DE19815519A1 - Rotorblatt für eine Windkraftanlage - Google Patents
Rotorblatt für eine WindkraftanlageInfo
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Abstract
Rotorblatt (7; 17; 27; 37; 47; 57) für eine nach dem Passiv-Stall- oder Aktiv-Stall-Prinzip arbeitende Windkraftanlage (1), das mindestens für einen Abschnitt seiner Länge ein Tragflügelprofil (17a; 27a; 37a; 47a; 57a) aufweist und an der Profilvorderkante wenigstens abschnittsweise durch An- oder Einfügung eines Sekundärprofils (17b; 27b; 37b; 47b; 57b) ergänzt ist, wobei sich das Sekundärprofil (17b; 27b; 37b; 47b; 57b) zur Schwingungsdämpfung durchgehend von der Blattspitze des Rotorblattes über einen Teilbereich des Tragflügelprofils in dessen Längsrichtung erstreckt und derart aerodynamisch ausgebildet und relativ zum Tragflügelprofil angeordnet ist, daß es wenigstens in einem Anströmwinkelbereich, der im wesentlichen mit dem Anströmwinkel beginnt, bei dem die Strömungsablösung an der Profilhinterkante des Tragflügelprofils (17a; 27a; 37a; 47a; 57a) einsetzt, eine mit dem Anströmwinkel des Tragflügelprofils (17a; 27a; 37a; 47a; 57a) zunehmende partielle Strömungsablösung im Bereich der Profilvorderkante des Tragflügelprofils (17a; 27a; 37a; 47a; 57a) erzeugt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windkraft
anlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die mechanischen und aerodynamischen Eigenschaften der Ro
torblätter von Windkraftanlagen sind von erheblicher Be
deutung für die praktischen Einsatzmöglichkeiten solcher
Anlagen und damit auch für die effektiven Kosten der er
zeugten Energie.
Bei den derzeit eingesetzten Windkraftanlagen mit Rotor
durchmessern von weit über 40, zum Teil über 60, Metern
treten infolge des Höhenprofils der Windgeschwindigkeit
oder von baulich bedingten Windgeschwindigkeitsgradienten
(Turmschatten bei Anlagen mit leeseitigem Rotor bzw. Turm
vorstau bei Anlagen mit luvseitigem Rotor), Schräganströ
mung der Anlage, Strömungsabriß oder Turbulenzen u. U. er
hebliche Kraftwirkungen auf, die wegen ihres oft stoßarti
gen Charakters zu unerwünschten Schwingungen der Rotor
blätter führen können. Besonders relevant sind Schwenk
schwingungen in Drehrichtung des Rotorblattes, Auslenkun
gen aus der von diesem aufgespannten Ebene ("Schlag") und
daneben Torsionsschwingungen um die Längsachse des Rotor
blattes.
Derartige Schwingungen können die Lebensdauer des Rotor
blattes drastisch verkürzen, belasten die Nabenlagerung,
verringern die Effizienz der Windenergieausnutzung und
können nicht zuletzt zu einer inakzeptablen Lärmemission
führen.
Es sind daher in den letzten Jahren zahlreiche Versuche
zur Bekämpfung dieser Erscheinungen unternommen worden.
In der internationalen Patentanmeldung WO-A-94/17303 ist
eine - insbesondere mehrlagige - Gummibeschichtung für ein
Rotorblatt aus glasfaserverstärktem Kunstharz beschrieben,
welche speziell zur Verringerung der Geräuschemission die
nen soll. Ergänzend hierzu wird eine Ausfüllung der Pro
filhohlräume mit lose geschütteten Polystyrolkügelchen
o. ä. zur Dämpfung von sich innerhalb der Profilquer
schnitts ausbildenden Luftschwingungen vorgeschlagen.
Diese Lösung ist jedoch technologisch aufwendig und erhöht
die Herstellungskosten erheblich.
In der internationelen Patentanmeldung WO-A-95/19500 wird
- ebenfalls mit dem Ziel einer Verringerung der Geräusche
mission, die Anordnung eines Gewebestreifens an der Blatt
hinterkante vorgeschlagen, mit dem die Wirbelbildung in
diesem Bereich des Rotorblattes vermindert werden soll.
