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Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt mit einer Rotorblattlängsrichtung mit einer Rotorblattaußenhaut und wenigstens einem an einem Befestigungsbereich der Rotorblattaußenhaut angeordneten Anbauteil und einem Heizmittel, das das Anbauteil erwärmt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Enteisung eines Anbauteils eines Rotorblattes.
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Rotorblätter mit Anbauteilen sind im Stand der Technik natürlich hinlänglich bekannt. Bei den Anbauteilen kann es sich um Vortexgeneratoren, Gurney-Flaps oder Serrations handeln. Es können aber auch andere Anbauteile vorgesehen sein.
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Es ist beispielsweise bei Windenergieanlagen bekannt, zur Erhöhung des Auftriebs das Rotorblatt mit Vortexgeneratoren zu versehen. Dabei handelt es sich in der Regel um im Querschnitt dreieckförmige Anbauteile, die von einer Saugseite der Rotorblattaußenhaut im Wesentlichen senkrecht abstehen. Das Dreieck ist zur Rotorblatthinterkante hin mit einer senkrecht abfallenden Dreiecksseite und zur Rotorblattnase hin spitzwinklig ausgebildet. Die Vortexgeneratoren können schräg oder exakt parallel zur Luftstromrichtung auf der Rotorblattaußenhaut angeordnet sein. Bei Umströmung des Rotorblattes erzeugt jeder Vortexgenerator stromabwärts Wirbel, der sich stromabwärts von der senkrechten Kante des Vortexgenerators löst. Die Wirbel vermischen die wandnahe Scherschicht mit Fluid höheren Impulses der freien Strömung und verhindern so das Ausbilden einer zu dicken turbulenten Grenzschicht. Dadurch wird einem Abreißen oder Ablösen der Strömung am Rotorblatt entgegengewirkt, und es können höhere Auftriebskräfte am Rotorblatt wirken und sich ausbilden. Problematisch bei Vortexgeneratoren ist, dass diese insbesondere in kalten Regionen wie Kanada oder auch Nordeuropa vereisen können und dadurch ihre aerodynamische Auftriebswirkung verlieren. Die entsprechende Problematik entsteht auch für andere Anbauteile wie Serrations oder Gurney-Flaps.
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Grundsätzlich ist es bekannt, Rotorblätter zu beheizen, indem im Inneren des Rotorblattes warme Luft entlanggeführt wird. Die Warmluft kann entlang der Rotorblattnase in Kanälen geführt sein.
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Die Wärme wird über eine separate Heizung, zum Beispiel positioniert in der Nabe oder Rotorblattwurzel, oder auch durch die Verlustwärme des Generators und insbesondere auch des Transformators erzeugt.
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Durch die Erwärmung des Inneren des Rotorblattes wird auch die Rotorblattaußenhaut durch einen Temperaturabfall vom Rotorblattinneren zum Rotorblattäußeren erwärmt, allerdings ist die Temperatur in der Rotorblattaußenhaut nicht mehr hinreichend hoch genug, um auch die auf der Rotorblattaußenhaut angebrachten Anbauteile hinreichend zu erwärmen. Dies ist vor allem dort der Fall, wo große Laminatstärken vorherrschen wie zum Beispiel am Hauptgurt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein eingangs genanntes Rotorblatt dahingehend weiterzubilden, dass die Rotorblätter mit aerodynamischen Anbauteilen auch in sehr kalten Regionen unter Bedingungen mit starker Vereisung wie zum Beispiel gefrierendem Regen oder Wolkeneis länger betrieben werden können. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, Stillstandzeiten durch Enteisung zu vermeiden.
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Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Enteisung eines aerodynamischen Anbauteiles eines Rotorblattes zur Verfügung zu stellen, das die oben genannten Nachteile vermeidet.
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Hinsichtlich des Rotorblattes wird die Aufgabe durch ein eingangs genanntes Rotorblatt mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Heizmittel vorgesehen, das wenigstens ein Anbauteil erwärmt. Das wenigstens eine Heizmittel erzeugt dabei eine Temperaturverteilung in dem wenigstens einen Anbauteil und durch eine Rotorblattschale des Befestigungsbereiches hindurch, und zwar in der Weise, dass die Temperatur durch die Rotorblattschale hindurch von rotorblattaußenseitig nach rotorblattinnenseitig abnimmt.
