NL1012949C2

NL1012949C2 - Blade for a wind turbine.

Info

Publication number: NL1012949C2
Application number: NL1012949A
Authority: NL
Inventors: Gustav Corten
Original assignee: Stichting Energie
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2001-03-06
Also published as: AU7324300A; WO2001016482A1

Description

Blad voor een windturbine.Blade for a wind turbine.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een blad voor een windturbine of dergelijke met een in een fluidumstroming roterend deel, welk blad omvat een 5 bevestigingseinde dat verbonden is met die windturbine of dergelijke en een vrij einde dat op afstand van het bevestigingseinde ligt waarbij ten minste nabij het vrije einde het blad een voor fluïdum(lucht)stroming geoptimaliseerd profiel omvat, waarbij nabij een van de einden nabij de zijde die in de bewegingsrichting van het blad stroomopwaarts ligt, werveling opwekkende organen aangebracht zijn.The present invention relates to a blade for a wind turbine or the like with a part rotating in a fluid flow, the blade comprising an attachment end connected to said wind turbine or the like and a free end spaced from the attachment end with at least near the free end of the blade comprises a profile optimized for fluid (air) flow, wherein swirl-generating members are arranged near one of the ends near the side which is upstream in the direction of movement of the blade.

10 Een dergelijke constructie is bekend uit Wetzel K.K. et al: "influence of vortex generators on nrel S807 Airfoil aerodynamic characateristics and wind turbine performance" and Wind Engineering, GB, Multi-Science publishing Co., Brentwood, Essex, deel 19 nr. 3, 1 januari 1995 (1995-01-01), bladzijden 157-165, XP000516437 ISSN: 0309-524X.Such a construction is known from Wetzel K.K. et al: "influence of vortex generators on nrel S807 Airfoil aerodynamic characateristics and wind turbine performance" and Wind Engineering, GB, Multi-Science publishing Co., Brentwood, Essex, part 19 nr. 3, January 1, 1995 (1995-01- 01), pages 157-165, XP000516437 ISSN: 0309-524X.

15 Het in de algemene stand der techniek bekend voor stroming geoptimaliseerde profiel toont veel gelijkenis met het profiel van een gebruikelijke vliegtuigvleugel of propellerblad. Dat wil zeggen, in de bewegingsrichting van het blad ontmoet de toestromende lucht eerst een afgerond deel dat enerzijds in een convex en anderzijds in een convex of concaaf deel overgaat, welke in een spitse punt 20 bijeenkomen. Begrepen dient echter te worden dat andere voor stroming geoptimaliseerde profielen denkbaar zijn en de exacte uitvoering van het geoptimaliseerde profiel van het blad voor de uitvinding niet essentieel is.The flow-optimized profile known in the general art shows much resemblance to the profile of a conventional aircraft wing or propeller blade. That is to say, in the direction of movement of the blade, the inflowing air first encounters a rounded part which on the one hand merges into a convex and on the other hand into a convex or concave part, which meet at a pointed point 20. It is to be understood, however, that other flow-optimized profiles are conceivable and the exact construction of the blade optimized profile is not essential to the invention.

Windturbines worden voor steeds grotere vermogens uitgevoerd. Gebleken is echter dat in windturbineparken waar een aantal windturbines aanwezig is 25 onverklaarbare verschillen ontstaan in opbrengst van de individuele windturbines.Wind turbines are carried out for ever greater powers. It has been found, however, that in wind turbine parks where a number of wind turbines are present, inexplicable differences arise in yield of the individual wind turbines.

Bovendien is gebleken dat bepaalde parken een veel lagere opbrengst geven dan op grond van de heersende wind verwacht zou mogen worden. Dit kan zowel zeer kortstondig zijn (enkele uren) als zeer langdurig. Dit probleem blijkt met name op te treden bij generatoren die voor een wat hoger vermogen uitgevoerd zijn, bijvoorbeeld 30 vanaf 180 kW en meer in het bijzonder vanaf 500 kW.In addition, it has been found that certain parks yield a much lower yield than might be expected on the basis of the prevailing wind. This can be very short (a few hours) or very long. This problem has been found to occur in particular with generators which are designed for somewhat higher power, for example 30 from 180 kW and more particularly from 500 kW.

