WO2017129580A1 - Rotorblatt - Google Patents

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WO2017129580A1
WO2017129580A1 PCT/EP2017/051473 EP2017051473W WO2017129580A1 WO 2017129580 A1 WO2017129580 A1 WO 2017129580A1 EP 2017051473 W EP2017051473 W EP 2017051473W WO 2017129580 A1 WO2017129580 A1 WO 2017129580A1
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WO
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rotor blade
rotor
line
hub
spiral
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/051473
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Liess
Original Assignee
Bockemühl, Birgit
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 Bockemühl, Birgit filed Critical Bockemühl, Birgit
Publication of WO2017129580A1 publication Critical patent/WO2017129580A1/de

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    • 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
    • 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
    • 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
    • F05B2250/15—Geometry two-dimensional spiral
    • 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 invention relates to a rotor blade for wind power plants with a hub and a rotor, which is convexly curved in its course in the direction of rotation, and a wind turbine equipped with at least one such rotor blade.
  • Wind turbines now make a significant contribution to the energy supply. However, a further expansion is often countered by concerns and resistance of the affected residents.
  • One of the arguments put forward is the noise pollution caused by the rotating rotors.
  • the rotors generate low-frequency sound, which is perceived by many people and animals as unpleasant.
  • part of the noise is due to the fact that the negative pressure area that arises behind each wing, past the tower and the flow around the tower is changed by the wind. This causes a noise occurring with the wing frequency.
  • the negative pressure area In the case of straight, radial wings, the negative pressure area also runs radially and simultaneously acts over the entire length of the wing when passing the tower. This causes a strong disturbance.
  • a disadvantage of this design is the strong curvature of the rotor blades, which at higher load leads to a "flapping" and swinging of the ends of the rotor blades in particular, which can lead to considerable damage - even destruction - in strong winds It has been shown that the curvature of the rotor blades can effectively reduce the noise and the negative effects on the transmission of force.For the course of the rotor blades derived from the circular form in DE 197 80 521 B4, it has also been shown that the power of a rotor equipped in this way is that of a rotor conventional rotor with radially extending rotor blades is comparable.
  • the invention is therefore based on the object to design rotor blades of the type described so that the advantages of the curved rotor blades from DE 197 80 521 B4 on the one hand remain, on the other hand, the disadvantages in stability are resolved.
  • the alignment line of the rotor blade is inclined compared to a radial line g against the direction of rotation of the rotor, whereby due to the spiraling curvature of the alignment line this inclination increases from the inside to the outside.
  • d ⁇ 0.8 r, where r is the radius of the rotor of the wind turbine and d is the deflection of the rotor blade tip against the straight line g and
  • the rotor blade according to the invention is curved, wherein the curvature on the hub side is stronger than in the further course of the rotor blade. In fact, the curvature over the course of the rotor blade decreases more or less continuously to the outside. The curvature is thereby determined on the basis of the course of the alignment line of the airfoils of the rotor blade in the projection of the rotor blade on a plane perpendicular to the axis of rotation of the hub.
  • the wind turbine is otherwise a conventional wind turbine with the usual facilities for transmitting the rotor generated force to a generator.
  • a wind turbine has three rotor blades which are coupled to the hub.
  • the axis of rotation is understood according to the invention as the axis passing through the center of the hub.
  • the axis of rotation of the hub passes through the center of the circle defined by the rotor blades during rotation.
  • the alignment line or center line running through the rotor blade is decisive.
  • the centerline or line-of-sight may be displaced away from the convex front edge of the rotor blade to the rear concave edge of the rotor blade, for example T so as to divide the rotor blade in a ratio of 60/40.
  • This line of line starts from the outer circle of the hub and tilts in relation to a radial line g against the direction of rotation of the rotor, whereby due to the spiral curvature of the alignment line this inclination increases from the inside to the outside.
  • the line-up or center line of the rotor blade leans on the hub side tangentially to a straight line extending from the center of the hub. The distance of the tip of the rotor blade from a radial straight line through the axis and the inner end point of the Line-up is the deflection d of the rotor blade as the amount of curvature.
  • the deflection d is smaller than the radius r of the rotor circuit, namely smaller than 0.8 r.
  • the deflection is d ⁇ 0.65 r.
  • d > 0.3 r.
  • the limits 0.8 r and 0.3 r define a region or corridor within which d moves as a function of the radius r of the circle defined by the rotor blades. It is always true that d is less than r.
