DE69421098T2

DE69421098T2 - Windradflügel

Info

Publication number: DE69421098T2
Application number: DE69421098T
Authority: DE
Inventors: S Ren Vinther
Original assignee: Bonus Energy AS
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-11-05
Filing date: 1994-01-28
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2014-01-29
Also published as: DK135092A; DE69421098D1; EP0774071A1; DK171333B1; EP0774071B1; DK135092D0; AU5998494A; WO1994017303A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen aus glasfaserlaminiertem Kunststoff hergestellten Windradflügel Zur Bildung einer äußeren Schale und mit möglichen inneren, in der Längsrichtung durch Querstangen verbundenen Rippen, welche Rippen und Querstangen in den Hohlraum der Flügelschale verlaufen.
Die steigende Anwendung von Windrädern und damit ihre Plazierung insbesondere in Abhängigkeit von Wohnhäusern und der Landschaft stellt große Forderungen an ihre Plazierung, ihr Aussehen und Lärmbelastung.
Die Lärmverbreitung kann aus dem Lärm bestehen, den die mechanischen Teile des Windrades sowie die Transmission erzeugen und verbreiten. Dieser mechanische Lärm kann bei Bearbeitung der mechanischen Teilen mit größtmöglicher Präzision und außerdem durch Abschirmung und dabei durch Einkapselung der lärmerzeugenden Maschinelementen bestmöglich reduziert werden.
In dieser Weise ist die Lärmbelastung der mechanischen Teile der Maschine in solchem Grad reduziert, daß dies nicht mehr als eine Belästigung der Umgebungen betrachtet wird.
Außer dem mechanischen Lärm verbreitet das Windrad aerodynamischen Lärm. Dieser rührt von den mechanischen Vibrationen des Radgetriebes her, die sich auf die Flügel verbreiten, wovon die Vibrationen auf die Umgebungen verbreitet werden.
Da die Flügel bei großen Windmühlen eine relativ große Oberfläche haben, führt der entsprechend hohe Grad von Lärm, der von den Flügeln herrührt, zu großer Belästigung der Umgebung.
Der von einem Windradflügel verbreitete Lärm entsteht insbesondere als ein Resultat der Resonanz in den Flügeln. Da die mechanischen Teile zahllose verschiedene Excitationsfrequenzen erzeugen und eine oder mehrere von diesen einer oder mehreren von den resonanten Frequenzen der Flügel entspricht/entsprechen, wird diese Frequenz als aerodynamischer Lärm verbreitet werden.
Die Resonanz kann als natürliche Schwingungen der Flügelschale in dem Flügelstruktur und als stehende Wellen, Vibrationen, in der Luft in einem oder mehreren der Hohlräume entstehen.
In dem US Patent Nr. 2.637.404 und US Patent Nr. 2.732.020 gibt es Beschreibungen von Flügeln mit flugzeugflügelmäßiger Struktur, mit einem elastischen Material laminiert filz Anwendung insbesondere in Verbindung mit Flugzeugpropellern. Die beschriebenen Flügel bestehen aus einem massiven oder hohlen Kern mit einer oder mehreren Gummischichten, worüber eine Metallschicht elektrolytisch angebracht ist. Die Gummischicht ist laminiert, um Probleme mit Mikrorissen auf der Oberfläche zu vermeiden, die im Kern als Rißindikationen dienen. Die Gummischicht dämpft so die hochfrequenten Vibrationen, die in der Oberfläche eines solchen Propellerflügels entstehen, so daß diese den Kern nicht beschädigen. Die beschriebenen Propellerflügel geben also keine Lösung des Dämpfens des Strukturlärms bei niedrigeren Frequenzen.