Diese Maßnahme ist jedoch (ganz abgesehen von zu erwarten
den Lebensdauerproblemen) ebenfalls nicht zu einer nen
nenswerten Reduzierung der Rotorblattschwingungen geeig
net.
Eine weitere aus der internationalen Patentanmeldung WO-A-93/21327
bekannte Lösung umfaßt den Einbau schwingungsre
duzierender Elemente in das Rotorblatt, und zwar einer
Masse, mindestens eines elastischen Elementes und minde
stens eines Dämpfungselementes. Für diese Grundelemente
werden verschiedene denkbare Ausführungen vorgeschlagen,
deren praktische Realisierung aber technisch sehr aufwen
dig ist. Bewegliche Teile tendieren darüber hinaus zu ei
ner zusätzlichen Geräuschbildung.
In der internationalen Patentanmeldung WO-A-97/01709 wird
zur Reduzierung der Körperschwingungen des Rotorblattes
ebenfalls der Einbau schwingungsreduzierender Elemente in
das Rotorblatt vorgeschlagen. Insbesondere ist dabei in
nerhalb des Rotorblattes eine Masse beweglich angebracht,
die mit an sich bekannten Einrichtungen zur Veränderung
des aerodynamischen Profils des Rotorblattes verbunden ist
und diese betätigt. Zusätzlich sind auch feste Elemente
zur Veränderung des Profilquerschnitts vorgesehen. Auch
diese Lösung ist konstruktiv und herstellungstechnisch
sehr aufwendig und dürfte zudem wegen der bewegten Teile
und der benötigten Kraftübertragungsmittel auch sehr war
tungsaufwendig sein.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ro
torblatt anzugeben, bei dem eine deutlich verringerte
Schwingungsneigung mit vergleichsweise einfachem Aufbau
und daher mit geringen Kosten erreicht wird. Mit dem ver
besserten Rotorblatt soll insbesondere auch eine Verringe
rung der dynamischen Hystereseeffekte im Arbeitsbereich
der Windkraftanlage erreicht werden.
Die Aufgabe wird durch ein Rotorblatt mit den im Anspruch
1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich bei der
Leistungsbegrenzung sowohl von nach dem Passiv-Stall- als
auch solcher nach dem Aktiv-Stall-Prinzip arbeitenden
Windkraftanlagen, die auf der Ausnutzung des Strömungsab
risses am Rotorblatt bei hohen Anströmgeschwindigkeiten
beruhen, sich bei böigem Wind, Windscherung etc. aber dy
namische Auftriebskraftüberhöhungen am Rotorblatt einstel
len, die bei wechselnder Anströmrichtung aufgrund insta
tionärer Vorgänge zur Ausbildung von Hystereseschleifen in
den aerodynamischen Kräften führen, mit denen zusätzliche,
schwer abschätz- und kontrollierbare Belastungen für die
Rotorblätter einhergehen.
Mit der Erfindung werden
- a) die bei stoßartig auftretenden Strömungsänderungen zu Schwingungen führenden aerodynamischen Kräfte und Momente am Rotorblatt minimiert bzw. in einen unschädlichen Bereich verschoben,
- b) eine aerodynamische Dämpfung der Schwingungen be wirkt sowie
- c) Leistungsschwankungen bei Böen, Schräganströmung etc. minimiert.
Die Erfindung schließt die grundsätzliche Überlegung ein,
ein verbessertes Schwingungsverhalten des Rotorblattes ge
zielt ohne Änderung des inneren Aufbaus und bevorzugt ohne
bewegte Teile im Rotorblatt und damit in Abkehr von dem im
Stand der Technik vorgezeichneten Entwicklungstrend da
durch zu erreichen, daß stoßartigen Veränderungen der
Strömungsverhältnisse durch eine Kraftkompensation entge
gengewirkt wird. Diese Kraftkompensation wird durch Annä
herung der aerodynamischen Verhältnisse an der Blattvor
der- und Hinterkante bei stark ansteigender Anströmung
(Stall) erzielt. Auf diese Weise wird insbesondere eine
schädliche Torsion der Rotorblätter verhindert.
