DE19780521B4

DE19780521B4 - Rotor für eine windkraftanlage

Info

Publication number: DE19780521B4
Application number: DE19780521T
Authority: DE
Inventors: Michael Bockemühl; Edzard Hafner
Original assignee: Bockemuehl Michael Prof Dr
Current assignee: SPECIAL ENERGY HOLDING GMBH, 40213 DUESSELDORF, DE
Priority date: 1996-07-09
Filing date: 1997-07-05
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2017-07-06
Also published as: DE19780521D2; AU3541797A; WO1998001672A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Windkraftanlage, mit einem zentralen Mittelteil (22), das konzentrisch zur Drehachse (18) angeordnet ist, und mehreren von dem Mittelteil (22) abstehenden Rotorblättern (24), deren Längserstreckung durch ein innenliegendes Ende (26) und ein außenliegendes Ende (28) und deren Breitenerstreckung durch zwei Seitenränder (30, 32) begrenzt ist, wobei jedes Rotorblatt (24) an seinem innenliegenden Ende (26) mit dem Mittelteil (22) verbunden ist, wobei jedes Rotorblatt (24) gekrümmt ist und einen kontinuierlich konvex gekrümmt sowie einen kontinuierlich konkav gekrümmt verlaufenden Seitenrand (30, 32) aufweist, wobei jedes Rotorblatt (24) ausgehend von seinem innenliegenden Ende (26) bis zu seinem außenliegenden Ende (28) eine kontinuierlich abnehmende Breite aufweist und die Seitenränder (30, 32) jedes Rotorblattes (24) an dessen innenliegendem Ende (26) derart verlaufen, dass sie tangential in eine konzentrisch zur Drehachse (18) verlaufende gedachte Kreislinie (20) übergehen, wobei das Verhältnis aus dem Krümmungsradius (r) jedes Rotorblattes (24) und dem Abstand (R) seines außenliegenden Endes (28) zur Drehachse (18) etwa 0,5 bis 2,5 beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Windkraftanlage.
Zur regenerativen Energiegewinnung auf Windkraft bedient man sich Windkraftanlagen, die einen Mast mit einem daran drehbar angeordneten Rotar aufweisen. Zumeist werden mehrere derartige Masten in bestimmten Abständen voneinander angeordnet (Windparks). Auch wenn die Energiegewinnung durch diese Windkraftanlagen vom ökonomischen und ökologischen Standpunkt her zufriedenstellend ist, scheitert die Installation von Windkraftanlagen in letzter Zeit in zunehmendem Maße an Widerständen in der Bevölkerung. Dabei werden vor allem die von den Rotoren erzeugten Windgeräusche und der sogenannte "Schlagschatten" bemängelt.
Aus klima- und energiepolitischer Sicht kann aber langfristig auf die umweltfreundliche regenerative Energiegewinnung aus Windkraft nicht verzichtet werden, Inzwischen werden auch sogenannte Schwachwindgebiete im Inland für diese Ressourcen erschlossen. Technisch ausgereifte Anlagen mit geringerer Beeinträchtigung der Umwelt in einem ästhetisch ansprechenden Design könnten die Einsatzbreite dieser Energiegewinnung erweitern, indem auch die Akzeptanz solcher Anlagen in der Öffentlichkeit erreicht wird. Somit käme einer verbesserten Anlage neben reinen zweckorientierten technischen Ausrichtungen der gestalterischen Komponenten auch eine starke Bedeutung zu. Voraussetzung jedoch ist es, Rotorblätter bzw. Rotoren zu entwickeln, die bessere Stabilitätsverhalten, geringere Schwingungen, erhöhte Wirkungsgrade und verminderte Geräuschentwicklungen aufweisen und darüber hinaus eine variable ästhetische Gestaltung erlauben, so daß bei spielsweise mit einer Reduzierung des Schlagschatteneffekts (Stroboskop- bzw. "Disco"-Effekt), der abhängig vom Sonnenstand und der Winkelung der Rotorblätter ist, akzeptablere Anlagen erzielt werden.

