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JP4282605B2 - 風力発電設備用のローターブレード - Google Patents

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Description

本発明は風力発電設備用のローターブレードに関し、これはローターブレード前縁およびローターブレード後縁を具備する空気力学的翼形を有する。本発明はまた、正圧面および負圧面を備えた空気力学的翼形を有するローターブレード用のローターブレードチップに関する。このローターブレードチップは、ローターブレードの正圧面の方向にその端部領域において湾曲あるいは屈曲している。
そうしたローターブレードおよびローターブレードチップは従来技術の状況において長い間知られている。特に、湾曲ローターブレードチップは、たとえば製造業者Enercon由来のローターブレードにおいて、しばらくの間、使用されていた。これら公知のローターブレードチップは、ローターブレード端部に不可避的に発生するエッジ渦の低減を、したがって好ましくない騒音の発生の低減を意図したものである。
従来技術の状況として、この時点では概して以下の特許文献１〜５に注意が向けられる。
本明細書の冒頭部分に述べた種類のローターブレードも知られており、そのチップは楕円形状の終端をなしている。ローターブレードチップのこの形状もまた、ローターブレードからの、特にそのチップからの騒音放出のレベルを低減することを意図したものである。
風力発電設備はいまやもう個人的事象ではなく、さまざまな場所で遭遇するものなので、それらはまた住宅地域の近くでも、ますます見つかるようになっている。そこでは風力発電設備の受け容れが騒音放出に特に依存していることは明確であり、しかもより静かな風力発電設備は騒々しいものよりも一層簡単に受け容れられることは容易に理解される。
DE 197 38 278 DE 197 43 694 DE 44 40 744 DE 196 14 220 DE 44 36 197
ゆえに本発明の目的は風力発電設備の騒音放出のレベルをさらに低減することである。
本明細書の冒頭で述べた種類の風力発電設備用のローターブレードにおいては、上記目的は、ローターブレードが、その平面内でローターブレードの後縁の方向にその端部領域で湾曲あるいは屈曲していることによって達成される。この点で本発明は次のような認識に基づく。チップを尖鋭化していないローターブレードの場合、有効なローターブレード領域は、正確に効果が最も大きな外側領域に縮減されないままとなる。だがローターブレードの端部領域の湾曲または屈曲は、後縁がローターブレードの端部領域において後方に変位させられ、この結果、ローターブレード後縁における流れが時間遅延を伴って外側領域において分離させられることを意味する。それはまた、ローターブレード後縁からの流れの分離の際に生じる渦の影響を互いに低減し、したがってさらにそこから生じる騒音放出を低減する。風上ローターの場合、ブレードチップ周りの流れと設備パイロンの前の動的空気圧力との間の相互作用もまた本発明によって低減されることは明確である。
この点で、時間遅延は、端部領域がローターブレードのネジ軸線に対して延在する角度に依存する。相対角度が大きくなるほど、騒音放出が低減される度合いは向上する。だが他方でローターブレードに作用するねじりモーメントは後退角の増大と共に増大するので、１ないし４５度の角度、好ましくは１から１５度までが有利であることが証明されている。
さらに、ローターブレードから端部領域への流体的変転は有利である。なぜなら、不意の曲げが生じた場合、さらなる圧力変動が曲げ領域に生じるからである。それは出力低下および騒音増大を生じる可能性がある。
好ましくはその端部領域において本発明によるローターブレードは、所定の曲率半径を含む。ここで曲率は特に好ましくはローターブレードチップに向って増大する。すなわち曲率半径は小さくなる。曲率を適当に選定することにより、ローターブレードの端部領域は約５度の角度で機械的に湾曲させることができ、一方、１０度の角度に対応する空気力学的効果をもたらす。これは、同時にまた有利な空気力学的特性と共に有利な音響効果を具現化する。
