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Gebiet der Anmeldung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Windturbinen, auf Rotorblätter von Windturbinenrotoren mit horizontaler Achse und insbesondere auf Rotorblattprofile mit abgeflachten Hinterkanten.
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Hintergrund der Erfindung
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Windturbinen sind Rotationsmaschinen, die zur Umwandlung von dynamischer Fluidenergie in Rotationsenergie verwendet werden, die im Wesentlichen aus einem Turm und einer Gondel bestehen, in der ein Generator untergebracht ist, der mit einem Rotor mit Rotorblättern verbunden ist, wobei die Rotorblätter eine äußere Tragflächenform bzw. Strömungsprofil (airfoil) aufweisen, die bzw. das gemäß den aerodynamischen Anforderungen gestaltet ist, die an dem Prozess der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie beteiligt sind.
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Der Wind strömt über die Rotorblätter von einer Vorderkante zu einer Hinterkante, wodurch der Druck auf einer der Seiten des Profils (Saugseite oder Oberseite) verringert wird und der Druck auf der gegenüberliegenden Seite (Druckseite oder Unterseite) erhöht wird. Dieser Luftdruckunterschied zwischen den beiden Seiten des Profils des Rotorblatts erzeugt sowohl Auftrieb als auch Widerstand, und wenn die Komponente der Auftriebskraft in der Rotorebene stärker ist als die Komponente der Widerstandskraft in der Rotorebene, beginnt sich der Rotor zu drehen. Der Rotor ist entweder direkt oder über ein Getriebe mit dem Generator verbunden, um die Drehzahl der Welle zu erhöhen, wodurch die aerodynamische Kraft in Drehung umgesetzt wird und somit Elektrizität erzeugt wird.
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Je höher das Auftriebs-Widerstands-Verhältnis des Strömungsprofils des Rotorblatts ist, desto effizienter und effektiver ist die Windturbine, und es ist darüber hinaus wichtig, konstruktive Eigenschaften zu optimieren, die direkt die Energieausbeute beeinflussen, wie unter anderem die Größe des Strömungsprofils (des Blatts) und das Strukturgewicht.
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Strömungsprofile, die zum Erreichen eines hohen Auftriebs-Widerstands-Verhältnisses bei hohen Konstruktions-Auftriebskoeffizienten ausgelegt sind, verbessern die aerodynamische Leistung und die Windenergieausbeute der Windturbine und ermöglichen die Reduzierung der Profilsehnenlänge (Abstand zwischen der Vorderkante und der Hinterkante) des Blatts, was zu einer Reduzierung des Strukturgewichts führt. Die Verwendung von Strömungsprofilen mit abgeflachter Hinterkante speziell für das Innere des Blatts (Abschnitt näher an der Rotornabe) ist auch wichtig, um die strukturelle Leistung durch Reduzieren des Strukturgewichts zu verbessern.
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Dicke Profile für Rotorblätter sind Profile mit relativen Dicken (maximales Verhältnis von vertikaler Dicke zu Profilsehnenlänge) über 35 % und können eine abgeschnittene Hinterkante (stumpfe Hinterkante, abgeflachte Hinterkante) aufweisen oder nicht. In beiden Fällen weist das Profil eine Druckverteilung auf, bei der sich der Punkt des maximalen Unterdrucks (Saugspitze) auf der Saugseite des Profils (Oberseite) mit zunehmendem Anstellwinkel in die Nähe der Profilnase bewegt. Da der lokale Druck auf der Profiloberfläche der lokalen Geschwindigkeit des Profils entspricht, ist die Druckverteilung daher ein Bild der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung um das Profil.
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Dicke Profile werden bei Rotorblättern für Windturbinen insbesondere im Bereich der Blattwurzel (d. h. in der Nähe der Rotornabe) verwendet, wobei aufgrund der kleineren lokalen Umfangsgeschwindigkeiten der Anstellwinkel bzw. Anströmwinkel der Profilschnitte im Vergleich zu Profilen weiter außen am Blatt zunimmt. Dies bedeutet, dass bei herkömmlichen Profilen die maximale lokale Geschwindigkeit um das Profil für die Anstellwinkel, bei denen das Profil verwendet wird, in der Nähe der Profilnase liegt.
