DE102011051985B4

DE102011051985B4 - Rotorblattvorrichtung

Info

Publication number: DE102011051985B4
Application number: DE102011051985.8A
Authority: DE
Inventors: Murray Fisher; Stefan Herr; David Cole Magnuson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: LM Wind Power AS
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2020-02-27
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: DK201370163A; US20110142681A1; US8011887B2; DK178423B1; CN102345570A; DK201170372A; DE102011051985A1; CN102345570B

Abstract

Eine Rotorblattvorrichtung (100) umfassend:ein Hauptrotorblatt (22), das eine Druckseite (62) und eine Saugseite (64) umfasst, die sich zwischen einer Anströmkante (66) und einer Hinterkante (68) erstrecken;ein Hilfsrotorblatt (110, 112), das mit dem Hauptrotorblatt (22) verbunden ist, und eine Druckseite (122) und Saugseite (124) umfasst, die sich zwischen einer Anströmkante (126) und einer Hinterkante (128) erstrecken; undein Trägerelement (150), das das Hilfsrotorblatt (110, 112) mit dem Hauptrotorblatt (22) verbindet,wobei das Hilfsrotorblatt (110, 112) konfiguriert ist, eine der Rotorblattvorrichtung (100) zugeordnete Auftriebskraft (90) zu modifizieren, undwobei das Hilfsrotorblatt (110, 112) konfiguriert ist, passiv aktiviert zu werden, wenn die Rotorblattvorrichtung eine Last (92) erfährt, die größer als oder ungefähr gleich zu einer Lastgrenze (94) ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Rotorblätter und insbesondere mehrelementige Rotorblätter.
Hintergrund der Erfindung
Windenergie wird als eine der saubersten und umweltfreundlichsten der derzeit verfügbaren Energiequellen angesehen, und Windturbinen haben diesbezüglich erhöhte Aufmerksamkeit erfahren. Eine moderne Windturbine umfasst typischerweise einen Turm, einen Generator, ein Getriebe, eine Gondel, und ein oder mehrere Rotorblätter. Die Rotorblätter entnehmen dem Wind kinetische Energie basierend auf bekannten Profilprinzipien. Die Rotorblätter übertragen die kinetische Energie in der Form von Rotationsenergie, indem sie eine Welle drehen, die die Rotorblätter mit einem Getriebe, oder wenn kein Getriebe genutzt wird, direkt mit dem Generator verbinden. Der Generator wandelt dann die mechanische Energie in elektrische Energie um, die in ein Energieversorgungsnetz eingespeist werden kann.
Die Größe, Form und das Gewicht von Rotorblättern sind Faktoren, die zu der Energieeffizienz von Windturbinen beitragen. Im Moment sind bestehende oder sich in der Entwicklung befindliche große kommerzielle Windturbinen in der Lage zwischen ungefähr 1,5 bis ungefähr 12,5 Megawatt Leistung herzustellen. Diese größeren Windturbinen können Rotorblattvorrichtungen aufweisen, die größer als 90 m im Durchmesser sind. Dementsprechend unterstützen Bemühungen zur Vergrößerung der Rotorblattgröße, Verringerung des Rotorblattgewichtes und Vergrößerung der Rotorblattstärke, wobei auch die Rotorblattaerodynamik verbessert wird, das anhaltende Wachsen der Windturbinentechnologie und den Einsatz der Windenergie als alternative Energiequelle.
Die US 2 622 686 A beschreibt ein Windrotorblatt mit einer Vielzahl von Einstellvorrichtungen, die im gleichen allgemeinen radialen Abschnitt des Blattes montiert sind. Die US 7 424 988 B2 bezieht sich auf die Steuerung von Flügeln, wobei ein elektrisches Stellglied die Neigung einer kleinen aerodynamischen Oberfläche ändert und die resultierenden Luftlasten auf der kleinen aerodynamischen Oberfläche verwendet werden, um die Neigung einer wesentlich größeren aerodynamischen Oberfläche zu ändern. Die DE 10 2008 016 007 A1 beschreibt einen Rotorflügel, welcher einen Hauptflügelabschnitt und eine Verlängerungsklappe aufweist. Die DE 602 21 293 T2 beschreibt ein passives Geschwindigkeits- und Leistungsregelsystem für eine Windturbine. Die DE 41 32 453 A1 beschreibt Flügel für Windkraftanlagen umfassend einen Haupt- und mindestens einen Vorflügel, wobei die einander gegenüberliegenden Flächen von Haupt- und Vorflügel gegeneinander gewölbt ausgebildet sind und zwischen sich einen bikonkaven Spalt zur beschleunigten Abführung der Luft auf die Sogseite des Hauptflügels bestimmen. Die EP 2 107 235 A1 beschreibt eine Schaufel für einen Rotor einer Windturbine, umfassend ein Hilfsprofil sowie eine Sehne, die sich zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante erstreckt. Die US 2 549 760 A beschreibt einen Flugzeugflügel mit Mitteln zum gleichzeitigen Bewegen von Tragflügelelementen zwischen einer Betriebs- und einer Ruheposition.
Gegenwärtig bekannte Rotorblätter, die in ihrer Größe zunehmen und daher vorteilhafter Weise größere Auftriebskräfte erzeugen, können Nachteile aufweisen. Zum Beispiel führen größere Auftriebskräfte zu entsprechend größeren Lasten auf den Rotorblättern und anderen Windturbinenkomponenten. Diese Lasten müssen gesteuert werden, um zu verhindern, dass die Rotorblätter ausfallen oder beschädigt werden. Bekannte Systeme und Verfahren zum Steuern der Lasten umfassen zum Beispiel Veränderungen im Steuergerät der Rotorblätter und eine aktive Strömungssteuerung der Rotorblätter. Diese Systeme und Verfahren mögen allerdings im Allgemeinen nicht in der Lage sein, sich schnell genug an einen sich ändernden dynamischen Strömungszustand an dem Rotorblatt anzupassen, um die schweren Lasten angepasst zu steuern. Eine weitere Lösung umfasst den Einsatz eines aerodynamischen Zuschnitts der Rotorblätter. Die Rotorblätter müssen jedoch auf eine bestimmte Windgeschwindigkeit aerodynamisch zugeschnitten werden. Daher mag die Anpassung eines aerodynamisch zugeschnittenen Rotorblattes an den wechselnden dynamischen Strömungszustand relativ begrenzt auf die entsprechende Windgeschwindigkeit sein und mag bei anderen Windgeschwindigkeiten nicht optimal funktionieren.
