DE102011013547A1

DE102011013547A1 - Rotoranordnung für eine Axialturbine und Verfahren für deren Montage

Info

Publication number: DE102011013547A1
Application number: DE102011013547A
Authority: DE
Inventors: Patrick Hennes; Dr. Sauer Alexander
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-09-13
Also published as: EP2683939A2; WO2012119771A3; KR20140061302A; WO2012119771A2; US20130302169A1; WO2012119771A8; JP2014507599A; CA2825235A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Rotoranordnung umfassend eine Antriebswelle mit einer zugeordneten Rotationsachse, die eine Axialrichtung und eine Umfangsrichtung festlegt; einen Rotor mit einer Vielzahl von Rotorblättern, die jeweils einen profilierten Rotorblattabschnitt, der in Axialrichtung anströmbar ist, und einen Blattbefestigungsabschnitt umfassen, wobei die Blattbefestigungsabschnitte wenigstens mittelbar, drehstarr mit der Antriebswelle verbunden sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Blattbefestigungsabschnitte benachbarter Rotorblätter sich in Umfangsrichtung direkt oder über separate und räumlich getrennt angeordnete Zwischenelemente wechselseitig abstützen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung für eine Axialturbine, insbesondere mit einem propellerförmigen Rotor für ein Gezeitenkraftwerk oder eine Windkraftanlage mit horizontaler Rotationsachse, sowie ein Verfahren für deren Montage.
Gezeitenkraftwerke mit einer an einer Maschinengondel umlaufenden, horizontal ausgerichteten Antriebswelle, die von einer propellerförmigen Turbine angetrieben wird, sind bekannt und entsprechen dem Design von Windkraftanlagen in Horizontalläuferbauweise. Für Gezeitenkraftwerke sind die Rotoren gattungsgemäßer Axialturbinen entweder als frei umströmte Einheiten ausgebildet oder von einem Mantelgehäuse mit einer Venturi-Geometrie zur Strömungsbeschleunigung umkleidet. Die nachfolgend beschriebene Rotoranordnung lässt sich ferner auf weitere axiale Strömungsmaschinen, wie Ventilatoren, übertragen.
Zur effizienten Energieausnutzung langsamer Gewässerströmungen, wie kontinuierliche Meeresströmungen oder Gezeitenströmungen, werden großbauende Rotoren benötigt. Entsprechende Anforderungen ergeben sich im Bereich der Windkraft insbesondere für Offshore-Anlagen. Hieraus resultieren hohe Kräfte und Momente auf den Bereich der Rotorblattanbindung an der Nabe, die in drehstarrer Verbindung zur Antriebswelle steht. Entsprechend müssen für Gezeitenkraftwerke die hochbelasteten Komponenten zur Rotorblattanbindung mit einer hinreichenden Sicherheitsreserve ausgelegt werden, da die durch den Mondstand bedingten zyklischen Schwankungen des Gezeitenstroms stark von Wettereinflüssen überlagert sind. So können in Abhängigkeit des Wellengangs, der Windrichtung und des vorliegenden Reliefs am Gewässergrund für den jeweiligen Anlagenstandort starke, meteorologisch beeinflusste Strömungen auftreten, die zu einer fluktuierenden Belastung auf den Rotor führen.
Des Weiteren wird für Gezeitenkraftwerke aufgrund der erschwerten Zugänglichkeit für Wartungsarbeiten ein vereinfachtes Anlagenkonzept mit starr angelenkten Rotorblättern bevorzugt. Vielfach wird zusätzlich auf eine Einrichtung zur Drehung der Anlage um die Hochachse verzichtet und stattdessen ein Rotor mit bidirektional anströmbaren Rotorblättern verwendet. Dies führt dazu, dass beim Eintritt der Überlast die Rotorblätter nicht mittels einer Pitchwinkelverstellung in die Fahnenstellung überführt werden können, wie dies typischerweise bei dem für Windkraftanlagen verwendeten Design der Fall ist. Auch die gesamte Anlage lässt sich nicht aus der Strömung drehen. Demnach ergibt sich eine hohe Anforderung an die Strukturstabilität der Rotorblattanbindung für Gezeitenkraftwerke, die zu schweren, großbauenden und teuren Befestigungskomponenten führt.
