DE202016103595U1

DE202016103595U1 - Rotorblatt und Rotor für Windkraftanlagen im Megawatt-Bereich

Info

Publication number: DE202016103595U1
Application number: DE202016103595.3U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2017-10-06
Anticipated expiration: 2026-07-06
Also published as: WO2018007403A1

Abstract

Rotorblatt (2) für Windkraftanlagen im MW-Bereich mit einem ersten Teil (4) mit einer festen Länge (LP) in Form eines sich nach außen hin verjüngenden aerodynamisch aktiven Blattprofils, einer Blattwurzel (8) zum Verbinden des Rotorblatts (2) mit einer Rotornabe (10), und einem zweiten Teil (6) einer festen Länge (LD) in Form eines aerodynamisch inaktiven Hohlprofils, wobei das zweite Teil (6) zwischen der Blattwurzel (8) und dem ersten Teil (4) angeordnet ist und wobei die Blattwurzel (8), das zweite Teil (6) und das erste Teil (4) längenfest miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt sowie einen Rotor mit einer Mehrzahl von Rotorblättern für Windkraftanlagen in Megawatt-Bereichen nach Anspruch 1 bzw. 9.
Die maximale in bewegter Luft enthaltene Energie ergibt sich aus der Formel P_Wind = ½ϱAv³, mit

P_Wind: = die maximal in der bewegten Luft enthaltene Leistung,
ϱ: = Dichte der Luft
A: = die von den Rotorblättern überstrichene Fläche,
v: = Windgeschwindigkeit.

