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Patent Searching and Data


Title:
ROTOR BLADE FOR H ROTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/117276
Kind Code:
A2
Abstract:
An H rotor having rotor blades (10) which have at least one segment whose leading edge (12) is swept back in or in the opposite direction to the running direction, starts well and does not have any tendency to carry out undesirable oscillations.

Inventors:
PENN ROBERT (DE)
Application Number:
PCT/EP2011/054410
Publication Date:
September 29, 2011
Filing Date:
March 23, 2011
Export Citation:
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Assignee:
PENN ANNELIESE (DE)
PENN ROBERT (DE)
International Classes:
F03D3/06
Domestic Patent References:
WO2008141813A22008-11-27
WO1980000733A11980-04-17
Foreign References:
DE4442861A11996-06-05
DE3502712A11986-07-31
DE3425313A11986-01-23
AT10992U12010-02-15
DE29608787U11996-08-08
EP0679805A11995-11-02
EP0115767A11984-08-15
Other References:
ERICH HAU: "Windkraftanlagen", 2008, SPRINGER
Attorney, Agent or Firm:
LOHR JÖSTINGMEIER & PARTNER (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Rotorblatt (10) für einen Rotor einer vertikalachsigen Windkraftanlage, mit einem einen aerodynamischen Auftrieb erzeugendem Profil und einer Anströmkante (12),

dadurch gekennzeichnet, dass

das Rotorblatt (10) wenigstens ein Segment aufweist, in dem die Anströmkante (12) in oder entgegen der Laufrichtung (30) gepfeilt ist.

2. Rotorblatt (10) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Rotorblatt (10) und/oder das Segment eine Querschnittsebene aufweisen, die auch die Symmetrieebene des Rotorblatts bzw. des Segments ist.

3. Rotorblatt (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche

dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest ein Abschnitt der Anströmkante (12) auf einer Zylindermantelfläche (35) liegt.

4. Rotorblatt (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche

dadurch gekennzeichnet, dass

die Anströmkante (12) an mindestens einem Endbereiche des Rotorblatts (10) in Richtung der Horizontalen gekrümmt ist.

5. Rotorblatt (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Rotorblatt (10) mindestens ein zweites Flügelsegment (102, 103, 104, 105) aufweist, dass gegenüber dem ersten Flügelsegment (101) in Laufrichtung (30) und/oder radial versetzt angeordnet ist.

6. Rotorblatt (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

mindestens zwei Segmente an ihren Enden miteinander verbunden sind.

7. Rotorblatt (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

mindestens eines der Segmente in Laufrichtung (30) gepfeilt ist, wobei die Enden des Segments in Laufrichtung (30) gekrümmt sind.

8. Rotor,

dadurch gekennzeichnet, dass

er mindestens ein Rotorblatt (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.

9. Vertikalachsige Windkraftanlage,

dadurch gekennzeichnet, dass

sie mindestens ein Rotorblatt an einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.

Description:
Rotorblatt für H-Rotor

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine vertikalachsige Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Rotor mit mindestens einem solchen Rotorblatt und eine Windkraftanlage mit mindestens einem solchen Rotorblatt.

Stand der Technik

Windkraftanlagen dienen der Gewinnung von nutzbarer mechanischer Leistung, welche Luftströmung, also Wind entzogen wird. Diese nutzbare mechanische Leistung wird heute meist durch Generatoren in elektrische Leistung umgewandelt. Dazu haben Windkraftanlagen in der Regel einen Rotor mit mindestens einem Rotorflügel, auch Rotorblatt oder kurz Flügel oder Blatt genannt, der um eine Drehachse rotiert. Der Wind treibt den Rotor an, d.h. er versetzt ihn in Rotation. Durch eine Kopplung des Rotors mit einem Generator kann somit Windenergie in elektrische Energie umgewandelt werden.

Bei den Rotoren unterscheidet man zwischen solchen mit einer horizontalen Drehachse und solchen mit einer vertikalen Drehachse. Nachfolgend soll es im Wesentlichen um vertikalachsige Rotoren und deren Rotorblätter gehen.