Die bisher bekannte Rotorgestaltung für Axialturbinen von Gezeitenkraftwerken geht von einem modular aufgebauten Rotor aus, für den die einzelnen Rotorblätter separat an einer Nabe montierbar sind. Hierzu weist die Nabe Aufnahmen für Blattbefestigungsabschnitte der Rotorblätter auf. Derartige Blattbefestigungsabschnitte sind typischerweise zylindrisch angelegt, wobei ein Übergangsbereich zu den mit dem Strömungsfeld wechselwirkenden profilierten Rotorblattabschnitten mit hoher Strukturstabilität vorgesehen ist. Hierzu wird beispielhaft auf die WO 2010/125478 A1 verwiesen. Die zylindrischen Blattbefestigungsabschnitte weisen typischerweise einen Durchmesser auf, der kleiner als die Sehnenlänge der unmittelbar anschließenden profilierten Rotorblattabschnitte und größer als die Profildicke in diesem Bereich ist. Es liegt also eine Einschnürung vor, aus der eine Kerbwirkung bei einer Belastung der Rotorblätter resultiert, die durch zusätzliche Strukturverstärkungen abgesichert werden muss.
Des Weiteren weisen die bekannten Blattbefestigungsabschnitte am nabenseitigen Ende typischerweise einen Befestigungsflansch auf, der zur Ausbildung einer Schraubverbindung zwischen dem Blattbefestigungsabschnitt des Rotorblatts und dem daran anschließenden Nabenteil der umlaufenden Einheit dient. Für Windkraftanlagen wird eine derartige Rotorblattbefestigung beispielsweise durch die US 6,305,905 B1 offenbart. Entsprechende Befestigungsflansche für Rotorblätter an einer Nabe eines Gezeitenkraftwerks ergeben sich aus der GB 2467226 A , wobei ein einstückig mit dem profilierten Rotorblattabschnitt ausgebildeter, flanschförmiger Blattbefestigungsabschnitt zur Sicherung am Nabenteil mittels eines Befestigungsrings abgedeckt wird. Für weitere Rotorblattanbindungen wird auf US 5173023 und GB 502409 verwiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotoranordnung für eine Axialturbine mit einer Vielzahl einzeln montierbarer Rotorblätter anzugeben, die sich durch eine hohe Strukturstabilität der Rotorblattbefestigungen und durch eine effiziente Kraft- und Momentenübertragung auf eine anschließende Antriebswelle auszeichnet. Darüber hinaus wird ein Rotorblattdesign erwünscht, das einen einfachen Austausch einzelner Rotorblätter ermöglicht. Ferner soll die Rotoranordnung insbesondere zum Betrieb eines Gezeitenkraftwerks dienen und sich bevorzugt zur Ausbildung einer bidirektional anströmbaren Axialturbine eignen. Dabei muss die Rotoranordnung insbesondere asymmetrische, lediglich auf einzelne Rotorblätter wirkende Belastungsspitzen abfangen können und konstruktiv sowie fertigungstechnisch vereinfacht sein. Des Weiteren wird ein Montageverfahren für eine solche Rotorblattanordnung gesucht.
Die Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Dabei haben die Erfinder erkannt, dass anstatt einer Befestigung einzelner Rotorblätter an einer Nabe die Belastbarkeit einer Rotorblatthalterung durch den Verzicht auf ein integrales Nabenbauteil zunimmt. Erfindungsgemäß werden einzelne Nabensegmente den austauschbaren Rotorblättern zugeordnet. Diese bilden einander wechselseitig wenigstens in Umfangsrichtung und wenigstens mittelbar abstützende Blattbefestigungsabschnitte.
