DE102013006166A1

DE102013006166A1 - Formvariable, fluidisch aktuierte Hinterkante an Rotorblättern

Info

Publication number: DE102013006166A1
Application number: DE102013006166.0A
Authority: DE
Inventors: Johannes Fischer
Original assignee: Tembra & Co KG GmbH
Current assignee: Tembra & Co KG GmbH
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2014-10-09

Abstract

Formvariable, fluidisch aktuierte Hinterkante an aerodynamischen Profilen von Rotorblättern von Windenergieanlagen, welche eine Grundstruktur (3), vorzugsweise mit jeweils einer flexiblen Ober- (9) und Unterseite (10), sowie mindestens ein, die genannte Grundstruktur bewegendes, fluidisch, vorzugsweise pneumatisch, betriebenes Aktuatorelement (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Aktuatorelement (2) seine Ausdehnung faltenbalgähnlich durch das Falten seiner Wandung (4) verändert, b. diese Wandung örtlich den Verlauf der Profilaußenkontur gestaltet und vorzugsweise in der Hüllkurve des zugrundeliegenden aerodynamischen Profils liegt sowie c. diese Wandung die Abdichtung des Profilinnenraums (8) gegenüber der Umgebung des Profils zwischen beweglichem (7) und festem Teil (6) des Profils bildet.

