DE102011056353A1

DE102011056353A1 - Windturbinenrotorblatt

Info

Publication number: DE102011056353A1
Application number: DE102011056353A
Authority: DE
Inventors: Brandon S. Gerber; Eric Lee Bell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: LM Wind Power AS
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2012-06-21
Also published as: CN102588204A; DK201170702A; US8317483B2; CN106907292A; US20110223034A1; DK178555B1; CN106907292B

Abstract

Es wird ein Rotorblatt für eine Windturbine offenbart. In einer Ausführungsform umfasst das Rotorblatt eine Spitze, eine Wurzel und einen Körper, der sich zwischen der Spitze und der Wurzel erstreckt. Der Körper hat Flächen, die eine Druckseite, eine Saugseite, eine Vorderkante und eine Hinterkante definieren. Der Körper definiert ferner einen Innenabschnitt, einen Außenabschnitt und eine Biegung dazwischen. Die Biegung ist so definiert, dass der Außenabschnitt sich in Bezug auf den Innenabschnitt nach außen erstreckt. Die Biegung ist versteift, um das Öffnen der Biegung während der Biegung des Rotorblatts zu reduzieren.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Windturbinenrotorblätter und, spezieller, Rotorblätter mit Merkmalen, die für verschiedene Vorteile beim Turmfreiraum sorgen. Die vorliegende Offenbarung betrifft auch Windturbinen, insbesondere Windturbinen, die Rotorblätter mit Merkmalen haben, welche für verschiedene Vorteile beim Turmfreiraum, Verfahren zum Betrieb von Windturbinen und Verfahren zum Herstellen von Rotorblättern sorgen.
STAND DER TECHNIK
Windenergie wird als eine der saubersten, äußerst umweltfreundlichen Energiequellen angesehen, die gegenwärtig verfügbar sind, und Windturbinen haben in dieser Hinsicht zunehmend Aufmerksamkeit erfahren. Eine moderne Windturbine umfasst normalerweise einen Turm, Generator, Getriebe, Gondel und eine oder mehrere Rotorblätter. Die Rotorblätter fangen die kinetische Energie des Windes unter Verwendung bekannter Tragflächenprinzipien ein. Die Rotorblätter übertragen die kinetische Energie in die Form von Rotationsenergie, um so eine Welle zu drehen, die die Rotorblätter mit einem Getriebe verbindet, oder wenn kein Getriebe verwendet wird, direkt zum Generator. Der Generator wandelt dann die mechanische Energie in elektrische Energie um, die einem Versorgungsnetz zugeführt werden kann.
Im Allgemeinen wird die Konstruktion eines Rotorblatts durch einen Freiraumschwellwertabstand vom Turm begrenzt. Zum Beispiel können die Rotorblätter während des Betriebs der Windturbine sich zum Turm hin biegen. Um die Gefahr zu reduzieren, dass die Rotorblätter den Turm berühren und die Windturbine beschädigen, fordern verschiedene Zertifizierungsregeln, dass die Rotorblätter so ausgelegt sind, dass sie zum Beispiel nicht mehr als etwa zwei Drittel eines statischen Freiraumabstandes nutzen, wenn sich die Rotorblätter biegen. Der statische Freiraumabstand ist im Allgemeinen der Abstand ohne Biegung zwischen der Schaufelspitze und dem Turm.
Der geforderte Freiraumschwellwertabstand begrenzt also die Auslegung und Leistungsfähigkeit allgemein bekannter Rotorblätter. Bekannte Lösungen nach dem Stand der Technik für diese Beschränkung umfassen zum Beispiel das Einbeziehen einer allgemeinen Schlagkurve in das Rotorblatt weg vom Turm, Einstellen des Neigungswinkels, Kegelformung der Nabe und/oder Kegelformung des Rotorblatts am Ansatz. Bei extremer Biegung dieser Rotorblätter nach dem Stand der Technik verhalten sich die Rotorblätter jedoch normalerweise ähnlich wie Biegebalken, wobei die Spitzen der Rotorblätter sich trotz der Schlagkurve ”öffnen” und potenziell den Turm treffen.
Daher wäre ein verbessertes Rotorblatt für eine Windturbine wünschenswert. Speziell wäre ein Rotorblatt mit verbesserten Merkmalen zum Aufrechterhalten eines geeigneten Turmfreiraums, während gleichzeitig eine verbesserte Leistungsfähigkeit des Rotorblatts ermöglicht wird, vorteilhaft.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Erscheinungsformen, Vorteile, Details und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen dargelegt.
In einer Ausführungsform wird ein Rotorblatt für eine Windturbine offenbart. Das Rotorblatt umfasst eine Spitze, eine Wurzel und einen Körper, der sich zwischen der Spitze und der Wurzel erstreckt. Der Körper hat Flächen, die eine Druckseite, eine Saugseite, eine Vorderkante und eine Hinterkante definieren. Der Körper definiert ferner einen Innenabschnitt, einen Außenabschnitt und eine Biegung dazwischen. Die Biegung ist so definiert, dass der Außenabschnitt sich in Bezug auf den Innenabschnitt nach außen erstreckt. Die Biegung ist versteift, um das Öffnen der Biegung während der Biegung der Laufschaufel zu reduzieren.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Windturbine offenbart. Die Windturbine umfasst mindestens ein Rotorblatt, wie hierin beschrieben wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben einer Windturbine, die mindestens ein Rotorblatt hat, wie hierin beschrieben, offenbart.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Produzieren, wie zum Beispiel Herstellen, eines Rotorblatts, wie hierin beschrieben, offenbart.
