DE102014111707A1

DE102014111707A1 - System and method for defrosting wind turbine rotor blades

Info

Publication number: DE102014111707A1
Application number: DE201410111707
Authority: DE
Inventors: Bart Jan Veldkamp; Philippe Giguere
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2014-08-15
Publication date: 2015-02-26
Also published as: CA2859402A1; US20150056074A1; SG10201404919PA

Abstract

Ein System und Verfahren zum Enteisen eines Windkraftanlagenrotorblatts enthält ein gleichzeitiges Leiten erwärmter Luft durch einen inneren Vorderkantenkreislauf und einen gesonderten inneren Hinterkantenkreislauf innerhalb des Rotorblatts.A system and method for deicing a wind turbine rotor blade includes simultaneously directing heated air through an inner leading edge circuit and a separate inner trailing edge circuit within the rotor blade.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Windkraftanlagen und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Enteisen von Rotorblättern, wodurch der gesamte Betriebswirkungsgrad der Windkraftanlage gesteigert wird. The present invention relates generally to the field of wind turbines, and more particularly to a system and method for deicing rotor blades, thereby increasing the overall operating efficiency of the wind turbine.

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNGBACKGROUND TO THE INVENTION

Windkraftanlagen ist als eine im Hinblick auf die Umwelt sichere und relativ kostengünstige alternative Energiequelle eine erhöhte Aufmerksamkeit zuteil geworden. Mit diesem steigenden Interesse sind erhebliche Anstrengungen zur Entwicklung von Windkraftanlagen unternommen worden, die zuverlässig und effizient sind.Wind turbines have received increased attention as an environmentally safe and relatively inexpensive alternative energy source. With this increasing interest, considerable efforts have been made to develop wind turbines that are reliable and efficient.

Allgemein enthält eine Windkraftanlage einen Rotor, der eine oder mehrere Blätter aufweist. Der Rotor ist an einem Gehäuse oder einer Gondel angebracht, die oben auf einem Träger oder einem rohrförmigen Turm angeordnet ist. Die Rotorblätter der Windkraftanlage wandeln Windenergie in ein Drehmoment oder eine Drehkraft um, das bzw. die einen oder mehrere Generatoren antreibt, die über ein Getriebe mit dem Rotor drehbar gekoppelt sind. Das Getriebe erhöht die an sich niedrige Drehzahl des Turbinenrotors für den Generator, um die mechanische Energie effizient in elektrische Energie umzuwandeln, die in ein Energieversorgungsnetz eingespeist wird. Getriebelose, direkt angetriebene Turbinen existieren ebenfalls. Generally, a wind turbine includes a rotor having one or more blades. The rotor is mounted on a housing or nacelle, which is placed on top of a support or a tubular tower. The rotor blades of the wind turbine convert wind energy into torque or torque that drives one or more generators that are rotatably coupled to the rotor via a gearbox. The transmission increases the inherently low speed of the turbine rotor for the generator to efficiently convert the mechanical energy into electrical energy that is fed into a power grid. Gearless, directly driven turbines also exist.

Bei bestimmten Kombinationen von atmosphärischen Bedingungen können die Rotorblätter mit Eis bedeckt werden. Für eine sich im Betrieb befindliche Windkraftanlage tritt eine Eisbildung typischerweise an der Vorderkante des Blatts auf, was zu einer modifizierten Blattform und reduzierter Auftriebsfähigkeit führt. Wenn die Eisschicht zunehmend dicker wird, wird dem Blatt Gewicht hinzugefügt, was die Auftriebsfähigkeit und die aerodynamische Leistungsfähigkeit des Rotorblatts weiter senkt. Ein Eisabwerfen (das Abwerfen von Eis, wenn die Blätter rotieren) kann auch ein Sicherheitsproblem insbesondere für Windkraftanlagen, die in der Nähe von Wohngebieten angeordnet sind, darstellen. Bei Windkraftanlagen, die gestoppt oder nicht im Betrieb sind, wird sich das Eis im Allgemeinen gleichmäßig um die gesamte Oberfläche der Blätter bilden, wodurch eine Enteisung des gesamten Blatts notwendig wird, bevor die Windkraftanlage erneut in Betrieb genommen werden kann.In certain combinations of atmospheric conditions, the rotor blades may be covered with ice. For a wind turbine in operation, ice formation typically occurs at the leading edge of the blade, resulting in a modified blade shape and reduced buoyancy. As the ice layer progressively thickens, weight is added to the blade, which further reduces buoyancy and aerodynamic performance of the rotor blade. Ice shedding (the shedding of ice as the blades rotate) may also pose a safety problem especially for wind turbines located near residential areas. For wind turbines that are stopped or not operating, the ice will generally form uniformly around the entire surface of the blades, requiring de-icing of the entire blade before the wind turbine can be restarted.

Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Enteisen von Rotorblättern bekannt und im Einsatz, was auch das Verhindern von Eisbildung an den Rotorblättern umfasst, wenn atmosphärische Bedingungen für eine Eisbildung günstig sind. Beispielsweise ist die Installation widerstandsfähiger Heizdrähte oder anderer elektrischer Leiter an der Vorderkante oder anderen Oberflächen des Rotorblatts bekannt. Dieses System kann jedoch eine Leitung für Blitze schaffen, und ein Blitzeinschlag kann das Rotorblatt unbrauchbar machen. In einem weiteren bekannten Verfahren zur Reduktion von Eisbildung, ist eine aufblasbare Luftblase mit der Vorderkante der Blätter verbunden. Das Aufblasen der Luftblasen verändert jedoch die Aerodynamik des Rotorblatts, und die Luftblase selbst kann in bestimmten Umgebungen einer Ermüdung und einem Ausfall unterliegen oder diese in Zukunft erfahren.There are methods and devices for defrosting rotor blades known and in use, which also includes the prevention of ice formation on the rotor blades when atmospheric conditions are favorable for ice formation. For example, the installation of resistant heating wires or other electrical conductors at the leading edge or other surfaces of the rotor blade is known. However, this system can provide a conduit for lightning and a lightning strike can render the rotor blade unusable. In another known method for reducing ice formation, an inflatable air bladder is connected to the leading edge of the sheets. However, the inflation of the air bubbles alters the aerodynamics of the rotor blade, and the air bubble itself may, in certain environments, be subject to or experience fatigue and failure.

Das kanadische Patent CA 2 228 145 (das Pendant zu EP 0 842 360 B1 ) beschreibt ein System zum Enteisen von Windkraftanlagenrotorblättern, wobei ein erwärmtes Medium, das die Luft innerhalb des Blatthohlraums sein kann, zu inneren Hohlräumen innerhalb des Blatts geleitet wird. Das erwärmte Medium wird von dem Blattfußbereich in einen Hohlraum hinter der Vorderkante des Blatts geleitet und dann an der Blattspitze in einen Hohlraum entlang der Hinterkante des Blatts und zurück in den Fußbereich umgeleitet. Ein mit integrierten Heizelementen ausgestattetes Gebläse ist in dem Blattfuß vorgesehen, um den Umlauf des erwärmten Mediums zu schaffen und aufrechtzubehalten. Die Kammern oder Hohlräume können durch Versteifungsrippen definiert sein, die parallel zu der Längsachse des Blatts verlaufen. The Canadian patent CA 2 228 145 (the counterpart to EP 0 842 360 B1 ) describes a system for defrosting wind turbine rotor blades, wherein a heated medium, which may be the air within the blade cavity, is directed to internal cavities within the blade. The heated medium is directed from the blade root area into a cavity behind the leading edge of the blade and then diverted at the blade tip into a cavity along the trailing edge of the blade and back into the root area. A fan equipped with integral heating elements is provided in the blade foot to provide and maintain the circulation of the heated medium. The chambers or cavities may be defined by stiffening ribs that are parallel to the longitudinal axis of the blade.

