DE102006041383B4 - Wind energy plant with cone-shaped rotor blades - Google Patents

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Abstract

Windenergiean1age mit konusförmig angeordneten Rotorblättern (1), die mit der Rotornabe (2) über eine Bolzenverbindung (7, 8) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattanschlussfläche (6) des Wurzelbereiches (4) des Rotorblattes (1) gegenüber der Blattachse (C) um einen Blattkonuswinkel α (10° ≥ α > 0°) geneigt ausgebildet ist, unter Beibehaltung einer senkrechten Stellung der Befestigungsbolzen (7, 8) für das Rotorblatt (1) gegenüber der Blattanschlussfläche (5) auf der Rotornabe (2) oder des Pitchlagers (3).Windenergiean1age arranged with a cone rotor blades (1), with the rotor hub (2) over a bolt connection (7, 8) are connected, characterized that the blade pad (6) of the root area (4) of the rotor blade (1) with respect to Leaf axis (C) around a leaf cone angle α (10 ° ≥ α> 0 °) inclined, while maintaining a vertical position the fastening bolt (7, 8) for the rotor blade (1) opposite the leaf connection surface (5) on the rotor hub (2) or the pitch bearing (3).

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Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Turm mit einer Gondel an der Spitze des Turmes und einem an der Gondel angeordneten Rotor mit einer Rotornabe und wenigstens einem Rotorblatt, das als Luv-Läufer betrieben wird, d. h., der Rotor befindet sich an der dem Wind zugewandten Seite des Turmes.The The invention relates to a wind turbine with a tower with a Gondola at the top of the tower and a rotor arranged on the nacelle with a rotor hub and at least one rotor blade operated as a windward runner is, d. h., The rotor is located on the windward side of the tower.

Um größere Rotorblätter wirtschaftlich fertigen zu können, werden permanent konstruktive Verbesserungen in die Entwicklung von Rotorblättern eingebracht. Die Ausnutzung der verwendeten Materialien hinsichtlich Ihrer Belastbarkeit wurde erheblich gesteigert. Gleichzeitig sind die Blätter – um in entscheidenden Situationen Lasten zu reduzieren – in Relation zu ihrer zunehmenden Länge immer schlanker und damit auch dünner geworden.Around larger rotor blades economically to be able to manufacture become permanent constructive improvements in the development introduced by rotor blades. The utilization of the materials used in terms of their load capacity was significantly increased. At the same time the leaves are - in order to crucial situations to reduce loads - in relation to their increasing Length always slimmer and therefore thinner become.

Aufgrund dieser Tendenzen steigt die Flexibilität der Rotorblätter. Das an sich bekannte technische Problem, dass durch den auftretenden Wind die Rotorblätter zum Turm hin gebogen werden und insbesondere bei heftigen Windböen die Gefahr der Kollision eines Rotorblattes mit dem Turm besteht, wird dadurch verschärft. Dabei ist wenigstens eine Beschädigung oder sogar eine Zerstörung des Rotorblattes und/oder des Turmes möglich.by virtue of These tendencies increase the flexibility of the rotor blades. The known per se technical problem that due to the occurring Wind the rotor blades bent towards the tower and especially in heavy gusts of wind danger the collision of a rotor blade with the tower is, thereby exacerbated. There is at least one damage or even a destruction the rotor blade and / or the tower possible.

Aus dem Stand der Technik sind zur Lösung dieses Problems verschiedene Lösungsvarianten bekannt, die letztlich mit größeren baulichen Veränderungen entweder bei den Rotorblättern selbst und/oder den Anschlüssen der Rotorblätter an der Rotornabe verbunden sind.Out The prior art is to solve this Problems different solution variants known, ultimately with larger structural changes either with the rotor blades yourself and / or the connections the rotor blades are connected to the rotor hub.