Die Erfindung ist auch auf eine Vorrichtung zum Ausführen der offenbarten Verfahren und auf das Einbeziehen der Vorrichtungsteile zum Ausführen jedes beschriebenen Verfahrensschritts gerichtet. Diese Verfahrensschritte können durch Hardware-Komponenten, einen Computer, der durch geeignete Software programmiert ist, durch eine Kombination der beiden oder in einer anderen Weise ausgeführt werden. Des Weiteren ist die Erfindung auf Verfahren gerichtet, nach denen die beschriebene Vorrichtung arbeitet. Sie umfasst Verfahrensschritte zum Ausführen jeder Funktion der Vorrichtung.
Diese und andere Merkmale, Erscheinungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind mit Bezug auf die folgende Beschreibung und die angehängten Ansprüche besser zu verstehen. Die begleitenden Zeichnungen, die in die Patentschrift aufgenommen wurden und einen Teil derselben bilden, illustrieren mehrere Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständige und aktivierende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich des besten Modus derselben, die sich an den Fachmann auf dem Gebiet wendet, wird in der Patentschrift dargelegt, die auf die angehängten Figuren verweist.
1 illustriert eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Windturbine.
2 ist eine Seitenansicht eines Rotorblatts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3 ist eine vergrößerte Teilansicht des Rotorblatts, die in 2 illustriert wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Seitenansicht eines Rotorblatts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die besonders das Rotorblatt in einer ungebogenen/unbelasteten Position und in einer gebogenen/belasteten Position illustriert und solche Positionen mit den Positionen eines herkömmlichen Rotorblatts vergleicht.
5 ist eine Querschnittsansicht, entlang der Linie 5-5 von 2, eines Rotorblatts, die verschiedene Versteifungsmerkmale darin gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
6 ist eine Querschnittsansicht, entlang der Linie 6-6 von 2, eines Rotorblatts, das verschiedene Versteifungsmerkmale darin gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines Rotorblatts, das verschiedene Versteifungsmerkmale umfasst, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, und
8 ist eine Querschnittsansicht, entlang der Linie 8-8 von 7, eines Rotorblatts, das verschiedene Versteifungsmerkmale umfasst, gemäß der Ausführungsform, wie in 7 gezeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Detail auf Ausführungsformen der Erfindung verwesen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen illustriert werden. Jedes Beispiel wird zur Erklärung der Erfindung bereitgestellt, nicht zur Einschränkung der Erfindung. Tatsächlich ist für Fachleute auf diesem Gebiet erkennbar, dass verschiedene Modifizierungen und Variationen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Geltungsbereich oder Geist der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform illustriert oder beschrieben werden, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform zu erhalten. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Modifizierungen und Variationen abdeckt, die innerhalb des Geltungsbereichs der angehängten Ansprüche und ihrer Äquivalente auftreten.
1 illustriert eine Windturbine 10 von herkömmlicher Konstruktion. Die Windturbine 10 umfasst einen Turm 12 mit einer Gondel 14 darauf befestigt. Mehrere Rotorblätter 16 sind an einer Rotornabe 18 befestigt, die wiederum mit einem Hauptflansch verbunden ist, welcher eine Hauptrotorwelle dreht. Die Windturbinen-Energieerzeugungs- und -steuerungskomponenten sind in der Gondel 14 untergebracht. Die Ansicht von 1 dient nur erläuternden Zwecken, um die vorliegende Erfindung in ein beispielhaftes Anwendungsfeld zu setzen. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf einen besonderen Typ von Windturbinenkonfiguration beschränkt ist.
Während des Betriebs der Windturbine 10 trifft Wind auf die Rotorblätter 16 aus einer Richtung 20 (siehe 2), der bewirkt, dass die Rotorblätter 16 sich um eine Rotationsachse drehen. Während die Rotorblätter 16 gedreht und Zentrifugalkräften ausgesetzt werden, werden die Rotorblätter 16 auch verschiedenen Kräften und Biegemomenten ausgesetzt. Daher können sich die Rotorblätter 16 von einer neutralen oder nicht gebogenen Position in eine gebogene oder belastete Position abbiegen, wodurch der Turmfreiraum zwischen der Schaufel 16 und dem Turm 12 reduziert wird. Um die Position der Blätter 16 zu überwachen und die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, dass sie den Turm treffen, muss ein vorgegebener Turmfreiraumschwellwert 22 (2 und 4) festgelegt werden. Wenn also ein oder mehrere Blätter 16 über diesen Turmfreiraumschwellwert 22 hinaus abbiegen, kann eine Korrekturmaßnahme, wie zum Beispiel das Einstellen des Anstellwinkels der Blätter 16 oder Ändern des Neigungswinkels der Gondel 14, vorgenommen werden, um den Abstand zwischen dem Turm 12 und den Blättern 16 zu vergrößern. Wie hierin verwendet, entspricht der Begriff ”Turmfreiraumschwellwert” im Allgemeinen dem minimalen Abstand vom Turm 12, in dem die Rotorblätter 16 während des Betriebs einer Windturbine 10 gehalten werden, um so die Wahrscheinlichkeit eines Auftreffens auf den Turm zu reduzieren. Es versteht sich also, dass der Turmfreiraumschwellwert 22 von Windturbine zu Windturbine variieren kann, zum Beispiel je nach der Länge der Rotorblätter, der Flexibilität/Starrheit der Rotorblätter und/oder der erwarteten Betriebsbedingungen der Windturbine. Ferner versteht es sich, dass der Turmfreiraumschwellwert 22 auf der Basis verschiedener Zertifizierungsregeln für die Windturbine 10 variieren kann. Zum Beispiel können Zertifizierungsregeln erfordern, dass der Turmfreiraumschwellwert 22 etwa ein Drittel des statischen Freiraumabstandes des Rotorblatts 16 beträgt. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff ”statischer Freiraumabstand” allgemein auf den Abstand ohne Abbiegung zwischen dem Turm 12 und dem Punkt der größten Annäherung auf dem Rotorblatt während des Abbiegens zum Turm 12 hin.