Description

Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung richtet sich auf eine formvariable, fluidisch aktuierte Hinterkante an aerodynamischen Profilen von Rotorblättern von Windenergieanlagen, ausgestattet mit einem fluidischen Aktuator, welcher durch seine Vereinigung von aktuierender und abdichtender Funktion eine besonders vorteilhafte aerodynamische, kompakte, robuste, geschützte, fertigungsoptimierte und zuverlässige Konstruktion selbiger ermöglicht.
Einleitung
Aerodynamische Profile finden Anwendung in Segelfahrzeugen, Flugzeugen, Turbinenschaufeln oder Rotorblättern von Windenergieanlagen. Im strömenden Fluid ist dabei die Ausbildung einer Saug- sowie einer Druckseite typisch und ermöglicht die Erzeugung und Nutzung des Auftriebseffektes und der daraus entstehenden Kräfte. Der genaue geometrische Verlauf von Saug- sowie Druckseite des Profils ist dabei entscheidend für die erzeugbaren Kräfte. Aus strukturellen und fertigungstechnischen Gründen werden diese Profile als starr ausgeführt, auch wenn der Betriebsbereich der damit betriebenen Maschinen jeweils über einen großen Bereich von Strömungszuständen variieren kann. Zur Optimierung der entsprechenden Maschinen über einen Betriebspunkt hinaus ist eine Veränderung der Profilform wünschenswert, welche zum Beispiel durch die sehr effektive Methode, den hinteren Profilbereich (Hinterkante) nach oben und unten auszulenken, erfolgen kann.
Stand der Technik
Verstellbare Hinterkantenelemente werden in der technischen Realisierung demnach vielfach als starre Elemente mittels Scharnier, auch mittels einer Art Filmscharnier, gelenkig mit der unbeweglichen Profilstruktur verbunden. Bei diesen Konstruktionskonzepten wird eine starre Struktur in ihrem Winkel zur unbeweglichen Profilstruktur verdreht, eine Konturänderung des eigentlichen Hinterkantenelements findet dabei in der Regel nicht statt. Aus aerodynamischen Gründen (Effizienz, Verhältnis von Auftrieb und Widerstand, Aeroakustik) ist es jedoch sinnvoll, dass das Hinterkantenelement eine stetige Konturänderung ermöglicht. Hierzu existieren bisher überwiegend ausschließlich Konzepte, da die Umsetzung bei einer näheren Betrachtung oft fertigungs- und materialtechnische Herausforderungen, große Eingriffe in die Struktur des Flügels und/oder komplexe, vielteilige Mechanismen (und somit letztendlich auch hohe Kosten, welche nicht durch den technischen Vorteil überwogen werden) mit sich bringt. So sind in FR2290585 , DE4002972 , US6138956 , WO2011064214 , GB2483435 , WO2009061478 oder WO2012083961 Konzepte beschrieben, welche bewegliche oder formvariable Hinterkantenkörper beschreiben, jedoch aufwendige, mehrteilige und somit Fehler- und Verschleißanfällige Mechanismen erfordern.
Diese und weitere Konstruktionskonzepte haben weiter oft den Nachteil, nach außen offene Spalte zwischen unbeweglichem und beweglichem Teil zu besitzen, in welche Umweltmedien eindringen und einen verschleißfreien, zuverlässigen Betrieb verhindern können. Hierzu seien ergänzend GB2486876 , WO2008131800 oder WO2010043645 genannt, welche eine Abdeckung der entstehenden Spalte garnicht betrachten oder hierfür Elemente vorsehen, welche auf reiner Materialdehnung diese überbrücken sollen. Betrachtet man jedoch die erforderlichen Dehnungen, welche bei einer Auslenkung der beschriebenen Hinterkantenelemente mit wünschenswerten strömungsbeeinflussenden Effekten auftreten würden, findet man keine Materialien, die bei einem Dauerbetrieb eine nennenswerte Lebendsauer erreichen könnten. Besondere Bedeutung bekommen all diese Punkte beim Einsatz am Rotorblatt einer Windenergieanlage, da diese bei allen Witterungsbedingungen arbeiten, sehr lange Inspektions- und Wartungsintervalle haben und ein Dauerbetrieb mit demzufolge hohen Schaltspielzahlen zu ertragen ist. Lösungen von faltenden oder beulenden Bereichen für eine Überbrückung zwischen festem und beweglichem Teil an einer veränderlichen Hinterkante werden in US2012169060 und EP2423104 vorgeschlagen.
Was die Wahl des Kraft bzw. Verschiebung bereitstellenden aktiven Elements, den Aktuator, angeht, sind pneumatisch betriebene Aktuatorelemente für die Anwendung in aerodynamischen Profilen gut geeignet. Sie bieten auf Grund ihres Leichtbaupotenzials, der Fehlertoleranz (bei Leckage oder z. B. auch gegenüber Blitzschlag) sowie Flexibilität in ihrer Gestaltung Vorteile gegenüber hydraulischen oder elektrischen Aktuatoren. Prinzipiell kommen Kolbenzylinder, Pneumatische Muskeln, Schlauch- und Blasenförmige sowie Balgaktuatoren in Betracht. So werden mit pneumatischen Aktuatoren betriebene formvariable Profile oder Profilabschnitte in einigen o. g. Druckschriften, sowie WO0075508 , US3987984A , WO2010043647 , EP1995455 , US2009028704 , JP2006248456A oder US6199796 beschrieben. Die einzigen, dem Autor zum Zeitpunkt der Anmeldung bekannten Umsetzungen als physikalische Prototypen, sind in US2007036653 5 sowie [1] dargestellt und wurden am „Wind Energy Institute” der dänischen „Technical University of Denmark” (DTU Wind Energy, vormals Risø Institute) unter dem Namen „Controlable Rubber Trailing Edge Flap” (CRTEF) entwickelt. Nachteile dieser Konzepte sind einerseits die überwiegende Ausnutzung von Materialdehnung für die Verformung der Hinterkantenkontur, was verhältnismäßig hohe pneumatische Drücke erfordert und eine hohe Materialbeanspruchung und damit geringe zu erwartende Lebensdauern mit sich bringt; andererseits führen diese Konzepte in der realen Umsetzung zu recht großen Kavitäten und haben somit einen hohen Druckluft- und somit Energieverbrauch zur Folge.
Das Funktionsprinzip von Balgaktuatoren, welche im Allgemeinen aus einer aus Faltenbälgen gebildeten Druckblase bestehen, ist Stand der Technik und hinreichend bekannt. Zum Verbiegen von Strukturen bzw. für rotatorische Bewegungserzeugung sind weiterhin z. B. in EP2497959 und EP1519055 Umsetzungen beschrieben.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vorzugsweise pneumatisch betriebene verstellbare Hinterkante zur veränderlichen Beeinflussung der Auftriebseigenschaften eines aerodynamischen Profils eines Rotorblattes an einer Windenergieanlage zu finden, welche unter anderem die Nachteile des Stands der Technik vermeidet. Insbesondere soll dabei eine modular integrierbare, also kompakte, robuste, wartungsarme und kostengünstig herzustellende und zu betreibende formvariable Hinterkante angegeben werden.
Lösung
Diese Aufgabe wird mit den in Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Durch eine faltenbalgähnliche Wandung (4), welche einen festen (6) und einen beweglichen Teil (7) des Profils verbindet, örtlich den Verlauf der Profilaußenkontur gestaltet und vorzugsweise in der Hüllkurve des zugrundeliegenden aerodynamischen Profils liegt sowie die Abdichtung des Profilinnenraums (8) gegenüber der Umgebung verwirklicht, entsteht ein fluidisches Aktuatorelement (2), welches bei Beaufschlagung mit einem Fluid, vorzugsweise Druckluft, über die Zu-/Ableitung (5) eine lineare oder ggf. bogen- oder kurvenförmige Relativverschiebung zwischen festem (6) und beweglichem Profilteil (7) hervorruft und die Hinterkantengrundstruktur (3) mit vorzugsweise flexibler Unterseite (10) und Oberseite (9) elastisch verformt bzw. verstellt (1/2/3).
Die in den Zeichnungen (1/2/3) dargestellte Hinterkante soll ausdrücklich nur als eine mögliche Ausführungsform verstanden werden. So ist beispielsweise mit Schutzanspruch 1 auch eine derartige Integration des Aktuatorelements in die Hinterkantengrundstruktur eingeschlossen, so dass lediglich eine faltenbalgartige Wandung (4) den Profilinnenraum (8) abdichtet und dieser gleichzeitig das Füllvolumen des Aktuatorelements (2) bildet. Auf der gegenüberliegenden Seite der faltenbalgartigen Wandung (4) bildet dann eine flexible aber ungefaltete und deutlich steifere Wand (ggf. die Profiloberseite (9)) die Abgrenzung zur Umgebung.
Die Anordnung der faltenbalgähnlichen Wandung (4) auf der Profilunterseite, der Druckseite, ist vorteilhaft, da hier ein Überdruck der Strömung vorliegt und nicht mit einer Strömungsablösung durch die variablen Kavitäten der Faltung zu rechnen ist.
Vorteile der Erfindung
Eine solche formvariable, fluidisch aktuierte Hinterkante an aerodynamischen Profilen von Rotorblättern von Windenergieanlagen ermöglicht eine aerodynamisch vorteilhafte Außenkontur der Hinterkante ohne maßgebliche Knicke bzw. Unstetigkeiten, hat eine kompakte Bauweise, welche eine modulare Herstellung und Montage zulässt, weist keine relativ bewegten Einzelteile auf, welche einer tribologischen Beanspruchung unterliegen, besitzt keine Spalten oder Hohlräume in denen sich Wasser, Schmutz und Eis akkumulieren und die Funktion beeinflussen oder gar verhindern könnten, ist bei entsprechender Ausgestaltung aus Stranggussprofilen, vorzugsweise im Extrusionsverfahren herstellbar und daher günstig in den Herstellungskosten, besitzt ein kleines fluidisches Füllvolumen und benötigt geringe pneumatische Drücke und hat daher einen geringen Energieverbrauch sowie eine geringe Materialbeanspruchung und eine erhöhte Lebensdauer. Zusammenfassend stellen diese Vorteile eine wirtschaftliche Umsetzung einer formvariablen, fluidisch aktuierten Hinterkante an aerodynamischen Profilen von Rotorblättern von Windenergieanlagen erstmals realistisch in Aussicht.
Weiterbildungen/Ausbildungen
In einer Ausführungsform der Erfindung (dargestellt in Schutzanspruch 2) ist das Aktuatorelement (2) mit einer biegeweichen und dehnsteifen Wandung (4) ausgestattet, welche die Materialbelastung und somit -ermüdung durch Dehnung minimiert.
