DE102010015392A1

DE102010015392A1 - Verbindungselement für ein Rotorblatt einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102010015392A1
Application number: DE102010015392A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Lehmann Jan
Original assignee: AERO DYNAMIK CONSULT GmbH; AERO-DYNAMIK-CONSULT GmbH
Current assignee: AERO DYNAMIK CONSULT GmbH; AERO-DYNAMIK-CONSULT GmbH
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2030-04-20
Also published as: DE102010015392B4

Abstract

Bekannte Verbindungselemente für Rotorblätter erzeugen hohe Kerbwirkungen und müssen im Bereich der Faseranbindung deutlich verstärkt werden. Zudem können sie aufgrund ihrer Eigenschaften nur eingeschränkt als Verbindungselement für Rotorblattmodule eingesetzt werden. Das neue Verbindungselement soll die Kerbwirkung der Verbindung deutlich reduzieren, dadurch die Baugröße und Masse verringern und den Einsatz an jeder Stelle des Rotorblattes ermöglichen. Um die Kräfte, die auf das Verbindungselement (300) wirken zu verringern werden die beiden Seiten der Verbindungsanordnung (301, 302) in einzelne Lamellen aufgefächert (303). Durch eine beispielsweise eine Querkraft F oder eine Verklebung der Lamellen, kann die Kraft gleichmäßig und ohne zusätzlich Bauteile wie z. B. Schrauben von einem Modul (301) auf das andere Modul (302) übertragen werden. Das Lamellenförmige Verbindungselement eignet sich unter anderem für die Verbindung zweier Rotorblattmodule oder die Verbindung von Rotorblatt und Rotornabe.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft modulare und nicht modulare Rotorblätter für Windkraftanlagen. Sie beschreibt die Art des Verbindungselementes um zwei Module eines Rotorblattes miteinander zu verbinden, das Rotorblatt an einer anderen Komponente zu befestigen oder Komponenten am Rotorblatt anzuschließen. Außerdem werden verschiedene Ausführungen der Verbindung beschrieben.
STAND DER TECHNIK
In den letzten Jahren nimmt die Anzahl von Windkraftanlagen stetig zu. Um Kosten zu senken und die Effizienz zu erhöhen geht die Tendenz dabei zu immer größeren Anlagen mit längeren Rotorblättern.
Um sowohl Transport- und Produktionskosten zu senken, die Fertigung der Rotorblätter zu erleichtern und den Transport sehr großer Rotorblätter überhaupt erst zu ermöglichen können modulare Rotorblätter gefertigt werden. Im Werk werden mehrere Module hergestellt, die einzeln zum Aufstellungsort geliefert werden. Vor Ort werden sie zusammengesetzt, sodass ein fertiges Rotorblatt entsteht.
Ein Problem bei der Entwicklung modularer Rotorblätter ist die Ausführung der Verbindungsstelle beider Module. Die hochbelastete Verbindung muss sowohl hohen Maximallasten als auch hohen Betriebsfestigkeitslasten standhalten.
Eines der herkömmlichen Verfahren um zwei Module eines Rotorblattes aneinander zu befestigen ist eine Schraubenverbindung. Diese Verbindungsmethode wurde bereits 1981 bei der Windkraftanlage ”Debra 25” und seit 2007 auch bei der Enercon E126 eingesetzt.
Beim Anschluss von Rotorblättern an die Nabe werden zur Zeit hauptsächlich zwei Ausführungsweisen verwendet. Zum einen wird die so genannte ”T-Bolt-Verbindungen” verwendet, bei der die Kraft durch eine Schrauben-Querbolzen Anordnung in das Rotorblatt eingeleitet wird. Um den Querbolzen im Laminat zu befestigen muss dieses erheblich verstärkt werden was zur Erhöhung der Blattmasse führt. Eine weitere Möglichkeit zum Anschluss von Rotorblättern sind so genannte ”Carrots”. Ins Laminat eingebrachte Gewindeeinsätze erlauben eine Krafteinleitung mit geringerer Laminataufdickung.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zur Reduzierung der Kräfte an den Verbindungsstellen von Rotorblättern wird die Kraft über mehrere Lamellen übertragen. Wenigstens eines der zu verbindenden Module besitzt eine oder mehr Lamellen, die am anderen Modul hinreichend befestigt sind. Dabei kann die Verbindung einschließlich, jedoch nicht ausschließlich formschlüssig, reibschlüssig oder kraftschlüssig ausgeführt sein.
Durch die Lamellen entsteht eine mehrschnittige Verbindung, in der durch die Oberflächenvergrößerung der Schnittfläche die Kräfte reduziert und die Länge der Verbindungselemente verringert wird. Eine reibschlüssige Verbindung kann beispielsweise hergestellt werden, indem die Lamellenkämme ineinander geschoben und mit zwei Spannbacken vorgespannt werden. Die Kraft wird hierbei nur zu einem geringen Teil über die Schraubverbindung übertragen und zum Grossteil über die Reibungskraft zwischen den Lamellenoberflächen. Um die Kraft der Spannbacken gleichmäßig über die Lamellenoberfläche zu verteilen, können die Spannbacken zudem vorgebogen sein. Im verspannten Zustand entsteht dann eine planare Oberfläche die die Kraftverteilung verbessert.
Eine kraftschlüssige Verbindung kann zum Beispiel hergestellt werden, indem die Lamellenkämme ineinander geschoben und im Anschluss die Spalte zwischen den einzelnen Lamellen durch Vakuuminfusion mit Harz aufgefüllt werden.
Die Herstellung einer Lamellenverbindung in Faserverbundbauweise kann durch verschiedene Methoden erfolgen. Allen gemeinsam ist, dass die Kraft aus einem kompakten Bauteil möglichst gleichmäßig auf die Lamellen übertragen werden muss. Hierfür können die Fasern zum Beispiel durch Keile aufgefächert werden. Besitzen diese Keile einen geringeren Elastizitätsmodul als die Fasern, werden Kerbeinflüsse verringert.
DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Detail wird auf einige Ausführungsformen der Erfindung eingegangen und in den Abbildungen dargestellt. Jedes Beispiel dient nur zur Erläuterung der Erfindung und schränkt diese in keinster Weise ein.
1 stellt eine typische Windkraftanlage 100 dar. Sie besteht aus einem Turm 101, auf dem eine Gondel 102 befestigt ist. Über die Rotornabe 103 sind die Rotorblätter 104 befestigt.
2 stellt ein Rotorblatt 200 dar. Das Rotorblatt 200 besteht aus einem ersten Modul 201 und einem zweiten Modul 202. Beide Module sind in der Schnittebene A-A mit einem Verbindungselement verbunden
3 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar. Das Modul 301 weist drei Lamellen 303 auf, das Modul 302 zwei Lamellen. Durch eine Kraft F entsteht eine reibschlüssige Verbindung der beiden Module. Die Kraft kann einschließlich aber nicht ausschließlich durch eine Verschraubungsanordnung aufgebracht werden.
4 stellt eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar. Hierbei werden die Lamellen beider Module 401, 402 miteinander verklebt. Es entsteht eine kraftschlüssige Verbindung.
5 stellt ein mögliche Anordnung der Verbindungselemente 503 im Rotorblattquerschnitt 500 dar. Die beiden Hauptgurte auf Druck- und Saugseite des Rotorblattes werden dabei in Lamellenform aufgefächert. Dadurch können die Module 501 und 502 miteinander verbunden werden.
6–9 stellen mögliche Ausführungsformen einer kraftschlüssigen Verbindung dar. Hierbei wird über zwei Spannbacken 602, 802 und eine Schraubenverbindung 601, 605, 801, 805 die Querkraft auf die Lamellen 603, 604, 803, 804 aufgebracht. Die Oberfläche der Spannbacken 602, 802 kann dabei so geformt sein, dass die Kraft gleichmäßig über die gesamte Fläche verteilt wird. Die Schrauben 601, 801 können sowohl außerhalb als auch innerhalb der Lamellen 603, 604, 803, 804 liegen.
10 stellt eine mögliche Auffächerung der Fasern 1002, 1003 dar. Die Keile 1001 vergrößern den Abstand zwischen den Fasern 1002, 1003 und reduzieren die Kerbwirkung.

