EP3120018A1

EP3120018A1 - Geräuschreduziertes rotorblatt einer windenergieanlage

Info

Publication number: EP3120018A1
Application number: EP15712290.4A
Authority: EP
Inventors: Sascha ERBSLÖH; Tom GERHARD; Thomas Carolus
Original assignee: Senvion GmbH
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy Service GmbH
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2015-03-16
Publication date: 2017-01-25
Also published as: WO2015140093A1; DE102014205016A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt (20) einer Windenergieanlage mit einem Rotor, der insbesondere eine im Wesentlichen horizontale Drehachse aufweist, wobei das Rotorblatt (20) eine Rotorblattschale (29) mit einer Saugseite (10) und einer Druckseite (12) aufweist und sich von einem wurzelseitigen Ende (26) bis zu einer Rotorblattspitze (27) erstreckt, wobei das Rotorblatt (20) zudem ein Profil (11) aufweist, wobei das Profil (11) eine Profilsehne definiert, die sich von einer Rotorblattnase (13) zu einer Rotorblatthinterkante (14) erstreckt. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage. Das erfindungsgemäße Rotorblatt zeichnet sich dadurch aus, dass eine verschließbare Luftströmungsvorrichtung (15-18, 21, 22, 28) vorgesehen ist, die ein Verschlusselement (16) in der Rotorblattschale (29) vorsieht, wobei zum Vorsehen einer ergänzenden Luftströmung zu einer auf der Saugseite (10) und/oder Druckseite (12) vorherrschenden Luftströmung das Verschlusselement (16) geöffnet ist oder wird.

Description

Geräuschreduziertes Rotorblatt einer Windenergieanlage Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt einer Windenergieanlage mit einem Rotor, der insbesondere eine im Wesentlichen horizontale Drehachse aufweist, wobei das Rotorblatt eine Rotorblattschale mit einer Saugseite und einer Druckseite aufweist und sich von einem wurzelseitigen Ende bis zu einer Rotorblattspitze erstreckt, wobei das Rotorblatt zudem ein Profil aufweist, wobei das Profil eine Profilsehne definiert, die sich von einer Rotorblattnase zu einer Rotorblatthinterkante erstreckt.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem Rotor, der wenigstens ein Rotorblatt aufweist, wobei das Rotorblatt eine Rotorblattschale aufweist.

Übl iche Windenergieanlagen, insbesondere axialer Bauart, d .h . Windenergieanlagen, deren Rotor eine Drehachse aufweist, die im Wesentlichen horizontal angeordnet ist, dienen üblicherweise zur Stromerzeugung . Aufgrund der sich relativ schnell bewegenden Ro- torblätter konnnnt es allerdings zu einem Strömungslärm, so dass die Windenergieanlagen nur in relativ großen Abständen von Wohngebieten aufgestellt werden können . Auch bei der Aufstellung im Meer, d .h . offshore, spielt die Lärmreduktion zum Schutz der Meeresfauna eine immer wichtigere Rolle.

Um Strömungslärm zu vermeiden, sind mehrere Maßnahmen bekannt. Es sollte beispielsweise eine möglichst dünne Hinterkante der Rotorblätter vorgesehen sein . Zusätzlich können Bürsten an den Hinterkanten angebracht werden oder gezackte H interkanten vorgesehen sein . Es können auch schalloptimierte Rotorblattprofile verwendet werden und Winglets an den Blattspitzen.

Aus WO 201 3/076008 A1 ist eine Windenergieanlage bekannt, bei der ein Fluid in eine turbulente Luftströmung an der Hinterkante eines Rotorblattes eingebracht wird, um die Lautstärke, die durch das Rotorblatt erzeugt wird, zu reduzieren .

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rotorblatt anzugeben, mittels dessen eine effiziente Schallreduktion möglich ist, wobei insbesondere die aerodynamischen Eigenschaften des Rotorblattes mögl ichst wenig beeinflusst werden sollen . Insbesondere soll eine Möglichkeit vorgesehen sein, auch witterungsbedingte Beeinflussungen zu reduzieren .

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Rotorblatt einer Windenergieanlage mit einem Rotor, der insbesondere eine im Wesentlichen horizontale Drehachse aufweist, wobei das Rotorblatt eine Rotorblattschale mit einer Saugseite und einer Druckseite aufweist und sich von einem wurzelseitigen Ende bis zu einer Rotorblattspitze erstreckt, wobei das Rotorblatt zudem ein Profil aufweist, wobei das Profil eine Profilsehne definiert, die sich von einer Rotorblattnase zu einer Rotorblatthinterkante erstreckt, das dadurch weitergebildet ist, dass eine verschließbare Luftströmungsvorrichtung vorgesehen ist, die ein Verschlusselement in der Rotorblattschale vorsieht, wobei zum Vorsehen einer ergänzenden Luftströmung zu einer auf der Saugseite und/oder Druckseite vorherrschenden Luftströmung das Verschlusselement geöffnet ist oder wird .

