DE102013210733B4

DE102013210733B4 - Rotorblatt und Vortexgenerator

Info

Publication number: DE102013210733B4
Application number: DE102013210733.1A
Authority: DE
Inventors: Bert Gollnick; Tilman Richers; Jens Kulenkampff; Marc Petsche
Original assignee: Senvion GmbH
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy Service GmbH
Priority date: 2013-06-10
Filing date: 2013-06-10
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2033-06-11
Also published as: DE102013210733A1; WO2014198353A1

Abstract

Rotorblatt (10) für eine Windenergieanlage mit einem an einer Oberfläche (12) des Rotorblattes (10) angeordneten Flügel (20) zur Beeinflussung einer Luftströmung an der Oberfläche (12) des Rotorblattes (10), wobei der Flügel (20), bezogen auf eine Anströmrichtung des Flügels (20) bei bestimmungsgemäßer Umströmung (30) des Rotorblattes (10), eine veränderbare effektive aerodynamische Querschnittsfläche aufweist, wobei der Flügel (20) zur Veränderung seiner effektiven aerodynamischen Querschnittsfläche um eine Drehachse (49) drehbar und/oder um eine Schwenkachse (46, 47), , schwenkbar ausgebildet ist, wobei die effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels (20) in einer ersten Dreh- oder Schwenkposition (22) größer ist als die effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels in einer zweiten Dreh- oder Schwenkposition (24), wobei der Flügel (20) derart am Rotorblatt (10) angeordnet ist, dass aufgrund einer bestimmungsgemäßen Umströmung (30) des Rotorblattes (10) eine aerodynamische Kraft auf den Flügel (20) einwirkt, die wenigstens eine Teilkomponente in Richtung einer Dreh- oder Schwenkbewegung des Flügels (20) von der ersten Dreh- oder Schwenkposition (22) in die zweite Dreh- oder Schwenkposition (24) aufweist, wobei der Flügel (20) in Abwesenheit der aerodynamischen Kraft die erste Dreh- oder Schwenkposition (22) einnimmt, wobei der in der ersten Dreh- oder Schwenkposition (22) befindliche Flügel (20) dort verbleibt, bis eine bei bestimmungsgemäßer Umströmung (30) des Rotorblattes (10) auf den Flügel (20) einwirkende aerodynamische Kraft größer ist als eine erste Kraftschwelle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage mit einem an einer Oberfläche des Rotorblattes angeordneten Flügel zur Beeinflussung einer Luftströmung an der Oberfläche des Rotorblattes.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Vortexgenerator für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage umfassend einen Flügel, der bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Vortexgenerators an einer Oberfläche des Rotorblattes angeordnet ist oder wird.
Bei Windenergieanlagen ist es bekannt, zur Erhöhung des Auftriebs eines Rotorblattes das Rotorblatt mit Flügeln zu versehen, die oft eine dreieckige Grundform aufweisen und aufrecht stehend an einer Oberfläche des Rotorblattes befestigt sind. Bei Umströmung des Rotorblattes erzeugt jeder Flügel einen oberflächennahen Wirbel, einen sogenannten Vortex. Diese Wirbel verhindern das Ausbilden einer übermäßig dicken turbulenten Grenzschicht zwischen der Oberfläche des Rotorblattes und der das Rotorblatt umströmenden laminaren Luftströmung, wodurch ein Abreißen oder Ablösen der laminaren Strömung vom Rotorblatt unterdrückt und höhere Auftriebskräfte auf das Rotorblatt ausgeübt werden. Unter einem Flügel wird im Rahmen der Erfindung der Teil eines Vortexgenerators verstanden, der in Wechselwirkung mit der den Flügel umströmenden Luft einen Wirbel erzeugt. Unter Flügel wird insbesondere ein Wirbel erzeugender Flächenkörper verstanden.
Aufgrund des höheren Auftriebs lässt sich dadurch insbesondere bei Windgeschwindigkeiten unterhalb der Nennwindgeschwindigkeit die Energieausbeute der Windenergieanlage erhöhen.
Andererseits führen die Flügel bei Windgeschwindigkeiten oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit, d.h. in Betriebsbereichen, in denen die Windenergieanlage üblicherweise durch Änderung des Anstellwinkels auf Nennleistung gesteuert bzw. geregelt wird, dazu, dass erhöhte strukturelle Belastungen des Rotorblattes und der Windenergieanlage auftreten, weil beispielsweise aufgrund des durch die Flügel erhöhten Auftriebes und Luftwiderstands des Rotorblattes die Windenergieanlage mit ungünstigen Anstellwinkeln betrieben werden muss.
US 2011/0 142 664 A1 offenbart eine Windkraftanlage mit Rotorblättern, an denen Vortexgeneratoren angeordnet sind. Die Vortexgeneratoren sind zwischen einer ersten und einer zweiten Position in Abhängigkeit einer Bedingung einer Grenzschicht positionierbar. Die Positionierung funktioniert über einen mit einem Steuersystem verbundenen Aktuator.
US 2011/0 110 777 A1 offenbart eine aktive Flusssteuervorrichtung, bei der an einem Rotorblatt ein verschwenkbarer Vortexgenerator in einer Richtung senkrecht zur Schwenkachse hin und her gedreht wird.
DE 10 2012 100 650 A1 offenbart ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage, bei der ein Vortexgenerator verwendet wird, der über einen Aktuator in einer Aussparung der Hülle des Rotorblatts eingebracht werden kann.
DE 601 10 098 T2 offenbart eine Regelungsmethode für eine Windturbine und eine Regeleinrichtung hierfür. Es ist ein Spoiler, der an der Außenseite des Flügels angebracht ist, aktivierbar oder deaktivierbar. Die Aktivierung kann über das Befüllen eines Hohlraums mit Druck geschehen.
EP 2 402 595 A2 offenbart ein Rotorblatt einer Windenergieanlage mit Vortexgeneratoren, durch die ein aktiver Fluss von Druckluft über ein Kontrollsystem abgegeben werden kann. Die Vortexgeneratoren können über einen Aktuator von einer zurückgezogenen Position in eine Betriebsposition verfahren werden.
EP 2 394 911 A1 offenbart ein Rotorblatt einer Windkraftanlage mit Vortexelementen, bei der über einen Aktivierungsmechanismus die Vortexelemente von einer ersten zurückgezogenen Position in eine zweite ausgewölbte Position gesteuert werden können. Dies geschieht beispielsweise über ein piezoelektrisches Material.
US 2007/0 018 056 A1 offenbart eine Flusssteuervorrichtung und Vortexgeneratoren eines Flügels eines Flugzeuges, bei der der Vortexgenerator in einem zurückgezogenen Zustand und in einem ausgefahrenen Zustand hin und her bewegt werden kann. Dies geschieht mit einem Aktuator.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aerodynamischen Eigenschaften eines Rotorblattes einer Windenergieanlage derart zu verbessern, dass bei gleichbleibend guter Energieausbeute die strukturellen Belastungen, insbesondere bei Windgeschwindigkeiten oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit, verringert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage mit einem an einer Oberfläche des Rotorblattes angeordneten Flügel zur Beeinflussung einer Luftströmung an der Oberfläche des Rotorblattes vorgesehen, wobei der Flügel, bezogen auf eine Anströmrichtung des Flügels bei bestimmungsgemäßer Umströmung des Rotorblattes, eine veränderbare effektive aerodynamische Querschnittsfläche aufweist.
