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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Windkrafterzeugung, insbesondere auf eine Widerstandsreduzierungsstruktur, eine Schaufel und ein Herstellungsverfahren für eine Haikiemenschaufel einer Windkraftanlage.
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STAND DER TECHNIK
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Wind ist ein äußerst verbreitetes Naturphänomen. Die daraus abgeleitete Windkraft ist eine riesige Reserve und eine unerschöpfliche erneuerbare Ressource. Angesichts des steigenden Energiebedarfs und der dringenden Anforderungen der Energiewende hat sich die Windkrafterzeugung rasant entwickelt und ist derzeit die ausgereifteste Art der Windkraftnutzung der Welt. Der Versuch durch die Windkrafterzeugung begann zu Beginn des letzten Jahrhunderts nach dem Ersten Weltkrieg. Die dänischen Ingenieure haben kleine Windkraftanlagen nach dem Prinzip von Flugzeugpropellern gebaut. Chinas Nutzung der Windkrafterzeugung begann in den 1970er Jahren. Zu dieser Zeit handelte es sich hauptsächlich um Mikro- und Kleinwindkraftanlagen, und in den 1980er Jahren wurde mit der Entwicklung von mittleren und großen Windkraftanlagen begonnen.
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Der Prozess der Windkrafterzeugung bezieht sich auf die Umwandlung der kinetischen Energie des Windes durch eine Windkraftanlage in mechanische Energie und die Umwandlung in elektrische Energie, nachdem der Generator zur Stromerzeugung angetrieben wurde. Windkraftanlagen sind die Kernkomponenten des Windkrafterzeugungssystems. Windkraftanlagen sind hauptsächlich in vertikale und horizontale Achsen unterteilt. Die Windkraft von Windkraftanlagen mit horizontaler Achse hat eine höhere Nutzungseffizienz und ein breiteres Anwendungsspektrum. Eine typische Windkraftanlage mit horizontaler Achse besteht hauptsächlich aus einem Windrad, einer Kabine, einer Nabe, einem Regler, einer Einstellvorrichtung, einem Übertragungsmechanismus, einer mechanischen Bremsvorrichtung und einem Turm. Das Windrad der Windkraftanlage mit horizontaler Achse besteht aus Schaufeln mit ausgezeichneter aerodynamischer Leistung (derzeit sind kommerzielle Einheiten im Allgemeinen mit 2 bis 3 Schaufeln ausgestattet), die an der Nabe angebracht sind. Die Schaufel dreht sich um eine horizontale Achse, wobei die Drehebene senkrecht zur Windrichtung verläuft. Das sich mit niedriger Geschwindigkeit drehende Windrad wird durch das Getriebe durch das Getriebesystem erhöht, um die Kraft auf den Generator zu übertragen. Die Schaufel einer Windkraftanlage ist eine wichtige Kernkomponente einer Windkraftanlage, und ihre Leistung wirkt sich direkt auf die Effizienz der Stromerzeugung aus. Der Widerstand, dem die Schaufel während der Drehung ausgesetzt ist, beruht hauptsächlich auf dem Widerstand der gegenseitigen Reibung zwischen der Schaufel und dem umgebenden Luftstrom und kann sogar bis zu 70% des Gesamtwiderstands betragen. Dieser Widerstand erhöht den Energieverbrauch der Windkraftanlage erheblich. Daher ist die Verringerung des Widerstands der Schaufeln direkt mit der Verbesserung der Effizienz der Windkraftanlage verbunden.
