DE102011051831A1

DE102011051831A1 - Rotorblatt für eine Windkraftanlage mit einem Saugseitenwinglet

Info

Publication number: DE102011051831A1
Application number: DE102011051831A
Authority: DE
Inventors: Klaus U. Koegler; Ramesh Vedula; Ariane Myriam Daisy Frere
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: LM WIND POWER A/S, DK
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2031-07-15
Also published as: US20110142672A1; US7946826B1; CN102338028A; DK178332B1; DE102011051831B4; DK201170381A; CN102338028B

Abstract

Es ist ein Rotorblatt (40) für eine Windkraftanlage (10) offenbart. Das Rotorblatt (40) kann einen Fußabschnitt (24), eine Spitze (42) und einen Körper (44) aufweisen, der sich zwischen dem Fußabschnitt (24) und der Spitze (42) erstreckt. Der Körper (44) kann eine Druckseite (46) und eine Saugseite (48) enthalten. Außerdem kann durch den Körper (44) ein Winglet (52) definiert sein. Das Winglet (52) kann an der Spitze (42) des Rotorblatts (40) enden und sich nach innen in Richtung der Saugseite (28) des Körpers (44) erstrecken. Ferner kann in dem Körper (44) eine Biegung (58) derart definiert sein, dass sich ein Abschnitt des Körpers (44) nach außen in Richtung der Druckseite (46) des Körpers (44) erstreckt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Der vorliegende Gegenstand betrifft allgemein Rotorblätter für eine Windkraftanlage und insbesondere Windkraftanlagenrotorblätter mit saugseitigen Winglets.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Windenergie wird als eine der saubersten, umweltfreundlichsten Energiequellen, die derzeit zur Verfügung stehen, betrachtet, so dass Windkraftanlagen in dieser Hinsicht eine verstärkte Beachtung erfahren haben. Eine moderne Windkraftanlage enthält gewöhnlich einen Turm, einen Generator, ein Getriebe, eine Gondel sowie ein oder mehrere Rotorblätter. Die Rotorblätter nehmen kinetische Energie vom Wind auf, indem sie bekannte tragflächenprofilbezogene Prinzipien nutzen, und leiten die kinetische Energie über Drehenergie weiter, um eine Welle zu drehen, die die Rotorblätter mit einem Getriebe oder, falls ein Getriebe nicht eingesetzt wird, unmittelbar mit dem Generator verbindet. Der Generator wandelt anschließend die mechanische Energie in elektrische Energie um, die zu einem Versorgungsnetz ausgegeben werden kann.
Um sicherzustellen, dass Windenergie eine brauchbare Energiequelle bleibt, sind Anstrengungen unternommen worden, um die Energieabgaben durch Modifikation der Größe, Konfiguration und Kapazität von Windkraftanlagen zu steigern. Eine derartige Modifikation besteht darin, eine Flügelspitzen-Vorrichtung (Wingtip-Vorrichtung), wie beispielsweise ein Winglet, an der Spitze jedes Windkraftanlagenrotorblatts aufzunehmen. Allgemein können Winglets verwendet werden, um den gesamten Wirkungsgrad und die gesamte Leistung einer Windkraftanlage zu verbessern. Z. B. kann ein Winglet die Menge der an der Spitze eines Rotorblatts erzeugten spannweitigen Strömung verringern und dadurch den Strömungswiderstand an dem Rotorblatt reduzieren. Winglets können ferner an Rotorblättern eingebaut werden, um den gesamten Durchmesser der Windkraftanlage zu reduzieren sowie den durch die Blätter emittierten Lärm zu reduzieren. Ferner können Winglets auch eine Vergrößerung des Leistungskoeffizienten einer Windkraftanlage ermöglichen und auf diese Weise die Kosten der durch die Windkraftanlage erzeugten Energie reduzieren.
Während die verschiedenen Leistungsvorteile, wie sie vorstehend beschrieben sind, einer Windkraftanlage durch sowohl Winglets, die sich von dem Windkraftanlagenturm weg erstrecken (d. h. druckseitige Winglets), als auch Winglets, die sich zu dem Turm hin erstrecken (d. h. saugseitige Winglets) geboten werden können, ist es allgemein verständlich, dass die größten Leistungsvorteile durch ein Saugseitenwinglet erzielt werden können. Jedoch können Saugseitenwinglets bei Windkraftanlagen mit Rotoren-Aufwind des Turms sehr problematisch sein. Insbesondere reduziert ein Einbau eines Saugseitenwinglets an einem herkömmlichen Rotorblatt den Abstand zwischen der Spitze des Rotorblatts und dem Turm. Eine derartige Reduktion des Turmfreiraums kann das Risiko, dass eines oder mehrere der Rotorblätter gegen den Turm prallen, drastisch erhöhen. Wenn ein Turmaufprall (eine Turmberührung) auftritt, können das Rotorblatt und der Turm deutlich beschädigt werden, und in einigen Fällen kann eine Turmberührung sogar die gesamte Windkraftanlage zum Einstürzen bringen. Somit sind Turmberührungen sehr kostspielig und erfordern eine beträchtliche Abschaltzeit, um beschädigte Komponenten zu reparieren und zu ersetzen.
Demgemäß besteht ein Bedarf nach einem Rotorblatt, das ein saugseitiges Winglet aufnehmen kann, ohne die Wahrscheinlichkeit, dass ein Rotorblatt den Turm berührt, zu erhöhen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung sind zum Teil in der folgenden Beschreibung angegeben oder können aus der Beschreibung offensichtlich sein, oder sie können durch Umsetzung der Erfindung in die Praxis erfahren werden.
