DE29721501U1 - Rotor für eine Windkraftanlage - Google Patents

Description

Rotor für eine Windkraftanlage

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Windkraftanlage sowie eine Windkraftanlage mit mindestens einem derartigen Rotor.

Windkraft nicht verzichtet werden. Inzwischen werden auch sogenannte Schwachwindgebiete im Inland für diese Ressourcen erschlossen. Technisch ausgereifte Anlagen mit geringerer Beeinträchtigung der Umwelt in einem ästhetisch ansprechenden Design könnten die Einsatzbreite dieser Energiegewinnung erweitern, indem auch die Akzeptanz solcher Anlagen in der Öffentlichkeit erreicht wird. Somit käme einer verbesserten Anlage neben reinen zweckorientierten technischen Ausrichtungen der gestalterischen Komponenten auch eine starke Bedeutung zu. Voraussetzung jedoch ist es, Rotorblätter bzw. Rotoren zu entwickeln, die bessere Stabilitätsverhalten, geringere Schwingungen, erhöhte Wirkungsgrade und verminderte Geräuschentwicklungen aufweisen und darüber hinaus eine variable ästhetische Gestaltung erlauben, so daß beispielsweise mit einer Reduzierung des Schlagschatteneffekts ("Disco-Effekt"), der abhängig vom Sonnenstand und der Winkelung der Rotorblätter ist, akzeptablere Anlagen erzielt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine Windkraftanlage zu schaffen, der bei hohem Wirkungsgrad eine geringe Geräuschentwicklung aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Rotor für eine Windkraftanlage vorgeschlagen, der versehen ist mit
- einem zentralen Mittelteil, das konzentrisch zur Drehachse angeordnet ist, und

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mehreren von dem Mittelteil abstehenden Rotorblättern, deren Längserstreckung durch ein innenliegendes Ende und ein außenliegendes Ende und deren Breitenerstreckung durch zwei Seitenränder begrenzt ist,

wobei jedes Rotorblatt an seinem innenliegenden Ende insbesondere fest mit dem Mittelteil verbunden ist,
jedes Rotorblatt gekrümmt ist und einen kontinuierlich konvex gekrümmt sowie einen kontinuierlich konkav gekrümmt verlaufenden Seitenrand aufweist,

jedes Rotorblatt ausgehend von seinem innenliegenden Ende bis zu seinem außenliegenden Ende eine kontinuierlich abnehmende Breite aufweist und

die Seitenränder jedes Rotorblatts an dessen innenliegendem Ende derart verlaufen, daß sie tangential in eine konzentrisch zur Drehachse verlaufende gedachte Kreislinie übergehen.

Der erfindungsgemäße Rotor weist ein zentrales Mittelteil auf, von dem sich aus einzelne Rotorblätter radial erstrecken. Das Mittelteil ist konzentrisch zur Drehachse angeordnet. Die Längserstreckung der Rotorblätter ist durch innenliegende und außenliegende Enden begrenzt, während Seitenränder der Rotorblätter die Breitenerstreckung definieren. Die Rotorblattflachen sind also durch die innen- und außenliegenden Enden sowie die Seitenränder definiert.

Bei dem erfindungsgemäßen Rotor sind die Rotorblätter an ihren innenliegenden Enden vorzugsweise fest mit dem Mittelteil verbunden. Darüber hinaus ist jedes Rotorblatt gekrümmt, und zwar vorzugsweise derart, daß die Krümmungsrichtung der Rotorblätter und die Rotationsrichtung des Rotors entgegengesetzt zueinander sind. Ferner weist jedes Rotorblatt ausgehend von seinem innenliegenden Ende bis zu seinem außenliegenden Ende eine kontinuierlich sich verringernde Breite auf, indem der eine

