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Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage umfassend eine Rotorblattwurzel und ein Rotorblattprofil, wobei das Rotorblatt zumindest teilweise aus einem Faserverbundkunststoff mit in der Matrix des Faserverbundkunststoffs eingebetteten Metalleinlegeteilen besteht.
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Die Erzeugung von elektrischer Energie unter Verwendung von Windkraftanlagen wird immer weiter ausgebaut. Durch den starken Ausbau ist die Anzahl der Standorte für Windkraftanlagen begrenzt, so dass in zunehmendem Maße kleinere Anlagen durch Windkraftanlagen mit größerer Leistung ersetzt werden. Ein weiterer Trend geht dahin, Windkraftanlagen im vorgelagerten Küstenbereich zu installieren. Hier werden in der Regel Windkraftanlagen mit den größten Leistungen installiert. Größere Leistungen erfordern größere Windkraftanlagen, so dass diese Rotordurchmesser von 80 bis 160 m aufweisen. Ein Rotorblatt besteht aus einer Rotorblattwurzel zur Anbindung des Rotorblatts an die Rotornabe und einem Rotorblattprofil. Das Rotorblattprofil soll eine optimale Übertragung der kinetischen Energie des Windes in eine Rotationsbewegung des Rotors ermöglichen. Die Rotorblattwurzel dient zur Übertragung der Drehmomente auf die Rotornabe und damit den Generator der Windkraftanlage.
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Bis zu einem Rotordurchmesser von etwa 80 m werden häufig Faserverbundkunststoffe basierend auf einem Glasfaser verstärkten Kunststoff verwendet. Bei höheren Rotordurchmessern von mehr als 80 m wird eine Kombination aus Glasfaser verstärkten Kunststoffen (GFK) und Kohlefaser verstärkten Kunststoffen (CFK) verwendet. Diese Hybridbauweise ist allerdings sehr kostenintensiv. Ziel der Hybridbauweise ist es, bei den extremen Rotordurchmessern die Auslenkung bzw. Durchbiegung des einzelnen Rotorblatts bei Belastung möglichst gering zu halten. Ein weiteres Problem stellt das Blitzschutzsystem der Rotorblätter dar, welches zusätzliche Kosten bei der Herstellung der Rotorblätter in der besagten Hybridbauweise verursacht. Darüber hinaus besteht bereits ein hoher Kostendruck bei der Realisierung von Windkraftanlagen insbesondere mit größeren Leistungsbereichen. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2007 036 917 A1 ist zur Lösung dieses Problems ein Rotorblatt für Windkraftanlagen bekannt, welches im Rotorblatt angeordnete Spannglieder aufweist, welche einen im Rotorblatt vorgesehenen Holm unter Druckspannung setzen, so dass spannungsabhängige Verformungen in Folge von Windlast minimiert werden. Einerseits wird auch bei dieser Lösung eine Kombination aus CFK- und GFK-Werkstoffen verwendet, andererseits weist auch diese Lösung ein integriertes Blitzschutzsystem nicht auf.
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Des Weiteren ist aus der
DE 10 2008 055 477 A1 ein Rotorflügel einer Windkraftanlage bekannt, der aus einem faserverstärkten Verbundteil mehrerer Fasermatten besteht. An den Fasermatten sind vier karottenförmige Einlagen zur Stabilisierung des Rotorflügels angebracht, die sich in Längsrichtung über den ganzen Rotorflügel erstrecken.
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Aus dem Stand der Technik (
DE 102 14 340 C1 ) ist zudem auch ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage bekannt, bei dem in das Rotorblatt ein Insert aus einem festen Material eingearbeitet ist, das in einen aus einem Faserkunststoffverbund bestehenden Laminataufbau eingebettet ist.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Rotorblatt zur Verfügung zu stellen, welches sich einfach auch bei sehr großen Längen herstellen lässt und darüber hinaus eine vereinfachte Integration eines Blitzschutzsystems ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für ein gattungsgemäßes Rotorblatt dadurch gelöst, dass die Metalleinlegeteile unterschiedliche Längen aufweisen und in einer Mehrzahl an Schichten im Rotorblatt angeordnet sind.
