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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Rotorblatt für Windkraftanlagen,
insbesondere für schwimmende Windkraftanlagen sowie eine
Windkraftanlage mit einem Rotorblatt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Windkrafttechnik ist durch ein kontinuierliches Größenwachstum
gekennzeichnet. Der Markt vor allem für die sog. Offshore-Windkrafterschließung,
bei der vor der Küste schwimmende Windkraftanlagen eingesetzt
werden, verlangt immer leistungsstärkere Windturbinen.
Dieser Trend stellt die Windkraftingenieure vor schwierige konstruktive
Aufgaben. Ausgehend von Ähnlichkeitsgesetzen der Mechanik
und belegt durch Beispiele aus der Praxis kann gezeigt werden, daß die
Massen großer Windkraftanlagen und demzufolge auch die
Massen und Kosten schneller steigen als die Größe
der Rotorfläche und damit auch schneller als die Leistung
bzw. die Energieproduktion.
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Windkraftanlagen
kommen auf Rotordurchmesser von 50 m bis 130 m. Doch je größer
die Flügel, desto komplizierter die Konstruktion und Fertigung.
Der Trend, insbesondere im Offshorebereich über die Leistungsklassen
der Windkraftanlagen von 3,0 bis 5,0 MW zu gehen, ist unverkennbar.
Anlagengrößen bis 10 MW befinden sich heute schon
in der Planung. Überzeugende technische Lösungen
für diese extremen Blattgrößen stehen
zur Zeit noch nicht zur Verfügung.
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Der
traditionelle Rotorblattbau hat mit den heute möglichen
Rotorblattgrößen seine technischen und wirtschaftlichen
Grenzen erreicht. Da die Blattspitzen der Windkraftrotoren im Offshorebereich
mit einer Geschwindigkeit bis zu 500 km/h rotieren, muß hohe
Festigkeit garantiert werden.
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Die
Rotoren werden meist in aufgelöster Bauweise gefertigt.
Das Endprodukt setzt sich aus einzeln vorgefertigten Elementen zusammen.
Laminiert im klassischen Sinne wird nicht mehr. Heute verwendet
man vorimprägnierte Materialien, sog. Prepregs (aus dem
Engl. preimpregnated = vorgetränkt). Diese Prepregs sind
in Kunstharz getränkte Glas- oder Kohlefaserfasermatten,
die beidseitig mit einer Abziehfolie versehen sind und erst unmittelbar
vor der Verarbeitung ausgepackt werden.
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Aus
der
DE 29 21 152 A1 ist
ein aus einzelnen Abschnitten gefertigtes Rotorblatt mit einer Länge
von bis zu 60 m bekannt, das aus Teilstücken à 6 bis
12 m besteht, die mittels innenliegender Spannelemente zu einer
Einheit verbunden werden. Allerdings enthält diese Schrift
keine Aussagen zu Verstärkungsmaßnahmen oder zur
effizienten Materialausnutzung sowie zur möglichen Gewichtseinsparung
bei sehr großen Rotorblättern. Auch Konzepte zur
konstruktiven Erhöhung der Blattsteifigkeit und zur reduzierten
Auslenkung der Blattspitze fehlen.
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Die
in der genannten
DE
29 21 152 A1 beschriebene gestückelte Bauweise
hat sich daher für große Rotorblätter
nicht durchgesetzt. Tatsächlich werden die langen Rotorblätter
für Offshore-Windkraftanlagen heute vorzugsweise in einem
Stück direkt an der Küste oder am Hafenkai gefertigt
und per Schiff oder Ponton zur Baustelle vor Ort transportiert. Ein
aus einzelnen Abschnitten gefertigtes Rotorblatt bringt in wirtschaftlicher
Hinsicht keinen Gewinn. Auch der produktionstechnische Vorteil einer
kleineren Wärmekammer (Autoklaven) wird bei einer Großserienfertigung
der langen Rotorblätter unbedeutend, da es sich hierbei
um eine einmalige Investition handelt. Der Aufwand an Energie und
Betriebskosten ist bei einer großen Wärmekammer
für ein einteiliges Rotorblatt annähernd gleich
den Kosten, die bei einer kleinen Wärmekammer, in der Teilstücke
eines gleichgroßen Rotorblattes nacheinander behandelt werden,
entstehen.