Bevorzugt werden für bidirektional anströmbare Rotoren nicht nur Druckkräfte in Umfangsrichtung zwischen den Blattbefestigungsabschnitten vermittelt, sondern es werden zusätzlich Zugkräfte in Umfangsrichtung und axiale Kraftkomponenten durch eine lösbare Verbindung benachbarter Blattbefestigungsabschnitte aufgefangen. Als lösbare Verbindung kommen bevorzugt eine Schraubverbindung und/oder eine formschlüssige Verbindung in Frage, sodass bei einer Anlagenwartung einzelne Rotorblätter separat nachgestellt oder ausgetauscht werden können. Die Blattbefestigungsabschnitte bilden für eine vorteilhafte Gestaltung nach der Ausführung der Montage an der Antriebswelle durch die Wechselwirkung zu den jeweils benachbarten Blattbefestigungsabschnitten ein segmentiertes Nabenteil.
Jedes Rotorblatt der erfindungsgemäßen Rotorblattanordnung umfasst einen profilierten Blattabschnitt und einen hiermit vorzugsweise stoffschlüssig verbundenen Blattbefestigungsabschnitt, der sich an einem korrespondierenden Blattbefestigungsabschnitt eines benachbarten Rotors abstützt und/oder mit diesem lösbar verbunden ist. Dabei stellt der profilierte Rotorabschnitt der Rotorblätter den mit dem Strömungsfeld in nutzbarer Art und Weise wechselwirkenden Teil des Rotorblatts dar. Bei einem Antrieb durch eine Gewässerströmung ist demnach der profilierte Rotorblattabschnitt der hydrodynamisch wirksame Teil des Rotorblatts mit einem angepassten Blattprofil. Im Falle eines bidirektional anströmbaren Rotors für ein Gezeitenkraftwerk werden zu diesem Zweck symmetrische Profile verwendet, wobei beispielsweise eine elliptische Geometrie für ein doppeltachssymmetrisches Profil vorliegen kann. Alternativ können punktsymmetrische Profile mit einer Profilwölbung, d. h. S-schlagförmige Profile, verwendet werden.
Besonders bevorzugt weist jedes Rotorblatt eine einteilige Ausbildung des zugeordneten profilierten Rotorblattabschnitts und des zugeordneten Blattbefestigungsabschnitts auf. Dabei kann das Rotorblatt aus einem GFK- oder CFK-Material oder aus Stahl hergestellt sein, wobei Anlagebereiche an den Blattbefestigungsabschnitten, die zur Kraftübertragung auf Blattbefestigungsabschnitte eines benachbarten Rotorblatts dienen, vorzugsweise durch die Einbettung abriebfester Materialien, etwa einem Kopplungselement aus Metall, verstärkt werden. Für eine weitere vorteilhafte Gestaltung werden die Blattbefestigungsabschnitte als Gussteile hergestellt. An diese schließen sich aus Stahl, CFK oder GFK gefertigte profilierte Rotorblattabschnitte stoffschlüssig an.
Für eine alternative Ausführung sind am Blattbefestigungsabschnitt Stummelflügel stoffschlüssig befestigt, die einen ersten Teil des profilierten Rotorblattabschnitts bilden, wobei ein zweiter Teil des profilierten Rotorblattabschnitts mit dem Stummelflügel lösbar verbunden ist. Der Übergang vom ersten Teil zum zweiten Teil des profilierten Rotorblattabschnitts kann als Sollbruchstelle zur Sicherung der Gesamtanlage vor einer schwerwiegenden Zerstörung im Überlastfall ausgeführt sein. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, diesen Übergangsbereich mit einer Elastizität zur Realisierung einer Biege-Drehkopplung des Rotorblatts zu versehen.
Die Blattbefestigungsabschnitte werden formschlüssig und/oder mittels einer Verschraubung an einer Antriebswelle der Rotoranordnung befestigt, sodass jedes einzelne Rotorblatt drehstarr mit der Antriebswelle verbunden ist. Diese Verbindung kann durch eines oder mehrere der Zwischenelemente übermittelt werden, sodass die drehstarre Anlenkung der Rotorblätter wenigstens mittelbar vorliegt. Für die erfindungsgemäß ausgeführte Rotorblattanordnung wird nur ein Teil der von den profilierten Rotorblattabschnitten eingeleiteten Kräfte und Momente auf die jeweilige Verbindung der Rotorblätter mit der Antriebswelle übertragen, da ein weiterer Teil der Kraftwirkung durch die wechselseitige Abstützung der benachbarten Blattbefestigungsabschnitte abgefangen wird.
