DE102011050777A1

DE102011050777A1 - Rotor und Rotorblatt für eine Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102011050777A1
Application number: DE102011050777A
Authority: DE
Inventors: Thomas Nägler
Original assignee: DeWind Europe GmbH
Current assignee: DeWind Europe GmbH
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-06
Also published as: CA2837963A1; US20140234108A1; WO2012164045A9; WO2012164045A1; EP2715117A1

Abstract

Um einen Rotor (1) für eine Windkraftanlage (2), mit einer um eine Rotationsachse (15) rotierbaren Nabe (6) und einer Anzahl an der Nabe (6) befestigter Rotorblätter, wobei mindestens ein Rotorblatt mindestens einen Krümmungsabschnitt (8) mit einer Krümmung in stromaufwärtiger Richtung aufweist, derart zu optimieren, dass die Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen (2) erhöht wird, wird vorgeschlagen, dass ein sich vom nabenseitigen Ende erstreckender Sockelabschnitt (7) des gekrümmten Rotorblatts (5) mit seiner Längsachse (14) in einem Vorhaltewinkel (11) in stromaufwärtiger Richtung zu einer zur Rotationsachse (15) orthogonalen Ebene (16) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine Windkraftanlage, mit einer um eine Rotationsachse rotierbaren Nabe und einer Anzahl an der Nabe befestigter Rotorblätter, wobei mindestens ein Rotorblatt mindestens einen Krümmungsabschnitt mit einer Krümmung in stromaufwärtiger Richtung aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft gleichermaßen ein gekrümmtes Rotorblatt mit mindestens einem Krümmungsabschnitt mit einer Krümmung in einer Längsausdehnung zur Verwendung mit einem Rotor der vorliegenden Erfindung.
Nach dem Stand der Technik sind die erreichbaren elektrischen Leistungen von Windkraftanlagen begrenzt. Die Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen, also ihre erzielbare elektrische Leistung, ist maßgeblich abhängig von dem Profil Ihrer Rotorblätter. Die Profile sind aerodynamisch geformt, sodass ihr Umströmen mit Luft einen Auftrieb erzeugt. Weiterhin werden ihre Flächen möglichst groß gewählt, um ebenfalls den Auftrieb zu erhöhen. Der maximale Auftrieb im Teillast- und Nennlastbereich ist ein begrenzender Faktor der Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen. Der maximal erzielbare Auftrieb der Rotorblätter hängt vom Profil und der konstruktiven Anordnung der Bauteile einer Windkraftanlage zueinander ab und stellt sich unter bestimmten Betriebsbedingungen ein. So beeinflusst der Abstand zwischen den Rotorblättern und dem Turm den maximal erzielbaren Auftrieb, da sich ein Luftstau der die Windkraftanlage umströmenden Luft zwischen Rotorblättern und Turm bildet. Ein maßgebender Betriebsparameter ist die absolute Anströmgeschwindigkeit der Windkraftanlage durch den Wind, also die Geschwindigkeit, mit der der Wind gegen die Windkraftanlage strömt. Die Grenze dieses Betriebsparameters wird in Wechselwirkung mit dem Luftstau erreicht, wenn es zum Ablösen der Strömung vom Rotorblatt kommt. Als Folge nimmt der Auftrieb umgehend ab. Daraus resultieren Leistungseinbußen sowie gegebenenfalls hohe mechanische Belastungen der Windkraftanlage. Bisherige Bemühungen zur Erhöhung des maximal erzielbaren Auftriebs galten in erster Linie einer Optimierung der verwendeten Profile. Eine weitere Grenze der Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen wird durch die realisierbare Größe von Profilflächen gegeben. Die Profilflächen wachsen in Abhängigkeit der Rotorblattlänge. Durch die Verwendung sehr langer Rotorblätter besteht die Gefahr, dass diese während des Betriebs den Turm berühren. Die EP 1 019 631 B1 schlägt hierzu vor, die zu verwendenden Rotorblätter in stromaufwärtiger Richtung gekrümmt auszugestalten. Auch wird in dieser Schrift erwogen, das Maschinenhaus aus der horizontalen Ausrichtung in Rotorrichtungen Himmel zu neigen, damit die Rotorblätter vom Turmsockel weiter beabstandet sind. Als Nachteil wird angeführt, dass dieses ein sehr unästhetisches Erscheinungsbild ergibt, welches bei der Gesellschaft auf eine geringe Akzeptanz stößt.
Nachteilig an der aus der EP 1 019 631 B1 bekannten Vorrichtung ist, dass die Krümmung der Rotorblätter nur für Windkraftanlagen einer gewissen Größe geeignet ist, um den geforderten Abstand zwischen den Rotorblättern und dem Turm zu gewährleisten, da eine zu große Krümmung der Rotorblätter sich als aerodynamisch unvorteilhaft erweist und sogar zu einem Strömungsabriss führen kann. Die gekrümmten Rotorblätter aus der EP 1 019 631 stehen folglich einer Steigerung der Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen entgegen.