In einem Aspekt offenbart der vorliegende Gegenstand ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage. Das Rotorblatt weist einen Fußabschnitt, eine Spitze und einen sich zwischen dem Fußabschnitt und der Spitze erstreckenden Körper auf. Der Körper enthält eine Druckseite und eine Saugseite. Außerdem kann durch den Körper ein Winglet definiert sein. Das Winglet kann an der Spitze des Rotorblatts enden und sich in Richtung der Saugseite des Körpers nach innen erstrecken. Ferner kann in dem Körper eine Biegung derart definiert sein, dass ein Abschnitt des Körpers sich in Richtung der Druckseite des Körpers nach außen erstreckt.
In einem anderen Aspekt offenbart der vorliegende Gegenstand eine Windkraftanlage. Die Windkraftanlage kann einen Turm und eine oben auf dem Turm montierte Gondel enthalten. Ein Rotor kann mit der Gondel gekoppelt sein und kann eine Nabe enthalten. Die Windkraftanlage kann ferner wenigstens ein Rotorblatt enthalten, das sich von der Nabe aus erstreckt. Das Rotorblatt kann ein Saugseitenwinglet definieren, das sich in Richtung des Turms nach innen erstreckt. Außerdem kann in dem Rotorblatt eine Biegung definiert sein, so dass sich ein Abschnitt des Rotorblatts in einer Richtung von dem Turm weg nach außen erstreckt.
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verstanden. Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Offenbarung enthalten sind und ein Teil derselben bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Eine umfassende und eine Umsetzung ermöglichende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bester Ausführungsform, die sich an einen Fachmann auf dem Gebiet richtet, ist in der Beschreibung angegeben, die auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt, in denen zeigen:
1 eine Perspektivansicht einer herkömmlichen Windkraftanlage;
2 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Windkraftanlagenrotorblatts gemäß Aspekten des vorliegenden Gegenstands;
3 eine vergrößerte Teilansicht des in 2 veranschaulichten Rotorblatts gemäß Aspekten des vorliegenden Gegenstands;
4 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Windkraftanlagenrotorblatts für eine Windkraftanlage gemäß Aspekten des vorliegenden Gegenstands; und
5 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Windkraftanlagenrotorblatts gemäß Aspekten des vorliegenden Gegenstands, insbesondere unter Veranschaulichung des Rotorblatts in einer nicht gebogenen/unbelasteten Stellung und in einer gebogenen/belasteten Stellung und unter Vergleich derartiger Stellungen mit der Stellung eines herkömmlichen, geraden Rotorblatts.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Einzelnen auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Jedes Beispiel ist zu Zwecken der Erläuterung der Erfindung, nicht zur Beschränkung der Erfindung vorgesehen. In der Tat wird es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang oder Rahmen der Erfindung abzuweichen. Z. B. können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit besteht die Absicht, dass die Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen, wie sie in den Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen, umfasst.
1 veranschaulicht eine Perspektivansicht einer herkömmlichen Windkraftanlage 10. Wie veranschaulicht, enthält die Windkraftanlage 10 einen Turm 12, der sich von einer Stützfläche 14 aus erstreckt, eine Gondel 16, die an dem Turm 12 montiert ist, und einen Rotor 18, der mit der Gondel 16 gekoppelt ist. Der Rotor 18 enthält eine drehbare Nabe 20 und wenigstens ein einziges Rotorblatt 22, das mit der Nabe 20 gekoppelt ist und sich von dieser aus nach außen erstreckt. Wie veranschaulicht, enthält der Rotor 18 drei Rotorblätter 22. Jedoch kann der Rotor 18 in einer alternativen Ausführungsform mehr oder weniger als drei Rotorblätter 22 enthalten. Außerdem ist der Turm 12 in der veranschaulichten Ausführungsform aus Stahlrohr gefertigt, um einen (nicht veranschaulichten) Hohlraum zwischen der Stützfläche 14 und der Gondel 16 zu bilden. In einer alternativen Ausführungsform kann der Turm 12 ein Turm von einer beliebigen geeigneten Bauart mit einer beliebigen geeigneten Höhe sein.
Die Rotorblätter 22 können allgemein im Abstand um die Nabe 20 verteilt sein, um eine Drehung des Rotors 18 zu unterstützen, um eine Umsetzung der kinetischen Energie von dem Wind in nutzbare mechanische Energie und anschließend in elektrische Energie zu ermöglichen. Insbesondere kann die Nabe 20 mit einem (nicht veranschaulichten) elektrischen Generator drehfest gekoppelt sein, der innerhalb der Nabe angeordnet ist, um eine Erzeugung elektrischer Energie zu ermöglichen. Ferner können die Rotorblätter 22 durch Verbindung eines Blattfußabschnitts 24 mit der Nabe 20 an mehreren Lastübertragungsbereichen 26 an die Nabe 20 angeschlossen sein. Auf diese Weise werden jegliche Lasten, die auf die Rotorblätter 22 eingeleitet werden, über die Lastübertragungsbereiche 26 auf die Nabe 20 übertragen.
Wie in der dargestellten Ausführungsform veranschaulicht, kann die Windkraftanlage 10 ferner ein Turbinensteuersystem oder einen Turbinencontroller 36 enthalten, das bzw. der innerhalb der Gondel 16 zentral angeordnet ist. Jedoch sollte erkannt werden, dass die Turbinensteuereinrichtung 36 an einer beliebigen Stelle an oder in der Windkraftanlage 10, an einer beliebigen Stelle an der Stützfläche 14 oder allgemein an jeder beliebigen sonstigen Stelle angeordnet sein kann. Die Steuereinrichtung 36 kann konfiguriert sein, um die verschiedenen Betriebsmodi der Windkraftanlage 10 (z. B. Start- oder Abschaltablauffolgen) zu steuern. Außerdem kann die Steuereinrichtung 36 konfiguriert sein, um einen Anstellwinkel oder Blattwinkel jedes der Rotorblätter 22 (d. h. einen Winkel, der eine einen Blickwinkel der Rotorblätter 22 in Bezug auf die Richtung 28 des Windes bestimmt) zu steuern, um die Last und Leistung, die durch die Windkraftanlage 10 erzeugt wird, durch Einstellung einer Winkelposition wenigstens eines Rotorblatts 22 in Bezug auf den Wind zu steuern. Z. B. kann die Steuereinrichtung 36 den Blattanstellwinkel der Rotorblätter 22 entweder einzeln oder gleichzeitig durch Steuerung eines Anstellwinkel-Einstellsystems 32 steuern. Es sind Anstellwinkelachsen 34 für die Rotorblätter 22 veranschaulicht. Ferner kann die Steuereinrichtung 36 konfiguriert sein, um, wenn sich die Richtung 28 des Windes verändert, eine Gierrichtung der Gondel 16 über einer Gierachse oder der Mittellinie 38 des Turms 12 zu steuern, um die Rotorblätter 22 in Bezug auf die Richtung 28 des Windes zu positionieren. Z. B. kann die Steuereinrichtung 36 einen (nicht veranschaulichten) Gierantriebsmechanismus der Gondel 16 steuern, um die Gondel 16 über der Turmmittellinie 38 zu verdrehen.
