Oberflächenstrukturiertes Rotorblatt

Windkraftanlagen können für verschiedene Windklassen zugelassen sein, wobei die Windklassen die Auslegung der Anlage für windstarke oder windschwache Gebiete widerspiegeln. Windenergieanlagen die pro kW Nennleistung 4–5 m² Rotorfläche aufweisen sind Schwachwindanlagen, Starkwindanlagen liegen meist bei 1,5–2,5 m² pro kW Nennleistung. Die maximale Blattlänge aktueller Windkraftanlagen liegt an Land bei etwa 65 Metern, auf See sind es ungefähr 85 Meter. Üblicherweise wird ab einer Windgeschwindigkeit von rund neun bis zwölf m/s etwa 32 - 34 km/h die aus der Auftriebskraft resultierende Rotorleistung begrenzt. Die Regelung der Leistung wird bei pitch-geregelten Windkraftanlagen durch das Verdrehen der Rotorblätter, bei stall-geregelten Windenergieanlagen durch Strömungsabriss gewährleistet. Windkraftanlagen mit wenig Rotorblättern, die schnell routieren, haben ihren höchsten Wirkungsgrad bei hohen Windgeschwindigkeiten. Die Form des Rotorblattes und die Größe der überstrichenen Fläche stellen einen Kompromiss zwischen Abstimmung und Belastung dar.

Rotorblatt-System Oberflächenstrukturiertes Rotorblatt

Abgeschaut ist das Prinzip von den Buckelwalen: schwimmende Wale bewegen sich fast lautlos und sehr agil durch das Wasser. Auf den Vorderkanten der Flossen von Walen befinden sich Erhebungen die eine Strömung umleiten, sogenannte Tuberkel. Auf der Unterseite der Wale ist eine wellenartige Struktur erkennbar die eine Ähnlichkeit mit einer Wellplatte aufweist, es sind Kehlfurchen, die über den gesamten Bauchbereich des Buckelwales reichen. Und an den Schwanzflossen und deren Hinterkanten befinden sich tiefe Einkerbungen.

Rotorblätter als Abbild der Natur

Strukturen aus der Natur für technologische Komponenten zu verwenden nennt sich Bionik (Biologie-Technik). Die Brustflossen von Buckelwalen, sogenannte Flipper, können bis zu einem Drittel der Körperlänge der Buckelwale erreichen. Fast die gesamte Länge der Vorderkante ist mit mindestens Golfball großen Beulen und Scharten bedeckt. Diese Beulen verursachen kleine Wirbel, die die Strömung praktisch an die Flosse heranbringen so zu sagen ansaugen. Und diese Wirbel haben es in sich: sie sind hauptsächlich dafür verantwortlich, dass die Flosse nach vorne geschoben wird. Der nach hinten weg strömende Wirbel verändert die Druckverteilung hinter der Flosse und damit ihre Schubkraft.

Beulen an der Vorderkante

Auftriebsverluste entstehen in der Aerodynamik durch Reibung und Strömungsabrisse, wenn sich die Strömung vom Rotorblatt löst. Oberflächenstrukturen, allen voran die Beulen und die Luftführungskanäle sind Maßnahmen zur Leitung von Strömungen. Genau diese Erhebungen verändern an einem Windkraftanlagen- Flügel die Luftströmungen und die damit entstandenen Verwirbelungen. Insbesondere erreicht ein Rotorblatt eine höhere Auftriebskraft, gleichzeitig wird dadurch der Luftwiderstand herabgesetzt.

Wellenformen - Rotorblatt

Wellenberge mit dazwischenliegenden Wellentälern bilden im eigentlichen Wände die parallel zur Hauptströmung angebracht sind und somit als Hindernisse zur Querströmung wirken. Bei Rotorblättern von Windkraftanlagen dient das Wellenprofil primär der Unterbindung von Querströmung(en) und verfolgen das Ziel einen Zuwachs der gesamten Leistung hervorzurufen. Ein weiterer Aspekt zur Auftriebserhöhung ist der Effekt der geleiteten, darüber streichenden Luftströmung. Der durch die Kanalisierung entstandene Effekt führt zu einer erhöhten Geschwindigkeit der Strömung auf der Saugseite. Querströmung in der Grenzschicht und damit ein Abfließen der Strömung zur Blattspitze an der Blattoberfläche wird somit effizient verhindert. Wellenförmige Oberflächen lenken Querströmungen fast vollständig in die Hauptströmungsrichtung.