Dementsprechend gibt es einen Bedarf für eine Rotorblattvorrichtung, die sich schnell an einen sich verändernden dynamischen Strömungszustand anzupassen vermag und die sich an verschiedenste Windgeschwindigkeiten anpassen kann. Darüber hinaus wäre eine Rotorblattvorrichtung vorteilhaft, die kleinere und leichtere Rotorblätter ermöglicht, die größere Auftriebskräfte erzeugen. Des Weiteren wäre eine Rotorblattvorrichtung gewünscht, mit der verschiedene Komponenten bestehender Rotorblätter nachgerüstet werden können, um anpassbare Merkmale und größere Auftriebskräfte zur Verfügung zu stellen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt, sind hieraus nahe liegend und/oder können durch Ausübung der Erfindung erfahren werden.
Die oben erwähnten Probleme werden durch eine Rotorblattvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen, weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung, den abhängigen Ansprüchen und den Figuren dargelegt oder sind hieraus nahe liegend.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Rotorblattvorrichtung offenbart. Die Rotorblattvorrichtung umfasst ein Hauptrotorblatt, wobei das Hauptrotorblatt eine Druckseite und eine Saugseite aufweist, die sich zwischen einer Anströmkante und einer Blatthinterkante erstrecken, und ein Hilfsrotorblatt, das mit dem Hauptrotorblatt verbunden ist, wobei das Hilfsrotorblatt eine Druckseite und eine Saugseite umfasst, die sich zwischen einer Anströmkante und einer Blatthinterkante erstrecken. Die Rotorblattvorrichtung umfasst des Weiteren ein Trageelement, das das Hilfsrotorblatt mit dem Hauptrotorblatt verbindet. Das Hilfsrotorblatt ist konfiguriert, eine zu der Rotorblattvorrichtung gehörige Auftriebskraft zu verändern.
Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren, durch die die Rotorblätter betrieben werden, und/oder durch die die beschriebenen Rotorblätter und ihre Elemente hergestellt und zusammengebaut werden.
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung können umfassender verstanden werden mit Bezug auf die folgende Beschreibung und die angehängten Ansprüche. Die begleitenden Zeichnungen, die Teil dieser Beschreibung darstellen, illustrieren Ausführungsformen der Erfindung und sollen, zusammen mit der Beschreibung, die Prinzipien der Erfindung erklären.
Figurenliste
Eine vollständige und für einen Fachmann ausführbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung, inklusive der besten Ausführungsart davon, wird in der Beschreibung dargestellt, die Bezug nimmt auf die angehängten Figuren, wobei:

1 ist eine perspektivische Ansicht einer exemplarischen Windturbine;
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Rotorblattvorrichtung der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Rotorblattvorrichtung der vorliegenden Offenbarung entlang der Linie 3-3 von 2;
4 ist eine Querschnittsansicht der Ausführungsform der Rotorblattvorrichtung der vorliegenden Offenbarung gemäß 2 und 3, wobei die Rotorblattvorrichtung eine Last erfährt, die größer oder gleich einer Lastgrenze 94 ist;
5 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Rotorblattvorrichtung der vorliegenden Offenbarung;
6 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Rotorblattvorrichtung der vorliegenden Offenbarung entlang den Linien 6--6 von 5; und
7 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Rotorblattvorrichtung der vorliegenden Offenbarung.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Windturbine 10. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Windturbine 10 eine Windturbine mit Horizontalachse. Die Windturbine 10 kann alternativ eine Windturbine mit vertikaler Achse sein. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Windturbine 10 einen Turm 12, der von einer Auflagefläche 14 ragt, wie zum Beispiel dem Grund, einer Plattform oder einem Fundament, eine Gondel 16, die auf dem Turm 12 befestigt ist, und einen Rotor 18, der an die Gondel 16 angeschlossen ist. Der Rotor 18 umfasst eine drehbare Nabe 20 und mindestens ein Hauptrotorblatt 22, das mit der Nabe 20 verbunden ist und sich davon ausgehend nach außen erstreckt. In der beispielhaften Ausführungsform hat der Rotor 18 drei Hauptrotorblätter 22. In einer alternativen Ausführungsform umfasst der Rotor 18 mehr oder weniger als drei Hauptrotorblätter 22. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Turm 12 aus röhrenförmigen Stahl hergestellt, um einen Hohlraum (nicht gezeigt in 1) zwischen der Auflagefläche 14 und der Gondel 16 zu bilden. In einer alternativen Ausführungsform ist der Turm 12 irgendeine geeignete Art eines Turms mit irgendeiner geeigneten Höhe.