Daher hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, einen Rotor für eine Windkraftanlage, mit einer um eine Rotationsachse rotierbaren Nabe und einer Anzahl an der Nabe befestigter Rotorblätter, wobei mindestens ein Rotorblatt mindestens einen Krümmungsabschnitt mit einer Krümmung in stromaufwärtiger Richtung aufweist, und ein gekrümmtes Rotorblatt der eingangs genannten Art derart zu optimieren, dass die Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen erhöht wird.
Die auf den Rotor gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Rotor der eingangs genannten Art gelöst, bei dem ein sich vom nabenseitigen Ende erstreckender Sockelabschnitt des gekrümmten Rotorblatts mit seiner Längsachse in einem Vorhaltewinkel in stromaufwärtiger Richtung zu einer zur Rotationsachse orthogonalen Ebene angeordnet ist. Der Vorhaltewinkel und die Krümmung der Rotorblätter verstärken erfindungsgemäß mit Vorteil in Kombination die Ausrichtung der Windkraftanlage in stromaufwärtiger Richtung. Dabei wird durch die Kombination von derart gekrümmten Rotorblättern und dem Vorhaltewinkel mehr Auftrieb erzeugt als mit Rotorblättern, die keine Krümmung besitzen oder nicht in einem Vorhaltewinkel zur orthogonalen Ebene der Rotationsachse angeordnet sind oder weder das eine noch das andere Merkmal der Kombination aufweisen. Der Vorhaltewinkel kann vorteilhaft zwischen drei Grad und vier Grad, insbesondere dreieinhalb Grad, betragen. Jedoch sind auch kleinere Winkel, z. B. 0,5°, und größere Winkel, z. B. 5°, in Abhängigkeit der Rotorblattlänge und der Rotorblattgestaltung möglich. Auch sind einer Größen- bzw. Längenzunahme der beschriebenen Rotorblätter gegenüber konventionellen Rotorblättern erst später Grenzen gesetzt, da die stromaufwärtige Ausrichtung des Rotors einen größeren Abstand zum Turm, insbesondere zum Turmsockel gewährleistet. Unter konventionellen Rotorblättern sind dabei solche Rotorblätter zu verstehen, die über die Länge gerade verlaufen, wenn keine Windkräfte an diesen Rotorblättern anliegen. Die Größen- bzw. Längenzunahme der Rotorblätter sowie damit einhergehend des Turms ist ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen, da in höheren Luftschichten die durch die Bodenoberflächenbeschaffenheit hervorgerufenen Turbulenzen weitaus geringer sind und der Wind stärker und gleichmäßiger weht. Die Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen wird folglich erhöht. Das gekrümmte Rotorblatt kann vorteilhaft etwa 45 Meter lang sein und unter einem Vorhaltewinkel von dreieinhalb Grad in stromaufwärtiger Richtung angestellt sein. Es sind aber auch andere Rotorblattlängen ausführbar. Dabei kann der Vorhaltewinkel auch im Bereich von nahezu 0° bis 5° liegen, wobei der Vorhaltewinkel in Abhängigkeit der Rotorblattlänge und der Rotorblattgestaltung gewählt wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Rotors gemäß der Erfindung kann das gekrümmte Rotorblatt derart ausgestaltet sein, dass unter Strömungseinfluss bei einer gegebenen Anströmgeschwindigkeit, vorzugsweise oberen Betriebsanströmgeschwindigkeit, die Krümmung im Wesentlichen kompensiert wird. Die Anströmgeschwindigkeit wird vorliegend verstanden als die Geschwindigkeit des Windes, mit der der Rotor beziehungsweise die Rotorblätter während des Betriebes vom Wind angeströmt werden. Die obere Betriebsanströmgeschwindigkeit wird vorliegend per Definition verstanden als die Geschwindigkeit des Windes, bei der die gekrümmten Rotorblätter durch die auftretenden Windkräfte keine Krümmung mehr aufweisen. Erfindungsgemäß sind die gekrümmten Rotorblätter konstruktiv derart ausgelegt, dass sie bei Windstille, also bei verschwindender Anströmgeschwindigkeit, in ihrer konstruktiv vorgegebenen Form vorliegen und bei Anströmung mit der oberen Betriebsanströmgeschwindigkeit die Krümmung der gekrümmten Rotorblätter durch die Windkräfte kompensiert wird. Die gekrümmten Rotorblätter liegen dann auf einer sogenannten Nulllinie. Bei Nennanströmgeschwindigkeit, die unterhalb der oberen Betriebsanströmgeschwindigkeit liegt, befinden sich die gekrümmten Rotorblätter durch die Kräfte des Windes in einer Auslenkung zwischen konstruktiv vorgegebener Form und der Nulllinie. Die Nennanströmgeschwindigkeit wird vorliegend verstanden als die Windgeschwindigkeit, ab der die Nennleistung einer Windkraftanlage erzielbar ist.
