DE102015007772A1

DE102015007772A1 - Rotorblatt mit Anti-Icing-Struktur, Verfahren zur Herstellung eines Rotorblatts und Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102015007772A1
Application number: DE102015007772.4A
Authority: DE
Inventors: Lasse Schön
Original assignee: Senvion GmbH
Current assignee: Senvion GmbH
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2016-12-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt (10) einer Windenergieanlage mit einer Anti-Icing-Struktur (30), wobei das Rotorblatt (10) eine Längserstreckung von einer Rotorblattwurzel (12) zu einer Rotorblattspitze (14) aufweist sowie entlang seiner Längserstreckung wenigstens abschnittsweise ein aerodynamisches Profil (15) mit einer Profilvorderkante (16), einer Profilhinterkante (18), einer Saugseite (20) und einer Druckseite (22), ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Rotorblatts (10) sowie eine Windenergieanlage mit wenigstens einem entsprechenden Rotorblatt (10). Erfindungsgemäß umfasst eine tragende Struktur (50) des Rotorblatts (10) die Profilhinterkante (18) und Teile der Saugseite (20) und der Druckseite (22) sowie eine vordere Abschlussfläche (60), die in Richtung auf die Profilvorderkante (16) hin ausgerichtet ist, wobei ein Vorderkantenprofil (17) des Rotorblatts (10) mit der Profilvorderkante (16) wenigstens abschnittsweise bis in einen rotorblattspitzenseitigen Endbereich (24) des Rotorblatts (10) hinein von der Anti-Icing-Struktur (30) gebildet wird, die wenigstens abschnittsweise als ein an zwei Enden offenes Luftleitrohr (32) ausgebildet ist, deren von der Profilvorderkante (16) abgewandte Seite als hintere Anschlussfläche (34) ausgebildet ist, die mit der Abschlussfläche (60) der tragenden Struktur (50) des Rotorblatts (10) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt einer Windenergieanlage mit einer Anti-Icing-Struktur, wobei das Rotorblatt eine Längserstreckung von einer Rotorblattwurzel zu einer Rotorblattspitze aufweist sowie entlang seiner Längserstreckung wenigstens abschnittsweise ein aerodynamisches Profil mit einer Profilvorderkante, einer Profilhinterkante, einer Saugseite und einer Druckseite, ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Rotorblatts sowie eine Windenergieanlage mit wenigstens einem entsprechenden Rotorblatt.
Windenergieanlagen in kühleren Regionen stehen häufig still, wenn sich an den Rotorblättern Eis bildet und die aerodynamische Performance beeinträchtigt. Nicht ausschließlich, aber besonders betroffen hiervon ist der Rotorblattspitzenbereich von ca. 15 bis 20% der Rotorblattlänge. Es ist bekannt, mit Hilfe von Rotorblattheizungen das Eis zu entfernen und die Anlage nach erfolgter Entfernung des Eises in Betrieb zu nehmen. Hierbei ist zu unterscheiden zwischen einer Enteisung im Stillstand (”De-Icing”) und einer dauerhaften Freihaltung von Eis bzw. Eisverhinderung im laufenden Betrieb (”Anti-Icing”).
Bei einer dauerhaften Eisverhinderung, also Anti-Icing, unter Vereisungsbedingungen ist aufgrund der hohen erzwungenen Konvektion bei den vorherrschenden lokalen Strömungsgeschwindigkeiten ein hoher Energieaufwand notwendig. Herkömmliche Systeme zum De-Icing sind unter diesen Bedingungen im Einsatz wenig praktikabel. Bei der Eisverhinderung ist es entscheidend, Energie so nah wie möglich an die Oberfläche zu transportieren, um die Blattoberfläche, an der sich Eis absetzt, zu erwärmen.
Bislang werden bereits einige Heizsysteme eingesetzt. Ein Beispiel hierfür sind Heizmatten, also Metallgitter, die elektrisch erhitzt werden. Bei solchen Lösungen, die metallische Komponenten im Rotorblatt enthalten, besteht ein Blitzschlagrisiko. Hier ist eine aufwendige Integration in ein Blitzschutzkonzept des Rotorblatts notwendig.
In anderen Windenergieanlagen werden Warmluftheizungen mit einem Warmluftkreislauf zwischen Vorderkasten und Stegen sowie Warmluftheizungen im Vorderkasten mit Hilfe eines Zwischensteges verwendet. Ein Beispiel einer solchen Warmluftheizung ist in US 7,217,091 B2 beschrieben. Diese Warmluftheizungen verwenden elektrische Energie in der Nabe der Windenergieanlage, die in Wärme und einen Massenstrom umgewandelt wird. Die dazu benötigte elektrische Energie verringert den Ertrag der Windenergieanlage. Aufgrund der üblicherweise geringen zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung in den Rotornaben der Windenergieanlagen und der hohen Wärmeverluste der bekannten Enteisungssysteme ist ein dauerhaftes Anti-Icing sehr schwierig und funktioniert nur bei leichten Vereisungsbedingungen.