Die Hauptrotorblätter 22 sind um die Nabe 20 herum verteilt, um es dem drehenden Rotor 18 zu ermöglichen, dass dieser kinetische Energie in nutzbare mechanische Energie aus dem Wind überführt, und daraufhin in elektrische Energie. Die Hauptrotorblätter 22 werden mit der Nabe 20 verbunden, indem ein Blattwurzelteil 24 mit der Nabe 20 an einer Vielzahl von Lastenübertragungsregionen 26 befestigt wird. Die Lastenübertragungsregionen 26 weisen eine Nabenlastenübertragungsregion und eine Blattlastenübertragungsregion auf (beide nicht in 1 gezeigt). Die auf die Hauptrotorblätter 22 wirkenden Lasten werden auf die Nabe 20 über die Lastenübertragungsregionen 26 übertragen. In einer Ausführungsform haben die Hauptrotorblätter 22 eine Länge, die zwischen 15 Metern (m) bis ungefähr 91 m liegt. Die Hauptrotorblätter 22 können alternativ jede geeignete Länge aufweisen, die es ermöglicht, dass die Windturbine 10 wie hierin beschrieben arbeitet. Zum Beispiel, andere Beispiele von Blattlängen umfassen 10 m oder weniger, 20m, 37m oder eine Länge, die größer als 101 m ist. Wenn Wind aus einer Windrichtung 28 auf die Hauptrotorblätter 22 fällt, wird der Rotor 18 um eine Rotationsachse 30 gedreht. Wenn die Hauptrotorblätter 22 gedreht werden und Zentrifugalkräften sowie aerodynamischen und Gravitationskräften ausgesetzt sind, sind die Hauptrotorblätter 22 auch verschiedensten Kräften und Momenten ausgesetzt. Daher können sich die Hauptrotorblätter 22 abbiegen und/oder von einer neutralen, oder nicht-abgebogenen Position, zu einer abgebogenen Position drehen. Darüber hinaus kann ein Anstellwinkel oder Blattwinkel der Hauptrotorblätter 22, das heißt ein Winkel, der eine Stellung der Hauptrotorblätter 22 in Bezug auf die Windrichtung 28 bestimmt, durch ein Anstellwinkelverstellsystem 32 verändert werden, um die Last und die von der Windturbine 10 erzeugte Energie zu steuern, indem die Winkelposition des mindestens einen Hauptrotorblattes 22 relativ zu Windvektoren wie denen in Richtung 28 verstellt wird. Die Blattwinkelachsen 34 für Hauptrotorblätter 22 sind gezeigt. Während des Betriebs der Windturbine 10 kann das Anstellwinkelverstellsystem 32 einen Blattwinkel der Hauptrotorblätter 22 derart verändern, dass die Hauptrotorblätter 22 in eine Segelstellung bewegt werden, sodass die Stellung des mindestens einen Hauptrotorblattes 22 relativ zum Windvektor eine minimale Oberfläche des Hauptrotorblattes 22 zur Verfügung stellt, die in Richtung des Windvektors wie z.B. denen in Richtung 28 ausgerichtet ist, was das Reduzieren einer Drehgeschwindigkeit des Rotors 18 und/oder das Verhindern eines Abrisses der Strömung von Rotor 18 erleichtert.
In der beispielhaften Ausführungsform wird der Blattwinkel von jedem Hauptrotorblatt 22 individuell von einem Steuersystem 36 gesteuert. Der Blattwinkel kann alternativ auch für alle Hauptrotorblätter 22 von einem Steuersystem 36 simultan gesteuert werden. In der beispielhaften Ausführungsform kann des Weiteren die Azimutrichtung der Gondel 16 um eine Azimutachse 38 gesteuert werden, um die Hauptrotorblätter 22 bezüglich der Windrichtung 28 zu positionieren, wenn sich die Windrichtung 28 ändert.
In der beispielhaften Ausführungsform wird das Steuersystem 36 als zentral innerhalb der Gondel 16 angeordnet gezeigt. Das Steuersystem 36 kann aber auch ein System sein, das verteilt ist über die Windturbine 10, auf der Auflagefläche 14, innerhalb einer Windfarm und/oder an einem entfernten Steuerzentrum. Das Steuersystem 36 umfasst einen Prozessor 40, der dazu konfiguriert ist, die hierin beschriebenen Verfahren und/oder Schritte durchzuführen. Des Weiteren umfassen viele der anderen hierin beschriebenen Komponenten einen Prozessor. Der Begriff „Prozessor“ wie er hierin benutzt wird ist nicht beschränkt auf integrierte Schaltungen, die in dem Gebiet als Computer bezeichnet werden, sondern bezieht sich allgemein auf eine Steuerung, eine Mikrosteuerung, einen Mikrocomputer, eine programmierbare logische Steuerung (PLC), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, und andere programmierbare Schaltungen, und diese Begriffe werden hier gegenseitig austauschbar benutzt. Es ist wichtig zu verstehen, dass ein Prozessor und/oder ein Steuersystem auch einen Speicher, Eingangskanäle und/oder Ausgangskanäle umfassen können.
Mit Bezug zu den 2 bis 7 wird ein Hauptrotorblatt 22 gemäß der vorliegenden Offenbarung illustriert. Das Hauptrotorblatt 22 kann sich von einer Blattspitze 54 zu einer Blattwurzel 56 erstrecken und eine Druckseite 62 und eine Saugseite 64 umfassen, die sich zwischen einer Anströmkante 66 und einer Hinterkante 68 erstrecken. Das Hauptrotorblatt 22 kann des Weiteren eine Breite 72 und eine Spannweite 74 haben. Des Weiteren kann die Breite 72 mit Bezug auf die Spannweite 74 variieren und/oder die Spannweite 74 kann mit Bezug auf die Breite 72 variieren. In einigen Ausführungsformen kann das Hauptrotorblatt 22 in eine Vielzahl von Hauptrotorblätter (22) komponenten aufgeteilt sein. Im Allgemeinen kann das Hauptrotorblatt 22 jegliches geeignetes aerodynamisches Profil aufweisen. Zum Beispiel kann das Hauptrotorblatt 22 in einer beispielhaften Ausführungsform eine geschwungene Form aufweisen, die ihm ein gekrümmtes konturiertes aerodynamisches Profil gibt. In einer alternativen Ausführungsform kann das Hauptrotorblatt 22 eine nicht geschwungene Form und ein entsprechendes aerodynamisches Profil aufweisen.
Das Hauptrotorblatt 22 kann in beispielhaften Ausführungsformen aeroelastisch zugeschnitten sein. Aeroelastisches Zuschneiden des Rotorblattes 22 kann Biegen des Hauptrotorblattes 22 in einer im Allgemeinen bremsklappenartigen Richtung und/oder in einer im Allgemeinen kantenweisen Richtung mit sich bringen. Die bremsklappenartige Richtung ist eine Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu einer quer laufenden Achse durch einen Querschnitt der weitesten Seite des Hauptrotorblattes 22 ist. Alternativ kann die bremsklappenartige Richtung als die Richtung (oder die Gegenrichtung) ausgelegt werden, in der der aerodynamische Auftrieb auf das Hauptrotorblatt 22 wirkt. Die kantenartige Richtung ist senkrecht zu der bremsklappenartigen Richtung. Aeroelastisches Zuschneiden des Hauptrotorblattes 22 kann des Weiteren Verbiegen des Hauptrotorblattes 22 mit sich bringen, wie zum Beispiel mit Bezug auf die im Allgemeinen bremsklappenartige oder kantenartige Richtung, wenn gewünscht.
