DE19738278A1

DE19738278A1 - Adaptiver Rotor für Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE19738278A1
Application number: DE19738278A
Authority: DE
Inventors: Felix Hafner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-09-02
Filing date: 1997-09-02
Publication date: 1999-03-04

Description

Die Erfindung betrifft den Rotor für eine Windkraftanlage.

Mit windelektrischen Anlagen stehen heute bereits hinsichtlich des technologischen Entwicklungsstandes, der Leistungsklassen und akzeptablen Energiegestehungskosten umweltfreundliche und wirtschaftliche Wandlersysteme zur Verfügung. Fraglos wird die Verwertung von Windkraft zur Energiegewinnung als eine der un verbrauchbaren Energieressourcen ohne Freisetzung jeglicher Art von Schadstoffen und ohne schädigende Einwirkungen auf das Kli ma akzeptiert.

Trotz unbestreitbarer Erfolge der Windkraftindustrie in den vergangenen Jahren ist Ernüchterung eingetreten. Gegenüber den meisten Windkraftanlagen kommt es in letzter Zeit zu wachsendem Widerstand von Bürgerinitiativen und Umweltschützern. Der Wi derstand richtet sich gegen das Erscheinungsbild, d. h. auf das konkrete Aussehen und die Betriebsgeräusche der Windkraftanla gen.

Die Geräuschentwicklung an den Rotorblättern und am Getriebe empfinden Anwohner als unzumutbare Belästigung. Der Rotor einer Windkraftanlage bildet in der Landschaft einen scharfen, als unpassend empfundenen Akzent. Es handelt sich um harte, spitz zulaufende, blendend weiß oder hellgrau gehaltene Radialformen. Der von der Bewegung des Rotors ausgehende Schlagschatten wird, je nach Sonneneinstrahlung, zum Ärgernis, sobald er auf benach barte Gebäude fällt.

Aus klima- und energiepolitischer Sicht kann aber langfristig nicht auf diese umweltfreundliche Energienutzung verzichtet werden. Ausgereifte Anlagen mit strömungstechnisch optimierten Rotoren in einem ästhetisch ansprechenden Design könnten die Einsatzbreite im Inland, insbesondere in Schwachwindregionen wesentlich erweitern und die Akzeptanz solcher Anlagen durch die Bevölkerung deutlich steigern.

Voraussetzung ist jedoch die Entwicklung innovativer Rotorblät ter, die ein besseres Stabilitätsverhalten, geringere Verfor mungen, hohe Wirkungsgrade in einem breiten Betriebsspektrum und stark reduzierte Geräuschentwicklung aufweisen. Die größten Lärmquellen am Rotor sind: Turbulenzlärm, Blatthinterkantenlärm und Blattspitzenlärm. Die aeroakustische und strömungstechni sche Optimierung bedingen, daß die Rotorblattform individuell an die jeweilige Baugröße und an die Entwurfsdrehzahl angepaßt (adaptiert) werden muß.

Obwohl bisher viele Erfahrungen des Flugzeugbaues bei der Ro torentwicklung nutzbar gemacht werden konnten, sind die Rotor blätter immer noch viel zu robust und damit zu schwer und zu teuer gebaut. Zudem berücksichtigen die konventionellen Rotor blattformen die unterschiedlichen Baugrößen und Strömungsver hältnisse viel zu wenig. So besteht bei den heutigen Windkraft anlagen grundsätzlich kein Unterschied zwischen den kleinen, schnell laufenden Rotoren und den großen, langsam drehenden Ro toren. Sie sind weitgehend geometrisch ähnlich.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, durch Kombination von Form- und Funktionselementen eine ästhetisch ansprechende Rotorform bei gleichzeitiger aeroakustischer und strömungstechnischer Optimierung, stark reduzierter Lärmab strahlung und Steigerung der Wirtschaftlichkeit bereitzustel len. Dabei soll die Gestaltung des Rotors stets einen harmoni schen, fließenden Bewegungsablauf erzeugen, der die Akzeptanz des Betrachters steigert.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Rotor vor geschlagen, der versehen ist mit

- einem zentralen Mittelteil, das in der horizontalen Dreh achse des Rotors angeordnet ist und mit
- mehreren von dem Mittelteil in radialer Richtung aus gehen den Rotorblättern, vorzugsweise drei Rotorblättern.