Bei den bekannten Systemen zur partiellen Enteisung des äußeren Rotorblattbereichs werden Hilfsstege, Abschlussplatten und Rohre eingebaut. Diese Bauteile sind im fertigen Rotorblatt nicht mehr zugänglich, so dass bei einem Defekt das Rotorblatt von der Windkraftanlage demontiert und der entsprechende Bereich aufgesägt werden muss. Eine Reparatur bei Beschädigungen während der Lebensdauer von wenigstens 20 Jahren ist daher sehr teuer.
Eine weitere vom Material vorgegebene Grenze besteht darin, dass das im Rotorblatt verbaute Material, üblicherweise Faserverbundmaterialien, nur bis zu einer bestimmten Temperaturgrenze erwärmt werden kann, bevor eine Schwächung eintritt. Bei Epoxid oder Polyesterharzen liegt diese Grenze bei beispielweise ungefähr 65 bis 80°C. Dadurch verlängert sich die Enteisungszeit und ein Anti-Icing wird stark erschwert. Dies wird dadurch weiter erschwert, dass die Vorderkante von Rotorblättern strukturell tragend ist und daher sehr dick gebaut wird und aufgrund des Aufbaus mit Verklebelaschen und einer Balsa/Schaum-Sandwichstruktur ein guter thermischer Isolator ist. Dies verlängert ebenfalls die Enteisungszeit und erhöht die benötigte Energie.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Rotorblatt mit einer Anti-Icing-Struktur, ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Windenergieanlage mit einem entsprechenden Rotorblatt zur Verfügung zu stellen, mit denen die zuvor genannten Nachteile überwunden werden.
Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Rotorblatt einer Windenergieanlage mit einer Anti-Icing-Struktur, wobei das Rotorblatt eine Längserstreckung von einer Rotorblattwurzel zu einer Rotorblattspitze aufweist sowie entlang seiner Längserstreckung wenigstens abschnittsweise ein aerodynamisches Profil mit einer Profilvorderkante, einer Profilhinterkante, einer Saugseite und einer Druckseite, gelöst, das dadurch weitergebildet ist, dass eine tragende Struktur des Rotorblatts die Profilhinterkante und Teile der Saugseite und der Druckseite sowie eine vordere Abschlussfläche umfasst, die in Richtung auf die Profilvorderkante hin ausgerichtet ist, wobei ein Vorderkantenprofil des Rotorblatts mit der Profilvorderkante wenigstens abschnittsweise bis in einen rotorblattspitzenseitigen Endbereich des Rotorblatts hinein von der Anti-Icing-Struktur gebildet wird, die wenigstens abschnittsweise als ein an zwei Enden offenes Luftleitrohr ausgebildet ist, deren von der Profilvorderkante abgewandte Seite als hintere Anschlussfläche ausgebildet ist, die mit der Abschlussfläche der tragenden Struktur des Rotorblatts verbunden ist.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken und der Erkenntnis, dass, anders als bisher üblich, die Vorderkante bzw. Profilvorderkante des Rotorblatts nicht notwendigerweise als Teil der tragenden Struktur des Rotorblatts ausgebildet sein muss. Die tragende Struktur endet erfindungsgemäß in Richtung auf die Vorderkante zu in einer vorderen Abschlussfläche, die gegenüber dem eigentlichen aerodynamischen Vorderkantenprofil abgeflacht ist. Die tragende Struktur umfasst somit nicht mehr die Profilvorderkante. Dies ermöglicht es, das Vorderkantenprofil mit der Profilvorderkante, die im Betrieb vornehmlich zu enteisen bzw. vom Eis freizuhalten sind, strukturell schwächer auszubilden, so dass die Isolationswirkung der herkömmlich ausgebildeten Rotorblätter entfallen kann.
Hierzu trägt bei, dass der Staudruck, der von der anströmenden Luft auf die Profilvorderkante und den vorderen Bereich des aerodynamischen Profils des Rotorblatts ausgeübt wird, vergleichsweise gering ist und dieser Bereich daher mit einer geringeren Steifigkeit ausgeführt sein kann als das Gros der Saugseite und der Druckseite des Rotorblattprofils. Üblicherweise ist die Rotorblattstruktur dafür konstruiert, die globalen Biegungen des Rotorblattes aufzunehmen. Diese sind um ein Vielfaches größer als die jeweiligen lokalen Kräfte der Strömung an einer bestimmten Stelle der Oberfläche. Da erfindungsgemäß die Vorderkante nicht tragend ist, muss sie auch nicht für die Belastungen der Schwenkbewegung (edgewise) ausgelegt werden, sondern nur noch für den lokalen Staudruck.
Das Luftleitrohr ist damit funktionell ein Heizkanal in dem zu enteisenden Bereich, der an dem tragenden Teil der Vorderkante angebracht ist. Durch den Heizkanal bzw. das Luftleitrohr wird ein warmes Medium, beispielsweise Luft von der Rotorblattwurzel zur Rotorblattspitze geleitet. Da das Luftleitrohr dünner und weniger thermisch isolierend ausgeführt werden kann, senkt dies die benötigte Heizenergie.
