DE102014205016A1

DE102014205016A1 - Geräuschreduziertes Rotorblatt einer Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102014205016A1
Application number: DE102014205016.2A
Authority: DE
Inventors: Sascha Erbslöh; Tom Gerhard; Thomas Carolus
Original assignee: Senvion GmbH
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy Service GmbH
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-09-24
Also published as: WO2015140093A1; EP3120018A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt (20) einer Windenergieanlage mit einem Rotor, der insbesondere eine im Wesentlichen horizontale Drehachse aufweist, wobei das Rotorblatt (20) eine Rotorblattschale (29) mit einer Saugseite (10) und einer Druckseite (12) aufweist und sich von einem wurzelseitigen Ende (26) bis zu einer Rotorblattspitze (27) erstreckt, wobei das Rotorblatt (20) zudem ein Profil (11) aufweist, wobei das Profil (11) eine Profilsehne definiert, die sich von einer Rotorblattnase (13) zu einer Rotorblatthinterkante (14) erstreckt. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage. Das erfindungsgemäße Rotorblatt zeichnet sich dadurch aus, dass eine verschließbare Luftströmungsvorrichtung (15–18, 21, 22, 28) vorgesehen ist, die ein Verschlusselement (16) in der Rotorblattschale (29) vorsieht, wobei zum Vorsehen einer ergänzenden Luftströmung zu einer auf der Saugseite (10) und/oder Druckseite (12) vorherrschenden Luftströmung das Verschlusselement (16) geöffnet ist oder wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt einer Windenergieanlage mit einem Rotor, der insbesondere eine im Wesentlichen horizontale Drehachse aufweist, wobei das Rotorblatt eine Rotorblattschale mit einer Saugseite und einer Druckseite aufweist und sich von einem wurzelseitigen Ende bis zu einer Rotorblattspitze erstreckt, wobei das Rotorblatt zudem ein Profil aufweist, wobei das Profil eine Profilsehne definiert, die sich von einer Rotorblattnase zu einer Rotorblatthinterkante erstreckt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem Rotor, der wenigstens ein Rotorblatt aufweist, wobei das Rotorblatt eine Rotorblattschale aufweist.
Übliche Windenergieanlagen, insbesondere axialer Bauart, d.h. Windenergieanlagen, deren Rotor eine Drehachse aufweist, die im Wesentlichen horizontal angeordnet ist, dienen üblicherweise zur Stromerzeugung. Aufgrund der sich relativ schnell bewegenden Rotorblätter kommt es allerdings zu einem Strömungslärm, so dass die Windenergieanlagen nur in relativ großen Abständen von Wohngebieten aufgestellt werden können. Auch bei der Aufstellung im Meer, d.h. offshore, spielt die Lärmreduktion zum Schutz der Meeresfauna eine immer wichtigere Rolle.
Um Strömungslärm zu vermeiden, sind mehrere Maßnahmen bekannt. Es sollte beispielsweise eine möglichst dünne Hinterkante der Rotorblätter vorgesehen sein. Zusätzlich können Bürsten an den Hinterkanten angebracht werden oder gezackte Hinterkanten vorgesehen sein. Es können auch schalloptimierte Rotorblattprofile verwendet werden und Winglets an den Blattspitzen.
Aus WO 2013/076008 A1 ist eine Windenergieanlage bekannt, bei der ein Fluid in eine turbulente Luftströmung an der Hinterkante eines Rotorblattes eingebracht wird, um die Lautstärke, die durch das Rotorblatt erzeugt wird, zu reduzieren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rotorblatt anzugeben, mittels dessen eine effiziente Schallreduktion möglich ist, wobei insbesondere die aerodynamischen Eigenschaften des Rotorblattes möglichst wenig beeinflusst werden sollen. Insbesondere soll eine Möglichkeit vorgesehen sein, auch witterungsbedingte Beeinflussungen zu reduzieren.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Rotorblatt einer Windenergieanlage mit einem Rotor, der insbesondere eine im Wesentlichen horizontale Drehachse aufweist, wobei das Rotorblatt eine Rotorblattschale mit einer Saugseite und einer Druckseite aufweist und sich von einem wurzelseitigen Ende bis zu einer Rotorblattspitze erstreckt, wobei das Rotorblatt zudem ein Profil aufweist, wobei das Profil eine Profilsehne definiert, die sich von einer Rotorblattnase zu einer Rotorblatthinterkante erstreckt, das dadurch weitergebildet ist, dass eine verschließbare Luftströmungsvorrichtung vorgesehen ist, die ein Verschlusselement in der Rotorblattschale vorsieht, wobei zum Vorsehen einer ergänzenden Luftströmung zu einer auf der Saugseite und/oder Druckseite vorherrschenden Luftströmung das Verschlusselement geöffnet ist oder wird.