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Die Erfindung macht von der Idee Gebrauch, das wenigstens eine Heizmittel zur Verfügung zu stellen, das vorzugsweise gezielt und schwerpunktmäßig das wenigstens eine Anbauteil unmittelbar erwärmt, sodass die sich durch die Rotorblattschale am Befestigungsbereich des wenigstens einen Anbauteils hindurch einstellende Temperaturverteilung von rotorblattaußenseitig nach rotorblattinnenseitig abnimmt. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem eine Erwärmung des wenigstens einen Anbauteils dadurch erfolgt, dass das wenigstens eine Anbauteil von rotorblattinnenseitig erwärmt wird, also die Temperatur durch die Rotorblattschale hindurch von rotorblattinnenseitig nach rotorblattaußenseitig abnimmt, wird hier eine demgegenüber entgegengesetzte Temperaturverteilung mithilfe der erfindungsgemäßen Anordnung des wenigstens einen Heizmittels erzeugt.
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Dazu ist das wenigstens eine Heizmittel vorzugsweise rotorblattaußenseitig der Rotorblattaußenhaut an dem wenigstens einen Anbauteil, d. h. als Bestandteil des wenigstens einen Anbauteils oder in unmittelbarer Nähe des wenigstens einen Anbauteils vorgesehen.
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In einer Ausführungsform des wenigstens einen Heizmittels handelt es sich um ein in eine Grundplatte des wenigstens einen Anbauteils eingebautes Heizmittel. Insbesondere Vortexgeneratoren weisen eine Grundplatte auf, die auf die Rotorblattaußenhaut aufgeklebt ist. In die Grundplatte kann fertigungstechnisch eine Aussparung eingebracht sein, in die eine Heizmatte eingelegt ist. Die Heizmatte ist mittels eines Kabels durch die Rotorblattschale hindurch mit elektrischem Strom versorgbar. Die Heizmatte erzeugt Wärme in der Grundplatte des wenigstens einen Anbauteils, durch die das wenigstens eine Anbauteil hinreichend erwärmt werden kann. Darüber hinaus ist die Heizmatte rotorblattaußenseitig an der Rotorblattschale vorgesehen, sodass die Temperatur von rotorblattaußenseitig nach rotorblattinnenseitig durch die Rotorblattschale hindurch abnimmt.
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In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotorblattes weist das wenigstens eine Anbauteil elektrisch leitfähige Materialien auf, und ein Induktor ist rotorblattinnenseitig bei dem wenigstens einen Anbauteil angeordnet, und der Induktor wirkt mit dem elektrisch leitfähigen Material als Induktionsheizung zusammen. Bei dem Induktor handelt es sich beispielsweise um eine Spule, die ein wechselndes Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld induziert in dem elektrisch leitfähigen Material des wenigstens einen Anbauteils ein wechselndes Magnetfeld, das wiederum das elektrisch leitfähige Material erwärmt und damit das wenigstens eine Anbauteil insgesamt erwärmt. Das eigentliche Heizmittel ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung das elektrisch leitfähige Material, das wiederum das wenigstens eine Anbauteil rotorblattaußenseitig erwärmt. Das leitfähige Material ist zum Beispiel eine Beschichtung des Anbauteils, welches eine Lösung speziell für Standorte mit hoher Vereisungswahrscheinlichkeit sein kann. Bei dieser Ausführungsform ist eine Nachrüstung nach Inbetriebnahme denkbar.
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In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotorblatts ist entlang der Rotorblattsehne zwischen einer Rotorblattnase und dem wenigstens einen Anbauteil ein Warmluftauslass vorgesehen. Dabei kann ein Warmluftkanal rotorblattinnenseitig oder rotorblattaußenseitig entlang der Rotorblattaußenhaut entlang verlaufen, und der Warmluftkanal weist den Warmluftauslass auf, der so gerichtet ist, dass er genau auf ein zugeordnetes Anbauteil zielt und das Anbauteil mit warmer Luft umströmt und somit enteist. Der Warmluftauslass ist in Luftstromrichtung ein Stück weit luftstromaufwärts des Anbauteils vorgesehen, sodass auch hier eine Erwärmung des Anbauteils direkt erfolgt und ein Temperaturabfall durch die Rotorblattschale von außen nach innen auftritt.
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Hier ist das wenigstens eine Heizmittel als der Warmluftauslass anzusehen. Der Warmluftauslass kann in Form einer Hutze ausgebildet sein, die auf das Anbauteil gerichtet ist.
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Die Aufgabe wird in ihrem zweiten Aspekt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Durchführung mit einem der oben genannten Rotorblätter.
