WO2015113528A1 - Beidseitig wirkendes rotorblatt für energieerzeugende kraftanlagen - Google Patents

Beidseitig wirkendes rotorblatt für energieerzeugende kraftanlagen Download PDF

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WO2015113528A1
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slat
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PCT/DE2014/000042
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Michal MARCINKOWSKY
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Marcinkowsky Michal
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a multilateral rotor blade for power generating power plants such as wind turbines,
  • Tidal power plants or wave buoys in which the flow direction of a medium can change rapidly, in particular with a composite rotor blade, which consists of at least two wing elements.
  • Main wing leaf on the front of a so-called asymmetrical slat is arranged while maintaining an air gap to the main wing blade, which extends approximately over two-thirds of the length of the main wing.
  • EP 0 064 742 A2 has disclosed in the state of the art a rotor for a wind power plant, in which each rotor blade is associated with a slat of the same length such that the front edge of the front one
  • Rotor blade laterally offset from the front edge of the underlying Rotor blade is located.
  • the two tips of the rotor blades are adjustably coupled via a mechanical connection with each other.
  • German Offenlegungsschrift DE 10 2012 102 746 A1 has disclosed a further rotor blade for wind energy plants, which has a slat in front of the main wing whose distance from the main wing can be adjusted.
  • the slat has in the rear part of a concave curvature, the material is elastic, in order to adapt to the resulting by adjusting the slat different distances to the main wing can.
  • Rotary axes adjusted depending on current needs by rotation of the plane of rotation about the vertical axis by means of an adjusting device.
  • an adjusting device e.g. a rotor, in a wind tunnel, in the
  • the rotor blade according to the invention for producing a resulting useful force (F) on the longitudinal axis of the rotor blade consists of at least one
  • Main wing element and a slat element which are arranged one behind the other. It is also characterized by the aerodynamic
  • the slat element Cooperation between the slat element and the main wing element in such a way that the resulting Nutzkraftcardi (F) is largely independent of the flow direction of the inflowing medium on the rotor plane.
  • the medium flow By forming a gap s between the main vane element and the vane element, the medium flow, similar to a flow channel, is conducted at least in part due to the particular position and symmetrical profile of the vane element.
  • the flow guided onto the main wing element facilitates the start-up of the turbine or of the impeller and on the other hand prevents the flow from being torn off, in particular during the start-up phase, which is particularly important in the case of a rapid temporary increase in the flow velocity.
  • the slat element differs from the slats used in aviation in that the profile of the
  • Slat element is formed symmetrically. Due to a mobility in a special embodiment of the slat element about his
  • the advantage achieved with the present invention is that the flow is targeted in order to optimize the angle of attack ⁇ of the wing in the direction of higher glide ratio (ca / cw), where ca is the buoyancy value and cw is the resistance coefficient.
  • ca the buoyancy value
  • cw the resistance coefficient.
  • the slat element is arranged with the main wing element in a plane, so that the outline results in an overall profile.
  • the slat element and the main wing element is symmetrical, which simplifies, inter alia, the manufacture of the rotor blade.
  • Another advantage is seen in that the slat element and the main wing element are arranged at a predetermined distance s from each other.
  • the slat element is also advantageous for the slat element to be much smaller in cross-section than the main wing element.
  • the gap width s between the slat element and the main wing element is substantially constant over the entire length of the slat element in the case of a rectangular wing top view, or, in the case of a non-rectangular plan view, is proportional to the local chord of the profile.
  • the slat element is fixed and / or movable.
  • Limiting elements are arranged above and below the slat element.
  • the movable slat part is designed to be movable about its longitudinal axis.
  • Limiting element can be canceled for control purposes, so as to effect a braking effect.
  • leading edge of the slat element adjustable so as to change the overall profile of the rotor blade.
  • Figure 1 is a schematic perspective plan view of the
  • Figure 2 is a schematic cross section of a wing profile (4) of a
  • FIG. 3 shows a vector diagram of a schematized wing plane (8) of a prior art wing, on which a resulting flow velocity vr is applied;
  • Figure 5 is a graph of the power coefficient cN as
  • Figure 6a is a schematic cross section of an inventive
  • Main wing element (15 ') with a profile of the
  • Main wing element (15 ') integrated movable
  • Fig. 1 shows a schematic perspective top view of the
  • the Wells turbine is a special air turbine that is generally used in so-called wave power plants with oscillating Water column is used.
  • the Wells turbine operates at the same direction of rotation, regardless of the direction of flow of the respective medium.
  • the median plane of the airfoil lies in the plane of rotation of the turbine and perpendicular to the flow direction.
  • the rotation axis 3 is perpendicular to the plane of rotation of the impeller.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-section of a symmetrical one
  • Wing profile 4 on which the resultant force component 6 at a certain angle ⁇ to the rotation axis 3 as a result of a medium flow 7 attacks.
