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Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für Windkraftanlagen mit einer Nabe und einem Rotor, das in seinem Verlauf in Rotationsrichtung konvex gekrümmt ist sowie eine mit wenigstens einem solchen Rotorblatt ausgestattete Windkraftanlage.
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Windkraftanlagen leisten inzwischen einen erheblichen Beitrag zur Energieversorgung. Einem weiteren Ausbau stehen allerdings vielfach Bedenken und Widerstände der betroffenen Anlieger entgegen. Eines der geltend gemachten Argumente ist die Lärmbelastung durch die sich drehenden Rotoren. Die Rotoren erzeugen niederfrequenten Schall, der von vielen Menschen und Tieren als unangenehm wahrgenommen wird.
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Bei Windkraftanlagen kommt ein Teil des Lärms dadurch zustande, dass der Unterdruckbereich, der hinter jedem Flügel entsteht, an dem Turm vorbeistreicht und die Umströmung des Turms durch den Wind verändert wird. Dies verursacht ein mit der Flügelfrequenz auftretendes Rauschen. Bei geraden, radialen Flügeln verläuft der Unterdruckbereich ebenfalls radial und wirkt beim Vorbeistreichen am Turm gleichzeitig über die gesamte Flügellänge. Dies verursacht eine starke Störung.
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Die gleiche Störung hat auch Rückwirkungen auf die Rotorwelle, über die der Rotor an den Generator gekoppelt ist, und auf das Getriebe. Insbesondere das Getriebe leidet unter den dadurch ausgeübten Kräften und unterliegt einem vorzeitigen Verschleiß.
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Aus der
DE 197 80 521 B4 ist ein Windkraftrotor bekannt, dessen Rotorblätter nicht radial sondern gekrümmt entlang einer Kreislinie verlaufen. Das spezielle Design der Rotorblätter geht auf eine Idee von Prof. Michael Bockemühl zurück. Ein Nachteil dieses Designs ist die starke Krümmung der Rotorblätter, die bei stärkerer Belastung zu einem „Flattern“ und Schwingen insbesondere der Enden der Rotorblätter führt. Bei starkem Wind kann dies zu erheblichen Schäden – bis hin zur Zerstörung – führen. Andererseits hat sich an Modellen gezeigt, dass die Krümmung der Rotorblätter den Lärm und die negativen Auswirkungen auf die Kraftübertragung wirksam zu vermindern vermag.
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Für den in
DE 197 80 521 B4 von der Kreisform abgeleiteten Verlauf der Rotorblätter hat sich ferner gezeigt, dass die Leistung eines so ausgestatteten Rotors der eines herkömmlichen Rotors mit radial verlaufenden Rotorblättern vergleichbar ist.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, Rotorblätter der eingangs bezeichneten Art so zu gestalten, dass die Vorteile der gekrümmten Rotorblätter aus der
DE 197 80 521 B4 einerseits erhalten bleiben, andererseits aber die Nachteile bei der Stabilität behoben werden.
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Diese Aufgabe wird mit einem Rotorblatt der eingangs bezeichneten Art gelöst, bei dem die Krümmung, gemessen entlang der Aufreihungslinie des Rotorblatts und ausgehend von der Nabe, ein Abschnitt einer Spirale ist, deren Krümmung nach außen hin abnimmt, wobei kumulativ gilt, dass
- (a) die Aufreihungslinie des Rotorblatts sich im Vergleich zu einer radialen Linie g gegen die Drehrichtung des Rotors, neigt, wobei durch die spiralförmige Krümmung der Aufreihungslinie diese Neigung von innen nach außen zunimmt.
- (b) d < 0,8 r, wobei r der Radius des Rotors der Windkraftanlage ist und d die Auslenkung der Rotorblattspitze gegen die Gerade g und
- (c) d > 0,3 r ist.
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Das erfindungsgemäße Rotorblatt ist gekrümmt, wobei die Krümmung an der Nabenseite stärker ist als im weiteren Verlauf des Rotorblatts. Tatsächlich nimmt die Krümmung über den Verlauf des Rotorblatts nach außen mehr oder weniger kontinuierlich ab. Die Krümmung bestimmt sich dabei anhand des Verlaufs der Aufreihungslinie der Flügelprofile des Rotorblatts in der Projektion des Rotorblattes auf eine Ebene senkrecht zur Drehachse der Nabe.