だが同時に、ローターブレードには上記後退角形状に起因して一層大きなねじりモーメントが生じ、しかもこうしたねじりモーメントはまたローターブレード接続部に作用する。当然ながらそれはまた設備に恒久的な高いレベルの負荷をもたらす。とにかくローターブレード接続部および風力発電設備におけるそれに続くコンポーネントへの上記高いレベルの負荷を相殺するため、ローターブレードの中央領域(すなわちローターブレード根部と、後縁方向に後退角を持つ端部領域との間の領域)をブレード前縁の方向に湾曲させることが特に有利である。この場合、湾曲は、後退角端部領域の外側後縁が後退角端部領域を持たないブレードの場合よりも深くないような寸法のものとなる。
この方法では、逆の関係で作用するねじりモーメントがローターブレード自身に生じ、しかも好適な設計によって互いに相殺される。これによって、ローターブレード自体は明らかに依然として上記荷重を受けるが、ローターブレード接続部および風力発電設備のさらなるコンポーネントはさらなる荷重を支持する必要がなくなる。
一方で簡単な組立てを可能にし、かつ他方で現存するローターブレードに対する改装を可能とするため、端部領域は好ましくはローターブレード内に嵌合可能な部分の形態であり、かつ好ましくはローターブレード長の１／３以下の長さ、特に好ましくはローターブレード長の約１／１０の長さである。
この例では、有利な展開に関し、上記端部領域は中空とすることができ、しかも伴流流れから離れたその端部において排水用の開口部を持つことができる。これによって、ローターブレードに集まる流体、およびたとえば凝結作用の結果として形成される流体、および遠心力によってローターブレードチップまで運ばれる流体を端部領域から放出でき、したがってローターブレードから除去できる。
本発明による端部領域の効果を促進するため、本発明によれば、そうした端部領域を有するローターブレード用のローターブレードチップが設けられ、ここで、ローターブレードチップはローターブレードの端部領域内に嵌合可能である独立部分の形態である。
これに代えて、本発明の目的を達成するため、本明細書の冒頭部分で述べた種類のローターブレードチップのさらなる展開は、「外側領域」が狭まることであってもよい。ローターブレードチップのこの形状は、流れのエネルギーが事前に後縁渦へ分配されるが、同時に有効なローターブレード面積が減少するので、ブレード深さの減少はローターブレードチップ周りの流れを低減させる、という認識に基づくものである。ローターブレードチップの屈曲形状は、有効なローターブレード深さがその最適条件で屈曲したローターブレードチップまで残っていることを意味する。尖鋭化する領域は所定の好ましい角度でローターブレードの平面から離れるようにローターブレードの正圧面方向に延在する。この構造では、ローターブレードチップにおける渦はローターブレード平面から同時に分離させられ、そして他の平面に移動させられる。これは今度は、そうしたチップを備えたローターブレードの騒音の放出に有利な効果を有し、しかもローターブレードに生じる損失を同時に低減する。それは、正圧面と負圧面との間の圧力降下に関して有利な形状と同様、エッジ渦損失および好適な設計によって改善可能である空気力学的効率の度合いの両方を伴う。
特に好ましい特徴に関し、ローターブレードチップの外側領域は水平線から約７０°ないし９０°の角度で水平線から湾曲している。すなわち、ローターブレードチップは、ローターブレードに対して約１１０°ないし９０°の角度を持つ。実験的研究では、こうした角度において最良の結果が見出された。
特に好ましい展開において本発明によるローターブレードチップは、ローターブレード内に嵌合可能な独立部分の形態である。さらにローターブレードチップは中空であり、かつ好ましくは金属、特にアルミニウムからなる。この中空構造は重量を軽減し、したがって取り扱いを非常に容易なものとする。
さらに中空ローターブレードチップは、やはり上で説明したようなローターブレードの中空端部領域と同様、たとえば着氷を除去あるいは低減するため、それを経て流れる暖かい空気を含むことができる。
さらに、金属から製造されるローターブレードチップは、それによって落雷の場合に風力発電設備を効果的に保護するために、避雷針として役立てることが、したがって落雷を適当な避雷器へと伝えることができる。
