DE60108195T2

DE60108195T2 - Rotorblattprofile für Windenergieanlagen

Info

Publication number: DE60108195T2
Application number: DE60108195T
Authority: DE
Inventors: Michael S. Techachapi Selig; Kyle K. Lawrence Wetzel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-05-01
Filing date: 2001-04-30
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2021-05-01
Also published as: WO2001083983A1; AU2001261081A1; CN1280538C; DE60108195D1; EP1152148B1; ATE286569T1; CN1441876A; DK1152148T3; US6503058B1; ES2237509T3; EP1152148A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Windenergieturbinen und insbesondere auf eine Familie von Rotorblattprofilen zur Optimierung des Wirkungsgrades der Windturbine.
Diskussion des Standes der Technik
Windenergieturbinen sind wohlbekannt. Die Turbinenblätter oder Rotorblattprofile sind einer der Hauptfaktoren bei der Bestimmung des Wirkungsgrads des Systems, und sie sind daher ein kritischer Faktor bei der Optimierung des Wirkungsgrades. Üblicherweise beginnt das Design des Rotorblattprofils, indem zuerst eine Familie von Rotorblattprofilen identifiziert wird, die verwendet werden sollen, und in dem dann die optimale Verteilung von Völligkeit und Verwindung in Flügelbreitenrichtung zu bestimmen, um den Leistungskoeffizienten von jeder Stelle in Flügelbreitenrichtung zu optimieren. Diese Prozedur resultiert oft nicht in einem strukturell optimalen Blatt für die spezielle Anwendung. Verschiedene Anstrengungen wurden über die Jahre mit schwankenden Resultaten gemacht, um die Blattkonfiguration zu optimieren.
Beispielsweise hat Zond Energie Systems, Inc. (die Abtretungsempfängerin der vorliegenden Erfindung) im allgemeinen eine dünnere Rotorblattkonfiguration benutzt als ihre europäischen Gegenstücke. Beispielsweise verwenden die 34 Meter-Blätter, die von LM Glasfibre für das Tacke 70 Meter TW1.5s System einen 39% dicken Querschnitt an der Stelle von 25 % Flügelbreite im Vergleich zu einem 24 % dicken Querschnitt an den vergleichbaren ZondZ46/48/50-Blättern. Selbst bei 40 % Flügelbreite ist der Rotorblattquerschnitt 40% dick. Dies hat eine signifikante Auswirkung auf den Luftwiderstand, wodurch die Energieumsetzung von diesen Blättern um bis zu 10 % reduziert wird.
Gegenwärtig auf dem Markt befindliche Turbinen haben eine Rotorbelastung von etwa 0.42-0.45 kW/m² bei Maschinen, die als IEC Klasse 1 zertifiziert sind, 0.38-0,41 kW/m² für Klasse 2 und 0.33-0,38 kW/m² für Klasse 3. Nimmt man eine vorgegebene Windturbine und führt dann die Bemaßung sowohl des Rotors und des Antriebszuges einschließlich dem Generator in Proportion zueinander durch, ist es eine recht unkomplizierte Reihe von Berechnungen, um die Abhängigkeit der Blattbelastungen von der Rotorgröße zu bestimmen. Wenn angenommen wird, dass die Rotoraerodynamik und Rotorvölligkeit konstant bleiben, während der Rotor einer Bemaßung unterzogen wird, bleibt die Nenn-Windgeschwindigkeit für die verschieden großen Maschinen konstant. Bei einer Turbine wie die Zond 750 kW-Serie ist eine Spitzengeschwindigkeit von 85 m/s näherungsweise die höhere Grenze. Benutzt man dies als feststehende Spitzengeschwindigkeit, kann festgestellt werden, dass die Nenn-Achsgeschwindigkeitt sich umgekehrt zu dem Rotor verhält: Ωrated = /VtipR (Gleichung 1),wobei Ω_rated die bewertete Achsgeschwindigkeit, V_tip die feststehende Spitzengeschwindigkeit und R der Rotorradius ist.
Da die bewertete Leistung Ω_rated sich mit dem Rotordurchmesser im Quadrat bei einer fest bestehenden Rotorlast verhält, und da die bewertete Leistung ein Produkt des bewerteten Drehmoments und der bewerteten Achsgeschwindigkeit ist, folgt, dass das bewertete Drehmoment sich wie der Rotordurchmesser hoch drei verhält: Ωrated = Prated/Ωrated1/2(ρV3 ratedCρπR2)(R/Vtip) – R3 (Gleichung 2)
Das bewertete Drehmoment resultiert aus den in einer Ebene auftretenden, aerodynamischen Kräfte, die über die Länge des Blattes wirken. Mathematisch ergibt sich aus der Summe des Produkts dieser Kräfte und dem Momentenarm über die Länge des Blattes:
wobei F_x die in einer Ebene wirksamen Kräfte pro Einheitslänge darstellt.
Das mathematische Modell für alle Windturbinen-Rotorblattprofile folgt diesen Gleichungen. Was übrig bleibt, ist die Entwicklung eines besseren Verständnisses dieser Modelle, um das Rotorblattprofildesign zu maximieren. Gegenwärtig werden gewisse Aspekte des Designs nicht klar verstanden, und die resultierenden Rotorblattprofll-Designs des Standes der Technik sind weniger als optimal.
Die US 4,976,587 offenbart ein Windturbinenrotorblatt mit NASA LS(1)-04xx Rotorblattprofilabschnitten, die eine Verwindung nicht größer als 8 Grad haben, und eine Konstruktion für solch ein Blatt, die keine Trennlinie entlang der Führungskante umfasst. Die Verbindung zwischen einem rechteckigen Spanten und der Außenhaut wird durch Kanäle mit "C"-förmigem Querschnitt verstärkt, die an der Außenhaut und dem Spanten befestigt sind. Ferner offenbart die US 4,976,587 ein Verfahren zur Her stellung eines Rotorblattes dieser Konstruktion.
Das Buch "Windkraftanlagen, ausgeführte Rotorblattformen" von Hau, Erich, Springer Verlag, Berlin, XP0021 74275, Seite 113 bis Seite 118, offenbart einige Informationen über die Geometrie von Rotorblättern und ihre Merkmale.
Die US 4,519,746 offenbart ein verbessertes Rotorblatt für Flugzeugpropeller und dergleichen, welches einen hohen aerodynamischen Wirkungsgrad und niedrige Fern- und Nah-Feld-Geräuschniveaus bei einer Rotorblattquerschnittsform mit hohem Auftrieb-zu-Zugbahn-Verhältnis ausgestattet ist, und das charakterisiert ist durch einen dumpfen, im allgemeinen parabolförmigen Führungskantenabschnitt, der in eine Druckfläche übergeht, die durch einen konvexen Führungsabschnitt charakterisiert ist. Für Dickenverhältnisse weniger als etwa 0,15, umfasst die Druckfläche einen konkaven, nachlaufenden Abschnitt, der an einem Ende davon in den führenden, konvexen Abschnitt übergeht und an dem andere Ende davon an einer stumpfen, nachlaufenden Kante endet. Der vordere Kantenabschnitt geht auch in eine Saugfläche über, die entlang einer im wesentlichen gesamten Länge davon zu der hinteren Kante des Blattes konvex ist.
Das Dokument von Tangler et al.: "NREL airfoil families for HAWTs", National Renewable Energy Laboratory Report, XX, XX, Seiten 1-12, XP002928902" befasst sich mit der Entwicklung von Rotorblattprofilen für spezielle Zwecke für Windturbinen mit horizontaler Achse (HAWTs), die 1984 als gemeinsame Entwicklung zwischen dem National Renewable Energy Laboratory (NREL), vormals Solar Energy Research Institute (SERI), und Airfoils, Incorporated begann. Seit dieser Zeit sind neun Rotorblattprofil-Familien entwickelt worden für Rotoren unterschiedlicher Größen unter Verwendung des Eppler-Rotorblattdesign- und -analysecodes entworfen worden. Die allgemeinen Betriebserfordernisse der neuen Rotorblattprofil-Familien ist es, dass sie einen maximalen Auftriebskoeffizienten zeigen, der relativ unempfindlich gegen Rauhigkeitseffekte ist. Die Rotorblatt-Familien adressieren die Notwendigkeit für bezüglich Strömungsabriss geregelte, einen variablen Anstellwinkel und variable Drehzahlen aufweisende Windturbinen. Bei auf Strömungsabriss geregelten Rotoren wird eine bessere Spitzenleistungskontrolle durch das Design der Spitze des Rotorblatts erreicht, wodurch der maximale Auftriebskoeffizient begrenzt wird. Ein begrenzter, maximaler Auftriebskoeffizient ermöglicht die Verwendung von mehr überstrichener Scheibenfläche bei einer vorgegebenen Generatorgröße. Bei gegen Strömungsabriss geregelten Rotoren werden mit Spitze versehene Rotorblätter mit hoher Dicke verwendet, um alle Geschwindigkeitskontrollvorrichtungen unterzubringen. Bei Rotoren mit variablem Anstellwinkel und variabler Drehzahl bieten sich zugespitzte Rotorblätter mit einem hohen maximalen Auftragskoeffizienten für leichte Blätter mit geringer Welligkeit an. Angespitzte Rotorblätter mit geringer Dicke haben weniger Bahnverfolgung bei Blättern zur Folge, die eine Anstellwinkelkontrolle über die volle Flügel breite haben. Jährliche Energieverbesserungen für die NREL-Rotorblattfamilien werden auf 23% bis 25% für gegen Strömungsabriss geregelte Turbinen, 8 bis 20% für Turbinen mit variablem Anstellwinkel und 8-10% für Turbinen mit variabler Drehzahl vorausberechnet. Die Verbesserungen bei gegen Strömungsabriss geregelten Turbinen wurden in Feldtests verifiziert.
