DE10212467A1 - Wind power facility for converting wind into energy, has a mast, a rotor with blades, a centralized body, rotary bearings and a geared generator unit. - Google Patents

Wind power facility for converting wind into energy, has a mast, a rotor with blades, a centralized body, rotary bearings and a geared generator unit.

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DE10212467A1
DE10212467A1 DE10212467A DE10212467A DE10212467A1 DE 10212467 A1 DE10212467 A1 DE 10212467A1 DE 10212467 A DE10212467 A DE 10212467A DE 10212467 A DE10212467 A DE 10212467A DE 10212467 A1 DE10212467 A1 DE 10212467A1
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Abstract

A wind power facility has a mast (10,14) and a rotor with rotor blades (30), each of which has a shape, in which the profile depth is expressed by the formula topt asteriskK(x), where topt is the BETZ function for a theoretical ideal shape in a rotor blade and K(x) is an adapting factor for each rotor blade i.e. K(x) = A(r(x)/R)2+B(r(x)/R)+C. In the formula equaling K(x), r(x) is the clearance between a surface element under consideration and the rotor's axis of rotation in meters. R represents the radius of a rotational field (16) in meters. A is a parameter with a value between 0.5 and 0.7. B is a parameter with a value between 0.84 and 1.04. C is a parameter with a value between 0.54 and 0.74. Independent claims are also included for the following: (a) A rotor for a wind power facility; (b) and for a mast for a wind power facility.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage und deren Teile, insbesondere einen Rotor, ein Rotorblatt und einen Mast. The invention relates to a wind turbine and its parts, in particular one Rotor, a rotor blade and a mast.

Windkraftanlagen und deren Teile sind seit langem in unterschiedlichster Form bekannt. Sie dienen dazu, Windenergie, das heißt kinetische Energie bewegter Luftteilchen, zum Antreiben eines Rotors mit in der Regel zwei bis vier Rotorblättern zu nutzen, wobei die Bewegung des Rotors dann entweder über entsprechende in der Regel mechanische Abtriebe direkt zum Antreiben irgendwelcher Geräte wie z. B. Pumpen oder Mühlen genutzt oder mittels entsprechender Generatoren in elektrische Energie umgewandelt wird, die dann für beliebige Zwecke genutzt werden kann. Wind turbines and their parts have long been in various forms known. They serve to move wind energy, ie kinetic energy Air particles, for driving a rotor with usually two to four rotor blades to use, the movement of the rotor then either via corresponding in usually mechanical drives directly for driving any equipment such as z. B. pumps or mills used or by means of appropriate generators electrical energy is converted, which is then used for any purpose can be.

Die Dimensionierung und genaue Ausbildung der Windkraftanlagen hängt vom jeweiligen Einsatzzweck ab. So sind sowohl verhältnismäßig kleine "Windräder" mit Durchmessern deutlich unterhalb eines Meters bekannt, wie sie z. B. auf Fahrtenyachten zur Stromerzeugung genutzt werden, als auch sehr große Windkraftanlagen, deren Rotorblätter Längen im Bereich mehrerer Meter besitzen, wobei solche Windkraftanlagen meist in küstennahen Landgebieten und im küstennahen Gewässerbereich meist zu mehreren in sog. "Windparks" aufgestellt und zur gewerblichen Stromerzeugung genutzt werden. The dimensioning and precise design of the wind turbines depends on respective application. So both are relatively small "wind turbines" Known diameters well below a meter, as z. B. on Cruising yachts are used to generate electricity, as well as very large ones Wind turbines whose rotor blades have lengths in the range of several meters, such wind turbines mostly in coastal areas and in coastal areas of water mostly set up in so-called "wind farms" and used for commercial electricity generation.

Die Rotorblätter der heute zur professionellen Stromerzeugung genutzten Windkraftanlagen stellen einen Kompromiß aus der aerodynamischen Optimalform, den Erfordernissen der Festigkeitsauslegung und den Zugeständnissen an die rationelle Herstellungstechnik dar. Die üblichen Rotorblätter weisen eine angenäherte Trapezform auf. Die größte Profiltiefe wird an der Blattwurzel bei ca. 25% der Blattlänge erreicht und nimmt linear zum äußeren Rand des Rotationsfeldes ab. Die Profiltiefe des Rotorblattquerschnittes ist die Länge der Sehne eines aerodynamischen Tragflächenprofils (chord length). Der Rotorblattquerschnitt entspricht üblicherweise einem gebräuchlichen aerodynamischen Tragflächenprofil aus der Luftfahrt, z. B. einem Profil der sog. NACA-Serie. Im unteren Abschnitt des Rotorblattes zwischen Rotornabe und etwa 25% der Rotorblattlängsachse reduziert sich das Rotorblatt aus konstruktiven Gründen auf einen kreisförmigen Blattquerschnitt. Dieser Teil des Rotorblattes dient der Befestigung an der Rotornabe und trägt nicht zur Wandlung der Windenergie im Rotationsfeld bei. Wegen der trapezförmigen Geometrie und der fehlenden aerodynamischen Eigenschaften im Blattwurzelbereich beträgt die Effizienz der Windenergiewandlung bei solchen Rotorblätter allenfalls 74% der theoretischen Effizienz von Rotorblättern mit dertheoretisch idealen Rotorblattform nach BETZ (siehe z. B. Molly, J.-P.: Windenergie, 2. Auflage 1990, Verlag C. F. Müller, Karlsruhe, Seite 16, Gleichung 1.2.1.21). The rotor blades of those used today for professional power generation Wind turbines compromise the optimal aerodynamic shape, the requirements of the strength design and the concessions to the rational manufacturing technology. The usual rotor blades have a approximate trapezoidal shape. The greatest profile depth is at the leaf root at approx. 25% of the sheet length reaches and takes linearly to the outer edge of the Field of rotation. The profile depth of the rotor blade cross section is the length of the Tendon of an aerodynamic wing profile (chord length). The Rotor blade cross section usually corresponds to a common one aerodynamic aerofoil profile, e.g. B. a profile of the so-called. NACA series. In the lower section of the rotor blade between the rotor hub and about 25% of the longitudinal axis of the rotor blade is reduced from constructive Based on a circular sheet cross-section. This part of the rotor blade serves the attachment to the rotor hub and does not contribute to the conversion of wind energy in the Rotation field at. Because of the trapezoidal geometry and the missing aerodynamic properties in the leaf root area is the efficiency of the At most 74% of the theoretical wind energy conversion with such rotor blades Efficiency of rotor blades with the theoretically ideal rotor blade shape according to BETZ (see e.g. Molly, J.-P .: Windenergie, 2nd edition 1990, Verlag C. F. Müller, Karlsruhe, page 16, equation 1.2.1.21).