Die Erfindung bietet bei einer niedrigen Anströmgeschwindigkeit, wie sie insbesondere bei Windgeschwindigkeiten unterhalb der Nennwindgeschwindigkeit der Windenergieanlage vorherrscht, eine große effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels, so dass der Flügel vorteilhafterweise eine hohe Verwirbelung oder einen starken Vortex erzeugt, wodurch der Auftrieb des Rotorblattes erhöht und somit der Energieertrag der Windenergieanlage verbessert wird.
Gleichzeitig ermöglicht die Erfindung die Veränderung, insbesondere Verringerung, der effektiven aerodynamischen Querschnittsfläche des Flügels, für den Fall hoher Windgeschwindigkeiten, insbesondere oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit. Dadurch wird die Verwirbelung oder die Stärke des Vortexes des Flügels verringert, wodurch strukturelle Belastungen für das Rotorblatt und/oder die Windenergieanlage reduziert werden.
Gleichzeitig bedeutet eine kleinere effektive aerodynamische Querschnittsfläche einen geringeren Luftwiderstand, so dass die Erfindung auch eine Veränderung des Beitrags von dem Flügel zum Luftwiderstand des gesamten Rotorblattes und in gewissen Grenzen die Veränderung des Quotienten von Auftrieb und Luftwiderstand ermöglicht.
Dadurch stellt die Erfindung für den Betrieb einer Windenergieanlage zusätzliche Betriebskonfigurationen mit verbesserter Energieausbeute bei gleichzeitig geringerer struktureller Belastung zur Verfügung.
Im Sinne der Erfindung wird unter der effektiven aerodynamischen Querschnittsfläche insbesondere die projizierte Querschnittsfläche verstanden, die der Flügel der das Rotorblatt bestimmungsgemäß umströmenden Luft entgegenstellt.
Erfindungsgemäß ist der Flügel zur Veränderung seiner effektiven aerodynamischen Querschnittsfläche um eine Drehachse, die insbesondere quer zu der Oberfläche des Rotorblattes ausgerichtet ist, drehbar und/oder um eine Schwenkachse, die insbesondere längs der Oberfläche des Rotorblattes ausgerichtet ist, schwenkbar ausgebildet, wobei die effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels in einer ersten Dreh- oder Schwenkposition größer ist als die effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels in einer zweiten Dreh- oder Schwenkposition.
Die erste Dreh- oder Schwenkposition ist insbesondere dadurch ausgezeichnet, dass der Flügel in dieser Position einen optimalen oder maximalen oder größtmöglichen Beitrag zum Auftrieb des Rotorblattes liefert, wohingegen die zweite Dreh- oder Schwenkposition insbesondere dadurch ausgezeichnet ist, dass der Flügel in dieser Position einen besonders geringen Beitrag zum Auftrieb des Rotorblattes leistet, der insbesondere null oder negativ sein kann. In diesem Zusammenhang wird unter dem Beitrag des Flügels zum Auftrieb des Rotorblattes insbesondere die Differenz von dem Auftrieb des Rotorblattes mit dem Flügel in der jeweiligen Dreh- oder Schwenkposition einerseits und dem Auftrieb eines vergleichbaren Rotorblattes ohne Flügel bei identischen Anströmbedingungen andererseits verstanden.
Der Flügel weist insbesondere eine Querrichtung auf, die dadurch ausgezeichnet ist, dass die Ausdehnung oder Abmessung des Flügels entlang der Querrichtung im Vergleich zu allen anderen Richtungen minimal ist. Die Orientierung des Flügels wird im Rahmen der Erfindung mittels einer Flügelhauptebene angegeben, die insbesondere dadurch ausgezeichnet ist, dass sie senkrecht zu der Querrichtung des Flügels ausgerichtet ist.
Ein Winkel zwischen der Anströmrichtung des Flügels und der Flügelhauptebene wird im Folgenden als Drehwinkel des Flügels bezeichnet. Ein Winkel zwischen der Flügelhauptebene und der Oberfläche des Rotorblattes wird im Folgenden als Schwenkwinkel des Flügels bezeichnet.
In der ersten Dreh- oder Schwenkposition ist die Hauptebene des Flügels vorzugsweise für eine möglichst große effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels quer zur Oberfläche des Rotorblattes angeordnet, beispielsweise mit einem Schwenkwinkel von etwa 90°.
Gleichzeitig ist die Hauptebene des Flügels in der ersten Dreh- oder Schwenkposition vorzugsweise schräg zur Anströmrichtung der das Rotorblatt umströmenden Luft ausgerichtet, wobei das Vorzeichen des Drehwinkels die Wirbelrichtung des erzeugten Vortexes beeinflusst.
Die zweite Dreh- oder Schwenkposition des Flügels, die insbesondere dadurch ausgezeichnet ist, dass der Flügel in der zweiten Dreh- oder Schwenkposition eine kleinere effektive aerodynamische Querschnittsfläche aufweist als in der ersten Dreh- oder Schwenkposition, weist insbesondere einen gegenüber der ersten Dreh- oder Schwenkposition kleineren Drehwinkel und/oder kleineren Schwenkwinkel auf.
Die effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels wird insbesondere dadurch verringert, dass der Flügel zur Oberfläche des Rotorblattes hin verschwenkt und/oder zur Anströmrichtung der das Rotorblatt umströmenden Luft hin gedreht wird.
Von der Erfindung umfasst sind ausdrücklich auch solche Ausführungsformen, bei denen der Flügel zwischen der ersten Dreh- oder Schwenkposition und der zweiten Dreh- oder Schwenkposition eine Bewegung ausführt, die einer Überlagerung einer Drehbewegung und einer Schwenkbewegung entspricht.
Erfindungsgemäß ist der Flügel derart am Rotorblatt angeordnet, dass aufgrund einer bestimmungsgemäßen Umströmung des Rotorblattes eine aerodynamische Kraft auf den Flügel einwirkt, die wenigstens eine Teilkomponente in Richtung einer Dreh- oder Schwenkbewegung des Flügels von der ersten Dreh- oder Schwenkposition in die zweite Dreh- oder Schwenkposition aufweist.
Erfindungsgemäß nimmt der Flügel in Abwesenheit der aerodynamischen Kraft die erste Dreh- oder Schwenkposition ein, was beispielsweise durch entsprechend ausbalancierte Lagerung des Flügels, geeignete Gegengewichte oder mittels einer Rückstellvorrichtung für den Flügel erreicht wird.
Dadurch wird insbesondere eine mechanische, passive Bauweise ermöglicht, bei der die wirkenden aerodynamischen Kräfte als Antrieb für die Bewegung des Flügels eingesetzt und durch vorgegebene Gegenkräfte kontrolliert wird. Diese Bauweise ist in der Herstellung einfach und kostengünstig sowie im Betrieb zuverlässig und wartungsarm.
Erfindungsgemäß verbleibt der in der ersten Dreh- oder Schwenkposition befindliche Flügel dort, bis eine bei bestimmungsgemäßer Umströmung des Rotorblattes auf den Flügel einwirkende aerodynamische Kraft größer ist als eine, insbesondere vorgebbare, erste Kraftschwelle. Hierfür umfasst das Rotorblatt beispielsweise eine geeignete Haltevorrichtung für den Flügel. Anstelle der Kraft kann auch ein entsprechendes Drehmoment vorliegen, das größer als ein Drehmomentgrenzwert ist, um den Flügel in eine zweite Dreh- oder Schwenkposition zu bringen.
