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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage.
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Windenergieanlagen werden zunehmend auch in kalten Regionen betrieben. Aufgrund des Zusammenspiels verschiedener Umweltbedingungen, wie beispielsweise Luftfeuchte und Temperatur, besteht die Gefahr, dass eine Vereisung an den Rotorblättern auftritt. Da das Rotorblatt von der Nasenkante her umströmt wird, setzt die Vereisung eines Rotorblatts stets zuerst an der Nasenkante ein. Bei Eisansatz an dem Rotorblatt entsteht ein erhöhtes Gewicht und eine Veränderung des aerodynamischen Profils, was sich insgesamt als Unwucht an den drehenden Bauteilen der Windenergieanlage bemerkbar macht. Dies kann zur Abschaltung und somit zum Ertragsausfall der Windenergieanlage führen. Es besteht daher das Bedürfnis, die Rotorblätter einer Windenergieanlage zu enteisen.
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Aus
EP 0 842 360 B1 ist ein Enteisen eines Rotorblatts einer Windenergieanlage bekannt. Hierbei wird ein erwärmtes Wärmeträgermedium, in der Regel Luft, nach Durchströmen eines nasenkantenseitigen Hohlraumes mit entsprechender Wärmeabgabe an Bereiche der Blattwand in einen hinterkantenseitigen Hohlraum gelenkt und daraus abgeleitet. Ebenfalls ist aus
EP 0 842 360 B1 ein Windenergieanlagen-Rotorblatt mit kommunizierenden Hohlräumen bekannt, die durch eine in Richtung der Rotorblattlängsachse verlaufende Trennwand voneinander getrennt sind und die eine Verbindung aufweisen, um einen Strom des Wärmeträgermediums auszutauschen.
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Aus
DE 196 21 485 A1 ist ein Enteisungsverfahren für eine Windenergieanlage bekannt, bei dem gut wärmeleitende Materialien in das Rotorblattmaterial zur besseren Wärmeleitung eingearbeitet sind. Die Enteisung des Rotorblatts erfolgt, indem über die Blattwurzel nasenkantenseitig erwärmte Luft in das Rotorblatt eingeführt wird, die teilweise an der Blattspitze austritt und teilweise über eine hinterkantenseitige Kammer zur Blattwurzel zurückgeführt wird.
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Aus
EP 1 375 913 A1 ist eine Windenergieanlage bekannt, bei der von dem in dem Maschinenhaus befindlichen Generator erwärmte Luft blattwurzelseitig in das Rotorblatt eingeblasen wird und in eine nasenkantenseitig vorgesehene Kammer übertritt, um über die Rotorblattwurzel an der Rotornabe auszutreten.
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Aus
DE 10 2005 034 131 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Enteisen von Rotorblättern bekannt. Hierbei wird erwärmte Luft in einem nasenkantenseitig vorgesehenen Kanal zur Rotorblattwurzel gefördert, um in einem den nasenkantenseitigen Kanal umschließenden Mantelkanal wieder zurückgeführt zu werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rotorblatt bereitzustellen, das bei Eisansatz zuverlässig und schnell mit geringem Energieeinsatz enteist werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Rotorblatt mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Rotorblatt für eine Windenergieanlage weist in seiner Längsrichtung an einem Ende eine Rotorblattwurzel und an dem gegenüberliegenden Ende eine Rotorblattspitze auf. In der Querrichtung besitzt das Rotorblatt an einer Seite eine Rotorblattnasenkante und an seiner gegenüberliegenden Seite eine Rotorblatthinterkante. Rotorblattnasenkante und Rotorblatthinterkante erstrecken sich jeweils von der Blattwurzel bis zur Blattspitze, wobei das Rotorblatt an der Rotorblattnasenkante angeströmt wird.
