EP3874153A1 - Rotorblatt für eine windenergieanlage und windenergieanlage - Google Patents

Rotorblatt für eine windenergieanlage und windenergieanlage

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Publication number
EP3874153A1
EP3874153A1 EP19798239.0A EP19798239A EP3874153A1 EP 3874153 A1 EP3874153 A1 EP 3874153A1 EP 19798239 A EP19798239 A EP 19798239A EP 3874153 A1 EP3874153 A1 EP 3874153A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor blade
local maximum
rotor
trailing edge
longitudinal direction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19798239.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marwin Frauenlob
Christoph SCHEIT
Christian Frank Napierala
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wobben Properties GmbH
Original Assignee
Wobben Properties GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wobben Properties GmbH filed Critical Wobben Properties GmbH
Publication of EP3874153A1 publication Critical patent/EP3874153A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F03D1/0608—Rotors characterised by their aerodynamic shape
    • F03D1/0633—Rotors characterised by their aerodynamic shape of the blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00—Geometry
    • F05B2250/10—Geometry two-dimensional
    • F05B2250/18—Geometry two-dimensional patterned
    • F05B2250/183—Geometry two-dimensional patterned zigzag
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates in particular to a rotor blade for a wind energy installation and an associated wind energy installation.
  • the invention also relates to a method for reducing the tonality of a wind turbine.
  • a sound emission control device for a wind energy installation with a sound emission spectrum that has at least one single-tone frequency
  • the sound emission control device at least one active sound source that is designed to mask noise in a frequency band around the at least one single-tone frequency to emit in at least one spatial direction
  • a control device which is designed to control the at least one active sound source as a function of at least one operating parameter of the wind energy installation.
  • the above-described method and the above-described device are particularly characterized by the need for the active sound source. This requires an additional component that is controlled via a further control to be provided.
  • the solution described above is therefore complex and complex, and the additional components also make it costly.
  • German Patent and Trademark Office researched the following prior art: DE 102012104604 A1, DE 102015008812 A1, US 2014/0093380 A1, WO 2013/075718 A1 and WO 2015/195327 A1.
  • a rotor blade for a wind energy installation with a rotor blade trailing edge extending along a longitudinal direction of the rotor blade between the rotor blade root and the rotor blade tip is proposed.
  • a course of the thickness of the rotor blade has a local maximum in the area of the rear edge of the rotor blade along the longitudinal direction of the rotor blade.
  • a thickness profile in the area of the rear edge of the rotor blade thus has a local maximum.
  • the local maximum is created, for example, by thickening the rear edge and widening the sound emission spectrum.
  • the rear edge is preferably as thin as possible, especially in an outer area of the rotor blade, preferably from 50% and particularly preferably from 75% rotor radius. It should be thickened deliberately in a restricted area, which reduces the psychoacoustic nuisance of the sound emission, in particular caused by a tonality, since this tonality peak is masked by raising or increasing the level of the spectrum in a restricted frequency range and thus in dominance over the other components of the spectrum loses.
  • a sound for example generated by structural vibrations, excited by the generator or possibly also a gearbox, is therefore overlaid with a more or less broadband noise and is therefore more difficult to hear.
  • a region of the rotor blade trailing edge is considered in particular a region of 60% to 100% of the chord direction from the leading edge.
  • the range preferably comprises 80% to 100% and particularly preferably exactly the thickness at the rear edge.
  • the shapes and configurations of the rear edge are not restricted, so that thick / blunt rear edges can also be provided at least in sections on the rotor blade.
  • a surprisingly advantageous effect on the tonality peak can be produced by a simple, constructive design of the region of the rear edge, for example by thickening on the pressure and / or the suction side of the rotor blade.
  • different frequencies can be masked.
  • the rotor blade preferably has a plurality of local maxima, each of which makes different frequencies less audible to viewers by masking.
  • the thickness of the rear edge of the rotor blade initially decreases in both directions along the longitudinal direction of the rotor blade. Accordingly, it is excluded that the local maximum in this version is initially, i.e. in the root area, or at the end, i.e. located at the tip of the leaf.
  • the position of the local maximum can be adapted to the requirements, in particular the sound properties.
  • the course of the trailing edge of the rotor blade in the longitudinal direction is particularly preferably continuous and differentiable, that is to say in particular has no kink or step.
  • the rear edge of the rotor blade is preferably closed, that is to say that an essentially continuous or continuous surface connects the pressure side and the suction side in the region of the rear edge of the rotor blade.