Durch Vorsehen einer verschließbaren Luftströmungsvorrichtung ist es möglich, sehr effizient eine ergänzende Luftströmung zu einer auf der Saugseite und/oder Druckseite vorherrschenden Luftströmung hinzuzufügen, so dass die vorherrschenden Turbulenzen, die außen an dem Rotorblatt bzw. Profil des Rotorblattes vorherrschen, reduziert werden . Insbesondere ist es hierdurch möglich, die Schallemission bei niedrigeren Frequenzen zu reduzieren, wobei die durch die ergänzende Luftströmung unter Umständen entstehenden höheren Frequenzanteile in der umgebenden Luft schneller gedämpft werden .

Vorzugsweise ist das Verschlusselement wenigstens abschnittsweise elastisch ausgebildet. Hierdurch ist das Verschlusselement ohne Verschleiß bzw. mit wenig Verschleiß häufig verschließbar und wieder zu öffnen . Vorzugsweise ist das Verschlusselement als flexible Lippe ausgebildet.

Vorzugsweise ist das Verschlusselement zum verschlossenen Zustand hin bzw. zur verschlossenen Lage vorgespannt. Das Verschlusselement verschließt somit die Luftströmungsvorrichtung, wenn keine weiteren Kräfte das Verschlusselement öffnen . Wenn vorzugsweise das Verschlusselement in geöffnetem Zustand als zur Rotorblatthinterkante gerichtete Schlitzdüse ausgebildet ist, kann effizient ein großer Bereich des Rotorblatts, insbesondere in der Nähe der Rotorblattspitze, schallreduziert betrieben werden. Vorzugsweise ist das Verschlusselement auf der Saugseite der Rotorblattschale angeordnet. Hierdurch lässt sich ohne zu starke aerodynamische Einbußen ein sehr geräuschreduzierter Betrieb der Windenergieanlage erreichen .

Wenn sich vorzugsweise das Verschlusselement in geschlossenem Zustand außen an das Profil des Rotorblattes anschmiegt, bleiben die aerodynamischen Eigenschaften des Rotorblattes im Wesentlichen durch das Verschlusselement unverändert. Hierbei übernimmt die Außenseite des Verschlusselements vorzugsweise die Kontur des Profils bzw. der Außenseite der Rotorblattschale.

Wenn vorzugsweise die Luftströmungsvorrichtung einen Luftführungskanal aufweist, der von dem wurzelseitigen Ende des Rotorblatts in Richtung der Rotorblattspitze bis auf die Höhe des Verschlusselements reicht, ist eine effiziente und aerodynamisch günstige Zuführung einer ergänzenden Luftströmung bzw. eines ergänzenden Luftstroms zu dem Verschlusselement möglich .

Vorzugsweise ist das Verschlusselement auf einer Höhe zwischen 75% bis 95%, insbesondere 80% bis 95%, insbesondere 80% bis 90%, der Profilsehnenlänge von der Rotorblattnase aus angeordnet. Das Verschlusselement ist somit in der Nähe der Rotorblatthinterkante angeordnet. Durch diese Maßnahme verändern sich turbulente Luftströmungsstrukturen im Bereich der Hinterkante des Rotorblatts. Insbesondere werden größere Turbulenzballen zerstört und zerfallen in kleinere Turbulenzballen, die akustisch weniger relevant sind . An dem Bereich der Hinterkante, der durch die ergänzende Luftströmung beeinflusst wird, erfährt die Luft einen sanfteren Übergang von der festen Oberfläche des Rotorblatts zur freien Strömung . Vorzugsweise ist das Verschlusselement im Wesentlichen oder vollständig parallel zu der Rotorblatthinterkante angeordnet.

Vorzugsweise ist die Höhe der Öffnung des geöffneten Verschlus- selements zwischen 0,5% und 3% der Profilsehnenlänge. Hiermit findet insbesondere eine Anpassung der Höhe der ergänzenden Luftströmung an die am Rotorblatt anliegende Grenzschicht statt. Die Grenzschicht ist im hinteren Bereich eine turbulente Luftschicht, die an der Rotorblattschale anliegt und wird von der Rotorblattschale und einer freien Außenluftströmung umschlossen .

