DE102004053498A1 - Rotor blade for wind mill, has two airfoil flanks fixed at ribs and are connected to aerodynamically profiled molded padding, and vanes placed between ribbed flat segment and flanks, where blade is made of metal sheets and direct material - Google Patents

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Abstract

The blade has two airfoil flanks (3.1), which are fixed at an airfoil base and are connected to an aerodynamically profiled molded padding. Vanes are arranged between a ribbed flat segment (1.0) and the flanks. Forces generated when air passes via the segment, case and the vanes are distributed in the blade. The blade is made of metal sheets and direct material. The blade is suspended on a cantilever arm and rotates at a rotation axis.

Description

Vom Anlagentyp her ist die Windenergienutzung in der Gegenwart geprägt durch Propeller-Generatoren mit horizontaler Drehachse. Die Entwicklung zielt in Richtung größer dimensionierter Einzelanlagen wie auch die Forcierung der Zusammenfassung mehrerer Einzelanlagen in Windparks über Land oder vor den Küsten.from Type of wind turbine is characterized by the use of wind energy in the present Propeller generators with horizontal axis of rotation. The development aims toward larger sized Individual plants as well as the promotion of the summary of several Individual plants in wind farms over land or off the coast.

Anlagen mit vertikaler Rotationsachse nach dem bekanntesten Beispiel der Darrieus-Windturbine sind in europäischen Breiten im wesentlichen über das Erprobungsstadium nicht hinausgekommen.Attachments with vertical axis of rotation according to the best known example of Darrieus wind turbine are in European Widths essentially about that Test stage did not get out.

Althergebrachte Anlagentypen, die nach dem Widerstandsprinzip arbeiten, können hier völlig außer Betracht bleiben.longstanding Plant types that work according to the resistance principle can be found here completely out of the question stay.

Für alle leistungsfähigen Anlagen der Gegenwart gilt: Es entstehen hohe Kosten für die Durchsetzung, Erschließung und Herstellung von Aufstellorten bis zum Plateau für die Windkraftmaschine. Dieser Fundament-Kostenblock belastet in erheblichem Ausmaß die Wirtschaftlichkeit der Windkrafterzeugung. Ein neuer technischer Ansatz wäre auch eine neue Antwort auf die naheliegende Frage, ob Windkraftanlagen unabdingbar nur auf Türme gestellt werden können, die einzig zu diesem Zweck gebaut und unterhalten werden müssen.For all efficient systems the present applies: There are high costs for enforcement, development and Production of erection sites up to the plateau for the wind power machine. This Fundamental cost block significantly affects the economic efficiency the wind power generation. A new technical approach would be one too new answer to the obvious question, whether wind turbines are essential only on towers can be provided which must be built and maintained solely for this purpose.

Ein geeignetes Rotorsystem vorausgesetzt, könnte grundsätzlich jeder vorhandene und noch besser jeder künftig erstellte Hochbau ab einer Plateau-Höhe von ca. 100 m ein vom Energiedargebot her geeigneter Aufstellort für eine Anlage zur Windkraftgewinnung sein. Diese Möglichkeit eröffnet sich auf dem ganzen Globus.One assuming suitable rotor system, basically any existing and even better every future constructed building from a plateau height of approx. 100 m from the energy range suitable place of installation for be a wind power plant. This possibility opens up the whole globe.

Bei Zusatznutzung von Hochbauten lassen sich erhebliche Synergieeffekte erzielen: Einzweck-Turmbauten müssen nicht mehr die unaufhebbare Voraussetzung sein – Erzeugung, Verteilung und Verbrauch (mit Wasserstofftechnik auch Speicherung) von Energie rücken im Siedlungsraum zusammen – in der im ökologischen Sinne bereits vernutzten Fläche entsteht für Zwecke der Energiegewinnung nicht unvermeidlich zusätzlicher Flächenbedarf – zahlreiche Naturstandorte können völlig unberührt bleiben. Die Erzeugung von Windkraft hätte in mehrfacher Hinsicht eine weitaus günstigere Ausgangslage.at Additional use of buildings can be considerable synergy effects achieve: single-purpose towers must no longer be the irredeemable requirement - generation, distribution and Consumption (with hydrogen technology also storage) of energy move in the settlement area together - in in the ecological Meaning already used area arises for The purpose of energy production is not inevitable additional Space requirement - numerous Natural sites can completely unaffected stay. The generation of wind power would have multiple benefits a much cheaper Starting position.