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Seitenrand des Rotorblatts kontinuierlich konvex gekrümmt ist und der andere Seitenrand kontinuierlich konkav gekrümmt verläuft. Der übergang der Rotorblätter zum Mittelteil ist derart ausgestattet, daß die Seitenränder jedes Rotorblatts an dessen innenliegenden Ende tangential in eine konzentrisch zur Drehachse verlaufende gedachte Kreislinie übergehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Rotor ist jedes Rotorblatt an seinem innenliegenden Ende über die gesamte Breitenerstreckung des innenliegenden Endes mit dem Mittelteil verbunden. Ferner sind die Rotorblätter gekrümmt,so daß sich in Draufsicht eine sichelartige Struktur ergibt. Durch diese beiden Konstruktionsmerkmale wird die Rotorblattfläche im Verhältnis zum Radius verlängert, d.h. die Streckung {aspect ratio) vergrößert. Die Rotorblätter des erfindungsgemäßen Rotors weisen also infolge ihrer Krümmung eine größere Streckung auf als geradlinig radial verlaufende Rotorblätter (bei gleichbleibendem Radius des Rotors). Durch diese Vergrößerung der Streckung verringert sich der induzierte Widerstand des Rotors, was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades führt. Durch die Sichelform lassen sich ferner die Geräuschentwicklungen reduzieren. Ferner wird durch die bis zur Verbindung der Rotorblätter mit dem Mittelteil sich vergrößernde Breite der Rotorblätter das Windfeld, dem der Rotor ausgesetzt ist, optimal ausgenutzt, da die Windkraft auch im mittelteilnahen Bereich des Rotors zur Rotation desselben ausgenutzt werden kann.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der in Rotationsrxchtung betrachtet vordere, d.h. der in Rotationsrichtung weisende Seitenrand der Rotorblätter konvex gekrümmt ist, während der in Rotationsrichtung betrachtet hintere, also der entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Rotors weisende Seitenrand konkav gekrümmt ist.

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Für das Verhältnis aus dem Krümmungsradius jedes Rotorblatts und dem Radius des Rotors gilt, daß dieses Verhältnis zwischen etwa 0,7 bis 2,5 und vorzugsweise zwischen 0,8 und 2 liegt. Insbesondere wird für dieses Verhältnis ein Wert gewählt, der zwischen 0,9 und 1,2 liegt. Mit anderen Worten ist es besonders günstig, den Krümmungsradius der Rotorblätter im wesentlichen gleich bzw. geringfügig kleiner als den Radius des Rotors zu wählen.

Zweckmäßigerweise sind die Rotorblätter und das Mittelteil des Rotors einstöckig miteinander ausgebildet. Bei dem erfindungsgemäßen Rotor kann nämlich in vorteilhafter Weise auf eine Verdrehung der Rotorblätter verzichtet werden, so daß die Verbindung zwischen den Rotorblättern und dem Mittelteil insoweit starr ausgeführt sein kann.

Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Rotor mit drei Rotorblättern versehen, die um jeweils 120° gegeneinander versetzt um das Mittelteil herum angeordnet sind und von diesem abstehen. Dabei kreuzen bzw. überschneiden sich die gegenüberliegenden konvex und konkav gekrümmten Seitenränder jeweils zweier benachbarter Rotorblätter (bei Betrachtung in Draufsicht auf den Rotor).

Als Profil (Querschnitt) der Rotorblätter wird insbesondere ein sogenanntes NACA-Profil verwendet. Dieses Profil hat sich in der Praxis grundsätzlich bewährt und liefert auch bei Anwendung in dem erfindungsgemäßen Rotor gute Ergebnisse.

Damit sich die Grenzschicht zwischen der Luftströmung und dem Rotorblatt, also die Oberfläche des Rotorblatts, an lokal unterschiedliche Druckausbildungen anpassen kann, ist es von Vorteil, die Rotorblattoberfläche zu profilieren, was beispielsweise durch eine MikroStruktur aus sich kreuzenden, gruppen-

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weise parallelen, rautenförmig verlaufenden oder wellenförmig verlaufenden Rippen (Prismenstruktur) erzielt werden kann. Wichtig hierbei ist, daß der Oberfläche der Rotorblätter eine gewisse Rauhigkeit verliehen wird. Dies reduziert Verwirbelungen im grenzschichtnahen Bereich der Rotorblätter sowie in der Grenzschicht selbst, was wiederum zu reduzierten Ablöseerscheinungen und damit zu reduzierten Geräuschentwicklungen führt. Die laminare Strömung an der Grenzschicht {Oberfläche des Rotorblattes) wird verlängert, so daß sich der auf das Rotorblatt wirkende Auftrieb vergrößert.

