DE69828420T2

DE69828420T2 - Rotor für eine windturbine und deren flügel

Info

Publication number: DE69828420T2
Application number: DE69828420T
Authority: DE
Inventors: Soren Andersen; Henrik Albertsen; Peter Grabau
Original assignee: LM Glasfiber AS
Current assignee: LM Wind Power AS
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2018-09-05
Also published as: DE1019631T1; CA2301506A1; AU8852398A; CN1144947C; DE69828420D1; ATE286210T1; US6582196B1; EP1019631B1; EP1019631A1; CN1269869A; ES2232959T3; CA2301506C; WO1999014490A1; AU745240B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Windrad mit einem Rotor vom üblichen Typ, der normalerweise mit drei Flügeln ausgebildet ist, die sich von einer Flügelnabe an der Hauptwelle des Windradgehäuses weg erstrecken. Das Windradgehäuse ist in drehbarer Weise oben auf dem Windradturm angeordnet, und bei sogenannten Front-Laufrädern ist das System derart ausgebildet, daß die Rotation des Windradgehäuses so gesteuert wird, daß der Flügelrotor dem Wind zugewandt gehalten bleibt, d.h. so daß der Wind zuerst auf den Rotor und danach erst auf den Turm trifft.
Die Windradflügel sind hauptsächlich als Schalenkonstruktionen ausgebildet, bei denen man bestrebt ist, diese sowohl so leicht als auch so starr zu gestalten, wie dies in der Praxis möglich ist, wobei das Resultat hierbei ein Kompromiß ist, und zwar dahingehend, daß die Flügel mit beträchtlicher Steifigkeit, gleichzeitig jedoch auch mit einem gewissen elastischen Nachgiebigkeit ausgestattet sind, wobei sich dies normalerweise bei Flügeln größerer Länge, wie z.B. 15–30 m, manifestiert. Der Winddruck gegen den Flügelrotor, wobei die Flügel ihre Breitseiten gegen den Wind drehen, führt somit zu einem elastischen Biegen der Flügel in Richtung nach hinten.
Bei rotierenden Flügeln wird diese Situation durch zwei verschiedene Umstände in einem beträchtlichen Ausmaß abgeschwächt, d.h. zu einem Teil dadurch, daß die zugleich an den Flügeln entstehende Zentrifugalkraft bestrebt ist, die Flügel gerade zu richten, und zu einem anderen Teil dadurch, daß die Flügel als Ergebnis ihrer Bewegung quer zum Wind von einer Windrichtung beeinflußt werden, die nicht direkt in Richtung auf die Breitseite der Flügel weist. Es entsteht jedoch immer noch eine Windkomponente, die bestrebt ist, die Flügel nach hinten zu drücken.
Die Konsequenz dieser damit verbundenen, elastischen Biegebewegung der Flügel in Richtung nach hinten, besteht darin, daß während ihrer Bewegung an dem Turm vorbei die äußeren Enden der Flügel dem Turm um so näher kommen, je stärker der Wind ist. Da Windräder vorzugsweise auch bei starken Winden wirksam arbeiten können sollen, ist es somit notwendig, daß der Flügelrotor, gesehen in Richtung der Hauptwelle des Windradgehäuses, so weit vor den Flügeln positioniert ist, daß die Flügel während ihrer Rotation zu keiner Zeit einem derartigen Einfluß durch den Wind ausgesetzt sein können, daß sie mit dem Turm in direkte Berührung gelangen, wobei dies mit dem Risiko ernsthafter Unfälle oder direkter Schäden verbunden ist.
Es können verschiedene Sicherheitseinrichtungen für das Abbremsen des Rotors bei starken Winden verwendet werden, jedoch muß bei solchen Fällen berücksichtigt werden, daß je stärker der Rotor abgebremst wird, der effektive Winddruck gegen die Breitseiten der Flügel in beträchtlichem Ausmaß immer höher wird.
Selbstverständlich könnte man das Problem dadurch lösen, daß der Flügelrotor in einer großen Distanz von dem Windradturm angeordnet wird, doch ist dies aus vielen Gründen eine sehr teure Lösung. Aus diesem Grund konzentriert man sich auf die Steifigkeit der Flügel, so daß diese einem hohen Winddruck standhalten können, ohne daß die Flügelnabe in einer übertriebenen Distanz von der vertikalen Achse des Turms angeordnet werden muß.