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Bei
den hier in Frage stehenden Rotorblättern wird bislang
in einer ersten Fertigungsstufe wird der sog. Holm produziert. Dieser
Holm bildet das tragende Gerüst, das dem Rotorblatt die
erforderliche Festigkeit gibt. Ähnlich wie der Holm einer
Tragfläche erstreckt er sich im Innern über die
gesamte Blattlänge. Der Holm setzt sich wiederum aus zwei
Elementen zusammen. Der erste ist der sehr stabile Abschnitt für
die Blattwurzel, der das Rotorblatt später mit der Nabe
verbindet. Das zweite Element ist ein rund- oder kastenförmiger
konischer Träger, der bis zur Blattspitze verläuft.
Beide Bauelemente des Holms werden mit Prepregs in Form gebracht.
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In
der nächsten Fertigungsstufe werden in Negativformen jeweils
die Oberschale und Unterschale des Rotorblattes hergestellt. Danach
wird der Holm in die Unterschale eingepaßt. Anschließend werden
beide Schalen miteinander verklebt. Das manuelle Bearbeiten der
Blätter, Laminieren oder das lagenweise Aufbringen von
Prepregs per Hand und das nachträgliche Verkleben von vorgefertigten
Elementen ist sehr kosten- und personalintensiv.
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Bei
Windkraftanlagen besteht die Blattstruktur üblicherweise
aus zwei Halbschalen, zum Teil als Sandwichstrukturen mit Schaumkern,
mit Nasen- und Endkantenverklebung sowie Holmen aus einfachen oder
doppelten Stegen. Als Werkstoffe werden Glasfasermaterial und zunehmend
auch für hochbelastete Bereiche Kohlenstoffasern eingesetzt.
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Rotorblätter
von Windkraftanlagen unterliegen einem sehr komplexen Anforderungs-
und Belastungsprofil:
- – instationäre
aerodynamische Kräfte,
- – Eigenbewegungen des Systems und seiner Einzelmassen
als Schwingungsproblem,
- – unterschiedlichste klimatische Bedingungen, z. B.
extreme Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, Eis, UV-Strahlen,
Blitzschlag,
- – hohe Anforderungen an die technische Lebensdauer,
i. a. > 25 Jahre,
- – extremer Kostendruck bei Herstellung, Betrieb und
Wartung.
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Die
Rotorblattfertigung ist dabei noch immer handwerklich orientiert.
Es werden fast ausschließlich "Unikate" gefertigt. Qualitätsmängel
ergeben sich u. a. beim Zusammenfügen und Verkleben der
beiden Halbschalen. Je länger das Rotorblatt, desto größer
wird die Blattauslenkung unter Windlast. Die zusätzlichen
notwendigen konstruktiven Verstärkungsmaßnahmen
erhöhen das Blattgewicht überproportional. Bis
heute sind viele technische Lösungen erprobt worden, die
bei den großen Rotorblättern jedoch bisher nur
teilweise Verbesserungen erbrachten, z. B.:
- – Blattquerschnitt
mit faserverstärkter Kunststoffschale als tragender Hohlquerschnitt,
wobei die Schale als Sandwichquerschnitt ausgebildet wird, teilweise
mit versteifender Profilierung,
- – vorweggenommene negative Durchbiegung des Blattes
kann Verformung unter Last teilweise kompensieren,
- – vergrößerter Blattquerschnitt im
Bereich zwischen Blattwurzel und Mittelteil,
- – verstärkter Holm in Verbindung teilweise
mit Verstärkungszulagen in der Ober- und Unterschale des
Blattprofils,
- – Holm aus hochfestem Karbonfasermaterial statt glasfaserverstärktem
Kunststoff,
- – Holmstege mit Aussteifungselementen aus kastenförmigen
Sandwichbauteilen,
- – besondere Wickeltechnik mit Carbonfasern in Längs-
und Querwicklung des Holms.
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Auf
das Tragflächenprofil des Rotorblattes wirkt, neben anderen
Kräften, ähnlich wie bei einem Flugzeug ein hoher
Auftrieb auf der gewölbten Profilseite infolge des Strömungsunterdruckes.
Aufgrund der hohen Umlaufgeschwindigkeit des äußeren
Blattabschnittes bis zur Blattspitze (wie oben bereits erwähnt
bis zu 500 km/h) stellen sich insbesondere an dem schmal auslaufenden
Rotorblatt auf der dem Wind abgewandten Seite große Auftriebskräfte
ein. Die resultierende Zugkraft bewirkt eine elastische Auslenkung
des Rotorblattes. Die Steifigkeit des tragenden Holms und der äußeren
Schale bestimmen die Größe der Durchbiegung. Da
der Holm von der Blattwurzel bis zur Blattspitze konisch verläuft,
werden Holm- und Schalenquerschnitte zwar mit zunehmender Entfernung
von der Blattwurzel kleiner und das Widerstandsmoment nimmt ab,
gleichzeitig nehmen aber die Umlaufgeschwindigkeit des Rotorblattes
mit größerem Radius und die Auftriebskraft zu.