Neben diesen trapezförmigen Rotorblättern sind Rotorblätter mit gebogener Längsachse bekannt, z. B. aus der DE 299 12 737 U1 und der DE 197 38 278 A1. Diese gebogenen Rotorblätter stellen zwar in aerodynamischer Hinsicht gegenüber den geraden Rotorblättern eine Verbesserung dar, sind jedoch hinsichtlich einer Leistungssteigerung bei der Energieumwandlung nicht optimiert. Die in den beiden genannten Druckschriften beschriebenen Rotoren sollen vielmehr eine bestimmte ästhetische Wirkung haben und die Akzeptanz von Windkraftanlagen in Wohngebieten erhöhen In addition to these trapezoidal rotor blades are rotor blades with a curved one Longitudinal axis known, for. B. from DE 299 12 737 U1 and DE 197 38 278 A1. These curved rotor blades contrast in aerodynamic terms the straight rotor blades are an improvement, but are in terms of one Performance improvement in energy conversion not optimized. The one in the two rather, the rotors described are intended to have a specific one have aesthetic impact and acceptance of wind turbines in Increase residential areas

Bei Windkraftanlagen liegt der theoretische Höchstwert der Energiewandlung, definiert als Rotorleistungsbeiwert cp, bei 59,3%. Die Rotorleistungsbeiwerte der heute bekannten konventionellen Windkraftanlagen erreichen maximal 44%. In the case of wind turbines, the theoretical maximum value for energy conversion, defined as the rotor power coefficient c p , is 59.3%. The rotor power coefficients of the conventional wind power plants known today reach a maximum of 44%.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage und deren Teile anzugeben, die es erlauben, die Effizienz einer Windkraftanlage zu steigern. Die Aufgabe wird gelöst von einer Windkraftanlage gemäß Anspruch 1 und Anspruch 2. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die nebengeordneten Ansprüche betreffen vorteilhaft ausgebildete Teile einer Windkraftanlage, nämlich einen Rotor, ein Rotorblatt und einen Mast. Proceeding from this, the object of the invention is a wind power plant and specify the parts that allow the efficiency of a wind turbine to increase. The object is achieved by a wind turbine according to claim 1 and Claim 2. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims. The subordinate claims relate to advantageously designed parts of a Wind turbine, namely a rotor, a rotor blade and a mast.

Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden rein beispielhaften und nicht-beschränkenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen: Details and advantages of the invention follow from the following exemplary and non-limiting description of an embodiment in connection with the drawing. Show it:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage in Seitenansicht, Fig. 1 shows a wind power plant according to the invention in side view,

Fig. 2 die Windkraftanlage gemäß Fig. 1 in Frontansicht und Fig. 2 shows the wind turbine of FIG. 1 in front view

Fig. 3 den Querschnitt eines erfindungsgemäß ausgebildeten Mastabschnittens. Fig. 3 shows the cross section of a mast section designed according to the invention.

Die in den Figuren gezeigte Windkraftanlage besteht aus mehreren Baugruppen, von denen die wichtigste natürlich der Rotor und der Mast sind. The wind turbine shown in the figures consists of several assemblies, the most important of course being the rotor and the mast.

Der Mast der Windkraftanlage ist mehrteilig ausgebildet und umfaß einen unteren Mastabschnitt 10, ein Drehlager 12 und einen oberen Mastabschnitt 14. The mast of the wind turbine is constructed in several parts and comprises a lower mast section 10 , a pivot bearing 12 and an upper mast section 14 .

Das Drehlager 12 befindet sich außerhalb des durch die gestrichelte Linie angedeuteten Rotationsfeldes 16. The pivot bearing 12 is located outside of the rotation field 16 indicated by the dashed line.

