-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage mit
einer Tragstruktur, die wenigstens einen Gurt aufweist, und eine Windenergieanlage.
-
Rotorblätter mit
wenigstens einem Gurt als Teil der Tragstruktur sind im Stand der
Technik seit langem in vielfältiger
Weise bekannt. Die Gurte erstrecken sich dabei im Wesentlichen über die
gesamte Länge
des Rotorblattes, um die auf das Rotorblatt einwirkenden Kräfte aufzunehmen
und aus dem Rotorblatt abzuleiten.
-
Da
die einwirkenden Kräfte
und die auftretenden Momente über
die Länge
des Rotorblattes nicht konstant sind, müssen an einigen Stellen im Verlauf
des Gurtes höhere
Beanspruchungen abgetragen werden, als an anderen Stellen. Dabei
liegen die Stellen mit höheren
Beanspruchungen eher im Bereich der Mitte der Gurtlänge, während die
Bereiche mit geringeren Beanspruchungen eher im Bereich der Gurtenden
zu suchen sind.
-
Der
Grund dafür
liegt im Wesentlichen darin, dass die Lasten an der Rotorblattspitze
wegen des relativ kurzen Hebels gering sind, während die Belastungen an der
Rotorblattwurzel durch den langen Hebel zwar größer sind, gleichzeitig aber
der Profilquerschnitt und damit die Biegesteifigkeit der Struktur hoch
ist. Entsprechend kann dort ein großer Teil der Belastung auf
diesem Weg abgetragen werden und muss daher nicht vom Gurt aufgenommen
werden.
-
Gemäß dem Stand
der Technik wird die Dicke des Gurtes entsprechend der Beanspruchung variiert,
um einen ausreichenden Lastabtrag zu erreichen. Eine solche Dickenvariation
herzustellen, ist bei faserverstärkten
Kunststoffstrukturen wie glasfaserverstärktem Kunststoff GFK oder kohlefaserverstärktem Kunststoff
CFK kein Problem, da die Anzahl der Gelege ausreichend bemessen
werden kann, bevor diese dann mit einem Epoxidharz oder Ähnlichem getränkt werden.
Oder allgemeiner ausgedrückt:
Es werden so viele Materiallagen übereinander gelegt, wie erforderlich
sind, um die notwendige Materialdicke zu erhalten.
-
6 zeigt
eine schematische Darstellung eines Gurtes gemäß dem Stand der Technik. In
der oberen Darstellung ist eine Draufsicht und in der unteren Darstellung
ist eine Seitenansicht gezeigt. Die linke Seite in der Skizze befindet
sich an der Rotorblattwurzel, die rechte Seite an der Rotorblattspitze.
-
In
der Draufsicht ist erkennbar, dass die Breite des Gurtes von der
Rotorblattwurzel (in der Figur links) zur Rotorblattspitze (in der
Figur rechts) hin geringer wird. Diese Verringerung der Breite ergibt
sich einerseits aus dem zur Verfügung
stehenden Platz im Rotorblatt und andererseits aus dem Interesse
an einer möglichst
rationellen Fertigung. In der Seitenansicht ist gut zu erkennen,
dass auch die Dicke des Gurtes variiert. Bei der Bemessung der Dicke
des Gurtes, also der Anzahl der Materiallagen, spielt der Lastverlauf
eine Rolle. Entsprechend ist die Dicke des Gurtes an der Rotorblattspitze
(in der 6 rechts) am Geringsten und
an der Rotorblattwurzel (in der 6 links)
am Höchsten.
Dort werden also die meisten Materiallagen verwendet.
-
Eine
solche Vorgehensweise ist grundsätzlich
auch bei metallischen Strukturen denkbar. Hier würde man entsprechende Anzahlen
von geeignet zugeschnittenen Blechen übereinander legen und diese
z. B. durch Verschweißen
miteinander verbinden.