Das Hauptrotorblatt 22 der vorliegenden Offenbarung kann jegliche geeignete innere und äußere Struktur aufweisen. Zum Beispiel kann das Hauptrotorblatt 22 eine äußere Schale 80 aufweisen. Die äußere Schale 80 kann eine einheitliche Schale sein oder kann eine Vielzahl von Schalenkomponenten umfassen. Die äußere Schale 80 kann im Allgemeinen das äußere aerodynamische Profil des Hauptrotorblattes 22 formen. Zusätzlich kann das Hauptrotorblatt 22 in beispielhaften Ausführungsformen einen Holmsteg 82 oder eine Mehrzahl von Holmstegen umfassen, die sich zwischen Holmgurten 84 erstrecken. Des Weiteren kann das Hauptrotorblatt 22 in einigen Ausführungsformen eine Bindekappe 86 umfassen.
Das Hauptrotorblatt 22 der vorliegenden Offenbarung kann während des Betriebs der Windturbine 10 im Allgemeinen eine Auftriebskraft 90 und eine entsprechende Last 92 wie in den 3 und 4 gezeigt, erfahren. In einigen Situationen und Umweltbedingungen, wie zum Beispiel während Zeiten mit starken Winden, kann das Hauptrotorblatt 22 eine gesteigerte Last erfahren, die größer ist als oder ungefähr gleich wie eine Lastgrenze 94. Lastgrenze 94 kann zum Beispiel eine Maximallast sein, die das Hauptrotorblatt 22 erfahren kann, mit oder ohne einen Sicherheitsfaktor, oder ein Lastenauslegungspunkt. Die gesteigerte Belastung mag auf das Hauptrotorblatt 22 wirken, zum Beispiel wegen einer starken Windböe. Ohne eine Vorrichtung, die diese gesteigerte Belastung berücksichtigt, kann das Hauptrotorblatt 22 ermüden oder ausfallen.
Daher wird, wie in den 2 bis 7 gezeigt, eine Rotorblattvorrichtung 100 offenbart. Die Rotorblattvorrichtung 100 kann ein Hauptrotorblatt 22, wie oben besprochen, umfassen. Darüber hinaus kann die Rotorblattvorrichtung 100 ein Hilfsrotorblatt 110, 112 oder eine Mehrzahl von Hilfsrotorblättern 110, 112, die mit dem Hauptrotorblatt 22 verbunden sind, umfassen. Jedes Hilfsrotorblatt 110, 112 kann sich von einer Hilfsblattspitze 114 zu einer Hilfsblattwurzel 116 erstrecken und kann eine Druckseite 122 und eine Saugseite 124 umfassen, die sich zwischen einer Anströmkante 126 und einer Hinterkante 128 erstrecken.
Jedes Hilfsrotorblatt 110, 112 kann des Weiteren eine Breite 132 und eine Spannweite 134 aufweisen. Des Weiteren kann die Breite 132 mit Bezug auf die Spannweite 134 und/oder die Spannweite 134 mit Bezug auf die Breite 132 variieren. Jedes Hilfsrotorblatt 110, 112 kann irgendein geeignetes aerodynamische Profil aufweisen mit, zum Beispiel, verschiedenen aerodynamischen Eigenschaften, die ähnlich zu oder unterschiedlich von dem Hauptrotorblatt 22, wie oben besprochen, sind. Des Weiteren können die Hilfsrotorblätter 110, 112 der vorliegenden Offenbarung jeweils jegliche geeignete innere und äußere Struktur aufweisen. Zum Beispiel können die Hilfsrotorblätter 110, 112 jeweils eine äußere Schale (nicht gezeigt) aufweisen. Die äußere Schale kann eine einheitliche Schale sein oder kann eine Vielzahl von Schalenkomponenten umfassen. Die äußere Schale kann im Allgemeinen das äußere aerodynamische Profil der Hilfsrotorblätter 110, 112 bilden. Darüber hinaus können die Hilfsrotorblätter 110, 112 in beispielhaften Ausführungsformen jeweils ein Holmgurt (nicht gezeigt) oder eine Vielzahl von Holmgurten, die sich zwischen Holmstegen (nicht gezeigt) erstrecken, aufweisen. Des Weiteren können in beispielhaften Ausführungsformen die Hilfsrotorblätter 110, 112 jeweils eine Bindekappe (nicht gezeigt) umfassen.
Die Hilfsrotorblätter 110, 112 der vorliegenden Offenbarung können im Allgemeinen mit irgendeinem Teil des Hauptrotorblattes 22 verbunden sein. Zum Beispiel kann ein Hilfsrotorblatt 110, 112 oder die Hilfsrotorblätter 110, 112 können mit der Druckseite 62, der Saugseite 64, und der Anströmkante 66 oder der Hinterkante 68 des Hauptrotorblattes 22 verbunden sein. Wie es in den 2 bis 4 gezeigt ist, umfasst die Rotorblattvorrichtung 100 in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Mehrzahl von Hilfsrotorblättern 110, die mit der Anströmkante 66 verbunden sind, und eine Mehrzahl von Hilfsrotorblättern 112, die mit der Hinterkante 68 des Hauptrotorblattes 22 verbunden sind. In alternativen Ausführungsformen, wie sie in den 2 bis 7 gezeigt sind, umfasst die Rotorblattvorrichtung 100 der vorliegenden Offenbarung eine Mehrzahl von Hilfsrotorblättern 112, die nur mit der Hinterkante 68 des Hauptrotorblattes 22 verbunden sind.
