DE2944718A1

DE2944718A1 - Rotor fuer windkraftanlagen in leichtbauweise

Info

Publication number: DE2944718A1
Application number: DE19792944718
Authority: DE
Inventors: Hans-Dietrich Ing.(grad.) 2000 Hamburg Goslich
Original assignee: GOSLICH HANS DIETRICH ING GRAD
Current assignee: Ventor Windkraft Ag Stans Ch
Priority date: 1979-11-06
Filing date: 1979-11-06
Publication date: 1981-05-21
Also published as: NL8006072A; DK466380A; GB2065787A

Description

Bei Windkraftanlagen mit horizontaler oder der horizontalen angenäherten Achse und in vertikaler Ebene drehendem Rotor mit einem oder mehreren Rotorblättern müssen bei höheren Windgeschwindigkeiten im allg. Maßnahmen ergriffen werden, die die Kräfte auf die Rotorblätter und letztlich auf die ganze Anlage reduzieren. Weit verbreitet sind Verstellmechanismen, die die Rotorblätter in sog. Segelstellung bringen, wodurch die Angriffsfläche der Blätter und die Rotordrehzahl reduziert werden.

Verfahren dieser Art haben den Nachteil, daß ein entsprechender Regelmechanismus aufwendig und damit störanfällig ist, zudem aber durch die Drehlagerung der Blätter diese im Sinne eines Kragarmes starr eingespannt sind und die Luftkräfte das Blatt auf Biegung beanspruchen. Den Biegekräften muß konstruktiv rechnunggetragen werden, wodurch sich beträchtliche Baugewichte ergeben, die ihrerseits die Achse, die Lagerung, die Drehlagerung des Maschinensatzes bis hin zum Turm oder Mast belasten bezw. ein verstärkte und damit schwerere Bauausführung der gesamten Anlage bedingen.

Eine Verbesserung dieser Verhältnisse wird dadurch erreicht, daß sog. Schlaggelenke am Fuß des Blattes oder der Blätter angeordnet werden, die bei Betrieb des Rotors im Lee des Mastes bewirken, daß die Rotorblätter unter dem Einfluß der Luftkräfte nachgeben können und andrerseits infolge der Fliehkräfte in die Rotorebene zurückqezwungen werden. Ein Großteil der Biegekräfte wird hiermit eliminiert, so daß bereits wesentlich leichter gebaut werden kann.

In verfeinerten Bauausführungen nach diesem Prinzip wird durch eine Schrägstellung der Schlaggelenkachsen in zwei Ebenen erreicht, daß das Blatt bei seiner Schlagbewegung gleichzeitig eine Drehbewegung um seine Längsachse durchführt, wodurch eine bessere Anpassung an verschiedene Betriabs^ustände erreicht werden kann.(s. P 25.46.884). Hier besteht jedoch der Nachteil, daß der Massenschwerpunkt und der Angriffspunkt der resultierenden Auftriebskräfte einen großen Abstand voneinander haben, wodurch Biegekräfte innerhalb des Blattes wirksam werden, die eine verstärkte und damit schwerere Bauausführung bedingen, als optimal erreichbar wäre. Außerdem gibt es

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bestimmte Betriebszustände, in denen die Anlage gefährdet ist, z.B. bei plötzlich aussetzender Energieentnahme.

Dies ist eine weitere Aufgabe, die sich die Erfindung gestellt hat, den Rotor so zu gestalten, daß er in keinem denkbaren Betriebszustand bei beliebigen Windgeschwindigkeiten gegen Beschädigungen gefährdet ist.

Eine weitere Konsequenz im Bestreben, das oder die Rotorblätter in optimaler Weise leicht zu bauen ist es, die eigentliche aerodynamisch wirksame Blattfläche nicht über den gesamten Radius bis zur Rotornabe durchzuführen, sondern nur im äußeren Bereich des Rotorkreises als solche auszubilden und diesen Blatteil durch eine oder mehrere Streben mit der Nabe zu verbinden.

Auch dies wurde bereits zur Vereinfachung der Bauweise und Gewichtsreduzierung vorgeschlagen (s. P 29 13 407). Hier wurden die Schlaggelenke auf einen größeren Radius verlegt und von Streben getragen, so daß dadurch die eigentliche Blattlänge reduziert wurde. Dies hat jedoch den Nachteil, daß zwangsläufig die mit der Gestaltung der Schlaggelenke verbundenen Baugewichte einem größeren Radius und damit erhöhten Fliehkräften zugeordnet werden, wodurch sich erhöhte Kräfte auf die Verbindungsstrebe(n) ergeben. Diese müssen obendrein das Drehmoment zur Leistungsübertragung über Biegebeanspruchung >

aufnehmen, und die entsprechend erforderliche Gestaltung der Stre- j be(n) erfordert wiederum Gewicht. Außerdem macht eine Synchroni- | sierung der Blattbeweguncjen untereinander bei weiter außen liegen- ■ den Schlaggelenken einige Schwierigkeiten und erfordern zusatzliche j Baugewichte. I

Alle im Vorangegangenen geschilderten Nachteile werden erfindungs- ] gemäß dadurch beseitigt, daß der Rotor für Windkraftanlagen mit j

horizontaler Achse nach den Richtlinien des Anspruchs 1 gestaltet ; wird. Die Einzelheiten werden im Folgenden anhand von Beispielen ; und Abbildungen erläutert. j

Die Abbildungen stellen im einzelnen dar: i

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Die Abbildungen stellen im einzelnen dar: . '

Fig. 1a) einen zweiblättrigen Rotor nach dem Erfindungsgedanken

in Prinzipanordnung in Windrichtung gesehen. 1b) den gleichen Rotor von der Seite betrachtet. 1c) eines der Blätter von der Seite gesehen. Die angreifenden Kräfte sind im Kräftedreiecken jeder Figur zugeordnet.