  • the curvature of the rotor blade does not correspond to the circular shape. It also follows that the convex front edge of the rotor blade also has an outwardly decreasing curvature.
  • the arcing or centerline of the rotor blade is a portion of an outwardly flared spiral. This means that the curvature of the rotor blade decreases outwardly but does not reach the state of full extension. Preferably, the decrease in the curvature towards the outside, ie the extension to the end of the rotor blade, is continuous. Preferably, the centerline follows a portion of a Fibonacci spiral or, more preferably, a logarithmic spiral.
  • a logarithmic spiral is a spiral in which, with each revolution around its center, the distance from that center changes by the same factor. Every straight line through the center intersects the logarithmic spiral at the same angle.
  • Logarithmic spirals play a larger role in living nature, such as the blueprint of snail shells, the arrangement of sunflower nuclei, trajectories of insects approaching a target, and the housing of a nautilus.
  • Logarithmic spiral structures are also found in fluid dynamic systems. These structures have proven to be logistically and energetically advantageous and are generally perceived as aesthetically harmonious and pleasing.
  • a rotor blade according to the invention can have a profile known and familiar from aviation. Preference is given to NACA profiles, which have proven themselves both in aviation and in the design of rotor blades. NACA profiles 4415 and 4418 should be mentioned here, for example. NREL profiles, such as the NREL S 834 profile, can also be used. The profile of the rotor blades preferably continuously transitions into a hub cone in the area of the hub, resulting in a stable connection to the Hub is reached. It is understood that the profile of the rotor blade can be varied over its length for aerodynamic reasons.
  • an inventive rotor blade is created in shell construction, that is, it consists of an upper shell and a lower shell, which are connected to the rotor blade.
  • straps and / or struts may be for reinforcement.
  • cavities are present, they can be foamed, for example with rigid polyurethane foam, which gives additional stability.
  • weights may be incorporated in the region of the tips of a rotor blade according to the invention.
  • the invention also relates to a wind power plant which is equipped with rotor blades according to the invention.
  • a wind turbine can be designed, for example, single-leaf, double-leafed or dreierielig.
  • three-bladed rotors are characterized by a quiet and low-vibration operation. If they are equipped with rotor blades according to the invention, the noise continues to drop.
  • the wing profiles are not threaded on a radial line as in a straight rotor blade, but on a curved line. Therefore, here are the rotor blades, especially in the outdoor area during operation obliquely to the inflow.
  • the flow conditions are comparable to the obliquely flowed cylinder; the formation of the Karman vortex street at the trailing edge of the wings is disturbed and the noise caused thereby reduced.
  • the formation of the so-called Tipwirbel at the top of the rotor blades, which contribute significantly to the noise generation is obstructed by the tilt of the wing tips and thus reduces the noise pollution.
  • part of the noise is also due to the fact that the negative pressure area that forms behind each rotor blade, past the tower and thereby the flow around the tower is changed by the wind. This causes a noise occurring with the wing frequency.
  • the negative pressure area is straight and, as it passes the tower, strikes it at the same time over the entire length of the rotor blade, causing a great disturbance.
  • this noise is greatly reduced because the curved shape of the negative pressure area is also curved, so that when passing the tower at any moment only a portion of the negative pressure area passes through the tower and the disturbance of the Turmumströmung is less than with straight wings.
  • the dynamic pressure which occurs when a rotor blade passes through the tower, is lower than with a stretched rotor blade, since the passage of the rotor blade is stretched in time due to the curvature. This reduces the difference between the load of the lower rotor blade in the area of the tower and the upper rotor blades with the result of less interaction with the drive train.
  • the curvature of the rotor blades according to the invention is dimensioned such that the advantages of the curvature with respect to the tower passage are maintained, but at the same time the stability is markedly improved.
  • FIG. 1 shows a rotor 1 of a wind power plant with a central hub 3 and rotor blades 2 of the same length regularly attached thereto.
  • the rotor blades 2 have a curvature, the convex side facing in the direction of rotation; the back is concave.
  • the wing tips are cut off in the illustrated case, but may also be rounded or take on a different shape.
  • the alignment line B is shown in the upper rotor blade 2, on the basis of which the curvature is measured.
  • the further alignment lines C and D relate to larger diameter rotors, which will be discussed below.