Während des Betriebs der Windkraftanlage 10 trifft Wind auf die Rotorblätter 22 von einer Richtung 28 auf, was den Rotor 18 veranlasst, über einer Drehachse 30 zu rotieren. Während die Rotorblätter 22 gedreht werden und Fliehkräften unterliegen, sind die Rotorblätter 22 ferner verschiedenen Kräften und Biegemomenten ausgesetzt. Folglich können sich die Rotorblätter von einer neutralen oder nicht verbogenen Stellung aus in eine verbogene oder belastete Stellung verformen, wodurch der Turmfreiraum zwischen dem Blatt 22 und dem Turm 12 reduziert wird. Um die Position der Blätter 22 zu überwachen und die Wahrscheinlichkeit einer Turmberührung zu reduzieren, kann eine vorbestimmte Turmfreiraumgrenze 54 (2) festgelegt werden. Somit kann für den Fall, dass sich ein oder mehrere der Blätter 22 über diese Turmfreiraumgrenze 54 hinaus verbiegen, eine Korrekturmaßnahme, wie beispielsweise ein Anpassen des Anstellwinkels der Blätter 22 oder eine Veränderung des Neigungswinkels 68 (5) der Gondel 16, vorgenommen werden, um den Abstand zwischen dem Turm 12 und dem Blatt bzw. den Blättern 22 zu vergrößern. In dem hierin verwendeten Sinne entspricht der Ausdruck „Turmfreiraumgrenze” allgemein dem minimalen Abstand zu dem Turm 12, der für die Rotorblätter 22 während des Betriebs einer Windkraftanlage 10 aufrechterhalten wird, um so die Wahrscheinlichkeit einer Turmberührung zu reduzieren. Somit sollte erkannt werden, dass die Turmfreiraumgrenze 54 von Windkraftanlage zu Windkraftanlage in Abhängigkeit von z. B. der Länge der Rotorblätter, der Flexibilität/Steifigkeit der Rotorblätter und/oder der angenommenen Betriebsbedingungen der Windkraftanlage variieren können.
Indem nun auf 2 Bezug genommen wird, ist dort eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Rotorblatts 40 für eine Windkraftanlage 10 veranschaulicht. Wie veranschaulicht, enthält das Rotorblatt 40 einen Fußabschnitt 24 zur Montage des Blatts 40 an der Nabe 20 des Rotors 18 (1). Das Rotorblatt 40 enthält ferner eine Spitze 42, die an einem zu dem Fußabschnitt 24 entgegengesetzten Ende des Blatts 40 angeordnet ist. Ein Körper 44 des Rotorblatts 40 erstreckt sich im Wesentlichen zwischen dem Fußabschnitt 24 und der Blattspitze 42 und definiert eine Druckseite 46 und eine Saugseite 48 des Rotorblatts 40. Außerdem kann der Körper 44 allgemein ein im Wesentlichen aerodynamisches Profil definieren, um dem Blatt 40 zu ermöglichen, unter Ausnutzung bekannter Prinzipien von Tragflächen kinetische Energie aus dem Wind aufzufangen.
2 veranschaulicht ferner eine Blattlänge 50 des Rotorblatts 40. Allgemein kann die Blattlänge 50 in einer Längsrichtung (d. h. einer Richtung parallel zu der Mittellinie 38 des Turms 12) zwischen der Verbindungsstelle des Fußabschnitts 24 mit der Nabe 20 und dem Punkt des Blatts 40, der sich am weitesten weg von der Drehachse 30 des Blatts 40 befindet, definiert werden. An sich kann die Verbindungsstelle zwischen dem Rotorblatt 40 und der Nabe 24 eine Blattlänge von 0% definieren, und der äußerste Punkt des Blatts 40 kann eine Blattlänge von 100% definieren. Es sollte erkannt werden, dass das Rotorblatt 40 allgemein jede beliebige geeignete Blattlänge 50 aufweisen kann. Z. B. kann das Rotorblatt 40 in einer Ausführungsform eine Länge im Bereich von etwa 15 m bis ungefähr 91 m, beispielsweise von etwa 20 m bis etwa 85 m oder von etwa 40 m bis etwa 55 m und in allen sonstigen Unterbereichen dazwischen aufweisen. Jedoch können andere nicht beschränkende Beispiele Blattlängen von weniger als 15 m oder Längen, die größer sind als 91 m, umfassen.