  • the space between the pressure side and the suction side in the region of the rear edge of the rotor blade is preferably closed.
  • the local maximum is arranged within a range from 60% to 95% of a blade radius of the rotor blade.
  • a thickening which leads, for example, to the local maximum, can therefore preferably be arranged in a region lying relatively far outside on the rotor blade.
  • the thickening which is exemplary in this case can be in front of serrations or other attachments, i.e. further within the blade radius, or between the serrations, the serrations preferably being interrupted in the latter case. This enables a particularly advantageous avoidance of tonality peaks.
  • the local maximum is arranged within a range from 90% to 95% of the blade radius.
  • the frequency f depends on the speed n (f ⁇ n). If the thickening is far out, in particular in the particularly preferred range of 90% to 95% of the blade radius, the frequency follows the frequency of the tonality. At high speeds, a Doppler effect also occurs, so that two frequency peaks occur instead of just one. Strictly speaking, the Doppler effect defines a frequency range with a lower and upper cut-off frequency, which result from the Doppler shift
  • the rotor blade trailing edge at 70% to 95% blade radius has a plurality of serrations for influencing the flow behavior at the rotor blade trailing edge and the local maximum is arranged in the region of the serrations, the rotor blade trailing edge having no serrations at the position of the local maximum.
  • the serrations are, for example, serrations known to the person skilled in the art, which may also have geometries that differ from the exact serrated shape. By interrupting the serrations at the position of the local maximum, a particularly effective improvement in the audible noise development is possible.
  • the thickness profile of the rear edge of the rotor blade runs at least in sections along the longitudinal direction of the rotor blade.
  • the course which is at least sectionally wound, has the advantage that no new undesirable noises arise in other or adjacent frequency ranges.
  • the thickening that leads to the local maximum can take any geometrically meaningful shape or course, including a trigonometric shape, a normally distributed shape, a Poisson distribution and all other possible shapes and courses.
  • the course can either be symmetrical about the local maximum or on one of the two sides, i.e. run asymmetrically in the direction of the rotor blade root or in the direction of the rotor blade tip. All combinations are possible.
  • the local maximum of the profile thickness in the region of the rear edge of the rotor blade is 3 to 6 cm, preferably 4 to 5 cm. With these dimensions, it has been found that the thickening that leads to the local maximum acoustically attenuates precisely the tonality peaks that typically occur in wind energy plants.
  • the rotor blade has a pressure-side surface and a suction-side surface which are separated from one another by the rear edge of the rotor blade, and the thickness profile of the rear edge of the rotor blade, which has the local maximum, is due to a thickening on the suction-side surface of the rotor blade and / or the pressure-side Pronounced area in the area of the rear edge of the rotor blade.
  • the thickening can accordingly protrude on the pressure side and / or on the suction side from the environment.
  • the extent of the thickening in the longitudinal direction of the rotor blade is preferably determined by deriving the thickness profile, it being possible to use a threshold value, for example zero or a value other than zero, as a limitation of the thickening.
  • a curvature course of the thickness course i.e. the second derivative.
  • the thickening along the longitudinal direction of the rotor blade has a longitudinal extent of between 3% and 30%, preferably between 10% and 25% and particularly preferably between 15% and 20% of the blade radius.
  • the rotor blade also has a rotor blade leading edge, the thickening along a transverse direction between the rotor blade trailing edge and the rotor blade leading edge having a transverse extent of between 20% and 50% of a profile depth of the rotor blade.
  • the object is achieved according to the invention by a wind energy installation with a tower, a nacelle and a rotor, the rotor comprising at least one rotor blade according to the invention.
  • the object is achieved according to the invention by a wind farm with at least two wind energy plants according to the invention.
  • the object is achieved according to the invention by a method for reducing the tonality of a rotor blade, comprising establishing a local maximum of a thickness profile of the rotor blade along a longitudinal direction of the rotor blade in the region of a length that extends along the longitudinal direction of the rotor blade between the rotor blade root and the rotor blade tip Trailing edge of the rotor blade.
  • Fig. 1 shows schematically and exemplarily a wind turbine.
  • Fig. 2 schematically and exemplarily the effect of tonality.
  • Fig. 3 shows schematically and exemplarily a thickness curve over a rotor blade length.
  • Fig. 4 schematically and exemplarily a top view of a rotor blade.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a wind turbine according to the invention.
  • the wind turbine 100 has a tower 102 and a nacelle 104 on the tower 102.
  • An aerodynamic rotor 106 with three rotor blades 108 and a spinner 110 is provided on the nacelle 104.