Die Hilfsrotorblätter 110, 112 können in einigen Ausführungsformen im Allgemeinen ausgerichtet sein entlang zumindest einem Teil der Spannweite 74 des Hauptrotorblattes 22, wie es in den 2 und 5 gezeigt ist. Die Hilfsrotorblätter 110, 112 können direkt benachbart zueinander angeordnet und/oder im Kontakt miteinander in Richtung der Spannweite 134 sein, oder sie können voneinander in der Richtung der Spannweite 134 voneinander beabstandet sein, wie es gewünscht wird.
Zusätzlich können die Hilfsrotorblätter 110, 112 unmittelbar benachbart zum und/oder in Kontakt mit dem Hauptrotorblatt 22 angeordnet sein, oder können von dem Hauptrotorblatt 22 entfernt sein, je nachdem wie es gewünscht ist, um eine optimale Auftriebsleistung zur Verfügung zu stellen.
Es sollte verstanden werden, dass, auch wenn die Ausführungsformen, die in den 2 bis 7 gezeigt sind, eine Mehrzahl von Hilfsrotorblättern 110, 112 illustrieren, die jeweils eine Spannweite 134 aufweisen, die kürzer ist als die Spannweite 74 des Hauptrotorblattes 22, in alternativen Ausführungsformen ein Hilfsrotorblatt 110, 112 der vorliegenden Offenbarung eine Spannweite 134 aufweisen kann, die größer als oder gleich groß wie die Spannweite 74 des Hauptrotorblattes 22 ist. Zum Beispiel können, wenn gewünscht, ein oder mehrere Hilfsrotorblätter 110, 112 mit Spannweiten 134, die der Spannweite 74 des Hauptrotorblattes 22 ungefähr gleichen, mit dem Hauptrotorblatt 22 verbunden sein.
Es sollte des Weiteren verstanden werden, dass die Hilfsrotorblätter 110, 112 nicht beschränkt sind auf eine bestimmte Breite 132, auf irgendein bestimmtes aerodynamisches Profil, oder irgendeine andere Rotorblatteigenschaft. Des Weiteren sollte verstanden werden, dass jedes Hilfsrotorblatt 110, 112 individuelle Eigenschaften aufweisen kann, die sich von den Eigenschaften der anderen Hilfsrotorblätter 110, 112 unterscheiden.
Die Hilfsrotorblätter 110, 112 der vorliegenden Offenbarung können konfiguriert sein, die zu der Rotorblattvorrichtung 100 gehörige Auftriebskraft 90 zu modifizieren. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen das Hilfsrotorblatt 110, 112 einen zusätzlichen Auftrieb für die Rotorblattvorrichtung 100 zur Verfügung stellen. Alternativ kann das Hilfsrotorblatt 110, 112 es dem Hauptrotorblatt 22, das einige Auftriebsleistung wegen, zum Beispiel, Bewuchs oder Abnutzung verloren hat, ermöglichen, diese Auftriebsleistung wieder zu erlangen. Des Weiteren kann es das Hilfsrotorblatt 110, 112 ermöglichen, die Größe des Hauptrotorblattes 22 zu reduzieren unter Beibehaltung einer ausreichend hohen Auftriebskraft 90.
Die Rotorblattvorrichtung 100 der vorliegenden Offenbarung kann des Weiteren ein Trägerelement 150 oder eine Mehrzahl von Trägerelementen 150 umfassen, die die Hilfsrotorblätter 110, 112 mit dem Hauptrotorblatt 22 verbinden. Zum Beispiel kann die Mehrzahl von Trägerelementen 150 in einigen Ausführungsformen, wie in den 2 und 5 gezeigt ist, ein Spitzenträgerelement 152 umfassen, das mit der Blattspitze 54 verbunden ist, und ein Wurzelträgerelement 154, das mit der Blattwurzel 116 jedes einzelnen Hilfsrotorblattes 110, 112 verbunden ist. Alternativ kann jede Anzahl von Trägerelemente 150 mit irgendeinem Teil von jedem Hilfsrotorblatt 110, 112 verbunden sein. Zum Beispiel kann ein Hilfsrotorblatt 110, 112 mit dem Hauptrotorblatt 22 über ein Trägerelement 150 verbunden sein, das mit der Anströmkante 126 oder irgendeinem anderen Teil des Hilfsrotorblattes 110, 112 verbunden ist, oder über zwei oder mehr Trägerelemente 150, die mit der Anströmkante 126 oder irgendeinem anderen Teil des Hilfsrotorblattes 110, 112 verbunden sind.
In einer beispielhaften Ausführungsform, wie sie in den 2 bis 4 und 7 gezeigt ist, können die Trägerelemente 150 Trägerstangen 156 sein. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, wie in den 5 und 6 gezeigt, können die Trägerelemente 150 Trägerrahmen 158 sein.
Mit Bezug auf die 2 bis 4 und 7 können die Trägerstäbe 156 jeweils an einem Ende von irgendeiner Komponente der inneren oder äußeren Struktur des Hauptrotorblattes 22 gestützt sein. Zum Beispiel können die Trägerstangen 156 mit den Holmstegen 82 des Hauptrotorblattes 22 verbunden sein. Alternativ können die Trägerstangen 156 mit der Bindekappe 86 oder mit Holmgurten 84 oder mit irgendeiner anderen geeigneten inneren oder äußeren Struktur des Hauptrotorblattes 22 verbunden sein. Wie gezeigt, kann ein Kleber 160 und/oder eine Sicherungseinrichtung oder Einrichtung 162, wie zum Beispiel eine Nute und/oder eine Scheibe, ein Bolzen oder mehrere Bolzen, ein Bügel oder mehrere Bügel, oder irgendwelche anderen geeigneten Sicherungseinrichtungen 162 benutzt werden, um die Trägerstangen 156 zu stützen und sie mit dem Hauptrotorblatt 22 zu sichern.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die Rotorblattvorrichtung 100 der vorliegenden Offenbarung eine Führungsröhre 164 oder eine Mehrzahl von Führungsröhren 164 umfassen. Die Führungsröhren 164 können sich wenigstens durch einen Teil des Hauptrotorblattes 22 erstrecken, wie zum Beispiel durch die äußere Schale 80 und durch jeglichen Teil der inneren Struktur, wie zum Beispiel durch einen Holmsteg 82. Die Führungsröhren 164 können des Weiteren konfiguriert sein, wenigstens einen Teil der Führungsstangen 156 aufzunehmen. Zum Beispiel kann jede Führungsröhre 164 einen Querschnitt in einer Form und Größe geeignet, wenigstens einen Teil einer Trägerstange 156 aufzunehmen, aufweisen. Die Führungsröhre 164 kann an das Hauptrotorblatt 22 gesichert sein durch die Benutzung von beispielsweise einem Kleber 160 und/oder einer Sicherungseinrichtung 162. Die Trägerstangen 156 können innerhalb der Führungsröhre 164 gesichert sein durch die Benutzung von beispielsweise einem Kleber 160 und/oder einer Sicherungseinrichtung 162. Alternativ oder zusätzlich kann die Trägerstange 156 sich in das Hauptrotorblatt 22 hinter die Führungsröhre 164 erstrecken, und kann in dem Hauptrotorblatt 22 durch die Benutzung eines Klebers 160 und/oder einer Sicherungseinrichtung 162 gesichert sein.