Het is het doel van de onderhavige uitvinding dit nadeel te vermijden en in een blad te voorzien waarmee een van tevoren goed voorspelbare opbrengst voor de betreffende windturbine te verwezenlijken is zonder onverklaarbare dalingen van het 1012949 2 rendement. Bovendien is het doel van de onderhavige uitvinding bij toepassing van vortex-generatoren van de vorm van een reeks van dergelijke vortex-generatoren het optimaliseren.The aim of the present invention is to avoid this drawback and to provide a blade with which a predetermined predictable yield for the wind turbine in question can be achieved without inexplicable drops in the efficiency. In addition, the object of the present invention is to optimize when using vortex generators in the form of a series of such vortex generators.

Dit doel wordt bij een hierboven beschreven blad verwezenlijkt doordat die 5 werveling opwekkende organen vortex-generatoren omvatten aangebracht in een reeks die een lijn beschrijft, die zich vanaf de stroomopwaartse zijde van het bevestigingseinde in de richting van het vrije einde naar het stroomafwaartse einde en vervolgens naar het stroomopwaartse einde uitstrekt.This object is accomplished in a blade described above in that said vortex generating members comprise vortex generators arranged in a series describing a line extending from the upstream side of the mounting end toward the free end to the downstream end and then to the upstream end.

Met de constructie volgens de uitvinding wordt een soort U-vormig profiel 10 verkregen. Bovendien wordt verondersteld dat de hierboven beschreven rendementsdaling ontstaat doordat de tip, d.w.z. het vrije uiteinde van het blad, onder bepaalde omstandigheden in een stabiele overtrokken toestand komt. Daardoor ontstaan problemen met de aanligging van de stroming aan het overige deel van het blad. Trillingen zijn waargenomen. Dit kunnen laagfrequente trillingen zijn. In een 15 uitzonderlijke situatie is zelfs waargenomen dat de bladen in het vlak waarin deze roteren gaan trillen hetgeen uiteindelijk tot breuk van de bladen aan de naaf van de windturbine kan leiden.With the construction according to the invention a kind of U-shaped profile 10 is obtained. In addition, it is believed that the drop in efficiency described above is due to the tip, i.e. the free end of the blade, coming into a stable, traversed state under certain conditions. This causes problems with the contact of the flow on the rest of the blade. Vibrations have been observed. These can be low-frequency vibrations. In an exceptional situation it has even been observed that the blades vibrate in the plane in which they rotate, which can eventually lead to breakage of the blades on the hub of the wind turbine.

Begrepen moet echter worden dat de juistheid van bovenstaande verklaring geen verband houdt met de geldigheid van de bijgevoegde conclusies.However, it should be understood that the accuracy of the above statement is not related to the validity of the appended claims.

20 Gebleken is dat door het aanbrengen van vortex-generatoren nabij het vrije uiteinde en meer in het bijzonder nabij het stroomopwaartse einde van de vleugel weliswaar een zeer geringe rendementsdaling kan optreden, maar dat anderzijds een constante afgifte van vermogen zoals voorspeld op basis van theoretische berekeningen aan de hand van de windsnelheid en overige omstandigheden verkregen wordt.It has been found that, while applying vortex generators near the free end and more particularly near the upstream end of the wing, a very slight drop in efficiency may occur, but on the other hand a constant power output as predicted on the basis of theoretical calculations is obtained on the basis of the wind speed and other circumstances.

25 De werveling opwekkers of vortex-generatoren kunnen vanaf het eerste contactpunt van de luchtstroming met het blad zowel aan de druk- als zuigzijde van het blad aangebracht worden. Bij voorkeur zijn dergelijke vortex-generatoren aan de zuigzijde, d.w.z. de concave zijde van het blad, aangebracht.The vortex generators or vortex generators can be applied from the first point of contact of the air flow with the blade on both the pressure and suction sides of the blade. Preferably such vortex generators are arranged on the suction side, i.e. the concave side of the blade.

Behalve het beoogde doel plotselinge wijzigingen in opbrengst van de 30 windturbine te voorkomen, wordt door de vortex-generatoren bovendien als voordeel bereikt dat de geluidsproductie beperkt wordt. Immers, door het voorkomen van overtrekken kan ongewenste geluidsproductie vermeden worden.In addition to the intended purpose of preventing sudden changes in yield of the wind turbine, the advantage of the vortex generators is that the noise production is limited. After all, by preventing stalling, unwanted noise production can be avoided.