Für eine bevorzugte Ausgestaltung wird die Verbindung zwischen Rotorblatt und Antriebswelle an einer axialen Stirnseite des Blattbefestigungsabschnitts ausgeführt, die in Montagestellung einer axialen Abschlussfläche an der Antriebswelle gegenüberliegt. Dabei entstehen durch die Anströmung auf ein Rotorblatt insbesondere Schublasten in Axialrichtung, die zu Kraftkomponenten in Umfangsrichtung an den Anlagebereichen benachbarter Blattbefestigungsabschnitte führen. Aus diesem Grund umfasst für eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung jeder Blattbefestigungsabschnitt einen ersten Anlagebereich und einen zweiten Anlagebereich sowie den voranstehend beschriebenen dritten Anlagebereich zur Antriebswelle. Bevorzugt sind der erste Anlagebereich und der zweite Anlagebereich räumlich getrennt. Alternativ grenzen der erste Anlagebereich und der zweite Anlagebereich aneinander und gehen ineinander über.
Festgelegt sind der erste und der zweite Anlagebereich durch jeweilige Wechselwirkung mit dem direkt benachbart angeordneten Rotorblatt. Für eine erste Ausgestaltung stützt sich der erste Anlagebereich am Blattbefestigungsabschnitt eines ersten, direkt benachbarten Rotorblatts wenigstens mittelbar ab und der zweite Anlagebereich stützt sich entsprechend an dem Blattbefestigungsabschnitt eines zweiten, direkt benachbarten Rotorblatts wenigstens mittelbar ab. Damit kann ein aus einer Axialrichtung angeströmter Rotor einer Axialturbine im Lee-Betrieb realisiert werden. Für einen bidirektional anströmbaren Rotor, der sowohl für den Lee- als auch für den Luv-Betrieb geeignet ist, weisen der erste Anlagebereich und der zweite Anlagebereich bevorzugt Mittel zur lösbaren Verbindung zum jeweils angrenzenden Blattbefestigungsabschnitt des benachbarten Rotorblatts auf. Diese können in Form einer Schraubverbindung und/oder als formschlüssige Verbindung ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt sind die Anlagebereiche in die mechanisch geringer belasteten Zwischenblattbereiche verlagert. Diese Zwischenblattbereiche sind dadurch definiert, dass deren Winkelversatz in Umfangsrichtung zu einer Trennebene zwischen benachbarten Rotorblättern maximal ±30° und bevorzugt maximal ±15° beträgt. Dabei verläuft die Trennebene mittig zwischen benachbarten Rotorebenen, die einzelnen Rotorblättern zugeordnet sind und jeweils durch die Rotationsachse der Antriebswelle und eine weitere Gerade aufgespannt werden, die für den Übergang vom profilierten Rotorblattabschnitt zum Blattbefestigungsabschnitt charakteristisch ist. Im einfachsten Fall liegt ein Rotorblatt mit einer Radialstrahlgeometrie vor, das heißt die Auffädellinien der profilierten Rotorblattabschnitte folgen einer Geraden in Radialrichtung. Für diesen Fall wird eine Rotorebene durch die Auffädellinie und die Rotationsachse festgelegt.
Es kann jedoch der Fall auftreten, dass die profilierten Rotorblattabschnitte gesichelt verlaufen. So ist eine Ausführung denkbar, für die die profilierten Rotorblattabschnitte zwar in der Rotorebene, die als axialsymmetrisch zur Rotationsachse definiert ist, verlaufen, die Auffädellinien jedoch keiner Geraden folgen. Ferner ist es denkbar, dass die profilierten Rotorblattabschnitte so gekrümmt sind, dass diese die Rotorebene verlassen. Für solchermaßen raumgreifend angelegte profilierte Rotorblattabschnitte wird zur Festlegung der Rotorebene auf einem vorbestimmten Profilschnitt im Übergang vom Blattbefestigungsabschnitt zum profilierten Rotorblattabschnitt ein charakteristischer Punkt, beispielsweise der Punkt auf der Sehnenlinie bei halber Profiltiefe, ausgewählt. Eine durch diesen Punkt verlaufende Gerade in Radialrichtung sowie die Rotationsachse definieren dann die Rotorebene.