Bezüglich der Anpassung der Grenzschicht an lokal unterschiedliche Druckausbildungen im Strömungsfeld, dem der Rotor ausgesetzt ist, ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Oberfläche der Rotorblätter elastisch nachgiebig ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise durch Aufbringen einer elastischen Beschichtung erfolgen, bei der es sich zweckmäßigerweise um eine eingeschlossene Luftschicht oder eine eingeschlossene Schicht aus einem anderweitigen fließfähigen Fluid oder sonstigen Material handelt. Die Luftschicht kann beispielsweise in einzelne Luftkammern unterteilt sein. Die elastische Beschichtung wirkt also entweder durch ein auf der Oberfläche der Rotorblätter angeordnetes kompressibles Material {im Regelfall Gas) oder wird durch eine fließfähige Materialschicht realisiert, wobei dieses Material nicht notwendigerweise kompressibel sein muß sondern durch seine Fließeigenschaften lokalen Druckerhöhungen ausweichen kann.

Wie bereits oben kurz dargelegt, können die Rotorblätter starr am Mittelteil des Rotors angeordnet sein. Um bei großen Windkräften einer Zerstörung des den Rotor tragenden Masts vorzubeugen, ist es von Vorteil, wenn dieser Mast flexibel ausgebildet ist, so daß der Rotor durch Biegung des Masts bei hohen

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Windkraftbelastungen nachgibt, so daß die Windkraftbelastungen des Rotors auf ein Maximum begrenzt sind.

Die erfindungsgeäße Windkraftanlage wird dadurch weitergebildet , daß eine energiewandelnde Einheit, wie beispielsweise Generator, Pumpe oder Kompressor nicht nicht form- oder kraftschlüssig am Rotor angeordnet ist. Die Energieübertragung erfolgt vorzugsweise durch mechanische, hydraulische oder pneumatische Kopplungen. Dadurch wird es möglich, in bevorzugter Weise die energiewandelnde Einheit nicht an der Mastspitze anzuordnen .

Nachfolgend wird anhand der Figur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 eine Vorderansicht auf eine Windkraftanlage mit einem Mast und einem daran angebrachten Rotor.

In Fig. 1 ist eine Windkraftanlage 10 dargestellt, die einen (Rohr-) Mast 12 mit einem an dessen oberen Ende drehbar angeordneten Rotor 14 aufweist. Der Rotor 14 weist eine Drehachse 18 auf, die drehbar an der Gondel 16 gelagert ist und drehfest mit einem durch eine gestrichelte Kreislinie 20 angedeuteten Mittelteil 22 des Rotors 14 verbunden ist. Von dem Mittelteil 22 des Rotors 14 aus erstrecken sich drei Rotorblätter 24, die jeweils um 120° gegeneinander versetzt angeordnet sind. Jedes Rotorblatt 24 ist nach Art einer Sichel gekrümmt und weist ein innenliegendes Ende 26, an dem es in das Mittelteil 22 übergeht und ein außenliegendes Ende 28 auf. Wie anhand der Fig. 1 gezeigt, verjüngt sich jedes Rotorblatt 24 in seiner Breite ausgehend von seinem innenliegenden Ende 26 bis zu seinem außenliegenden Ende 28 kontinuierlich. Die Rotorblätter 24 sind durch jeweils zwei Seitenränder 30,32 begrenzt. Die Oberflächen 33 der Rotorblätter 24 verlaufen schräg, so daß

sich bei Anströmung des Rotors 14 dieser in Richtung des Pfeils 34 dreht.

Der Rotor 14 ist einteilig ausgebildet, d.h. daß das Mittelteil 22 und die Rotorblätter 24 einstöckig ausgebildet sind. Die in Drehrichtung 34 vorderen Seitenränder 30 der Rotorblätter 24 sind konvex gekrümmt, während die in Rotationsrichtung 34 hinteren Seitenränder 32 konkav gekrümmt sind. In ihrer Verlängerung über ihre innenliegenden Enden 26 bis in das Mittelteil 22 hinein verlaufen die Seitenränder 30,32 der Rotorblätter 24 tangential zur bei 20 angedeuteten Kreislinie, die ihrerseits konzentrisch zur Drehachse 18 ist. Die Rotorblätter 24 weisen ihre maximale Breite im Bereich des Mittelteils 22 an ihren innenliegenden Enden 26 auf, wobei sie sich ausgehend von diesen innenliegenden Enden 26 zu den außenliegenden Enden 28 verjüngen. Dabei ist zu beachten, daß die konvex und konkav gekrümmten Seitenränder 30,32 im Bereich der Rotorblätter zwischen deren Enden 26 und 28 keine Wendepunkte aufweisen. Der Krümmungsradius r der Rotorblätter 24 beträgt etwa das 0,8- bis 2-fache des Radius R des Rotors.