Die Erfindung erzielt auch bei einem De-Icing Betrieb eine Verbesserung, da höhere Temperaturen verwendet werden können und das Material des Kanals für eine Enteisung optimiert werden kann.
Die Tiefe des Luftleitrohrs in einer Sehnenrichtung zwischen der Profilvorderkante und der Profilhinterkante des aerodynamischen Profils des Rotorblatts beträgt vorzugsweise zwischen 5% und 10% der Sehnenlänge. Das Luftleitrohr kann durchgehend oder in einer Mehrzahl von Luftleitrohrsegmenten ausgebildet sein, die zu dem Luftleitrohr zusammensetzbar oder zusammengesetzt sind. Das Luftleitrohr als Ganzes oder Segmente des Luftleitrohres sind zudem vorteilhafterweise von der tragenden Struktur des Rotorblatts abnehmbar, so dass eine einfache Reparaturmöglichkeit bzw. Möglichkeit zur Ersetzung von Segmenten des Luftleitrohrs gegeben ist. Das Luftleitrohr und/oder seine Luftleitrohrsegmente sind hierzu angeklebt und/oder lösbar befestigt, insbesondere verschraubt.
Vorzugsweise weist das Luftleitrohr eine gegenüber der tragenden Struktur des Rotorblatts geringere Eigensteifigkeit und wenigstens abschnittsweise geringere Wandstärke auf, insbesondere ist es wenigstens abschnittsweise eine im Rotorblatt nicht-tragende Struktur. Das Luftleitrohr kann zusätzlich vorzugsweise von innen so isoliert werden, dass sich eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Blattlänge einstellt. Die Temperaturverteilung betrifft in diesem Fall die Energieabstrahlung an der Oberfläche des Vorderkantenprofils.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Anti-Icing-Struktur im rotorblattspitzenseitigen Endbereich einen Luftleitrohrabschnitt in der tragenden Struktur des Rotorblatts umfasst, in den das die Profilvorderkante wenigstens abschnittsweise bildende Luftleitrohr mündet oder übergeht und das zur Profilhinterkante hin führt, wobei in dem rotorblattspitzenseitigen Endbereich die Profilvorderkante an der tragenden Struktur ausgebildet ist. Damit setzt sich das Luftleitrohr nicht bis zur Rotorblattspitze an der Profilvorderkante fort. Vielmehr wird der Luftstrom, der durch das Luftleitrohr gelenkt wird, im Bereich der Rotorblattspitze zur Profilhinterkante hin umgelenkt und dort ausgetragen. Der äußerste Bereich der Profilvorderkante ist üblicherweise wenig von Eisbesatz betroffen aufgrund der starken dynamischen Belastungen im Betrieb des Rotorblatts in diesem Bereich, der typischerweise etwa die äußersten 1 bis 1,5 m des Rotorblatts von der Rotorblattspitze an gemessen umfasst.
Der Luftleitrohrabschnitt im rotorblattspitzenseitigen Endbereich führt vorzugsweise durch einen massiven Teil der tragenden Struktur des Rotorblatts oder als Rohr durch die tragende Struktur des Rotorblatts und ist insbesondere einteilig mit dem Luftleitrohr.
Eine aerodynamisch vorteilhafte Weiterbildung erfährt das Rotorblatt, wenn der Luftleitrohrabschnitt in der tragenden Struktur des Rotorblatts in einer Öffnung, einem oder mehreren Schlitzen oder Löchern im Bereich der Profilhinterkante endet, insbesondere auf der Saugseite und/oder auf der Druckseite des Rotorblatts, insbesondere in einem Bereich niedrigen Druckes bei Umströmung des Rotorblatts im Betrieb der Windenergieanlage. Die Ausbildung der Öffnung in einem Bereich niedrigen Druckes bei Umströmung des Rotorblatts im Betrieb der Windenergieanlage sorgt dafür, dass an der Öffnung von außen ein Unterdruck herrscht, der die Heizluft aus dem Luftleitrohr und Luftleitrohrabschnitt heraussaugt, so dass wenig Pumpleistung zum Betrieb der Strömung der Heizluft notwendig ist. Außerdem kann sich die Einleitung bzw. Ausleitung von Heizluft im Bereich der Rotorblatthinterkante an der Saugseite und/oder der Druckseite aerodynamisch und/oder schalltechnisch günstig auswirken.