Fig. 2) Ein Ausführungsbeispiel der Blattstrebe, vorzugsweise für Anlagen größerer Abmessungen.

Fig. 3) Darstellung eines Gelenkmechanismusses gemäß dem Erfindungsgedanken mit allen Bewegungsachsen und Verknüpfungen. 3a-c) Abarten des grundlegenden Mechanismusses.

Fig. 4) Detail der grundlegenden Anordnung gemäß Anspruch 4. Fig. 5) Ausführungsbeispiele des Strebenteils eines Blattes mit verschiedenen Federcharakteristiken.

Fig. 6) Verschiedene Beispiele von Blattgrundrißformen entsprechend ; dem Erfindungsgedanken. j

Fig. 7) Beispiel für die Ausbildung der Blattspitze zur Optimierung der Aufgabenlösung.

Fig. 8) Beispiele von Luftführungen und -durchströmungen unter Fliehkrafteinwirkung zum Zwecke der Grenzschichtbeeinflussung im Optimierungssinne.

Fig. 9) Beispiele für Querschnitte besonders leicht zu bauender Blattausführungen in Blechbauweise mit Schaumkern.

Fig.10) Hörspiele für Querflachen an Rotorblättern.

Die leichteste Bauweise für ein Rotorblatt - gleichgültig cb der Rotor aus einem oder mehreren Blättern besteht - ergibt sich zweifelsfrei dann, wenn alle von außen angreifenden Kräfte auf Zugkräfte längs der Blattachse zurückgeführt werden. Eine prinzipiell mögliche Anordnung für eine solche Bauweise zeigen die

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j nachqerejchtI

die drei Abbildungen der Fig. 1. ■

Das eigentliche Rotorblatt 6,bestehend aus dem Strebenteil und dem aerodynamisch geformten Flächenteil, ist gelenkig an dem kurzen Hebel 7 angebracht, dessen Länge sich nach dem zu übertragenden Drehmoment in Abhängigkeit von der Auslegungsleistung ergibt. (Fig. 1 a). Die angreifenden Kräfte Fliehkraft F und Kraft S aus Drehmoment lassen sich in einer Resultierenden zusammenfassen die in Blattlängsachse gerichtet ist und mit der Senkrechten den Schwenkwinkel^bildet, bzw. das Blatt stellt sich selbst mit seiner Längsachse in Richtung dieser Resultierenden ein.

Zum andern ermöglicht der Gelenkmechanismus gemäß der Erfindung daß sich das Blatt mit seiner Längsachse in der Seitenansicht (Fig. 1b) unter dem Einfluß der Fliehkraft F und des Winddruckes W gemäß der so entstehenden Resultierenden unter dem Konuswinkel <p in deren Richtung einstellt.

Ein nach der optimalen Blattbreitenverteilung gestaltetes Blatt ist im allg. im Spitzenbereich sehr viel schmaler als am Blattfuß. Selbst in der reduzierten Länge, die aus Gesichtspunkten der Gewichts- und Baukostenreduzierung erfindungsgemäß angestrebt wird, ergibt sich daraus eine Blattform, wie sie vereinfacht in Fig. 6a wiedergegeben ist. Hierbei ist grundsätzlich festzustellen, daß der Massenschwerpunkt des Flächenteils auf einem kleineren Radius der Rotorfläche liegt als der sog. Auftriebsmittelpunkt, der Angriffspunkt der Resultierenden aller am Flächenteil wirksamen Auftriebskräfte. Dieser Abstand der beiden Kraftangriffspunkte, wie an der Seitenansicht des Flächeneils des Blattes in Fig- 1c gezeigt, ergibt ein Kräftepaar, das zu einer Biegebeanspruchung des Blattes führt. Neben der Umformung der übrigen Kräfte in reine in Blattlängsachse gerichtete Zugkräfte ist Gegenstand der Erfindung, den wirksamen Hebelarm dieses Kräftepaares mit geeigneten baulichen Maßnahmen möglichst weit gegen Null gehen zu lassen, wodurch die tragende Struktur durch diese Kräfte nicht zusätzlich belastet wird und daher extrem leicht gebaut werden kann.

Die erfindungsgeinöOe Lösung dieser Aufgabe besteht einerseits in einer besonderen Bauweise und Formgestaltung des Blattes in

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I NACHQERÜICHTI

Verbindung mit verschieden kombinierten Detailmaßnahmen und zum anderen einer Anordnung von Gelenken und Verknüpfungen, die gemeinsam in jedem Betriebszustand der Anlage die erforderlichen Bedingungen hinsichtlich der Betriebssicherheit bei ständig unbeaufsichtigtem Lauf erfüllt. Der Lösungsweg ist im Anspruch 1 dargelegt.

Insbesondere für Anlagen mit großen bis sehr großen Abmessungen kann es zweckmäßig sein, den Strebenteil des Blattes in Einzelstreben oder ein Gitterwerk aufzuteilen und dieses einzeln oder - wie in Fig. 2 als Beispiel dargestellt - in seiner Gesamtheit stromlinienförmig zu verkleiden.