Die Erfindung schließt weiterhin den Gedanken ein, hierbei
die Auswirkungen von instationären dynamischen Vorgängen
auf das dynamische Verhalten des Rotorblattes (im Bereich
des von der Blatthinterkante her beginnenden Strömungsab
risses) durch zusätzliche Erzeugung eines instationären
Vorganges ähnlicher physikalischer Natur im Bereich der
Blattvorderkante ("Nase") zu minimieren.
Hierzu ist das Sekundärprofil derart aerodynamisch ausge
bildet und relativ zum Tragflügelprofil angeordnet, daß es
wenigstens in einem Anströmwinkelbereich, der im wesentli
chen mit dem Ariströmwinkel beginnt, bei dem die Strömungs
ablösung an der Profilhinterkante des Tragflügelprofils
einsetzt, eine mit dem Anströmwinkel des Tragflügelprofils
zunehmende partielle Strömungsablösung im Bereich der Pro
filvorderkante des Tragflügelprofils erzeugt. Diese parti
elle Strömungsablösung im Bereich der Profilvorderkante
bewirkt einen Auftriebsverlust über dem Tragflügelprofil,
der zum einen der mit steigendem Anstellwinkel auftreten
den dynamischen Auftriebsüberhöhung am Tragflügelprofil
entgegenwirkt und somit die damit verbundenen Hystereseef
fekte reduziert, die das Rotorblatt zu Schwingungen anre
gen. Dabei wird durch die aufeinander abgestimmte partiel
le Strömungsablösung an der Vorder- und Hinterkante auch
ein Ausbalancieren der Auftriebsverteilung über das Trag
flügelprofil erzielt und somit in vorteilhafter Weise das
Torsionsmoment im Rotorblatt reduziert. Dies ist insbeson
dere deswegen von Bedeutung, weil eine unkontrollierte
Torsionsverformung des Blattes infolge des damit einherge
henden vergrößerten Anstellwinkels auch zu einer entspre
chend zu vermeidenden unkontrollierten Biegung des in
Längsrichtung führt.
Zur zweckmäßigen Ausführung der Erfindung gehört schließ
lich der Gedanke, das Rotorblattprofil durch optimierte
aerodynamische Ausbildung der "Blattnase" und ggfs. zu
sätzlich durch Maßnahmen zur Auftriebsverlustkompensation
zugleich auch im Hinblick auf den Energieertrag im Normal
betrieb zu optimieren. Hierzu wird vorgeschlagen, das Se
kundärprofil nur über einen im Bereich der Blattspitze be
ginnenden Teilbereich des Tragflügelprofils vorzusehen.
Während das über diesen Teilbereich vorgesehene Sekundär
profil ausreicht, um eine genügende Schwingungsdämfpung zu
erzielen, wird der durch das Sekundärprofil möglicherweise
bedingte Verlust durch die Beschränkung des Sekundärpro
fils auf einen Teilbereich des Tragflügelprofils möglichst
gering gehalten. Vorzugsweise erstreckt sich das Sekundär
profil dabei in Abhängigkeit von der Geometrie und der
Steifigkeit des Rotorblattes lediglich über eine zur
Schwingungsdämpfung ausreichende Länge in Längsrichtung
des Rotorblattes. Hierbei erstreckt sich das Sekundärpro
fil in der Regel vorzugsweise etwa bis in den mittleren
Bereich des Tragflügelprofils.
Bei besonders bevorzugten Ausführungen des erfindungsgemä
ßen Rotorblattes sind zur im wesentlichen vollständigen
Kompensation des Rotormomentverlustes, der durch die Auf
triebsverminderung infolge des Sekundärprofils bedingt
ist, in einem sich im wesentlichen von dem nabenseitigen
Ende bis in den mittleren Bereich des Tragflügelprofils
erstreckenden Bereich des auftriebserhöhende Mittel vorge
sehen sind. Diese bewirken nicht nur eine Auftriebserhö
hung in dem Bereich des Rotorblattes, in dem sie angeord
net sind, sie beeinflussen zudem die dreidimensionale Um
strömung des Rotorblattes in einer Weise, daß sich auch
über den restlichen Rotorblattbereich größere Anstellwin
kel einstellen, wodurch eine zusätzliche Verringerung des
Auftriebsverlustes eintritt.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung handelt es
sich bei den auftriebserhöhenden Mitteln um eine Mehrzahl
von im Bereich der Profilvorderkante oder der Profilober
seite angeordneten Vortex-Generatoren.