Durch die Krümmung der Rotorblätter 24 wird deren Rotorfläche bei gegebenem Rotorradius R vergrößert. Dadurch vergrößert sich die Streckung der Rotorblätter 24, was sich in vorteilhafter Weise auf eine Verringerung des induzierten Widerstandes an den außenliegenden Enden 28 der Rotorblätter 24 auswirkt. Damit aber wiederum wird eine Reduktion der bei Rotation des Rotors 14 von diesem erzeugten Geräuschen erreicht. Zusätzlich kann durch die kontinuierliche Verbreiterung der Rotorblätter 24 bis zum Mittelteil 22 hin das Strömungsfeld, dem der Rotor 14 ausgesetzt ist, optimal ausgenutzt und damit die Windenergie optimal in Bewegungsenergie umgesetzt werden.

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Claims (11)

ANSPRUCHE

1. Rotor für eine Windkraftanlage, mit

einem zentralen Mittelteil (22), das konzentrisch zur Drehachse (18) angeordnet ist, und

mehreren von dem Mittelteil (22) abstehenden Rotorblättern (24), deren Längserstreckung durch ein innenliegendes Ende (26) und ein außenliegendes Ende (28) und deren Breitenerstreckung durch zwei Seitenränder (30,32) begrenzt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß
jedes Rotorblatt (24) an seinem innenliegenden Ende (26) insbesondere fest mit dem Mittelteil(22) verbunden ist,
jedes Rotofblatt (24) gekrümmt ist und einen kontinuierlich konvex gekrümmt sowie einen kontinuierlich konkav gekrümmt verlaufenden Seitenrand (30,32) aufweist,

jedes Rotorblatt (24) ausgehend von seinem innenliegenden Ende (26) bis zu seinem außenliegenden Ende (28) eine kontinuierlich abnehmende Breite aufweist und

die Seitenränder (30,32) jedes Rotorblatts (24) an dessen innenliegendem Ende (26) derart verlaufen, daß sie tangential in eine konzentrisch zur Drehachse (18) verlaufende gedachte Kreislinie (20) übergehen.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus dem Krümmungsradius (r) jedes Rotorblatts (24) und dem Abstand (R) seines außenliegenden Endes (28) zur Drehachse (18) etwa 0,7 bis 2,5, vorzugsweise 0,8 bis 2,0 und insbesondere 0,9 bis 1,2 beträgt.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konvex gekrümmte Seitenrand (30) jedes Rotorblatts (24) in Drehrichtung (34) und der konkav gekrümmte Seitenrand

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(32) jedes Rotorblatts (24) entgegengesetzt zur Drehrichtung (34) weist.

4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (24) und das Mittelteil (22) einstöckig ausgebildet sind.

5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Mittelteil (22) drei um 120° gegeneinander versetzt angeordnete Rotorblätter (24) abstehen, wobei sich die gegenüberliegenden konvex und konkav gekrümmten Seitenränder (30,32) jeweils benachbarter Rotorblätter (24) überschneiden.

6. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rotorblatt (24) eine mit einer Mikrostruktur profilierte Oberfläche (33) aufweist.

7. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (33) eine elastische Beschichtung aufweist.

. Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Beschichtung eine eingeschlossene Luftschicht oder eine Schicht aus einem eingeschlossenen fließfähigen Material ist.

9. Windkraftanlage mit

mindestens einem Mast (12) und

einem Rotor (14), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Mast (12) flexibel ist.

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10. Windkraftanlage nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Masten (12) gleiche und/oder unterschiedliche Längen aufweisen.

11. Windkraftanlage nach mindestens einen der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die energiewandelnde Einheit nicht form- oder kraftschlüssig am Rotor (14) angeordnet ist, und die Kraftübertragung zwischen Rotor und energiewandelnde Einheit durch mechanische, hydraulische oder pneumatische Kopplungen erfolgt.