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Wenn Haie in der Natur atmen, gelangt Wasser durch den Mund und den Wassereinlass in den Rachen und fließt durch die Kiemenspalten aus dem Körper. Die äußeren Kiemenspalten des Hais liegen ungefähr auf einer Ebene mit der umgebenden Körperoberfläche. Die Kiemenspalte sprüht Meerwasser nach außen und interagiert mit der umgebenden Umgebungsflüssigkeit, wodurch die Strömungsfeldstruktur um die Oberfläche des Hais herum verändert und der Widerstand der Körperoberfläche des Hais verringert wird. Die vorliegende Erfindung entwirft eine neuartige Schaufelwiderstandsreduzierungsstruktur einer Windkraftanlage basierend auf der Kiemenspaltstruktur des Hais. Die Schaufelform der Windkraftanlage ist stromlinienförmig. Die Schaufelstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ist so eingestellt, dass sie eine Kiemenspaltstruktur des Hais auf der Luvfläche der Schaufel aufweist, die einen (oder mehrere) Einlasslufteinlass und eine Vielzahl von Auslassluftauslässen aufweist. Ein Luftströmungskanal wird zwischen dem Einlass und dem Auslass gebildet, so dass ein Strahlphänomen im Abschnitt des Auslasses. Der strömende Luftstrom ist viskos und bildet eine Grenzschicht in der Nähe der Schaufeln der Windkraftanlage. Es gibt einen Geschwindigkeitsgradienten in der Grenzschicht, so dass die Größe des Reibungswiderstands von der Änderung des Geschwindigkeitsgradienten in der Grenzschicht abhängt, die mit abnehmendem Geschwindigkeitsgradienten abnimmt. Je dicker die Grenzschicht ist, desto geringer ist offensichtlich die Änderung des Geschwindigkeitsgradienten und desto geringer ist der Reibungswiderstand. Der Strahl biegt sich unter Einwirkung des Hauptluftstroms und schließt sich an die Schaufeloberfläche der Windkraftanlage. Die Strahlflüssigkeit bildet ein Pufferband zwischen dem Hauptluftstrom und der Schaufeloberfläche der Windkraftanlage, um die Dicke der Grenzschicht zu erhöhen. Gleichzeitig wird die Pufferwirkung durch einen kontinuierlichen Luftströmungsauslass mit gleichem Abstand verlängert und verstärkt, wodurch der Hauptluftstrom auf die Schaufeloberfläche der Windkraftanlage geschwächt und der Schaufelwiderstand verringert wird. Die Schaufelstruktur wird optimiert, um sie an mehr Arbeitsumgebungen anzupassen und so die Effizienz der Windkraftanlage zu verbessern.
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INHALT DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Widerstandsreduzierungsstruktur, eine Schaufel und ein Herstellungsverfahren für eine Haikiemenschaufel einer Windkraftanlage bereitzustellen, wodurch die Dicke der Grenzschicht auf der Schaufeloberfläche der Windkraftanlage effektiv erhöht, der Geschwindigkeitsgradient verringert, der Kontakt zwischen dem Hauptluftstrom und der Wandoberfläche gesteuert, der Oberflächenreibungswiderstand verringert und die Effizienz der Windkraftanlage erhöht werden kann.
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Um den obigen Zweck zu erreichen, wird die vorliegende Erfindung durch die folgenden technischen Lösungen implementiert:
- Widerstandsreduzierungsstruktur für eine Haikiemenschaufel einer Windkraftanlage, wobei die Widerstandsreduzierungsstruktur der Schaufel auf einer Oberfläche der Schaufel angeordnet ist, umfassend eine Nut, die an der Schaufel angeordnet ist, wobei die Nut mit einem Luftströmungseinlass und einer Vielzahl von Luftströmungsauslässen versehen ist, wobei ein Luftströmungskanal zwischen dem Luftströmungseinlass und der Vielzahl von Luftströmungsauslässen gebildet wird,
- so dass der Luftstrom durch die Drehung der Schaufel aus dem Luftströmungseinlass eintritt und nacheinander einen Strahl entlang des Luftströmungskanals durch den Luftströmungsauslass bildet und die Gasströmungsgeschwindigkeit in dem Luftströmungskanal niedriger als der Hauptluftstrom ist, was dazu führt, dass der Strömungsweg des Strahls, der aus dem Luftströmungsauslass fließt, unter dem Aufprall des Hauptluftstroms gebogen wird, wodurch ein Pufferbereich zwischen der Oberfläche der Schaufel und dem Hauptluftstrom gebildet wird, um die Reibung des Hauptluftstroms auf der Schaufel zu reduzieren.