Dadurch wird erreicht, dass der Flügel im Interesse einer optimalen Energieausbeute in der ersten Dreh- oder Schwenkposition verbleibt, so lange sich die strukturellen Belastungen des Rotorblattes oder der Windenergieanlage trotz des Beitrags des Flügels zu Auftrieb und Luftwiderstand des Rotorblattes in einem akzeptablen Bereich bewegen.
Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn der in der zweiten Dreh- oder Schwenkposition befindliche Flügel dort verbleibt, bis eine bei bestimmungsgemäßer Umströmung des Rotorblattes auf den Flügel einwirkende aerodynamische Kraft kleiner ist als eine, insbesondere vorgebbare, zweite Kraftschwelle.
Dadurch wird verhindert, dass der Flügel die zweite Dreh- oder Schwenkposition verlässt und dadurch gegebenenfalls die effektive aerodynamische Querschnittsfläche vergrößert wird, so lange die damit verbundene Änderung von Auftrieb und Luftwiderstand des Rotorblattes zu unerwünscht hohen aerodynamischen und/oder strukturellen Belastungen des Rotorblattes und/oder der Windenergieanlage führen kann.
Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Rotorblatt derart ausgebildet, dass bei einer ersten Umströmung des Rotorblattes, bei der die in der ersten Dreh- oder Schwenkposition auf den Flügel einwirkende aerodynamische Kraft größer ist als die erste Kraftschwelle, die in der zweiten Dreh- oder Schwenkposition auf den Flügel einwirkende aerodynamische Kraft größer ist als die zweite Kraftschwelle und dass bei einer zweiten Umströmung des Rotorblattes, bei der die in der zweiten Dreh- oder Schwenkposition auf den Flügel einwirkende aerodynamische Kraft kleiner ist als die zweite Kraftschwelle, die in der ersten Dreh- oder Schwenkposition auf den Flügel einwirkende aerodynamischen Kraft kleiner ist als die erste Kraftschwelle.
Dadurch wird erreicht, dass sich der Flügel stets entweder in der ersten Dreh- oder Schwenkposition oder in der zweiten Dreh- oder Schwenkposition befindet und somit Zustände mit unkontrollierbaren Auswirkungen auf die Aerodynamik des Flügels und/oder des Rotorblattes vermieden werden.
Vorteilhafterweise sind die erste Kraftschwelle und die zweite Kraftschwelle ferner derart aufeinander abgestimmt, dass es für die UmStrömung oder Windgeschwindigkeit einen Übergangsbereich gibt, in dem der Flügel in seiner Position verbleibt, unabhängig davon, ob er sich in der ersten Dreh- oder Schwenkposition oder in der zweiten Dreh- oder Schwenkposition befindet. Dadurch wird verhindert, dass der Flügel bei turbulenten Windbedingungen oder wechselnder Umströmung ständig von einer Dreh- oder Schwenkposition in die andere Dreh- oder Schwenkposition wechselt. Das Dreh- oder Schwenkverhalten ist vorzugsweise mit einer Hysterese versehen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Flügel zur Veränderung seiner effektiven aerodynamischen Querschnittsfläche wenigstens abschnittsweise verformbar ausgebildet ist, so dass sich der Flügel in Abhängigkeit einer bei bestimmungsgemäßer Umströmung des Rotorblattes auf den Flügel einwirkenden aerodynamischen Kraft verformt, wobei insbesondere die effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels in einem unverformten Zustand größer ist als die effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels in einem verformten Zustand.
Durch Verformung lassen sich vergleichbare Effekte erzielen wie mittels der beschriebenen Drehung und/oder Verschwenkung des Flügels. Insbesondere kann sich der Flügel bei geeigneter Ausgestaltung vergleichbar zu einer Drehung verwinden und/oder vergleichbar zu einem Verschwenken seitlich verbiegen.
Durch geeignete Materialauswahl und geeignete Anordnung flexibler und starrer Abschnitte wird eine große Bandbreite an Flügeln mit unterschiedlichen Verformungseigenschaften bereitgestellt, aus denen die für den Einzelfall optimierte Ausführungsform geeignet verwendet werden kann.
Außerdem erfolgt die Verformung insbesondere kontinuierlich in Abhängigkeit der einwirkenden Kraft, so dass sprunghafte Änderungen der effektiven aerodynamischen Querschnittsfläche des Flügels verhindert werden. Dadurch wird insbesondere verhindert, dass aufgrund plötzlicher Änderung des Auftriebs oder des Luftwiderstandes eines erfindungsgemäßen Rotorblattes kurzzeitige Spitzen in der strukturellen Belastung auftreten.
Des Weiteren sind flexible Flügel insbesondere widerstandsfähig gegen äußere mechanische Einwirkungen, wie sie beispielsweise bei Vereisung des Rotorblattes oder bei unsachgemäßer Handhabung bei Transport und Montage des Rotorblattes auftreten können. Dadurch wird die Lebensdauer der Flügel erhöht und die Wirtschaftlichkeit der Windenergieanlage verbessert.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage mit einem an einer Oberfläche des Rotorblattes angeordneten Flügel zur Beeinflussung einer Luftströmung an der Oberfläche des Rotorblattes, das ein Rotorblatt nach einer der bereits beschriebenen Ausführungen der Erfindung ist, wobei der Flügel einen Querschnitt aufweist, der einem aerodynamischen Profil, insbesondere einem asymmetrischen aerodynamischen Profil mit gerader Druckseite und gewölbter Saugseite, entspricht.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Flügels mit einem aerodynamischen Profil bewirkt eine Verringerung des Luftwiderstands des Flügels und somit auch einer Verringerung des Luftwiderstands des Rotorblattes und trägt somit ebenfalls zu einer Verringerung der strukturellen Belastung des Rotorblattes bei.
Gleichzeitig wird die Stärke eines durch den Flügel erzeugten Vortex oder Wirbel durch das aerodynamische Profil des Flügels und somit der Auftrieb des Rotorblattes erhöht, so dass ein vergleichbarer Energieertrag bei geringeren Anstellwinkeln des Rotorblattes und somit geringerer struktureller Belastung des Rotorblattes ermöglicht werden.
Des Weiteren bewirkt die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Flügels mit einem aerodynamischen Profil überraschenderweise eine Verbesserung bei weiteren Problemen im Stand der Technik.
Die Flügel oder Winglets bekannter Windenergieanlagen sind in der Regel mechanisch wenig belastbar, insbesondere weil sie im Interesse der aerodynamischen Eigenschaften wenigstens abschnittsweise relativ dünn ausgestaltet sind. Die Verstärkung dieser Schwachstellen durch mehr Material verschlechtert die aerodynamischen Eigenschaften und die damit angestrebten Leistungs- und Ertragssteigerungen, so dass üblicherweise ein erhöhter Wartungs- und Instandsetzungsaufwand für defekte oder in ihrer Funktion beeinträchtigte Flügel in Kauf genommen wird.
Im Vergleich zu diesem Stand der Technik wird durch die Erfindung die mechanische Stabilität des Flügels wesentlich verbessert, wobei gleichzeitig die erwünschten aerodynamischen Eigenschaften des Flügels erhalten oder verbessert werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 6, wobei erfindungsgemäß ein Vortexgenerator für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage für ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Rotorblatt, umfassend einen Flügel, vorgesehen ist, der bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Vortexgenerators an einer Oberfläche des Rotorblattes angeordnet ist oder wird, wobei der Vortexgenerator ausgebildet ist, eine effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels bezogen auf eine Anströmrichtung eines bestimmungsgemäß umströmten Rotorblattes mit dem bestimmungsgemäß verwendeten Vortexgenerator zu verändern oder änderbar vorzusehen.