Ein Nachteil des Systems und Verfahrens des Patents CA 2 228 145 ist, dass die wärmste Luft nicht zuerst zu der Spitze des Blatts, welche der für das Vereisen anfälligste Bereich des Blatts sein kann, sondern entlang der gesamten Länge der Vorderkante geleitet wird, bevor sie die Blattspitze erreicht. Zusätzlich wird ein thermisches Ungleichgewicht innerhalb des Rotorblatts als Folge des unidirektionalen Strömungspfads des erwärmten Mediums erzeugt. Der Vorderkantenhohlraum wird in einem deutlich stärkeren Maße als der Hinterkantenhohlraum erwärmt, und der Hinterkantenhohlraum wird in einem deutlich stärkeren Maße als der verbleibende Innenraum zwischen dem Hinterund Vorderkantenhohlraum erwärmt. Somit ist die Enteisungsfähigkeit des Systems primär auf die Vorderkante fokussiert, was in bestimmten Situationen nicht vorteilhaft sein kann, wie z.B. wenn atmosphärische Bedingungen rau genug werden, um auf den Druck- und/oder Saugseitenoberflächen oder der Hinterkante eine Eisbildung zu bewirken.A disadvantage of the system and method of the patent CA 2 228 145 is that the warmest air is not directed first to the tip of the blade, which may be the most susceptible area of the blade for icing, but along the entire length of the leading edge before it reaches the blade tip. In addition, a thermal imbalance is created within the rotor blade as a result of the unidirectional flow path of the heated medium. The leading edge cavity is heated to a significantly greater extent than the trailing edge cavity, and the trailing edge cavity is heated to a significantly greater extent than the remaining interior space between the trailing edge and leading edge cavities. Thus, the defrost capability of the system is primarily focused on the leading edge, which may not be advantageous in certain situations, such as when atmospheric conditions become rough enough to cause ice formation on the pressure and / or suction side surfaces or the trailing edge.

Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes Rotorblattenteisungssystem und -verfahren, das sich zumindest mit bestimmten der Nachteile herkömmlicher Systeme, einschließlich des in dem Patent CA 2 228 145 beschriebenen Systemtyps, befasst.The present invention provides an improved rotor blade de-icing system and method that addresses at least some of the disadvantages of conventional systems, including that described in U.S. Pat patent CA 2 228 145 system type described.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Aspekte und Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung erörtert oder können aus der Beschreibung offensichtlich werden, oder sie können durch die Umsetzung der Erfindung in die Praxis erfahren werden.Aspects and advantages of the invention will be discussed in part in the following description, or may be obvious from the description, or may be learned by practice of the invention.

Gemäß Aspekten der Erfindung ist ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage mit integrierter Enteisungsfähigkeit geschaffen. Es ist zu beachten, dass der Begriff „Enteisen“ hierin verwendet wird, um die Entfernung oder Minimierung von Eis als auch das Verhindern von Eis, das sich auf dem Rotorblatt gebildet hat, zu umfassen. Das Rotorblatt enthält einen Blattfuß, eine Blattspitze und eine Vorderkante und eine Hinterkante, die sich zwischen der Blattspitze und dem Blattfuß erstrecken. Es sind Strukturelemente beliebiger Art, wie z.B. Stege, Wände, Kanäle, Leitbleche, Dämpfer und dergleichen, in einem Innenvolumen des Rotorblatts angeordnet, wobei diese Elemente einen Vorderkantenfluidkreislauf und einen gesonderten Hinterkantenfluidkreislauf definieren. Ein Fluidbehandlungssystem ist in dem Innenvolumen des Rotorblatts angeordnet und mit Strukturelementen eingerichtet, um ein erwärmtes Fluidmedium durch den Vorderkanten- und den Hinterkantenfluidkreislauf zu leiten. Diese erwärmten Fluidmediumströmungen können gleichzeitig durch den Vorderkanten- und den Hinterkantenfluidkreislauf geleitet werden oder können durch einen der Kreisläufe geleitet werden, während der andere ungenutzt oder getrennt ist. Die Kreisläufe können unabhängig gesteuert werden, so dass die erwärmten Fluidmediumströmungen eine unterschiedliche Flussrate oder Temperatur haben.In accordance with aspects of the invention, a rotor blade for a wind turbine with integrated defrost capability is provided. It should be noted that the term "deicing iron" is used herein to encompass the removal or minimization of ice as well as the prevention of ice that has formed on the rotor blade. The rotor blade includes a blade root, a blade tip and a leading edge and a trailing edge extending between the blade tip and the blade root. They are structural elements of any kind, e.g. Webs, walls, channels, baffles, dampers, and the like, disposed in an interior volume of the rotor blade, these elements defining a leading edge fluid circuit and a separate trailing edge fluid circuit. A fluid treatment system is disposed in the interior volume of the rotor blade and configured with structural members to direct a heated fluid medium through the leading edge and trailing edge fluid circuits. These heated fluid medium flows may be directed simultaneously through the leading edge and trailing edge fluid circuits or may be routed through one of the circuits while the other is idle or disconnected. The circuits may be independently controlled so that the heated fluid medium flows have a different flow rate or temperature.

In einer bestimmten Ausführungsform ist das erwärmte Fluidmedium die Luft innerhalb des Innenvolumens des Rotorblatts, und das Fluidbehandlungssystem weist jede beliebige Kombination von Luftbehandlungskomponenten, wie z.B. ein oder mehrere Gebläse, Heizelemente, Dämpfer, Kanäle und ähnliches auf. Der Begriff "Gebläse-Heizvorrichtung" wird hierin verwendet, um eine Kombination aus einem Gebläse und einem Heizelement innerhalb desselben Gehäuses oder separater Gehäuse zu bezeichnen. In alternativen Ausführungsformen kann das erwärmte Fluidmedium z.B. ein Schutzgas sein, das durch die jeweiligen Fluidkreisläufe durch eine beliebige Kombination von Fluidbehandlungskomponenten umgewälzt wird. In a particular embodiment, the heated fluid medium is the air within the interior volume of the rotor blade, and the fluid treatment system includes any combination of air handling components, such as air handling components. one or more fans, heaters, dampers, ducts and the like. The term "blower heater" is used herein to refer to a combination of a blower and a heating element within the same housing or separate housing. In alternative embodiments, the heated fluid medium may be e.g. an inert gas that is circulated through the respective fluid circuits by any combination of fluid treatment components.

Die Strukturelemente können einen sich in Spannweitenrichtung erstreckendes Mittelumlaufkanal definieren, der dem Vorderkanten- und dem Hinterkantenfluidkreislauf insofern gemeinsam ist, als dass ein Abschnitt jedes der Kreisflüsse gleichzeitig durch den Mittelumlaufkanal strömt. Dieser Mittelumlaufkanal kann durch jede beliebige Kombination von strukturellen oder nicht strukturellen Stegen, Kanälen und dergleichen definiert sein.The structural members may define a spanwise central circulation passage common to the leading edge and trailing edge fluid circuits in that a portion of each of the circulations flows simultaneously through the center circulation passage. This central circulation channel may be defined by any combination of structural or non-structural lands, channels and the like.

In einer Ausführungsform weisen die Strukturelemente einen ersten Steg, der in der Nähe der Vorderkante angeordnet ist und einen Vorderkantenkanal definiert, und einen zweiten Steg auf, der in der Nähe der Hinterkante angeordnet ist und einen Hinterkantenkanal definiert. Der erste und der zweite Steg können Scherstegkomponenten des inneren Stützsystems der Blätter sein. Bei dieser Ausführungsform ist der Mittelumlaufkanal zwischen dem ersten und dem zweiten Steg definiert. In alternativen Ausführungsformen kann jede beliebige Art einer Kanalführung verwendet werden, um den Mittelumlaufkanal zu definieren. Beispielsweise kann das Blatt lediglich einen einzigen Steg aufweisen, und ein innerer Kanal kann die Funktion des Mittelumlaufkanals erfüllen. Das Fluidbehandlungssystem kann zumindest eine Gebläse-Heizvorrichtung innerhalb des Blattfußes aufweisen, um eine erwärmte abströmende Luftströmung durch den Vorderkanten- und den Hinterkantenfluidkreislauf, einschließlich des Mittelumlaufkanals, zu leiten.In one embodiment, the structural members include a first land located near the leading edge and defining a leading edge channel and a second land located proximate the trailing edge defining a trailing edge channel. The first and second lands may be shear bridge components of the inner support system of the blades. In this embodiment, the center circulation passage is defined between the first and second lands. In alternative embodiments, any type of ducting may be used to define the center circulation duct. For example, the blade may have only a single land, and an inner passage may perform the function of the center circulation passage. The fluid treatment system may include at least one fan heater within the blade root for directing a heated outflow airflow through the leading edge and trailing edge fluid circuits including the center circulation passage.