  • the middle profile plane 8 extends from the rear point 9 of the profile 4 to the front edge 10 of the profile and is parallel to the plane of rotation of the
  • FIG. 3 shows the vector diagram of a schematized wing plane 8 of a Wells turbine, on which a resulting flow velocity vr acts, which felt a certain angle of attack ⁇ to the apparent one
  • Rotor blade (4) (eg its extension);
  • the angle of attack ⁇ is as large as the temporary resistance allows on the axis of rotation (3), wherein the resistance is mainly determined by the power generator, that is, by the load of the generator. The smaller the resistance, the smaller it is
  • Flow velocity w (8) occur, for example in gusts.
  • the useful force P (7) is next to the angle ⁇ a function of the square of the speed vr (10).
  • the output power N is a function of the 3rd power of the velocity vr (10) and the angle ⁇ p. This means that these functions must have extremes.
  • For the power N is this extremum is represented by the power value cN, which is shown in FIG. 5 for two different values of the angle ⁇ .
  • the fact that the power coefficient cN is the largest at a small angle ⁇ (pitch angle) does not mean that only the smallest angle ⁇ can be used. At higher medium velocities V, the centrifugal forces and bending moments can destroy or destroy the turbine
  • FIG. 4 shows a vector diagram of a symmetrical rotor blade 14 in different sections and its local angle of attack a.
  • the rotor blades 14 are attached to a hub 13 on a rotation axis 3 in a conventional manner.
  • FIG. 4 also illustrates how the resulting velocity (10) and angles of attack ⁇ , a 'affect different radii of the rotor blade 14.
  • Table I shows how the angles of incidence ⁇ for two exemplary ratios of the speed of the sheet end ior (9) to the relative velocity of the medium w (8) for unrestricted rotor blades, ie for the case of the double-acting turbine.
  • FIG. 5 shows a graphical representation of the power coefficient cN as a function of the speed coefficient V / w of the ratio of the velocity V of the flow medium to the relative velocity w of the medium at two different angles ⁇ 1 and ⁇ 2, where ⁇ 1 ⁇ 2. From this, is u.a.
  • Performance coefficient cN which is reproduced in FIG. 5 for two different values of the angle ⁇ .
  • 6a and 6b show two exemplary embodiments of the present invention which show a schematic cross section of a wing profile 14 ', 14 "according to the invention with a main wing element 15 and a symmetrical slat element 16, 16' arranged in front of the round edge 10 of the wing profile 15.
  • the slat element 16 lies in the plane 17 which passes through the corner points 9 and 10 of the rear edge 9 and the front round edge 10 of the profile of the
  • Main wing element 15 is clamped.
  • the slat element 16 is fixedly arranged at a predetermined distance s from the round edge 10 of the main wing element 15. If the total profile 14 'flows around a medium flow 7, a part of the flow flows through the gap s and another part flows around the tip 10', whereby an additional buoyancy component is formed, which inclines the plane 17 by a small acute angle ⁇ .
  • chord (17) is the diagonal between the rear end 9 of the Main wing element 15 and the front edge 10 of the slat element 16, 16 ', so the cooperating overall profile 14', 14 ", so that the
  • Profile plane 17, 17 'tilts against the flow direction by a certain small acute angle (see Fig. 6a, 6b), whereby an additional useful force is created, which facilitates the start-up of a rotor.
  • the gap s between main vane element 15 and vane element 16, 16 ' is the point at which the pressure is lowest. Therefore, this location ensures a good supply of the flowing medium, whereby the detachment of the
  • Boundary layer on the leeward side of the main wing member 15 is prevented, which is of great importance for the environment of the rotation axis 3. It is equally important for the start-up phase in the area of the wing end, while the
  • Circulation speed v relative to the speed w of the medium is small.
  • FIG. 6b likewise shows a schematic cross section of a
  • Main wing member 15 of the wing profile 14 "movably arranged
  • Main wing element 15 is, but much smaller.
  • This slat element 16 ' has in the front region an axis of rotation 11 about which the slat element 16' is rotatably mounted by a predetermined angle.
  • the axis of rotation 11 extends over the entire length of the slat element 16 '.
  • the angle of rotation ⁇ is adjusted by means of two limiting elements 12, 12 ', which are fastened at a suitable position on the main wing element 15.
  • FIG. 7 shows a schematic perspective view of a section of the main wing element 15 'with a slat element 16 "integrated in the profile in the vicinity of the axis of rotation 3 of an impeller 1" according to the invention.
  • the main wing element 15 ' is fixed to the hub 13 of the impeller 1 "by conventional means
  • Main wing element attached to a slat element 16 ", in the profile of the
  • Main wing element 15 ' is integrated, so that the front edge 10 of the
  • the pivot axis 1 1 of the slat element 16 "is fastened laterally to the main wing element 15 and, if the requirements are met, can be moved forwards or backwards.
  • FIG. 8 shows a graphical representation of the relative glide number of the
  • Buoyancy value ca / cw (relative glide ratio) as a function of the relative thickness g of the main wing element 15 in relation to its width I.
  • the curve 19 combines calculated values from measuring points which were recorded during experiments and experiments on the rotor blade 14 'according to the invention.
  • the curve shows that the relative sliding number (ca / cw) becomes smaller as the relative thickness (g / l) of the rotor blade becomes larger.