Die konstruktive Auslegung der gekrümmten Rotorblätter erfolgt durch eine beliebige dem Fachmann wohlbekannte Weise, indem z. B. die Materialeigenschaften und/oder die mechanische Konstruktion variiert werden. Die Materialien müssen derart gewählt werden, dass sie eine elastische Verformung zulassen und folglich keine plastische Verformung auftritt. Die Konstruktion muss basierend auf den Materialien die jeweils äußeren Einflussfaktoren berücksichtigen. Eine im Binnenland zu errichtende Windkraftanlage ist zum Teil ganz anderen Einflussfaktoren als eine Windkraftanlage auf hoher See unterworfen. Mit Vorteil ermöglicht die vorliegende Erfindung, dass die Nennleistung einer Windkraftanlage über eine größere Bandbreite von Windgeschwindigkeiten erzielbar ist, da sich die gekrümmten Rotorblätter erst bei höheren Windgeschwindigkeiten als konventionelle Rotorblätter aerodynamisch unvorteilhaft verformen. Folglich wird die Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen erhöht.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das gekrümmte Rotorblatt eine über die Länge variable Breite aufweisen. Hierdurch kann das gekrümmte Rotorblatt einerseits Festigkeitsprobleme kompensieren, die durch aerodynamisch notwendige Verdrehungen in der Konstruktion der gekrümmten Rotorblätter entstehen, und andererseits besonders gut in Bezug auf seine aerodynamische Ausgestaltung Verwirbelungen reduzieren. Das gekrümmte Rotorblatt kann vorteilhaft an seinem nabenseitigen Ende etwa 2000 Millimeter sowie an seiner breitesten Stelle etwa 3500 Millimeter breit sein bei einer Länge von etwa 45 Metern. In weiteren konstruktiven Ausführungen kann die breiteste Stelle jedoch abweichende Maße aufweisen, z. B. bis zu 5500 mm.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann der Sockelabschnitt sich mindestens bis zu einer der größten Breite zugeordneten Länge des gekrümmten Rotorblatts erstreckend ausgebildet sein. Dies ermöglicht einerseits eine aerodynamisch vorteilhafte Anströmung des Rotors um die Nabe und andererseits führt die konstruktive Ausführung des Sockelabschnitts zu einer hohen Festigkeit des gesamten Rotorblatts, wodurch die Nennleistung im Vergleich zu Windkraftanlagen mit konventionellen Rotorblättern über eine größere Bandbreite von Windgeschwindigkeiten erreicht wird. Die hohe Festigkeit des Sockelabschnitts ermöglicht es, dass eine im Vergleich zu konventionellen Rotorblättern geringere Verformung durch den Wind auftritt. Dadurch können längere und größere Rotorblätter verwendet werden, wodurch wiederum die Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen erhöht wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann der Krümmungsabschnitt sich an den Sockelabschnitt anschließend angeordnet sein. Ein direkter Anschluss des Krümmungsabschnitts an den Sockelabschnitt hat sich als aerodynamisch vorteilhaft erwiesen, da es zu weniger gegenseitiger Beeinflussung des Turms und des gekrümmten Rotorblatts kommt als bei einer Verwendung eines konventionellen Rotorblatts. Folglich wird mehr Auftrieb an den Rotorblättern erzeugt, was wiederum die Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen erhöht.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann der Krümmungsabschnitt sich bis zu einem nabenabgewandten Abschnitt des gekrümmten Rotorblatts erstreckend ausgebildet sein. Dies führt zu einem größeren Abstand zwischen dem gekrümmten Rotorblatt und dem Turm, also weniger Luftstau und weniger gegenseitiger Beeinflussung als bei einer Verwendung eines konventionellen Rotorblatts. Auch hierdurch können die Rotorblätter größer, beziehungsweise länger als bei einer Verwendung eines konventionellen Rotorblatts gebaut werden, wodurch ebenfalls die Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen erhöht wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann ein im Wesentlichen nicht gekrümmter Abschnitt sich an den Krümmungsabschnitt in nabenentfernter Richtung anschließend angeordnet sein. Dabei können die Längsachse des Sockelabschnitts und eine Längsachse des sich an den gekrümmten Abschnitt anschließenden nicht gekrümmten Abschnitts insbesondere in einem Winkel von etwa einem Grad zu einander stehen. Dieser Winkel und der Vorhaltewinkel können dabei vorteilhaft in einem Verhältnis von eins zu zwei bis eins zu vier stehen. Auch diese Ausführung hat sich als aerodynamisch vorteilhaft erwiesen. Der Auftrieb der Rotorblätter wird hierdurch erhöht und die Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen wird ebenfalls erhöht.