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Die Windkraftanlage ist ansonsten eine übliche Windkraftanlage mit den üblichen Anlagen zur Übertragung der vom Rotor erzeugten Kraft auf einen Generator. In der Regel verfügt eine solche Windkraftanlage über drei Rotorblätter, die an die Nabe gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist es aber ohne weiteres möglich, insbesondere bei kleineren Durchmessern des Rotors, etwa 2 bis 6 m, drei Rotorblätter unmittelbar als Einheit zu gestalten, deren Zentrum die Nabe bildet. Dies ermöglicht eine optimale Anpassung der dem Luftstrom zugewandten Nabenfläche an das Profil der Rotorblätter. Es ist ferner möglich, eine andere Zahl von Rotorblättern vorzusehen, etwa Windkraftanlagen mit einem, zwei oder vier Rotorblättern.
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Als Drehachse wird erfindungsgemäß die Achse verstanden, die durch das Zentrum der Nabe verläuft. Die Drehachse der Nabe geht durch den Mittelpunkt des Kreises der von den Rotorblättern bei der Drehung definiert wird.
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Für die Gestaltung des erfindungsgemäßen Rotorblatts ist die durch das Rotorblatt verlaufende Aufreihungslinie oder Mittellinie maßgeblich. Die Mittellinie oder Aufreihungslinie kann dabei vom konvexen vorderen Rand des Rotorblatts weg zum hinteren konkaven Rand des Rotorblatts verschoben sein, beispielsweise, so dass sie das Rotorblatt im Verhältnis 60/40 teilt. Diese Aufreihungslinie geht vom Außenkreis der Nabe aus und neigt sich im Vergleich zu einer radialen Linie g gegen die Drehrichtung des Rotors, wobei durch die spiralförmige Krümmung der Aufreihungslinie diese Neigung von innen nach außen zunimmt. Vorzugsweise lehnt sich die Aufreihungs- oder Mittellinie des Rotorblatts nabenseitig tangential an eine radial vom Zentrum der Nabe ausgehende Gerade an. Der Abstand der Spitze des Rotorblatts von einer radialen Geraden durch die Achse und den inneren Endpunkt der Aufreihungslinie ist die Auslenkung d des Rotorblatts als Ausmaß der Krümmung.
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Erfindungsgemäß ist die Auslenkung d kleiner als der Radius r des Rotorkreises, nämlich kleiner als 0,8 r. Vorzugsweise ist die Auslenkung d ≤ 0,65 r.
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Gleichzeitig gilt, dass d > 0,3 r. Die Grenzen 0,8 r und 0,3 r definieren einen Bereich oder Korridor, innerhalb dessen sich d in Abhängigkeit vom Radius r des von den Rotorblättern definierten Kreises bewegt. Immer gilt, dass d kleiner ist als r. Die Krümmung des Rotorblatts entspricht nicht der Kreisform. Es ergibt sich ferner, dass auch der konvexe vordere Rand des Rotorblatts eine nach außen abnehmende Krümmung aufweist.
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Vorzugsweise gilt, dass 0,65 r > d > 0,3 r, besonders bevorzugt 0,6 r > d > 0,35 r. Bei kleinen Radien des Rotors ist eine stärkere Krümmung des Rotorblattes auch aus ästhetischen Gründen sinnvoll und wenig nachteilig für die Stabilität. Bei größeren Radien ist eine stärkere Streckung der Rotorblätter sinnvoll, wobei die Krümmung so stark sein sollte, dass sich die Geräuschentwicklung im Rahmen hält und die Wechselwirkung zwischen Rotorblatt und Mast der Windkraftanlage gering bleibt.
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Die Aufreihungs- oder Mittellinie des Rotorblatts stellt einen Abschnitt einer sich nach außen erweiternde Spirale dar. Dies bedeutet, dass sich die Krümmung des Rotorblatts nach außen hin vermindert, ohne aber den Zustand der vollständigen Streckung zu erreichen. Vorzugsweise ist die Abnahme der Krümmung nach außen hin, also die Streckung zum Ende des Rotorblatts, kontinuierlich. Vorzugsweise folgt die Mittellinie einem Abschnitt einer Fibonacci-Spirale oder, besonders bevorzugt, einer logarithmischen Spirale.
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Aus dem gestreckt spiraligen Verlauf der Aufreihungslinie folgt auch, dass der konvexe Rand des Rotorblatts einen gestreckt spiraligen Verlauf nimmt.
