Warum nicht mehrere Klingen?
Windkraftanlagen werden gebaut, um die kinetische (Bewegungs-) Energie des Windes zu fangen. Es stellt sich die Frage, warum moderne Windenergieanlagen nicht wie die alten „amerikanischen“ Windmühlen mit vielen Rotorblättern gebaut werden. Turbinen mit vielen Blättern oder sehr breiten Blättern, d. H. Turbinen mit einem sehr festen Rotor, werden jedoch sehr großen Kräften ausgesetzt sein, wenn der Wind mit einer Hurrikangeschwindigkeit weht (denken Sie daran, dass der Energieinhalt des Windes des Windes mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit variiert).
Windturbinenhersteller müssen bescheinigen, dass ihre Turbinen so gebaut sind, dass sie extremen Winden standhalten, die beispielsweise alle 50 Jahre während 10 min auftreten. Um den Einfluss der extremen Winde zu begrenzen, bevorzugen Turbinenhersteller daher in der Regel den Bau von Turbinen mit wenigen, langen, schmalen Schaufeln. Um die Enge der dem Wind zugewandten Schaufeln auszugleichen, bevorzugen Turbinenhersteller, die Turbinen relativ schnell drehen zu lassen.
Warum nicht eine gerade Anzahl von Klingen?
Moderne Windturbineningenieure vermeiden es, große Maschinen mit einer geraden Anzahl von Rotorblättern zu bauen. Der wichtigste Grund ist die Stabilität der Turbine. Ein Rotor mit einer ungeraden Anzahl von Rotorblättern und mindestens drei Blättern kann bei der Berechnung der dynamischen Eigenschaften der Maschine als einer Scheibe ähnlich angesehen werden.
Ein Rotor mit einer geraden Anzahl von Schaufeln führt zu Stabilitätsproblemen für eine Maschine mit einer steifen Struktur. Der Grund dafür ist, dass in dem Moment, in dem sich das oberste Blatt nach hinten biegt, weil es die maximale Kraft vom Wind erhält, das unterste Blatt in den Windschatten vor dem Turm gelangt.
Die meisten modernen Windkraftanlagen zur Stromerzeugung haben drei Flügel, obwohl einige zwei oder sogar eine haben. Drei Schaufeln haben den besonderen Vorteil, dass das polare Trägheitsmoment in Bezug auf das Gieren konstant und unabhängig von der Azimutposition des Rotors ist. Diese Eigenschaft trägt zu einem relativ reibungslosen Betrieb auch beim Gieren bei. Ein zweiflügeliger Rotor hat jedoch ein geringeres Trägheitsmoment, wenn die Schaufeln vertikal sind, als wenn sie horizontal sind. Diese ‚Unwucht‘ ist einer der Gründe, warum die meisten zweiflügeligen Windenergieanlagen einen wippenden Rotor verwenden. Die Verwendung von mehr als drei Schaufeln könnte auch zu einem Rotor mit einem von der Position unabhängigen Trägheitsmoment führen, aber mehr als drei Schaufeln werden selten verwendet. Dies liegt vor allem an den höheren Kosten, die mit den zusätzlichen Schaufeln verbunden wären.
Das dänische 3-Blatt-Konzept
Die meisten modernen Windkraftanlagen sind dreiflügelige Anlagen, bei denen die Rotorposition in Windrichtung (auf der windigen Seite des Turms) mithilfe von Elektromotoren in ihrem Giermechanismus beibehalten wird. Dieses Design wird normalerweise als klassisches dänisches Konzept bezeichnet und ist in der Regel ein Standard, anhand dessen andere Konzepte bewertet werden. Die überwiegende Mehrheit der auf den Weltmärkten verkauften Turbinen hat dieses Design.
Das Grunddesign wurde erstmals mit der renommierten Windkraftanlage Gedser eingeführt. Ein weiteres Merkmal ist die Verwendung eines Asynchrongenerators.
Zweiflügeliges (wippendes) Konzept
Zweiflügelige Windkraftanlagen haben den Vorteil, dass sie die Kosten für ein Rotorblatt und natürlich dessen Gewicht sparen. Sie neigen jedoch dazu, Schwierigkeiten bei der Marktdurchdringung zu haben, zum Teil, weil sie eine höhere Drehzahl benötigen, um die gleiche Energieabgabe zu erzielen. Dies ist sowohl hinsichtlich des Lärms als auch hinsichtlich des visuellen Eindringens nachteilig. In letzter Zeit haben mehrere traditionelle Hersteller von zweiflügeligen Maschinen auf dreiflügelige Konstruktionen umgestellt.
Zwei- und einflügelige Maschinen erfordern eine komplexere Konstruktion mit einem schwenkbaren (wippenden Naben-) Rotor, wie im zweiten Bild gezeigt, d. h. Der Rotor muss sich neigen können, um zu starke Stöße auf die Turbine zu vermeiden, wenn ein Rotorblatt den Turm passiert. Der Rotor ist also auf eine zur Hauptwelle senkrechte Welle aufgesteckt, die sich mit der Hauptwelle mitdreht. Diese Anordnung kann zusätzliche Stoßdämpfer erfordern, um zu verhindern, dass das Rotorblatt auf den Turm trifft.
Einblatt-Konzept
Einblatt-Windkraftanlagen existieren und sie sparen die Kosten für ein anderes Rotorblatt. Wenn etwas gebaut werden kann, werden Ingenieure es tun. Einflügelige Windenergieanlagen sind kommerziell jedoch nicht sehr verbreitet, da die gleichen Probleme, die unter der zweiflügeligen Bauweise erwähnt werden, in noch größerem Umfang für einflügelige Maschinen gelten.
Zusätzlich zu den höheren Drehzahlen und den Geräusch- und Sichtproblemen erfordern sie, dass ein Gegengewicht auf der anderen Seite der Nabe vom Rotorblatt platziert wird, um den Rotor auszubalancieren (siehe zweite Abbildung). Dies negiert offensichtlich die Gewichtseinsparung im Vergleich zu einer zweiflügeligen Konstruktion. Der ästhetische Faktor des Auftretens von Ungleichgewicht ist eine weitere Überlegung. Der angenommene Vorteil besteht somit darin, dass die Turbine mit einem relativ hohen Spitzendrehzahlverhältnis betrieben werden kann, und dass die Kosten wegen der Notwendigkeit von nur einer Schaufel niedriger sein sollten.
Video frames
– Two blades: general explanation
– Three blades: general explanation