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das gekrümmte Rotorblatt einen weiteren Krümmungsabschnitt aufweisen. Auch diese Ausführung ist besonders aerodynamisch vorteilhaft. Die Krümmung bezieht sich dabei auf eine weitere Krümmung des gekrümmten Rotorblatts in stromaufwärtiger Richtung. Hierdurch wird der Auftrieb der Rotorblätter erhöht und die Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen gesteigert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das gekrümmte Rotorblatt in einzelnen Abschnitten oder sämtlichen Abschnitten im Wesentlichen aus einem Karbonfasern und/oder Glasfasern enthaltenden Werkstoff bestehen. Ein solcher Werkstoff hat den Vorteil, dass er sich besonders gut formen lässt, besonders leicht ist und eine hohe Steifigkeit aufweist. Durch die gute Formbarkeit des Werkstoffs lässt sich das gekrümmte Rotorblatt einfach herstellen. Auch ist durch die Ausgestaltung der gekrümmten Rotorblätter aus einem Karbonfasern enthaltenden Werkstoff die definierte Umsetzung einer berechneten Biegelinie besonders vorteilhaft möglich, die sich bei Windgeschwindigkeiten unterhalb der oberen Betriebsanströmgeschwindigkeit für die Aerodynamik des Profils der gekrümmten Rotorblätter als besonders vorteilhaft erwiesen hat und die bei Erreichen der oberen Betriebsanströmgeschwindigkeit keine Krümmung mehr aufweist. Die hohe Steifigkeit des Werkstoffs ermöglicht es ferner, dass eine Windkraftanlage mit gekrümmten Rotorblättern auch noch bei höheren Windgeschwindigkeiten als eine Windkraftanlage mit konventionellen Rotorblättern sich in Betrieb befinden kann. Auch ermöglichen die hohe Steifigkeit und das geringe Gewicht, dass größere Rotorblätter als mit anderen Werkstoffen baubar sind, da durch die Verwendung von Karbonfasern bei gleicher Masse eine größere Fläche der Rotorblätter ausgestaltet werden kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das gekrümmte Rotorblatt in einzelnen Abschnitten oder sämtlichen Abschnitten im Wesentlichen aus einem Karbonfasern und/oder Glasfasern enthaltenden Werkstoff bestehen. Ein solcher Werkstoff lässt sich ebenfalls gut formen, ist leicht und günstig in der Herstellung und Verarbeitung. Auch lässt sich eine benötigte Steifigkeit des Rotorblattes konstruktiv besonders vorteilhaft umsetzen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das gekrümmte Rotorblatt an einem nabenseitigen Ende Anlegeabschnitte zum Anlegen des gekrümmten Rotorblatts an die Nabe aufweisen, wobei eine Flächennormale einer durch die Anlegeabschnitte bestimmten Anlegeebene mit der zur Rotationsachse orthogonalen Ebene den Vorhaltewinkel bildet. Diese Anlegeabschnitte dienen zum Befestigen des Rotorblatts an die Nabe. Hierdurch wird eine klar definierte Kontaktfläche zwischen Nabe und Rotorblatt geschaffen, welche es ermöglicht, die Rotorblätter in einem Vorhaltewinkel zu befestigen. Die Rotorblätter lassen sich folglich gemäß den konstruktiven Vorgaben ausgerichten, so dass die Krümmung der gekrümmten Rotorblätter aerodynamisch vorteilhaft genutzt wird und ein Maximum an Auftrieb erzielt wird. Auch hierdurch wird die Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen gesteigert. Ferner ist hierdurch eine Möglichkeit beschrieben, wie der Vorhaltewinkel zu erzielen ist. Bei neu zu konstruierenden Rotorblättern ist dies eine Möglichkeit, den Vorhaltewinkel von vornherein in diese zu integrieren.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen der Nabe und dem gekrümmten Rotorblatt ein Winkelelement vorgesehen sein, welches eine Fläche zum Anlegen an das gekrümmte Rotorblatt und eine weitere Fläche zum Anlegen an die Nabe aufweist, wobei die Flächennormalen beider Flächen zueinander den Vorhaltewinkel bilden. Ein Winkelelement bietet sich besonders zum Nachrüsten an Windkraftanlagen an. Hierdurch kann der Vorhaltewinkel der Rotorblätter zur Rotationsachse verändert werden. Eine Modifikation der Anlegeabschnitte des Rotorblatts oder eine Veränderung der Nabe ist mit Vorteil aufgrund des erfindungsgemäßen Winkelelements nicht notwendig. Auch ist ein Winkelelement einfach zu montieren und erfordert keine Umgewöhnung des Montagepersonals im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen. Folglich kann hierdurch auch nachträglich das aerodynamische Verhalten der Rotorblätter im Wind optimiert werden und der Auftrieb erhöht werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Nabe Nabenanlegeabschitte zum Anlegen der Nabe an das gekrümmte Rotorblatt aufweisen, wobei eine Flächennormale einer durch die Nabenanlegeabschnitte bestimmten Nabenanlegeebene mit der zur Rotationsachse orthogonalen Ebene den Vorhaltewinkel bildet. Die Nabenanlegeabschnitte ermöglichen es, Rotorblatt und Nabe zueinander derart anzuordnen, dass der gewünschte Vorhaltewinkel erzielt wird und das aerodynamische Profil vorteilhaft angeströmt wird. Auch hierdurch wird die Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen erhöht.
Die auf ein gekrümmtes Rotorblatt gerichtete Aufgabe wird durch ein gekrümmtes Rotorblatt mit mindestens einem Krümmungsabschnitt mit einer Krümmung in einer Längsausdehnung zur Verwendung mit einem Rotor der vorliegenden Erfindung gelöst, bei dem das gekrümmte Rotorblatt an einem Ende Anlegeabschnitte zum Anlegen des gekrümmten Rotorblatts an eine Nabe eines Rotors einer Windkraftanlage aufweist, wobei eine Flächennormale einer durch die Anlegeabschnitte bestimmten Anlegeebene mit der Längsachse einen Vorhaltewinkel in Richtung der Krümmung bildet. Ein solches gekrümmtes Rotorblatt hat sich als aerodynamisch besonders vorteilhaft erwiesen. Auch ist es besonders vorteilhaft zum Nachrüsten an vorhandenen Windkraftanlagen geeignet, um die Leistungsfähigkeit dieser Windkraftanlagen zu steigern. Dabei bildet das erfindungsgemäß gekrümmte Rotorblatt mit einer bereits vorhandenen Nabe einen vorteilhaften Rotor, bei dem die gekrümmten Rotorblätter in einem Vorhaltewinkel in stromaufwärtiger Richtung zu einer Rotationsachse orthogonalen Ebene angeordnet sind.