Alternativ oder in Kombination mit diesen können Mittel
zur Absaugung von Luft aus dem Grenzschichtbereich des Ro
torblattes auf dessen Profiloberseite jenseits der Ebene
seiner größten transversalen Erstreckung oder Mittel zur
Ausblasung von Luft in diesen Grenzschichtbereich vorgese
hen sein.
Weiterhin können - sofern die Spezifik des Anwendungsfal
les den erhöhten Aufwand für aktiv gesteuerte Komponenten
rechtfertigt - im Bereich der Profilvorder- und/oder -hinter
kante verstellbare Klappen zur steuerbaren Auf
triebserhöhung vorgesehen sein. Auch diese Maßnahme ist
mit den bereits genannten Maßnahmen zur Auftriebsver
lustkompensation kombinierbar.
Das Sekundärprofil an der Profilvorderkante zur Erzeugung
eines partiellen Strömungsabrisses weist in bevorzugter
Ausführung im wesentlichen den Querschnitt eines Ellipsen-
oder Tragflügelsegmentes auf. Hierunter fällt als einfach
ste Ausführung auch ein im Querschnitt kreis- oder kreis
segmentförmiges schwingungsdämpfendes Sekundärprofil.
Die auftriebserhöhenden Mittel werden insbesondere im na
bennahen Bereich des Rotorblattes, speziell in der inneren
Hälfte seines Gesamtradius, eingesetzt, da sie dort die
energetische Effizienz des Rotors am spürbarsten erhöhen.
Das Sekundärprofil kann dem primären Tragflügelprofil mit
in Bezug auf die (die Profilvorderkante und Profilhinter
kante verbindenden) Profilsehne geneigter großer Achse
bzw. Profilsehne und/oder gegenüber der Profilsehne des
Tragflügelprofils versetztem Hauptscheitel bzw. versetzter
Profilvorderkante an- oder eingefügt sein, wodurch sich
eine Vielzahl von Optimierungsparametern für die anlagen-
und ggfs. auch standortbezogene Optimierung ergibt.
Die Übergänge des Sekundärprofilumrisses in den Umriß des
primären Tragflügelprofils können unstetig oder stetig
("geglättet") oder auch in den beiden Übergangsbereichen
unterschiedlich ausgeführt sein.
Das Sekundärprofil ragt gegenüber der Profilvorderkante
des primären Tragflügelprofils bevorzugt um einen Abstand
zwischen 0,5% und 15% der Profiltiefe des Rotorblattes
vor. Es erstreckt sich von einem anlagenspezifisch be
stimmten Anfangspunkt im wesentlichen bis zur Rotorblatt
spitze. Die Tiefe des Sekundärprofils bietet somit weitere
Ansatzpunkte für die anlagenspezifische Optimierung des
dynamischen Strömungsabrißverhaltens.
