WO2018007403A1 - Rotorblatt und rotor für windkraftanlagen im megawatt-bereich - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a rotor blade and a rotor having a plurality of rotor blades for wind power plants in megawatt ranges according to claim 1 or 9.
- A the area swept by the rotor blades
- Wind turbines in the megawatt range must therefore have very long rotor blades to make the swept area A as large as possible.
- the rotor blades of the E-126 wind turbine from Enercon with a rated output of 7.6 MW have a length of 63 meters with a weight of approximately 24 t.
- rotor blades with a length of 85 meters are used, which weigh about 25 t. Transportation on public roads and the assembly of these large and heavy components is complicated and difficult.
- a rotor blade in which immediately adjoins the blade root a longer aerodynamically non-active area.
- the swept area of a rotor with conventional rotor blade of length L P is L P 2 TT.
- the effective swept annular surface of a rotor blade extended by an aerodynamically inactive portion of the length LD is
- Arang (LP 2 + 2 LP LD) TT.
- the possible performance of an extended rotor blade is always greater than the possible performance of a rotor blade without extension. Therefore, if a certain power is to be generated, the length Lp of the profile part can be shortened. Since conventional rotor blades are thickest at the end of the blade root and thus heaviest, a considerable weight saving results for the rotor blades according to the invention.
- pitch drives can be dimensioned smaller, since the attacking leverage forces are the smaller, the farther away from the rotor hub of the pitch drive is mounted
- a particularly lightweight rotor blade is made possible. Essentially means that only fasteners, such as flanges and screws are not made of carbon fiber reinforced plastic.
- the positive effect of the present invention weight reduction on the one hand and small reduction of the swept active area on the other hand, already occurs significantly if the length LD of the second non-aerodynamically active part of the rotor blade is at least 10% of the length Lp of the first aerodynamically active part of the rotor blade 8.
- the upper limit of the length LD of the second non-aerodynamically active part of the rotor blade is a maximum of 50% of the length Lp of the first aerodynamically active part of the rotor blade set - claim 8. How this aspect ratio is optimally designed, is a result of an optimization calculation in the one the weight reduction and stability of the rotor blade and on the other hand, the increase of the effective area A received.
- the rotor blade can be disassembled prior to assembly for transport, which greatly simplifies the transport. Due to the advantageous embodiment of the invention according to claim 10, the bending of the rotor blades can be borne by the wind pressure. It can thus be reliably prevented that the rotor blades come into contact with the tower of the wind turbine in strong winds.
- the second, aerodynamically non-active parts or the first aerodynamically active parts may be parallel to the vertical or both parts include an acute angle to the vertical.
- the invention is particularly suitable for wind turbines in the MW range - claim 13.
- FIG. 1 shows a rotor for wind turbines with 3 rotor blades, each having a length of 100m
- Fig. 2 shows a rotor for wind turbines with 4 rotor blades, each having a length of 120m.
- the individual rotor blades 2 consist of a first part 4 with a fixed length LP in the form of an outwardly tapering aerodynamically active blade profile, a second part 6 of fixed length LD in the form of an aerodynamically inactive hollow profile and a blade root 8 for connection the rotor blade with a rotor hub 10 of a wind turbine.
- Blade root 8, second part 6 and first part 4 are fixed in length or length invariably connected to each other.
- the connection between the first and second part 4, 6 is designed releasably, z. B in the form of a screw connection. This simplifies transport.
- the first part 4 of the rotor blade 2 in the form of an aerodynamically active hollow profile is designed according to a conventional rotor blade.
- the second part 6 in the form of the aerodynamically non-active hollow profile has a circular cross section and is made of plastic reinforced with carbon fibers. This is the second Part 6 light yet stable and suitable to carry the first part 4 and absorb the dynamic wind loads.
- the second part 6 tapers slightly from the blade root 8 to the first part 4, resulting in an additional weight saving.
- a conventional rotor blade sweeping this surface would have a length of 98m, but would be significantly heavier compared to the first part 4 of 80m length due to the broadened extra length.
- a conventional rotor blade sweeping this surface would have a length of 1 16m, but would be significantly heavier compared to the first part 4 of 90m length due to the broadened extra length.