1012949 31012949 3

De vortex-generatoren kunnen elk in de stand der techniek bekend deel met elke vorm omvatten. Bij voorkeur zijn deze uitgevoerd als driehoekige flap. Meer in het bijzonder wordt een reeks van dergelijke generatoren op het vleugelprofïel aangebracht. Deze reeks kan een gemeenschappelijke basis hebben. De lengte van elke generator, 5 d.w.z. de afstand die deze gemeenschappelijk heeft met het grensvlak van het vleugelprofïel, is ongeveer 3% van de koordelengte van het vleugelprofïel op die plaats. De koorde is de afstand tussen het voorste en achterste punt (hemelsbreed) van de curve die door het profiel loopt en gelijke afstand heeft tot de onderzijde en de bovenzijde van het blad. Begrepen moet worden dat de hier genoemde lengtewaarde 10 slechts een voorbeeld is. Hetzelfde geldt voor de hoogte. Deze is volgens een voorkeursuitvoering van de uitvinding ongeveer 1% van de koordelengte. Onder hoogte wordt verstaan de afstand waarmee de flap zich vanaf het oppervlak van het blad uitstrekt. In praktijk zal dit betekenen dat een dergelijke hoogte maximaal 10 cm is.The vortex generators can comprise any part of any shape known in the art. These are preferably designed as a triangular flap. More specifically, a series of such generators are applied to the airfoil. This series may have a common basis. The length of each generator, i.e. the distance it has in common with the interface of the airfoil, is approximately 3% of the chord length of the airfoil at that location. The chord is the distance between the front and rear point (as the crow flies) of the curve that runs through the profile and is equidistant from the bottom and top of the blade. It should be understood that the length value 10 mentioned here is only an example. The same goes for the height. According to a preferred embodiment of the invention, this is about 1% of the chord length. Height means the distance by which the flap extends from the surface of the blade. In practice this will mean that such a height is a maximum of 10 cm.

De afstand tussen twee vortex-generatoren in een reeks kan afhankelijk van de 15 stromingsomstandigheden gekozen worden en is bijvoorbeeld 1/10 van de hierboven beschreven koordelengte.The distance between two vortex generators in a series can be chosen depending on the flow conditions and is, for example, 1/10 of the chord length described above.

Behalve een reeks achter elkaar geplaatste vortex-generatoren is het ook mogelijk twee reeksen parallel ten opzichte van elkaar, d.w.z. parallel ten opzichte van de langsas van het blad, aangebrachte generatoren aan een of beide zijden van het blad aan 20 te brengen.In addition to a series of vortex generators arranged one behind the other, it is also possible to arrange two series of generators arranged parallel to each other, i.e. parallel to the longitudinal axis of the blade, on one or both sides of the blade.

Een verder voordeel dat met het beter beheersbaar maken van de te voorspellen uitkomst zo min mogelijk samenhangt is dat gebleken is dat door het aanbrengen van vortex-generatoren ook bij hoge windsnelheden het vermogen niet plotseling daalt.A further advantage related to making the predictable outcome more controllable as little as possible is that it has been found that the application of vortex generators does not suddenly decrease even at high wind speeds.

Behalve het aanbrengen van vortex-generatoren is gebleken dat het eveneens 25 mogelijk is door het aanbrengen van een uitsteeksel aan het vrije einde van het blad dat zich in stroomopwaartse richting uitstrekt, dat plotselinge rendementsvermindering eveneens beperkt wordt.De lengte van het uitsteeksel ligt bij voorkeur in de ordegrootte van de koordelengte van het blad ter plaatse van het uitsteeksel. Het effekt van vortex-generatoren kan ook bereikt worden door schuin opgestelde aiqets; luchtstroming 30 wordt door gaatjes in het profiel naar buiten geblazen onder een hoek met de hoofdstroming.In addition to applying vortex generators, it has been found that it is also possible by applying a protrusion to the free end of the blade extending upstream that sudden reduction in efficiency is also limited. The length of the protrusion is preferably in the order of magnitude of the chord length of the blade at the location of the protrusion. The effect of vortex generators can also be achieved by means of obliquely positioned aqets; air flow 30 is blown out through holes in the profile at an angle to the main flow.

