DE102013217426B3

DE102013217426B3 - Horizontal rotor turbine with reduced normalized passage speed

Info

Publication number: DE102013217426B3
Application number: DE102013217426.8A
Authority: DE
Inventors: Frank Biskup; Philipp Daus; Raphael Arlitt
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: ARLITT, RAPHAEL, DR., DE; BISKUP, FRANK, DE
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2014-09-04
Anticipated expiration: 2033-09-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Horizontalläuferturbine, die von einer Fluidströmung angetrieben wird, umfassend eine Nabe mit einer Drehachse, die eine Axialrichtung und hierzu senkrecht stehende Umfangs- und Radialrichtungen festlegt; ein Rotorblatt, das starr an der Nabe befestigt ist und dessen hydraulisch wirksamer Bereich durch einen ersten Blattbereich und einen zweiten Blattbereich gebildet wird, wobei der erste Blattbereich und der zweite Blattbereich starr miteinander verbunden sind; und der zweite Blattbereich sich über einen radialen Teilabschnitt des Rotorblatts erstreckt, der bezüglich der Radialrichtung in der äußeren Hälfte des Rotorblatts liegt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Blattbereich so ausgebildet, dass dieser für Schnelllaufzahlen im Bereich des 0,5–1,0 fachen der leistungsoptimalen Schnelllaufzahl, in geringerem Maß als der erste Blattbereich den Leistungsbeiwert des gesamten Rotorblatts prägt; und oberhalb einer Schnelllaufzahlschwelle λS, die größer als die leistungsoptimalen Schnelllaufzahl λopt und kleiner als die Durchgangsschnelllaufzahl λD ist, der zweite Blattbereich als ein in Umfangsrichtung das Rotorblatt bremsendes Element einen negativen Anteil zum Leistungsbeiwertverlauf liefert, der für die Durchgangsschnelllaufzahl einen positiven Anteil des ersten Blattbereichs zum Leistungsbeiwert aufhebt.The invention relates to a horizontal rotor turbine which is driven by a fluid flow, comprising a hub with an axis of rotation which defines an axial direction and circumferential and radial directions perpendicular thereto; a rotor blade which is rigidly attached to the hub and the hydraulically effective area of which is formed by a first blade area and a second blade area, the first blade area and the second blade area being rigidly connected to one another; and the second blade region extends over a radial section of the rotor blade which lies in the outer half of the rotor blade with respect to the radial direction. The invention is characterized in that the second blade area is designed in such a way that it shapes the performance coefficient of the entire rotor blade to a lesser extent than the first blade area for high-speed numbers in the range of 0.5-1.0 times the optimal high-speed speed; and above a high-speed number threshold λS, which is greater than the performance-optimal high-speed number λopt and smaller than the through-speed number λD, the second blade area as an element braking the rotor blade in the circumferential direction provides a negative proportion of the performance coefficient curve, which for the throughput high-speed number is a positive proportion of the first blade area for Power coefficient cancels.

Description

Die Erfindung betrifft eine Horizontalläuferturbine mit starr an einer Nabe befestigten Rotorblättern, die durch eine Meeresströmung, insbesondere eine Gezeitenströmung, oder ein fließendes Binnengewisser angetrieben wird und die eine verringerte normierte Durchgangsschnelllaufzahl aufweist, sowie ein Verfahren für deren Betrieb.The invention relates to a horizontal rotor turbine with rigidly mounted on a hub rotor blades, which is driven by a sea current, in particular a tidal current, or a flowing Binnen sicherer and having a reduced normalized passage speed number, and a method for their operation.

Gattungsgemäße Horizontalläuferturbinen zur Ausnutzung einer Gezeitenströmung mit starr an einer Nabe befestigten Rotorblättern sind beispielsweise aus DE 10 2007 061 185 A1 bekannt. Durch den Einsatz symmetrischer Rotorblattprofile ist ein Anlagenbetrieb in einer reversiblen Strömung, wie einer Gezeitenströmung, möglich. Werden für diesen Einsatzzweck unidirektionale Profile, die einen etwas höheren Wirkungsgrad als bidirektionale Profile aufweisen, verwendet, muss eine Anlagenachführung zur Anpassung an einen Strömungsrichtungswechsel möglich sein. Eine durch EP 2 327 873 A1 offenbarte, konstruktive Ausführung sieht zu diesem Zweck eine Drehung der Maschinengondel mit der Horizontalläuferturbine um die Anlagenhochachse vor. Alternativ kann ein Pitch-Verstellmechanismus für die Rotorblätter verwendet werden. Hierzu wird beispielhaft auf EP 1 183 463 A1 verwiesen. Ferner beschreibt JP 2013- 047 464 A die Anwendung gesteuerter Bremsklappen an den Rotorblattspitzen für eine tauchende Horizontalläuferturbine. Entsprechende Konstruktionen sind für Windkraftanlagen bekannt. Derartige aktive Nachführungen erhöhen den konstruktiven Aufwand und setzen zusätzliche Anlagensteuerungskomponenten voraus. Diese sind mit Energie zu versorgen und stellen ein erhöhtes Ausfallrisiko dar, sodass für freistehende Strömungskraftwerke an Meeresstandorten, die schwierig zugänglich sind, ein vereinfachtes Konzept, das mit passiven Komponenten arbeitet, vorteilhaft ist.Generic horizontal rotor turbines for utilizing a tidal current with rotor blades fixed rigidly to a hub are for example made DE 10 2007 061 185 A1 known. The use of symmetrical rotor blade profiles enables plant operation in a reversible flow, such as a tidal current. If unidirectional profiles, which have a slightly higher efficiency than bidirectional profiles, are used for this purpose, it must be possible to adapt the system to adapt to a flow direction change. One through EP 2 327 873 A1 revealed, constructive execution provides for this purpose, a rotation of the nacelle with the horizontal rotor turbine to the plant axis. Alternatively, a pitch adjustment mechanism for the rotor blades may be used. This is exemplified EP 1 183 463 A1 directed. Further describes JP 2013-047464 A the application of controlled air brakes on the rotor blade tips for a diving horizontal rotor turbine. Corresponding constructions are known for wind turbines. Such active tracking increases the design effort and require additional system control components. These are to be supplied with energy and represent an increased risk of failure, so that for freestanding power plants at sea locations that are difficult to access, a simplified concept that works with passive components, is advantageous.

Zur Verbesserung der Standzeit werden aus den voranstehend dargelegten Gründen gattungsgemäße Horizontalläuferturbinen mit starren Rotorblättern ausgestattet. Für eine solche Konstruktion kann durch eine direkte Triebverbindung zu einem elektrischen Generator die Anlagenführung ausschließlich durch eine Regelung des Generatorstützmoments erfolgen. Dabei wird die Turbine mit einer leistungsoptimalen Schnelllaufzahl bis zum Erreichen der Nennleistung betrieben. To improve the service life generic horizontal turbines are equipped with rigid rotor blades for the reasons set out above. For such a construction, the plant management can be carried out exclusively by a regulation of the generator support torque by a direct drive connection to an electric generator. The turbine is operated with a performance-optimized high-speed number until the nominal power is reached.

Bei einer höheren zur Verfügung stehenden Leistung in der antreibenden Strömung erfolgt eine Abregelung im Schnelllaufbereich, wobei die Anlage bis maximal zur Durchgangsschnelllaufzahl geführt werden kann. Dabei übersteigt die Durchgangsschnelllaufzahl typischerweise die leistungsoptimale Schnelllaufzahl deutlich, sodass die Horizontalläuferturbine sowie die zugeordneten Lagerungs- und Stützkomponenten für hohe Drehzahlen ausgelegt werden müssen. Diese werden nun in seltenen Fällen bei Überlast aufgrund extremer Wetterbedingungen oder einem Wegfall des Generatormoments bei einer Netzstörung erreicht. Dennoch müssen die nur selten erreichten Schnelllaufphasen für die Anlagenkonzeption berücksichtigt werden, da ein Umlauf bei der Durchgangsdrehzahl unter Umständen zu Kavitationseffekten oder Anlagenvibration führen kann. Darüber hinaus stellen hohe Drehzahlen eine Gefahr für die Fischpopulation dar und führen zu einer starken Geräuschentwicklung, die insbesondere für Meeressäuger nachteilig ist.Eine derartige Drehzahlbegrenzung von Unterwasser-Horizontalläuferturbinen geht beispielsweise aus der DE 10 2011 101 368 A1 und der DE 10 2011 107 286 A1 hervor. At a higher available power in the driving flow, a reduction in the high-speed range, the system can be performed up to a maximum throughput speed. In this case, the passage speed figure typically exceeds the performance-optimal speed coefficient significantly, so that the horizontal rotor turbine and the associated storage and support components must be designed for high speeds. These are now rarely reached in case of overload due to extreme weather conditions or the omission of the generator torque in the event of a power failure. Nevertheless, the rarely reached high-speed phases for the system design must be taken into account, since a circulation at the throughput speed can possibly lead to cavitation effects or system vibration. In addition, high speeds represent a threat to the fish population and lead to a strong noise, which is particularly detrimental to marine mammals. Such a speed limit of underwater horizontal rotor turbines is for example from the DE 10 2011 101 368 A1 and the DE 10 2011 107 286 A1 out.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für eine Horizontalläuferturbine mit passiven Komponenten die Durchgangsdrehzahl zu verringern, ohne eine wesentliche Veränderung der gewählten leistungsoptimalen Schnelllaufzahl, die der Anlagenauslegung zugrunde liegt, in Kauf zu nehmen. Es wird daher angestrebt, die mittels der leistungsoptimalen Schnelllaufzahl normierte Durchgangsschnelllaufzahl zu verringern und insbesondere einen Wert der normierten Durchgangsschnelllaufzahl kleiner 2,0, insbesondere kleiner 1,75 und besonders bevorzugt kleiner 1,5 zu erreichen. Ferner ist ein Betriebsverfahren für eine solche Horizontalläuferturbine mit verringerter normierter Durchgangsschnelllaufzahl anzugeben.The invention is therefore based on the object to reduce the passage speed for a horizontal rotor turbine with passive components, without taking a substantial change in the selected performance-optimal speed coefficient, which is the basis of the system design, in purchasing. It is therefore desirable to reduce the standardized by means of the performance-optimal speed index passage speed number and in particular to achieve a value of the normalized passage speed faster than 2.0, in particular less than 1.75 and more preferably less than 1.5. Furthermore, an operating method for such a horizontal rotor turbine with reduced normalized passage speed number is to be specified.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen. The object is solved by the features of the independent claims. The subclaims relate to advantageous embodiments.

Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Horizontalläuferturbine, die von einer Fluidströmung angetrieben wird. Diese umfasst wenigstens ein Rotorblatt, wobei bevorzugt drei oder mehr Rotorblätter verwendet werden. Die einzelnen Rotorblätter sind an einer Nabe drehstarr befestigt, wobei die Drehachse der Nabe eine Axialrichtung und hierzu senkrecht ausgerichtete Umfangs- und Radialrichtungen festlegt. The starting point of the invention is a horizontal rotor turbine, which is driven by a fluid flow. This comprises at least one rotor blade, wherein preferably three or more rotor blades are used. The individual rotor blades are fixed in a torsionally rigid manner on a hub, wherein the axis of rotation of the hub defines an axial direction and circumferential and radial directions oriented perpendicular thereto.

Für eine bevorzugte Ausgestaltung weisen die Rotorblätter wenigstens über Teilbereiche ein punktsymmetrisches oder doppeltsymmetrisches Profil auf, sodass eine bidirektionale Anströmbarkeit zur Ausnutzung einer Gezeitenströmung gegeben ist. Liegt eine unidirektionale Anströmung vor, beispielsweise für ein Flusswasserkraftwerk, können unidirektionale Profile mit einem etwas höheren Wirkungsgrad verwendet werden. For a preferred embodiment, the rotor blades have at least over partial areas a point-symmetrical or double-symmetrical profile, so that a bidirectional approachability for the utilization of a tidal current is given. If there is a unidirectional flow, for example, for a river hydropower plant, unidirectional profiles can be used with a slightly higher efficiency.

Zur Lösung der Aufgabe haben die Erfinder erkannt, dass ein schneller Abfall des Leistungsbeiwerts nach der leistungsoptimalen Schnelllaufzahl durch einen räumlich beschränkten Abschnitt des Rotorblatts erzielt werden kann, der im Folgenden als zweiter Blattbereich bezeichnet wird. Dabei wird der hydraulisch wirksame Bereich des Rotorblatts in einen ersten Blattbereich und den genannten zweiten Blattbereich aufgeteilt, die starr miteinander verbunden sind. To solve the problem, the inventors have recognized that a rapid drop in the power coefficient after the performance-optimal speed number can be achieved by a spatially limited portion of the rotor blade, which is referred to as the second blade area in the following. In this case, the hydraulically effective region of the rotor blade is divided into a first blade region and said second blade region, which are rigidly connected to each other.

Der erste Blattbereich prägt den Verlauf des Leistungsbeiwerts in Abhängigkeit der Schnelllaufzahl bis zum Leistungsoptimum. Für diesen Bereich soll der zweite Blattabschnitt möglichst wenig in Erscheinung treten. Daher wird der zweite Blattbereich so ausgebildet, dass dieser für Schnelllaufzahlen im Bereich bis 0,5-–1,0-fachen der leistungsoptimalen Schnelllaufzahl einen geringeren Anteil zum Leistungsbeiwert als der erste Blattbereich beiträgt. Bevorzugt wird für diesen Schnelllaufzahlbereich ein Anteil des zweiten Blattbereichs zum Leistungsbeiwertverlauf, der maximal weniger als 25 % des Anteils des ersten Blattbereichs erreicht. Dabei kann der zweite Blattbereich für Schnelllaufzahlen vom 0,5-–1,0-fachen der leistungsoptimalen Schnelllaufzahl sowohl leicht beschleunigend als auch leicht bremsend wirken, sodass die bevorzugte Wirkungsbegrenzung auf einen Anteil von maximal 25 % als Betrag definiert ist. The first sheet area characterizes the progression of the power coefficient as a function of the high-speed number up to the optimum performance. For this area, the second leaf section should appear as little as possible. Therefore, the second sheet area is formed to contribute a smaller proportion to the coefficient of performance than the first sheet area for high-speed numbers in the range of 0.5 to 1.0 times the high-performance high-speed number. For this high-speed number range, a proportion of the second sheet area to the performance coefficient profile that reaches at most less than 25% of the proportion of the first sheet area is preferred. In this case, the second sheet area for high-speed numbers of 0.5-1.0 times the performance-optimal speed number both slightly accelerating and slightly braking effect, so that the preferred effect limitation is defined to a maximum proportion of 25% as an amount.

Oberhalb einer vorbestimmten Schnelllaufzahlschwelle, die größer als die leistungsoptimale Schnelllaufzahl und kleiner als die Durchgangsschnelllaufzahl ist, tritt eine möglichst sprunghaft gewählte Veränderung der Wirkung des zweiten Blattbereichs ein. Oberhalb der Schnelllaufzahlschwelle wirkt der zweite Blattbereich als ein bremsendes Element und liefert somit einen negativen Anteil des Leistungsbeiwerts, der die Durchgangsschnelllaufzahl herabsetzt, indem ein noch bestehender positiver Anteil des ersten Blattbereichs zum Leistungsbeiwert aufgehoben wird. Dabei wird durch die Wirkung des zweiten Blattbereichs eine durch die leistungsoptimale Schnelllaufzahl normierte Durchgangsschnelllaufzahl erzielt, die unter 2,0 und bevorzugt unter 1,75 und besonders bevorzugt unter 1,5 liegt. Zusätzlich reduziert der zweite Blattbereich für Schnelllaufzahlen oberhalb der Schnelllaufzahlschwelle axiale Schublasten.Above a predetermined speed-speed threshold, which is greater than the power-optimal speed number and smaller than the passage speed number, a change in the effect of the second blade area selected as suddenly as possible occurs. Above the high-speed index threshold, the second blade area acts as a braking element and thus provides a negative portion of the power coefficient which reduces the pass speed by canceling any remaining positive portion of the first blade area for power coefficient. In this case, by the action of the second sheet area normalized by the performance-optimal speed coefficient pass speed is achieved, which is less than 2.0 and preferably less than 1.75 and more preferably less than 1.5. In addition, the second high speed count sheet area above the high speed count threshold reduces axial thrust loads.

Durch die Festlegung eines bestimmten Abschnitts des Rotorblatts, des zweiten Blattabschnitts, der für die Verringerung der Durchgangsschnelllaufzahl gewählt ist, besteht die Möglichkeit, ein bereits existierendes Blattdesign auf einfache Weise zu modifizieren. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht daher ein den ersten Blattbereich bildendes Design an dem der zweite Blattbereich drehstarr befestigt wird. Dabei kann der zweite Blattbereich eine Blattspitzenmodifikation darstellen, die an ein bereits existierendes Rotorblatt angefügt wird. Damit liegt der zweite Blattbereich am radial äußeren Ende des Rotorblatts und ist daher besonders wirksam aufgrund des großen Hebelarms und den großen Anströmungsgeschwindigkeiten. By defining a certain portion of the rotor blade, the second blade portion, which is selected for the reduction of the passage speed number, it is possible to easily modify an already existing blade design. According to a preferred embodiment, therefore, there is a design forming the first sheet area, to which the second sheet area is fastened in a torsionally rigid manner. In this case, the second blade region can represent a blade tip modification which is attached to an already existing rotor blade. Thus, the second blade portion is located at the radially outer end of the rotor blade and is therefore particularly effective due to the large lever arm and the large flow velocities.