Die Nutzung von Aufsitzer-Standorten setzt anlagenseitig Eigenschaften voraus, die im wesentlichen einen sicheren Betrieb bei möglichst geringer Zusatzbelastung für die Gebäudestatik gewährleisten.The Use of Aufsitzer locations sets plant-side characteristics that is essentially safe operation if possible low additional load for the building statics guarantee.

Das im Folgenden beschriebene neue Bauprinzip mit zwei seiner möglichen Anwendungsformen erlaubt den Anspruch, diesen Vorgaben weitreichend zu entsprechen.The hereinafter described new construction principle with two of its possible Forms of application allows the claim to these requirements to far reaching correspond.

2. Die Aerodynamik des neuen Rotorflügels2. The aerodynamics of the new rotor blade

Eine anschauliche Vorstellung der spezifischen Wirkungsweise des neuen Rotorflügels läßt sich am bekannten Modell der Windanlage nach Darrieus gewinnen: Flügelanaloge Formkörper rotieren um eine gemeinsame vertikale Achse. Aerodynamisch bedeutet dies, daß sich die Anströmrichtung, hier als Winkel zwischen Windrichtung und Profilsehne der Flügel, periodisch ändert. Die vortriebswirksame Resultante aller Luftkraftkomponenten und damit die Drehfrequenz des Rotors hängt entscheidend davon ab, inwieweit das Aufkommen turbulenter Strömungsphasen unterbunden werden kann. Als Strömung ist hier die von der Anströmung induzierte Strömung um die Profilform zu verstehen.A vivid idea of the specific mode of action of the new one rotor blade let yourself on the known model of the wind turbine to win Darrieus: wing analogues moldings rotate around a common vertical axis. Aerodynamically means this, that is the direction of flow, here as an angle between wind direction and chord of the wings, periodically changes. The propulsive resultant of all air force components and thus the Rotation frequency of the rotor hangs decisively on the extent to which the emergence of turbulent flow phases can be prevented. As a flow here is the from the flow induced flow to understand the profile shape.

In den Phasen einer Anströmrichtung in einem Sektor breit um 90° zur Profilsehne (4) entsteht an den leeseitigen Zonen der Profilform eine Tendenz zum Umschlagen der laminaren in turbulente Strömung, äußerstenfalls bis zur Ablösung der Grenzschicht – 4 (6.0). Dann entstünde in hohem Maße schädlicher Widerstand mit entsprechender Beeinträchtigung des Wirkungsgrades. Es gilt daher, diesen abträglichen Vorgang bestmöglich zu unterbinden.In the phases of a direction of flow in a sector wide by 90 ° to the chord ( 4 ) develops on the leeward zones of the profile form a tendency to turn from laminar to turbulent flow, at most until the separation of the boundary layer - 4 ( 6.0 ). Then would result in a high degree of harmful resistance with a corresponding impairment of the efficiency. It is therefore important to prevent this detrimental process in the best possible way.

3. Das Wesentliche der neuen Konzeption3. The essentials the new conception

Das Ziel der Eutrophierung möglichst aller Luftkraftkomponenten wird erfindungsseitig dadurch verwirklicht, daß die Bauteile-Komposition der Strömungsdukturen (2.1 + 2.2) beim Umlauf des Flügels auf der Kreisbahn eine ausgleichende Ventilation hervorruft. Vorteilhafte Luftkräfte entstehen sowohl aus der Umströmung wie auch aus der wechselweisen Durchströmung der Profilform – 3 (5.1 + 5.2). Dabei induziert die Profilform eine Zweigströmung, welche als eine Art Zufutter für die leeseitigen Zonen – 4 (6.0) – dort aufkommende Erlahmungserscheinungen der Strömung und die damit einhergehende Widerstandszunahme unterbindet.The goal of eutrophication of all possible air force components is realized in the invention that the component composition of the flow ducts ( 2.1 + 2.2 ) causes a balancing ventilation during the circulation of the wing on the circular path. Advantageous air forces arise both from the flow around as well as from the alternating flow through the profile shape - 3 ( 5.1 + 5.2 ). The profile shape induces a branch flow, which serves as a kind of feed for the leeward zones. 4 ( 6.0 ) - there emerging signs of Erahmungserscheinungen the flow and the associated increase in resistance prevents.