In einer Ausführungsform der Erfindung (dargestellt in Schutzanspruch 3) ist das Aktuatorelement (2) mit einer Wandung (4) ausgestattet, welche in Größe und Anzahl auf den gewünschten Aktuator-Weg, die Aktuator-Kraft, die Materialausnutzung, die aerodynamischen und/oder aeroakustischen Eigenschaften und/oder Lebensdauer optimiert sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung (dargestellt in Schutzanspruch 4) sind die Hinterkantenkontur (3) und das Aktuatorelement (2) aus Materialien von unterschiedlicher Elastizität gefertigt und druckdicht zusammengefügt. Neben einer denkbaren Ausführungsform des gesamten Hinterkantenelements (1) aus einem Material, ist somit eine Ausführung mit Anpassung der Struktur an die lokalen Belastungen möglich und unter Einstellung gewünschter Steifigkeiten die Wandstärken und somit der Materialverbrauch und das Gewicht optimierbar. Dies kann z. B. durch ein Fügen von Hinterkantengrundstruktur (3) und Aktuatorelement (2) durch Kleben oder (Kunststoff-)Schweißen oder, unter Einbeziehung einer Fertigung als Strangprofil nach Schutzanspruch 9, im Coextrusionsverfahren erfolgen.
In einer Ausführungsform der Erfindung (dargestellt in Schutzanspruch 5) sind Eintritts- und Austrittsöffnung (5) des betreibenden Fluids zum Aktuatorelement (2) voneinander verschiedene Öffnungen, was den Vorteil einer Spülung des Aktuatorelements und somit einer Kühlung und Verlangsamung der Materialalterung (beim Einsatz von Kunststoff) ermöglicht.
In einer Ausführungsform der Erfindung (dargestellt in Schutzanspruch 6) sind Sensoren zur Erfassung von Weg oder Fluiddruck im oder am Aktuatorelement (2) angebracht, welche einerseits eine Funktionsüberwachung und gezieltere Steuerung der Formveränderung ermöglichen, andererseits als Indikator für die an dem Profil angreifenden aerodynamischen Lasten verwendet werden können.
In einer Ausführungsform der Erfindung (dargestellt in Schutzanspruch 7) weist die Hinterkante (1) in Rotorblattlängsrichtung mehrere Aktuatorelemente (2) auf oder diese bilden durch Membrane getrennte Volumen, wodurch in den Grenzen der Elastizität der Hinterkantengrundstruktur (3) eine veränderliche Auslenkung der Hinterkante in Rotorblattlängsrichtung, entsprechend der am jeweiligen Profilschnitt gewünschten Formänderung möglich wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung (dargestellt in Schutzanspruch 8) weist diese sowohl auf Profilober- (9) wie auch Profilunterseite (10) Aktuatorelemente (2) auf, welche eine erhöhte Formveränderung der Hinterkante bewirken können.
In einer Ausführungsform der Erfindung (dargestellt in Schutzanspruch 9) weisen die Konturen der, eine Hinterkantengrundstruktur (3) und mindestens ein Aktuatorelement (2) umfassenden, Hinterkante (1) in Rotorblattlängsrichtung keine Geometrieänderung auf, womit die Hinterkante teilweise oder ganz aus einem oder mehreren Strangprofilen erzeugt werden kann, was eine günstige Herstellung, z. B. im Extrusions- oder Pultrusionsverfahren, ermöglicht.
In einer Ausführungsform der Erfindung (dargestellt in Schutzanspruch 10) sind in der Profilkontur durch das Enthalten von faltenbalgartigen Wandungen (4) entstehende Kavitäten mit Mitteln zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften, vorzugsweise einer bestimmten Oberflächenstruktur, einem Beflocken der Oberfläche oder einem Ausschäumen mit einem hochelastischen Material, ausgestattet.
Abschluss allgemeiner Teil
Die vorgenannten sowie beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Form, Gestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeptionen keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Figurenbeschreibung
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den zugehörigen Beschreibungen sowie der Zeichnung, in der – beispielhaft – ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine Ansicht der Hinterkante (1) im Schnitt in nach unten ausgelenktem Zustand, bei dem das Aktuatorelement (2) drucklos ist. Die Form der Hinterkantengrundstruktur (3) wird bei dieser Ausführung durch Verbindungselemente (11) unterstützt.
2 eine Ansicht der Hinterkante (1) im Schnitt in einem Auslenkungszustand welcher der Profilkontur des aerodynamischen Grundprofils nahekommt, bei einem mit etwa halbem Maximaldruck beaufschlagten Aktuatorelement (2).
3 eine Ansicht der Hinterkante (1) im Schnitt in maximal nach oben ausgelenktem Zustand, welcher der Profilkontur des Grundprofils nahekommt, bei einem mit Maximaldruck beaufschlagten Aktuatorelement (2).
4 eine Ansicht eines Rotorblatts (12) mit einem über elastische Formteile (13) integrierten Hinterkantenelement (1).
Bezugszeichenliste