Mit Bezug nun auf 2 wird eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Rotorblatts 16 für eine Windturbine 10 illustriert. Wie gezeigt, umfasst das Rotorblatt 16 eine Wurzel 32 zum Befestigen des Rotorblatts 16 an der Nabe 18 (1). Das Rotorblatt 16 umfasst auch eine Spitze 34, die an einem Ende des Blattes 16 gegenüber der Wurzel 32 angeordnet ist. Ein Körper 40 des Rotorblatts 16 erstreckt sich im Allgemeinen zwischen der Wurzel 32 und der Spitze 34 und hat Flächen, die eine Druckseite 42 und eine Saugseite 44 definieren, welche sich zwischen einer Vorderkante 46 und einer Hinterkante 48 erstrecken (siehe 5 bis 8).
2 illustriert auch eine Spannweite 50 des Rotorblatts 16. Die Spannweite 50 kann im Allgemeinen die Länge des Rotorblatts 16 von der Wurzel 32 bis zur Spitze 34 sein, wie im Fachgebiet bekannt ist. Die Wurzel 32 kann eine 0%-Spanne und die Spitze 34 eine 100%-Spanne definieren. Es versteht sich, dass das Rotorblatt 16 im Allgemeinen eine geeignete Spannweite 50 haben kann. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform das Rotorblatt 40 eine Spannweite haben, die von etwa 15 m bis zu etwa 91 m reicht, wie zum Beispiel von etwa 20 m bis etwa 85 m oder von etwa 40 m bis etwa 55 m und alle anderen Teilbereiche dazwischen. Jedoch können andere nichteinschränkende Beispiele Spannweiten von weniger als 15 Metern oder mehr als 91 Metern umfassen.
Wie oben offenbart, kann das Rotorblatt 16 gemäß der vorliegenden Offenbarung wünschenswerter Weise verbesserte Merkmale zum Aufrechterhalten des Turmfreiraumschwellwerts 22 umfassen, während gleichzeitig eine verbesserte Leistungsfähigkeit ermöglicht wird. Daher kann ein Rotorblatt 16 gemäß der vorliegenden Offenbarung einen Innenabschnitt 62, einen Außenabschnitt 64 und eine Biegung 66 dazwischen definieren. Im Allgemeinen kann die Biegung 66 den Innenabschnitt 62 und den Außenabschnitt 64 definieren und trennen. Daher kann der Innenabschnitt 62 der Teil des Körpers 40 sein, der sich zwischen der Wurzel 32 und der Biegung 66 erstreckt, und der Außenabschnitt 64 kann der Teil des Körpers 40 sein, der sich zwischen der Biegung 66 und der Spitze 34 erstreckt. Wie unten diskutiert, kann die Biegung 66 die Spitze 34 vom Turm 12 wegbiegen. Ferner kann die Biegung 66 versteift werden, um die Öffnung der Biegung während des Abbiegens des Rotorblatts 16 zu reduzieren oder zu beseitigen, wie unten diskutiert. Daher kann die Biegung 66 vorteilhaft den Punkt der größten Annäherung an den Turm 12 repräsentieren. Das kann zum Beispiel vorteilhaft das Hinzufügen einer Druckseiten- oder Saugseiten-Winglets zum Rotorblatt 16 ermöglichen oder kann ermöglichen, dass das Rotorblatt 16 kleiner und leichter ausgelegt wird, während gleichzeitig der erforderliche Turmfreiraumschwellwert aufrechterhalten wird.
Der Innenabschnitt 62 und der Außenabschnitt 64 können jeweils im Allgemeinen linear oder in beispielhaften Ausführungsformen im Allgemeinen gekrümmt sein. Mit dem Krümmen eines Rotorblatts 16, wie zum Beispiel des Innenabschnitts 62 und des Außenabschnitts 64, kann das Biegen des Rotorblatts 16 in einer im Allgemeinen Schlagrichtung und/oder im Allgemeinen einer Kantenrichtung verbunden sein. Die Schlagrichtung kann allgemein als die Richtung (oder die Gegenrichtung) aufgefasst werden, in der der aerodynamische Auftrieb auf das Rotorblatt 16 wirkt. Mit anderen Worten, das Krümmen des Innenabschnitts 62 oder des Außenabschnitts 64 in der Schlagrichtung kann allgemein als Krümmung nach außen weg vom Turm 12 oder nach innen zum Turm 12 hin aufgefasst werden. Wenn die Windturbine 10 eine Aufwindturbine ist, bedeutet das Krümmen nach außen das Krümmen in einer Richtung der Druckseite 42, während das Krümmen nach innen das Krümmen in einer Richtung der Saugseite 44 bedeutet. Wenn die Windturbine 10 eine Abwindturbine ist, bedeutet das Krümmen nach außen das Krümmen in einer Richtung der Saugseite 44, während das Krümmen nach innen das Krümmen in einer Richtung der Druckseite 42 bedeutet. Die Kantenrichtung ist im Allgemeinen senkrecht zur Schlagrichtung. Mit anderen Worten, kann das Krümmen des Innenabschnitts 62 oder des Außenabschnitts 64 in Kantenrichtung im Allgemeinen als Krümmen in einer Richtung der Vorderkante 46 oder in einer Richtung der Hinterkante 48 aufgefasst werden. Schlagrichtungskrümmung des Rotorblatts 16 ist auch als Vorkrümmung bekannt, während die Kantenrichtungskrümmung auch als Pfeilung bekannt ist. Ein gekrümmtes Rotorblatt 16 kann also vorgekrümmt und/oder gepfeilt sein. Durch das Krümmen kann das Rotorblatt 16 besser den Schlag- oder Kantenrichtungsbelastungen während des Betriebs der Windturbine 10 widerstehen und kann in einigen Ausführungsformen für einen gewissen Freiraum für das Rotorblatt 16 vom Turm 12 und den Turmfreiraumschwellwert 22 während des Betriebs der Windturbine 10 sorgen.