Der Vortexgenerator ist insbesondere ausgebildet als Bestandteil oder Ersatzteil für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, insbesondere für ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Rotorblatt oder für ein Rotorblatt, das zusammen mit dem Vortexgenerator die beschriebenen erfindungsgemäßen Merkmale aufweist.
Der Vortexgenerator umfasst gemäß der Erfindung eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des Flügels an dem Rotorblatt, wobei die Befestigungsvorrichtung für eine Drehung des Flügels um eine Drehachse, die bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Befestigungsvorrichtung insbesondere quer zur Oberfläche des Rotorblattes ausgerichtet ist, und/oder für eine Verschwenkung des Flügels um eine Schwenkachse, die bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Vortexgenerators insbesondere längs zu der Oberfläche des Rotorblattes ausgerichtet ist, ausgebildet ist, wobei für den Flügel wenigstens eine erste Dreh- oder Schwenkposition und eine zweite Dreh- oder Schwenkposition vorgesehen sind.
Insbesondere ist die erste Dreh- oder Schwenkposition für eine vergleichsweise große effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels und die zweite Dreh- oder Schwenkbewegung für eine vergleichsweise kleine effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels ausgebildet, wobei sich die Begriffe vergleichsweise groß und vergleichsweise klein insbesondere auf einen Vergleich verschiedener Dreh- oder Schwenkpositionen desselben Flügels beziehen.
Erfindungsgemäß umfasst der Vortexgenerator eine erste Haltevorrichtung für den Flügel, die den in der ersten Dreh- oder Schwenkposition befindlichen Flügel dort hält, bis eine auf den Flügel in Richtung der zweiten Dreh- oder Schwenkposition einwirkende externe Kraft größer ist als eine vorgebbare erste Kraftschwelle.
Die externe Kraft ist insbesondere eine bei bestimmungsgemäßer Umströmung eines Rotorblattes mit dem bestimmungsgemäß verwendeten Vortexgenerator oder bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Vortexgenerators wirkende aerodynamische Kraft, insbesondere eine Komponente dieser aerodynamischen Kraft in Richtung der zweiten Dreh- oder Schwenkposition.
Vorteilhafterweise umfasst der Vortexgenerator eine zweite Haltevorrichtung für den Flügel, die den in der zweiten Dreh- oder Schwenkposition befindlichen Flügel dort hält, so lange eine auf den Flügel einwirkende externe Kraft aus Richtung der ersten Dreh- oder Schwenkposition kleiner ist als eine vorgebbare zweite Kraftschwelle.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Vortexgenerators umfassen sowohl eine erste als auch eine zweite Haltevorrichtung. Es kann auch eine Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, bei der die erste und die zweite Haltevorrichtung in einer einzigen Haltevorrichtung realisiert sind. Ferner ist auch eine Variante denkbar, in der nur eine zweite Haltevorrichtung realisiert ist.
Der Vortexgenerator umfasst bevorzugt eine Rückstellvorrichtung zur Rückstellung des Flügels in die erste Dreh- oder Schwenkposition. Dadurch wird erreicht, dass der Flügel in die erste Dreh- oder Schwenkposition zurückkehrt, sobald die auf den Flügel einwirkende externe Kraft und damit insbesondere die momentane Windbedingung dies zulässt.
Außerdem gewährleistet eine Rückstellvorrichtung bei geeigneter Ausgestaltung eine gleichmäßige Bewegung des Flügels zwischen erster Dreh- oder Schwenkposition und zweiter Dreh- oder Schwenkposition, wodurch chaotische, sprunghafte oder oszillierende Bewegungen des Flügels mit entsprechenden unerwünschten Änderungen in seinen aerodynamischen Eigenschaften gedämpft oder verhindert werden.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass die erste Haltevorrichtung und/oder die zweite Haltevorrichtung und/oder die Rückstellvorrichtung einen Magneten und/oder eine Feder und/oder ein System mit wenigstens zwei miteinander lösbar verbindbaren Verbindungselementen umfasst.
Insbesondere umfassen die erste Haltevorrichtung und/oder die zweite Haltevorrichtung und/oder die Rückstellvorrichtung Wirkmittel zum Beaufschlagen des Flügels mit einer Halte- bzw. Rückstellkraft. Dies können neben Wirkmitteln mit Fernwirkung, beispielswiese basierend auf elektrischen oder magnetischen Feldern und Kräften, auch Wirkmittel ohne Fernwirkung sein. Zu letzteren zählen insbesondere mechanische Lösungen, beispielsweise lösbare Befestigungssysteme mit formschlüssig oder kraftschlüssig ineinandergreifenden Befestigungselementen sowie lösbare Klebeverbindungen.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung umfasst der erfindungsgemäße Vortexgenerator eine Positionierungsvorrichtung mit einem Aktuator für den Flügel, die den Flügel in eine, insbesondere über Steuerbefehle vorgebbare, Dreh- oder Schwenkposition bringt und dort hält.
Bei einer zweiten Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Flügel des Vortexgenerators wenigstens abschnittsweise verformbar ausgebildet ist, so dass der bestimmungsgemäß am Rotorblatt angeordnete Flügel sich in Abhängigkeit einer auf den Flügel einwirkenden externen Kraft verformt.
Vorzugsweise verformt sich der Flügel grundsätzlich elastisch, wobei der Flügel nach Beendigung der Krafteinwirkung in seine Ursprungsform zurückkehrt.
Vorteilhafterweise ist der Flügel wenigstens abschnittsweise dazu ausgebildet, sich plastisch zu verformen, sobald eine auf den Flügel einwirkende externe Kraft eine vorgebbare Sicherheitskraftschwelle übersteigt.
Dadurch wird bei extremen Windbedingungen und entsprechend sehr hohen auf den Flügel einwirkenden externen Kräften zuerst der vergleichsweise einfach und kostengünstig zu ersetzende Vortexgenerator beeinträchtigt oder zerstört, bevor unter Umständen kritische oder überkritische Spitzenbelastungen an dem Rotorblatt oder der Windenergieanlage auftreten.
Eine derartige Sollbiegestelle hat gegenüber einer Sollbruchstelle insbesondere den Vorteil, dass zudem eine Verletzungsgefahr in der Umgebung der Windenergieanlage durch abgelöste Vortexgeneratoren oder Flügel vermieden wird.
Vorzugsweise ist die Veränderung der effektiven aerodynamischen Querschnittsfläche des Flügels mit einer Torsion des Rotorblattes gekoppelt. Beispielsweise kann hierzu vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Rotorblattes, an der ein Vortexgenerator angebracht ist bzw. die Befestigungsvorrichtung des Vortexgenerators bei entsprechender Torsion des Rotorblattes sich verformt, so dass aufgrund des Verformens eine Kraft auf den Flügel bzw. eine die Lage des Flügels verändernde Vorrichtung ausgeübt wird, so dass sich die Lage des Flügels bzw. die Position des Flügels ändert. Hierbei sind vorzugsweise wenigstens zwei metastabile Lagen des Flügels vorgesehen. Beispielsweise können eine eingeschnappte und eine ausgeschnappte Position vorgesehen sein.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem gelöst durch einen Vortexgenerator für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, insbesondere für ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Rotorblatt, umfassend einen Flügel, der bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Vortexgenerators an einer Oberfläche des Rotorblattes angeordnet ist oder wird, wobei der Flügel einen Querschnitt aufweist, der einem aerodynamischen Profil, insbesondere einem asymmetrischen aerodynamischen Profil mit gerader Druckseite und gewölbter Saugseite, entspricht.