Die Gelenke im Bereich der Rotornabe können ganz oder teilweise entfallen, wenn der Strebenteil des Blattes als Federelement mit einer Charakteristik ausgebildet wird, die die im Vorangegangenen beschriebenen Randbedingungen für das Kräftespiel an den Blättern in allen Betriebszuständen erfüllt.

Da neben der Blattbewegung in einer Ebene, wie sie bei Ausbildung der Blattstrebe als Blattfeder gegeben wäre,eine gleichzeitige Verdrehung um die Blattlängsachse gefordert wird, muß die Strebe in entsprechender Weise geformt sein, wie z.B. in Fig. 5a und b dargestellt. Im Falle der Ausführung der Strebe als Strebenbündel oder Gitterwerk gemäß Beispiel in Fig. 2, kann dies durch verschiedene Dimensionierung der Einzelstreben,konische Formgebung derselben oder ähnlichen Maßnahmen unterschiedlicher Materialverteilung erreicht werden.

Die stromlinienförmige Verkleidung kann zum einen durch ganze oder teilweise feste Verbingung mit dem eigentlichen Strebenmaterial zum Erreichen der erforderlichen Federcharakteristik beitragen oder aber gleichfalls ganz oder teilweise von diesem gelöst lediglich ihre Aufgabe als Verkleidung und damit Herabsetzung des'Blattwiderstandes in der Strömung erfüllen.

Um der partiellen Drehbewegung der Streben folgen zu können, ist die Hintorkante 21 in Fig. 5 b der Stromlinienverkleidung vorzugsweise nicht geschlossen, d.h. Anfangs- und Endkaisnte des im Querschnitt umlaufenden Flächenmaterials können sich zwar berühren, j.

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werden aber nicht durch Schweißen, Kleben, Nieten, Schrauben oder sonstweiche üblichen Maßnahmen miteinander verbunden, und die Verkleidung stellt somit eine gegen Torsion weitgehend unsteife Röhre dar. Das Material der Verkleidung kann nach Zweckmäßigkeitsgesichtspunkten aus Blech, Kunststoff, Schaum, Holz oder artverwandten Stoffen bestehen.

Die kombinierte Schlag- und Schwenkbewegung des Rotorblattes gemäß Fig. 1 a und b in Verbindung mit Drehbewegungen um die Blattlängsachse nach Erfordernissen vorgegebener Betriebsbedingungen»insbesondere aerodynamischer Chrakteristika des Blattflöchenteils weisen erfindungsgemäß aus, die Bewegungen von einander zu trennen und einzeln zu steuern, wobei die Steuerung im Gegensatz zu bekannten Ausführungen auf rein geometrischer Zuordnung der einzelnen Steuerungselemente beruht, so daß keinerlei zusätzliche, von außen mit Informationen zu versorgende Steuer- und Regeleinrichtungen eingesetzt werden müssen. Abwandlungen in vereinfachter Form, die kompromißweise mehr oder weniger als Näherungslösungen anzusehen sind, entsprechen gleichfalls dem Erfindungsgedanken.

Ein erfindungsgemäßes Beispiel einer solchen Gelenke- und Verknüpfunganordnung ist in Fig. 3 als prinzipieller Aufbau anschauungsdienlich dargestellt.

Die Gelenke sind in Form von Kreuzgelenken mit einem Abstand zueinander angeordnet, der dem Hebelarm 7 entspricht, wie zur Erläuterung dff Fig. 1 a beschrieben. Als Beispiele sind immer die Ausführungen als Zweiblattrotor dargestellt, obwohl alle Anordnungen auf ein- oder mehrblättrige Rotoren sinngemäß dem Erfindungsgedanken entsprechend übertragbar sind, auch wenn bestimmte Verknüpfungselemente fortfallen oder durch zusätzliche solche entsprechender Funktion ergänzt werden müssen. Auch die Formgestaltung der einzelnen dargestellten ,Elemente dient ausschließlich der Veranschaulichung der Zuordnung und kann bei Wahrung der prinzipiellen Zusammenhänge konstruktiv nach funktioneilen und fertigungsbedingten Gesichtspunkten beliebig ausgeführt werden.

In Fig. 3 ist der Wind W als von rechts kommend dargestellt. Unter seinem Einfluß können die Blätter die Schlagbewegung <p gemäß Fig. 1 b um die jeweils zugeordnete Achse 3 bzw. 3' ausführen.

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NACHGERiUCHT

Die aus der Leistungsübertragung resultierende Schwenkbewegung cj C! maß Fig. 1 a wird durch die Gelen loch so η 2 und 2' ermöglicht. Zusätzlich sind die Blätter drehbar um ihre Längsachse 4 und 4' gelagert.

Die Bewegungen sind im gezeichneten Beispiel durch Spurstangenähnliche Gestänge 8;9 und 8';9' miteinander verknüpft, so daß sowohl die Schlag- wie die Schwenkbewegung eine Verdrehung der Blätter im Sinne einer aerodynamischen Blattverstellung bewirkt.

