AT511895A1 - Windkraftrotor in darrieus-h-bauweise und zugehörendes rotorblatt - Google Patents

Abstract

Ein Rotorblatt (2) für einen um eine Drehachse rotierbaren Windkraftrotor in Darrieus-H-Bauweise hat ein über seine Länge im Wesentlichen konstantes Profil und verläuft in montiertem Zustand seiner Länge nach in im Wesentlichen gleichbleibendem Abstand (R) zur Drehachse. Das Rotorblatt (2) weist seiner Länge nach eine schraubenlinienartige Form mit im Wesentlichen gleichbleibendem Steigungswinkel auf, wobei das Profil des Rotorblatts eine Profiltiefe (t) aufweist, die einem Verhältnis der Profiltiefe zum Abstand (R) des Rotorblatts zur Drehachse bei 1 : (5 ± 0,5) entspricht.

Description

P12069

WINDKRAFTROTOR IN DARRIEUS-H-BAUWEISE UND ZUGEHÖRENDES ROTORBLATT

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für einen um eine Drehachse rotierbaren Windkraftrotor in Darrieus-H-Bauweise, wobei das Profil des Rotorblatts über seine Länge im Wesentlichen konstant ist und das Rotorblatt in montiertem Zustand seiner Länge nach in im Wesentlichen gleichbleibendem Abstand zur Drehachse verläuft. Die Erfindung betrifft weiters einen Windkraftrotor mit zumindest zwei Rotorblättern dieser Art.

Rotorblätter der genannten Art sind z.B. aus DE 197 41 495 Al bekannt. Darin ist ein Darrieus-H-Rotor mit zur Drehachse parallelen Rotorblättern aus Blech-Hohlprofilen beschrieben. Darrieus-Rotoren zeichnen sich durch die in der Regel vertikale Orientierung der Drehachse aus, sogenannter Vertikallauf. Vertikallaufende Rotoren haben den Vorteil, dass sie unabhängig von der Windrichtung angetrieben werden können; ein Einstellen auf die aktuelle Windrichtung wie bei horizontallaufenden Windrädern erübrigt sich. Das Profil eines Darrieus-Rotorblatts ist im Wesentlichen entlang einer Umfangsrichtung (somit senkrecht zur Drehachse des Rotors) ausgerichtet. Durch die im Wesentlichen in konstantem Abstand zur Drehachse verlaufende Geometrie der Rotorblätter in einem H-Rotor kann das Profil über die Länge des Rotors hinweg konstant bleiben; es ergibt sich ein gleichmäßiger Kraftansatz des Windes und eine einfachere Bauweise.

Bei herkömmlichen Darrieus-H-Rotoren treten bedingt durch die Geometrie Schwingungen (Vibrationen) auf, die zu hoher Belastung in der Halterung und Verankerung führen und zudem störende Geräusche erzeugen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere Schwingungen zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird von einem Rotorblatt der eingangs genannten Art gelöst, welches erfindungsgemäß seiner Länge nach eine schraubenlinienartige Form mit im Wesentlichen gleichbleibendem Steigungswinkel aufweist, wobei das Profil des Rotorblatts eine Profiltiefe t aufweist, die einem Verhältnis der Profiltiefe zum Abstand R des Rotorblatts zur Drehachse von t: R = 1 : 5 ± 0,5 entspricht. P] 21)69

Die erfindungsgemäße Lösung mit der Verwendung eines Rotorprofils mit dem genannten Wert des Verhältnisses von t: R von etwa 1 : 5 ergibt eine Profilsehne, welche sich in vorteilhafter Weise an den Umkreisdurchmesser des Rotors anpasst. Somit ist gewährleistet das das verwendete Profil durch eine optimale Anströmung auch die maximale Energie aus dem Wind generieren kann. Um den Vorteil aus diesem Verhältnis nutzen zu können muss dessen Wert mit einer gewissen Genauigkeit eingehalten werden. Die maximale Abweichung des Verhältnisses soll somit nicht mehr als 0,5 betragen. Als idealer Wert wird allerdings ein Verhältnis von 1 : 5 angesehen.

Die genannte Aufgabe wird außerdem von einem Windkraftrotor in Darrieus-H-Bauweise mit zumindest zwei Rotorblättern der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Art gelöst. Vorzugsweise hat der Windkraftrotor drei Rotorblätter, was eine gleichmäßigere Lastverteilung und bessere Ausnutzung der Windverhältnisse ergibt.