Grundtyp der vertikalachsigen Rotoren mit Rotorblättern die den aerodynamischen Auftrieb nutzen ist der sogenannte Darrieus Rotor. Der ursprüngliche Darrieus Rotor hat eine Rotorwelle mit vertikaler Rotorachse. Im unteren Bereich sind meist zwei Rotorblätter einander gegenüberliegend an der Rotorwelle befestigt. Die Rotorblätter sind derart entlang ihrer Längsrichtung gekrümmt, dass sie im oberen Bereich wieder an der Rotorwelle befestigt werden können. Es sind auch Darrieus Rotoren mit einem, drei, vier oder mehr Rotorblättern bekannt. Aus dem Darrieus Rotor hat sich als Abwandlung der sogenannte H-Rotor entwickelt. Auch dieser hat eine Rotorwelle mit vertikaler Rotorachse. Über eine oder mehrere Streben sind an der Rotorwelle eine oder mehrere Rotorblätter befestigt. Die Rotorblätter des H-Rotors rotieren auf einer Zylinderfläche um die vertikale Drehachse des H-Rotors. Manchmal ist die Rotorwelle als Nabe ausgeführt. Nachfolgend wird der Einfachheit halber unter dem Begriff Rotorwelle auch das äußere Teil einer Nabe (Läufer) verstanden.

Problematisch beim Darrieus-Rotor und auch beim H-Rotor ist, dass diese nicht oder nur sehr schlecht von alleine anlaufen (vgl. Erich Hau, Windkraftanlagen, Kap. 3.1, 4. Aufl., Springer, Heidelberg 2008). Deshalb hat man den H-Rotor dahingehend modifiziert, dass man die Längsrichtung das Rotorblatt in Laufrichtung gegen die Vertikale verkippt. Rotoren mit diesen gegen die Vertikale verkippten Rotorblättern laufen besonders gut an, weil zumindest ein Segment zumindest eines Rotorblatts so angeströmt wird, dass der Auftrieb dieses Segments genügt, um das für das Anlaufen des Rotors notwendige Losbrechmoment zu erzeugen. Diese Rotoren zeichnen sich zudem dadurch aus, dass sie bei gegebener Windgeschwindigkeit einen gleichmäßigeren Drehmomentverlauf des Drehmoments in Rotationsrichtung aufweisen, d.h. die Differenz zwischen den Minima und den Maxima des Drehmoments als Funktion der Rotorstellung zu einer Bezugsrichtung (also des Winkels) ist geringer. Der Rotor läuft somit gleichförmiger. Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, dass Rotoren mit gegen die Vertikale verkippten Rotorblättern ein von der Winkelstellung zur Windrichtung abhängiges und somit oszilierendes Drehmoment erzeugen, welches nicht in Rotationsrichtung wirkt. Dieses Drehmoment kann zu unerwünschten Kippschwingungen und/oder Biegeschwingungen des Rotorblattes, der Streben und/oder der Rotorwelle führen. Diese Schwingungen sind konstruktiv zu berücksichtigen und verteuern die Windkraftanlage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Rotorblatt für einen Rotor einer vertikalachsigen Windkraftanlage bereitzustellen, das den Rotor gut selbstständig anlaufen lässt, aber dennoch den Rotor nicht zu unerwünschten Schwingungen anregt. Zudem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde einen entsprechenden Rotor bzw. eine entsprechende Windkraftanlage bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das Rotorblatt weist wenigstens ein Segment mit einer Anströmkante auf, die in oder entgegen der Laufrichtung gepfeilt ist. Somit hat das Segment zwei Rotorblattabschnitte (nachfolgend kurz: Abschnitte), die relativ zur Vertikalen in einander entgegengesetzte Richtung verkippt sind. Die aus der Verkippung der beiden Abschnitte resultierenden Dreh- und/oder Kippmomente kompensieren einander zumindest teilweise. Vorzugsweise ist das Segment derart geformt, dass die aus der Verkippung der beiden Abschnitte resultierenden Dreh- und/oder Kippmomente vollständig kompensiert werden.