-
Bei
einem derartigen Aufbau eines Gurtes aus einem metallischen Werkstoff
ergäben
sich aber beträchtliche
Nachteile für
den Lastfluss durch die im Wesentlichen rechtwinkligen Übergänge zwischen den
einzelnen Schichten, die bis zum Abschälen von Schichten und damit
einer Schwächung
des Gurtes führen
können.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Rotorblatt einer Windenergieanlage
mit einer Tragstruktur mit Gurten vorzusehen, durch welche eine
Ableitung der Lasten unabhängig
vom Material bei optimierten Materialeinsatz zuverlässig möglich ist.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Rotorblatt gemäß Anspruch 1 gelöst.
-
Somit
wird ein Rotorblatt für
eine Windenergieanlage vorgesehen. Das Rotorblatt weist eine Tragstruktur
mit wenigstens einem Gurt auf. Der Gurt weist eine Dicke und eine
Breite auf. Die Breite des Gurtes ist entlang der Länge des
Gurtes an den Beanspruchungsverlauf angepasst und die Dicke kann entlang
der Länge
des Guttes im Wesentlichen konstant gehalten werden.
-
Somit
ist die Breite des Gurtes – bei
konstanter Dicke – entlang
der Länge
an den Belastungsverlauf angepasst. Der Gurt weist eine Breite auf,
die entlang seiner Länge
eine Breite aufweist, die an den Belastungsverlauf angepasst ist.
-
Dabei
liegt der Erfindung die Erkenntnis zu Grunde, dass die auf den Gurt
einwirkenden Lasten von der Blattoberfläche in den Gurt eingetragen
werden und dass es daher primär
nicht auf die Dicke des Gurtes sondern auf die Querschnittsfläche und
damit auf die Breite ankommt, um einen ausreichenden Lastabtrag
zu erreichen, und dass auch die Rotorblattgeometrie den Belastungsverlauf
beeinflusst. Die Querschnittsfläche
kann daher bei konstanter Dicke auch durch eine gewünschte bzw.
erforderliche, dem Beanspruchungsverlauf angepasste Gurtbreite erreicht
werden.
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Rotorblatt eine erste
größere Breite des
Gurtes im Bereich der Mitte des Rotorblattes als im Bereich der
Rotorblattspitze auf. Dadurch wird ein sicherer Lastabtrag bei optimiertem
Materialeinsatz verwirklicht.
-
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung weist das Rotorblatt eine zweite größere Breite
des Gurtes im Bereich der Rotorblattwurzel als im Bereich der Rotorblattspitze
auf. Diese größere Breite
des Gurtes im Bereich der Rotorblattwurzel dient einem besonders
vorteilhaften weil gleichmäßigem Lastabtrag aus
dem Rotorblatt in den Rotorblattanschluss an der Nabe einer Windenergieanlage.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist das Rotorblatt wenigstens teilweise
und vorzugsweise vollständig
aus einem metallischen Material gefertigt. Hier vereinigen sich die
Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Tragstruktur mit den Vorzügen
des Materials wie z. B. einer einfachen und weitgehend automatisierbaren
Verarbeitung sowie einer ohne zusätzliche Maßnahmen möglichen Blitzableitung innerhalb
des Blattes. Außerdem
kann bei der Verwendung von Metall ein erfindungsgemäßer Gurt
mit einer gleichbleibenden Dicke leicht hergestellt werden.
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Rotorblatt eine
Tragstruktur mit einem Obergurt, einem Untergurt und wenigstens
einem dazwischen angeordneten Steg. Daraus ergibt sich eine vorteilhafte
Kombination eines mechanisch bewährten
Aufbaus mit der erfindungsgemäßen Lösung einer
weitgehend materialunabhängigen
Ausbildung der Gurte.
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Steg im Wesentlichen senkrecht
zur Sehne des Rotorblattprofils angeordnet. Dies führt zu einem
Steg, welcher einer Verwindung des Rotorblattprofils folgt, und
damit zu einer deutlich verbesserten Tragstruktur, da der Steg stets
genau in der Richtung der Beanspruchung ausgerichtet ist. Während die
Herstellung eines solchen Steges aus faserverstärktem Kunststoffen nur mit
unverhältnismäßig hohem
Aufwand möglich
ist, lässt
er sich aus Metall mit seit langer Zeit bekannten und bewährten Verfahren
vergleichsweise einfach herstellen.