Es sollte erkannt werden, dass das System nicht auf eine einzige Strömungsrichtung durch den Vorderkantenund den Hinterkantenkreislauf beschränkt ist. Beispielsweise kann die Gebläse-Heizvorrichtung angeordnet sein, um die erwärmte abströmende Luftströmung entlang des Mittelumlaufkanals zur benachbarten Blattspitze zu leiten, wo die erwärmte abströmende Luftströmung in getrennte Rücklaufluftströmungen geleitet wird, die durch den Vorderkanten- bzw. den Hinterkantenkanal zurück zu dem Blattfuß strömen. In einer alternativen Ausführungsform können eine oder mehrere Gebläse-Heizvorrichtungen angeordnet sein, um die abströmende Luftströmung als getrennte Strömungen durch den Vorderkanten- und den Hinterkantenkanal zu leiten, wobei sich die getrennten Strömungen benachbart zu der Blattspitze zu einer einzigen Rücklaufluftströmung durch den Mittelumlaufkanal und zurück zu dem Blattfuß vereinigen.It should be appreciated that the system is not limited to a single flow direction through the leading edge and trailing edge circuits. For example, the fan heater may be arranged to direct the heated outflowing airflow along the central circulation duct to the adjacent blade tip, where the heated outflowing airflow is directed into separate return airflows flowing through the leading edge and trailing edge ducts, respectively, back to the blade root. In an alternative embodiment, one or more fan heaters may be arranged to direct the outflowing airflow as separate flows through the leading edge and trailing edge channels, the separated flows adjacent to the blade tip becoming a single return airflow through the center circulation passage and back to unite the leaf foot.

In einer bestimmten Ausführungsform kann die erwärmte abströmende Luftströmung eine einzige vereinigte Luftströmung innerhalb des Mittelumlaufkanals sein, so dass sich der Vorderkanten- und der Hinterkantenfluidkreislauf einen vereinigten Abströmabschnitt durch den Mittelfluidumlaufkanal teilen. In dieser Ausführungsform kann eine einzige Gebläse-Heizvorrichtung mit ausreichender Luftdurchsatzleistung zum Aufrechterhalten einer erwünschten minimalen Luftströmung durch die Vorder- und Hinterkantenfluidkreisläufe verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform kann eine Trennstruktur innerhalb des Mittelumlaufkanals vorgesehen sein, so dass der Vorderkanten- und der Hinterkantenfluidkreislauf getrennte Strömungsabschnitte entlang wenigstens eines Abschnitts des Mittelumlaufkanals aufweisen. Beispielsweise kann die Trennstruktur eine Wand oder ein Leitblech sein, die/das sich von der Blattspitze teilweise in den Mittelumlaufkanal hinein erstreckt und dazu dient, die einzige abströmende Luftströmung benachbart zu der Blattspitze in die getrennten Strömungen aufzuteilen.In a particular embodiment, the heated outflowing airflow may be a single unified airflow within the central circulation channel such that the leading edge and trailing edge fluid circuits share a unified outflow section through the central fluid circulation channel. In this embodiment, a single blower heater with sufficient air flow capacity can be used to maintain a desired minimum air flow through the leading and trailing edge fluid circuits. In this embodiment, a separation structure within of the central circulation passage so that the leading edge and trailing edge fluid circuits have separate flow sections along at least a portion of the central circulation passage. For example, the separation structure may be a wall or baffle that extends partially from the blade tip into the center circulation passage and serves to divide the single outflowing air flow adjacent to the blade tip into the separate flows.

In einer noch weiteren Ausführungsform kann sich die Trennstruktur im Wesentlichen vollständig innerhalb des Mittelumlaufkanals erstrecken und den Mittelumlaufkanal in getrennte Strömungskanäle unterteilen. Bei dieser Ausführungsform sind somit der Vorder- und der Hinterkantenfluidkreislauf nicht durch den Mittelumlaufkanal miteinander vereinigt oder vermischt. Somit kann die Luftströmung durch die jeweiligen Kreisläufe z.B. durch gesonderte jeweilige Gebläse-Heizvorrichtungen, die innerhalb des Blattfußes für jeden der Kreisläufe angeordnet sind, individuell gesteuert werden.In yet another embodiment, the separation structure may extend substantially completely within the central circulation passage and divide the center circulation passage into separate flow passages. Thus, in this embodiment, the leading and trailing edge fluid circuits are not merged or mixed by the center circulation passage. Thus, the flow of air through the respective circuits, e.g. are individually controlled by separate respective fan heaters, which are arranged within the blade foot for each of the circuits.

Die vorliegende Erfindung weist auch vielfältige Ausführungsformen eines Verfahrens zum Enteisen eines Windkraftanlagenrotorblatts gemäß den vorstehend beschriebenen Konzepten auf. Beispielsweise weist eine beispielhafte Ausführungsform ein Leiten erwärmter Luft durch einen inneren Vorderkantenkreislauf und einen gesonderten inneren Hinterkantenkreislauf innerhalb des Rotorblatts auf. Die Luft kann abwechselnd oder gleichzeitig durch den Vorderkantenund den Hinterkantenkreislauf geleitet werden und kann unabhängig gesteuert werden. Diese Verfahrensausführungsform kann ein Leiten der erwärmten Luft durch einen Mittelumlaufkanal aufweisen, der dem Vorderkanten- und dem Hinterkantenfluidkreislauf gemeinsam ist.The present invention also includes various embodiments of a method of de-icing a wind turbine blade according to the concepts described above. For example, one exemplary embodiment includes directing heated air through an inner leading edge circuit and a separate inner trailing edge circuit within the rotor blade. The air may be passed alternately or simultaneously through the leading edge and trailing edge circuits and may be independently controlled. This method embodiment may include directing the heated air through a central circulation passage common to the leading edge and trailing edge fluid circuits.

In einem bestimmten Verfahren wird die erwärmte Luft als abströmende Luftströmung aus einer oder mehreren Gebläse-Heizvorrichtungen, die in dem Blattfußbereich angeordnet sind, durch den Mittelumlaufkanal in Richtung eines Spitzenbereichs des Rotorblattes geleitet, wobei die abströmende Luftströmung an dem Spitzenbereich in getrennte Rücklaufluftströmungen durch den jeweiligen Vorder- bzw. Hinterkantenkanal innerhalb des Rotorblatts geleitet wird. Das Verfahren kann ein aufrechterhalten der abströmenden Luftströmung als eine einzige vereinigte (vermischte) Luftströmung durch den Mittelumlaufkanal und ein Aufteilen der vereinigten Luftströmung in getrennte Rücklaufluftströmungen an dem Spitzenbereich des Rotorblatts aufweisen.In one particular method, the heated air is directed as outflowing airflow from one or more fan heaters disposed in the blade root region through the center circulation channel toward a tip portion of the rotor blade, the outflowing air flow at the tip region being split into separate return airflows through the respective one Leading and trailing edge channel is passed within the rotor blade. The method may include maintaining the outflowing airflow as a single unified (mixed) airflow through the central circulation duct and dividing the combined airflow into separate return airflows at the tip region of the rotor blade.

In einer modifizierten Verfahrensausführungsform wird die abströmende Luftströmung als getrennte Luftströmungen durch den Mittelumlaufkanal aufrechterhalten und in die jeweiligen Vorder- und Hinterkantenkanäle an dem Spitzenbereich des Rotorblatts umgeleitet. In dieser Ausführungsform kann die Luftströmung durch den jeweiligen Vorderkanten- bzw. Hinterkantenkreislauf unabhängig gesteuert werden.In a modified method embodiment, the outflowing airflow is maintained as separate airflows through the central circulation duct and diverted into the respective leading and trailing edge ducts at the tip portion of the rotor blade. In this embodiment, the air flow through the respective leading edge and trailing edge circuits, respectively, can be independently controlled.

In einer noch weiteren Verfahrensausführungsform wird die erwärmte Luft als getrennte abströmende Luftströmungen aus einer oder mehreren Gebläse-Heizvorrichtungen, die in einem Fußbereich des Rotorblatts angeordnet sind, durch jeweilige Vorder- bzw. Hinterkantenkanäle innerhalb des Rotorblatts in Richtung eines Spitzenbereichs des Blatts geleitet. An dem Spitzenbereich werden die abströmenden Luftströmungen durch einen Mittelumlaufkanal zurück zu dem Fußbereich des Blatts geleitet. Die separaten abströmenden Luftströmungen können zu einer einzigen Rücklaufluftströmung in dem Mittelumlaufkanal vereinigt oder als separate Strömungen aufrechterhalten werden.In yet another embodiment of the method, the heated air is directed as separate outflowing airflows from one or more fan heaters disposed in a root portion of the rotor blade through respective leading edge channels within the rotor blade toward a tip portion of the blade. At the tip region, the outflowing airflows are directed through a central circulation channel back to the foot region of the blade. The separate outflowing airflows may be combined into a single return airflow in the central circulation duct or maintained as separate flows.

