DE102012202996A1

DE102012202996A1 - Wirbelstruktur für Windradflügel

Info

Publication number: DE102012202996A1
Application number: DE102012202996A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2013-08-29
Also published as: WO2013127922A1

Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Oberfläche (12), die von einem Fluid überströmt wird und einen Rillenstruktur mit mehreren parallel zueinander und zu einer Verlaufsrichtung (V) in der Oberfläche (12) verlaufenden Rillen aufweist. Dabei weist die Rillenstruktur konkave (14.1, 14.2) und konvexe Abschnitte (16.1, 16.2) auf, die senkrecht zu der Verlaufsrichtung (V) in der Oberfläche (12) jeweils abwechselnd aufeinander folgend angeordnet sind. Dabei ist die Verlaufsrichtung (V) im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung (S) des Fluids über die Oberfläche (12) ausgerichtet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Oberfläche, die von einem Fluid überströmt wird und die eine Rillenstruktur mit mehreren parallel zueinander und zu einer Verlaufsrichtung in der Oberfläche verlaufenden Rillen aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Windrad und ein Fahrzeug mit einer solchen Oberfläche.
STAND DER TECHNIK
Windräder oder Windmühlen sind im Stand der Technik gut bekannt. Hierbei handelt es sich am häufigsten um solche mit horizontaler Rotationsachse, bei denen der Wind das Windrad antreibt, indem durch die Umströmung von Windradflügeln oder Rotorblättern, die Teile eines Rotors sind, eine Rotation des Rotors bewirkt wird. Die Rotationsgeschwindigkeit eines solchen Windrades hängt unter anderem von der Windgeschwindigkeit, dem Anstellwinkel der einzelnen Rotorblätter gegen den Wind, der Ausrichtung des Rotors gegenüber der Windrichtung und verschiedenen Reibungsgrößen ab. Schließlich kann die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors insbesondere durch die auf einen Generator zu übertragene Kraft beeinflusst werden, indem die Last des Generators und damit der Rotationswiderstand des Windrads erhöht wird. Bei höherer zu leistender elektrischer Energie steigt die Last und damit auch der Widerstand des Generators.
Zusätzlich zu den oben genannten Größen hängt die Rotationsgeschwindigkeit eines solchen Windrades auch von dem Strömungswiderstand ab, den die Rotorblätter oder Flügel des Rotors dem Wind entgegensetzen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Allgemein besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine von einem Fluid überströmte Oberfläche mit einer Rillenstruktur aus dem obigen technischen Gebiet bereitzustellen, die einen reduzierten Oberflächenwiderstand beim Überströmen durch das Fluid bildet. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gegenüber dem bekannten Stand der Technik liegt insbesondere darin, die Effizienz eines Windrades zu erhöhen, indem die Reibung des Windes gegenüber der Oberfläche eines Rotorblatts reduziert wird.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 sowie die Gegenstände der Ansprüche 7 und 8 gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß weist die Rillenstruktur konkave und konvexe Abschnitte auf, die senkrecht zu der Verlaufsrichtung der Oberfläche jeweils abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet sind. Ferner ist die Verlaufsrichtung der Rillenstruktur im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Fluids über die Oberfläche ausgerichtet.
Die Rillenstruktur mit ihren konkaven und konvexen aufeinanderfolgenden Abschnitten kann beispielsweise durch aufeinanderfolgende abwechselnde Ausnehmungen und Vorsprünge einer Oberfläche realisiert werden. Konkave Abschnitte sind dabei solche Abschnitte der Oberfläche, die insbesondere durch eine Ausnehmung realisiert werden können, weil sie einen von der Oberfläche zumindest teilweise umschlossenen und begrenzten Hohlraum definieren, während konvexe Abschnitte eher durch Vorsprünge ausgebildet sein können, die von einer ebenen Oberfläche aus nach außen gewölbt sind.