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Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiges Rotorblatt (1", 14', 14") zur Erzeugung einer resultierenden Kraft (F) auf die Längsachse eines Rotorblattes vorgestellt. Das Gesamtprofil (1", 14', 14") des Rotorblattes (2) setzt sich im Wesentlichen aus einem Hauptflügelelement (15) und einem Vorflügelelement (16, 16') zusammen, die in der Rotorblattebene (8) mit einer bestimmten Spaltbreite s hintereinander angeordnet sind Infolge des aerodynamischen Zusammenwirkens der Strömungen eines Strömungsmediums (7) bleibt die Drehrichtung unabhängig von der Strömungsrichtung erhalten.

Description

BEIDSEITIG WIRKENDES ROTORBLATT FÜR ENERGIEERZEUGENDE
KRAFTANLAGEN
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem mehrseitig wirkenden Rotorblatt für energieerzeugende Kraftanlagen wie beispielsweise Windräder,
Gezeitenkraftanlagen oder Wellenbojen, bei denen die Strömungsrichtung eines Mediums rasch wechseln kann, insbesondere mit einem zusammengesetzten Rotorblatt, das aus mindestens zwei Flügelelementen besteht.
Derartige Rotorblätter sind im Stand der Technik aus der DE 10 2008 026 474 A1 unter anderem bekannt geworden. Das aus dieser Druckschrift bekannte
Rotorblatt weist in einem Ausführungsbeispiel ein unsymmetrisches
Hauptflügelblatt auf, dem im vorderen Bereich ein sogenannter unsymmetrischer Vorflügel unter Einhaltung eines Luftspaltes zum Hauptflügelblatt angeordnet ist, der sich etwa über zwei Drittel der Länge des Hauptflügels erstreckt.
Ferner ist im Stand der Technik aus der EP 0 064 742 A2 ein Rotor für eine Windkraftanlage bekannt geworden, bei dem jedem Rotorblatt ein Vorflügel gleicher Länge derart zugeordnet ist, dass die Vorderkante des vorderen
Rotorblattes seitlich versetzt vor der Vorderkante des dahinter liegenden Rotorblattes liegt. Dabei sind die beiden Spitzen der Rotorblätter über eine mechanische Verbindung mit einander verstellbar gekoppelt.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 102 746 A1 ist ein weiteres Rotorblatt für Windenergieanlagen bekannt geworden, das vor dem Hauptflügel einen Vorflügel aufweist, dessen Abstand zum Hauptflügel verstellt werden kann. Der Vorflügel weist im hinteren Teil eine konkave Wölbung auf, dessen Material elastisch ausgebildet ist, um sich an die durch Verstellung des Vorflügels ergebenden unterschiedlichen Abstände zum Hauptflügel anpassen zu können.
Schließlich ist aus der DE 20 2012 005 356 U1 ein Rotorblatt für eine mit einer aktiven und passiven Stallregelung arbeitenden Windkraftanlage bekannt geworden. Das Rotorblatt ist als sogenanntes Tandem-Tragflügelprofil
ausgebildet, bei dem ein kleines Tragflächenprofil einem großen Tragflächenprofil in einem festen Winkel zueinander überlagert ist.
Im Allgemeinen werden herkömmliche Windkraftanlagen mit horizontalen
Drehachsen je nach momentanem Bedarf durch Drehung der Drehebene um die senkrechte Achse mit Hilfe einer Stellvorrichtung eingestellt. Allerdings gibt es Bereiche, in denen eine derartige Drehung unmöglich ist, weil es keine senkrechte Einstellachse gibt, z.B. bei einem Rotor, der in einem Windkanal, in dem
Luftströmungen in zwei entgegengesetzten Richtungen verlaufen; oder bei einem Rotor, der zwischen zwei Hochhäusern fest angeordnet ist; oder bei raschen Strömungsrichtungswechsel des Strömungsmediums, bei denen die Zyklen nur kurzzeitig sind und rasch die Richtung wechseln, wie beispielsweise bei
Wellenbojen o. ä.; oder aber auch bei Meeresströmungs-Kraftanlagen, bei denen der Zyklus lang andauernd ist und somit Mechanismen, die starken
Korrosionseinflüssen ausgesetzt sind, erforderlich machen. Im Stand der Technik sind bei schnellen Zykluswechseln häufig sog. Wells-Turbinen im Einsatz. Bei der Wells-Turbine weisen die Schaufelblätter ein verhältnismäßig dickes
symmetrisches Profil auf (s. Fig. 1 ). Bei extrem dünnem Profil bliebe die
Kraftentwicklung an der Drehachse nahezu Null. Dagegen ist bei entsprechend hoher Streckung des Flügels theoretisch eine Leistungsabgabe möglich, die aber vergleichsweise uneffektiv ist, wobei die Streckung das Verhältnis von Spannweite zu mittlerer geometrischen Breite ist. Es wäre also sinnvoll, den Pitch-Winkel κ = γ - α zu vergrößern, was nicht ohne Einfluss auf den Anstellwinkel bleibt. Je größer der Anstellwinkel, desto größer ist im gleichen Verhältnis die Auftriebskraft, die die Hauptkomponente der resultierenden aero/hydrodynamischen Kraft F bildet und je größer diese Kraft ist, umso größer ist auch die Nutzkraft, die den Rotor antreibt.