Mit Bezug zu den 5 und 6 können die Trägerrahmen 158 einheitliche Rahmen sein oder aus einer Mehrzahl von Rahmenkomponenten gebildet sein. Zum Beispiel weist in der Ausführungsform wie sie in den 5 und 6 gezeigt ist, der Trägerrahmen 158 eine untere Trägerrahmenkomponente 166 und eine obere Trägerrahmenkomponente 168 auf. Die Trägerrahmen 158 können an dem Hauptrotorblatt 22 befestigt sein durch die Benutzung eines Klebers 160 und/oder einer Sicherungseinrichtung oder Sicherungseinrichtungen 162.
Die Hilfsrotorblätter 110, 112 können an den Trägerelementen 150 gesichert sein, wie zum Beispiel durch die Benutzung eines Klebers 160 und/oder einer Sicherungseinrichtung 162. In dieser Ausführungsform können die Hilfsrotorblätter 110, 112 im Allgemeinen starr sein. In Ausführungsformen, wie sie in den 2 bis 7 gezeigt sind, können die Hilfsrotorblätter 110, 112 jedoch konfiguriert sein, um passiv aktiviert zu werden, wenn die Rotorblattvorrichtung 100 eine Last 92 erfährt, die größer als oder ungefähr gleich einer Lastgrenze 94 ist. Zum Beispiel können die Hilfsrotorblätter 110, 112, wie unten besprochen, drehbar an den Trägerelementen 150 angeordnet sein.
Zum Beispiel kann die Rotorblattvorrichtung 100 der vorliegenden Offenbarung, wie in den 2 bis 7 gezeigt, einen Drehpunkt 170 oder eine Mehrzahl von Drehpunkten 170 aufweisen. Die Drehpunkte 170 können an den Verbindungsstellen zwischen den Hilfsrotorblättern 110, 112 und den Trägerelementen 150 angeordnet sein, und können es den Hilfsrotorblättern 110, 112 ermöglichen, sich um die Trägerelemente 150 zu drehen. Die Drehpunkte 170 können beispielsweise Querstifte oder Stangen 172 und Lager 174 umfassen, um die Drehbewegung der Hilfsblätter 110, 112 um die Trägerelemente 150 zu erleichtern.
Des Weiteren kann die Rotorblattvorrichtung 100 der vorliegenden Offenbarung in beispielhaften Ausführungsformen ein Federelement 180 oder eine Mehrzahl von Federelementen 180 umfassen. Die Federelemente 180 können konfiguriert sein, um sich der Drehbewegung der Hilfsrotorblätter 110, 112 um die Trägerelemente 150 zu widersetzen. Zum Beispiel können die Federelemente 180 Federn oder irgendwelche anderen geeigneten Komponenten sein, die der Bewegung Widerstand geben. Die Federelemente 180 können mit den Hilfsrotorblättern 110, 112 und den Trägerelementen 150 verbunden sein, und können eine Widerstandskraft gegen die Hilfsrotorblätter 110, 112 zur Verfügung stellen, wenn die Hilfsrotorblätter 110, 112 versuchen, sich um die Trägerelemente 150 zu drehen. Zum Beispiel können die Federelemente 180 eine Widerstandskraft gegen die Hilfsrotorblätter 110, 112 zur Verfügung stellen, um zu verhindern, dass sich die Hilfsrotorblätter 110, 112 um die Trägerelemente 150 drehen, wenn eine Last 92 auf die Rotorblattvorrichtung 100 einwirkt.
In weiteren beispielhaften Ausführungsformen können die Federelemente 180 jedoch konfiguriert sein, dass sie eine Drehbewegung der Hilfsrotorblätter 110, 112 um die Trägerelemente 150 ermöglichen, wenn eine Last 92 auf die Rotorblattvorrichtung 100 einwirkt, die größer als oder ungefähr gleich einer Lastgrenze 94 ist. Zum Beispiel kann das Hauptrotorblatt 22, wie bereits besprochen, in einigen Situationen und Umweltbedingungen, wie zum Beispiel während Zeiten mit starken Winden, eine gesteigerte Last 92 erfahren, die größer als oder ungefähr gleich einer Lastgrenze 94 ist. Wenn die Lastgrenze 94 erreicht ist, können es die Federelemente 180 ermöglichen, dass sich die Hilfsrotorblätter 110, 112 um die Trägerelemente 150 drehen. Wenn sich die Hilfsrotorblätter 110, 112 um die Trägerelemente 150 drehen, kann die Auftriebkraft 90, die auf die Rotorblattvorrichtung 100 wirkt, reduziert werden, so dass die Last 92 reduziert wird auf kleiner als oder ungefähr gleich der Lastgrenze 94, und möglicher Weise die Rotorblattvorrichtung 100 von dem Ermüden oder Ausfall wegen einer unerwarteten hohen Belastung verschont bleibt.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen wie sie in 7 gezeigt sind, können die Trägerelemente 150 der vorliegenden Offenbarung Zweitträgerelemente 250 umfassen. Die Zweitträgerelemente 250 können die Hilfsrotorblätter 110, 112 mit den Trägerelementen 150 verbinden. Zum Beispiel können die Trägerelemente 150 das Hauptrotorblatt 22 und die Zweitträgerelemente 250 verbinden, und die Zweitträgerelemente 250 können die Trägerelemente 150 und die Hilfsrotorblätter 110, 112 verbinden.
