39% | –1,13% | –1,44% | –1,99% | 0,16% | –0,39% | 0,54% | 0,23% |
| 100,00% | 0,00% | –0,70% | –2,17% | –2,27% | 0,03% | –0,07% | 0,54% | 0,44% |
-
In 10 entsprechen
die geradzahligen Linien der Anströmkante (LE), während
die ungeradzahligen Linien der Abströmkante (TE) jeder
der Grundriss-Verteilungen entsprechen, die durch die Linien 24 und 25, 52 und 53, 54 und 55 sowie 56 und 57 dargestellt
werden. Es können jedoch die An- und/oder Abströmkanten unterschiedlicher
Grundriss-Verteilungen gepaart werden.
-
Die
verschiedenen oben erörterten Vorteile können
genutzt und/oder vergrößert werden, indem eine dieser
Grundriss-Verteilungen mit verschiedenen Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen
angewendet wird, eingeschlossen beliebige der oben erörterten
Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen 20 sowie 32 bis 38.
Zum Beispiel wird die konventionelle Grundriss-Verteilung, die durch
die Linien 24 und 25 gebildet wird, manchmal als
eine „hochstabile Rotorflügelspitze” bezeichnet;
sie ist besonders mit den Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen 35 und 38 von
Nutzen. Die durch die Linien 52 und 53 gebildete
Grundriss-Verteilung wird manchmal als „dornförmig” bezeichnet
und ist besonders mit den Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen 38 nützlich.
Die durch die Linien 54 und 55 gebildete Grundriss-Verteilung
wird manchmal als „Windmaschinen-Rotorflügelspitzen-Design” bezeichnet;
sie ist besonders mit den Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen 35 von
Nutzen. Die durch die Linien 56 und 57 gebildete
Grundriss-Verteilung wird manchmal als „Ogee”-
oder „Ogive”-Spitze be zeichnet und ist besonders
mit den Spitzen-Verdrehungs-Verteilungen 37 nützlich.
-
Es
wird betont, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen
und insbesondere „bevorzugte” Ausführungsformen
lediglich Beispiele für verschiedene Implementierungen
sind, die hier dargelegt wurden, um ein Verständnis verschiedener
Aspekte dieser Technologie zu ermöglichen. Einem Durchschnittsfachmann wird
es möglich sein, viele dieser Ausführungsformen
abzuändern, ohne wesentlich von dem Schutzbereich abzuweichen,
der ausschließlich durch die korrekte Auslegung der folgenden
Ansprüche definiert wird.
-
Ein
Rotorflügel
10 einer Windmaschine
2 umfasst
eine Gesamt-Rückwärtsverdrehung von zwischen circa
6 Grad und circa 15 Grad zwischen äußeren circa
1 Prozent bis 10 Prozent eines Rotorradius des Rotorflügels
(
6, Abschnitte
31–
32)
und eine ungefähre Grundriss-Verteilung (
10,
Abschnitte
40–
41) innerhalb folgender
Bereiche:
| r/R | c/R
(LE) | c/R
(TE) |
| ,96 | 0,60
to 0,65% | –1,42
to –1,34% |
| ,968 | 0,54
to 0,59% | –1,31
to –1,34% |
| ,974 | 0,39
to 0,58% | –1,36
to –1,22% |
| ,9806 | 0,13
to 0,57% | –1,45
to –1,06% |
| ,9856 | –0,23
to 0,56% | –1,56
to –0,74% |
| ,9906 | –0,76
to 0,55% | –1,74
to –0,24% |
| ,9956 | –1,44
to 0,54% | –1,99
to 0,23% |
| 1,00 | –2,17
to 0,54% | –2,27
to 0,44% |
wobei „r/R” eine ungefähre
normalisierte Entfernung von einem Rotationszentrum des Rotorflügels
nach außen entlang einer Spanne des Rotorflügels
ist und „c/R (LE)” und „c/R (TE)” ungefähre
relative Positionen einer Anströmkante (LE) und ei ner Abströmkante
(TE) einer Sehne „c” sind, ausgedrückt
als Prozentanteil einer Entfernung von dem Rotationszentrum bei
jeder r/R.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Design
of Tapered and Twisted Blade for the NREL Combined Experiment Rotor”,
Veröffentlichung Nr. NREL/SR-500-26173 (April 1999) [0010]