Für eine alternative Ausgestaltung liegt der zweite Blattbereich bezüglich der Radialrichtung in der äußeren Hälfte des Rotorblatts und ist so in die restlichen Bereiche des Rotorblatts integriert, dass er vom ersten Blattbereich umschlossen wird. Eine solche Ausgestaltung hat den Vorteil, dass insbesondere bei dünnen Rotorblättern die strukturelle Belastbarkeit verbessert wird. Des Weiteren können für diese Ausgestaltung leistungssteigernde Blattspitzenmodifikationen in Form von Winglets anstatt der ab der Schnelllaufzahlschwelle bremsenden Blattspitzenmodifikationen verwendet werden.For an alternative embodiment, the second blade area lies with respect to the radial direction in the outer half of the rotor blade and is integrated in the remaining areas of the rotor blade such that it is enclosed by the first blade area. Such a configuration has the advantage that, in particular with thin rotor blades, the structural load capacity is improved. Furthermore, performance-enhancing blade tip modifications in the form of winglets may be used instead of the blade tip modifications that brake from the high-speed threshold for this embodiment.

Für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird der zweite Blattbereich durch ein geteiltes Profil mit wenigstens zwei Teilprofilen gebildet, das im Folgenden als Doppelflügel bezeichnet wird. Bevorzugt werden als erstes und zweites Teilprofil unidirektionale Profile verwendet. Zur Bildung einer bidirektional anströmbaren Anordnung liegen die Profilsehnen der beiden Teilprofile parallel zueinander und für die beiden Teilprofile werden identische Profile verwendet, die entgegengesetzt zueinander orientiert sind. Der Querabstand der beiden Teilprofile, das heißt der Abstand der beiden Teilprofile senkrecht zu den Profilsehnen, wird bevorzugt unter 20 % und besonders bevorzugt unter 10 % der Profillänge gewählt. Durch diese Maßnahme entsteht ein Durchströmungskanal zwischen den beiden Teilprofilen, der in Abhängigkeit des hydrodynamischen Anstellwinkels einen sich sprunghaft ändernden Gradienten des Durchströmungswiderstands aufweist. Diese Charakteristik ergibt sich dadurch, dass die beiden Teilprofile jeweils eine gerundet ausgeführte Profilnase an der Profilvorderkante und eine im Vergleich dazu spitzer zulaufende Profilhinterkante aufweisen. Dadurch resultiert eine Asymmetrie am Eintrittsbereich des Durchgangskanals zwischen den beiden Teilprofilhälften, je nachdem, ob die Strömung zunächst auf die gerundete Profilvorderkante oder auf die spitz zulaufende Profilhinterkante trifft. Im ersten Fall resultiert eine weitgehend laminare Einlassströmung, während eine Anströmung der spitz zulaufenden Profilhinterkante zu einer Strömungsablösung führt, die den Zutrittsbereich zum Durchgangskanal effektiv blockiert. Damit ändert sich der Gradient des Strömungswiderstands der Gesamtanordnung der beiden Teilprofile sprunghaft über einen kleinen Winkelbereich der Anströmung. Dieser Effekt kann dadurch verstärkt werden, dass sich die beiden Teilprofile nur partiell überlappen und bezüglich der gewählten Anströmungsrichtung, bei der der sprunghafte Wechsel des Anströmungswiderstandsgradienten einsetzen soll, die spitz zulaufende Profilhinterkante des zuerst angeströmten Teilprofils gegenüber der weiteren Teilprofile vorsteht. Bevorzugt wird eine partielle Überlappung von kleiner als 90 % und bevorzugt kleiner als 85 % bezogen auf die gewählte Sehnenlänge der Teilprofile. Besonders bevorzugt ist ein Überlappungsgrad im Bereich von 70–90 % bezogen auf die gewählte Sehnenlänge.For a preferred embodiment, the second blade portion is formed by a split profile with at least two sub-profiles, which is referred to below as a double wing. Preferably, unidirectional profiles are used as the first and second partial profile. In order to form a bidirectional structure that can be flowed against, the chords of the two sub-profiles are parallel to one another and identical profiles are used for the two sub-profiles, which are oriented opposite to one another. The transverse distance of the two sub-profiles, that is the distance between the two sub-profiles perpendicular to the chords, is preferably chosen to be less than 20% and more preferably less than 10% of the profile length. As a result of this measure, a throughflow channel is created between the two partial profiles which, depending on the hydrodynamic angle of attack, has a gradual change in the flow resistance. This characteristic results from the fact that the two sub-profiles each have a rounded executed profile nose on the profile leading edge and a tapered in comparison to profile trailing edge. This results in an asymmetry at the inlet region of the through-channel between the two partial profile halves, depending on whether the flow first meets the rounded profile leading edge or the tapering profile trailing edge. In the first case results in a largely laminar inlet flow, while a flow of the tapered profile trailing edge leads to a flow separation, which effectively blocks the access area to the passageway. Thus, the gradient of the flow resistance of the overall arrangement of the two sub-profiles changes abruptly over a small angular range of the flow. This effect can be enhanced by the fact that the two sub-profiles overlap only partially and with respect to the selected direction of inflow, in which the sudden change of Anströmungswiderstandsgradienten start to project, the tapered profile trailing edge of the first impinged sub-profile with respect to the other sub-profiles. Preferred is a partial overlap of less than 90% and preferably less than 85% based on the selected chord length of the sub-profiles. Particularly preferred is an overlap degree in the range of 70-90% based on the selected chord length.

Zur Erzielung des gewünschten Effekts im Hinblick auf die Leistungsbeiwert-Charakteristik des zweiten Blattbereichs in Form des voranstehend dargelegten bevorzugten Doppelflügelprofils erfolgt ein Einbau mit einem Einbauwinkel gegenüber der Rotationsebene, der hinreichend flach gewählt wird. Dabei wird ein Einbauwinkel bevorzugt, für den die Anströmung bei der gewählten Schnelllaufzahlschwelle im Wesentlichen parallel zu den Profilsehnen der Teilprofile verläuft. Damit trifft die Anströmung sowohl die Achse des Durchgangskanals zwischen den beiden Teilprofilen als auch die spitz zulaufende Profilhinterkante des ersten Teilprofils. Somit liegt ein hydrodynamischer Anstellwinkel von 0° vor. Eine weitere Zunahme der Umfangsgeschwindigkeit und damit der Schnelllaufzahl über die Schnelllaufzahlschwelle hinaus verringert bei einer gleichbleibenden Anströmung den Anströmungswinkel, sodass am Doppelflügel ein negativer hydrodynamischer Anstellwinkel resultiert. Da nun die Strömung in einen Winkel von außen auf die spitz zulaufende Kante des ersten Teilprofils trifft, entstehen bereits für kleine negative hydrodynamische Anstellwinkel eine deutliche Strömungsablösung und somit ein Totwasser auf der Rückseite der spitz zulaufenden Profilhinterkante des ersten Teilprofils. Damit wird der Strömungskanal zwischen den beiden Teilprofilen effektiv geblockt, was zu einer sprunghaften Änderung des Strömungswiderstands des Doppelflügels führt. To achieve the desired effect with regard to the performance coefficient characteristic of the second sheet area in the form of the preferred double-wing profile set out above, installation takes place with an installation angle with respect to the plane of rotation which is chosen to be sufficiently flat. In this case, a mounting angle is preferred, for which the flow at the selected speed index threshold is substantially parallel to the chords of the part profiles. Thus, the flow hits both the axis of the passageway between the two sub-profiles and the tapered profile trailing edge of the first sub-profile. Thus, there is a hydrodynamic angle of attack of 0 °. A further increase in the peripheral speed and thus the high-speed number beyond the high-speed threshold also reduces the flow angle with a constant flow, resulting in a negative hydrodynamic angle of attack on the double wing. Since now meets the flow at an angle from the outside on the tapered edge of the first part of the profile, even for small negative hydrodynamic angle of attack a significant flow separation and thus a dead water on the back of the tapered profile trailing edge of the first part profile. Thus, the flow channel between the two sub-profiles is effectively blocked, resulting in a sudden change in the flow resistance of the double wing.

Aufgrund des typischerweise flachen Einbauwinkels kann auch eine, bei einem negativen hydrodynamischen Anstellwinkel resultierende Auftriebswirkung aufgrund der nur kleinen vektoriellen Komponente in Umfangsrichtung den stark bremsenden Effekt aufgrund der sprunghaften Erhöhung des Widerstandsanteils der hydrodynamischen Wirkung des Doppelflügel nicht ausgleichen. Als Folge brechen bei hohen Schnelllaufzahlen die Leistungsbeiwerte des gesamten Flügels ein, da der Doppelflügel als zweiter Blattbereich den ersten Blattbereich ausbremst. Due to the typically flat installation angle, a buoyancy effect resulting from a negative hydrodynamic angle of attack due to the only small vectorial component in the circumferential direction can not compensate the strong braking effect due to the sudden increase in the resistance component of the hydrodynamic effect of the double wing. As a result, at high speeds, the performance factors of the entire wing break because the double wing as the second blade area brakes the first blade area.