Alle bisher im Stand der Technik bekannt gewordenen Rotorblätter haben einerseits den Nachteil, dass die Kraftwirkung der einzelnen Rotorblätter von der Strömungsrichtung des anströmenden Mediums, z. B. Wind oder Wasser, stark abhängig sind und somit das Hauptaugenmerk auf die Optimierung der
Kraftwirkung, bzw. den Wirkungsgrad zu verbessern, sowie des verwendeten Materials der Rotorblätter gelegt wurde.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rotorblatt bereitzustellen, das im Wesentlichen unabhängig von der Strömungsrichtung des anströmenden Mediums eine resultierende Nutzkraftwirkung in nur einer Richtung auf das Rotorblatt ausübt und den Wirkungsgrad und den Anlauf einer Turbine verbessert.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Hauptansprüche erfindungsgemäß gelöst. Weitere erfindungsgemäße Merkmale sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Rotorblatt zur Erzeugung einer resultierenden Nutzkraft (F) auf die Längsachse des Rotorblattes, besteht aus mindestens einem
Hauptflügelelement und einem Vorflügelelement, die hintereinander angeordnet sind. Es zeichnet sich darüber hinaus durch das aerodynamische
Zusammenwirken zwischen dem Vorflügelelement und dem Hauptflügelelement derart aus, dass die resultierende Nutzkraftrichtung (F) auf die Rotorebene von der Strömungsrichtung des anströmenden Mediums weitgehend unabhängig ist. Durch die Ausbildung einer Spalte s zwischen dem Hauptflügelelement und dem Vorflügelelement wird die Mediumströmung, ähnlich einem Strömungskanal, zumindest teilweise aufgrund der besonderen Stellung und des symmetrischen Profils des Vorflügelelements geleitet. Die auf das Hauptflügelelement geführte Strömung erleichtert einerseits den Anlauf der Turbine, bzw. des Flügelrades und andererseits verhindert sie den Abriss der Strömung, insbesondere in der Anlaufphase, was besonders wichtig bei einem raschen temporären Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit ist. Das Vorflügelelement unterscheidet sich von den in der Luftfahrt verwendeten Vorflügeln dadurch, dass das Profil des
Vorflügelelements symmetrisch ausgebildet ist. Aufgrund einer Beweglichkeit in einem speziellen Ausführungsbeispiel des Vorflügelelements um seine
Längsachse im vorderen Bereich des Profils, trägt es noch zusätzlich zur Wirksamkeit der Nutzkraftkomponente des Rotorblattes bei.
Der mit der vorliegenden Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass die Anströmung zielgerichtet ist, um den Anstellwinkel α des Flügels in Richtung höherer Gleitzahl (ca/cw) zu optimieren, wobei ca der Auftriebswert und cw der Widerstandsbeiwert ist. Dabei wird ein für den Anlauf der Turbine günstiger Turbinenhub erzielt, wobei die Variable der Winkel κ = γ - α ist. Aufgrund der Spalte s zwischen den Flügelelementen wird in den Bereichen, die in der Nähe der Drehachse liegen, der Strömungsabriss vermieden. Diese Bereiche können nicht wegen der bidirektionalen Strömung des Mediums den Vektor der resultierenden Geschwindigkeit untergeordnet werden.
Dabei ist es vorteilhaft, dass das Vorflügelelement mit dem Hauptflügelelement in einer Ebene angeordnet ist, so dass im Umriss ein Gesamtprofil resultiert.
Vorteilhaft ist es ferner, dass das Vorflügelelement und das Hauptflügelelement symmetrisch ausgebildet ist, was u.a. die Fertigung des Rotorblattes vereinfacht. Ein weiterer Vorteil wird darin gesehen, dass das Vorflügelelement und das Hauptflügelelement in einem vorbestimmten Abstand s zueinander angeordnet sind.
Forteilhaft ist es weiterhin, dass das Vorflügelelement im Querschnitt sehr viel kleiner ist als das Hauptflügelelement .
Vorteilhaft ist es ferner, dass das Vorflügelelement Teil des gesamten
Strömungsprofils ist.
Ebenso ist es vorteilhaft, dass die Spaltbreite s zwischen dem Vorflügelelement und dem Hauptflügelelement bei rechteckiger Flügeldraufsicht über die gesamte Länge des Vorflügelelements im Wesentlichen konstant ist, oder bei nicht rechteckiger Draufsicht proportional zur örtlichen Sehne des Profils ist.
Vorteilhaft ist es ferner, dass das Vorflügelelement fest und/oder beweglich angeordnet ist.
Vorteilhaft ist es auch, dass zur Begrenzung der Spaltbreite s einstellbare
Begrenzungselemente oberhalb und unterhalb des Vorflügelelements angeordnet sind.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der bewegliche Vorflügelteil um seine Längsachse beweglich ausgebildet ist.
Vorteilhaft ist es ferner, dass das Vorflügelelement durch die
aero/hydrodynamische Kraft infolge der speziellen Strömungsverhältnisse in seiner Position gehalten wird.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das bewegliche Vorflügelelement eine
Längsachse aufweist, die mit dem Hauptflügelelement in Verbindung steht. Ein weiterer Vorteil wird darin gesehen, dass die Sperre des
Begrenzungselements zu Steuerungszwecken aufgehoben werden kann, um damit einen Bremseffekt zu bewirken.