Eine erste Lösungsvariante besteht darin, den Abstand der Rotornabe vom Turm zu vergrößern. Aufgrund der damit verbundenen mechanischen Belastungen, insbesondere von Biegebelastungen im Turm aus der großen Rotormasse, wird diese Variante ziemlich einhellig von der Fachwelt verworfen.A first solution variant is to increase the distance of the rotor hub from the tower. by virtue of the associated mechanical loads, in particular of Bending loads in the tower from the large rotor mass, this is Variant quite unanimously discarded by experts.

Ähnlich verhält es sich bei der Möglichkeit der Vergrößerung des Neigungswinkels der Rotorachse gegenüber der Horizontalen. Auch diese Maßnahme wird üblicherweise nur in bestimmten Grenzen verwendet, da durch die Achsneigung eine aerodynamische Unwucht erzeugt wird. Weiterhin verkleinert sich die wirksame Rotorfläche mit dem Achsneigungswinkel.The situation is similar at the possibility of Magnification of the Inclination angle of the rotor axis relative to the horizontal. Also This measure becomes common used only within certain limits, as by the axial pitch an aerodynamic Imbalance is generated. Furthermore, the effective rotor surface decreases with the axis tilt angle.

Ein weiteres Lösungsprinzip besteht darin, die Rotorblätter mit einer Vorkrümmung zu versehen. So ist es möglich, der Durchbiegung der Rotorblätter im Betrieb mit einer entgegengesetzten Krümmung im unbelasteten Zustand zu begegnen. Ein entsprechender Vorschlag ist aus der DE 698 28 420 T2 bekannt. Hier wird vorgeschlagen, dass die Flügel, die sich durch den Winddruck biegen können, sich von der Nabe in der senkrechten Ebene nach außen erstrecken und sich in einer Distanz von der Nabe zumindest entlang des äußeren Drittels der Flügel dann in nach außen und vorn gekrümmter Weise erstrecken.Another solution principle is to provide the rotor blades with a pre-curvature. Thus, it is possible to counteract the deflection of the rotor blades in operation with an opposite curvature in the unloaded state. A corresponding proposal is from the DE 698 28 420 T2 known. Here, it is proposed that the wings, which can bend by the wind pressure, extend outwardly from the hub in the vertical plane and then extend outwardly and forwardly at a distance from the hub, at least along the outer third of the wings extend.

Diese Maßnahme erhöht allerdings der Fertigungsaufwand erheblich. Zudem verschlechtert sich die Transportierbarkeit der Rotorblätter. Besonders für sehr große Rotorblätter ist dies ein entscheidendes Kriterium.These measure elevated However, the production cost considerably. In addition, deteriorates the transportability of the rotor blades. Especially for very large rotor blades this is a decisive criterion.

Aus der DE 296 12 720 U1 ist es zur Vermeidung einer Kollision der Rotorblätter mit dem Turm als eine weitere Variante bekannt, die Rotorblätter in einem sogenannten Konuswinkel anzuordnen. Der Konuswinkel wird durch die Längsachse des Rotorblattes und einer Normalebene gebildet, wobei sich die Normalebene von dem Schnittpunkt der Längsachse und der Rotordrehachse senkrecht zu der Rotordrehachse erstreckt. Über die technische Realisierung werden keine Ausführungen gemacht.From the DE 296 12 720 U1 it is known to avoid a collision of the rotor blades with the tower as a further variant, to arrange the rotor blades in a so-called cone angle. The cone angle is formed by the longitudinal axis of the rotor blade and a normal plane, wherein the normal plane extends from the intersection of the longitudinal axis and the rotor axis of rotation perpendicular to the rotor axis of rotation. About the technical realization no statements are made.

Diese Lösung wurde mit der DE 102 01 726 B4 dahingehend konstruktiv ausgestaltet, dass bei einem Zwischenstück zwischen Rotornabe und Rotorblatt die Flanschebenen einen spitzen Winkel (α) einschließen und das Zwischenstück derart an der Rotornabe angebracht ist, dass zwischen dem Rotorblatt und dem Turm ein zweiter spitzer Winkel (β) eingeschlossen ist. Die Realisierung dieses Vorschlages setzt ein speziell ausgebildetes Zwischenstück voraus, was ein wesentlicher Nachteil ist.This solution was with the DE 102 01 726 B4 constructively designed such that at an intermediate piece between the rotor hub and rotor blade, the flange planes include an acute angle (α) and the intermediate piece is attached to the rotor hub, that between the rotor blade and the tower, a second acute angle (β) is included. The realization of this proposal requires a specially trained intermediate piece, which is a significant disadvantage.