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Wird
ein Rotorblatt in der konventionellen Bauweise gefertigt, ergeben
sich typische Verformungswege bzw. Durchbiegung der Blattspitze
unter Windlast von 5 bis 10% der Rotorblattlänge. Je länger
das Rotorblatt, desto stärker wird auch die Auslenkung.
Trotz Einsatz hochwertiger Materialien, zusätzlicher Blattverstärkungen
und spezieller Formgebung sind diesen Bau- und Konstruktionstechniken Grenzen
gesetzt, da die Gesamtsteifigkeit auf diese Weise nicht beliebig
erhöht werden kann. Zudem sind Verformungswege physikalisch
notwendig, um Zug- und Druckspannungen im tragenden Querschnitt
zu erzeugen und die Steifigkeit (Elastizität) im Blatt
zu aktivieren.
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Eine
zu große Durchbiegung des Rotorblattes gefährdet
die Standsicherheit der Windkraftanlage. Es muß auf jeden
Fall verhindert werden, daß die Rotorblattspitze selbst
unter extremer Windlast den Turm berühren kann. Bei den
großen rotierenden Massen der Rotorblätter würde
eine Kollision mit dem Turm unweigerlich zu einer vollständigen
Zerstörung der Windkraftanlage führen.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rotorblatt anzugeben,
daß auch bei sehr großen Blattlängen
von etwa 50 m bis 80 m ein geringes Blattgewicht, eine sehr große
Steifigkeit und minimale Durchbiegung aufweist, und zwar ohne Einbußen an
Festigkeit, Qualität, technischer Lebensdauer oder aerodynamischer
Effizienz. Das Rotorblatt soll dabei in besonders wirtschaftlicher
Weise herstellbar sein.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windkraftanlage mit einem
verbesserten Rotorblatt anzugeben, die für sehr große
Energieleistungen ausgelegt und insbesondere im Offshorebereich einsetzbar
ist.
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Die
genannten Aufgaben werden gelöst von einem Rotorblatt mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. von einer Windkraftanlage mit
den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem
Grundgedanken, bereits im unbelasteten Ruhezustand Spannungen im
tragenden Querschnitt des Rotorblatts zu erzeugen, um die spannungsabhängige
Verformungen infolge Windlast vorwegzunehmen. Entsprechend dem Prinzip
des vorgespannten Trägers wird das Rotorblatt in Längsrichtung
vorgespannt, d. h. der gesamte tragende Querschnitt erhält eine
zusätzliche Druckspannung.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorspannung erhält
der tragende Holm trotz Leichtbauweise eine sehr hohe Biegesteifigkeit
und nimmt als Träger die gesamte äußere
profilgebende Schalenkonstruktion des Rotorblattes auf.
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Um
zu verhindern, daß es im lastfreien Zustand bei einseitiger
Vorspannung im sog. Obergurt des Holms (auf der dem Wind zugewandten
Seite) nicht zu Verformungen des Rotorblattes kommt, erhält
auch der sog. Untergurt des Holms auf der Druckseite Spannglieder.
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Insgesamt
wird die Steifigkeit wesentlich erhöht, ohne die Masse
des Rotorblattes zu vergrößern. Dieses Konstruktionsprinzip,
nämlich Leichtbau mit Vorspannung und bessere Materialausnutzung
des Holmquerschnitts, eröffnet die Möglichkeit auch
sehr große Rotorblätter wirtschaftlich herzustellen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung schlägt
