WO2010088933A2 - Windkraftanlage mit windschlüpfiger profilierung - Google Patents

Windkraftanlage mit windschlüpfiger profilierung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a wind turbine with a tower, which carries at its upper end a wind turbine with a propeller or rotor blades.
  • the present invention is based on the object to provide a wind turbine, which at least reduces vibrations on the propeller.
  • the tower it is proposed to design the tower in such a way that it has a wind-slippery profiling in an area adjoining the wind turbine.
  • the effort for the construction of such a wind turbine is reduced, because for the remaining tower area, but especially for the foot-side connection area of the tower to a foundation, standardized components can be used, their production is tested and therefore cost-effective.
  • the wind-slippery profiling should extend essentially to the area swept by the propeller. This is the area that has the greatest influence on the flow conditions on the propeller.
  • the tower be rigid, i. not rotatable, form and rotatably support the wind turbine on the mast.
  • the wind-slippery profiling is arranged on the wind turbine and rotates with it. In this way, the profiling is always optimally aligned to the flow, without the need for additional measures are necessary.
  • the profiled region may also be designed so stable that the storage between the tower and wind turbine in the region of the profiled area. In this way, advantageous storage concepts with a large base length (distance between the bearings) can be realized.
  • the profiled area For the formation of the profiled area is proposed that this encloses the tower U-shaped, wherein the opening comes to lie on the lee side.
  • This design of the profiled area reduces on the one hand the construction cost and on the other hand allows access to the tower even with mounted profiled area. Due to the leeward arrangement of the opening, this does not affect the flow on the windward side of the profiled area, so that the influence on the flow in the area of the propeller is negligible.
  • the profiled area completely surrounds the tower. This construction is particularly stiff and therefore particularly suitable for arranging the bearing concepts described above.
  • the profiled area in such a way that the tower is enclosed only in regions, namely on the windward and leeward sides.
  • the side areas of the tower in this embodiment simultaneously form the side areas of the profiled area.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the flow conditions on the tower of a
  • FIG. 2 is a partial sectional view of a wind turbine according to a first embodiment
  • Fig. 4 is a partially sectioned view of a wind turbine after a second
  • Fig. 5 is a section along the line V-V
  • Fig. 6 is a partially sectioned view of a wind turbine after a third
  • Embodiment and Fig. 7 shows a section along the line Vl-Vl.
  • wind turbine 1 consists of a tower 2, which carries at its tip a wind turbine 3 with a three-bladed propeller 4 here.
  • the tower 2 is formed in a conventional manner as upwardly tapered tube.
  • the wind turbine 3 carries in its interior, not shown, in a known manner a transmission gear, which is connected to a hub 5 of the propeller 4, and an output side flanged to the transmission generator for generating electricity.
  • the necessary electrical control devices for controlling the system are provided, which may also have an adjusting mechanism for aligning the wind turbine 3 in the flow direction, unless the orientation of the wind turbine 3 is not by their external shape and in particular by (not shown here) wind deflectors.
  • the flow shown schematically by arrows 6 forms at the front of the tower 2 from a flow congestion 7, in which the flow conditions, in particular flow direction and flow velocity, are changed from the undisturbed flow.
  • a flow congestion 7 in which the flow conditions, in particular flow direction and flow velocity, are changed from the undisturbed flow.
  • the force acting on the blades of the propeller 4 and resulting from the flow 6 changes, which leads to vibrations in the propeller 4.
  • These vibrations are transmitted via the hub 5 also on the gearbox and in particular the likewise not shown mounting of the hub 5. This leads either to premature fatigue of the propeller 4 or the bearing of the hub 5 or must be compensated by correspondingly stronger dimensions.
  • the vibrations are also expressed as a disturbance in the rotational speed of the propeller and are transferred in this way in the transmission, where they can cause damage to the gear teeth and storage.
  • the wind turbine according to the invention therefore has a windschlüpfrig formed as a fairing (here streamlined or teardrop-shaped) profiled area 8, which, starting from the wind turbine 3, extends around the tower 2 around.
  • the panel 8 is not connected to the tower 2, but held rotatably to this. However, the panel 8 is rotated so that its front side 9 is always aligned on the windward side and thus points in the direction of the propeller 4.
  • the cladding 8 is connected to the wind turbine 3 and thus always follows the rotational movements of the wind turbine 3.