Wenn vorzugsweise am Ort des Verschlusselements die ergänzende Luftströmung eine Geschwindigkeit von 1 0% bis 1 50%, insbesondere 25% bis 75%, der vorherrschenden Luftströmung hat, wird turbulente kinetische Energie in der Grenzschicht reduziert. Es wird zudem insbesondere nicht soviel Luft ausgeblasen, dass ein grenzschichtverursachtes Geschwindigkeitsdefizit unmittelbar hinter dem Rotorblatt ausgeglichen wird . Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die ergänzende Luftströmung im Wesentlichen ausschließlich dazu dient, Turbulenzen zu reduzieren, und damit die Lärmbelästigung zu reduzieren .

Vorzugsweise ist das Verschlusselement bei einem vorgebbaren Differenzdruck zwischen dem Druck innerhalb der Luftzuführung und außerhalb des Rotorblatts im Bereich des Verschlusselements sich öffnend ausgebildet. Beispielsweise kann der Differenzdruck so vorgegeben sein, dass bei einer Rotation des Rotors mit einer vorgebaren Drehzahl die Fliehkraft der Luft in der Luftströmungsvorrichtung ausreichend ist, um das Verschlusselement zu öffnen.

Wenn vorzugsweise der Luftführungskanal im Bereich des Verschlusselements zum Verschlusselement hin porös ausgebildet ist und/oder am wurzelseitigen Ende des Rotorblatts ein Strömungs- sieb vorgesehen ist, ist es möglich, eine gleichmäßige ergänzende Luftströmung vorzusehen und/oder die ergänzende Luftströmung zu reinigen und/oder von der Menge her einzustellen.

Vorzugsweise ist ein Gebläse vorgesehen, das einen Luftstrom in der Luftströmungsvorrichtung erzeugt, wobei insbesondere eine Heizvorrichtung vorgesehen ist, mittels der ein erwärmter Luftstrom zur Verfügung stellbar ist oder gestellt ist. Das Gebläse ist vorzugsweise in der Rotornabe der Windenergieanlage vorgesehen .

Das erfindungsgemäße Rotorblatt weist vorzugsweise einen speziell geformten Ausblasschl itz auf, der mit einem wenigstens teilweise flexiblen oder wenigstens teilweise elastischen Verschlusselement verschlossen werden kann . Es wird hierbei eine Luftströmung erzeugt, die beispielsweise durch Druckluft aus einem Druckluftreservoir bzw. einer Zuführung, die von der Rotorblattwurzel bis in den Bereich des Reservoirs reicht, gespeist wird .

Zudem kann eine Zuführung zwischen dem Druckluftreservoir und dem Ausblasschlitz vorgesehen sein .

Die am Ausblasschlitz ausströmende Luft beeinflusst die turbulente Grenzschicht im Bereich der Blatth interkante dahingehend, dass die turbulenzerzeugten Druckschwankungen und damit der abgestrahlte Hinterkantenschall reduziert werden .

Hierbei ist es bevorzugt, eine Schlitzhöhe des Ausblasschl itzes im Verhältn is zur Profilsehnenlänge von 0,5% bis 3% vorzusehen . Vorzugsweise ist eine Lage des Ausblasschl itzes von der Vorderkante bzw. Rotorblattnase aus gemessen bei 80% bis 95% der Profilsehnenlänge. Ferner ist ein Ausblaswinkel von 0° bis -30°, insbesondere -1 ° bis -1 5°, relativ zum Winkel der Profilsehne besonders bevor- zugt, um einen Luftstrom bzw. Jet zu erzeugen, der parallel zur Profilgeometrie verläuft. Besonders ist zudem, dass die Ausblasgeschwindigkeit der Druckluft am Schlitz 10% bis 1 50%, insbesondere 25% bis 75%, der freien Ausströmungsgeschwindigkeit am Blattsegment vorzugsweise ist.

Die Druckluft kann beispielsweise mit einem Gebläse erzeugt werden . Zudem unterstützt je nach Lage des Ausblasschl itzes im Rotorblatt mehr oder weniger die natürliche Fliehkraft die Förderung der Luft. Es kann auch eine Förderung der Luft alleine durch die Fliehkraft vorgesehen sein, so dass das Gebläse ausgeschaltet sein kann oder nicht einmal verbaut.

Um eine aerodynamisch negative Auswirkung des Ausblasschlitzes zu minimieren, ist vorzugsweise eine elastische Lippe, beispielsweise eine Gummilippe oder eine dünne und flexible Schicht aus Glasfaser verstärktem Kunststoff, vorgesehen, die sich nur durch den Innendruck und/oder den Unterdruck auf der Profilaußenseite abhebt und damit den Ausblasschl itz freigeben kann . Die elastische Lippe dient auch zum Schutz der feinen bzw. scharfen Kante der Rotorblattschale im Spaltbereich vor Witterungseinflüssen . Im Rahmen der Erfindung kann das Verschlusselement die Lippe sein .

