Windkraftanlagen weisen einen Rotor mit einem oder mehreren Rotorblättern auf. Jedes der Rotorblätter weist ein Profil mit einer im wesentlichen von der Blattwurzel nach außen zur Blattspitze abnehmenden relativen Dicke auf. Das Profil ist so geformt, dass eine Saug-und eine Druckseite ausgebildet wird, so dass bei Umströmumg mit bewegter Luft auf der Saugseite gegenüber der Druck- seite ein Unterdruck entsteht. Der Druckunterschied zwischen Druck-und Saug- seite führt zu einem Auftrieb, der eine Drehung des Rotors bewirkt, die wiederum zum Antrieb eines elektrischen Strom erzeugenden Generators genutzt wird.

Voraussetzung für einen hohen Wirkungsgrad des Rotors und damit einen hohen Ertrag der Windkraftanlage ist eine möglichst ungestörte Umströmung des Profils senkrecht zur Achse des Rotorblattes über den gesamten Bereich der Rotorblätter.

Bei bekannten Rotorblättern ist jedoch zu beobachten, daß die anliegende Luft- strömung auf der Saugseite abreißt und ein Totwassergebiet entsteht, das den Auftrieb des Rotorblatts mindert und das Rotorblatt abbremst, indem es dessen Widerstand erhöht. Totwassergebiet bezeichnet üblicherweise den Bereich der abgelösten Strömung. Beide Faktoren mindern den Ertrag der Windkraftanlage.

In der Regel erfolgt der Strömungsabriß in Strömungsrichtung gesehen jenseits der höchsten relativen Dicke des Profils. Betroffen sind davon in der Regel zu- mindest die blattwurzelnahen Bereiche.

Ein bekanntes Mittel, den Strömungsabriß zu reduzieren und so die Umströmung zu optimieren sind Vortexgeneratoren. Diese bestehen in der Regel aus Blechen, Stäben oder Profilen, die auf der Saugseite des Rotorblatts angebracht sind und lokal begrenzte Turbulenzen erzeugen, die ein großflächiges Abreißen der Um- strömung reduzieren. Solche Vortexgeneratoren sind z. B. aus der WO 0015961 bekannt. Nachteilig an den bekannten Vortexgeneratoren ist, daß sie den Ertrag der Windkraftanlage nur geringfügig verbessern, weil sie selbst Widerstand er- zeugen und zudem laute Geräusche erzeugen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Rotorblatt für Windkraftanlagen zu schaffen, das gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserte Umströ- mungseigenschaften aufweist.. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die unten ausführlich beschriebene Lösung dieser Aufgabe geht von der Er- kenntnis aus, daß insbesondere im Bereich der Rotorwurzel auf der Saugseite des Profils störende Strömungen entstehen, die in Querrichtung des Rotorblatts zur Blattspitze hin verlaufen. Diese Querströmungen, welche im wesentlichen im Bereich der abgelösten Strömung auftreten, sind auf die aufgrund der unter- schiedlichen Anströmgeschwindigkeiten bei unterschiedlichen Blattradien entste- henden Druckdifferenzen zurückzuführen, und werden besonders stark im Blatt- wurzelbereich induziert. Neben diesen Faktoren tragen auch die am Rotorblatt wirkenden Zentrifugalkräfte zum Entstehen dieser Querströmungen bei.

Durch die Querströmung wird die im Blattwurzelbereich des Rotorblatts vorhan- dene Ablösung aus der Umströmung des hier vorliegenden aerodynamisch un- günstigen Profils in Richtung der Blattspitze getragen, also in den Bereich aero- dynamisch wirksamerer Profile. Überdies stört die Querströmung aber auch die wirksame an dem Rotorblatt anliegende Strömung, indem sie Turbulenzen er- zeugt, die zu einem vorzeitigen Abriß dieser Strömungen führen.

Erfindungsgemäß ist daher ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage mit einer Ein- richtung zur Optimierung der Umströmung des Profils vorgesehen, die minde- stens ein im Wesentlichen in Strömungsrichtung ausgerichtetes, von der Saug- seite abstehendes flächiges Element aufweist, das im Bereich der erwähnten auf der Saugseite des Profils von der Blattwurzel nach außen verlaufenden Quer- strömung angeordnet ist, wobei die Höhe und Länge der Einrichtung so gewählt sind, daß die Einrichtung eine wirksame Reduktion dieser Querströmung bewirkt.