Die US 4,844,698 offenbart einen Propeller mit Blättern, die so ausgeführt sind, dass sie einen maximalen Schub bei geringen, statischen Geschwindigkeiten sowohl in der Betriebsweise mit Vorwärtssteigung als auch mit Rückwärtssteigung zu erreichen. Jedes Rotorblatt hat einen großzügigen Radius in der Vorderkante, was dazu führt, dass eine obere Oberfläche eine positive Krümmung und eine untere Oberfläche eine positive Krümmung neben der vorderen Kante und eine negative Krümmung neben der hinteren Kante hat. Jedes Rotorblatt hat auch ein hohes Verhältnis von Dicke zu Flügeltiefe und ein niedrigeres Verhältnis von Spannweite zu Flügeltiefe oder Flügelstreckung. Dieses dicke Rotorblattprofil und eine Achtern-Belastung führt zu einer mehr gleichmäßigen Druckverteilung und einer laminaren Luftströmung über die Blattoberfläche, was in einem höheren Auftragskoeffizienten, einer verlängerten Rotorblattlebensdauer und -zuverlässigkeit und geringeren Geräuschpegeln führt.
EP 0 675 285 A1 offenbart Rotorblattprofile für Rotorblätter von Windturbinen, wobei jedes Rotorblattprofil durch eine Dicke in einem Bereich von 16%-24% und einen maximalen Auftragskoeffizienten charakterisiert und so ausgeführt ist, dass es weitgehend unempfindlich gegen Rauhigkeitseffekte ist. Die Rotorblattprofile umfassen eine Familie von Rotorblattprofilen für ein Rotorblatt mit einer Länge von 15 bis 25 m, eine Familie von Rotorblattprofilen für Rotorblätter mit einer Länge von 1 bis 5 m und eine Familie von Rotorblattprofilen für Rotorblätter mit einer Länge von 5 bis 10 m.
Die WO 99/27252 offenbart Rotorblattprofile für Flügelspitzenbereiche und Bereichen in der Mitte der Spannweite von Windturbinenblättern, die obere und untere Oberflächekonturen zwischen einer vorderen Kante und einer hinteren Kante haben, um Rauhigkeitseffekte des Rotorblattprofils zu minimieren und einen maximalen Auftriebskoeffizienten bereitzustellen, die weitgehend unempfindliche gegen Rauhigkeitseffekte sind. In einem Ausführungsbeispiel hat das Rotorblattprofil eine Dicke zwischen etwa 14-17%, eine Reynolds-Zahl im Bereich von etwa 1.500.000 bis 2.000.000 und einen maximalen Auftriebskoeffizienten in einem Bereich von etwa 1,4 bis 1,5. In einem anderen Ausführungsbeispiel hat das Rotorblattprofil eine Dicke zwischen 14-16%, eine Reynolds-Zahl in dem Bereich von etwa 1.500.000 bis 3.000.000 und einen maximalen Auftriebskoeffizienten in einem Bereich von etwa 0,7 bis 1,5.
Die US 5,474,425 zeigt selbstgeregelte Windturbinen mit horzitonaler Achse und freiem Gierwinkel, die starke, leichtgewichtige, ermüdungsresistente Holz/GRE-Rotorblätter mit fester Steigung haben und einen überlegenen Wirkungsgrad in einem Bereich von Windgeschwindigkeiten zeigen. Die Rotorblätter werden dadurch gestaltet, dass definierte innenliegende, in der Mitte der Spannweite liegende und außen an der Spannweite liegende Rotorblattprofile verwendet werden und dass die Profile zwischen den definierten Profilen und von den letzteren zu der Wurzel und der Spitze der Rotorblätter interpoliert werden.
Die US 4,773,825 offenbart Verbesserungen in Luftpropellern, was das Profil ihrer Rotorblätter betrifft. Die Gesetzmäßigkeit der Entwicklung der Krümmungskurven der Flügelrücken ist wie folgt. Die Krümmung, die an der vorderen Kante maximal ist, vergrößert sich als erstes schnell, so dass sie einen Wert von etwa 4 an einem Punkt bei etwa 4% der Länge der Flügelbreite erreicht, und sie wird dann regulär kleiner, so dass sie einen Wert im wesentlichen gleich Null an der hinteren Kante erreicht. Das Gesetz der Entwicklung der Krümmungskurven der inneren Flügeloberflächen ist wie folgt: die Krümmung, die an der vorderen Kante maximal ist, wird als erstes schnell kleiner, so dass sie einen Wert von etwa 9 bei etwa 3,5% der Länge der Flügeltiefe erreicht, und sie nimmt dann weniger schnell ab, um einen Wert von Null an einem Punkt zu erreichen, der zwischen 10% und 60% der Länge der Flügeltiefe liegt, und sie wird weiterhin bis zu einem leicht negativen Wert kleiner und sie bleibt dann praktisch konstant was die hintere Kante betrifft.
Die US 5,252,381 offenbart einen Rotorblattprofilquerschnitt, der eine relativ dicke, hintere Kante und eine geneigte hintere Oberfläche aufweist.
Im Hinblick auf das Vorstehende ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Rotorblattprofil-Design bereitzustellen, welches erheblich verbesserte Betriebscharakteristiken gegenüber Rotorblattprofil-Designs nach dem Stand der Technik hat.
Diese Aufgabe wird durch ein Rotorblattprofil für eine Energieturbine nach Anspruch 1 und eine Familie von Rotorblattprofilen nach Anspruch 13 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung in den Unteransprüchen charakterisiert sind.
Die Kombination der aerodynamischen Optimierung und der strukturellen Optimierung gemäß der Lehre der Erfindung resultiert in einem neuen und neuartigen Rotorblattprofildesign, das erheblich verbesserte Betriebscharakteristiken gegenüber Rotorblattprofildesigns des Standes der Technik aufweist. Die oben erwähnte mathematische Modellierung ergibt maximale aerodynamische Kriterien. Dies wird dann mit einer strukturellen Analyse gekoppelt, um das optimale aerodynamische Design in eine ausgeglichene, wesentlich optimierte Blattprofil-Konfiguration zu modifizieren. Die resultierenden Rotorblattprofile der vorliegenden Erfindung haben eine wesentliche auf den Betrieb bezogene Auswirkung auf die GAEP, wenn sie mit Rotorblattprofilen nach dem Stand der Technik verglichen werden. Die vorliegende Erfindung ist ein Rotorblattprofildesign, das der theoretischen, optimalen, aerodynami schen Struktur basiert, die nach Bedarf modifiziert wird, um die strukturelle Integrität zu maximieren.
Die vorliegende Erfindung ist das Resultat einer Bemühung, die Rotorblattprofil-Konfiguration und das Rotorblattprofil-Design zu maximieren und zu optimieren, indem die wichtigen Charakteristiken der mathematischen Definition des Rotorblattprofils konsistent mit der oben erwähnten mathematischen Modellierung nach dem Stand der Technik bestimmt wird.
Diese Prozedur liefert die Kriterien zum Maximieren des Rotorblattprofil-Wirkungsgrads, um eine höchste GAEP zu erreichen, während die aerodynamischen Design-Parameter als ausgeglichen gegenüber strukturellen Bedürfnissen in Betracht gezogen werden. Die Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung gestattet das Design von Rotorblattprofilen mit vorhersehbaren Eigenschaften, während die notwendige strukturelle Integrität erreicht wird.