Auch die technische Lehre gemäß DE 10 2004 023 774 A1 basiert auf dem Prinzip, das Rotorblatt stumpfwinklig zur Rotordrehachse vom Turm weg geneigt ausgerichtet an der Rotorachse anzuordnen, wobei das Rotorblatt in mindestens einen Längsabschnitt gekrümmt zur Längsachse ausgebildet ist.Also the technical teaching according to DE 10 2004 023 774 A1 is based on the principle of the rotor blade obtusely to the rotor axis of rotation away from the tower aligned to be arranged on the rotor axis, wherein the rotor blade is formed in at least one longitudinal section curved to the longitudinal axis.

Der Vollständigkeit halber soll noch auf die WO 01/42 647 A2 verwiesen werden. In dieser Windkraftanlage finden bei der Befestigung der zylinderförmigen Wurzel der Rotorblätter an der Rotornabe T-Bolzen Verwendung, deren Querbolzen senkrecht zur Rotorblattachse angeordnet sind. Die zylinderförmige Wurzel besitzt eine Blattanschlussfläche, die senkrecht zur Rotorblattachse verläuft. Eine Ausstellung der Rotorblätter gegenüber einer vertikalen Rotorebne ist hier nur durch eine entsprechende Anordnung der Blattanschlussflächen auf der kugelförmigen Rotornabe erreichbar.The sake of completeness is still on the WO 01/42 647 A2 to get expelled. In this wind turbine find in the attachment of the cylindrical root of the rotor blades on the rotor hub T-bolt use, the transverse pins are arranged perpendicular to the rotor blade axis. The cylindrical root has a blade pad which is perpendicular to the rotor blade axis. An exhibition of the rotor blades relative to a vertical rotor beam can only be achieved here by means of a corresponding arrangement of the blade connection surfaces on the spherical rotor hub.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu eröffnen, bisher verwendete Blattanschlüsse bei einer Blattanschlussfläche rechtwinklig zum zylindrischen Blattwurzelbereich z. B. in Form einer T-Bolzen-Verbindung, derart zu modifizieren, dass eine Konusstellung der Rotorblätter zur Rotorachse erreicht wird. Insbesondere sollen die Anschlüsse an die Rotornabe unverändert bleiben.The object of the invention is to open up a possibility, previously used blade terminals at a blade terminal surface perpendicular to the cylin drical leaf root area z. B. in the form of a T-bolt connection to modify such that a cone position of the rotor blades is achieved to the rotor axis. In particular, the connections to the rotor hub should remain unchanged.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1, vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Is solved This object with the features of claim 1, advantageous embodiments Subject of the dependent claims.

Nicht oder nur teilweise vorgekrümmte Rotorblätter weisen eine Blattachse auf, die normalerweise die Mittelachse des zylindrischen Bereichs der Blattwurzel nahe des Blattanschlusses darstellt.Not or only partially precurved rotor blades have a leaf axis, which is usually the central axis of the cylindrical portion of the blade root near the leaf connection represents.

Üblicherweise ist die Blattanschlussfläche rechtwinklig zum zylindrischen Blattwurzel-Bereich ausgeführt. In diesem Fall fallen die Blattachse und die Pitchachse, die Drehachse, um die das Rotorblatt mit Blattwinkelverstellung gedreht wird, zusammen.Usually the leaf connection surface is rectangular executed to the cylindrical blade root area. Fall in this case the blade axis and the pitch axis, the axis of rotation around which the rotor blade with Blade angle adjustment is turned, together.