Bei herkömmlichen gegen die vertikale gekippten Rotorblättern ist immer ein Rotorblattabschnitt, d.h. ein Rotorblattsegment besonders effektiv angeströmt. Dieser Rotorblattabschnitt wandert bei einer Drehung des Rotors relativ zur Windrichtung in Abhängigkeit von der Kipprichtung des Rotorblatts von unten nach oben bzw. umgekehrt. Entsprechend wandern die Angriffspunkte der auf das Rotorblatt wirkenden Kräfte (soweit sie Windrichtungsabhängig sind). Dieses wandern der Angriffspunkte der Kräfte erzeugt die oben genannten unerwünschten Schwingungen. Weil das Rotorblatt nach der Erfindung mindestens ein gepfeiltes Segment aufweist, ist ein Abschnitt des Segmentes in Laufrichtung und ein anderer Abschnitt des Segmentes gegen die Laufrichtung des Rotorblatts relativ zur Vertikalen verkippt. Dadurch gibt es im Bereich des Segments zwei Rotorblattabschnitte, die bei der Drehung des Rotors besonders effektiv angeströmt werden und in entgegengesetzte Richtungen wandern. Einer wandert nach oben und der andere nach unten. Somit wandern auch die Angriffspunkte der auf die Flügelabschnitte wirkenden Kräfte in einander entgegengesetzte Richtungen. Deshalb wandert der Angriffspunkt der resultierenden Kraft - wenn überhaupt noch - deutlich weniger. Man kann sagen die Bewegungen der Angriffspunkte in der Vertikalen kompensieren sich. Deshalb werden durch gepfeilte Rotorblätter nach Anspruch 1 die unerwünschten Schwingungen nach dem Stand der Technik reduziert oder sogar vermieden. Weil das Rotorblatt aber zumindest zwei gegen die Vertikale, d.h. in bzw. entgegen der Laufrichtung verkippte Abschnitte aufweist, läuft der Rotor mit einem Rotorblatt nach Anspruch 1 wesentlich besser an, als ein Rotor mit einer entsprechenden Anzahl vertikal angeordneter Rotorblätter.

Man kann auch sagen, das Segment des Rotorblatts weist mindestens zwei in unterschiedliche Richtung gegen die Vertikale gekippte Abschnitte auf, die unmittelbar in einander übergehen können, aber nicht müssen.

Die Anströmkante ist die Linie an der Vorderkante des Rotorblatts, die bei einer Vorwärtsbewegung des Rotorblatts d. h. bei dessen Rotation in seiner Vorzugsrichtung frontal angeströmt wird. Als Segment des Rotorblatts wird jedes Teilstück des Rotorblatts verstanden, das sich zwischen zwei Flügelquerschnitten befindet.

Gepfeilt bedeutet, dass die Anströmkante in oder entgegen der Bewegungsrichtung des Rotorblatts gebogen ist oder sogar einen Knick aufweist.

Als Laufrichtung wird die Richtung bezeichnet in die das Rotorblatt rotiert, d.h. in die das Rotorblatt mit ihrer Anströmkante zeigt. Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass die Segmente, wenn sie um die Rotorachse rotieren auf bevorzugt Zylindermantelflächen laufen, d. h. entsprechend gekrümmt sind.

Bevorzugt weisen das Rotorblatt und/oder das Segment eine Querschnittebene auf, die zudem auch die Symmetrieebene des Rotorblatts bzw. des Segments ist. Bei einem entsprechenden Rotorblatt bzw. Segment wird die horizontale Bewegung der Angriffspunkte der Kräfte besonders gut kompensiert.

Eine Symmetrieebene ist jede ggf. gedachte Ebene, zu deren beiden Seiten sich das Rotorblatt und/oder das Segment spiegelbildlich gleichen.

Bevorzugt liegt mindestens ein Abschnitt der Anströmkante der Segmente auf einer Zylindermantelfläche. Dadurch wird der Strömungswiderstand des Rotorblatts reduziert.

Bevorzugt ist die Anströmkante an mindestens einem der Endbereiche des Rotorblatts in Richtung der Horizontalen gekrümmt. Dadurch wird der Windwiderstand des Rotorblatts reduziert. Der Effekt beruht darauf, dass das Rotorblatt eine Wirbelschleppe erzeugt, die reduziert wird, wenn mindestens einer der Endbereiche des Rotorblatts in Richtung der Horizontalen gekrümmt ist.

Bevorzugt ist mindestens eines der Segmente in Laufrichtung gepfeilt, wobei die Enden des Segments in Laufrichtung gekrümmt sind, d.h. das Segment weist einen oberen und einen unteren Endabschnitt auf, dessen Anströmkanten in Lauf- richtung gekrümmt sind. In der Seitenansicht ähnelt ein solches Rotorblattsegment dem Fruchtflügel des Spitzahorns (Acer platanoides). Diese Form hat sich als besonders strömungsgünstig erwiesen.