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Eine logarithmische Spirale ist eine Spirale, bei der sich mit jeder Umdrehung um ihren Mittelpunkt der Abstand von diesem Mittelpunkt um den gleichen Faktor verändert. Jede Gerade durch den Mittelpunkt schneidet die logarithmische Spirale unter dem gleichen Winkel. Logarithmische Spiralen spielen in der belebten Natur eine größere Rolle, etwa im Bauplan von Schneckenhäusern, bei der Anordnung von Kernen der Sonnenblume, in Flugbahnen von Insekten bei der Annäherung an ein Zielobjekt und im Gehäuse eines Nautilus. Logarithmisch spiralförmige Strukturen finden sich ferner in fluiddynamischen Systemen. Diese Strukturen haben sich als logistisch und energetisch vorteilhaft erwiesen und werden allgemein als ästhetisch harmonisch und angenehm empfunden.
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Ein erfindungsgemäßes Rotorblatt kann ein aus der Aviatik bekanntes und übliches Profil aufweisen. Bevorzugt sind NACA-Profile, die sich sowohl in der Luftfahrt als auch bei der Gestaltung von Rotorblättern bewährt haben. Zu nennen wären hier beispielsweise die NACA-Profile 4415 und 4418. Weiterhin kommen beispielsweise NREL-Profile infrage, etwa das Profil NREL S 834. Das Profil der Rotorblätter geht vorzugsweise im Bereich der Nabe kontinuierlich in einen Nabenkegel über, wodurch eine stabile Anbindung an die Nabe erreicht wird. Es versteht sich, dass das Profil des Rotorblatts aus aerodynamischen Gründen über dessen Länge variiert werden kann.
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Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßes Rotorblatt in Schalenbauweise erstellt, das heißt, es besteht aus einer Oberschale und einer Unterschale, die zum Rotorblatt verbunden werden. Innerhalb der Schalenkonstruktion können sich Stege, Gurte und/oder Streben zur Verstärkung befinden. Soweit Hohlräume vorhanden sind, können diese ausgeschäumt sein, beispielsweise mit Polyurethanhartschaum, der zusätzliche Stabilität verleiht. Zur Dämpfung von Schwingungen können im Bereich der Spitzen eines erfindungsgemäßen Rotorblatts Gewichte eingearbeitet sein.
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Die Erfindung betrifft schließlich auch eine Windkraftanlage, die mit erfindungsgemäßen Rotorblättern ausgestattet ist. Eine solche Windkraftanlage kann beispielsweise einflügelig, zweiflügelig oder dreiflügelig ausgelegt sein.
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Insbesondere Dreiblattrotoren zeichnen sich durch einen leisen und schwingungsarmen Betrieb aus. Wenn sie mit erfindungsgemäßen Rotorblättern ausgestattet sind, sinkt die Geräuschentwicklung weiter ab. Beim erfindungsgemäßen Rotorblatt sind die Flügelprofile nicht wie bei einem geraden Rotorblatt auf einer radialen Linie aufgefädelt, sondern auf einer gekrümmten Linie. Deshalb stehen hier die Rotorblätter besonders im Außenbereich während des Betriebs schräg zur Zuströmung. Dadurch sind die Strömungsverhältnisse vergleichbar zum schräg angeströmten Zylinder; die Ausbildung der Karman-Wirbelstraße an der Hinterkante der Flügel ist gestört und der dadurch verursachte Lärm verringert. Auch die Ausbildung der sogenannten Tipwirbel an der Spitze der Rotorblätter, die wesentlich zur Lärmerzeugung beitragen, wird durch die Schräglage der Flügelenden behindert und damit die Lärmbelastung herabgesetzt.
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Bei Windkraftanlagen kommt ein Teil des Lärms auch dadurch zustande, dass der Unterdruckbereich, der sich hinter jedem Rotorblatt bildet, an dem Turm vorbeistreicht und dadurch die Umströmung des Turms durch den Wind verändert wird. Dies verursacht ein mit der Flügelfrequenz auftretendes Rauschen. Bei geraden radialen Flügeln ist der Unterdruckbereich gerade und trifft beim Vorbeistreichen am Turm diesen gleichzeitig über die ganze Rotorblattlänge und verursacht dadurch eine starke Störung. Bei einem gekrümmten Rotorblatt ist dieser Lärm stark vermindert, da durch die gekrümmte Form der Unterdruckbereich ebenfalls gekrümmt ist, so dass beim Vorbeistreichen am Turm in jedem Moment nur ein Teil des Unterdruckbereichs den Turm passiert und die Störung der Turmumströmung geringer ist als bei geraden Flügeln.