Durch die Reduktion der Querströmung durch dieses flächige Element wird ein vorzeitiger Strömungsabriß auf der Saugseite des Rotorblatts verhindert. Eine solchermaßen verbesserte Umströmung führt zu einer erheblichen Steigerung des Ertrags einer entsprechend ausgerüsteten Windkraftanlage, ohne daß eine Zu- nahme des Betriebsgeräusches zu befürchten ist.

Die erforderliche Höhe und Länge des jeweiligen flächigen Elements sowie des- sen optimale Position auf der Saugseite des Rotorblatts variiert naturgemäß mit dem Abstand zur Drehachse des Rotors, der Profildicke, der Breite des Rotors, der überwiegend zu erwartenden Anströmgeschwindigkeit etc.

Die optimale Konfigurierung läßt sich am einfachsten empirisch ermitteln, z. B. indem man an dem Rotorblatt in verschiedenen Radiuspositionen Reihen von mit ihrem einen Ende an dem Blatt befestigten Wollfäden anordnet, und in Freiland- versuchen anhand der Ausrichtung der freien Enden der Wollfäden die jeweils herrschenden Strömungsverhältnisse sichtbar macht. Auf diese Weise kann man relativ leicht den Effekt der erfindungsmäßen Elemente auf die Strömungsver- hältnisse in unterschiedlichen Radiuspositionen testen, und so die optimale An- zahl und Position, ggf auch die Dimensionierung der erfindungsgemäßen flächi- gen Elemente ermitteln.

Zu Ermittlung der erforderlichen Höhe der flächigen Elemente können die Woll- fäden ggf. zusätzlich auf unterschiedlich langen Abstandshaltern, in Form von z. B. Stäben angeordnet werden, um die Höhe des durch die Querströmung be- wirkten Totwassergebiets und damit die Höhe der aufzuhaltenden Querströmung zu bestimmen.

Mit dieser Herangehensweise läßt sich empirisch die optimale Höhe und Länge der erfindungsgemäßen flächigen Elemente und/oder deren optimale Position auf einem gegebenen Rotorblatt ermitteln. In entsprechenden Versuchsreihen können so für beliebige Rotorblatt-Typen die optimalen Dimensionen und Positionen der erfindungsgemäßen flächigen Elemente gefunden werden.

Aus dem Flugzeugbau sind auf der Saugseite einer Tragfläche angeordnete, eine Querströmung verhindernde flächige Elemente seit längerem bekannt. Diese Elemente finden insbesondere bei Flugzeugen Verwendung, deren Tragflächen gepfeilt angeordnet sind. Hier stellt sich das Problem, daß aufgrund der schrägen Anordnung an der Tragflächenvorderkante ein Druckgradient entsteht, der die die Tragfläche umströmende Luft in Richtung der Trägflächenspitze ablenkt. Diese nicht abgelöste Querströmung stört wiederum die Umströmung der Tragfläche, und mindert damit den Auftrieb, da die Strömung entlang des Flügels aber nicht mehr darüber strömt. Um die Querströmung zu reduzieren, verwendet man daher an solchen Tragflächen senkrecht angeordnete Barrieren, die als Grenzschicht- zäune bezeichnet werden.

Diese Grenzschichtzäune unterscheiden sich in wesentlichen Merkmalen von den hier erfindungsgemäß vorgestellten Elementen für Rotorblätter von Windkraft- anlagen. Da die nicht abgelösten Querströmungen an gepfeilten Tragflächen vor allem im Bereich der Tragflächenvorderkante induziert werden, sind Grenz- schichtzäune genau in diesem Bereich angeordnet. Häufig erstrecken sie sich so- gar um die Tragflächenvorderkante herum bis auf die Druckseite der Tragfläche.