Weiterhin ist es vorteilhaft, die Vorderkante des Vorflügelelements verstellbar zu gestalten, um damit das Gesamtprofil des Rotorblattes zu ändern.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen und der Beschreibung.
Im nun Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen im Detail näher erläutert. Es zeigt
Figur 1 eine schematische perspektivische Draufsicht auf die
Drehachse (3) der Rotationsebene und deren unmittelbare Umgebung eines Flügelrades (1 ) einer Wells-Turbine;
Figur 2 einen schematischen Querschnitt eines Flügelprofils (4) einer
Wells-Turbine aus dem Stand der Technik, auf das eine
Mediumsströmung (7) einwirkt;
Figur 3 ein Vektordiagramm einer schematisierten Flügelebene (8) eines Flügels aus dem Stand der Technik, auf den eine resultierende Strömungsgeschwindigkeit vr einwirkt;
Figur 4 das Vektordiagramm eines Flügelrads (T) in verschiedenen
Abschnitten eines symmetrischen Rotorblattprofils (14) und seiner örtlichen Anstellwinkel α, a';
Figur 5 eine graphische Darstellung des Leistungsbeiwertes cN als
Funktion der Schnelllaufzahl V/w des Verhältnisses der Geschwindigkeit V zur Relativgeschwindigkeit w des Mediums bei zwei verschiedenen Winkeln γ1 und γ 2, wobei γ 1 < γ 2 ist;
Figur 6a einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen
Gesamtflügelprofils (14') mit dem Hauptflügelelement (15) und einem fest angeordneten Vorflügelelement (16); einen schematischen Querschnitt eines weiteren
erfindungsgemäßen Gesamtflügelprofils (14") mit dem
Hauptflügelelement (15) und einem beweglich angeordneten Vorflügelelement (16"); eine schematische perspektivische Darstellung eines
Abschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels des
Hauptflügelelements (15') mit einem im Profil des
Hauptflügelelements (15') integriertem beweglichen
Vorflügelelement (16") in der Umgebung der Nabe (13) an der Drehachse (3) eines Flügelrades (1 "); eine graphische Darstellung der Gleitzahl, als Verhältnis des Auftriebswertes ca zum Windwiderstandswert cw, als
Funktion der Streckung des Verhältnisses der Dicke g des Flügelprofils zur Breite I des Flügelprofils.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Draufsicht auf die
Rotationsebene eines Flügelrads 1 in unmittelbarer Umgebung der Drehachse 3 eines Flügelrads 1 , einer im Stand der Technik bekannten Wells-Turbine, deren einzelne Flügelblätter 2 im Querschnitt symmetrisch und relativ dick sind, wobei unter Dicke die Strecke g zwischen den sich gegenüber liegenden Extrema des Profils des Flügels 2 verstanden wird. Die Wells-Turbine ist eine spezielle Luft- Turbine, die im Allgemeinen in sog. Wellenkraftwerken mit schwingender Wassersäule eingesetzt wird. Die Wells-Turbine arbeitet bei gleichbleibender Drehrichtung, unabhängig von der Strömungsrichtung des jeweiligen Mediums. Die Mittelebene des Flügelprofils liegt dabei in der Rotationsebene der Turbine und senkrecht zur Strömungsrichtung. Die Drehachse 3 steht senkrecht zur Rotationsebene des Flügelrades.
Im Allgemeinen ist der Wirkungsgrad der Wells-Turbine geringer als der
Wirkungsgrad einer Turbine mit asymmetrischem Flügelblattprofil und
gleichbleibender Strömungsrichtung, weil einerseits der Widerstandsbeiwert cw größer ist und andererseits ist das symmetrische Profil besonders empfindlich gegen zu hohe Anstellwinkel a, wie sie bei stark schwankenden
Strömungsgeschwindigkeiten in den Geschwindigkeitsmaxima auftreten. Dabei kommt es häufig zum Strömungsabriss, so dass der Auftrieb beeinträchtigt wird. Ein weiterer Nachteil liegt in der erschwerten Selbstanlauffähigkeit, so dass anfänglich der Generator als Motor betrieben werden kann, was selbstverständlich den Wirkungsgrad mindern würde.
Die Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines symmetrischen
Flügelprofils 4, an dem die resultierende Kraftkomponente 6 unter einem bestimmten Winkel φ zur Drehachse 3 infolge einer Mediumsströmung 7 angreift. Die mittlere Profilebene 8 erstreckt sich vom hinteren Punkt 9 des Profils 4 zur vorderen Kante 10 des Profils und liegt parallel zur Rotationsebene des
Flügelrades 1 , 13.