Die hier vorgestellte Bauteile-Konfiguration hat zwar eine gewisse Erhöhung des Form- und Interferenz-Widerstandes zur Folge, der gewonnene Vorteil überwiegt jedoch bei weitem.The Although presented here component configuration has a certain increase in the Shape and interference resistance As a result, the advantage gained outweighs by far.

Zum Vorteil dieser Bauweise zählt insbesondere auch, daß ein so profilierter Flügel bereits in der Schwachwindphase ab 1 – 1,5 m/sec. Druckkräfte umsetzt. Diese bewirken den Selbstanlauf der Rotation und einen fliegenden Start in den Wirkungsbereich der Unterdruckkräfte.For the benefit of this design is particularly important that such a profiled wing already in the low-wind phase from 1 to 1.5 m / sec. compressive forces implements. These cause the self-start of rotation and a flying start in the sphere of action of the vacuum forces.

4. Die Bauweise des neuen Rotorflügels4. The construction of the new rotor blade

Kennzeichnend und funktionell bestimmend für das neue System sind 3 Baugruppen:

  • – Ein geschlossenes Nasenprofil-Segment (1.0),
  • – Strömungs-Duktoren in Gestalt zungenförmiger, flacher Schaufeln (2.1 + 2.2),
  • – Zwei über Rippen/Profil-Stege (4.0) zu einem offenen Kasten verbundene Profilflanken (3.1 + 3.2).
Characteristic and functionally determining for the new system are 3 assemblies:
  • - A closed nose profile segment ( 1.0 )
  • - Flow ductors in the form of tongue-shaped, flat blades ( 2.1 + 2.2 )
  • - Two over ribs / profile bars ( 4.0 ) profile flanks connected to an open box ( 3.1 + 3.2 ).

Das Nasenprofil-Segment (1.0) als Anlaufzone und offener Profilflankenkasten – 3 (3.1 + 3.2 + 4.0) – als Auslaufzone für die Strömung sind über die Strömungsduktoren (2.1 + 2.2) miteinander verbunden.The nose profile segment ( 1.0 ) as start-up zone and open profile edge box - 3 ( 3.1 + 3.2 + 4.0 ) - as an outlet zone for the flow are via the Strömungsduktoren ( 2.1 + 2.2 ) connected with each other.

Die laterale Aneinanderreihung einer bestimmbaren Zahl von Strömungsduktoren in Verbindung mit der um b/2 versetzten Anordnung auf der gegenständigen Seite bildet den ausschlaggebenden Wirkungsbereich des Systems. Die Reihung der Strömungsduktoren strukturiert und lenkt die Umströmung im wichtigen Übergangsbereich zwischen Anlauf- und Auslaufzone.The lateral juxtaposition of a determinable number of flow ductors in conjunction with the b / 2 offset arrangement on the opposite side forms the decisive area of influence of the system. The sequence the flow ductors structures and directs the flow around in the important transition area between startup and Run-off area.

Über die Schaufeln als Strömungsbrücke verläuft der Hauptstrom (5.1), laminar gehalten durch die kontrahierend und beschleunigend wirkende Formgebung. Der Strömungsfluß wird dadurch strangartig geordnet, was zur Minimierung des induzierten Widerstandes beiträgt.About the blades as a flow bridge of the main stream ( 5.1 ), laminar held by the contracting and accelerating acting shaping. The flow flow is thereby ordered in a string, which contributes to the minimization of the induced resistance.