Das Rotorblatt hat bevorzugt mindestens ein zweites Segment, dass gegenüber dem ersten Segment in Laufrichtung und/oder radial versetzt angeordnet ist. Das Rotorblatt kann somit mehrteilig sein. Dadurch kann die effektive Rotorblattfläche und somit der Auftrieb, d.h. die bei gegebener Windstärke nutzbare mechanische Leistung vergrößert werden, ohne die Abmessungen des Rotors wesentlich zu verändern. Wenn das zweite Segment radial gegen das erste Segment versetzt ist, läuft es nicht im Strömungschatten des ersten Segments und kann deutlich zur Erhöhung der nutzbaren Leistung beitragen.

Bevorzugt sind die beiden Segmente an ihren Enden miteinander verbunden, wobei die Enden bevorzugt als radiale Stege ausgebildet sind. Diese Stege reduzieren die Wirbelschleppe des Rotorblatts und somit den Strömungswiderstand. Zusätzlich können die beiden Segmente z.B. über mindestens einen weiteren Steg miteinander verbunden sein. Dadurch wird die Verwindungssteifigkeit des Rotorblatts verbessert.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.

Figur la und lb zeigen ein Rotorblatt

Figur 2a und 2b zeigen ein weiteres Rotorblatt

Figur 3a und 3b zeigen ein weiteres Rotorblatt Figur 4 zeigt ein weiteres Rotorblatt

Figur 5 zeigt eine Anordnung von Rotorblättern nach Fig. 4 in der Aufsicht.

Das Rotorblatt 10 in Fig.la hat ein an eine Rotationsbewegung, um eine zur Zeichenebene parallele Achse 5, angepasstes und in Fig lb gezeigtes Profil (Schnitt durch Ebene A-A). Das Rotorblatt 10 hat eine Anströmkante 12, die etwa auf halber Strecke zwischen dem unteren Ende 17 und dem oberen Ende 21 des Rotorblatts 10 gekrümmt ist, so dass sie gepfeilt ist. Oberhalb und unterhalb der Krümmung ist die Anströmkante 12 gerade. Das Rotorblatt 10 ist bevorzugt einstückig gefertigt und weist zwei gegen die Vertikale geneigte Abschnitte 15 und 20 auf, nämlich eine oberen Hälfte 20 und eine untere Hälfte 15. Das oberes Ende 21 des oberen Abschnitts 20 ist gegenüber dem unterem Ende 22 des oberen Abschnitts 20 gegen die durch einen Pfeil 30 angedeutete Laufrichtung verkippt. Das obere Ende 16 des unteren Abschnitts 15 ist gegen das untere Ende 17 des unteren Abschnitts 15 in Richtung der Laufrichtung 30 verkippt. Die beiden Abschnitte 15, 20 sind spiegelsymmetrisch zur Ebene A-A. Im gezeigten Beispiel sind das obere Ende 16 des unteren Abschnitts 15 und das untere Ende 22 des oberen Abschnitts 20 zueinander identisch. Die Anströmkante 12 im Bereich oberhalb der Krümmung steht zu der Anströmkante 12 im Bereich unterhalb der Krümmung in einem die Pfeilung definierenden Winkel ß von etwa 110°, der ±30° variiert werden kann. Der Abstand zwischen der Anströmkante 12 und der hinteren Kante 13 des Rotorblatts ist konstant. Beide Kanten 12, 13 liegen auf einer Zylindermantelfläche 35 (vgl. Fig lb). Die Zeichenebene in Fig. la ist somit die Zylindermantelfläche 35. Für gleiche oder ähnliche Teile bzw. Details in den anderen Figuren werden identische Bezugszeichen verwendet.

Ein Segment des Rotorblatts 10 im Sinne der Patentansprüche kann z.B. der Bereich zwischen den beiden gestrichelt eingezeichneten Hilfsebenen 31 sein. Weil die Hilfsebenen bis an das obere bzw. untere Ende des Rotorblattes verschoben werden können umfasst der Begriff„Segment" in diesem Beispiel auch das ganze Rotorblatt.