Eine noch weitere Verfahrensausführungsform weist ferner ein Leiten der erwärmten Luft durch einen Mittelumlaufkanal auf, der dem Vorderkanten- und dem Hinterkantenfluidkreislauf gemeinsam ist, und Verwenden einer Trennstruktur, die sich von der Blattspitze zumindest teilweise in den Mittelumlaufkanal hinein erstreckt, um die erwärmte Luft in getrennte Luftströmungen aufzuteilen.Yet another method embodiment further comprises directing the heated air through a central circulation passage common to the leading edge and trailing edge fluid circuits, and using a separation structure extending at least partially into the central circulation passage from the blade tip to separate the heated air into separate ones Split air currents.

In einer noch weiteren Verfahrensausführungsform ist ein sich in Spannweitenrichtung erstreckender Mittelumlaufkanal dem Vorderkanten- und dem Hinterkantenfluidkreislauf gemeinsam, wobei der Mittelumlaufkanal durch einen ersten Steg, der in der Nähe der Vorderkante angeordnet ist, und einen zweiten Steg, der in der Nähe der Hinterkante angeordnet ist, definiert ist. Das Verfahren weist dann ferner ein Leiten der erwärmten Luft durch Luftströmungsdurchgänge auf, die in dem ersten und dem zweiten Steg entlang eines in Spannweitenrichtung verlaufenden Abschnitts der Stege benachbart zu der Blattspitze definiert sind.In yet another embodiment of the method, a mid-span channel extending in the spanwise direction is common to the leading edge and trailing edge fluid circuits, the central circulation channel being disposed through a first land located near the leading edge and a second land located proximate the trailing edge , is defined. The method further comprises directing the heated air through air flow passages defined in the first and second lands along a spanwise portion of the lands adjacent the blade tip.

Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Patentansprüche verständlicher. Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Beschreibung enthalten sind und einen Bestandteil davon bilden, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundzüge der Erfindung zu erläutern. These and other features, aspects, and advantages of the present invention will become more apparent from the following description and the appended claims. The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Eine vollständige und befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, die ihre beste Ausführungsart beinhaltet und sich an einen gewöhnlichen Fachmann richtet, ist in der Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren unterbreitet, in denen: A complete and enabling disclosure of the present invention, which includes its best mode and is directed to one of ordinary skill in the art, is included in the specification Reference is made to the attached figures, in which:

1 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht eine herkömmliche Windkraftanlage; 1 illustrates in a perspective view a conventional wind turbine;

2 veranschaulicht in einer Draufsicht ein herkömmliches Windkraftanlagenrotorblatt, 2 FIG. 11 is a plan view of a conventional wind turbine rotor blade; FIG.

3 veranschaulicht in Querschnittsansicht ein herkömmliches Windkraftanlagenrotorblatt; 3 illustrates in cross-sectional view a conventional wind turbine rotor blade;

4 veranschaulicht in einer geschnitten Draufsicht eine Ausführungsform eines Windkraftanlagenrotorblatts gemäß Aspekten der Erfindung; 4 Figure 3 illustrates in a cut-away plan view an embodiment of a wind turbine rotor blade according to aspects of the invention;

5 veranschaulicht in einer geschnitten Draufsicht eine modifizierte Ausführungsform eines Windkraftanlagenrotorblatts gemäß Aspekten der Erfindung; 5 Fig. 3 is a sectional plan view of a modified embodiment of a wind turbine blade according to aspects of the invention;

6 veranschaulicht in einer geschnitten Draufsicht eine noch weitere Ausführungsform eines Windkraftanlagenrotorblatts gemäß Aspekten der Erfindung; 6 Figure 11 illustrates in a cutaway plan view still another embodiment of a wind turbine rotor blade according to aspects of the invention;

7 veranschaulicht in einer geschnitten Draufsicht eine andere Ausführungsform eines Windkraftanlagenrotorblatts gemäß Aspekten der Erfindung; 7 Figure 3 illustrates in a cut away plan view another embodiment of a wind turbine rotor blade according to aspects of the invention;

8 veranschaulicht in einer geschnitten Draufsicht eine noch weitere Ausführungsform eines Windkraftanlagenrotorblatts gemäß Aspekten der Erfindung; 8th Figure 11 illustrates in a cutaway plan view still another embodiment of a wind turbine rotor blade according to aspects of the invention;

9 veranschaulicht in einer geschnitten Draufsicht eine modifizierte Ausführungsform eines Windkraftanlagenrotorblatts gemäß Aspekten der Erfindung; und 9 Fig. 3 is a sectional plan view of a modified embodiment of a wind turbine blade according to aspects of the invention; and

10 veranschaulicht in einer geschnitten Draufsicht eine noch weitere Ausführungsform eines Windkraftanlagenrotorblatts gemäß Aspekten der Erfindung. 10 Figure 11 illustrates in a cutaway plan view still another embodiment of a wind turbine rotor blade according to aspects of the invention.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Es wird nun im Einzelnen auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, wobei einige Beispiele derselben in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Sämtliche Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken. In der Tat wird der Fachmann ohne weiteres erkennen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Gegenstand oder Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht oder beschrieben sind, in Verbindung mit einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden, um noch ein weiteres Ausführungsbeispiel hervorzubringen. Die vorliegende Erfindung soll daher solche Modifikationen und Abwandlungen mit abdecken, soweit diese in den Umfang der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente fallen.Reference will now be made in detail to embodiments of the invention, some examples of which are illustrated in the drawings. All examples serve to illustrate the invention and are not intended to limit this. In fact, it will be readily apparent to those skilled in the art that various modifications and changes may be made to the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. For example, features that are illustrated or described as part of one embodiment may be used in conjunction with another embodiment to yield yet a further embodiment. The present invention is therefore intended to cover such modifications and variations as come within the scope of the appended claims and their equivalents.

1 veranschaulicht eine Windkraftanlage 10 herkömmlicher Bauweise. Die Windkraftanlage 10 weist einen Turm 12 mit einer darauf befestigten Gondel 14 auf. Mehrere Turbinenblätter 16 sind an einer Rotornabe 18 befestigt, welche wiederum mit einem Hauptflansch verbunden ist, der eine Hauptrotorwelle dreht. Die Energieerzeugungs- und -steuerungskomponenten der Windkraftanlage sind in der Gondel 14 untergebracht. Die Ansicht in 1 ist lediglich zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen, um die vorliegende Erfindung in einem beispielhaften Anwendungsfeld zu präsentieren. Es sollte erkannt werden, dass die Erfindung nicht auf bestimmte Typen von Windkraftanlagenbauweisen beschränkt ist. 1 illustrates a wind turbine 10 conventional construction. The wind turbine 10 has a tower 12 with a gondola attached to it 14 on. Several turbine blades 16 are at a rotor hub 18 fixed, which in turn is connected to a main flange which rotates a main rotor shaft. The power generation and control components of the wind turbine are in the nacelle 14 accommodated. The view in 1 is provided for purposes of illustration only to present the present invention in an exemplary field of application. It should be appreciated that the invention is not limited to particular types of wind turbine construction.