Als Resultat dieses Ansatzes hat die vorliegende Erfindung als Resultat eine Familie von Rotorblattprofilen, die betriebsmäßige und strukturelle Charakteristiken mit erheblich verbesserter Betriebsfähigkeit gegenüber früheren Rotorblattprofilen haben, die in denselben oder ähnlichen Anwendungsfällen verwendet werden. Die Familie der Rotorblattprofile umfasst Verhältnisse von Dicke-zu-Flügeltiefe im Bereich von 14% bis 45%.
Gemäß der Erfindung ergibt sich sodann, wenn die Rotoren proportional maßstabsgerecht vergrößert werden (d.h. die Völligkeit bleibt konstant), durch Substitution der Gleichung (2) in die Gleichung (3) die Schlussfolgerung, dass F_x jeglicher äquivalenter Stelle in Flügelbreitenrichtung (d.h. r/R) skalenmäßig als Rotordurchmesser darstellt: Fx ≈ R (Gleichung 4)
Für hohe Verhältnisse von Auftrieb zu Luftwiderstand resultieren die in der Ebene auftretenden Kräfte in den Außenbereichen, die die strukturellen Belastungen dominieren, weitgehend aus dem Produkt des dynamischen Drucks, der Flügelbreitenlänge, dem Auftriebskoeffizienten und dem Anströmungswinkel: Fx = qratedcC1sinϕ (Gleichung 5)wobei ϕ der Anströmungswinkel ist.
Da der Rotor skalenmäßig vergrößert wird, vergrößert sich die Flügeltiefe c ebenso wie der Rotordurchmesser. Da die Rotorbelastung konstant bleibt und q_rated und sinφ konstant bleiben, folgt aus den Gleichungen (4) und (5), dass C1 entlang dem Flügel konstant bleibt, wenn er skalenmäßig vergrößert wird. Da die Anströmungswinkel oder die Blattgeometrie sich nicht ändern außer, dass sie skalenmäßig vergrößert werden, folgt, dass die außerhalb der Ebene angreifenden Kräfte pro Einheitslänge ebenfalls wie der Rotordurchmesser skalenmäßig verändern: Fx = qratedcC1cosϕ ≈ R (Gleichung 6)
Daher verändert sich das bremsklappenseitige Flügelwurzel-Biegemoment My_rated ebenfals skalenmäßig wie der Rotordurchmesser hoch drei:
In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass, wenn der Rotor in seinem Durchmesser skalenmäßig vergrößert wird (wobei die Völligkeit konstant gehalten wird), während die Nenn- Leistung und die Geschwindigkeit an der Spitze beide konstant bleiben, die Nenn-Windgeschwindigkeit abfällt, wenn der Rotordurchmesser zunimmt, und zwar entsprechend der wohlbekannten Beziehung: Prated = (1/2)ρV3 ratedCpπR2 (Gleichung 8)
Unter der Annahme, dass die Nenn- Energie konstant ist, ergibt dies: Vrated ≈ R–2/3 (Gleichung 9) Dies führt zu dem Schluss, dass das Nenn- Verhältnis der Geschwindigkeit an der Spitze X mit dem Rotordurchmesser zunimmt: X = (Vtip/Vrated) ≈ R–2/3 (Gleichung 10)bei konstanter Geschwindigkeit der Spitze.
In diesem Fall wird die Gleichung zu: Qrated = Prated/Ωrated = Prated(R/Vtip) ≈ R (Gleichung 11)durch Substitution der Gleichung (3) in die Gleichung (11) ergibt sich: Fx ≈ 1/R (Gleichung 12)die sich dramatisch von den vorherigen Annahmen unterscheidet. Betrachtet man wiederum die Gleichung (5), so wird in der Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung der dynamische Druck an einer Außen-Station durch die tangentiale Geschwindigkeit dominiert, so dass ein Abfall in der Nenn-Windgeschwindigkeit wenig Auswirkung auf den dynamischen Druck an der Nenn- Windgeschwindigkeit hat. So ändert sich der Anströmungswinkel invers zu dem lokalen Geschwindigkeitsverhältnis, und die Gleichungen (5) und (12) werden zu: Fx ≈ qratedcC1sinΦ ≈ RC1(1/X) ≈ RC1(1/X) ≈ C1R1/3 (Gleichung 13)
Durch Substitution von Gleichung 10 für X ergibt eine Kombination der Gleichungen (12) und (13): C1 ≈ R–4/3 (Gleichung 14)an Nenn- Windgeschwindigkeiten. Durch Substitutio9n der Gleichung (14) in die Gleichung (6) ergibt sich: Fy ≈ qatedcC1cosΦ ≈ R–1/3 (Gleichung 15)
Fx und Fy stellen die Werte an einer vorgegebenen, äquivalenten Stelle in Flügelbreitenrichtung dar, d.h. die gleiche r/R-Stelle auf jedem Blatt. Durch Substitution der Gleichung (15) in die Gleichung (7) ergibt sich nun das Resultat:
In dem angegebenen Fall verhält sich das Wurzelbiegemoment skalenmäßig wie der Radius, potenziert mit 1,66.
Dieses Modell wurde unter Verwendung von Bladed und drei Rotoren für eine 750 kW-Turbine (Bladed ist ein im Handel erhältliches Design-Programm, das von Garrad Hassan angeboten wird) mit einem 50 m Rotor, einem 52 m Rotor und einem 55 m Rotor bestätigt. Der gemessene Skalierungsfaktor war in dem Bereich von 1,6 oder sehr nahe bei dem theoretischen Nenn-Skalenfaktor von 1,66, wie er in der Gleichung (15) erhalten wird. Wenn man bedenkt, dass die Bemessungsanalyse (Gleichung (16)) eine Anzahl sekundärer Effekte ignoriert, beispielsweise den Einfluss einer Veränderung der Nenn- Windgeschwindigkeit mit dem dynamischen Druck und andere Variablen, bestätigt der aktuelle Test wesentlich die Bemessungsanalyse. Wenn man anerkennt, dass Ermüdungsbelastungen sich aus dem gleichen aerodynamischen Modell, das in der vorstehenden Analyse verwendet wurde, die statische (extreme) Belastungen berechnet, sich ableiten, kann angenommen werden, dass die Ermüdungsbelastungen sich skalenmäßig ähnlich wie in Gleichung (16) verhalten.
Unter Verwendung der Annahme, die aus Abwägungsstudien abgeleitet ist, dass sich aus einer Halbierung der Blattsteifigkeit (Verdopplung der Auslenkung) eine 15%ige Verminderung in der Ermüdung ergibt, kann die Gleichung (16) verwendet werden, um zu berechnen, welche Rotorgröße in einer 15%igen Erhöhung der Belastung resultieren wird. Unter Verwendung einer Tackes's TW1.5s-Turbine mit einem 70.5 m Rotor und einer 1.500 kW Auslegung, kann beispielsweise aus den Abwägungsstudien bestimmt werden, dass, wenn die Steifigkeit des Blatts halbiert wird, die Belastungen um 15% reduziert werden. Der Rotor kann dann entsprechend der folgenden Formel skalenmäßig vergrößert werden, die von der Gleichung (16) abgeleitet ist: (Mrated)l arg er,flexible = (Mrated)baseline,flexible(Rl arg er/Rbaseline)5/3 = 0,85(Mrated)baseline(Rl arg er/Rbaseline)5/3 = (Mrated)baseline (Gleichung 17)und durch Auflösen für den neuen Rotordurchmesser ergibt sich: Rl arg er/Rbaseline = (1/0,85)/6 = 1,10 (Gleichung 18)
So könnte der 70,5 m Rotor um 10% auf einen 77 m Rotor vergrößert werden, ohne die einen Schlüssel im Design darstellenden Ermüdungsbelastungen zu erhöhen, wenn die Steifigkeit zweifach herabgesetzt wird. Daraus ergibt sich eine 20%ige Vergrößerung in der überstrichenen Fläche und unter der Annahme, dass 50 % der Energiegewinnung aus dem Betrieb unterhalb des Nennbetriebs kommt, eine 10%ige Vergrößerung in der jährlichen Nettoenergieproduktion. Dieses Beispiel gilt für eine Rotorbelastung von 0.32 kW/m² (für IEC Klasse 2).
Als ein Resultat dieser Analyse wurde eine Anzahl anfänglicher Rotoroptimierungsstudien unter Verwendung eines 77 m Rotordurchmessers unternommen. Daraus ergab sich eine abschließende Größenbemessungsanalyse, worin eine 1.8 MW Maschine, die mehr kosteneffektiv ist, eine Skalierung des Rotordurchmessers auf 85 m resultiert. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein mehr konservativer 80.5 m Rotordurchmesser verwendet.