本発明の有利な展開は付随する請求項で述べられている。
以下、図面を参照して本発明について詳細に説明する。
図１には風力発電設備の、本発明によるローターブレード１０を示す。ネジ軸線１４がローターブレード１０内に示されている。ネジ軸線１４は、所望のローターブレード形状を与えるようにローターブレードの全ての部品がその上へねじ込まれるべき仮想軸線である。
ローターブレード１０の端部領域１２は第１のネジ軸線１４に対して所定の角度αで屈曲している。第２のネジ軸線１６が端部領域１２に図示されており、角度αは二つの軸線１４,１６間で規定される。この図では角度αは５度である。この値は、低減された騒音の放出と増大する荷重との間の許容し得る妥協を表す。
それゆえ、端部領域は、ローターブレード平面内でローターブレード後縁２０の方向に屈曲している。この屈曲は、一方では、後縁をより長いものとし、したがって渦エネルギーをより広範囲へ分配する。他方で、流れは屈曲端部領域１２のローターブレード１０の後縁において、ローターブレード１０の直線領域よりも遅れて剥離する。この結果、騒音発生渦はそれに対応して遅れて発生する。
本発明によるローターブレード１０の改良実施形態が図２に示されている。この図もまたネジ軸線１４,１６を示す。だが、ローターブレード１０から端部領域１２への変転はここでは急激な屈曲にて生じておらず、むしろ湾曲の形態で連続的に延在していることに留意されたい。この湾曲はローターブレードチップに向って増大していることに留意されたい。それゆえ、曲率半径はローターブレードチップに向って小さくなる。
この例では、端部領域１２において、弧接線はローターブレード後縁２０のチップにおいて平行な関係でかつローターブレードの中心に向って移されている。角度βが軸線１４,１６間に形成される。この角度は１０度である。
この１０度は明確にローターブレードチップにおける弧接線の配置から生じる。だが、この点で、ローターブレード１０に備えられた後退角は、図１に示すローターブレード１０の場合よりも大きなものではない。したがって、空気力学的特性は図１に示すローターブレードとわずかに異なるだけであるが、その一方で、音響特性はより大きな角度βによって一層良好である。
上で述べた事情について図３を参照してさらに詳しく説明する。特に、ローターブレード１０の端部領域１２が図３に示されている。この例の端部領域１２の後縁は、一方では、図１に示す実施形態に対応する様式で屈曲した状態で示されている。この変形例は参照数字２１によって示される。同時に、湾曲した後縁２０を有する実施形態も示されている。
ここで、最も外側のローターブレードチップは後縁２０および２１のそれぞれにおいて同じポイントに出現していることが明確にわかり、すなわちローターブレード深さはそれゆえ空気力学的な観点からは変更はない。
この図はまた第１のネジ軸線１４(オリジナルブレードネジ軸線)を示す。平行な関係で移された弧接線１７および端部領域の後縁２１に対応する第２のネジ軸線１６(チップネジ軸線)もまた示されている。角度αおよびβもまた示されている。角度αはやはり５度である。それは、ローターブレード１０の第１のネジ軸線１４および図１に示すローターブレードの実施形態に対応する第２のネジ軸線１６によって形成される。角度βは第１のネジ軸線１４および図２に示す実施形態に対応する弧接線１７との間に形成される。角度βは１０度である。
ここではそれゆえ、図２に示す実施形態の利点を認識することが特に容易である。
図４は、前縁１８、後縁２０および後縁２０の方向に後退角が付けられた端部領域１２を備えた、本発明による後退角を持つローターブレード１０を再び示す。同図にはさらに２本の直線２２,２３が示されており、これは前縁１８、および後退角を持つ端部領域１２を備えていない後縁２０の形状を表している。この図は既に、ローターブレード１０の後縁の方向への後退角によって端部領域１２に後退角が付けられている程度を明瞭に示している。
図５は本発明によるローターブレード１０の代替的実施形態を示し、これは、図４に示す実施形態とは中央部１３で異なる。この中央部１３はローターブレード１０の前縁１８の方向に前傾されている。ローターブレード１０の個々の領域間での流体的変転の利点はまた、この前傾形状に関しても適用されていることが認識されるであろう。この点で、前縁１８の方向へのこの前傾は、ローターブレード(これは後縁２０の方向に後退角を持つ)の端部領域１２の最も外側のポイントが再び破線２２上に存在するような規模のものである。ライン２２はまたこの図ではローターブレードの仮想直線形状を規定する。