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Abstract
Es wird ein Rotorblatt sowie einen Rotor mit einer Mehrzahl von solchen Rotorblättern angegeben, die bei einer bestimmten Nennleistung einer damit ausgerüsteten Windkraftanlage leichter sind als herkömmliche Rotorblätter bei dieser Nennleistung. Dadurch, dass ein Rotorblatt in Anschluss an die Blattwurzel ein längerer aerodynamisch nicht aktiver Bereich vorgesehen ist, vergrößert sich die überstrichene Fläche des Rotors. Die überstrichene Fläche eines herkömmlichen Rotorblatt der Länge LP ist LP
2π. Die effektive überstrichene Kreisringfläche eines um einen aerodynamisch inaktiven Teil der Länge LD verlängerten Rotorblatts ist ARing = (LP
2 + 2 LP LD)π. Unter der Annahme LD = x LP, wird deutlich, dass die effektive Ringfläche des „verlängerten" Rotorblatts gemäß der vorliegenden Erfindung immer größer ist als die überstrichene Fläche eines herkömmlichen Rotorblatts der Länge LP. Es gilt: Aring = LP
2 π (1 + 2 x) Damit ist die mögliche Leistung eines verlängerten Rotorblatts immer größer als die mögliche Leistung eines Rotorblatts ohne Verlängerung. Wenn daher eine bestimmte Leistung erzeugt werden soll, kann die Länge LP des Profilteils verkürzt werden. Da herkömmliche Rotorblätter im Anschluss an die Blattwurzel am dicksten und damit am schwersten sind, ergibt sich bei den erfindungsgemäßen Rotorblättern eine erhebliche Gewichtsersparnis.
Description
Rotorblatt und Rotor für Windkraftanlagen im Megawatt-Bereich
Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt sowie einen Rotor mit einer Mehrzahl von Rotorblättern für Windkraftanlagen in Megawatt-Bereichen nach Anspruch 1 bzw. 9.
Die maximale in bewegter Luft enthaltene Energie ergibt sich aus der Formel
Pwind = 1/ ρ A v3, mit
Pwind = die maximal in der bewegten Luft enthaltene Leistung,
ρ = Dichte der Luft
A = die von den Rotorblättern überstrichene Fläche,
v = Windgeschwindigkeit.
Windkraftanlagen im Megawattbereich müssen daher sehr lange Rotorblätter besitzen um die überstrichene Fläche A möglichst groß zu machen. Beispielsweise besitzen die Rotorblätter der Windkraftanlage E-126 von Enercon mit einer Nennleistung von 7,6 MW eine Länge von 63 Metern mit einem Gewicht von ca. 24 t. Im Offshore-Bereich kommen Rotorblätter mit einer Länge von 85 Metern zum Einsatz, die ca. 25 t wiegen. Der Transport auf öffentlichen Straßen und die Montage dieser großen und schweren Bauteile ist aufwendig und schwierig.
Aus der DE 10 2012 108 182 A1 ist der grundsätzliche Aufbau von solchen Rotorblättern mit Profilteil und Blattwurzel bekannt. Mit der Blattwurzel wird das Rotorblatt an der Nabe der Windkraftanlage montiert. Unmittelbar im Anschluss an die Blattwurzel befindet sich die breiteste Stelle des Profilteils. Das Profilteil verjüngt sich hin zur Spitze des Rotorblatts bzw. Profilteils. Auf Grund der unterschiedlichen Umlaufgeschwindigkeiten an der Flügelspitze und im Bereich der Blattwurzel ist die Dicke des Querschnitts der Rotorblätter unterschiedlich, d. h. an die Blattwurzel schließt sich der dickste Teil des Rotorblatt; die Spitze des Rotorblatts bzw. des Profilteils ist am dünnsten.
Ausgehend von herkömmlichen Rotorblättern für Windkraftanlagen im MW- Bereich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Rotorblatt sowie einen Rotor mit einer Mehrzahl von solchen Rotorblättern anzugeben, die bei einer bestimmten Nennleistung einer damit ausgerüsteten Windkraftanlage leichter sind als herkömmliche Rotorblätter bei dieser Nennleistung.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 .
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Rotorblatt bei dem sich unmittelbar an die Blattwurzel ein längerer aerodynamisch nicht aktiver Bereich anschließt. Die überstrichene Fläche eines Rotors mit herkömmlichen Rotorblatt der Länge LP ist LP 2TT. Die effektive überstrichene Kreisringfläche eines um einen aerodynamisch inaktiven Teil der Länge LD verlängerten Rotorblatts ist
Arang = (LP2 + 2 LP LD)TT.