2 und 3 zeigen detailliertere Ansichten eines herkömmlichen Windkraftanlagenblatts 16. Das Blatt 16 weist ein oberes Schalenelement 20 und ein unteres Schalenelement 22 auf. Das obere Schalenelement 20 kann so ausgebildet sein, dass es die saugseitige Oberfläche des Blatts 16 bildet, während das untere Schalenelement 22 so ausgebildet sein kann, dass es die druckseitige Oberfläche des Blatts bildet. Das Blatt 16 weist eine Vorderkante 24 und eine Hinterkante 26 sowie einen Fußabschnitt 28 und einen Spitzenabschnitt 30 auf. Das Blatt 16 erstreckt sich in einer Längs-, Spannweitenrichtung 34. Wie in der Fachwelt allgemein bekannt, sind das obere Schalenelement 20 und das untere Schalenelement 22 an der Vorderkante 24 und der Hinterkante 26 miteinander verbunden. Das Blatt 16 enthält einen inneren Hohlraum 25, in dem verschiedene Strukturelemente, wie Holmgurte 32 und Scherstege 33, eingerichtet sind. Die Bauweise und Funktion der inneren Strukturelemente des Blatts 16, wie z.B. der Holmgurte 32 und der Scherstege 33, sind den Fachleuten wohl bekannt und brauchen zum Verständnis und zur Würdigung der vorliegenden Erfindung hierin nicht detailliert beschrieben zu werden. 2 and 3 show more detailed views of a conventional wind turbine blade 16 , The leaf 16 has an upper shell element 20 and a lower shell member 22 on. The upper shell element 20 may be formed so that it is the suction-side surface of the sheet 16 forms while the lower shell element 22 may be formed so that it forms the pressure-side surface of the sheet. The leaf 16 has a leading edge 24 and a trailing edge 26 as well as a foot section 28 and a top section 30 on. The leaf 16 extends in a longitudinal, spanwise direction 34 , As is well known in the art, the upper shell member 20 and the lower shell member 22 at the front edge 24 and the trailing edge 26 connected with each other. The leaf 16 contains an internal cavity 25 , in which different structural elements, such as Holmgurte 32 and shearbars 33 , are furnished. The construction and function of the internal structural elements of the sheet 16 , such as the Holmgurte 32 and the shearbar 33 are well known to those skilled in the art and need not be described in detail herein for understanding and appreciation of the present invention.

4 zeigt eine Ausführungsform eines Windkraftanlagenrotorblatts 16, das eine integrierte Enteisungsfähigkeit gemäß den Aspekten der Erfindung aufweist. Jede beliebige Art von Strukturelementen 50, wie z.B. Stege, Wände, Kanäle, Leitbleche, Dämpfer und dergleichen sind innerhalb des Innenvolumens 25 des Rotorblatts 16 angeordnet und definieren einen Vorderkantenfluidkreislauf 58 und einen separaten Hinterkantenfluidkreislauf 60. Diese Kreisläufe 58 und 60 können jede beliebige Konfiguration von Strukturelementen 50 aufweisen, die getrennte Strömungspfade entlang der Vorderkante 24 und der Hinterkante 26 errichten, im Gegensatz zu einem einzigen, fortlaufenden Strömungspfad, bei dem der Vorder- und der Hinterkantenstrom in dem einzigen Kreislauf seriell wären (einer nach dem anderen erfolgten). Wie in 4 gezeigt, können die gesonderten Fluidkreisläufe 58 und 60 beispielsweise gegenläufig strömende Strömungspfade sein. Diese Strömungspfade können, wie in 4 gezeigt, gleichzeitig stattfinden, oder sie können, wie nachstehend detaillierter beschrieben, unabhängig voneinander eingerichtet und gesteuert werden. 4 shows an embodiment of a wind turbine rotor blade 16 having an integrated defrost capability according to the aspects of the invention. Any kind of structural elements 50 , such as webs, walls, channels, baffles, dampers and the like are within the internal volume 25 of the rotor blade 16 arranged and define a leading edge fluid circuit 58 and a separate trailing edge fluid circuit 60 , These circuits 58 and 60 can be any configuration of structural elements 50 have the separate flow paths along the leading edge 24 and the trailing edge 26 as opposed to a single, continuous flow path in which the leading and trailing edge currents in the single circuit would be serial (one after the other). As in 4 shown, the separate fluid circuits 58 and 60 for example, be countercurrent flow paths. These flow paths can, as in 4 may occur simultaneously, or may be set up and controlled independently of each other, as described in more detail below.

Ein allgemein mit 65 bezeichnetes Fluidbehandlungssystem, ist innerhalb des Innenvolumens 25 des Rotorblatts 16 angeordnet und mit den Strukturelementen 50 eingerichtet, um ein erwärmtes Fluidmedium gleichzeitig durch den Vorderkanten- und den Hinterkantenfluidkreislauf 58 bzw. 60, wie durch die die Kreisläufe 58, 60 kennzeichnenden Pfeile in 4 angezeigt, zu leiten. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das erwärmte Fluidmedium die Luft innerhalb des Innenvolumens 25, die erwärmt und mittels eines Luftbehandlungssystems 65 wieder in Umlauf gebracht wird. Dieses System kann jede beliebige Kombination von Luftbehandlungskomponenten aufweisen, wie beispielsweise ein oder mehrere Gebläse, Heizelemente, Dämpfer, Kanäle und ähnliches. In den in vielfältigen Figuren gezeigten Ausführungsformen weist das Luftbehandlungssystem 65 eine Gebläse-Heizvorrichtung 66 auf, die jede beliebige Konfiguration aus einem Gebläse und aus Heizelementen umfassen soll. Beispielsweise kann die Gebläse-Heizvorrichtung ein Gebläse, einen oder mehrere Diffusoren/Kanäle und ein Heizelement innerhalb desselben Gehäuses oder innerhalb gesonderter Gehäuse aufweisen. Die Heizelemente können Widerstandselemente und ein beliebiges anderes Heizelement oder -system sein. Die Gebläse-Heizvorrichtung 66 (und beliebige sonstige Komponenten des Behandlungssystems 65) sind wunschgemäß ausgewählt, um eine ausreichende Leistungsfähigkeit zur Erzeugung einer gewünschten Durchflussrate durch die Kreisläufe 58, 60 bei gleichzeitiger Minimierung des Gewichts, des Energieverbrauchs und der zum Enteisen der Blätter notwendigen Zeit zu haben. A general with 65 designated fluid treatment system, is within the internal volume 25 of the rotor blade 16 arranged and with the structural elements 50 arranged to simultaneously heat a heated fluid medium through the leading edge and trailing edge fluid circuits 58 respectively. 60 how through the circuits 58 . 60 characterizing arrows in 4 displayed to guide. In the illustrated embodiment, the heated fluid medium is the air within the interior volume 25 that is heated and by means of an air treatment system 65 is circulated again. This system may include any combination of air handling components, such as one or more fans, heaters, dampers, channels, and the like. In the embodiments shown in various figures, the air treatment system 65 a fan heater 66 which is to comprise any configuration of a blower and heating elements. For example, the blower heater may include a blower, one or more diffusers / channels, and a heating element within the same housing or within separate housings. The heating elements may be resistive elements and any other heating element or system. The fan heater 66 (and any other components of the treatment system 65 ) are desirably selected to provide sufficient performance to produce a desired flow rate through the circuits 58 . 60 while minimizing the weight, energy consumption and time required to defrost the leaves.

In bestimmten in den Figuren dargestellten Ausführungsformen können die Strukturelemente 50 einen sich in Spannweitenrichtung erstreckenden Mittelumlaufkanal 70 definieren, der dem Vorderkanten- und dem Hinterkantenfluidkreislauf 58, 60 gemeinsam ist. Bezug nehmend auf 4 weisen beispielsweise die Fluidkreisläufe 58, 60 jeweilige Abschnitte auf, die durch den Mittelumlaufkanal 70 strömen, was in bestimmten Ausführungsformen gleichzeitig erfolgen kann. In certain embodiments illustrated in the figures, the structural elements 50 a mid-span channel extending in the spanwise direction 70 defining the leading edge and trailing edge fluid circuits 58 . 60 is common. Referring to 4 For example, have the fluid circuits 58 . 60 respective sections through which the central circulation channel 70 flow, which can be done simultaneously in certain embodiments.