Durch Vorsehen einer verschließbaren Luftströmungsvorrichtung ist es möglich, sehr effizient eine ergänzende Luftströmung zu einer auf der Saugseite und/oder Druckseite vorherrschenden Luftströmung hinzuzufügen, so dass die vorherrschenden Turbulenzen, die außen an dem Rotorblatt bzw. Profil des Rotorblattes vorherrschen, reduziert werden. Insbesondere ist es hierdurch möglich, die Schallemission bei niedrigeren Frequenzen zu reduzieren, wobei die durch die ergänzende Luftströmung unter Umständen entstehenden höheren Frequenzanteile in der umgebenden Luft schneller gedämpft werden.
Vorzugsweise ist das Verschlusselement wenigstens abschnittsweise elastisch ausgebildet. Hierdurch ist das Verschlusselement ohne Verschleiß bzw. mit wenig Verschleiß häufig verschließbar und wieder zu öffnen. Vorzugsweise ist das Verschlusselement als flexible Lippe ausgebildet.
Vorzugsweise ist das Verschlusselement zum verschlossenen Zustand hin bzw. zur verschlossenen Lage vorgespannt. Das Verschlusselement verschließt somit die Luftströmungsvorrichtung, wenn keine weiteren Kräfte das Verschlusselement öffnen. Wenn vorzugsweise das Verschlusselement in geöffnetem Zustand als zur Rotorblatthinterkante gerichtete Schlitzdüse ausgebildet ist, kann effizient ein großer Bereich des Rotorblatts, insbesondere in der Nähe der Rotorblattspitze, schallreduziert betrieben werden.
Vorzugsweise ist das Verschlusselement auf der Saugseite der Rotorblattschale angeordnet. Hierdurch lässt sich ohne zu starke aerodynamische Einbußen ein sehr geräuschreduzierter Betrieb der Windenergieanlage erreichen.
Wenn sich vorzugsweise das Verschlusselement in geschlossenem Zustand außen an das Profil des Rotorblattes anschmiegt, bleiben die aerodynamischen Eigenschaften des Rotorblattes im Wesentlichen durch das Verschlusselement unverändert. Hierbei übernimmt die Außenseite des Verschlusselements vorzugsweise die Kontur des Profils bzw. der Außenseite der Rotorblattschale.
Wenn vorzugsweise die Luftströmungsvorrichtung einen Luftführungskanal aufweist, der von dem wurzelseitigen Ende des Rotorblatts in Richtung der Rotorblattspitze bis auf die Höhe des Verschlusselements reicht, ist eine effiziente und aerodynamisch günstige Zuführung einer ergänzenden Luftströmung bzw. eines ergänzenden Luftstroms zu dem Verschlusselement möglich.
Vorzugsweise ist das Verschlusselement auf einer Höhe zwischen 75% bis 95%, insbesondere 80% bis 95%, insbesondere 80% bis 90%, der Profilsehnenlänge von der Rotorblattnase aus angeordnet. Das Verschlusselement ist somit in der Nähe der Rotorblatthinterkante angeordnet. Durch diese Maßnahme verändern sich turbulente Luftströmungsstrukturen im Bereich der Hinterkante des Rotorblatts. Insbesondere werden größere Turbulenzballen zerstört und zerfallen in kleinere Turbulenzballen, die akustisch weniger relevant sind. An dem Bereich der Hinterkante, der durch die ergänzende Luftströmung beeinflusst wird, erfährt die Luft einen sanfteren Übergang von der festen Oberfläche des Rotorblatts zur freien Strömung. Vorzugsweise ist das Verschlusselement im Wesentlichen oder vollständig parallel zu der Rotorblatthinterkante angeordnet.
Vorzugsweise ist die Höhe der Öffnung des geöffneten Verschlusselements zwischen 0,5% und 3% der Profilsehnenlänge. Hiermit findet insbesondere eine Anpassung der Höhe der ergänzenden Luftströmung an die am Rotorblatt anliegende Grenzschicht statt. Die Grenzschicht ist im hinteren Bereich eine turbulente Luftschicht, die an der Rotorblattschale anliegt und wird von der Rotorblattschale und einer freien Außenluftströmung umschlossen.