Heirbei können die Fixpunkte der Spurstangen 12; 13 bzw. 12';13' z.B. auf der Achslinie von 2 (2') und 3 (3') angeordnet sein, im übrigen aber mit dem Grundkörper 7, der fest mit der Rotorachse verbunden ist,in starrer Verbindung stehen. Hier ist zu bemerken, daG zwei denkbare Ausführungen in die gleiche Zeichnung gebracht wurden, die sich gegenseitig ausschließen und als Alternativlösungsmöglichkeiten zu verstehen sind. Und zwar können die Fixpunkte 12; 12' auf einem—drehbar um die Rotorachse 1 angeordneten Bauteil 5 befestigt sein, durch dessen relative Stellung zur Rotorachse eine Einstellung der Blätter bezogen auf die Rotorebene bzw. die Windrichtung vorgewählt werden kann.

Die alternative Version, die gleichfalls gezeichnet ist, stellt die Anordnung der Fixpunkte auf starren Auslegern des Grundkörpers 7 in Verlängerung der wechselseitig zugeordneten Achsen dar, so daß die Blatteinstellung sich in jeweils einer der Bewegungsrichtungen nicht mit verändert.

Die Spurstangen 10 und 11 dienen der Synchronisierung der Blattbewegungen relativ zueinander. Dies wäre zwar bei laufendem Rotor nicht notwending bzw. es kann eine Entkoppelung dieser Verbindungen für den Betriebszustand vorgesehen werden ( hier nicht mit gezeichnet ) so daß die Kopplung erst bei Stillstand oder sehr langsamein Lauf wieder ink raft tritt. Irn Stillstand jedoch wirkt diese Kopplung gleichzeitig als Gewichtsausgleich zwischen den Rotorblatt ern oder einem Got) en gewicht im Falle eines Einblattrotors.

Durch Γ in Li au fc. do rnder Γ Wune η te /.B. als Gummielemente in die Lager der f\<:\\:;on 2 und 3 bzw. 2' und 3' oder Anbringung von Zug- Torsionsoder Sc In KJ c ken federn in cni sprechender Anordnung, mögl icherweise

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NACHGEREICHT

unter gleichzeitiger Verwendung der Spurstangenhebel oder auch durch Anordnung zusätzlicher Hebel, Seil- oder Zahnradverbindungen, kann eine Rückholkraft auf die Blätter ausgeübt werden, die diese bei Stillstand in ihre Ausgangsposition, vorzugsweise in die Rotorebene oder in die Nähe derselben, zurückbringt, (nicht mitgezeichnet).

Alle gelenkigen Verknüpfungen, die im gezeichneten Beispiel durch Spurstangen dargestellt sind, können durch Seilzüge, Zahnräder oder -Segmente, hydraulische oder magnetische Kraftübertragungen oder sonstige Bauelemente herkömmlicher Art ausgebildet werden.

Dem Erfindungsgedanken entsprechende Abwandlungen der beschriebenen Gelenkanordnung sind beispielgebend in Fig. 3 a und 3 b und c dargestellt.

In Flg. 3 a sind die voerher beschriebenen Kreuzgelenke zu einem solchen' unter 45° zur Rotorachse stehenden zusammengefasst und die gesteuerte Bewegung der Rotorblätter erfolgt automatisch durch ihre Relativbewegung gegenüber der Rotorachse, ohne daß verknüpfende Gestänge erforderlich sind. In diesem Falle ist der Rotorblattbewegung eine durch die Relativbewegung der Kreuzgelenkteile zur Rotorachse bedingte Abhänqigkeit aufgezwungen, die nur näherungsweise mit den aerodynamischen und leistungscharakteristischen Erfordernissen in Einklang steht, wohingegen in der vorherigen Anordnung' durch Abgleich der Spurstnngen- und zugeordneten Hebellängen und -Stellungen eine sehr exnkte Anpassung erreicht werden kann.

Die Synchronisation der Blaitbcwegungen wird in Fig. 3 a durch ein Kegelradpaar erreicht.

Eine weitere Abart der Ausführung in Fig. 3 a ist durch das Beispiel in Fig. 3 b und 3 c q t: ij e b e η, wobei diese beiden Zeichnungen zwei verschiedene Bewegung;,/'.n-.tände der gleichen Bauausführung darstellen. Die Stellung in Fig . 3 c wird von den Rotorblättern unter Einfluß von Winddruck und I eistungsnritnahme im laufenden Betrieb eingenommen (Sch] acjwi nkel f) während Fig. 3 a die Stillstandstellung v/ i ο d e r g i b t.

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I NACHGEREIOHT

Die Achsen 2 und 3 sind die halben Kreuzgelenkachsen aus Fig. 3 a. Die Synchronisation der Blattbewegungen wird hier durch zwei Spurstangen übernommen, deren Hebel mit einem Zwischenlager verbunden sind, das um die Rotorachse drehbar angeordnet ist. Der Hebel zur Übertragung des Drehmoments aus Leistungsentnahme tritt hier nicht sichtbar in Erscheinung. Er entsteht durch Exzentrizität der Blattachsenstellung bezogen auf den Kreuzungspunkt der Kreuzgelenkhalbachsen.