Die auf ein gekrümmtes Rotorblatt gerichtete Aufgabe wird gleichermaßen durch ein gekrümmtes Rotorblatt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13 gelöst, welches derart ausgestaltet ist, dass unter Strömungseinfluss bei einer gegebenen Anströmgeschwindigkeit, vorzugsweise oberer Betriebsanströmgeschwindigkeit, der Windkraftanlage im Betrieb die Krümmung im Wesentlichen kompensiert wird. Dadurch ist ein Betreiben der Windkraftanlage bei höheren Windgeschwindigkeiten als bei Windkraftanlagen mit konventionellen Rotorblättern möglich. Auch ist es besonders vorteilhaft zum Nachrüsten an vorhandenen Windkraftanlagen geeignet, um die Leistungsfähigkeit dieser Windkraftanlagen zu steigern.
Dabei bildet das gekrümmte Rotorblatt mit einer bereits vorhandenen Nabe einen vorteilhaften Rotor.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotorblatts kann ein gekrümmtes Rotorblatt an einem Ende Anlegeabschnitte zum Anlegen des gekrümmten Rotorblatts an eine Nabe eines Rotors einer Windkraftanlage aufweisen, wobei eine Flächennormale einer durch die Anlegeabschnitte bestimmten Anlegeebene mit der Längsachse einen Vorhaltewinkel in Richtung der Krümmung bildet. Dadurch ist es möglich, das gekrümmte Rotorblatt in dem Vorhaltewinkel auszurichten, sodass dieses aerodynamisch vorteilhaft angeströmt ist. Auch ist es besonders vorteilhaft zum Nachrüsten an vorhandenen Windkraftanlagen geeignet, um die Leistungsfähigkeit dieser Windkraftanlagen zu steigern. Dabei bildet das gekrümmte Rotorblatt mit einer bereits vorhandenen Nabe einen vorteilhaften Rotor, bei dem die gekrümmten Rotorblätter in einem Vorhaltewinkel in stromaufwärtiger Richtung zu einer Rotationsachse orthogonalen Ebene angeordnet sind.
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
1: Schematische Darstellung einer Windkraftanlage in Seitenansicht mit einem erfindungsgemäßen Rotor, wobei die untere Figurenhälfte einen Zustand bei Windstille und die obere Figurenhälfte einen Zustand bei einer Betriebsanströmgeschwindigkeit zeigt;
2: Frontansicht in Windrichtung auf einen erfindungsgemäßen Rotor für die Windkraftanlage gemäß 1 mit einer Nabe und einem Teil eines gekrümmten Rotorblatts;
3: Erfindungsgemäßes gekrümmtes Rotorblatt für eine Windkraftanlage gemäß 1, wobei 3a) das gekrümmte Rotorblatt in Blickrichtung des Pfeils IIIa in 2 zeigt und 3b) eine frontale Ansicht auf das Blatt des in 2 dargestellten gekrümmten Rotorblatts zeigt;
4: Profilquerschnitten durch das erfindungsgemäße gekrümmte Rotorblatt in unterschiedlichen Rotorblattlängen;
5: Krümmungsverlauf des gekrümmten Rotorblatts gemäß 4 bezogen auf die Rotorblattlänge in einem gespreizten Koordinatensystem.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage 2 in mit einem erfindungsgemäßen Rotor 1, wobei die untere Figurenhälfte einen Zustand bei Windstille und die obere Figurenhälfte einen Zustand bei einer Betriebsanströmgeschwindigkeit zeigt. Die Windkraftanlage 2 weist einen Turm 3, ein Maschinenhaus 4, den Rotor 1, eine Nabe 6 sowie eine Anzahl gekrümmter Rotorblätter 5, 5a auf. Das Maschinenhaus 4 ist auf dem Turm 3 angeordnet. Der Rotor 1 ist am Maschinenhaus 4 angeordnet. Der Rotor 1 umfasst zwei gekrümmte Rotorblätter 5, 5a und eine Nabe 6. Weiterhin ist in 1 eine Symmetrieachse des Turms 3, eine Rotationsachse 15 des Rotors 1 sowie eine zur Rotationsachse 15 orthogonale Ebene 16 zu sehen. Auch ist mit einem Pfeil die Windrichtung angegeben, aus der der Wind die Windkraftanlage 2 anströmt. Ferner ist deutlich ein sich vom nabenseitigen Ende erstreckender, ungekrümmter Sockelabschnitt 7 des gekrümmten Rotorblattes 5 zu erkennen. Durch den Sockelabschnitt 7 ist dessen Längsachse 14 gezeichnet. In der unteren Figurenhälfte des gekrümmten Rotorblatts 5 ist schematisch eine Krümmung in Richtung zum Wind des gekrümmten Rotorblatts 5 bei Windstille dargestellt. Das gekrümmte Rotorblatt 5 ist folglich durch den Wind nicht verformt. In oberen Figurenhälfte ist ein mit dem gekrümmten Rotorblatt 5 baugleiches gekrümmtes Rotorblatt 5a dargestellt, welches vom Wind bei einer oberen Betriebsanströmgeschwindigkeit angeströmt ist. Bei der oberen Betriebsanströmgeschwindigkeit wird die Krümmung des Rotorblattes 5 durch die Einwirkung des Windes kompensiert, sodass das geradlinig verlaufende