Weiterhin bezugnehmend auf 2 kann der Körper 44 des Rotorblatts 40 ferner ein Saugseitenwinglet 52 definieren, das an der Spitze 42 des Blatts 40 endet. Wie oben erwähnt, kann ein Saugseitenwinglet zahlreiche Leistungsvorteile für eine Windkraftanlage 10 bieten, zu denen einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, eine Reduktion des Luftwiderstandes, Lärms und Windkraftanlagendurchmessers sowie eine Vergrößerung des Leistungskoeffizienten gehören. Allgemein kann sich das Saugseitenwinglet 52 nach innen in Richtung der Saugseite 48 des Blatts 40 (d. h. in einer Richtung zu dem Turm 12 der Windkraftanlage 10 hin) erstrecken. In einer Ausführungsform kann das Winglet 52 derart orientiert sein, dass es sich in Richtung auf den Turm 12 im Wesentlichen senkrecht zu der Mittellinie 38 des Turms 12 erstreckt. Jedoch kann das Winglet 52 in alternativen Ausführungsformen unter einem beliebigen geeigneten Winkel relativ zu der Mittellinie 38 oder zu der Saugseite 48 des Rotorblatts 40 ausgerichtet sein. Außerdem kann die spezielle Größe und Gestalt des Winglets 52 allgemein in Abhängigkeit von z. B. der Größe und Gestalt des Rotorblatts, den angenommenen Betriebsbedingungen der Windkraftanlage und der gewünschten Leistung der Windkraftanlage variieren. Somit sollte erkannt werden, dass das Saugseitenwinglet des vorliegenden Gegenstands allgemein als ein beliebiges Winglet oder eine beliebige sonstige Wingtip-Vorrichtung (Flügelspitzen-Vorrichtung) konfiguriert sein kann, wie sie in der Technik zur Verbesserung des aerodynamischen Wirkungsgrads oder anderer leistungsbezogener Parameter eines tragflächenprofilförmigen Körpers bekannt ist.
Ferner kann das Rotorblatt 40, wie in 2 veranschaulicht, allgemein derart konfiguriert sein, dass die Spitze 42 des Rotorblatts 40 zumindest an der vorbestimmten Turmfreiraumgrenze 54 für die Windkraftanlage 10 gehalten wird. Insbesondere kann das Rotorblatt 40 einen abgewinkelten Abschnitt 56 enthalten, der sich von dem Turm 12 weg erstreckt. An sich kann das Rotorblatt 40 konfiguriert sein, um das sich nach innen erstreckende Saugseitenwinglet 52 ohne eine Reduktion des Abstands zwischen dem Blatt 40 und dem Turm 12 zu enthalten. Z. B. ist ein herkömmliches, gerades Rotorblatt 22 relativ zu dem Rotorblatt 40 gemäß dem vorliegenden Gegenstand in 5 veranschaulicht. Wie veranschaulicht, kann die hierin beschriebene Konfiguration des Rotorblatts 40 der Spitze 42 des Blatts 40 ermöglichen, an im Wesentlichen der gleichen Stelle wie die Spitze 80 des herkömmlichen Rotorblatts 22 positioniert zu werden. Somit kann das Rotorblatt 40 des vorliegenden Gegenstands mit zahlreichen Leistungsvorteilen versehen sein, die mit einem Saugseitenwinglet 52 im Zusammenhang stehen, ohne die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass das Rotorblatt bzw. die Rotorblätter 40 während des Betriebs der Windkraftanlage 10 auf den Turm 12 auftreffen werden.
Weiterhin bezugnehmend auf 2 kann der abgewinkelte Abschnitt 56 in einer Ausführungsform zwischen einer ersten Biegung 58 und einer zweiten Biegung 60 angeordnet sein, die in dem Rotorblatt 40 definiert sind. Allgemein kann die erste Biegung 58 des Rotorblatts 40 derart konfiguriert sein, dass sich der abgewinkelte Abschnitt 56 nach außen in Richtung der Druckseite 46 des Blatts 40 (d. h. in einer Richtung weg von dem Turm 12 der Windkraftanlage 10) erstreckt. Somit kann sich der abgewinkelte Abschnitt 56, wie in 2 veranschaulicht, zwischen der ersten Biegung 58 und der zweiten Biegung 60 kontinuierlich von dem Turm 12 weg erstrecken. Jedoch sollte erkannt werden, dass sich der abgewinkelte Abschnitt 56 in alternativen Ausführungsformen nicht kontinuierlich weg von dem Turm 12 erstrecken muss, sondern stattdessen ein oder mehrere Segmente enthalten kann, die sich parallel zu dem oder sogar in Richtung auf den Turm 12 erstrecken. Außerdem ist in der veranschaulichten Ausführungsform der abgewinkelte Abschnitt 56 des Rotorblatts 40 als im Wesentlichen gekrümmt entlang seiner Längserstreckung veranschaulicht. Es sollte jedoch erkannt werden, dass sich der abgewinkelte Abschnitt 56 in einer alternativen Ausführungsform zwischen der ersten Biegung 58 und der zweiten Biegung 60 geradlinig erstrecken kann. Es sollte erkannt werden, dass die Ausdrücke „Biegung” und „gebogen”, wie sie hierin verwendet werden, sowohl gekrümmte Biegungen (z. B. Biegungen, die durch glatte Ränder gekennzeichnet sind oder die eine glatte Übergangsstelle bieten), wie durch die erste und die zweite Biegung 58, 60 gemäß den 3 und 4 veranschaulicht, sowie abgewinkelte Biegungen (z. B. Biegungen, die durch Kanten gekennzeichnet sind, die an einem Punkt zusammentreffen, oder die eine scharfe Übergangsstelle bieten) umfassen können.
Die zweite Biegung 60, die in dem Rotorblatt 40 definiert ist, kann allgemein derart konfiguriert sein, dass das Saugseitenwinglet 52 sich nach innen in einer Richtung der Saugseite 48 des Blattes 40 (d. h. in einer Richtung zu dem Turm 12 hin) erstreckt. Auf diese Weise kann die zweite Biegung 60 in einer Ausführungsform allgemein die Verbindungsstelle zwischen dem abgewinkelten Abschnitt 56 und dem Saugseitenwinglet 52 definieren, wobei sich das Saugseitenwinglet 52 von der zweiten Biegung 60 aus zu der Spitze 42 des Rotorblatts 40 erstreckt. Außerdem kann, wenn der Übergang zwischen dem abgewinkelten Abschnitt 56 und dem Winglet 52 gekrümmt ist, wenn beispielsweise die zweite Biegung 60 als eine gekrümmte Biegung konfiguriert ist, das Saugseitenwinglet 52 allgemein ein hakenförmiges Winglet aufweisen und somit einen (nicht veranschaulichten) Radius an der Verbindungsstelle zwischen dem abgewinkelten Abschnitt 56 und dem Winglet 52 definieren.