In verschiedenen gezeigten Ausführungsformen (z.B. in 4 und 6) weisen die Strukturelemente 50 einen ersten Steg 52, der in der Nähe der Vorderkante 24 angeordnet ist, so dass ein Vorderkantenkanal 62 definiert ist, und einen zweiten Steg 54 auf, der in der Nähe der Hinterkante angeordnet ist und der einen Hinterkantenkanal 64 definiert. Es sollte erkannt werden, dass diese Kanäle 62, 64 als eine beliebige Art einer physisch definierten Strömungsstruktur betrachtet werden können und unterschiedliches Querschnittsprofil aufweisen können. Die Kanäle 62, 64 sind nicht auf irgendeine bestimmte Form oder Dimension beschränkt. Der erste und der zweite Steg 52, 54 können den vorstehend unter Bezug auf das herkömmliche Blatt nach 2 und 3 beschriebenen Scherstegen 33 oder einer beliebigen anderen Komponente des inneren Stützsystems der Blätter entsprechen. Bei dieser Ausführungsform ist der Mittelumlaufkanal 70 zwischen dem ersten und dem zweiten Steg 52, 54 definiert und entspricht dem Raum zwischen den Scherstegen 33 (2 und 3).In various embodiments shown (eg in 4 and 6 ) have the structural elements 50 a first jetty 52 that is near the leading edge 24 is arranged so that a leading edge channel 62 is defined, and a second bridge 54 on, which is arranged near the trailing edge and a trailing edge channel 64 Are defined. It should be recognized that these channels 62 . 64 may be considered as any type of physically defined flow structure and may have different cross-sectional profile. The channels 62 . 64 are not limited to any particular shape or dimension. The first and the second footbridge 52 . 54 can the above with reference to the conventional sheet after 2 and 3 described shear bars 33 or any other component of the inner support system of the blades. In this embodiment, the center circulation passage 70 between the first and the second bridge 52 . 54 defined and corresponds to the space between the shearbars 33 ( 2 and 3 ).

In einer in 5 gezeigten modifizierten Ausführungsform weist das Blatt 16 einen einzigen inneren Schersteg 52 auf. Ein Kanalrohr 55 ist an dem Schersteg 52 befestigt (oder kann durch eine andere Struktur haltert sein) und dient als der Mittelumlaufkanal 70.In an in 5 shown modified embodiment, the sheet 16 a single inner shear bridge 52 on. A sewer pipe 55 is on the jetty 52 attached (or may be supported by another structure) and serves as the center circulation channel 70 ,

Wie vorstehend beschrieben, sollte erkannt werden, dass das Enteisungssystem nicht auf eine einzige Strömungsrichtung durch die Vorder- und Hinterkantenkreisläufe 58, 60 beschränkt ist. In der Ausführungsform der 4 ist die Gebläse-Heizvorrichtung 66 z.B. angeordnet, um eine erwärmte abströmende Luftströmung entlang des Mittelumlaufkanals 70 zu einem Bereich benachbart zu der Blattspitze 30 zu leiten. Von dort aus wird die abströmende Luftströmung in getrennte Rücklaufluftströmungen oder -zweige der betreffenden Kreisläufe 58, 60 geleitet, die durch den Vorderkanten- und den Hinterkantenkanal 62, 64 und zurück zu dem Blattfuß strömen, wodurch die gegenläufig strömenden Strömungspfadkreisläufe geschaffen werden, die in der Figur gezeigt sind. In alternativen Ausführungsformen, wie sie z.B. in 8 gezeigt sind, können jedoch eine oder mehrere Gebläse-Heizvorrichtungen 66 angeordnet sein, um die abströmende Luftströmung als getrennte Strömungen zu leiten, die zunächst durch den Vorderkanten- und den Hinterkantenkanal 62, 64 strömen, wobei sich die getrennten Strömungen benachbart zu der Blattspitze 30 zu einer einzigen Rücklaufluftströmung durch den Mittelumlaufkanal 70 und zurück zu dem Blattfuß vereinigen. Es kann jede beliebige Art einer Kanalführung 67 oder einer anderen Umlenkstruktur verwendet werden, um die einzige Ausgabe der Gebläse-Heizvorrichtung 66 in getrennte abströmende Luftströmungen aufzuteilen.As described above, it should be appreciated that the defrost system is not limited to a single flow direction through the leading and trailing edge circuits 58 . 60 is limited. In the embodiment of the 4 is the fan heater 66 For example, arranged to a heated outflowing air flow along the central circulation channel 70 to an area adjacent to the blade tip 30 to lead. From there, the outflowing air flow into separate return air flows or branches of the respective circuits 58 . 60 passed through the leading edge and trailing edge channels 62 . 64 and back to the blade root, thereby providing the countercurrent flow path circuits shown in the figure. In alternative embodiments, such as in 8th however, one or more fan heaters may be shown 66 be arranged to direct the outflowing air flow as separate flows, the first through the leading edge and the trailing edge channel 62 . 64 flow, with the separate flows adjacent to the blade tip 30 to a single return air flow through the central circulation channel 70 and unite back to the leaf foot. It can be any type of ducting 67 or another diverting structure to be the only output of the fan heater 66 split into separate outflowing air flows.

4, 5 und 6 zeigen Ausführungsformen, bei denen eine einzelne vereinigte abströmende Luftströmung aus der Gebläse-Heizvorrichtung 66 durch den Mittelumlaufkanal 70 geleitet wird, so dass sich der Vorderkanten- und der Hinterkantenfluidkreislauf 58, 60 einen gemeinsamen (zusammengemischten) Abströmabschnitt durch den Mittelfluidumlaufkanal 70 teilen. Eine einzige Gebläse-Heizvorrichtung 66 mit ausreichender Luftdurchsatzleistung kann zum Aufrechterhalten einer erwünschten minimalen Luftströmung durch die Vorder- und Hinterkantenfluidkreisläufe 58, 60 verwendet werden. Bezug nehmend auf 6, kann eine Trennstruktur, wie z.B. ein Mittelsteg 56, zumindest teilweise innerhalb des Mittelumlaufkanals 70 vorgesehen sein, so dass der Vorderkanten- und Hinterkantenfluidkreislauf 58, 60 getrennte (nicht zusammengemischte) Strömungsabschnitte entlang zumindest eines Abschnitts des Mittelumlaufkanals 70 aufweisen. Beispielsweise kann die Trennstruktur 56 eine Wand, ein Steg oder ein Leitblech sein, die/das sich von der Blattspitze 30 aus teilweise in den Mittelumlaufkanal 70 hinein erstreckt und dazu dient, die einzige abströmende Luftströmung in dem Bereich benachbart zu der Blattspitze 30 in getrennte Strömungen aufzuteilen. 4 . 5 and 6 show embodiments in which a single merged outflowing air flow from the fan heater 66 through the central circulation channel 70 is directed, so that the leading edge and trailing edge fluid circulation 58 . 60 a common (merged) outflow section through the medium fluid circulation channel 70 share. A single fan heater 66 with sufficient air flow rate can be used to maintain a desired minimum airflow through the leading and trailing edge fluid circuits 58 . 60 be used. Referring to 6 , may have a separating structure, such as a central bar 56 , at least partially within the central circulation channel 70 be provided so that the leading edge and trailing edge fluid circulation 58 . 60 separate (non-mixed) flow sections along at least a portion of the central circulation passage 70 exhibit. For example, the separation structure 56 a wall, a bridge, or a baffle extending from the blade tip 30 partly from the middle circulation channel 70 extends and serves the only outflowing airflow in the area adjacent to the blade tip 30 split into separate streams.

Die Ausführungsformen der 4 bis 6 können insofern besonders vorteilhaft sein, als die erwärmte Luft zunächst zu dem Blattspitzenbereich 30 durch den Mittelumlaufkanal 70, der der von atmosphärischen Bedingungen am stärksten isolierte Strömungskanal ist, geleitet wird. Die Kernmaterialien der Stege 52, 54 (z.B. der Scherstege 33) isolieren den Kanal 70 und minimieren den Wärmeverlust entlang des Kanals. Somit wird eine Erwärmung an dem kritischen Bereich der Blattspitze 30 maximiert, der für Vereisungsbedingungen am anfälligsten ist.The embodiments of the 4 to 6 may be particularly advantageous insofar as the heated air first to the blade tip area 30 through the central circulation channel 70 , which is the flow channel most isolated from atmospheric conditions. The core materials of the webs 52 . 54 (eg the Scherstege 33 ) isolate the channel 70 and minimize heat loss along the channel. Thus, heating at the critical area of the blade tip becomes 30 maximized, which is most susceptible to icing conditions.