Vorteile der Erfindung

Durch die Erfindung wird durch Einlaminierung einer oder mehrerer Laminierungen von elastischem Material von Gummituch oder ähnlichem zur Trennung der Schichten ein bisher unerkanntes hohes Dämpfen der natürlichen Schwingungen in der Flügel erzielt, die von Maschinenlärm oder Vibrationen herrühren, da die von dem Gummituch getrennten Flügelelemente als wechselseitig dämpfende Elemente funktionieren werden. Darüber hinaus wird der Strukturlärm als Resultat des hohen Verlustfaktors des elastischen Materials im Verhältnis zu der Umgebung gedämpft.
Es hat sich erwiesen, daß der Resonanzeffekt und damit dieser Teil der Emission vom Windrad hierdurch reduziert wird.
Insbesondere wird ein effektives Dämpfens des niederfrequenten Lärms erzielt.
Versuche haben gezeigt, daß das größte Dämpfen durch Einlaminierung mit Schichten erzielt wird, die so dünn wie praktisch möglich sind. Darüber hinaus wird hierdurch die möglichst geringe Reduktion der Stärke des Laminates erzielt.
Wie im Anspruch 2 vorgesehen, wird ein Dämpfen oder eine Eliminierung der in dem Hohlraum oder den Hohlräumen stehenden Wellen auch durch Einkapselung eines losen Füllmaterials in dem Hohlraum oder den Hohlräumen der Flügel erreicht und hiermit die Beseitigung des Lärms, den diese Vibrationen entwickeln und ausstrahlen.
Zusätzlich zur Beseitigung der stehenden Wellen wird das Material auch zum Dämpfen der Vibrationen in der Schale an sich und den berührten Elementen wie zum Beispiel Rippen und Querstangen beitragen.
Hierdurch wird ein Geschwindigkeit/Frequenz-abhängiges Dämpfen erreicht, indem die Dämpfcharakteristik in der aktuellen Struktur als eine Funktion der an die Innenwände des Flügels anliegenden Füllmaterialmenge sich ändert. Dies hat den Vorteil, daß die Dämpfcharakteristik der Rotationsgeschwindigkeit des Windrades folgt und hiermit eine Art adaptives Dämpfens vorsieht.
Darüber hinaus sind die Nachteile vermieden, die das Füllen mit Strukturschaum und die nachfolgende Härtung zur Folge haben, und zwar eine Tendenz zur Absorption von Kondensat und Flüssigkeit, die im schlimmsten Fall die Glasfaser zerbrechen kann. Ein solcher Flüssigkeitsgehalt in dem Schaum kann auch ein gefährliches Ungleichgewicht des Flügels verursachen.
Schließlich kann das Anheften des Schaums an die Glasfaser mehr oder weniger abgebaut werden, wobei der Kontakt und hierdurch das direkte Dämpfen aufhören wird.
Wie im Anspruch 3 vorgesehen, wird ein effektives Dämpfen der Vibrationen in der Schale durch volles Ausfüllen des Hohlraums oder der einzelnen Hohlräume gewährleistet.
Wie im Anspruch 4 vorgesehen, durch Anwendung eines organischen oder unorganischen körnigen Stoffes, kann das Füllmaterial, das für den einzelnen Flügel am besten geeignet ist, mit Rücksicht auf Dimension, Artgewicht des Füllmaterials usw. ausgewählt werden.
Wie im Anspruch 5 vorgesehen, sichert die Anwendung von Polystyrolkugeln oder Kugeln aus anderem geschäumten Material eine Füllung mit leichtem Gewicht und guten Dämpfcharakteristiken.
Wie im Anspruch 6 vorgesehen, sichert die Anwendung von Popcom außerdem, daß das Füllmaterial biologisch abbaubar ist.
Wie im Anspruch 7 vorgesehen, sichert die Anwendung von Sand oder eines anderen mineralischen Materials ein stabiles und schweres Füllmaterial.
Wie im Anspruch 8 vorgesehen, macht die Anwendung einer Mischung für die Füllung es möglich, die Mischung spezifischen Bedürfnissen an Gewicht, Kittensgrad, Bewegsfähigkeit in dem Hohlraum usw. anzupassen.
Schließlich, wie im Anspruch 9 vorgesehen, ist es zweckmäßig, verschiedene Füllmaterialien in die einzelnen Hohlräume einzufügen, um eine gegebene Gewichtverteilung und Struktur in dem Flügel zu erreichen.