Besonders vorteilhaft ist die Kombination der von den Ro
torblattspitzen ausgehenden (nabenfernen) Anordnung des
Sekundärprofils als schwingungsdämpfendes Mittel mit der
oben angesprochenen bevorzugten Anordnung der auftriebser
höhenden Mittel im zentralen (nabennahen) Bereich des Ro
tors.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist das Se
kundärprofil in radialer Richtung des Blattes mit einem
veränderlichen Querschnitt ausgeführt. Auf diese Weise
kann eine lokale gegenseitige Anpassung der auf das Blatt
bei auftretenden Spitzenbelastungen einwirkenden Kräfte im
vorderen und hinteren Blattbereich erreicht werden, so daß
auch die auftretenden Torsionskräfte lokal ausgeglichen
sind. Dies erfolgt bevorzugt in der Weise, daß die Verän
derung Querschnitts des Sekundärprofils derart gewählt
ist, daß die durch Strömungsablösung im Bereich der Blat
thinterkante erzeugte Kraftwirkung über einen Längenab
schnitt des Blattes im wesentlichen der durch die Strö
mungsablösung im Bereich der Profilvorderkante erzeugten
Kraftwirkung entspricht.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind im
übrigen in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden
nachstehend zusammen mit der Beschreibung bevorzugter Aus
führungen der Erfindung anhand der Figuren näher darge
stellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung ei
ner Windkraftanlage vom Horizontalrotor-Typ zur
Illustration der wesentlichen Winkel- und Rich
tungsbeziehungen sowie des Kraftverlaufes am Ro
torblatt,
die Fig. 2a und 2b schematische Querschnittsdarstellun
gen eines herkömmlichen Rotorblattes der Wind
kraftanlage des in Fig. 1 skizzierten Typs bei
zwei verschiedenen Anstellwinkeln,
die Fig. 3a und 3b schematische grafische Darstellungen
einer hysteresebehafteten Abhängigkeit der aerody
namischen Kräfte vom Anstellwinkel bei einem her
kömmlichen (Fig. 3a) bzw. einem erfindungsgemäßen
Rotorblatt (Fig. 3b), das einer dynamischen Bela
stung unterliegt,
die Fig. 4a bis 4e schematische Querschnittsdarstellun
gen der Profilvorderkantenbereiche bei Ausfüh
rungsformen erfindungsgemäßer Rotorblätter und
die Fig. 5a bis 5e schematische perspektivische Dar
stellungen von Vortex-Generatoren als Ausführungs
formen auftriebserhöhender Mittel, die im Rahmen
der Erfindung eingesetzt werden.
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Wind
kraftanlage 1 vom Horizontalrotor-Typ mit einem Turm 3,
einer Maschinengondel 5 und zwei Rotorblättern 7 auf einer
Rotornabe 7.1. In der Figur sind die wesentlichen Winkel-
und Richtungsbeziehungen sowie der Kraftverlauf der Schub
kraft (senkrecht zur Rotorebene) sowie der Tangentialkraft
(in der Rotorebene) in Längsrichtung eines Rotorblattes 7
dargestellt. Die wesentlichen Schwingungsbelastungen des
Rotorblattes resultieren aus dem Schwenkmoment um die z-
Achse in der xy-Ebene und den beim sogenannten "Schlag" -
einer Schwenkbewegung aus der xy-Ebene heraus - auftreten
den Kräften und Momenten.
Fig. 2a und 2b zeigen in schematischer Querschnittsdar
stellung ein herkömmliches Rotorblatt 7 gemäß Fig. 1 bei
zwei verschiedenen Anstellwinkeln α1 bzw. α2 und illu
strieren das Einsetzen auftriebsmindernder Verwirbelungen
an der Rotorblatthinterkante ("start of trailing edge
stall" - Fig. 2a) bzw. das Wandern der Verwirbelungszone
über die Rotorblattoberseite in Richtung zur Vorderkante
hin mit zunehmender Windgeschwindigkeit ("high trailing
edge stall" - Fig. 2b).
In Fig. 3a und 3b sind schematisch die Abhängigkeit der
aerodynamischen Kräfte F (in beliebigen Einheiten) vom An
stellwinkel α bei einem herkömmlichen (Fig. 3a) bzw. einem
erfindungsgemäßen Rotorblatt (Fig. 3b) grafisch darge
stellt, das durch Veränderungen des Anströmwinkels infolge
des Höhenprofils der Windgeschwindigkeit und/oder einer
Schräganströmung ("Windscherung") und/oder der Turmschat
ten- oder Turmvorstauwirkung und vor allem infolge von
Turbulenzen einer dynamischen Belastung (Auftriebskraft
überhöhung) unterliegt. Bei einer schwellenden Änderung
des Anströmwinkels, wie sie zum Beispiel bei jedem Passie
ren des Turmvorstaus erfolgt, wird der Anströmwinkel zu
nächst erhöht und sinkt dann wieder auf den Ausgangswert
ab. Hierbei durchläuft das Rotorblatt die in den Fig. 3a
und 3b gezeigten Hystereseschleifen, deren Fläche propor
tional zur Schwingungsanregungsenergie ist, die beim
durchlaufen der Hystereseschleifen in das Rotorblatt ein
gebracht wird. Es ist zu erkennen, daß der Hystereseeffekt
durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wesentlich verrin
gert wird, wobei speziell die dynamische Kraftüberhöhung
deutlich geringer ausfällt. Die erfindungsgemäßen Rotor
blätter erfahren daher eine deutlich geringere Schwin
gungsanregung.