Die Verlaufsrichtung der in der Oberfläche verlaufenden Rillen ist die Richtung, entlang der jeweils eine Rille verläuft. Senkrecht zu dieser Verlaufsrichtung sind aufeinanderfolgend und abwechselnd mit konkaven und konvexen Abschnitten versehene Rillen angeordnet. Die Rillen verlaufen dabei bevorzugt geradlinig, können jedoch auch gebogen oder gekrümmt verlaufen.
Die Verlaufsrichtung ist dabei im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Fluids über die Oberfläche ausgerichtet. Dies bedeutet, dass das über die Oberfläche strömende Fluid neben einer möglichen zur Oberfläche senkrechten Komponente hauptsächlich eine senkrecht zur Verlaufsrichtung verlaufende Geschwindigkeitskomponente parallel zur Oberfläche aufweist. Die Verlaufsrichtung ist dann im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung des Fluids über die Oberfläche ausgerichtet, wenn die Strömungsrichtung des Fluids über die Oberfläche derart in zwei linear unabhängige Komponenten zerlegt werden kann, dass die senkrecht zur Verlaufsrichtung der Rillen ausgerichtete Komponente einen größeren Betrag aufweist als die parallel zur Verlaufsrichtung ausgerichtete Komponente.
Mit Vorteil weisen die konkaven Abschnitte einen halbkreisförmigen Querschnitt mit einem ersten Radius auf. Ein halbkreisförmiger konkaver Abschnitt hat sich als besonders vorteilhaft bei der Reibungsreduktion erwiesen.
Mit Vorteil weisen alternativ oder zusätzlich die konvexen Abschnitte einen halbkreisförmigen Querschnitt mit einem zweiten Radius auf. Ein halbkreisförmiger konvexer Abschnitt hat sich als besonders vorteilhaft bei der Reibungsreduktion erwiesen.
Besonders bevorzugt sind dabei der erste Radius und der zweite Radius zweier benachbarter konkaver und konvexer Abschnitte an einer in Verlaufsrichtung definierten Stelle gleich. In dieser Ausführungsform sind also die Querschnitte der konkaven und konvexen Abschnitte, abgesehen von ihrer konvexen bzw. konkaven Form, im Wesentlichen gleich. Mit anderen Worten entspricht die Ausnehmung des konkaven Abschnitts im Wesentlichen genau dem Vorsprung des konvexen Abschnitts. Eine solche Oberflächenform hat sich in Modellversuchen als besonders vorteilhaft für die Reibungsreduktion der Oberflächenströmung und die Effizienzerhöhung des Windrades herausgestellt.
In diesem Zusammenhang ist eine in Verlaufsrichtung definierte Stelle ein Ort, der durch seine Position entlang der Verlaufsrichtung eines konkaven oder konvexen Abschnitts definiert sein kann. Anders ausgedrückt liegen ein Ort an einem konkaven Abschnitt an einer in Verlaufsrichtung definierten ersten Stelle und ein Ort an einem konvexen Abschnitt an derselben in Verlaufsrichtung definierten ersten Stelle im Fall benachbarter konkaver und konvexer Abschnitte unmittelbar nebeneinander. Das bedeutet, die kürzeste Verbindung zwischen diesen beiden Punkten verläuft genau senkrecht zur Verlaufsrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Radius und/oder der zweite Radius in Verlaufsrichtung der Rillen veränderlich ausgestaltet. Dies bedeutet, dass sich der Radius des konkaven Abschnitts und/oder der Radius des konvexen Abschnitts bei einer lokalen Betrachtung der Rillenstruktur entlang der Verlaufsrichtung verändert, also größer oder kleiner werden.
Insbesondere wird bevorzugt, dass der erste Radius und der zweite Radius in Abhängigkeit von einer erwarteten Überströmgeschwindigkeit des Fluids über die Oberfläche an einer bestimmten Stelle in Verlaufsrichtung zu höheren Geschwindigkeiten hin größer werden.