Wenn vorzugsweise am Ort des Verschlusselements die ergänzende Luftströmung eine Geschwindigkeit von 10% bis 150%, insbesondere 25% bis 75%, der vorherrschenden Luftströmung hat, wird turbulente kinetische Energie in der Grenzschicht reduziert. Es wird zudem insbesondere nicht soviel Luft ausgeblasen, dass ein grenzschichtverursachtes Geschwindigkeitsdefizit unmittelbar hinter dem Rotorblatt ausgeglichen wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die ergänzende Luftströmung im Wesentlichen ausschließlich dazu dient, Turbulenzen zu reduzieren, und damit die Lärmbelästigung zu reduzieren.
Vorzugsweise ist das Verschlusselement bei einem vorgebbaren Differenzdruck zwischen dem Druck innerhalb der Luftzuführung und außerhalb des Rotorblatts im Bereich des Verschlusselements sich öffnend ausgebildet. Beispielsweise kann der Differenzdruck so vorgegeben sein, dass bei einer Rotation des Rotors mit einer vorgebaren Drehzahl die Fliehkraft der Luft in der Luftströmungsvorrichtung ausreichend ist, um das Verschlusselement zu öffnen.
Wenn vorzugsweise der Luftführungskanal im Bereich des Verschlusselements zum Verschlusselement hin porös ausgebildet ist und/oder am wurzelseitigen Ende des Rotorblatts ein Strömungssieb vorgesehen ist, ist es möglich, eine gleichmäßige ergänzende Luftströmung vorzusehen und/oder die ergänzende Luftströmung zu reinigen und/oder von der Menge her einzustellen.
Vorzugsweise ist ein Gebläse vorgesehen, das einen Luftstrom in der Luftströmungsvorrichtung erzeugt, wobei insbesondere eine Heizvorrichtung vorgesehen ist, mittels der ein erwärmter Luftstrom zur Verfügung stellbar ist oder gestellt ist. Das Gebläse ist vorzugsweise in der Rotornabe der Windenergieanlage vorgesehen.
Das erfindungsgemäße Rotorblatt weist vorzugsweise einen speziell geformten Ausblasschlitz auf, der mit einem wenigstens teilweise flexiblen oder wenigstens teilweise elastischen Verschlusselement verschlossen werden kann. Es wird hierbei eine Luftströmung erzeugt, die beispielsweise durch Druckluft aus einem Druckluftreservoir bzw. einer Zuführung, die von der Rotorblattwurzel bis in den Bereich des Reservoirs reicht, gespeist wird.
Zudem kann eine Zuführung zwischen dem Druckluftreservoir und dem Ausblasschlitz vorgesehen sein.
Die am Ausblasschlitz ausströmende Luft beeinflusst die turbulente Grenzschicht im Bereich der Blatthinterkante dahingehend, dass die turbulenzerzeugten Druckschwankungen und damit der abgestrahlte Hinterkantenschall reduziert werden.
Hierbei ist es bevorzugt, eine Schlitzhöhe des Ausblasschlitzes im Verhältnis zur Profilsehnenlänge von 0,5% bis 3% vorzusehen. Vorzugsweise ist eine Lage des Ausblasschlitzes von der Vorderkante bzw. Rotorblattnase aus gemessen bei 80% bis 95% der Profilsehnenlänge. Ferner ist ein Ausblaswinkel von 0° bis –30°, insbesondere –1° bis –15°, relativ zum Winkel der Profilsehne besonders bevorzugt, um einen Luftstrom bzw. Jet zu erzeugen, der parallel zur Profilgeometrie verläuft. Besonders ist zudem, dass die Ausblasgeschwindigkeit der Druckluft am Schlitz 10% bis 150%, insbesondere 25% bis 75%, der freien Ausströmungsgeschwindigkeit am Blattsegment vorzugsweise ist.
Die Druckluft kann beispielsweise mit einem Gebläse erzeugt werden. Zudem unterstützt je nach Lage des Ausblasschlitzes im Rotorblatt mehr oder weniger die natürliche Fliehkraft die Förderung der Luft. Es kann auch eine Förderung der Luft alleine durch die Fliehkraft vorgesehen sein, so dass das Gebläse ausgeschaltet sein kann oder nicht einmal verbaut.