Ferner kann die Biegung 66, die zwischen dem Innenabschnitt 62 und dem Außenabschnitt 64 definiert ist, so definiert werden, dass der Außenabschnitt 64 sich nach außen in Bezug auf den Innenabschnitt 62 erstreckt. Wenn zum Beispiel die Windturbine 10 eine Aufwindturbine ist, kann die Biegung 66 derart definiert werden, dass der Außenabschnitt 64 sich nach außen in einer Richtung der Druckseite 42 des Blattes 16 in Bezug auf den Innenabschnitt 62 erstreckt. Wenn die Windturbine 10 eine Abwindturbine ist, kann die Biegung 66 derart definiert werden, dass der Außenabschnitt 64 sich nach außen in einer Richtung der Saugseite 44 des Blattes 16 in Bezug auf den Innenabschnitt 62 erstreckt. Wie in 2 gezeigt, die eine Aufwindturbine illustriert, kann also der Außenabschnitt 64 sich weg vom Turm 12 von der Biegung 66 aus und in Bezug auf den Innenabschnitt 62 erstrecken. Es versteht sich, dass die Begriffe ”Biegung” und ”gebogen”, wie hierin verwendet, sowohl gekrümmte Biegungen (z. B. Biegungen, die durch glatte Kanten gekennzeichnet sind oder die einen glatten Übergangspunkt bieten), wie gezeigt, als auch abgewinkelte Biegungen (z. B. Biegungen, die durch Kanten gekennzeichnet sind, welche sich an einem Punkt treffen oder die einen scharfen Übergangspunkt bieten) umfassen können.
Mit Bezug nun auf 3, wird eine vergrößerte Teilansicht des Rotorblatts 40, das in 2 dargestellt ist, illustriert. Wie gezeigt, kann die Biegung 66 einen Biegungswinkel 68 definieren. Der Biegungswinkel 68 kann der Winkel zwischen dem Innenabschnitt 62, der an die Biegung 66 grenzt, und dem Außenabschnitt 64 sein, der an die Biegung 66 grenzt. Im Allgemeinen kann der Biegungswinkel 68 so gewählt werden, dass der Außenabschnitt 64 sich ausreichend weit weg vom Turm 12 erstreckt. In einer Ausführungsform kann zum Beispiel der Biegungswinkel 68 kleiner oder gleich ca. 20 Grad sein oder im Bereich zwischen etwa 0 Grad und etwa 20 Grad liegen. Alternativ kann der Biegungswinkel 68 kleiner oder gleich Ca. 15 Grad sein oder im Bereich zwischen etwa 0 Grad und etwa 15 Grad liegen. Alternativ kann der Biegungswinkel 68 kleiner oder gleich ca. 10 Grad sein oder im Bereich zwischen etwa 0 Grad und etwa 10 Grad liegen. Es versteht sich jedoch, dass die Biegung 66 nicht auf die oben offenbarten Biegungswinkel 68 beschränkt ist und dass vielmehr jeder geeignete Biegungswinkel 68 innerhalb des Geltungsbereichs und des Geistes der vorliegenden Offenbarung liegt. Es versteht sich ferner, dass der Biegungswinkel 68 im Allgemeinen für jede Rotorblattkonfiguration variieren kann, je nach zahlreichen Faktoren, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, einer Spannweitenstelle 70 der Biegung 66 entlang der Spannweite 50, an der die Biegung 66 im Rotorblatt 16 definiert ist. Wenn die Spannweitenstelle 70 der Biegung 66 weiter zur Spitze 34 hin verschoben wird, muss möglicherweise der Biegungswinkel 68 vergrößert werden und umgekehrt, wie unten diskutiert.
Wie oben erwähnt, kann die Biegung 66 eine Spannweitenstelle 70 relativ zur Spannweite 50 des Rotorblatts 16 haben. In einigen Ausführungsformen kann die Biegung 66 eine Spannweitenstelle 70 zwischen ca. 50% und ca. 100% der Spannweite 50 des Rotorblatts 16 haben. Alternativ kann die Biegung 66 eine Spannweitenstelle 70 zwischen ca. 60% und ca. 100% oder zwischen ca. 60% und ca. 95% der Spannweite 50 des Rotorblatts 16 haben. Alternativ kann die Biegung 66 eine Spannweitenstelle 70 zwischen ca. 66% und ca. 100% oder zwischen ca. 66% und ca. 95% der Spannweite 50 des Rotorblatts 16 haben. Es versteht sich jedoch, dass die Biegung 66 nicht auf die oben offenbarten Spannweitenstellen 70 beschränkt ist und dass vielmehr jede geeignete Spannweitenstelle 70 innerhalb des Geltungsbereichs und des Geistes der vorliegenden Offenbarung liegt. Es versteht sich ferner, dass die Spannweitenstelle 70 im Allgemeinen für jede Rotorblattkonfiguration variieren kann, je nach zahlreichen Faktoren, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, des Biegungswinkels 68. Wenn sich der Biegungswinkel 68 erhöht, muss zum Beispiel die Spannweitenstelle 70 der Biegung 66 weiter in Richtung der Spitze 34 verschoben werden und umgekehrt, wie unten diskutiert.