In der in 7 gezeigten Ausführungsform erstreckt sich die Mittelsteg-Trennstruktur 56 im Wesentlichen vollständig durch den Mittelumlaufkanal 70 hindurch, und sie unterteilt den Mittelumlaufkanal 70 in getrennte Strömungskanäle der jeweiligen Strömungskreisläufe 58, 60. Somit sind bei dieser Ausführungsform der Vorderkanten- und der Hinterkantenfluidkreislauf 58, 60 durch den Mittelumlaufkanal 70 nicht miteinander vereinigt oder zusammengemischt. Es können gesonderte Gebläse-Heizvorrichtungen 66 für die jeweiligen Fluidkreisläufe 58, 60 in dem Blattfußbereich eingerichtet sein, so dass die Luftströmung durch die Kreisläufe für verschiedene Vereisungsbedingungen an der Vorder- und der Hinterkante 24, 26 des Blattes 16 individuell gesteuert und angepasst werden kann.In the in 7 In the embodiment shown, the central web separation structure extends 56 essentially completely through the central circulation channel 70 through, and it divides the middle circulation channel 70 in separate flow channels of the respective flow circuits 58 . 60 , Thus, in this embodiment, the leading edge and trailing edge fluid circuits 58 . 60 through the central circulation channel 70 not combined or mixed together. There may be separate fan heaters 66 for the respective fluid circuits 58 . 60 be set in the leaf foot area, so that the air flow through the circuits for different icing conditions at the front and the rear edge 24 . 26 of the leaf 16 individually controlled and adapted.

Die Ausführungsform nach 9 ist in ihrer Struktur der Ausführungsform nach 7 ähnlich, mit dem Unterschied, dass die getrennten Gebläse-Heizvorrichtungen 66 eingerichtet sind, um ihre jeweiligen abströmenden Ströme in den Vorderkanten- und den Hinterkantenkanal 62, 64 hinein zu leiten. Die abströmenden Ströme werden in ihrem Rücklaufpfad innerhalb des Mittelumlaufkanals 70 durch den Mittelsteg 56, der sich vollständig durch den Kanal 70 erstreckt, getrennt gehalten.The embodiment according to 9 is in its structure of the embodiment according to 7 similar, with the difference that the separate blower heaters 66 are adapted to their respective outflowing streams in the leading edge and the trailing edge channel 62 . 64 to lead into it. The effluent streams become in their return path within the central circulation channel 70 through the central pier 56 which is completely through the canal 70 extends, kept separate.

Bei den Ausführungsformen nach 7 und 9 werden separate Gebläse-Heizvorrichtungen verwendet, um getrennt den Vorderkanten- und den Hinterkantenkanal 62, 64 zu versorgen. Diese Gebläse-Heizvorrichtungen 66 können verschiedene Leistungsfähigkeiten und Ausgaben aufweisen und können separat gesteuert werden. Das System kann beispielsweise mit einer Gesamtnennleistung von 20 kW entwor,fen sein, wobei diese Leistung unterschiedlich auf die Kanäle 62, 64 aufgeteilt sein kann. Die dem Vorderkantenkanal 62 zugeordnete Gebläse-Heizvorrichtung 66 kann eine Nennleistung von 12 kW aufweisen, während die dem Hinterkantenkanal 64 zugeordnete Gebläse-Heizvorrichtung 66 eine Nennleistung von 8 kW aufweisen kann, und so weiter. In einer alternativen Ausführungsform können die Gebläse-Heizvorrich-tungen 66 dieselbe Nennleistung aufweisen, werden aber ein- und ausgeschaltet und nicht zur gleichen Zeit betrieben. In einer weiteren Ausführungsform kann das System eine Gesamtnennkapazität von 20kW, aufgeteilt auf die Gebläse-Heizvorrichtungen 66 aufweisen. Das dem Vorderkantenkanal 62 zugeordnete Gebläse 66 kann mehrere Einstellungen aufweisen, z.B. die Einstellungen von 10 kW und 20 kW, während das dem Hinterkantenkanal 64 zugeordnete Gebläse eine Einstellung von 10 kW aufweist. Bei dieser Einrichtung können die gesamten 20 kW zur Erwärmung des Vorderkantenkanals 62 verwendet werden, wenn die Vereisungsbedingungen es so erfordern (wobei das dem Hinterkantenkanal 62 zugeordnete Gebläse ausgeschaltet ist). Wenn das dem Vorderkantenkanal 62 zugeordnete Gebläse die niedrigere Einstellung (z.B. die Einstellung von 10 kW) aufweist, kann das dem Hinterkantenkanal 64 zugeordnete Gebläse eingeschaltet sein.According to the embodiments 7 and 9 separate blower heaters are used to separate the leading edge and trailing edge channels 62 . 64 to supply. These blower heaters 66 can have different capabilities and outputs and can be controlled separately. For example, the system may be designed with a total rated power of 20 kW, but this power varies with the channels 62 . 64 can be split. The leading edge channel 62 associated fan heater 66 can have a rated power of 12 kW, while the rear edge channel 64 associated fan heater 66 may have a rated power of 8 kW, and so on. In an alternative embodiment, the fan heaters may 66 have the same rated power, but are turned on and off and not operated at the same time. In another embodiment, the system may have a total rated capacity of 20kW divided among the fan heaters 66 exhibit. That the leading edge channel 62 associated blower 66 can have several settings, for example, the settings of 10 kW and 20 kW, while the rear edge channel 64 assigned blower has a setting of 10 kW. In this device, the total 20 kW can be used to heat the leading edge channel 62 be used when the icing conditions so require (this being the trailing edge channel 62 assigned fan is turned off). If that is the leading edge channel 62 assigned blower has the lower setting (eg the setting of 10 kW), this can the rear edge channel 64 associated blower be turned on.

Die Ausführungsform nach 10 ist in ihrer Struktur und Funktion der Ausführungsform nach 4 ähnlich, mit dem Unterschied, dass ein oder mehrere Luftströmungsdurchgänge 68 durch die Stege 52, 54 entlang eines Abschnittes von diesen benachbart zu der Blattspitze 30 definiert sind. Somit wird Luft aus dem Mittelumlaufkanal 70 durch diese Luftströmungsdurchgänge 68 als auch an dem Ende des Kanals 70 heraus geleitet, wobei die verbleibende Strömung durch den Mittelsteg 56 aufgeteilt wird. Es sollte erkannt werden, dass die Luftströmungsdurchgänge an jeder beliebigen Position entlang der Stege 52, 54 definiert sein können.The embodiment according to 10 is in its structure and function of the embodiment according to 4 similar, with the difference that one or more air flow passages 68 through the bridges 52 . 54 along a portion of these adjacent to the blade tip 30 are defined. Thus, air from the central circulation channel 70 through these air flow passages 68 as well as at the end of the canal 70 out, with the remaining flow through the center bar 56 is split. It should be appreciated that the airflow passages are at any position along the lands 52 . 54 can be defined.

Die vorliegende Erfindung umfasst auch vielfältige Verfahren zum Enteisen eines Windkraftanlagenrotorblatts 16 gemäß den vorstehend unter Bezugnahme auf 4 bis 10 beschriebenen Konzepten. Beispielsweise weist eine beispielhafte Verfahrensausführungsform ein simultanes Leiten erwärmter Luft durch einen inneren Vorderkantenkreislauf 58 und durch einen separaten inneren Hinterkantenkreislauf 60 innerhalb des Rotorblatts 16. Diese Verfahrensausführungsform kann ein Leiten der erwärmten Luft durch einen Mittelumlaufkanal 70 aufweisen, der dem Vorderkanten- und dem Hinterkantenfluidkreislauf 58, 60 gemeinsam ist.The present invention also includes a variety of methods for deicing a Wind turbine rotor blade 16 according to the above with reference to 4 to 10 described concepts. For example, one exemplary method embodiment includes simultaneously directing heated air through an inner leading edge circuit 58 and through a separate inner trailing edge circuit 60 inside the rotor blade 16 , This method embodiment may include passing the heated air through a central circulation passage 70 comprising the leading edge and trailing edge fluid circuits 58 . 60 is common.

In einem bestimmten Verfahren wird die erwärmte Luft als eine abströmende Luftströmung aus einer oder mehreren in dem Blattfußbereich 28 angeordneten Gebläse-Heizvorrichtungen 66 durch den Mittelumlaufkanal 70 in Richtung eines Blattspitzenbereichs 30 geleitet, wobei die abströmende Luftströmung an dem Spitzenbereich in getrennte Luftströmungen durch jeweiligen Vorder- und Hinterkantenkanal 62, 64 innerhalb des Rotorblatts umgeleitet wird. Das Verfahren kann ferner ein Aufrechterhalten der abströmende Luftströmung als eine einzige vereinigte Luftströmung durch den Mittelumlaufkanal 70 und Aufteilen der vereinigten Luftströmung in getrennte Rücklaufluftströmungen an dem Blattspitzenbereich 30 aufweisen.In one particular method, the heated air is referred to as an outflowing airflow from one or more in the blade root region 28 arranged fan heaters 66 through the central circulation channel 70 towards a blade tip area 30 wherein the outflowing airflow at the tip region into separate airflows through respective leading and trailing edge channels 62 . 64 is redirected within the rotor blade. The method may further include maintaining the outflowing airflow as a single unified airflow through the central circulation duct 70 and dividing the combined airflow into separate return airflows at the blade tip region 30 exhibit.