Um eine gleichmäßige Erwärmung der zu enteisenden Fläche des Rotorblatts zu erreichen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass eine Wandstärke einer Anströmfläche des Luftleitrohrs auf der Seite der Profilvorderkante im Verlauf des Luftleitrohrs von der Rotorblattwurzel zur Rotorblattspitze hin abnimmt und/oder sich ein lichter Querschnitt des Luftleitrohrs von der Rotorblattwurzel zur Rotorblattspitze hin verkleinert. Die Abnahme der Wandstärke kann stetig erfolgen oder in Schritten, je nach benötigter Heizleistung, die insbesondere vermehrt in den äußeren 15 bis 20% der Rotorblattlänge zur Verfügung stehen sollte. Es ist zu berücksichtigen, dass sich der Strom der Heizluft auf dem Weg von der Rotorblattwurzel zur Rotorblattspitze durch Abgabe von Wärmeenergie abkühlt und somit im Bereich der Rotorblattspitze weniger Wärmeenergie zur Verfügung steht als an der Rotorblattwurzel. Bei der Auswahl der verwendeten Materialien in verschiedenen Abschnitten des Luftleitrohres sowie der Abnahme der Wandstärke ist dieser Effekt zu berücksichtigen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine das Vorderkantenprofil bildende Anströmfläche des Luftleitrohres wenigstens abschnittsweise durch ein Material mit hoher Erosionswiderstandsfähigkeit gebildet. Dies betrifft vorzugsweise den äußeren Rotorblattbereich, insbesondere die äußeren 3 bis 5 m, gemessen an der Rotorblattlängserstreckung zur Rotorblattspitze hin.
Zur einfachen Verbindung von tragender Struktur und Luftleitrohr ist vorteilhafterweise die vordere Abschlussfläche der tragenden Struktur des Rotorblatts wenigstens abschnittsweise eben ausgeführt und/oder die tragende Struktur des Rotorblatts wenigstens abschnittsweise abgeschlossen ausgeführt. Die ebene Ausführung der vorderen Abschlussfläche bzw. die abgeschlossene Ausführung der tragenden Struktur bietet eine geeignete Verbindungsfläche für das Luftleitrohr.
Vorzugsweise ist in einem Bereich der Rotorblattwurzel eine Durchführung für Heizluft von einer Rotornabe der Windenergieanlage in das Luftleitrohr der Anti-Icing-Struktur vorhanden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Rotorblatts für eine Windenergieanlage gelöst, das dadurch weitergebildet ist, dass separat einerseits eine tragende Struktur des Rotorblatts mit einer Saugseite, einer Druckseite und einer Profilhinterkante eines aerodynamischen Profils des Rotorblatts sowie einer vorderen Abschlussfläche und andererseits als Teil einer Anti-Icing-Struktur ein an zwei Enden offenes Luftleitrohr hergestellt werden, wobei anschließend das Luftleitrohr mit einer hinteren Anschlussfläche des Luftleitrohrs mit der vorderen Abschlussfläche der tragenden Struktur des Rotorblatts verbunden wird und wenigstens abschnittsweise bis in einen rotorblattspitzenseitigen Endbereich des Rotorblatts hinein ein Vorderkantenprofil des Rotorblatts mit einer Profilvorderkante des aerodynamischen Profils bildet. Das erfindungsgemäße Verfahren verwirklicht die gleichen Merkmale, Vorteile und Eigenschaften wie das erfindungsgemäße Rotorblatt, das entsprechend herstellbar ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird vor einem Verbinden der tragenden Struktur mit dem Luftleitrohr ein blattspitzennaher Abschnitt des Luftleitrohres in eine Aussparung in der tragenden Struktur eingeführt, das Luftleitrohr anschließend relativ zur tragenden Struktur positioniert und anschließend an der tragenden Struktur befestigt. Dies betrifft die Ausbildung des Rotorblatts, bei dem der Luftleitrohrabschnitt im rotorblattspitzenseitigen Bereich ein Teil des Luftleitrohrs ist, der in Richtung auf die Profilhinterkante zurückgebogen ist und somit vor der Verbindung erst einmal in die tragende Struktur bzw. eine entsprechende Aussparung darin eingeführt werden muss.
Das Luftleitrohr wird im Fall eines segmentierten Luftleitrohres aus mehreren Luftleitrohrsegmenten zusammengesetzt, wobei das zusammengesetzte Luftleitrohr an die tragende Struktur des Rotorblatts angebracht und mit diesem verbunden wird oder die Luftleitrohrsegmente nacheinander mit der tragenden Struktur verbunden und zum Luftleitrohr zusammengesetzt werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch eine Windenergieanlage mit wenigstens einem erfindungsgemäßen zuvor beschriebenen Rotorblatt mit einer Anti-Icing-Struktur gelöst, die ferner eine Heizluftquelle umfasst, mittels der Heizluft durch das Luftleitrohr der Anti-Icing-Struktur führbar ist.
Auch die Windenergieanlage, die ein erfindungsgemäßes Rotorblatt aufweist, teilt dessen Eigenschaften, Vorteile und Merkmale.