Die Flügel sind traditionell als aerodynamische Schalenprofilelemente mit einem langen geraden Hauptbalken ausgebildet, der sich an dem dicksten Bereich des Flügels von diesem nach außen erstreckt. Dieser Hauptbalken ist an sich besonders steif exakt in der Richtung, die hier von Relevanz ist, nämlich in der Richtung der Balkenhöhe, jedoch kann es aufgrund der vorstehenden Erläuterungen Gründe dafür geben, nähere Überlegungen hinsichtlich der relevanten Flexibilität des Balkens anzustellen, d.h. hinsichtlich einer zusätzlichen Versteifung.
Zur Lösung des Problems sind bisher zwei verschiedene Verfahrensweisen vorgeschlagen worden, jedoch sind bei keiner Vorkehrungen dafür getroffen worden, daß der Hauptbalken versteift werden sollte, wobei als erste Lösung vorgesehen ist, daß der Flügelrotor auf einer Hauptwelle angeordnet ist, die leicht in Richtung nach oben geneigt ist, und als zweite Lösung vorgesehen ist, daß die Flügel in nach vorne geneigter Weise angeordnet werden, wobei diese Lösungen, wie folgt, kurz kommentiert werden können:
Bei Verwendung einer nach oben geneigten Hauptwelle wird die gesamte Rotorebene nach oben/hinten gekippt, so daß die Flügel bei ihrer Rotationsbewegung in dem Raum über dem Turm über dem Umriß des darunterliegenden Turms frei hinwegschwenken können, während die Passage der Flügel unten in einer vergrößerten Distanz von dem Turm stattfindet.
Das Windrad kann somit mit einer beträchtlichen freien Distanz zwischen den Spitzen der Flügel und der Seite des Turms arbeiten, obwohl die Flügelnabe mehr oder weniger nahe bei dem Turm angeordnet ist, indem die Flügel selbst bei starkem Biegen von diesen nach hinten unten im Abstand von dem Turm frei schwingen, während sie oben vollständig über diesen nach hinten gebogen werden.
Bei dieser Anordnung ist die Rotorebene in Relation zu der Vertikalen geneigt, wobei man festgestellt hat, daß dieser Zustand allein vom ästhetischen Gesichtspunkt her allgemein unattraktiv erscheint, obwohl dies bei unmittelbarer Betrachtung recht unlogisch ist. Es ist bekannt, daß ein tiefes emotionales Engagement in Verbindung mit der vernünftigen Nutzung von Windkraft besteht, und der vorstehend genannte Zustand allein ist ausreichend, um einen irreführenden Einfluß auf die Debatte auf diesem Gebiet zu haben.
Das gleiche gilt hinsichtlich der zweiten vorstehend umrissenen Lösung, d.h. daß trotz der Rotationsbewegung der Flügel in der vertikalen Ebene diese in Richtung nach vorne eine "Kegelform" annehmen, d.h. daß sie in derartigen geneigten Festhalteteilen an der Flügelnabe plaziert werden, daß sie nicht nur einfach "strahlenförmig" verlaufen, sondern jeweils auch leicht nach vorne geneigt sind, so daß sie bei ihrer Rotationsbewegung eine konische Fläche beschreiben.
Dadurch läßt sich auch erreichen, daß die Flügelnabe in einer mehr oder weniger kurzen Distanz von der Welle des Windradturms vorgesehen sein kann, während die Flügelspitzen bei einem in der vertikalen Ebene umlaufenden Flügelrotor jedoch ausreichend Gelegenheit haben, nach hinten gedrückt zu werden, ohne mit dem Windradturm zu kollidieren.
Diese Lösung ist jedoch relativ teuer, wobei der Grund für die hohen Kosten darin liegt, daß es teuer ist, die leicht geneigten Festhalteteile an der Flügelnabe anzuordnen, wobei man darüber hinaus noch vorbringen kann, daß auch das resultierende Erscheinungsbild des konischen Flügelrotors Anlaß zu Einwänden aus ästhetischen Gründen gibt.
Ein Windrad, das diese Lösung in die Praxis umsetzt, ist unter der Bezeichnung TW 600-e bekannt. Das Windrad ist in einer Broschüre mit dem Titel "Allgemeine Beschreibung der Windkraftanlage TW 600-e" offenbart, die 1996 von dem Hersteller Tacke Windtechnik veröffentlicht wurde. Der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert auf diesem Stand der Technik.