Die Figur 3 zeigt das Vektordiagramm einer schematisierten Flügelebene 8 einer Wells-Turbine, auf die eine resultierende Strömungsgeschwindigkeit vr einwirkt, die einen bestimmten Anstellwinkel α zur scheinbaren gefühlten
Strömungsrichtung einnimmt. Diesem Vektordiagramm ist Folgendes zu entnehmen:
- Wenn der Winkel ß Null ist, kann die Turbine zwar in Bewegung bleiben, aber keine Nutzkraft (7) und damit auch keine Leistung entwickeln, d. h. wenn die Resultierende (6) der Kräfte (4) und (5) übereinstimmt mit der Richtung der Turbinenachse (3). Im realen Fall tritt dieser Fall bei einem kleinen Winkel φ ein, bestimmt durch den Drehwiderstand an der
Drehachse (3); oder
- wenn die Resultierende (6) hinter der Drehachse (3) liegt, dreht sich die Turbine rückwärts; oder
- dass der Winkel ß vom Anstellwinkel α abhängig ist, also dem Winkel
zwischen der scheinbaren gefühlten Strömung des Mediums und der Sehne des Profils und von der Form des Rotorblattes (4), von den
Reynoldschen Zahlen und von den geometrischen Proportionen des
Rotorflügels (4) (z. B. seiner Streckung);
- wenn also alle geometrischen Maße konstruktiv festgelegt sind, bleibt nur noch die Möglichkeit, den Winkel φ durch Verstellung des Winkels zwischen der Strömungsrichtung und der Rotorebene, zu beeinflussen. In herkömmlichen Anlagen ist das infolge des sog. Pitch-Mechanismus möglich, der den Flügel um seine Längsachse dreht.
- Bei einem bestimmten Winkel γ ist der Anstellwinkel α so groß, wie es der temporäre Widerstand an der Drehachse (3) zulässt, wobei der Widerstand hauptsächlich vom Stromgenerator, also von der Belastung des Generators bestimmt wird. Je kleiner der Widerstand, desto kleiner ist der
Anstellwinkel a, infolge der Abnahme des Winkels γ wegen der
abnehmenden Geschwindigkeit V (9) des Rotors. Wenn der Anstellwinkel zu groß ist, reißt die Strömung ab, was eine plötzliche Minderung des Auftriebs und Steigerung des Widerstands bewirkt. Somit vergrößert sich der Winkel ß auf Kosten des Winkels <p. Der Abriss der Strömung kann aber auch als Folge einer schlagartigen Zunahme der
Strömungsgeschwindigkeit w (8) eintreten, beispielsweise in Böen.
- Jede Flügelebene, deren Winkel φ größer als null ist, erzeugt Nutzkraft (7).
- Je größer der Winkel γ ist, desto größer ist die Nutzkraft (7), bei
gleichzeitiger Verringerung der resultierenden Geschwindigkeit vr (10).
- Die Nutzkraft P (7) ist neben dem Winkel φ eine Funktion des Quadrats der Geschwindigkeit vr (10). Die abgegebene Leistung N ist eine Funktion der 3. Potenz der Geschwindigkeit vr (10) und des Winkels <p. Das bedeutet, dass diese Funktionen Extrema haben müssen. Für die Leistung N ist dieses Extremum entsprechend wiedergegeben durch den Leistungsbetwert cN, was in der Fig. 5 für zwei unterschiedliche Werte des Winkels γ dargestellt ist. Dass der Leistungsbeiwert cN am größten bei kleinem Winkel γ (Pitch-Winkel) ist, bedeutet nicht, dass nur der kleinste Winkel γ nutzbar ist. Bei größeren Mediumsgeschwindigkeiten V können die Fliehkräfte und Biegemomente die Turbine zerstören oder ein
Überhitzen der Welle bewirken, was selbstverständlich vermieden werden muss.
Herkömmliche beidseitig wirkende Turbinen arbeiten teilweise im überkritischen und im kritischen Bereich, weil der Anstellwinkel α der Flügelsegmente nahe der Drehachse zu groß ist, was zu weniger Auftrieb und damit zu weniger Nutzkraft bei schnell anwachsendem Widerstand (5) führt, und letztlich zur Verminderung des Nutzkraftwinkels φ und damit auch zur Minderung der Nutzkraft (7). Dieses Problem wird im Allgemeinen durch Schränkung des Flügels gemindert, was hier jedoch keine Rolle spielen sollte, weil derartige Rotorblätter entgegen ihrer Drehebene symmetrisch sein sollten. Die Grenzwerte der Anstellwinkel bis zum Abriss der Strömung liegen zwischen 10° - 15°, abhängig vom Profil, von der Rauigkeit der Oberfläche des Flügels, von den Reynoldschen Zahlen und von den Turbulenzen der Strömung des Mediums.
Die Figur 4 zeigt ein Vektordiagramm eines symmetrischenRotorblattes 14 in verschiedenen Abschnitten und seinem örtlichen Anstellwinkel a. Die Rotorblätter 14 sind an einer Nabe 13 auf einer Drehachse 3 auf herkömmliche Art und Weise befestigt. Die Fig. 4 veranschaulicht darüber hinaus, wie sich die resultierende Geschwindigkeit (10) und die Anstellwinkel α, a' auf verschiedene Radien des Rotorblattes 14 auswirken.
Siehe Tabelle I .