Wie weiter oben mit Bezug auf die Trägerelemente 150 besprochen, können in einer Ausführungsform die Zweitträgerelemente 250 an den Hilfsrotorblättern 110, 112 gesichert sein, wie zum Beispiel durch die Benutzung eines Klebers und/oder einer Sicherungseinrichtung 162. In alternativen beispielhaften Ausführungsformen, wie sie in 7 gezeigt sind und wie sie oben mit Bezug auf die Trägerelemente 150 besprochen wurden, können die Zweitträgerelemente 250 jedoch drehbar mit den Hilfsrotorblättern 110, 112 verbunden sein, wie zum Beispiel über Drehpunkte 170 und, optionaler Weise, Federelementen 180.
Des Weiteren können in einer Ausführungsform die Zweitträgerelemente 250 an den Trägerelementen 150 gesichert sein, wie zum Beispiel durch die Benutzung eines Klebers 160 und/oder einer Sicherungseinrichtung 162. In alternativen beispielhaften Ausführungsformen, wie in 7 gezeigt, können die Zweitträgerelemente 250 jedoch drehbar mit den Trägerelementen 150 verbunden sein.
Zum Beispiel, wie in 7 gezeigt, kann die Rotorblattvorrichtung 100 der vorliegenden Offenbarung einen Zweitdrehpunkt 270 oder eine Mehrzahl von Zweitdrehpunkten 270 umfassen. Die Zweitdrehpunkte 270 können an den Verbindungen zwischen den Trägerelementen 150 und den Zweitträgerelementen 250 angeordnet sein, und können es den Zweitträgerelementen 250 ermöglichen, sich um die Trägerelementen 150 zu drehen. Die Zweitdrehpunkte 270 können zum Beispiel Querstifte oder Stangen 272 und Lager 274 umfassen, um die Drehbewegung der Zweitträgerelemente 250 um die Trägerelemente 150 zu erleichtern.
Des Weiteren kann die Rotorblattvorrichtung 100 in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Zweitfederelement 280 oder eine Mehrzahl von Zweitfederelementen 280 umfassen. Die Zweitfederelemente 280 können konfiguriert sein, um sich der Drehbewegung der Zweitträgerelemente 250 um die Trägerelemente 150 zu widersetzen. Zum Beispiel können die Zweitfederelemente 280 Federn oder irgendwelche anderen geeigneten Komponenten sein, die sich einer Bewegung widersetzen. Die Zweitfederelemente 280 können mit den Zweitträgerelementen 250 und den Trägerelementen 150 verbunden sein, und können eine Widerstandskraft gegen die Zweitträgerelemente 250 zur Verfügung stellen, wenn die Zweitträgerelemente 250 versuchen, sich um die Trägerelemente 150 zu drehen. Zum Beispiel können die Zweitfederelemente 280 eine Widerstandskraft gegen die Zweitträgerelemente 250 zur Verfügung stellen, um zu verhindern, dass sich die Zweitträgerelemente 250 um die Trägerelemente 150 drehen, wenn eine Last 92 auf die Rotorblattvorrichtung 100 einwirkt.
In weiteren beispielhaften Ausführungsformen können die Zweitfederelemente 280 jedoch konfiguriert sein, dass sie eine Drehbewegung der Zweitträgerelemente 250 um die Trägerelemente 150 ermöglichen, wenn eine Last 92 auf die Rotorblattvorrichtung 100 einwirkt, die größer als oder ungefähr gleich einer Lastgrenze 94 ist. Zum Beispiel kann das Hauptrotorblatt 22, wie bereits besprochen, in einigen Situationen und Umweltbedingungen, wie zum Beispiel während Zeiten mit starken Winden, eine gesteigerte Last 92 erfahren, die größer als oder ungefähr gleich einer Lastgrenze 94 ist. Wenn die Lastgrenze 94 erreicht ist, können die Zweitfederelemente 280 es erlauben, dass die Zweitträgerelemente 250 sich um die Trägerelemente 150 drehen. Wenn sich die Zweitträgerelemente 250 um die Trägerelemente 150 drehen, kann die Auftriebkraft 90, die auf die Rotorblattvorrichtung 100 wirkt, reduziert werden, so dass die Last 92 reduziert wird auf kleiner als oder ungefähr gleich der Lastgrenze 94, und möglicherweise die Rotorblattvorrichtung 100 und/oder andere Komponenten, wie zum Beispiel strukturelle oder elektrische Komponenten der Windturbine 10, von dem Ermüden oder Ausfall wegen einer unerwarteten hohen Belastung verschont bleibt.

Somit kann die Rotorblattvorrichtung 100 der vorliegenden Offenbarung kleinere, leichtere Hauptrotorblätter 22 ermöglichen, die größere Auftriebskräfte 90 aufgrund der Einbeziehung von Hilfsrotorblättern 110, 112 ermöglichen, und/oder größere Hauptrotorblätter 22 ermöglichen, die näher an der Lastgrenze 94 betrieben werden. Darüber hinaus können bestehende Rotorblätter 22 mit verschiedensten Komponenten, wie zum Beispiel den Hilfsrotorblättern 110, 112 der Rotorblattvorrichtung 100 nachgerüstet werden, um die einstellbaren Merkmale oder größere Auftriebskräfte 90 zur Verfügung zu stellen. Des Weiteren kann die Rotorblattvorrichtung 100 der vorliegenden Offenbarung in einigen Ausführungsformen sich schnell an einen wechselnden dynamischen Strömungszustand und einer großen Breite von Windgeschwindigkeiten anpassen, und kann schnelle Wechsel in der Auftriebskraft 90 unter Last 92 berücksichtigen, die auf die Rotorblattvorrichtung 100 einwirken.