Um eine aerodynamisch negative Auswirkung des Ausblasschlitzes zu minimieren, ist vorzugsweise eine elastische Lippe, beispielsweise eine Gummilippe oder eine dünne und flexible Schicht aus Glasfaser verstärktem Kunststoff, vorgesehen, die sich nur durch den Innendruck und/oder den Unterdruck auf der Profilaußenseite abhebt und damit den Ausblasschlitz freigeben kann. Die elastische Lippe dient auch zum Schutz der feinen bzw. scharfen Kante der Rotorblattschale im Spaltbereich vor Witterungseinflüssen. Im Rahmen der Erfindung kann das Verschlusselement die Lippe sein.
Erfindungsgemäß ist eine Windenergieanlage mit einem vorbeschriebenen Rotorblatt versehen.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem Rotor, der wenigstens ein Rotorblatt aufweist, gelöst, wobei das Rotorblatt eine Rotorblattschale aufweist, wobei im Betrieb der Windenergieanlage ab einer vorgebbaren Drehzahl des Rotors ein Verschlusselement einer verschließbaren Luftströmungsvorrichtung geöffnet wird, um zu einer auf einer Druckseite und/oder Saugseite des Rotorblatts vorherrschenden Luftströmung eine ergänzende Luftströmung auszublasen.
Vorzugsweise öffnet sich beim Öffnen des Verschlusselements ein Schlitz in der Rotorblattschale, wobei die ergänzende Luftströmung aus dem Schlitz in Richtung einer Rotorblatthinterkante geblasen wird.
Vorzugsweise geschieht das Öffnen des Verschlusselements ab einer vorgebbaren Druckdifferenz am Verschlusselement automatisch.
Vorzugsweise wird die ergänzende Luftströmung mit einer Ausblasgeschwindigkeit ausgeblasen, die zwischen 10% und 150%, insbesondere 25% und 75%, der Geschwindigkeit der außen an dem Verschlusselement vorherrschenden Luftströmungsgeschwindigkeit entspricht.
Wenn vorzugsweise die ergänzende Luftströmung erwärmt wird oder ist, kann zudem eine Rotorblattenteisung durchgeführt oder unterstützt werden. Zudem kann hierdurch auch eine Rotorblattentwässerung unterstützt werden.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
1 ein schematisches Profil eines erfindungsgemäßen Rotorblattes in einer ersten Ausführungsform,
2 eine schematische Darstellung eines Ausschnittes aus 1,
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rotorblattes in Draufsicht,
4 eine schematische Darstellung eines Profils eines erfindungsgemäßen Rotorblattes in einer weiteren Ausführungsform,
5 eine schematische Darstellung eines Profils eines weiteren erfindungsgemäßen Rotorblattes in einer dritten Ausführungsform,
6 ein Diagramm des gemessenen Schaltdruckpegels über eine Frequenz,
7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rotorblattes in Draufsicht in einer weiteren Ausführungsform,
8 eine schematische Darstellung eines Profils des erfindungsgemäßen Rotorblattes aus 7 entlang des Schnittes A-A, und
9 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils aus 8 in vergrößerter Darstellung.
In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
1 zeigt schematisch ein Profil 11 eines erfindungsgemäßen Rotorblattes 20, wobei das Rotorblatt 20 hier in einer Art Schnittdarstellung gezeigt ist. Das Profil 11 weist eine Rotorblattnase 13 und eine Rotorblatthinterkante 14 auf. Zwischen der Rotorblattnase 13 und der Rotorblatthinterkante 14 ist eine nicht dargestellte Sehne bzw. Profilsehne definiert, die je nach Größe des Rotorblattes und der Lage des Profils zwischen einer Rotorblattwurzel 26 und einer Rotorblattspitze 27 variieren kann.
Das Profil 11 weist eine Saugseite 10 und eine Druckseite 12 auf. Das Rotorblatt 20 kann bevorzugt wie üblich aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt sein und eine Rotorblattschale 29 aufweisen, die eine entsprechende Dicke hat.
In den 1, 4 und 5 ist das Rotorblatt 20 als Vollmaterial dargestellt. Es sind allerdings insbesondere Rotorblätter vorzusehen, die eine Rotorblattschale aufweisen und innen im Wesentlichen hohl sind.