Claims

Rotorblatt für eine Windkraftanlage mit einer Verbindungsanordnung zur Verbindung des Rotorblatts mit einer Nabe der Windkraftanlage oder zur Verbindung wenigstens eines ersten und eines zweiten Moduls eines modular aufgebauten Rotorblatts, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsvorrichtung eine erste und eine zweite Lamellenvorrichtung aufweist, wobei die Lamellenvorrichtungen jeweils mehrere Lamellen besitzen, die – in verbundenem Zustand – kammartig ineinander greifen.
Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenvorrichtung ein Spannelement aufweist, um die Lamellen – in verbundenem Zustand aneinander zu pressen.
Rotorblatt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement zwei Spannbacken und eine Schraubverbindung aufweist.
Rotorblatt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbacken vorgebogen sind, derart, dass im verspannten Zustand die Spannkraft gleichmäßig über die Spannfläche verteilt ist.
Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kammartig ineinandergreifenden Lamellenelemente verklebt sind.
Rotorblatt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Harzmaterial zum Verkleben eingesetzt ist.
Rotorblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenvorrichtung aus einem Faserverbundmaterial hergestellt ist.
Rotorblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rotorblatt aus wenigstens einem ersten und einen zweiten Rotorblattmodul aufgebaut ist, deren jedes mindestens einen Hauptgurt auf der Druckseite und mindestens einen Hauptgurt auf der Saugseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der Rotorblattmodule zu einem Rotorblatt an den Enden der Hauptgurte die Lamellenvorrichtung vorgesehen ist.
Rotorblatt nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Hauptgurte aufgefächert sind, um Lamellen auszubilden.
Rotorblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Lamellen zumindest einer der Lamellenvorrichtungen jeweils zumindest ein Keil vorgesehen ist, um den Abstand zwischen den benachbarten Lamellen zu vergrößern.
Rotorblatt nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Keil ein Elastizitätsmodul besitzt, der kleiner ist als der der Lamellen.