Erfindungsgemäß ist eine Windenergieanlage mit einem vorbeschriebenen Rotorblatt versehen .

Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem Rotor, der wenigstens ein Rotorblatt aufweist, gelöst, wobei das Rotorblatt eine Rotorblattschale aufweist, wobei im Betrieb der Windenergieanlage ab einer vorgebbaren Drehzahl des Rotors ein Verschlusselement einer verschließbaren Luftströmungsvorrichtung geöffnet wird, um zu einer auf einer Druckseite und/oder Saugseite des Rotorblatts vorherrschenden Luftströmung eine ergänzende Luftströmung auszublasen.

Vorzugsweise öffnet sich beim Öffnen des Verschlusselements ein Schl itz in der Rotorblattschale, wobei die ergänzende Luftströmung aus dem Schlitz in Richtung einer Rotorblatthinterkante geblasen wird .

Vorzugsweise geschieht das Öffnen des Verschlusselements ab einer vorgebbaren Druckdifferenz am Verschlusselement automatisch .

Vorzugsweise wird die ergänzende Luftströmung mit einer Ausblasgeschwindigkeit ausgeblasen, die zwischen 1 0% und 1 50%, insbesondere 25% und 75%, der Geschwindigkeit der außen an dem Verschlusselement vorherrschenden Luftströmungsgeschwindigkeit entspricht.

Wenn vorzugsweise die ergänzende Luftströmung erwärmt wird o- der ist, kann zudem eine Rotorblattenteisung durchgeführt oder unterstützt werden . Zudem kann hierdurch auch eine Rotorblattentwässerung unterstützt werden .

Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtl ich . Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen .

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelhei- ten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird . Es zeigen:

Fig . 1 ein schematisches Profil eines erfindungsgemä- ßen Rotorblattes in einer ersten Ausführungs- form,

Fig . 2 eine schematische Darstellung eines Ausschnittes aus Fig . 1 ,

Fig . 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rotorblattes in Draufsicht,

Fig . 4 eine schematische Darstellung eines Profils eines erfindungsgemäßen Rotorblattes in einer weiteren Ausführungsform,

Fig . 5 eine schematische Darstellung eines Profils eines weiteren erfindungsgemäßen Rotorblattes in einer dritten Ausführungsform,

Fig . 6 ein Diagramm des gemessenen Schaltdruckpegels über eine Frequenz,

Fig . 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rotorblattes in Draufsicht in einer weiteren Ausführungsform,

Fig . 8 eine schematische Darstellung eines Profils des erfindungsgemäßen Rotorblattes aus Fig . 7 entlang des Schnittes A-A, und

Fig . 9 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils aus Fig . 8 in vergrößerter Darstellung .

In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.

Fig . 1 zeigt schematisch ein Profil 1 1 eines erfindungsgemäßen Rotorblattes 20, wobei das Rotorblatt 20 hier in einer Art Schnittdarstellung gezeigt ist. Das Profil 1 1 weist eine Rotorblattnase 1 3 und eine Rotorblatthinterkante 14 auf. Zwischen der Rotorblattnase 1 3 und der Rotorblatthinterkante 14 ist eine nicht dargestellte Sehne bzw. Profilsehne definiert, die je nach Größe des Rotorblattes und der Lage des Profils zwischen einer Rotorblattwurzel 26 und einer Rotorblattspitze 27 variieren kann .

Das Profil 1 1 weist eine Saugseite 1 0 und eine Druckseite 1 2 auf. Das Rotorblatt 20 kann bevorzugt wie üblich aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt sein und eine Rotorblattschale 29 aufweisen, die eine entsprechende Dicke hat.

In den Fig . 1 , 4 und 5 ist das Rotorblatt 20 als Vollmaterial dargestellt. Es sind allerdings insbesondere Rotorblätter vorzusehen, die eine Rotorblattschale aufweisen und innen im Wesentlichen hohl sind .