Windkraftanlagen im Megawattbereich müssen daher sehr lange Rotorblätter besitzen um die überstrichene Fläche A möglichst groß zu machen. Beispielsweise besitzen die Rotorblätter der Windkraftanlage E-126 von Enercon mit einer Nennleistung von 7,6 MW eine Länge von 63 Metern mit einem Gewicht von ca. 24 t. Im Offshore-Bereich kommen Rotorblätter mit einer Länge von 85 Metern zum Einsatz, die ca. 25 t wiegen. Der Transport auf öffentlichen Straßen und die Montage dieser großen und schweren Bauteile ist aufwendig und schwierig.
Aus der DE 10 2012 108 182 A1 ist der grundsätzliche Aufbau von solchen Rotorblättern mit Profilteil und Blattwurzel bekannt. Mit der Blattwurzel wird das Rotorblatt an der Nabe der Windkraftanlage montiert. Unmittelbar im Anschluss an die Blattwurzel befindet sich die breiteste Stelle des Profilteils. Das Profilteil verjüngt sich hin zur Spitze des Rotorblatts bzw. Profilteils. Auf Grund der unterschiedlichen Umlaufgeschwindigkeiten an der Flügelspitze und im Bereich der Blattwurzel ist die Dicke des Querschnitts der Rotorblätter unterschiedlich, d. h. an die Blattwurzel schließt sich der dickste Teil des Rotorblatt; die Spitze des Rotorblatts bzw. des Profilteils ist am dünnsten.
Ausgehend von herkömmlichen Rotorblättern für Windkraftanlagen im MW-Bereich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Rotorblatt sowie einen Rotor mit einer Mehrzahl von solchen Rotorblättern anzugeben, die bei einer bestimmten Nennleistung einer damit ausgerüsteten Windkraftanlage leichter sind als herkömmliche Rotorblätter bei dieser Nennleistung.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Rotorblatt bei dem die Blattwurzel verlängert ausgestaltet ist und sich unmittelbar an die Blattwurzel ein längerer aerodynamisch nicht aktiver Bereich anschließt. Die überstrichene Fläche eines Rotors mit herkömmlichen Rotorblatt der Länge L_p ist L_p ²π. Die effektive überstrichene Kreisringfläche eines um einen aerodynamisch inaktiven Teil der Länge L_D verlängerten Rotorblatts ist A_Ring = (L_P ² + 2L_PL_D)π.
Unter der Annahme L_D = xL_P, wird deutlich, dass die effektive Ringfläche des „verlängerten” Rotorblatts gemäß der vorliegenden Erfindung immer größer ist als die überstrichene Fläche eines herkömmlichen Rotorblatts der Länge L_P. Es gilt: A_Ring = L_P ²π(1 + 2x)
Damit ist die mögliche Leistung eines verlängerten Rotorblatts immer größer als die mögliche Leistung eines Rotorblatts ohne Verlängerung. Wenn daher eine bestimmte Leistung erzeugt werden soll, kann die Länge L_P des Profilteils verkürzt werden. Da herkömmliche Rotorblätter im Anschluss an die Blattwurzel am dicksten und damit am schwersten sind, ergibt sich bei den erfindungsgemäßen Rotorblättern eine erhebliche Gewichtsersparnis.
Zwar ist aus der DE 44 28 731 A1 ein Rotorblatt bekannt, dass sich über einen Teleskopmechanismus verlängern lässt, jedoch dient diese Verlängerung lediglich einem verbesserten Anlaufverhalten bei geringen Windgeschwindigkeiten. Darüber hinaus ist aufgrund des Teleskopmechanismus keine Gewichtseinsparung erzielbar und auch nicht beabsichtigt.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 bis 4 werden geeignete Positionen für den Pitchantrieb von der Rotorblätter angegeben. Bei den Ausgestaltungen nach Anspruch 2 und 4 können die Pitch-Antriebe schwächer dimensioniert werden, da die angreifenden Hebelkräfte umso kleiner werden, je weiter entfernt von der Rotornabe der Pitch-Antrieb montiert ist
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 5 wird maximale Stabilität bei minimalem Gewicht erreicht.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 wird ein besonders leichtes Rotorblatt ermöglicht. Im Wesentlichen heißt, dass lediglich Verbindungselemente, wie Flansche und Schrauben nicht aus Carbonfaser verstärktem Kunststoff sind.
Die positive Wirkung der vorliegenden Erfindung, Gewichtsreduzierung einerseits und geringe Verringerung der überstrichenen aktiven Fläche andererseits tritt signifikant bereits ein, wenn die Länge L_D des zweiten nicht aerodynamisch aktiven Teils des Rotorblatts mindestens 10% der Länge L_P des ersten aerodynamisch aktiven Teils des Rotorblatts beträgt. Wie dieses Längenverhältnis optimal ausgestaltet wird, ist ein Ergebnis einer Optimierungsrechnung in die zum einen die Gewichtsreduzierung und Stabilität des Rotorblatts und zum anderen die Vergrößerung der wirksamen Fläche A eingeht – Anspruch 7.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 kann das Rotorblatt vor der Montage für den Transport zerlegt werden, wodurch sich der Transport erheblich vereinfacht.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 kann der Verbiegung der Rotorblätter durch den Winddruck Rechnung getragen werden. Es kann somit sicher verhindert werden, dass die Rotorblätter bei Starkwind mit dem Turm der Windkraftanlage in Berührung kommen. Hierbei können die zweiten, aerodynamisch nicht aktiven Teile oder die ersten aerodynamisch aktiven Teile parallel zur Vertikalen verlaufen oder beide Teile schließen einen spitzen Winkel zur Vertikalen ein.
Weitere Einzelheiten, Merkmal und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung.
Es zeigt
1 einen Rotor für Windkraftanlagen mit 3 Rotorblättern, die jeweils eine Länge von 100 m aufweisen, und
2 einen Rotor für Windkraftanlagen mit 4 Rotorblättern, die jeweils eine Länge von 120 m aufweisen.
In beiden Fällen besten die einzelnen Rotorblätter 2 aus einen ersten Teil 4 mit einer festen Länge LP in Form eines sich nach außen hin verjüngenden aerodynamisch aktiven Blattprofils, einem zweiten Teil 6 einer festen Länge L_D in Form eines aerodynamisch inaktiven Hohlprofils und einer Blattwurzel 8 zum Verbinden des Rotorblatts mit einer Rotornabe 10 einer Windkraftanlage. Blattwurzel 8, zweites Teil 6 und erstes Teil 4 sind längenfest bzw. längeninvariant miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen erstem und zweitem Teil 4, 6 ist lösbar ausgestaltet, z. B. in Form einer Verschraubung. Damit wird der Transport vereinfacht.
Das erste Teil 4 des Rotorblatts 2 in Form eines aerodynamisch aktiven Hohlprofils ist gemäß einem herkömmlichen Rotorblatt ausgestaltet. Das zweite Teil 6 in Form des aerodynamisch nicht aktiven Hohlprofils besitzt einen kreisförmigen Querschnitt und besteht aus Kunststoff, der mit Carbonfasern verstärkt ist. Hierdurch ist das zweite Teil 6 leicht und dennoch stabil und geeignet das erste Teil 4 zu tragen und die dynamischen Windlasten aufzunehmen. Das zweite Teil 6 verjüngt sich von der Blattwurzel 8 zum ersten Teil 4 hin leicht konisch, wodurch sich eine zusätzliche Gewichtseinsparung ergibt.
Bei der Ausführungsform nach 1 gelten folgende Dimensionen:
L_P = 80 m L_D = 20 m
effektive überstrichen Ringfläche A_Ring = 30144 m²
Ein herkömmliches Rotorblatt, das diese Fläche überstreicht hätte eine Länge von 98 m, wäre jedoch aufgrund des verbreiterten zusätzlichen Längenstücks im Vergleich zum ersten Teil 4 mit der Länge von 80 m erheblich schwerer.
Bei der Ausführungsform nach 2 gelten folgende Dimensionen:
L_P = 90 m
L_D = 30 m
effektive überstrichen Ringfläche A_Ring = 42390 m²
Ein herkömmliches Rotorblatt, das diese Fläche überstreicht hätte eine Länge von 116 m, wäre jedoch aufgrund des verbreiterten zusätzlichen Längenstücks im Vergleich zum ersten Teil 4 mit der Länge von 90 m erheblich schwerer.
In Analogie zu der Ausführungsform nach 1 können bei den Rotorblattlängen gemäß 2 auch nur drei Rotorblätter vorgesehen werden. Auch Ausführungsformen mit nur zwei Rotorblättern sind möglich.
Bezugszeichenliste

