DE102013201871B4 - Vortexgenerator für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage - Google Patents

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Abstract

Vortexgenerator (10) für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage zum Beeinflussen einer Luftströmung an einer Oberfläche des Rotorblattes, wobei der Vortexgenerator (10) eine Grundplatte (12) mit einer Oberseite und wenigstens einen quer zur Grundplatte (12) an der Oberseite angeordneten Flügel (14) mit einer ersten Seitenfläche (16, 16') und einer zweiten Seitenfläche (16, 16') umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (12) und der wenigstens eine Flügel (14) einstückig ausgebildet sind, wobei die erste Seitenfläche (16, 16') und die zweite Seitenfläche (16, 16') des Flügels (14) jeweils einen Übergangsbereich (18, 18') aufweisen, in dem die Seitenflächen (16, 16') kantenfrei in eine Oberfläche (20) an der Oberseite der Grundplatte (12) übergehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Vortexgenerator für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage zum Beeinflussen einer Luftströmung an einer Oberfläche des Rotorblattes, wobei der Vortexgenerator eine Grundplatte mit einer Oberseite und wenigstens einen quer zur Grundplatte an der Oberseite angeordneten Flügel mit einer ersten Seitenfläche und einer zweiten Seitenfläche umfasst. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines Vortexgenerators für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage. Die Erfindung betrifft ferner eine Spritzgussform für einen Vortexgenerator eines Rotorblatts einer Windenergieanlage sowie ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage.
  • Im Stand der Technik sind Rotorblätter für Windenergieanlagen bekannt, die zur Optimierung ihrer aerodynamischen Eigenschaften Vortexgeneratoren aufweisen. Vortexgeneratoren bestehen in der Regel aus flachen Flügeln oder Winglets mit dreieckiger Grundform, die aufrecht stehend an einer Oberfläche des Rotorblatts befestigt sind.
  • Vortexgeneratoren werden eingesetzt, um die Luftströmung an der Oberfläche des Rotorblatts zu beeinflussen. Insbesondere soll verhindert werden, dass sich eine dicke turbulente Grenzschicht ausbildet, die zu einem Ablösen der laminaren Umströmung vom Rotorblatt und dadurch zu einer Abnahme der Auftriebskräfte führen kann.
  • Aus DE 10 2008 002 930 A1 ist eine Windkraftanlage mit einem Rotorblatt bekannt, welches mehrere Klappen umfasst, die sich an einer Saugseite des Rotorblatts heraus entlang unterschiedlicher Sehnenlinien erstrecken.
  • Aus EP 2 466 122 A2 ist ein weiteres Rotorblatt einer Windenergieanlage bekannt, auf dessen Außenseite eine Vielzahl von Vortexgeneratoren angeordnet ist.
  • Ebenso ist aus EP 1 662 137 A1 eine Windenergieanlage bekannt, deren Rotorblätter mit Vortexgeneratoren verschiedener Bauart zur Reduzierung der Geräuschentwicklung der Rotorblätter versehen sind.
  • Im Betrieb sind Vortexgeneratoren erheblichen Belastungen durch hohe aerodynamische Kräfte ausgesetzt, die insbesondere zu einer Biegebelastung der Flügel quer zu ihrer Grundfläche führen. Dadurch wird insbesondere auch die untere, am Rotorblatt angeordnete Kante der Flügel stark beansprucht, so dass bekannte Vortexgeneratoren häufig innerhalb weniger Jahre abbrechen oder abreißen.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Lebensdauer eines aerodynamisch optimierten Rotorblatts zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Vortexgenerator für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage zum Beeinflussen einer Luftströmung an einer Oberfläche des Rotorblattes, wobei der Vortexgenerator eine Grundplatte mit einer Oberseite und wenigstens einen quer zur Grundplatte an der Oberseite angeordneten Flügel mit einer ersten Seitenfläche und einer zweiten Seitenfläche umfasst, der dadurch weitergebildet wird, dass die Grundplatte und der wenigstens eine Flügel einstückig ausgebildet sind, wobei die erste Seitenfläche und die zweite Seitenfläche des Flügels jeweils einen Übergangsbereich aufweisen, in dem die Seitenflächen kantenfrei in eine Oberfläche an der Oberseite der Grundplatte übergehen.