Als ein Resultat dieser Studien wurde festgestellt, dass:

1. Rotorblattprofile bis zu 30% Dicke an einer ersten Station (25%-30% Radius) ohne signifikanten Verlust in der GAEP (Gross Annual Energy Production = jährliche Bruttoenergieproduktion) verwendet werden können.
2. Um die GAEP zu maximieren, sollte das t/c (Dicke) des Rotorblattprofils nicht 21%, 18% und 14% für die zweite (55%-60% Radius), dritte (75%-80% Radius) bzw. die vierte Rotorblattstation (90-95%) nicht übersteigen.
3. Eine Vergrößerung des Design-Auftriebskoeffizienten c₁ erhöhte die GAEP. Über den Bereich des Design-Auftriebskoeffizienten c₁ wurde ein Wert von 1.25 als optimal für alle Blattstationen gefunden. Ein geringerer Design-Auftriebskoeffizient c₁ in dem Spitzenbereich ist vorteilhaft, um die Blätter aus dem Strömungsabriss herauszuhalten.
4. Der Verlust in GAEP aus der Vergrößerung des t/c des Rotorblattprofils entlang dem Blatt kann leicht durch Erhöhung des Design-Auftriebskoeffizienten c₁ kompensiert werden. Dickere Rotorblattprofile können verwendet werden, ohne Energieaufnahme zu opfern. Diese aerodynamischen Studien wurden mit strukturellen Designstudien kombiniert, um umfas sende Designkriterien bereitzustellen, wobei die Dicke und der Auftriebsbereich der Rotorblattprofile optimiert wird. Für eine optimale, aerodynamische Wirkungsweise sind dünne Rotorblattprofile mit einem hohen Verhältnis von Auftrieb zu Windwiderstand erwünscht, während dicke Rotorblattprofile aus strukturellen Gründen bevorzugt werden. Rotorblattprofile mit hohem Auftrieb ergeben höhere Verhältnisse von Auftrieb zu Windwiderstand bei einer vorgegebenen Menge an laminarer Strömung im Vergleich zu Rotorblattprofilen mit geringem Auftrieb, was die Energieaufnahme erhöht. Rotorblattprofile mit hohem Auftrieb haben jedoch auch strukturelle Aspekte. Folglich wird eine Ausgeglichenheit zwischen aerodynamischen und strukturellen Überlegungen erforderlich, um das optimale t/c des Rotorblattprofils und den optimalen Auftriebbereich für ein spezielles Blatt zu definieren.

Es ist somit erwünscht, die Wirkungen der Rotorprofildicke (t/c) und des Auftriebbereichs auf die Energieaufnahme quantitativ zu erfassen. Eine Kompromissstudie unter Verwendung des 1.63-MW NGT mit einem 77 m Rotor wurde verwendet, um diese Information quantitativ zu bestimmen. Die Analyse ergab Daten, die die Wirkung des t/c des Rotorblattprofils und den Auftriebsbereich auf die GAEP für ein einziges Blattsegment an vier unterschiedlichen radialen Positionen quantitativ angeben. Vollständige Blätter wurden dann auf eine maximale Energieaufnahme ausgelegt unter Verwendung des am meisten erfolgversprechenden t/c des Rotorblattprofils und des Auftriebbereichs für jede der vier ausgewählten Stationen. Die Effekte der Verkürzung der Innen-Flügelbreiten der Blätter bei der Energieproduktion lieferten Daten, die die Auswirkung darstellt, indem die Blattfläche in dem Wurzelbereich auf ein Minimum herabgesetzt wird. Bei einem vorgegebenen Satz von Rotorblattprofilen wurde herausgefunden, dass eine Verminderung in der Flügeltiefe zu einer Herabsetzung der physikalischen Dicke führt, was strukturell nicht erwünscht ist, außer, wenn die Rotorblattprofile ebenfalls verkürzt sind.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Blattgeometrie auf eine maximale jährliche Energieproduktion ausgelegt. Bei der Auslegung von jedem Blattsegment werden eine optimale axiale Anströmung von 1/3 und der Design-Auftriebskoeffizient c₁ vorgeschrieben, und die entsprechenden Flügeltiefen und Verwindung/Steigung werden erhalten, indem die inverse Designfähigkeit des Computerprogramms PROPID (PROPID ist ein im Handel erhältliches Designprogramm) ausgenutzt wird. Der ausgewählte Design-Auftriebskoeffizienten c₁, welcher der c₁ ist, für den ein maximales Verhältnis von Auftrieb zu Windwiderstand erreicht wird, hat die gleiche Flügeltiefenlänge unabhängig von dem betrachteten t/c des Rotorflügelprofils zum Ergebnis. In dem Beispiel, das verwendet wurde, um diese Analyse zu bestätigen, wurden die folgenden Design-Grenzbedingungen verwendet:

• Mechanische Nennleitung von 1.8 MW
• Systemwirkungsgrad von 90%, was eine elektrische Nennleistung von 1.62 MW ergibt
• Wind auf Rotor mit drei Blättern, die einen Durchmesser von 77 m haben
• Designverhältnis der Geschwindigkeit an der Spitze von 7.68, was einer Geschwindigkeit der Spitze von 80 m/s an der Nennleistung entspricht
• Atmosphärische Bedingungen auf Meeresniveau

Um die jährliche Energieproduktion bei diesem Modell zu bestimmen, wurde ein IEC-Wand Klasse II (mittlere Windgeschwindigkeit von 8.5 m/s an der Nabenhöhe) und eine Rayleigh-Windgeschwindigkeitsverteilung betrachtet. Keine Verluste außer dem 90%-Systemwirkungsgrad wurden in Betracht gezogen. Die GAEP wurde bei 100% Verfügbarkeit berechnet.
Der Designprozess wurde an Blattsegmenten an vier radialen Stationen durchgeführt, nämlich bei 25%-30% Radius, 55%-60% Radius, 75%-80% Radius und 90%-95% Radius. Der Design- Auftriebskoeffizient c₁ wird zu 1.05 vorgeschrieben, und die Dicke des Rotorblattprofils wird an jeder der vier radialen Stationen variiert. Auch wurde die Dicke des Rotorblattprofils an jeder radialen Station festgehalten, und der Design-Auftriebskoeffizient c₁ wurde variiert. Zu dieser Studie über die Auswirkungen des Design-Auftriebskoeffizienten c₁ auf die Energieaufnahme wurde das t/c des Rotorblattprofils auf 27% bei Station 1, 21% bei Station 2,16% bei Station 3 und 12% bei Station 4 festgelegt. Das gesamte Blattdesign wurde ebenfalls betrachtet, wobei die Rotorblattprofile, die entlang des Blatts verwendet wurden, an den gleichen vier Stationen wie die Segmentdesigns definiert waren und die Nabe als Zylinder in einem Modell erfasst wurde.
Aus dieser Studie wurde ein Basislinienfall entwickelt, der ein Szenario für den besten Fall im Hinblick auf Maximierung der Energieaufnahme darstellt, da er Rotorblattprofile mit höherem Auftrieb verwendet als die Z-48-Rotorblätter nach dem Stand der Technik verwendet, während er eine ähnliche t/c-Verteilung des Rotorblattprofils hat.
Daraus wurde festgestellt, dass Rotorblattprofile bis zu 30% Dicke an der ersten Station (25%-30% Radius) ohne signifikanten Verlust in GAEP verwendet werden können. Eine Verkürzung (Trunkierung) des 30% dicken Rotorblattprofils reduziert die GAEP signifikant bei Verlusten von bis zu 12 Mal größer als die bei einem nicht-verkürzten, 30%igen Rotorblattprofil. Diese Verluste in GAEP aus der Trunkierung des 30% dicken Rotorblattprofils können gegen die strukturellen Vorteile aufgewogen werden, die die Verkürzung bereitstellt.
Die GAEP wird maximiert, wenn das t/c des Rotorblattprofils 21%, 18% und 14% für die zweite (55%-60% Radius), dritte (75%-80% Radium) bzw. vierte Blattstation (90%-95%) nicht übersteigt.
Durch Erhöhung des Design-Auftriebskoeffizienten c₁ wird die GAEP erhöht. Ein Wert von 1.25 wurde als Optimum für alle Blattstationen gefunden, obwohl ein geringerer Design-Auftriebskoeffizient c₁ in dem Bereich der Spitze erforderlich sein könnte je nach der Fähigkeit des Controllers, die Blätter aus einem Strömungsabriss herauszuhalten.
Der Verlust an GAEP aus der Vergrößerung des t/c des Rotorblattprofils entlang dem Blatt kann leicht durch Vergrößerung des Design-Auftriebskoeffizienten c₁ kompensiert werden. Daher können dickere Rotorblattprofile wie die des Z-48 Blatts nach dem Stand der Technik verwendet werden, ohne Energieaufnahme zu opfern.