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Verfahrensgemäß wird wenigstens ein Anbauteil mit wenigstens einem Heizmittel erwärmt, und das wenigstens eine Heizmittel erzeugt eine Temperaturverteilung in dem wenigstens einen Anbauteil und durch eine Rotorblattschale eines Befestigungsbereiches des wenigstens einen Anbauteils hindurch, und zwar in der Weise, dass die Temperatur durch die Rotorblattschale hindurch von rotorblattaußenseitig nach rotorblattinnenseitig abnimmt.
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Vorzugsweise wird das wenigstens eine Anbauteil durch das wenigstens eine in einer Grundplatte angeordnete Heizmittel erwärmt, insbesondere durch eine Heizmatte. Die Heizmatte ist erfindungsgemäß außenseitig der Rotorblattschale angeordnet, sodass die abgegebene Wärme großteils in das wenigstens eine Anbauteil gelangt und nicht zunächst durch die Rotorblattaußenwandung hindurchströmen muss und dabei Verluste erfährt. Ein Teil der Wärme strömt von außen nach innen durch die Rotorblattschale mit einem Temperaturgefälle, das von außen nach innen gerichtet ist.
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Im Bereich des wenigstens einen Anbauteils und dessen Befestigungsbereich an der Rotorblattaußenhaut erfolgt die Erwärmung in einer weiteren Ausführungsform, indem das wenigstens eine Anbauteil vorzugsweise durch einen Luftstrom, der auf das wenigstens eine Anbauteil gerichtet wird, erwärmt wird. Der Luftstrom kann aus einem Warmluftauslass stammen, wobei ein Warmluftkanal entlang eines Abschnitts oder eines wesentlichen Teils der Längsrichtung des Rotorblattes geführt wird und der Warmluftkanal mehrere Warmluftauslassöffnungen aufweist und somit mehrere Anbauteile durch die Warmluft erwärmt werden.
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In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das wenigstens eine Anbauteil mit elektrisch leitfähigem Material überzogen oder durchzogen, das induktiv angeregt wird und dadurch Wärme erzeugt, sodass auch hier eine direkte Erwärmung des wenigstens einen Anbauteils ebenfalls ohne die Verluste durch das Hindurchtreten der Wärme durch die Rotorblattschale stattfinden kann.
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Den erfindungsgemäßen Verfahren ist gemeinsam, dass die Rotorblattschale im Bereich der Anbauteile rotorblattaußenseitig miterwärmt wird und die Temperatur von außen nach innen abnimmt.
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Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in sechs Figuren beschrieben, dabei zeigen:
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1 eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Rotorblattes,
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2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in 1,
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3 eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotorblattes,
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4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in 3,
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5 eine Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Rotorblattes,
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6 eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in 5.
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1 zeigt ein Rotorblatt 1 in einer Draufsicht. In 1 ist unten eine Rotorblattnase 2 und oben eine Rotorblatthinterkante 3 dargestellt. Eine Rotorblattspitze 4 und eine Rotorblattwurzel 5 sind ebenfalls rechts und links in 1 dargestellt. In 1 ist ein möglicher Verlauf einer elektrischen Stromleitung 6, ausgehend von der Rotorblattwurzel 5 über einen sich anschließenden Abschnitt der Rotorblatthinterkante 3 etwas beabstandet von der Rotorblatthinterkante 3 und anschließend parallel zu einer nicht dargestellten Rotorblattsehne an einer Saugseite 7 einer Rotorblattschale 8 dargestellt. In 1 ist schräg in einem Winkel zu einer Rotorblattlängsrichtung L von der Rotorblattnase 2 weglaufend eine Reihe von Vortexgeneratoren 9 schematisch dargestellt. Die Vortexgeneratoren 9 sind parallel zueinander angeordnet und zueinander aerodynamisch optimal für das jeweilige Profil beabstandet. Jeder der Vortexgeneratoren 9 ist an die Stromleitung 6 angeschlossen. Die tatsächliche Position der Vortexgeneratoren 9 kann von der in 1 dargestellten Position auf der Rotorblattschale 8 abweichen.
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2 zeigt einen der Vortexgeneratoren 9 der 1 in einer Schnittansicht. Der Vortexgenerator 9 ist im Querschnitt im Wesentlichen dreieckig ausgebildet mit einer senkrecht zur Rotorblattaußenhaut verlaufenden luftstromabwärtigen Kante und einer luftstromaufwärts zeigenden Vortexgeneratorspitze, wobei sich der Begriff des Luftstromes hier auf den Luftstrom entlang einer Rotorblattaußenhaut 12 während einer Rotation eines Rotors, an dem das Rotorblatt 1 angeflanscht ist, bezieht. Der Vortexgenerator 9 ist üblicherweise als einteiliges Spritzgussbauteil hergestellt.