Durch die pfeilförmigen Schlitze zwischen den Duktoren wird ein Zweig der Umströmung zur Durchströmung (5.2). Diese trifft mit einem Teilbetrag auf die Innenseite der gegenüber versetzt angeordneten Duktoren-Reihe. Die flachen Schaufeln wirken innenseitig formbedingt wie sich verengende Rinnen. In diesen wird auch der Durchströmungsvorgang struk turiert und beschleunigt. Auf der jeweils phasenbedingten Leeseite führt dies zu dem vortriebsrelevanten Verstärkungseffekt für die Strömung über die für Erlahmungserscheinungen besonders anfällige Auslaufzone.Through the arrow-shaped slits between the ductors is a branch of the flow to flow through ( 5.2 ). This applies with a partial amount on the inside of the opposite arranged ductors row. The shallow blades have a shape on the inside like narrowing channels. In these, the flow-through process is structured and accelerated. On the respective phase-dependent leeward side, this leads to the propulsion-relevant reinforcement effect for the flow over the outlet zone, which is particularly susceptible to the effects of frustration.

5. Die Möglichkeiten der Nutzanwendung5. The possibilities the utility application

Rotorflügel gemäß dem beschriebenen Bauprinzip können als Rotoren zur Windkrafterzeugung sowohl in Anlagen mit vertikaler wie auch mit horizontaler Rotationsachse eingebaut werden. Anlagen mit vertikaler Rotationsachse eignen sich grundsätzlich für alle unter den sonstigen Voraussetzungen möglichen Aufstellorte. Eine Anlage mit horizontaler Rotationsachse ist im Regelfalle auf den Plateaus von Hochbauten die einzig mögliche und kaum übertreffliche Anlage.Rotor blades according to the described Construction principle can as rotors for wind power generation both in systems with vertical as well as to be installed with a horizontal axis of rotation. Attachments with vertical axis of rotation are basically suitable for all among the others Prerequisites possible Installation locations. A system with horizontal axis of rotation is in As a rule, the only possible ones on the plateaus of buildings are hardly outstanding Investment.

a) Anlage mit vertikaler Rotationsachsea) plant with vertical axis of rotation

Rotorflügel der hier vorgestellten Bauweise können als andere Flügelgarnitur im Anlagentyp des bekannten Darrieus-Windkraftkonverters (H-Form) verstanden werden: Als Standard-Garnitur mit 2 oder 3 geraden Rotorflügeln, die über Ausleger an der Rotationsachse senkrecht oder mit einer geringfügig konversiven Neigung zur Förderung von Aesthetik und Akzeptanz angebracht sind. Der bisher unaufhebbare Nachteil dieses Anlagentyps bestand in der bauartbedingten begrenzten Operationshöhe. Über einem synergetisch genutzten Aufsitzer-Stellplatz hebt sich dieser Nachteil auf.Rotor blades of the here presented construction as other wing set in the plant type of the known Darrieus Windkraftkonverters (H-shape) understood As standard equipment with 2 or 3 straight rotor blades, which are over jib perpendicular to the axis of rotation or slightly converse Tendency to promote of aesthetics and acceptance are appropriate. The previously unsolvable Disadvantage of this type of plant was limited in the design Operation height. About one Synergetically used Aufsitzer pitch raises this disadvantage on.

Die systemspezifischen, bereits bekannten Vorteile von Konvertern mit vertikaler Rotationsachse erscheinen mit der Einbaumöglichkeit des hier vorgestellten Rotorflügels in einem neuen Licht:

  • – Die Anlage arbeitet verzögerungsfrei unabhängig von der Windrichtung.
  • – Alle Aggregate können auf der Fundamentplatte aufgestellt werden. Die Abstrahlung von Laufgeräuschen ist bei dieser Anordnung am geringsten.
  • – Aerodynamisch verursachte Geräusche aus der Umströmung der Rotorflügel sind erheblich geringer als bei Propeller-Rotoren.
  • – In Verbindung mit einer Motorik zur Anstellwinkelsteuerung ist auch eine Drehzahlregelung und Sturmsicherung möglich (Windfahnen-Stellung).
  • – Die Massenverteilung in statischer wie in dynamischer Hinsicht könnte kaum günstiger sein. Der Aufwand für die baustatische Fundierung und konstruktive Stabilisierung der Anlage läßt sich nur noch bei dem anschließend beschriebenen Anlagentypus mit horizontaler Drehachse weitergehend minimieren.
The system-specific, already known advantages of converters with a vertical axis of rotation appear in a new light with the possibility of installation of the rotor blade presented here:
  • - The system works without delay regardless of the wind direction.
  • - All units can be placed on the foundation plate. The emission of running noise is the lowest in this arrangement.
  • - Aerodynamically caused noise from the flow around the rotor blades are significantly lower than with propeller rotors.
  • - In conjunction with a motor for pitch control is also a speed control and storm protection possible (wind vane position).
  • - The mass distribution in static as well as dynamic terms could hardly be cheaper. The expense for the structural foundation and constructive stabilization of the system can be further minimized only in the subsequently described plant type with horizontal axis of rotation.