Ein Windrad mit zwei Flügeln mit leicht gekrümmten Flügelspitzen ist aus der deutschen Zeitschrift "WIND-KRAFT" 13. Jahrgang – 4. Quartal 1993, Titelblatt und Seite 1, bekannt.
Während es starke Argumente dafür gibt, daß sich die Erfindung mit einer weiteren Versteifung des genannten Hauptbalkens beschäftigen sollte, um ein Bild eines Flügelrotors zu erzielen, der in einer vertikalen Ebene umläuft, wird mit der vorliegenden Erfindung die Modifizierung eingebracht, daß auf die Verwendung dieser "geraden" Balken bei der Konstruktion der Flügel verzichtet wird und stattdessen Hauptbalken mit "Oberkanten-Krümmung" verwendet werden, ohne daß man notwendigerweise weitere Mutmaßungen hinsichtlich der Steifigkeit diese Balken anstellt.
Die eigentlichen Flügel können somit als rechtwinklige Verlängerung von der Flügelnabe weg erscheinen, wobei diese Konfiguration mehr oder weniger allmählich in eine gekrümmte Erstreckung, wie z.B. lediglich entlang des äußeren Drittels des Flügels, übergehen kann, so daß die Flügelspitzen in einer größeren Distanz von dem Turm angeordnet sind. Ein Rotor mit Flügeln mit derartiger Formgebung hat sich nicht nur für die ins Auge gefaßte Zielsetzung effektiver erwiesen, sondern auch als akzeptabel vom ästhetischen Standpunkt, indem sich die nach außen gehende Krümmung nur sehr wenig manifestiert.
Es ist zum Beispiel ein recht akzeptables Ergebnis, wenn die Flügelnabe um einen halben Meter näher an der Turmwelle plaziert werden kann und eine zugehörige nach außen gehende Krümmung eines Flügels mit einer Länge in der Größenordnung von 25 m nur geringfügig sichtbar ist, wenn man nämlich die inneren, dickeren Längsteile in einer Ebene arbeiten sehen kann, die dem Betrachter natürlich erscheint.
Im Vergleich zu Flügeln mit dem genannten negativen kegelförmigen Verlauf unterscheiden sich die Flügel gemäß der vorliegenden Erfindung zu einem Teil dadurch, daß die Rotornabe in herkömmlicher Weise gebaut werden kann, und zu einem anderen Teil dadurch, daß die Nabe nicht durch beträchtliche Biegekräfte beeinflußt wird, die aufgrund der an den Flügeln entstehenden Zentrifugalkraft bedingt sind.
Mit kegelförmig verlaufenden Flügeln ist ein großer Teil des Gerade-Richtens der Flügel exakt durch die Zentrifugalkraft bedingt, so daß die Flügel extra kegelförmig verlaufend ausgebildet werden müssen, um auch der nach hinten gehenden Biegung Rechnung zu tragen, die unter Winddruck auftritt.
Im Vergleich zu den gekippten Rotoren bietet die Erfindung den Vorteil, daß die Flügel ringsum in gleichmäßiger Weise beeinflußt werden, in ganz ähnlicher Weise wie bei herkömmlichen Rotoren, während die Flügel bei einem gekippten Rotor in ungleichmäßiger Weise beeinflußt werden, d.h. ganz davon abhängig, ob sie sich nach oben oder nach unten bewegen und sich infolgedessen mit bzw. gegen den Wind bewegen, wobei dies einem Gier-Fehler entspricht, der zu verschiedenen Problemen führen kann.
Wie vorstehend erwähnt, ist es für einen erfindungsgemäßen Flügel charakteristisch, daß der eigentliche Hauptbalken in der Hochkant-Ebene teilweise mit einer Krümmung ausgebildet ist, wobei jedoch betont werden muß, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform begrenzt ist, da durch die Bildung einer Form mit einer geeigneten Formgebung der Flügel auch bei vollständig oder teilweise balkenlosen Kasten-Konstruktionen die gewünschte Krümmung erhalten kann.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlicher beschrieben; darin zeigen:
1 ein Windrad mit einem Flügelrotor gemäß der Erfindung, gesehen von der Seite;
2 einen Windradflügel, gesehen von der Vorderseite; und
3 den Flügel der 2, gesehen von der Seitenkante.