Indem nun auf 3 Bezug genommen wird, ist dort eine vergrößerte Teilansicht des in 2 dargestellten Rotorblatts 40 veranschaulicht. Wie gezeigt, erstreckt sich der abgewinkelte Abschnitt 56 zwischen der ersten und der zweiten Biegung 58, 60, die in dem Rotorblatt 40 definiert sind. Außerdem kann sich das Saugseitenwinglet 52 zwischen der zweiten Biegung 60 und der Spitze 42 des Rotorblatts 40 erstrecken. Allgemein sollte erkannt werden, dass das Rotorblatt 40 gebogen oder in sonstiger Weise geformt sein kann, um eine beliebige Gestalt oder ein beliebiges Profil zu haben, die bzw. das konfiguriert ist, um einen gewünschten Turmfreiraum zwischen der Spitze 42 und dem Turm 12 der Windkraftanlage 10 aufrechtzuerhalten. Z. B. kann das Rotorblatt 40, wie in 3 veranschaulicht, ein im Wesentlichen gekrümmtes Profil zwischen der ersten Biegung 58 und der Spitze 42 derart aufweisen, dass gekrümmte oder glatte Kanten/Übergänge an jeder der Biegungen 58, 60 definiert sind. Alternativ kann das Rotorblatt 40 ein im Wesentlichen lineares Profil zwischen der ersten Biegung 58 und der Spitze 42 aufweisen, wobei die Biegungen 58, 60 scharfe oder nicht gekrümmte Kanten definieren. In einer besonderen Ausführungsform des vorliegenden Gegenstands kann das Profil oder die Gestalt des Rotorblatts 40 zwischen der ersten Biegung 58 und der Spitze 42 als eine kubische Bezierkurve konfiguriert sein. Z. B. kann, wie durch Fachleute auf dem Gebiet allgemein verständlich, eine kubische Bezierkurve zwischen zwei Endpunkten (E₁ und E₂) konstruiert werden, die Koordinaten E₁ (x₁, y₁) und E₂ (x₂, y₂) aufweist, wobei die Gestalt der Kurve durch zwei Kontrollpunkte (C₁ und C₂) kontrolliert ist, die auf derselben Ebene wie die Endpunkte angeordnet sind und Koordinaten C₁(x₃, y₃) und C2(x₄, y₄) aufweisen. Somit können, als ein Beispiel, die Koordinaten (X(t), Y(t)) des in 3 veranschaulichten Rotorblatts 40 zwischen der Position der ersten Biegung 58 (z. B. E₁) und der Spitze 42 (z. B. E₂) unter Verwendung der folgenden Gleichungen modelliert werden: X(t) = (1 – t)³x₁ + 3t(1 – t)²x₃ + 3t²(1 – t)x₄ + t³x₂, Y(t) = (1 – t)y₁ +3t(1 – t)²y₃ + 3t²(1 – t)y₄ + t³y₂ wobei: t eine unabhängige Variable bildet, die einen Wert zwischen 0 und 1 einnehmen muss. Jedoch sollte erkannt werden, dass das Rotorblatt 40 nicht als eine kubische Bezierkurve konfiguriert sein muss und somit allgemein entsprechend verschiedenen anderen geeigneten mathematischen Modellen, wie sie in der Technik bekannt sind, konfiguriert sein kann.
Weiterhin bezugnehmend auf 3 kann ein Biegewinkel 62 des abgewinkelten Abschnitts 56 zwischen der ersten und der zweiten Biegung 58, 60 in Bezug auf die Längsrichtung des Blatts 40 (d. h. relativ zu der Mittellinie 38 des Turms 12 (2)) definiert werden. Allgemein kann der Biegewinkel 62 derart ausgewählt sein, dass der abgewinkelte Abschnitt 56 sich hinreichend von dem Turm 12 weg erstreckt, wodurch die Aufrechterhaltung eines geeigneten Freiraums zwischen dem Turm 12 und der Spitze 42 des Rotorblatts 40 ermöglicht wird. Z. B. kann in einer Ausführungsform der Biegewinkel 62 in dem Bereich von etwa 0 Grad bis etwa 60 Grad, beispielsweise von etwa 10 Grad bis etwa 45 Grad oder von etwa 25 Grad bis etwa 35 Grad oder in allen sonstigen Unterbereichen dazwischen liegen. Jedoch sollte erkannt werden, dass der Biegewinkel 62 allgemein für jede Rotorblattkonfiguration in Abhängigkeit von zahlreichen Faktoren variieren kann, zu denen einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, eine Winglethöhe 64 und die Position entlang der Blattlängserstreckung 50 (2) gehören, an der die erste Biegung 58 in dem Rotorblatt 40 definiert ist. Z. B. kann, wenn die Höhe 64 des Winglets 52 vergrößert wird, der Biegewinkel 62 vergrößert werden müssen um sicherzustellen, dass ein richtiger Freiraum zwischen der Blattspitze 42 und dem Turm 12 aufrechterhalten wird. In ähnlicher Weise kann, wenn die Position, an der die erste Biegung 58 in dem Rotorblatt 40 definiert ist, weiter zu der Spitze 42 hin verschoben wird, der Biegewinkel 62 vergrößert werden müssen, um das sich nach innen erstreckende Saugseitenwinglet 52 aufzunehmen.
