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WO1998001672A1 - Rotor für eine windkraftanlage - Google Patents

Rotor für eine windkraftanlage Download PDF

Info

Publication number
WO1998001672A1
WO1998001672A1 PCT/EP1997/003562 EP9703562W WO9801672A1 WO 1998001672 A1 WO1998001672 A1 WO 1998001672A1 EP 9703562 W EP9703562 W EP 9703562W WO 9801672 A1 WO9801672 A1 WO 9801672A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotor
mast
wind power
power plant
rotor blade
Prior art date
Application number
PCT/EP1997/003562
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Bockemühl
Edzard Hafner
Original Assignee
Euwind Systeme Gmbh Windkraftanlagen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Euwind Systeme Gmbh Windkraftanlagen filed Critical Euwind Systeme Gmbh Windkraftanlagen
Priority to DE19780521T priority Critical patent/DE19780521B4/de
Priority to AU35417/97A priority patent/AU3541797A/en
Publication of WO1998001672A1 publication Critical patent/WO1998001672A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F03D1/0608—Rotors characterised by their aerodynamic shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00—Geometry
    • F05B2250/10—Geometry two-dimensional
    • F05B2250/14—Geometry two-dimensional elliptical
    • F05B2250/141—Geometry two-dimensional elliptical circular
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a rotor for a wind power plant and a wind power plant with at least one such rotor.
  • wind power plants For the regenerative generation of energy from wind power, wind power plants are used which have a mast with a rotor rotatably arranged thereon. Usually, several such masts are arranged at certain distances from each other (wind farms). Even though the energy generation from these wind turbines is satisfactory from an economic and ecological point of view, the installation of wind turbines has recently failed to an increasing extent due to resistance from the population. Above all, the wind noise generated by the rotors and the so-called "drop shadow" are criticized.
  • the invention has for its object to provide a rotor for a wind turbine which has a low level of noise with high efficiency.
  • the invention proposes a rotor for a wind turbine, which is provided with a central central part, which is arranged concentrically to the axis of rotation, and a plurality of rotor blades protruding from the central part, the longitudinal extension of which by an inner end and an outer end and their Width extension is limited by two side edges, wherein each rotor blade is in particular firmly connected to the central part at its inner end, each rotor blade is curved and has a continuously convex curve and a continuously concave curved side edge, each rotor blade starting from its inner end to its outer end has a continuously decreasing width and the side edges of each rotor blade at its inner end extend such that they merge tangentially into an imaginary circular line concentric to the axis of rotation.
  • the rotor according to the invention has a central middle part, from which individual rotor blades extend radially.
  • the middle part is arranged concentrically to the axis of rotation.
  • the longitudinal extension of the rotor blades is limited by internal and external ends, while side edges of the rotor blades define the width extension.
  • the rotor blade surfaces are therefore defined by the inner and outer ends and the side edges.
  • the rotor blades are preferably fixedly connected to the central part at their inner ends.
  • each rotor blade is curved, preferably in such a way that the direction of curvature of the rotor blades and the direction of rotation of the rotor are opposite to one another.
  • each rotor blade has a continuously decreasing width, in that one side edge of the rotor blade is continuously convexly curved and the other side edge is continuously concavely curved.
  • the transition from the rotor blades to the central part is designed in such a way that the side edges of each rotor blade merge tangentially into an imaginary circular line running concentrically to the axis of rotation at its inner end.
  • each rotor blade is connected at its inner end to the central part over the entire width of the inner end. Furthermore, the rotor blades are curved, so that a crescent-like structure results when viewed from above.
  • These two design features lengthen the rotor blade area in relation to the radius, ie increase the aspect ratio.
  • the rotor blades of the rotor according to the invention therefore have a greater extension than straight, radial blades (with a constant radius of the rotor). This increase in elongation reduces the induced drag of the rotor, which leads to an improvement in efficiency.
  • the sickle shape can also reduce noise Ren.