In dem Rotorblatt ist ein Luftreservoir 18 vorgesehen, dass eine Luftströmung bzw. eine Druckluft über die Luftzuführung 1 7 zu einem Ausblasschlitz 1 5 führt. Der Ausblasschlitz 1 5 ist zur Rotorblatth interkante 14 geöffnet und ergänzt d ie um das Rotorblatt herrschende Luftströmung bzw. die dort auf der Saugseite 1 0 vorherrschende Luftströmung um eine ergänzende Luftströmung . Hierdurch wird der Schalldruckpegel des Hinterkantenschalls des Rotorblattes reduziert. Erfindungsgemäß ist nun ein Verschlusselennent 1 6 vorgesehen, dass vorzugsweise als flexible Lippe bzw. elastisches Verschlusselennent ausgebildet ist und insbesondere vorzugsweise automatisch sich dann öffnet, wenn der Druck, der von innen auf das Verschlusselement 1 6 drückt, größer ist als der Druck, der von außen auf das Verschlusselement drückt. Das Verschlusselement 1 6 öffnet beispielsweise auch dann, wenn auf der Saugseite des Rotorblattes ein Unterdruck anl iegt.

Das Verschlusselement 1 6 kann so ausgebildet sein, dass es erst bei einem vorgebbaren Differenzdruck öffnet.

Fig . 2 zeigt noch einmal schematisch einen Ausschnitt der Fig . 1 , wobei der Bereich der H interkante 1 4 dargestellt ist. In diesem Ausschnitt ist das Verschlusselement 1 6 geschlossen dargestellt. Bei einer Öffnung nach oben stellt der Winkel des Verschlusselements 1 6 zu dem Profil des Rotorblattes den Ausblaswinkel dar. Bei einer Verstellung bzw. Öffnung des Verschlusselements 1 6 nach oben ist von einem negativen Winkel die Rede. Bevorzugt ist ein Öffnungswinkel von -1 ° bis -30°, insbesondere von -1 0° bis -1 5°.

Der Doppelpfeil zeigt die Bewegl ich keit des Verschlusselements 1 6. Wie zu erkennen ist, schmiegt sich das Verschlusselement 1 6 harmonisch an das Profil 1 1 des Rotorblattes an, so dass bei verschlossenem Verschlusselement 1 6 die aerodynamischen Eigenschaften des Rotorblattes 20 bzw. des Profils 1 1 im Wesentlichen unbeeinflusst sind .

Das Verschlusselement 1 6 kann mit einer entsprechenden Vorspannung geschlossen sein und erst ab einer vorgebbaren Druckdifferenz zwischen Innendruck, d .h . in der Zuführung 1 7, im Vergleich zum Außendruck aufgehen . Durch Vorsehen eines elastischen Verschlusselements können sehr enge Toleranzen eingespart werden . Insbesondere öffnet sich das elastische Verschlusselement ab einer vorgebbaren Drehzahl, die im Bereich der Drehzahl ist, ab der Strom produziert wird . Vorzugsweise öffnet sich das Verschlusselement oberhalb einer Startdrehzahl . Das Verschlusselement kann beispielsweise eine Gummilippe sein .

Das Verschlusselement kann auch als Dichtelement ausgebildet sein .

Fig . 3 zeigt schematisch ein Rotorblatt 20 in einer Draufsicht. Das Rotorblatt 20 erstreckt sich von einer Rotorblattwurzel 26 bis zu einer Rotorblattspitze 27. Von der Rotorblattwurzel 26 ist eine Luftführung 22 vorgesehen, die beispielsweise als Rohr ausgebildet sein kann und sich weiter bis in den Bereich der Rotorblattspitze 27 erstreckt. Insbesondere erstreckt sich die Luftführung 22 bis zum Luftreservoir 1 8, das in Wirkverbindung mit dem Ausblasschlitz 15 steht. Der Ausblasschlitz 1 5 kann von der Lippe 1 6 verschlossen sein . Alternativ öffnet die Lippe 16 den Ausblasschl itz 1 5 oder ist Teil des Ausblasschl itzes 1 5.

Das Rotorblatt 20 weist eine Rotorblattschale 29 beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff auf, wie dieses üblich ist. Es sind zudem auch ein Gurt vorgesehen, der n icht dargestellt ist, und zwei Stege 23 und 24, die die Rotorblattoberseite mit der Rotorblattunterseite verbinden und Scherkräfte aufnehmen . Es ist erkennbar, dass der Ausblasschl itz 1 5 nahe an der Hinterkante 14 des Rotorblattes 20 angeordnet ist und in der Nähe der Rotorblattspitze 27. In Fig . 1 ist der Ort des Ausblasschlitzes 25 relativ zur Profilsehnenlänge bei 95% gemessen von der Rotorblattnase 1 3. In der Fig . 4, in der schematisch auch ein weiteres Profil 1 1 eines erfindungsgemäßen Rotorblattes dargestellt ist, liegt der Ausblasschl itz bei 84% der Profilsehnenlänge, auch wieder von der Rotorblattnase 1 3 aus gemessen . In Fig . 5 l iegt der Ausblasschlitz bei ca. 88% der Profilsehnenlänge gemessen von der Rotorblattnase 13.