Mit Vorteil ist die Oberfläche als Beschichtung ausgebildet. Dies ermöglicht es besonders gut, dass eine bereits vorhandene Oberfläche nachträglich mit der Rillenstruktur zu einer erfindungsgemäßen Oberfläche gemacht werden kann. Dies kann beispielsweise auch durch eine selbstklebende Folie realisiert werden.
Eine besonders bevorzugte Anwendung der Erfindung ist ein Windrad mit einer erfindungsgemäßen Oberfläche auf zumindest einem Flügel eines Rotors oder Rotorblatts des Windrads. Ein solches Windrad kannte in Modellversuchen untersucht werden.
Es wurde in Modellversuchen herausgefunden, dass die Reibung zwischen der Oberfläche und dem Fluid um bis zu 80% reduziert werden kann. Dies führt dazu, dass das Fluid wesentlich schneller über die Flügeloberfläche strömen kann. Dies wiederum ermöglicht einen Erhöhung des über der Flügeloberfläche aufgrund des Bernoullieffektes erzeugten Sogs/Unterdrucks und damit letztlich eine gesteigerte Effizienz des Windrades bei der Stromerzeugung gegenüber Windrädern mit konventioneller Oberfläche.
Mit anderen Worten wird durch die erfindungsgemäße Oberfläche, die auch als „Wirbelteppich” bezeichnet werden kann, der Wind auf dem Flügelprofil weniger abgebremst und erhöht damit die Druckdifferenz zwischen der dem Wind zugewandten Seite des Flügelprofils und der dem Wind abgewandten Seite erhöht. Dies erhöht die Effizienz und deshalb, bei gleicher Windgeschwindigkeit, die Rotationsgeschwindigkeit oder den Energieeintrag in den Generator. Andererseits ermöglicht die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur, dass sich Windräder bereits bei niedrigeren Windgeschwindigkeiten drehen und damit auch bei schwachwindigen Wetterlagen Strom erzeugen können.
Eine weitere bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Oberfläche liegt in einem Fahrzeug mit einer außen liegenden erfindungsgemäßen Oberfläche. In diesem Zusammenhang sind unter einem Fahrzeug insbesondere ein Kraftfahrzeug, zum Beispiel ein Automobil, ein Lastkraftwagen oder Bus, ein Zug, ein Flugzeug, ein Schiff oder eine Rakete zu verstehen. Ferner lässt sich die Erfindung auch auf Oberflächen von Gebäuden, Helikopterrotoren und Masten realisieren, insbesondere auch auf dem Mast eines Windrotors oder einem Strommast. Auch bei Innenflächen von Rohrleitungen, die Fluide führen, wurde die Erfindung erfolgreich getestet und derartige Rohrleitungen stellen deshalb ebenfalls eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Oberfläche dar.
Die Reduktion des Strömungswiderstandes resultiert bei den Fahrzeugen insbesondere in einer Energie- und damit Treibstoffersparnis oder einer Geschwindigkeitserhöhung bei gleichbleibendem Energiebedarf. Im Falle der feststehenden Objekte, beispielsweise den Gebäuden oder Masten, führt die erfindungsgemäße Oberfläche zu einer geringeren Windlast auf das Gebäude, bei den Rohrleitungen zu einer verbesserten Durchflussleistung.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche.
KURZE FIGURENBESCHREIBUNG
Die Figur zeigt eine schematische Ansicht eines Flügels eines Windrades mit einer bevorzugten Oberfläche.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die in der Figur gezeigte schematische Darstellung eines Windradflügels 10 soll eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung illustrieren. Der Windradflügel 10 umfasst eine Oberfläche 12, die beim Betrieb des Windrades von einem Fluid, nämlich von Luft, überströmt wird. Die Oberfläche 12 weist eine Rillenstruktur auf, die entlang einer Verlaufsrichtung V ausgerichtete, linear ausgebildete Rillen umfasst.
Senkrecht zur Verlaufsrichtung V ist eine Strömungsrichtung S des Fluids über die Oberfläche 12 angedeutet. Die Strömungsrichtung S ergibt sich unter anderem daraus, dass sich das Windrad, zu dem der Windradflügel 10 gehört, in einer Drehrichtung R dreht, die in der Figur ebenfalls eingezeichnet ist.