Diese erfindungsgemäße Lösung ergibt eine verbesserte Aerodynamik und gleichmäßigeren Lauf des Rotors. Infolge der Verwindung der Rotorblätter kann erreicht werden, dass immer ein Bereich eines Rotorblattes der Windrichtung zugewandt ist. Dadurch ergibt sich ein deutlich verbessertes Lastverhalten, Schwingungen werden stark reduziert und infolge dessen sinkt der Geräuschpegel. Zudem wird die erreichbare Leistung des Rotors verbessert.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein besonders gleichmäßiger Lauf des Rotors erreicht, wenn die Rotorblätter einen Umlaufswinkel (Verwindungswinkel) von 180°/n oder 360°/n um die Drehachse überdecken, wobei n die Anzahl der Rotorblätter ist. In diesem Fall schneidet eine durch die Drehachse gelegte Ebene bzw. eine von der Drehachse ausgehende Halbebene, unabhängig von deren Orientierung in Bezug auf den Rotor, stets genau ein Rotorblatt an einer Stelle. Diese Stelle wandert bei einer Drehung des Rotors (und festgehaltener Ebene) entlang des Rotorblattes, und wenn sie an einem Ende des Rotorblattes ankommt, nimmt das nächste Rotorblatt eine gleichartige Stelle auf. Auf diese Weise wird entlang der Anzahl von Rotorblättern stets ein vollständiger Umlauf der Strömungsprofile verwirklicht, unabhängig von der Stellung des Rotors, was zu dem gleichmäßigen Lauf und Reduktion von Schwingungen führt. Aus dieser Überlegung her sind besonders Umlaufwinkel von 360°/n günstig, jedoch sind aus produktionstechnischen Gründen Rotorblätter mit Umlaufwinkel 180°/n einfacher herzustellen und bieten ebenfalls einen sehr gleichmäßigen Lauf. PI 2069 • · * ·· · · m * m • * ♦ I · · · ^ Ϊ „ β ψ · • · # · * * · ·

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine besonders effiziente Realisierung des Rotors mit einem Umlaufswinkel von 60° je Rotorblatt erreicht, bei einer Anzahl von drei Rotorblättern.

Das Profil kann vorteilhafter Weise symmetrisch sein, was eine leichtere Herstellung ermöglicht. Günstiger Weise kann die Höhe des Rotorblatts, gemessen entlang der Drehachse, das Doppelte des Abstands zur Drehachse sein, wobei die Abweichung von diesem Wert um ±5% sein kann.

Die Erfindung samt weiteren Vorzügen wird im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Windkraftrotor gemäß dem Ausführimgsbeispiel in Aufsicht;

Fig. 2 den Windkraftrotor der Fig. 1 in einer Ansicht, wobei je ein Rotorblatt des Rotors mit einer Sicht auf die Außenseite, die Innenseite bzw. die Profilkante erkennbar ist;

Fig. 3 illustriert ein gewölbtes Profil eines Rotorblatts sowie die typischen Parameter eines Profils; und

Fig. 4 zeigt ein symmetrisches Profil eines Rotorblatts.

Der nachfolgend beschriebene Windkraftrotor mit einer modifizierten Darrieus-Bauweise ist nur ein Beispiel unter vielen und ist nicht einschränkend für die Erfindung auszulegen. Vielmehr umfasst die Erfindung sämtliche Ausführungsformen und Abwandlungen, die der Fachmann im Bereich der Ansprüche ausführen kann.

Bezug nehmend auf Fig. 1 ist ein Windkraftrotor 1 mit drei Rotorblättern oder Flügeln 2 gezeigt. Jeder der Flügel 2 ist mit je zwei Speichen 3 an einer zentralen Welle 4 drehfest montiert, die vertikal ausgerichtet und auf einem Mast in z.B. einer Generatoreinrichtung drehbar gelagert ist. PI 2069

Wie auch anhand Fig. 2 ersichtlich ist, weist ein Flügel 2 eine Neigung gegenüber der Vertikalen (und somit der Drehachse) auf, und verläuft entlang seiner gesamten Länge mit gleichbleibendem Profil - und insbesondere konstanter Profiltiefe - in gleichbleibendem Abstand R zur Drehachse; dieser Abstand entspricht somit dem Radius des Rotors 1. Der Flügel beschreibt somit eine Schraubenlinie um die Drehachse. Während die Erfindung grundsätzlich einen gleichbleibenden Abstand und Neigungswinkel über die gesamte Länge vorsieht, sind geringfügige Abweichungen möglich, soweit diese strömungstechnisch zu keinen Einbußen führen, insbesondere im mm-Bereich oder durch fertigungstechnische Abweichungen.