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Erfindungsgemäß ist im Inneren des Rotorblatts eine Heizkammer vorgesehen, die eine Heizeinrichtung zum Erwärmen von Luft und eine Gebläseeinrichtung zum Erzeugen eines Luftstroms aufweist. Weiterhin sind mehrere miteinander verbundene Rohrleitungen vorgesehen, die einen Strömungsweg für einen Luftstrom bilden, und von denen mindestens eine mit der Heizkammer verbunden ist. In dem erfindungsgemäßen Rotorblatt ist eine erste Hauptleitung vorgesehen, die sich von der Rotorblattwurzel bis in den Bereich der Rotorblattspitze erstreckt. Die erste Hauptleitung ist mit der Heizkammer verbunden, um erwärmte Luft aus dieser zu den mehreren Rohrleitungen zu transportieren. Der Strömungsweg führt also, ausgehend von der Heizkammer betrachtet, über die Rohrleitungen bis nahe zur Nasenkante. Im Bereich der Nasenkante sind in der Rohrleitung eine Vielzahl von Öffnungen vorgesehen, durch die der gesamte warme Luftstrom aus den Rohrleitungen austreten kann. Von dort wird der Luftstrom über die Nasenkammer des Rotorblattes zur Heizkammer zurückgeführt. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Rotorblatts liegt darin, dass die erwärmte Luft über Rohrleitungen zirkuliert und durch die Öffnungen im Bereich der Nasenkante gezielt in die von einer Vereisung betroffenen Bereiche des Rotorblatts gefördert werden kann. Die Energieausbeute eines solchen Systems ist besonders hoch, da sich die Luft bis zum Austritt in dem gegebenenfalls isolierten Rohrsystem bewegt und damit fast die gesamte thermische Energie an die Innenseite der Nasenkante abgeben kann. Erfindungsgemäß weisen die mehreren Rohrleitungen eine zweite Hauptleitung auf, die über mehrere Verbindungsleitungen mit der ersten Hauptleitung verbunden ist und die sich von der Rotorblattspitze bis in den Bereich der Rotorblattwurzel erstreckt. Die erste und zweite Hauptleitung bilden hierbei ein System von Rohrleitungen, die untereinander über Verbindungsleitungen verbunden sind. Die erwärmte Luft tritt aus der Heizkammer bevorzugt in die erste Hauptleitung ein, wird in dieser transportiert und gelangt über die mehreren Verbindungsleitungen in die zweite Hauptleitung, von wo aus sie über mehrere Düsen in die Nasenkammer des Blattes austritt. Der Durchmesser der zweiten Hauptleitung ist gleich oder kleiner dem Durchmesser der Verbindungsleitungen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Heizkammer im Bereich der Blattwurzel angeordnet. Im Bereich der Blattwurzel ist ausreichend Bauraum vorhanden, um hier eine Heizkammer mit einer oder mehreren entsprechenden Heizvorrichtungen und Gebläsen vorzusehen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung verläuft die zweite Hauptleitung entlang der Rotorblattnasenkante. Hierbei kann die zweite Hauptleitung einen konstanten oder variablen Abstand zur Innenseite der Rotorblattwandung im Bereich der Rotorblattnasenkante besitzen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Öffnungen zum Austritt der erwärmten Luft in der zweiten Hauptleitung vorgesehen, wobei die Öffnungen derart in der zweiten Hauptleitung angeordnet sind, dass ein Luftstrom aus den Öffnungen der zweiten Hauptleitung auf die Innenseite der Rotorblattkante gerichtet ist. Bei dieser Anordnung der Öffnungen in der zweiten Hauptleitung wird sichergestellt, dass der erwärmte Luftstrom, der aus der zweiten Hauptleitung austritt, direkt auf die Innenseite der Rotorblattnasenkante gerichtet ist.
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Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, die Öffnungen derart in der zweiten Hauptleitung anzuordnen, dass der ausströmende Luftstrom im Wesentlichen senkrecht auf die Innenseite der Rotorblattnasenkante trifft. Durch das senkrechte Anströmen der Innenseite wird ein Staupunkt auf der Innenseite der Rotorblattnasenkante gebildet, wodurch eine Grenzschichtbildung vermieden wird. Hierdurch erfolgt eine bessere Wärmeübertragung auf die Rotorblattwandung. Die Öffnungen können in Form von Düsen ausgebildet sein. Mit Hilfe von Düsen kann der Luftstrahl in seinem Querschnitt eingestellt und beispielsweise flach und breit auf die Innenseite der Wandung im Bereich der Nasenkante gelenkt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung besitzen die Verbindungsleitungen einen kleineren Durchmesser als die erste Hauptleitung. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Luftstrom aus der ersten Hauptleitung gleichmäßig über die Verbindungsleitungen in die zweite Hauptleitung geleitet wird. Ebenso besitzt die erste Hauptleitung stromabwärts von einer Verbindungsleitung einen kleineren Durchmesser als stromaufwärts von der Verbindungsleitung. Bevorzugt besitzen die Verbindungsleitungen einen Durchmesser, der kleiner oder gleich dem kleinsten Durchmesser der ersten Hauptleitung ist. Die Verbindungsleitungen können jeweils den gleichen Durchmesser aufweisen, wenn in der zweiten Hauptleitung zwischen den Verbindungsrohren die gleiche Anzahl von Öffnungen vorgesehen ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Verbindungsleitungen in der vorderen Hälfte des Rotorblatts hin zur Rotorblattspitze angeordnet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die zweite Hauptleitung nicht direkt mit der Heizkammer verbunden. Die zweite Hauptleitung endet im blattwurzelnahen Bereich des Rotorblatts. Dabei kann die zweite Hauptleitung an ihrem Ende geschlossen sein. Die aus den Öffnungen der zweiten Hauptleitung in die Nasenkammer austretende warme Luft wird durch das in der Heizkammer befindliche Gebläse angesaugt und strömt nach einer Erwärmung durch das Heizelement in die erste Hauptleitung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die zweite Hauptleitung in einzelne Segmente geteilt, welche nicht miteinander in Verbindung stehen und bevorzugt an ihren Enden verschlossen sind. Die Segmente sind jeweils über eine der Verbindungsleitungen und einen Anschluss mit der ersten Hauptleitung verbunden.