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Die Verwendung von Metalleinlegeteilen, insbesondere aus Stahl in einer Faserverbundkunststoffmatrix ermöglicht die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften von Metall, insbesondere Stahl mit denen des Faserverbundkunststoffs zu kombinieren. Insbesondere ermöglicht der hohe E-Modul von Stahl eine vereinfachte Bauweise von Rotorblättern mit sehr großen Längen. Zudem lässt sich das Einlegen von Metalleinlegeteilen in die Faserverbundkunststoffmatrix ohne weiteres in den bisherigen Fertigungsablauf integrieren, so dass keine höheren Kosten bei der Fertigung erwartet werden. Der Anteil der CFK-Kunststoffe kann durch die Verwendung der Metalleinlegeteile signifikant reduziert oder vermieden werden, so dass eine kostengünstigere Fertigung ermöglicht wird. Zusätzlich können die Metalleinlegeteile als integrierter Blitzschutz dienen.
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Eine besonders kostensparende Variante kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotorblatts dadurch bereitgestellt werden, dass Metalleinlegeteile in eine Matrix eines Glasfaser verstärkten Kunststoffs (GfK) eingebettet sind und die Metalleinlegeteile sich zumindest teilweise in Längsrichtung des Rotorblatts erstrecken. Glasfaser verstärkte Kunststoffe sind im Vergleich zu Kohlefaser verstärkten Kunststoffen deutlich kostengünstiger. Diese können in Kombination mit den Metalleinlegeteilen als Verbundwerkstoffe besonders biegesteif ausgeführt werden. Die Metalleinlegeteile können beispielsweise sowohl im Rotorblattprofil als auch in der Rotorblattwurzel vorgesehen sein, so dass zur Anbindung des Rotorblatts and die Rotornabe keine zusätzlichen Einlegeteile vorgesehen werden müssen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotorblatts folgen die Metalleinlegeteile der Kontur des Rotorblatts, so dass auch die üblicherweise vorhandenen aerodynamischen Eigenschaften des Rotorblattprofils mit der erfindungsgemäßen Bauweise gewährleistet werden können.
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Um den unterschiedlichen Belastungen sowohl in der Rotorblattwurzel als auch im Rotorblattprofil gerecht zu werden, weisen die Metalleinlegeteile erfindungsgemäß unterschiedliche Längen auf, wobei die Metalleinlegeteile in einer Mehrzahl an Schichten im Rotorblatt angeordnet sind. Unterschiedlich lange Einlegeteile können beispielsweise so angeordnet werden, dass im Bereich der Rotorblattwurzel eine hohe Anzahl an Schichten mit Metalleinlegeteilen vorhanden ist und im Bereich der Rotorblattspitze nur noch wenige Metalleinlegeteile vorgesehen sind. Insbesondere die hohen Biegemomente, welche im Bereich der Rotorblattwurzel im Betrieb auftreten können mit dieser Anordnung der Metalleinlegeteile insbesondere aus Stahl sehr gut aufgenommen werden.
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Das Problem, dass Fügeverbindungen bei den hohen Belastungen problematisch in Bezug auf die Steifigkeit von Metalleinlegeteilen sein können, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotorblatts dadurch gelöst werden, dass die Metalleinlegeteile keine Fügeverbindungen aufweisen. Die einstückigen bzw. aus einem einzigen Material bestehenden Metalleinlegeteile sind so optimal an den langjährigen Einsatz im Rotorblatt angepasst. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, beispielsweise bei Verwendung von aus „tailored Products“, beispielsweise Blanks und/oder Strips hergestellten Metalleinlegeteilen, unterschiedliche Belastungssituationen mit einem einzigen Metalleinlegeteil zu berücksichtigen. Denkbar ist auch der Einsatz von „tailored rolled Blanks“ als Metalleinlegeteile, welche sowohl keine Fügeverbindungen als auch auf unterschiedliche Belastungen angepasste Bereiche aufweisen. Als Fügeverbindung im Sinne der vorliegenden Erfindung werden bevorzugt stoffschlüssige Verbindungen, also beispielsweise Schweiß-, Löt- oder Klebeverbindungen angesehen. Prinzipiell sind aber auch kraft- und/oder formschlüssig verbundene Metalleinlegeteile verwendbar. Diese sind in der Regel einfacher herstellbar.
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Gemäß einer nächsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotorblatts erstrecken sich die Metalleinlegeteile zumindest teilweise bis in die Rotorblattwurzel. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform gewährleistet eine bessere Übertragung der auf das Rotorblattprofils einwirkenden Kräfte auf die Rotorblattwurzel und die Rotornabe. Zusätzliche Metalleinlegeteile im Bereich der Rotorblattwurzel können dadurch auch vermieden werden.