-
Um
das erfindungsgemäße Rotorblatt
in ein bestehendes Blitzschutzkonzept integrieren zu können, ist
eine Windenergieanlage mit einer Isolierung zwischen Rotorblatt
und Rotornabe vorgesehen. Diese Isolierung bewirkt, dass Blitzströme das Pitchlager nicht
erreichen können,
sondern vorher mittels einer Funkenstrecke am Lager vorbei vom Rotorblatt
abgeleitet werden können.
-
Damit
auch eine galvanische Verbindung über die Befestigungsbolzen
des metallischen Rotorblattes nicht zustande kommt, kann das Rotorblatt unter
Vermittlung eines Blattadapters aus einem Isolationsmaterial mit
der Rotornabe verbunden sein. Dieser Isolationsstoff kann z. B.
ein faserverstärkter Kunststoff
sein.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
-
Dabei
zeigen:
-
1 eine
Draufsicht auf ein Rotorblatt gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
-
2 eine
Draufsicht auf ein Rotorblatt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
-
3 eine
perspektivische Darstellung eines Rotorblattes gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel;
-
4 eine
perspektivische Darstellung eines Rotorblattes gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel;
-
5 eine
schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung;
und
-
6 eine
schematische Darstellung eines Gurtes gemäß dem Stand der Technik.
-
1 zeigt
eine Draufsicht auf ein Rotorblatt einer Windenergieanlage gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel.
Dabei ist in dieser Figur der Verlauf eines Gurtes 11 als
Teil der Tragstruktur des Rotorblattes gezeigt. Der Gurt 11 kann
dabei dazu dienen, die auf das Rotorblatt einwirkenden Kräfte sowie
die auftretenden Momente aufzunehmen bzw. abzutragen. Der Gurt 11 erstreckt
sich von der Rotorblattwurzel 13 bis zur Rotorblattspitze 14.
Der Gurt 11 weist seine größte Breite im mittleren Bereich
der Gurtlänge
bzw. Rotorblattlänge
auf. Eine erste Stelle oder Position dieses Bereiches ist beispielhaft
mit b1 gekennzeichnet, d. h. die größte Breite des Gurtes ist bei
Position b1 vorhanden. Im Bereich der Rotorblattwurzel 13 findet
sich eine weitere zweite Kennzeichnung oder zweite Stelle oder Position
b2. Hier ist die Breite des Gurtes 11 erkennbar geringer
als in der Mitte des Rotorblattes 10, d. h. bei der ersten
Position.
-
Eine
weitere, dritte Markierung bzw. Stelle oder Position mit der Kennzeichnung
b3 findet sich nahe bzw. im Bereich der Rotorblattspitze 14.
Hier ist die Breite des Gurtes 11 noch geringer als an
der zweiten Stelle b2 nahe der Rotorblattwurzel 13. Die Breite
des Gurtes 11 und damit seine Querschnittsfläche ist
hier also optimal dem Lastverlauf entlang des Rotorblattes 10 angepasst.
Dabei bleibt die Dicke des Gurtes über die gesamte Gurtlänge gleich.
-
Die
Herstellung eines derartigen Gurtes kann beispielsweise so erfolgen,
dass Halbzeuge (z. B. aus Metall) vorgegebener, gleicher Dicke (z.
B. Anzahl der Lagen) und ebenfalls vorgegebener Breite nebeneinander
gelegt und miteinander verbunden (z. B. verschweißt) werden.
Je nach erforderlicher Breite des Gurtes können Anzahl und/oder Breite
der Halbzeuge variiert werden, so dass der fertige Gurt einen vorgegebenen
Breitenverlauf bei gleichbleibender Dicke aufweist.