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Wirbelgeneratoren werden verwendet, um die Leistung von Rotorblättern zu erhöhen und bestehen im Wesentlichen aus kleinen Rippen, die an der Saugseite insbesondere in der Nähe der Wurzel des Windturbinenblatts installiert sind, wodurch die Luftstromtrennung (Strömungsabriss) bei hohen Anstellwinkeln reduziert wird, was zu einem höheren Auftrieb, einem geringeren Luftwiderstand und mehr Drehmoment führt, um den Rotor zu drehen und Leistung zu erzeugen. Wirbelgeneratoren verbessern die Leistung insbesondere dann, wenn die Vorderkante des Strömungsprofils verschmutzt ist und die Grenzschicht vollständig turbulent ist. Ein Strömungsprofil mit turbulenter Grenzschicht ohne Wirbelgeneratoren löst sich bei viel geringeren Anstellwinkeln und geringerem Auftrieb ab als ein sauberes Strömungsprofil.
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Wirbelgeneratoren sind oft im Bereich der Blattwurzel auf den Profilen mit einer großen relativen Dicke montiert. Diese Wirbelgeneratoren erzeugen Wirbelschleppen, die die Grenzschicht der Strömung um das Profil stromabwärts mit zusätzlicher Energie speisen. Infolgedessen beginnt sich die Strömung auf der Saugseite des Profils nur bei höheren Anstellwinkeln zu trennen (Strömungsabriss) und somit arbeitet das Profil bei größeren Anstellwinkeln entsprechend gut und erzeugt einen gewünschten höheren Auftrieb. Eine zusätzliche Möglichkeit, die aerodynamische Leistung von Strömungsprofilen zu verbessern, ist die Verwendung von Gurney-Klappen, bei denen es sich um kleine Lippen handelt, die auf der Druckseite an der Hinterkante des Blatts platziert sind und die mehr Auftrieb erzeugen und den Beginn des Strömungsabriss verzögern.
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Wirbelgeneratoren arbeiten besser, je größer die lokale Anströmgeschwindigkeit (kinetische Energie) dieser Komponenten ist, aber der Einfluss der Wirbelgeneratoren nimmt mit der Länge der Strömung hinter den Wirbelgeneratoren ab. Dies bedeutet, dass für eine optimale Wirkung der Wirbelgeneratoren diese an der höchstmöglichen lokalen Geschwindigkeit montiert werden und gleichzeitig so weit wie möglich hinten auf der Saugseite des Profils sitzen sollten.
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Bei sauberen Profilen (Normalzustand) ändert sich die Art der Grenzschicht von laminar zu turbulent kurz hinter der Saugspitze - d. h. wenn die Grenzschicht der Strömung wieder verlangsamt wird. Die laminare Grenzschicht ist viel dünner als die turbulente Grenzschicht. Es ist daher vorteilhaft, wenn der Wirbelgenerator im Bereich der Saugspitze - d. h. der maximalen Profilströmungsgeschwindigkeit - in der laminaren Grenzschicht sitzt. Somit wird der größte Teil des Wirbelgenerators mit der ungestörten Strömungsgeschwindigkeit angeströmt und arbeitet besonders effektiv.
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Diese kombinierten Bedingungen stellen eine komplexe Herausforderung für Konstrukteure und Hersteller von Windturbinenrotorblättern dar, da sie es erforderlich machen, eine hohe lokale Strömungsgeschwindigkeit weiter hinten auf dem Profil zu erzeugen, eine hohe Anströmgeschwindigkeit des Wirbelgenerators weiter hinten auf dem Profil immer noch mit einer laminaren Grenzschicht bereitzustellen, dem Profil zu erlauben, immer noch ohne Strömungstrennung bei höheren Anstellwinkeln zu arbeiten (was gewünscht ist, weil dann das Rotorblatt mehr Leistung erzeugen kann, d. h. eine höhere Energieausbeute liefern kann), und gleichzeitig die Höhe der Hinterkante zu reduzieren (was für eine einfachere Herstellung des Blatts gewünscht ist, d. h. die Baukosten und den Luftwiderstand des Profils zu reduziert und so die Energieausbeute erhöht), und den Punkt der maximalen Dicke des Profils weiter in Richtung der Profilhinterkante zu schieben (was für eine leichtere Blattstruktur gewünscht ist, d. h. Material einspart und somit auch für geringere Lasten an der Turbine sorgt).