1: Hinterkantenelement
2: Aktuatorelement
3: Hinterkantengrundstruktur
4: faltenbalgähnliche Aktuatorwandung
5: Zu- oder Ableitung des Betriebsfluids
6: feststehender Profilteil
7: beweglicher Profilteil
8: Profilinnenraum
9: Oberseite (Saugseite)
10: Unterseite (Druckseite)
11: Verbindungselement
12: Rotorblatt
13: Elastisches Formteil

Referenzen
[1] Madsen, H. A., Andersen, P. B., Andersen, T. L., Bak, C, und Buhl, T., The potenlials of the controllable rubber trailing edge flap, Tagungsberichte der EWEC 2010, Warschau, Polen
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

FR 2290585 [0003]
DE 4002972 [0003]
US 6138956 [0003]
WO 2011064214 [0003]
GB 2483435 [0003]
WO 2009061478 [0003]
WO 2012083961 [0003]
GB 2486876 [0004]
WO 2008131800 [0004]
WO 2010043645 [0004]
US 2012169060 [0004]
EP 2423104 [0004]
WO 0075508 [0005]
US 3987984 A [0005]
WO 2010043647 [0005]
EP 1995455 [0005]
US 2009028704 [0005]
JP 2006248456 A [0005]
US 6199796 [0005]
US 2007036653 [0005]
EP 2497959 [0006]
EP 1519055 [0006]

Claims

Formvariable, fluidisch aktuierte Hinterkante an aerodynamischen Profilen von Rotorblättern von Windenergieanlagen, welche eine Grundstruktur (3), vorzugsweise mit jeweils einer flexiblen Ober- (9) und Unterseite (10), sowie mindestens ein, die genannte Grundstruktur bewegendes, fluidisch, vorzugsweise pneumatisch, betriebenes Aktuatorelement (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Aktuatorelement (2) seine Ausdehnung faltenbalgähnlich durch das Falten seiner Wandung (4) verändert, b. diese Wandung örtlich den Verlauf der Profilaußenkontur gestaltet und vorzugsweise in der Hüllkurve des zugrundeliegenden aerodynamischen Profils liegt sowie c. diese Wandung die Abdichtung des Profilinnenraums (8) gegenüber der Umgebung des Profils zwischen beweglichem (7) und festem Teil (6) des Profils bildet.
Formvariable, fluidisch aktuierte Hinterkante an aerodynamischen Profilen von Rotorblättern von Windenergieanlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorelement (2) eine biegeweiche und dehnsteife Wandung aufweist.
Formvariable, fluidisch aktuierte Hinterkante an aerodynamischen Profilen von Rotorblättern von Windenergieanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Größe und Anzahl der Falten der faltenbalgähnlichen Wandung (4) auf den Aktuator-Weg, die Aktuator-Kraft, die Materialausnutzung, die aerodynamischen und/oder aeroakustischen Eigenschaften und/oder Lebensdauer optimiert sind.
Formvariable, fluidisch aktuierte Hinterkante an aerodynamischen Profilen von Rotorblättern von Windenergieanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkantengrundstruktur (3) und das Aktuatorelement (2) aus Materialien von unterschiedlicher Elastizität gefertigt und druckdicht zusammengefügt sind.
Formvariable, fluidisch aktuierte Hinterkante an aerodynamischen Profilen von Rotorblättern von Windenergieanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Eintritts und Austrittsöffnung (5) des betreibenden Fluids zum Aktuatorelement (2) voneinander verschiedene Öffnungen sind.
Formvariable, fluidisch aktuierte Hinterkante an aerodynamischen Profilen von Rotorblättern von Windenergieanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren zur Erfassung von Weg oder Fluiddruck im oder am Aktuatorelement (2) angebracht sind.
Formvariable, fluidisch aktuierte Hinterkante an aerodynamischen Profilen von Rotorblättern von Windenergieanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkante in Rotorblattlängsrichtung mehrere Aktuatorelemente (2) aufweist oder diese durch Membrane getrennte Volumen bilden.
Formvariable, fluidisch aktuierte Hinterkante an aerodynamischen Profilen von Rotorblättern von Windenergieanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Profilober- (9) wie auch die Profilunterseite (10) Aktuatorelemente aufweisen.
Formvariable, fluidisch aktuierte Hinterkante an aerodynamischen Profilen von Rotorblättern von Windenergieanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturen der, eine Hinterkantengrundstruktur (3) und mindestens ein Aktuatorelement (2) umfassenden, Hinterkante (1) in Rotorblattlängsrichtung keine Geometrieänderung aufweisen.
Formvariable, fluidisch aktuierte Hinterkante an aerodynamischen Profilen von Rotorblättern von Windenergieanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Profilkontur durch das Enthalten von faltenbalgartigen Wandungen (4) entstehende Kavitäten mit Mitteln zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften, vorzugsweise einer bestimmten Oberflächenstruktur, einem Beflocken der Oberfläche oder einem Ausschäumen mit einem hochelastischen Material, ausgestattet sind.