Oberer Mastabschnitt 14 und unterer Mastabschnitt 10 sind durch das Drehlager 12 derart miteinander verbunden, daß sich der obere Mastabschnitt 14, der unter Zwischenschaltung eines Zentralkörpers 18 und einer Getriebe-Generatoreinheit 20 den Rotor trägt, so zu der durch die Pfeile 22 angedeuteten Windrichtung ausrichten kann, daß sich die gewünschte Anströmung des Rotors ergibt (wobei bereits jetzt angemerkt sei, daß bei sehr starken Winden eine nicht parallele Ausrichtung von Rotordrehachse 24 und Windrichtung 22 gewünscht sein kann, worauf im nachfolgenden noch eingegangen wird). Upper mast section 14 and lower mast section 10 are connected to one another by the pivot bearing 12 in such a way that the upper mast section 14 , which carries the rotor with the interposition of a central body 18 and a gear generator unit 20 , can align itself with the wind direction indicated by the arrows 22 that the desired inflow to the rotor results (although it should already be noted that in the case of very strong winds, a non-parallel alignment of the rotor axis of rotation 24 and wind direction 22 may be desired, which will be discussed in the following).

Am oberen Mastabschnitt 14 befindet sich ein an sich bekannter Spinner 26, an den sich ein neuartiger Zentralkörper 18 anschließt, wobei der Zentralkörper 18 als rotationssymmetrischer Hohlkörper ausgestaltet ist. On the upper mast section 14 there is a spinner 26 , known per se, to which a new type of central body 18 is connected, the central body 18 being designed as a rotationally symmetrical hollow body.

Der sich in Verbindung mit den Rotorblättern 30 drehende Zentralkörper 18 ist prinzipiell ein neues Bauelement bei Windkraftanlagen, das die innenliegenden Komponenten und die Getriebe-Generatoreinheit 20 umschließt. Demgegenüber ist bei bislang bekannten Windkraftanlagen eine meist massive Rotornabe vorgesehen, an der die Rotorblätter montiert sind; nachgeschaltet sind Getriebe und Generator. Diese Bauteile befinden sich bei den bekannten Anlagen innerhalb einer an der Mastspitze um die vertikale Achse drehbar gelagerten Gondel. The central body 18 rotating in connection with the rotor blades 30 is in principle a new component in wind power plants, which encloses the internal components and the gear generator unit 20 . In contrast, a previously massive rotor hub is provided in previously known wind turbines, on which the rotor blades are mounted; downstream are gearbox and generator. In the known systems, these components are located within a nacelle which is rotatably mounted on the mast tip about the vertical axis.

Der neue Zentralkörper 18 besitzt auf der windabwärtsgerichteten Seite einen sogenannten Boden 28, der im bestimmungsgemäßen Betriebszustand im wesentlichen senkrecht steht. The new central body 18 has a so-called bottom 28 on the windward side, which is essentially vertical in the intended operating state.

Der Boden 28 des Zentralkörpers 18 und die Hinterkante der Rotorblätter 32 liegen im bestimmungsgemäßen Betriebszustand in einer vertikalen Ebene. Durch diese konstruktive Randbedingung der Rotorblattgeometrie wird erreicht, daß der lichte Abstand 34 zwischen Mast 14 und den Rotorblättern 30 zum Außenrand des Rotationsfeldes 16 anwächst. The base 28 of the central body 18 and the rear edge of the rotor blades 32 lie in a vertical plane in the intended operating state. This constructive boundary condition of the rotor blade geometry ensures that the clear distance 34 between the mast 14 and the rotor blades 30 increases from the outer edge of the rotating field 16 .

Der Boden 10 des Zentralkörpers 18 und die Getriebe-Generatoreinheit 20 sind über einen Flansch 36 derart miteinander verbunden, daß das Drehmoment des Rotors auf die Getriebe-Generatoreinheit 20 übertragen werden kann. The bottom 10 of the central body 18 and the gear generator unit 20 are connected to one another via a flange 36 in such a way that the torque of the rotor can be transmitted to the gear generator unit 20 .

Zur Geräuschminderung und zur Reduzierung des induzierten Widerstandes ist die Längsachse 38 des Rotorblattes 30 in zwei Abschnitte unterteilt. Der Achsabschnitt 40 verläuft linear von der Rotordrehachse 24 bis zum Radius Ri, d. h. bis ca. 60% des Radius R des Rotationsfeldes 16. Der sich anschließende zweite Achsabschnitt 42 geht tangential über in einen Bogen, in Drehrichtung eine konvexer Kontur besitzt. Der Radius Rb dieses Bogens beträgt vorzugsweise etwa das 1,1-fache des Radius R. Aufgrund dieser Geometrie kann das Rotorblatt 30 während der Rotation niemals vollständig in den Abschattungsbereich eines Masts (z. B. mit Kreisquerschnitt) gelangen. In order to reduce noise and to reduce the induced resistance, the longitudinal axis 38 of the rotor blade 30 is divided into two sections. The axis section 40 runs linearly from the rotor axis of rotation 24 to the radius R i , that is to say up to approximately 60% of the radius R of the rotation field 16 . The adjoining second axis section 42 merges tangentially into an arc and has a convex contour in the direction of rotation. The radius R b of this arc is preferably about 1.1 times the radius R. Because of this geometry, the rotor blade 30 can never completely reach the shading area of a mast (e.g. with a circular cross section) during the rotation.