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik gibt es verschiedene Lösungen, die darauf abzielen, die Effizienz und Energieausbeute von dicken Strömungsprofilen von Windturbinen zu verbessern.
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Ein Beispiel sind dicke Profile mit relativ kleiner Hinterkantendicke, wie beispielsweise 5 % der Profilsehnenlänge für ein Profil mit einer relativen Dicke von 40 % oder einer Hinterkantendicke von z.B. 10 % der Profilsehnenlänge für ein Profil mit einer relativen Dicke von 50 % und einer Lage der maximalen Profildicke unter 30 % Profilsehnenlänge. Diese Profile haben - insbesondere bei Verschmutzung - einen kleineren maximalen Anstellwinkel, bei dem sie ein lineares Auftriebsverhalten aufweisen, und stellen - insbesondere bei Verschmutzung - einen kleineren maximalen Auftrieb bereit als die erfindungsgemäßen Profile. Diese Eigenschaften der dicken Profile des Stands der Technik führen zu einer unzureichenden Leistung des Wurzelbereichs des Rotorblatts, da die Energie des Windes in diesem Bereich des Rotorblatts nicht vollständig genutzt wird.
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Ein weiteres Beispiel für den Stand der Technik ist die Druckschrift
US8814525B2 , die ein Profil eines Rotorblatts und ein Rotorblatt einer Windkraftanlage beschreibt, das gemäß der Zusammenfassung der genannten Druckschrift dadurch gekennzeichnet ist, dass die Hauptwölbungslinie unterhalb der Profilsehne zumindest abschnittsweise in Richtung der Druckseite verläuft.
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Diese Strömungsprofile haben einen Maximalwert der auf die Profilsehne bezogenen Lage der maximalen Dicke von 35 % und eine recht konstant gekrümmte Saugseite, was zu einer vorne liegenden Position der Saugspitze bei hohen Anstellwinkeln führt. Diese Profile haben auch eine sehr hohe Hinterkantendicke, was ein struktureller Nachteil ist. Der Grund dafür ist, dass solche Strömungsprofile ursprünglich nicht für die Verwendung mit Wirbelgeneratoren ausgelegt waren.
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Wie aus der obigen Beschreibung zu entnehmen ist, besteht Raum und Bedarf für eine Lösung für Profile, die in der Lage sind, hohe lokale Strömungsgeschwindigkeiten und entsprechende Saugspitzen weiter hinten auf dem Profil zu erzeugen, die eine höhere Anströmgeschwindigkeit der Wirbelgeneratoren weiter hinten auf dem Profil mit einer immer noch laminaren Grenzschicht bereitstellen, die es dem Profil erlaubt, noch ohne Strömungsablösung bei höheren Anstellwinkeln zu arbeiten und gleichzeitig eine moderate Höhe der Hinterkante zu haben und den Punkt der maximalen Dicke des Profils weiter in Richtung der Profilhinterkante zu verschieben.
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Aufgaben der Erfindung
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Daher ist eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines Rotorblatts für eine Windturbine gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 des beigefügten Anspruchssatzes.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer entsprechenden Windturbine gemäß den Merkmalen von Anspruch 5 des beigefügten Anspruchssatzes.