Wellenhöhen und Wellenquerschnitte

Im Nabenbereich von Windanlagen der Multi Megawattklasse besteht ein breites Gebiet abgelöster Strömung, wobei die dreidimensionale Strömung sich bis zu 30 % der Rotorblattlänge nach außen ausdehnt. In einem Bereich von ca. 15-28 % der Blattlänge zeigt sich eine starke ausgeprägte Querströmung. In diesem die größte Profiltiefe eines Blattes zu finden. Hier befinden sich auch die größten Höhen der Wellenberge, dessen Querschnitt dem einer gestreckten Parabel gleicht. Im mittleren Bereich des Rotorblattes ist die Umströmung vorwiegend zweidimensional, hier können Hinterkanten Ablösungen auftreten, daher ist dieser Bereich für das aeroakustische Verhalten von besonderer Relevanz. In diesem Bereich sind die Wellenberge gekappt und von Trapezförmigen Querschnitten geprägt. Der Bereich der Rotorblattspitze ist geprägt von einer dreidimensionalen Strömung, in der durch Verwirbelungen und Strömungsabriss die aerodynamischen Verluste am häufigsten auftreten, und die damit verbundenen Schallemissionen kennzeichnen. Insbesondere an der Blattspitze eines Rotorblattes kommt es zu einem Druckausgleich zwischen Saug- und Druckseite, der eine dreidimensionale Strömung hervorruft. Um die hier auftretenden Schallemissionen niedrig zu halten wird wie schon im Nabenbereich eine höhere Welle benötigt.

Oberflächen der Wellenformen

Die Struktur der Schuppen in seiner Haut verleiht dem Hai einen reduzierten Strömungswiderstand. Geschuldet wird dies den Mikro-Rillen in den Schuppen die vorwiegend in Längsrichtung anliegen. Bei turbulenter Strömung werden die Komponenten der Wirbel, die quer zur Strömungsrichtung der Rillen verlaufen, durch diese mikroskopisch kleinen Wellenberge behindert. Das Verhältnis zwischen Auftrieb und Reibung, also die Gleitzahl kann durch diesen Effekt um einige Prozente gesteigert werden. Die in den Wellentälern des Blattes vorhandenen Strukturen zeigen eine ähnliche Wirkung. Angefangen von den halbkugelförmigen Beulen die die Grenzschicht beeinflussen, bis hin zu stift- oder nadelspitzartiger Oberfläche, bewirken diese eine Senkung des Strömungswiderstandes und bieten somit eine Leistungssteigerung um etwa 5 Prozent. Die aus dem Blatt vorstehenden Beulen wirken wie Mikro-Tabulatoren, erhöhen somit die Oberflächenrauigkeit des Rotorblattes und erzwingen so den Strömungsübergang. Ziel dieser Oberfläche ist eine gänzliche Verhinderung des Strömungsabrisses. Die Platzierung erfolgt überwiegend am Verlauf der gesamten Welle sowohl auf der Saug- als auch auf der Druckseite.

Rotorblatt - Hinterkante

Aber nicht nur am Blattprofil selbst auch an den scharfen Hinterkanten der Rotorblätter reißt die Luftströmung ab. Dies ist auch die Ursache des Lärms, den eine Windanlage erzeugt. Ist hingegen die Hinterkante wie bei einer Eule oder eines Mauerseglers gezahnt, lässt sich der Lärmpegel mit relativ günstigen Maßnahmen reduzieren. Im Gegensatz zu den Windrotoren ist die Hinterkante eines Vogels durch die Federn nachgiebig, weich und gezahnt. Die Federn sind an ihrer Oberfläche gewölbt, dadurch bilden sich im Federkleid Luftkanäle die es dem Vogel ermöglichen lautlos die Flügelgeometrie so zu ändern, dass ein nahezu geräuschloses Gleiten entsteht.