vor, das gesamte Rotorblatt vorzuspannen und die Vorspannkräfte
direkt in die Rotornabe einzuleiten. Dabei können vorteilhaft
Karbonfasern eingesetzt werden. Die Steifigkeit von Karbonfaserbauteilen
ist mit derjenigen von Stahlkonstruktionen vergleichbar. Weitere
Materialeigenschaften sind: gute Dauerfestigkeit; höchste
Reißlänge, sehr hoher Elastizitäts-Modul,
keine Korrosionsprobleme. Die Faser ist elektrisch sehr gut und
thermisch gering leitfähig. Die Zugfestigkeit der Karbonfasern
beträgt je nach Qualität 2500 bis 7000 Mpa und
die Materialsteifigkeit bzw. der E-Modul liegt zwischen 220 und
300 Gpa bzw. GN/mm2.
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Ein
erfindungsgemäßes Rotorblatt hat unter anderem
die Vorteile, eine hohe Blattsteifigkeit zu besitzen, nahezu vollständig
automatisch gefertigt werden zu können und ein geringes
Gewicht aufzuweisen. Durch die erfindungsgemäße
Vorspannung erhält der tragende Holm trotz Leichtbauweise
eine sehr hohe Biegesteifigkeit und dient als Träger für
die äußere profilgebende Schalenkonstruktion des
Rotorblattes.
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Der
Bau auch sehr großer Rotorblätter, insbesondere
für den Einsatz im Offshorebereich, kann aus wirtschaftlichen
Gründen mit maschineller Unterstützung ablaufen.
Besonders geeignet für diese Produktionstechnik ist die
Herstellung der Rotorblätter mit Hilfe von Wickelmaschinen
oder Wickelautomaten in Verbindung mit dem Einsatz kunstharzgetränkter
Karbonfasern. Damit kann der kostenintensive und manuell aufwendige
Bau von Negativformen für die Oberschale und Unterschale
des Rotorblattes und für den Holm entfallen. Die grundsätzliche
Wickeltechnik ist in Hau, E.: Windkraftanlagen, 2. Auflage
1995, Springer Verlag Berlin, Seite 204 ff. beschrieben.
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Die
größte Blattbelastung erfolgt in Längsrichtung.
Anstelle der üblichen Kraftaufnahme über die eingelegten
Glas- oder Carbonfasern übernehmen jetzt die Spannglieder
die Längskräfte und leiten diese direkt in die
Blattwurzel.
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Durch
die erfindungsgemäße Konstruktionsmethode gelingt
es erstmalig, ein hochfestes Rotorblatt durch Leichtbau mit Vorspanntechnik
zu bauen. Die erfindungsgemäße Lösung
erlaubt es ferner, erhebliche Stabilitätsreserven durch
bessere Materialausnutzung zu erschließen, ohne das Blattgewicht zu
erhöhen. Die eingesetzte Vorspanntechnik im Rotorblatt
ersetzt jene Konstruktionsmasse, die sonst für die zusätzliche
Verstärkung des Rotorblattes notwendig geworden wäre.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
rein beispielhaften und nicht-beschränkenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen
Rotorblattes mit Holm.
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2 ist
eine Querschnittsansicht des Holms.
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3 ist
eine Querschnittsansicht des Rotorblatts im Bereich des Abschnittes
mit Tragflächenprofil.
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4 ist
eine schematische isometrische Ansicht des Holms von der Blattwurzel
bis zur Holmspitze.
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5 zeigt
Details der Spanngliedführung im Holm.
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BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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In
der 1 ist schematisch der prinzipielle Aufbau einer
Offshore-Windkraftanlage gezeigt. Das Rotorblatt 2 ist
vorzugsweise für einen zwei- oder dreiflügligen
Windkraftrotor ausgelegt. Dabei ist der innenliegende Holm 16 das
tragende und kraftaufnehmende Element, während das äußere
Profil 10 des Rotorblattes ausschließlich für
die aerodynamische Effizienz verantwortlich ist. Wichtig für
das Blatt ist die exakte Fertigung, Formtreue und Oberflächenqualität
des berechneten Profils 10.
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Der
Holm 16 besitzt eine definierte Zug- und Druckseite. Auf
der dem Wind 8 zugewandten Seite (Blattoberseite) 6 entstehen
infolge Durchbiegung am Rotorblatt bzw. im Obergurt 20 des
Holms 16 stets Zugspannungen, während sich auf
der dem Wind 8 abgewandten Seite stets Druckspannungen einstellen.
Somit ergeben sich auf der Oberseite 6 infolge der Zugspannungen
elastische Dehnungen und auf der Blattunterseite durch die Druckspannungen elastische
Stauchungen. Diese Orientierungen der Spannungen bzw., auf die Querschnittsfläche
bezogen, der Zug- und Druckkräfte im tragende Holm 16 bleiben
gleich, es ändern sich nur ihre Größen
infolge der Windbelastung. Die hier trapezförmige Formgebung
des Holmquerschnitts kann damit auf die Spannungsverhältnisse
abgestimmt werden.