Die Funktion der vorbeschriebenen Gelenkanordnung ist in allen Varianten folgende:

Es wird davon ausgegangen, daß das Rotorblatt in seiner (Ausgangs-) stellung in der oder nahe der Rotorebene im Stillstand einen großen Anstellwinkel gegenüber der senkrecht auf die Rotorebene auftreffenden Windrichtung aufweist. Dies begünstigt das Anlaufverhalten und hat bei sehr hohen Drehzehlen zur Folge, daß das Rotorblatt unter der dann gegebenen Strömungsrichtung die Stellung für eine niedrige Schnellaufzahl (Verhältnis Blattspitzengeschwindigkeit zu Windgeschwindigkeit) hat und selbst bei Orkangeschwindigkeiten nicht Übertouren kann. In dieser Stellung ist der Schwenkwinkel, der aus der Leistungsentnahme resultiert, sehr klein, weil üinerseits die entnommene (Nenn-)Leistung bezogen auf die im Wind enthaltene Energie als verschwindend klein anzusehen ist, zum anderen aber die Fliehkraft bei weitem überwiegt, so daß das Rotorblatt tatsächlich eine nahezu senkrechte Stellung einnimmt. Nach Anlaufen bei niedriger Windgeschwindigkeit nimmt die Rotordreh- ^; _s zahl vorerst ohne Leistungsentnahme zu bis nahe der Auslegungs- oder ; Nenndrehzehl, die einer vorbestimmten Windgeschwindigkeit zugeordnet .; ist.

Wird jetzt Leistung entnommen, stellt sich ein Schwenkwinkel wie auch ein Konuswinkel ein. Beide haben eine Verdrehung des Blattes zur Folge und zwar in dem Sinne, daß es in einem günstigeren Anstellwinkelbereich gegenüber der Strömung gelangt und dadurch in der Lage ist, mehr Energie umzusetzen (höhere Auftriebskräfte und geringere Widerstandskräfte am aerodynamischen Blattprofil). Gleich- j zeitig ist eine Drehzahlzunahme die Folge, der eine Blattverstellung j im umgekehrten Sinne zur Folge hat, so daß sich ein Gleichgewichts- |

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zustand herausstellt. Die so gefundenen für jeden Betriebszustand spezifischen Arbeitspunkte lassen sich vorausberechnen und einer bestimmten Geometrie der Gelenk- und Hebelanordnung zuordnen und optimieren.

Da der Winddruck gegenüber den Fliehkräften aus Blattgewichten relativ klein ist, läßt sich eine solche Bauweise nur verwirklichen, wenn die Blattgewichte sehr niedrig gehalten* werden können, und dies kommt dem Bestreben nach Baukostenminimierung ohnehin entgegen. Äußerst niedrige Baugewichte sind aber nur realisierbar, wenn die aufzunehmenden Kräfte eineentsprechende Dimensionierung zulassen, was zur ursprünglichen Aufgabenstellung und erfindungsgemäßen Lösung führt.

Rotorblätter, deren aerodynamisch wirksame Fläche sich von der achsnahen Nabe über den ganzen Radius erstrecken, sind sehr aufwendig in der Fertigung wegen der starken aerodynamisch bedingten Verbreiterung am Blattfuß und zunehmender Schränkungen (tordierte Stellung des Blattes um seine Längsachse) gerade in diesem Bereich.

Es ist bekannt, daß der Beitrag des Blattes im inneren Rotorkreisbereich zur Energiegewinnung einen Bruchteil desjenigen im äußeren Bereich darstellt, so daß eine bautechnisch wie gewichtliche Optimierung selbst bei geringfügigen Wirkungsgradeinbußen zu einer Blattform geführt hat, bei der nur noch der äußere Rotorkreisbereich als aerodynamisch wirksame Fläche ausgeführt wird. Je höher die Aufmerksamkeit auf sorgfältige Gestaltung aller Details dieses Blatteiis gerichtet wird, desto kleiner und damit kostengünstiger kann der Blattflächenteil ausgeführt werden und gleichzeitig läßt sich wegen der damit verbundenen Gewichtsreduzierung der betriebsbedingte Bewegungsablauf der Rotorblätter optimieren bzw. überhaupt erst durchführen.

Wie erwähnt, wurde eine Reduzierung der Blattlänge bereits in der zitierten Anmeldung vorgeschlagen. Ihr gegenüber werden erfindungsgemäß die Schlaggelenke in die Nähe der Rotorachse verlegt und damit die der Fliehkraft im äußeren Radiusbereich unterliegenden Gewichte entscheidend reduziert.

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NACHGERÜCKT I

Als zwοcΙ<mäßige und Beispiel äußerst gewichtssparender Bauweise für den Flächenteil der Rotorblätter gemäß dem Erfindungsgedanken hat sich tierausgestellt, diese aus einer einzigen Blechbahn dergestalt zu biegen, daß das vorher zugeschnittene Blech der Form des Profilradius entsprechend gebogen und an der Profil hinterkante durch Schweißen, Nieten, Falzen, Kleben oder einer ähnlichen Verbindungsmethode oder Kombinationen der genannten verbunden wird. Eine geringe Schränkung, wie sie für den äußeren Blattbereich lediglich erforderlich ist, läßt sich im Rahmen der elastischen Blechiverformung einbringen oder wahlweise durch Einpressen erreichen.

Gegen örtliche Beulkräfte, die aus aerodynamischen Torsionskräften bis hin zu momentanen Belastungen in der Montagephase resultiere?.; können, wird die so gewonnene profilierte Blechröhre durch selbststeigenden Schaum oder Schaumprofilzuschnitte ausgefüllt. Dieses Verfahren erlaubt eine weitere Reduzierung dar Blechstärke und damit des Gewichtes. (Beispiel s. Fig. 9)

Der Blattstrcbenteil kann durch ein einfaches Rohr, gegebenenfalls mit stromlinienförmigem Querschnitt dargestellt werden und mit einem konischen Übergangsteil kraftschlüssig an das Blattflächenteil angeschlossen und zu einer Einheit durch vorher beschriebene Verbindungsmöglichkeiten zusammengefasst werden.