  • the wind field to which the rotor is exposed is optimally utilized, since the wind power can also be used to rotate the rotor in the region near the central part.
  • the front i.e. viewed in the direction of rotation
  • the side edge of the rotor blades pointing in the direction of rotation is convexly curved
  • the rear side edge viewed in the direction of rotation ie the side edge pointing opposite to the direction of rotation of the rotor
  • this ratio is between approximately 0.5 to 2.5 and preferably between 0.6 and 2.
  • a value is selected for this ratio that is between 0.9 and 1.0.
  • the rotor blades and the central part of the rotor are expediently formed in one piece with one another.
  • the rotor according to the invention is preferably provided with three rotor blades which are arranged offset from one another around the central part and protrude from it.
  • the opposite convex and concave curved side- edges of two adjacent rotor blades (when viewed in a top view of the rotor).
  • a so-called Naca profile is used in particular as the profile (cross section) of the rotor blades. This profile has generally proven itself in practice and also delivers good results when used in the rotor according to the invention
  • the boundary layer between the air flow and the rotor blade i.e. the surface of the rotor blade
  • it is advantageous to profile the rotor blade surface which is achieved, for example, by a microstructure consisting of intersecting, group-parallel, diamond-shaped or undulating running ribs (prism structure) can be achieved.
  • the surface of the rotor blades is given a certain roughness. This reduces turbulence in the area of the rotor blades near the boundary layer and in the boundary layer itself, which in turn leads to reduced detachment phenomena and thus to reduced noise development.
  • the laminar flow at the boundary layer (surface of the rotor blade) is extended so that the lift acting on the rotor blade increases.
  • the surface of the rotor blades is designed to be elastically flexible.
  • an elastic coating which is expediently an enclosed air layer or an enclosed layer made of another flowable fluid or other material.
  • the air layer can, for example, in individual air chambers be divided.
  • the elastic coating thus acts either through a compressible material (usually gas) arranged on the surface of the rotor blades or is realized through a flowable material layer, whereby this material does not necessarily have to be compressible but can evade local pressure increases due to its flow properties.
  • the rotor blades can be arranged rigidly on the central part of the rotor.
  • this mast is designed to be flexible, so that the rotor yields when the mast bends under high wind forces, so that the wind forces on the rotor are limited to a maximum.
  • the rotor can also be tilted in that the holding body (generally also referred to as a nacelle) which rotatably supports the rotor and which is preferably rotatably mounted on the mast about a vertical axis, additionally also by one horizontal pivot axis is pivotable, which extends transversely to the extension of the mast.
  • the entire holding body and thus also the rotor can be tilted if the wind power conditions and wind speeds require this.
  • a drive is provided for pivoting the holding body, which operates in particular hydraulically and is preferably designed as a piston-cylinder unit, which is supported on the one hand on the holding body and on the other hand on the mast.
  • the holding body can be pivoted about 90 ° about the pivot axis is. Then the rotor can be conveniently or the like with a horizontal extension. raised and attached to the holder body tilted by 90 °.
  • the generator or generators for converting the kinetic energy into electrical energy are not in the holding bodies of the rotors at the upper end of the masts but outside of these holding bodies and outside the masts, for example, are arranged on the ground.
  • the rotor drives a hydraulic pump, which is arranged in the holding body at the upper end of the mast.
  • This hydraulic pump is integrated in a hydraulic circulation line, which also contains a hydraulic motor.
  • the transmission of the mechanical energy of the rotor via a hydraulic circulation system also has the advantage that several rotors are connected hydraulically or hydrostatically in series and work on a hydraulic motor. This in turn makes it possible to provide a common generator for a plurality of wind power masts, which enables the convenient (electrical) interconnection of a plurality of wind power masts in a wind power park.