In Fig . 5 ist entsprechend auch schematisch ein weiteres Profil eines Rotorblattes dargestellt, wobei als weitere Besonderheit ein poröses Rohr 28 vorgesehen ist, das eine Vergleichmäßigung der Luftströmung in der Luftzuführung 1 7 ermögl icht, so dass ein sehr gleichmäßiger Luftstrom aus dem Ausblasschlitz 1 5, der in Fig . 5 durch die Lippe 16 verschlossen ist, bei geöffneter Lippe 1 6 strömen kann .

In Fig . 3 ist noch schematisch ein Strömungssieb 21 dargestellt, mittels dessen auch eine gleichmäßige Strömung erzielbar ist und zudem auch eine Strömungsmenge einstellbar ist. Je nach vorgesehenem Gebläsedruck bzw. Drehzahl des Rotorblattes ergibt sich somit eine gewisse Luftmenge, die aus dem Ausblasschlitz 1 5 ausgeblasen werden kann .

Durch das Zuführen der Ausblasluft verändern sich die turbulenten Strukturen im Bereich der Blatthinterkante, insbesondere werden größere Turbulenzballen zerstört und zerfallen zu kleineren, die akustisch weniger relevant sind . An der Hinterkante des Rotorblattes, und zwar insbesondere dort, wo der Wirkbereich des Ausblasschlitzes ist, erfährt das Fluid, das um das Rotorblatt strömt, damit einen sanfteren Übergang von der festen Oberfläche zur freien Strömung .

Es wird vergleichsweise wenig Luft ausgeblasen . Es wird mit der jeweil igen Luftmenge das grenzschichtverursachende Geschwindig- keitsdefizit unmittelbar hinter dem Rotorblatt nicht ausgeglichen . Aus den oben genannten Zahlen für die Abmessung des Ausblasschlitzes 1 5 und der Ausblasgeschwindigkeit ergibt sich ein niedriger Luftvolumenstrom, der ausreicht, um die turbulente kinetische Energie im Bereich der Hinterkante und damit den Hinterkantenschall zu reduzieren, allerdings nur wenig die aerodynamischen Eigenschaften des Profils ändert.

Fig . 6 zeigt schematisch ein Diagramm eines gemessenen Schalldruckpegels in dB über einer Frequenz in Hz. Der Hinterkantenschall, der hier gemessen wurde, l iegt in einem Frequenzbereich zwischen 250 Hz und 750 Hz und ist repräsentiv für Versuchsergebnisse eines Windkanalmodells. Die Bezugsziffer 32 bezeichnet einen Hinterkantenschall ohne das erfindungsgemäße Ausblasen und die Bezugziffer 33 den Hinterkantenschall mit dem erfindungsgemäßen Ausblasen . Es ist insbesondere zu erkennen, dass im Bereich von 250 Hz bis 750 Hz eine deutliche Reduktion des Schalls durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Ausblasschl itzes erzielt wird . Die Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 und 2 sowie 4 und 5 sind vorzugsweise Windkanalmodelle.

Fig . 7 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Rotorblatt in einer weiteren Ausführungsform . Es ist zu erkennen, dass an Stelle eines Ausblasschl itzes an der Hinterkante des Rotorblattes drei Ausblasschlitze 1 5, 1 5', 1 5" vorgesehen sein können . Vorzugsweise werden vorgefertigte Segmente in d ie Rotorblattschale, hier insbesondere die Saugseite des Rotorblattes eingebracht, insbesondere eingeklebt.

Fig . 8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang des Schnittes der Linie A-A aus Fig . 1 . Die Saugseite 1 0 des Rotorblattes ist an den Verklebungsstellen 42" und 42"' mit der Druckseite 1 2 verklebt. Zudem sind ein vorderer Steg 23 und ein hinterer Steg 24 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Luftreservoir 1 8 durch den hinteren Steg 24 und die Rotorblattschalen der Saugseite 1 0 und der Druckseite 1 2 begrenzt.

Um Dreck oder Schmuck aus dem Ausblasschlitz 1 5" entfernt zu halten, ist ein flexibler Schaum oder ein poröses Material 41 von unten auf die Rotorblattschale der Saugseite 1 0 aufgeklebt.

Zudem ist zu erkennen, dass ein Einbauteil 40 in die Rotorblattschale eingeklebt ist, und zwar an den Verklebungsstellen 42 und 42'. Hierzu sind die Verklebungsstellen der Rotorblattschale und des Einbauteils 40 angefast. Insbesondere sind diese jeweils formkomplementär zueinander angefast. H ierdurch ist eine sehr genaue Einpassung mögl ich .