Vorzugsweise ist die Heizluftquelle ein Wärmetauscher, der Wärme aus einem oder mehreren Kühlkreisläufen von in einem Maschinenhaus der Windenergieanlage angeordneten elektrischen Komponenten entzieht, oder eine eigenständige Lüfter-Heiz-Einheit. Im Fall eines Wärmetauschers, insbesondere eines Öl-Luft-Wärmetauschers, übernimmt die Heizluftquelle somit die Kühlung der elektrischen und mechanischen Komponenten, im letztgenannten Fall besonders die Getriebeabwärme, im Maschinenhaus bzw. der Gondel, deren Abwärme über eine thermische Ölleitung zum Öl-Luft-Wärmetauscher gelangt. Eine eigenständige Kühlung in der Gondel bzw. im Maschinenhaus kann dann entfallen. Eine eigenständige Lüfter-Heiz-Einheit kann anstelle eines Wärmetauschers oder zusätzlich zum Wärmetauscher vorgesehen sein. Nach längerem Stillstand dauert es erfahrungsgemäß einige Stunden, bis die elektrischen Komponenten ihre Endtemperatur erreicht haben und somit die volle Heizleistung zur Heizung des Rotorblatts zur Verfügung steht. Diese Zeit kann durch eine entsprechende Lüfter-Heiz-Einheit, die zusätzlich zum Wärmtauscher vorhanden ist, überbrückt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Durchführung für die Heizluft aus einer Rotornabe der Windenergieanlage in das Luftleitrohr der Anti-Icing-Struktur als Drehdurchführung ausgebildet.
Bezüglich der Nutzung der Abwärme aus der Gondel von Generator und Getriebe ist es möglich, die ohnehin vorhandene Wärmeenergie in den Kühlkreislauf von Generator und Getriebe für das Heizsystem der Rotorblätter zu verwenden. Eine Umlenkung aus der Gondel in das drehende System der Nabe kann entweder durch die Hohlwelle oder durch den Hohlraum zwischen Spinnerabdeckung und Nabengusskörper geschehen. Im ersten Fall bieten sich flüssigkeitsführende Leitungen an. In der Nabe wird dann die Wärmeenergie mittels eines Wärmetauschers mit einem Lüfter in das Luftleitrohr am Rotorblatt eingeblasen. In der zweiten Variante erfolgt eine Auskleidung des Innenraums zwischen Spinner und Gusskörper der Nabe und eine Weiterleitung in das Blatt, beispielsweise über einen größer ausgeführten Regenabweiser. Durch die hohe zur Verfügung stehende Wärmeenergie ist eine dauerhafte Beheizung möglich, somit auch ein Anti-Icing, ebenso ein System ohne Rücklauf. So kann bei geringeren Außentemperaturen und höheren Windgeschwindigkeiten die Eisfreiheit der Rotorblätter erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Lösung hat die weiteren Vorteile, dass keine metallischen Komponenten im Rotorblatt verbaut werden und somit das Blitzschlagrisiko nicht erhöht wird. Das Material an der Vorderkante kann unabhängig vom Material des übrigen Rotorblatts auf gute thermische Leitfähigkeit und hohe Widerstandsfähigkeit gegen Erosion optimiert werden.
Beispielhaft bei einer Dreimegawattanlage steigt die zur Verfügung stehende Heizleistung zusammen mit der benötigten Heizleistung, da mit thermischen Verlusten von Getriebe und Generator eine Heizleistung von ca. 200 bis 300 kW genutzt werden kann.
Die Wartung und die Reparatur des Systems werden verbessert, da alle Komponenten von außen zugänglich sind. Es werden keine Bauteile wie Rohre oder Abschlussplatten an unzugänglichen Stellen des Rotorblatts verbaut.
Aufgrund der Fliehkraft im Betrieb der Windenergieanlage sowie des Unterdrucks an der Blattspitze entsteht eine Saugwirkung im Luftleitrohr. Dadurch wird die benötigte Lüfterleistung minimiert. Die Entwässerung des Systems geschieht ebenfalls automatisch. Durch das Ausströmen von Luft an der Hinterkante der Blattspitze wird die Schallemission vermindert. Gegebenenfalls lassen sich unter aerodynamischen Gesichtspunkten weitere Lasten- und Leistungsoptimierungen hinzufügen, indem der Luftstrom gesteuert wird und an der Hinterkante nicht tangential abgeleitet wird, wodurch Effekte wie Auftriebserhöhung oder -minderung ähnlich wie bei Jet-Flaps erzielt werden können.
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 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rotorblatts,
2 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch ein erfindungsgemäßes Rotorblatt,
3 eine weitere schematische Darstellung eines Schnitts durch ein erfindungsgemäßes Rotorblatt,
4 eine weitere schematische Darstellung eines Schnitts durch ein erfindungsgemäßes Rotorblatt,
5 eine schematische Darstellung eines blattspitzenseitigen Bereichs eines erfindungsgemäßen Rotorblatts,
6 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch den blattspitzenseitigen Bereich eines erfindungsgemäßen Rotorblatts,
7 eine schematische Darstellung von Auslassöffnungen an einem erfindungsgemäßen Rotorblatt und
8 eine schematische Darstellung einer Drehdurchführung für Heizluft.
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.
In den 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßes Rotorblatt 10 schematisch in einer Draufsicht und im Querschnitt dargestellt. Das Rotorblatt 10 erstreckt sich von einer Rotorblattwurzel 12 zu einer Rotorblattspitze 14 und umfasst ein aerodynamisches Profil 15 mit einer Profilvorderkante 16 und einer Profilhinterkante 18. Im Inneren des Rotorblatts 10 sind zwei Stege 56, 58 dargestellt, die Schubkräfte zwischen der Saugseite 20 und der Druckseite 22 des Rotorblatts 10 aufnehmen. Andere Bestandteile wie Gurte sind in 1 und 2 sowie den folgenden Figuren der Übersicht halber nicht dargestellt.