Es wird nun vorgeschlagen, die Blattanschlussfläche des Wurzelbereiches des Rotorblattes gegenüber der Blattachse um einen Blattkonuswinkel α (10° ≥ α > 0°) geneigt auszubilden, wobei eine senkrechte Stellung der Befestigungsbolzen für das Rotorblatt gegenüber der Blattanschlussfläche der Rotornabe bzw. des Pitchlagers beibehalten werden soll.It It is now proposed to use the leaf connection surface of the root area of the Rotor blade opposite the blade axis by a blade cone angle α (10 ° ≥ α> 0 °) inclined to form, with a vertical position of the fastening bolts for the rotor blade across from the leaf connection surface the rotor hub or the pitch bearing to be maintained.

Im Arbeitszustand addieren sich damit der Nabenkonuswinkel und der Blattkonuswinkel zum Gesamtkonuswinkel γ. Der Turmfreigang wird somit vergrößert. In Fahnenstellung sind dagegen die Blätter nur mit dem Nabenkonuswinkel nach vorn geneigt, was die Vorpfeilung in diesem Zustand gering hält.in the Working state thus add the hub cone angle and the Leaf cone angle to the total cone angle γ. The tower clearance is thus increased. In Flag position, however, are the leaves only with the hub cone angle tilted forward, which keeps the Vorpfeilung in this state low.

Diese Lösung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Es kann ein zusätzlicher Konuswinkel und damit ein größerer Turmfreigang realisiert werden, ohne die Nabe ändern zu müssen. Der zusätzlich Konuswinkel ruft keine größere Vorpfeilung der Rotorblätter in der Fahnenstellung hervor. Die Pitchmomente werden reduziert, da sich das Blatt im durchgebogenen Zustand näher an der Pitchachse befindet.These solution has a number of advantages. It can be an extra Cone angle and thus a larger tower clearance be realized without having to change the hub. The additional cone angle calls no major prewar the rotor blades in the flag position. The pitch moments are reduced, because the sheet is in the bent state closer to the pitch axis.

Zur weiteren Reduzierung der Pitchmomente kann durch einen äquivalenten Winkel der Blattanschlussfläche in der Schwenkebene der Blätter eine leichte Pfeilung der Rotorblätter realisiert werden, wobei der geeignete Pfeilwinkel δ (5° ≥ δ > –5°) von der Blattgeometrie abhängig ist.to Further reduction of pitching moments can be achieved by an equivalent Angle of blade pad in the swivel plane of the leaves a slight sweep of the rotor blades can be realized, wherein the appropriate sweep angle δ (5 ° ≥ δ> -5 °) depends on the blade geometry.

Ein Ausführung wird nachstehend erläutert. Es zeigen:One execution will be explained below. It demonstrate:

1 die Achsverhältnisse mit Blattkonuswinkel und 1 the axle ratios with blade cone angle and

2 als Beispiel eine T-Bolzen-Verbindung und 2 as an example a T-bolt connection and

3 Pfeilung der Rotorblätter. 3 Sweep of the rotor blades.

1 zeigt einmal den Betriebszustand der Rotorblätter 1 im unbelasteten Zustand und einmal im belasteten Zustand. Im einzelnen ist die Lage der einzelnen Achsen gegenüber der Rotorebene B dargestellt sowie die sich daraus ergebenen Winkel. Rotorachse A schließt mit der Rotorebene B einen rechten Winkel ein. Der erfindungsgemäß vorgesehene Blattkonuswinkel α vergrößert den Nabenkonuswinkel β, so dass die Blattneigung gegenüber der Rotorebene sich als Gesamtkonuswinkel γ darstellt. 1 shows once the operating condition of the rotor blades 1 in the unloaded condition and once in the loaded condition. In detail, the position of the individual axes relative to the rotor plane B is shown as well as the resulting angles. Rotor axis A encloses a right angle with the rotor plane B. The blade cone angle α provided according to the invention increases the hub cone angle β, so that the blade pitch relative to the rotor plane is represented as the overall cone angle γ.