  • this can be designed as a supporting part and carry the wind turbine 3. In this case, it is possible to make the tower 2 correspondingly shorter, so that it protrudes only a little way into the panel 8. Between tower 2 and the inside of the panel 8 bearing elements 10 are provided in this case, which are arranged spaced from each other over a base length Ll. In retrofitting the panel 8 to an existing wind turbine, it may also be provided that the panel 8 is independently rotatably mounted on the mast 2 and is not connected to the wind turbine 3. In this case, a separate drive for the panel 8 is provided, which can be active (motor) or passive (eg wind deflector). In any case, it must be ensured that even in the event of a malfunction of the drive, the covering 8 is flowed over its front side (in FIG. 3, this is from the left).
  • the second embodiment shown in Fig. 4 differs in that the cladding 8 is formed in two parts and consists of the two cladding elements 8 'and 8 ", which are held on the underside of the wind turbine 3.
  • the first cladding element 8' is windward and the second cladding element 8 "lee side to the mast 2 arranged.
  • the lateral gaps formed on the sides 12 of the cladding 8 are filled by the surface of the mast 2, which acts here as part of the cladding 8.
  • the cladding elements 8' and 8" supported by narrow webs 12 against each other.
  • the panel 8 is U-shaped, with an open area 13 of the panel 8 is aligned leeward. About the area 13 of the mast 2 is also accessible in the assembled state of the panel 8.
  • FIG. 7 shows as a fourth exemplary embodiment a variant of the first embodiment shown in FIG.
  • the storage in the lower part of the panel 8 is arranged and the tower 2 is formed correspondingly shorter.
  • the adjoining the wind turbine 3 upper portion of the panel 8 is designed as a flat, aerodynamic profile in terms of a further reduction of the flow.
  • This upper portion of the panel 8 extends over the Length L2 and then passes into a hollow lower portion of the panel 8, which receives the tower 2 on the inside and is connected thereto via bearing element 10.
  • a length L2 of the wind-slippery configured region of the cladding 8 is dimensioned in all embodiments so that it corresponds to 50% to 100% of the radius of the propeller 4.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Turm, der an seinem oberen Ende eine Windturbine mit einem Propeller trägt. Um die Vibrationen am Propeller zumindest zu reduzieren, wird vorgeschlagen, den Turm so auszubilden, dass er in einem sich an die Windturbine anschließenden Bereich eine windschlüpfrige Profilierung aufweist.

Description

Windkraftanlage mit windschlüpfiger Profilierung
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Turm, der an seinem oberen Ende eine Windturbine mit einem Propeller bzw. Rotorblättern trägt.
Aus der DE 28 04 711 ist bereits eine Windkraftanlage mit festem Turm und drehbarer Kanzel bzw. Windturbine bekannt. Es wurde erkannt, dass sich am Turm eine Schattenzone mit veränderter Strömung ausbildet, was zu Vibrationen am Propeller führt. Diese Vibrationen werden auch weiter auf die den Propeller tragende Nabe übertragen. Zur Abhilfe wird vorgeschlagen, ein schraubenförmig um den Turm gewundenes Leitblech anzubringen, das die Strömung in positiver Weise beeinflusst. Eine windschlüpfrige und drehbare Ausbildung des Turmes wird als zu aufwendig verworfen.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage zu schaffen, die Vibrationen am Propeller zumindest reduziert.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Turm so auszubilden, dass er in einem sich an die Windturbine anschließenden Bereich eine windschlüpfrig Profilierung aufweist. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass es nicht notwendig ist, den kompletten Turm stromlinienförmig bzw. windschlüpfrig auszubilden, wie dies im Stand der Technik als zu aufwendig beschrieben ist. Auf diese Weise ist der Aufwand zum Bau einer derartigen Windkraftanlage vermindert, denn für den verbleibenden Turmbereich, insbesondere aber für den fußseitigen Anschlussbereich des Turmes an ein Fundament, können standardisierte Bauteile verwendet werden, deren Herstellung erprobt und daher kostengünstig möglich ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. So soll sich die windschlüpfrige Profilierung im Wesentlichen auf den vom Propeller überstrichenen Bereich erstrecken. Dies ist der Bereich, der den größten Einfluss auf die Strömungsverhältnisse am Propeller hat.
Weiter wird vorgeschlagen, den Turm starr, d.h. nicht drehbar, auszubilden und die Windturbine am Mast drehbar zu lagern. Bei dieser Ausführung ist die windschlüpfrige Profilierung an der Windturbine angeordnet und dreht sich mit dieser mit. Auf diese Weise ist die Profilierung stets optimal zur Anströmung ausgerichtet, ohne dass hierfür zusätzliche Maßnahmen notwendig sind. Wie weiter vorgeschlagen wird, kann der profilierte Bereich auch so stabil ausgebildet sein, dass die Lagerung zwischen Turm und Windturbine im Bereich des profilierten Bereiches erfolgt. Auf diese Weise lassen sich vorteilhafte Lagerkonzepte mit großer Basislänge (Abstand zwischen den Lagern) verwirklichen.
