DE102010051297A1

DE102010051297A1 - Rotorblatt einer Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102010051297A1
Application number: DE102010051297A
Authority: DE
Inventors: Moritz Dreher; Gunter Reinald Fischer; Dr. Löwe Astrid; Philipp Rindt
Original assignee: Nordex Energy SE and Co KG
Current assignee: Nordex Energy SE and Co KG
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2030-11-13
Also published as: DE102010051297B4

Abstract

Rotorblatt für eine Windenergieanlage, das an einem Ende eine Blattspitze und an dem gegenüberliegenden Ende eine Blattwurzel sowie in Längsrichtung des Rotorblatts verlaufende Stege aufweist, wobei die Stege mit den Innenseiten einer saugseitigen und einer druckseitigen Rotorblattwandung verbunden sind, wobei im Bereich der Blattspitze mindestens einer der Stege Öffnungen aufweist, durch die ein hinterkantenseitig des Steges verlaufender Luftstrom in einen nasenkantenseitigen Bereich durch den Steg strömen kann, wobei die durch die Öffnungen gebildete Luftdurchtrittsfläche mit zunehmendem Abstand von der Blattwurzel abnimmt

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage.
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. Durch 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.
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 blattnasenkantenseitigen Hohlraumes mit entsprechender Wärmeabgabe an Bereiche der Blattwand in einen blatthinterkantenseitigen 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.
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 rotorblatthinterkantenseitige Kammer zur Blattwurzel zurückgeführt wird.
Aus EP 1 375 913 A1 ist eine Windenergieanlage bekannt, bei der von dem in dem Maschinenhaus befindlichen Generator erwärmte Luft wurzelseitig in das Rotorblatt eingeblasen wird und in eine rotorblattnasenkantenseitig vorgesehene Kammer übertritt, um über die Rotorblattwurzel an der Rotornabe auszutreten.
Aus DE 10 2005 034 131 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Enteisen von Rotorblättern bekannt. Hierbei wird erwärmte Luft in einem rotorblattnasenkantenseitig vorgesehenen Kanal zur Rotorblattwurzel gefördert, um in einem den nasenkantenseitigen Kanal umschließenden Mantelkanal wieder zurückgeführt zu werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage zu schaffen, das mit einem geringen Energieeinsatz eine gleichmäßige Enteisung in kurzer Zeit erreicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Rotorblatt für eine Windenergieanlage besitzt an einem Ende eine Blattspitze und an dem gegenüberliegenden Ende eine Blattwurzel. Ferner sind in Längsrichtung des Rotorblatts verlaufende Stege vorgesehen, die mit den Innenseiten einer saugseitigen und/oder einer druckseitigen Rotorblattwandung verbunden sind. Die Stege sind in dem hohlen Rotorblatt vorgesehen und schaffen die notwendige Stabilität. Erfindungsgemäß ist im Bereich der Blattspitze mindestens einer der Stege mit Öffnungen versehen, durch die ein hinterkantenseitig des Stegs verlaufender Luftstrom in einen nasenkantenseitigen Bereich durch den Steg hindurchströmen kann. Die notwendige Stabilität des Rotorblatts wird durch die Öffnungen in dem Steg nicht beeinträchtigt. Durch die Öffnungen in dem Steg ist es möglich, dass ein erwärmter Luftstrom, der hinterkantenseitig des Steges zur Blattspitze strömt, bereits vor Erreichen der Blattspitze in den nasenkantenseitigen Bereich des Rotorblatts geleitet wird. Um einen gleichmäßigen Wärmeeintrag zu erzielen, wird die durch die Öffnungen gebildete Luftdurchtrittsfläche mit zunehmendem Abstand von der Blattwurzel kleiner. Dadurch wird auch mit zunehmendem Abstand von der Blattwurzel das pro Zeiteinheit durchtretende Volumen des erwärmten Luftstroms geringer.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzen die Öffnungen mit zunehmendem Abstand von der Blattwurzel eine kleiner werdende Öffnungsfläche. Dies bedeutet, dass eine weiter zur Blattspitze hin angeordnete Öffnung eine kleinere Öffnungsfläche besitzt als eine weiter zur Blattwurzel angeordnete Öffnung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzen die Öffnungen eine im Wesentlichen gleiche Öffnungsfläche. Je Flächeneinheit können sich mehrere Öffnungen befinden. Die Anzahl der Öffnungen je Flächeneinheit wird mit zunehmendem Abstand von der Blattwurzel geringer, wodurch sich die Luftdurchtrittsfläche verkleinert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Luftdurchtrittsfläche und die entsprechende Querschnittsfläche des nasenkantenseitigen Bereichs derart aufeinander abgestimmt, dass die durch den Steg durchtretende Wärmemenge den nasenkantenseitigen Bereich gleichmäßig erwärmt. Die in dem Luftstrom enthaltene Wärmemenge wird in dieser Ausgestaltung so festgelegt, dass die mit zunehmendem Abstand von der Blattwurzel kleiner werdende Luftdurchtrittsfläche genau in dem Maße kleiner wird, in dem die Querschnittsfläche des nasenkantenseitigen Bereichs mit zunehmendem Abstand von der Blattwurzel kleiner wird. Der so erzielte gleichmäßige Wärmeeintrag in den nasenkantenseitigen Bereich verhindert, dass zu große Temperaturgradienten in dem nasenkantenseitigen Bereich des Rotorblatts auftreten. Außerdem wird vermieden, dass sich das Rotorblatt im Bereich der Blattspitze zu stark aufheizt und die durch das verwendete Material vorgegebenen Temperaturgrenzwerte überschritten werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der mindestens eine Steg mit den Öffnungen der am weitesten zur Nasenkante angeordnete Steg. In der Fachsprache wird der am nächsten zu der