Der erfindungsgemäße Rotor besteht aus einem Mittelteil und den Rotorblättern. Die Rotorblätter sind in ihrer Form durch ein innenliegendes und ein außenliegendes Ende und zwei Seitenrän der definiert und starr oder drehbar gelagert mit dem Mittel teil verbunden. Das Rotorblatt hat eine Mittelachse in Blatt längsrichtung, verlaufend zwischen Zentrum und dem Außenrand der vom Rotor überstrichenen Fläche.

Das erfindungsgemäße Rotorblatt weist ein Tragflächenprofil auf. Die Geometrie ist bestimmt von einer mittleren Rotorblatt längsachse und einer Rotorblattskelettlinie, die äquidistant zu den Quer- und Längskonturlinien verlaufen.

Die Mittelachse des Rotorblattes ist aus Geraden oder Bogenab schnitten zusammengesetzt. Die Mittelachse ist eine Kombination von Bögen und ggf. einem geraden Abschnitt, wobei die Krümmung sowohl konkav und/oder konvex verlaufen kann. Je nach den kon struktiven Vorgaben, insbesondere Drehzahl und Rotordurchmes ser, kann die Blattlängsachse an die jeweiligen Strömungsbedin gungen adaptiert werden. Die optimale Formgebung des Rotorblat tes ist erstmalig baugrößen- und drehzahlabhängig.

Die Rotorblätter verfügen am Mittelteil über ihre größte Brei te. Die Rotorblätter und das Mittelteil bilden eine Einheit und können das Windfeld innerhalb der vom Rotor überstrichenen Flä che vollständig nutzen. Die bisher übliche Nabenkonstruktion und Einschnürung der Rotorblätter zur Nabe entfällt. Durch das Ausnutzen des Rotorinnenbereiches verbessert sich der Rotorlei stungsbeiwert.

Durch die gekrümmt verlaufende Ausbildung des Rotorblattes er gibt sich eine größere Streckung des Rotorblattes als beim her kömmlichen Rotorblatt, dessen Mittelachse zwischen Nabe und Au ßenrand der Rotorfläche stets linear verläuft. Größere Streckung, d. h. größere Spannweite bei vorgegebenem Rotordurchmes ser, senkt den Luftwiderstand und verbessert den Wirkungsgrad.

Turbulenzen um den Rotor verschlingen bekannterweise einen Großteil der verfügbaren Energie und produzieren unerwünschte Geräusche. Besonders lästig sind die Pfeifgeräusche an den Blattenden.

Die individuell an die Baugröße und Drehzahl angepaßte (adaptierte) Ausbildung der Rotorblattlängsachse reduziert die Geräuschbildung und die hochfrequenten Ablöseerscheinungen am Blattende. Durch die variierte, zum äußeren Rand kontinuierlich abnehmende Blattbreite und durch die gekrümmte hintere Blatt kante erfolgt eine zeitlich versetzte Wirbelablösung der Luft strömung. Da die Wirbel kleiner sind und sich teilweise aufhe ben, kommt es zu deutlich geringerer Lärmentwicklung und zum Abbau des Schalldruckes.

Die Ursache liegt in der Bildung vieler kleiner, sich gegensei tig störender und interferierender Turbulenzen, die aufgrund der Rotorblattgeometrie zwangsweise radial gegeneinander ge führt werden.

Dieser Effekt wird verstärkt, wenn die Rotorlängsachse insge samt gekrümmt verläuft. Damit ist die Hinterkante in der Ab wicklung wesentlich kürzer als die Blattvorderkante. Es ergibt sich eine konvex verlaufende Blattvorderkante.

Erstaunlicherweise wird ebenfalls eine Geräuschminderung er reicht, wenn die Hinterkante des Rotorblattes länger ist als die Blattvorderkante. Statt der fokussierenden Wirkung werden in diesem Fall die Ablösungen gestreut, erfolgen zeitlich ver setzt und bilden ein breites, aber schwächeres Turbulenzfeld. Das Ergebnis führt ebenfalls zu einer Geräuschminderung und da mit zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades.

Ferner bewirkt die zum Rotoraußenrand abnehmende Blattbreite, zusammen mit dem Effekt der größeren Streckung, eine Verminde rung der Bildung sekundärer Wirbel und verringert den induzier ten Widerstand.