Vorzugsweise weist der Vortexgenerator zusätzlich eines oder mehrere der bereits beschriebenen erfindungsgemäßen Merkmale auf.
Bevorzugterweise umfasst ein erfindungsgemäßes Rotorblatt einen erfindungsgemäßen Vortexgenerator, wobei insbesondere der Flügel des Rotorblattes bzw. der Flügel, der an dem Rotorblatt angeordnet ist, ein Flügel des Vortexgenerators ist.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
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 Abschnitt eines erfindungsgemäßen Rotorblattes mit Flügeln;
2 schematisch eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Vortexgenerator gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3a schematisch eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A aus 2;
3b schematisch eine vergrößerte Teilansicht der Schnittdarstellung aus 3a;
4 schematisch eine Schnittdarstellung entlang der Linie B- B aus 2;
5 schematisch eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Vortexgenerators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
6 schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Vortexgenerators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
7a schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Vortexgenerators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
7b schematisch eine perspektivische Darstellung des Flügels des erfindungsgemäßen Vortexgenerators aus 7a.

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 Abschnitt eines erfindungsgemäßen Rotorblattes 10 in einer perspektivischen Darstellung. Das Rotorblatt 10 weist einen Querschnitt mit einem aerodynamischen Profil 14 auf und hat eine Druckseite 15 sowie eine Saugseite 16.
Auf der Saugseite 16 des Rotorblattes 10 sind an der Rotorblattoberfläche 12 kleine Flügel 20 angeordnet. Die Flügel 20 haben eine dreieckige Grundform und sind bis zu 140 mm lang und 35 bis 70 mm hoch.
Das Rotorblatt 10 wird bestimmungsgemäß an der Rotorblattnase 17 angeströmt, wie durch den Pfeil 30 schematisch dargestellt ist. Dabei wird das Rotorblatt 10 von der Rotorblattnase 17 zur Rotorblatthinterkante 18 umströmt.
Wenn die Flügel 20 wie in 1 dargestellt quer zur Rotorblattoberfläche 12 und schräg zur Anströmrichtung 30 ausgerichtet sind, entsteht stromabwärts von jedem Flügel 20 ein Wirbel oder Vortex, wobei die Ausrichtung eines Flügels 20 zur Anströmrichtung 30 die Drehrichtung des jeweiligen Wirbels vorgibt. Die Ausrichtung der Flügel 20 ist vorzugsweise wie in 1 gezeigt alternierend, so dass benachbarte Wirbel gegenläufige Drehrichtungen aufweisen.
Die Stärke eines Wirbels ist abhängig von der effektiven aerodynamischen Querschnittsfläche des jeweiligen Flügels 20, die näherungsweise der projizierten Querschnittsfläche entspricht, die der Flügel 20 der anströmenden Luft entgegenstellt.
Die Flügel 20 des Rotorblattes 10 sind beispielsweise Bestandteil eines Vortexgenerators 40, 40', der an dem Rotorblatt 10 befestigt ist.
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung ist die effektive aerodynamische Querschnittsfläche veränderlich ausgebildet, um insbesondere die aerodynamische Wirkung des Flügels an unterschiedliche Windbedingungen, insbesondere unterschiedliche Windgeschwindigkeiten, anzupassen.
In 2 ist schematisch eine Draufsicht auf einen Vortexgenerator 40 gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt. Schematische Schnittdarstellungen des Vortexgenerators 40 aus 2 entlang der Linie A-A sind in 3a und 3b dargestellt, des Weiteren zeigt 4 eine schematische Schnittdarstellung des Vortexgenerators 40 aus 2 entlang der Linie B-B.
Der Vortexgenerator 40 umfasst eine Grundplatte 42 und beweglich an der Grundplatte 42 befestigte Flügel 20, wobei die Flügel 20 in einer ersten Flügelposition 22 in durchgängigen Linien und die Flügel 20 in einer zweiten Flügelposition 24 in gebrochenen Linien dargestellt sind. Bei bestimmungsgemäßer Verwendung ist der Vortexgenerator 40 an einem Rotorblatt 10 befestigt, wobei insbesondere die Oberseite der Grundplatte 42, d.h. die Seite der Grundplatte 42, an der die Flügel 20 angeordnet sind, Teil der Rotorblattoberfläche 12 ist oder wird.
In der ersten Flügelposition 22 sind die Flügel 20 quer zur Grundplatte 42 bzw. zur Rotorblattoberfläche 12 ausgerichtet und stehen insbesondere hochkant auf der Grundplatte 42. Dadurch haben die Flügel 20 in der ersten Position 22 eine vergleichsweise große effektive aerodynamische Querschnittsfläche und erzeugen entsprechend starke Wirbel.
In der zweiten Flügelposition 24 sind die Flügel 20 längs der Grundplatte 42 ausgerichtet und liegen insbesondere flach über der Grundplatte 42. Dadurch haben die Flügel 20 in der zweiten Position 24 eine vergleichsweise kleine effektive aerodynamische Querschnittsfläche, weil insbesondere die Projektion der Flügel 20 in Anströmrichtung 30 in der zweiten Position 24 sehr viel flacher ist als in der ersten Position 22.
In der Schnittdarstellung der 3a ist gezeigt, dass der Vortexgenerator 40 einen an der Grundplatte 42 befestigten oder als Bestandteil der Grundplatte 42 ausgebildeten Befestigungssockel 44 für einen Flügel 20 umfasst.
In einer vergleichbaren Ausführung dient ein Befestigungssockel 44 zur Befestigung eines erfindungsgemäßen Vortexgenerators an einem Rotorblatt 10, wobei dieser Vortexgenerator insbesondere keine Grundplatte 42 aufweist. In einer weiteren vergleichbaren Ausführungsform weist ein erfindungsgemäßes Rotorblatt 10 einen entsprechenden Befestigungssockel 44 für einen Flügel 20 auf.
In 3b ist eine vergrößerte Ansicht der Schnittdarstellung aus 3b mit weiteren Details gezeigt. Der Flügel 20 ist mittels eines Schwenklagers 46 mit dem Befestigungssockel 44 verbunden, wodurch ein Verschwenken des Flügels 20 von der ersten Position 22 in die zweite Flügelposition 24 und umgekehrt ermöglicht wird.
Am Schwenklager 46 ist eine nicht dargestellte Rückstellvorrichtung, die beispielsweise als Rückstellfeder ausgebildet ist, vorgesehen, die den Flügel 20 mit einer Rückstellkraft in Richtung der ersten Flügelposition 22 beaufschlagt. Die Rückstellkraft ist dabei vorzugsweise ausreichend groß vorgesehen zur Überwindung der auf den Flügel 20 wirkenden Massenkräfte. Dadurch nimmt der Flügel 20 in jeder Lage des Vortexgenerators 40 bzw. des entsprechenden Rotorblattes 10 die erste Flügelposition 22 ein, sofern keine weiteren Kräfte, insbesondere aerodynamischen Kräfte, auf den Flügel 20 einwirken.
Des Weiteren ist ein erster Magnet 48 vorgesehen, der den Flügel 20 in der ersten Flügelposition 22 mit einer Haltekraft beaufschlagt. Der erste Magnet 48 ist beispielsweise am Befestigungssockel 44 angeordnet, wobei der Flügel 20 in diesem Fall ein ferromagnetisches Material aufweist.
