DE102013207640B4 - Windenergieanlagen-Rotorblatt - Google Patents

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Abstract

Windenergieanlagen-Rotorblatt, miteiner Rotorblattvorderkante (211), einer Rotorblatthinterkante (212), einer Rotorblattwurzel (214), einer Rotorblattspitze (213),einer Saugseite (216), einer Druckseite (217),einer Staupunktlinie (215) entlang einer Längsrichtung (L) des Rotorblattes von der Rotorblattwurzel (214) zu der Rotorblattspitze (213), undeiner Mehrzahl von Vortex-Generatoren im Bereich der Staupunktlinie (215), wobei die Staupunktlinie (215) im Bereich der Druckseite (217) vorhanden ist, wobei die Vortex-Generatoren (300) in einem Bereich von > 50 % der Länge des Rotorblattes entlang der Längsrichtung (L) vorgesehen sind,wobei die Vortex-Generatoren in der Draufsicht kreisförmig, oval oder pfeilförmig vorgesehen sind,wobei der Durchmesser der Vortex-Generatoren < 100 mm ist,wobei die Höhe der Vortex-Generatoren maximal ¼ des Durchmessers der Vortex-Generatoren entspricht,wobei ein Abstand zwischen benachbarten Vortex-Generatoren zwischen ein- und zehnmal dem Durchmesser der Vortex-Generatoren entspricht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Windenergieanlagen-Rotorblatt.
  • Ein Rotorblatt einer Windenergieanlage weist einen Rotorblattwurzelbereich, eine Rotorblattspitze, eine Rotorblattvorderkante, eine Rotorblatthinterkante, eine Saugseite und eine Druckseite auf. Typischerweise wird das Rotorblatt an seinem Rotorblattwurzelbereich mit einer Nabe einer Windenergieanlage verbunden. Damit sind die Rotorblätter mit einem Rotor der Windenergieanlage verbunden und versetzen den Rotor in Rotation, soweit ausreichend Wind vorhanden ist. Diese Rotation kann durch einen elektrischen Generator in elektrische Leistung umgewandelt werden.
  • Das Rotorblatt wird durch das Prinzip des aerodynamischen Auftriebs bewegt. Wenn Wind auf ein Rotorblatt trifft, so wird Luft sowohl oberhalb als auch unterhalb des Blattes entlanggeführt. Das Blatt ist typischerweise so gewölbt, dass die Luft oberhalb des Blattes einen längeren Weg um das Profil herum hat und somit schneller fließen muss als die Luft entlang der Unterseite. Dadurch entsteht oberhalb des Blattes ein Unterdruck (Saugseite) und unterhalb ein Überdruck (Druckseite).
  • EP 1 944 505 A1 zeigt ein Windenergieanlagen-Rotorblatt mit einer Mehrzahl von Vortex-Generatoren auf der Saugseite des Rotorblattes.
  • EP 2 484 898 A1 beschreibt ein Windenergieanlagen-Rotorblatt mit einer Mehrzahl von Vortex-Generatoren. Die Vortex-Generatoren werden im rotorblattwurzelnahen Bereich vorgesehen.
  • WO 2013/ 014 080 A2 zeigt ein Windenergieanlagen-Rotorblatt mit einer Mehrzahl von Vortex-Generatoren. Ferner wird hier beschrieben, wie ein Rotorblatt mit den Vortex-Generatoren nachgerüstet werden kann. Die Vortex-Generatoren werden dabei an der Saugseite des Rotorblattes und im rotorblattwurzelnahen Bereich vorgesehen.
  • WO 2007/ 140 771 A1 zeigt ein Rotorblatt einer Windenergieanlage mit einer Mehrzahl von Vortex-Generatoren auf der Saugseite des Rotorblattes.
  • WO 2008/ 113 350 A2 zeigt ebenfalls ein Windenergieanlagen-Rotorblatt mit einer Mehrzahl von Vortex-Generatoren. Die Vortex-Generatoren werden auf der Saugseite des Rotorblattes vorgesehen.
  • WO 2006/ 122 547 A1 zeigt ein Rotorblatt einer Windenergieanlage mit einer Mehrzahl von Vortex-Generatoren auf der Saugseite des Rotorblattes.
  • WO 2012/ 082 324 A1 zeigt ein Windenergieanlagen-Rotorblatt mit einer Mehrzahl von Vortex-Generatoren, wobei die Vortex-Generatoren im rotorblattwurzelnahen Bereich vorgesehen sind.
  • EP 2 098 721 A2 zeigt ein Windenergieanlagen-Rotorblatt mit Vortex-Generatoren.
  • EP 2 017 467 A1 zeigt ein Rotorblatt einer Windenergieanlage mit einer Saugseite und einer Druckseite. Vortex-Generatoren sind im Bereich der Druckseite vorgesehen. Ferner sind Vortex-Generatoren im Bereich der Rotorblattnase vorgesehen.