In einer alternativen Verfahrensausführungsform kann das Verfahren ein Aufrechterhalten der abströmenden Luftströmung aus einer oder mehreren Gebläse-Heizvorrichtungen 66 als separate Luftströmungen durch den Mittelumlaufkanal 70 und Umleiten dieser separaten Luftströmungen in jeweiligen Vorderkanten- und Hinterkantenkanal 62, 64 an dem Spitzenbereich des Rotorblatts aufweisen. In dieser Ausführungsform kann das Verfahren ein unabhängiges Steuern der Luftströmung durch den jeweiligen Vorderkanten- und Hinterkantenkreislauf 58, 60 aufweisen.In an alternative method embodiment, the method may include maintaining the outflowing airflow from one or more fan heaters 66 as separate air flows through the central circulation channel 70 and diverting these separate air streams into respective leading edge and trailing edge channels 62 . 64 at the tip portion of the rotor blade. In this embodiment, the method may include independently controlling the flow of air through the respective leading edge and trailing edge circuits 58 . 60 exhibit.

In einer noch weiteren Verfahrensausführungsform wird die erwärmte Luft als getrennte abströmende Luftströmungen aus einer oder mehreren Gebläse-Heizvorrichtungen 66, die in einem Fußbereich 28 des Rotorblatts angeordnet sind, durch jeweiligen Vorder- bzw. Hinterkantenkanal 62, 64 in Richtung des Blattspitzenbereichs 30 geleitet. An dem Spitzenbereich werden die abströmenden Luftströmungen durch den Mittelumlaufkanal 70 zurück zu dem Blattfußbereich 28 umgeleitet. Die separaten abströmenden Luftströmungen können in dem Mittelumlaufkanal 70 zu einer einzigen Rücklaufluftströmung vereinigt oder als separate Strömungen aufrechterhalten werden.In yet another embodiment of the method, the heated air is provided as separate outflowing airflows from one or more fan heaters 66 in a foot area 28 of the rotor blade are arranged through respective front and rear edge channels, respectively 62 . 64 in the direction of the blade tip area 30 directed. At the tip region, the outflowing air flows through the center circulation passage 70 back to the leaffoot area 28 diverted. The separate outflowing air streams may be in the central circulation channel 70 be combined into a single return airflow or maintained as separate flows.

Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie Strukturelemente enthalten, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.This written description uses examples to disclose the invention, including the best mode, and also to enable any person skilled in the art to practice the invention, for example, make and use any devices and systems and perform any methods associated therewith. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples of skill in the art. Such other examples are intended to be within the scope of the claims if they include structural elements that do not differ from the literal language of the claims, or if they include equivalent structural elements with insubstantial differences from the literal languages of the claims.

Ein System und Verfahren zum Enteisen eines Windkraftanlagenrotorblatts enthält sein gleichzeitiges Leiten erwärmter Luft durch einen inneren Vorderkantenkreislauf und einen gesonderten inneren Hinterkantenkreislauf innerhalb des Rotorblatts.A system and method for defrosting a wind turbine rotor blade includes simultaneously directing heated air through an inner leading edge circuit and a separate inner trailing edge circuit within the rotor blade.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Windkraftanlage Wind turbine
1212: Turm tower
1414: Gondel gondola
1616: Blätter leaves
1818: Rotornabe rotor hub
2020: Oberes Schalenelement Upper shell element
2222: Unteres Schalenelement Lower shell element
2424: Vorderkante leading edge
2525: Innerer Hohlraum / inneres Volumen Inner cavity / inner volume
2626: Hinterkante trailing edge
2828: Blattfuß blade root
3030: Blattspitze blade tip
3232: Holmgurte spar caps
3333: Stege Stege
3434: Aspekt in Spannweitenrichtung Aspect in the spanwise direction
5050: Strukturelles Element Structural element
5252: Erster Steg First walkway
5454: Zweiter Steg Second pier
5555: Mittelkanalrohr Central sewer pipe
5656: Mittelsteg (Trennstruktur) Middle bar (separation structure)
5858: Vorderkantenfluidkreislauf Leading edge fluid circuit
6060: Hinterkantenfluidkreislauf Bute fluid circuit
6262: Vorderkantenkanal Leading edge channel
6464: Hinterkantenkanal Trailing edge passage
6565: Fluidbehandlungssystem Fluid handling system
6666: Gebläse-Heizvorrichtung Blower-heater
6767: Kanalführung ducting
6868: Luftströmungsdurchgänge Air flow passages
7070: Mittelumlaufkanal Medium circulation channel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

CA 2228145 [0006, 0007, 0008]
EP 0842360 B1 [0006]

Claims

Rotor blade for a wind turbine with integrated de-icing capability, the rotor blade comprising: a leaf foot; a leaf tip; a leading edge and a trailing edge extending between the blade tip and the blade root; Structural elements which are arranged in an inner volume of the rotor blade; the structural elements defining a leading edge fluid circuit and a separate trailing edge fluid circuit; and a fluid handling system disposed in the interior volume of the rotor blade and configured with structural members to direct a heated fluid medium through the leading edge and trailing edge fluid circuits.

The rotor blade of claim 1, wherein the structural members define a spanwise circumferential central circulation passage common to the leading edge and trailing edge fluid circuits; the structural members preferably having a first land located near the leading edge and defining a leading edge channel of the leading edge fluid circuit and a second land located proximate to the trailing edge defining a trailing edge channel of the trailing edge fluid circuit, the center circulation channel being between the first and the second bridge is defined.

A rotor blade according to claim 2, wherein the fluid treatment system comprises at least one fan heater disposed within the blade root for directing a heated outflow airflow through the leading edge and trailing edge circuits.

A rotor blade according to claim 3, wherein the fan heater is arranged to direct the outflowing airflow along the central circulation duct to the adjacent blade tip where the heated outflowing airflow splits into separate return airflows through the leading edge and trailing edge ducts, respectively Flow leaffoot; and / or wherein the fan heater is arranged to direct the outflowing airflow as separate flows through the leading edge and trailing edge channels, wherein the separate flows adjacent the blade tip combine into a single return airflow through the center circulation passage and back to the blade root ,

The rotor blade of claim 3, wherein the heated outflow airflow is a single airflow within the center circulation passage such that the leading edge and trailing edge fluid circuits share a common outflow section through the center circulation passage.

The rotor blade of claim 3, further comprising a separation structure within the central circulation passage such that the leading edge and trailing edge fluid circuits have separate flow portions along at least a portion of the center circulation passage.

A rotor blade according to claim 6, wherein the separation structure extends from the blade tip into the center circulation passage; and / or wherein the divider structure extends completely through the central circulation passage and divides the center circulation passage into separate flow passages, and further comprising a separate respective blower heater disposed within the blade foot for each of the separate flow passages, the flow of air through the leading edge and the trailing edge fluid circuit are independently controllable.

A rotor blade according to claim 2, wherein the webs have air flow passages defined therealong at a spanwise portion of the webs adjacent the blade tip.

A method of de-icing a wind turbine rotor blade, the method comprising directing heated air through an inner leading edge circuit and a separate inner trailing edge circuit within the rotor blade.

The method of claim 9, further comprising directing the heated air through a central circulation passage common to the leading edge and trailing edge fluid circuits; and or further comprising directing the heated air through a central circulation passage common to the leading edge and trailing edge circuits and using a separation structure extending at least partially into the central circulation passage from the blade tip to divide the heated air into separate air streams; and or wherein a spanwise center circulation passage is common to the leading edge and trailing edge fluid circuits, wherein the center circulation passage is defined by a first land located near the leading edge and a second land located near the trailing edge the method further comprises directing the heated air through airflow passages defined in the first and second lands along a spanwise portion of the lands adjacent the blade tip.