In Fig. 4a bis 4e sind in schematischen Querschnittsdar
stellungen die jeweiligen Profilvorderkantenbereiche ver
schieden geformter Rotorblätter gezeigt, die jeweils ein
dem Primärprofil überlagertes, aerodynamisch widerstands
arm geformtes Sekundärprofil aufweisen.
Fig. 4a zeigt ein Rotorblatt 17 mit einem dem Primärprofil
17a ähnlichen Sekundärprofil 17b, das um eine Distanz d
über die Vorderkante des Primärprofils vorsteht, die etwa
3% von dessen Länge ausmacht, und dessen Profilsehne (d. h.
die Verbindungslinie zwischen Pröfilvorder- und -hinter
kante) um einen kleinen Winkel σ gegenüber der Profilsehne
des Primärprofils geneigt ist.
Fig. 4b zeigt ein Rotorblatt 27, bei dem auf der Vorder
kante des Primärprofils 27a ein im Querschnitt annähernd
kreisförmiges Schwingungsdämpfungs-Profil 27b aufgesetzt
ist. Diese Ausführung kann in praxi auf sehr einfache Wei
se durch Aufkleben eines Drahtes bzw. Stabes auf ein her
kömmliches Rotorblatt realisiert werden.
Fig. 4c zeigt ein Rotorblatt 37, bei dem in die Vorderkan
te des Primärprofils 37a ein im Querschnitt elliptisches
Profil 37b eingesetzt ist, das zu etwa der Hälfte seiner
Länge und um etwa 10% der Länge des Primärprofils gegen
über diesem vorsteht.
Fig. 4d und 4e illustrieren Rotorblätter 47 bzw. 57, bei
denen dem Primärprofil 47a bzw. 57a ein mit einer Anström
kante versehenes sekundäres Tragflügelprofil 47b bzw. 67b
eingefügt ist, wobei die Anströmkante gegenüber der Längs
achse des Primärprofils um einen Abstand a von etwa 10%
der Profildicke zu dessen Unterseite hin versetzt ist.
Beim Profil 57 gemäß Fig. 4e sind - im Unterschied zum
Profil 47 aus Fig. 4d - beide Übergangsbereiche zwischen
dem Primär- und dem Sekundärprofil zur weiteren aerodyna
mischen Optimierung und Vermeidung von Leistungsverlusten
kantenfrei "geglättet" ausgeführt.
Das Sekundärprofil kann in das Primärprofil bereits bei
der Herstellung der Grundform des Rotorblattes eingeformt
werden, es ist aber auch eine nachträgliche Aufbringung
auf mit bekanntem Primärprofil vorgefertigte Rotorblätter
- etwa durch eine hochfeste Klebverbindung - möglich, was
insbesondere auch eine nachträgliche Verbesserung des
Schwingungsverhaltens von bereits in Betrieb befindlichen
Anlagen ermöglicht.
Fig. 5a bis 5e zeigen in schematischen (nicht maßstabge
rechten) perspektivischen Darstellungen verschiedene Arten
von für Windkraftanlagen geeigneten Vortex-Generatoren als
auftriebserhöhende Mittel, jeweils in einer Ausschnitts
darstellung eines damit versehenen Rotorblattes 7. Hierbei
sind für die Vortex-Generatoren in Fig. 5a bis 5c, die auf
der Rotorblattoberseite aufrechtstehende rechteckige Strö
mungsablenkflächen aufweisen, die optimierungsrelevanten
Größen Anstellwinkel α, Länge l, Höhe h, Einzelflächenab
stand im Flächenpaar oder -quadrupel d bzw. d1 bzw. d2 so
wie Generatorabstand D gezeigt.