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Ferner ist vorgesehen, dass der lineare Abstand zwischen den zwei Punkten der Vorderkante und der Hinterkante eines beliebigen Querschnitts der Schaufel mit einer Widerstandsreduzierungsstruktur c ist und als x-Achse eingestellt ist, wobei 25%-30% c von dem Vorderkantenpunkt entlang der x-Achse ein Luftströmungseinlass ist, 32%-34% c von dem Vorderkantenpunkt entlang der x-Achse ein erster Luftströmungsauslass ist, 36%-38% c von dem Vorderkantenpunkt entlang der x-Achse ein zweiter Luftströmungsauslass ist, 40%-42% c von dem Vorderkantenpunkt entlang der x-Achse ein dritter Luftströmungsauslass ist, 44%-46% c von dem Vorderkantenpunkt entlang der x-Achse ein vierter Luftströmungsauslass ist, 48%-50% c von dem Vorderkantenpunkt entlang der x-Achse ein fünfter Luftströmungsauslass ist.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Schnittlinie zwischen dem Luftströmungseinlass und der Oberfläche der Schaufel senkrecht zur x-Achse ist.
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Ferner ist vorgesehen, dass das Luftströmungsauslassprofil parallel zu dem Luftströmungseinlassprofil ist.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Widerstandsreduzierungsstruktur in einem Schaufelhöhenbereich von 60%-80% angeordnet ist.
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Schaufel der Windkraftanlage, wobei sie die folgenden Komponenten umfasst:
- eine obige Widerstandsreduzierungsstruktur der Schaufel der Windkraftanlage und
- einen Schaufelkörper,
- wobei die Widerstandsreduzierungsstruktur auf der Oberfläche des Schaufelkörpers angeordnet ist.
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Verfahren zur Herstellung einer Schaufel einer Windkraftanlage, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- das Bereitstellen eines Schaufelkörpers,
- das Anordnen einer Nut auf einer Oberfläche eines Schaufelkörpers, wobei die Nut mit einem Luftströmungseinlass und einer Vielzahl von Luftströmungsauslässen versehen ist,
- wobei ein Luftströmungskanal zwischen dem Luftströmungseinlass und der Vielzahl von Luftströmungsauslässen gebildet wird.
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Ferner ist vorgesehen, dass sich das Luftströmungseinlassprofil und das Luftströmungsauslassprofil auf dem anfänglichen Oberflächenprofil des Schaufelkörpers befinden und parallel zueinander sind, um eine äußere Oberfläche der Schaufel zu bilden.
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Ferner ist vorgesehen, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- das Bestimmen der Anfangsposition der inneren Oberfläche der Schaufel der Windkraftanlage und dies als Startposition des Luftströmungskanals, wobei die innere Oberfläche der Schaufel der Windkraftanlage mit einem voreingestellten Abstand in Richtung der Hinterkante der Schaufel versehen ist, wobei die Endposition der inneren Oberfläche der Schaufel der Windkraftanlage als die Endposition des Luftströmungskanals verwendet wird.