Wird die Wirkung des Doppelflügels für kleinere Schnelllaufzahlen im Bereich von 0,5- bis 1-fachen der leistungsoptimalen Schnelllaufzahl betrachtet, folgt ausgehend von der voranstehenden Darlegung des gewählten Einbauwinkels bei größeren Anströmungswinkeln aufgrund der reduzierten Umfangsgeschwindigkeit ein positiver hydrodynamischer Anstellwinkel. Hierdurch trifft die Anströmung zunächst auf die gerundete Profilnase an der Vorderkante des zweiten Teilprofils, die weitgehend wirbelfrei umströmt werden kann. Hieraus folgt ein geringer Eintrittswiderstand zum Strömungskanal zwischen den beiden Teilprofilen. Der daraus resultierende Strömungswiderstand des Doppelflügels ist damit gering und kann durch den in Umfangsrichtung weisenden vektoriellen Anteil des Auftriebs kompensiert werden. Entsprechend resultiert für den Doppelflügel für langsame Schnelllaufzahlen im Bereich von 0,5–1 der leistungsoptimalen Schnelllaufzahl ein Anteil für den Leistungsbeiwert, der deutlich geringer ist als jener übrigen Rotorblattbereiche, das heißt den durch den ersten Blattbereich bewirkten Anteil.If the effect of the double blade is considered to be in the range of 0.5 to 1 times the performance-optimal high-speed number, a positive hydrodynamic angle of attack will follow from the above explanation of the selected installation angle for larger flow angles due to the reduced peripheral speed. As a result, the flow first meets the rounded profile nose on the front edge of the second part profile, which can be flowed around largely swirl-free. This results in a low entry resistance to the flow channel between the two sub-profiles. The resulting flow resistance of the double wing is thus small and can be compensated by the pointing in the circumferential direction vectorial component of the buoyancy. Accordingly results for the double wing for slow speed numbers in the range of 0.5-1 of the performance-optimal speed coefficient, a share for the power coefficient, which is significantly lower than the other rotor blade areas, that is, caused by the first sheet portion.

Für eine weitere, bidirektional anströmbare Ausführung des zweiten Blattbereichs mit einer in Abhängigkeit des hydrodynamischen Anströmungswinkels sprunghaften Änderung des Strömungswiderstands wird ein Doppelpfeil mit Umströmungskörpern an den Blattkanten verwendet. Die Umströmungskörper sind jeweils für eine Anströmungsrichtung stromlinienförmig gestaltet und bilden für eine Anströmung in die Gegenrichtung eine Prallfläche, die zu einem hohen Strömungswiderstand führt. Der Einbauwinkel an der Schnelllaufzahlschwelle wird so gewählt, dass der stromabseitige Umströmungskörper gerade noch innerhalb des durch den stromaufwärtigen Umströmungskörper gebildeten Strömungsschattens liegt. Flacht sich mit einer zunehmenden Schnelllaufzahl oberhalb der Schnelllaufzahlschwelle der Winkel der effektiven Anströmung ab, tritt der stromabseitige Umströmungskörper an der Profilhinterkante aus dem Strömungsschatten des Umströmungskörpers an der Profilvorderkante heraus und die Strömung verfängt sich an dessen rückseitiger Prallfläche. Dies führt zu einem sprunghaften Anstieg des Strömungswiderstandsgradienten. For a further embodiment of the second sheet area, which can be driven bidirectionally, with a sudden change in the flow resistance as a function of the hydrodynamic flow angle, a double arrow with flow bodies at the sheet edges is used. The Umströmungskörper are each designed streamlined for a direction of flow and form an impact surface in the opposite direction, which leads to a high flow resistance. The installation angle at the high-speed number threshold is selected so that the downstream Umströmungskörper is just within the flow shadow formed by the upstream Umströmungskörper. If the angle of the effective flow flattens out with an increasing speed number above the speed limit threshold, the downstream flow body at the trailing edge of the profile emerges from the flow shadow of the flow body at the leading edge of the profile and the flow catches on its rear impact surface. This leads to a sudden increase in the flow resistance gradient.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Horizontalläuferturbine mit verringerter normierter Durchgangsschnelllaufzahl sieht eine Leistungsabregelung im Schnelllaufbereich vor. Diese ist aufgrund des gewählten Turbinendesigns fehlerresistent, da ein plötzlicher Wegfall die Turbine nur bis zu einer reduzierten normierten Durchgangsschnelllaufzahl beschleunigen lässt, für die kein Risiko einer schädigenden Anlagenbelastung besteht. Das Hochlaufen bis zur Durchgangsschnelllaufzahl kann dabei routinemäßig ausgeführt werden, um regelmäßigen Bewuchs am Rotorblatt sowie an den weiteren umlaufenden Teilen der Anlage, wie der Nabenhaube, zu beseitigen. Dieser Reinigungseffekt wirkt auch in einem gefluteten Innenbereich der Maschinegondel, insbesondere für die an eine wassergeschmierte Lagerung angerenzenden Bereiche.The method according to the invention for operating the horizontal rotor turbine with reduced standardized through-speed speed provides for a power regulation in the high-speed range. This is error resistant due to the turbine design chosen, as a sudden omission will only accelerate the turbine to a reduced normalized pass speed number for which there is no risk of damaging plant load. Starting up to passage speed can be performed routinely to eliminate regular growth on the rotor blade and on the other rotating parts of the system, such as the hub cap. This cleaning effect also acts in a flooded interior area of the machine nacelle, especially for areas adjacent to a water-lubricated bearing.

Die nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Figurendarstellungen erläutert, die Folgendes zeigen: The preferred embodiments of the invention described below are explained with reference to figure representations, which show the following:

1 zeigt eine erfindungsgemäße Horizontalläuferturbine in perspektivischer Ansicht. 1 shows a horizontal rotor turbine according to the invention in a perspective view.

2 zeigt den Verlauf des Leistungsbeiwerts für die Horizontalläuferturbine aus 1. 2 shows the course of the power factor for the horizontal rotor turbine 1 ,

3 zeigt einen Profilschnitt für einen als Doppelflügel ausgeführten zweiten Blattbereich. 3 shows a profile section for a designed as a double wing second blade area.

4 zeigt die Anströmungsverhältnisse des Doppelflügelprofils gemäß 3 für Schnelllaufzahlen kleiner als die Schnelllaufzahlschwelle. 4 shows the flow conditions of the double-wing profile according to 3 for high speed numbers smaller than the high speed number threshold.

5 zeigt die Strömungsverhältnisse des Doppelflügels gemäß 3 für die Schnelllaufzahlschwelle. 5 shows the flow conditions of the double wing according to 3 for the high-speed number threshold.

6 zeigt die Strömungsverhältnisse für den Doppelflügel gemäß 3 für eine höhere Schnelllaufzahl als die Schnelllaufzahlschwelle. 6 shows the flow conditions for the double wing according to 3 for a higher speed number than the high speed number threshold.

7 zeigt die Anströmungsverhältnisse für einen als Doppelpfeil ausgebildeten zweiten Blattbereich für Schnelllaufzahlen kleiner als die Schnelllaufzahlschwelle. 7 shows the flow conditions for a trained as a double arrow second blade area for high-speed numbers smaller than the high-speed number threshold.

8 zeigt die Strömungsverhältnisse des Doppelpfeils gemäß 7 für die Schnelllaufzahlschwelle. 8th shows the flow conditions of the double arrow according to 7 for the high-speed number threshold.

9 zeigt die Strömungsverhältnisse für den Doppelpfeil gemäß 7 für eine höhere Schnelllaufzahl als die Schnelllaufzahlschwelle. 9 shows the flow conditions for the double arrow according to 7 for a higher speed number than the high speed number threshold.

1 zeigt schematisch vereinfacht eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Horizontalläuferturbine 1, die an einer im Einzelnen nicht dargestellten Lagerung innerhalb einer Maschinengondel 7 umläuft. An die Maschinengondel 7 schließt ein Turmadapter 8 an, der in Montagestellung eine drehstarre Verbindung zu einer Stützstruktur 9 bildet. 1 schematically shows a simplified embodiment of a horizontal rotor turbine according to the invention 1 , The at a not shown in detail storage within a nacelle 7 circulates. To the machine nacelle 7 closes a tower adapter 8th on, in the assembled position a torsionally rigid connection to a support structure 9 forms.

Die Horizontalläuferturbine 1 umfasst eine Nabe 4, der eine Drehachse 5 zugeordnet ist, die eine Axialrichtung festlegt. Hierzu senkrecht ist die Radialrichtung und die Umfangsrichtung der Horizontalläuferturbine 1 definiert. Des Weiteren legt die Nabe 4 eine Rotationsebene fest. The horizontal rotor turbine 1 includes a hub 4 that has a rotation axis 5 is assigned, which defines an axial direction. For this purpose is perpendicular to the radial direction and the circumferential direction of the horizontal rotor turbine 1 Are defined. Furthermore, the hub sets 4 a plane of rotation.