In dem Rotorblatt ist ein Luftreservoir 18 vorgesehen, dass eine Luftströmung bzw. eine Druckluft über die Luftzuführung 17 zu einem Ausblasschlitz 15 führt. Der Ausblasschlitz 15 ist zur Rotorblatthinterkante 14 geöffnet und ergänzt die um das Rotorblatt herrschende Luftströmung bzw. die dort auf der Saugseite 10 vorherrschende Luftströmung um eine ergänzende Luftströmung.
Hierdurch wird der Schalldruckpegel des Hinterkantenschalls des Rotorblattes reduziert. Erfindungsgemäß ist nun ein Verschlusselement 16 vorgesehen, dass vorzugsweise als flexible Lippe bzw. elastisches Verschlusselement ausgebildet ist und insbesondere vorzugsweise automatisch sich dann öffnet, wenn der Druck, der von innen auf das Verschlusselement 16 drückt, größer ist als der Druck, der von außen auf das Verschlusselement drückt. Das Verschlusselement 16 öffnet beispielsweise auch dann, wenn auf der Saugseite des Rotorblattes ein Unterdruck anliegt.
Das Verschlusselement 16 kann so ausgebildet sein, dass es erst bei einem vorgebbaren Differenzdruck öffnet.
2 zeigt noch einmal schematisch einen Ausschnitt der 1, wobei der Bereich der Hinterkante 14 dargestellt ist. In diesem Ausschnitt ist das Verschlusselement 16 geschlossen dargestellt. Bei einer Öffnung nach oben stellt der Winkel des Verschlusselements 16 zu dem Profil des Rotorblattes den Ausblaswinkel dar. Bei einer Verstellung bzw. Öffnung des Verschlusselements 16 nach oben ist von einem negativen Winkel die Rede. Bevorzugt ist ein Öffnungswinkel von –1° bis –30°, insbesondere von –10° bis –15°.
Der Doppelpfeil zeigt die Beweglichkeit des Verschlusselements 16. Wie zu erkennen ist, schmiegt sich das Verschlusselement 16 harmonisch an das Profil 11 des Rotorblattes an, so dass bei verschlossenem Verschlusselement 16 die aerodynamischen Eigenschaften des Rotorblattes 20 bzw. des Profils 11 im Wesentlichen unbeeinflusst sind.
Das Verschlusselement 16 kann mit einer entsprechenden Vorspannung geschlossen sein und erst ab einer vorgebbaren Druckdifferenz zwischen Innendruck, d.h. in der Zuführung 17, im Vergleich zum Außendruck aufgehen. Durch Vorsehen eines elastischen Verschlusselements können sehr enge Toleranzen eingespart werden. Insbesondere öffnet sich das elastische Verschlusselement ab einer vorgebbaren Drehzahl, die im Bereich der Drehzahl ist, ab der Strom produziert wird. Vorzugsweise öffnet sich das Verschlusselement oberhalb einer Startdrehzahl. Das Verschlusselement kann beispielsweise eine Gummilippe sein.
Das Verschlusselement kann auch als Dichtelement ausgebildet sein.
3 zeigt schematisch ein Rotorblatt 20 in einer Draufsicht. Das Rotorblatt 20 erstreckt sich von einer Rotorblattwurzel 26 bis zu einer Rotorblattspitze 27. Von der Rotorblattwurzel 26 ist eine Luftführung 22 vorgesehen, die beispielsweise als Rohr ausgebildet sein kann und sich weiter bis in den Bereich der Rotorblattspitze 27 erstreckt. Insbesondere erstreckt sich die Luftführung 22 bis zum Luftreservoir 18, das in Wirkverbindung mit dem Ausblasschlitz 15 steht. Der Ausblasschlitz 15 kann von der Lippe 16 verschlossen sein. Alternativ öffnet die Lippe 16 den Ausblasschlitz 15 oder ist Teil des Ausblasschlitzes 15.
Das Rotorblatt 20 weist eine Rotorblattschale 29 beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff auf, wie dieses üblich ist. Es sind zudem auch ein Gurt vorgesehen, der nicht dargestellt ist, und zwei Stege 23 und 24, die die Rotorblattoberseite mit der Rotorblattunterseite verbinden und Scherkräfte aufnehmen. Es ist erkennbar, dass der Ausblasschlitz 15 nahe an der Hinterkante 14 des Rotorblattes 20 angeordnet ist und in der Nähe der Rotorblattspitze 27. In 1 ist der Ort des Ausblasschlitzes 25 relativ zur Profilsehnenlänge bei 95% gemessen von der Rotorblattnase 13.