Eine Trunkierung oder Verkürzung der Innen-Flügeltiefe sollte auf 25%-30% des nominalen Werts für die Flügeltiefenlänge begrenzt werden. Solch eine Verkürzung der Flügeltiefe hat nur eine kleine Auswirkung auf die GAEP, insbesondere, wenn das Rotorblattprofil an der Wurzel nicht verkürzt ist.
Auf der Basis dieser Kriterien kann das Rotorflügelprofildesign optimiert werden, indem ein Ausgleich von maximierten aerodynamischen und maximierten strukturellen Erfordernissen verwendet wird, um ein zuverlässiges, effizientes Rotorblattprofil mit gegenüber herkömmlichen Anordnungen verbesserter GAEP bereitzustellen.
Es ist daher eine Aufgabe und ein Merkmal des Gegenstandes, Mittel und ein Verfahren für das Design einer verbesserten Rotorblattprofil-Anordnung für eine Windturbine bereitzustellen, wobei aerodynamische Design-Parameter maximiert werden.
Es ist eine andere Aufgabe und ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein Mittel und Verfahren für das Design einer verbesserten Rotorblattprofil-Anordnung für eine Windturbine bereitzustellen, wobei strukturelle Designparameter maximiert werden.
Es ist eine weitere Aufgabe und ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein Mittel und Verfahren für das Design einer verbesserten Rotorblattprofil-Anordnung bereitzustellen, bei der aerodynamische und strukturelle Charakteristiken ausgeglichen sind.
Es ist eine zusätzliche Aufgabe und ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein Rotorblattprofil bereitzustellen, das mit einer verbesserten GAEP-Fähigkeit ausgelegt ist.
Andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Tabelle, die die Dicke des Rotorblattprofils für jede radiale Station zeigt, die in den Segment-Designs betrachtet wird.
2 ist eine Tabelle, die den Auftriebskoeffizienten für jede radiale Station von 1 zeigt.
3 ist eine Tabelle, die die Dicke des Rotorblattprofils und den Design-Auftriebskoeffizienten an jeder Station des Vollblatt-Designs zeigt.
4 ist eine Tafel, die die jährliche Bruttoenergieproduktion (GAEP) für unterschiedliche Dicken des Rotorblattprofils und Blattstationen zeigt.
5 ist eine grafische Darstellung, die die GAEP für unterschiedliche Dicken des Rotorblattprofils, betrachtet für die erste Station bei 25%-30% Radius, zeigt.
6 ist eine grafische Darstellung, die die GAEP für unterschiedliche Dicken des Rotorblattprofils, betrachtet für die zweite Station bei 55%-60% Radius, zeigt
7 ist eine grafische Darstellung, die die GAEP für unterschiedliche Dicken des Rotorblattprofils, betrachtet für die dritte Station bei 75%-80% Radius, zeigt.
8 ist eine grafische Darstellung, die die GAEP für unterschiedliche Dicken des Rotorblattprofils, betrachtet für die vierte Station bei 90%-95% Radius, zeigt.
9 ist eine grafische Darstellung, die die GAEP für unterschiedliche Design-Auftriebskoeffizienten des Rotorblattprofils und Blattstationen zeigt.
10 ist eine grafische Darstellung, die die GAEP für unterschiedliche Auftriebskoeffizienten des Designs für die erste Station bei 25%-30% Radius zeigt.
11 ist eine grafische Darstellung, die die GAEP für unterschiedliche Auftriebskoeffizienten des Designs für die erste Station bei 55%-60% Radius zeigt.
12 ist eine grafische Darstellung, die die GAEP für unterschiedliche Auftriebskoeffizienten des Designs für die erste Station bei 75%-80% Radius zeigt.
13 ist eine grafische Darstellung, die die GAEP für unterschiedliche Auftriebskoeffizienten des Designs für die erste Station bei 90%-95% Radius zeigt.
14 ist eine Tabelle, die den maximalen Verlust in jährlichem Einkommen zeigt, das sich aus einer Differenz von 0,4 in dem Design-Auftriebskoeffizienten für ein Blattsegment an unterschiedlichen, betrachteten Stationen resultiert.
15 ist eine Tabelle, die den Unterschied in der GAEP-Aufnahme in Bezug auf einen Basislinienfall (7.320,7 MWh) und einen Fall 1b (7.320,6 MWh) bei Fällen ohne Innen-Flügeltiefenverkürzung zeigt. 16 ist ein Diagramm, das die Flügeltiefenverteilung für das Blattdesign zeigt.
17 ist ein Diagramm, das die physikalische Dickenverteilung des Blattdesigns zeigt.
18 ist ein Diagramm, das die Flügeltiefenvertiefungen der Flügeldesigns 1b, 2b und 3b mit und ohne Verkürzung zeigt.
19 ist ein Diagramm, das die Dickenverteilung der Blattdesigns 1b, 2b und 3b mit und ohne verkürzten Rotorblattprofilen zeigt.
20 ist eine Darstellung, die die Differenz in GAEP-Aufnahme in Bezug auf den Basislinienfall (7.336,7 MWh) und den Fall 1b (7.320,6 MWh) für Fälle mit Innen-Flügeltiefenverkürzung zeigt.
21 ist eine Darstellung, die den Unterschied in der GAEP-Aufnahme in Bezug auf den Basislinienfall (7.336,7 MWh) und den Fall 2b (7.320,6 MWh) durch Vergrößerung der Innen-Flügeltiefe für den Fall 2b ohne Flügeltiefenverkürzung zeigt.
22 ist eine Darstellung, die den Unterschied in der GAEP-Aufnahme in Bezug auf den Basislinienfall (7.336,7 MWh) und den Fall 2b (7.320,6 MWh) mit wachsender Innen-Flügeltiefe für den Fall 2b mit Flügentiefenverkürzung zeigt.
23 ist eine kombinierte grafische Darstellung von allen Rotorblattprofilen im Maßstab mit Gitter.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Wie oben beschrieben wurde, werden die maximalen aerodynamischen Kriterien für ein optimales Rotorblattprofll abgeleitet unter Verwendung der Formel:
wobei Gleichung (16) verwendet werden kann, um zu berechnen, welche Rotorgröße eine 15%ige Minderung in den Belastungen als Resultat hat. Unter Verwendung einer Tackes's TW1.5s Turbine mit einem 70,5 m Rotor und einer 1.500 kW-Nennleistung kann beispielsweise aus den Kompromissstudien bestimmt werden, dass, wenn die Steifigkeit des Blatts halbiert wird, die Belastungen um 15% reduziert werden. Der Rotor kann dann skalenmäßig entsprechend der folgenden Formel vergrößert werden, die aus Gleichung (16) abgeleitet ist: (Mrated)l arg er,flexible = (Mrated)baseline,flexible(Rl arg er/Rbaseline)5/3 = 0,85(Mrated)baseline(Rl arg er/Rbaseline)5/3 = (Mrated)baseline (Gleichung 17)und durch Auflösen für den neuen Rotordurchmesser ergibt sich: Rl arg er/Rbaseline = (1/0,85)/6 = 1,10 (Gleichung 18)
Wenn dies getan ist, wird das Design modifiziert, indem die strukturellen Charakteristiken aus dem optimierten aerodynamischen Design entsprechend der gesammelten tabellarischen Information, wie sie beispielsweise in den 1-13 gezeigt ist, bestimmt und modifiziert werden. Es ist zu beachten, dass die Beispiele, die für die in den 1-13 gezeigten Tabellen verwendet wurden, beispielhaft sind. Dieselbe Methode kann für andere strukturelle Konfigurationen verwendet werden. Der Punkt der Erfindung ist die Verwendung dieser strukturellen Daten, um das optimierte aerodynamische Design zu modifizieren, um die strukturelle Integrität des Rotorblattprofils mit den optimalen Aerodynamik-Eigenschaften auszubalancieren.
1 zeigt die t/c-Dicke nach v\ betrachtet für jede radiale Station 1-4. Die 15 Fälle sind in 1 gezeigt. Die Dicke des Rotorblattprofils an jeder radialen Station ist fest, und der Design- Auftriebskoeffizient c₁ wird in 2 variiert. In dem Beispiel zur Bestimmung der Auswirkungen des Design-Auftriebskoeffizienten c₁ auf die Energieaufnahme wurde das t/c des Rotorblattprofils bei 27% für Station 1, 21% für Station 2, 16% für Station 3 und 12% für Station 4 festgelegt.