Ein derartiger Blechmantel kann auch durch Zusammenfügen zweier Halbschalen entstehen, die, wie in Fig. 9 b dargestellt, durch In- ' einandergreifen gebogener bzw. gefalzter Kanten bei unterschiedlichen Zuschnittsbreiten durch Eigenspannung (Fig. 9 b) des Materials eine profilierte Röhre bilden, die durch geringfügige äußere Krafteinwirkung in eine vorgegebene aerodynamische Profilform gebracht werden können. Die Halbschalen können auch durch Pressen des Bleches im plastischen Bereich entstehen und in üblicher V/eise miteinander verbunden werden, wobei ein Füllen des Hohlraumes durch Schaum oder Einkleben von Schaumbahnen,wie beschrieben , Vorteile bringt.

In diesem Falle können das konische Übergangsteil und das Strebenteil zusammen mit dem Flächenteil aus einem Stück zu je einer oberen und unteren KaIbsehai β vorgefertigt werden. Die Halbschalen können uuch aus faserverstärktem Kunststoff, vorzugsweise mit Fasern mit

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hohem Elastizitätsmodul zur Erhöhung der Steifigkeit des Bauteils bei dünner Schalenwandstarkc gefertigt und in beschriebener Weise zusammengefügt oder von vorn herein das Blatt im Ganzen nach bekann ten Verfahren im Wickelverfahren, durch Aufblasen oder ähnliche Methoden als geschlossene Schale hergestellt und anschließend ausgeschäumt werden.

Mit den letzten drei der beschriebenen Herstellungsverfahren lassen sich Blätter mit UmriOformcn v/ie in Fig.- 6 b;c und d gezeigt, herstellen wodurch vor allein sichergestellt werden kann, daß der Abstand zwischen Massenschwerpunkt und Auftriebsmittelpunkt je Blatt möglichst weitgehend gegen Null geht und zusätzlich ein möglichst hoher aerodynamischer Wirkungsgrad durch überaus sorgfältige Formgebung erreicht wird.

Bei hohen erreichbaren Blatt Spitzengeschwindigkeiten kommt in diesem Zusammenhang der Gestaltung der Blattspitze besondere Bedeutung zu. Sie soll so gestaltet sein, daß der Druckausgleich zwischen Blattunter- und Oberseite und damit der induzierte Widerstand möglichst gering wird. Dies wird erfindungsgemäß so erreicht, wie in Anspruch 12 dargestellt und in Fig. 7 sowie Fig. 6 d beispielgebend gezeichnet. Durch den Staudruck längs der schrägen Vorderkante kann ein Druckausgleich nicht stattfinden und der nahezu spitz zulaufende Randbogen zieht nur eine geringfügige Wirbelschlcppe nach sich, so daß sehr geringe Widerstandswerte erreicht werden.

Die Korrektur des Massenschwerpunkts-u. Auftriebsmittelpunkts-Abstandes läßt sich erfindungsgemäß entsprechend den Ansprüchen 13 bis 17 erreichen.

Bleibt innerhalb des Blattes ein Hohlraum, der am Blattfuß sowie an der Spitze mit der Außenluft Verbindung hat, so entsteht durch die Fliehkraft eine Luftströmung im Innern des Blattes. Durch Unterteilung des Hohlraumes in abgeschlossene Kammern bei gleichzeitiger Perforierung der Blattschlae läßt sich die Luftströmung so lenken, daß in gewünschten Bereichen des Blattes die Grenzschicht abgesaugt wird, was eine Erhöhung der Auftriebskräfte zur Folge hat. Damit wiederum ist eine Verlagerung des Auftriebs-

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mittelpunktes möglich. Umgekehrt kann eine Luftausblasung an der Profilunterseit diesen Effekt unterstützen und an der Profiloberseite Auftriebsspitzen abgebaut werden, wobei beide Maßnahmen den gleichen Zweck erfüllen. Insgesamt läßt sich durch Grenzschichtabsaugung der Gesamtwirkungsgrad des Blattflächenteils erhöhen und damit der Flächenanteil und das Gewicht weiter reduzieren.

Die Verlagerung des Massenschwerpunktes in die Nähe des Auftriebsmittelpunktes kann man durch äußere Formgebung erreichen, wie erfindungsgemäß in Fig. 6 b;c und d dargestellt. Es sind jedoch einer Verbreiterung des Blattes zum Spitzenbereich hin gewisse Grenzen gesetzt, die mit dem Schnellauf des Rotors zusammenhängen. Sie lassen sich durch die beschriebene Grenzschichtabsaugung hinausschieben. (Füllunggrad der Rotorkreisfläche).