Im Betriebszustand bei belasteten und durchgebogenen Rotorblättern 1 ist erkennbar, dass ein größerer Turmfreigang (F) erreicht wird bei einem geringeren Abstand zur Pitchachse D, was zu einem kleineren Pitchmoment führt.In operating condition with loaded and bent rotor blades 1 It can be seen that a larger tower clearance (F) is achieved at a smaller distance to the pitch axis D, resulting in a smaller pitch moment.

2 zeigt ein am Pitchlager 3 der Rotornabe 2 angeordnetes Rotorblatt 1. 2 shows one at the pitch camp 3 the rotor hub 2 arranged rotor blade 1 ,

Der Blattkörper (Laminat) wird unverändert ausgeführt. Das Abschneiden bzw. Fräsen der Blattanschlussfläche 6 des zylindrischen Wurzelbereiches 4 des Rotorblattes 1 erfolgt unter dem gewünschten Blattkonuswinkel α (10° ≥ α > 0°). Das Bohren der Löcher für die Quer- und Dehnbolzen 7, 8 erfolgt dann ausgerichtet an der Blattanschlussfläche 6 mit dem folgenden Ergebnis:The blade body (laminate) is carried out unchanged. The cutting or milling of the blade connection surface 6 of the cylindrical root area 4 of the rotor blade 1 occurs at the desired sheet cone angle α (10 ° ≥ α> 0 °). Drilling the holes for the transverse and expansion bolts 7 . 8th then takes place aligned on the blade pad 6 with the following result:

Der zylindrische Wurzelbereich 4 des Rotorblattes 1 ist gegenüber der Blattanschlussfläche 5 auf der Rotornabe 2 bzw. des Pitchlagers 3 um den gewünschten Winkel geneigt. Die Dehnbolzen 7 sind nicht parallel zur Blattachse, sondern parallel zur Pitchachse D ausgerichtet (Dehnbolzenachse H).The cylindrical root area 4 of the rotor blade 1 is opposite the blade pad 5 on the rotor hub 2 or the pitch camp 3 inclined by the desired angle. The expansion bolts 7 are not aligned parallel to the blade axis, but parallel to the pitch axis D (Dehnbolzenachse H).

Der Abstand E zwischen den Querbolzen 8 und der gemeinsamen Ebene der Blattanschlussflächen 5 und 6 ist für alle Bolzen gleich.The distance E between the cross bolts 8th and the common plane of the leaf pads 5 and 6 is the same for all bolts.

Die Dehnbolzen 7 treten auf einem Lochkreis aus der Blattanschlussfläche 6 aus, der einen leicht verschobenen Mittelpunkt gegenüber der Blattanschlussfläche 6 hat. Dabei behalten die Dehnbolzen 7 ihre senkrechte Ausrichtung zur Blattanschlussfläche 6 des Wurzelbereiches 4 und zur Blattanschlussfläche 5 auf der Rotornabe 2 bei.The expansion bolts 7 occur on a bolt circle from the blade pad 6 off, which has a slightly shifted center opposite the blade pad 6 Has. Keep the expansion bolts 7 their vertical orientation to the blade pad 6 of the root area 4 and to the blade pad 5 on the rotor hub 2 at.

Das hat den Vorteil, dass die Rotornabe 2 gegenüber der Verwendung mit einem Rotorblatt 1 ohne Blattkonuswinkel α nicht verändert werden muss, da die Dehnbolzen 7 nach wie vor senkrecht zu den Blattanschlussflächen 5 und 6 mit dem gleichen Lochkreisdurchmesser aus dem Rotorblatt 1 heraus geführt werden. Der Fertigungsaufwand ist nicht höher als zum Ausführen einer normalen üblichen T-Bolzen-Verbindung gebildet aus Quer- und Dehnbolzen 7, 8. Es werden keine zusätzlichen Fertigungshilfsmittel benötigt.This has the advantage that the rotor hub 2 against use with a rotor blade 1 Without Blattkonuswinkel α does not need to be changed, since the expansion bolts 7 still perpendicular to the blade pads 5 and 6 with the same pitch circle diameter from the rotor blade 1 be led out. The production cost is not higher than for performing a normal ordinary T-bolt connection formed of transverse and expansion bolts 7 . 8th , No additional production resources are needed.