Wie in Fig. 1 angedeutet, richtet sich der obere Mastabschnitt 14 zusammen mit den von ihnen getragenen Teilen dank des Drehlagers 12 bei Wind derart zur Windrichtung aus, daß sich die Rotorblätter 30 auf der dem Wind abgewandten Seite des Masts befinden. Man bezeichnet deshalb eine solche Windkraftanlage als "Windkraftanlage mit leeseitig angeordnetem Rotor" oder kurz als "Leeläufer". Die Anordnung des Rotors auf der windabgewandten Seite des Masts erlaubt eine einfache, betriebssichere und selbsttätige Windrichtungsnachführung, d. h. Ausrichtung des Rotors in der gewünschten Weise zum Wind. As indicated in Fig. 1, the upper mast section 14, together with the parts carried by them, is aligned with the wind direction in such a way that the rotor blades 30 are located on the side of the mast facing away from the wind, thanks to the rotary bearing 12 . Such a wind power plant is therefore referred to as a "wind power plant with a rotor arranged on the leeward side" or in short as a "leeward runner". The arrangement of the rotor on the side of the mast facing away from the wind permits simple, reliable and automatic wind direction tracking, that is to say orientation of the rotor in the desired manner to the wind.

Durch die exzentrische Anordnung der Querschnittsachse 46 in Windrichtung und der Rotordrehachse 24 wird der Rotor bei extremen Windgeschwindigkeiten aus der direkten Windanströmung 22 ausgelenkt. Mit zunehmender Schräganströmung (sog. Gierwinkel) wird die Rotorleistungsaufnahme begrenzt. Due to the eccentric arrangement of the cross-sectional axis 46 in the wind direction and the rotor axis of rotation 24 , the rotor is deflected from the direct wind flow 22 at extreme wind speeds. With increasing inclined flow (so-called yaw angle) the rotor power consumption is limited.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung des Betriebsverhaltens und der Betriebssicherheit ist die sog. Pitch-Regelung. Der Rotor verfügt über einen Verstellmechanismus, der das Rotorblatt mit Hilfe aktiv geregelter Stellglieder um seine Längsachse dreht. Auch für das im Außenbereich gekrümmte Rotorblatt 30 ist diese Verstelltechnik konstruktiv ausführbar. Another possibility for improving operational behavior and operational safety is the so-called pitch control. The rotor has an adjustment mechanism that rotates the rotor blade around its longitudinal axis with the help of actively controlled actuators. This adjustment technique can also be carried out constructively for the rotor blade 30 curved in the outer region.

Die Querschnittsfläche jedes Rottorblattes 30 gleicht dem aerodynamischen Tragflächenprofi eines Flugzeuges, z. B. eines Profils der NACA-Serie 4415 oder der NACA-Serie 4418. Die Länge der Sehne des Blattquerschnitts wird als Profiltiefe definiert. Grundlage des erfindungsgemäßen Rotorblattes ist bei Berechnung der theoretischen Idealform nach Albert BETZ. Die von BETZ aufgestellte, heute allgemein als BETZsche Funktion bezeichnete Formel erlaubt es, für jeden Profilquerschnitt die jeweils optimale Profiltiefe bei gegebenen Profilauftriebswert ca zu berechnen. Um die Verzögerung der Windgeschwindigkeit v' = 2/3 v1 zu erreichen, muß jeweils die örtliche Profiltiefe eines Elements des Rotorblattes der BETZschen Funktion entsprechen:

topt = 16.r(x).π.v1 2/(9.z.ca.u.w)

wobei:
r(x) = Abstand eines betrachteten Flächenelementes von der Rotordrehachse 24 in m
z = Anzahl der Flügel
u = Umfangsgeschwindigkeit in m/s
ca = Auftriebsbeiwert
v1 = ungestörte Windgeschwindigkeit in m/s
w = wahre Anströmgeschwindigkeit in m/s The cross-sectional area of each Rottor blade 30 is similar to the aerodynamic aerofoil of an aircraft, e.g. B. a profile of the NACA series 4415 or the NACA series 4418. The length of the chord of the blade cross section is defined as the profile depth. The basis of the rotor blade according to the invention is when calculating the theoretical ideal shape according to Albert BETZ. The formula set up by BETZ, now generally referred to as the BETZ function, allows the optimum profile depth to be calculated for each profile cross section for a given profile lift value c a . In order to achieve the deceleration of the wind speed v '= 2/3 v 1 , the local profile depth of an element of the rotor blade must correspond to the BETZ function:

t opt = 16.r (x) .π.v 1 2 /(9.zc a .uw)

in which:
r (x) = distance of a surface element under consideration from the rotor axis of rotation 24 in m
z = number of wings
u = peripheral speed in m / s
c a = lift coefficient
v 1 = undisturbed wind speed in m / s
w = true flow velocity in m / s

Eine Anpassung der theoretisch erforderlichen Profiltiefe ist aus konstruktiven Gründen unerläßlich, da sich der ideale Querschnitt eines Rotorblattes im achsnahen Bereich exponentiell aufweitet und in dieser Form ausführungstechnisch nicht mehr zu realisieren ist. An adjustment of the theoretically required profile depth is from a constructive point of view Essential for reasons because the ideal cross section of a rotor blade in the area close to the axis exponentially and in this form in terms of design can no longer be realized.

