JP2021527774A - 風力タービンのロータブレードおよび風力タービン - Google Patents
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Abstract
−ローターブレード(1)をローターハブに接続するためのハブ領域(I)のロータブレード根元部(2)と、
−ロータブレード根元部(2)とは反対側に配置された先端領域(II)のロータブレード先端部(3)と、
−ロータブレード根元部(2)とロータブレード先端部(3)との間に配置された少なくとも1つの渦発生器(9)と、
を備え、少なくとも1つの渦発生器(9)は、長さ(L)および高さ(H)を有するスワール要素(10,11)を含み、これらは、ロータブレードの長手方向に隣り合って配置され、それぞれの場合において、ローターブレード(1)の主流方向(SR)に対してある角度で配向され、ロータブレードの長手方向において、スワール要素(10,11)は、互いに横方向の間隔(D,D1)を有する。スワール要素(10,11)の形状は、スワール要素(10,11)の配置とロータブレード根元部(2)との間のそれぞれの距離(R)に応じて変化する。
【選択図】図3
Description
ロータブレードの空力特性に影響を与えるために、ロータブレードの断面プロファイルに、表面に垂直に延びる複数のスワール要素を含む渦発生器を提供することが知られている。渦発生器は、流れの分離に対する抵抗を増加させるように、ロータブレードの表面上に乱流の局所領域を生成するのに役立つ。この目的のために、渦発生器−壁に近いロータブレード上で流れを旋回させ、その結果、壁の近くと壁から離れた流れの層の間の運動量の交換が大幅に増加し、壁の近くの境界層の流速が増加する。壁の近くで速度が増加するため、流れはロータブレードの表面でのより長い距離にわたる圧力の上昇に打ち勝つことができる。
ロータブレードに関しては、この目的は、請求項1に記載のロータブレードによって達成される。本発明はまた、請求項10に記載の渦発生器、請求項11に記載の風力タービン、および請求項12に記載の風力タービンを最適化するための方法にも通じる。
形状の変化の異なる形態は、個別に、独立して、または互いに組み合わせて提供することができる。
特に、スワール要素の長さに対する横方向の間隔の比率および/またはスワール要素の高さに対する横方向の間隔の比率は、距離の増加とともに増加してもよいし、および/またはスワール要素の設置角度に対する横方向の間隔の比率は、距離の増加とともに増加してもよい。設置角度は、特に主流方向に対するスワール要素の角度として理解されるべきである。
好ましくは、スワール要素の長さおよび/または高さおよび/または取り付け角度は、実質的に一定であってもよい。次に、幾何学的変化は、好ましくは、隣接するスワール要素間の横方向間隔の変化を介して実現されてもよい。その結果、ただ1つのタイプのスワール要素を使用することが可能であり、本発明による利点はまだ達成されていない。さらに、スワール要素を混合することによる建設現場でのエラーおよび誤った取り付けの事例の低減、および製造中の利点が達成される。これは、例えば、射出成形プロセスを使用して、スワール要素を製造するために1つの工具を提供するだけでよいからである。特に好ましくは、前述のように、スワール要素は、共通のベースとペアで、例えば、射出成形部品として一体で提供される。
好ましくは、スワール要素の形状の変化は、スワール要素の、ロータブレードの表面からの距離における先端の内角に対する横方向の間隔の比率に起因する可能性があり、この比率は、距離の関数として決定される。先端の内角により、どれだけの高さであるか、つまり、ロータブレードの表面に垂直な範囲でどれだけ大きいか、を説明することができ、スワール要素は、つまり、特に、実質的に三角形またはフィン形状のプロファイルの場合には、ロータブレードの表面の平面内において、その長さに関連する。
さらに、少なくとも1つの渦発生器は、スワール要素が対に配置されている少なくとも1つのベースプレートを含んでいてもよい。その結果、異なるロータセクションに対して、そのスワール要素が、個々のロータセクションに適合された、長さに対する横方向の間隔および/または高さに対する横方向の間隔の比を有する渦発生器を生成することが可能である。
ベースプレートまたはその前縁および後縁の方向は、必ずしもロータブレードの長手方向に完全に平行である必要はない。例えば、ベースプレートはまた、ロータブレードの後縁に平行であるように、または特定の角度、例えば、長手方向および/または後縁に対して最大20°、好ましくは10°未満で傾斜するように構成されてもよい。
最後に、本発明によれば、風力タービンを最適化するための方法が提案され、ここで、風力タービンは、風力タービン用に、吸引側および圧力側を備えたロータブレードを有し、ロータブレードは、ロータブレードをロータハブに取り付けるためのハブ領域のロータブレード根元部と、ロータブレード根元部とは反対側に配置された先端領域のロータブレード先端部と、ロータブレード根元部とロータブレード先端部との間に配置された少なくとも1つの渦発生器とを備えている。少なくとも1つの渦発生器は、ロータブレードの長手方向に隣り合って配置され、それぞれの場合において、ロータブレードの主流方向に対してある角度で配向された、長さおよび高さを有するスワール要素を含む。ここで、スワール要素は、互いに横方向の間隔を有する。この方法は、スワール要素の形状が、スワール要素の配置とロータブレード根元部との間のそれぞれの距離に応じて変化する。