Der erste Magnet 48 ist beispielsweise ein Permanentmagnet, der insbesondere eine maximale Haltekraft zur Beaufschlagung des Flügels 20 in der ersten Flügelposition 22 bereitstellen kann. Wird diese maximale Haltekraft durch eine auf den Flügel 20 einwirkende externe Kraft, beispielsweise eine aerodynamische Kraft, überwunden, so kann der Magnet 48 den Flügel 20 nicht mehr in der ersten Flügelposition 22 halten und der Flügel schwenkt oder kippt in die zweite Flügelposition 24. Dadurch wird insbesondere eine erste Kraftschwelle für eine externe Kraft bereitgestellt, wobei der in der ersten Flügelposition 22 befindliche Flügel 20 so lange dort verbleibt, bis die externe Kraft die Kraftschwelle übersteigt.
Der Magnet 48 kann beispielsweise auch als Elektromagnet ausgebildet sein. In diesem Fall ist eine aktive Steuerung ermöglicht, wobei die Stärke des Magneten 48 und somit die Kraftschwelle beispielsweise anhand von Sensordaten oder Messwerten verändert wird. Hierbei betreffen die Sensordaten beispielsweise eine mechanische Belastung an dem Vortexgenerator 40 und/oder die herrschenden Wind- und Strömungsbedingungen. Die Sensordaten oder Messwerte betreffen bevorzugt eine Torsion des Rotorblattes, so dass in Abhängigkeit der Torsion des Rotorblattes eine Flügelposition vorgebbar ist.
Die erste Flügelposition 22 ist insbesondere darauf ausgerichtet, dass der Flügel 20 die anströmende Luft 30 bestimmungsgemäß verwirbelt. Dadurch wirken auf den Flügel 20 in der ersten Flügelposition 22 aerodynamische Kräfte, die insbesondere eine Kraftkomponente in Richtung der Bewegungsmöglichkeit des Flügels 20 hin zur zweiten Flügelposition 24 haben. Wenn diese Kraft oder Kraftkomponente die Haltekraft des Magneten 48 oder einer alternativen Haltevorrichtung überwindet, bewegt sich der Flügel 20 aus der ersten Flügelposition 22 hin zur zweiten Flügelposition 24. Dabei verringert sich die effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels 20, wodurch sowohl die Stärke des erzeugten Wirbels als auch die auf den Flügel wirkenden aerodynamischen Kräfte abnehmen.
Die Schwenkachse 47 des Flügels, die insbesondere durch die Orientierung des Schwenklagers 46 (siehe 3b) vorgegeben ist, ist vorzugsweise wie in 4 dargestellt leicht geneigt zur Grundplatte 42 bzw. zur Rotorblattoberfläche 12 ausgerichtet. Dadurch bekommt der Flügel 20 in der zweiten Flügelposition 24, in der die Stärke des Wirbels üblicherweise möglichst gering sein soll und entsprechend geringe aerodynamische Kräfte auf den Flügel 20 wirken, einen geringen negativen Anstellwinkel hin zur Anströmrichtung 30. Selbst bei laminarer Umströmung des Flügels 20, d.h. ganz ohne Wirbelbildung, wird so sichergestellt, dass eine Abtriebskraft auf den Flügel 20 einwirkt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Flügel 20 sich nach Verlassen der ersten Flügelposition 22 bis zur zweiten Flügelposition 24 bewegt. Außerdem wird verhindert, dass es zwischen der ersten Flügelposition 22 und der zweiten Flügelposition 24 unerwünschte labile oder metastabile Gleichgewichtspositionen für den Flügel 20 gibt.
Die Neigung der Schwenkachse 47 und der dadurch vorgegebene Anstellwinkel des Flügels 20 in der zweiten Flügelposition 24 bestimmen eine minimale Anströmgeschwindigkeit, oberhalb derer die Abtriebskraft eine gegebenenfalls den Flügel 20 beaufschlagende Rückstellkraft überwindet und der Flügel 20 somit in der zweiten Flügelposition 24 verbleibt. Hierdurch wird eine zweite Kraftschwelle für eine externe auf den Flügel 20 einwirkende Kraft, insbesondere eine aerodynamische Kraft wie die beschriebene Abtriebskraft, vorgegeben.
Um diese Kraftschwelle geeignet vorzugeben oder festzulegen, kann wie in 3b gezeigt des weiteren ein zweiter Magnet 48' zum Halten des Flügels 20 in der zweiten Flügelposition 24 vorgesehen sein. Hierdurch wird der Flügel 20 in der zweiten Flügelposition 24 mit einer weiteren Kraftkomponente beaufschlagt, die durch geeignete Vorgabe der Magnetfeldstärke einfach und exakt vorgegeben werden kann. Dadurch eröffnet sich für die Auslegung der jeweiligen Ausführungsform der Erfindung ein weiterer gestalterischer Freiheitsgrad, der beispielsweise zur Optimierung der Betriebssicherheit herangezogen werden kann. Beispielsweise kann die Neigung der Schwenkachse 27 für minimierten Luftwiderstand des Flügels 20 in der zweiten Flügelposition 24 ausgelegt werden, wobei der Magnet 48' zur Vorgabe der zweiten Kraftschwelle geeignet gewählt wird.
Im Rahmen der Erfindung sind auch andere Anordnungen der Magnete 48, 48' möglich, beispielsweise an dem Flügel 20 anstatt an dem Befestigungssockel.
Des Weiteren können im Rahmen der Erfindung die Magnete 48, 48' auch durch geeignete alternative Haltevorrichtungen mit Wirkmitteln zum Beaufschlagen des Flügels mit einer Haltekraft ersetzt werden. Dies können neben Wirkmitteln mit Fernwirkung, beispielsweise den beschriebenen Magneten 48, 48', auch Wirkmittel ohne Fernwirkung sein. Zu letzteren zählen beispielsweise lösbare Befestigungssysteme mit formschlüssig oder kraftschlüssig ineinandergreifenden Befestigungselementen sowie lösbare Klebeverbindungen.
5 zeigt schematisch die Seitenansicht eines Flügels 20 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Flügel 20 ist starr mit der Grundplatte 42 eines Vortexgenerators 40 verbunden, wobei auch alternative starre Befestigungen an einem Vortexgenerator 40 oder einem Rotorblatt 10 erfindungsgemäß sind.
Der Flügel 20 weist nahe der Befestigung einen flexiblen Bereich 26 auf. Dieser ist beispielsweise durch ein geeignetes Material oder eine geeignete Formgebung des Flügels 20 realisiert.
Wenn auf den Flügel eine externe Kraft quer zu seiner Fläche angreift, wie beispielsweise bei bestimmungsgemäßer Verwendung zur Erzeugung eines Wirbels, so wird der Flügel 20 in dem flexiblen Bereich 26 verformt, wobei Ausrichtung und Form des flexiblen Bereichs 26 vorgeben, wie groß und in welcher Weise der Flügel 20 bzw. der flexible Bereich 26 des Flügels 20 in Abhängigkeit der einwirkenden Kraft verformt wird. Insbesondere ergibt sich ein kontinuierliches Gleichgewicht zwischen der Größe und Art der Verformung einerseits und der Stärke der auf den Flügel 20 wirkenden Kraft.