  • the line B of the upper rotor blade 2 tilts in relation to a radial line g against the direction of rotation of the rotor, whereby due to the spiral curvature of the alignment line this inclination from the inside to increases outside.
  • the deflection d of the alignment line is defined by means of the straight line g which extends from the center of the hub 3, which simultaneously represents the axis of rotation of the rotor 1, through the inner end point of the alignment line at the outer edge of the hub.
  • the illustrated rotor defines a circle of radius r, the outer end of the rotor blade 2, measured from the end of the alignment line, has a distance d to the straight line g.
  • d is the deflection of the curved rotor blade with respect to straight line g. It holds that d ⁇ 0.8 r.
  • r is 1.80 m.
  • d is 1, 06 m, and thus corresponds to 0.58 r and is therefore greater than 0.3 r and less than 0.8 r.
  • Rotor blades are for larger rotors with radii of e.g. 15 m (C) or 31 m (D) determined.
  • the deflections with respect to the straight line g are 6.62 m (C) and 1 1, 39 m (D).
  • d corresponds to 0.44 r (C) or 0.37 r (D).
  • the ratio d / r is between 0.35 and 0.60, with the smaller value for large radius rotors and the larger value for those with small radii down to 1 m.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt (2) für Windkraftanlagen mit einer Nabe (3) und einem Rotor (1), das in seinem Verlauf in Rotationsrichtung konvex gekrümmt ist, wobei die Krümmung, gemessen entlang der Aufreihungslinie des Rotorblatts (2) und ausgehend von der Drehachse der Nabe (3), ein Abschnitt einer Spirale ist, deren Krümmung nach außen hin abnimmt, und wobei kumulativ gilt: (a) Die Aufreihungslinie des Rotorblatts (2) neigt sich im Vergleich zu einer radialen Linie g gegen die Drehrichtung des Rotors (1), wobei durch die spiralförmige Krümmung der Aufreihungslinie diese Neigung von innen nach außen zunimmt. (b) d < 0,8 r, wobei r der Radius des Rotors (1) der Windkraftanlage ist und d die Auslenkung der Rotorblattspitze gegen die Gerade g; und (c) d > 0,3 r.

Description

Rotorblatt Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für Windkraftanlagen mit einer Nabe und einem Rotor, das in seinem Verlauf in Rotationsrichtung konvex gekrümmt ist sowie eine mit wenigstens einem solchen Rotorblatt ausgestattete Windkraftanlage.
Windkraftanlagen leisten inzwischen einen erheblichen Beitrag zur Energieversorgung. Einem weiteren Ausbau stehen allerdings vielfach Bedenken und Widerstände der betroffenen Anlieger entgegen. Eines der geltend gemachten Argumente ist die Lärmbelastung durch die sich drehenden Rotoren. Die Rotoren erzeugen niederfrequenten Schall, der von vielen Menschen und Tieren als unangenehm wahrgenommen wird. Bei Windkraftanlagen kommt ein Teil des Lärms dadurch zustande, dass der Unterdruckbereich, der hinter jedem Flügel entsteht, an dem Turm vorbeistreicht und die Umströmung des Turms durch den Wind verändert wird. Dies verursacht ein mit der Flügelfrequenz auftretendes Rauschen. Bei geraden, radialen Flügeln verläuft der Unterdruckbereich ebenfalls radial und wirkt beim Vorbeistreichen am Turm gleichzeitig über die gesamte Flügellänge. Dies verursacht eine starke Störung.
Die gleiche Störung hat auch Rückwirkungen auf die Rotorwelle, über die der Rotor an den Generator gekoppelt ist, und auf das Getriebe. Insbesondere das Getriebe leidet unter den dadurch ausgeübten Kräften und unterliegt einem vorzeitigen Verschleiß. Aus der DE 197 80 521 B4 ist ein Windkraftrotor bekannt, dessen Rotorblätter nicht radial sondern gekrümmt entlang einer Kreislinie verlaufen. Das spezielle Design der Rotorblätter geht auf eine Idee von Prof. Michael Bockemühl zurück. Ein Nachteil dieses Designs ist die starke Krümmung der Rotorblätter, die bei stärkerer Belastung zu einem„Flattern" und Schwingen insbesondere der Enden der Rotorblätter führt. Bei starkem Wind kann dies zu erheblichen Schäden - bis hin zur Zerstörung - führen. Andererseits hat sich an Modellen gezeigt, dass die Krümmung der Rotorblätter den Lärm und die negativen Auswirkungen auf die Kraftübertragung wirksam zu vermindern vermag. Für den in DE 197 80 521 B4 von der Kreisform abgeleiteten Verlauf der Rotorblätter hat sich ferner gezeigt, dass die Leistung eines so ausgestatteten Rotors der eines herkömmlichen Rotors mit radial verlaufenden Rotorblättern vergleichbar ist.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, Rotorblätter der eingangs bezeichneten Art so zu gestalten, dass die Vorteile der gekrümmten Rotorblätter aus der DE 197 80 521 B4 einerseits erhalten bleiben, andererseits aber die Nachteile bei der Stabilität behoben werden.