Weiterhin bezugnehmend auf 3 kann die Winglethöhe 64 allgemein zwischen dem äußersten Punkt der zweiten Biegung 60 (z. B. der von dem Turm 12 am weitesten entfernten Stelle an dem Blatt 40) und der Spitze 42 des Blatts 40 definiert sein. Es sollte erkannt werden, dass, ähnlich wie bei dem Biegewinkel 62, die gewünschte Höhe 64 des Saugseitenwinglets 52 allgemein in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren variieren kann, zu denen einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, die Blattlänge 50 (2) des Rotorblatts 40, die Elastizität/Steifigkeit des Rotorblatts 40, die gesamte Konfiguration der Windkraftanlage 10 und die für die Windkraftanlage 10 gewählte spezielle Turmfreiraumgrenze 54 gehören. Außerdem kann die Winglethöhe 64 ferner in Abhängigkeit von dem Biegewinkel 62 und der Position entlang der Blattlängserstreckung 50 (2), an der die erste Biegung 58 definiert ist, variieren. Insbesondere kann, wenn der Biegewinkel 62 vergrößert wird oder die Position entlang der Blattlängserstreckung 50, an der die erste Biegung definiert ist, aufwärts zu dem Fußabschnitt 24 hin bewegt wird, die Winglethöhe 64 vergrößert werden. Jedoch kann in einer Ausführungsform die Winglethöhe 64 gleich oder weniger als etwa 20% der gesamten Länge 50 (2) des Rotorblatts 40, beispielsweise von etwa 5% bis etwa 20% oder von etwa 10% bis etwa 15% betragen oder in allen Unterbereichen dazwischen liegen.
Außerdem ist die Spitze 42 des Rotorblatts 40 in der in den 2 und 3 veranschaulichten Ausführungsform allgemein gezeigt, wie sie ungefähr in dem gleichen Abstand zu dem Turm 12 wie der Fußabschnitt 24 des Blatts 40 angeordnet ist. Jedoch sollte erkannt werden, dass die Spitze 42 in verschiedenen anderen Ausführungsformen des vorliegenden Gegenstands weiter weg von dem Turm 12 oder näher zu diesem hin angeordnet sein kann. Z. B. kann das Saugseitenwinglet 52 in einer Ausführungsform eine vergrößerte Winglethöhe 64 aufweisen, und/oder der Biegewinkel 62 kann reduziert sein, so dass der Freiraum zwischen der Spitze 42 und dem Turm 12 geringer ist als der Freiraum zwischen dem Fußabschnitt 24 und dem Turm 12. Alternativ kann das Winglet 52 eine reduzierte Höhe 64 aufweisen, und/oder der Biegewinkel 63 zwischen der ersten und der zweiten Biegung 58, 60 kann vergrößert sein. An sich kann der Freiraum zwischen der Spitze 42 und dem Turm 12 relativ zu dem Freiraum zwischen dem Fußabschnitt 24 und dem Turm 12 vergrößert sein.
Indem nun auf 4 Bezug genommen wird, ist eine weitere Ausführungsform eines Rotorblatts 40 gemäß Aspekten des vorliegenden Gegenstands veranschaulicht. Wie veranschaulicht, enthält das Rotorblatt 40 einen Fußabschnitt 24, eine Spitze 42 und einen Körper 44, der sich zwischen dem Fußabschnitt 24 und der Spitze 42 erstreckt. Außerdem enthält das Rotorblatt 40 einen abgewinkelten Abschnitt 56, der zwischen einer ersten Biegung 58 und einer zweiten Biegung 60 definiert ist. Ferner ist ein Saugseitenwinglet 52 durch das Rotorblatt 40 zwischen der zweiten Biegung 60 und der Spitze 42 definiert. Jedoch ist die erste Biegung 58, anders als bei der in den 2 und 3 veranschaulichten Ausführungsform, in dem Rotorblatt 40 viel weiter unten entlang der Längserstreckung 50 des Blatts 40 definiert. Insbesondere ist die erste Biegung 58 des Rotorblatts 40, wie in den 2 und 3 dargestellt, im Wesentlichen bei ungefähr 60% der gesamten Länge 50 des Blatts 30 definiert. Im Gegensatz hierzu ist in der in 4 veranschaulichten Ausführungsform die erste Biegung 58 bei ungefähr 85% der gesamten Länge 50 des Rotorblatts 40 definiert. Somit erstreckt sich, wie veranschaulicht, ein größerer Teil des Körpers 44 im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse 30. Außerdem muss in einer derartigen Ausführungsform der Biegewinkel 62 (3) zwischen der ersten und der zweiten Biegung 58, 60 im Verhältnis schärfer/größer sein, um ein Saugseitenwinglet 52 derselben Höhe 64 wie bei der Ausführungsform gemäß den 2 und 3 unterzubringen und dennoch das Rotorblatt 40 während eines Betriebs der Windkraftanlage 10 bei oder über einer minimalen Turmfreiraumgrenze 54 zu halten. Jedoch sollte erkannt werden, dass die erste Biegung 58 des Rotorblatts 40 allgemein an jeder beliebigen geeigneten Stelle entlang der Längserstreckung 50 des Rotorblatts 40 definiert sein kann und somit nicht an den vorstehend angegebenen Blattlängen definiert sein muss. An sich kann die erste Biegung 58 in einer Ausführungsform in dem Rotorblatt 40 bei zwischen 0% und etwa 95% der Gesamtlänge 50 des Rotorblatts 40, beispielsweise von etwa 0% bis etwa 50% oder von etwa 30% bis etwa 70% oder von etwa 60% bis etwa 95% oder in allen sonstigen Unterbereichen dazwischen definiert sein. Ein Fachmann auf dem Gebiet sollte erkennen, dass dadurch, dass die erste Biegung 58 bei einer Blattlänge von 0% definiert ist, gemeint ist, dass die erste Biegung 58 an der Verbindungsstelle zwischen dem Fußabschnitt 24 und der Nabe 20 definiert sein kann, so dass sich der abgewinkelte Abschnitt 58 im Wesentlichen von der Verbindungsstelle aus erstreckt.