Nasenkante angeordnete Steg als Nasenkantensteg bezeichnet. Der Nasenkantensteg erstreckt sich bevorzugt durch die gesamte Länge des Rotorblatts, wobei der Nasenkantensteg einen geringen Abstand von der Blattwurzel oder einem Blattboden besitzt und ebenfalls kurz vor der Blattspitze endet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist hinterkantenseitig von dem Nasenkantensteg ein Hinterkantensteg vorgesehen, der gemeinsam mit dem Nasenkantensteg einen Kanal bildet, um erwärmte Luft in die Blattspitze zu leiten. Der Kanal wird seitlich durch den Nasenkantensteg und den Hinterkantensteg begrenzt. In der Höhe wird der Kanal durch die Innenseiten der saugseitigen und druckseitigen Rotorblattwandung begrenzt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist blattwurzelseitig eine Gebläseeinrichtung vorgesehen, die einen zur Rotorblattspitze gerichteten Luftstrom erzeugt. Über den Luftstrom kann Wärme aus dem Bereich der Rotorblattwurzel in den Bereich der Rotorblattspitze gefördert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung saugt die Gebläseeinrichtung Luft aus dem Innenraum des Rotorblatts an, um einen zirkulierenden Luftstrom im Inneren des Rotorblatts zu erzeugen. Um eine gute Ausnutzung der durch die Heizeinrichtung eingebrachten Energie zu erzielen, wird ein zirkulierender Luftstrom eingesetzt, der als geschlossener Luftstrom in dem Rotorblatt zirkuliert.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist mindestens eine Heizeinrichtung in dem zur Rotorblattspitze strömenden Luftstrom angeordnet. Die Heizeinrichtung wird von dem Luftstrom angeströmt und/oder durchströmt und kann so Wärmeenergie an den Luftstrom abgeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Figur näher beschrieben.
Die Figur zeigt ein Rotorblatt 10, das eine Rotorblattspitze 12 und eine Rotorblattwurzel 14 aufweist. Im Betrieb wird das Rotorblatt 10 über die Nasenkante 16 angeströmt. Der Nasenkante 16 gegenüber liegt die Hinterkante 18. In Längsrichtung des Rotorblatts 10 erstrecken sich drei Stege: Der nahe der Hinterkante angeordnete Fahnensteg 20, der nahe der Nasenkante 16 angeordnete Nasenkantensteg 22 und der sich zwischen dem Fahnensteg 20 und dem Nasenkantensteg 22 erstreckende Hinterkantensteg 24. Über ein schematisch dargestelltes Gebläse mit Heizeinrichtung 26 im Bereich der Rotorblattwurzel 14 wird ein erwärmter Luftstrom zwischen den Nasenkantensteg 22 und den Hinterkantensteg 24 eingeleitet und strömt aus dem Bereich der Rotorblattwurzel 14 bis zur Rotorblattspitze 12. Im Bereich B der Rotorblattspitze, der eine Länge von höchstens einem Drittel der Gesamtlänge des Rotorblatts aufweist, besitzt der Nasenkantensteg eine Vielzahl von Öffnungen. Durch diese Öffnungen treten Teilströme 34 des Luftstroms 30 in die zwischen Nasenkantensteg 22 und Nasenkante 16 gebildete Nasenkantenkammer 28 ein, um unter Abgabe ihrer Wärme an die Innenseite der Rotorblattwandung zur Rotorblattwurzel 14 zurückzuströmen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besitzen die Öffnungen 34, je näher sie zur Blattspitze angeordnet sind, eine zunehmend kleinere Öffnungsfläche. Die Größe der Öffnungsfläche richtet sich dabei nach der Querschnittsfläche, die zwischen der Nasenkante 16 und dem Nasenkantensteg 22 senkrecht zur Blattlängsachse aufgespannt wird. Diese Querschnittsfläche wird mit zunehmendem Abstand zur Blattwurzel kleiner, da sich in diesem Bereich die Länge der Blattsehne und die Profiltiefe verringern. Bei der Bestimmung des Durchmessers kann ferner berücksichtigt werden, dass der Querschnitt zwischen dem Nasenkantensteg 22 und dem Hinterkantensteg 24 sich aufgrund der abnehmenden Profiltiefe des Rotorblatts zur Spitze hin verjüngt und sich so die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms 30 erhöht. Durch die schematisch dargestellten Teilströme 34 wird die nasenseitige Kammer 28 gleichmäßig erwärmt.
Zusätzlich tritt der Luftstrom 30 an dem blattspitzenseitigen Ende des zwischen dem Nasenkantensteg 22 und dem Hinterkantensteg 24 gebildeten Kanal aus und wird durch Luftlenkmittel 36 in die nasenseitige Kammer 28 umgelenkt. Die Querschnittsfläche der blattspitzenseitigen Öffnung 33 ist so dimensioniert, dass auch in den blattspitzenseitige Hohlraum 35 eine ausreichende Menge Warmluft eintritt und dieser optimal erwärmt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Windenergieanlagenrotorblatt wird durch den verteilten Eintritt der erwärmten Luft in die Nasenkammer 28 diese auch in Bereichen, die weiter von der Blattspitze entfernt sind, mit warmer Luft versorgt. Es ist nicht notwendig, dass der gesamte Luftstrom über die Blattspitze strömt. Hierdurch kann eine höhere, mittlere Temperatur in der Nasenkammer 28 erreicht werden. Zudem kann durch die Teilströme 34, die in die Nasenkammer 28 eintreten, der Gesamtvolumenstrom erhöht und damit die Wärmeübertragung verbessert werden.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel besitzen die Öffnungen 34 die gleiche Öffnungsfläche. Die Öffnungsfläche kann deutlich kleiner als im ersten Beispiel gewählt werden. Je Flächeneinheit sind mehrere Öffnungen angeordnet. Die Anzahl der Öffnungen je Flächeneinheit nimmt mit zunehmendem Abstand von der Blattwurzel ab. Die Anzahl der Öffnungen richtet sich dabei nach der Größe der Querschnittsfläche, die zwischen der Nasenkante 16 und dem Nasenkantensteg 22 senkrecht zur Blattlängsachse aufgespannt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0842360 B1 [0003, 0003]
DE 19621485 A1 [0004]
EP 1375913 A1 [0005]
DE 102005034131 A1 [0006]