  • FIG. 1 is a front view of a wind turbine with a mast and a rotor attached thereto
  • FIG. 2 shows a side view of the upper end of the mast with a nacelle and a rotor attached to it, with the axis of rotation oriented transversely to the extent of the mast,
  • Fig. 3 is a side view of the upper end of the mast with nacelle and attached to this rotor with the axis of rotation aligned parallel to the extension of the mast and
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of the wind turbine according to FIG. 1 in a side view to illustrate the transmission of the rotational energy of the rotor via a hydraulic circulation system to an electricity-generating generator arranged on the ground.
  • a wind turbine 10 which has a (tubular) mast 12 with a rotor 14 rotatably arranged at its upper end. 2, the rotor 14 is rotatably supported by a holding body or a nacelle 16 which is arranged at the upper end of the mast 12.
  • the rotor 14 has an axis of rotation 18 which is rotatably mounted on the nacelle 16 and is connected in a rotationally fixed manner to a central part 22 of the rotor 14 indicated by a dashed circular line 20.
  • Three rotor blades 24 extend from the central part 22 of the rotor 14 and are each offset by 120 ° from one another.
  • Each rotor blade 24 is curved in the manner of a sickle and has an inner end 26, at which it merges into the central part 22, and an outer end 28. As shown in FIG. 1, each rotor blade 24 tapers in width from its inner end 26 to its outer end 28 continuously.
  • the rotor blades 24 are each delimited by two side edges 30, 32.
  • the surfaces 33 of the rotor blades 24 run obliquely, so that when the rotor 14 flows against it, it rotates in the direction of the arrow 34.
  • the rotor 14 is formed in one piece, i.e. that the middle part 22 and the rotor blades 24 are integrally formed.
  • the front side edges 30 of the rotor blades 24 in the direction of rotation 34 are convexly curved, while the rear side edges 32 in the direction of rotation 34 are concavely curved.
  • the side edges 30, 32 of the rotor blades 24 run tangentially to the circular line indicated at 20, which in turn is concentric with the axis of rotation 18.
  • the rotor blades 24 have their maximum width in the region of the central part 22 at their inner ends 26, tapering from these inner ends 26 to the outer ends 28.
  • the convex and concave curved side edges 30, 32 have no turning points in the region of the rotor blades between their ends 26 and 28.
  • the radius of curvature r of the rotor blades 24 is approximately 0.9 to 1 times the radius R of the rotor 18.
  • the curvature of the rotor blades 24 increases their rotor area for a given rotor radius R. This increases the extension of the rotor blades 24, which has an advantageous effect on a reduction in the induced resistance at the outer ends 28 of the rotor blades 24. However, this in turn reduces the noise generated by the rotor 14 when it rotates. In addition, due to the continuous widening of the rotor blades 24 up to the central part 22, the flow field to which the rotor 14 extends is optimally used and thus the wind energy is optimally converted into kinetic energy.
  • the rotor 14 can tilt between its vertical orientation (FIG. 2) and a horizontal orientation (FIG. 3) about a horizontal pivot axis 35. This tilting movement can be used to reduce the wind force acting on the rotor 14 at high wind speeds.
  • the nacelle 16 is provided with a mounting frame 36 which supports the rotor axis 18 and is pivotable about the pivot axis 35.
  • a piston-cylinder unit 38 acts on the frame 36, which is supported on the one hand on the frame 36 and on the other hand on the mast 12.
  • the preferably hydraulically operated piston-cylinder unit can be extended, which causes the nacelle 16 and thus the rotor 14 to pivot relative to the mast 12.
  • the swivel range is 90 °, as can be seen from FIGS. 2 and 3 results.
  • the pivotability of the holding body 16 has advantages when installing the wind turbine.
  • the mast 12 together with the holding body 16 can first be assembled and set up.
  • the rotor 14 can then be conveniently placed on the holding body 16 from above in the horizontal orientation and fastened there. This type of assembly is quite convenient for wind turbines.