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Die Segmente der zweiten Hauptleitung besitzen auf der zur Rotorblattnasenkante weisenden Seite Öffnungen in Form von Bohrungen oder Düsen, durch die die erwärmte Luft ausströmt.
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Das Rohrleitungssystem bildet einen offenen Kreislauf innerhalb des Rotorblatts. Die ausgetretene Luft strömt außerhalb der Segmente der zweiten Hauptleitung über die Nasenkammer in den Bereich der Rotorblattwurzel zurück, von wo sie in die Heizkammer angesaugt wird.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann mindestens eine der Verbindungsleitungen und der Anschluss durch ein Absperrventil von der ersten Hauptleitung getrennt werden. Bevorzugt besitzt jede der Verbindungsleitungen ein betätigbares Absperrventil. Diese Ausgestaltung erlaubt es, immer nur einzelne Absperrventile zu öffnen und gezielt die zugehörigen Bereiche der Rotorblattnasenkante zu beheizen, wenn in diesen Bereichen Eisansatz festgestellt wird.
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Das erfindungsgemäße Rotorblatt für eine Windenergieanlage wird nachfolgend anhand von zwei Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 einen Querschnitt durch das Rotorblatt mit Rohrleitungen und
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2 einen Querschnitt durch das Rotorblatt mit einem steuerbaren Heizsystem.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Rotorblatt 10 mit einer Rotorblattspitze 12 und einer Rotorblattwurzel 14 in einer schematischen Ansicht. Die Figur gibt nicht den genauen Konturverlauf des Rotorblatts wieder, sondern ist als Prinzipskizze zum Aufbau des Rotorblatts zu verstehen. Zwischen der Rotorblattspitze 12 und der Rotorblattwurzel 14 verläuft die Rotorblattnasenkante 16, die die Anströmkante des Rotorblatts bildet. Der Rotorblattnasenkante 16 gegenüber liegt die Rotorblatthinterkante 18. In Längsrichtung des Rotorblatts verlaufen die Stege 20, 22 und 24.
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Im Bereich der Rotorblattwurzel 14 ist eine Heizkammer 26 vorgesehen. Die Heizkammer 26 besitzt mindestens ein Heizelement, das die Luft in der Heizkammer erwärmt. Ferner besitzt die Heizkammer 26 ein Gebläse, das einen Luftstrom erzeugt. Die Heizkammer 26 ist mit einer ersten Hauptleitung 28 verbunden, die sich in Längsrichtung des Rotorblatts erstreckt. In dem dargestellten Beispiel verläuft die erste Hauptleitung 28 im Wesentlichen in der von den Stegen 22 und 24 gebildeten Kammer. Denkbar ist auch, dass die erste Hauptleitung 28 in einer anderen durch einen der Stege 22 und 24 gebildeten Kammer verläuft. Die erste Hauptleitung 28 ist eine Rohrleitung mit einem definierten Querschnitt. Die Rohrleitung selbst kann, um Wärmeverluste zu vermeiden, aus einem schlecht wärmeleitenden Material hergestellt sein und/oder eine Isolierung tragen.
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Im Bereich der Rotorblattnasenkante 16 verläuft die zweite Hauptleitung 30, die im Bereich der Rotorblattwurzel 14 endet. Das Ende der zweiten Hauptleitung 30 ist geschlossen. Die zweite Hauptleitung 30 ist im Bereich der Rotorblattspitze 12 über einen Anschluss 31 mit der ersten Hauptleitung 28 verbunden. Die erste Hauptleitung 28 und die zweite Hauptleitung 30 bilden einen offenen Strömungsweg für die in der Heizkammer 26 erwärmte Luft.