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Im
Bereich der Blattwurzel 12 besitzt der Holm 16 dagegen
bei diesem Ausführungsbeispiel einen kreisförmigen
Querschnitt, wie insbesondere in 4 gut zu
erkennen. Diese Maßnahme erleichtert die Montage des Blattes
an die Rotornabe. Die Querschnittsform wird in diesem Teil des Holms
nicht mehr von dem Rotorblattprofil bestimmt und ermöglicht
damit in statischer Hinsicht die zuverlässige und bessere
Einleitung des größten Biegemomentes in die Rotornabe.
Dabei sei an dieser Stelle betont, daß der Holm im Bereich
der Blattwurzel auch andere Querschnittsformen besitzen kann, z.
B. ovale oder eckige. Eine runde Form eignet sich aber besonders
gut, wenn das Rotorblatt für den sog. Pitchbetrieb ausgelegt
sein soll.
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Der
Holm 16 erstreckt sich über die gesamte Rotorblattlänge
und nimmt als tragendes Element sämtliche auf das Rotorblatt
wirkenden Kräfte und Biegemomente auf. Der Holm 16 besteht,
wie in 2 gut zu erkennen, aus einem innenliegenden Kern 18,
der einem Block aus einem Hartschaumkunststoff zugeschnitten wird.
Bei diesem Hartschaumkunststoff kann es sich z. B. um Polyetherimid
handeln, was die Anforderungen an statisch und dynamisch beanspruchte
Strukturen in einem Einsatzbereich von –190°C
bis +160°C erfüllt.
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Das
Material ist schlagzäh, hat je nach Wahl eine Rohdichte
von 30 bis 80 kg/m3, besitzt eine Druckfestigkeit
zwischen 0,5 bis 5,0 N/mm2, ist schub- und
druckfest und hat einen E-Modul bis 60 N/mm2.
Dieses Material verfügt damit über ideale Eigenschaften,
um daraus die Formkerne für die eingesetzte Wickeltechnik
herzustellen. Insbesondere sind es die guten Festigkeitswerte, die
geringe Dichte, die Temperatur- und Formbeständigkeit und
die einfache Handhabung. Die vollständige Auskleidung des Holms
und des Rotorblattes (Hartschaumkerne 36 und 38 – siehe 3)
verhindert vorteilhaft die Bildung von Feuchtigkeit und die Ansammlung
von Kondenswasser im Blattinneren. Zudem wirken die Hartschaumkerne
Schwingungen und "Flattern" des Rotorblattes während des
Betriebes entgegen und verhindern auch ein Verformen des Rotorblattquerschnitts
(des Profils 10) unter Windlast oder Temperatur, z. B.
Beulen der großen Flächen. Mit Hilfe einer sog.
3D-Software können die Wickelkerne berechnet, aus Blöcken
geschnitten und zusammengesetzt werden. Selbst bei sehr langen Rotorblättern
bleibt der Gewichtsanteil der Hartschaumstoffkerne unter 20% des
gesamten Blattgewichtes.
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Der
Kern 18 wird als Form von einem Wickelautomaten mit mehreren
Lagen kunstharzgetränkten Karbonfasern gegenläufig,
jeweils in einem vorgegebenen Winkel zur Holmlängsachse
umwickelt. Es ergibt sich eine hochfeste Schicht der 1. Faserwicklung 26 um
den Kern 18 in Form eines Trapezquerschnittes. Der Hartschaumkern 18 hat
eine stützende Funktion innerhalb des Holms, ähnlich
einer Sandwichbauweise und dient als sogenannte "verlorene Schalung".
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Auf
der ersten Faserwicklung 26 werden die über die
gesamte Holmlänge verlaufenden Hüllrohre 56 für
die Spannglieder 54 ausgerichtet, jeweils im Obergurt des
Holms 20 auf der dem Wind zugewandten Seite und im Untergurt
des Holms 22. Die Zwischenräume zwischen den Hüllrohren 56 werden
mit Streifen aus kunstharzgetränkten Gewebelagen (Prepregs) 30 gelegt,
um eine geglättete Oberfläche als Grundlage für
die zweite Schicht der Faserwicklung 32 um den Holm 16 zu
erhalten.