Aus der US 1 919 588 ist ein Rotor für eine Windkraftanlage bekannt, bei dem jedes Rotorblatt gekrümmt ist und einen konvex und einen konkav gekrümmten Seitenrand aufweist. Die Breite der Rotorblätter variiert über ihre Länge.

Aus der DE 4 134 062 A1 ist eine Luftschraube mit Tandemprofil bekannt, deren Rotorblätter gekrümmt sind und ein konvex und ein konkav gekrümmten Seitenrand aufweisen, wobei die Breite eines jeden Rotorblattes über seine Erstreckung zur Spitze hin abnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine Windkraftanlage zu schaffen, der bei hohem Wirkungsgrad eine geringe Geräuschentwicklung aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Rotor für eine Windkraftanlage vorgeschlagen, der versehen ist mit

– einem zentralen Mittelteil, das konzentrisch zur Drehachse angeordnet ist, und
– mehreren von dem Mittelteil abstehenden Rotorblättern, deren Längserstreckung durch ein innenliegendes Ende und ein außenliegendes Ende und deren Breitenerstreckung durch zwei Seitenränder begrenzt ist, wobei
– jedes Rotorblatt an seinem innenliegenden Ende mit dem Mittelteil verbunden ist,
– jedes Rotorblatt gekrümmt ist und einen kontinuierlich konvex gekrümmt sowie einen kontinuierlich konkav gekrümmt verlaufenden Seitenrand aufweist,
– jedes Rotorblatt ausgehend von seinem innenliegenden Ende bis zu seinem außenliegenden Ende eine kontinuierlich abnehmende Breite aufweist und
– die Seitenränder jedes Rotorblatts an dessen innenliegendem Ende derart verlaufen, daß sie tangential in eine konzentrisch zur Drehachse verlaufende gedachte Kreislinie übergehen, wobei das Verhältnis aus dem Krümmungsradius jedes Rotorblattes und dem Abstand seines außenliegenden Endes zur Drehachse 0,5 bis 2,5 beträgt.

Der erfindungsgemäße Rotor weist ein zentrales Mittelteil auf, von dem sich aus einzelne Ratorblätter radial erstrecken. Das Mittelteil ist konzentrisch zur Drehachse angeordnet. Die Längserstreckung der Rotorblätter ist durch innenliegende und außenliegende Enden begrenzt, während Seitenränder der Rotorblätter die Breitenerstreckung definieren. Die Rotorblattflächen sind also durch die innen- und außenliegenden Enden sowie die Seitenränder definiert.