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Der erfindungsgemäße Vortexgenerator 9 weist entlang einer Grundplatte 10 eine Aussparung 11 auf, die im montierten Zustand zur Rotorblattaußenhaut 12 hin offen ist. In die Aussparung 11 ist gemäß 2 eine Heizmatte 13 eingebracht. Sowohl die Grundplatte 10 des Vortexgenerators 9 als auch die Heizmatte 13 sind mit einer Klebstoffschicht 14 an der Rotorblattaußenhaut festgeklebt. Dabei sind im Gegensatz zur schematischen Darstellung in 2 die Übergänge zwischen der Grundplatte 10 und der Rotorblattaußenhaut 12 geglättet, sodass hier keine zusätzliche und ungewollte Verwirbelung entsteht. Die Heizmatte 13 ist über einen Stromanschuss 15, der durch die Klebstoffschicht 14 und die Rotorblattschale 8 der Saugseite 7 der Rotorblattschale 8 hindurchgeführt ist, an die Stromleitung 6 angeschlossen. Die Stromleitung 6 kann mit einem (nicht dargestellten) Temperaturfühler in Verbindung stehen. Der Temperaturfühler schaltet eine Stromversorgung der Heizmatte 13 eines, einiger oder aller Vortexgeneratoren 9 bei Unterschreiten einer vorgegebenen Außentemperatur ein. Die Heizmatte 13 erwärmt sich und erwärmt auch den Vortexgenerator 9 direkt von der Grundplatte 10 aus. Ein Teil der von der Heizmatte 13 abgestrahlten Wärme gelangt auch durch die Rotorblattschale 8 von außen nach innen in das Rotorblatt 1, wobei sich ein abfallender Temperaturgradient von außen nach innen entlang der Rotorblattschale 8 ausbildet. Weil die Heizmatte 13 gegenüber herkömmlichen Heizsystemen, die von einer Warmluftleitung im Inneren des Rotorblattes ausgehen, deutlich dichter an dem zu erwärmenden Vortexgenerator 9 angeordnet ist, ist diese Form der Erwärmung des Vortexgenerators 9 besonders energieeffizient.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotorblattes 1. Dabei sind die Vortexgeneratoren 9 wiederum parallel und aerodynamisch optimal zueinander entlang eines aerodynamischen Profils des Rotorblattes 1 angeordnet. Ausgehend von der Rotorblattwurzel 5 sind die Vortexgeneratoren 9 beispielhaft in einer geraden Linie angeordnet, die zur Rotorblattspitze 4 hin luftstromabwärts verläuft, es sind also weiter zur Rotorblattspitze 4 hin angeordnete Vortexgeneratoren 9 weiter von der Rotorblattnase 4 beabstandet.
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3 zeigt fünf Vortexgeneratoren 9, natürlich können auch einer, zwei oder jede höhere Anzahl an Vortexgeneratoren 9 vorgesehen sein; auch ist die parallele Anordnung der Vortexgeneratoren 9 zueinander nur beispielhaft. Die Vortexgeneratoren 9 können auch gewinkelt zueinander oder auf andere Weise relativ zueinander entlang der Rotorblattaußenhaut 12 der Saugseite 7 der Rotorblattschale 8 angeordnet sein. Es ist grundsätzlich auch denkbar, dass die Vortexgeneratoren 9 an einer Druckseite der Rotorblattschale 8 angeordnet sind. Das gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung.
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Das Rotorblatt 1 in einer zweiten Ausführungsform weist einen Lufteintritt 30 an einer Rotorblattwurzel 35 auf, an den sich eine Luftleitung 31 anschließt. Die Luftleitung 31 wird durch eine Heizeinrichtung 32 versorgt. Durch die zum Beispiel in der Rotorblattwurzel 35 positionierte Heizeinrichtung 32 wird die durch den Lufteintritt 30 eintretende Luft erwärmt. Die Heizeinrichtung 32 kann auch in einer Nabe angeordnet sein, an der das Rotorblatt drehbar montiert ist.