Das Einbauteil 40 ist vorzugweise ein Kompositbauteil . Glasfaser verstärkter Kunststoff ummantelt hier beispielsweise einen Schaumstoff 44.

Das Verschlusselement 1 6 ist als dünne Lippe aus Glasfaser verstärktem Kunststoff ausgebildet, die sich bei entsprechender Druckdifferenz oder vorgebbarer Druckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite des Rotorblattes öffnet.

Die profil ierte Außenseite 43 des Einbauteils 40 entspricht der Kontur des Profils 1 1 des Rotorblattes. Um keinen zu hohen Druckverlust zu erleiden, ist eine Abrundung 45 im Inneren des Einbauteils vorgesehen . Durch Vermeiden von scharfen Kanten wird auch ein Überdruckverlust vermieden .

Das Einbauteil 40 kann auch ausschließlich aus Glasfaser verstärk- tem Kunststoff gefertigt sein .

Vorzugsweise ist das Verschlusselement 1 6 so ausgebildet, dass dieses bei den im Betrieb vorherrschenden Druckverhältnissen entsprechend weit öffnet, beispielsweise um -1 5°, so dass ein entsprechender Ausblaswinkel gegeben ist, der dafür sorgt, dass ein ergänzender Luftstrom ausgeblasen wird, der parallel zur Profilgeometrie verläuft.

Typische Werte für Ausblasgeschwindigkeiten von 1 0% bis 1 50% der freien Außenströmung liegen bei 8 m/s bis 1 20 m/s. Ein typischer Volumenstrom beträgt zwischen 0,25 m³/s und 4 m³/s pro Meter. Druckbeiwerte auf der Oberfläche eines typischen Profils zwischen 75% und 90% Tiefe der Sehnenlänge liegen in der Größenordnung von Cp = -0, 1 bis -0,5. Dies entspricht -300 bis -1 .500 Pa Unterdruck. Durch die Zentrifugalkraft ergibt sich im Hohlraum eines Rotorblattes bei entsprechenden Drehzahlen ein Überdruck von typischerweise 3.000 Pa im Blattspitzenbereich . Je nach Blattlänge, Rotordrehzahl und Blattverformung schwankt dieser Wert etwas. Damit ergibt sich eine Druckdifferenz am Ausblasschl itz von 4.000 Pa bis 5.000 Pa.

Zudem kann die Ausblasluft auch gewärmt werden oder gewärmt sein . Beispielsweise kann Ausblasluft aus dem Maschinenhaus zur Verfügung gestellt werden . Dies kann dazu dienen , einen Eisansatz zu vermeiden . Die flexible Lippe bzw. das Verschlusselement dient auch als Schutz vor witterungsbedingten Einflüssen .

Insbesondere vorzugsweise ist der Ausblasschl itz im äußeren Drittel des Rotorblattes angeordnet. Es ist ein geringer energetischer Aufwand gegeben, da nur geringe Ausblasvolumenströme benötigt werden . Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombinati- on als erfindungswesentl ich angesehen . Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein . Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere" oder „vorzugsweise" gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen .

Bezugszeichenliste

1 0 Saugseite

1 1 Profil

1 2 Druckseite

1 3 Rotorblattnase

14 Rotorblatthinterkante

1 5, 1 5', 1 5" Ausblasschlitz

1 6 Verschlusselement 1 7 Luftzuführung

1 8 Luftreservoir

20 Rotorblatt

21 Strömungssieb

22 Luftführung

23 Steg

24 Steg

26 Rotorblattwurzel

27 Rotorblattspitze

28 poröses Rohr

29 Rotorblattschale

30 Schalldruckpegel [dB]

31 Frequenz [Hz]

32 Hinterkantenschall ohne Ausblasen 33 Hinterkantenschall mit Ausblasen 40 Einbauteil

41 poröses Material

42, 42', 42", 42"' Verklebungsstelle

43 profilierte Außenseite

44 Schaumstoff

45 Abrundung

46, 46' Verbindungsseite

Claims

Geräuschreduziertes Rotorblatt einer Windenergieanlage Patentansprüche

1 . Rotorblatt (20) einer Windenergieanlage mit einem Rotor, der insbesondere eine im Wesentlichen horizontale Drehachse aufweist, wobei das Rotorblatt (20) eine Rotorblattschale (29) mit einer Saugseite (10) und einer Druckseite (1 2) aufweist und sich von einem wurzelseitigen Ende (26) bis zu einer Rotorblattspitze (27) erstreckt, wobei das Rotorblatt (20) zudem ein Profil (1 1 ) aufweist, wobei das Profil (1 1 ) eine Profilsehne definiert, die sich von einer Rotorblattnase (1 3) zu einer Rotorblatthinterkante (14) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass eine verschließbare Luftströmungsvorrichtung (1 5-1 8, 21 , 22, 28) vorgesehen ist, die ein Verschlusselement (1 6) in der Rotorblattschale (29) vorsieht, wobei zum Vorsehen einer ergänzenden Luftströmung zu einer auf der Saugseite (10) und/oder Druckseite (12) vorherrschenden Luftströmung das Verschlusselement (1 6) geöffnet ist oder wird .

2. Rotorblatt (20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselennent (1 6) wenigstens abschnittsweise elastisch ausgebildet ist.

Rotorblatt (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselennent (1 6) in geöffnetem Zustand als zur Rotorblatthinterkante (14) gerichtete Schl itzdüse (1 5) ausgebildet ist.

Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (1 6) auf der Saugseite (10) der Rotorblattschale (29) angeordnet ist.

Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Verschlusselement (1 6) in geschlossenem Zustand außen an das Profil (1 1 ) des Rotorblattes (20) anschmiegt.

Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftströmungsvorrichtung (1 5-1 8, 21 , 22, 28) einen Luftführungskanal (22) aufweist, der von dem wurzelseitigen Ende (26) des Rotorblatts (20) in Richtung der Rotorblattspitze (27) bis auf die Höhe des Verschlusselements (1 6) reicht.

Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (1 6) auf einer Höhe zwischen 75% bis 95%, insbesondere 80% bis 95%, insbesondere 80% bis 90%, der Profilsehnenlänge von der Rotorblattnase (13) aus angeordnet ist.

Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Öffnung (1 5) des geöffne- ten Verschlusselements (1 6) zwischen 0,5% und 3% der Profilsehnenlänge ist.

9. Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Ort des Verschlusselements (1 6) die ergänzende Luftströmung eine Geschwindigkeit von 1 0% bis 1 50%, insbesondere 25% bis 75%, der vorherrschenden Luftströmung hat.

Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (1 6) bei einem vorgebbaren Differenzdruck zwischen dem Druck innerhalb der Luftzuführung (1 7) und außerhalb des Rotorblatts (20) im Bereich des Verschlusselements (1 6) sich öffnend ausgebildet ist.

Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 1 0, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftführungskanal (1 8, 22, 28) im Bereich des Verschlusselements (1 6) zum Verschlusselement (1 6) hin porös ausgebildet ist und/oder am wurzelseitigen Ende (26) des Rotorblatts (20) ein Strömungssieb (21 ) vorgesehen ist.

1 2. Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Gebläse vorgesehen ist, das einen

Luftstrom in der Luftströmungsvorrichtung (1 5-1 8, 21 , 22, 28) erzeugt, wobei insbesondere eine Heizvorrichtung vorgesehen ist, mittels der ein erwärmter Luftstrom zur Verfügung stellbar ist oder gestellt ist.

1 3. Windenergieanlage mit einem Rotorblatt (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 2.

14. Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem Rotor, der wenigstens ein Rotorblatt (20) aufweist, wobei das Rotorblatt (20) eine Rotorblattschale (29) aufweist, wobei im Betrieb der Windenergieanlage ab einer vorgebbaren Drehzahl des Rotors ein Verschlusselement (1 6) einer verschließbaren Luftströmungsvorrichtung (1 5-1 8, 21 , 22, 28) geöffnet wird, um zu einer auf einer Druckseite (10) und/oder Saugseite (1 2) des Rotorblatts (20) vorherrschenden Luftströmung eine ergänzende Luftströmung auszublasen .

1 5. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich beim Öffnen des Verschlusselements (1 6) ein Schlitz (1 5) in der Rotorblattschale (29) öffnet, wobei aus dem Schlitz (1 5) in Richtung einer Rotorblatthinterkante (14) die ergänzende Luftströmung geblasen wird .

1 6. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen des Verschlusselements (1 6) ab einer vorgebbaren Druckdifferenz am Verschlusselement (1 6) automatisch geschieht.

1 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 1 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ergänzende Luftströmung mit einer Ausblasgeschwindigkeit ausgeblasen wird, die zwischen 25% und 75% der Geschwindigkeit der außen an dem Verschlusselement (1 6) vorherrschenden Luftströmungsgeschwindigkeit entspricht.

1 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 1 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ergänzende Luftströmung erwärmt wird oder ist.