Rotorblatt 5a vorliegt. Das Rotorblatt 5a liegt folglich auf der Längsachse 14 des Sockelabschnitts 7. Weiterhin ist in diesem Zustand ersichtlich, dass der Sockelabschnitt 7 von der Nabe 6 weg an Breite zunimmt. An der Stelle, an der das gekrümmte Rotorblatt 5 am breitesten ist, endet der Sockelabschnitt 7 und es schließt sich ein Krümmungsabschnitt 8 an. An den Krümmungsabschnitt 8 schließt sich wiederum ein im Wesentlichen nicht gekrümmter Abschnitt 9 an. An den nicht gekrümmten Abschnitt 9 schließt sich ein nabenabgewandter Abschnitt 10 an, welcher einen weiteren Krümmungsabschnitt aufweist. Wie anhand der 1 besonders gut zu erkennen ist, liegt das gekrümmte Rotorblatt 5 selbst bei der oberen Betriebsanströmgeschwindigkeit nicht in der zur Rotationsachse 15 orthogonalen Ebene 16, da das gekrümmte Rotorblatt 5 unter einem Vorhaltewinkel 11 zur Nabe 6 angeordnet ist. Der Vorhaltewinkel 11 beträgt etwa dreieinhalb Grad. Um den Vorhaltewinkel 11 baulich zu realisieren, sind an der Nabe 6 die Nabenanlegeabschnitte unter dem Vorhaltewinkel 11 angeordnet. Es gibt aber eine zweite und eine dritte Ausführungsform, um den Vorhaltewinkel 11 zu erlangen. Diese Ausführungsformen sind in den Figuren nicht dargestellte. Bei der zweiten Ausführungsform ist ein Winkelelement zwischen dem gekrümmten Rotorblatt 5 und der Nabe 6 vorzusehen. Dieses Winkelelement weist zwei Anlegeabschnitte auf, deren erster mit dem gekrümmten Rotorblatt 5 und deren zweiter mit der Nabe 6 verbunden sind und zueinander unter dem Vorhaltewinkel 11 stehen. Bei der dritten Ausführungsform weist das gekrümmte Rotorblatt 5 Anlegeabschnitte auf, die im Vorhaltewinkel 11 zur orthogonalen Ebene der Längsachse 14 des Sockelabschnittes 7 ausgerichtet sind. Im Gegensatz zum Winkelelement, welches besonders zum Nachrüsten an vorhandenen Windkraftanlagen 2 geeignet ist, sind die beiden weiteren Möglichkeiten vorzugsweise bei Neukonstruktionen zu wählen. Schließlich wird mit einem Pfeil II noch die Betrachtungsrichtung der Windkraftanlage in 2 angegeben.
2 zeigt eine Frontansicht auf einen erfindungsgemäßen Rotor für die Windkraftanlage gemäß 1 mit einer Nabe und einem Teil eines gekrümmten Rotorblatts in Blickrichtung des Pfeils II in 1. Es handelt sich um eine Detailansicht der 1. Durch die Nabe 6 ist die Rotationsachse 15 gezeichnet. Durch das gekrümmte Rotorblatt 5, von dem lediglich ein Teil des Sockelabschnittes 7 zu sehen ist, ist die Längsachse 14 des Sockelabschnittes 7 gezeichnet. Auch ist ein weiterer Vorhaltewinkel 11a zwischen der Rotationsachse 15 der Nabe 6 und dem Nabenanlegeabschnitt 12 zu sehen, der betragsgleich mit dem Vorhaltewinkel 11 ist. Der Winkel beträgt etwa dreieinhalb Grad. Es ist zu erkennen, dass der Vorhaltewinkel 11 durch die Nabe 6 gegeben ist. Unter Rotation um die Rotationsachse 15 überstreicht der Nabenanlegeabschnitt 12 einen kegelförmigen Mantel. Anhand von 2 ist weiterhin ersichtlich, dass die Nabe 6 und das gekrümmte Rotorblatt 5 mittels Schraubverbindungen miteinander verbunden sind. Es sind aber auch Schweiß-, Niet- und Klebeverbindungen denkbar. Auch ist anhand der 2 zu erkennen, dass die Nabe 6 Gewindebohrungen für eine Schraubverbindung mit dem Maschinenhaus 4 aufweist.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes gekrümmtes Rotorblatt für eine Windkraftanlage gemäß 1, wobei 3a) das gekrümmte Rotorblatt in Blickrichtung des Pfeils IIIa in 2 zeigt und 3b) eine frontale Ansicht auf das Blatt des in 2 dargestellten gekrümmten Rotorblatts zeigt. Sowohl in 3a) als auch in 3b) ist ein Koordinatensystem mit Gitternetzlinien zur Orientierung eingezeichnet. In 3a) ist über die Abszisse die Länge des gekrümmten Rotorblatts 5 aufgetragen und über die Ordinate die Breite des gekrümmten Rotorblatts 5. Vom nabenseitigen Ende, links in der Ansicht a), nimmt die Breite bis zu einem Punkt größter Breite 17 zu. Dieser Bereich vom nabenseitigen Ende bis zum Punkt größter Breite 17 ist der Sockelabschnitt 7. An den Sockelabschnitt 7 schließt sich ein Krümmungsabschnitt 8 an. An diesen Krümmungsabschnitt 8 schließt sich wiederum ein im Wesentlichen nicht gekrümmter Abschnitt 9 an. An diesen nicht gekrümmten Abschnitt 9 schließt sich ein nabenabgewandter Abschnitt 10 an, welcher einen weiteren Krümmungsabschnitt aufweist.