Interessanterweise kann das Turbulenzverhalten und die Ge räuschentwicklung am Rotorblatt grundsätzlich in zwei Wirkzonen aufgeteilt werden. Bezogen auf den Radius der vom Rotor über strichenen Fläche bildet sich eine Innenfläche A_i heraus, deren Radius R_i sich von der Rotorachse bis vorzugsweise auf 0,75.R_Rotor erstreckt und eine zweite überstrichene ringförmige Außen fläche A_a. Der Radius R_a = (R_Rotor - R_i) ergibt aus dem vom Rand der Innenfläche bis zum Rand der vollen Rotorfläche verlaufen den Abstand.

Für alle Baugrößen des Rotorblattes kann durch eine gekrümmte, Ausbildung des äußeren Blattbereiches eine deutliche Reduzie rung der Pfeifgeräusche erreicht werden. Das Phänomen tritt auf, unabhängig davon, ob die Krümmung der Blattvorderkante konvex oder konkav ausgebildet wird.

Eine zusätzliche Reduzierung der Pfeifgeräusche kann durch die Anordnung sog. Diffusoren erreicht werden. Auf dem hinteren Randstreifen des als Tragflächenprofil ausgebildeten Rotorblat tes werden kleine Erhebungen (Noppen) angeordnet, um die Luft strömung auf der gerundeten Tragflächenoberseite nach dem Um schlag von laminar in turbulent durch zusätzlichen Turbu lenzeintrag diffus abzuleiten. Die Luft strömt so wesentlich leiser ab, der Schalldruck reduziert sich. Vorzugsweise soll die Anordnung der Noppen in der Blattendzone vorgesehen werden, da dort die höchsten Umfanggeschwindigkeiten und hochfrequente Ablösungen auftreten.

Eine weitere Möglichkeit besteht, den Effekt der diffusen Luftabströmung zu verstärken, indem statt der Noppen auf dem hinteren Randstreifen linsen-, rauten- oder rillenförmige Ein tiefungen als linienförmige Strukturelemente vorgesehen werden.

Ein Vorteil der verstärkt diffusen Luftabströmung ergibt sich durch die geringere Schwingungsanfachung des Rotorblattes und durch Vermeidung des Infraschalles. Die nachteiligen Wechsel wirkungen zwischen Mast und durchlaufendem Rotorblatt können durch den Einsatz der Diffusoren weitgehend abgebaut werden.

Eine weitere Variante zur Beeinflussung betriebsbedingter Lärm entwicklung und Pfeifgeräuschen wird möglich, indem die Spitze des Rotorblattes, vorzugsweise 10 bis 25% der Rotorblattlänge, geschwenkt werden kann. Damit verkürzt sich der Rotorradius und die Umlaufgeschwindigkeit der Blattspitze nimmt ab. Das verän derte Strömungsverhalten mindert ebenfalls die Geräuschentwick lung.

Die Anpassung des Rotorradius an herrschende Windgeschwindig keiten vergrößert das Arbeitsspektrum der Windkraftanlage im Normalbetrieb.

Bei extremen Windverhältnissen kann durch das Schwenken des Blattendes die angeströmte Rotorfläche reduziert und die Si cherheit verbessert werden.

Das optische Nachlaufen der Blattspitze steigert für den Be trachter den Eindruck eines harmonischen Bewegungsablaufes.

Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 die Vorderansicht einer Windkraftanlage, bestehend aus dem Mast und dem Rotor,

Fig. 2 ein Rotorblatt mit einer aus zwei gleichgerichteten Kreisbögen zusammengesetzten Blattlängsachse,

Fig. 3 ein Rotorblatt mit einer aus zwei gegenläufig gerichte ten Kreisbögen zusammengesetzten Blattlängsachse,

Fig. 4 ein Rotorblatt mit einer aus einem geraden Abschnitt und einem Kreisbogenabschnitt zusammengesetzten Rotor blattlängsachse,

Fig. 5 die Anordnung von Diffusoren auf der Hinterkante des Rotorblattes in Form von Einzelerhebungen,

Fig. 6 die Anordnung von Diffusoren auf der Hinterkante des Rotorblattes in Form eines linienförmigen, durchlaufen den Strukturelementes,

Fig. 7 die Anordnung von Diffusoren auf der Hinterkante des Rotorblattes in Form von Einzelvertiefungen,

Fig. 8 den gelenkig gelagerten Endabschnitt des Rotorblattes in Normalposition, radial ausgerichtet,

Fig. 9 den gelenkig gelagerten Endabschnitt des Rotorblattes in ausgelenkter Position.

