DE102010047918A1

DE102010047918A1 - Flexible Hinterkante eines Rotorblattes einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102010047918A1
Application number: DE201010047918
Authority: DE
Inventors: Jürgen Wagner; Georgios Pecklivanoglov
Original assignee: SMART BLADE GmbH
Current assignee: SMART BLADE GmbH
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2014-04-30

Abstract

Die Erfindung beschreibt verschiedene technische Umsetzungen vom Konzept der pneumatisch betätigten, betriebssicheren flexiblen Hinterkante. Alle in der Erfindung beschriebenen Varianten beruhen auf dem Grundprinzip der Verwendung von pneumatischen Muskeln und entgegenwirkenden mechanischen Energiespeichern, um eine verformbare und elastische aerodynamische Struktur umzulenken. Die erfolgreiche Umsetzung einer solchen Variante ermöglicht es die wirksame Aerodynamik, die Windlasten und die genaue Leistungssteuerung von Rotoren von Windkraftanlagen zu regulieren.

Description

In den letzten Jahren haben sich Windkraftanlagen erheblich in ihrer Größe und Komplexität weiterentwickelt. Moderne Windturbinen erreichen Rotordurchmesser von über 120 Meter und Nennleistungen von mehr als 7 MW. Die starke Unbeständigkeit des Windfeldes in Zeit und Ort verursacht erhebliche aerodynamische und aeroelastische Probleme für moderne Windkraftrotoren. Die existierenden Leistungs- und Lastenregulationssysteme basieren auf dem Mechanismus der Pitch-Verstellung des gesamten Rotorblattes. Dieses Regelungsprinzip stößt mit zunehmenden Rotordurchmesser und Rotorblattmasse an seine Grenzen. Zum einen limitiert die Trägheit die Verstellgeschwindkeit des Rotorblattes zum anderen die mit der Länge zunehmende Torsionsweichheit die Verstellgenauigkeit.
Es ergibt sich die Notwendigkeit der Entwicklung von Leistungs- und Lastenregulationssystemen, die in der Lage sind sowohl der räumlichen, als auch der zeitlichen Anströmung des Windes besser zu folgen, als es die bisher existierenden Pitch-Systeme mit der Verdrehung des gesamten Blattes vermögen. Es wurden verschiedene technische Lösungen untersucht. Dabei hat sich das Konzept der flexiblen Hinterkante zur Regulierung der Leistung und der Lasten besonders ausgezeichnet. Bei diesem Prinzip können über die Veränderung der äußeren Form des Tragflächenquerschnittes die aerodynamischen Eigenschaften des Blattes definiert werden. Das Konzept der flexiblen Hinterkante ist keineswegs eine neue Idee. Vielmehr wurde durch Parker zu Beginn des 20. Jahrhunderts diese Überlegung angeregt ( US 1341758 ). Die Verwendung der flexiblen Tragfläche wurde in verschiedenen Ausführungen bei Flugzeugflügeln vorgeschlagen. Einige dieser Ausführungen sind unter US6010098 , US4113210 , US6070834 , US6644599 , u. a. veröffentlicht.
Das Hauptproblem, aller bisher veröffentlichten Ausführungen des flexiblen Tragflächenkonzeptes, ist die große Anzahl an mechanischen Komponenten und komplexen mechanischen Aktuatoren, deren Funktionsweise unzuverlässig ist, da sie sehr empfindlich für Witterungsbedingungen und Blitzschlag sind. Damit sind diese Ausführungen ungeeignet für die Verwendung in einer Windkraftanlage.
Erfindungsgemäße Lösung
Die in der vorliegenden Patentschrift beschriebene Lösung umfasst eine Vielzahl an flexiblen Hinterkanten-Modulen (3), die in konventionellen Rotorblättern von Windkraftanlagen (2) integriert werden können. Das Modul der flexiblen Hinterkante (3) besteht aus der flexiblen Hinterkante (16) und pneumatischen Aktuatoren. Um mit geringen Kosten und minimaler Komplexität einen hohen Grad an Zuverlässigkeit zu erreichen, sind die pneumatischen Aktuatoren als pneumatische Muskeln (6) ausgeführt. Diese pneumatischen Muskeln (6) sind fest an einem nicht beweglichen Bereich des Rotorblattes (5), wie etwa an der Verbindungsfläche der flexiblen Hinterkante mit dem Rotorblatt, verbunden. Das freie Ende der pneumatischen Muskeln (6) ist so mit der flexiblen Hinterkante verbunden, dass eine Verformung der Hinterkante erreicht wird. Die pneumatischen Muskeln (6) agieren dabei gegen einen mechanischen Energiespeicher (z. B. eine Feder), der so angeordnet ist, dass im Falle eines Ausfalls der Druckluftversorgung die Hinterkante in eine bremsende Position fährt, also eine Fail-Safe Funktion gewährleistet wird.