Für die dargestellte Ausgestaltung weist die Horizontalläuferturbine 1 drei Rotorblätter 3.1, 3.2, 3.3 auf. Jedes der Rotorblätter 3.1–3.3 ist in einen ersten Blattbereich 10.1–10.3 und einen zweiten Blattbereich 11.1–11.3 unterteilt. Dabei erstreckt sich der erste Blattbereich 10.1–10.2 von der Blattbefestigung an der Nabe bis zu einer ersten Endplatte 12, die die Funktion eines Winglets übernimmt. Der radial außerhalb liegende zweite Blattbereich 11.1–11.3 ist in Form eines im Folgenden noch genauer beschriebenen Doppelflügels ausgebildet und wird radial außen durch eine zweite Endplatte 13 abgeschlossen. Die zweite Endplatte 13 dient zur Verbesserung der Strukturfestigkeit des Doppelflügels und wird so klein wie möglich ausgebildet, um den durch den zweiten Blattbereich 11.1–11.3 bewirkten Bremseffekt für hohe Schnelllaufzahlen nicht zu verringern. Im Vergleich hierzu wird die erste Endplatte 12 als Teil des ersten Blattbereichs 10.1–10.3 zur Verbesserung der Rotorleistung verwendet. Für die dargestellte Ausführungsform reduzieren sowohl die erste Endplatte 12 als auch der zweite Blattbereich 11.1–11.3 radial gerichtete Strömungskomponenten an der Spitze des Rotorblatts 3.1–3.3 und damit Schleppwirbel in der Nachlaufströmung. Daraus resultiert der Vorteil, dass in einem Park mit mehreren Horizontalläuferturbinen 1 Einzelanlagen in einem geringeren Abstand aufgestellt werden können.For the embodiment shown, the horizontal rotor turbine 1 three rotor blades 3.1 . 3.2 . 03.03 on. Each of the rotor blades 3.1 - 03.03 is in a first sheet area 10.1 - 10.3 and a second sheet area 11.1 - 11.3 divided. In this case, the first leaf area extends 10.1 - 10.2 from the blade attachment on the hub to a first end plate 12 , which assumes the function of a winglet. The radially outside second blade area 11.1 - 11.3 is formed in the form of a double wing described in more detail below and is radially outward by a second end plate 13 completed. The second end plate 13 serves to improve the structural strength of the double blade and is made as small as possible, by the second sheet area 11.1 - 11.3 not to reduce the braking effect caused by high speed numbers. In comparison, the first end plate becomes 12 as part of the first leaf area 10.1 - 10.3 used to improve rotor performance. For the illustrated embodiment, both reduce the first end plate 12 as well as the second leaf area 11.1 - 11.3 radially directed flow components at the tip of the rotor blade 3.1 - 03.03 and thus drag vortex in the wake flow. This results in the advantage that in a park with several horizontal rotor turbines 1 Single systems can be installed at a lower distance.

2 zeigt anhand der Leistungsbeiwertkurve die Wirkung der beiden Blattbereiche. Dargestellt ist ein erster Leistungsbeiwertanteil 14, der durch den ersten Blattbereich 10.1–10.3 bewirkt wird. Dieser erste Leistungsbeiwertanteil 14 weist die charakteristisch weite Spreizung auf. Dabei liegt das Verhältnis der Schnelllaufzahl am Scheitel B und der Schnelllaufzahl beim Nulldurchgang A typischerweise über 2.0. Damit hätte der erste Blattbereich 10.1–10.3 für sich genommen eine hohe normierte Durchgangsschnelllaufzahl, die durch den zweiten Leistungsbeiwertanteil 15 des zweiten Blattbereichs 11.1–11.3 reduziert wird. 2 shows the effect of the two blade areas on the basis of the performance coefficient curve. Shown is a first Leistungsbeiwertanteil 14 passing through the first leaf area 10.1 - 10.3 is effected. This first performance coefficient share 14 has the characteristic wide spread. The ratio of the high-speed number at the vertex B and the high-speed number at the zero crossing A is typically above 2.0. This would have the first leaf area 10.1 - 10.3 taken by itself a high normalized passage speed number, by the second power coefficient proportion 15 of the second sheet area 11.1 - 11.3 is reduced.

Die Addition des ersten Leistungsbeiwertanteils 14 und des zweiten Leistungsbeiwertanteils 15 liefert den Leistungsbeiwert des gesamten Rotorblatts 16. Ersichtlich ist, dass das Leistungsoptimum D gegenüber dem Scheitel B zu einer etwas verringerten leistungsoptimalen Schnelllaufzahl λ_opt verschoben ist. Diese Verschiebung ergibt sich durch den schraffiert dargestellten Anteil des zweiten Leistungsbeiwertverlaufs 15, generiert durch den zweiten Blattbereich 11.1–11.3 im Intervall von 1,5-–1,0 der leistungsoptimalen Schnelllaufzahl λ_opt. Dieser ist deutlich geringer als der ersten Leistungsbeiwertanteil 14 in diesem Schnelllaufbereich, sodass der erste Blattbereich 10.1–10.3 den Leistungsbeiwert des gesamten Rotorblatts 16 im genannten Schnelllaufzahlbereich für den normalen Anlagenbetrieb prägt. Für das dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel beträgt der zweite Leistungsbeiwertanteil 15 im Bereich von 0,5-–1,0-fachen der leistungsoptimalen Schnelllaufzahl λ_opt weniger als 25 % des ersten Leistungsbeiwertanteils 14 in diesem Bereich. The addition of the first power coefficient 14 and the second coefficient of performance 15 provides the power coefficient of the entire rotor blade 16 , It can be seen that the power optimum D is shifted relative to the vertex B to a somewhat reduced power-optimal speed coefficient λ _opt . This shift results from the hatched portion of the second performance coefficient curve 15 generated by the second leaf area 11.1 - 11.3 in the interval of 1.5-1.0 of the power-optimized high speed number λ _opt . This is significantly lower than the first performance coefficient 14 in this high speed area, so the first sheet area 10.1 - 10.3 the power coefficient of the entire rotor blade 16 imprints in the said high-speed number range for normal plant operation. For the illustrated preferred embodiment, the second power coefficient share 15 in the range of 0.5-1.0 times the power-optimal speed coefficient λ _opt less than 25% of the first power coefficient component 14 in this area.

Dem zweiten Leistungsbeiwertanteil 15 ist eine Schnelllaufzahlschwelle λ_S zugeordnet, oberhalb der sich die Charakteristik des zweiten Leistungsbeiwertanteils 15 deutlich ändert. Für Schnelllaufzahlen oberhalb der Schnelllaufzahlschwelle λ_S wirkte der zweite Blattbereich 11.1–11.3 stark bremsend. Entsprechend ergeben sich negative Leistungsbeiwerte, wobei ein steiler Gradient des zweiten Leistungsbeiwertanteils 15 vorliegt, der bei Punkt C den positiven Wert des ersten Leistungsbeiwertanteils 14 aufhebt. Hieraus resultiert eine verringerte Durchgangsschnelllaufzahl λ_D, wobei die normierte Durchgangsschnelllaufzahl λ_D/λ_opt einen Wert unter 2,0 einnimmt. The second coefficient of performance 15 is assigned a high-speed number threshold λ _S , above which the characteristic of the second power coefficient proportion 15 changes significantly. For high speed numbers above the speed limit threshold λ _S acted the second leaf area 11.1 - 11.3 strong braking. Accordingly, negative power coefficients result, with a steep gradient of the second power coefficient component 15 present at point C, the positive value of the first power coefficient proportion 14 picks. This results in a reduced passage speed number λ _D , wherein the normalized passage speed ratio λ _D / λ _{opt takes} a value below 2.0.

Durch den zweiten Blattbereich 11.1–11.3 wird ein räumlich begrenzter Abschnitt des Rotorblatts 3.1–3.3 ausschließlich auf den Zweck abgestimmt, einen für den Schnelllaufbereich schneller abfallenden Leistungsbeiwert zu erzielen. Die restlichen Abschnitte des Rotorblatts, der erste Blattbereich 10.1–10.3, kann damit im Hinblick auf einen hohen Wirkungsgrad für den Arbeitsbereich um das Leistungsoptimum gewählt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, als ersten Blattbereich 10.1–10.3 ein bestehendes Blattdesign durch eine den zweiten Blattbereich 11.1–11.3 bildende Blattspitzemodifikation abzuwandeln. Bevorzugt wird hierzu der zweite Blattbereich 11.1–11.3 so ausgebildet, dass beim Scheitel B des ersten Leistungsbeiwertanteils 14 des ersten Blattbereichs 10.1–10.3 die Schnelllaufzahlschwelle λ_S für den zweiten Blattbereich 11.1–11.3 festgelegt wird. Through the second leaf area 11.1 - 11.3 becomes a spatially limited section of the rotor blade 3.1 - 03.03 exclusively for the purpose of achieving a faster performance coefficient for the high-speed range. The remaining sections of the rotor blade, the first leaf area 10.1 - 10.3 , Can thus be selected in terms of a high efficiency for the work area to the optimum performance. In addition, there is a possibility as a first sheet area 10.1 - 10.3 an existing leaf design through a second leaf area 11.1 - 11.3 modify leaf tip modification. For this purpose, the second sheet area is preferred 11.1 - 11.3 designed so that at the vertex B of the first power coefficient 14 of the first sheet area 10.1 - 10.3 the high-speed number threshold λ _S for the second sheet area 11.1 - 11.3 is determined.