Bei dem erfindungsgemäßen Rotor sind die Rotorblätter an ihren innenliegenden Enden vorzugsweise fest mit dem Mittelteil verbunden. Darüber hinaus ist jedes Rotorblatt gekrümmt, und zwar vorzugsweise derart, daß die Krümmungsrichtung der Rotorblätter und die Rotationsrichtung des Rotors entgegengesetzt zueinander sind. Ferner weist jedes Rotorblatt ausgehend von seinem innenliegenden Ende bis zu seinem außenliegenden Ende eine kontinuierlich sich verringernde Breite auf, indem der eine Seitenrand des Rotorblatts kontinuierlich konvex gekrümmt ist und der andere Seitenrand kontinuierlich konkav gekrümmt verläuft. Der Übergang der Rotorblätter zum Mittelteil ist derart ausgestaltet, daß die Seitenränder jedes Rotorblatts an dessen innenliegenden Ende tangential in eine konzentrisch zur Drehachse verlaufende gedachte Kreislinie übergehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Rotor ist jedes Rotorblatt an seinem innenliegenden Ende über die gesamte Breitenerstreckung des innenliegenden Endes mit dem Mittelteil verbunden. Ferner sind die Rotorblätter gekrümmt, so daß sich in Draufsicht eine sichelartige Struktur ergibt. Durch diese beiden Konstruktionsmerkmale wird die Rotorblattfläche im Verhältnis zum Radius verlängert, d.h. die Streckung (aspect ratio) vergrößert. Die Rotorblätter des erfindungsgemäßen Rotors weisen also infolge ihrer Krümmung eine größere Streckung auf als geradlinig radial verlaufende Rotorblätter (bei gleichbleibendem Radius des Rotors). Durch diese Vergrößerung der Streckung verringert sich der induzierte Widerstand des Rotors, was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades führt. Durch die Sichelform lassen sich ferner die Geräuschentwicklungen reduzie ren. Ferner wird durch die bis zur Verbindung der Rotorblätter mit dem Mittelteil sich vergrößernde Breite der Rotorblätter das Windfeld, dem der Rotor ausgesetzt ist, optimal ausgenutzt, da die Windkraft auch im mittelteilnahen Bereich des Rotors zur Rotation desselben ausgenutzt werden kann.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der in Rotationsrichtung betrachtet vordere, d.h. der in Rotationsrichtung weisende Seitenrand der Rotorblätter konvex gekrümmt ist, während der in Rotationsrichtung betrachtet hintere, also der entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Rotors weisende Seitenrand konkav gekrümmt ist.

Vorzugsweise gilt für das Verhältnis aus dem Krümmungsradius jedes Rotorblatts und dem Radius des Rotors, daß dieses Verhältnis zwischen 0,6 und 2 liegt. Insbesondere wird für dieses Verhältnis ein Wert gewählt, der zwischen 0,9 und 1,0 liegt. Mit anderen Worten ist es besonders günstig, den Krümmungsradius der Rotorblätter im wesentlichen gleich bzw. geringfügig kleiner als den Radius des Rotors zu wählen.

Zweckmäßigerweise sind die Rotorblätter und das Mittelteil des Rotors einstückig miteinander ausgebildet. Bei dem erfindungsgemäßen Rotor kann nämlich in vorteilhafter weise auf eine Verdrehung der Rotorblätter verzichtet werden, so daß die Verbindung zwischen den Rotorblättern und dem Mittelteil insoweit starr ausgeführt sein kann.

Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Rotor mit drei Rotorblättern versehen, die um jeweils 120° gegeneinander versetzt um das Mittelteil herum angeordnet sind und von diesem abstehen. Dabei kreuzen bzw. überschneiden sich die gegenüberliegenden konvex und konkav gekrümmten Seiten ränder jeweils zweier benachbarter Rotorblätter (bei Betrachtung in Draufsicht auf den Rotor).

Als Profil (Querschnitt) der Rotorblätter wird insbesondere ein sogenanntes Naca-Profil verwendet. Dieses Profil hat sich in der Praxis grundsätzlich bewährt und liefert auch bei Anwendung in dem erfindungsgemäßen Rotor gute Ergebnisse.

Damit sich die Grenzschicht zwischen der Luftströmung und dem Rotorblatt, also die Oberfläche des Rotorblatts, an lokal unterschiedliche Druckausbildungen anpassen kann, ist es von Vorteil, die Rotorblattoberfläche zu profilieren, was beispielsweise durch eine Mikrostruktur aus sich kreuzenden, gruppenweise parallelen, rautenförmig verlaufenden oder wellenförmig verlaufenden Rippen (Prismenstruktur) erzielt werden kann. Wichtig hierbei ist, daß der Oberfläche der Rotorblätter eine gewisse Rauhigkeit verliehen wird. Dies reduziert Verwirbelungen im grenzschichtnahen Bereich der Rotorblätter sowie in der Grenzschicht selbst, was wiederum zu reduzierten Ablöseeracheinungen und damit zu reduzierten Geräuschentwicklungen führt. Die laminare Strömung an der Grenzschicht (Oberfläche des Rotorblattes) wird verlängert, so daß sich der auf das Rotorblatt wirkende Auftrieb vergrößert.