Bezugszeichen	Komponenten
10	Windturbine
12	Turm
14	Turmauflagefläche
16	Gondel
18	Rotor
20	Drehbare Nabe
22	Hauptrotorblatt
24	Blattwurzelteil
26	Lastenüb ertragungsregi on
28	Windrichtung
30	Rotationsachse
32	Anstellwinkelverstellsystem
34	Blattwinkelachsen
36	Steuersystem
38	Azimutachse
40	Prozessor
54	Blattspitze
56	Blattwurzel
62	Druckseite
64	Saugseite
66	Anströmkante
68	Hinterkante
72	Breite
74	Spannweite
80	Äußere Schale
82	Holmsteg
84	Holmgurt
86	Bindekappe
90	Auftriebskraft
92	Last
94	Lastgrenze
100	Rotorblattvorrichtung
110	Hilfsrotorblattanströmkante
112	Hilfsrotorblatthinterkante
114	Hilfsrotorblattblattspitze
116	Hilfsblattwurzel
122	Druckseite
124	Saugseite
126	Anströmkante
128	Hinterkante
132	Breite
134	Spannweite
150	Trägerelement
152	Spitzenträgerelement
154	Wurzelträgerelement
156	Trägerstange
158	Trägerrahmen
160	Kleber
162	Sicherungseinrichtung
164	Führungsröhre
166	Untere Trägerrahmenkomponente
168	Obere Trägerrahmenkomponente
170	Drehpunkt
172	Querstift/Stangen
174	Lager
180	Federelement
250	Zweitträgerelement
270	Zweitdrehpunkt
272	Querstift/Stange
274	Lager
280	Zweitfederelement

Claims

Eine Rotorblattvorrichtung (100) umfassend: ein Hauptrotorblatt (22), das eine Druckseite (62) und eine Saugseite (64) umfasst, die sich zwischen einer Anströmkante (66) und einer Hinterkante (68) erstrecken; ein Hilfsrotorblatt (110, 112), das mit dem Hauptrotorblatt (22) verbunden ist, und eine Druckseite (122) und Saugseite (124) umfasst, die sich zwischen einer Anströmkante (126) und einer Hinterkante (128) erstrecken; und ein Trägerelement (150), das das Hilfsrotorblatt (110, 112) mit dem Hauptrotorblatt (22) verbindet, wobei das Hilfsrotorblatt (110, 112) konfiguriert ist, eine der Rotorblattvorrichtung (100) zugeordnete Auftriebskraft (90) zu modifizieren, und wobei das Hilfsrotorblatt (110, 112) konfiguriert ist, passiv aktiviert zu werden, wenn die Rotorblattvorrichtung eine Last (92) erfährt, die größer als oder ungefähr gleich zu einer Lastgrenze (94) ist.
Die Rotorblattvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei das Hilfsrotorblatt (110, 112) verbunden ist mit der Druckseite (62), der Saugseite (64), der Anströmkante (66), oder der Hinterkante (68) des Hauptrotorblattes (22).
Die Rotorblattvorrichtung (100) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Hilfsrotorblatt (110, 112) eine Mehrzahl von Hilfsrotorblättern (110, 112) ist.
Die Rotorblattvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Trägerelement (150) eine Mehrzahl von Trägerelementen (150) ist.
Die Rotorblattvorrichtung (100) gemäß Anspruch 4, wobei die Mehrzahl von Trägerelementen (150) ein Wurzelträgerelement (154) umfasst, das mit einem Wurzelende (116) des Hilfsrotorblattes (110, 112) verbunden ist, und ein Spitzenträgerelement (152), das mit einem spitzen Ende (114) des Hilfsrotorblattes (110, 112) verbunden ist.
Die Rotorblattvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Trägerelement (150) eine Trägerstange (156) ist.
Die Rotorblattvorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, des Weiteren umfassend eine Führungsröhre (164), die sich durch zumindest einen Teil des Hauptrotorblattes (22) erstreckt und konfiguriert ist, zumindest einen Teil der Trägerstange (156) aufzunehmen.
Die Rotorblattvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Trägerelement (150) ein Trägerrahmen (158) ist.
9. Die Rotorblattvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Hilfsrotorblatt (110, 112) drehbar mit dem Trägerelement (150) verbunden ist.
Die Rotorblattvorrichtung (100) gemäß Anspruch 9, des Weiteren umfassend ein Federelement (180), das konfiguriert ist, sich einer Drehbewegung des Hilfsrotorblattes (110, 112) um das Trägerelement (150) zu widersetzen.
Die Rotorblattvorrichtung (100) gemäß Anspruch 10, wobei das Federelement (180) konfiguriert ist, eine Drehbewegung des Hilfsrotorblattes (110, 112) um das Trägerelement (150) zuzulassen, wenn die Rotorblattvorrichtung (100) eine Last (92) erfährt, die größer als oder ungefähr gleich einer Lastgrenze (94) ist.
Die Rotorblattvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, des Weiteren umfassend ein Zweitträgerelement (250), das das Trägerelement (150) und das Hilfsrotorblatt (110, 112) verbindet, wobei das Zweitträgerelement (250) drehbar mit dem Trägerelement (150) verbunden ist.
Die Rotorblattvorrichtung (100) gemäß Anspruch 12, des Weiteren umfassend ein Zweitfederelement (280), das konfiguriert ist, sich einer Drehbewegung des Zweitträgerelements (250) um das Trägerelement (150) zu widersetzen.
Die Rotorblattvorrichtung (100) gemäß Anspruch 13, wobei das Zweitfederelement (280) konfiguriert ist, eine Drehbewegung des Zweitträgerelements (250) um das Trägerelement (150) zuzulassen, wenn die Rotorblattvorrichtung (100) eine Last (92) erfährt, die größer als oder ungefähr gleich einer Lastgrenze (94) ist.