Der in 5 dargestellte längliche flexible Bereich 26 bewirkt beispielsweise eine Kippbewegung des Flügels 20, die der Schwenkbewegung der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Erfindung entspricht. Dabei wird der flexible Bereich 26 mit zunehmendem Kippwinkel immer stärker verformt, wozu es entsprechend immer stärkerer externer Kräfte bedarf. Gleichzeitig reduziert sich durch die Kippbewegung bei der bestimmungsgemäßen Verwendung des Flügels zur Bildung von Wirbeln die effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels 20, so dass die auf den Flügel 20 einwirkenden aerodynamischen Kräfte mit zunehmendem Kippwinkel abnehmen. Auf diese Weise stellt sich stets eine Gleichgewichtslage des Flügels 20 mit einem von der Anströmgeschwindigkeit abhängigen Kippwinkel ein.
Durch geeignete Ausgestaltung von Form und Lage des flexiblen Bereichs 26 im Flügel 20 sowie der maßgeblich durch Form und Material bestimmten Flexibilität des flexiblen Bereichs ist das Verformungsverhalten des Flügels 20 vielfältig vorgebbar und für die jeweilige Ausführungsform der Erfindung im Einzelfall anpassbar und optimierbar. Variationen im Rahmen der Erfindung sind insbesondere Flügel 20, bei denen der flexible Bereich 26 im Wesentlichen dem gesamten Flügel 20 entspricht.
6 zeigt schematisch die Draufsicht eines Vortexgenerators 40' gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die ihrer Art nach der Darstellung in 2 entspricht.
Der Vortexgenerator 40' umfasst eine Grundplatte 42 und zwei quer zur Grundplatte ausgerichtete Flügel 20. Die Flügel 20 sind mittels jeweils eines Drehlagers 49, das insbesondere quer zur Grundplatte 42 ausgerichtet ist, drehbar gelagert. Das Drehlager 49 ist dabei jeweils vor dem aerodynamischen Schwerpunkt des Flügels 20 angeordnet, so dass sich bei der dargestellten Anströmrichtung 30 der Flügel 20 unter Einwirkung einer aerodynamischen Kraft in die sogenannte Fahnenstellung, in der der Flügel 20 insbesondere längs zu der Anströmrichtung 30 ausgerichtet ist, dreht.
Dabei ist vorteilhafterweise jeweils eine nicht dargestellte Rückstellvorrichtung für die Flügel 20 vorgesehen, die den Flügel 20 mit einer der aerodynamischen Kraft entgegenwirkenden Rückstellkraft beaufschlagt. Denkbar ist auch, die gegenläufig drehenden Flügel 20 paarweise mittels einer Rückstellvorrichtung, die beispielsweise eine Feder umfasst, zu koppeln.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung erfolgte die Bewegung eines Flügels 20 jeweils aufgrund einer extern auf den Flügel einwirkenden Kraft, insbesondere einer bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Flügels 20 auftretenden aerodynamischen Kraft. Von der Erfindung umfasst sind jedoch auch solche Ausführungsformen, die einen Aktuator zur Bewegung eines Flügels 20 umfassen. Hierdurch wird eine aktive Steuerung der aerodynamischen Eigenschaften des Flügels 20 und somit des Rotorblattes 10, an dessen Oberfläche 12 der Flügel 20 erfindungsgemäß angeordnet ist, ermöglicht.
Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung weisen die Flügel 20 eines erfindungsgemäßen Rotorblattes 10 bzw. eines erfindungsgemäßen Vortexgenerators 40, 40' eine Querschnittsfläche 28, 28' auf, der einem aerodynamischen Profil 50 entspricht. Ein Flügel 20 gemäß dieser Variante ist in 7a und 7b dargestellt, wobei 7a eine perspektivische Darstellung und 7b schematisch eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Flügels 20 zeigt.
Der Flügel weist an seiner Basis eine Basisfläche oder Querschnittsfläche 28 auf. Zur bestimmungsgemäßen Erzeugung eines Wirbels oder Vortexes wird der Flügel 20 derart ausgerichtet, dass die Basisfläche oder Querschnittsfläche 28 der Oberfläche 12 eines Rotorblattes 10 zugewandt ist und dass der Flügel 20 bei bestimmungsgemäßer Umströmung des Rotorblattes schräg aus der durch die als Pfeil dargestellte Anströmrichtung 30 angeströmt wird.
Die Querschnittsfläche 28 hat die Form eines aerodynamischen Profils 50 bzw. entspricht einem aerodynamischen Profil 50. Das aerodynamische Profil 50 ist insbesondere asymmetrisch mit einer geraden Druckseite 52 und einer konvex gewölbten oder gekrümmten Saugseite 54.
Zum Verdeutlichen der dreidimensionalen Form des Flügels 20 ist in den 7a und 7b zusätzlich die Querschnittsfläche 28' auf halber Höhe des Flügels 20 als gestrichelte Linie gezeigt. Die Querschnittsfläche 28' ist beispielsweise formähnlich zu der Querschnittsfläche 28, und weist dadurch insbesondere dasselbe aerodynamische Profil wie die Querschnittsfläche 28 auf. Von der Erfindung umfasst sind jedoch auch solche Ausführungen, bei denen das aerodynamische Profil der Querschnittsfläche 28, 28' des Flügels 20 mit der Flügelhöhe variiert.
Bezugszeichenliste

10: Rotorblatt
12: Rotorblattoberfläche
14: Rotorblattprofil
15: Druckseite
16: Saugseite
17: Rotorblattnase
18: Hinterkante
20: Flügel
22: erste Flügelposition
24: zweite Flügelposition
26: flexibler Abschnitt
28, 28': Querschnittsfläche
30: Anströmrichtung
40, 40': Vortexgenerator
42: Grundplatte
44: Befestigungssockel
46: Schwenklager
47: Schwenkachse
48, 48': Magnet
49: Drehlager
50: aerodynamisches Profil
52: Druckseite
54: Saugseite

Claims

Rotorblatt (10) für eine Windenergieanlage mit einem an einer Oberfläche (12) des Rotorblattes (10) angeordneten Flügel (20) zur Beeinflussung einer Luftströmung an der Oberfläche (12) des Rotorblattes (10), wobei der Flügel (20), bezogen auf eine Anströmrichtung des Flügels (20) bei bestimmungsgemäßer Umströmung (30) des Rotorblattes (10), eine veränderbare effektive aerodynamische Querschnittsfläche aufweist, wobei der Flügel (20) zur Veränderung seiner effektiven aerodynamischen Querschnittsfläche um eine Drehachse (49) drehbar und/oder um eine Schwenkachse (46, 47), , schwenkbar ausgebildet ist, wobei die effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels (20) in einer ersten Dreh- oder Schwenkposition (22) größer ist als die effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels in einer zweiten Dreh- oder Schwenkposition (24), wobei der Flügel (20) derart am Rotorblatt (10) angeordnet ist, dass aufgrund einer bestimmungsgemäßen Umströmung (30) des Rotorblattes (10) eine aerodynamische Kraft auf den Flügel (20) einwirkt, die wenigstens eine Teilkomponente in Richtung einer Dreh- oder Schwenkbewegung des Flügels (20) von der ersten Dreh- oder Schwenkposition (22) in die zweite Dreh- oder Schwenkposition (24) aufweist, wobei der Flügel (20) in Abwesenheit der aerodynamischen Kraft die erste Dreh- oder Schwenkposition (22) einnimmt, wobei der in der ersten Dreh- oder Schwenkposition (22) befindliche Flügel (20) dort verbleibt, bis eine bei bestimmungsgemäßer Umströmung (30) des Rotorblattes (10) auf den Flügel (20) einwirkende aerodynamische Kraft größer ist als eine erste Kraftschwelle.