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Die vorliegende Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile:
- Zum ersten Mal wird eine Widerstandsreduzierungsstruktur für eine Haikiemenschaufel einer Windkraftanlage vorgeschlagen. Entsprechend der Kiemenspaltstruktur des Hais wird eine bionische Struktur vorgeschlagen, die den Reibungswiderstand der Schaufeloberfläche wirksam verringert und das Auftreten von Strömungsverlusten unterdrückt. Die aerodynamischen Eigenschaften der Schaufel können optimiert werden, wodurch die Lebensdauer der Windkraftanlage verlängert und die Arbeitsleistung und Zuverlässigkeit der gesamten Anlage verbessert wird. Es hat eine wichtige theoretische Bedeutung und einen praktischen Anwendungswert, der eine wissenschaftliche Grundlage für die Leistungsverbesserung und das Optimierungsdesign von Windkraftanlagen bietet.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Strukturdiagramm einer Widerstandsreduzierungsstruktur für eine Haikiemenschaufel einer Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 2 ist ein Zwischenabschnitt eines Existenzbereichs einer Widerstandsreduzierungsstruktur entlang der Höhenrichtung der Schaufel;
- 3 ist ein lokales Diagramm des Luftströmungseinlasses und -auslasses einer Widerstandsreduzierungsstruktur.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaufel einer Windkraftanlage;
- 2
- Luftströmungseinlass;
- 3
- Erster Luftströmungsauslass;
- 4
- Zweiter Luftströmungsauslass;
- 5
- Dritter Luftströmungsauslass;
- 6
- Vierter Luftströmungsauslass;
- 7
- Fünfter Luftströmungsauslass;
- 8
- Luftströmungskanal;
- 9
- Äußere Oberfläche einer Schaufel einer Windkraftanlage;
- 10
- Innere Oberfläche einer Schaufel einer Windkraftanlage.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es sollte angemerkt werden, dass die Beschreibung und die Ansprüche der vorliegenden Erfindung und die Begriffe in den obigen Zeichnungen und jede Verformung von ihnen umfassen und haben. Die Absicht besteht darin, nicht ausschließliche Einschlüsse abzudecken, z. B. Systeme, Produkte oder Geräte, die eine Reihe von Einheiten enthalten, müssen nicht auf diejenigen Einheiten beschränkt sein, die klar aufgeführt sind, sondern können andere Einheiten enthalten, die nicht klar aufgeführt sind oder diesen Produkten oder Geräten inhärent sind.
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Gegenwärtig bestehen die Schaufeln von Windkraftanlagen meist aus Glasfaser oder hochfesten Verbundwerkstoffen. Um die Beobachtung zu erleichtern, wird die Schaufel einer großen langsamen Windkraftanlage auf die Struktur der Schaufel 1 der Windkraftanlage vereinfacht, und der Höhenbereich von 60% -80% der Schaufel wird als der Existenzbereich der Widerstandsreduzierungsstruktur der Schaufel ausgewählt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Abschnitt von 70% der Schaufel der mittlere Abschnitt der Widerstandsreduzierungsstruktur. Die Vorderkante des Abschnitts ist gerade mit der Hinterkante verbunden. Die Länge ist c und wird auf die x-Achse eingestellt, und der Vorderkantenpunkt ist 0 Punkte. Die Position von 25% c von der Vorderkante ist die Eintrittsposition des Luftströmungseinlasses 2. Die Länge des Luftströmungseinlasses 2 beträgt 20% der Schaufelhöhe und die Breite beträgt 5% c. Haie haben normalerweise einen Wassereinlass und mehr als drei Paar Kiemenspalten. In dieser Studie wurde ein Luftströmungsauslass mit 5 kiemenähnlichen Spalten ausgewählt. In den fünf Positionen 32%-34% c, 36%-38% c, 40%-42% c, 44%-46% c, 48%-50% c sind der erste Luftströmungsauslass 3, der zweite Luftströmungsauslass 4, der dritte