Unter der Annahme LD = x Lp, wird deutlich, dass die effektive Ringfläche des„verlängerten" Rotorblatts gemäß der vorliegenden Erfindung immer größer ist als die überstrichene Fläche eines herkömmlichen Rotorblatts der Länge Lp. Es gilt:
Arang = Lp2 π (1 + 2 x)
Damit ist die mögliche Leistung eines verlängerten Rotorblatts immer größer als die mögliche Leistung eines Rotorblatts ohne Verlängerung. Wenn daher eine bestimmte Leistung erzeugt werden soll, kann die Länge Lp des Profilteils verkürzt werden. Da herkömmliche Rotorblätter im Anschluss an die Blattwurzel am dicksten und damit am schwersten sind, ergibt sich bei den erfindungsgemäßen Rotorblättern eine erhebliche Gewichtsersparnis.
Zwar ist aus der DE 44 28 731 A1 ein Rotorblatt bekannt, dass sich über einen Teleskopmechanismus verlängern lässt, jedoch dient diese Verlängerung lediglich einem verbesserten Anlaufverhalten bei geringen Windgeschwindigkeiten. Darüber hinaus ist
aufgrund des Teleskopmechanismus keine Gewichtseinsparung erzielbar und auch nicht beabsichtigt.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 bis 4 werden geeignete Positionen für den Pitchantrieb von der Rotorblätter angegeben. Bei den Ausgestaltungen nach Anspruch 2 und 4 können die Pitch-Antriebe schwächer dimensioniert werden, da die angreifenden Hebelkräfte umso kleiner werden, je weiter entfernt von der Rotornabe der Pitch-Antrieb montiert ist
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 5 wird maximale Stabilität bei minimalem Gewicht erreicht.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 wird ein besonders leichtes Rotorblatt ermöglicht. Im Wesentlichen heißt, dass lediglich Verbindungselemente, wie Flansche und Schrauben nicht aus Carbonfaser verstärktem Kunststoff sind.
Die positive Wirkung der vorliegenden Erfindung, Gewichtsreduzierung einerseits und geringe Verringerung der überstrichenen aktiven Fläche andererseits tritt signifikant bereits ein, wenn die Länge LD des zweiten nicht aerodynamisch aktiven Teils des Rotorblatts mindestens 10 % der Länge Lp des ersten aerodynamisch aktiven Teils des Rotorblatts beträgt - Anspruch 8. Als Obergrenze der Länge LD des zweiten nicht aerodynamisch aktiven Teils des Rotorblatts ist maximal 50 % der Länge Lp des ersten aerodynamisch aktiven Teils des Rotorblatts anzusetzen - Anspruch 8. Wie dieses Längenverhältnis optimal ausgestaltet wird, ist ein Ergebnis einer Optimierungsrechnung in die zum einen die Gewichtsreduzierung und Stabilität des Rotorblatts und zum anderen die Vergrößerung der wirksamen Fläche A eingeht.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 kann das Rotorblatt vor der Montage für den Transport zerlegt werden, wodurch sich der Transport erheblich vereinfacht.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 10 kann der Verbiegung der Rotorblätter durch den Winddruck Rechnung getragen werden. Es kann somit sicher verhindert werden, dass die Rotorblätter bei Starkwind mit dem Turm der Windkraftanlage in Berührung kommen. Hierbei können die zweiten, aerodynamisch nicht aktiven Teile oder die ersten aerodynamisch aktiven Teile parallel zur Vertikalen verlaufen oder beide Teile schließen einen spitzen Winkel zur Vertikalen ein.
Die Erfindung ist insbesondere für Windkraftanlagen im MW-Bereich geeignet - Anspruch 13.
Weitere Einzelheiten, Merkmal und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung.
Es zeigt
Fig. 1 einen Rotor für Windkraftanlagen mit 3 Rotorblättern, die jeweils eine Länge von 100m aufweisen, und
Fig. 2 einen Rotor für Windkraftanlagen mit 4 Rotorblättern, die jeweils eine Länge von 120m aufweisen.
In beiden Fällen besten die einzelnen Rotorblätter 2 aus einen ersten Teil 4 mit einer festen Länge LP in Form eines sich nach außen hin verjüngenden aerodynamisch aktiven Blattprofils, einem zweiten Teil 6 einer festen Länge LD in Form eines aerodynamisch inaktiven Hohlprofils und einer Blattwurzel 8 zum Verbinden des Rotorblatts mit einer Rotornabe 10 einer Windkraftanlage. Blattwurzel 8, zweites Teil 6 und erstes Teil 4 sind längenfest bzw. längeninvariant miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen erstem und zweitem Teil 4, 6 ist lösbar ausgestaltet, z. B in Form einer Ver- schraubung. Damit wird der Transport vereinfacht.