Die Ausführungen gemäß den Fig. 5a bis 5c unterscheiden
sich hauptsächlich dadurch voneinander, daß bei Fig. 5a
alle Strömungsablenkflächen 7c.1 unter demselben Winkel
zur Blattvorderkkante ausgerichtet sind, während bei Fig. 5b
eine paarweise Anordnung von Flächen 7c.1, 7c.2 vorge
sehen ist, wobei die Flächen einen Winkel von +α bzw. von
-α mit Normalen auf die Blattvorderkante einschließen, und
während sich bei Fig. 5c zusätzlich die Flächenpaare 7c.1,
7c.2 alternierend zur Rotorblattvorder- oder -hinterkante
hin öffnen.
Die Ausführung gemäß Fig. 5d weist rampen- oder keilförmi
ge Erhebungen 7d auf der Oberseite des Rotorblattes 7b
auf. Diese können in der Draufsicht die Form eines gleich
schenkligen Dreiecks - wie in der Figur gezeigt - oder
auch eines rechtwinkligen Dreiecks haben.
Die Dimensionierung durch Wahl geeigneter Werte der o. g.
Größen erfolgt derart, daß für den Normalbetrieb - d. h.
für den Windgeschwindigkeitsbereich, in dem kein Stall-
Effekt auftritt - der Auftrieb des Rotorblattes mit Sekun
därprofil auf den Wert des Primärprofils (ohne Vorsehen
eines Sekundärprofils) angehoben wird, sofern dieser durch
die Anbringung des Sekundärprofils etwas verringert war.
Die Vortex-Generatoren werden dabei gegebenenfalls nach
träglich auf das aus Primär- und Sekundärprofil gebildete
Rotorblatt aufgesetzt, insbesondere aufgeklebt.
Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Rotorblatts
ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Hierbei ist das
Sekundärprofil in radialer Richtung des Blattes mit einem
veränderlichen Querschnitt ausgeführt. Hierbei folgt die
Geometrie des Sekundärprofils insbesondere maßstäblich der
Verjüngung des Blattprofils. Dabei ist durch die Strö
mungsablösung im Bereich der Blatthinterkante erzeugte
Kraftwirkung über einen Längenabschnitt des Blattes im we
sentlichen gleich der durch die Strömungsablösung im Be
reich der Profilvorderkante erzeugten Kraftwirkung, so daß
auch das lokale Torsionsmoment ausglichen ist.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht
auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbei
spiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten möglich,
welche von der dargestellten Lösung auch in anders gearte
ter Ausführung Gebrauch machen.
So ist neben dem Einsatz der oben skizzierten (sowie auch
anders geformter) Vortex-Generatoren oder alternativ hier
zu grundsätzlich auch die Ausbildung von Kanälen im Pri
märprofil möglich, über die Luft aus der Strömungs-
Grenzschicht auf der Blattoberseite abgesaugt oder in die
se eingeblasen werden kann. Diese Abwandlung ist aber her
stellungstechnisch aufwendiger und auf neu zu konstruie
rende Anlagen beschränkt.