この構造によって、ローターブレードの端部領域１２および中央領域１３に、相互に向き合うように作用するねじれモーメントが生じ、これらは、ローターブレード接続部においてその作用に関して適切な寸法とされたとき互いに相殺し合う。
図６は本発明によるエッジ弧３０を有するローターブレード１０を示し、これはローターブレード１０の負圧面２４から離れるように、すなわちローターブレード１０の正圧面に向って延びている。エッジ弧３０の上縁３６は、そこで分離させられるエッジ渦を可能な限り最小限に抑えるために可能な限り小さな翼形厚みを有するものである。この結果、やはり可能な限り低い騒音放出レベルがもたらされる。
エッジ弧３０は好ましくは水平線から約６０°ないし９０°の角度で屈曲している。つまり、それはローターブレードに対して１２０°と９０°との間の角度を含む。この領域は二つの上側に屈曲した部分３０,３１で示されており、その一方が破線で示されている。
図７は本発明によるエッジ弧３０の第１実施形態の正面図である。この図では、エッジ弧３０の後縁３４およびエッジ弧の上縁３６は直線状に延在し、一方、ローターブレード前縁２６とエッジ弧の上縁３６との間の前縁３２はローターブレードの負圧面２４から離れるように所定の角度で延在する。この構造によって、ローターブレード負圧面２４において見られるように、ローターブレードの深さに関連してエッジ弧の上縁３６の短縮がもたらされる。ローターブレードはそれゆえエッジ弧３０までその空気力学的に十分な有効深さを備え、しかもより短いエッジ弧の上縁３６となるのはエッジ弧３０においてのみである。
同時に、ローターブレード上縁３６において剥がれるエッジ渦はローターブレード１０の平面から案内され、この結果、エッジ渦はブレードの平面から離れるよう案内される。
図８は図７に示すエッジ弧の代替的実施形態を示す。図７は、ローターブレードの長手方向軸線に対して実質的に垂直に延在する弧エッジの後縁３４を示しているが、図８においては、このエッジ弧もまた後縁３４の方向に後退させられている。この後退形状によって、流れがエッジ弧から分離するようになる剥離ポイント３７がなおさらに後方に移され、したがってエッジ渦のエネルギーはなおさらに分散され、そして騒音放出のレベルはなおさらに低減される。
作用原理は図９に示すエッジ弧３０の実施形態において同じである。このエッジ弧３０は、可能な限り小さなエッジ渦をもたらすように最適化されていることに留意されたい。この目的のため、エッジ弧の前縁３２およびエッジ弧の後縁３４は所定の湾曲で延在し、そして特に好ましくはエッジ弧の上縁３６へ楕円的勾配で延在する。この例では、エッジ弧の上縁３６は再び、ローターブレードの負圧面２４より離れるよう、すなわち正圧面に向って、ローターブレードの平面から屈曲している。
エッジ弧の前縁３２およびエッジ弧の後縁３４の楕円形状は同時に、その距離にわたって流れがローターブレードから分離する距離の長さを増大させる。これはまた騒音放出のレベルを低減させる。なぜなら、丸い形状で終わっているブレード形状を備える状況とは異なり、ブレードチップ周りの流れが極めて実質的に排除されるからである。
弧エッジの屈曲部の深さ対高さ(深さは図９の平面図の幅である)の比は、約１:０.８ないし１.２、好ましくは１:１である。エッジ弧の接続部におけるエッジ弧の屈曲部分の高さ対ローターブレードの深さの比は、約１:１ないし１：１.３、好ましくは１:１.１４である。この点で、エッジ弧の屈曲部の深さ形状は概ね双曲線(平面図における翼形幅)であり、かつ最も外側の翼形断面の最も上側のキャップポイントは、ブレードのネジ軸線に対して、翼形深さの約３０ないし４０％、好ましくは３３％である。
図１０は、湾曲端部領域１２およびそれに隣接するエッジ弧３０の組み合わせを備えたローターブレード１０を示す。この例では、ローターブレードの前縁２６から後縁２０への端部領域１２の湾曲、およびローターブレードの平面からのエッジ弧３０の湾曲を明瞭に認識できる。したがって、一方では湾曲端部領域１２の、他方では屈曲エッジ弧３０の有利な音響効果がここでは組み合わされている。