Rotorblatt (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (49) quer zu der Oberfläche (12) des Rotorblattes (10) ausgerichtet ist, und/oder dass die Schwenkachse (46, 47) längs der Oberfläche (12) des Rotorblattes (10) ausgerichtet ist und/oder dass die erste Kraftschwelle eine vorgebbare Kraftschwelle ist und/oder dass der in der zweiten Dreh- oder Schwenkposition (24) befindliche Flügel (20) dort verbleibt, bis eine bei bestimmungsgemäßer Umströmung (30) des Rotorblattes (10) auf den Flügel (20) einwirkende aerodynamische Kraft kleiner ist als eine, insbesondere vorgebbare, zweite Kraftschwelle.
Rotorblatt (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Umströmung (30) des Rotorblattes (10), bei der die in der ersten Dreh- oder Schwenkposition (22) auf den Flügel (20) einwirkende aerodynamische Kraft größer ist als die erste Kraftschwelle, die in der zweiten Dreh- oder Schwenkposition (24) auf den Flügel (20) einwirkende aerodynamische Kraft größer ist als die zweite Kraftschwelle und dass bei einer Umströmung (30) des Rotorblattes (10), bei der die in der zweiten Dreh- oder Schwenkposition (24) auf den Flügel (20) einwirkende aerodynamische Kraft kleiner ist als die zweite Kraftschwelle, die in der ersten Dreh- oder Schwenkposition (22) auf den Flügel (20) einwirkende aerodynamische Kraft kleiner ist als die erste Kraftschwelle.
Rotorblatt (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (20) zur Veränderung seiner effektiven aerodynamischen Querschnittsfläche wenigstens abschnittsweise verformbar ausgebildet ist, so dass sich der Flügel (20) in Abhängigkeit einer bei bestimmungsgemäßer Umströmung (30) des Rotorblattes (10) auf den Flügel (20) einwirkenden aerodynamischen Kraft verformt, wobei insbesondere die effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels (20) in einem unverformten Zustand größer ist als die effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels (20) in einem verformten Zustand.
Rotorblatt (10) für eine Windenergieanlage mit einem an einer Oberfläche (12) des Rotorblattes (10) angeordneten Flügel (20) zur Beeinflussung einer Luftströmung an der Oberfläche (12) des Rotorblattes (10), insbesondere Rotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Flügel (20) einen Querschnitt (28, 28') aufweist, der einem aerodynamischen Profil (50), insbesondere einem asymmetrischen aerodynamischen Profil (50) mit gerader Druckseite (52) und gewölbter Saugseite (54), entspricht.
Vortexgenerator (40, 40') für ein Rotorblatt (10) einer Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend einen Flügel (20), der bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Vortexgenerators (40, 40') an einer Oberfläche (12) des Rotorblattes (10) angeordnet ist oder wird, wobei der Vortexgenerator (40, 40') ausgebildet ist, eine effektive aerodynamische Querschnittsfläche des Flügels (20) bezogen auf eine Anströmrichtung (30) eines bestimmungsgemäß umströmten Rotorblattes (10) mit dem bestimmungsgemäß verwendeten Vortexgenerator (40, 40') zu verändern, wobei der Vortexgenerator (40, 40') eine Befestigungsvorrichtung (42, 44) zur Befestigung des Flügels (20) an dem Rotorblatt (10) umfasst, wobei die Befestigungsvorrichtung (42, 44) für eine Drehung des Flügels (20) um eine Drehachse (49) bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Befestigungsvorrichtung (42, 44), und/oder für eine Verschwenkung des Flügels (20) um eine Schwenkachse (46, 47), ausgebildet ist, wobei für den Flügel (20) wenigstens eine erste Dreh- oder Schwenkposition (22) und eine zweite Dreh- oder Schwenkposition (24) vorgesehen sind, wobei der Vortexgenerator (40, 40') eine erste Haltevorrichtung (48) für den Flügel (20) umfasst, die den in der ersten Dreh- oder Schwenkposition (22) befindlichen Flügel (20) dort hält, bis eine auf den Flügel (20) in Richtung der zweiten Dreh- oder Schwenkposition (24) einwirkende externe Kraft größer ist als eine vorgebbare erste Kraftschwelle.
Vortexgenerator (40, 40') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (49) quer zur Oberfläche (12) des Rotorblattes (10) ausgerichtet ist und/oder dass die Schwellachse (46, 47) bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Vortexgenerators (40, 40') längs zu der Oberfläche (12) des Rotorblattes (10) ausgerichtet ist und/oder dass der Vortexgenerator (40, 40') eine zweite Haltevorrichtung (48') für den Flügel (20) umfasst, die den in der zweiten Dreh- oder Schwenkposition (24) befindlichen Flügel dort hält, so lange eine auf den Flügel (20) einwirkende externe Kraft aus Richtung der ersten Dreh- oder Schwenkposition (22) größer ist als eine vorgebbare zweite Kraftschwelle.
Vortexgenerator (40, 40') nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vortexgenerator (40, 40') eine Rückstellvorrichtung zur Rückstellung des Flügels (20) in die erste Dreh- oder Schwenkposition (22) umfasst.
Vortexgenerator (40, 40') nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Haltevorrichtung (48, 48') und/oder die zweite Haltevorrichtung (48, 48') und/oder die Rückstellvorrichtung einen Magneten (48, 48') und/oder eine Feder und/oder ein System mit wenigstens zwei miteinander lösbar verbindbaren Verbindungselementen umfasst.
Vortexgenerator (40, 40') nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vortexgenerator (40, 40') eine Positionierungsvorrichtung mit einem Aktuator für den Flügel (20) umfasst, die den Flügel (20) in eine, insbesondere über Steuerbefehle vorgebbare, Dreh- oder Schwenkposition (22, 24) bringt und dort hält.
Vortexgenerator (40, 40') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (20) wenigstens abschnittsweise verformbar ausgebildet ist, so dass der bestimmungsgemäß am Rotorblatt (10) angeordnete Flügel (20) sich in Abhängigkeit einer auf den Flügel einwirkenden externen Kraft verformt.
Vortexgenerator (40, 40') nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Flügel (20) elastisch verformt.
Vortexgenerator (40, 40') nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (20) wenigstens abschnittsweise dazu ausgebildet ist, sich plastisch zu verformen, sobald eine auf den Flügel (20) einwirkende externe Kraft eine vorgebbare Sicherheitskraftschwelle übersteigt.
Vortexgenerator (40, 40') nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der effektiven aerodynamischen Querschnittsfläche des Flügels (20) mit einer Torsion des Rotorblattes (10) gekoppelt ist.
Vortexgenerator (40, 40') nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei metastabile Lagen des Flügels (20) vorgesehen sind.
Vortexgenerator (40, 40') für ein Rotorblatt (10) einer Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 15, insbesondere für ein Rotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend einen Flügel (20), der bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Vortexgenerators (40, 40') an einer Oberfläche (12) des Rotorblattes (10) angeordnet ist oder wird, wobei der Flügel (20) einen Querschnitt (28, 28') aufweist, der einem aerodynamischen Profil (50), insbesondere einem asymmetrischen aerodynamischen Profil (50) mit gerader Druckseite (52) und gewölbter Saugseite (54), entspricht.