  • the aerodynamic rotor 106 is set into a rotational movement by the wind during operation of the wind energy installation and thus also rotates an electrodynamic rotor or rotor of a generator, which is directly or indirectly coupled to the aerodynamic rotor 106.
  • the electrical generator is arranged in the nacelle 104 and generates electrical energy.
  • the pitch angles of the rotor blades 108 can be changed by pitch motors on the rotor blade roots of the respective rotor blades 108.
  • the rotor blades 108 each have a front edge 120 and a rear edge 122. Front edge 120 and rear edge 122 are connected to one another via a pressure-side surface 124 and a suction-side surface 126.
  • the rotor blade 108 extends a rotor blade length R in a longitudinal direction of the rotor blade from a rotor blade root 128 to a rotor blade tip 129.
  • the rotor blades 108 have a thickening 130, at least in the region of the rear edge 122, which according to the invention reduces or prevents the tonality
  • FIG. 2 shows schematically and by way of example the effect of tonality in a logarithmic diagram 200 on both sides, in which the sound pressure log p is plotted on the vertical axis over the frequency log f.
  • a tonality of an overall noise development 205 of the wind energy installation 100 is clearly visible in the diagram 200, which is expressed in a sound pressure peak 210. Tonality or tonality of a noise is present when single tones can be heard within the noise. The tonality generally increases the possible disturbing effect of a noise considerably.
  • the sound pressure peak 210 is generally caused by vibrations, in particular large surfaces, for example tower, nacelle cladding, rotor blade. These vibrations usually arise from mechanical forces in the generator or in the gearbox and are propagated through the structure to the respective radiation location.
  • the sound pressure peak 210 is masked by the solution according to the invention in that the thickened rear edge generates an additional noise source, which covers a larger frequency range than the sound pressure peak 210. With sufficient masking. This means that if a flatter hill 220 is formed, the sound pressure peak 210 is then no longer to be assessed as tonality, in particular according to DIN EN 61400-11: 2013-09.
  • the frequency of the sound generated at the rear edge is related to the reciprocal of the thickness of the rear edge, i.e. the thicker the trailing edge at a point, the lower the frequency of the trailing edge noise generated at that point. According to the invention, as schematically and exemplarily illustrated in FIG. 3, this is achieved by varying a trailing edge thickness H of the rotor blade. 3 shows a thickness curve 300 with a thickness H of the trailing edge on the vertical axis and a rotor blade longitudinal position r in relation to the entire rotor blade length R.
  • the thickness curve 300 shows the known decreasing curve 310 in the area near the hub.
  • a local maximum 320 of thickness H is now provided in a leaf area located further out.
  • the local maximum 320 is in particular in a range between 60% and 95% of the relative blade radius r.
  • FIG. 4 finally shows a top view of a rotor blade 108 according to the invention, in which a thickening 130 can be seen schematically.
  • the result of the thickening 130 is that the local maximum 320 of the trailing edge thickness H is set as shown in FIG. 3.
  • the thickening 130 extends over the entire profile depth perpendicular to the longitudinal direction of the rotor blade.
  • thickenings 130 are also possible only have a course formed on the rear edge 122 and extend, for example, over half the profile depth.
  • rear edge serrations or serrations 132 which are also known under the name serrations, can be arranged on the rear edge. Preferably no serrations 132 are arranged in the area of the thickening 130.
  • the thickening 130 is preferably arranged in the range from 60% to 95%, in particular in the outer region from 90% to 95%, since the interference noises occur in this region, which may result in the required amplitude of the masking noise.
  • the size and extent of the thickening 130 must be adapted to the dimensions of the rotor blade and of the entire wind turbine 100.
  • a plurality of thickenings 130 can also be provided over the rotor blade length R.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorblatt (108) für eine Windenergieanlage (100), mit einer sich entlang einer Längsrichtung des Rotorblattes (108) zwischen Rotorblattwurzel (128) und Rotorblattspitze (129) erstreckenden Rotorblatthinterkante (122), wobei ein Dickenverlauf des Rotorblattes (108) im Bereich der Rotorblatthinterkante (122) entlang der Längsrichtung des Rotorblattes (108) ein lokales Maximum (320) aufweist. Die Erfindung betrifft ebenso eine zugehörige Windenergieanlage (100), einen Windpark sowie ein zugehöriges Verfahren zur Reduktion der Tonhaltigkeit.

Description

Rotorblatt für eine Windenergieanlage und Windenergieanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage sowie eine zugehörige Windenergieanlage. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Reduktion der Tonhaltigkeit einer Windenergieanlage.