Das in 1 gezeigte Windrad besteht in üblicher Weise aus einem Turm 2, einem Windradgehäuse 4 und einer Hauptwelle 6 mit einer Rotornabe 8 für Flügel 10, die einen Flügelrotor bilden. Bei dem Windrad handelt es sich um eines mit "Front-Laufrad", bei dem sich der Rotor nach vorne in den Wind W dreht, wobei dies bedeutet, daß der Winddruck die Flügel nach hinten und somit nach innen in Richtung auf den Turm 2 biegt. Das System 4, 6 muß daher in einer derartigen Weise angeordnet werden, daß die erforderliche Sicherheitsdistanz zwischen den Flügeln 10 und dem Turm unbedingt vorhanden ist.
Bei der Erfindung kann diese Distanz auf ein Minimum reduziert werden, indem die Flügel mit einer nach vorn gerichteten Krümmung versehen sind, und zwar vorzugsweise nur über einen äußeren Erstreckungsbereich 12 von diesen, so daß die Spitzen der Flügel im Ruhezustand in einer gewissen Distanz a vor der Ebene p stehen, die durch die Flügelachsen an den Wurzelbereichen der Flügel gebildet ist. Die Flügel können somit derart ausgebildet werden, daß sie auch in starken Winden in einer sicheren Distanz außerhalb des Turms angeordnet sind, wobei sie sich möglicherweise leicht nach hinten zu diesem hin biegen.
In 2 und 3 ist eine authentische Konstruktion eines Windradflügels mit einer Länge von 29 m dargestellt. Die nach außen gehende Krümmung der Spitze, wie diese in 3 gezeigt ist, beläuft sich auf etwa 50 cm, jedoch kann dieser Wert auch etwas höher oder etwas niedriger sein. Es ist jedoch bevorzugt, daß die Krümmung nicht viel größer ist als der Radius der Flügelwurzel, da dies zu bestimmten Schwierigkeiten beim Transport des Flügels führen könnte.
Die Erfindung gibt keine exakten Vorschriften hinsichtlich der Art und Weise und mit welcher Krümmung die Krümmung gebildet werden sollte, da dies auf einem professionellen Niveau unter Berücksichtigung der Flügelkonstruktion insgesamt bestimmt werden muß. Aus diesem Grund soll nicht ausgeschlossen werden, daß die Wahl getroffen werden kann, die Krümmung nahezu als Biegung in dem dicken Endteil des Flügels vorzusehen, während der äußere Teil des Flügels gerade oder leicht gekrümmt verläuft.
Es ist darauf hinzuweisen, daß in den Ansprüchen die Erfindung auf die genannten kegelförmig verlaufenden Rotoren als bekannte Technik Bezug nimmt und daß es sich als zweckdienlich erwiesen hat, die Flügelachsen p als Zentrum der normalerweise zylindrisch geformten Flügel-Wurzelteile zu bezeichnen, an dem diese an der Flügelnabe angebracht sind oder ihren Übergangsbereich zu der Nabe haben.

Claims

Windrad vom Typ mit Front-Laufrad und mit einem Turm (2), der zum drehbaren Tragen eines Windradgehäuses (4) mit einer im wesentlichen horizontalen Hauptwelle (6) dient, die einen Windrotor trägt, der eine Nabe (8) und drei Flügel (10) aufweist, die sich von der Nabe (8) weg erstrecken und als aerodynamische Schalenprofilelemente ausgebildet sind, wobei das Windrad nur einen solchen Windrotor aufweist und wobei es sich bei dem Windrotor um einen von dem Typ handelt, bei dem sich die Flügel (10) von einem Befestigungs- oder Übergangsbereich an der Rotornabe (8) zu einem Spitzenbereich nach außen erstrecken, der in einer Distanz vor der senkrechten Ebene (p) der Rotornabe (8) durch die Schnittpunkte der Flügelachsen mit dem Nabenumfang liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (10), die sich durch den Winddruck biegen können, sich von der Nabe (8) in der senkrechten Ebene (p) nach außen erstrecken und sich in einer Distanz von der Nabe (8) zumindest entlang des äußeren Drittels des Flügels (10) dann in nach außen und vorn gekrümmter Weise erstrecken.
Windrad nach Anspruch 1, wobei die Krümmung dazu führt, daß die Flügelspitze in einer Größenordnung, die dem Radius des Wurzelbereichs des Flügels (10) entspricht, in Richtung nach vorn angeordnet ist.