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Zusätzliche Merkmale und Merkmalsdetails sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Zum besseren Verständnis und zur Veranschaulichung der Aufgabe wird die vorliegende Erfindung nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, die den erzielten technischen Effekt durch ein Ausführungsbeispiel darstellen, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken, und in denen schematisch folgendes gezeigt wird:
- 1a: zeigt eine schematische Seitenansicht eines herkömmlichen Profils, das aus dem Stand der Technik bekannt ist, hier als Beispiel A des Stands der Technik oder herkömmliches Profil A bezeichnet;
- 1b: zeigt eine schematische Seitenansicht eines herkömmlichen Profils, das aus dem Stand der Technik bekannt ist, hier als Beispiel B des Stands der Technik oder herkömmliches Profil B bezeichnet;
- 2: zeigt eine schematische Seitenansicht des Profilschnitts von 1 mit der Angabe der relevantesten Parameter eines Strömungsprofils;
- 3: zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Rotorblatts gemäß der Erfindung mit einem Teilausschnitt des Profilschnitts in der Nähe der Rotornabe;
- 4: zeigt eine schematische Seitenansicht des Profilschnitts der Erfindung von 3;
- 5: zeigt die Druckverteilung gegenüber der Profilsehnenlänge entlang eines herkömmlichen Profils A (links in der Graphik) und entlang eines herkömmlichen Profils B (in der Mitte der Grafik) mit etwa 50 % relativer Profildicke, beide im Vergleich zu einem ähnlich dicken Profil gemäß der Erfindung, alle bei Anstellwinkeln von 10° und 13°; und
- 6: zeigt eine schematische Ansicht der Krümmungsverteilung entlang eines Profils gemäß der Erfindung, wobei die Krümmung als Vektor gezeigt ist, der senkrecht auf der Kontur angeordnet ist. Je länger der Vektor, desto höher ist die Krümmung an diesem Punkt. Ein lokales Minimum zwischen dem Maximum an der Saugseite in der Nähe der Vorderkante und einem Maximum bei 35 % der Profilsehne ist deutlich sichtbar.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Rotorblätter mit Wurzelprofilen mit hohem Auftrieb („Hochauftriebs-Wurzelprofil“) und mit einer abgeflachten Hinterkante (TE) mit optimierten Konstruktions- und Auftriebs-Widerstands-Verhältnissen.
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Ein Strömungsprofil (airfoil) für ein Rotorblatt gemäß der Erfindung weist eine relative Dicke (t) (maximales Verhältnis von vertikaler Dicke zu Profilsehnenlänge) zwischen 45 % und 75 %, vorzugsweise zwischen 48 % und 70 % der Profilsehnenlänge (c) auf.
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Die Hinterkantendicke (tTE) beträgt zwischen 30 % und 75 %, vorzugsweise zwischen 35 % und 60 % der Dicke (t) des Strömungsprofils. Für ein Strömungsprofil mit 48 % relativer Dicke (t) entspricht dies 14,4 % bis 22,1 % der Profilsehnenlänge (c) und für eine relative Dicke (t) von 66 % entspricht dies 19,8 % bis 30,4 % der Profilsehnenlänge (c).
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Die Profilsehnenposition (x_t) der maximalen Dicke (t) beträgt zwischen 35 % und 45 %, vorzugsweise zwischen 36 % und 42 % der Profilsehnenlänge (c), gemessen entlang der Profilsehne von der Vorderkante (LE) zur Hinterkante (TE).
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Die Geometrie der Saugseite (SS) ist so beschaffen, dass die Saugspitze der Druckverteilung an einer Position von mindestens 30 % der Profilsehnenlänge (c) angeordnet ist, gemessen von der Vorderkante (LE), bis zu einem Anstellwinkel (aa) von 15° oder noch besser bis zu einem Anstellwinkel (aa) von 25°.
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Es ist zu beachten, dass für ein Profil mit abgeschnittener Hinterkante (TE) die Profilsehnenlinie von der Mitte der Hinterkante (TE) zum weitesten Punkt des Profils (Vorderkante (LE)) verläuft. Somit ist der Anstellwinkel (aa) eines Profils der Winkel zwischen der Richtung der ungestörten Strömung (F) und der Profilsehnenlinie.