De uitvinding zal hieronder nader aan de hand van in de tekening afgebeelde uitvoeringsvoorbeelden verduidelijkt worden. Daarbij tonen: 1012949 4The invention will be explained in more detail below with reference to illustrative embodiments shown in the drawing. Show: 1012949 4

Fig. 1 zeer schematisch een zeer algemene constructie van een windturbine voorzien van twee bladen;Fig. 1 very schematically a very general construction of a wind turbine with two blades;

Fig. 2 het in fig. 1 aangegeven detail;Fig. 2 shows the detail shown in fig. 1;

Fig. 3 het detail volgens fig. 2 waarbij de plaatsing van de vortex-generatoren aan 5 de drukzijde getoond is; enFig. 3 shows the detail of FIG. 2 showing the placement of the vortex generators on the pressure side; and

Fig. 4 in het detail volgens fig. 2 een gewijzigde uitvoering van het uiteinde van het blad.Fig. 4 in the detail according to FIG. 2 a modified embodiment of the end of the blade.

In fig. 1 is een windturbine in het geheel met 1 aangegeven. Deze bestaat uit een gebruikelijke staander waarop een gondel 2 aangebracht is. Daaruit steekt een niet 10 nader afgebeelde as gekoppeld met een naaf 3 waaraan twee bladen 4 bevestigd zijn door middel van het betreffende bevestigingseinde 8. Het vrije einde van de bladen is met 9 aangegeven. De lengte van de bladen voorzien van een bijzonder stromingsprofiel is met L aangegeven. Het bevestigingsdeel 8 zal in het algemeen een eenvoudige cirkelcilindrische pijp omvatten. Lengte L is vanzelfsprekend afhankelijk 15 van het door de windturbine op te wekken vermogen gekozen. Als voorbeeld wordt een waarde tussen 5 en 100 meter genoemd. In het omcirkelde gebied worden volgens de uitvinding bijzondere maatregelen genomen. Dit gebied is in fig. 2 en 3 nader afgebeeld. Daaruit blijkt dat de hoogte van dit gebied 1 is en deze hoogte is bij voorkeur kleiner dan 10% van de lengte L van het blad. Met 6 is de drukzijde aangegeven terwijl 20 5 de zuigzijde aangeeft. 10 is de stroomopwaartse zijde en 11 de stroomafwaartse zijde.In Fig. 1, a wind turbine is indicated in its entirety by 1. This consists of a usual post on which a gondola 2 is mounted. A shaft (not shown in more detail) protrudes therefrom, coupled to a hub 3 to which two blades 4 are attached by means of the respective attachment end 8. The free end of the blades is indicated by 9. The length of the blades with a special flow profile is indicated by L. The mounting part 8 will generally comprise a simple circular cylindrical pipe. Length L naturally depends on the power chosen to be generated by the wind turbine. A value between 5 and 100 meters is mentioned as an example. According to the invention, special measures are taken in the circled area. This area is shown in more detail in Figures 2 and 3. This shows that the height of this area is 1 and this height is preferably less than 10% of the length L of the blade. 6 indicates the pressure side, while 5 indicates the suction side. 10 is the upstream side and 11 is the downstream side.

Uit fig. 2 blijkt dat nabij de stroomopwaartse zijde twee reeksen werveling opwekkende generatoren 12 respectievelijk 13 aangebracht zijn. In dit voorbeeld zijn dit driehoekige flappen die een gemeenschappelijk basisdeel hebben. Deze kunnen bijvoorbeeld voorgefabriceerd worden als lengtes van 1 meter. Voor de uitvinding is de 25 aanwezigheid van de vortex-generatoren van groot belang. Bij voorkeur zijn deze in ieder geval aan zijde 5 aangebracht en kunnen bovendien aan zijde 6 aangebracht zijn. In het getekende voorbeeld is steeds een enkele reeks getoond maar het is ook mogelijk een aantal aan elkaar parallelle reeksen toe te passen. Dergelijke vortex-generatoren bestaan bij voorkeur uit flexibel materiaal waardoor tijdens transport het goed mogelijk 30 is dat deze tegen het betreffende blad gedrukt worden, zonder dat permanente schade optreedt terwijl gewaarborgd is dat deze weer terugveren naar de gewenste positie.It can be seen from Fig. 2 that two series of vortex generating generators 12 and 13 are arranged near the upstream side. In this example, these are triangular flaps that have a common base part. These can, for example, be prefabricated as lengths of 1 meter. The presence of the vortex generators is of great importance for the invention. Preferably, these are in any case arranged on side 5 and can moreover be arranged on side 6. In the drawn example, a single series is always shown, but it is also possible to use a number of parallel series. Such vortex generators preferably consist of flexible material, so that during transport it is quite possible that they are pressed against the relevant sheet, without permanent damage occurring while it is ensured that they spring back to the desired position.