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Die
Vorspannkraft wirkt in der Längsrichtung des Holms 16 und
erhöht im gesamten Querschnitt die Druckspannung. Entspricht
die aufgeprägte Druckspannung der maximal auftretenden
Biegezugspannung unter Windlast im Obergurt des Holms 20, so
ist die Summe der Spannungen im Obergurt 20 gleich Null,
während sich im Untergurt 22 die Druckspannungen
verdoppeln. Zur besseren Aufnahme der Druckspannungen im Untergurt
und um zu große elastische Stauchungen zu vermeiden, wird
der Untergurt 22 verbreitert. Zusammen mit den Holmstegen 24 ergibt
sich ein stabiler Trapezquerschnitt.
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Wie
in 1 gut zu erkennen, besitzt das Rotorblatt im wesentlichen
zwei Abschnitte: die Blattwurzel mit rundem Querschnitt, wo das
Rotorblatt an einer hier nicht gezeigten Nabe befestigt wird, und
einen Abschnitt mit einem Tragflächenprofil. In 3 ist
ein Querschnitt durch das Rotorblatt im Bereich des Abschnittes
mit Tragflächen gezeigt. Das Profil 10 ist im
Hinblick auf geringen Strömungswiderstand und hohe Auftriebskraft
optimiert. Vorzugsweise wird ein standardisiertes und robustes NACA-Profil
gewählt, das eine äußere Kontur besitzt,
die entweder aus konvexen oder geraden Flächenelementen
zusammengesetzt wird. Die für die Fertigung des Rotorblattes
eingesetzte maschinelle Wickeltechnik ist weniger geeignet für
konkave Flächenabschnitte.
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Der
bereits vorgefertigte Holm 16 wird in einem zweiten Produktionsschritt
ausgerüstet mit einem Hartschaumkern für die Rotorblattnase 36 und dem
vorgeformten Hartschaumkern für den hinteren Teil des Rotorblattes 38.
Beide Kernelemente werden an die Flanken des trapezförmigen
Holms geklebt und bilden gemeinsam mit dem Holm die Profil- bzw. Querschnittsform
des Rotorblattes.
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Der
Hartschaumkern 38 des Rotorblattes ist am hinteren Ende
abgerundet ausgeformt. Mit der eingesetzten Wickeltechnik ist die
scharfkantige Gestaltung der Rotorblatthinterkante nicht möglich. Nach
Abschluß der Wickelmaßnahmen 40 wird
die Rotorblatthinterkante mit einem vorgefertigten Paßstück 42 vervollständigt.
Bedingt durch unvermeidliche Oberflächenrillen, die sich
durch die Fasern bei der Wickeltechnik ergeben, genügt
die erreichte Oberflächenqualität noch nicht den
Anforderungen an ein Hochleistungsrotorblatt. Die Oberfläche
des Rotorblattes muß nach dem Wickeln noch eine Deckschicht
bzw. ein geschliffene und gehärtete Oberflächenbeschichtung 44 erhalten.
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Der
Holm ist das tragende Element, das vorzugsweise als trapezförmiger
Träger geformt ist, sich bis in die Blattspitze konisch
verjüngt und von der äußeren Verkleidung,
die das eigentliche Blattprofil bildet, bis auf den Bereich der
Blattwurzel vollkommen eingeschlossen ist. Wie in 4 gut
zu erkennen, in der das äußere Profil 10 nur
angedeutet ist, geht das trapezförmige Profil des Holms
im Bereich der Blattwurzel 12 in einen ovalen Querschnitt 46 über,
um an der Nabe eine stabile und sichere Befestigung für
die Einleitung der größten Kräfte, Biegemomente
und Schwingungen des Rotorblattes zu gewährleisten. Die ringförmige
Blattwurzel 12 ist insbesondere für Windkraftrotoren,
die im Pitchbetrieb arbeiten, ein wichtiges Konstruktionselement.
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In 5 ist
zu erkennen, daß die Rotorblattwurzel bei dem hier gezeigten
Ausführungsbeispiel aus einem Stahlring 48 besteht,
der den Anschlußflansch bildet und gleichzeitig Spannköpfe
für die im Holm verlaufenden Spannglieder aufnimmt. Diese Kombination
innerhalb der Blattwurzel ist einer der zentralen Punkte der erfindungsgemäßen
Lösung. An den Stahlring 48 schließt
sich der kreisförmige Abschnitt 46 des Holms an.
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Zum
besseren Verbund und zur Einleitung der spanngliedinduzierten Druckkräfte
in den Holm ist für die zweite Lage der Faserwicklung 32 eine
Verzahnung 60 vorgesehen. Insbesondere unter dem Aspekt
der Serienproduktion großer Rotorblätter ist auch
die wirtschaftliche Herstellung des Stahlringes 48 von
Bedeutung, da dieses Bauelement ein relativ einfach zu fertigendes
Drehteil ist.