Die Zeichnung

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, wo
Fig. 1 einen Querschnitt eines Windradflügels in der Richtung I-I in Fig. 2 zeigt, und
Fig. 2 einen Längenschnitt des Windradflügels zeigt.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel eines Windradflügels nach der Erfindung gezeigt.
Der Flügel 1 umfasst eine Schale 2, die sich von einem Nabeflansch 8 bei der Flügelwurzel für die Befestigung einer Nabe 10 bis zu einer Spitze 9 am Ende des Flügels 1 erstreckt.
In dem gezeigten Beispiel weist die Schale 2 ein geschlossenes Rohr mit zwei längsgehenden inneren Rippen auf, welche Rippen mit Querstängen 5 verbunden sind, wie in Fig. 2 gezeigt.
Hiermit ist ein ununterbrochenes Hohlraum 6 vorne und hinten und eine Anzahl von Hohlräumen 6 zwischen den Rippen 4 und den Querstängen 5 gebildet. In dem gezeigten Beispiel gibt es so fünf separate Hohlräume 6.
Es ist möglich, die Schale 2 ohne Rippen und Querstängen herzustellen.
Die Schale 2 wird durch Auflegen eines glasfaserlaminierten Kunststoffes mit einer oder mehreren Schichten aus Gummituch 3 für die Ausbildung von Trennschichten zwischen den Glasfaserschichten hergestellt. Hiermit wird eine Konstruktion erzielt, in der die natürlichen Oszillationen gedämpft werden, weil die separierten Schalenteile als Dämpfelemente füreinander funktionieren werden.
In den Hohlräumen 6 wird auch ein loses Füllmaterial 7 eingelagert, das aus Polystyrolkugeln oder ähnlichem Granulat aus geschäumtem und gehärtetem Plastik bestehen kann.
Statt Polystyrolkugel kann die Anwendung von anderen Materialien vorgesehen werden, zum Beispiel Popcorn, was biologisch abbaubar ist.
Darüber hinaus können andere organischen Produkte als Korn und Früchte verwendet werden, auch eventuell mineralische Materialien, die zermahlt sind, zum Beispiel Sand.
Die Aufgabe dieses Füllmaterials 7 ist es, die Hohlräume 6 so weit wie möglich auszufüllen, teils um die in dem Luftraum in den Hohlräumen stehenden Welle zu eliminieren und teils um guten Kontakt mit den Innenwänden des Flügels für direktes Dämpfen der Vibrationen in da Flügelschale zu sichern.
Im Betrieb wird dieser Kontakt dadurch gewährleistet, daß das Füllmaterial nach außen in den Hohlräumen gegen die Schaleteile während der Rotation des Flügels geschleudert wird.
Dies führt dann dazu, daß die dämpfende Schicht auf der Innerseite des Hohlraums variabel wird. Das Dämpfen in dem Struktur an sich hängt davon ab, wieviel Zentrifugalkraft auf das Füllmaterial auferlegt wird.
Da ein loses Füllmaterial verwendet wird, gibt es Bewegung, wobei die Absorption von Flüssigkeit in dem Füllmaterial schwierig wird, indem es keine angrenzenden kapilaren Rohre oder Gänge hat.
Der Windradflügel ist hierdurch gegen Ungleichgewicht gesichert und die Glasfaser sind die Einwirkung von Flüssigkeit nicht ausgesetzt.
Um eine spezifische Gewichtverteilung in dem Flügel zu sichern, können verschiedene Füllmaterialien in den verschiedenen Hohlräumen verwendet werden.

Claims

1. Windradflügel aus glasfaserlaminiertem Kunststoff zur Bildung einer äußeren Schale hergestellt und mit inneren, in der Längsrichtung mit Querstangen verbundenen Rippen, welche Rippen und Querstangen in dem Hohlraum der Flügelschale verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Schichten elastischen Materials aus Gummituch oder dergleichen zur Trennung der Schichten auferlegt sind.

2. Windradflügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein loses Füllmaterial (7) in dem Hohlraum oder den Hohlräumen (6) eingelagert ist.

3. Windradflügel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (7) das Hohlraum oder die einzelnen Hohlräume ausfüllt.

4. Windradflügel nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (7) ein Granulat oder einen körnigen, organischen oder unorganischen Stoff umfasst.

5. Windradflügel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (7) aus Polystyrolkugeln oder Kugeln aus ähnlichem geschäumtem Stoff besteht.

6. Windradflügel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (7) aus Popcorn besteht.

7. Windradflügel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (7) aus Sand oder ähnlichem mineralischem Kornstoff besteht.

8. Windradflügel nach den Ansprüchen 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (7) aus einer Mischung von Polystyrolkugeln, Popcorn und Sand besteht.

9. Windradflügel nach den Ansprüchen 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (7) in den einzelnen Hohlsäumen (6) verschiedene Zusammensetzung und/oder Verteilung haben kann.