3b) ist eine um 90° gedrehte Ansicht der 3a), wobei man nicht auf den Querschnitt des gekrümmten Rotorblatts 5 sieht. In 3b) ist über die Abszisse die Länge des gekrümmten Rotorblatts 5 aufgetragen und über die Ordinate die Dicke des gekrümmten Rotorblatts 5. Die Windrichtung, aus der der Rotor 1 angeströmt wird, ist ebenfalls eingezeichnet. Sie verläuft in Ordinatenrichtung. Anhand der 3b) ist besonders gut zu erkennen, dass der Sockelabschnitt 7 in einen Krümmungsabschnitt 8 übergeht. Weiterhin ist zu erkennen, dass das gekrümmte Rotorblatt 5 sich stromaufwärts, also in negativer Ordinatenrichtung, neigt. So ist das Rotorblatt 5 an seiner Spitze bezogen auf die Abszisse in etwa um den halben Betrag der Dicke des nabenseitigen Endes in stromaufwärtiger Richtung ausgelenkt.
4 zeigt Profilquerschnitten 18, 210–217 durch das erfindungsgemäße gekrümmte Rotorblatt in unterschiedlichen Rotorblattlängen. Über die Abszisse ist die Breite aufgetragen und über die Ordinate die Dicke. Die Windrichtung, aus der der Rotor 1 angeströmt wird, ist ebenfalls eingezeichnet. Sie verläuft in Ordinatenrichtung. Der Kreis 18 zeigt den Querschnitt des gekrümmten Rotorblattes 5 an seinem nabenseitigen Ende. Die weiteren Profilquerschnitte 210–217 zeigen, dass der Profilquerschnitt in Richtung von der Nabe weg zunächst bis zu einem Maximalwert anwächst und dann abnimmt. Dies ist durch die aufsteigende Nummerierung ihrer Bezugszeichen von 210–217 kenntlich gemacht. Dabei ist weiterhin zu erkennen, dass die Profilmittelpunkte 19 sich vom Ursprung 20 des Koordinatensystems, der deckungsgleich mit dem Mittelpunkt des Kreises 18 ist, in negativer Ordinatenrichtung mit zunehmender Entfernung von der Nabe entfernen. Dies zeigt deutlich, dass das gekrümmte Rotorblatt 5 mit zunehmender Entfernung vom Ursprung 20 stromaufwärts gekrümmt ist.
5 zeigt den Krümmungsverlauf des gekrümmten Rotorblatts gemäß 4 entlang der Längsauslenkung des Rotorblatts. In der grafischen Darstellung ist über die Abszisse die Länge des gekrümmten Rotorblatts 5 dargestellt und über die Ordinate eine Krümmung des gekrümmten Rotorblatts 5 in stromaufwärtiger Richtung. Die Maßstäbe an der Abszisse und an der Ordinate sind dabei unterschiedlich. Die Krümmung des gekrümmten Rotorblatts 5 in Ordinatenrichtung ist stark überzeichnet dargestellt. Vom Schnittpunkt der Abszisse und der Ordinate ausgehend ist gut eine Gerade zu erkennen, an die sich eine Krümmung anschließt. Diese Gerade entspricht dem Sockelabschnitt 7. Die dargestellte Krümmung entspricht dem Krümmungsabschnitt 8 des Rotorblattes 5 und erstreckt sich lediglich über einen kurzen Abschnitt. An diesen Krümmungsabschnitt 8 schließt sich wiederum ein nicht gekrümmter Abschnitt 9 an. Dieser nicht gekrümmte Abschnitt 9 endet am nabenabgewandten Abschnitt 10. Dieser nabenabgewandte Abschnitt 10 ist ein weiterer Krümmungsabschnitt.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Windkraftanlage
3: Turm
4: Maschinenhaus
5: Gekrümmtes Rotorblatt
5a: Gekrümmtes Rotorblatt bei Anströmung mit oberer Betriebsanströmgeschwindigkeit
6: Nabe
7: Sockelabschnitt
8: Krümmungsabschnitt
9: Nicht gekrümmter Abschnitt
10: Nabenabgewandter Abschnitt
11: Vorhaltewinkel
11a: weiterer Vorhaltewinkel
12: Nabenanlegeabschnitt
13: Anlegeabschnitt
14: Längsachse
15: Rotationsachse
16: Orthogonale Ebene
17: Punkt größter Breite
18: Kreis
19: Profilmittelpunkt
20: Ursprung
210–217: Profilquerschnitte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1019631 B1 [0003, 0004]
EP 1019631 [0004]

Claims

Rotor (1) für eine Windkraftanlage (2), mit einer um eine Rotationsachse (15) rotierbaren Nabe (6) und einer Anzahl an der Nabe (6) befestigter Rotorblätter, wobei mindestens ein Rotorblatt mindestens einen Krümmungsabschnitt (8) mit einer Krümmung in stromaufwärtiger Richtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich vom nabenseitigen Ende erstreckender Sockelabschnitt (7) des gekrümmten Rotorblatts (5) mit seiner Längsachse (14) in einem Vorhaltewinkel (11) in stromaufwärtiger Richtung zu einer zur Rotationsachse (15) orthogonalen Ebene (16) angeordnet ist.
Rotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gekrümmte Rotorblatt (5) derart ausgestaltet ist, dass unter Strömungseinfluss bei einer gegebenen Anströmgeschwindigkeit, vorzugsweise oberen Betriebsanströmgeschwindigkeit, die Krümmung im Wesentlichen kompensiert wird.
Rotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gekrümmte Rotorblatt (5) eine über die Länge variable Breite aufweist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockelabschnitt (7) sich mindestens bis zu einer der größten Breite zugeordneten Länge des gekrümmten Rotorblatts (5) erstreckend ausgebildet ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsabschnitt (8) sich an den Sockelabschnitt (7) anschließend angeordnet ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsabschnitt (8) sich bis zu einem nabenabgewandten Abschnitt (10) des gekrümmten Rotorblatts (5) erstreckend ausgebildet ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Wesentlichen nicht gekrümmter Abschnitt (9) sich an den Krümmungsabschnitt (8) in nabenentfernter Richtung anschließend angeordnet ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gekrümmte Rotorblatt (5) einen weiteren Krümmungsabschnitt aufweist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gekrümmte Rotorblatt (5) in einzelnen Abschnitten oder sämtlichen Abschnitten im Wesentlichen aus einem Karbonfasern und/oder Glasfasern enthaltenden Werkstoff besteht.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gekrümmte Rotorblatt (5) an einem nabenseitigen Ende Anlegeabschnitte (13) zum Anlegen des gekrümmten Rotorblatts (5) an die Nabe (6) aufweist, wobei eine Flächennormale einer durch die Anlegeabschnitte (13) bestimmten Anlegeebene mit der zur Rotationsachse (15) orthogonalen Ebene (16) den Vorhaltewinkel (11) bildet.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Nabe (6) und dem gekrümmten Rotorblatt (5) ein Winkelelement vorgesehen ist, welches eine Fläche zum Anlegen an das gekrümmte Rotorblatt (5) und eine weitere Fläche zum Anlegen an die Nabe (6) aufweist, wobei die Flächennormalen beider Flächen zueinander den Vorhaltewinkel (11) bilden.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (6) Nabenanlegeabschitte (12) zum Anlegen der Nabe (6) an das gekrümmte Rotorblatt (5) aufweist, wobei eine Flächennormale einer durch die Nabenanlegeabschnitte (12) bestimmten Nabenanlegeebene mit der zur Rotationsachse (15) orthogonalen Ebene (16) den Vorhaltewinkel (11) bildet.
Gekrümmtes Rotorblatt (5) mit mindestens einem Krümmungsabschnitt (8) mit einer Krümmung in einer Längsausdehnung zur Verwendung mit einem Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es an einem Ende Anlegeabschnitte zum Anlegen des gekrümmten Rotorblatts (5) an eine Nabe (6) eines Rotors (1) einer Windkraftanlage (2) aufweist, wobei eine Flächennormale einer durch die Anlegeabschnitte bestimmten Anlegeebene mit der Längsachse (14) einen Vorhaltewinkel (11) in Richtung der Krümmung bildet.
Gekrümmtes Rotorblatt (5) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13, dadurch gekennzeichnet, dass es derart ausgestaltet ist, dass unter Strömungseinfluss bei einer gegebenen Anströmgeschwindigkeit, vorzugsweise oberer Betriebsanströmgeschwindigkeit, der Windkraftanlage (2) im Betrieb die Krümmung im Wesentlichen kompensiert wird.
Gekrümmtes Rotorblatt (5) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es an einem Ende Anlegeabschnitte zum Anlegen des gekrümmten Rotorblatts (5) an eine Nabe (6) eines Rotors (1) einer Windkraftanlage (2) aufweist, wobei eine Flächennormale einer durch die Anlegeabschnitte bestimmten Anlegeebene mit der Längsachse (14) einen Vorhaltewinkel (11) in Richtung der Krümmung bildet.