-
2 zeigt
eine Draufsicht auf ein Rotorblatt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Hier ist ein Rotorblatt 20 in Draufsicht mit dem Verlauf
des Gurtes 21 gezeigt. Auch hier variiert die Breite des Gurtes 21 zwischen
dem mittleren Bereich der Gurtlänge
bzw. Rotorblattlänge
an einer ersten Position b1, dem Bereich der Rotorblattwurzel 23 mit
einer zweiten Position b2 und einer dritten Position b3 im Bereich
der Rotorblattspitze 24.
-
Im
Unterschied zu dem Rotorblatt gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ist hier
die Breite b2 des Rotorblatts gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
im Bereich der Rotorblattwurzel 23 deutlich größer als
an der gleichen Position in 1. Diese
Verbreiterung erfolgt aber nicht wegen höherer Beanspruchungen, sondern
weil so ein verbesserter Übergang
zum Rotorblattanschluss an der Nabe einer Windenergieanlage geschaffen
werden kann. Damit kann der Lastabtrag in die Nabe einer Windenergieanlage
optimiert werden und die Beanspruchung gerade an diesem Übergang
gering gehalten werden, wobei die Dicke des Gurtes gleich bleiben
kann.
-
3 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Rotorblattes gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel.
Hier ist der Verlauf des Gurtes 31 gezeigt, wobei der Gurt
als Obergurt (an der Oberseite des Rotorblattes 30) dargestellt
ist und vom Bereich der Rotorblattwurzel 33 bis zur Rotorblattspitze 34 verläuft.
-
In 3 ist
ebenfalls ein Untergurt 32 gezeigt, der einen dem Obergurt 31 ähnlichen
Verlauf, auch in seiner Breitenvariation, aufweist. Zwischen dem
Obergurt 31 und dem Untergurt 32 ist ein Steg 35 vorgesehen.
Dieser Steg 35 verbindet die beiden Gurte 31, 32 miteinander
und führt
zu einer bekannten und bewährten
Tragkonstruktion für
das erfindungsgemäße Rotorblatt.
-
4 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Rotorblattes gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel.
Abweichend von dem Rotorblatt gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
in 3 ist die zusätzlich
Profilsehne 40 an der Rotorblattwurzel 33 dargestellt.
Dabei ist in 4 deutlich erkennbar, dass der
Steg 35 senkrecht zu der Profilsehne 40 ausgerichtet
ist. Weist das Rotorblatt 30 entlang der (nicht dargestellten)
Fädelachse
eine Verwindung in seinem Profil und damit eine Drehung der Profilsehne 40 auf,
so folgt der Steg 35 dieser Verwindung durch den stets
senkrechten Verlauf zur Profilsehne 40.
-
Die
Dicke des Gurtes gemäß einem
der obigen Ausführungsbeispiele
kann durch das Vorsehen einer Anzahl von Materiallagen oder Blechen
erreicht werden.
-
In 5 ist
eine Gondel 42 einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage gezeigt.
Diese Gondel 42 ist auf einem Turm 43 angeordnet. Über einen
Maschinenträger 45 und
einen Achszapfen 46 ist eine Rotornabe 44 an der
Windenergieanlage angebracht. An der Rotornabe 44 können Rotorblätter 30 (nach
dem ersten, zweiten oder dritten Ausführungsbeispiel) angebracht
werden. Dabei erfolgt die Befestigung der Rotorblätter 30 an
der Rotornabe 44 unter Vermittlung eines sogenannten Blattadapters 37. Dieser
Blattadapter 37 ist aus einem Isolationsmaterial hergestellt
und verhindert so eine galvanische Verbindung zwischen den Rotorblättern 30 und
der Rotornabe 44. Dazu ist das Rotorblatt 30 mit
(nicht dargestellten) Bolzen an dem Blattadapter 37 befestigt.
Der Blattadapter 37 ist wiederum an der Rotornabe 44 befestigt.
Da der Blattadapter 37 aber aus einem Isoliermaterial besteht,
kommt eine galvanische Verbindung zwischen dem metallischen Rotorblatt 30 und
der häufig
aus einem Gussmaterial hergestellten Rotornabe 44 nicht
zustande.