Tabelle I zeigt wie sich die Anstellwinkel α für zwei beispielhafte Verhältnisse der Geschwindigkeit des Blattendes ior (9) zur relativen Geschwindigkeit des Medium w (8) für ungeschränkte Rotorflügel, also für den Fall der beidseitig wirkenden Turbine, auswirken.
Die Figur 5 zeigt eine graphische Darstellung des Leistungsbeiwertes cN als Funktion der Schnelllaufzahl V/w des Verhältnisses der Geschwindigkeit V des Strömungsmediums zur Relativgeschwindigkeit w des Mediums bei zwei verschiedenen Winkeln γ 1 und γ 2, wobei γ 1 < γ 2 ist. Hieraus, ist u.a.
ersichtlich, dass je größer der Winkel γ ist, desto früher setzt das Maximum des Leistungsbeiwertes cN ein. Ferner zeigt das Diagramm, dass das Maximum des Leistungsbeiwertes cN, umso größer ist, desto kleiner der Winkel γ ist. Für die Leistung N ist dieses Extremum entsprechend wiedergegeben durch den
Leistungsbeiwert cN. was in der Fig. 5 für zwei unterschiedliche Werte des Winkels γ wiedergegeben ist. Dass der Leistungsbeiwert cN am größten bei kleinem Winkel γ (Pitch-Winkel) ist, bedeutet nicht, dass nur der kleinste Winkel γ nutzbar ist.
Die Fig. 6a und 6b zeigen zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Flügelprofils 14', 14" mit einem Hauptflügelelement 15 und einem vor der runden Kante 10 des Flügelprofils 15 angeordnetes symmetrisches Vorflügelelement 16, 16'. In Fig. 6a liegt das Vorflügelelement 16 in der Ebene 17, die durch die Eckpunkte 9 und 10 der hinteren Kante 9 und der vorderen runden Kante 10 des Profils des
Hauptflügelelements 15 aufgespannt wird. Das Vorflügelelement 16 ist in einem vorbestimmten Abstand s zur runden Kante 10 des Hauptflügelelements 15 fest angeordnet. Wird das Gesamtprofil 14' von einer Mediumströmung 7 umströmt, so strömt ein Teil der Strömung durch den Spalt s und ein weiterer Teil umströmt die Spitze 10', wodurch eine zusätzliche Auftriebskomponente gebildet wird, die die Ebene 17 um einen kleinen spitzen Winkel κ neigt.
Das Prinzip der (Quasi) Hubverstellung ist in Fig. 6a und 6b veranschaulicht. Dabei ist die Profilsehne (17) die Diagonale zwischen dem hinteren Ende 9 des Hauptflügelelements 15 und der vorderen Kante 10 des Vorflügelelements 16, 16', also dem zusammenwirkenden Gesamtprofils 14', 14", so dass sich die
Profilebene 17, 17' entgegen der Strömungsrichtung um einen bestimmten kleinen spitzen Winkel neigt (s. Fig. 6a, 6b), wodurch eine zusätzliche Nutzkraft entsteht, die das Anlaufen eines Rotors erleichtert.
Die Spalte s zwischen Hauptflügelelement 15 und Vorflügelelement 16, 16' ist die Stelle, an der der Druck am geringsten ist. Deswegen sorgt diese Stelle für eine gute Versorgung des umströmenden Mediums, wodurch das Ablösen der
Grenzschicht auf der Leeseite des Haupflügelelements 15 verhindert wird, was von großer Bedeutung für die Umgebung der Drehachse 3 ist. Ebenso wichtig ist es für die Anlaufphase im Bereich des Flügelendes, während die
Umlaufgeschwindigkeit v relativ zur Geschwindigkeit w des Mediums klein ist.
Die Figur 6b zeigt ebenfalls einen schematischen Querschnitt eines
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Flügelprofils 14" mit dem
Hauptflügelelement 15 und einem vor der runden Kante 10 des
Hauptflügelelements 15 des Flügelprofils 14" beweglich angeordneten
symmetrischen Vorflügelelement 16', das im Querschnitt ähnlich dem
Hauptflügelelement 15 ist, aber sehr viel kleiner. Dieses Vorflügelelement 16' weist im vorderen Bereich eine Drehachse 11 auf, um die das Vorflügelelement 16' um einen vorbestimmten Winkel drehbar gelagert ist. Die Drehachse 11 erstreckt sich über die gesamte Länge des Vorflügelelements 16'. Der Drehwinkel ε wird mittels zweier Begrenzungselemente 12, 12' eingestellt, die an geeigneter Position am Hauptflügelelement 15 befestigt sind. Wird das Gesamtprofil 14" von einer Mediumsströmung 7 umströmt, so strömt ein Teil der Strömung durch den Spalt s und ein weiterer Teil umströmt die Spitze 10' des Vorflügelelements 16', wodurch, genau wie weiter oben beschrieben, eine zusätzliche
Auftriebskomponente gebildet wird, die die Ebene 17 um einen kleinen spitzen Winkel M neigt. Die Figur 7 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Abschnitts des Hauptflügelelements 15' mit einem im Profil integrierten Vorflügelelement 16" in der Umgebung der Drehachse 3 eines erfindungsgemäßen Flügelrads 1 ". Das Hauptflügelelement 15' ist an der Nabe 13 des Flügelrades 1 " mit herkömmlichen Mitteln befestigt. Am Hauptflügelelement 15' ist in einem Ausschnitt des
Hauptflügelelements ein Vorflügelelement 16" befestigt, das im Profil des
Hauptflügelelements 15' integriert ist, so dass die vordere Kante 10 des
Hauptflügelelements 15' mit der vorderen Kante 10' des Vorflügelelements 16" nahezu übereinstimmt, bzw. fluchtet. Dabei ist es gleichgültig, ob das
Vorflügelelement 16" fest oder beweglich angeordnet ist. Die Drehachse 1 1 des Vorflügelelements 16" ist seitlich am Hauptflügelelement 15 befestigt und kann, wenn die Voraussetzungen gegeben sind, nach vorn bzw. nach hinten verschoben werden.