Die erfindungsgemäßen flächigen Elemente für Rotorblätter von Windkraftanla- gen reduzieren dagegen eine durch andere Phänomene hervorgerufene, bereits abgelöste Querströmung, die überwiegend im Bereich der größten Profildicke des Rotorblatts entsteht und im Bereich stromabwärts der größten Profildicke einen Strömungsabriß induziert. Eine Anordnung lediglich im Bereich der Vorderkante des Rotorblatts macht bei diesen Elementen keinen Sinn.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das flä- chige Element mindestens im Bereich einer auf der Saugseite des Profils zwi- schen einem Bereich der größten relativen Dicke des Profils und der Hinterkante des Profils verlaufenden Querströmung angeordnet ist. Bei dieser Querströmung handelt es sich um die zuvor beschriebene Strömung, die durch die Differenz der Anströmgeschwindigkeiten zwischen blattwurzelnahen Bereichen und blattspit- zennahen Bereichen und dem daraus resultierenden Druckgradienten auf der Saugseite des Rotorblatts sowie durch die am Rotorblatt herrschenden Zentrifu- galkräfte entsteht.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich das flächige Element über die ganze Breite der Saugseite des Rotorprofils. Dadurch wird sichergestellt, daß ein Übergreifen der Querströmung auf Gebiete mit ge- sunder Strömung verhindert werden kann, selbst ohne den exakten Verlauf der Querströmung auf der Saugseite des Rotorblatts zu kennen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das flächige Ele- ment so ausgebildet, daß es sich in seiner Längsausdehnung in gerader Richtung erstreckt. Dadurch werden durch das flächige Element auftretende Widerstands- kräfte klein gehalten und die Lärmentwicklung minimiert. In einer besonders be- vorzugten Ausgestaltung erfolgt die Ausrichtung des flächigen Elements so, daß sie nicht mehr als 10° vom Verlauf der Tangente abweicht, die an dem Kreis mit dem, der Position des Elements entsprechenden Radius des Rotorblatts anliegt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das flächige Element so ausge- bildet, daß es sich in Richtung seiner Längsausdehnung dem Drehverlauf des Ra- dius folgend erstreckt, der dem Abstand des vorderen Endes des flächigen Ele- ments zur Drehachse des Rotors entspricht. Diese Ausgestaltung stellt eine weite- re Möglichkeit dar, die durch das flächige Element auftretenden Widerstands- kräfte klein zu halten und die Lärmentwicklung zu minimieren.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Rotorblatt auf der Saugseite seines Profils mehrere flächige Elemente auf- weist. Dies ist sinnvoll in Fällen, in denen hinter einem ersten erfindungsgemä- ßen Element erneut eine relevante Querströmung entsteht. Die optimale Positio- nierung und Dimensionierung dieser mehreren flächigen Element auf dem Rotor- blatt kann wie oben beschrieben vorgenommen werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die flächigen Elemente auf der Saugseite des Rotorblatts in einem Bereich ange- ordnet sind, der sich von der Blattwurzel bis zur Hälfte der Länge des Rotorblatts erstreckt. Besonders bevorzugt ist hierbei der Bereich, der sich von der Blattwur- zel bis zu einem Drittel der Länge des Rotorblatts erstreckt.

In einer besonderes bevorzugten Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, daß minde- stens ein flächiges Element in einem Bereich angeordnet ist, der von der Blatt- wurzel aus jenseits eines Übergangsbereichs liegt, in dem das Profil der Blatt- wurzel in ein Auftrieb generierendes Profil übergeht. Ein solchermaßen angeord- netes Element ist z. B. geeignet, eine bereits bestehende, aus dem Bereich der Blattwurzel herangetragene Querströmung zu unterbrechen und so eine Störung der in diesem Bereich anliegenden laminaren Strömungen zu vermeiden.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß mindestens ein flächiges Element in einem Bereich angeordnet ist, der von der Blattwurzel aus diesseits eines Übergangsbereichs liegt, in dem das Profil der Blattwurzel in ein Auftrieb generierendes Profil übergeht. Aufgrund der speziellen Verhältnisse bei Rotorblättern entsteht der wesentliche Teil der störenden Querströmung in die- sem blattwurzelnahen Bereich, da das Rotorblatt hier, aufgrund der großen Pro- fildicke, in der Regel kein strömungsgünstiges Profil aufweist. Das Vorsehen eines erfindungsgemäßen Elements in diesem Bereich verhindert daher besonders effektiv das Entstehen der Querströmung-im Gegensatz zu den zuvor beschrie- benen Elementen, die so angeordnet sind, dass sie eine Fortpflanzung einer be- reits bestehenden Querströmung in den Leistung erbringenden Bereich des Ro- torblatts verhindern.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das flächige Element zumindest abschnittsweise luftdurchlässig ausgebildet ist, z. B. in Form eines Gitters oder durch im Element angeordnete Bohrungen. Eine flächiges Element mit einer solchen Ausgestaltung kann bei geeigneter Dimen- sionierung auftretende Querströmungen u. U. besser reduzieren als ein ununter- brochenes flächiges Element. Außerdem kann durch eine solche Ausgestaltung das Gewicht der flächigen Elemente reduziert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das flächige Element aus Metall, wie beispielsweise Edelstahl oder Aluminium, aus Kunststoff, aus Verbundwerkstoffen, wie beispielsweise GFK oder CFK, oder einer Kombination dieser Materialien hergestellt ist. Eine solche Bauweise stellt sicher, daß das Element sowohl den Witterungsbedingungen als auch der mechanischen Beanspruchung unter Einsatzbedingungen standhält. Selbstver- ständlich können andere Materialien äquivalent verwendet werden, die den An- forderungen an Witterungsbeständigkeit und Stabilität genügen.