b) Anlage mit horizontaler Rotationsachseb) plant with horizontal axis of rotation

Über exponierten Aufstellorten mit einer Plateauhöhe ab etwa 100 m über Grund steht ein Energiedargebot bereit, das den Einsatz von Anlagen mit horizontaler Rotationsachse vor allem unter ökologischen Gesichtspunkten geradezu verlangt. Die aerodynamischen Gegebenheiten über Hochbauten sind in Abhängigkeit von Grundrißformen und Flächenverhältnissen dadurch gekennzeichnet, daß ein Betrag der horizontalen Windströmung vor der Gebäudesilhouette aufsteigt, die Plattform überströmt und zusammen mit der freien Strömung einen Beschleunigungsvorgang aufrechterhält. Die gleiche Windgeschwindigkeit wie über dem Höhenbereich nahe der Plattform ist erst wieder in einer nennenswert größeren Höhe zu erwarten.Over exposed Places with a plateau height from about 100 m above The reason for this is an energy supply that includes the use of facilities with a horizontal axis of rotation, especially from an ecological point of view demanded. The aerodynamic conditions over buildings are dependent of floor plans and area ratios characterized in that a Amount of horizontal wind flow in front of the building silhouette ascends, the platform overflows and together with the free flow maintains an acceleration process. The same wind speed how about the altitude range near the platform is to be expected again in a significantly higher altitude.

Neben der geringst möglichen Belastung der Gebäudestatik kommt der horizontale Aufbau einer Rotoranlage auch der Berücksichtigung von Gesichtspunkten wie Hindernisfreiheit und Sturmsicherung entgegen.Next the least possible Burden of building statics The horizontal structure of a rotor system is also taken into consideration from viewpoints such as obstacle clearance and storm protection.

Eine Anlage mit horizontaler Rotationsachse bedarf jedoch der Richtungssteuerung, welche die Rotationsachse senkrecht zur Windrichtung stellt. Eine Art Bocklagergestell auf einem Drehschemel trägt den Rotor und ermöglicht mittels einer Steuermotorik eine Schwenkbewegung der Anlage um die vertikale Steuerachse.A However, a system with a horizontal axis of rotation requires directional control, which sets the axis of rotation perpendicular to the wind direction. A Art Bocklagergestell on a turntable carries the rotor and allows by means of a control motor pivotal movement of the system to the vertical Control axis.

Die Richtungssteuerung durch Schwenkung der Anlage erfüllt zugleich alle übrigen Steuerungsfunktionen:

  • – Eine Abregelung der Drehzahl ist in einfacher Weise durch Rückführung des Winkels zwischen Windrichtung und Rotationsachse auf unter 90° möglich.
  • – Der Stillstand der Anlage zur Sturmsicherung wird herbeigeführt bei Parallelstellung der Rotationsachse mit der Windrichtung.
The directional control by tilting the system also fulfills all other control functions:
  • - A reduction of the speed is possible in a simple manner by returning the angle between the wind direction and the axis of rotation to below 90 °.
  • - The standstill of the system for storm protection is brought about with parallel position of the axis of rotation with the wind direction.

Nicht überschätzbar ist darüber hinaus der Vorteil der starren Gestalt des Rotors. Keine einzige Klappe muß bewegt und beweglich gehalten werden.Not overestimable about that In addition, the advantage of the rigid shape of the rotor. Not a single flap must be moving and be kept movable.