In Fig. 1 ist eine Windkraftanlage 22 dargestellt, die aus ei nem Mast 23 und einem am oberen Ende drehbar gelagerten Rotor 21 besteht. Der Rotor verfügt über eine Drehachse 10, die fest mit dem Mittelteil des Rotors 1 verbunden ist. Vom Mittelteil 1 erstrecken sich drei Rotorblätter 2, je um 120° versetzt. Das Rotorblatt 2 verfügt über eine Längsachse 7, die sich in zwei Abschnitte einteilen läßt: Den innenliegenden Achsabschnitt 14, der sich vorzugsweise vom Mittelteil 1 bis auf 0,75 R erstreckt und die innere Rotationsfläche 8 bildet sowie dem äußeren Achs abschnitt 12 zwischen 0,75 R bis zum vollen Rotorradius R, mit dem sich die außenliegende Rotationsfläche 9 ergibt.

Die Rotorblätter 2 haben am Mittelteil 1 die größte Breite. Das innenliegende Blattende 6 ist als 120°-Winkel ausgebildet. Die drei Rotorblätter 2 und das Mittelteil 1 bilden eine Einheit. Die Befestigung kann fest verbunden oder drehbar ausgeführt werden. Diese Konstruktion ermöglicht die optimale Nutzung des Strömungsfeldes in der gesamten vom Rotor 21 überstrichenen Fläche.

Je nach Baugröße der Windkraftanlage kann durch Kombination der Form der innen- und außenliegenden Achsabschnitte, 14 bzw. 12, die gesamte Rotorlängsachse 7 der Rotorblätter 21 an die ent wurfsbestimmenden Kenngrößen, insbesondere Drehzahl und Rotor radius, angepaßt werden, um die Anforderungen an optimale Be triebsbedingungen, hohen Wirkungsgrad, Geräuscharmut und Ästhe tik, z. B. einen harmonischen und fließenden Bewegungsablauf des Rotors zu erfüllen.

Die konventionellen Rotorblattformen, überwiegend trapezförmi ge, radiale Konstruktionen, sind sowohl bei kleinen, schnell laufenden Windkraftanlagen als auch bei großen Anlagen mit ge ringer Drehzahl geometrisch gleich.

Erstmalig eröffnen die in Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 dargestell ten adaptiven Rotorblattformen die Möglichkeit zur Anpassung an die o.g. Kenngrößen. Die bevorzugte Anwendung für Fig. 2 gilt für Anlagen mit dem Rotorradius 7 bis 8,0 m und einer Drehzahl < 60 min^-1.

Für Fig. 3 ergibt sich ein Einsatzbereich für Rotoren 21 mit einem Radius zwischen 8 m und 15 in und Drehzahlen von 25 bis 60 min^-1. Die Krümmung des innenliegenden Achsabschnittes 13 und des außenliegenden Abschnittes 12 sind gegenläufig, der Wende punkt befindet sich bevorzugt bei 0,75 R. Der Übergang zwischen den Achsabschnitten 13 und 12 erfolgt tangential.

Für Fig. 4 ergibt sich ein optimaler Einsatzbereich der Rotor blätter 2 mit einem Radius < 15 m und Drehzahlen < 25 min^-1.

In der außenliegenden Wirkfläche 9 der Drehebene 24 entstehen die größten Geräuschentwicklungen. Zur Senkung des Schalldruckes wird die Längsachse 12 des äußeren Blattabschnittes 26 ge krümmt ausgebildet. Um eine weitere Reduzierung der Geräusche zu erreichen, werden auf der Profiloberseite 27 (Fig. 5), an der Blatthinterkante 5 sog. Diffusoren 15 vorgesehen. Diese Störkörper sind einzelne Erhebungen, die die turbulente Strö mung beeinflussen.

Fig. 6 stellt eine Variante dar. Der Diffusor 16 ist als durch laufendes, aufgeprägtes Strukturelement ebenfalls geeignet, auf die Strömung vorteilhaft geräuschdämpfend einzuwirken.

Auch als Einzelelement in Form einer Vertiefung 17 sind Diffu soren geeignet, wie z. B. in Fig. 7 dargestellt, oder in Kombi nation von 15, 16 und 17, die Geräuschentstehung nachhaltig zu dämpfen.