Der in der Figur unten dargestellte Teil des Windradflügels 10 zeigt eine Flügelwurzel 18, während der in der Figur obere Teil des Windradflügels 10 einen Randbogen 20 des Flügels zeigt.
Die im Wesentlichen linear ausgedehnten Rillen der Oberfläche 12 verlaufen in einem Winkel α von ca. 45° zur Haupterstreckungsrichtung des Windradflügels 10. Diese Ausrichtung entspricht der idealen Ausrichtung beim Rotationsbetrieb des Windrades, sodass die Luft entlang der Strömungsrichtung S über die Oberfläche 12 strömen kann.
Je nach Konfiguration des Windrades sind jedoch auch andere Winkel als der Winkel α = 45° denkbar und es ist sogar möglich, dass sich dieser Winkel im Verlauf des Windradflügels 10 von der Flügelwurzel 18 zum Randbogen 20 analog zu einem Einstellwinkel des Flügelrades ändert.
Die in der Figur illustrierte Oberfläche 12 weist sowohl an ihrer Flügelwurzel 18 als auch am Randbogen 20 konkave Abschnitte 14.1, 14.2 und konvexe Abschnitte 16.1, 16.2 auf. Sowohl die konkaven Abschnitte 14.1, 14.2 als auch die konvexen Abschnitte 16.1, 16.2 sind halbkreisförmig ausgestaltet und haben jeweils an der Flügelwurzel 18 und am Randbogen 20 die gleichen Radien.
Der Radius der konkaven und konvexen Abschnitte der Oberfläche 12 verändert sich jedoch von der Flügelwurzel 18 zum Randbogen 20 hin. An der Flügelwurzel 18 betragen der Radius des konkaven Abschnitts 14.2 und der Radius des konvexen Abschnitts 16.2 jeweils 2 mm, während sie am Randbogen 20 sowohl beim konkaven Abschnitt 14.1 als auch beim konvexen Abschnitt 16.1 jeweils 5 mm betragen. Diese Variation der Radien der Oberflächenstruktur berücksichtigt insbesondere die veränderten Fluidgeschwindigkeiten gegenüber der Oberfläche 12.

Claims

Oberfläche (12), die von einem Fluid überströmt wird und die eine Rillenstruktur mit mehreren parallel zueinander und zu einer Verlaufsrichtung (V) in der Oberfläche (12) verlaufenden Rillen aufweist, wobei die Rillenstruktur konkave (14.1, 14.2) und konvexe Abschnitte (16.1, 16.2) aufweist, die senkrecht zu der Verlaufsrichtung (V) in der Oberfläche (12) jeweils abwechselnd aufeinander folgend angeordnet sind, wobei die Verlaufsrichtung (V) im wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung (S) des Fluids über die Oberfläche (12) ausgerichtet ist.
Oberfläche (12) nach Anspruch 1, wobei die konkaven Abschnitte (14.1, 14.2) einen halbkreisförmigen Querschnitt mit einem ersten Radius aufweisen.
Oberfläche (12) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die konvexen Abschnitte (16.1, 16.2) einen halbkreisförmigen Querschnitt mit einem zweiten Radius aufweisen.
Oberfläche (12) nach Anspruch 2 und 3, wobei der erste Radius und der zweite Radius zweier benachbarter konkaver (14.1, 14.2) und konvexer Abschnitte (16.1, 16.2) an einer in Verlaufsrichtung (V) definierten Stelle gleich sind.
Oberfläche (12) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der erste Radius und/oder der zweite Radius in Verlaufsrichtung (V) der Rillen veränderlich ausgestaltet ist.
Oberfläche (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche (12) als Beschichtung ausgebildet ist.
Windrad mit einer Oberfläche (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf zumindest einem Flügel (10) eines Rotors des Windrads.
Fahrzeug mit einer außen liegenden Oberfläche (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Rohrleitung mit einer Innenoberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 6.