Die Erfindung bezieht sich nicht nur auf Rotorblätter, sondern auch auf flächige Elemente, die auf einem profilierten Rotorblatt einer Windkraftanlage im We- sentlichen in Strömungsrichtung ausgerichtet und von der Saugseite abstehend angeordnet werden können, und deren Höhe und Länge so gewählt sind, daß sie eine wirksame Reduktion einer von der Blattwurzel nach außen verlaufenden Querströmung bewirken. Solche Elemente können zur Nachrüstung bereits auf- gestellter Windkraftanlagen verwendet werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, daß das flächige Ele- ment dicht anschließend zum Konturverlauf des Rotorprofils in der Position sei- ner Anbringung gestaltet ist. Das Element kann aber auch elastisch oder plastisch formbar sein, so daß es erst im Augenblick der Montage in der Position seiner Anbringung dem Konturverlauf des Rotorprofils angepaßt werden kann.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Es zeigen : Fig. 1 die Aufsicht auf die Saugseite eines erfindungsgemäßen Rotorblatts einer Windkraftanlage, Fig. 2a einen Schnitt gemäß Linie A-A in Fig. 1, und Fig. 2b einen weiteren Schnitt gemäß Linie A-A in Fig. 1 in einer anderen Aus- gestaltung.

Fig. 1 zeigt ein Rotorblatt 10 mit einer Vorderkante 11, einer Hinterkante 12, ei- ner Blattwurzel 13, einer Blattspitze 14, einer Saugseite 15 und einer Druckseite 16. Das Rotorblatt weist in seinem Verlauf eine von der Blattwurzel 13 nach au- ßen zur Blattspitze 14 abnehmende relative Dicke auf. Die Vorderkante 11 weist in Drehrichtung des Rotorblattes. Auf der Saugseite 15 sind in Strömungsrich- tung angeordnete flächige Elemente 17 und 18 angebracht, die eine Querströ- mung auf der Saugseite 15 unterbinden und so einen vorzeitigen Strömungsabriß verhindern. Ein Übergangsbereich 19 ist dadurch gekennzeichnet, daß hier das zylindrische Profil der Blattwurzel 13 in ein tropfenförmiges, Auftrieb generie- rendes Profil übergeht. Die Querströmung ist durch einen Pfeil angedeutet.

Fig. 2a zeigt einen Schnitt durch das Rotorblatt gemäß Linie A-A in Fig. 1 mit einer Vorderkante 21, einer Hinterkante 22, einer Saugseite 25 und einer Druck- seite 26. Auf der Saugseite 25 ist das flächige Element 27 angeordnet, das sich von der Vorderkante 21 bis zur Hinterkante 22 und somit über die ganze Breite des Blattes erstreckt und eine Querströmung auf der Saugseite 25 unterbindet.

Fig. 2b zeigt einen weiteren Schnitt durch das Rotorblatt gemäß Linie A-A in Fig. 1 in einer anderen Ausgestaltung mit einer Vorderkante 21, einer Hinterkante 22, einer Saugseite 25 und einer Druckseite 26. Auf der Saugseite 25 ist das flä- chige Element 28 angeordnet, das sich von der Vorderkante 21 bis zur Hinter- kante 22 erstreckt und abgerundete Kanten aufweist. Das flächige Elemente 28 weist Bohrungen 29 auf, die bei geeigneter Dimensionierung dazu beitragen, daß eine Querströmung auf der Saugseite 25 wirksam unterbunden wird.