Die Figur 8 zeigt eine graphische Darstellung der relativen Gleitzahl des
Auftriebwertes ca/cw (relative Gleitzahl) als Funktion der relativen Dicke g des Hauptflügelelements 15 im Verhältnis zu seiner Breite I. Die Kurve 19 verbindet errechnete Werte aus Messpunkten, die bei Versuchen und Experimenten am erfindungsgemäßen Rotorblatt 14' aufgenommen wurden. Die Kurve zeigt darüber hinaus, dass die relative Gleitzahl (ca/cw) kleiner wird, je größer die relative Dicke (g/l) des Rotorblattes wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Rotorblatt zur Erzeugung einer resultierenden Kraft (F) auf die
Längsachse des Rotorblattes, bestehend aus mindestens einem
Hauptflügelelement (15) und einem Vorflügelelement (16, 16'), die hintereinander angeordnet sind, gekennzeichnet durch das aerodynamische Zusammenwirken zwischen dem Vorflügelelement (16, 16') und dem Hauptflügelelement (15) derart, dass die resultierende Kraftrichtung (F) auf die Längsachse des Rotorblattes von der
Strömungsrichtung des anströmenden Mediums (7) unabhängig ist.
Rotorblatt nach Anspruch 1 , dad urch gekennzeichnet, dass das Vorflügelelement (16, 16') mit dem Hauptflügelelement (15) in einer Ebene angeordnet ist, so dass im Umriss ein Gesamtprofil resultiert.
Rotorblatt nach Anspruch 1 , dadurch geken nzeich net, dass das Vorflügelelement (16, 16') und das Hauptflügelelement (15) symmetrisch ausgebildet ist.
Rotorblatt nach Anspruch 1 , dadurch geken nzeich net, dass das Vorflügelelement (16, 16') und das Hauptflügelelement (15) in einem vorbestimmten Abstand s zueinander angeordnet sind.
5. Rotorblatt nach Anspruch 1 , dad u rc h geken nzeic h net, dass das Vorflügelelement (16, 16') im Querschnitt sehr viel kleiner ist als das Hauptflügelelement (15).
6. Rotorblatt nach Anspruch 1 , dad urc h gekennzeich net, dass das Vorflügelelement (16, 16') Teil des Gesamtprofils (14', 14") ist.
7. Rotorblatt nach Anspruch 1 , dad u rch gekennzeic hnet, dass die
Spaltbreite s zwischen dem Vorflügelelement (16) und dem
Hauptflügelelement (15) im Wesentlichen konstant ist.
8. Rotorblatt nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dad urch
gekennzeichnet, dass das Vorflügelelement (16, 16') fest und/oder beweglich angeordnet ist.
9. Rotorblatt nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dad urc h
gekennzeich net, dass zur Begrenzung der Spaltbreite s einstellbare Begrenzungselemente (12, 12') oberhalb und unterhalb des
Vorflügelelements (16') angeordnet sind.
10. Rotorblatt nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dad u rch
geken nzeichnet, dass der bewegliche Vorflügelteil (16') um seine Längsachse (1 1 ) beweglich angeordnet ist.
1 1. Rotorblatt nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da d u r c h
gekennzeichnet, dass die Stabilität des Vorflügelelements (16', 16") durch die aero/hydrodynamischen Kräfte am Vorflügelelement (16', 16") eingestellt wird.
12. Rotorblatt nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dad u rch
gekennzeich net, dass das bewegliche Vorflügelelement (16', 16") eine Längsachse (11) aufweist, die mit dem Hauptflügelelement (15) in Verbindung steht.
13. Rotorblatt nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
geken nzeichnet, dass die Sperre der Begrenzungselemente (12, 12') aufgehoben werden kann.
14. Verfahren zur Erzeugung einer resultierenden Kraft (F) auf die
Längsachse eines Rotorblattes (14', 14"), bestehend aus mindestens einem Hauptflügelelement (15) und einem Vorflügelelement (16, 16'), die hintereinander angeordnet sind, d a d u r c h geken nzeich net, dass
infolge des aerodynamischen Zusammenwirkens zwischen
dem Vorflügelelement (16, 16') und dem Hauptflügelelement
(15) die Profilebene (17) leicht entgegen der jeweiligen
Strömungsrichtung (7) geneigt wird.
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