Das Rotorblatt 10 in Fig. 2a hat, ebenso wie das Rotorblatt in Fig. la und Fig. lb ein an eine Rotationsbewegung um eine zur Zeichenebene parallele Achse 5, angepasstes Profil (vgl. Schnitt durch Ebene A-A in Fig. lb bzw. 2b). Entsprechend ist in Fig. 2a die Zeichenebene die in Fig. 2b angedeutete Zylindermantelfläche 35. Die Form des Rotorblatts 10 ist der Form des Fruchtflügels des Spitzahorns nachempfunden. Die Anströmkante 12 ist wie in Fig. la gepfeilt, hier allerdings geschwungen: Vom unteren Ende der Anströmkante 12 beginnend ist die Anströmkante zunächst in Laufrichtung 30 gekrümmt. Nach etwa einem Drittel geht diese Krümmung in eine Krümmung gegen die Laufrichtung 30 über, um dann nach etwa einem weiteren Drittel wieder in eine Krümmung in Laufrichtung überzugehen. Die Aufteilung der Anströmkante in Drittel, d.h. die Änderung der Krümmungsrichtung nach je einem Drittel der Länge der Anströmkante, ist bevorzugt, aber rein beispielhaft. In ihrem oberen und unteren Endbereich verläuft die Anströmkante 12 in etwa vertikal (±15°). Der Abstand von der Anströmkante 12 zur hinteren Kante 13 des Rotorblatts 10 ist bis auf das obere und das untere Fünftel des Rotorblatts 10 zumindest im Wesentlichen (Abweichung kleiner als 10 %) konstant. Im oberen und im unteren Fünftel des Rotorblatts 10 verringert sich der Abstand auf etwa ein Drittel. Die beiden Tangenten 40 im Bereich der Übergänge der Krümmung der Anströmkante 12 definieren die Pfeilung und schneiden sich in einem Winkel ß von etwa 110° (sinnvoll: 110° ± etwa 30°). Die Schnittebene A-A ist eine Symmetrieebene des Rotorblatts 10

Das Rotorblatt 100 in Fig. 3a und Fig. 3b weist zwei separate Segmente 101, 102 auf. Das Segment 101 entspricht in der Form dem in Fig. la gezeigten Rotorblatt. Das Segment 102 entspricht in der Form dem in Fig. 2a gezeigten Rotorblatt. Die beiden Segmente 101 und 102 sind in Laufrichtung und radial derart gegenei- nander versetzt, dass das zweite Segment 102 bevorzugt bei Nenndrehzahl des Rotors nicht im Windschatten oder im Bereich der Wirbelschleppe des ersten Segments 102 läuft.

Das Rotorblatt 100 in Fig. 4 weist fünf unterschiedlich gepfeilte Segmente 101 bis 105 auf, die radial und in Laufrichtung 30 gegeneinander versetzt angeordnet sind (vgl. Fig. 4). Fig. 5 zeigt die Anordnung dreier Rotorblätter 100 nach Fig. 4zu einem H-Rotor, wobei die Rotorwelle, der Generator sowie die Streben, mit welchen die Rotorblätter an der Rotorwelle bzw. dem Generator angeschlagen sind der Einfachheit halber nicht eingezeichnet sind. Das Segment 101 ist im Wesentlichen identisch zu dem Rotorblatt in Fig. la und Fig. Ib. Die Segmente 102 bis 105 ähneln in der Form dem Rotorblatt 10 nach Fig. 2a und Fig. 2b. Jedes der fünf Segmente 105 rotiert auf einer separaten Zylindermantelfläche 34 um die Rotationsachse 5 (vgl. Fig. 5). Die Anströmkante 12 hat mehrere nichtzusammenhängende Abschnitte.

Bezugszeichenliste

5 Rotationsachse

10 Rotorblatt

12 Anströmkante

13 hintere Kante des Rotorblatts

15 untere Hälfte, unterer Abschnitt

16 oberes Ende des unteren Abschnitts

17 unteres Ende des unteren Abschnitts

20 obere Hälfte, oberer Abschnitt

21 oberes Ende des oberen Abschnitts

22 unteres Ende des oberen Abschnitts

30 Laufrichtung

35 Zylindermantelflächen

31 Hilfsebenen

40 Tangenten/Hilfslinien

A-A Schnittebene

ß Winkel, Pfeilung

100 Rotorblatt

101, Segment eines Rotorblatts

102, Segment eines Rotorblatts

103, Segment eines Rotorblatts

104, Segment eines Rotorblatts

105, Segment eines Rotorblatts