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Daher hat die Geometrie der Saugseite (SS) eine Saugspitze der Druckverteilung, die an einer Position von mindestens 30 % der Profilsehnenlänge (c) angeordnet ist, gemessen von der Vorderkante (LE), bis zu einem Anstellwinkel (aa) in Grad, der mindestens 35 % der Strömungsprofildicke (t) in Prozent der Profilsehnenlänge (c) beträgt. Für ein Strömungsprofil mit 45 % relativer Dicke (t) bedeutet das Anstellwinkel (aa) bis 15,75°, für ein Strömungsprofil mit 50 % relativer Dicke (t) Anstellwinkel bis 17,75°, für ein Strömungsprofil mit 55 % relativer Dicke (t) Anstellwinkel bis 19,25°, für ein Strömungsprofil mit 60 % relativer Dicke (t) Anstellwinkel bis 21°, für ein Strömungsprofil mit 65 % relativer Dicke (t) Anstellwinkel bis 22,75°, für ein Strömungsprofil mit 70 % relativer Dicke (t) Anstellwinkel bis 24,5° und für ein Strömungsprofil mit 75 % relativer Dicke (t) Anstellwinkel bis 26,25°. Für Anstellwinkel (aa) bis 30° ist die Saugspitze an/hinter 35 % der Profilsehnenlänge (c) angeordnet.
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Die Anordnung der Saugspitze für Anstellwinkel (aa) zwischen 15° und 25° wird durch die Charakteristik der geometrischen Krümmung der Saugseite (SS) erreicht. Die Krümmung der Saugseite (SS) hat ein lokales oder erstes Maximum in der Nähe der Vorderkante (LE) an einer Profilsehnenposition zwischen 0 % und 5 % der Profilsehnenlänge (c), gemessen von der Vorderkante (LE). Ein zweites lokales Maximum der Krümmung liegt in der Nähe der Position maximaler Dicke (t) bei 25 % bis 45 % der Profilsehnenlänge (c). Zwischen diesen lokalen Maxima liegt ein lokales Minimum der Krümmung, wobei die Krümmung kleiner als 78 % des Werts des lokalen Krümmungsmaximums in der Nähe der Position maximaler Dicke (t) ist.
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Das Strömungsprofil gemäß der Erfindung stellt eine neue und erfinderische Kombination von Design- und konstruktiven Eigenschaften bereit, die zu einem unerwarteten technischen Effekt führen.
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Herkömmliche dicke Profile mit oder ohne abgeschnittene Hinterkante zeigen eine Druckverteilung, bei der sich der Punkt des maximalen Unterdrucks auf der Saugseite des Profils mit zunehmendem Anstellwinkel in die Nähe der Profilnase bewegt. Der lokale Druck auf der Profiloberfläche entspricht der lokalen Geschwindigkeit des Profils, und die Druckverteilung für herkömmliche Profile ist daher ein Bild der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung um das Profil. Da dicke Profile vorzugsweise im Bereich der Blattwurzel verwendet werden, wo der Anstellwinkel des Profils im Vergleich zu Profilen weiter außen am Blatt zunimmt, weisen diese herkömmlichen dicken Profile eine maximale lokale Geschwindigkeit auf, die in der Nähe der Profilnase liegt.
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Das Profil eines Rotorblatts gemäß der Erfindung stellt die einzigartige Kombination einer großen Strömungsprofildicke (t) an einer hohen Profilsehnenbezogenen Lage (x_t) und einer moderaten Hinterkantendicke (tTE) mit einer speziellen Krümmungsverteilung der Saugseite (SS) bereit, wobei die Krümmung an der Vorderkante (LE) und an der Position der maximalen Dicke (t) hoch ist, aber zwischen diesen beiden Maxima viel niedriger ist, was zu einer Position der Saugspitze (Minimalwert der Druckverteilung an der Saugseite (SS)) hinter 30 % der Profilsehnenlänge (c) auch bei höheren Anstellwinkeln (aa) führt.