Vorrichtungen und Verfahren zur Reduktion und Steuerung von Schallemissionen von Windenergieanlagen sind beispielsweise aus DE 10 2015 008 812 A1 bekannt. Darin wird eine Schallemissionssteuerungsvorrichtung für eine Windenergieanlage mit einem Schallemissionsspektrum, welches zumindest eine Einzelton-Frequenz aufweist, vorgeschlagen, wobei die Schallemissionssteuerungsvorrichtung zumindest eine aktive Schallquelle, welche ausgebildet ist, um in einem Frequenzband um die zumindest eine Einzelton-Fre- quenz ein Maskier-Rauschen in zumindest einer Raumrichtung zu emittieren, sowie eine Steuerungsvorrichtung umfasst, welche ausgebildet ist, um die zumindest eine aktive Schallquelle in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der Windenergieanlage zu steuern.
Das vorbeschriebene Verfahren und die vorbeschriebene Vorrichtung zeichnen sich be- sonders durch die Notwendigkeit der aktiven Schallquelle aus. Diese erfordert ein zusätzliches Bauteil, dass über eine weitere, vorzusehende Steuerung angesteuert wird. Die vorbeschriebene Lösung ist demnach aufwändig und komplex, durch die zusätzlichen Komponenten zusätzlich kostenintensiv.
Das Deutsche Patent- und Markenamt hat in der Prioritätsanmeldung zu vorliegender An- meldung folgenden Stand der Technik recherchiert: DE 102012104604 A1 , DE 102015008812 A1 , US 2014/0093380 A1 , WO 2013/075718 A1 und WO 2015/195327 A1.
Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage sowie eine zugehörige Windenergieanlage und ein Verfahren zur Reduktion der Tonhaltigkeit anzugeben, das die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise ausräumt.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage mit einer sich entlang einer Längsrichtung des Rotorblattes zwischen Rotorblattwurzel und Rotorblatt- spitze erstreckenden Rotorblatthinterkante vorgeschlagen. Ein Dickenverlauf des Rotorblattes weist im Bereich der Rotorblatthinterkante entlang der Längsrichtung des Rotorblattes ein lokales Maximum auf.
Somit weist ein Dickenverlauf im Bereich der Rotorblatthinterkante ein lokales Maximum auf. Das lokale Maximum entsteht beispielsweise durch Aufdickung der Hinterkante und sorgt für Verbreiterung des Schallemissionsspektrums. Generell ist die Hinterkante vorzugsweise möglichst dünn, besonders in einem äußeren Bereich des Rotorblattes, vorzugsweise ab 50% und besonders bevorzugt ab 75% Rotorradius. In einem eingeschränkten Bereich soll sie bewusst aufgedickt werden, wodurch die psychoakustische Lästigkeit der Schallemission, insbesondere hervorgerufen durch eine Tonhaltigkeit, verringert wird, da dieser Tonhaltigkeitspeak durch Anhebung bzw. Pegelerhöhung des Spektrums in einem eingeschränkten Frequenzbereich maskiert wird und damit an Dominanz gegenüber den anderen Komponenten des Spektrums verliert.
Ein Ton, beispielsweise durch Strukturschwingungen erzeugt, angeregt durch den Generator oder auch gegebenenfalls ein Getriebe, wird demnach mit einem mehr oder weniger breitbandigen Rauschen überlagert und daher schlechter hörbar.
In diesem Zusammenhang wird mit einem Bereich der Rotorblatthinterkante insbesondere ein Bereich von 60% bis 100% der Profilsehnenrichtung von der Vorderkante aus betrachtet. Vorzugsweise umfasst der Bereich 80% bis 100% und insbesondere bevorzugt genau die Dicke an der Hinterkante. Insbesondere sind die Formen und Ausgestaltungen der Hin- terkante nicht eingeschränkt, so dass auch dicke / stumpfe Hinterkanten mindestens abschnittsweise an dem Rotorblatt vorgesehen werden können.
Demnach kann durch eine im Ergebnis einfache, konstruktive Ausgestaltung des Bereiches der Hinterkante, beispielsweise durch eine Aufdickung auf der Druck- und/oder der Saugseite des Rotorblattes, eine überraschend vorteilhafte Auswirkung auf den Tonhaltig- keitspeak erzeugt werden. Je nach Position des lokalen Maximums können unterschiedliche Frequenzen maskiert werden. Vorzugsweise weist das Rotorblatt mehrere lokale Maxima auf, die jeweils durch Maskierung unterschiedliche Frequenzen für Betrachter weniger hörbar machen.