本発明による上記ローターブレードは風力発電設備のローターの一部である。
本発明の第１実施形態による湾曲端部領域を備えた本発明によるローターブレードの平面図である。 本発明の第２の好ましい実施形態による湾曲端部領域を備えた本発明によるローターブレードを示す図である。 本発明の第２実施形態のさらなる図である。 第２実施形態のその上さらなる図である。 後退角を持つローターブレードの第３実施形態を示す図である。 本発明によるローターブレードチップの側面図である。 本発明によるローターブレードチップの一実施形態の端面図である。 本発明によるローターブレードチップの代替的実施形態の端面図である。 本発明によるローターブレードチップの代替的実施形態の端面図である。 本発明によって設計された端部領域および本発明によるローターブレードチップを備えたローターブレードの図である。
符号の説明
１０ ローターブレード
１２ 端部領域
１３ 中央部
１４ 第１のネジ軸線
１６ 第２のネジ軸線
１７ 弧接線
１８ 前縁
２０,２１ 後縁
２２,２３ 直線
２４ 負圧面
２６ 前縁
３０ エッジ弧
３２ 前縁
３４ 後縁
３６ 上縁
３７ 剥離ポイント

Claims (29)

  1. 風力発電設備用のローターブレードであって、前記ローターブレード(１０)は、
    ローターブレードチップと、
    正圧面および負圧面(２４)を有する空気力学的翼形と、
    ローターブレード前縁部(１８)およびローターブレード後縁部(２０)と、を具備してなり、
    このローターブレードチップは、その先端側領域において、前記ローターブレードの正圧面の方向に湾曲あるいは屈曲しており、
    前記ローターブレードチップは、エッジ弧前縁(３２)と、エッジ弧後縁(３４)と、前記エッジ弧前縁(３２)と前記エッジ弧後縁(３４)とをつなぐエッジ弧上縁(３６)と、を有し、かつ前記エッジ弧前縁および前記エッジ弧後縁は、所定の湾曲した勾配で前記エッジ弧上縁(３６)へ延在していることを特徴とするローターブレード。
  2. 前記ローターブレードチップ(３０)は、前記ローターブレード(１０)の端部領域(１２)内に嵌合される独立部分の形態であることを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
  3. 前記湾曲領域において、前記ローターブレード翼形は前記先端側領域の翼形へと流体的に溶け込んでいることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のローターブレード。
  4. 前記先端側領域の横断面は、前記ローターブレード(１０)の残部の横断面に対して所定の角度で延在することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のローターブレード。
  5. 前記ローターブレードチップ(３０)は、前記ローターブレード(１０)内に嵌合可能な独立部分の形態であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のローターブレード。
  6. 前記ローターブレードチップ(３０)は前記ローターブレード(１０)内への嵌合のための縮小断面領域を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のローターブレード。
  7. 少なくとも一つの開口部が前記縮小断面領域に設けられていることを特徴とする請求項６に記載のローターブレード。
  8. 前記ローターブレードチップ(３０)は中空であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のローターブレード。
  9. 流注流れから離れたその端部領域には排水用の開口部が設けられていることを特徴とする請求項８に記載のローターブレード。
  10. 管状部が前記開口部に隣接していることを特徴とする請求項９に記載のローターブレード。
  11. ローターブレードチップは、金属、特にアルミニウムからなることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のローターブレード。