Zur Ausbildung des profilierten Bereiches wird vorgeschlagen, dass dieser den Turm U- förmig umschließt, wobei die Öffnung auf der Leeseite zu liegen kommt. Diese Ausbildung des profilierten Bereiches reduziert einerseits den Bauaufwand und erlaubt andererseits einen Zugang zum Turm auch bei montiertem profilierten Bereich. Durch die leeseitige Anordnung der Öffnung beeinflusst diese nicht die Strömung an der Luvseite des profilierten Bereiches, so dass der Einfluss auf die Strömung im Bereich des Propeller vernachlässigbar ist.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass der profilierte Bereich den Turm vollständig umschließt. Diese Konstruktion ist besonders steif und daher zur Anordnung der zuvor beschriebenen Lagerkonzepte besonders geeignet.
Als weitere Alternative wird vorgeschlagen, den profilierten Bereich so auszubilden, dass der Turm nur bereichsweise, nämlich auf der Luv- und der Leeseite umschlossen ist. Die Seitenbereiche des Turmes bilden bei dieser Ausführung gleichzeitig die Seitenbereiche des profilierten Bereiches. Diese Ausführung ist besonders leicht bauend und vorzugsweise dann anzuwenden, wenn der profilierte Bereich nicht tragend ausgebildet sein soll.
Die Erfindung ist nachstehend anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse am Turm einer
Windkraftanlage,
Fig. 2 eine teilweise geschnittene Darstellung einer Windkraftanlage nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie HI-III,
Fig. 4 eine teilweise geschnittene Darstellung einer Windkraftanlage nach einem zweiten
Ausführungsbeispiel, Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V, Fig. 6 eine teilweise geschnittene Darstellung einer Windkraftanlage nach einem dritten
Ausführungsbeispiel und Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie Vl-Vl.
Die in Fig. 1 dargestellte Windkraftanlage 1 nach dem Stand der Technik besteht aus einem Turm 2, der an seiner Spitze eine Windturbine 3 mit einem hier dreiflügeligen Propeller 4 trägt. Der Turm 2 ist in konventioneller Weise als nach oben konisch zulaufendes Rohr ausgebildet. Die Windturbine 3 trägt in ihrem Inneren, nicht dargestellt, in bekannter Weise ein Übersetzungsgetriebe, das mit einer Nabe 5 des Propellers 4 verbunden ist, und einen ausgangsseitig am Getriebe angeflanschten Generator zur Stromerzeugung. Darüber hinaus sind die notwendigen elektrischen Steuereinrichtungen zur Steuerung der Anlage vorgesehen, die auch einen Stellmechanismus zur Ausrichtung der Windturbine 3 in Strömungsrichtung aufweisen können, sofern die Ausrichtung der Windturbine 3 nicht durch ihre äußere Form und insbesondere durch (hier nicht gezeigte) Windleitelemente erfolgt. Die schematisch durch Pfeile dargestellte Strömung 6 bildet an der Vorderseite des Turmes 2 eine Stauströmung 7 aus, in der die Strömungsverhältnisse, insbesondere Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit, gegenüber der ungestörten Strömung verändert sind. Wenn die Blätter des Propellers 4 diesen Staubereich 7 durchlaufen, verändert sich die auf die Blätter des Propellers 4 wirkende, aus der Strömung 6 resultierende Kraft, was zu Vibrationen im Propeller 4 führt. Diese Vibrationen übertragen sich über die Nabe 5 auch auf das Getriebe und insbesondere die ebenfalls nicht dargestellte Lagerung der Nabe 5. Dies führt entweder zu vorzeitiger Ermüdung des Propellers 4 oder der Lagerung der Nabe 5 oder muss durch entsprechend stärkere Dimensionierung ausgeglichen werden. Die Vibrationen äußern sich ferner als Störung in der Umdrehungsgeschwindigkeit des Propellers und werden auf diesem Wege auch in das Getriebe übertragen, wo sie zu Schäden an der Getriebeverzahnung und -lagerung führen können.
Die in Fig. 2 dargestellte, erfindungsgemäße Windkraftanlage weist daher einen als Verkleidung ausgebildeten windschlüpfrig (hier Stromlinien- bzw. tropfenförmig) profilierten Bereich 8 auf, der sich, ausgehend von der Windturbine 3, um den Turm 2 herum erstreckt. Wie im Schnitt nach Fig. 3 dargestellt, ist die Verkleidung 8 mit dem Turm 2 nicht verbunden, sondern zu diesem drehbar gehalten. Die Verkleidung 8 wird aber so gedreht, dass ihre Vorderseite 9 stets luvseitig ausgerichtet ist und mithin in Richtung des Propellers 4 zeigt. Hierzu ist die Verkleidung 8 mit der Windturbine 3 verbunden und folgt damit stets den Drehbewegungen der Windturbine 3.