6. Weitergefaßte Aspekte6. Further aspects

  • – Technologische Die Herstellung des Rotors setzt im wesentlichen nicht mehr als die Spezialisierung bekannter und bewährter Verfahren voraus. Als Fertigungsmaterial für eine optimierte Leichtbauweise eignen sich vorrangig jedoch nicht ausschließlich metallische Werkstoffe. Die Art der Bauteile ist in höchstem Maße der Vorfertigung zugänglich und ermöglicht eine rationelle Serienfertigung. Die Baugröße/Nennleistung kann nach einem Modulsystem aufgestuft werden.- Technological The Manufacture of the rotor is essentially no more than that Specialization of well-known and proven procedures ahead. When Production material for an optimized lightweight construction are not primarily suitable exclusively metallic materials. The type of components is highly prefabricated accessible and allows one rational serial production. The size / rated power can after a Be upgraded module system.
  • – Ökologische Gerade auch im Betriebszustand hat das hier vorgestellte Rotorsystem stets eine ortsfeste Kontur, ein deutlich umrissenes 'Standbild'. Dieser Umstand berechtigt zu der Annahme, daß Vogelschlag zum Leiden der Kreaturen wie zum Schaden der Anlage allenfalls noch marginale Bedeutung hat.- Ecological Just also in the operating state, the rotor system presented here has always a stationary contour, a clearly outlined 'still image'. This circumstance justifies the assumption that bird strike to the suffering of the creatures as well as to the damage of the plant at best has marginal significance.
  • – Volkswirtschaftliche Neben dem Beitrag zur Erzeugung regenerativer Energie kann das hier vorgestellte System als Alternativ- oder Konversionsprodukt z.B. für den Sektor Tragflügelbau der Flugzeugindustrie Bedeutung erlangen.- Economical Next The contribution to the generation of regenerative energy can be presented here System as alternative or conversion product e.g. for the sector Tragflügelbau gain importance in the aircraft industry.

1.01.0
Nasenprofil-SegmentNose profile segment
2.12.1
Duktor-SchaufelDuct roller-blade
2.22.2
Duktor-Schaufel gegenständigDuct roller-blade to constantly
3.13.1
Profil-FlankeProfile edge
3.23.2
Profil-Flanke gegenständigProfile edge to constantly
4.04.0
Rippe/ProfilstegProfile web rib /
5.15.1
Umströmungflow around
5.25.2
Durchströmungflow
6.06.0
Potentielle Turbulenzzonepotential turbulent zone

Claims (1)

Rotorflügel für Windkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß 1. – ein Nasenprofil-Segment, – eine bestimmbare Zahl zungenförmiger, flacher Schaufeln (Strömungsduktoren), – zwei spiegelbildlich an Profilstege (Rippen) gelegte Profilflanken als offener Profilflankenkasten zu einem aerodynamisch profilierten Formkörper verbunden sind, 2. die Strömungsduktoren gegenständig zu beiden Seiten zwischen Nasenprofilsegment und Profilflankenkasten angeordnet sind, 3. die Strömungsduktoren gegenständig um b/2 zueinander versetzt angeordnet sind, 4. die Strömungsduktoren als Einzel-Formteile wie auch aus einer Mehrfach-Form hergestellt sein können, 5. als Fertigungsmaterialien neben den für die Leichtbauweise bevorzugten Metallblechen auch andere geeignete Materialien eingesetzt werden können.Rotor blades for wind power machines, characterized in that 1. - a nose profile segment, - a determinable number of tongue-shaped, flat blades (Strömungsduktoren), - two mirror-inverted profiled webs (ribs) profile flanks are connected as an open profile edge box to an aerodynamically profiled molded body, the Strömungsduktoren are arranged opposite to both sides between nose profile segment and profile edge box, 3. the flow ducts are arranged opposite each other by b / 2 to each other, 4. the Strömungsduktoren can be made as a single mold parts as well as from a multiple mold, as Production materials in addition to the preferred for lightweight construction metal sheets and other suitable materials can be used.
DE102004053498A 2004-10-28 2004-10-28 Rotor blade for wind mill, has two airfoil flanks fixed at ribs and are connected to aerodynamically profiled molded padding, and vanes placed between ribbed flat segment and flanks, where blade is made of metal sheets and direct material Withdrawn DE102004053498A1 (en)

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