3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für den zweiten Blattbereich 11.1–11.3 in Form eines Doppelflügels 17. Dargestellt ist ein zweidimensionaler Radialschnitt. Dieser zeigt ein erstes Teilprofil 18 und ein zweites Teilprofil 19, die jeweils als identische unidirektionale Profile ausgebildet und deren Profilsehnen 22.1, 22.2 parallel zueinander ausgerichtet sind. Jedes der beiden Teilprofile 18, 19 weist eine gerundete Profilvorderkante 21.1, 21.2 und eine spitz zulaufende Profilhinterkante 20.1, 20.2 auf, wobei die Teilprofile 18, 19 entgegengesetzt zueinander angeordnet sind, sodass ein punktsymmetrischer Doppelflügel 17 entsteht. Für eine im Einzelnen nicht dargestellte Weitergestaltung kann für einen unidirektional verwendeten Doppelflügel als zweiter Blattbereich eine nicht parallel verlaufende Ausrichtung der Profilsehnen 22.1, 22.2 gewählt werden, um eine Wirkungsverbesserung durch einen Diffusoreffekt zu erzielen. Entsprechend ist für eine solche Ausgestaltung die Symmetriebedingung aufgehoben. 3 shows a first embodiment for the second sheet area 11.1 - 11.3 in the form of a double wing 17 , Shown is a two-dimensional radial section. This shows a first partial profile 18 and a second subprofile 19 , each formed as identical unidirectional profiles and their chords 22.1 . 22.2 are aligned parallel to each other. Each of the two subprofiles 18 . 19 has a rounded profile leading edge 21.1 . 21.2 and a tapered profile trailing edge 20.1 . 20.2 on, with the subprofiles 18 . 19 are arranged opposite to each other, so that a point-symmetrical double wing 17 arises. For a further design, not shown in detail for a unidirectional double wing used as the second leaf area a non-parallel alignment of the chords 22.1 . 22.2 be selected to improve the effect of a diffuser effect. Accordingly, the symmetry condition is removed for such an embodiment.

Ferner weisen für das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel das erste Teilprofil 18 und das zweite Teilprofil 19 bezüglich des lotrechten Abstands der Profilsehnen 22.1, 22.2 einen Querabstand 24 auf, der zu einem Strömungskanal 23 zwischen dem ersten und zweiten Teilprofil 18, 19 führt. Zusätzlich springt die spitz zulaufende Profilhinterkante 21 des ersten Teilprofils 18 gegenüber der gerundeten Profilvorderkante 20.2 des zweiten Teilprofils 19 um einen Querversatz 25 zurück, der so gewählt ist, dass sich die beiden Teilprofile in Richtung der Profilsehnen 22.1, 22.2 partiell überlappen, wobei der Überlappungsgrad bevorzugt kleiner als 90 % und insbesondere kleiner als 85 % bezogen auf die gewählte Sehnenlänge der Teilprofile gewählt ist. Ferner ist ein Überlappungsgrad bevorzugt, der mindestens 50 % und bevorzugt mindestens 65 % der Sehnenlänge beträgt. Besonders bevorzugt ist ein Überlappungsgrad im Bereich von 70–90 % bezogen auf die gewählte Sehnenlänge. Für den Querabstand 24 wird ein Wert von bevorzugt weniger als 10 % der Profilsehnenlinie gewählt. Furthermore, for the in 3 embodiment shown, the first part profile 18 and the second subprofile 19 with respect to the vertical distance of the chords 22.1 . 22.2 a transverse distance 24 up, leading to a lazy river 23 between the first and second subprofile 18 . 19 leads. In addition, the pointed profile trailing edge jumps 21 of the first subprofile 18 opposite the rounded profile leading edge 20.2 of the second subprofile 19 about a transverse offset 25 back, which is chosen so that the two sub-profiles in the direction of the chords 22.1 . 22.2 partially overlap, wherein the degree of overlap is preferably selected less than 90% and in particular less than 85% based on the selected chord length of the sub-profiles. Further, an overlap degree which is at least 50% and preferably at least 65% of the chord length is preferred. Particularly preferred is an overlap degree in the range of 70-90% based on the selected chord length. For the transverse distance 24 a value of preferably less than 10% of the chord line is selected.

Der Doppelflügel 17 weist gegenüber der Rotationsebene 26 einen Einbauwinkel δ auf, der durch die Profilsehne 22.1 in Relation zur Rotationsebene 26 festgelegt wird. Dabei wird der Einbauwinkel δ zur Festlegung der Schnelllaufzahlschwelle λ_S gewählt, was nachfolgend anhand der 4–6 erläutert wird. The double wing 17 points opposite to the plane of rotation 26 an installation angle δ, through the chord 22.1 in relation to the plane of rotation 26 is determined. In this case, the installation angle δ is selected to determine the high-speed index threshold λ _S , which is described below with reference to FIG 4 - 6 is explained.

4 zeigt die Anströmungssituation des Doppelflügels 17 aus 3 für den Fall einer Schnelllaufzahl λ unterhalb der Schnelllaufzahlschwelle λ_S. Die sich aus der Vektoraddition der negativen Umfangsgeschwindigkeit u und der Anströmungsgeschwindigkeit v ergebende effektive Anströmung w₁ weist einen Anströmwinkel β₁ auf, der zu einem positiven hydrodynamischen Anstellwinkel α₁ führt. Die Anströmung an das Profil ist schematisch vereinfacht skizziert. 4 shows the flow situation of the double wing 17 out 3 in the case of a high speed number λ below the high speed number threshold λ _S. The effective flow w ₁ resulting from the vector addition of the negative peripheral speed u and the flow velocity v has an angle of incidence β ₁ which leads to a positive hydrodynamic angle of attack α ₁ . The flow to the profile is sketched schematically simplified.

Ersichtlich ist, dass eine laminare Umströmung der gerundeten Profilvorderkante 20.2 des zweiten Teilbereichs 19 durch eine ungehinderte Einströmung in den Strömungskanal 23 erfolgt. An der spitz zulaufenden Profilkante 21.1 des ersten Teilprofils 18 entsteht eine Strömungsablösung 27 in einem beschränkten Bereich, die den Strömungswiderstand F_D des Doppelflügels 17 nicht wesentlich erhöht. It can be seen that a laminar flow around the rounded profile leading edge 20.2 of the second subarea 19 by an unimpeded inflow into the flow channel 23 he follows. At the tapered profile edge 21.1 of the first subprofile 18 creates a flow separation 27 in a restricted area, the flow resistance F _{D of} the double wing 17 not significantly increased.

Wird zusätzlich der resultierende Auftrieb F_L des Doppelflügels 17 betrachtet, folgt eine resultierende hydrodynamische Kraft F_R, deren vektorielle Komponente in der Rotationsebene 26 begrenzt ist. Hieraus resultiert eine relativ kleine Kraft in Umfangsrichtung F_U und damit der gewünschte, kleine Beitrag zum Leistungsbeiwert für Schnelllaufzahlen kleiner als eine festgelegte Schnelllaufzahlschwelle λ_S auch bei einer weit radial außen liegenden Anordnung des Doppelflügels In addition, the resulting lift F _{L of} the double wing 17 Considering, a resulting hydrodynamic force F _R , follows its vectorial component in the plane of rotation 26 is limited. This results in a relatively small force in the circumferential direction F _U and thus the desired, small contribution to the power coefficient for high speed numbers smaller than a fixed speed limit threshold λ _S even with a far radially outer arrangement of the double leaf

5 zeigt die Anströmungssituation für eine Schnelllaufzahl, die der Schnelllaufzahlschwelle λ_S entspricht. In diesem Fall resultiert aufgrund einer Zunahme der Umfangsgeschwindigkeit auf einen Wert u₂ > u₁ ein Anströmungswinkel β₂ der effektiven Anströmung w₂, die parallel zur Profilsehne 22.1 des ersten Teilprofils 18 folgt. Damit folgt ein hydrodynamischer Anstellwinkel α₂ von 0°. Aufgrund der verbesserten Einströmung in den Strömungskanal 23 und die verbesserte Umströmung der spitz zulaufenden Profilhinterkante 21.1 des ersten Teilprofils 18 erfolgt ein kleiner Strömungswiderstand F_D. Zusätzlich resultiert aus der im Wesentlichen parallelen Anströmung nur ein kleiner Auftrieb F_L, sodass die resultierende hydrodynamische Kraft F_R betragsmäßig klein ist und in einem Winkel von nahezu 90° auf der Rotationsebene 26 steht. Als Folge verschwindet die Kraft in Umfangsrichtung, sodass der Doppelflügel 17 keinen Beitrag zum Leistungsbeiwert liefert. 5 shows the flow situation for a high-speed number, which corresponds to the high-speed number threshold λ _S. In this case, owing to an increase in the peripheral speed to a value u ₂ > u _1, an incident angle β _{2 of} the effective flow w ₂ , which is parallel to the chord, results 22.1 of the first subprofile 18 follows. This is followed by a hydrodynamic angle of attack α ₂ of 0 °. Due to the improved inflow into the flow channel 23 and the improved flow around the tapered profile trailing edge 21.1 of the first subprofile 18 a small flow resistance F _{D occurs} . In addition, only a small lift F _L results from the substantially parallel flow, so that the resulting hydrodynamic force F _{R is} small in magnitude and at an angle of almost 90 ° on the plane of rotation 26 stands. As a result, the force disappears in the circumferential direction, so that the double wing 17 does not contribute to the performance coefficient.