スワール要素10,11は、ロータハブまたはロータブレード根元部2から距離Rに配置されている。ロータブレード根元部2から進むと、ロータブレード1のハブ領域Iは、実質的に中央領域4まで延びる。ロータブレード1の先端領域IIは、実質的に中央領域4からロータブレード先端部3まで延びる。
それぞれの場合にペアで隣り合って配置されたスワール要素10,11は、主流方向SRに対してある角度で傾斜して配置されており、前縁14から進んで、隣接するスワール要素10,11の拡大プロファイルが後縁15まで確立されている。隣り合って配置された2つのスワール要素10,11は、主流方向SRに対して実質的に対称な向きを有し、すなわち、対に配置されたスワール要素10,11のうちの1つのスワール要素10は、
ロータブレードの長手方向の外側、および別のスワール要素11は、ロータブレードの長手方向の内側をそれぞれ向いている。実質的に同じ方向に向けられた2つのスワール要素10または11の2つの先端間の横方向の間隔は、参照記号DまたはD1によって示される。
風力タービンの信頼性の高い操作のために、補償は、ロータブレード1の内部領域における迎え角の大きな変動に対して提供されなければならず、これは、その上に配置された渦発生器9を有するロータブレード1によって保証される。渦発生器9を使用する場合の揚抗比εの減少の不利な点は、揚抗比εが設置歩留まりに及ぼす影響はロータブレード1の内側領域では無視できるため、設置歩留まりに対する揚抗比εの影響が無視できるので、ロータブレード1の内部領域で許容できる。ロータブレード1の位置が外側に行くほど、カバーしなければならない迎え角範囲が小さくなり、風力タービンの降伏に対する揚力対抗力比εの影響が大きくなる。これらの状況を考慮して、スワール要素10,11の寸法決定は、スワール要素10,11の配置とロータブレード根元部2との間のそれぞれの距離Rに依存する方法で実現される。これは、ロータハブまたはロータブレード根元部2からの距離Rが増加するにつれて、スワール要素10,11の幾何学的寸法高さH、長さL、および/または横方向間隔Dが変化することを意味する。
図4および図5は、それぞれ、いずれの場合も、横方向の間隔Dと高さHの2つの異なる比率Vについて、渦発生器9を備えたロータブレード1の迎え角αに対する揚力係数CAと揚力比εの2つの曲線16,17,18,19を示している。曲線16および18は、高さHに対する横方向間隔Dの第1の比率Vについて決定され、一方、曲線17および19は、高さHに対する横方向間隔D1の第2の比率Vについて決定され、横方向の間隔D1は横方向の間隔Dよりも大きい。
特にペアで提供される1つのタイプのスワール要素10,11のみを使用することにより、スワール要素10,11を混同して誤って取り付けるリスクが低減されるため、例えば、建設現場での取り付けを単純化することができる。また、例えば、射出成形技術を用いた製造の場合、必要な製造工具は1つだけであるため、製造技術の面での利点がそれに関連している。さらに、図6の実施形態は、それに関連する利点を達成しながら、記載された他のすべての幾何学的変形と組み合わせることができる。
ロータブレード根元部2では、円周速度に対する入射流速度が速いため、突風により有効迎え角が大きく変化する。ロータ先端3付近の外側のブレードでは、円周速度が数桁高く、それに関連する入射流速度がそれに応じて大幅に低い場合、同じ突風によって有効迎え角がわずかに変化するだけである。
ロータブレード1のブレード設計では、目的はまた、半径全体の誘導係数に対して1/3の電力最適値を維持することでもある。遅い速度のため、これは、プロファイルの深さを増やすことによってのみ、ロータブレード根元部2の領域で可能になる。これは、輸送上の理由から限られた範囲でのみ可能であるか、揚力係数を増やすことによってのみ可能である。したがって、ロータブレード根元部2で最大深度が制限された出力最適ロータは、常に、ルート領域で可能な限り最大の揚力係数が達成されるように設計する必要がある。
Claims (13)
- 風力タービン用の吸引側と圧力側を備えたロータブレード(1)であって、
−前記ロータブレード(1)をロータハブに接続するためのハブ領域(I)のロータブレード根元部(2)と、
−前記ロータブレード根元部(2)とは反対側に配置された先端領域(II)のロータブレード先端部(3)と、
−前記ロータブレード根元部(2)と前記ロータブレード先端部(3)との間に配置された少なくとも1つの渦発生器(9)と、
を備え、
少なくとも1つの渦発生器(9)は、長さ(L)および高さ(H)を有するスワール要素(10,11)を含み、これらは、ロータブレードの長手方向に隣り合って配置され、それぞれの場合において、前記ロータブレード(1)の主流方向(SR)に対してある角度で配向され、ロータブレードの長手方向において、前記スワール要素(10,11)は、互いに横方向の間隔(D,D1)を有し、