Im Fall eines Rotors mit mehr als drei Rotorblättern liegen die Zwischenblattbereiche bevorzugt in einem Winkelintervall von 40–60% des Winkels, der durch einen Schnitt der Rotorebene mit benachbart zueinander liegenden Rotorebenen gebildet wird. Für einen Rotor, auf den wesentlich höhere Schubkräfte als Torsionskräfte wirken, sind die Zwischenblattbereiche im Verhältnis zu den übrigen Bereichen der Blattbefestigungsabschnitte geringer belastet. In diesem Bereich liegen vorteilhafterweise die Verbindungselemente für die Blattbefestigungsabschnitte benachbarter Rotorblätter. Diese können beispielsweise formschlüssig ineinandergreifende Komponenten darstellen, die durch eine Relativbewegung in Axialrichtung des Rotors aneinander befestigbar sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt zwischen aneinandergrenzenden Blattbefestigungsabschnitten, insbesondere den einander zugewandten Anlagebereichen, eine elastische Zwischenlage vor. Hierzu kommen hochbelastbare Elastomere, die typischerweise zur Ausbildung von seewasserfesten Gleitlagern verwendet werden, in Frage. Diese Materialien sind typischerweise auf Druck belastbar und weisen eine hohe Abriebfestigkeit für eine Hart-/Weichpaarung auf. Durch die elastische Zwischenlage kann eine gewisse Relativbewegung benachbarter Rotorblätter, die aufgrund von Stoßbelastungen entsteht, ausgeglichen werden.
Für eine Weitergestaltung ist es denkbar, die lösbare Verbindung zwischen den Blattbefestigungsabschnitten benachbarter Rotorblätter durch zusätzliche Zwischenelemente zu vermitteln. Im Gegensatz zu den bekannten Nabenbauteilen bilden diese jedoch keine integrale Struktur, sondern sind als separate und räumlich getrennt angeordnete Komponenten ausgebildet. Für eine Weitergestaltung der Erfindung sind diese Zwischenelemente dazu geeignet, die Einbaulage der Rotorblätter an den jeweiligen Standort anzupassen. Dies erlaubt die Verwendung standardisierter Rotorblätter und eine Veränderung der Rotorblattgeometrie, insbesondere des Anstellwinkels der profilierten Rotorblattabschnitte, durch eine entsprechende Wahl der Zwischenelemente.
Besonders bevorzugt wird eine Ausgestaltung, für die die Gesamtheit der Blattbefestigungsabschnitte des Rotors im befestigten Zustand einen zentralen Freibereich umschließt, der zur Aufnahme eines Wellenteils einer an den Rotor anschließenden Antriebswelle dient. Besonders bevorzugt wird die Kontur des zentralen Freibereichs so gestaltet, dass diese von der Kreiskontur abweicht und durch einen Formschluss mit einem entsprechend komplementär ausgebildeten Wellenstutzen das vom Rotor erzeugte Antriebsmoment überträgt.
Neben der Verlagerung der Verbindungselemente in die weniger belasteten Zwischenblattbereiche erlaubt das erfindungsgemäße Design die Verringerung der Kerbwirkung im Übergang von den profilierten Rotorblattabschnitten zu den Blattbefestigungsabschnitten. Dies gelingt dadurch, dass die bisher übliche zylindrische Ausgestaltung des Blattbefestigungsabschnitts zur Aufnahme in einer Ausnehmung an einem Nabenteil durch die Zuordnung eines Nabensegments zu einem einzelnen Rotorblatt ersetzt wird. Hieraus resultieren großbauende Blattbefestigungsabschnitte, ohne dass das durch die Zusammenführung der Rotorblätter entstehende segmentierte Nabenteil einen Größenzuwachs erfährt.