In der 4, in der schematisch auch ein weiteres Profil 11 eines erfindungsgemäßen Rotorblattes dargestellt ist, liegt der Ausblasschlitz bei 84% der Profilsehnenlänge, auch wieder von der Rotorblattnase 13 aus gemessen. In 5 liegt der Ausblasschlitz bei ca. 88% der Profilsehnenlänge gemessen von der Rotorblattnase 13.
In 5 ist entsprechend auch schematisch ein weiteres Profil eines Rotorblattes dargestellt, wobei als weitere Besonderheit ein poröses Rohr 28 vorgesehen ist, das eine Vergleichmäßigung der Luftströmung in der Luftzuführung 17 ermöglicht, so dass ein sehr gleichmäßiger Luftstrom aus dem Ausblasschlitz 15, der in 5 durch die Lippe 16 verschlossen ist, bei geöffneter Lippe 16 strömen kann.
In 3 ist noch schematisch ein Strömungssieb 21 dargestellt, mittels dessen auch eine gleichmäßige Strömung erzielbar ist und zudem auch eine Strömungsmenge einstellbar ist. Je nach vorgesehenem Gebläsedruck bzw. Drehzahl des Rotorblattes ergibt sich somit eine gewisse Luftmenge, die aus dem Ausblasschlitz 15 ausgeblasen werden kann.
Durch das Zuführen der Ausblasluft verändern sich die turbulenten Strukturen im Bereich der Blatthinterkante, insbesondere werden größere Turbulenzballen zerstört und zerfallen zu kleineren, die akustisch weniger relevant sind. An der Hinterkante des Rotorblattes, und zwar insbesondere dort, wo der Wirkbereich des Ausblasschlitzes ist, erfährt das Fluid, das um das Rotorblatt strömt, damit einen sanfteren Übergang von der festen Oberfläche zur freien Strömung.
Es wird vergleichsweise wenig Luft ausgeblasen. Es wird mit der jeweiligen Luftmenge das grenzschichtverursachende Geschwindigkeitsdefizit unmittelbar hinter dem Rotorblatt nicht ausgeglichen. Aus den oben genannten Zahlen für die Abmessung des Ausblasschlitzes 15 und der Ausblasgeschwindigkeit ergibt sich ein niedriger Luftvolumenstrom, der ausreicht, um die turbulente kinetische Energie im Bereich der Hinterkante und damit den Hinterkantenschall zu reduzieren, allerdings nur wenig die aerodynamischen Eigenschaften des Profils ändert.
6 zeigt schematisch ein Diagramm eines gemessenen Schalldruckpegels in dB über einer Frequenz in Hz. Der Hinterkantenschall, der hier gemessen wurde, liegt in einem Frequenzbereich zwischen 250 Hz und 750 Hz und ist repräsentiv für Versuchsergebnisse eines Windkanalmodells. Die Bezugsziffer 32 bezeichnet einen Hinterkantenschall ohne das erfindungsgemäße Ausblasen und die Bezugziffer 33 den Hinterkantenschall mit dem erfindungsgemäßen Ausblasen. Es ist insbesondere zu erkennen, dass im Bereich von 250 Hz bis 750 Hz eine deutliche Reduktion des Schalls durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Ausblasschlitzes erzielt wird. Die Ausführungsformen gemäß den 1 und 2 sowie 4 und 5 sind vorzugsweise Windkanalmodelle.
7 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Rotorblatt in einer weiteren Ausführungsform. Es ist zu erkennen, dass an Stelle eines Ausblasschlitzes an der Hinterkante des Rotorblattes drei Ausblasschlitze 15, 15‘, 15‘‘ vorgesehen sein können. Vorzugsweise werden vorgefertigte Segmente in die Rotorblattschale, hier insbesondere die Saugseite des Rotorblattes eingebracht, insbesondere eingeklebt.
8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang des Schnittes der Linie A-A aus 1. Die Saugseite 10 des Rotorblattes ist an den Verklebungsstellen 42‘‘ und 42‘‘‘ mit der Druckseite 12 verklebt. Zudem sind ein vorderer Steg 23 und ein hinterer Steg 24 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Luftreservoir 18 durch den hinteren Steg 24 und die Rotorblattschalen der Saugseite 10 und der Druckseite 12 begrenzt.
Um Dreck oder Schmuck aus dem Ausblasschlitz 15‘‘ entfernt zu halten, ist ein flexibler Schaum oder ein poröses Material 41 von unten auf die Rotorblattschale der Saugseite 10 aufgeklebt.