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Auch der Staudruck, der entsteht, wenn ein Rotorblatt den Turm passiert, ist geringer als bei einem gestreckten Rotorblatt, da die Passage des Rotorblatts aufgrund der Krümmung zeitlich gestreckt ist. Dadurch vermindert sich der Unterschied zwischen der Belastung des unteren Rotorblatts im Bereich des Turms und den oberen Rotorblättern mit der Folge einer geringeren Wechselwirkung mit dem Antriebsstrang.
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Die Krümmung der erfindungsgemäßen Rotorblätter ist so bemessen, dass die Vorteile der Krümmung hinsichtlich der Turmpassage erhalten bleiben, gleichzeitig aber die Stabilität deutlich verbessert wird.
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Durch den höheren Auftrieb bei geringerem Staudruck, den gekrümmte Rotorblätter beim Turmdurchgang erfahren, steigt auch der Wirkungsgrad einer mit erfindungsgemäßen Rotorblättern betriebenen Windkraftanlage.
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Anhand von Simulationsrechnungen wurde das Potenzial von Windkraftanlagen mit gekrümmten Rotorblättern gemäß der Erfindung mit dem Wirkungsgrad von herkömmlichen Windkraftanlagen verglichen. Es ergaben sich für eine Kleinanlage mit 2 kW Leistungsbeiwerte, die denen von Windanlagen mit 1,5 bis 2,5 MW durchaus vergleichbar waren. Bei einer Vergrößerung der Kleinanlage auf mehr als 1 MW und einer Optimierung der Flügelprofile dürfte sich eine weitere Steigerung des Wirkungsgrads ergeben.
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Die Erfindung wird durch die beiliegenden Abbildungen näher erläutert es zeigen:
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1 zeigt einen Rotor 1 einer Windkraftanlage mit zentraler Nabe 3 und regelmäßig daran befestigten Rotorblättern 2 gleicher Länge. Die Rotorblätter 2 weisen eine Krümmung auf, deren konvexe Seite in Rotationsrichtung weist; die Rückseite ist konkav gewölbt. Die Flügelspitzen sind im dargestellten Fall abgeschnitten, können aber auch gerundet sein oder eine andere Form annehmen.
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Für den dargestellten Rotor ist im oberen Rotorblatt 2 die Aufreihungslinie B eingezeichnet, an Hand der die Krümmung bemessen wird. Die weiteren Aufreihungslinien C und D betreffen Rotoren größeren Durchmessers, auf die weiter unten eingegangen wird.
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Die Aufreihungslinie B des oberen Rotorblatts 2 neigt sich im Vergleich zu einer radialen Linie g gegen die Drehrichtung des Rotors, wobei durch die spiralförmige Krümmung der Aufreihungslinie diese Neigung von innen nach außen zunimmt. Die Auslenkung d der Aufreihungslinie wird mithilfe der Geraden g definiert, die vom Zentrum der Nabe 3, die gleichzeitig die Drehachse des Rotors 1 darstellt, durch den inneren Endpunkt der Aufreihungslinie am Außenrand der Nabe verläuft. Der dargestellte Rotor definiert einen Kreis mit dem Radius r, das äußere Ende des Rotorblatts 2, gemessen anhand des Endes der Aufreihungslinie, hat einen Abstand d zur Geraden g. d ist die Auslenkung des gekrümmten Rotorblatts gegenüber Geraden g. Dabei gilt, dass d < 0,8 r.
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Im dargestellten Fall beträgt r 1,80 m. d beträgt 1,06 m, und entspricht damit 0,58 r und ist folglich größer als 0,3 r und kleiner 0,8 r.
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Rotorblätter, deren Aufreihungslinien durch die Kurven C und D dargestellt werden, sind für größere Rotoren mit Radien von z.B. 15 m (C) bzw. 31 m (D) bestimmt. Die Auslenkungen gegenüber der Geraden g, betragen 6,62 m (C) bzw. 11,39 m (D). d entspricht damit 0,44 r (C) bzw. 0,37 r (D).
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Das Verhältnis d/r liegt insbesondere zwischen 0,35 und 0,60, wobei der kleinere Wert für Rotoren mit großen Radien gilt und der größere Wert für solche mit kleinen Radien bis hinunter zu 1 m.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19780521 B4 [0005, 0006, 0007]