Zur Verringerung der Kerbwirkung liegen bevorzugt im Bereich eines Radialabschnitts des Rotorblatts, der einen Übergangsbereich zwischen den profilierten Rotorblattabschnitten und dem Blattbefestigungsabschnitt festlegt, keine Einschnürungen vor. Besonders bevorzugt wird ein Übergangsbereich, der oberhalb eines Grenzradius in Richtung nach radial außen zu einen stetigen Verjüngung des Rotorblatts führt. Denkbar ist auch eine alternative Ausführung, für die die Profilbereiche, die für Strukturstabilität wesentlich sind, d. h. die Profilnasen, am profilierten Rotorblattabschnitt etwas über die Quererstreckung des Blattbefestigungsabschnitts hinausragen. Dabei kann die Profilsehne in diesem Anschlussbereich die Quererstreckung des Blattbefestigungsabschnitts bis zu 20% übersteigen, ohne dass ein wesentlicher Zuwachs der Kerbwirkung resultiert.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand von Figurendarstellungen genauer erläutert. Diese stellen Folgendes dar:
1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Rotoranordnung im teilmontiertem Zustand.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Rotoranordnung im teilmontiertem Zustand in perspektivischer Darstellung.
3 zeigt eine alternative Rotorgestaltung in axialer Draufsicht.
4 zeigt einen Ausschnitt aus 3 in vergrößerter Darstellung.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Rotoranordnung mit einem Rotor gemäß 3 im montierten Zustand auf einer Antriebswelle.
6 zeigt eine weitere, alternative Rotorgestaltung in axialer Draufsicht.
1 zeigt in schematisch vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Rotoranordnung mit einer Antriebwelle 1 und einem Rotor 20 mit drei Rotorblättern 2.1, 2.2, 2.3. Die Antriebswelle 1 umfasst eine Rotationsachse 21, die eine Axialrichtung 22 und eine Umfangsrichtung 23 festlegt. Jedes Rotorblatt 2.1, 2.2, 2.3 umfasst einen profilierten Rotorblattabschnitt 3.1, 3.2, 3.3 zur Wechselwirkung mit dem Strömungsfeld und einen Blattbefestigungsabschnitt 4.1, 4.2, 4.3. Die Blattbefestigungsabschnitte 4.1, 4.2, 4.3 sind drehstarr mit der Antriebswelle 1 verbunden. Hierzu dienen die Bohrungen 17.1, ..., 17.n auf einer ersten axialen Stirnseite 24, die mit Gewindebohrungen 27.1, ..., 27.n an der axialen Abschlussfläche 26 der Antriebswelle 1 korrespondieren.
Dabei ist für das Rotorblatt 2.1 der profilierte Rotorblattabschnitt 3.1 für die dargestellte, bevorzugte Gestaltung mit dem zugeordneten Blattbefestigungsabschnitt 4.1 stoffschlüssig verbunden. Entsprechend sind die weiteren Rotorblätter 2.2, 2.3 so gestaltet, dass ein Stoffschluss zwischen dem jeweiligen profilierten Rotorblattabschnitt 3.2, 3.3 und dem zugeordneten Blattbefestigungsabschnitt 4.2, 4.3 besteht. Die Rotorblätter 2.1, 2.2, 2.3 können aus unterschiedlichen Konstruktionsmaterialien hergestellt sein. Hierfür kommen neben Gussteilen, Stahl und Faserverbundwerkstoffe auf GFK- und CFK-Basis in Frage. Auch die Verbindung unterschiedlicher Materialien zur Ausbildung der Rotorblätter 2.1, 2.2, 2.3 ist denkbar.
Jeder Blattbefestigungsabschnitt 4.1, 4.2, 4.3 umfasst eine erste axiale Stirnseite 24 und eine zweite axiale Stirnseite 25, die mittels voneinander beabstandeter plattenförmiger Elemente gebildet werden. An einem ersten Anlagebereich 7.1, 7.2, 7.3 sowie an einem zweiten Anlagenbereich 8.1, 8.2, 8.3 sind die plattenförmigen Elemente durch eine im montierten Zustand in einer Axialschnittebene der Antriebswelle 21 verlaufende Abschlussplatte verbunden, sodass eine leichtbauende jedoch verwindungssteife Struktur entsteht, die durch die Seitenöffnungen 32 in der kastenförmigen Struktur eine einfache Zugänglichkeit für Montagearbeiten bietet.