Zudem ist zu erkennen, dass ein Einbauteil 40 in die Rotorblattschale eingeklebt ist, und zwar an den Verklebungsstellen 42 und 42‘. Hierzu sind die Verklebungsstellen der Rotorblattschale und des Einbauteils 40 angefast. Insbesondere sind diese jeweils formkomplementär zueinander angefast. Hierdurch ist eine sehr genaue Einpassung möglich.
Das Einbauteil 40 ist vorzugweise ein Kompositbauteil. Glasfaser verstärkter Kunststoff ummantelt hier beispielsweise einen Schaumstoff 44.
Das Verschlusselement 16 ist als dünne Lippe aus Glasfaser verstärktem Kunststoff ausgebildet, die sich bei entsprechender Druckdifferenz oder vorgebbarer Druckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite des Rotorblattes öffnet.
Die profilierte Außenseite 43 des Einbauteils 40 entspricht der Kontur des Profils 11 des Rotorblattes. Um keinen zu hohen Druckverlust zu erleiden, ist eine Abrundung 45 im Inneren des Einbauteils vorgesehen. Durch Vermeiden von scharfen Kanten wird auch ein Überdruckverlust vermieden.
Das Einbauteil 40 kann auch ausschließlich aus Glasfaser verstärktem Kunststoff gefertigt sein.
Vorzugsweise ist das Verschlusselement 16 so ausgebildet, dass dieses bei den im Betrieb vorherrschenden Druckverhältnissen entsprechend weit öffnet, beispielsweise um –15°, so dass ein entsprechender Ausblaswinkel gegeben ist, der dafür sorgt, dass ein ergänzender Luftstrom ausgeblasen wird, der parallel zur Profilgeometrie verläuft.
Typische Werte für Ausblasgeschwindigkeiten von 10% bis 150% der freien Außenströmung liegen bei 8 m/s bis 120 m/s. Ein typischer Volumenstrom beträgt zwischen 0,25 m³/s und 4 m³/s pro Meter. Druckbeiwerte auf der Oberfläche eines typischen Profils zwischen 75% und 90% Tiefe der Sehnenlänge liegen in der Größenordnung von Cp = –0,1 bis –0,5. Dies entspricht –300 bis –1.500 Pa Unterdruck. Durch die Zentrifugalkraft ergibt sich im Hohlraum eines Rotorblattes bei entsprechenden Drehzahlen ein Überdruck von typischerweise 3.000 Pa im Blattspitzenbereich. Je nach Blattlänge, Rotordrehzahl und Blattverformung schwankt dieser Wert etwas. Damit ergibt sich eine Druckdifferenz am Ausblasschlitz von 4.000 Pa bis 5.000 Pa.
Zudem kann die Ausblasluft auch gewärmt werden oder gewärmt sein. Beispielsweise kann Ausblasluft aus dem Maschinenhaus zur Verfügung gestellt werden. Dies kann dazu dienen, einen Eisansatz zu vermeiden. Die flexible Lippe bzw. das Verschlusselement dient auch als Schutz vor witterungsbedingten Einflüssen.
Insbesondere vorzugsweise ist der Ausblasschlitz im äußeren Drittel des Rotorblattes angeordnet. Es ist ein geringer energetischer Aufwand gegeben, da nur geringe Ausblasvolumenströme benötigt werden.
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
Bezugszeichenliste

10: Saugseite
11: Profil
12: Druckseite
13: Rotorblattnase
14: Rotorblatthinterkante
15, 15‘, 15‘‘: Ausblasschlitz
16: Verschlusselement
17: Luftzuführung
18: Luftreservoir
20: Rotorblatt
21: Strömungssieb
22: Luftführung
23: Steg
24: Steg
26: Rotorblattwurzel
27: Rotorblattspitze
28: poröses Rohr
29: Rotorblattschale
30: Schalldruckpegel [dB]
31: Frequenz [Hz]
32: Hinterkantenschall ohne Ausblasen
33: Hinterkantenschall mit Ausblasen
40: Einbauteil
41: poröses Material
42, 42’, 42‘‘, 42‘‘‘: Verklebungsstelle
43: profilierte Außenseite
44: Schaumstoff
45: Abrundung
46, 46‘: Verbindungsseite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/076008 A1 [0005]

Claims

Rotorblatt (20) einer Windenergieanlage mit einem Rotor, der insbesondere eine im Wesentlichen horizontale Drehachse aufweist, wobei das Rotorblatt (20) eine Rotorblattschale (29) mit einer Saugseite (10) und einer Druckseite (12) aufweist und sich von einem wurzelseitigen Ende (26) bis zu einer Rotorblattspitze (27) erstreckt, wobei das Rotorblatt (20) zudem ein Profil (11) aufweist, wobei das Profil (11) eine Profilsehne definiert, die sich von einer Rotorblattnase (13) zu einer Rotorblatthinterkante (14) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass eine verschließbare Luftströmungsvorrichtung (15–18, 21, 22, 28) vorgesehen ist, die ein Verschlusselement (16) in der Rotorblattschale (29) vorsieht, wobei zum Vorsehen einer ergänzenden Luftströmung zu einer auf der Saugseite (10) und/oder Druckseite (12) vorherrschenden Luftströmung das Verschlusselement (16) geöffnet ist oder wird.