In ist ein derartiger Mechanismus der flexiblen Hinterkante dargestellt. Dabei ist die flexible Hinterkante (16) auf der oberen Seite (5) fest, wohingegen die untere Seite frei beweglich bleibt. Die Lücke zwischen Rotorblatt (2) und der Unterseite der flexiblen Hinterkante wird mit einem flexiblen und/oder elastischen Verbindungsteil (18) abgedichtet. Die Aufwärtsbewegung (Deformation nach oben) der flexiblen Hinterkante (16) erfolgt durch den mechanischen Energiespeicher (7). Die Abwärtsbewegung (Durchbiegung nach unten) der flexiblen Hinterkante (16) wird durch den pneumatischen Muskel (6) realisiert. Die Aktuatoren sind innerhalb der flexiblen Hinterkante (16) angeordnet, und übertragen die Steuerungskräfte auf den/das Translationspunkte/Lagerpunkt (4). zeigt eine veränderte Ausführung der oben genannten Umsetzung, in der kein entgegenwirkender mechanischer Energiespeicher vorgesehen wurde. An dessen Stelle befindet sich ein pneumatischer Muskel (8), so dass in dieser Ausgestaltung zwei oder mehrere Pneumatische Muskeln gegeneinander arbeiten. Eine Fail-Safe Charakteristik muß dann über einen Druckluftspeicher realisiert werden.
zeigt eine Alternative zu , in der die Unterseite der flexiblen Hinterkante (16) derartig geformt ist, dass diese auf einen drehbaren Zylinder (9) aufgerollt werden kann. Dadurch kann die Translationsbewegung der Unterseite der flexiblen Hinterkante (16) in eine Rotationsbewegung umgewandelt werden. Somit kann wertvoller Platz gespart werden. Die Drehbewegung der Rolle (9) wird durch eine Kombination vom pneumatischen Muskel (6) und dem mechanischen Energiespeicher hervorgerufen. Dabei wird die Antriebskraft durch die Verwendung eines Rollenhebels (10) auf den drehbaren Zylinder (9) übertragen.
zeigt eine andere Umsetzung der gleichen Funktionsweise. Hierbei sind die Ober- und Unterseite der flexiblen Hinterkante fest mit dem Blatt verbunden (5). Die erforderliche Durchbiegung wird durch die Verformung des mittleren Teils der Ober- und Unterseite an speziell festgelegten Verschiebepunkten (15) der flexiblen Hinterkante (16) erreicht. Die Verformung wird durch mindestens zwei pneumatische Muskeln (6) ermöglicht, die jeweils an der Ober- und Unterseite wirken. Die durch die pneumatischen Muskeln (6) aufgebrachte Betätigungskraft auf die flexible Hinterkante (16) wird durch Zugstab/Seil (22), oder andere flexible Seile übertragen.
In wird noch eine andere auf demselben Grundprinzip beruhende Alternative des Bewegungsmechanismus dargestellt. In dieser Ausführungsform sind sowohl die Ober- als auch die Unterseite der flexiblen Hinterkante (16) über Blattverbindungspunkte (5) fest mit dem Rotorblatt (2) verbunden. Eine zusätzliche Biegeplatte ist innerhalb der flexiblen Hinterkante (16) angeordnet und ebenfalls fest an dem Rotorblatt (2) fixiert. Die Durchbiegung der Biegeplatte (11) wird durch die Wirkung der Kombination eines pneumatischen Muskels (6) und mechanischen Energiespeichers an mindestens einem Biegehebel (12) hervorgerufen. Die Durchbiegung der Biegeplatte (11) überträgt die Biegekraft über die Kontaktfläche des Gleitbleches (13) auf die äußere Hülle der flexiblen Hinterkante (16) durch die Hinterkantekappe (14). Die daraus resultierende Bewegung ergibt die Biegung der flexiblen Hinterkante (16) und eine gleitende geradlinige Bewegung der Biegeplatte mit Bezug auf die Kontaktfläche des Gleitblechs (13).
In wird die Umsetzung des flexiblen Hinterkantenkonzeptes gezeigt, in dem die innere Biegeplatte (11) gleichzeitig als vorgebogenes Federelement vorliegt. Wenn der pneumatische Muskel (6) aktiviert ist, arbeitet er gegen die Federspannung der Biegeplatte. Das System benötigt für diesen Fall keine zusätzlichen mechanischen Energiespeicher.
In wird eine alternative Umsetzung des Grundprinzips der Arbeitsweise der vorliegenden Patentschrift dargestellt. Dabei ist die Oberseite der flexiblen Hinterkante (16) fest mit dem Rotorblatt (2) verbunden, während die Unterseite beweglich ist und über eine flexible und/oder elastische Verbindung (18) verfügt. Die Betätigung der flexiblen Hinterkante erfolgt über einen pneumatischen Muskel (6) und einen mechanischen Energiespeicher (7), die außerhalb der Klappe und möglicherweise ebenfalls außerhalb des Rotorblattes (2), montiert sind. Die Übertragung der Betätigungskraft der flexiblen Hinterkante (16) wird über Zugstäbe/Seile (22) die auf Biegehebel (21) wirken realisiert.
In wird eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung gezeigt, wobei Aktuator und Energiespeicher als eine Einheit zusammengefasst sind. Ein pneumatischer Muskel (6), der auf der einen Seite fest mit dem Rotorblatt und auf der Anderen über einen Translationspunkt (4) mit der flexiblen Hinterkante (16), verbunden ist, ist koaxial innerhalb einer Druckfeder angeordnet. Diese Feder dient als mechanischer Energiespeicher (7). Die Druckkraft der Feder wird durch Druckplatten (23) auf den pneumatischen Muskel (6) übertragen, so dass dadurch die Einheit Muskel–Druckfeder einen in beide Richtungen arbeitenden Aktuator darstellt.
Bezugszeichenliste