2: Rotorblatt
4: erster Teil von 2
6: zweiter Teil von 2
8: Blattwurzel von 2
10: Rotornabe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012108182 A1 [0004]
DE 4428731 A1 [0010]

Claims

Rotorblatt (2) für Windkraftanlagen im MW-Bereich mit einem ersten Teil (4) mit einer festen Länge (L_P) in Form eines sich nach außen hin verjüngenden aerodynamisch aktiven Blattprofils, einer Blattwurzel (8) zum Verbinden des Rotorblatts (2) mit einer Rotornabe (10), und einem zweiten Teil (6) einer festen Länge (L_D) in Form eines aerodynamisch inaktiven Hohlprofils, wobei das zweite Teil (6) zwischen der Blattwurzel (8) und dem ersten Teil (4) angeordnet ist und wobei die Blattwurzel (8), das zweite Teil (6) und das erste Teil (4) längenfest miteinander verbunden sind.
Rotorblatt (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Teil (4, 6) ein Pitch-Antrieb angeordnet ist.
Rotorblatt (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Blattwurzel (8) ein Pitch-Antrieb vorgesehen ist, und dass die Blattwurzel (8), das zweite Teil (6) und das erste Teil (4) drehfest miteinander verbunden sind
Rotorblatt (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Teil (6) einen ersten und einen zweiten Abschnitt umfasst, die über einen Pitch-Antrieb verdrehbar und längenfest miteinander verbunden sind.
Rotorblatt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil (6) sich in Richtung erstes Teil (4) konisch verjüngend ausgebildet ist.
Rotorblatt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil (4) und/oder zweite Teil (6) im Wesentlichen aus mit Carbonfaser verstärktem Kunststoff besteht.
Rotorblatt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L_D) das zweiten Teils (6) mindestens 10% der Länge (L_P) des ersten Teils (4) beträgt.
Rotorblatt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teil (4, 6) lösbar und insbesondere eine Schraubverbindung ist.
Rotorblatt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Teil (4, 6) im stumpfen Winkel zueinander montiert sind.
Rotorblatt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aerodynamisch inaktive Hohlprofil des zweiten Teils (6) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Rotor für Windkraftanlagen im MW-Bereich mit einer Mehrzahl von Rotorblättern (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.