In einer Ausführungsform nimmt die Dicke der Rotorblatthinterkante von dem lokalen Ma- ximum aus betrachtet entlang der Längsrichtung des Rotorblattes in beiden Richtungen zunächst ab. Demnach ist ausgeschlossen, dass sich das lokale Maximum in dieser Ausführung am Anfang, d.h. im Wurzelbereich, oder am Ende, d.h. an der Blattspitze befindet. Die Position des lokalen Maximums kann dafür an die Anforderungen, insbesondere der Schalleigenschaften, angepasst werden. Besonders bevorzugt ist der Verlauf der Rotorblatthinterkante in Längsrichtung stetig und differenzierbar, weist also insbesondere keinen Knick oder keine Stufe auf. In einer besonderen Ausgestaltung liegt im gesamten Bereich des lokalen Maximums eine Krümmung der Rotorblatthinterkante vor, das heißt, dass die zweite Ableitung des Verlaufs der Rotorblatthinterkante in Längsrichtung im gesamten Bereich des lokalen Maximums ungleich Null ist. In anderen Ausführungen sind auch plateauartige lokale Maxima möglich, wobei in einem Bereich des lokalen Maximums dann Stellen auftreten können, an denen die zweite Ableitung, also die Krümmung, Null ist.
Die Rotorblatthinterkante ist vorzugsweise geschlossen, das heißt, dass eine im Wesentlichen durchgehende oder kontinuierliche Fläche die Druckseite und die Saugseite im Be- reich der Rotorblatthinterkante verbindet. Anders ausgedrückt ist der Raum zwischen der Druckseite und der Saugseite im Bereich der Rotorblatthinterkante vorzugsweise geschlossen.
In einer Ausführungsform ist das lokale Maximum innerhalb eines Bereiches von 60% bis 95% eines Blattradius des Rotorblattes angeordnet. Vorzugsweise kann eine Aufdickung, die beispielsweise zu dem lokalen Maximum führt, demnach in einem relativ weit außen am Rotorblatt liegenden Bereich angeordnet sein. Die in diesem Fall beispielhafte Aufdickung kann vor Serrations oder anderen Anbauteilen, d.h. weiter innerhalb bezogen auf den Blattradius, oder auch zwischen den Serrations angeordnet sein, wobei die Serrations in dem letzten Fall vorzugsweise unterbrochen sind. Dadurch kann eine besonders vorteil- hafte Vermeidung von Tonhaltigkeitspeaks erfolgen.
In einer Ausführungsform ist das lokale Maximum innerhalb eines Bereiches von 90% bis 95% des Blattradius angeordnet. Allgemein ist die Frequenz f abhängig von der Drehzahl n (f ~ n). Befindet sich die Aufdickung weit außen, insbesondere in dem besonders bevorzugten Bereich von 90% bis 95% des Blattradius, folgt die Frequenz der Frequenz der Tonhaltigkeit. Bei hohen Drehzahlen tritt zudem ein Dopplereffekt auf, so dass zwei Frequenzpeaks entstehen anstatt nur eines. Genau genommen wird durch den Dopplereffekt ein Frequenzbereich definiert, mit einer unteren und oberen Grenzfrequenz, welche sich durch die Doppler-Verschiebung ergeben
In einer Ausführungsform weist die Rotorblatthinterkante bei 70% bis 95% Blattradius mehrere Zacken zur Beeinflussung des Strömungsverhaltens an der Rotorblatthinterkante auf und das lokale Maximum ist im Bereich der Zacken angeordnet, wobei die Rotorblatthin- terkante an der Position des lokalen Maximums keine Zacken aufweist. Bei den Zacken handelt es sich beispielsweise für den Fachmann bekannte Serrations, die auch von exakter Zackenform abweichende Geometrien aufweisen können. Durch die Unterbrechung der Serrations an der Position des lokalen Maximums ist eine besonders effektive Verbesserung der hörbaren Geräuschentwicklung möglich. In einer Ausführungsform verläuft der Dickenverlauf der Rotorblatthinterkante entlang der Längsrichtung des Rotorblattes zumindest abschnittsweise gewunden. Gegenüber einer scharfen Kante bzw. einem scharfen Knick hat der zumindest abschnittsweise gewundene Verlauf den Vorteil, dass keine neuen unerwünschten Geräusche in anderen bzw. benachbarten Frequenzbereichen entstehen. Die Aufdickung, die zu dem lokalen Maximum führt, kann jede geometrisch sinnvolle Form bzw. Verlauf einnehmen, einschließlich einer trigonometrischen Form, einer normal verteilten Form, einer Poissonverteilung und allen weiteren möglichen Formen und Verläufen. Der Verlauf kann entweder symmetrisch um das lokale Maximum oder zu einer der beiden Seiten, d.h. in Richtung Rotorblattwurzel oder in Richtung Rotorblattspitze, unsymmetrisch verlaufen. Sämtliche Kombinationen sind denkbar.