1: Windkraftanlage
2: Rotorblatt
3: Modul der flexiblen Hinterkante
4: Translationspunkt/Lagerung
5: Blattverbindung
6: pneumatischer Muskel
7: mechanischer Energiespeicher
8: entgegenwirkender pneumatischer Muskel
9: drehbarer Zylinder
10: Rollenhebel
11: Biegeplatte
12: Biegehebel
13: Kontaktfläche Gleitblech
14: Hinterkantenkappe
15: Verschiebepunkte
16: flexible Hinterkante
17: Befestigung des Biegeblechs
18: flexible und/oder elastische Verbindung
19: verformbare äußere Hülle
20: verformbarer innerer Aufbau
21: Biegehebel
22: Zugstab/Seil
23: Druckplatten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 1341758 [0002]
US 6010098 [0002]
US 4113210 [0002]
US 6070834 [0002]
US 6644599 [0002]

Claims

Flexible Hinterkante (3) eines Rotorblattes (2) einer Windkraftanlage (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der flexiblen Struktur (16) durch das Zusammenwirken wenigstens eines pneumatischen Muskel (6) und wenigstens eines mechanischen Energiespeicher (7), wie z. B. einer Feder oder auch ein pneumatischer Druckspeicher, realisiert wird.
Flexible Hinterkante eines Rotorblattes einer Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der flexiblen Hinterkante (16) in Richtung Saugseite des Profils durch den mechanischen Energiespeicher (7), bewerkstelligt wird, sodass im Falle einer nicht Aktivierung des pneumatischen Muskels (6) das System automatisch in eine den Auftrieb vermindernde Position fährt und so eine Fail safe Funktion erfüllt.
Flexible Hinterkante eines Rotorblattes einer Windkraftanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer pneumatische Muskel (6) gegen einer Zweite pneumatische Muskel (8) arbeitet.
Flexible Hinterkante eines Rotorblattes einer Windkraftanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Ende der äußere Struktur der flexiblen Hinterkante (16) an einem drehbaren Zylinder (9) befestigt ist, der durch das Zusammenwirken von pneumatischen Muskel (6) und mechanischen Energiespeicher (7) verdreht werden kann und so eine Verschiebung der äußeren Struktur erreicht wird.
Flexible Hinterkante eines Rotorblattes einer Windkraftanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Hinterkante fest mit der Rotorblattstruktur verbunden ist und die Auslenkung der Hinterkante durch wenigstens einen pneumatischen Muskel (6), der an wenigstens einem Verschiebepunkt (15) angreift, erreicht wird.
Flexible Hinterkante eines Rotorblattes einer Windkraftanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Hinterkante fest mit der Rotorblattstruktur verbunden ist und die Auslenkung der Hinterkante durch eine einseitig eingespannte Biegeplatte (11) bewerkstelligt wird, die sich ins Inneren der Struktur der flexiblen Hinterkante (16) erstreckt und die über das Zusammenwirken wenigstens eines pneumatischen Muskels (6) und wenigstens eines mechanischen Energiespeichers (7) ausgelenkt werden kann und deren freies Ende in der Struktur des flexiblen Hinterkante gleitend gelagert sein kann.
Flexible Hinterkante eines Rotorblattes einer Windkraftanlage nach Anspruch 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das die Biegeplatte (11) durch ihre Formgebung selbst als mechanischer Energiespeicher wirkt und die Verstellung der flexiblen Hinterkante so durch das Wirken eines pneumatischen Muskels (6) gegen diese Biegeplatte bewerkstelligt wird.
Flexible Hinterkante eines Rotorblattes einer Windkraftanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Hinterkante durch wenigstens einen pneumatischen Muskel (6) und wenigstens einen mechanischen Energiespeicher (7) bewerkstelligt werden, die vorzugsweise am Ende der flexiblen Hinterkante angreifen und mit diesem über außerhalb der flexiblen Hinterkante liegenden Stäben (22) oder Seilen verbunden sind.
Flexible Hinterkante eines Rotorblattes einer Windkraftanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche äußere Struktur der flexiblen Hinterkante mittels flexiblen oder flexiblen und elastischen Material mit der starren Rotorblattstruktur verbunden ist.
Flexible Hinterkante eines Rotorblattes einer Windkraftanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spiralfeder und ein pneumatischer Muskel (6) konzentrisch angeordnet sind und so in Platz sparender Weise zur Bewegung der flexiblen Hinterkante genutzt werden können.