Außerdem ist in Fig. 2 erkennbar, dass die Speichen 3 jedes Flügels 2 schräg verlaufen, nämlich zur Mitte hin zusammen laufen und über eine zentrale Nabe 5 am Ende der Welle 4 gehalten sind,

In den Fig. 3 und 4 sind Beispiele für Profile gezeigt, die sich für das erfindungsgemäße Rotorblatt eignen. Das in Fig. 3 gezeigte Profil weist eine Krümmung auf, die in der Zeichnung nach unten konkav ist. Außerdem sind typische Profilkenngrößen ersichtlich. Als Skelettlinie - auch Profilmittellinie oder Wölbungslinie - bezeichnet man die Linie, die im Querschnitt eines Flügels genau zwischen der Ober- und Unterseite liegt.

Die Profiltiefe t gibt die Länge der Linie von der Profilnase bis zur Profilhinterkante an. Die Profilwölbung f bezeichnet die größte Abweichung der Skelettlinie von der Profilsehne. Die Profilwölbung beeinflusst in hohem Maße Auftrieb und Widerstand eines Profils. Die Profildicke d ist der größtmögliche Kreisdurchmesser auf der Skelettlinie. Der Nasenradius r bezeichnet den Radius des Nasenkreises der Profilnase. Der Nasenradius hat großen Einfluss auf das Verhalten des Profils bei hohen Anstellwinkeln und somit hohen Auftriebs-beiwerten.

Fig. 4 zeigt ein symmetrisches Profil, das seiner Längsachse entlang symmetrisch ist; somit ist seine Skelettlinie gerade. Die Profilkontur des Flügels der Fig. 1 und 2 ist vorzugsweise um seine Skelettlinie symmetrisch.

Wieder bezugnehmend auf Fig. 1 spannt ein Flügel jeweils einen Winkel um die Drehachse auf. Dieser Winkel entspricht gerade 60°; dieser Winkel wird in Bezug auf die Radiuslinien an gleichen Profilpositionen am oberen bzw. unteren Ende des Flügels gemessen, beispielsweise an den Profilhinterkanten. Wenn die Anzahl der Flügel von drei verschieden ist, wird der Winkel entsprechend 180°/n gewählt. Der besondere Vorteil dieser Wahl liegt in der gleichmäßigeren Lastverteilung während der Rotation und dadurch verringerten Schwingungen. Dies ist besonders bei Dachmontagen von großem Vorteil. Auch ein Winkel 360°/n ist möglich, insbesondere bei höheren Flügelzahlen je Rotor.

Der Neigungswinkel des Flügels 2 in Bezug auf die Vertikale ergibt sich aus der Wahl der Höhe H in Bezug auf den Radius R bzw. Durchmesser 2R. Beispielsweise kann für eine 1 kW-Anlage der Durchmesser 2R = 2,00 m bei einer Höhe von H = 2,00 m sein; größere Anlagen mit höheren Leistungswerten sind entsprechend größer dimensioniert, z.B. für 5 kW: 2R = 4,50 m und H = 4,00 m; bzw. für 10 kW: 2R= 6,25 m und H = 6,00 m.

Ein Radius-Höhen-Verhältnis von 2R = H wirkt sich hierbei aufgrund folgender Überlegung vorteilhaft aus. Bei der Rotordimensionierung sind zwei wesentlich entscheidende Faktoren die maximale Drehzahl und das erforderliche Drehmoment. Da jedes Flügelprofil einen optimalen Arbeitsbereich besitzt, hinsichtlich der Umfangsgeschwindigkeit des Rotorblatts, ist darauf zu achten, dass dieser gerade bei Nenndrehzahl der Anlage und etwas darunter erreicht wird. Wird die Umfangsgeschwindigkeit des Rotorblatts zu hoch, wird der Luftwiderstand im Verhältnis zum Drehmoment höher. Ist die Umfangsgeschwindigkeit zu niedrig, wird das erforderliche Drehmoment nicht erreicht und die Rotordrehzahl würde bei Lastabnahme einbrechen. Aus dieser Abwägung ergibt sich ein optimales Verhältnis der Rotordrehzahl gegenüber dem Drehmoment bei 2R = H, wobei die genannte Verhältniszahl 2 um bis zu ±10% variieren kann.