  • DE 10 2005 018 427 A1 zeigt einen Drehflügel mit Vortex-Generatoren.
  • Im Betrieb der Windenergieanlage kommt es zu einer Lärmemission, welche möglichst zu verringern ist, um die Akzeptanz der Windenergieanlagen in der Bevölkerung zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Windenergieanlagen-Rotorblatt nach Anspruch 1 gelöst.
  • Somit wird ein Windenergieanlagen-Rotorblatt mit einer Saugseite, einer Druckseite, einem wurzelnahen Bereich, einer Rotorblattspitze, einer Rotorblattvorderkante und einer Rotorblatthinterkante vorgesehen. Das Rotorblatt weist ferner eine Mehrzahl von Staupunkten entlang der Länge des Rotorblattes auf, welche zusammen eine Staupunktlinie bilden können. Eine Mehrzahl von Vortex-Generatoren ist im Bereich der Staupunktlinie vorgesehen. Die Staupunktlinie befindet sich auf der Unterseite (allgemein als Druckseite bezeichnet) des Rotorblattes.
  • Der Staupunkt (stagnation point) ist derjenige Punkt an der Oberfläche des Rotorblattes, an dem die Geschwindigkeit der Strömung verschwindet, sodass die kinetische Energie vollständig in eine Druckenergie umgewandelt werden kann. Durch Änderung des Pitchwinkels kann sich die Lage des Staupunktes verändern. Der Staupunkt ist derjenige Punkt, an dem sich die Strömung aufteilt, und ein Teil der Strömung fließt über die Saugseite und der andere Teil fließt über die Druckseite des Rotorblattes.
  • Gemäß der Erfindung werden die Vortex-Generatoren in Längsrichtung bei mehr als 50 %, insbesondere mehr als 60 % der Länge des Rotorblattes (d. h. die letzten 50 % bis 40 % des Rotorblattes in Richtung der Rotorblattspitze werden mit Vortex-Generatoren im Bereich der Staupunktlinie vorgesehen).
  • Die Form der Vortex-Generatoren kann beispielsweise ein Halbkreis, oval oder in der Draufsicht pfeilförmig sein. Der Durchmesser der Vortex-Generatoren ist kleiner als 100 mm. Der Abstand zwischen benachbarten Vortex-Generatoren ist mindestens einmal der Durchmesser und maximal zehnmal der Durchmesser der Vortex-Generatoren.
  • Die Höhe der Vortex-Generatoren ist maximal ¼ des Durchmessers. Die 3D-Form der Vortex-Generatoren kann eine Scheibe mit konstanter Dicke oder eine Kugelkalotte mit runder Grundform darstellen.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand des Unteranspruchs.
  • Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
    • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung,
    • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Rotorblattes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Rotorblattes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnittes eines Windenergieanlagen-Rotorblattes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
    • 5 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung eines Verlaufes des Auftriebsbeiwertes über den effektiven Strömungswinkel für ein Windenergieanlagen-Rotorblatt.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung. Die Windenergieanlage 100 weist einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 200 und einem Spinner 110 vorgesehen. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und bewirkt dann dadurch eine Rotation eines elektrischen Generators in der Gondel, der aus der Rotation elektrische Leistung erzeugt. Der Pitch der Rotorblätter bzw. der Anstellwinkel der Rotorblätter 200 kann durch Pitch-Motoren an den Rotorblattwurzeln der jeweiligen Rotorblätter 200 verändert werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Windenergieanlagen-Rotorblattes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Rotorblatt 200 weist eine Rotorblattvorderkante 211, eine Rotorblatthinterkante 212, eine Rotorblattspitze 213, einen Rotorblattwurzelbereich 214 auf. Ferner weist das Rotorblatt eine Längsrichtung L auf, welche sich von dem Rotorblattwurzelbereich 214 zu der Rotorblattspitze 213 erstreckt. Das Rotorblatt weist ferner eine Staupunktlinie 215 (stagnation point line) auf, welche sich an der Druckseite des Rotorblattes erstreckt. Da sich der Querschnitt des Rotorblattes in Längsrichtung L verändert, verändert sich ebenfalls der Staupunkt (stagnation point) für jeden Abschnitt des Rotorblattes. Aus der Mehrzahl der Staupunkte kann somit eine Staupunktlinie 215 gebildet werden. Im Bereich der Staupunktlinie 215 ist eine Mehrzahl von Vortex-Generatoren 200 vorgesehen.
  • Die Vortex-Generatoren 300 können ab einer Länge von 50 % bis 100 % des Rotorblattes vorgesehen werden. Insbesondere können die Vortex-Generatoren 300 zwischen 60 % und 100 % der Länge des Rotorblattes vorgesehen werden.
  • Durch das Vorsehen der Vortex-Generatoren im Bereich der Staupunkte des Rotorblattes kann eine Ablösung der Strömung an der Rotorblatthinterkante positiv beeinflusst werden.