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Vortexgenerator mit der Grundplatte, die insbesondere entlang der Oberfläche des Rotorblatts ausgerichtet ist oder wird, großflächig mit dem Rotorblatt verbunden, beispielsweise verklebt, werden kann. Ein Abreißen des Vortexgenerators wird dadurch wirksam verhindert.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Flügel und die Grundplatte, die insbesondere quer zueinander angeordnet sind, einstückig ausgebildet sind, so dass eine Verbindungsstelle von Grundplatte und Flügel, die eine potenzielle Schwachstelle darstellt, entfällt.
  • Außerdem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Oberfläche an der Oberseite der Grundplatte kantenfrei in die beiden Seitenflächen des Flügels übergeht. Auch hierdurch werden Schwachstellen, an denen das Material vorzeitig ermüden und aufreißen oder brechen kann, vermieden. Dadurch wird vorteilhafterweise ein Abbrechen des Flügels von der Grundplatte wirksam vermieden.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Übergangsbereich der ersten Seitenfläche und/oder der Übergangsbereich der zweiten Seitenfläche derart ausgebildet, dass eine im Betrieb der Windenergieanlage in dem jeweiligen Übergangsbereich auftretende Materialspannung gleichmäßig über den jeweiligen Übergangsbereich verteilt ist.
  • Bei einem Flügelquerschnitt, der über die gesamte Flügelhöhe variiert, kann vorzugsweise eine Materialspannung auch außerhalb des jeweiligen Übergangsbereichs gleichmäßig verteilt sein.
  • Insbesondere ist die Form des Übergangsbereichs, die im Querschnitt beispielsweise abgerundet, kreisförmig oder hyperbolisch ausgebildet sein kann, durch Berechnungen oder Simulationen an die im Betrieb der Windenergieanlage zu erwartenden Belastungen des jeweiligen Einzelfalls angepasst.
  • Bevorzugt ist ferner, wenn ein Material des Vortexgenerators ein Thermoplast umfasst. Derartige Materialien sind kostengünstig, ausreichend stabil sowie einfach und schnell zu verarbeiten.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, dass ein Material des Vortexgenerators Verstärkungsfasern für das Thermoplast aufweist, wobei insbesondere das Thermoplast ein faserverstärktes, insbesondere kurzfaserverstärktes, Thermoplast ist. Verstärkungsfasern nehmen insbesondere Zugspannungen auf und führen so zu einer Verstärkung des Materials des Vortexgenerators, insbesondere zu einer erhöhten Zugstabilität oder Spannungsstabilität. Die Gefahr eines Abreißens des Flügels wird durch höhere Materialfestigkeit wirksam verringert.
  • Dieser Effekt wird noch verstärkt, wenn die Verstärkungsfasern in dem Übergangsbereich der ersten Seitenfläche und/oder in dem Übergangsbereich der zweiten Seitenfläche entlang eines Kraftflusses einer im Betrieb der Windenergieanlage in dem jeweiligen Übergangsbereich auftretenden Materialspannung ausgerichtet sind. Dieses Merkmal kann vorzugsweise auch über die gesamte Flügelhöhe so ausgebildet sein.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Vortexgenerators für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, insbesondere eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vortexgenerators, wobei der Vortexgenerator eine Grundplatte mit einer Oberseite und wenigstens einem quer zur Grundplatte an der Oberseite angeordneten Flügel aufweist, wobei die Grundplatte und der wenigstens eine Flügel einstückig ausgebildet sind und in einem Spritzgussverfahren unter Verwendung eines Thermoplasts hergestellt werden, wobei das Thermoplast an wenigstens zwei an gegenüberliegenden Seiten des Flügels angeordneten Angussstellen zugeführt wird.
  • Auf diese Weise wird das Thermoplast für den Flügel gleichmäßig von beiden Seiten zugeführt, so dass sich eine gleichmäßige, blasenfreie Zufuhr des Thermoplasts für den Flügel ergibt, so dass Blasen und Lufteinschlüsse in dem Material des fertigen Flügels vermieden werden. Dadurch ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass die Seitenflächen, insbesondere die Übergangsbereiche der Seitenflächen des Flügels, aus gleichmäßigem Material, das frei von Schwachstellen, wie zum Beispiel Blasen, ist, aufgebaut werden.
  • Vorzugsweise ist eine symmetrische Anordnung der Angussstellen, insbesondere mit einer geraden Anzahl von Angussstellen, vorgesehen.