Diese Aufgabe wird mit einem Rotorblatt der eingangs bezeichneten Art gelöst, bei dem die Krümmung, gemessen entlang der Aufreihungslinie des Rotorblatts und ausgehend von der Nabe, ein Abschnitt einer Spirale ist, deren Krümmung nach außen hin abnimmt, wobei kumulativ gilt, dass
(a) die Aufreihungslinie des Rotorblatts sich im Vergleich zu einer radialen Linie g gegen die Drehrichtung des Rotors, neigt, wobei durch die spiralförmige Krümmung der Aufreihungslinie diese Neigung von innen nach außen zunimmt. (b) d < 0,8 r, wobei r der Radius des Rotors der Windkraftanlage ist und d die Auslenkung der Rotorblattspitze gegen die Gerade g und
(c) d > 0,3 r ist. Das erfindungsgemäße Rotorblatt ist gekrümmt, wobei die Krümmung an der Nabenseite stärker ist als im weiteren Verlauf des Rotorblatts. Tatsächlich nimmt die Krümmung über den Verlauf des Rotorblatts nach außen mehr oder weniger kontinuierlich ab. Die Krümmung bestimmt sich dabei anhand des Verlaufs der Aufreihungslinie der Flügelprofile des Rotorblatts in der Projektion des Rotorblattes auf eine Ebene senkrecht zur Drehachse der Nabe.
Die Windkraftanlage ist ansonsten eine übliche Windkraftanlage mit den üblichen Anlagen zur Übertragung der vom Rotor erzeugten Kraft auf einen Generator. In der Regel verfügt eine solche Windkraftanlage über drei Rotorblätter, die an die Nabe gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist es aber ohne weiteres möglich, insbesondere bei kleineren Durchmessern des Rotors, etwa 2 bis 6 m, drei Rotorblätter unmittelbar als Einheit zu gestalten, deren Zentrum die Nabe bildet. Dies ermöglicht eine optimale Anpassung der dem Luftstrom zugewandten Nabenfläche an das Profil der Rotorblätter. Es ist ferner möglich, eine andere Zahl von Rotorblättern vorzusehen, etwa Windkraftanlagen mit einem, zwei oder vier Rotorblättern.
Als Drehachse wird erfindungsgemäß die Achse verstanden, die durch das Zentrum der Nabe verläuft. Die Drehachse der Nabe geht durch den Mittelpunkt des Kreises der von den Rotorblättern bei der Drehung definiert wird. Für die Gestaltung des erfindungsgemäßen Rotorblatts ist die durch das Rotorblatt verlaufende Aufreihungslinie oder Mittellinie maßgeblich. Die Mittellinie oder Aufreihungslinie kann dabei vom konvexen vorderen Rand des Rotorblatts weg zum hinteren konkaven Rand des Rotorblatts verschoben sein, beispielsweiseT so dass sie das Rotorblatt im Verhältnis 60/40 teilt. Diese Aufreihungslinie geht vom Außenkreis der Nabe aus und neigt sich im Vergleich zu einer radialen Linie g gegen die Drehrichtung des Rotors, wobei durch die spiralförmige Krümmung der Aufreihungslinie diese Neigung von innen nach außen zunimmt. Vorzugsweise lehnt sich die Aufreihungs- oder Mittellinie des Rotorblatts nabenseitig tangential an eine radial vom Zentrum der Nabe ausgehende Gerade an. Der Abstand der Spitze des Rotorblatts von einer radialen Geraden durch die Achse und den inneren Endpunkt der Aufreihungslinie ist die Auslenkung d des Rotorblatts als Ausmaß der Krümmung.