  • the pivotability of the holding body 16 and thus the possibility of tilting the rotor 14 also has advantages with regard to the limitation of the wind force loads acting on the rotor, if one considers that this load results from the pivoting of the rotor 16 by 20% Vertical reduced by about half.
  • FIG. 4 a further property of the wind Power plants 10 are received.
  • the rotor 14 has a planetary gear 40 which meshes with a gear 42.
  • the rotation of the gear wheel 42 drives a hydraullk pump 44, which is arranged within a hydraullk circulation line 46 and pressurizes hydraulic fluid in this line 46 and causes it to flow.
  • the hydraulic circulation line 46 passes through the mast 12 and ends at the lower end thereof.
  • a hydraulic motor 50 is located on the ground 48 and is driven by the flowing fluid of the hydraulic circulation line 46.
  • the hydraulic motor 50 itself drives a generator 52, which generates the electrical energy.
  • This type of transmission of the mechanical energy from the upper end of the mast 12 to the ground 48 makes it possible to reduce the weight to be carried by the mast 12, since the weight of the generator 52 no longer has to be carried by the mast 12.

Landscapes

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Abstract

Der Rotor (14) für eine Windkraftanlage ist mit einem zentralen Mittelteil (22), das konzentrisch zur Drehachse (18) angeordnet ist, und mehreren von dem Mittelteil (22) abstehenden Rotorblättern (24) versehen, deren Längsertreckung durch ein innenliegendes Ende (26) und ein außenliegendes Ende (28) und deren Breitenerstreckung durch zwei Seitenränder (30, 32) begrenzt ist. Jedes Rotorblatt (24) ist an seinem innenliegenden Ende (26) insbesondere fest mit dem Mittelteil (22) verbunden. Jedes Rotorblatt (24) ist gekrümmt und weist einen kontinuierlich konvex gekrümmt sowie einen kontinuierlich konkav gekrümmt verlaufenden Seitenrand (30, 32) auf. Ausgehend von seinem innenliegenden Ende (26) bis zu seinem außenliegenden Ende (28) weist jedes Rotorblatt (24) eine kontinuierlich abnehmende Breite auf. Die Seitenränder (30, 32) jedes Rotorblatts (24) verlaufen an dessen innenliegendem Ende (26) derart, daß sie tangential in eine konzentrisch zur Drehachse (18) verlaufende gedachte Kreislinie (20) übergehen.

Description

ROTOR FÜR EINE WINDKRAFTANLAGE
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Windkraftanlage sowie eine Windkraftanlage mit mindestens einem derartigen Rotor.
Zur regenerativen Energiegewinnung aus Windkraft bedient man sich Windkraftanlagen, die einen Mast mit einem daran drehbar angeordneten Rotor aufweisen. Zumeist werden mehrere derartige Masten in bestimmten Abständen voneinander angeordnet (Windparks) . Auch wenn die Energiegewinnung durch diese Windkraftanlagen vom ökonomischen und ökologischen Standpunkt her zufriedenstellend ist, scheitert die Installation von Windkraftanlagen in letzter Zeit in zunehmendem Maße an Widerständen in der Bevölkerung. Dabei werden vor allem die von den Rotoren erzeugten Windgeräusche und der sogenannte "Schlagschatten" bemängelt.
Aus klima- und energiepolitischer Sicht kann aber langfristig auf die umwel freundliche regenerative Energiegewinnung aus 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 bei- spielsweise mit einer Reduzierung des Schlagschatteneffekts (Stroboskop- bzw. "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 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 Rotorblattflächen 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 Seitenrand des Rotorblatts kontinuierlich konvex gekrümmt ist und der andere Seitenrand kontinuierlich konkav gekrümmt verläuft. Der Übergang der Rotorblätter zum Mittelteil ist derart ausgestaltet, 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 Rotorblatt - fläche 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 Sichel - form lassen sich ferner die Geräuschentwicklungen reduzie- ren. 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 mittelteil- nahen Bereich des Rotors zur Rotation desselben ausgenutzt werden kann.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der in Rotationsrichtung 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.