Das erste Teil 4 des Rotorblatts 2 in Form eines aerodynamisch aktiven Hohlprofils ist gemäß einem herkömmlichen Rotorblatt ausgestaltet. Das zweite Teil 6 in Form des aerodynamisch nicht aktiven Hohlprofils besitzt einen kreisförmigen Querschnitt und besteht aus Kunststoff, der mit Carbonfasern verstärkt ist. Hierdurch ist das zweite
Teil 6 leicht und dennoch stabil und geeignet das erste Teil 4 zu tragen und die dynamischen Windlasten aufzunehmen. Das zweite Teil 6 verjüngt sich von der Blattwurzel 8 zum ersten Teil 4 hin leicht konisch, wodurch sich eine zusätzliche Gewichtseinsparung ergibt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 gelten folgende Dimensionen:
LD = 20m
effektive überstrichen Ringfläche Arang = 30144m2
Ein herkömmliches Rotorblatt, das diese Fläche überstreicht hätte eine Länge von 98m, wäre jedoch aufgrund des verbreiterten zusätzlichen Längenstücks im Vergleich zum ersten Teil 4 mit der Länge von 80m erheblich schwerer.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 gelten folgende Dimensionen:
LD = 30m
effektive überstrichen Ringfläche ARing = 42390m2
Ein herkömmliches Rotorblatt, das diese Fläche überstreicht hätte eine Länge von 1 16m, wäre jedoch aufgrund des verbreiterten zusätzlichen Längenstücks im Vergleich zum ersten Teil 4 mit der Länge von 90m erheblich schwerer.
In Analogie zu der Ausführungsform nach Fig. 1 können bei den Rotorblattlängen gemäß Fig. 2 auch nur drei Rotorblätter vorgesehen werden. Auch Ausführungsformen mit nur zwei Rotorblättern sind möglich.
Bezugszeichenliste
2 Rotorblatt
4 erster Teil von 2
6 zweiter Teil von 2
Blattwurzel von 2 Rotornabe
Claims
1 . Rotorblatt (2) für Windkraftanlagen im MW-Bereich mit
einem ersten Teil (4) mit einer festen Länge (Lp) in Form eines sich nach außen hin verjüngenden aerodynamisch aktiven Blattprofils,
einer Blattwurzel (8) zum Verbinden des Rotorblatts (2) mit einer Rotornabe (10), und
einem zweiten Teil (6) einer festen Länge (LD) in Form eines aerodynamisch inaktiven Hohlprofils ,
wobei das zweite Teil (6) zwischen der Blattwurzel (8) und dem ersten Teil (4) angeordnet ist und wobei die Blattwurzel (8), das zweite Teil (6) und das erste Teil (4) längenfest miteinander verbunden sind.
2. Rotorblatt (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Teil (4, 6) ein Pitch-Antrieb angeordnet ist.
3. Rotorblatt (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an der Blattwurzel (8) ein Pitch-Antrieb vorgesehen ist, und dass die Blattwurzel (8), das zweite Teil (6) und das erste Teil (4) drehfest miteinander verbunden sind
4. Rotorblatt (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zweite Teil (6) einen ersten und einen zweiten Abschnitt umfasst, die über einen Pitch- Antrieb verdrehbar und längenfest miteinander verbunden sind.
5. Rotorblatt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil (6) sich in Richtung erstes Teil (4) konisch verjüngend ausgebildet ist.
6. Rotorblatt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil (4) und/oder zweite Teil (6) im Wesentlichen aus mit Carbonfaser verstärktem Kunststoff besteht.
7. Rotorblatt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (LD) das zweiten Teils (6) mindestens 10% der Länge (Lp) des ersten Teils (4) beträgt.
8. Rotorblatt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Länge (LD) das zweiten Teils (6) maximal 50% der Länge (Lp) des ersten Teils (4) beträgt.
9. Rotorblatt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teil (4, 6) lösbar und insbesondere eine Schraubverbindung ist.
10. Rotorblatt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Teil (4, 6) im stumpfen Winkel zueinander montiert sind.
1 1 . Rotorblatt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aerodynamisch inaktive Hohlprofil des zweiten Teils (6) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
12. Rotor für Windkraftanlagen mit einer Mehrzahl von Rotorblättern (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Rotor für Windkraftanlagen nach Anspruch 12, dass die Rotorblätter des Rotors so dimensioniert sind, dass sich eine Windkraftanlage im MW-Bereich ergibt.
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Legal Events
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NENP | Non-entry into the national phase |
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