Den Hauptteil des Rotorblatts 10 macht eine tragende Struktur 50 aus, die, wie in 2 dargestellt ist, eine obere Blattschalenhälfte 52 und eine untere Blattschalenhälfte 54 sowie Stege 56 und 58 umfasst. Gurte sind nicht dargestellt bzw. können so ausgeformt sein, dass sie Teil der oberen und unteren Blattschalenhälften 52, 54 sind.
Anders als bei herkömmlichen Rotorblättern verlaufen die Blattschalenhälften 52, 54 zur Profilvorderkante 16 hin nicht durchgängig und bilden auch nicht das Vorderkantenprofil 17 um die Profilvorderkante 16 herum ab, sondern münden in eine vordere Abschlussfläche 60, die in diesem Ausführungsbeispiel gemäß 2 flach ausgebildet ist. Alternativ kann die vordere Abschlussfläche auch nicht völlig eben, aber abgeflacht ausgebildet sein.
Sowohl in 1 als auch in 2 ist dargestellt, dass die Profilvorderkante 16 durch ein Luftleitrohr 32 der Anti-Icing-Struktur 30 gebildet ist, das die Form des Vorderkantenprofils 17 darstellt und bündig in die Saugseite 20 und Druckseite 22 der oberen und unteren Blattschalenhälften 52, 54 übergeht, so dass die tragende Struktur 50 zusammen mit dem Luftleitrohr 32 das vollständige aerodynamische Profil 15 bilden. In Sehnenrichtung zwischen Profilvorderkante 16 und Profilhinterkante 18 hat das Luftleitrohr eine Ausdehnung bzw. Tiefe von ca. 5% bis 10% der Sehnenlänge.
Wie der 2 zu entnehmen ist, ist die Wandstärke des Luftleitrohrs 32 an der vorderen Anströmfläche 36 geringer als die Wandstärke der Blattschalenhälften 52, 54 der tragenden Struktur 50. Dieses erlaubt es, Heizluft, die durch den lichten Querschnitt 38 des Luftleitrohrs 32 gefördert wird, mehr Wärme zu entziehen und die Oberseite der Anströmfläche 36 des Luftleitrohrs 32 und somit die für Eisbesatz anfällige Profilvorderkante 16 bzw. das Vorderkantenprofil 17 effektiv zu heizen.
Das Luftleitrohr 32 ist flächig mit seiner hinteren Anschlussfläche 34 mit der vorderen Abschlussfläche 60 der tragenden Struktur 50 des Rotorblatts 10 verbunden. Die Wandstärke der hinteren Anschlussfläche 34 kann ebenfalls dünn ausgeführt werden, da die strukturelle Stabilität durch die vordere Abschlussfläche 60 der tragenden Struktur 50 gewährleistet wird.
Wie in 1 zu erkennen ist, bildet das Luftleitrohr 32 der Anti-Icing-Struktur 30 über fast die gesamte Längserstreckung des Rotorblatts 10 die Profilvorderkante 16 bzw. das Vorderkantenprofil 17. In der Nähe der Rotorblattspitze 14, d. h. in einem rotorblattspitzenseitigen Endbereich 24, ist dies allerdings nicht mehr der Fall. Das Luftleitrohr 32 geht in diesem Bereich in einen nach hinten gebogenen Luftleitrohrabschnitt 40 über, der an der Hinterkante oder im Bereich der Profilhinterkante 18 eine Öffnung 42 aufweist, durch die die verbrauchte Heizluft nach außen strömt. Die Profilvorderkante 16 wird in diesem Bereich wiederum durch die tragende Struktur 50 selbst gebildet.
3 und 4 zeigen zwei schematische Querschnitte durch das Rotorblatt 10 gemäß 1 und 2, wobei der Querschnitt, der in 3 gezeigt wird, weiter zur Rotorblattwurzel 12 hin angeordnet ist als der Querschnitt, der in 4 gezeigt ist. Dies ist unter anderem daran sichtbar, dass die Profildicke in 3 größer ist als in 4. Die beiden Schnitte in 3 und in 4 unterscheiden sich auch darin voneinander, dass die Wandstärke des Luftleitrohrs 32 zur Anströmfläche 36 hin zur Blattwurzel hin größer ist als zur Rotorblattspitze hin. Die Wandstärken in 3 und 4 sind übertrieben dargestellt und nicht maßstabsgetreu. Üblicherweise ist jedoch die Wandstärke des Luftleitrohrs 32 geringer als die Wandstärke der Rotorblatthalbschalen bzw. Blattschalenhälften 52, 54. Details im Inneren der tragenden Struktur 50 wie Stege oder Rotorblattgurte sind der Übersichtlichkeit halber in 3 und 4 weggelassen.