Indem nun auf 5 Bezug genommen wird, ist eine in der hier beschriebenen Weise konfigurierte Ausführungsform eines Rotorblatts 40 in einer nicht verbogenen/unbelasteten Stellung und einer verbogenen/belasteten Stellung 66 veranschaulicht. Ein herkömmliches gerades Rotorblatt 22 ist für Vergleichszwecke ebenfalls in einer nicht verbogenen/unbelasteten Stellung und einer verbogen/belasteten Stellung 82 veranschaulicht. Das Rotorblatt 40 enthält allgemein einen abgewinkelten Abschnitt 56, der zwischen einer ersten Biegung 58 und einer zweiten Biegung 60 definiert ist. Außerdem ist in dem Rotorblatt 40 zwischen der zweiten Biegung 60 und der Spitze 42 ein Saugseitenwinglet 52 definiert. Es sollte erkannt werden, dass die Gondel 16 in 5 veranschaulicht ist, wie sie einen eingestellten Neigungswinkel 68 aufweist. Wie allgemein zu verstehen, kann der Neigungswinkel 68 der Gondel 16 während des Betriebs einer Windkraftanlage 10 verändert werden, um die Rotorblätter unter einem Winkel von dem Turm 12 weg auszurichten. Der Neigungswinkel 68 kann als ein Maß der Rechtwinkligkeit der Drehachse 30 zu der Mittellinie des Turms 38 definiert werden.
Weiterhin bezugnehmend auf 5 kann aufgrund der Konfiguration des Rotorblatts 40 das Blatt 40 im Wesentlichen ähnlich in Bezug auf den Turm 12 positioniert werden wie das herkömmliche Rotorblatt 22. An sich sollte erkannt werden, dass das Rotorblatt 40 des vorliegenden Gegenstands die Aufnahme eines Saugseitenwinglets 52 ermöglicht, ohne den Abstand zwischen dem Rotorblatt 40 und dem Turm 12 zu reduzieren. Insbesondere können in einer Ausführungsform die Biegungen 58, 60 des Rotorblatts 40 derart konfiguriert sein, dass sich die Spitze 42 des Blatts 40 während eines Betriebs der Windkraftanlage 10 im Wesentlichen an der gleichen Stelle wie die Spitze 80 des herkömmlichen Blatts 22 befindet. Somit kann, wenn sich das Rotorblatt 40 in der Richtung 28 des Winds zu seiner verbogenen/belasteten Stellung 66 verbiegt, die Spitze 40 des Rotorblatts bei oder über derselben Turmfreiraumgrenze 54 hinaus wie das herkömmliche Blatt 22 in seiner verbogenen/belasteten Stellung 82 gehalten werden. Jedoch sollte erkannt werden, dass das Rotorblatt 40 gemäß dem vorliegenden Gegenstand nicht derart konfiguriert sein muss, dass die Spitze 40 im Wesentlichen an der gleichen Stelle wie die Spitze 80 eines herkömmlichen Rotorblatts 22 positioniert ist. Vielmehr kann das Rotorblatt 40 eine beliebige Konfiguration aufweisen, die der Spitze 40 ermöglicht, während eines Betriebs der Windkraftanlage 10 eine Turmfreiraumgrenze 54 aufrechtzuerhalten, um so die Wahrscheinlichkeit eines Aufpralls auf einen Turm zu minimieren.
Außerdem sollte erkannt werden, dass die Biegungen 58, 60 konfiguriert sein können, um beliebige Schwankungen zwischen der Größe der Verbiegung, die das Rotorblatt 40 gemäß dem vorliegenden Gegenstand aufgrund von Windbedingungen zeigt, und der typischen Verbiegung, die ein herkömmliches Rotorblatt 22 zeigt, zu berücksichtigen. Falls z. B. das Rotorblatt 40 gemäß dem vorliegenden Gegenstand steifer ist und folglich eine geringere Verbiegung bzw. Auslenkung zeigt als ein herkömmliches Blatt 22, kann die Distanz, um die das Rotorblatt 40 von dem Turm 12 weg gebogen werden muss, reduziert werden. Alternativ können in dem Fall, dass das Rotorblatt gemäß dem vorliegenden Gegenstand derart konfiguriert ist, dass es sich aufgrund von Windbedingungen im Vergleich zu einem herkömmlichen Blatt 22 weiter zu dem Turm 12 hin verbiegt, die Biegungen 58, 60 ausgelegt sein, um eine derartige zusätzliche Verbiegung bzw. Auslenkung zu berücksichtigen.
Ferner sollte erkannt werden, dass das Rotorblatt 40 gemäß dem vorliegenden Gegenstand durch beliebige geeignete Mittel, wie sie in der Technik bekannt sind, hergestellt sein kann. In einer Ausführungsform kann das gesamte Rotorblatt 40 gegossen oder in sonstiger Weise als ein einteiliges Stück geformt werden. Alternativ kann das Rotorblatt 40 in Form von Segmenten erzeugt werden. Somit kann das Saugseitenwinglet 52 in einer Ausführungsform als eine gesonderte Komponente erzeugt und anschließend an dem Körper 44 des Rotorblatts 40 durch eine beliebige geeignete Einrichtung gesichert werden. In einer anderen Ausführungsform können der abgewinkelte Abschnitt 56 und das Saugseitenwinglet 52 jeweils als gesonderte Segmente gegossen und anschließend mit beliebigen sonstigen Segmente kombiniert werden, um das Rotorblatt 40 zu bilden. In einer noch weiteren Ausführungsform können der abgewinkelte Abschnitt 56 und das Saugseitenwinglet 52 als ein einstückiges Segment gegossen oder in sonstiger Weise geformt und anschließend mit dem restlichen Körper 44 kombiniert werden, um das Rotorblatt 40 zu erzeugen.