Dieselbe Methode wird im Zusammenhang mit dem Design der gesamten Blätter (Blattdesigns) verwendet, und diese Resultate sind in 3 gezeigt. Insgesamt sieben Blattdesign-Fälle sind gezeigt. Die Rotorblattprofile, die entlang dem Blatt verwendet werden, sind an denselben vier Stationen wie die Segmentdesigns definiert, und die Nabe ist als Zylinder modellmäßig dargestellt. Eine Schnittgeschwindigkeit von 25 m/s wird für die Berechnung der GAEP verwendet. 3 zeigt das t/c des Rotorblattprofils und den Design-Auftriebskoeffizienten c₁ an jeder Station für sieben Blattdesignfälle. Der Basislinienfall stellt ein Szenario im besten Fall bezüglich der Maximierung der Energieaufnahme dar. Das t/c des Rotorblattprofils und die Verteilung des Design-Auftriebskoeffizienten c₁ eines Z-48 Blatts nach dem Stand der Technik sind die von Fall 1b. Der Fall 1a zeigt die Abweichungen von dem Z 48 Blatt mit steigendem t/c des Rotorblattprofils und mit steigendem Design-Auftriebskoeffizienten c₁, um die Verminderung in der Flügeltiefe gegenüber der Verwendung von Rotorblattprofilen mit hohem Auftrieb auszugleichen.
Die Effekte der Trunkierung oder Verkürzung der Innen-Flügeltiefe auf die Energieaufnahme werden quantitativ für die Fälle 1b, 2b und 3b erfasst. Bei der Verkürzung der Flügeltiefe werden zwei Szenarios betrachtet. Zuerst wird dasselbe t/c des Rotorblattprofils verwendet, und somit wird die physikalische Blattdicke proportional zu der Verminderung in der Flügeltiefe reduziert. Zweitens wird das Rotorblattprofil um denselben Betrag wie die Flügeltiefe verkürzt, wodurch die physikalische Blattdicke konstant gehalten wird.
Die Segmentdesigns werden in zwei Sätze von Fällen unterteilt. Der erste Satz übergreift einen Bereich von t/c des Rotorblattprofils für einen vorgegebenen Design-Auftriebskoeffizienten c₁ von 1,05, und der zweite, betrachtete Satz erhöht den Design-Auftriebskoeffizienten c₁, während das t/c des Rotorblattprofils fest bleibt. Die Flügeltiefenlänge ist die gleiche für einen vorgegebenen Design-Auftriebskoeffizienten c₁ und eine Station, während der Rotorschub für eine vorgegebene Station der gleiche ist unabhängig von dem Design-Auftriebskoeffizienten c₁ und dem t/c des Rotorblattprofils.
4 zeigt einen Vergleich zwischen der GAEP von allen Fällen, die in 1 gezeigt sind. Die erste Station ergibt etwa 1/3 der GAEP von der vierten Station. Im Gegensatz dazu liefern die zweite und dritte Station etwa 70% bzw. 93% der GAEP der vierten Station. Die Unterschiede in der GAEP für eine vorgegebene Station sind in den 5-8 gezeigt.
Resultate der GAEP als eine Funktion des t/c des Rotorblattprofils für die erste Station sind in 5 gezeigt. Die Achse für die GAEP repräsentiert eine 10%ige Differenz. Die Verminderung in der GAEP mit dem t/c des Rotorblattprofils ist verhältnismäßig klein bei nicht-verkürzten Rotorblattprofilen, und somit sind die strukturellen Vorteile durch die Erhöhung des t/c des Rotorblattprofils vermutlich vorteilhaft trotz des Verlusts an GAEP. Die Verkürzung des 30% dicken Rotorblattprofils hat einen schnellen Verlust an GAEP zur Folge. Ausgehend von $0,05//kWh entspricht die maximale Differenz in GAEP, die in 4 dargestellt ist, einem Verlust an jährlichen Einkommen von 416.00, was bedeutsam sein kann, wenn man bedenkt, dass dies für ein einziges Blattsegment zutrifft. Somit sollte der Verlust an GEAP aus der Verkürzung des 30% dicken Rotorblattprofils durch die strukturellen Vorteile ausgeglichen werden, die die Verkürzung bereitstellt.
6 zeigt die GAEP-Resultate für eine zweite Station und zeigt, dass ein t/c des Rotorblattprofils von 24% einem optimalen Punkt entspricht (der Punkt, an dem Rückfluss vermindert wird). Die Achse der GAEP stellt eine Differenz von 2% dar. Bei $0.05/K/kWh ist die maximale Differenz des jährlichen Einkommens $129.00. Die t/c-Verhältnisse des Rotorblattprofils von 21-24% sind für diese Station optimal.
Die GAEP-Resultate für die dritte Station sind in 7 gezeigt, in der die Achse für die GAEP wiederum eine 2%ige Differenz ist. Ein t/c des Rotorblattprofils von 18% ist maximal.
8 zeigt die GAEP-Resultate für die vierte Station, wiederum mit einer GAEP-Achse, die für eine 2%ige Differenz skaliert ist. Das maximale t/c des Rotorblattprofils ist 14%.
9 zeigt die GAEP für die 12 Fälle, die in 2 gezeigt sind. Die relativen Unterschiede zwischen den Resultaten sind ähnlich wie die bei der Variation des t/c des Rotorblattprofils. Die 10-13 zeigen die GAEP für jede Station mit einer GAEP-Achse, die einer maximalen Differenz von 2% entspricht. Für jede Station verbesserte eine Erhöhung von c₁ die GAEP, und ein Design-Auftriebskoeffizient c₁ von 1.25 wurde als der Punkt für die Verminderung des Rückflusses ermittelt. Die Tendenz von steigender GAEP mit steigendem c₁ kann bis zu dem feststehenden Wert einer laminaren Strömung des Rotorblattprofils verfolgt werden.
14 zeigt die Differenz in dem jährlichen Einkommen für jede Station, wobei ein Preis von $0,05/kWh angenommen wird. Die Differenz ist klein für die Innenstation, und daher ist der Vorteil von der innenseitigen Erhöhung des Design-Auftriebskoeffizienten c₁ durch den Effekt der Verminderung der Flügeltiefe auf die Struktur kontrolliert. Für die Außenstationen ist der Ertrag durch die Erhöhung des Design-Auftriebskoeffizienten c₁ größer.
Die Blattdesigns werden in den 15-23 zusammengefasst. 15 zeigt die prozentualen Unterschiede in der GAEP in Bezug auf den Basislinienfall und den Fall 1b für sechs Fälle des Beispiels. Der Fall 1b ist die Basislinie und er basiert auf einem t/c des Rotorblattprofils und den Verteilungen des Design-Auftriebskoeffizienten c₁ des Z-48 Blatts nach dem Stand der Technik. Eine 0,1%ige Verminderung in der GAEP in 1 hat einen jährlichen Verlust von etwa $367 pro Turbine bei $0,051kWh zur Folge. Wie in 8 gezeigt ist, liefert der Basislinienfall eine erhebliche Energiemenge im Vergleich zu anderen Fällen. Der Basislinienfall ist das Szenario für den besten Fall in Bezug auf die Energieaufnahme, er ist jedoch eines der schlechtesten Designs unter einem Strukturgesichtspunkt. Daher der ist optimale Fall nicht der Basislinienfall, wenn das Ziel darin besteht, strukturelle und aerodynamische Erfordernisse auszubalancieren. Die ähnliche GAEP in jedem dieser Fälle zeigt, dass die Verminderung in der Energieaufnahme aufgrund der Erhöhung des t/c des Rotorblattprofils durch die Erhöhung in der GAEP aus der Erhöhung des Design-Auftriebskoeffizienten c₁ kompensiert wird.
Eine Darstellung der strukturelle Aspekte von jedem Fall ist in den 16 und 18 gezeigt, die die entsprechenden Verteilungen der Flügeltiefe bzw. der physikalischen Dicke zeigen. In allen Fällen sind die Innen-Flügeltiefenlängen groß, was die Kosten für die Blätter erhöht. Folglich ist die Verkürzung der Innen-Flügeltiefenlängen eine attraktive Option. 18 zeigt die Flügeltiefenverteilungen mit und ohne Verkürzung der Innen-Flügeltiefenlängen für die Fälle 1b, 2b und 3b. Die entsprechenden Verteilungen für die physikalische Blattdicke sind in 19 gezeigt. Tc steht für verkürzte Flügeltiefen, und Ta steht für verkürzte Rotorblattprofile. 19 unterstützt klar den strukturellen Vorteil der Verkürzung des Rotorblattprofils, wenn die Flügeltiefe verkürzt ist.