Rotorblatt (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (16) wenigstens abschnittsweise elastisch ausgebildet ist.
Rotorblatt (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (16) in geöffnetem Zustand als zur Rotorblatthinterkante (14) gerichtete Schlitzdüse (15) ausgebildet ist.
Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (16) auf der Saugseite (10) der Rotorblattschale (29) angeordnet ist.
Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Verschlusselement (16) in geschlossenem Zustand außen an das Profil (11) des Rotorblattes (20) anschmiegt.
Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftströmungsvorrichtung (15–18, 21, 22, 28) einen Luftführungskanal (22) aufweist, der von dem wurzelseitigen Ende (26) des Rotorblatts (20) in Richtung der Rotorblattspitze (27) bis auf die Höhe des Verschlusselements (16) reicht.
Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (16) auf einer Höhe zwischen 75% bis 95%, insbesondere 80% bis 95%, insbesondere 80% bis 90%, der Profilsehnenlänge von der Rotorblattnase (13) aus angeordnet ist.
Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Öffnung (15) des geöffneten Verschlusselements (16) zwischen 0,5% und 3% der Profilsehnenlänge ist.
Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Ort des Verschlusselements (16) die ergänzende Luftströmung eine Geschwindigkeit von 10% bis 150%, insbesondere 25% bis 75%, der vorherrschenden Luftströmung hat.
Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (16) bei einem vorgebbaren Differenzdruck zwischen dem Druck innerhalb der Luftzuführung (17) und außerhalb des Rotorblatts (20) im Bereich des Verschlusselements (16) sich öffnend ausgebildet ist.
Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftführungskanal (18, 22, 28) im Bereich des Verschlusselements (16) zum Verschlusselement (16) hin porös ausgebildet ist und/oder am wurzelseitigen Ende (26) des Rotorblatts (20) ein Strömungssieb (21) vorgesehen ist.
Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gebläse vorgesehen ist, das einen Luftstrom in der Luftströmungsvorrichtung (15–18, 21, 22, 28) erzeugt, wobei insbesondere eine Heizvorrichtung vorgesehen ist, mittels der ein erwärmter Luftstrom zur Verfügung stellbar ist oder gestellt ist.
Windenergieanlage mit einem Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem Rotor, der wenigstens ein Rotorblatt (20) aufweist, wobei das Rotorblatt (20) eine Rotorblattschale (29) aufweist, wobei im Betrieb der Windenergieanlage ab einer vorgebbaren Drehzahl des Rotors ein Verschlusselement (16) einer verschließbaren Luftströmungsvorrichtung (15–18, 21, 22, 28) geöffnet wird, um zu einer auf einer Druckseite (10) und/oder Saugseite (12) des Rotorblatts (20) vorherrschenden Luftströmung eine ergänzende Luftströmung auszublasen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich beim Öffnen des Verschlusselements (16) ein Schlitz (15) in der Rotorblattschale (29) öffnet, wobei aus dem Schlitz (15) in Richtung einer Rotorblatthinterkante (14) die ergänzende Luftströmung geblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen des Verschlusselements (16) ab einer vorgebbaren Druckdifferenz am Verschlusselement (16) automatisch geschieht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die ergänzende Luftströmung mit einer Ausblasgeschwindigkeit ausgeblasen wird, die zwischen 25% und 75% der Geschwindigkeit der außen an dem Verschlusselement (16) vorherrschenden Luftströmungsgeschwindigkeit entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ergänzende Luftströmung erwärmt wird oder ist.