Erfindungsgemäß ist die Auslenkung d kleiner als der Radius r des Rotorkreises, nämlich kleiner als 0,8 r. Vorzugsweise ist die Auslenkung d < 0,65 r.
Gleichzeitig gilt, dass d > 0,3 r. Die Grenzen 0,8 r und 0,3 r definieren einen Bereich oder Korridor, innerhalb dessen sich d in Abhängigkeit vom Radius r des von den Rotorblättern definierten Kreises bewegt. Immer gilt, dass d kleiner ist als r. Die Krümmung des Rotorblatts entspricht nicht der Kreisform. Es ergibt sich ferner, dass auch der konvexe vordere Rand des Rotorblatts eine nach außen abnehmende Krümmung aufweist.
Vorzugsweise gilt, dass 0,65 r > d > 0,3 r, besonders bevorzugt 0,6 r > d > 0,35 r. Bei kleinen Radien des Rotors ist eine stärkere Krümmung des Rotorblattes auch aus ästhetischen Gründen sinnvoll und wenig nachteilig für die Stabilität. Bei größeren Radien ist eine stärkere Streckung der Rotorblätter sinnvoll, wobei die Krümmung so stark sein sollte, dass sich die Geräuschentwicklung im Rahmen hält und die Wechselwirkung zwischen Rotorblatt und Mast der Windkraftanlage gering bleibt.
Die Aufreihungs- oder Mittellinie des Rotorblatts stellt einen Abschnitt einer sich nach außen erweiternde Spirale dar. Dies bedeutet, dass sich die Krümmung des Rotorblatts nach außen hin vermindert, ohne aber den Zustand der vollständigen Streckung zu erreichen. Vorzugsweise ist die Abnahme der Krümmung nach außen hin, also die Streckung zum Ende des Rotorblatts, kontinuierlich. Vorzugsweise folgt die Mittellinie einem Abschnitt einer Fibonacci- Spirale oder, besonders bevorzugt, einer logarithmischen Spirale.
Aus dem gestreckt spiraligen Verlauf der Aufreihungslinie folgt auch, dass der konvexe Rand des Rotorblatts einen gestreckt spiraligen Verlauf nimmt. Eine logarithmische Spirale ist eine Spirale, bei der sich mit jeder Umdrehung um ihren Mittelpunkt der Abstand von diesem Mittelpunkt um den gleichen Faktor verändert. Jede Gerade durch den Mittelpunkt schneidet die logarithmische Spirale unter dem gleichen Winkel. Logarithmische Spiralen spielen in der belebten Natur eine größere Rolle, etwa im Bauplan von Schneckenhäusern, bei der Anordnung von Kernen der Sonnenblume, in Flugbahnen von Insekten bei der Annäherung an ein Zielobjekt und im Gehäuse eines Nautilus. Logarithmisch spiralförmige Strukturen finden sich ferner in fluiddynamischen Systemen. Diese Strukturen haben sich als logistisch und energetisch vorteilhaft erwiesen und werden allgemein als ästhetisch harmonisch und angenehm empfunden.
Ein erfindungsgemäßes Rotorblatt kann ein aus der Aviatik bekanntes und übliches Profil aufweisen. Bevorzugt sind NACA-Profile, die sich sowohl in der Luftfahrt als auch bei der Gestaltung von Rotorblättern bewährt haben. Zu nennen wären hier beispielsweise die NACA-Profile 4415 und 4418. Weiterhin kommen beispielsweise NREL-Profile infrage, etwa das Profil NREL S 834. Das Profil der Rotorblätter geht vorzugsweise im Bereich der Nabe kontinuierlich in einen Nabenkegel über, wodurch eine stabile Anbindung an die Nabe erreicht wird. Es versteht sich, dass das Profil des Rotorblatts aus aerodynamischen Gründen über dessen Länge variiert werden kann.
Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßes Rotorblatt in Schalenbauweise erstellt, das heißt, es besteht aus einer Oberschale und einer Unterschale, die zum Rotorblatt verbunden werden. Innerhalb der Schalenkonstruktion können sich Stege, Gurte und/oder Streben zur Verstärkung befinden. Soweit Hohlräume vorhanden sind, können diese ausgeschäumt sein, beispielsweise mit Polyurethanhartschaum, der zusätzliche Stabilität verleiht. Zur Dämpfung von Schwingungen können im Bereich der Spitzen eines erfindungsgemäßen Rotorblatts Gewichte eingearbeitet sein.