In einer Ausführungsform liegt das lokale Maximum der Profildicke im Bereich der Rotorblatthinterkante bei einer Dicke von 3 bis 6 cm, bevorzugt 4 bis 5 cm. Mit diesen Ausmaßen hat sich herausgestellt, dass die Aufdickung, die zu dem lokalen Maximum führt, genau die bei Windenergieanlagen typischerweise auftretenden Tonhaltigkeitspeaks akustisch ab- schwächt. In einer Ausführungsform weist das Rotorblatt eine druckseitige Fläche und eine saugseitige Fläche auf, die durch die Rotorblatthinterkante voneinander getrennt sind, und der Dickenverlauf der Rotorblatthinterkante, der das lokale Maximum aufweist, ist durch eine Aufdickung auf der saugseitigen Fläche des Rotorblattes und/oder der druckseitigen Fläche im Bereich der Rotorblatthinterkante ausgeprägt.
Die Aufdickung kann demnach auf der Druckseite und/oder auf der Saugseite gegenüber der Umgebung hervorstehen. Die Ausdehnung der Aufdickung in Rotorblattlängsrichtung wird vorzugsweise über eine Ableitung des Dickenverlaufes bestimmt, wobei ein Schwellwert, beispielsweise Null oder auch ein von Null verschiedener Wert, als Begrenzung der Aufdickung herangezogen werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Krümmungsverlauf des Dickenverlaufes, d.h. die zweite Ableitung, herangezogen werden.
In einer Ausführungsform weist die Aufdickung entlang der Längsrichtung des Rotorblattes eine Längsausdehnung von zwischen 3% und 30%, vorzugsweise zwischen 10% und 25% und besonders bevorzugt zwischen 15% und 20% des Blattradius auf. In einer Ausführungsform weist das Rotorblatt ferner eine Rotorblattvorderkante auf, wobei die Aufdickung entlang einer Querrichtung zwischen der Rotorblatthinterkante und der Rotorblattvorderkante eine Querausdehnung von zwischen 20% bis 50% einer Profiltiefe des Rotorblattes aufweist.
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Windenergiean- läge mit einem Turm, einer Gondel und einem Rotor gelöst, wobei der Rotor zumindest ein erfindungsgemäßes Rotorblatt umfasst.
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Windpark mit zumindest zwei erfindungsgemäßen Windenergieanlagen gelöst.
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Re- duktion der Tonhaltigkeit eines Rotorblattes gelöst, umfassend ein Festlegen eines lokalen Maximums eines Dickenverlaufs des Rotorblattes entlang einer Längsrichtung des Rotorblattes im Bereich einer sich entlang der Längsrichtung des Rotorblattes zwischen Rotorblattwurzel und Rotorblattspitze erstreckenden Rotorblatthinterkante.
Sämtliche bevorzugte Ausgestaltungen und Kombinationen der bevorzugten Ausgestaltun- gen des erfindungsgemäßen Rotorblattes lassen sich auf gleiche Weise vorteilhaft auf die Windenergieanlage, den Windpark sowie auch das erfindungsgemäße Verfahren übertragen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend mit Verweis auf die beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:
Fig. 1 schematisch und exemplarisch eine Windenergieanlage.
Fig. 2 schematisch und exemplarisch den Effekt der Tonhaltigkeit.
Fig. 3 schematisch und exemplarisch einen Dickenverlauf über eine Rotorblattlänge.