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Die
von außen auf das Rotorblatt wirkenden Kräfte
und Momente sowie das Eigengewicht werden nicht mehr, wie bisher üblich
vom Holm und der Rotorblattschale aufgenommen und bis an die Einspannstelle
des Blattes an die Nabe übertragen. Jetzt gelangen sämtliche
Zugspannungen, die sich im Normalfall bei Belastung durch die Auslenkung
des Blattes einstellen, über die Spannglieder 54 auf
direktem Wege in die Blattwurzel 12. Als Ergebnis dieser
Krafteinleitung wird das Rotorblatt selbst unter extremer Last nur
minimal ausgelenkt.
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Damit
ist der Weg zum Bau sehr langer Rotorblätter aus konstruktiver
Sicht frei. Blätter können sehr leicht und trotzdem
hochfest gebaut werden. Das Prinzip Leichtbau durch Vorspannung
ersetzt die sonst notwendigen Massen für die Konstruktions- und
Verstärkungsmaßnahmen.
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Die
Spannglieder 54 bestehen vorzugsweise aus drei oder mehr
hochfesten und kaltgezogenen Einzeldrähten mit Durchmessern
z. B. von 3–4 mm. Diese aus Einzeldrähten zusammengefügten
Spannglieder 54 werden als Spannlitzen bezeichnet.
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An
einem herausstehenden Stück der Spannlitze 54 kann
jederzeit am Stahlring 48 die Vorspannung mit Hilfe von
Hydraulikpressen eingestellt oder überprüft werden.
Jede Spannlitze ist mittels eines Klemmkeils 52 (5)
in einer Bohrung im Stahlrahmen 48 verkeilt (5)
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Die
Spannlitze 54 ist im Hüllrohr 56 durch
ein Schutzfett 58 gegen Korrosion gesichert. Die Hüllrohre 56 sind
dünne gerade oder gewellte über die gesamte Holmlänge
verlaufende Metall- oder Kunststoffrohre, die in der Kunstharzmatrix
eingebettet sind. Es sind lineare oder auch bogenförmige
Lagen der Hüllrohre 56 mit den Spannlitzen 54 möglich.
Ein mittragender Verbund im Holm 16 entlang der Spannlitzen 54,
z. B. durch Verpressen mit Kunstharz ist nicht vorgesehen.
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Die
Endsicherung der Spannlitzen 54 befindet sich an der Holmspitze 72 in
dem Stahlrahmen 62. Hier werden die Spannlitzen 54 in
Bohrungen 64 zugfest verkeilt. Der Stahlrahmen 62 hat
zur Aufnahme der Spannlitzen speziellen Bohrungen, die sich am Ende
konisch aufweiten. Mit Hilfe einer Montageschraube 70 kann
die Spannlitze 48 zunächst in der gewünschten
Position fixiert werden. Anschließend wird ein schmaler
dreiecksförmiger Sicherungskeil aus Stahl 66 in
das Ende der Spannlitze 48 geschlagen. Dadurch weiten sich
die Einzeldrähte der Spannlitze 48 auf, so daß selbst
bei sehr großen Zugkräften die Spannlitze 48 absolut
gegen ein Herausziehen gesichert ist. Mit einer fettgefüllten
Kappe 68 wird das freie Ende der Spannlitze 48 gegen
Korrosion gesichert.
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Das
erfindungsgemäße Rotorblatt wird mittels Faserwickeln
wie folgt hergestellt: Das Faserwickeln ist eine Technik zum Ablegen
von Endlosfasersträngen (Rovings) auf einer Form. Es wird
mit einem Harztränkungsverfahren gekoppelt. Mit diesem
Verfahren werden Fasern sehr straff und eng mit hoher Maßgenauigkeit
positioniert.
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Die
Produktion des Rotorblattes verläuft in zwei Bearbeitungsschritten.
Zunächst wird der Holm als zentrales Bauteil hergestellt.
Anschließend wird in einem zweiten Arbeitsgang das Profil
des Rotorblattes mit dem Holm kombiniert und durch die von der Wickelmaschine
aufgetragenen Faserlagen maschinell und mit großer Präzision
zu einer Einheit verbunden.
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Dieser
automatische Herstellungsprozeß ist besonders für
die Serienproduktion für kleine und große Stückzahlen
geeignet. Selbst ein Wechsel auf ein anderes Rotorblattformat ist
mit dieser Technik einfach und kurzfristig zu realisieren, da die
sehr aufwendige Herstellung von individuellen Negativformen für
die Ober- und Unterschale des Rotorblattes entfällt.