Die Erfindung betrifft schließlich auch eine Windkraftanlage, die mit erfindungsgemäßen Rotorblättern ausgestattet ist. Eine solche Windkraftanlage kann beispielsweise einflügelig, zweiflügelig oder dreiflügelig ausgelegt sein. Insbesondere Dreiblattrotoren zeichnen sich durch einen leisen und schwingungsarmen Betrieb aus. Wenn sie mit erfindungsgemäßen Rotorblättern ausgestattet sind, sinkt die Geräuschentwicklung weiter ab. Beim erfindungsgemäßen Rotorblatt sind die Flügelprofile nicht wie bei einem geraden Rotorblatt auf einer radialen Linie aufgefädelt, sondern auf einer gekrümmten Linie. Deshalb stehen hier die Rotorblätter besonders im Außenbereich während des Betriebs schräg zur Zuströmung. Dadurch sind die Strömungsverhältnisse vergleichbar zum schräg angeströmten Zylinder; die Ausbildung der Karman-Wirbelstraße an der Hinterkante der Flügel ist gestört und der dadurch verursachte Lärm verringert. Auch die Ausbildung der sogenannten Tipwirbel an der Spitze der Rotorblätter, die wesentlich zur Lärmerzeugung beitragen, wird durch die Schräglage der Flügelenden behindert und damit die Lärmbelastung herabgesetzt.
Bei Windkraftanlagen kommt ein Teil des Lärms auch dadurch zustande, dass der Unterdruckbereich, der sich hinter jedem Rotorblatt bildet, an dem Turm vorbeistreicht und dadurch die Umströmung des Turms durch den Wind verändert wird. Dies verursacht ein mit der Flügelfrequenz auftretendes Rauschen. Bei geraden radialen Flügeln ist der Unterdruckbereich gerade und trifft beim Vorbeistreichen am Turm diesen gleichzeitig über die ganze Rotorblattlänge und verursacht dadurch eine starke Störung. Bei einem gekrümmten Rotorblatt ist dieser Lärm stark vermindert, da durch die gekrümmte Form der Unterdruckbereich ebenfalls gekrümmt ist, so dass beim Vorbeistreichen am Turm in jedem Moment nur ein Teil des Unterdruckbereichs den Turm passiert und die Störung der Turmumströmung geringer ist als bei geraden Flügeln.
Auch der Staudruck, der entsteht, wenn ein Rotorblatt den Turm passiert, ist geringer als bei einem gestreckten Rotorblatt, da die Passage des Rotorblatts aufgrund der Krümmung zeitlich gestreckt ist. Dadurch vermindert sich der Unterschied zwischen der Belastung des unteren Rotorblatts im Bereich des Turms und den oberen Rotorblättern mit der Folge einer geringeren Wechselwirkung mit dem Antriebsstrang. Die Krümmung der erfindungsgemäßen Rotorblätter ist so bemessen, dass die Vorteile der Krümmung hinsichtlich der Turmpassage erhalten bleiben, gleichzeitig aber die Stabilität deutlich verbessert wird.
Durch den höheren Auftrieb bei geringerem Staudruck, den gekrümmte Rotorblätter beim Turmdurchgang erfahren, steigt auch der Wirkungsgrad einer mit erfindungsgemäßen Rotorblättern betriebenen Windkraftanlage.
Anhand von Simulationsrechnungen wurde das Potenzial von Windkraftanlagen mit gekrümmten Rotorblättern gemäß der Erfindung mit dem Wirkungsgrad von herkömmlichen Windkraftan lagen verglichen. Es ergaben sich für eine Kleinanlage mit 2 kW Leistungsbeiwerte, die denen von Windanlagen mit 1 ,5 bis 2,5 MW durchaus vergleichbar waren. Bei einer Vergrößerung der Kleinanlage auf mehr als 1 MW und einer Optimierung der Flügelprofile dürfte sich eine weitere Steigerung des Wirkungsgrads ergeben.
Die Erfindung wird durch die beiliegenden Abbildungen näher erläutert es zeigen:
Figur 1 zeigt einen Rotor 1 einer Windkraftanlage mit zentraler Nabe 3 und regelmäßig daran befestigten Rotorblättern 2 gleicher Länge. Die Rotorblätter 2 weisen eine Krümmung auf, deren konvexe Seite in Rotationsrichtung weist; die Rückseite ist konkav gewölbt. Die Flügelspitzen sind im dargestellten Fall abgeschnitten, können aber auch gerundet sein oder eine andere Form annehmen.