In 5 ist eine schematische Draufsicht auf den rotorblattspitzenseitigen Endbereich 24 eines Rotorblatts 10 gemäß der Erfindung gezeigt. In diesem Bereich biegt das Luftleitrohr 32 von der Profilvorderkante 16 in Richtung auf die Profilhinterkante 18 ab. Dabei durchdringt der Luftleitrohrabschnitt 40 die tragende Struktur 50, die in diesem Bereich die Profilvorderkante 16 bildet. Die Schraffur der tragenden Struktur 50 soll in dieser 5 nicht notwendigerweise bedeuten, dass die tragende Struktur 50 an dieser Stelle massiv ist, sondern sie kennzeichnet die tragende Struktur 50. Im äußersten Bereich nahe der Rotorblattspitze 14 ist sie allerdings massiv.
Ein Schnitt A-A durch das Rotorblatt 10 gemäß 5 ist in 6 gezeigt. An dieser Stelle befindet sich der Luftleitrohrabschnitt 40 im Inneren der tragenden Struktur 50 und nicht mehr an der Profilvorderkante 16. Die Stärke der Rotorblattschale ist in 6 nicht dargestellt, da es sich um eine rein schematische Zeichnung handelt.
7 zeigt drei Beispiele des rotorblattspitzenseitigen Endbereichs 24 in einer Draufsicht auf die Profilhinterkante 18. In der obersten Darstellung umfasst die Öffnung 42 mehrere Schlitze 43, die über die Saugseite 20 und die Druckseite 22 verteilt sind. Alternativ könnten die Schlitze 43 auch nur an der Saugseite 20 oder nur an der Druckseite 22 angeordnet sein. In ihrer Ausrichtung können die Schlitze, wie gezeigt, quer zur Profilhinterkante 18 ausgerichtet sein oder alternativ parallel dazu.
Die mittlere und die untere Abbildung in 7 zeigen jeweils Ausführungsbeispiele, in denen mehrere Löcher 44 nebeneinander an der Saugseite 20 bzw. der Druckseite 22 angeordnet sind. Auch eine Mischung hiervon oder mehrere hintereinander angeordnete Reihen von Löchern 44 oder von Löchern 44 und Schlitzen 43 sind möglich.
8 zeigt schematisch ein Beispiel einer Drehdurchführung 86 für Heizluft 88, die aus einer Rotornabe 82 in ein Rotorblatt 10 strömt. Eine solche Drehdurchführung ist im Inneren einer Rotorblattwurzel des erfindungsgemäßen Rotorblatts 10 einsetzbar.
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: Rotorblatt
12: Rotorblattwurzel
14: Rotorblattspitze
15: aerodynamisches Profil
16: Profilvorderkante
17: Vorderkantenprofil
18: Profilhinterkante
20: Saugseite
22: Druckseite
24: rotorblattspitzenseitiger Endbereich
30: Anti-Icing-Struktur
32: Luftleitrohr
34: hintere Anschlussfläche
36: Anströmfläche
38: lichter Querschnitt
40: Luftleitrohrabschnitt
42: Öffnung
43: Schlitze
44: Löcher
46: nabenseitiger Anschluss
50: tragende Struktur
52: obere Blattschalenhälfte
54: untere Blattschalenhälfte
56, 58: Steg
60: vordere Abschlussfläche
80: Nabenanschluss
82: Rotornabe
84: starre Heizluft-Durchführung
86: Heizluft-Drehdurchführung
88: Heizluft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7217091 B2 [0005]

Claims

Rotorblatt (10) einer Windenergieanlage mit einer Anti-Icing-Struktur (30), wobei das Rotorblatt (10) eine Längserstreckung von einer Rotorblattwurzel (12) zu einer Rotorblattspitze (14) aufweist sowie entlang seiner Längserstreckung wenigstens abschnittsweise ein aerodynamisches Profil (15) mit einer Profilvorderkante (16), einer Profilhinterkante (18), einer Saugseite (20) und einer Druckseite (22), dadurch gekennzeichnet, dass eine tragende Struktur (50) des Rotorblatts (10) die Profilhinterkante (18) und Teile der Saugseite (20) und der Druckseite (22) sowie eine vordere Abschlussfläche (60) umfasst, die in Richtung auf die Profilvorderkante (16) hin ausgerichtet ist, wobei ein Vorderkantenprofil (17) des Rotorblatts (10) mit der Profilvorderkante (16) wenigstens abschnittsweise bis in einen rotorblattspitzenseitigen Endbereich (24) des Rotorblatts (10) hinein von der Anti-Icing-Struktur (30) gebildet wird, die wenigstens abschnittsweise als ein an zwei Enden offenes Luftleitrohr (32) ausgebildet ist, deren von der Profilvorderkante (16) abgewandte Seite als hintere Anschlussfläche (34) ausgebildet ist, die mit der Abschlussfläche (60) der tragenden Struktur (50) des Rotorblatts (10) verbunden ist.