Eine weitere Korrekturmöglichkeit besteht durch Anbringung querstehender Flächen gemäß Anspruch 16 und 17 sowie Fig. 10 a;b. Bei zunehmendem Konuswinkel der Blätter geraten die querstehenden Flächen in eine Stellung senkrecht der Anströmrichtung und verbessern dann - im Bereich höherer Leistungsentnahme - den Rotorwirkungsgrad. Die Flächen können senkrecht zur Blattfläche wie auch in anderem Winkel, in verschiedener Länge oder nur als umgebogene Fläche sowohl im Spitzen- wie im Fußbereich des Blattes angeordnet sein und bilden in dieser Vielfalt eine gute Möglichkeit eines letztn Kräfteausgleichs bei gleichzeitiger Wirkungsgradverbesserung der Blattfläche und konsequenter Ausschöpfung der Möglichkeiten, die Aufgabenlösung zu optimieren.

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Claims

Rotor für Windkraftanlagen in Leichtbauweise.

Schutzansprüche.

\J .) Rotor für Windkraftanlagen mit horizontaler oder der Horizontalen angenäherten Achse dadurch gekennzeichnet, daß durch gelenkige oder federnde Anbringung eines oder mehrerer Blätter des Rotors, bestehend aus einem inneren, strebenartig ausgebildeten Teil und einem äu3eren, im herkömmlichen Sinne als Blatt zu bezeichnenden Teil, beide in besonderer aerodynamischer Güte ausgeführt und zwar derart, daß der innere Blattanteil vornehmlich hinsichtlich geringsten Strömungswiderstandes und der äußere Teil zusätzlich auftriebgebend gestaltet ist, an der Achse des Rotors oder einem mit diesem verbundenen Nabenkörper erreicht wird, daß fast ausschließlich Zugkräfte in Richtung der Blattachse auf das Blatt entfallen und zwar durch eine derartige Formgebung des Blattes in Vereinigung mit der vorgenannten, daß der Abstand zwischen Angriffspunkt der Resultierenden aller Luftkräfte und desjenigen aller Massenkräfte bei rotierendem Rotor möglichst gering wird, im Extremfall gleich Null, so daß keine oder kaum nennenswerte Biegekräfte aus diesen Einflüssen auf das Blatt entfallen, wodurch erst eine extrem leichte Bauweise für die Rotorblätter und als Folge davon für die diese tragenden Strukturteile möglich wird.
2.) Rotor gemäß 1 dadurch gekennzeichnet, daß der strebenartige Teil des Rotorblattes auch aus mehr als einer Strebe bestehen kann oder zu einem Strebengerüst zusammengefasst sein kann. Dies soll sinngemäß gelten, wenn in folgenden Ansprüchen "die Strebe" erwähnt wird. Desgleichen gelten alle in folgenden Ansprüchen erwähnten Einzelheiten für einen Rotor mit mehreren Blättern sinngemäß für einen solchen mit einem Blatt und umgekehrt.
3.) Rotorblattanordnung gemäß 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe in einem den baulichen Verhältnissen im Nabenbereich angepassten, geringen Abstand von der Nabe unterbrochen

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Schütze η Sprüche Blatt 2

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ist und die Verbindung an dieser Stelle durch ein oder mehrere Gelenke dargestellt wird, wobei im Falle der Anordnung von zwei GeJenken diese als Kreuzgelenk in einer Ebene angeordnet sein können.
4.) Rotorblattanordnung gemäß 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe über das oder die Gelenke hinaus in Richtung Rotorachse verlängert wird und diese Verlängerung für die Anbringung von (Gegen-)gewichten, Federn, Gestängen, Seilzügen oder hydraulischen Kraftübertragungselementen als Hebel Verwendung findet.
5.) Rotorblattanordnung gemäii 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Gelenke ganz oder teilweise durch federnde Elemente ersetzt werden können, wobei ohne eine gelenkige Verbindung die Strebe selbst in geeigneter Profilierung die Funktion einer derartigen Feder übernehmen könnte. Hierbei kann die Strebe um ihre Längsachse verdreht gestaltet sein, wodurch bei verschiedener Auslenkung des Blattes unterschiedliche Bewegungsrichtungen des äußeren Blatteiles erzielt werden.
6.) Rotorblattanordnung gemäß 3-5 dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe eine zusätzliche Verkleidung erhält, die der Vervollkommnung der aerodynamischen Formgebung dient und aus Metallblech, Kunststoff oder Schaumstoff oder anderen geeigneten Materialien besteht und durch eigenes Elastizitätsverhalten an dem beabsichtigten Kräfte/Bewegungsspiel teilnimmt oder aber ausschließlich einer günstigen aerodynamischen Formgebung dient.
7.) Rotorblattanordnung gemä3 allen bisherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, da3 eine Lagerung um die Längsachse des Rotorblattes in der Nähe oder in gleicher Ebene des Gelenkes oder eines derselben gemäß 3 angeordnet ist und daß die Bewegung des Rotorblattes um seine Längsachse mittels eines Hebels über