Mit Bezug nun auf 4 wird eine Ausführungsform eines Rotorblatts 16, die eine Biegung 66 definiert, wie hierin beschrieben, in einer nicht abgebogenen/unbelasteten Position 80 und einer abgebogenen/belasteten Position 82 illustriert. Ein herkömmliches Rotorblatt 84, ohne eine Biegung 66, wird ebenfalls in einer nicht abgebogenen/unbelasteten Position 86 und einer abgebogenen/belasteten Position 88 für Vergleichszwecke illustriert. Wie gezeigt, kann während der Abbiegung der Punkt der größten Annäherung eines herkömmlichen Rotorblatts, wie zum Beispiel Rotorblatt 84, in einer abgebogenen Position 88 an den Turmfreiraumschwellwert 22, die Spitze des Rotorblatts sein. Es ist vorteilhaft, dass die Einfügung einer Biegung 66 in das Rotorblatt 16 der vorliegenden Offenbarung den Punkt der größten Annäherung des Rotorblatts 16 an den Turmfreiraumschwellwert 22 verschieben kann. Während der Abbiegung kann in einer abgebogenen Position 82 an den Turmfreiraumschwellwert 22 der Punkt der größten Annäherung des Rotorblatts 16 die Biegung 66 sein.
Wie gezeigt, kann das Rotorblatt 16 einen Spitzenabstand 90 definieren. Der Spitzenabstand 90 kann durch die Spitze 34 und den Innenabschnitt 62 des Rotorblatts 16 definiert werden. Zum Beispiel kann der Spitzenabstand 90 der Abstand in der nicht abgebogenen Position 80 oder in der abgebogenen Position 82 sein, zwischen der Spitze 34 und dem Ort der Spitze, wenn die Biegung 66 auf dem Rotorblatt 16 fehlen würde und der Innenabschnitt 62 sich bis zur Spitze fortsetzen würde. Mit anderen Worten, kann der Spitzenabstand 90 der Abstand zwischen der Spitze 34 und der Spitze des herkömmlichen Vergleichsrotorblatts 84 in den nicht abgebogenen Positionen 80, 86 oder in den abgebogenen Positionen 82, 84 sein. Der Spitzenabstand 90 kann einen erwünschten zusätzlichen Abstand darstellen, den die Spitze 34 vom Turmfreiraumschwellwert 22 hat.
Wie oben diskutiert, können der Biegungswinkel 68 und die Spannweitenstelle 70 der Biegung 66 jeweils variieren und können ferner miteinander in Beziehung stehen und können in Abhängigkeit voneinander variieren. In einigen Ausführungsformen können der Biegungswinkel 68 und die Spannweitenstelle 70 und/oder verschiedene andere Faktoren so konfiguriert werden, dass sie einen festgelegten Spitzenabstand 90 erzeugen. Zum Beispiel können der Biegungswinkel 68 und die Spannweitenstelle 70 jeweils so eingestellt werden, dass sie einen festgelegten Spitzenabstand 90 erzeugen. Der Spitzenabstand 90 kann zum Beispiel im Bereich zwischen etwa 5 Metern und etwa 1 Meter liegen oder zwischen etwa 5 Metern und etwa 1,5 Metern. Alternativ kann der Spitzenabstand 90 im Bereich zwischen etwa 3 Metern und etwa 1 Meter liegen oder zwischen etwa 3 Metern und etwa 1,5 Metern. Alternativ kann der Spitzenabstand 90 im Bereich zwischen etwa 2,5 Metern und etwa 1 Meter liegen oder zwischen etwa 2,5 Metern und etwa 1,5 Metern. Die oben offenbarten Bereiche für den Spitzenabstand 90 können entweder in der nicht abgebogenen Position 80 oder in der abgebogenen Position 82 gelten. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die oben offenbarten Spitzenabstände 90 beschränkt ist und dass vielmehr jeder geeignete Spitzenabstand 90 innerhalb des Geltungsbereichs und des Geistes der vorliegenden Offenbarung ist.
Ferner kann in einigen als Beispiel dienenden Ausführungsformen die Biegung 66 so ausgelegt werden, dass der Außenabschnitt 64 im Allgemeinen parallel zum Turm 12, wie zum Beispiel zu einer Mittellinie 92 des Turms 12, während der Abbiegung des Blattes 16 ist. Zum Beispiel können der Biegungswinkel 68, die Spannweitenstelle 70 der Biegung 66 und/oder verschiedene andere Faktoren so ausgelegt werden, dass der Außenabschnitt 64 im Allgemeinen parallel zum Turm während einer konzipierten maximalen Abbiegung wird. Die konzipierte maximale Abbiegung kann die Abbiegung unter einer bestimmten maximalen Belastung sein, der das Rotorblatt 16 entsprechend der Auslegung widerstehen muss. Zum Beispiel kann die konzipierte maximale Abbiegung in 4 durch die abgebogene Position 82 des Rotorblatts 16 repräsentiert werden.