1012949 51012949 5

In plaats van het getoonde rechte patroon is het mogelijk een V-patroon te gebruiken. Dit is in fig. 3 aangegeven en de daar gevolgde lijn heeft het verwijzingscijfer 14.Instead of the straight pattern shown, it is possible to use a V-pattern. This is indicated in FIG. 3 and the line followed there has the reference numeral 14.

Met dergelijke vortex-generatoren kan de stabiliteit van het blad onder 5 verschillende windomstandigheden aanzienlijk verbeterd worden en er kan een beter voorspelbare opbrengst en verbeterd rendement verkregen worden zonder dat plotselinge daling van het rendement gedurende langere of korte tijd optreedt.With such vortex generators, the stability of the blade under different wind conditions can be significantly improved, and a more predictable yield and improved efficiency can be obtained without sudden drop in efficiency occurring for a longer or short period of time.

Vortex-generatoren kunnen elk in de stand der techniek bekend materiaal omvatten. Deze kunnen bijvoorbeeld 0,5 mm dikke aluminiumdelen zijn.Vortex generators can include any material known in the art. These can for instance be 0.5 mm thick aluminum parts.

10 In fig. 4 is een verdere maatregel getoond die al dan niet in combinatie met de maatregelen getoond in fig. 2 en 3 toegepast kan worden. Het vrije uiteinde van het blad is in de richting van de openkomende stroming gebogen. De lengte daarvan is met N aangegeven en deze komt ongeveer overeen met de lengte van de koorde C ter plaatse van dat vrije uiteinde. Begrepen dient te worden dat deze maatregel zowel in 15 combinatie met de hierboven beschreven vortex-generatoren toegepast kan worden als alleen, d.w.z. zonder de aanwezigheid van dergelijke werveling opwekkende generatoren.In Fig. 4 a further measure is shown which can be used, whether or not in combination with the measures shown in Figs. 2 and 3. The free end of the blade is bent in the direction of the opening flow. The length thereof is indicated by N and it roughly corresponds to the length of the chord C at that free end. It is to be understood that this measure can be applied both in combination with the vortex generators described above and alone, i.e. without the presence of such vortex generating generators.

Hoewel de uitvinding hierboven aan de hand van voorkeursuitvoeringen beschreven is, zal dadelijk begrepen worden door degenen bekwaam in de stand der 20 techniek dat talrijke wijzigingen mogelijk zijn die liggen binnen het bereik van de bijgevoegde conclusies.Although the invention has been described above with reference to preferred embodiments, it will be readily understood by those skilled in the art that numerous modifications are possible within the scope of the appended claims.

10129491012949

Claims

A blade for a wind turbine or the like with a part rotating in a fluid flow, said blade comprising an attachment end connected to said wind turbine or the like and a free end remote from the attachment end with at least near the free end the blade being a front fluid (air) flow optimized profile, wherein vortex generating members are provided near one of the ends near the side located upstream in the direction of movement of the blade, characterized in that said vortex generating members comprise vortex generators arranged in a series describing a line (14) extending from the upstream side (10) of the mounting end towards the free end to the downstream end (11) and then to the upstream end (10).

2. Leaf according to claim 1, wherein said swirl-generating members comprise vortex generators.

Leaf as claimed in any of the foregoing claims, wherein said vortex-generating members comprise blades in said leaf.

4. Blade as claimed in any of the foregoing claims, wherein said optimized profile comprises a pressure and suction side and the swirl-generating generators are arranged on the transition between the most upstream part and the pressure side. A blade according to any one of the preceding claims, wherein said optimized profile comprises a pressure and suction side and the swirl-generating generators are arranged on the transition between the most upstream part and the suction side. 2. Blade according to claim 3, wherein the swirl-generating profile comprises a flap extending at most 1/3 tip chord measured 10% of the length of the blade from its free end from the blade surface. t

A blade according to any one of the preceding claims, wherein the swirl-generating profile comprises spaced profiles in the longitudinal direction of the blade. 5

A blade according to any one of the preceding claims, wherein the vortex generating profile comprises a series of serially placed vortex generating profile parts.

Blade according to claim 6 or 7, wherein said series extends within a range of the blade from the free end less than 10% of the length L of the blade.

The blade of any preceding claim, wherein the free end is provided with an upstream projection (15). 15

Wind turbine, comprising a blade according to any one of the preceding claims. 1012949