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Zum
Wickeln ist ein vorgeformter Körper notwendig, der dem
Bauteil seine spätere Gestalt gibt, der sog. Kern. Die
Herstellung bzw. Konfektion der im Rotorblatt verbleibenden Kernelemente
z. B. aus einem Hartschaumkunststoff erfolgt maschinell mit an sich
bekannten Verfahren.
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Im
ersten Arbeitsschritt der Rotorblattfertigung muß der tragende
Holm hergestellt werden. Abschnittsweise werden die konfektionierten
Kernelemente aus Hartschaumkunststoff miteinander verklebt und mit
den Fasern umwickelt. Geometrie, Wanddicke, Faserlagen und Richtungen
und ggf. Zulagen, Leerrohre, Sandwichelemente, Signalleitungen können
während des Produktionsprozesses nach Berechnung und Bedarf
berücksichtigt werden.
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Nachdem
der sich über die gesamte Blattlänge erstreckende
Holm ausgehärtet ist, werden in dem zweiten Arbeitsschritt
die Hartschaumkernelemente für das Rotorblattprofil zugeschnitten
und an den Holm geklebt. Die an den Holm angefügten Hartschaumteile
bilden die formgebende Lehre für das berechnete Profil
des Rotorblattes. Mit Hilfe der Wickelmaschine wird die äußere
Kontur des Rotorblattes mit mehreren Faserlagen belegt. Der Wickelautomat
kann an auf die größte Breite des Rotorblattes eingestellt
werden. Während des Wickelns um das Rotorblatt wird die
Maschine in Längsrichtung von der Blattwurzel bis zum Blattspitze
verfahren.
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Die
maschinelle Wickeltechnik hat zwar für Rotorblätter
den Nachteil, daß die Fasern gegenläufig mit einem
Winkel von 30 bis 60° zur Längsachse des Blattes
oder den Holm gewickelt werden, während sich die Hauptbeanspruchung
unter Windlast jedoch in der Längsachse von Holm und Rotorblatt
einstellt, wobei mit der Wickeltechnik die Orientierung der Faser
nicht überall der Beanspruchungsrichtung angepaßt
werden kann, jedoch kann dieser konstruktive Schwachpunkt durch
die erfindungsgemäße Vorspanntechnik besonders
vorteilhaft kompensiert werden.
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- 2
- Rotationsebene
- 4
- Rotorachse
- 6
- Rotorblattoberseite
- 8
- Wind
- 10
- Rotorblattprofil
- 12
- Blattwurzel
- 14
- Blattspitze
- 16
- Holm
mit trapezförmigem Querschnitt
- 18
- Kern
aus Hartschaumkunststoff
- 20
- Holmobergurt
- 22
- Holmuntergurt
- 24
- Holmsteg
- 26
- 1.
Lage der Faserwicklung für den Holm
- 28
- Spannsystem,
bestehend aus Spannglied und Hüllrohr
- 30
- Ausgleichsschicht
aus kunstharzgetränkten Gewebelagen (Prepregs)
- 32
- 2.
Lage der Faserwicklung für den Holm
- 34
- Rotorblattquerschnitt
und Aufbau
- 36
- Hartschaumkern
für die Blattnase
- 38
- Hartschaumkern
für den hinteren Teil des Rotorblattes
- 40
- Karbonfaserwicklung
der Rotorblattschale
- 42
- Hinterkante
Rotorblatt mit Paßstück
- 44
- Oberflächenbeschichtung
- 46
- Holmübergang
vom Kreiszylinder zum Trapezquerschnitt
- 48
- Stahlring
- 50
- Spannkopf
- 52
- Klemmkeil
- 54
- Spannglied
bzw. Spannlitze
- 56
- Hüllrohr
- 58
- Schutzfett
- 60
- Verzahnung
- 62
- Stahlrahmen
als Endsicherung der Spannlitzen
- 64
- Konische
Bohrung
- 66
- Dreiecksförmiger
Sicherungskeil
- 68
- Korrosionsschutzkappe
- 70
- Montageschraube
- 72
- Holmspitze
- 74
- Flansch,
Anschluß an die Rotornabe
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 2921152
A1 [0006, 0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - E.: Windkraftanlagen,
2. Auflage 1995, Springer Verlag Berlin, Seite 204 ff. [0025]