Für den dargestellten Rotor ist im oberen Rotorblatt 2 die Aufreihungslinie B eingezeichnet, an Hand der die Krümmung bemessen wird. Die weiteren Aufreihungslinien C und D betreffen Rotoren größeren Durchmessers, auf die weiter unten eingegangen wird.
Die Aufreihungslinie B des oberen Rotorblatts 2 neigt sich im Vergleich zu einer radialen Linie g gegen die Drehrichtung des Rotors, wobei durch die spiralförmige Krümmung der Aufreihungslinie diese Neigung von innen nach außen zunimmt. Die Auslenkung d der Aufreihungslinie wird mithilfe der Geraden g definiert, die vom Zentrum der Nabe 3, die gleichzeitig die Drehachse des Rotors 1 darstellt, durch den inneren Endpunkt der Aufreihungslinie am Außenrand der Nabe verläuft. Der dargestellte Rotor definiert einen Kreis mit dem Radius r, das äußere Ende des Rotorblatts 2, gemessen anhand des Endes der Aufreihungslinie, hat einen Abstand d zur Geraden g. d ist die Auslenkung des gekrümmten Rotorblatts gegenüber Geraden g. Dabei gilt, dass d < 0,8 r.
Im dargestellten Fall beträgt r 1 ,80 m. d beträgt 1 ,06 m, und entspricht damit 0,58 r und ist folglich größer als 0,3 r und kleiner 0,8 r.
Rotorblätter, deren Aufreihungslinien durch die Kurven C und D dargestellt werden, sind für größere Rotoren mit Radien von z.B. 15 m (C) bzw. 31 m (D) bestimmt. Die Auslenkungen gegenüber der Geraden g, betragen 6,62 m (C) bzw. 1 1 ,39 m (D). d entspricht damit 0,44 r (C) bzw. 0,37 r (D). Das Verhältnis d/r liegt insbesondere zwischen 0,35 und 0,60, wobei der kleinere Wert für Rotoren mit großen Radien gilt und der größere Wert für solche mit kleinen Radien bis hinunter zu 1 m.

Claims

Patentansprüche
1 . Rotorblatt für Windkraftanlagen mit einer Nabe (3) und einem Rotor (1 ), das in seinem Verlauf in Rotationsrichtung konvex gekrümmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung, gemessen entlang der Aufreihungslinie des Rotorblatts (2) und ausgehend von der Drehachse der Nabe (3), ein Abschnitt einer Spirale ist, deren Krümmung nach außen hin abnimmt, wobei kumulativ gilt:
(a) die Aufreihungslinie des Rotorblatts (2) neigt sich im Vergleich zu einer radialen Linie g gegen die Drehrichtung des Rotors (1 ), wobei durch die spiralförmige Krümmung der Aufreihungslinie diese Neigung von innen nach außen zunimmt.
(b) d < 0,8, wobei r der Radius des Rotors (1 ) der Windkraftanlage ist und d die Auslenkung der Rotorblattspitze gegen die Gerade g; und
(c) d > 0,3 r.
2. Rotorblatt nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass d < 0,65 r.
3. Rotorblatt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 0,6 r > d > 0,35 r.
4. Rotorblatt nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spirale eine sich nach außen kontinuierlich erweiternde Spirale ist.
5. Rotorblatt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spirale eine logarithmische Spirale ist.
6. Rotorblatt nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aufreihungslinie des Rotorblatts (2) nabenseitig tangential an eine durch die Drehachse des Rotors (1 ) führende Gerade g anlehnt.
7. Rotorblatt nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt (2) NACA-Profile aufweist.
8. Rotorblatt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das NACA- Profil nabenseitig kontinuierlich in einen Nabenkegel übergeht.
9. Rotorblatt nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch eine Schalenbauweise.
10. Rotorblatt nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch verstärkende Stege und/oder Gurte innerhalb der Schalen.
1 1 . Rotorblatt nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass es ausgeschäumt ist.
12. Windkraftanlage mit wenigstens einem Rotorblatt (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
PCT/EP2017/051473 2016-01-25 2017-01-25 Rotorblatt WO2017129580A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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