Fig. 4 schematisch und exemplarisch eine Draufsicht auf ein Rotorblatt. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung. Die Windenergieanlage 100 weist einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf dem Turm 102 auf. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 vorgesehen. Der aerodynamische Rotor 106 wird im Betrieb der Windenergieanlage durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und dreht somit auch einen elektrodynamischen Rotor oder Läufer eines Generators, welcher direkt oder indirekt mit dem aerodynamischen Rotor 106 gekoppelt ist. Der elektrische Generator ist in der Gondel 104 angeordnet und erzeugt elektrische Energie. Die Pitchwinkel der Rotorblätter 108 können durch Pitchmotoren an den Rotorblattwurzeln der jeweiligen Rotorblätter 108 verändert werden. Die Rotorblätter 108 weisen jeweils eine Vorderkante 120 und eine Hinterkante 122 auf. Vorderkante 120 und Hinterkante 122 sind über eine druckseitige Fläche 124 und eine saugseitige Fläche 126 miteinander verbunden. Das Rotorblatt 108 erstreckt sich eine Rotorblattlänge R in einer Rotorblattlängsrichtung von einer Rotorblattwurzel 128 zu einer Rotorblattspitze 129. An einer Stelle in Blattlängsrichtung weisen die Rotorblätter 108 eine Aufdickung 130 jedenfalls im Bereich der Hinterkante 122 auf, die erfindungsgemäß eine Verringerung bzw. Vermeidung der Tonhaltigkeit zur Folge haben, wie nachfolgend beschrieben wird. Fig. 2 zeigt schematisch und exemplarisch den Effekt der Tonhaltigkeit in einem beidseitig logarithmierten Diagramm 200, in dem der Schalldruck log p auf der Vertikalachse über der Frequenz log f aufgetragen ist. In dem Diagramm 200 ist deutlich eine Tonhaltigkeit einer gesamten Geräuschentwicklung 205 der Windenergieanlage 100 sichtbar, die sich in ei- nem Schalldruckpeak 210 ausdrückt. Tonhaltigkeit oder Klang haftigkeit eines Geräuschs liegt dann vor, wenn innerhalb des Geräusches Einzeltöne zu hören sind. Die Tonhaltigkeit erhöht die mögliche Störwirkung eines Geräusches im Allgemeinen erheblich. Der Schalldruckpeak 210 wird in der Regel durch Schwingungen insbesonderer großer Oberflächen hervorgerufen, z.B. Turm, Gondelverkleidung, Rotorblatt. Diese Schwingungen entstehen in der Regel durch mechanische Kräfte im Generator oder im Getriebe und werden durch die Struktur an den jeweiligen Abstrahlort propagiert.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Schalldruckpeak 210 maskiert, indem durch die aufgedickte Hinterkante eine zusätzliche Lärmquelle, die einen größeren Frequenzbereich umfasst, als der Schalldruckpeak 210, erzeugt wird. Bei ausreichender Maskierung. Das heißt einem entstehenden flacheren Hügel 220, ist der Schalldruckpeak 210 dann nicht mehr als Tonhaltigkeit, insbesondere nach DIN EN 61400-11 :2013-09, zu bewerten. Die Frequenz des an der Hinterkante erzeugten Schalls steht in Zusammenhang mit dem Kehrwert der Dicke der Hinterkante, d.h. je dicker die Hinterkante an einer Stelle ist, desto niedriger ist die Frequenz des erzeugten Hinterkantengeräusches an dieser Stelle. Erfindungsgemäß wird dies, wie Fig. 3 schematisch und exemplarisch illustriert, durch eine Variation einer Hinterkantendicke H des Rotorblattes erreicht. Fig. 3 zeigt einen Dickenverlauf 300 mit einer Dicke H der Hinterkante auf der vertikalen Achse und einer Rotorblattlängsposition r bezogen auf die gesamte Rotorblattlänge R.
Der Dickenverlauf 300 zeigt den bekannten abnehmenden Verlauf 310 im nabennahen Bereich. Erfindungsgemäß wird zur Vermeidung der Tonhaltigkeit nun ein lokales maxi- mum 320 der Dicke H in einem weiter außenliegenden Blattbereich vorgesehen. Das lokale Maximum 320 liegt insbesondere in einem Bereich zwischen 60% und 95% des relativen Blattradius r.
Fig. 4 zeigt schließlich eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Rotorblatt 108, bei dem eine Aufdickung 130 schematisch zu sehen ist. Die Aufdickung 130 hat zur Folge, dass sich das lokale Maximum 320 der Hinterkantendicke H wie in Fig. 3 dargestellt einstellt. Die Aufdickung 130 erstreckt sich in diesem Beispiel über die gesamte Profiltiefe senkrecht zu der Längsrichtung des Rotorblattes. Alternativ sind auch Aufdickungen 130 möglich, die lediglich einen an der Hinterkante 122 ausgebildeten Verlauf haben und sich beispielsweise über die Hälfte der Profiltiefe erstrecken.