Im montierten Zustand liegt der erste Anlagebereich 7.1, 7.2, 7.3 für ein erstes Rotorblatt 2.1, 2.2, 2.3 dem zweiten Anlagebereich 8.1, 8.2, 8.3 am Blattbefestigungsabschnitt 4.1, 4.2, 4.3 eines jeweils direkt benachbarten Rotorblatts 2.1, 2.2, 2.3 gegenüber. Die ersten Anlagebereiche 7.1, 7.2, 7.3 und die zweiten Anlagebereiche 8.1, 8.2, 8.3, die im montierten Zustand aufeinander zuweisen, dienen der wechselseitigen Abstützung der Blattbefestigungsabschnitte 4.1, 4.2, 4.3 in Umfangsrichtung 23.
Für die in 1 dargestellte Anströmungsrichtung 28 liegt der Rotor 20 leeseitig. Als Folge führen die resultierenden Schubkräfte 30.1, 30.2, 30.3 auf den profilierten Rotorblattabschnitten 3.1, 3.2, 3.3 in den Blattbefestigungsabschnitten 4.1, 4.2, 4.3 zu den skizzierten Kraftkomponenten 29.1, 29.2 in Umfangsrichtung 23, die durch wechselseitige Anlage der Blattbefestigungsabschnitte 4.1 und 4.3 abgefangen werden.
2 zeigt eine Weitergestaltung der Erfindung für eine bidirektional anströmbare Rotoranordnung, wobei an den ersten Anlagebereichen 7.1, 7.2, 7.3 und den zweiten Anlagebereichen 8.1, 8.2, 8.3 Befestigungsmittel vorliegen, um die durch die Kraftkomponenten 29.3, 29.4 skizzierten wechselnden Druck- und Zugkräfte abzufangen. Exemplarisch sind hierzu schwalbenschwanzförmige Befestigungselemente 10.1, ..., 10.5 dargestellt, die ein Zusammenführen der Blattbefestigungsabschnitte 4.1, 4.2, 4.3 durch eine Axialbewegung des jeweiligen Rotorblatts 2.1, 2.2, 2.3 relativ zu den bereits montierten Komponenten erlauben. Als zusätzliche, lösbare Verbindung der Blattbefestigungsabschnitte 4.1, 4.2, 4.3 dienen Schraubbolzen – hierzu ist in 2 exemplarisch das Befestigungselement 6 gezeigt.
Eine weitere Ausgestaltung ist in 3 dargestellt. Gezeigt ist eine Draufsicht auf die erste axiale Stirnseite 24 der Blattbefestigungsabschnitte 4.1, 4.2, 4.3 mit Bohrungen 17.1–17.n zur Befestigung an einer Antriebswelle 1, die in 5 skizziert ist. 4 zeigt als Schnitt in der durch die Längsachsen 9.1, 9.2, 9.3 der profilierten Rotorblattabschnitte 3.1, 3.2, 3.3 festgelegten Ebene den zweiten Anlagebereich 8.2 am Blattbefestigungsabschnitt 4.2 und den ersten Anlagebereich 7.3 am Blattbefestigungsabschnitt 4.3 in vergrößerter Darstellung. Die Anlagebereiche 8.2, 7.3 sind durch Schraubbolzen 11.1, 11.2 lösbar verbunden, die ein elastisches Zwischenelement 13 einschließen und vorspannen. Hierzu eignet sich ein elastischer Gleitlagerwerkstoff, beispielsweise das Elastomer Orkot^®. Das elastische Zwischenelement 13 erlaubt eine gewisse Beweglichkeit der Rotorblätter 2.1, 2.2, 2.3 im Falle einer asymmetrischen Belastung.
Des Weiteren ist aus 4 ersichtlich, dass für die dargestellte bevorzugte Ausführung eine Seitenöffnung 31 in den kastenförmig ausgeführten Blattbefestigungsabschnitten 4.2, 4.3 vorliegt, die das Gewicht der Rotorblattanbindung reduziert und die Zugänglichkeit zu den für die Wellenanbindung verwendeten Bohrungen 17.1–17.n für die Montage ermöglicht.