  • Wenn vorzugsweise ein faserverstärktes Thermoplast, insbesondere ein kurzfaserverstärktes Thermoplast, verwendet wird, richten sich im Spritzguss die Verstärkungsfasern des faserverstärkten Thermoplasts entlang der Fließrichtung des Thermoplasts aus. Im Betrieb der Windenergieanlage werden die Flügel des Vortexgenerators typischerweise quer zu den Seitenflächen belastet, so dass sich eine Materialspannung mit einem Kraftfluss zwischen der Oberfläche der Grundplatte und einer Seitenfläche des Flügels ergibt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass die Fließrichtung des Thermoplasts für die Übergangsbereiche der Seitenflächen des Vortexgenerators bezogen auf die Geometrie des zu fertigenden Vortexgenerators von der Grundplatte zum Flügel hin erfolgt und somit genau der Richtung des zuvor beschriebenen Kraftflusses entspricht.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Spritzgussform für einen Vortexgenerator eines Rotorblattes einer Windenergieanlage, insbesondere eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen, wobei die Spritzgussform einen Hohlraum mit einem ersten Teilraum für eine Grundplatte des Vortexgenerators und einen zweiten Teilraum für einen Flügel des Vortexgenerators aufweist, wobei eine als Formfläche ausgebildete Oberfläche des Hohlraums zwischen dem ersten Teilraum und dem zweiten Teilraum kantenfrei ausgebildet ist.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilraum zwei oder mehr Angussstutzen zum Zuführen eines Thermoplasts zu dem Hohlraum aufweist, die jeweils an gegenüberliegenden Seiten des zweiten Teilraums angeordnet sind. Dadurch ist die erfindungsgemäße Spritzgussform vorteilhafterweise zur Anwendung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
  • Bevorzugt ist des Weiteren, dass der zweite Teilraum an einer dem ersten Teilraum abgewandten Seite einen Entlüftungsstutzen aufweist. Dadurch wird gewährleistet, dass das Thermoplast in der Spritzgussform die vorgegebene oder gewünschte Fließrichtung beibehält. Der Entlüftungsstutzen ist insbesondere in einem Bereich des zweiten Teilraums angeordnet, der einem Grat des in der Spritzgussform herzustellenden Vortexgenerators zwischen der ersten Seitenfläche und der zweiten Seitenfläche des Flügels des Vortexgenerators entspricht.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage mit einen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vortexgenerator oder mit einen Vortexgenerator hergestellt gemäß einen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren oder mit einem Vortexgenerator hergestellt unter Verwendung einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Spritzgussform.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
  • 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Vortexgenerator,
  • 2 schematisch einen Querschnitt eines Vortexgenerators aus dem Stand der Technik,
  • 3 schematisch einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Vortexgenerators entlang der Linie A-A aus 1 und
  • 4 schematisch eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Spritzgussform für einen Vortexgenerator.
  • In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
  • 1 zeigt schematisch einen Vortexgenerator 10 mit einer Grundplatte 12 zur Befestigung des Vortexgenerators 10 an einem Rotorblatt einer Windenergieanlage. Der Vortexgenerator 10 weist an der Oberseite eine dem Rotorblatt abgewandte Oberfläche 20 auf.
  • An der Oberfläche 20, die beim Betrieb der Windenergieanlage der das Rotorblatt umströmenden Luftströmung ausgesetzt ist, weist der Vortexgenerator mehrere Flügel 14 auf. Die Flügel 14 stehen im Wesentlichen quer zu der Oberfläche 20 und weisen eine im Wesentlichen dreieckige Grundform auf. Die Flügel 14 sind paarweise derart zueinander angeordnet, dass die längserstreckten Übergangsbereiche 18, 18' der Seitenflächen 16, 16' jeweils eines Flügelpaares in einem vorgegebenen Winkel zueinander stehen.
  • Der Querschnitt eines Flügels 14 entlang der Schnittebene A-A wird im Folgenden näher erläutert.
  • 2 zeigt den Querschnitt eines Flügels 14 eines Vortexgenerators 10 aus dem Stand der Technik. Der Flügel 14 weist eine im Wesentlichen konstante Dicke auf und ist mit einer seiner Schmalseiten mit einer Grundplatte 12 verklebt. Es sind auch Vortexgeneratoren 10 im Stand der Technik bekannt, bei denen die Grundplatte und der Flügel 14 bei vergleichbarer Geometrie aus einem einzigen Bauteil bestehen.