6 zeigt die Situation einer Schnelllaufzahl größer als die Schnelllaufzahlschwelle λ_S, die bei einer unveränderter Anströmung v eine weitere Zunahme der Umfangsgeschwindigkeit u₃ bedeutet, sodass für die effektive Anströmung w₃ ein Anströmungswinkel β₃ resultiert, der gegenüber β₂ verringert ist. Als Folge entsteht ein negativer hydrodynamischer Anstellwinkel α₃. Dies führt dazu, dass für die Anströmung an der spitz zulaufenden Profilhinterkante 21.1 des ersten Profilteils 18 eine Strömungsablösung 28 auftritt, die zu einem ausgedehnten Totwassergebiet 29 führt, das den Zutritt zum Strömungskanal 23 verblockt. Als Folge resultiert eine Umlenkung der auf der spitz zulaufenden Profilhinterkante 21.1 auftreffenden Strömung um die gerundete Profilvorderkante 20.2 des zweiten Profilteils. Damit ist die Wirkung des Doppelflügels 17 für die in 6 gezeigten Anströmungen durch die Einhüllende des Doppelflügels 17 charakterisiert. Dies führt zu einer sprunghaften Zunahme des Gradienten des Strömungswiderstands F_D. 6 shows the situation of a tip speed greater than the speed ratio threshold λ _S, which means at a unchanged inflow v a further increase in the peripheral speed u _3, so that for the effective incident flow w _3, an inflow angle β ₃ results, which is compared with β ₂ is reduced. As a consequence, a negative hydrodynamic angle of attack α ₃ arises. This results in that for the flow to the tapered profile trailing edge 21.1 of the first profile part 18 a flow separation 28 which leads to an extensive dead water area 29 that leads to the flow channel 23 splinted. As a result, a deflection results on the tapered profile trailing edge 21.1 impinging flow around the rounded profile leading edge 20.2 of the second profile part. This is the effect of the double wing 17 for the in 6 shown flows through the envelope of the double wing 17 characterized. This leads to a sudden increase in the gradient of the flow resistance F _D.

Wird die Projektion der resultierenden hydrodynamischen Kraft F_R auf die Rotationsebene betrachtet, folgt eine Kraft in Umfangsrichtung F_U, die einer bremsenden Wirkung entspricht. Aufgrund der bevorzugten Anordnung des Doppelflügels in der radial äußeren Hälfte des Rotorblatts resultiert somit der gewünschte negative und damit bremsende Beitrag zum Leistungsbeiwert oberhalb der Schnelllaufzahlschwelle. Dabei ist der Effekt des sprunghaft zunehmenden Gradienten des Strömungswiderstands F_D aufgrund des flach gewählten Einbauwinkels δ wesentlich verantwortlich für die gewünschte Bremswirkung. Zusätzlich resultiert ein Auftrieb F_L, der den auf das gesamte Rotorblatt 3.1–3.3 wirkenden Axialschub reduziert.If the projection of the resulting hydrodynamic force F _R on the plane of rotation is considered, a force follows in the circumferential direction F _U , which corresponds to a braking effect. Due to the preferred arrangement of the double wing in the radially outer half of the rotor blade thus results in the desired negative and thus braking contribution to the power coefficient above the speed limit threshold. The effect of the abruptly increasing gradient of the flow resistance F _D due to the flat selected installation angle δ is substantially responsible for the desired braking effect. In addition, a buoyancy F _L results, which affects the entire rotor blade 3.1 - 03.03 acting axial thrust reduced.

Des Weiteren ist aus dem in 5 dargestellten Profilschnitt, der die Situation bei der Schnelllaufzahlschwelle charakterisiert, ersichtlich, dass bei einer radialen Ausdehnung des Doppelflügels 17 eine Verwindung vorliegen muss, sodass über den Verlauf in Radialrichtung ein Einbauwinkel gewählt wird, der einen hydrodynamischen Anstellwinkel α₂ = 0° sicherstellt. Furthermore, from the in 5 shown profile section, which characterizes the situation in the high-speed number threshold, it can be seen that with a radial expansion of the double wing 17 a twist must be present so that over the course in the radial direction, an installation angle is selected, which ensures a hydrodynamic angle of attack α ₂ = 0 °.

7 zeigt eine zweite bevorzugte Ausgestaltung eines bidirektional wirkenden zweiten Blattbereichs 11.1–11.3, die im Folgenden als Doppelpfeil 30 bezeichnet wird. Dieser umfasst einen Steg 31, bei dem sich stirnseitig ein erster Umströmungskörper 32 und ein zweiter Umströmungskörper 33 anschließen. Die Umströmungskörper 32 und 33 weisen ein Profil auf der Außenseite auf, das zu einem kleinen Strömungswiderstand führt. Für die gezeigte Ausgestaltung ist ein gerundetes Profil gewählt. Auf der Innenseite, die zum Steg 31 hinweist, liegt eine Hinterschneidung vor, sodass im Bereich des Stegs 31 freie Bereiche vorliegen. Der in den 7–9 dargestellte Doppelpfeil 30 stellt ein zweidimensionales Profil dar. Für einen radial ausgedehnten zweiten Blattbereich 11.1–11.3 muss der gewählte Einbauwinkel gegen die Rotationsebene 26 und damit der Steg 31 in die Radialrichtung eine Verwindung aufweisen. 7 shows a second preferred embodiment of a bidirectionally acting second sheet area 11.1 - 11.3 , hereinafter referred to as a double arrow 30 referred to as. This includes a jetty 31 in which a first Umströmungskörper frontally 32 and a second bypass body 33 connect. The flow body 32 and 33 have a profile on the outside, which leads to a small flow resistance. For the embodiment shown, a rounded profile is selected. On the inside, the jetty 31 indicates there is an undercut so that in the area of the bridge 31 there are free areas. The in the 7 - 9 illustrated double arrow 30 represents a two-dimensional profile. For a radially expanded second leaf area 11.1 - 11.3 the chosen installation angle must be against the plane of rotation 26 and thus the footbridge 31 have a twist in the radial direction.

Für die in 7 gezeigte Anströmungssituation mit einer Schnelllaufzahl kleiner als die Schnelllaufzahlschwelle λ_S ist der Einbauwinkel des Doppelpfeils gegenüber der Rotationsebene 26 so gewählt, dass die effektive Anströmung w₁ im Wesentlichen parallel zur Achse 37 des Stegs 31 ausgerichtet ist. Als Folge der Anströmung am ersten Umströmungskörper 32 entsteht ein ausgedehntes Totwasser 34 im Nachlauf, wobei sich der zweite Umströmungskörper 33 an der stromabwärtigen Seite vollständig im Totwasser 34 befindet. For the in 7 shown incident flow with a high speed number smaller than the high-speed number threshold λ _S is the installation angle of the double arrow relative to the plane of rotation 26 chosen so that the effective flow w ₁ is substantially parallel to the axis 37 of the footbridge 31 is aligned. As a result of the flow on the first Umströmungskörper 32 creates a long dead water 34 in the wake, with the second Umströmungskörper 33 on the downstream side completely in the dead water 34 located.

Bei einer flacheren effektiven Anströmung β₂ für die in der 8 dargestellte Situation bei der Schnelllaufzahlschwelle λ_S liegt der abstromseitige zweite Umströmungskörper 33 an der Grenze des Totwasserbereichs 34, ist jedoch noch vollständig in diesen aufgenommen. Wird die Schnelllaufzahl weiter über die Schnelllaufzahlschwelle λ_D hinaus erhöht, ergibt sich die in 9 gezeigte Situation. Der abstromseitig angeordnete Umströmungskörper 35 tritt aus dem durch den ersten Umströmungskörper 32 gebildeten Totwasser 34 hinaus. Es bildet sich in der Hinterschneidung des zweiten Umströmungskörpers 33 eine zusätzliche Verwirbelung 36, die zu einem erweiterten Totwasser 35 führt. Damit steigt der Strömungswiderstand des Doppelpfeils 30 sprunghaft, sodass die in 2 skizzierte Bremswirkung im Schnelllaufzahlbereich resultiert. For a flatter effective flow β ₂ for in the 8th shown situation at the high-speed number threshold λ _S is the downstream side second Umströmungskörper 33 at the border of the dead water area 34 but is still fully included in this. If the high-speed number continues to increase beyond the high-speed index threshold λ _D , the result in 9 shown situation. The downstream arranged Umströmungskörper 35 emerges from the through the first Umströmungskörper 32 formed dead water 34 out. It forms in the undercut of the second Umströmungskörpers 33 an additional turbulence 36 leading to an extended dead water 35 leads. This increases the flow resistance of the double arrow 30 leaps and bounds, so that in 2 sketched braking effect in the high-speed number range results.