Wie oben erwähnt, kann die Biegung 66 versteift werden, um die Öffnung der Biegung 66 während des Abbiegens des Rotorblatts 16 zu reduzieren oder zu beseitigen. Das ”Öffnen” der Biegung 66, wie hierin verwendet, bezieht sich auf das Vergrößern der Biegung 66 derart, dass der Biegungswinkel 68 reduziert wird. Das Öffnen der Biegung 66 kann wünschenswert derart reduziert oder beseitigt werden, dass während des Abbiegens des Rotorblatts 16 die Biegung 66 der Punkt der größten Annäherung an den Turmfreiraumschwellwert 22 bleibt. (Es versteht sich, dass wenn während des Abbiegens der Außenabschnitt 64 im Allgemeinen parallel zum Turm 12 ist, die Biegung 66 immer noch als Punkt der größten Annäherung entlang des Außenabschnitts 64 angesehen werden kann.) In als Beispiel dienenden Ausführungsformen können ferner das Rotorblatt 16 und die Biegung 66 im Hinblick auf das Öffnen der Biegung 66 derart ausgelegt werden, dass ein gewisser Teil der Biegung 66 während des Abbiegens erhalten bleibt, und/oder derart, dass der Außenabschnitt 64 im Allgemeinen den Turmfreiraumschwellwert 22 nicht durchquert. Es ist bemerkenswert, dass wenn das Öffnen der Biegung 66 nicht reduziert oder beseitigt wird, der Biegungswinkel 68 auf null oder einen negativen Winkel reduziert werden kann und die Spitze 34 sich über die Biegung 66 hinaus und möglicherweise bis in den Turmfreiraumschwellwert 22 hinein erstrecken kann, was die Gefahr des Kontakts mit dem Turm 12 erhöht und möglicherweise verschiedene Zertifizierungsregeln verletzt. Die Biegung 66 gemäß der vorliegenden Offenbarung kann daher versteift werden, um das Öffnen zu reduzieren oder zu verhüten.
In einigen Ausführungsformen kann zum Beispiel die Biegung 66 einen Krümmungsradius 100 (siehe 3 und 8) in einem bestimmten Bereich haben, mit dem die Biegung 66 versteift und das Öffnen der Biegung 66 während des Abbiegens des Rotorblatts 16 reduziert oder verhütet werden soll. Zum Beispiel kann der Krümmungsradius 100 im Bereich zwischen ca. 1600 Millimetern und ca. 3000 Millimetern oder zwischen etwa 1600 Millimetern und ca. 2500 Millimetern liegen. Alternativ kann der Krümmungsradius im Bereich zwischen ca. 1750 Millimetern und ca. 3000 Millimetern oder zwischen etwa 1750 Millimetern und ca. 2500 Millimetern liegen. Diese als Beispiel dienenden Bereiche haben sich positiv als versteifend für die Biegung 66 erwiesen und reduzieren oder verhüten das Öffnen der Biegung 66 während des Abbiegens des Rotorblatts 16.
In alternativen Ausführungsformen kann das Rotorblatt 16 der vorliegenden Offenbarung verschiedene Versteifungsmerkmale zum Versteifen der Biegung 66 und Reduzieren oder Verhüten des Öffnens der Biegung 66 während des Abbiegens des Rotorblatts 16 umfassen. Wie in 5 und 6 gezeigt, kann zum Beispiel in einigen Ausführungsformen das Rotorblatt 16 mehrere interne Längsträger 110 umfassen. Längsträger sind im Allgemeinen interne Elemente, die das Rotorblatt 16 zusätzlich versteifen und/oder das Befestigen weiterer interner Strukturen im Rotorblatt 16 erleichtern. Wie gezeigt, können die Längsträger 110 innerhalb des Körpers 40 des Rotorblatts 16 paarweise angeordnet sein, wobei ein Längsträger 110 auf der Druckseite 42 aufgebaut ist und der andere Längsträger 110 auf der Saugseite 44 aufgebaut ist. Ferner können ein oder mehrere Paare von Längsträgern 110 innerhalb des Rotorblatts 16 angeordnet werden. Wie gezeigt, kann zum Beispiel ein Paar von Längsträgern 110 in der Nähe der Vorderkante 46 angeordnet sein, während ein anderes Paar von Längsträgern 110 in der Nähe der Hinterkante 46 angeordnet ist. In als Beispiel dienenden Ausführungsformen können die Längsträger 110 innerhalb des Rotorblatts 16 durch Miteinziehen der Längsträger 110 in das Rotorblatt 16 konfiguriert werden. Es versteht sich, dass die Längsträger 110 eine geeignete Anordnung und/oder Konfiguration haben können, wie erforderlich, um für eine geeignete Versteifung der Biegung 66 zu sorgen.
Die Längsträger 110 können sich zumindest teilweise durch die Biegung 66 hindurch erstrecken. In als Beispiel dienenden Ausführungsformen können sich die Längsträger 110 zum Beispiel durch die Biegung 66 hindurch und in den Innenabschnitt 62 und/oder den Außenabschnitt 64 erstrecken. Die Konfiguration der Längsträger 110 in Rotorblatt 12 kann die Biegung 66 versteifen und das Öffnen der Biegung 66 reduzieren oder verhüten.