Erfindungsgemäß wird nun die notwendige Anpassung der Profiltiefe dadurch erreicht, die Gleichung für topt mit einem Anpassungsfaktor K(x) multipliziert wird:

Profiltiefe = topt.K(x)
According to the invention, the necessary adjustment of the profile depth is now achieved by multiplying the equation for t opt by an adjustment factor K (x):

Profile depth = t opt .K (x)

Dabei lautet der Anpassungsfaktor K(x) für jedes Rotorblatt

K(x) = -A(r(x)/R)2 + B(r(x)/R) + C

wobei
r(x) = Abstand eines betrachteten Flächenelementes von der Rotordrehachse 24 in m
R = Radius des Rotationsfeldes 16 in m
und wobei die Parameter A, B und C von verschiedenen Faktoren abhängige Parameter sind, wobei sich der Parameter A im Regelfall zwischen 0,5 und 0,7, der Parameter B zwischen 0,84 und 1,04 und der Parameter C zwischen 0,54 und 0,74 bewegen wird. The adaptation factor is K (x) for each rotor blade

K (x) = -A (r (x) / R) 2 + B (r (x) / R) + C

in which
r (x) = distance of a surface element under consideration from the rotor axis of rotation 24 in m
R = radius of the rotation field 16 in m
and wherein the parameters A, B and C are parameters dependent on various factors, the parameter A generally being between 0.5 and 0.7, the parameter B between 0.84 and 1.04 and the parameter C between 0, 54 and 0.74 will move.

Bei der nach derzeitigem Erkenntnisstand besten Ausführungsform ist der Parameter A = 0,6, der Parameter B = 0,94 und der Parameter C = 0,64. In the best embodiment according to the current state of knowledge, the Parameter A = 0.6, parameter B = 0.94 and parameter C = 0.64.

Ein mit diesen Werten ausgebildetes Rotorblatt nähert sich um mehr als 90% an die von BETZ beschriebene theoretische Idealform an und stellt damit nach derzeitigem Erkenntnisstand die beste technisch realisierbare Annäherung an die theoretische Idealform dar. A rotor blade designed with these values approaches the one by more than 90% theoretical ideal form described by BETZ and thus represents the current Level of knowledge the best technically feasible approximation to the theoretical Ideal shape.

Es ist bekannt, daß sich bei der leeseitigen Anordnung des Rotors die Strömungsgeschwindigkeit des Windes im Mastnachlauf verringert. Es treten Abschattungseffekte und ablösende Wirbel auf. Für das drehende Rotorblatt ergibt sich eine impulshaft auftretende Störung, was schließlich zu Schwingungen der Windkraftanlage führen kann und zudem Effizienz der Windenergieausnutzung mindert. It is known that in the leeward arrangement of the rotor Flow velocity of the wind in the mast wake is reduced. Kick it Shading effects and detaching eddies. For the rotating rotor blade results an impulsive disturbance, which eventually leads to vibrations of the Wind turbine can lead and also efficiency of wind energy utilization decreases.

Zur Lösung des Problems wird zumindest der obere Mastabschnitt 14, der sich im Bereich des Rotationsfeldes des Rotors befindet, strömungsgünstig ausgebildet, um eine nachteilige Störung des Windfeldes auszuschließen. Eine vollständig ungestörte Anströmung des Rotors wird mit einem Mast erreicht, der - in Windrichtung gesehen - zumindest im Bereich des durch Rotationsfeldes 16 des Rotors eine prismatische Form besitzt. In der Fig. 3 ist der Querschnitt 44 des oberen Mastabschnittes 14 gezeigt. Ein Mast bzw. Mastabschnitt mit einem solchen, im wesentlichen linsenförmigen Querschnitt läßt sich z. B. durch Zusammenfügen zweier Rohrsegmente herstellen. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das sogenannte Seitenverhältnis des linsenförmigen Querschnitts etwa 1 : 2 beträgt, das heißt, wenn der Querschnitt in Windrichtung gesehen etwa doppelt so lang wie breit ist. Ein solcher prismatischer Mastabschnitt wird vom Wind stets mit der Schmalseite angeströmt und turbulenzfrei umströmt. Abschattungseffekte im Mastnachlauf treten nicht auf. Anstelle eines linsenförmigen Querschnitts 44 können auch andere strömungsgünstige Querschnittsformen gewählt werden, z. B. tropfenförmige. To solve the problem, at least the upper mast section 14 , which is located in the region of the rotation field of the rotor, is designed to be aerodynamically efficient in order to rule out an adverse disturbance of the wind field. A completely undisturbed flow against the rotor is achieved with a mast which, viewed in the direction of the wind, has a prismatic shape at least in the region of the field of rotation 16 of the rotor. In FIG. 3, the cross section 44 is shown of the upper mast section 14. A mast or mast section with such a substantially lenticular cross-section can, for. B. by joining two pipe segments together. It has proven to be advantageous if the so-called aspect ratio of the lenticular cross section is approximately 1: 2, that is to say if the cross section is approximately twice as long as it is wide in the wind direction. Such a prismatic mast section is always flown by the wind on the narrow side and flows around without turbulence. There are no shading effects in the wake of the mast. Instead of a lenticular cross-section 44 , other streamlined cross-sectional shapes can also be selected, e.g. B. teardrop-shaped.

Der angeströmte Mastquerschnitt 44 ist - wiederum in Windrichtung gesehen - im Bereich des Rotationsfeldes 16 wesentlich schmaler als das Rotorblatt. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der lichte Abstand 11 zwischen oberem Mastabschnitt 18 und Rotorblatt 1 zum Außenrand des Rotationsfeldes 9 auf mindestens den dreifachen Mastdurchmesser anwächst. The flow of mast cross-section 44 is - again seen in the wind direction - in the area of the rotation field 16 much narrower than the rotor blade. It has proven to be advantageous if the clear distance 11 between the upper mast section 18 and the rotor blade 1 to the outer edge of the rotation field 9 increases to at least three times the mast diameter.