Bezüglich der Anpassung der Grenzschicht an lokal unterschiedliche Druckausbildungen im Strömungsfeld, dem der Rotor ausgesetzt ist, ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Oberfläche der Rotorblätter elastisch nachgiebig ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise durch Aufbringen einer elastischen Beschichtung erfolgen, bei der es sich zweckmäßigerweise um eine eingeschlossene Luftschicht oder eine eingeschlossene Schicht auf einem anderweitigen fließfähigen Fluid oder sonstigen Material handelt. Die Luftschicht kann beispielsweise in einzelne Luftkammern unterteilt sein. Die elastische Beschichtung wirkt also entweder durch ein auf der Oberfläche der Rotorblätter angeordnetes kompressibles Material (im Regelfall Gas) oder wird durch eine fließfähige Materialschicht realisiert, wobei dieses Material nicht notwendigerweise kompressibel sein muß sondern durch seine Fließeigenschaften lokalen Druckerhöhungen ausweichen kann.

Wie bereits oben kurz dargelegt, können die Rotorblätter starr am Mittelteil des Rotors angeordnet sein. Um bei großen Windkräften einer Zerstörung des den Rotor tragenden Masts vorzubeugen, ist es von Vorteil, wenn dieser Mast flexibel ausgebildet ist, so daß der Rotor durch Biegung des Masts bei hohen Windkraftbelastungen nachgibt, so daß die Windkraftbelastungen des Rotors auf ein Maximum begrenzt sind.

Ein Kippen des Rotors kann alternativ zu der obigen Ausgestaltung aber auch dadurch realisiert werden, daß der den Rotor drehend tragende Haltekörper (im allgemeinen auch mit Gondel bezeichnet), der oben auf dem Mast vorzugsweise um eine vertikale Achse drehbar gelagert ist, zusätzlich auch um eine horizontale Schwenkachse schwenkbar ist, die quer zur Erstreckung des Masts verläuft. Durch diese horizontale Schwenkachse läßt sich der gesamte Haltekörper und damit auch der Rotor kippen, wenn dies die Windkraftverhältnisse und Windgeschwindigkeiten erfordern. Zweckmäßigerweise ist zum Verschwenken des Haltekörpers ein Antrieb vorgesehen, der insbesondere hydraulisch arbeitet und vorzugsweise als Kolben-Zylinder-Einheit ausgeführt ist, die sich einerseits am Haltekörper und andererseits am Mast abstützt.

Im Hinblick auf die Montage eines Rotors einer Windkraftanlage am oberen Ende des Masts ist es zweckmäßig, wenn der Haltekörper um etwa 90° um die Schwenkachse schwenkbar ist. Dann nämlich kann der Rotor bei horizontaler Erstreckung bequem mit einem Kran o.dgl. angehoben und an dem um 90° abgekippten Haltekörper angebracht werden.

Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, Im einzelnen zeigen:
1 eine Vorderansicht auf eine Windkraftanlage mit einem Mast und einem daran angebrachten Rotar,
2 eine Seitenansicht des oberen Endes des Masts mit Gondel und an dieser befestigtem Rotor bei quer zur Erstreckung des Masts ausgerichteter Rotationsachse und
3 eine Seitenansicht des oberen Endes des Masts mit Gondel und an dieser befestigtem Rotor bei parallel zur Erstreckung des Masts ausgerichteter Rotationsachse.
In 1 ist eine Windkraftanlage 10 dargestellt, die einen (Rohr-)Mast 12 mit einem an dessen oberen Ende drehbar angeordneten Rotor 14 aufweist. Gemäß 2 ist der Rotor 14 von einem Haltekörper oder einer Gondel 16 drehbar gehalten, der bzw. die am oberen Ende des Masts 12 angeordnet ist. Der Rotor 14 weist eine Drehachse 18 auf, die drehbar an der Gondel 16 gelagert ist und drehfest mit einem durch eine gestrichelte Kreislinie 20 angedeuteten Mittelteil 22 des Rotors 14 verbunden ist. Von dem Mittelteil 22 des Rotors 14 aus erstrecken sich drei Rotorblätter 24, die jeweils um 120° gegeneinander versetzt angeordnet sind. Jedes Rotorblatt 24 ist nach Axt einer Sichel gekrümmt und weist ein innenliegendes Ende 26, an dem es in das Mittelteil 22 übergeht, und ein außenliegendes Ende 28 auf. Wie anhand der 1 gezeigt, verjüngt sich jedes Rotorblatt 24 in seiner Breite ausgehend von seinem innenliegenden Ende 26 bis zu seinem außenliegenden Ende 28 kontinuierlich. Die Rotorblätter 24 sind durch jeweils zwei Seitenränder 30, 32 begrenzt. Die Oberflächen 33 der Rotorblätter 24 verlaufen schräg, so daß sich bei Anströmung des Rotors 14 dieser in Richtung des Pfeils 34 dreht.
Der Rotor 14 ist einteilig ausgebildet, d.h. daß das Mittelteil 22 und die Rotorblätter 24 einstückig ausgebildet sind. Die in Drehrichtung 34 vorderen Seitenränder 30 der Rotorblätter 24 sind konvex gekrümmt, während die in Rotationsrichtung 34 hinteren Seitenränder 32 konkav gekrümmt sind. In ihrer Verlängerung über ihre innenliegenden Enden 26 bis in das Mittelteil 22 hinein verlaufen die Seitenränder 30, 32 der Rotorblätter 24 tangential zur bei 20 angedeuteten Kreislinie, die ihrerseits konzentrisch zur Drehachse 18 ist. Die Rotorblätter 24 weisen ihre maximale Breite im Bereich des Mittelteils 22 an ihren innenliegenden Enden 26 auf, wobei sie sich ausgehend von diesen innenliegenden Enden 26 zu den außenliegenden Enden 28 verjüngen. Dabei ist zu beachten, daß die konvex und konkav gekrümmten Seitenränder 30, 32 im Bereich der Rotorblätter zwischen deren Enden 26 und 28 keine Wendepunkte aufweisen. Der Krümmungsradius r der Rotorblätter 24 beträgt etwa das 0,9- bis 1-fache des Radius R des Rotors 18.
Durch die Krümmung der Rotorblätter 24 wird deren Rotorfläche bei gegebenem Rotorradius R vergrößert. Dadurch vergrößert sich die Streckung der Rotorblätter 24, was sich in vorteilhafter Weise auf eine Verringerung des induzierten Widerstandes an den außenliegenden Enden 28 der Rotorblätter 24 auswirkt. Damit aber wiederum wird eine Reduktion der bei Rotation des Rotors 14 von diesem erzeugten Geräuschen erreicht. Zusätzlich kann durch die kontinuierliche Verbreiterung der Rotorblätter 24 bis zum Mittelteil 22 hin das Strömungsfeld, dem der Rotor 14 aus gesetzt ist, optimal ausgenutzt und damit die Windenergie optimal in Bewegungsenergie umgesetzt werden.
Wie in den 2 und 3 verdeutlicht, läßt sich der Rotor 14 zwischen seiner vertikalen Ausrichtung (2) und einer horizontalen Ausrichtung (3) um eine horizontale Schwenkachse 35 kippen. Diese Kippbewegung kann genutzt werden, um die auf den Rotor 14 wirkende Windkraft bei hohen Windgeschwindigkeiten zu reduzieren. Die Gondel 16 ist mit einem Halterungsgestell 36 versehen, das die Rotorachse 18 trägt und um die Schwenkachse 35 schwenkbar ist. An dem Gestell 36 greift eine Kalben-Zylinder-Einheit 38 an, die sich einerseits am Gestell 36 und andererseits am Mast 12 abstützt. Die vorzugsweise hydraulisch betriebene Kalben-Zylinder-Einheit läßt sich ausfahren, wodurch es zu einer Verschwenkung der Gondel 16 und damit des Rotors 14 relativ zum Mast 12 kommt. Der Schwenkbereich beträgt dabei 90°, wie es sich aus den 2 und 3 ergibt. Die Verschwenkbarkeit des Haltekörpers 16 hat Vorteile bei der Montage der Windkraftanlage. So kann beispielsweise zunächst der Mast 12 mitsamt dem Haltekörper 16 montiert und aufgestellt werden. Durch Ausrichtung das Haltekörpers 16 gemäß 3 läßt sich dann der Rotor 14 bei horizontaler Ausrichtung bequem von oben auf den Haltekörper 16 aufsetzen und dort befestigen. Diese Art des Zusammenbaus ist für Windkraftanlagen recht komfortabel.
Die Schwenkbarkeit des Haltekörpers 16 und damit die Möglichkeit des Abkippens des Rotors 14 hat auch im Hinblick auf die Begrenzung der auf den Rotor wirkenden Windkraftbelastungen Vorteile, wenn man bedenkt, daß sich diese Belastung bei einer Verschwenkung des Rotors 16 um 20 % aus der Vertikalen um etwa die Hälfte verringert.