In 3 ist als Beispiel eine Vorpfeilung des Rotorblattes 1 in Arbeitsposition (Pitchwinkel nahe 0°) dargestellt, die durch eine nicht rechtwinklige Anordnung der Blattanschlussfläche 6 gegenüber der Rotorblattachse C erreicht wird. Vorzugsweise ist eine Pfeilung mit einem Pfeilwinkel δ (5° ≥ δ > –5°) als Vor- oder Nachpfeilung vorgesehen, um das Pitchmoment zu reduzieren.In 3 is a Vorpfeilung of the rotor blade as an example 1 in working position (pitch angle near 0 °), represented by a non-rectangular arrangement of the blade pad 6 is achieved with respect to the rotor blade axis C. Preferably, a sweep with a sweep angle δ (5 ° ≥ δ> -5 °) is provided as a pre- or post-sweep in order to reduce the pitch moment.

Claims (4)

Windenergiean1age mit konusförmig angeordneten Rotorblättern (1), die mit der Rotornabe (2) über eine Bolzenverbindung (7, 8) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattanschlussfläche (6) des Wurzelbereiches (4) des Rotorblattes (1) gegenüber der Blattachse (C) um einen Blattkonuswinkel α (10° ≥ α > 0°) geneigt ausgebildet ist, unter Beibehaltung einer senkrechten Stellung der Befestigungsbolzen (7, 8) für das Rotorblatt (1) gegenüber der Blattanschlussfläche (5) auf der Rotornabe (2) oder des Pitchlagers (3).Wind energy plant with cone-shaped rotor blades ( 1 ) with the rotor hub ( 2 ) via a bolt connection ( 7 . 8th ), characterized in that the sheet connection surface ( 6 ) of the root area ( 4 ) of the rotor blade ( 1 ) with respect to the blade axis (C) by a blade cone angle α (10 ° ≥ α> 0 °) is inclined, while maintaining a vertical position of the fastening bolts ( 7 . 8th ) for the rotor blade ( 1 ) opposite the blade pad ( 5 ) on the rotor hub ( 2 ) or the pitch bearing ( 3 ). Winenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsbolzen (7, 8) eine T-Bolzen-Verbindung mit Querbolzen (8) und Dehnbolzen (7) bilden, wobei die Bohrung für den Querbolzen (8) im Rotorblatt (1) parallel zur geneigt ausgebildeten Blattanschlussfläche (6) des Rotorblattes (1) verläuft und die Bohrung für den Dehnbolzen (7) dazu senkrecht.Winenergieanlage according to claim 1, characterized in that the fastening bolts ( 7 . 8th ) a T-bolt connection with cross bolts ( 8th ) and expansion bolts ( 7 ), wherein the bore for the transverse bolt ( 8th ) in the rotor blade ( 1 ) parallel to the inclined sheet connection surface ( 6 ) of the rotor blade ( 1 ) and the bore for the expansion bolt ( 7 ) perpendicular to it. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Reduzierung der Pitchmomente ein äquivalenter Pfeilwinkel δ der Blattanschlussfläche (6) in der Schwenkebene der Rotorblätter vorgesehen ist, wodurch eine leichte Pfeilung der Rotorblätter realisiert wird.Wind energy plant according to claim 1 or 2, characterized in that to further reduce the pitch moments an equivalent sweep angle δ of the blade pad ( 6 ) is provided in the pivot plane of the rotor blades, whereby a slight sweep of the rotor blades is realized. Windenergieanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Pfeilwinkel 5° ≥ δ > –5° ist und eine Vor- oder Nachpfeilung realisiert.Wind energy plant according to claim 3, characterized that the sweep angle is 5 ° ≥ δ> -5 ° and a pre- or post-sweep realized.
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CN102713272A (en) * 2010-08-31 2012-10-03 三菱重工业株式会社 Wind turbine rotor design method, wind turbine rotor design support device, wind turbine rotor design support program, and wind turbine rotor
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