前記スワール要素(10,11)の形状は、前記スワール要素(10,11)の配置と前記ロータブレード根元部(2)との間のそれぞれの距離(R)に応じて変化する、
ロータブレード(1)。 - 前記スワール要素(10、11)は、対で、前記ロータブレード(1)の主流方向(SR)に対してある角度で配向され、それぞれの場合、実質的に反対方向に形成され、横方向の間隔(D,D1)は、実質的に同じ角度で隣り合って配置された前記スワール要素(10,11)の間で決定される、
請求項1に記載のロータブレード(1)。 - 前記スワール要素(10,11)の形状の変化は、長さ(L)に対する横方向の間隔(D,D1)の比(V)に起因し、これは、距離(R)の関数として決定される、
請求項1または2に記載のロータブレード(1)。 - 前記スワール要素(10,11)の形状の変化は、高さ(H)に対する横方向の間隔(D,D1)の比(V)に起因し、これは、距離(R)の関数として決定される、
請求項1から3のいずれか1項に記載のロータブレード(1)。 - 前記スワール要素(10,11)の形状の変化は、前記ロータブレード(1)の主流方向(SR)に対する角度に対する横方向の間隔(D,D1)の比率(V)に起因し、これは、距離(R)の関数として決定される、
請求項1から4のいずれか1つに記載のロータブレード(1)。 - 長さ(L)に対する横方向の間隔(D,D1)の比率、および/または高さ(H)に対する横方向の間隔(D,D1)の比率は、距離(R)の増加とともに増加し、および/またはその比率は、前記スワール要素(10,11)の取り付け角度に対する横方向の間隔(D,D1)の変化は、距離(R)の増加とともに増加する、
請求項3から5のいずれか1つに記載のロータブレード(1)。 - 前記スワール要素(10,11)の長さ(L)および/または高さ(H)および/または取り付け角度は、実質的に一定である、
請求項6に記載のロータブレード(1)。 - 前記スワール要素(10,11)は、実質的に三角形またはフィン形状のプロファイルを有する、
請求項1から7のいずれか1つに記載のロータブレード(1)。 - 前記スワール要素(10,11)の形状の変化は、前記ロータブレード(1)の表面から離れた前記スワール要素(10,11)の先端の内角に対する横方向の間隔(D,D1)の比率(V)に起因し、これは距離(R)の関数として決定される、
請求項1から8のいずれか1つに記載のロータブレード(1) - 前記渦発生器(9)は、前記スワール要素(10,11)が対に配置されている少なくとも1つのベースプレート(13)を含む、
請求項1から9のいずれか1項に記載のロータブレード(1)。 - 前縁(14)および後縁(15)を備えたベースプレート(13)を有し、
前記前縁(14)は、ロータブレード(1)上で意図された方向にあり、前記前縁の方向を向いており、前記後縁(15)は、前記ロータブレード(1)上で意図された方向にあり、前記後縁の方向を向いており、このようにして、前記ベースプレート(13)の配向は、ロータブレード根元部(2)から前記ロータブレード先端部に固定されており、
いくつかのスワール要素(10,11)は、前記ベースプレート(3)上に配置され、
前記ベースプレート(13)上の前記スワール要素(10,11)の形状は、前記スワール要素(10,11)の配置と前記ロータブレード根元部(2)の間のそれぞれの距離(R)に応じて変化する、
風力タービンのロータブレード(1)用の渦発生器(9)。 - ロータを備えた風力エネルギー設備であって、
前記ロータは、請求項1から10のいずれか1つに記載の少なくとも1つのロータブレード(1)、および/または、請求項11に記載の少なくとも1つの渦発生器を有する、
風力エネルギー設備。 - 風力タービンを最適化するための方法であって、前記風力タービンは風力タービンのための吸引側および圧力側を備えたロータブレード(1)を有し、前記ロータブレードは、
−前記ロータブレード(1)をロータハブに接続するためのハブ領域(I)のロータブレード根元部(2)と、
−前記ロータブレード根元部(2)とは反対側に配置された先端領域(II)のロータブレード先端部(3)と、
−前記ロータブレード根元部(2)と前記ロータブレード先端部(3)との間に配置された少なくとも1つの渦発生器(9)と、
を備え、
少なくとも1つの前記渦発生器(9)は、前記ロータブレードの長手方向に互いに隣接して配置され、それぞれ前記ロータブレード(1)の主流方向(SR)に対してある角度をもって配向された、長さ(L)および高さ(H)を有するスワール要素(10,11)を含み、
前記スワール要素(10,11)は互いに横方向の間隔(D,D1)を有し、
前記スワール要素(10,11)の形状は、前記スワール要素(10,11)の配置から前記ロータブレード根元部(2)までのそれぞれの距離(R)に応じて変化する、
風力タービン。
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