Bei entsprechender Auslegung der Verkleidung 8 kann diese als tragendes Teil ausgebildet sein und die Windturbine 3 tragen. In diesem Falle ist es möglich, den Turm 2 entsprechend kürzer zu gestalten, so dass er nur noch ein Stück weit in die Verkleidung 8 hineinragt. Zwischen Turm 2 und der Innenseite der Verkleidung 8 sind in diesem Falle Lagerelemente 10 vorgesehen, die über eine Basislänge Ll beabstandet zueinander angeordnet sind. Bei nachträglicher Anordnung der Verkleidung 8 an eine bestehende Windkraftanlage kann es auch vorgesehen sein, dass die Verkleidung 8 selbstständig drehbar auf dem Mast 2 gelagert ist und mit der Windturbine 3 nicht verbunden ist. In diesem Falle ist ein separater Antrieb für die Verkleidung 8 vorzusehen, der aktiv (Motor) oder passiv (z.B. Windleitelement) ausgebildet sein kann. In jedem Fall ist sicherzustellen, dass auch im Störungsfall des Antriebs die Verkleidung 8 über ihre Vorderseite (in Fig. 3 ist dies von links) angeströmt wird.
Das in Fig. 4 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich dadurch, dass die Verkleidung 8 zweiteilig ausgebildet ist und aus den beiden Verkleidungselementen 8' und 8" besteht, die an der Unterseite der Windturbine 3 gehalten sind. Das erste Verkleidungselement 8' ist dabei luvseitig und das zweite Verkleidungselement 8" leeseitig zum Mast 2 angeordnet. Die an den Seiten 12 der Verkleidung 8 gebildeten seitlichen Lücken werden durch die Oberfläche des Mastes 2 ausgefüllt, der hier als Teil der Verkleidung 8 wirkt. Zur Stabilisierung der Verkleidungselemente 8' und 8" sind, im Ausführungsbeispiel an zwei Stellen, die Verkleidungselemente 8' und 8" über schmale Stege 12 gegeneinander abgestützt.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist die Verkleidung 8 U-förmig ausgebildet, wobei ein offener Bereich 13 der Verkleidung 8 leeseitig ausgerichtet ist. Über den Bereich 13 ist der Mast 2 auch im montierten Zustand der Verkleidung 8 zugänglich.
Fig. 7 zeigt schließlich als viertes Ausführungsbeispiel eine Variante des in Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels. Auch hier ist die Lagerung im unteren Bereich der Verkleidung 8 angeordnet und der Turm 2 ist entsprechend kürzer ausgebildet. Der sich an die Windturbine 3 anschließende obere Bereich der Verkleidung 8 ist als flaches, aerodynamisches Profil im Sinne einer noch weitergehenden Reduzierung der Anströmung ausgebildet. Dieser obere Bereich der Verkleidung 8 erstreckt sich über die Länge L2 und geht dann in einen hohlen unteren Bereich der Verkleidung 8 über, der innenseits den Turm 2 aufnimmt und mit diesem über Lagerelement 10 verbunden ist.
Eine Länge L2 des windschlüpfrig ausgestalteten Bereichs der Verkleidung 8 ist in allen Ausführungsbeispielen so bemessen, dass sie 50 % bis 100 % des Radius des Propellers 4 entspricht.

Claims

Patentansprüche
1. Windkraftanlage (1) mit einem Turm (2), der an seinem oberen Ende eine Windturbine (3) mit einem Propeller (4) trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (2) in einem sich an die Windturbine (3) anschließenden Bereich (8) eine windschlüpfrige Profilierung aufweist.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) innerhalb einer vom Propeller (4) überstrichenen Fläche vorgesehen ist.
3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Turm (2) starr ist, die Windturbine (3) drehbar am Turm (2) gelagert ist und der Bereich (8) mit der Windturbine (3) verbunden ist.
4. Windkraftfanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
Lagerelemente (10) zur drehbaren Lagerung der Windturbine (3) zwischen dem Bereich (8) und dem Turm (2) angeordnet sind.
5. Windkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) den Turm (2) U-förmig umschließt, wobei ein offener Bereich (13) des
Bereiches (8) auf der Leeseite des Bereiches (8) angeordnet ist.
6. Windkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) den Turm (2) vollständig umschließt.
7. Windkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) den Turm (2) bereichsweise umschließt, wobei der Bereich (8) sowohl die Luvais auch die Leeseite überdeckt.
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