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Herstellung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente enthalten, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterschieden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
Es ist ein Rotorblatt 40 für eine Windkraftanlage 10 offenbart. Das Rotorblatt 40 kann einen Fußabschnitt 24, eine Spitze 42 und einen Körper 44 aufweisen, der sich zwischen dem Fußabschnitt 24 und der Spitze 42 erstreckt. Der Körper 44 kann eine Druckseite 46 und eine Saugseite 48 enthalten. Außerdem kann durch den Körper 44 ein Winglet 52 definiert sein. Das Winglet 52 kann an der Spitze 42 des Rotorblatts 40 enden und sich nach innen in Richtung der Saugseite 28 des Körpers 44 erstrecken. Ferner kann in dem Körper 44 eine Biegung 58 derart definiert sein, dass sich ein Abschnitt des Körpers 44 nach außen in Richtung der Druckseite 46 des Körpers 44 erstreckt.
Bezugszeichenliste

10: Windkraftanlage
12: Turm
14: Stützfläche
16: Gondel
18: Rotor
20: Nabe
22: herkömmliche Rotorblätter
24: Fußabschnitt
26: Lastübertragungsbereich
28: Windrichtung
30: Drehachse
34: Neigungsachsen
36: Steuereinrichtung
38: Turmmittellinie
40: Rotorblatt
42: Spitze
44: Körper
46: Druckseite
48: Saugseite
50: Blattlänge
52: Winglet
54: Turmfreiraumgrenze
56: abgewinkelter Abschnitt
58: erste Biegung
60: zweite Biegung
62: Biegewinkel
64: Winglethöhe
66: verbogene Stellung
68: Neigungswinkel
80: herkömmliche Spitze
82: herkömmliche verbogene Stellung

Claims

Rotorblatt (40) für eine Windkraftanlage (10), wobei das Rotorblatt (40) aufweist: einen Fußabschnitt (24); eine Spitze (42); und einen Körper (44), der sich zwischen dem Fußabschnitt (24) und der Spitze (42) erstreckt, wobei der Körper (44) eine Druckseite (46) und eine Saugseite (48) aufweist, wobei der Körper (44) ein Saugseitenwinglet (52) definiert, das an der Spitze (42) endet, wobei sich das Saugseitenwinglet (52) nach innen in Richtung der Saugseite (48) erstreckt, wobei in dem Körper (44) eine Biegung (58) derart definiert ist, dass sich ein Abschnitt des Körpers (44) nach außen in Richtung der Druckseite (46) erstreckt.
Rotorblatt (40) nach Anspruch 1, wobei der Körper (44) eine erste Biegung (58) und eine zweite Biegung (60) definiert.
Rotorblatt (40) nach Anspruch 2, wobei sich der Abschnitt des Körpers (44) zwischen der ersten Biegung (58) und der zweiten Biegung (60) nach außen in Richtung der Druckseite (46) erstreckt.
Rotorblatt (40) nach Anspruch 2, wobei das Saugseitenwinglet (52) zwischen der zweiten Biegung (60) und der Spitze (42) definiert ist.
Rotorblatt (40) nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei die Biegung (58) einen Biegewinkel (62) von weniger als etwa 60 Grad definiert.
Rotorblatt (40) nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei die Biegung (58) in dem Körper (44) bei zwischen 0% und etwa 95% einer Gesamtlänge (50) des Rotorblatts (40) definiert ist.
Rotorblatt (40) nach Anspruch 6, wobei die Biegung (58) in dem Körper (44) bei zwischen etwa 0% und etwa 60% einer Gesamtlänge (50) des Rotorblatts (40) definiert ist.
Rotorblatt (40) nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei das Saugseitenwinglet (52) eine Höhe (64) aufweist, die gleich oder geringer ist als etwa 20% einer Gesamtlänge (50) des Rotorblatts (40).
Windkraftanlage (10), die aufweist: einen Turm (12); eine Gondel (16), die oben auf dem Turm (12) montiert ist; einen Rotor (18), der mit der Gondel (16) gekoppelt ist, wobei der Rotor (18) eine Nabe (20) aufweist; und wenigstens ein Rotorblatt (40), das sich von der Nabe (20) aus erstreckt, wobei das wenigstens eine Rotorblatt (40) ein Saugseitenwinglet (52) definiert, das sich nach innen in einer Richtung des Turms (12) erstreckt, wobei eine Biegung (58) in dem wenigstens einen Rotorblatt (40) derart definiert ist, dass sich ein Abschnitt des wenigstens einen Rotorblatts (40) nach außen in einer Richtung von dem Turm (12) weg erstreckt.
Windkraftanlage (10) nach Anspruch 9, wobei das wenigstens eine Rotorblatt (40) konfiguriert ist, um eine Spitze (42) des wenigstens einen Rotorblatts (40) während eines Betriebs der Windkraftanlage (10) bei oder über einer Turmfreiraumgrenze (54) zu halten.
Windkraftanlage (10) nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei das wenigstens eine Rotorblatt (40) eine erste Biegung (58) und eine zweite Biegung (60) definiert, wobei sich der Abschnitt des wenigstens einen Rotorblatts (40) zwischen der ersten Biegung (58) und der zweiten Biegung (60) nach außen in einer Richtung von dem Turm (12) weg erstreckt.
Windkraftanlage (10) nach Anspruch 11, wobei das Saugseitenwinglet (52) zwischen der zweiten Biegung (60) und einer Spitze (42) des wenigstens einen Rotorblatts (40) definiert ist.
Windkraftanlage (10) nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei die Biegung (58) einen Biegewinkel (62) von weniger als etwa 60 Grad definiert.
Windkraftanlage (10) nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei die Biegung (58) in dem wenigstens einen Rotorblatt (40) bei zwischen 0% und etwa 95% einer Gesamtlänge (50) des wenigstens einen Rotorblatts (40) definiert ist.
Windkraftanlage (10) nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei das Saugseitenwinglet (52) eine Höhe (64) aufweist, die gleich oder geringer als etwa 20% einer Gesamtlänge (50) des wenigstens einen Rotorblatts (40) ist.