Für das Verhältnis aus dem Krümmungsradius jedes Rotorblatts und dem Radius des Rotors gilt, daß dieses Verhältnis zwischen etwa 0,5 bis 2,5 und vorzugsweise zwischen 0,6 und 2 liegt. Insbesondere wird für dieses Verhältnis ein Wert gewählt, der zwischen 0,9 und 1,0 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 einstückig 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 Seiten- ränder 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, gruppenweise 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 ko - pressibel 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 Windkraftbelastungen nachgibt, so daß die Windkraftbelastungen des Rotors auf ein Maximum begrenzt sind.
Ein Kippen des Rotors kann alternativ zu der obigen Ausgestaltung aber auch dadurch realisiert werden, daß der den Rotor drehend tragende Haltekόrper (im allgemeinen auch mit Gondel bezeichnet) , der oben auf dem Mast vorzugsweise um eine vertikale Achse drehbar gelagert ist, zusätzlich auch um eine horizontale Schwenkachse schwenkbar ist, die quer zur Erstreckung des Masts verläuft. Durch diese horizontale Schwenkachse läßt sich der gesamte Haltekörper und damit auch der Rotor kippen, wenn dies die Windkraftverhältnisse und Windgeschwindigkeiten erfordern. Zweckmäßigerweise ist zum Verschwenken des Haltekörpers ein Antrieb vorgesehen, der insbesondere hydraulisch arbeitet und vorzugsweise als Kolben-Zylmder-Einheit ausgeführt ist, die sich einerseits am Haltekörper und andererseits am Mast abstützt .
Im Hinblick auf die Montage eines Rotors einer Windkraftanlage am oberen Ende des Masts ist es zweckmäßig, wenn der Haltekörper um etwa 90° um die Schwenkachse schwenkbar ist. Dann nämlich kann der Rotor bei horizontaler Erstreckung bequem mit einem Kran o.dgl. angehoben und an dem um 90° abgekippten Haltekörper angebracht werden.
Im Hinblick auf die geforderte Stabilität und die Zusammenschaltung mehrerer mit Rotoren versehenen Masten einer Windkraftanlage ist es zweckmäßig, wenn der oder die Generatoren für die Umsetzung der Bewegungsenergie in elektrische Energie nicht in den Haltekörpern der Rotoren am oberen Ende der Masten sondern außerhalb dieser Haltekörper und außerhalb der Masten, beispielsweise auf dem Erdboden angeordnet sind. Dies gelingt in vorteilhafter Weise dadurch, daß der Rotor gegebenenfalls über ein Getriebe eine Hydraulikpumpe antreibt, die am oberen Ende des Masts im Haltekörper angeordnet ist. Diese Hydraulikpumpe ist in eine Hydraulik-Zirkulationsleitung eingebunden, in der sich auch ein Hydraulikmotor befindet. Mit diesem Kraft - Übertragungsmechanismus ist es möglich, die in elektrische Energie umzuwandelnde mechanische Energie "auf den Erdboden" zu übertragen, um sie dort in elektrische Energie umzusetzen. Damit reduzieren sich die Gewichtsbelastungen des Masts, der wiederum leichtgewichtiger und weniger stabil ausgebildet sein kann.
Die Übertragung der mechanischen Energie des Rotors über ein Hydraulik-Zirkulationssystem hat darüber hinaus den Vorteil, daß mehrere Rotoren hydraulisch bzw. hydrostatisch in Reihe geschaltet werden und auf einen Hydraulikmotor arbeiten. Damit wiederum ist es möglich, für mehrere Windkra tmasten einen gemeinsamen Generator vorzusehen, was die bequeme (elektrische) Zusammenschaltung mehrerer Windkraftmasten eines Windkraftparks ermöglicht.
Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbei- spiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen: Fig. 1 eine Vorderansicht auf eine Windkraftanlage mit einem Mast und einem daran angebrachten Rotor,
Fig. 2 eine Seitenansicht des oberen Endes des Masts mit Gondel und an dieser befestigtem Rotor bei quer zur Erstreckung des Masts ausgerichteter Rotationsachse,
Fig. 3 eine Seitenansicht des oberen Endes des Masts mit Gondel und an dieser befestigtem Rotor bei parallel zur Erstreckung des Masts ausgerichteter Rotationsachse und
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Windkraftanlage gemäß Fig. 1 in Seitenansicht zur Verdeutlichung der Übertragung der Rotationsenergie des Rotors über ein Hydraulik-Zirkulationssystem zu einem auf dem Boden angeordneten stromerzeugenden Generator.
In Fig. 1 ist eine Windkraftanlage 10 dargestellt, die einen (Rohr-) Mast 12 mit einem an dessen oberen Ende drehbar angeordneten Rotor 14 auf eist. Gemäß Fig. 2 ist der Rotor 14 von einem Haltekδrper oder einer Gondel 16 drehbar gehalten, der bzw. die am oberen Ende des Masts 12 angeordnet ist. 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 Anströ- mung 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 einstückig 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 0,9- bis 1-fache des Radius R des Rotors 18.
Durch die Krümmung der Rotorblätter 24 wird deren Rotorfläche bei gegebenem Rotorradius R vergrößer . 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 aus- gesetzt ist, optimal ausgenutzt und damit die Windenergie optimal in Bewegungsenergie umgesetzt werden.
Wie in den Fign. 2 und 3 verdeutlicht, läßt sich der Rotor 14 zwischen seiner vertikalen Ausrichtung (Fig. 2) und einer horizontalen Ausrichtung (Fig. 3) um eine horizontale Schwenkachse 35 kippen. Diese Kippbewegung kann genutzt werden, um die auf den Rotor 14 wirkende Windkraft bei hohen Windgeschwindigkeiten zu reduzieren. Die Gondel 16 ist mit einem Halterungsgestell 36 versehen, das die Rotorachse 18 trägt und um die Schwenkachse 35 schwenkbar ist. An dem Gestell 36 greift eine Kolben- Zylinder-Einheit 38 an, die sich einerseits am Gestell 36 und andererseits am Mast 12 abstützt. Die vorzugsweise hydraulisch betriebene Kolben-Zylinder-Einheit läßt sich ausfahren, wodurch es zu einer Verschwenkung der Gondel 16 und damit des Rotors 14 relativ zum Mast 12 kommt . Der Schwenkbereich beträgt dabei 90°, wie es sich aus den Fign. 2 und 3 ergibt. Die Verschwenkbarkeit des Haltekörpers 16 hat Vorteile bei der Montage der Windkraftanlage. So kann beispielsweise zunächst der Mast 12 mitsamt dem Haltekörper 16 montiert und aufgestellt werden. Durch Ausrichtung des Haltekörpers 16 gemäß Fig. 3 läßt sich dann der Rotor 14 bei horizontaler Ausrichtung bequem von oben auf den Haltekörper 16 aufsetzen und dort befestigen. Diese Art des Zusammenbaus ist für Windkraftanlagen recht komfortabel .
Die Schwenkbarkeit des Haltekörpers 16 und damit die Möglichkeit des Abkippens des Rotors 14 hat auch im Hinblick auf die Begrenzung der auf den Rotor wirkenden Windkraft - belastungen Vorteile, wenn man bedenkt, daß sich diese Belastung bei einer Verschwenkung des Rotors 16 um 20 % aus der Vertikalen um etwa die Hälfte verringert.