  • Die Vortex-Generatoren 300 können in der Draufsicht kreisförmig, oval oder pfeilförmig ausgestaltet sein. Der Durchmesser der Vortex-Generatoren ist kleiner als 100 mm (z. B. 20 mm). Der Abstand zwischen benachbarten Vortex-Generatoren 300 beträgt mindestens einmal den Durchmesser der Vortex-Generatoren und maximal 10 Mal den Durchmesser der Vortex-Generatoren. Die Höhe der Generatoren beträgt maximal ¼ des Durchmessers. Die dreidimensionale Form kann einer Scheibe konstanter Dicke oder einer Kugelkalotte bei runder Grundform entsprechen. Ein pfeilförmiger Grundriss kann eine Pyramidenform darstellen. Während die Orientierung in Strömungsrichtung bei runder Grundform unwichtig ist, ist die Pyramide mit ihrer Spitze in Strömungsrichtung orientiert.
  • 3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Windenergieanlagen-Rotorblattes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Das Rotorblatt weist eine Rotorblattvorderkante 211, eine Rotorblatthinterkante 212, eine Saugseite 216 und eine Druckseite 217 auf. Die Vortex-Generatoren 300 werden im Bereich der Druckseite 217 sowie im Bereich des Staupunktes bzw. der Staupunktlinie 215 vorgesehen.
  • 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnittes eines Rotorblattes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das Rotorblatt 200 weist in diesem Abschnitt zwei Vortex-Generatoren 300 auf, welche im Bereich der Staupunktlinie 215 vorgesehen sind. Optional können die Vortex-Generatoren so im Bereich der Staupunktlinie vorgesehen sein, dass sie sich im Nennbetrieb im Bereich der Staupunktlinie befinden. Steigt durch sich verändernde Windbedingung der effektive Anstellwinkel global oder lokal an (z. B. mit böigem Wind oder bei Betrieb im Scherwind), wandert der Staupunkt hinter die Vortex-Generatoren, und es entstehen an den Vortex-Generatoren Wirbelfäden 400, welche größere Ablösegebiete auf der Saugseite stabilisieren und so auch unter ungünstigen Anströmbedingungen noch für eine anliegende Strömung und den Erhalt des Auftriebs sorgen.
  • 5 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung des Verlaufes des Antriebsbeiwertes über den effektiven Strömungswinkel. Damit ist der Verlauf des Antriebsbeiwertes C1 über dem effektiven Strömungswinkel αeff für ein Rotorblatt ohne Vortex-Generatoren 600 und für ein Rotorblatt mit Vortex-Generatoren 500 dargestellt. Aus 5 ist somit erkennbar, dass der Einsatz der erfindungsgemäßen Vortex- bzw. Wirbel-Generatoren zu einer Verzögerung des Ablösebeginns der Luftströmung führt. Der maximale Auftriebsbeiwert C1 wird damit zu höheren Anstellwinkeln des Rotorblattes hinausgeschoben. Dies bedeutet für die Windenergieanlage im laufenden Betrieb eine Verbesserung der windstationären Profileigenschaften bei gleichzeitiger Minimierung des negativen Widerstandsanstieges. Damit erklärt sich die Reduzierung des Lärms bei Rotorblättern in stationären Anströmbedingungen, sodass die erfindungsgemäße Windenergieanlage eine reduzierte Schallemission aufweist.

Claims (3)

  1. Windenergieanlagen-Rotorblatt, mit einer Rotorblattvorderkante (211), einer Rotorblatthinterkante (212), einer Rotorblattwurzel (214), einer Rotorblattspitze (213), einer Saugseite (216), einer Druckseite (217), einer Staupunktlinie (215) entlang einer Längsrichtung (L) des Rotorblattes von der Rotorblattwurzel (214) zu der Rotorblattspitze (213), und einer Mehrzahl von Vortex-Generatoren im Bereich der Staupunktlinie (215), wobei die Staupunktlinie (215) im Bereich der Druckseite (217) vorhanden ist, wobei die Vortex-Generatoren (300) in einem Bereich von > 50 % der Länge des Rotorblattes entlang der Längsrichtung (L) vorgesehen sind, wobei die Vortex-Generatoren in der Draufsicht kreisförmig, oval oder pfeilförmig vorgesehen sind, wobei der Durchmesser der Vortex-Generatoren < 100 mm ist, wobei die Höhe der Vortex-Generatoren maximal ¼ des Durchmessers der Vortex-Generatoren entspricht, wobei ein Abstand zwischen benachbarten Vortex-Generatoren zwischen ein- und zehnmal dem Durchmesser der Vortex-Generatoren entspricht.
  2. Rotorblatt nach Anspruch 1, wobei die Form der Vortex-Generatoren einer Scheibe mit im Wesentlichen konstanter Dicke oder einer Kugelkalotte mit runder Grundform entspricht.
  3. Windenergieanlage, mit mindestens einem Windenergieanlagen-Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 2.
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