  • Im Betrieb der Windenergieanlage wirken auf den Flügel 14 aerodynamische Kräfte, deren Hauptrichtungen durch die Pfeile F, F' angedeutet sind.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Übergang zwischen dem Flügel 14 und der Grundplatte 12 bei bekannten Vortexgeneratoren 10 eine Schwachstelle darstellt, die erfindungsgemäß vermieden wird.
  • Der Querschnitt eines erfindungsgemäßen Vortexgenerators 10 aus 1 entlang der Linie A-A ist in 3 gezeigt. Die Seitenflächen 16, 16' des Flügels 14 weisen Übergangsbereiche 18, 18' auf, in denen die Seitenflächen 16, 16' kantenfrei an die Oberfläche 22 der Grundplatte 12 anschließen.
  • Die Krümmung des Übergangsbereichs 18' ist dabei derart gewählt, dass sich eine aufgrund der aerodynamischen Kraft in Richtung des Pfeils F auftretenden Materialspannung entlang des Pfeils 30 gleichmäßig über den Übergangsbereich 18' verteilt.
  • Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 3 im Gegensatz zur 2 mit dem Pfeil F nur eine Richtung der typischen aerodynamischen Belastungen dargestellt, wobei die Gegenrichtung analog zu dem Pfeil F' in 2 ebenso auftritt.
  • Für eine zusätzlich verbesserte Belastbarkeit des Vortexgenerators 10 besteht der Vortexgenerator 10 aus einem Material mit einem faserverstärkten Thermoplast, wobei die Verstärkungsfasern für das Thermoplast oder die Verstärkungsfasern des faserverstärkten Thermoplasts entlang der durch Pfeile 30 angedeuteten Spannkraft angeordnet sind.
  • Die gewünschte Ausrichtung der Verstärkungsfasern wird beispielsweise durch die in 4 gezeigte erfindungsgemäße Spritzgussform 40 gewährleistet.
  • Die Spritzgussform 40 umfasst einen Hohlraum 42 für den Vortexgenerator 10, wobei der Hohlraum 42 einen ersten Teilraum 43 für die Grundplatte 12 und einen zweiten Teilraum 44 für den Flügel 14 aufweist. Die innere Oberfläche 46 des Hohlraums 42 der Spritzgussform 40 ist als Formfläche für die Oberfläche 20 der Grundplatte und die Seitenflächen 16, 16' mit den Übergangsbereichen 18, 18' des Flügels 14 ausgebildet.
  • Der erste Teilraum 43 weist zwei oder mehr Angussstutzen 47 auf, durch die gleichmäßig Thermoplast zugeführt wird. Die Angussstutzen 47 sind vorzugsweise symmetrisch zum Flügel 14 angeordnet, damit die Fließwege gleich lang sind. Das Thermoplast breitet sich entlang der durch den Pfeil 50 dargestellten Fließrichtung in dem Hohlraum 42 aus, wobei sich Verstärkungsfasern eines kurzfaserverstärkten Thermoplasts von selbst im Wesentlichen entlang der Fließrichtung ausrichten.
  • Der zweite Teilraum 44 weist an seiner Spitze einen Entlüftungsstutzen 48 auf, durch den Luft und überschüssiges Thermoplast aus dem Hohlraum 42 entweichen können, so dass der Hohlraum 42 vollständig und blasenfrei mit dem Thermoplast ausgefüllt wird.
  • Nach Aushärten des Thermoplasts, Entformen des Vortexrohlings und Nachbereiten, insbesondere ein Glätten der Oberflächen im Bereich der Angussstutzen 47 und des Entlüftungsstutzens 48, wird schließlich ein erfindungsgemäßer Vortexgenerator 10 bereitgestellt.