Anhand der Schemazeichnung gemäß Fig. 4 soll nachfolgend auf eine weitere Eigenschaft der hier beschriebenen Wind- kraftanläge 10 eingegangen werden. Wie anhand von Fig. 4 gezeigt, befindet sich im Haltekόrper 16 eine Energie-Um- setzeinheit, die durch Rotation des Rotors 14 angetrieben wird. Zu diesem Zweck weist der Rotor 14 ein Planetenzahnrad 40 auf, das mit einem Zahnrad 42 kämmt. Durch die Rotation des Zahnrades 42 wird eine Hydraullkpumpe 44 angetrieben, die innerhalb einer Hydraullk-Zirkulationslei- tung 46 angeordnet ist und m dieser Leitung 46 befindliche Hydraulikflüssigkeit druckbeaufschlagt und veranlaßt zu strömen. Die Hydraulik-Zirkulationsleitung 46 verläuft durch den Mast 12 hindurch und endet an dessen unteren Ende. Auf dem Erdboden 48 befindet sich ein Hydraulikmotor 50, der von dem strömenden Fluid der Hydraulik-Zirkula- tionsleitung 46 angetrieben wird. Der Hydraulikmotor 50 selbst treibt einen Generator 52 an, der die elektrische Energie erzeugt .
Durch diese Art der Übertragung der mechanischen Energie vom oberen Ende des Masts 12 zum Erdboden 48 ist es möglich, das vom Mast 12 zu tragende Gewicht zu reduzieren, da das Gewicht des Generators 52 jetzt nicht mehr vom Mast 12 getragen werden muß. Darüber hinaus ist es aber auch möglich, die mechanische Energie mehrerer Rotoren 14 auf einen Hydraulikmotor zu vereinigen, so daß bei einer Wmd- kraftanlage mit mehreren Masten und mehreren Rotoren nur noch ein Generator erforderlich ist.

Claims

ANSPRÜCHE
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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jedes Rotorblatt (24) an seinem innenliegenden Ende (26) insbesondere fest mit dem Mittelteil (22) verbunden ist, jedes Rotorblatt (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 .
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 0,5 bis 2,5, vorzugsweise 0,6 bis 2,0 und insbesondere 0,9 bis 1,0 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 (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) einstückig 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.
8. 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), einem Rotor (14) , insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, und einem Haltekörper (16), an dem der Rotor (14) um eine Drehachse (18) drehbar gelagert ist, wobei der Haltekörper (16) um eine quer zur Erstreckung des Masts (12) verlaufende horizontale Schwenkachse (35) schwenkbar am Mast (12) gelagert ist.
10. Windkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß zum Verschwenken des Haltekörpers (16) um die Schwenkachse (35) eine insbesondere hydraulische Antriebseinheit (38) vorgesehen ist.
11. Windkraftanlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltekörper (16) etwa um 90° um die Schwenkachse (35) schwenkbar ist.
12. Windkraftanlage mit mindestens einem Mast (12) und einem Rotor (14) , insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , wobei der Mast (12) flexibel ist.
13. Windkraftanlage mit mindestens einem Mast (12) , einem Rotor (14) , insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, einer von dem Rotor (14) drehend antreibbaren Hydraulikpumpe (44) , die am oberen Ende des Masts
(12) angeordnet ist, und einem am unteren Ende des Masts (12) oder außerhalb des Masts (12) angeordneten Hydraulikmotor
(50), der über eine Hydraulikringleitung (46) mit der Hydraulikpumpe verbunden ist.
14. Windkraftanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Masten (12) mit jeweils einer Hydraulikpumpe (44) und einem Hydraulikmotor (50) vorgesehen sind und daß sämtliche Hydraulikmotoren
(50) in Reihe geschaltet sind.
15. Windkraftanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Masten (12) mit jeweils einer Hydraulikpumpe (44) vorgesehen sind und daß sämtliche Hydraulikpumpen (44) mit einem einzigen Hydraulikmotor (50) in einer gemeinsamen Hydraulikringleitung
(46) in Reihe geschaltet sind.
16. Windkraftanlage nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Masten (12) gleiche und/oder unterschiedliche Längen aufweisen.
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