Die Auswirkungen der Verkürzung der Innen-Flügeltiefe auf eine maximale Länge von 2.2 m (oder in diesem Fall 10 % größer als der Nabendurchmesser) in den Fällen 1b, 2b und 3b sind in 20 gezeigt. Es sind Resultate für zwei Szenarios dargestellt. In den Fällen mit der Ausdehnung "Tc22" (maximale Flügeltiefe von 2.2 m) war das Rotorblattprofil an der Wurzel nicht verkürzt, während in den Fällen mit der Ausdehnung "Tc22Ta" ein verkürztes Rotorblattprofil an der Wurzel verwendet wurde. Das Ausmaß der Verkürzung ist direkt proportional zu der Verminderung der Flügeltiefenlänge. Fälle mit einem großen Ausmaß an Verkürzung haben einen größeren Abfall in der GAEP, und eine Verkürzung der Rotorblattprofile verminderte weiterhin die GAEP. Eine Verminderung der Flügeltiefenverkürzung resultiert in einem Abfall in der GAEP von $293-$624 bei $0.05/kWh. Eine Verkürzung des Rotorblattprofils an der Wurzel zusätzlich zu der Flügeltiefe erhöht den jährlichen Verlust an GAEP auf zwischen $2.055 und $3.707. Dieser Ansatz kann jedoch immer noch erwünscht sein auf der Basis der strukturellen Erfordernisse des Anwendungsfalls.
Kleinere Beträge an Innen-Flügeltiefenverkürzung für den Fall 2b sind in 21 ohne Verkürzung des Rotorblattprofils und in 22 mit einer Verkürzung des Rotorblattprofils gezeigt. Die maximalen Flügeltiefenlängen sind 2,4 m, 2,6 m, 2,8 m und 3,0 m. Wie in 21 gezeigt ist, ist die maximale Flügeltiefenlänge von 2,4 m (oder etwa 70% der maximalen Flügeltiefenlänge vor der Verkürzung) der Punkt der Verminderung des Rückflusses. Wenn das Rotorblattprofil an der Wurzel verkürzt wird, ist die optimale Flügeltiefenlängenverkürzung 2,6 m, siehe 22. Es ist zu beachten, dass durch eine Begrenzung der Flügeltiefe auf 2,6 m die gleiche GAEP wie ohne Flügeltiefenverkürzung virtuell erreicht wird.
Diese Testresultate liefern die Kriterien zur Maximierung des Rotorblattprofil-Betriebs, um eine höhere GAEP zu erreichen, während die aerodynamischen Designparameter als ausgeglichen gegenüber strukturellen Erfordernissen in die Betrachtung einbezogen werden. Die Methode der vorliegenden Erfindung gestattet das Design von Rotorblattprofilen mit vorhersehbaren Betriebseigenschaften, während die notwendige strukturelle Integrität erreicht wird.
Als ein Resultat dieses Ansatzes hat sich aus der vorliegenden Erfindung eine Familie von Rotorblattprofilen ergeben, die betriebsmäßige und strukturelle Charakteristiken mit einer erheblich verbesserten Betriebseigenschaft gegenüber früheren Rotorblattprofilen ergeben, die in denselben oder ähnlichen Anwendungsfällen verwendet wurden. Die Familie der Rotorblattprofile umfasst Dicken-zu-Flügeltiefen-Verhältnisse im Bereich von 14% bis 45%. Eine Zusammenschau von allen Rotorblattprofilen, die unter Verwendung dieser Kriterien konfiguriert wurden, ist in 23 gezeigt.
Das erste Rotorblattprofil s9914.dat umfasst ein Verhältnis von Dicke-zu-Flügeltiefe von 14%, wobei das maximale t/c nahe bei 30% Flügeltiefe liegt. Der Design-Auftriebskoeffizient ist 1,10 bis 1,25, wo das maximale Verhältnis von Auftrieb zu Windwiderstand auftritt. Die Design-Reynoldszahl ist 8 Millionen. In dem Betrieb hat dieses Rotorblattprofil relativ weiche Strömungsabrisscharakteristiken gezeigt. Das Rotorblattprofil ist relativ unempfindlich gegenüber Oberflächenabweichungen der maximalen und Design-Auftriebskoeffizienten an der Vorderkante. Dieses Rotorblattprofil kann leicht mit anderen Rotorblattprofilen in der Familie der Rotorblattprofile verschmolzen werden, die entsprechend der vorliegenden Erfindung gemacht wurden.
Ein anderes Rotorblattprofil s9918.dat in dieser Familie umfasst ein Verhältnis von Dicke-zu-Flügeltiefe von 18 %, wobei das maximale t/c nahe bei 30 % Flügeltiefe liegt. Der Design-Auftriebskoeffizient ist 1,10 bis 1,25, wo ein maximales Verhältnis von Auftrieb zu Windwiderstand auftritt. Die Design-Reynoldszahl ist 8 Millionen. Im Betrieb hat dieses Rotorblattprofil relativ weiche Strömungsabrisscharakteristiken gezeigt. Das Rotorblattprofil ist verhältnismäßig unempfindlich gegenüber Oberflächenabweichungen in den maximalen und Design-Auftriebskoeffizienten an der Vorderkante. Dieses Rotorblattprofil kann leicht mit anderen Rotorblattprofilen in der Familie der Rotorblattprofile verschmolzen werden, die entsprechend der vorliegenden Erfindung gemacht wurden.
Ein weiteres Rotorblattprofil s9924.dat umfasst ein Verhältnis von Dicke-zu-Flügeltiefe von 24 %, wobei das maximale t/c nahe bei 30 % Flügeltiefe liegt. Der Design-Auftriebskoeffizient ist 1,20 bis 1,25, wo das maximale Verhältnis von Auftrieb zu Windwiderstand auftritt. Die Design-Reynoldszahl ist 7 Millionen. Im Betrieb hat dieses Rotorblattprofil verhältnismäßig weiche Strömungsabrisscharakteristiken gezeigt. Das Rotorblattprofil ist relativ unempfindlich gegenüber Oberflächenabweichungen der maximalen und Design-Auftriebskoeffizienten an der Vorderkante. Das Rotorblattprofil kann leicht mit anderen Rotorblattprofilen in der Familie der Rotorblattprofile verschmolzen werden, die entsprechend der vorliegenden Erfindung gemacht wurden.
Ein zusätzliches Rotorblattprofil s9927.dat umfasst ein Verhältnis von Dicke-zu-Flügeltiefe von 27%, wobei das maximale t/c nahe bei 30% Flügeltiefe liegt. Der Design-Auftriebskoeffizient ist 1,20 bis 1,30, wo das maximale Verhältnis von Auftrieb zu Windwiderstand auftritt. Die Design-Reynoldszahl ist 5 Millionen. Im Betrieb hat dieses Rotorblattprofil relativ weiche Strömungsabrisscharakteristiken gezeigt. Das Rotorblattprofil ist relativ unempfindlich gegenüber Oberflächenabweichungen der maximalen und Design-Auftriebskoeffizienten an der Vorderkante. Das Rotorblattprofil kann leicht mit anderen Rotorblattprofilen in der Familie der Rotorblattprofile verschmolzen werden, die entsprechend der vorliegenden Erfindung gemacht wurden.
Ein zusätzliches Rotorblattprofil s9930.dat umfasst ein Verhältnis von Dicke-zu-Flügeltiefe von 30%, wobei das maximale t/c nahe bei 20% Flügeltiefe liegt. Der Design-Auftriebskoeffizient ist 1,25 bis 1,45, wo das maximale Verhältnis von Auftrieb zu Windwiderstand auftritt. Die Design-Reynoldszahl ist 4 Millionen. Im Betrieb hat dieses Rotorblattprofil relativ weiche Strömungsabrisscharakteristiken gezeigt. Das Rotorblattprofil ist relativ unempfindlich gegenüber Oberflächenabweichungen der maximalen und Design-Auftriebskoeffizienten an der Vorderkante. Das Rotorblattprofil kann leicht mit anderen Rotorblattprofilen in der Familie der Rotorblattprofile verschmolzen werden, die entsprechend der vorliegenden Erfindung gemacht wurden.
Ein zusätzliches Rotorblattprofil s9945.dat umfasst ein Verhältnis von Dicke-zu-Flügeltiefe von 45%, wobei das maximale t/c nahe bei 30% Flügeltiefe liegt. Der Design-Auftriebskoeffizient ist 1,25, wo das maximale Verhältnis von Auftrieb zu Windwiderstand auftritt. Die Design-Reynoldszahl ist 3 Millionen. Im Betrieb hat dieses Rotorblattprofil relativ weiche Strömungsabrisscharakteristiken gezeigt. Das Rotorblattprofil ist relativ unempfindlich gegenüber Oberflächenabweichungen der maximalen und Design-Auftriebskoeffizienten an der Vorderkante. Das Rotorblattprofil kann leicht mit anderen Rotorblattprofilen in der Familie der Rotorblattprofile verschmolzen werden, die entsprechend der vorliegenden Erfindung gemacht wurden.