Wie in Fig. 8 und 9 verdeutlicht, kann ein schwenkbares Ende des Rotorblattes 18 den Arbeitsbereich der Windkraftanlage 22 wesentlich erweitern. Bei geringeren Windgeschwindigkeiten läßt sich der Rotorradius 7 vergrößern, um das Winddargebot besser zu nutzen. Bei hohen Windgeschwindigkeiten und großen Rotor drehzahlen kann die Rotationsfläche 24 durch Schwenken des Ro torendes 18 verkleinert werden. Gleichzeitig verringert sich die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors 21. Das Rotorende 18 ist mit einem Drehgelenk 20 und einem Hydraulikzylinder 19 verse hen. Das Schwenken des Rotorendes reduziert vorteilhaft die Ge räuschentwicklung.

Claims

1. Der Rotor (21) für eine Windkraftanlage (22)

- mit einem zentralen Mittelteil (1) mit horizontaler Achse (10) und
- mit mehreren, am Mittelteil (1) befestigten Rotorblättern mit Tragflächenprofil (2), deren Längserstreckung von dem innenliegenden Blattende (6) und einem außen liegenden Ende (3) und deren Breite durch die Seitenränder (4, 5) begrenzt ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß
- jedes Rotorblatt (2) mit dem Mittelteil (1) verbunden ist,
- jedes Rotorblatt (2) eine Blattlängsachse (7) aufweist, die
- sich aus gekrümmten (11, 12, 13) oder gekrümmten (12) und geraden (14) Achsabschnitten zusammensetzt,
- die Seitenränder (4, 5) gekrümmt verlaufen,
- die Breite des Rotorblattes (2), ausgehend vom Mittelteil (1) bis zum Außenrand (3), kontinuierlich abnimmt.

2. Rotor (21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rotorblattlängsachse (7) aus einem oder mehreren gekrümmten oder geraden und gekrümmten Abschnitten zusam mensetzt.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß sich Rotorblattlängsachse (7) in einen innenliegenden Achs abschnitt (14) zwischen der Rotorachse (10) und dem vor zugsweise 0,75-fachen des Rotorradius R sowie in einen au ßenliegenden Achsabschnitt (12) zwischen dem 0,75-fachen und dem Rotorradius R unterteilt.

4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß sich der innenliegende Abschnitt (11) der Längsachse (7) aus einem Bogenstück mit einem Radius von vorzugsweise 2 R und der außenliegende Abschnitt der Längs achse (12) aus einem Bogen vorzugsweise mit einem Radius von 0,5 R gebildet wird. Der Übergang der Kreisbögen (11 und 12) erfolgt tangential.

5. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der innenliegenden Rotorlängsachse (13) gegenläu fig zur Krümmung der außenliegenden Längsachse (12) ange ordnet ist. Der Übergang beider Krümmungsradien verläuft tangential.

6. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Radius des innenliegenden Achsabschnittes (14) der Rotorblattlängsachse R = ∞ wird und somit einer Geraden entspricht.

7. Der Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die gekrümmt verlaufenden Abschnitte der Ro torblattlängsachse (11, 12, 13) bei gleicher Drehrichtung des Rotors (20) geometrisch entgegengesetzt, d. h. in Längsrich tung gespiegelt, angeordnet werden können.

8. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß im Bereich der Blatthinterkante (5) des Rotorblattes (2), vorzugsweise im außenliegenden Rotor blattabschnitt (26) auf der Oberseite des Tragflächenpro fils (27), sog. Diffusoren (15) als punktförmige Erhebungen angeordnet sind.

9. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß im Bereich der Blatthinterkante (5) des Rotorblattes (2), vorzugsweise im außenliegenden Rotor blattabschnitt (26) auf der Oberseite des Tragflächenpro fils (27), sog. Diffusoren (16) als linienförmige Struktur elemente angeordnet sind.

10. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß im Bereich der Blatthinterkante (5) des Rotorblattes (2), vorzugsweise im außenliegenden Rotor blattabschnitt (26) auf der Oberseite des Tragflächenpro fils, sog. Diffusoren (17) als punktförmige Vertiefungen angeordnet sind.

11. Rotorblatt (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß sich der außenliegende Blattabschnitt (18) in der Drehebene (24) des Rotors (21) ganz oder teil weise verstellen läßt, wobei im Bereich der Blatthinterkan te (5) ein Drehgelenk (20) und im vorderen Blattbereich ein Hydraulikzylinder (19) angeordnet ist.

12. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch ge kennzeichnet, daß sich der außenliegende Rotorblattab schnitt (18) in der Drehebene (24) des Rotors (21) ganz oder teilweise verstellen läßt, wobei im Bereich der Blatt hinterkante (5) ein Drehgelenk (20) und im vorderen Blatt bereich ein Federelement (19) angeordnet ist.