Weitere Profilgestaltungen sind zur Reduzierung des zweiten Blattbereichs 11.1–11.3 zur Realisierung der gewünschten Bremswirkung denkbar. Dabei kann eine Mischkonfiguration der beiden voranstehend beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen als ein Doppelflügel und Doppelpfeil gebildet werden, indem ein Strömungskanal vorgesehen wird und Profile verwendet werden, die durch Vor- und Rücksprünge ausgedehnte Totwasserbereiche erzeugen. Ferner ist es denkbar, in axialer Richtung die gewünschte Bremscharakteristik erzeugende Struktur zu stapeln, um einen zweiten Blattbereich 11.1–11.3 in radialer Richtung möglichst kurzbauend ausbilden zu können. Des Weiteren kann die Wirkung des zweiten Blattbereichs 11.1–11.3 für alternative Ausgestaltungen zusätzlich durch eine sprunghafte Gradientenänderung des in die Umfangsrichtung gerichteten vektoriellen Anteils des Auftriebs F_L bewirkt werden. Weitere Ausgestaltungen im Rahmen der nachfolgenden Schutzansprüche sind möglich. Further profile designs are for reducing the second sheet area 11.1 - 11.3 conceivable for the realization of the desired braking effect. In this case, a mixed configuration of the two preferred embodiments described above can be formed as a double-wing and double-headed arrow by providing a flow channel and using profiles which generate extended zones of dead water through projections and recesses. Furthermore, it is conceivable to stack the desired braking characteristic generating structure in the axial direction, around a second blade area 11.1 - 11.3 be able to form as short as possible in the radial direction. Furthermore, the effect of the second leaf area 11.1 - 11.3 additionally be effected in alternative embodiments by an abrupt change in gradient of the directed in the circumferential direction of the vectorial component of the lift _L F. Further embodiments within the scope of the following claims are possible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Horizontalläuferturbine Horizontal rotor turbine
22: Fluidströmung fluid flow
3.1–3.33.1-3.3: Rotorblatt rotor blade
44: Nabe hub
55: Drehachse axis of rotation
66: Haube Hood
77: Maschinengondel nacelle
88th: Turmadapter tower adapter
99: Stützstruktur support structure
10.1–10.310.1-10.3: erster Blattbereich first leaf area
11.1–11.311.1-11.3: zweiter Blattbereich second leaf area
1212: erste Endplatte first end plate
1313: zweite Endplatte second end plate
1414: erster Leistungsbeiwertanteil first coefficient of performance
1515: zweiter Leistungsbeiwertanteil second coefficient of performance
1616: Leistungsbeiwert des gesamten Rotorblatts Performance coefficient of the entire rotor blade
1717: Doppelflügel double wing
1818: erstes Teilprofil first subprofile
1919: zweites Teilprofil second partial profile
20.1, 20.220.1, 20.2: gerundet zulaufende Profilhinterkante rounded tapered profile trailing edge
21.1, 21.221.1, 21.2: spitz zulaufend Profilhinterkante tapering profile trailing edge
22.1, 22.222.1, 22.2: Profilsehne chord
2323: Strömungskanal flow channel
2424: Querabstand transverse distance
2525: Versatz offset
2626: Rotationsebene plane of rotation
27, 2827, 28: Wirbelablösung vortex shedding
2929: Totwasser Totwasser
3030: Doppelpfeil double arrow
3131: Steg web
3232: erster Umströmungskörper first flow body
3333: zweiter Umströmungskörper second flow body
3434: Totwasser Totwasser
3535: erweiterter Totwasserbereich extended dead water area
3636: zusätzliche Verwirbelung additional turbulence
α₁, α₂, α₃ α ₁ , α ₂ , α ₃: hydrodynamischer Anstellwinkel hydrodynamic angle of attack
β₁, β₂, β₃ β ₁ , β ₂ , β ₃: Anströmungswinkel angle of attack
δδ: Einbauwinkel installation angle
F_D F _D: Strömungswiderstand flow resistance
F_L F _L: Auftrieb boost
F_R F _R: resultierende hydrodynamische Kraft resulting hydrodynamic force
F_U F _U: Kraft in Umfangsrichtung Force in the circumferential direction
λ_opt λ _opt: leistungsoptimale Schnelllaufzahl performance-optimized high-speed number
λ_S λ _S: Schnelllaufzahlschwelle Tip speed ratio threshold
λ_D λ _D: Durchgangsschnelllaufzahl Through speed ratio
AA: Nulldurchgang Zero-crossing
BB: Scheitel vertex
CC: Durchgangsschnelllaufzahl Through speed ratio
DD: Leistungsoptimum optimum performance
vv: Anströmungsgeschwindigkeit inflow velocity
u₁, u₂, u₃ u ₁ , u ₂ , u ₃: Umfangsgeschwindigkeit circumferential speed
w₁, w₂, w₃ w ₁ , w ₂ , w ₃: effektive Anströmung effective flow

Claims

Horizontal rotor turbine, which is characterized by a fluid flow ( 2 ), comprising a hub ( 4 ) with a rotation axis ( 5 ) defining an axial direction and peripheral and radial directions perpendicular thereto; a rotor blade ( 3.1 - 03.03 ), which is rigid at the hub ( 4 ) and its hydraulically effective area by a first leaf area ( 10.1 - 10.3 ) and a second sheet area ( 11.1 - 11.3 ), the first leaf area ( 10.1 - 10.3 ) and the second leaf area ( 11.1 - 11.3 ) are rigidly connected to each other; and the second leaf area ( 11.1 - 11.3 ) over a radial section of the rotor blade ( 3.1 - 03.03 ), which with respect to the radial direction in the outer half of the rotor blade ( 3.1 - 03.03 ) lies; characterized in that the second leaf area ( 11.1 - 11.3 ) is designed such that it is suitable for high-speed numbers (λ) in the range of 0.5-1.0 times the power-optimal high speed number (λ _opt ), to a lesser extent than the first sheet area (λ). 10.1 - 10.3 ) the coefficient of performance of the entire rotor blade ( 3.1 - 03.03 ) coins; and above a high-speed number threshold (λ _S ) which is greater than the power-optimal speed coefficient (λ _opt ) and less than the passage speed _coefficient (λ _D ), the second range of sheets (FIG. 11.1 - 11.3 ) as a circumferentially the rotor blade ( 3.1 - 03.03 ) braking element delivers a negative proportion to the performance coefficient profile, which for the passage speed number (λ _D ) a positive portion of the first sheet area ( 10.1 - 10.3 ) to the performance coefficient.

Horizontal rotor turbine according to claim 1, wherein the proportion of the second leaf area ( 11.1 - 11.3 ) to the power factor curve for high-speed numbers (λ) corresponding to 0.5-1.0 times the power-optimal speed coefficient (λ _opt ), amount less than 25% of the proportion of the first sheet area ( 10.1 - 10.3 ).

Horizontal rotor turbine according to one of claims 1 or 2, wherein the second leaf area ( 11.1 - 11.3 ) is formed so that its braking effect in the circumferential direction above the high-speed index threshold (λ _D ) by an increase in the flow resistance (F _D ) due to a change in the angle of attack (v) is effected.

Horizontal rotor turbine according to one of claims 1-3, wherein the second blade area ( 11.1 - 11.3 ) as a double wing ( 17 ) with a unidirectional first partial profile ( 18 ) and a unidirectional second sub-profile ( 19 ) is formed, which with respect to the chords ( 22.1 . 22.2 ) parallel and with respect to the profile leading edges ( 20.1 . 20.2 ) are oppositely oriented.

Horizontal rotor turbine according to claim 4, wherein the first partial profile ( 18 ) and the second subprofile ( 19 ) of the double wing ( 17 ) for a projection on the plane of rotation ( 26 ) partially cover.

Horizontal rotor turbine according to one of claims 4 or 5, wherein the first partial profile ( 18 ) and the second subprofile ( 19 ) are designed as airfoil profiles which have a rounded profile leading edge ( 20.1 . 20.2 ) and a tapered profile trailing edge ( 21 .1, 21.2 ).

Horizontal rotor turbine according to one of claims 1-3, wherein the second blade area ( 11.1 - 11.3 ) as a double arrow ( 30 ) is trained.

Horizontal rotor turbine according to one of the preceding claims, wherein the second leaf area ( 11.1 - 11.3 ) as a blade tip attachment at the radially outer end of the rotor blade ( 3.1 - 03.03 ) is arranged.

Horizontal rotor turbine according to one of the preceding claims, wherein at least on the rotor blade ( 3.1 - 03.03 ) is present over a portion of the longitudinal course in the radial direction, a point- or double-symmetrical profile for a bi-directional flow.

Method for operating a horizontal rotor turbine according to one of the preceding claims, wherein a run-up to the passage speed number (λ _D ) is carried out at regular intervals.