Rotorblatt (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftleitrohr (32) eine gegenüber der tragenden Struktur (50) des Rotorblatts (10) geringere Eigensteifigkeit und wenigstens abschnittsweise geringere Wandstärke aufweist, insbesondere wenigstens abschnittsweise eine im Rotorblatt (10) nicht-tragende Struktur ist.
Rotorblatt (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Icing-Struktur (30) im rotorblattspitzenseitigen Endbereich (24) einen Luftleitrohrabschnitt (40) in der tragenden Struktur (50) des Rotorblatts (10) umfasst, in den das die Profilvorderkante (16) wenigstens abschnittsweise bildende Luftleitrohr (32) mündet oder übergeht und das zur Profilhinterkante (18) hin führt, wobei in dem rotorblattspitzenseitigen Endbereich (24) die Profilvorderkante (16) an der tragenden Struktur (50) ausgebildet ist.
Rotorblatt (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftleitrohrabschnitt (40) durch einen massiven Teil der tragenden Struktur (50) des Rotorblatts (10) führt oder als Rohr durch die tragende Struktur (50) des Rotorblatts (10) führt, insbesondere einteilig mit dem Luftleitrohr (32) ist.
Rotorblatt (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftleitrohrabschnitt (40) in der tragenden Struktur (50) des Rotorblatts (10) in einer Öffnung (42), einem oder mehreren Schlitzen (43) oder Löchern (44) im Bereich der Profilhinterkante (18) endet, insbesondere auf der Saugseite (20) und/oder auf der Druckseite (22) des Rotorblatts (10), insbesondere in einem Bereich niedrigen Druckes bei Umströmung des Rotorblatts (10) im Betrieb der Windenergieanlage.
Rotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandstärke einer Anströmfläche (36) des Luftleitrohrs (32) auf der Seite der Profilvorderkante (16) im Verlauf des Luftleitrohrs (32) von der Rotorblattwurzel (12) zur Rotorblattspitze (14) hin abnimmt und/oder sich ein lichter Querschnitt (38) des Luftleitrohrs (32) von der Rotorblattwurzel (12) zur Rotorblattspitze (14) hin verkleinert.
Rotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Vorderkantenprofil (17) bildende Anströmfläche (36) des Luftleitrohres (32) wenigstens abschnittsweise durch ein Material mit hoher Erosionswiderstandsfähigkeit gebildet ist.
Rotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Abschlussfläche (60) der tragenden Struktur (50) des Rotorblatts (10) wenigstens abschnittsweise eben ausgeführt ist und/oder die tragende Struktur (50) des Rotorblatts (10) wenigstens abschnittsweise abgeschlossen ausgeführt ist.
Rotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich der Rotorblattwurzel (12) eine Durchführung (84, 86) für Heizluft (88) von einer Rotornabe (82) der Windenergieanlage in das Luftleitrohr (32) der Anti-Icing-Struktur (30) vorhanden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Rotorblatts (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für eine Windenergieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass separat einerseits eine tragende Struktur (50) des Rotorblatts (10) mit einer Saugseite (20), einer Druckseite (22) und einer Profilhinterkante (18) eines aerodynamischen Profils (15) des Rotorblatts (10) sowie einer vorderen Abschlussfläche (60) und andererseits als Teil einer Anti-Icing-Struktur (30) ein an zwei Enden offenes Luftleitrohr (32) hergestellt werden, wobei anschließend das Luftleitrohr (32) mit einer hinteren Anschlussfläche (34) des Luftleitrohrs (32) mit der vorderen Abschlussfläche (60) der tragenden Struktur (50) des Rotorblatts (10) verbunden wird und wenigstens abschnittsweise bis in einen rotorblattspitzenseitigen Endbereich (24) des Rotorblatts (10) hinein ein Vorderkantenprofil (17) des Rotorblatts (10) mit einer Profilvorderkante (16) des aerodynamischen Profils (15) bildet.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Verbinden der tragenden Struktur (50) mit dem Luftleitrohr (32) ein blattspitzennaher Abschnitt (24) des Luftleitrohres (32) in eine Aussparung in der tragenden Struktur (50) eingeführt wird, das Luftleitrohr (32) anschließend relativ zur tragenden Struktur (50) positioniert und anschließend an der tragenden Struktur (50) befestigt wird.
Windenergieanlage mit wenigstens einem Rotorblatt (10) mit einer Anti-Icing-Struktur (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner umfassend eine Heizluftquelle, mittels der Heizluft (88) durch das Luftleitrohr (32) der Anti-Icing-Struktur (30) führbar ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizluftquelle ein Wärmetauscher ist, der Wärme aus einem oder mehreren Kühlkreisläufen von in einem Maschinenhaus der Windenergieanlage angeordneten elektrischen und/oder mechanischen Komponenten entzieht, oder eine eigenständige Lüfter-Heiz-Einheit.
Windenergieanlage nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchführung (84, 86) für die Heizluft (88) aus einer Rotornabe (82) der Windenergieanlage in das Luftleitrohr (32) der Anti-Icing-Struktur (30) als Drehdurchführung (86) ausgebildet ist.