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Zur Verbesserung des Kraftaufnahmevermögens bzw. Kraftübertragungsvermögens der Metalleinlegeteile auf die übrigen Teile des Rotorblatts sowie zur Gewichtsersparnis weisen die Metalleinlegeteile gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotorblatts Ausformungen und/oder Stanzungen auf. Die Ausformungen können darin bestehen, dass beispielsweise eine Abkantung vorgesehen ist, welche zusätzlich in die Faserverbundmatrix eingebracht wird und damit eine verbesserte Verankerung und damit eine verbesserte Kraftübertragung auf das Metalleinlegeteil nach sich zieht. Allerdings sind auch andere Ausformungen, beispielsweise tiefgezogene Bereiche oder Prägungen denkbar. Stanzungen, beispielsweise Lochungen, ermöglichen nicht nur eine Gewichtsreduzierung des Metalleinlegeteils, sondern auch, dass der Faserverbundkunststoff das Metalleinlegeteil besonders gut umschließen kann und insofern die Verankerung des Metalleinlegeteils in der Faserverbundkunststoffmatrix verbessert wird.
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Zur Verbesserung des Korrosionsverhaltens können Metalleinlegeteile, beispielsweise Karbonstahl verwendet werden, welche oberflächenbeschichtet sind oder aus Edelstahl bestehen. Hier kommt beispielsweise der Einsatz von verzinkten Stahleinlegeteilen aber auch der Einsatz von mit organischen Beschichtungen versehenen Stahleinlegeteilen in Frage.
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Ein beispielsweise in Bezug auf Korrosion der Stahleinlegeteile optimiertes Rotorblatt kann dadurch zur Verfügung gestellt werden, dass zumindest die außen angeordneten Stahleinlegeteile aus einem Edelstahl und die inneren Stahleinlegeteile aus einem Karbonstahl bestehen. Edelstahl weist bekanntlich eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit auf und kann daher im Außenbereich des Rotorblatts ohne weiteres den Witterungsverhältnissen auf hoher See ausgesetzt werden und gleichzeitig als äußeres Blitzschutzsystem verwendet werden. Die inneren Stahleinlegeteile können aufgrund deren Anordnung beispielsweise durch Karbonstahl in Bezug auf die Festigkeit und Kosten optimiert werden, ohne dass Erfordernisse in Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit im Vordergrund stehen.
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Um besonderen mechanischen Belastungen gerecht zu werden, sind in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotorblatts Metalleinlegeteile vorgesehen, die zumindest teilweise aus einer Mehrzahl sich überlappender Metallstreifen bestehen und optional die Anordnung einer Blattfeder aufweisen. Entsprechende Metalleinlegeteile weisen per se schon unterschiedliche Steifigkeiten aufgrund ihres Aufbaus auf und können diese auf einfache Weise in Verbindung mit dem Faserverbundkunststoff im Rotorblatt bereitstellen.
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Abhängig von dem jeweilig verwendeten Werkstoff können die Metalleinlegeteile gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotorblatts eine Dicke von 0,3 mm bis 5 mm, vorzugsweise eine Dicke von 1,0 bis 3,0 mm aufweisen. In diesen Dickenbereichen können insbesondere die Stahleinlegeteile ihre Vorteile in Bezug auf einfache Herstellung und Bereitstellung von sehr hohen Biegesteifigkeiten gerecht werden.
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Weist das Rotorblattprofil gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zwei Halbschalen und zwischen den Halbschalen in Längsrichtung verlaufende Stege auf, wobei zwischen den Stegen mindestens ein oberer und ein unterer Gurt vorgesehen sind und Metalleinlegeteile im oberen und/oder unteren Gurt angeordnet sind, so kann ein konventionelles Herstellverfahren auch bei Verwendung der erfindungsgemäßen Hybridbauweise erfolgen. Die Gurte dienen zur Aufnahme der Biegemomente des Rotorblattprofils und können deshalb durch die Verwendung der Metalleinlegeteile in Bezug auf ihr Lastaufnahmevermögen verbessert werden. Neben aerodynamischen Anforderungen überträgt die in Windrichtung weisende Rotorblattprofilnase ebenfalls Querkräfte auf das Rotorblatt. Vorzugsweise sind auch in der Rotorblattprofilnase Metalleinlegeteile vorgesehen. Dies gilt ebenso für die Wind abgewandte Rotorblattprofilfahne, welche im Wesentlichen aerodynamischen Zwecken genügen muss. Zwischen den Halbschalen kann anstelle der Stege zur Verbesserung der Steifigkeit auch ein Holm angeordnet sein. Auch der Holm kann vorzugsweise unter Verwendung von Metalleinlegeteilen hergestellt sein. Grundsätzlich ist aber auch denkbar, das erfindungsgemäße Rotorblatt unter Verwendung der Wickeltechnik ohne die Verwendung von Halbschalen herzustellen.