Das Verhältnis zwischen der Profiltiefe t des Rotorblattes 2 und dem Radius R des Rotors ist gemäß der Erfindung 1 :5, bzw. wenn der Durchmesser 2R als Bezugsgröße verwendet wird, 1:10. Bei einem Durchmesser von 4,5 m beispielsweise ist die Rotorblatttiefe somit 450 mm.

Die Flügel sind aus Glasfaserverbundwerkstoffen oder Aluminium gefertigt. PI 2069 • .. ·*··-##_ .. ··*» · ··*

Alle in Folge besprochenen Zusammenhänge gelten für eine rein 2-dimensionale Profilgeometrie. Die betrachtete Ebene (vgl. Fig. 3 und 4) wird normal zur Drehachse des Rotors aufgespannt.

Der 3-dimensionale, transiente Strömungszustand, wie er bei einem Vertikalwindkraftwerk auftritt, kann nur mit aufwendigen numerischen Simulationen berechnet werden. Für Auslegung von Vertikalwindkraftwerken und theoretische Betrachtungen ist in der Praxis eine 2-dimensionale Darstellung ausreichend. Die Profilkenngrößen, und insbesondere die Profiltiefe t, werden somit stets innerhalb einer zur Drehachse normalen Ebene gemessen.

Die oben genannten Definitionen wurden für ein aerodynamisches Profil, welches entlang einer geradlinigen Bahn bewegt wird, beschrieben. Bewegt man solch ein Profil in einer Kreisbahn, so wie dies bei einem Vertikalwindkraftwerk der Fall ist, ändern sich dadurch die An- und Abströmverhältnisse am Profil. Selbst ein symmetrisches Profil verhält sich dann wie ein gewölbtes Profil. Die An- und AbstrÖmwinkel, welche diese „virtuelle" Wölbung am Profil erzeugen, sind abhängig von Blatttiefe und Rotordurchmesser des Vertikalwindkraftwerks. Somit hat das Verhältnis von Rotorblatttiefe zu Rotordurchmesser einen entscheidenden Einfluss auf das Betriebsverhalten des Windkraftwerkes und ist eine wichtige Auslegungsgröße. Durch die erfindungsgemäße Auslegung ergibt sich eine maximale Effizienz des Rotors und zudem eine geringere Geräuschentwicklung durch ein aerodynamisch besseres Verhalten der Luftströmung.

Die Gestaltung des Nasenradius hat bei Vertikalwindkraftwerk großen Einfluss auf das Verhalten bei niedrigen Rotordrehzahlen und somit auf das Anlaufverhalten der Anlage. Die Größe des Nasenradius beeinflusst in weiterer Folge auch die Dicke und die Dickenverteilung des Profils.

Wien, den 8. September 2011

Claims (6)

1. P12069 Ansprüche 1. Rotorblatt (2) für einen um eine Drehachse rotierbaren Windkraftrotor in Darrieus-H-Bauweise, wobei das Profil des Rotorblatts über seine Länge im Wesentlichen konstant ist und das Rotorblatt in montiertem Zustand seiner Länge nach in im Wesentlichen gleichbleibendem Abstand (R) zur Drehachse verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt (2) seiner Länge nach eine schraubenlinienartige Form mit im Wesentlichen gleichbleibendem Steigungswinkel aufweist, wobei das Profil des Rotorblatts eine Profiltiefe (t) mit einem Verhältnis der Profiltiefe zum Abstand (R) des Rotorblatts zur Drehachse von 1 : 5 + 0,5 aufweist.
2. 2. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt einen Umlaufswinkel von 180°/n oder 360°/n um die Drehachse überdeckt, wobei n eine ganze Zahl ist, vorzugsweise n = 3.
3. 3. Rotorblatt nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein symmetrisches Profil.
4. 4. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H) des Rotorblatts, gemessen entlang der Drehachse, das Doppelte des Abstands (R) zur Drehachse ist.
5. 5. Windkraftrotor (1) in Darrieus-H-Bauweise, mit zumindest zwei Rotorblättem (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, vorzugsweise drei Rotorblättem (2).
6. 6. Windkraftrotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter einen Umlaufswinkel von 180°/n oder 360°/n um die Drehachse überdecken, wobei n die Anzahl der Rotorblätter ist. Wien, den 8. September 2011