Zusätzlich oder alternativ zu der Aufdickung 130 können an der Hinterkante Hinterkantenzacken bzw. Serrations 132 angeordnet sein, die auch unter der Bezeichnung Serrati- ons bekannt sind. Im Bereich der Aufdickung 130 sind vorzugsweise keine Serrations 132 angeordnet. Vorzugsweise ist die Aufdickung 130 im Bereich von 60% bis 95%, insbesondere in dem äußeren Bereich von 90% bis 95% angeordnet, da in diesem Bereich die Störgeräusche entstehen, die das maskierende Geräusch in der benötigten Amplitude zur Folge haben können. Größe und Ausdehnung der Aufdickung 130 sind an die Dimensionen des Rotorblattes und der gesamten Windenergieanlage 100 anzupassen. Auch können über die Rotorblattlänge R mehrere Aufdickungen 130 vorgesehen sein.

Claims

Ansprüche
1. Rotorblatt für eine Windenergieanlage (100), mit
einer sich entlang einer Längsrichtung des Rotorblattes (108) zwischen Ro- torblattwurzel (128) und Rotorblattspitze (129) erstreckenden Rotorblatthinterkante
(122),
wobei ein Dickenverlauf (108) des Rotorblattes (108) im Bereich der Rotorblatthinterkante (122) entlang der Längsrichtung des Rotorblattes (108) ein lokales Maximum (320) aufweist.
2. Rotorblatt nach Anspruch 1 , wobei
die Dicke (D) der Rotorblatthinterkante (122) von dem lokalen Maximum (320) aus betrachtet entlang der Längsrichtung des Rotorblattes (108) in beiden Richtungen zunächst abnimmt.
3. Rotorblatt nach Anspruch 1 oder 2, wobei
das lokale Maximum (320) innerhalb eines Bereiches von 60% bis 95% eines Blattradius (R) des Rotorblattes (108) angeordnet ist.
4. Rotorblatt nach Anspruch 3, wobei das lokale Maximum (320) innerhalb eines Bereiches von 90% bis 95% des Blattradius (R) angeordnet ist.
5. Rotorblatt nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
die Rotorblatthinterkante (122) bei 70% bis 95% Blattradius mehrere Zacken (132) zur Beeinflussung des Strömungsverhaltens an der Rotorblatthinterkante
(122) aufweist, und
das lokale Maximum (320) im Bereich der Zacken (132) angeordnet ist, wobei die Rotorblatthinterkante (122) an der Position des lokalen Maximums keine Zacken (132) aufweist.
6. Rotorblatt nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
der Dickenverlauf der Rotorblatthinterkante entlang der Längsrichtung des Rotorblattes zumindest abschnittsweise gewunden verläuft.
7. Rotorblatt nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
das lokale Maximum (320) der Profildicke im Bereich der Rotorblatthinterkante (122) bei einer Dicke von 3 bis 6 cm, bevorzugt 4 bis 5 cm, liegt.
8. Rotorblatt nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
das Rotorblatt eine druckseitige Fläche (124) und eine saugseitige Fläche
(126) aufweist, die durch die Rotorblatthinterkante (122) voneinander getrennt sind, und
der Dickenverlauf der Rotorblatthinterkante (122), der das lokale Maximum (320) aufweist, durch eine Aufdickung (130) auf der saugseitigen Fläche (126) des Rotorblattes und/oder der druckseitigen Fläche (124) im Bereich der Rotorblatthinterkante (122) ausgeprägt ist.
9. Rotorblatt nach Anspruch 8, wobei
die Aufdickung (130) entlang der Längsrichtung des Rotorblattes (108) eine Längsausdehnung von zwischen 20% bis 30% des Blattradius (R) aufweist.
10. Rotorblatt nach Anspruch 8 oder 9, ferner umfassend eine Rotorblattvorderkante (120), wobei
die Aufdickung (130) entlang einer Querrichtung zwischen der Rotorblatthin- terkante (122) und der Rotorblattvorderkante (120) eine Querausdehnung von zwischen 20% bis 50% einer Profiltiefe des Rotorblattes (108) aufweist.
1 1. Windenergieanlage, mit einem Turm, einer Gondel und einem Rotor,
wobei der Rotor zumindest ein Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst.
12. Windpark mit zumindest zwei Windenergieanlagen nach Anspruch 1 1.
13. Verfahren zur Reduktion der Tonhaltigkeit einerWindenergieanlage, umfassend
Festlegen eines lokalen Maximums (320) eines Dickenverlaufs (300) im Be- reich einer Rotorblatthinterkante (122) in Längsrichtung zwischen Rotorblattwurzel
(128) und Rotorblattspitze (129) des Rotorblattes (108).
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