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Schließlich wird das erfindungsgemäße Rotorblatt dadurch vorteilhaft ausgestaltet, dass das Rotorblatt eine Länge von mehr als 40 m aufweist. Bei Rotorblättern mit einer Länge von mehr als 40 m werden üblicherweise kostenintensive CFK-Kunststoffe verwendet. Das erfindungsgemäße Rotorblatt weist daher gegenüber den bisher bekannten Rotorblättern mit entsprechenden Längen deutlich verringerte Herstellkosten auf, da CFK durch Metalleinlegeteile substituiert wird.
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Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
- 1 in einer schematischen, perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorblatts und dessen Querschnittsform an drei verschiedenen Positionen,
- 2 ein Längsschnitt des Ausführungsbeispiels aus 1,
- 3 in einer schematischen, perspektivischen Ansicht vier verschiedene Beispiele von Metalleinlegeteilen und
- 4 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotorblattprofils.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorblatts 1, welches eine Rotorblattwurzel 2 und ein Rotorblattprofil 3 aufweist. Von dem Rotorblattprofil 3 sind in 1 zusätzlich die Querschnittsformen im Bereich der Schnitte A, B und C dargestellt. Als Metalleinlegeteile werden Stahleinlegeteile verwendet. Die Stahleinlegeteile 4 verlaufen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel von der Rotorblattwurzel 2 bis teilweise in die Rotorblattspitze.
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Hierdurch wird eine sehr gute Steifigkeit vom Rotorblattprofil in die Rotorblattwurzel erreicht. Ferner können die Stahleinlegeteile 4 zur Ankopplung des Rotorblatts an die Rotornabe der Windkraftanlage (nicht dargestellt) genutzt werden.
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Wie anhand des Schnitts A zu erkennen ist, sind die Stahleinlegeteile 4 in drei Schichten 5, 6, 7 im Bereich der Rotorblattwurzel 2 vorgesehen. Durch die Mehrzahl an Schichten 5, 6, 7 können die Stahleinlegeteile 4 im Bereich der Rotorblattwurzel höhere Biegemomente aufnehmen und die Rotorblattwurzel besonders biegesteif ausgestalten. Schnitt B zeigt, dass hier lediglich zwei Schichten 5, 6 an Stahleinlegeteilen 4 vorhanden sind. Dies kann dadurch erreicht werden, dass beispielsweise unterschiedlich lange Stahleinlegeteile 4 verwendet werden, um den verschiedenen Belastungsbereichen des Rotorblatts 1 gerecht zu werden. In der Rotorblattspitze, Schnitt C, ist lediglich eine Schicht 5 an Stahleinlegeteilen 4 vorgesehen. Die Verwendung von unterschiedlichen Anzahlen an Schichten der Einlegeteile führt auch zu einer Gewichtsreduzierung des gesamten Rotorblatts 1 unter Berücksichtigung der jeweiligen Belastungssituation der unterschiedlichen Bereiche des Rotorblatts 1.
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Darüber hinaus zeigt 1, dass das Rotorblatt 1 in Halbschalentechnik bestehend aus den Halbschalen 8a und 8b mit einem innenliegenden und in Längsrichtung verlaufenden Holm 9 gefertigt ist. Der Holm 9 dient zur Aufnahme von Kräften und Momenten im Betrieb des Rotorblatts 1. Anstelle des innenliegenden Holms 9 können aber auch Stege vorgesehen sein, welche die beiden Halbschalen 8a und 8b zumindest abschnittsweise abstützen, wie später in 4 dargestellt ist.
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Der Holm 9 aber auch die Rotorblattwurzel 2 und das Rotorblattprofil 3 können unter Verwendung eines GFK-Kunststoffes hergestellt werden und erreichen die gewünschten Steifigkeiten durch die Verwendung der Stahleinlegeteile, so dass auf die kostenintensiven CFK-Kunststoffe weitgehend verzichtet werden kann. Es ist aber auch denkbar CFK-Kunststoffe in Verbindung mit Stahleinlegeteilen zu verwenden, um besondere Anforderungen zu erfüllen.