Luftströmungsauslass 5, der vierte Luftströmungsauslass 6 und der fünfte Luftströmungsauslass 7 mit einer Breite von 2% c. Die fünf Luftströmungsauslässe haben den gleichen Abstand und die gleiche Höhe. Da sich die äußeren Kiemenspalten des Hais in einer Ebene mit der umgebenden Körperoberfläche befinden, befinden sich die linken und rechten Profile des Luftströmungseinlasses und -auslasses bei 25% c, 30% c, 32% c, 34% c, 36% c, 38% c, 40% c, 42% c, 44% c, 46% c, 48% c, 50% c auf dem Oberflächenprofil der Schaufel 1 der ursprünglichen Windkraftanlage und sind parallel zueinander, um die äußere Oberfläche der Schaufel der Windkraftanlage 9 zu bilden. Der Luftströmungskanal 8 hat eine Länge von 25% c in Richtung der x-Achse und eine Länge von 2% c in Richtung der vertikalen x-Achse. Nachdem die Breite des Luftströmungseinlasses 2 in der Richtung der x-Achse sichergestellt ist, kann die Position der inneren Oberfläche 10 der Schaufel der Windkraftanlage bestimmt werden. Dies ist die Startposition des Luftströmungskanals 8, bis die innere Oberfläche 10 der Schaufel der Windkraftanlage bei 50 c% endet und die Struktur des Luftströmungskanals 8 endet. Wenn sich die Windkraftanlage dreht, ist der Luftstrom klebrig, so dass sich in der Nähe des Objekts eine Grenzschicht bildet. Es gibt einen Geschwindigkeitsgradienten in der Grenzschicht, und die Größe des Reibungswiderstands hängt von der Änderung des Geschwindigkeitsgradienten in der Grenzschicht ab. Je offensichtlicher der Geschwindigkeitsgradient ist, desto größer ist der Reibungswiderstand. Wenn der Hauptluftstrom die Oberfläche der Schaufel während der Drehung fegt, geht der Reibungswiderstand verloren. Je dicker die Grenzschicht ist, desto geringer ist natürlich der Reibungswiderstand. Wenn sich die Schaufel 1 der Windkraftanlage mit einer Widerstandsreduzierungsstruktur dreht, tritt der Luftstrom aus dem Luftströmungseinlass 2 ein, um den Atmungsprozess des Hais zu simulieren. Der Luftstrom wird nacheinander aus den fünf bionischen Spaltstrukturen des ersten Luftströmungsauslasses, des zweiten Luftströmungsauslasses, des dritten Luftströmungsauslasses, des vierten Luftströmungsauslasses und des fünften Luftströmungsauslasses in dem Luftströmungskanal ausgestoßen. Da nach dem Eintritt in den Luftströmungskanal 8 die Geschwindigkeit des Luftstroms niedriger ist als die externe Hauptströmungsgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit nimmt während des Strömungsprozesses des Luftströmungskanals 8 allmählich ab. Nach dem Ausströmen des Luftströmungsauslassstrahls wird der Strömungsweg der Niederenergiefluidmasse gebogen und nahe der äußeren Oberfläche 9 der Schaufel der Windkraftanlage gehalten, um einen Pufferbereich zwischen dem Hauptluftstrom und der äußeren Oberfläche 9 der Schaufel der Windkraftanlage zu bilden, wodurch die Grenzschicht verdickt wird, der Geschwindigkeitsgradient geschwächt wird und der Reibungswiderstandsverlust der Oberfläche verringert wird. Da der Luftströmungsauslassabstand klein ist und die Höhe gleich ist, ist die Strahlfluidmasse, die der vorherigen Strahlfluidmasse folgt, aufgetreten, wenn die Pufferwirkung der vorherigen Strahlfluidmasse nicht verschwunden ist. Die Pufferwirkung bleibt bestehen und wird verstärkt und wird für eine gewisse Distanz anhalten. Der Geschwindigkeitsgradient des Pufferbereichs ändert sich wenig und der Reibungswiderstand wird verringert, wodurch das umgebende Strömungsfeld der äußeren Oberfläche 9 der Schaufel der Windkraftanlage verbessert wird, die Arbeitsfähigkeit der Schaufel 1 der Windkraftanlage verbessert wird und die Leistung der Einheit verbessert wird.