Diese Rotorblattprofile bilden eine Familie, die physikalisch in eine glatte Rotorblattoberfläche verschmolzen werden können. Das dickste Rotorblattprofil (45%) kann in gewissen Anwendungsfällen ein verkürztes Rotorblattprofil sein. Das primäre Rotorblattprofil (18%) und das eine dicke Spitze aufweisende Rotorblattprofil (14%) haben eine erhöhte laminare Strömung. Dadurch wird ein weicher Strömungsabriss begünstigt, was mehr erwünscht ist. Dies führt auch zu einer verbesserten Rotorarbeitsweise. Geräuschentwicklung wurde auch bei dem Design der Rotorprofilspitze in Erwägung gezogen. Es ist wahrscheinlich, dass bei einem Rotorblattprofil mit hoher Achtern-Belastung (großer unterer Ausströmungsraum-Achtern) eine erhöhte Unstetigkeit in der Wirbelschleppe des Rotorblattprofils einhergeht, was erhöhte Geräuschentwicklung erzeugt. Daher ist das Rotorblattprofil an der Spitze ohne Achtern-Belastung auf die Hinterkante ausgelegt. Es ist weniger wahrscheinlich, dass die Wirbelstromschleppe unstetig wird, und folglich führt dies zu einem leiseren Betrieb des Blatts.
In Bezug auf Innen-Rotorblattprofile im Wurzelbereich wurde mehr Gewicht darauf gelegt, einen befriedigenden Auftrieb statt einem geringen Luftwiderstand zu erhalten. Diese Zielsetzung leitet sich von einer Studie der Torsionsverteilung für den Wurzelbereich des Blattes her. Zur Energieproduktion sollte größeren Wert auf den Auftrieb statt auf das Verhältnis von Auftrieb-zu-Windwiderstand gelegt werden. Für solche dicken Rotorblattprofile war es die Herausforderung, übermäßige Verluste durch Unebenheit zu vermeiden. Zwei Ansätze wurden daher gemacht: (1) Nur eine kurze Strecke laminarer Strömung wurde zugelassen, und (2) die Druckverteilungen an der Saugoberfläche wurden nicht bis zu einem begrenzenden, extremen Wert vorgetrieben. Um diese vorteilhafte Druckverteilung an der oberen Oberfläche beizubehalten und auch um einen hohen Auftrieb zu erreichen, weist jedoch die untere Oberfläche des 30% dicken Rotorblattprofils einen erheblichen Unterströmungsraum auf. Bei dem Design des 45% dicken Rotorblattprofils werden die Druckverteilungen sowohl an der oberen Oberfläche als auch an der unteren Oberfläche extremer, und die Betriebsweise wird weiter als erwartet eingeschränkt, insbesondere unter rauen Bedingungen.
Ein vorläufig 45% dickes Rotorblattprofil umfasste eine 9%ige Hinterkantendicke, um die starke Druckerholung auf der oberen Oberfläche zu erleichtern, die allein eine Konsequenz der hohen Dicke ist. Die dünnere hintere Kante von 1,2 % wird in dem endgültigen Design aufgrund von Herstellungserwägungen verwendet. Ein Merkmal, das in diese Rotorblattprofile eingeführt wird, sind die stumpfen Vorderkanten, die zu einem vorteilhafteren Start-Drehmoment führen sollten, wenn die Rotorblattprofile bei oder nahe bei 90% arbeiten.
Während gewisse Merkmale und Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail hier beschrieben worden sind, ist zu verstehen, dass die Erfindung alle Verbesserungen, Modifikationen und Fortschritte umfasst innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche.

Claims

Rotorblattprofil für eine Windenergieanlage, wobei das Rotorblatt eine Nabe, eine äußere Spitze und eine Innen-Flügeltiefe an der Nabe, eine Außen-Flügeltiefe an der Spitze und eine dazwischen liegende Flügeltiefe im Bereich von 0 % bis 100 % gemessen an der Nabe hat, wobei eine Dicke als das Verhältnis zwischen der Dicke und der Flügeltiefe an einer spezifischen Flügeltiefenstelle gemessen wird, wobei das Rotorblattprofil umfasst: a) einen Design-Auftriebskoeffizienten in dem Bereich von 1,10-1,40, und b) eine Design-Reynoldszahl in dem Bereich von 3 Millionen bis 8 Millionen hat, gekennzeichnet durch ein Verhältnis von Dicke zu Flügeltiefe im Bereich von 14 % bis 45 % bei etwa 30 % Flügeltiefe.
Rotorblattprofil nach Anspruch 1, ferner umfassend eine stumpfe Stirnkante.
Rotorblattprofil nach Anspruch 1, ferner umfassend eine verkürzte Innen-Flügeltiefe, die etwa 70 % der Flügeltiefe vor der Verkürzung ist.
Rotorblattprofil nach Anspruch 1, ferner umfassend eine verkürzte Innen-Flügeltiefe, die etwa 10 % größer ist als der Nabendurchmesser.
Rotorblattprofil nach Anspruch 1, worin ein 50 % dickes Rotorblattprofil eine annäherungsweise 9 %-ige Dicke an der nachlaufenden Kante hat.
Rotorblattprofil nach Anspruch 1, worin ein 45 %-iges Rotorblattprofil eine etwa 1,2 % Dicke nachlaufende Kante hat.
Rotorblattprofil nach Anspruch 1, umfassend: a. ein Verhältnis von Dicke zu Flügeltiefe im Bereich von etwa 14 % bei etwa 30 % Flügeltiefe; b. einen Design-Auftriebskoeffizienten im Bereich von 1,10-1,25; und c. eine Design-Reynoldszahl von etwa 8 Millionen.
Rotorblattprofil nach Anspruch 1, umfassend: a. ein Verhältnis von Dicke zu Flügeltiefe im Bereich von etwa 18 % bei etwa 30 % Flügeltiefe. b. einen Design-Auftriebskoeffizienten im Bereich von 1,10 -1,25; und c. eine Design-Reynoldszahl von etwa 8 Millionen.
Rotorblattprofil nach Anspruch 1 umfassend: a. ein Verhältnis von Dicke zu Flügeltiefe im Bereich von etwa 24 % bei etwa 30 % Flügeltiefe; b. einen Design-Auftriebskoeffizienten im Bereich von 1,20 und 1,25; und c. eine Design-Reynoldszahl von etwa 7 Millionen.
Rotorblattprofil nach Anspruch 1, umfassend: a. ein Verhältnis von Dicke zu Flügeltiefe im Bereich von etwa 27 % bei etwa 30 % Flügeltiefe; b. einen Design-Auftriebskoeffizienten im Bereich von 1,20 und 1,30; und c. eine Design-Reynoldszahl von etwa 5 Millionen.
Rotorblattprofil nach Anspruch 1, umfassend: a. ein Verhältnis von Dicke zu Flügeltiefe im Bereich von etwa 30 % bei etwa 30 % Flügeltiefe; b. einen Design-Auftriebskoeffizienten im Bereich von 1,25 und 1,40; und c. eine Design-Reynoldszahl von etwa 4 Millionen.
Rotorblattprofil nach Anspruch 1, umfassend: a. ein Verhältnis von Dicke zu Flügeltiefe im Bereich von etwa 45 % bei etwa 30 % Flügeltiefe; b. einen Design-Auftriebskoeffizienten im Bereich von etwa 2,50; und c. eine Design-Reynoldszahl von etwa 3 Millionen.
Eine Familie von Rotorblattprofllen für eine Windenergieanlage, umfassend: a. ein erstes Rotorblattprofil gemäß Anspruch 1 und b. ein letztes Rotorblattprofil mit einem Verhältnis von Dicke zu Flügeltiefe von etwa 45 % bei etwa 20 % Flügeltiefe, einem Design-Auftriebskoeffizienten von etwa 1,25 und einer Design-Reynoldszahl von etwa 3 Millionen.
Die Familie von Rotorblattprofilen nach Anspruch 13, ferner umfassend wenigstens ein zwischen dem ersten und dem letzten Rotorblattprofil dazwischenliegendes Rotorblattprofil, wobei das dazwischenliegende Rotorblattprofil umfasst: a. ein Verhältnis von Dicke zu Flügeltiefe im Bereich größer als 14 % und kleiner als 45 %; b. einen Design-Auftriebskoeffizienten größer als 1,10, jedoch nicht überschreitend 1,25; c. eine Design-Reynoldszahl größer als 3 Millionen jedoch nicht überschreitend 8 Millionen.