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Die Heizeinrichtung 32 ist über einen Stromanschluss 33 mit Strom versorgt. Die Luftleitung 31 wird parallel zur Anordnung der Vortexgeneratoren 9, aber luftstromaufwärts beabstandet zu den Vortexgeneratoren 9 entlanggeführt. Die Luftleitung 31 weist Warmluftauslässe 34 auf, wobei jedem Vortexgenerator 9 genau einer der Warmluftauslässe 34 zugeordnet ist und jeder der Warmluftauslässe 34 so ausgerichtet ist, dass eine aus dem Warmluftauslass 34 austretende Warmluft exakt auf den zugehörigen Vortexgenerator 9 gerichtet ist und diesen erwärmt. Die relative Anordnung zwischen dem Warmluftauslass 34 der Luftleitung 31 und dem zugehörigen Vortexgenerator 9 ist in 4 dargestellt.
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Der Vortexgenerator 9 ist in Form eines herkömmlichen Vortexgenerators 9 wiederum als Spritzgussbauteil ausgebildet und auf die Rotorblattaußenhaut 12 der Rotorblattschale 8 geklebt. Luftstromabwärts des Vortexgenerators 9 ist im Wesentlichen in Längsrichtung L des Rotorblattes 1 entlanglaufend die Luftleitung 31 ebenfalls auf der Rotorblattaußenhaut 12 angeordnet. Die Luftleitung 31 ist aerodynamisch ummantelt und mittels der Klebstoffschicht 14 ebenfalls auf die Rotorblattaußenhaut 12 aufgeklebt. Die Luftleitung 31 weist an ihrer stromabseitigen Seite die Warmluftauslässe 34 auf, die jeweils einem Vortexgenerator 9 zugeordnet sind. Der in 4 dargestellte Pfeil zeigt einen Warmluftstrom der aus dem Warmluftauslass 34 austretenden Warmluft. Die Dimensionen der Bauteile sind nicht maßstabsgetreu. Die Ummantelung der Luftleitung 31 ist im Verhältnis zum Vortexgenerator 9 kleiner, und ihr Abstand zum Vortexgenerator 9 ist größer.
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5 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsmäßen Rotorblattes 1. Auch in 5 ist ein Rotorblatt 1 mit einer Draufsicht auf die Saugseite 7 dargestellt. Im aerodynamischen Bereich des Rotorblattes 1 sind im Wesentlichen in Längsrichtung L des Rotorblattes 1 verlaufend, parallel zueinander angeordnet vier Vortexgeneratoren 9 vorgesehen, die wiederum mit zunehmendem Abstand von der Rotorblattwurzel 5 von der Rotorblattnase 2 weiter entfernt sind. Der Abstand der Vortexgeneratoren 9 voneinander ist ebenfalls äquidistant. Die Vortexgeneratoren 9 weisen gemäß 6 entlang ihrer gesamten Außenfläche eine metallische Schicht 60 auf.
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Jeder der Vortexgeneratoren 9 in 6 wird wiederum zunächst als Spritzgussbauteil in einem Spritzgussverfahren oder Ähnlichem hergestellt, und anschließend wird jeder der Vortexgeneratoren 9 mit der metallischen Schicht 60 überzogen. Der mit der metallischen Schicht 60 überzogene Vortexgenerator 9 wird gemäß 6 wiederum auf die Außenhaut 12 der Rotorblattschale 8 mittels der Klebstoffschicht 14 geklebt. Rotorblattinnenseitig ist jedem Vortexgenerator 9 zugeordnet ein Induktor 61 vorgesehen. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine an eine Wechselspannung 62 angeschlossene Spule, die wechselnde Magnetfelder erzeugt und damit ein wechselndes Magnetfeld in der metallischen Schicht 60 des Vortexgenerators 9 induziert. Das Umpolen des magnetischen Felds erzeugt entlang der Außenhaut 12 des Vortexgenerators 9 Wärme, die wiederum den Vortexgenerator 9 erwärmt und vor Vereisung schützt bzw. angewachsenes Eis abtaut.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotorblatt
- 2
- Rotorblattnase
- 3
- Rotorblatthinterkante
- 4
- Rotorblattspitze
- 5
- Rotorblattwurzel
- 6
- Stromleitung
- 7
- Saugseite
- 8
- Rotorblattschale
- 9
- Vortexgeneratoren
- 10
- Grundplatte
- 11
- Aussparung
- 12
- Rotorblattaußenhaut
- 13
- Heizmatte
- 14
- Klebstoffschicht
- 15
- Stromanschluss
- 30
- Lufteintritt
- 31
- Luftleitung
- 32
- Heizeinrichtung
- 33
- Stromanschluss
- 34
- Warmluftauslässe
- 60
- metallische Schicht
- 61
- Induktor
- 62
- Wechselspannung
- L
- Rotorblattlängsrichtung