Damit sich der Mast gemeinsam mit dem Spinner 26 und dem Rotor automatisch in der Windströmung ausrichten kann, ist der Spinner 26 fest mit dem oberen Mastabschnitt 14 verbunden. Das Drehlager 12 mit vertikaler Drehachse befindet sich außerhalb des Rotationsfeldes 16. Der untere Mastabschnitt 10 kann einen beliebigen kreisförmigen Querschnitt besitzen. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Fuß des Mastes, d. h. eine zur Halterung des Mastes am Boden dienende Basis, als Drehlager auszubilden, so daß der Mast selbst einteilig ausgebildet ist. Zweckmäßigerweise wird der Mast dann durchgehend das strömungsgünstige Profil besitzen, wobei die strömungsgünstige Ausbildung des Mastes letztendlich nur in dem Bereich notwendig ist, in dem der Mast in Windrichtung gesehen das Rotationsfeld abschattet. So that the mast can automatically align itself with the spinner 26 and the rotor in the wind flow, the spinner 26 is firmly connected to the upper mast section 14 . The pivot bearing 12 with the vertical axis of rotation is located outside the rotation field 16 . The lower mast section 10 can have any circular cross section. Of course, it is also possible to design the base of the mast, ie a base for holding the mast on the ground, as a pivot bearing, so that the mast itself is made in one piece. The mast will then expediently have the aerodynamic profile throughout, the aerodynamic configuration of the mast ultimately being necessary only in the area in which the mast, viewed in the wind direction, shadows the rotation field.

Der beschriebene Rotor eignet sich insbesondere für kleinere Windkraftanlagen, das heißt Windkraftanlagen mit Reynolds-Zahlen kleiner als 3.105, also im sog. unterkritischen Strömungsbereich. Die Erfindung erlaubt es, kompakte und hocheffiziente Rotor zu bauen, die zudem äußerst geräuscharm sind und problemlos auch in Siedlungsgebieten eingesetzt werden können. Bezugszeichenliste 10 unterer Mastabschnitt
12 Drehlager
14 oberer Mastabschnitt
16 Rotationsfeld
18 Zentralkörper
20 Getriebe-Generatoreinheit
22 Windrichtung
24 Rotordrehachse
26 Spinner
28 Boden des Zentralkörpers
30 Rotorblatt
32 Blatthinterkante
34 lichter Abstand
36 Flansch
38 Längsachse des Rotorblattes
40 1. Abschnitt des Rotorblattes
42 2. Abschnitt des Rotorblattes
44 Querschnitt des oberen Mastabschnitts
46 Querschnittsachse des Masts in Windrichtung
The rotor described is particularly suitable for smaller wind turbines, that is to say wind turbines with Reynolds numbers less than 3.10 5 , that is to say in the so-called subcritical flow range. The invention makes it possible to build compact and highly efficient rotors which are also extremely quiet and can also be used in settlement areas without problems. Legend: 10 lower mast section
12 swivel bearings
14 upper mast section
16 field of rotation
18 central body
20 gear generator unit
22 wind direction
24 rotor axis of rotation
26 spinners
28 bottom of the central body
30 rotor blade
32 trailing edge of sheet
34 clear distance
36 flange
38 longitudinal axis of the rotor blade
40 1st section of the rotor blade
42 2nd section of the rotor blade
44 Cross section of the upper mast section
46 Cross-sectional axis of the mast in the wind direction

Claims (17)