In einigen Ausführungsformen, wie in 5 und 6 gezeigt, können eine Rippe 112 oder mehrere Rippen 112 zwischen einem Paar von Längsträgern 110 vorgesehen und an den Längsträgern 110 zum Versteifen der Biegung 66 befestigt sein. Wie in 5 gezeigt, kann zum Beispiel eine Rippe 112 sich zwischen einem Paar von Längsträgern 110 erstrecken und an den Längsträgern 110 mittels eines geeigneten Klebstoffs 114 befestigt sein. Die Rippe 112 kann am Längsträger 110 auf einer oder beiden Seiten der Rippe 112 geklebt sein, wie gewünscht oder gefordert. Zusätzlich oder alternativ, wie in 6 gezeigt, kann eine Rippe 112 sich zwischen einem Paar von Längsträgern 110 erstrecken und an den Längsträgern 110 unter Verwendung eines geeigneten mechanischen Befestigungsmittels 116 befestigt sein, wie zum Beispiel mittels einer Mutter-Bolzen-Kombination, eines Niets, einer Schraube oder eines Nagels.
In anderen Ausführungsformen können Kabel (nicht dargestellt) oder andere geeignete Versteifungs- oder Verstärkungsvorrichtungen mit den Längsträgern 110 oder anstelle der Längsträger 110 verwendet werden, um die Biegung 66 geeignet zu versteifen.
In anderen Ausführungsformen, wie in 5 und 6 gezeigt, kann ein Paar von Längsträgern 110 zusammen befestigt werden, um die Biegung 66 zu versteifen. Wie in 5 gezeigt, kann zum Beispiel ein Paar von Längsträgern 110 unter Verwendung eines geeigneten Klebstoffs 114 miteinander verbunden werden. Die Längsträger 110 können miteinander auf einer oder beiden Seiten verbunden werden, wie gewünscht oder erforderlich. Zusätzlich oder alternativ, wie in 6 gezeigt, kann ein Paar von Längsträgern 110 mittels eines geeigneten mechanischen Befestigungsmittels 116 miteinander verbunden sein, wie zum Beispiel mittels einer Mutter-Bolzen-Kombination, eines Niets, einer Schraube oder eines Nagels.
Wie in 5 und 6 gezeigt, können also die Längsträger 110 so ausgelegt werden, dass sie die Biegung 66 versteifen und das Öffnen der Biegung 66 während des Abbiegens reduzieren oder verhüten. Es ist ferner vorteilhaft, dass die Längsträger 110 und, falls gewünscht, die Rippen 112 derart verklebt und/oder befestigt werden, dass die Verklebung oder Befestigung zwischen den Längsträgern 110 oder zwischen den Längsträgern 100 und den Rippen 112 einer Scherwirkung statt Zugkräften ausgesetzt werden kann, wenn das Rotorblatt verschiedenen Spannungen während des Abbiegens ausgesetzt ist. Durch Verklebung und/oder Befestigung derart, dass die Längsträger 110 oder die Längsträger 100 und die Rippen 112 einer Scherwirkung während des Abbiegens ausgesetzt sind, wird eine relativ stärkere Bindung oder Befestigung vorteilhaft erzeugt.
In anderen Ausführungsformen, wie in 7 und 8 gezeigt, kann das Rotorblatt 16 eine Verbindungshülse 120 umfassen. Die Verbindungshülse 120 kann zwischen dem Innenabschnitt 62 und dem Außenabschnitt 64 angeordnet sein. Ferner kann die Verbindungshülse 120 zumindest teilweise die Biegung 66 definieren und kann zum Versteifen der Biegung 66 ausgelegt sein.
Die Verbindungshülse 120 kann zum Beispiel eine Innenfläche 122 und eine Außenfläche 124 umfassen. Die Außenfläche 124 kann zumindest teilweise die Biegung definieren und kann ferner ein aerodynamisches Profil haben, das den aerodynamischen Profilen des Innenabschnitts 62 und des Außenabschnitts 64 derart entspricht, dass der Innenabschnitt 62, die Verbindungshülse 120 und der Außenabschnitt 64 eine durchgehende aerodynamische Fläche bilden, die die Druckseite 42, Saugseite 44, Vorderkante 46 und Hinterkante 48 definiert.
Die Verbindungshülse 120 kann im Allgemeinen sowohl am Innenabschnitt 62 als auch am Außenabschnitt 64 befestigt sein. Ein Ende 132 des Innenabschnitts 62 und ein Ende 134 des Außenabschnitts 64 können daher so konfiguriert sein, dass sie in die Verbindungshülse 120 eingreifen, um die Verbindungshülse 120 zu befestigen. In einigen Ausführungsformen, wie in 8 gezeigt, können die Enden 132 und 134 so konfiguriert sein, dass sie in die Innenfläche 122 der Verbindungshülse 120 eingreifen. Die Enden 132 und 134 und die Verbindungshülse 120 können zusammen durch die Verwendung zum Beispiel eines geeigneten Klebstoffs (nicht dargestellt) oder geeignete mechanische Befestigungsmittel 138, wie zum Beispiel eine Mutter-Bolzen-Kombination, einen Niet, eine Schraube oder einen Nagel, befestigt werden.