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Schutzansprüche Blatt

Gestänge und dergleichen, wie in Anspruch 4 aufgezählt oder als solche wirkende benachbarte Bauteile nach vorbestimmter Charakteristik gesteuert wird.
8.) Rotorblattanordnung gemäO 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß durch Hebel usw., wie in 4 aufgezählt, einerseits eine Steuerung der Blattbewegung um die Gelenke gemäß 3 bewirkt wird, zum anderen aber eine Halterung bzw. ein Ausgleich zu dem Eigengewicht des Blattes oder der Blätter im Rotorstillstand herbeigeführt wird, z.B. durch eine kreuzweise Seil-, Gestänge-, hydraulische oder ähnliche Verbindung der Blätter untereinander oder entsprechender Ausgleichsgewichte.
9.) Hebel- und Steuerungselementanordnung gemäß 4 bis 8, insbesondere wie in 4 gesondert aufgezählt, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht mit beweglichen Teilen des Blattes verbundenen Anschlußpunkte der Hebel und Steuerungselemente auf Fixpunkten liegen, die durch ihre relative Lage zu den Gelenk- oder Drehachsen eine Beeinflussung der Blattstellung in Abhängigkeit von Schlag-, Schwenk- und/oder Drehbewegungen der Blätter untereinander und im Sonderfall wechselseitig auf der Verlängerung einer oder mehrerer Gelenk- oder Drehachsen angeordnet sind, so daß bei einer Bewegung um jeweils die Achse, auf deren Verlängerung der Fixpinkt liegt, kein BewegungseinfIuS auf das Blatt ausgeübt wird.
10.) Anordnung von Verstellelementen zusätzlich denen gemäß 4 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Fixpunkte gemäß 9 gemeinsam oder einzeln auf relativ zur Rotorachse beweglichen Bauteilen liegen, die ihrerseits von Hand oder durch mechanischen, hydraulischen, pneumatischen, elektrischen oder elektromagnetischen Antrieb derart verdreht oder verschoben werden können, daß durch eine solche Maßnahme willkürliche Veränderungen der Blattstellung herbeigeführt werden können, z.B. zur Abbremsung des laufenden Rotors.

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· Schutzansprüche Blatt 4
11.) Rotorblatt zum Rotor gemä3 1 und ganz oder teilweise entsprechend den übrigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von der Strebe zum auftrieberzeugenden Blatteil allmählich erfolgt in geraden oder gebogenen Grundrißlinien und beide Teile des Blattes aus einem Stück gefertigt sein können, jedenfalls soweit dies die formgebende und lastaufnehmende hüllenartige Außenschicht betrifft, die aus Blech , Kunststoff mit oder ohne Faserverstärkung oder aus anderen Materialien entsprechender Eignung bestehen kann.
12.) Rotorblatt gemäß 11 dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze des Rotorblattes dreiccksfÖrmig ausgebildet ist und zwar derart, daß die Blatthinterkante im wesentlichen gerade weitergeführt und die Vorderkante vorzugsweise in einem bogenförmigen Übergang ihre Richtung ändert und die Hinterkante in einem spitzen Winkel trifft, wobei sich das aerodynamische Blatt profil in etwa proportional bzw. unter gestrakter Änderung des Profilquerschnitts zur Spitze hin verjüngt. Die Dreiecksform kann auch dergestalt verzerrt sein, daß sowohl Vorderwie Hinterkante des Blattes gekrümmte Linien bilden und die äußerste Spitze des Dreiecks abgerundet ist.
13.) Rotorblatt gemäß 11 und 12 dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Blattes ein Hohlraum vorhanden ist oder ausgespart bleibt, der an der Blattspitze, an perforierten Bereichen der Blattoberfläche und/oder am 31attfu!3 Verbindung mit der das Blatt umgebenden AuGenluft hat.
14.) Rotorblatt gemäß 11 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß derHohlraum im Innern des Blattes durch mindestens eine Zwischenwand unterteilt ist, die in einem beliebigen Winkel zur Blattlängsachse angeordnet sein kann und daß die so entstandenen separaten Kammern durch perforierte Bereiche der Außenhaut des Blattes und am Blattfuß oder der Spitze derart mit der Außenluft in Verbindung stehen, daß der durch die Fliehkraft aus der Rotorumdrehung resultierende Luftstrom wahlweise an vorbestimmten Blattbereichen zu einer Grenzschicht-

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ORIGINAL INSPECTED

Schutzansprüche Blatt 5

beeinflussung der Strömung (Grenzschichtabsaugung oder Turbulenzerhöhung) führt.
15.) Rotorblatt gemäß 11 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß durch die Maßnahmen der Formgebung und durch die Luftströmungen gemäß 14 die Auftriebskräfte am äußeren Blatteil so verteilt werden, daß der Angriffspunkt ihrer Resultierenden gemäß Anspruch 1 möglichst nahe dem Angriffspunkt der Resultierenden der Massenkräfte kommt, was durch die in den Ansprüchen 1-14 dargelegten Gegebenheiten zusätzlich unterstützt und optimiert wird.
16.) Rotorblatt gemäS 11 bis 15 dadurch gekennzeichnet, daß an der Spitze und/oder dem Bereich des Überganges von Blattfuß zu Strebe eine aerodynamisch? geformte Fläche senkrecht auf der Fläche des Blattes stehend nach einer oder beiden Seiten des Blattes herausragend angeordnet ist, die so bemessen und geformt ist, daß die an ihr entstehenden Luftkräfte geeignet sind, einen Ausgleich herbeizuführen zu einer eventuellen Differenz aus Fliehkräften, aerodynamischen Kräften und solchen, die aus der Lastentnahme resultieren.
17.) Rotorblatt gemäß 16 dadurch gekennzeichnet, daß die querstehende(n) Fläche(n) in einem von der Senkrechten zum Blatt verschiedenen Winkel angeordnet sind oder an den Blattspitzen die Form in diesem Sinne umgebogener Spitzen annimmt und damit die Richtung der Resultierenden aus den Auftriebskräften beeinflusst.

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