1. Windkraftanlage mit einem Mast (10, 14) und einem Rotor mit einer Anzahl von Rotorblättern (30), dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Rotorblatt eine Form besitzt, bei der die Profiltiefe der Formel
Profiltiefe = topt.K(x)
genügt, wobei topt die BETZsche Funktion für die theoretische Idealform eines Rotorblattes und K(x) ein Anpassungsfaktor für jedes Rotorblatt ist mit
K(x) = -A(r(x)/R)2 + B(r(x)/R) + C
wobei
r(x) jeweils den Abstand eines betrachteten Flächenelementes von der Rotordrehachse 24 in m und
R den Radius des Rotationsfeldes 16 in m darstellt und wobei
A ein Parameter mit einem Wert zwischen 0,5 und 0,7,
B ein Parameter mit einem Wert zwischen 0,84 und 1,04 und
C ein Parameter mit einem Wert zwischen 0,54 und 0,74 ist. 1. Wind power plant with a mast ( 10 , 14 ) and a rotor with a number of rotor blades ( 30 ), characterized in that
that each rotor blade has a shape in which the profile depth of the formula
Profile depth = t opt .K (x)
is sufficient, where t opt is the BETZ function for the theoretical ideal shape of a rotor blade and K (x) is an adjustment factor for each rotor blade
K (x) = -A (r (x) / R) 2 + B (r (x) / R) + C
in which
r (x) in each case the distance of a surface element under consideration from the rotor axis of rotation 24 in m and
R represents the radius of the rotation field 16 in m and
A a parameter with a value between 0.5 and 0.7,
B is a parameter with a value between 0.84 and 1.04 and
C is a parameter with a value between 0.54 and 0.74. 2. Windkraftanlage insbesondere nach Anspruch 1 mit einem Mast (10, 14) und einem Rotor mit einer Anzahl von Rotorblättern (30), wobei sich die Rotorblätter im bestimmungsgemäßen Betriebszustand der Windkraftanlage auf der Leeseite des Mastes befinden, dadurch gekennzeichnet, daß der Mast zumindest in dem Bereich, in dem der Mast in Windrichtung gesehen das durch die Rotation der Rotorblätter beschriebene Rotationsfeld (16) abschattet, derart strömungsgünstig, insbesondere im Querschnitt tropfen- oder linsenförmig ausgebildet ist, daß sich den Mast in diesem Bereich in Windrichtung umströmende fluide Medien, insbesondere Luft, nahezu wirbelfrei ablösen können. 2. Wind turbine in particular according to claim 1 with a mast ( 10 , 14 ) and a rotor with a number of rotor blades ( 30 ), wherein the rotor blades are in the intended operating state of the wind turbine on the leeward side of the mast, characterized in that the mast at least in the area in which the mast, viewed in the direction of the wind, shades the rotation field ( 16 ) described by the rotation of the rotor blades, is designed in such a flow-favorable manner, in particular in the shape of a drop or lens, that fluid media flowing around the mast in the direction of the wind flow in this area, especially air, can peel off almost without vertebrae. 3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Spinner (26), dadurch gekennzeichnet, daß Spinner (26) und Mast (14) derart exzentrisch zueinander angeordnet ist, daß ab einer vorbestimmten Windgeschwindigkeit ein Gieren des Rotors einsetzt. 3. Wind power plant according to claim 1 or 2 with a spinner ( 26 ), characterized in that the spinner ( 26 ) and mast ( 14 ) is arranged eccentrically to one another such that yawing of the rotor starts from a predetermined wind speed. 4. Rotor für eine Windkraftanlage nach einem der Anspruch 1 bis 3 mit einer Anzahl von Rotorblättern, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Rotorblattes im Querschnitt ein Profil nach Art des Profils der Tragfläche eines Flugzeuges aufweist,
daß sich die Profiltiefe des Rotorblattes mit zunehmendem Abstand von der Rotorachse verringert und
daß die Mittelachse in Längsrichtung jedes Rotorblattes über die gesamte Länge des jeweiligen Rotorblattes linear verläuft. 4. Rotor for a wind power plant according to one of claims 1 to 3 with a number of rotor blades, characterized in that
that each rotor blade has a profile in cross-section in the manner of the profile of the wing of an aircraft,
that the profile depth of the rotor blade decreases with increasing distance from the rotor axis and
that the central axis runs linearly in the longitudinal direction of each rotor blade over the entire length of the respective rotor blade. 5. Rotor für eine Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Anzahl von Rotorblättern, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Rotorblattes im Querschnitt ein Profil nach Art des Profils der Tragfläche eines Flugzeuges aufweist,
daß sich die Profiltiefe jedes Rotorblattes (30) mit zunehmendem Abstand von der Rotorachse (24) verringert und
daß die Längsachse (38) jedes Rotorblattes (6) in einen ersten und einen zweiten Abschnitt unterteilt ist, wobei
der erste Abschnitt (40) einen linearen Verlauf hat und sich vorzugsweise von der Rotordrechachse (24) bis zu etwa 60% des Radius R des Rotationsfeldes (16) erstreckt und wobei
der zweite Abschnitt (42) tangential in einen Bogen übergeht, dessen Radius Rb vorzugsweise etwa dem 1,1fachen des Radius R des Rotationsfeldes (16) entspricht, der in Drehrichtung gesehen eine konvexe Kontur besitzt und der am Rand des Rotationsfeldes (16) endet. 5. Rotor for a wind turbine according to one of claims 1 to 3 with a number of rotor blades, characterized in that
that each rotor blade has a profile in cross-section in the manner of the profile of the wing of an aircraft,
that the profile depth of each rotor blade ( 30 ) decreases with increasing distance from the rotor axis ( 24 ) and
that the longitudinal axis ( 38 ) of each rotor blade ( 6 ) is divided into a first and a second section, wherein
the first section ( 40 ) has a linear course and preferably extends from the rotor rake axis ( 24 ) up to approximately 60% of the radius R of the rotation field ( 16 ) and wherein