Die Verbindungshülse 120 kann vorteilhafter Weise das Rotorblatt 16 an der Stelle der Biegung 66 verstärken. Die Verbindungshülse 120 kann zum Beispiel aus einem Material gebildet sein, das fester als das Material ist, welches zum Bilden des restlichen Körpers 40 eingesetzt wurde, oder kann verschiedene Teilungs- oder Versteifungsmerkmale 140 umfassen, um den Innenabschnitt 62 vom Außenabschnitt 64 zu trennen und das Rotorblatt 16 zu verstärken, oder kann andere geeignete Merkmale zum Verstärken des Rotorblatts 16 umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die Biegung 66 vollständig in der Verbindungshülse 120 definiert sein. Ferner kann der Krümmungsradius 100 der Biegung 66 in einigen dieser Ausführungsformen in einem bestimmten Bereich liegen, der zum Versteifen der Biegung 66 und zum Reduzieren oder Verhüten des Öffnens der Biegung 66 während des Abbiegens des Rotorblatts 16 konstruiert ist. Zum Beispiel kann eine maximale Dicke 142 für die Verbindungshülse 120 an der Biegung 66 definiert sein. Die maximale Dicke 142 kann zwischen der Druckseite 42 und der Saugseite 44 am dicksten Flügeltiefenpunkt eines Querschnitts der Verbindungshülse 120 gemessen werden. In einigen Ausführungsformen kann der Krümmungsradius 100 größer oder gleich einer Hälfte der maximalen Dicke 142 sein. Dieser als Beispiel dienende Bereich hat sich positiv als versteifend für die Biegung 66 und zum Reduzieren oder Verhüten das Öffnen der Biegung 66 während des Abbiegens des Rotorblatts 16 erwiesen.
Diese schriftliche Darstellung verwendet Beispiele zum Offenbaren der Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, und auch um einem Fachmann auf diesem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung auszuüben, einschließlich der Herstellung und Anwendung von Vorrichtungen oder Systemen und Ausführen von enthaltenen Verfahren. Der patentierbare Anwendungsbereich der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele umfassen, die den Fachleuten auf diesem Gebiet in den Sinn kommen. Solche anderen Beispiele sollen innerhalb des Geltungsbereichs der Ansprüche liegen, wenn sie Strukturelemente umfassen, die sich nicht vom Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden vom Wortlaut der Ansprüche umfassen.

Claims

Rotorblatt (16) für eine Windturbine (10), wobei das Rotorblatt (16) umfasst: eine Spitze (34); eine Wurzel (32) und einen Körper (40), der sich zwischen der Spitze (34) und der Wurzel (32) erstreckt und Oberflächen hat, die eine Druckseite (42), eine Saugseite (44), eine Vorderkante (46) und eine Hinterkante (48) definieren, wobei der Körper (40) ferner einen Innenabschnitt (62), einen Außenabschnitt (64) und eine Biegung (40) dazwischen definiert, wobei die Biegung (40) derart definiert ist, dass der Außenabschnitt (64) sich in Bezug auf den Innenabschnitt (62) nach außen erstreckt, wobei die Biegung (66) versteift ist, um das Öffnen der Biegung (66) während des Abbiegens des Rotorblatts (16) zu reduzieren.
Rotorblatt (16) nach Anspruch 1, wobei die Biegung (66) einen Biegungswinkel (68) von kleiner oder gleich etwa 20 Grad, vorzugsweise kleiner oder gleich etwa 15 Grad definiert.
Rotorblatt (16) nach einem der Ansprüche 1–2, wobei die Biegung (66) eine spannwärtige Position (70) zwischen ca. 50% und ca. 100 einer Spannweite (50) des Rotorblatts (16) hat, vorzugsweise zwischen ca. 60% und ca. 95% einer Spannweite (50) des Rotorblatts (16).
Rotorblatt (16) nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Innenabschnitt (62) des Körpers (40) und/oder der Außenabschnitt (64) des Körpers (40) im Allgemeinen nach außen gekrümmt ist.
Rotorblatt (16) nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Biegung (66) einen Biegungswinkel (68) und eine spannwärtige Position (70) definiert, wobei ein Spitzenabstand (90) durch die Spitze (34) und den Innenabschnitt (62) definiert ist und wobei der Biegungswinkel (68) und die spannwärtige Position (70) derart konfiguriert sind, dass der Spitzenabstand (90) in dem Bereich zwischen ca. 5 Metern und ca. 1 Meter, vorzugsweise im Bereich zwischen ca. 3 Metern und ca. 1 Meter liegt.
Rotorblatt (16) nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Biegung (66) derart konfiguriert ist, dass der Außenabschnitt (64) im Allgemeinen während einer ausgelegten maximalen Abbiegung des Rotorblatts (16) parallel zum Turm (12) ist.
Rotorblatt (16) nach einem der Ansprüche 1–6, wobei die Biegung (66) einen Krümmungsradius (100) definiert und wobei der Krümmungsradius (100) im Bereich zwischen etwa 1600 Millimetern und etwa 3000 Millimetern, vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 1750 Millimetern und etwa 2500 Millimetern liegt.
Rotorblatt (16) nach einem der Ansprüche 1–7, wobei das Rotorblatt (16) ferner mehrere interne Längsträger (110) umfasst, die sich zumindest teilweise durch die Biegung (66) hindurch erstrecken und zum Versteifen der Biegung (66) ausgelegt sind.
Rotorblatt (16) nach einem der Ansprüche 1–8, wobei das Rotorblatt (16) ferner eine Verbindungshülse (120) umfasst, die zwischen dem Innenabschnitt (62) und dem Außenabschnitt (64) angeordnet ist, wobei die Verbindungshülse (120) vorzugsweise zumindest teilweise die Biegung (66) definiert und zum Versteifen der Biegung (66) ausgelegt ist.
Windturbine (10), die mehrere Rotorblätter (16) umfasst, wobei die mehreren Blätter mindestens ein Rotorblatt (16) nach einem der vorherigen Ansprüche umfassen.