Claims

Rotor für eine Windkraftanlage, mit – einem zentralen Mittelteil (22), das konzentrisch zur Drehachse (18) angeordnet ist, und – mehreren von dem Mittelteil (22) abstehenden Rotorblättern (24), deren Längserstreckung durch ein innenliegendes Ende (26) und ein außenliegendes Ende (28) und deren Breitenerstreckung durch zwei Seitenränder (30, 32) begrenzt ist, wobei – jedes Rotorblatt (24) an seinem innenliegenden Ende (26) mit dem Mittelteil (22) verbunden ist, – jedes Rotorblatt (24) gekrümmt ist und einen kontinuierlich konvex gekrümmt sowie einen kontinuierlich konkav gekrümmt verlaufenden Seitenrand (30, 32) aufweist, – jedes Rotorblatt (24) ausgehend von seinem innenliegenden Ende (26) bis zu seinem außenliegenden Ende (28) eine kontinuierlich abnehmende Breite aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Seitenränder (30, 32) jedes Rotorblattes (24) an dessen innenliegendem Ende (26) derart verlaufen, dass sie tangential in eine konzentrisch zur Drehachse (18) verlaufende gedachte Kreislinie (20) übergehen, wobei das Verhältnis aus dem Krümmungsradius (r) jedes Rotorblattes (24) und dem Abstand (R) seines außenliegenden Endes (28) zur Drehachse (18) etwa 0,5 bis 2,5 beträgt.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus dem Krümmungsradius (r) jedes Rotorblattes (24) und dem Abstand (R) seines außenliegenden Endes (28) zur Drehachse (18) etwa 0,6 bis 2,0 und insbesondere 0,9 bis 1,0 beträgt.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konvex gekrümmte Seitenrand (30) jedes Rotorblatts (24) in Drehrichtung (34) und der konkav gekrümmte Seitenrand (32) jedes Rotorblatts (24) entgegengesetzt zur Drehrichtung (34) weist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (24) und das Mittelteil (22) einstückig ausgebildet sind.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Mittelteil (22) drei um 120° gegeneinander versetzt angeordnete Rotorblätter (24) abstehen, wobei sich die gegenüberliegenden konvex und konkav gekrümmten Seitenräner (30, 32) jeweils benachbarter Rotorblätter (24) überschneiden.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rotorblatt (24) eine mit einer Mikrostruktur profilierte Oberfläche (33) aufweist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (33) eine elastische Beschichtung aufweist.
Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Beschichtung eine eingeschlossene Luftschicht oder eine Schicht aus einem eingeschlossenen fließfähigen Material ist.