the second section ( 42 ) merges tangentially into an arc, the radius R b of which is preferably approximately 1.1 times the radius R of the rotation field ( 16 ), which has a convex contour when viewed in the direction of rotation and which ends at the edge of the rotation field ( 16 ) , 6. Rotor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotornabe durch einen Zentralkörper (18) gebildet wird, der einen rotationssymmetrischen Hohlkörper mit einer Bodenplatte (28) umfaßt, wobei der Zentralkörper (18) zur Aufnahme von Bauelementen wie Lager, Getriebe, Generator, Blattverstellungsmechanik oder Bremse ausgebildet ist. 6. Rotor according to one of claims 4 or 5, characterized in that the rotor hub is formed by a central body ( 18 ) which comprises a rotationally symmetrical hollow body with a base plate ( 28 ), the central body ( 18 ) for receiving components such as bearings , Gear, generator, blade adjustment mechanism or brake is formed. 7. Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (30) am Zentralkörper (18) befestigt sind und daß eine Getriebe-Generatoreinheit (20) über einen Flansch (36) mit der Bodenplatte (28) des Zentralkörpers (18) verbunden ist. 7. Rotor according to claim 6, characterized in that the rotor blades ( 30 ) are fixed to the central body ( 18 ) and that a gear generator unit ( 20 ) via a flange ( 36 ) with the base plate ( 28 ) of the central body ( 18 ) is. 8. Rotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterkante (32) jedes Rotorblattes (30) und der Boden des Zentralkörpers (28) im bestimmungsgemäßen Betriebszustand in einer gemeinsamen, im wesentlichen vertikalen Ebene liegen. 8. Rotor according to claim 6 or 7, characterized in that the rear edge ( 32 ) of each rotor blade ( 30 ) and the bottom of the central body ( 28 ) lie in the intended operating state in a common, substantially vertical plane. 9. Rotor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes am Zentralkörper (18) befestigte Rotorblatt (30) um seine Längsachse (38) verdrehbar gelagert ist. 9. Rotor according to one of claims 6 to 9, characterized in that each rotor blade ( 30 ) attached to the central body ( 18 ) is rotatably mounted about its longitudinal axis ( 38 ). 10. Rotor nach Anspruch 9, wobei jedes Rotorblatt (30) eine Blattwurzel besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß Blattwurzel und Zentralkörper (18) über eine Lagerung relativ zueinander verdrehbar sind, wobei die Lagerung unmittelbar an oder oberhalb der Blattwurzel angeordnet ist. 10. A rotor according to claim 9, wherein each rotor blade ( 30 ) has a blade root, characterized in that the blade root and central body ( 18 ) can be rotated relative to one another via a bearing, the bearing being arranged directly on or above the blade root. 11. Rotor nach einem der Ansprüchen 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rotorblatt eine Form besitzt, bei der die Profiltiefe der Formel
Profiltiefe = topt.K(x)
genügt, wobei topt die BETZsche Funktion für die theoretische Idealform eines Rotorblattes und K(x) ein Anpassungsfaktor für jedes Rotorblatt ist mit
K(x) = -A(r(x)/R)2 + B(r(x)/R) + C
wobei
r(x) jeweils den Abstand eines betrachteten Flächenelementes von der Rotordrehachse 24 in m und
R den Radius des Rotationsfeldes 16 in m darstellt und wobei
A ein Parameter mit einem Wert zwischen 0,5 und 0,7,
B ein Parameter mit einem Wert zwischen 0,84 und 1,04 und
C ein Parameter mit einem Wert zwischen 0,54 und 0,74 ist. 11. Rotor according to one of claims 4 to 10, characterized in that each rotor blade has a shape in which the profile depth of the formula
Profile depth = t opt .K (x)
is sufficient, where t opt is the BETZ function for the theoretical ideal shape of a rotor blade and K (x) is an adjustment factor for each rotor blade
K (x) = -A (r (x) / R) 2 + B (r (x) / R) + C
in which
r (x) in each case the distance of a surface element under consideration from the rotor axis of rotation 24 in m and
R represents the radius of the rotation field 16 in m and
A a parameter with a value between 0.5 and 0.7,
B is a parameter with a value between 0.84 and 1.04 and
C is a parameter with a value between 0.54 and 0.74. 12. Rotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter A, B und C folgende Werte besitzen: A = 0,6, B = 0,94, C = 0,64. 12. Rotor according to claim 11, characterized in that the parameters A, B and C have the following values: A = 0.6, B = 0.94, C = 0.64. 13. Mast für eine Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mast zumindest in dem Bereich, in dem der Mast in Windrichtung gesehen das durch die Rotation der Rotorblätter beschriebene Rotationsfeld abschattet, derart strömungsgünstig, insbesondere im Querschnitt tropfen- oder linsenförmig ausgebildet ist, daß sich den Mast in diesem Bereich in Windrichtung umströmende fluide Medien, insbesondere Luft, nahezu wirbelfrei ablösen können. 13. Mast for a wind turbine according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the mast at least in the area in which the mast in Wind direction seen that described by the rotation of the rotor blades Rotation field shadows, so streamlined, especially in Cross-section is drop-shaped or lenticular that the mast in fluid media flowing around this area in the wind direction, in particular Air, almost swirl-free. 14. Mast nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Mast einen unteren Mastabschnitt (10) und einen oberen Mastabschnitt (14) aufweist, die über ein Drehlager (12) miteinander verbunden sind. 14. Mast according to claim 13, characterized in that the mast has a lower mast section ( 10 ) and an upper mast section ( 14 ) which are connected to one another via a rotary bearing ( 12 ). 15. Mast nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Mastabschnitt (14) in Windrichtung strömungsgünstig ausgebildet ist und wenigstens die Länge eine Rotorblattes besitzt. 15. Mast according to claim 14, characterized in that the upper mast section ( 14 ) is streamlined in the wind direction and has at least the length of a rotor blade. 16. Mast nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der strömungsgünstig ausgebildete Mastabschnitt (14) aus zwei Rohrsegmenten besteht und einen linsenförmigen Querschnitt (44) aufweist. 16. Mast according to one of claims 13 to 15, characterized in that the aerodynamically designed mast section ( 14 ) consists of two tube segments and has a lenticular cross section ( 44 ). 17. Mast nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Seitenverhältnis des linsenförmigen Querschnitts etwa 1 : 2 beträgt, so daß der Querschnitt des Mastabschnittes in Windrichtung gesehen etwa doppelt so lang wie breit ist. 17. Mast according to claim 16, characterized in that the aspect ratio of lenticular cross section is about 1: 2, so that the cross section of the Mast section seen in the wind direction is about twice as long as it is wide.
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