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Die Stahleinlegeteile 4 folgen der Kontur des Rotorblattprofils 3 und sind im dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl in der Rotorblattprofilnase 3a als auch in der Rotorblattprofilfahne 3b vorgesehen, so dass das Rotorblatt 1 auch die notwendigen aerodynamischen Voraussetzungen erfüllen kann. Die oberen und unteren Gurte 3c und 3d des Rotorblattprofils 3 weisen ebenfalls Stahleinlegeteile 4 auf und sind damit optimal zur Aufnahme von Zug- und Druckspannungen aufgrund von Biegemomenten des Rotorblattprofils 3 angepasst.
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2 zeigt das Ausführungsbeispiel aus 1 in einem Längsschnitt entlang des Rotorblattprofils 3. Zur Orientierung sind die Positionen der Querschnitte A, B und C in 2 ebenfalls eingezeichnet. Zu erkennen ist, dass zunächst drei Schichten 5, 6, 7 an Stahleinlegeteilen im Rotorblattprofil 2 vorgesehen sind. Die in den Schichten 5, 6 und 7 vorgesehenen, unterschiedlich langen Stahleinlegeteile 4 gewährleisten, dass das Rotorblatt 1 einen Steifigkeitsgradienten aufweist. Dieser wird beispielsweise dadurch erreicht, dass in Längsrichtung zur Spitze des Rotorblatts 1 hin die Anzahl der übereinander angeordneten Schichten 5,6,7 an Stahleinlegeteilen 4 abnimmt. Trotz des Steifigkeitsgradienten lässt sich das erfindungsgemäße Rotorblatt hierdurch noch auf einfache Weise fertigen. Die Stahleinlegeteile 4 können nämlich ohne weiteres in den bestehenden Fertigungsablauf zur Herstellung des Rotorblatts 1 integriert werden.
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Unterschiedliche Ausführungsformen der Stahleinlegeteile zeigt 3 in einer schematischen, perspektivischen Darstellung. Die Stahleinlegeteile 10, 11, 12, 17 weisen jeweils Stanzungen 13 auf, durch welche das Kunststoffmaterial, beispielsweise eines Glasfaser verstärkten Kunststoffes, hindurchtreten kann und insofern zu einer besseren Verankerung der Stahleinlegeteile 10, 11, 12 führt, 3a), 3b), 3c) und 3d).
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In 3b) ist ein Ausführungsbeispiel eines Stahleinlegeteils 11 dargestellt, welches nicht nur Stanzungen 13 aufweist, sondern darüber hinaus eine Ausformung in Form eines Kragens 14, welcher in der Matrix des Kunststoffes versenkt werden kann. Auch hierdurch wird eine bessere Verankerung des Stahleinlegeteils 11, beispielsweise gegen ein seitliches Verrutschen erreicht. Eine weitere Verbesserung demgegenüber wird dadurch erzielt, dass neben einem Kragen 14 ein zusätzlicher Flanschbereich 15 vorgesehen ist, welcher wiederum abgewinkelt vom Kragen 14 absteht. Das Stahleinlegeteil 12 weist in allen Bereichen, d.h. auch im Kragenbereich 14 und Flanschbereich 15, Stanzungen 13 auf, welche zur verbesserten Verankerung und gleichzeitig zur Gewichtsreduzierung des Stahleinlegeteils 12 dienen. Das Stahlanlegeteil 17 kann zu einem Hohlprofil geformt werden, wobei in diesem Fall auf die Stanzungen auch verzichtet werden kann. Hierdurch kann weiteres Gewicht eingespart werden, da das Hohlprofil als geschlossenes Profil mit Luft gefüllt in die Kunststoffmatrix eingebettet wird.
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4 zeigt den Querschnitt des Rotorblattprofils 3 eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotorblatts 1. Das Rotorblattprofil 3 besteht auch hier aus zwei Halbschalen 8a und 8b, welche im Bereich der Rotorprofilnase 3a und im Bereich der Rotorprofilfahne 3b miteinander verbunden sind. Ferner sind zwei in Längsrichtung verlaufende Stege 16 vorgesehen, welche die Halbschalen 8a und 8b abstützen und Querkräfte aufnehmen können. Die oberen und unteren Gurte 3c und 3d sind zwischen den Stegen 16 angeordnet und weisen erfindungsgemäß Stahleinlegeteile 4 auf, welche allerdings in 4 nicht dargestellt sind. Auch die Rotorblattprofilnase 3a, die Rotorblattprofilfahne 3b und prinzipiell auch die Stege 16 können Stahleinlegeteile 4 aufweisen, welche die Steifigkeitseigenschaften des Rotorblattprofils 3 in diesen Bereichen verbessern.