  • Vorzugsweise ist ein Radius des Übergangsbereichs 18 und/oder 18' größer als 2 cm, insbesondere größer als 3 cm, insbesondere größer als 5 cm.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Vortexgenerator
    12
    Grundplatte
    14
    Flügel
    16, 16'
    Seitenfläche
    18, 18'
    Übergangsbereich
    20
    Oberfläche
    30
    Kraftfluss einer Materialspannung
    40
    Spritzgussform
    42
    Hohlraum
    43
    erster Teilraum
    44
    zweiter Teilraum
    46
    Formoberfläche
    47
    Angussstutzen
    48
    Entlüftungsstutzen
    50
    Fließrichtung
    F, F'
    aerodynamische Kraft

Claims (11)

  1. Vortexgenerator (10) für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage zum Beeinflussen einer Luftströmung an einer Oberfläche des Rotorblattes, wobei der Vortexgenerator (10) eine Grundplatte (12) mit einer Oberseite und wenigstens einen quer zur Grundplatte (12) an der Oberseite angeordneten Flügel (14) mit einer ersten Seitenfläche (16, 16') und einer zweiten Seitenfläche (16, 16') umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (12) und der wenigstens eine Flügel (14) einstückig ausgebildet sind, wobei die erste Seitenfläche (16, 16') und die zweite Seitenfläche (16, 16') des Flügels (14) jeweils einen Übergangsbereich (18, 18') aufweisen, in dem die Seitenflächen (16, 16') kantenfrei in eine Oberfläche (20) an der Oberseite der Grundplatte (12) übergehen.
  2. Vortexgenerator (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (18, 18') der ersten Seitenfläche (16, 16') und/oder der Übergangsbereich (18, 18') der zweiten Seitenfläche (16, 16') derart ausgebildet ist, dass eine im Betrieb der Windenergieanlage in dem jeweiligen Übergangsbereich (18, 18') auftretende Materialspannung gleichmäßig über den jeweiligen Übergangsbereich (18, 18') verteilt ist.
  3. Vortexgenerator (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material des Vortexgenerators (10) ein Thermoplast umfasst.
  4. Vortexgenerator (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material des Vortexgenerators (10) Verstärkungsfasern für das Thermoplast aufweist, wobei insbesondere das Thermoplast ein faserverstärktes, insbesondere kurzfaserverstärktes, Thermoplast ist.
  5. Vortexgenerator (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern in dem Übergangsbereich (18, 18') der ersten Seitenfläche (16, 16') und/oder in dem Übergangsbereich (18, 18') der zweiten Seitenfläche (16, 16') entlang eines Kraftflusses (30) einer im Betrieb der Windenergieanlage in dem jeweiligen Übergangsbereich (18, 18') auftretenden Materialspannung ausgerichtet sind.
  6. Verfahren zum Herstellen eines Vortexgenerators (10) für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, insbesondere eines Vortexgenerators (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Vortexgenerator (10) eine Grundplatte (12) mit einer Oberseite und wenigstens einen quer zur Grundplatte (12) an der Oberseite angeordneten Flügel (14) aufweist, wobei die Grundplatte (12) und der wenigstens eine Flügel (14) einstückig ausgebildet sind und in einem Spritzgussverfahren unter Verwendung eines Thermoplasts hergestellt werden, wobei das Thermoplast an wenigstens zwei an gegenüberliegenden Seiten des Flügels (14) angeordnete Angussstellen (47) zugeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein faserverstärktes Thermoplast, insbesondere ein kurzfaserverstärktes Thermoplast, verwendet wird.
  8. Spritzgussform (40) für einen Vortexgenerator eines Rotorblattes einer Windenergieanlage, insbesondere eines Vortexgenerators (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Spritzgussform (40) einen Hohlraum (42) mit einem ersten Teilraum (43) für eine Grundplatte (12) des Vortexgenerators (10) und einen zweiten Teilraum (44) für einen Flügel (14) des Vortexgenerators (10) aufweist, wobei eine als Formfläche ausgebildete Oberfläche (46) des Hohlraums (42) zwischen dem ersten Teilraum (43) und dem zweiten Teilraum (44) kantenfrei ausgebildet ist.
  9. Spritzgussform (40) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilraum (43) zwei Angussstutzen (47) zum Zuführen eines Thermoplasts zu dem Hohlraum (42) aufweist, die jeweils an gegenüberliegenden Seiten des zweiten Teilraums (44) angeordnet sind.
  10. Spritzgussform (40) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilraum (44) an einer dem ersten Teilraum (43) abgewandten Seite einen Entlüftungsstutzen (48) aufweist.
  11. Rotorblatt für eine Windenergieanlage mit einem Vortexgenerator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder mit einem Vortexgenerator (10) hergestellt gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7 oder mit einem Vortexgenerator (10) hergestellt unter Verwendung einer Spritzgussform (40) nach einem der Ansprüche 8 bis 10.
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