Claims (10)
1. Rotorblatt (7; 17; 27; 37; 47; 57) für eine nach dem
Passiv-Stall- oder Aktiv-Stall-Prinzip arbeitende Wind
kraftanlage (1), das ein Tragflügelprofil (17a; 27a; 37a;
47a; 57a) aufweist, dessen Profilvorderkante durch Anfü
gung eines Sekundärprofils (17b; 27b; 37b; 47b; 57b) er
gänzt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das ausschließlich fest mit dem Tragflügelprofil ver
bundene oder in dieses eingestrakte Sekundärprofil (17b;
27b; 37b; 47b; 57b) sich - ausgehend von der Blattspitze
des Rotorblattes - über einen Teilbereich des Tragflügel
profils (17a; 27a; 37a; 47a; 57a) in dessen Längsrichtung
erstreckt und derart aerodynamisch ausgebildet und relativ
zum Tragflügelprofil (17a; 27a; 37a; 47a; 57a) derart an
geordnet ist, daß es wenigstens in einem Bereich des An
strömwinkels, der im wesentlichen mit demjenigen Anström
winkel beginnt, bei dem die Strömungsablösung an der Pro
filhinterkante des Tragflügelprofils (17a; 27a; 37a; 47a;
57a) einsetzt, eine mit dem Anströmwinkel des Tragflügel
profils (17a; 27a; 37a; 47a; 57a) zunehmende partielle
Strömungsablösung im Bereich der Profilvorderkante des
Tragflügelprofils (17a; 27a; 37a; 47a; 57a) derart er
zeugt, daß die durch die mit dem Stallzustand entstehende
Strömungsablösung im rückwärtigen Bereich des Tragflügel
profils auftretende Kraftwirkung im wesentlichen kompen
siert ist.
2. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sich das Sekundärprofil (17b; 27b; 37b; 47b; 57b) über
eine derartige Länge des Rotorblattes erstreckt, daß des
sen Verformung, bei den maximal zu erwartenden stoßartigen
Änderungen der Anströmung einen vorgegebenen Maximalwert
nicht überschreitet.
3. Rotorblatt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur im wesentlichen vollständigen Kompensa
tion des durch die Auftriebsverminderung des Tragflügel
profils infolge des Sekundärprofils bedingten Rotormoment
verlustes in einem Bereich des Tragflügelprofils (17a;
27a; 37a; 47a; 57a) auftriebserhöhende Mittel (7c; 7c.1,
7c.2; 7d) vorgesehen sind.
4. Rotorblatt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die auftriebserhöhenden Mittel sich im wesentlichen
von dem nabenseitigen Ende bis in den mittleren Bereich
des Tragflügelprofils (17a; 27a; 37a; 47a; 57a) erstrecken.
5. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 3 oder 4, da
durch gekennzeichnet, daß als auftriebserhöhende Mittel
eine Mehrzahl von im Bereich der Profilvorderkante oder
der Profiloberseite angeordneten Vortex-Generatoren (7c;
7c.1, 7c.2; 7d) und/oder wenigstens eine Nasenklappe
und/oder wenigstens eine Endklappe und/oder Mittel zur
Grenzschichtabsaugung oder -ausblasung vorgesehen sind.
6. Rotorblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärprofil (17b; 37b;
47b; 57b) an der Vorderkante des Tragflügelprofils (17a;
27a; 37a; 47a; 57a) zur Erzeugung eines partiellen Strö
mungsabrisses im wesentlichen den Querschnitt eines Ellip
sen- oder Tragflügelsegmentes aufweist.
7. Rotorblatt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Sekundärprofil (17b; 37b; 47b; 57b) dem Primärpro
fil (17a; 37a; 47a; 57a) mit gegenüber dessen Profilsehne
geneigter großer Achse bzw. Profilsehne und/oder gegenüber
der Profilsehne des Primärprofils versetztem Hauptscheitel
bzw. versetzter Profilvorderkante an- oder eingefügt ist.
8. Rotorblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärprofil (17b; 27b;
37b; 47b; 57b) in Bezug auf die Vorderkante des Primärpro
fils (17a; 27a; 37a; 47a; 57a) um einen Abstand vorsteht,
der im wesentlichen zwischen 0,5% und 15% der Profiltiefe
des Rotorblattes liegt.
9. Rotorblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärprofil in radialer
Richtung des Blattes mit einem veränderlichen Querschnitt
ausgeführt ist.
10. Rotorblatt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Veränderung Querschnitts des Sekundärprofils der
art gewählt ist, daß die durch Strömungsablösung im Be
reich der Blatthinterkante erzeugte Kraftwirkung über ei
nen Längenabschnitt des Blattes im wesentlichen der durch
die Strömungsablösung im Bereich der Profilvorderkante er
zeugten Kraftwirkung entspricht.
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