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Besonders deutlich wird dies in
5, die die Druckverteilung entlang herkömmlicher Profile A und B zeigt, beide mit etwa 50 % relativer Profildicke (t) im Vergleich zu einem ähnlich dicken Profil gemäß der Erfindung, bei den Anstellwinkeln (aa) von 10° und 13°, die für solche dicken Profile üblich sind. Es ist leicht zu erkennen, dass die Saugspitze der herkömmlichen Profile näher an der Profilnase sitzt als bei dem Profil gemäß der Erfindung. Es ist zu beachten, dass C
L den Auftriebskoeffizienten, C
M den Momentenkoeffizienten, C
Dp den Druckwiderstandskoeffizienten und C
p den Druckkoeffizienten darstellt. Der Druckkoeffizient C
p ist die Differenz des lokalen statischen Drucks (p) und des statischen Drucks in großer Entfernung (p∞) von dem Strömungsprofil, dividiert durch den dynamischen Druck (q), wobei:
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In der obigen Formel steht rho für die Fluidmassendichte und v∞ für die Strömungsgeschwindigkeit in großer Entfernung von dem Strömungsprofil (airfoil).
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Obwohl die Bedingungen gemäß der Erfindung auch für saubere Profile äußerst vorteilhaft sind, sind Wirbelgeneratoren und/oder Gurney-Klappen beides gute Lösungen, um die Energieausbeute noch weiter zu erhöhen, da sie eine gute aerodynamische Blattwurzeleffizienz mit ausreichender Steghöhe kombinieren.
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Da das Profil gemäß der Erfindung aufgrund der weiter hinten positionierten Saugspitze eine längere laminare Lauflänge aufweist, erfüllt es den Kompromiss einer hohen lokalen Strömungsgeschwindigkeit, die weiter hinten auf dem Profil erzeugt wird, besser als andere Profile, und Wirbelgeneratoren können somit im Bereich der laminaren Grenzschicht sitzen.
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Infolge der beschriebenen Besonderheiten der Profile gemäß der Erfindung (hohe Anströmgeschwindigkeit des Wirbelgenerators weiter hinten auf dem Profil mit laminarer Grenzschicht) arbeitet das Profil bei höheren Anstellwinkeln (aa) und Reduzierung des Luftwiderstands immer noch ohne Strömungstrennung, was erwünscht ist, weil das Rotorblatt dann eine höhere Energieausbeute bereitstellen kann. Gleichzeitig kann die Höhe der Hinterkante (TE) reduziert werden, was Material- und Herstellungskosten des Blatts reduziert, und der Punkt maximaler Dicke (t) des Profils kann weiter in Richtung der Profilhinterkante (TE) geschoben werden, was besonders vorteilhaft für eine leichtere Blattstruktur, Materialeinsparung und auch für geringere Belastungen der Turbine ist.
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Schließlich ist eine Windturbine gemäß der Erfindung eine Windturbine, die mit Rotorblättern gemäß der Erfindung ausgestattet ist, wobei die Blätter ein Hochauftriebs-Wurzelprofil mit abgeflachter Hinterkante (TE) aufweisen, mit einer Saugseite (SS) und einer Druckseite (PS), einer relativen Dicke (t) zwischen 45 % und 75 %, vorzugsweise zwischen 48 % und 70 % der Profilsehnenlänge (c) und einer Hinterkantendicke (tTE) zwischen 30 % und 75 %, vorzugsweise zwischen 35 % und 60 % der Strömungsprofildicke (t), wobei die Profilsehnenposition (x_t) der maximalen Dicke (t), gemessen von einer Vorderkante (LE) zur Hinterkante (TE), zwischen 35 % und 45 %, vorzugsweise zwischen 36 % und 42 % der Profilsehnenlänge (c) liegt.
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Schlussfolgerung
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Der Fachmann wird leicht verstehen, dass an der vorliegenden Erfindung Änderungen vorgenommen werden können, ohne von den in der vorstehenden Beschreibung dargelegten Konzepten abzuweichen. Solche Änderungen sollten als vom Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst betrachtet werden. Folglich sind die zuvor ausführlich beschriebenen Ausführungsformen lediglich veranschaulichend und beispielhaft und nicht einschränkend in Bezug auf den Umfang der vorliegenden Erfindung, demder gesamte Umfang des beigefügten Anspruchssatzes und aller Entsprechungen davon beigemessen werden sollte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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