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Die erste Hauptleitung 28 und die zweite Hauptleitung 30 sind durch Verbindungsleitungen 32 bis 38 miteinander verbunden. Die Detailansicht A zeigt die Abzweigung aus der ersten Hauptleitung 28 zu der Verbindungsleitung 32. Die Verbindungsleitung 32 ist hierbei durch einen Durchbruch in dem Steg 24 geführt. Die erste Hauptleitung 28 besitzt stromaufwärts der Verbindungsleitung 32 eine Querschnittsfläche A1. Stromabwärts der Abzweigung 32 besitzt die erste Hauptleitung eine kleinere Querschnittsfläche A2. Durch die abnehmende Querschnittsfläche in der ersten Hauptleitung 28 tritt ein definierter Luftstrom in die Verbindungsleitung 32 ein.
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Die zweite Hauptleitung 30 besitzt auf der zur Rotorblattnasenkante weisenden Seite Öffnungen 40 in Form von Bohrungen oder Düsen, durch die die erwärmte Luft ausströmt. Die erwärmte Luft trifft im Wesentlichen senkrecht auf die Innenseite der Rotorblattnasenkante, so dass die Rotorblattwandung in diesem Bereich erwärmt wird.
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Das vorstehend beschriebene Rotorblatt besitzt ein Rohrleitungssystem, das einen offenen Kreislauf innerhalb des Rotorblatts bildet. Die Luft kann ohne große Wärmeverluste gezielt in den Bereich der Rotorblattnasenkante gebracht werden. Die Luft kann in der Heizkammer auf Werte erwärmt werden, die deutlich über den durch das Material des Rotorblatts vorgegebenen Grenzwerten liegen, ohne dass die Festigkeit der Rotorblatts beeinträchtigt wird, da die heiße Luft bis zum Austritt aus den Öffnungen der zweiten Hauptleitung im Bereich der Rotorblattnasenkante nur innerhalb des isolierten Rohrsystems geleitet wird. Die ausgetretene Luft strömt außerhalb der zweiten Hauptleitung in der Nasenkammer 42 in den Bereich der Rotorblattwurzel zurück, von wo sie in die Heizkammer 26 angesaugt wird.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rotorblatts. Das Rotorblatt 10 besitzt den gleichen Aufbau wie das Rotorblatt in 1. Für gleiche Teile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Im Bereich der Rotorblattwurzel 14 ist eine Heizkammer 26 mit einem Heizelement und einem Gebläse vorgesehen. Die Heizkammer 26 ist mit einer ersten Hauptleitung 28 verbunden, die sich in Längsrichtung des Rotorblatts erstreckt. Im Bereich der Rotorblattnasenkante 16 verläuft die zweite Hauptleitung 30. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist die zweite Hauptleitung 30 in Segmente 301, 302, 303, 304, 305, 306 geteilt. Ein Segment 306 der zweiten Hauptleitung 30 ist im Bereich der Rotorblattspitze 12 über einen Anschluss 31 mit der ersten Hauptleitung 28 verbunden. Die weiteren Segmente der 301 bis 305 der zweiten Hauptleitung 30 sind durch Verbindungsleitungen 32 bis 38 mit der ersten Hauptleitung 28 verbunden. Die Segmente der zweiten Hauptleitung 30 sind an ihren Enden verschlossen, d. h. die Segmente stehen nicht miteinander in Verbindung. Die Segmente der zweiten Hauptleitung 30 besitzen auf der zur Rotorblattnasenkante 16 weisenden Seite Öffnungen 40 in Form von Bohrungen oder Düsen 40, durch die die erwärmte Luft ausströmt. Die erwärmte Luft trifft im Wesentlichen senkrecht auf die Innenseite der Rotorblattnasenkante, so dass die Rotorblattwandung in diesem Bereich erwärmt wird.
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Das Rohrleitungssystem im zweiten Ausführungsbeispiel bildet einen offenen Kreislauf innerhalb des Rotorblatts 10. Die ausgetretene Luft strömt außerhalb derzweiten Hauptleitung 30 in der Nasenkammer 42 in den Bereich der Rotorblattwurzel 14 zurück, von wo sie in die Heizkammer 26 angesaugt wird.
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Die Verbindungsleitungen 32 bis 38 und der Anschluss 31 können durch Absperrventile 44 von der ersten Hauptleitung 28 getrennt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Absperrventile der Verbindungsleitungen 32, 34, 35 und 36 geschlossen. Das Absperrventil der Verbindungsleitung 38 und das Absperrventil des Anschlusses 31 sind geöffnet. Die aus der Heizkammer 26 austretende warme Luft kann dadurch direkt in den Bereich der Rotorblattspitze 12 geleitet werden. Alternativ ist es auch möglich, immer nur einzelne Absperrventile zu öffnen und gezielt die zugehörigen Bereiche der Rotorblattnasenkante 16 zu beheizen, wenn in diesen Bereichen Eisansatz festgestellt wird. Dieses Verfahren ist besonders energiesparend.