  12. 前記ローターブレード(１０)はガラス繊維強化プラスチック素材からなると共に、雷伝導用の導電要素が前記ローターブレード(１０)内に組み込まれ、かつ前記ローターブレードチップ(３０)と導電接触状態にあることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のローターブレード。
  13. 前記ローターブレードはさらに、その端部領域において、前記ローターブレードの平面内で前記ローターブレードの前記後縁部の方向に湾曲あるいは屈曲していることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載のローターブレード。
  14. 前記端部領域(１２)はネジ軸線(１４)に対して１度と４５度との間の角度で延在することを特徴とする請求項１３に記載のローターブレード。
  15. 前記角度は１ないし１５度の範囲にあることを特徴とする請求項１４に記載のローターブレード。
  16. 前記ローターブレード(１０)の前記後縁は前記端部領域(１２)の前記後縁(２０)へと流体的に溶け込んでいることを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか１項に記載のローターブレード。
  17. 前記端部領域(１２)の前記後縁(２０)は所定の曲率半径のものであることを特徴とする請求項１６に記載のローターブレード。
  18. ローターブレードチップに向って曲率が増大することを特徴とする請求項１７に記載のローターブレード。
  19. 前記端部領域(１２)は、前記ローターブレード(１０)内に嵌合可能な独立部分の形態であることを特徴とする請求項１３ないし請求項１８のいずれか１項に記載のローターブレード。
  20. 前記端部領域(１２)は、前記ローターブレード長の多くても１／３を形成することを特徴とする請求項１３ないし請求項１９のいずれか１項に記載のローターブレード。
  21. 前記端部領域(８)は前記ローターブレード(１０)内への嵌合のための縮小断面領域を有することを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載のローターブレード。
  22. 少なくとも一つの開口部が前記断面縮小領域に設けられていることを特徴とする請求項２１に記載のローターブレード。
  23. 前記端部領域(１２)は中空であることを特徴とする請求項１９ないし請求項２２のいずれか１項に記載のローターブレード。
  24. 流注流れから離れたその端部には、排水用の開口部が設けられていることを特徴とする請求項２３に記載のローターブレード。
  25. 管状部が前記開口部に隣接していることを特徴とする請求項２４に記載のローターブレード。
  26. 前記ローターブレードはローターブレード根部(１１)と前記端部領域(１２)との間の領域(１３)を具備し、前記領域(１３)は前記前縁の方向に屈曲していることを特徴とする請求項１３ないし請求項２５のいずれか１項に記載のローターブレード。
  27. 前記ローターブレード(１０)はガラス繊維強化プラスチック素材からなると共に、雷伝導用の導電要素が前記ローターブレード(１０)内に組み込まれ、かつ前記端部領域(１２)と導電接触状態にあることを特徴とする請求項１３ないし請求項２６のいずれか１項に記載のローターブレード。
  28. 請求項１ないし請求項２７のいずれか１項に記載のローターブレードを少なくとも一つ備えたローターを具備してなる風力発電設備。
  29. 正圧面および負圧面(２４)を有する空気力学的翼形を有するローターブレード(１０)用のローターブレードチップであって、
    前記ローターブレードチップは、その先端側領域において、前記ローターブレードの正圧面の方向に湾曲あるいは屈曲しており、
    前記ローターブレードチップは、エッジ弧前縁(３２)と、エッジ弧後縁(３４)と、前記エッジ弧前縁(３２)と前記エッジ弧後縁(３４)とをつなぐエッジ弧上縁(３６)と、を有し、かつ前記エッジ弧前縁および前記エッジ弧後縁は、所定の湾曲した勾配で前記エッジ弧上縁(３６)へ延在していることを特徴とするローターブレードチップ。
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