Claims

Rotorblatt für eine Windenergieanlage (10), das an einem Ende eine Blattspitze (12) und an dem gegenüberliegenden Ende eine Blattwurzel (14) sowie in Längsrichtung des Rotorblatts verlaufende Stege (20, 22, 24) aufweist, wobei die Stege (20, 22, 24) mit den Innenseiten einer saugseitigen und/oder einer druckseitigen Rotorblattwandung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich (B) der Blattspitze (12) mindestens einer der Stege (22) Öffnungen (32) aufweist, durch die ein hinterkantenseitig des Steges verlaufender Luftstrom (30) in einen nasenkantenseitigen Bereich (28) durch den Steg strömen kann, wobei die durch die Öffnungen gebildete Luftdurchtrittsfläche mit zunehmendem Abstand von der Blattwurzel abnimmt.
Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen mit zunehmendem Abstand von der Blattwurzel eine kleinere Öffnungsfläche besitzen.
Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je Flächeneinheit mehrere Öffnungen angeordnet sind, die im Wesentlichen die gleiche Öffnungsfläche besitzen, wobei die Anzahl von Öffnungen je Flächeneinheit mit zunehmendem Abstand von der Blattwurzel abnimmt.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die Luftdurchtrittsfläche und die zugehörige Querschnittsfläche des nasenkantenseitigen Bereichs (28) derart aufeinander abgestimmt sind, dass die durch den Steg (22) durchtretende Wärmemenge den nasenkantenseitigen Bereich (28) gleichmäßig erwärmt.
Rotorblatt nach einem der Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Steg mit den Öffnungen (32) ein am weitesten zur Nasenkante (16) angeordneter Nasenkantensteg (22) ist.
Rotorblatt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass hinterkantenseitig von dem Nasenkantensteg ein Hinterkantensteg (24) angeordnet ist, der gemeinsam mit dem Nasenkantensteg (22) einen Kanal bildet, um erwärmte Luft in die Blattspitze (12) zu leiten.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass blattwurzelseitig eine Gebläseeinrichtung (26) vorgesehen ist, die einen zur Rotorblattspitze (12) gerichteten Luftstrom (30) erzeugt.
Rotorblatt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläseeinrichtung Luft aus dem Innenraum des Rotorblatts ansaugt, um einen zirkulierenden Luftstrom durch das Rotorblatt zu erzeugen.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Heizeinrichtung in dem zur Rotorblattspitze (12) strömenden Luftstrom vorgesehen ist, um den Luftstrom zu erwärmen.