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Es ist anzumerken, dass die Länge des Luftströmungseinlasses und des Luftströmungsauslasses der obigen Widerstandsreduzierungsstruktur ein beliebiger Wert (größer als Null) der Schaufelhöhe sein kann, dass die Breite des Luftströmungseinlasses und des Luftströmungsauslasses der obigen Widerstandsreduzierungsstruktur ein beliebiger zulässiger Wert (größer als Null) der Schaufelbreite der Windkraftanlage sein kann, dass die Verteilungsposition des Luftströmungseinlasses und des Luftströmungsauslasses der obigen Widerstandsreduzierungsstruktur den gesamten Bereich des Schaufelumfangs von 360 ° umfasst, dass die Anzahl der Luftströmungseinlässe und Luftströmungsauslässe der obigen Widerstandsreduzierungsstruktur nicht begrenzt ist und ein beliebiger zulässiger Wert (größer als Null) der Schaufelbreite sein kann, wobei die Formen des Luftströmungseinlasses und des Luftströmungsauslasses verschiedene Formen wie Rechtecke, Quadrate, Kreise und Ellipsen umfassen, wobei der Abstand zwischen den Luftströmungsauslässen einen gleichen Abstand, ist aber nicht auf einen gleichen Abstand beschränkt.
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Die Widerstandsreduzierungsstruktur für eine Haikiemenschaufel einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird oben in Kombination mit den Zeichnungen 1-3 beschrieben. Ferner kann die vorliegende Erfindung auch auf die Schaufel der Windkraftanlage angewendet werden.
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Schaufel einer Windkraftanlage, umfassend eine obige Widerstandsreduzierungsstruktur für eine Schaufel einer Windkraftanlage und,
einen Schaufelkörper,
wobei die Widerstandsreduzierungsstruktur für eine Schaufel einer Windkraftanlage auf der Oberfläche des Schaufelkörpers angeordnet ist.
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Die Schaufel der Windkraftanlage gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die gleichen technischen Merkmale auf wie der Wirbelstromgenerator gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel, um das gleiche technische Problem zu lösen und den gleichen technischen Effekt zu erzielen.
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Es sollte angemerkt werden, dass die Schaufeln der obigen Windkraftanlage für Windkraftanlagen mit horizontaler Achse oder Windkraftanlagen mit vertikaler Achse verwendet werden können, wobei die Anzahl der Schaufeln und die Geschwindigkeit der Windkraftanlage nicht begrenzt sind.
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Die Schaufel einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird oben beschrieben. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung auch ein Herstellungsverfahren für eine Schaufel einer Windkraftanlage, umfassend die folgenden Schritte:
- das Bereitstellen eines Schaufelkörpers,
- das Anordnen einer Nut auf einer Oberfläche eines Schaufelkörpers, wobei die Nut mit einem Luftströmungseinlass und einer Vielzahl von Luftströmungsauslässen versehen ist, wobei ein Luftströmungskanal zwischen dem Luftströmungseinlass und der Vielzahl von Luftströmungsauslässen gebildet wird,
- wobei sich das Luftströmungseinlassprofil und das Luftströmungsauslassprofil auf dem anfänglichen Oberflächenprofil des Schaufelkörpers befinden und parallel zueinander sind, um eine äußere Oberfläche der Schaufel zu bilden.
- das Bestimmen der Anfangsposition der inneren Oberfläche der Schaufel der Windkraftanlage und dies als Startposition des Luftströmungskanals, wobei die innere Oberfläche der Schaufel der Windkraftanlage mit einem voreingestellten Abstand in Richtung der Hinterkante der Schaufel versehen ist, wobei die Endposition der inneren Oberfläche der Schaufel der Windkraftanlage als die Endposition des Luftströmungskanals verwendet wird.
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Die spezifischen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Detail beschrieben, dienen jedoch nur als Beispiel. Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele. Für den Fachmann fällt jede äquivalente Modifikation und Ersetzung der vorliegenden Erfindung auch in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung. Daher sollten gleiche Transformationen und Modifikationen, die ohne den Geist und den Umfang der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