Ferner ergibt sich aus 4, dass die wechselseitigen Abstützungsstellen der Blattbefestigungsabschnitte 4.1, 4.2, 4.3 in einem Zwischenblattbereich 18.1, 18.2, 18.3 zwischen den Krafteinleitungsbereichen am Übergang zu den profilierten Rotorblattabschnitten 3.1, 3.2, 3.3 angelegt sind. Zur Verdeutlichung ist zwischen dem zweiten Anlagebereich 8.2 des Blattbefestigungsabschnitts 4.1 und dem ersten Anlagebereich 7.2 des Blattbefestigungsabschnitts 4.2 eine Trennebene 32 skizziert, die auf halben Winkel zwischen den Längsachsen 9.1 und 9.2 der profilierten Rotorblattabschnitte 3.1, 3.2 liegt, welche in Verbindung mit der Flächennormale zur Papierebene (Axialrichtung) die Rotorebenen für die Rotorblätter 2.1, 2.2 festlegen. Innerhalb eines durch einen maximalen Winkelversatz von +/–15° festgelegten Zwischenblattbereichs 18.1, 18.2, 18.3 liegen jene Bereiche, die im Verhältnis zu den übrigen Teilen der Blattbefestigungsabschnitte 4.1, 4.2, 4.3 beim Betrieb des Rotors 20 schwächer belastet werden.
Eine weitere strukturelle Verstärkung ergibt sich aus einer vorteilhaften Gestaltung der Übergangsbereiche 19.1, 19.2, 19.3 zwischen den profilierten Rotorblattabschnitten 3.1, 3.2, 3.3 und den Blattbefestigungsabschnitten 4.1, 4.2, 4.3. Dabei zeigt die vorteilhafte Ausgestaltung gemäß 3 eine Außenkontur, die frei von Einschnürungen ist, sodass die Kerbwirkung an den Rotorblattanschlüssen verringert wird. Besonders bevorzugt liegt ferner ab einem bestimmten Radius eine kontinuierliche Verjüngung vom Blattbefestigungsabschnitt zum profilierten Rotorblattabschnitt 3.1, 3.2, 3.3 nach radial außen vor.
Im montierten Zustand bilden die lösbar miteinander verbundenen Blattbefestigungsabschnitte 4.1, 4.2, 4.3 der Rotorblätter 2.1, 2.2, 2.3 ein segmentiertes Nabenteil 5, das für eine vorteilhafte Ausgestaltung einen zentralen Freibereich 14 aufweist. Für die in 3 dargestellte Ausführungsform ist der zentrale Freibereich 14 dreiecksförmig bezüglich eines Schnitts in der Rotorebene. Ein solcher, von der Kreisform abweichender zentraler Freibereich 14 des segmentierten Nabenteils 5 erlaubt nach der sukzessiven Montage aller Rotorblätter 2.1, 2.2, 2.3 des Rotors 20 das Aufschieben auf einen komplementär geformten Wellenstutzen 16 einer Antriebswelle 1, zu dem ein Formschluss hergestellt wird. Dies ist in 5 als Draufsicht auf die zweite axiale Stirnseite 25 des Rotors 20 gezeigt. Dabei liegt die verdeckte, erste axiale Stirnseite 24 mit den in 5 nicht sichtbaren Bohrungen 17.1, ..., 17.n zur Befestigung an der axialen Abschlussfläche 26 der Antriebswelle 1 an. Ein solchermaßen montierter Rotor 20 kann zu Wartungszwecken teilmontiert werden, indem einzelne Rotorblätter 2.1, 2.2, 2.3 separat ausgetauscht oder bezüglich der Relativlage zu den weiteren Rotorkomponenten bzw. zur Antriebswelle 1 nachjustiert werden. Hierzu ist es denkbar, dass die Bohrungen 17.1, ..., 17.n durch die Verwendung von Langlöchern eine gewisse Montagefreiheit ermöglichen. Für eine im Einzelnen nicht dargestellte Weitergestaltung schließt sich an den Wellenstutzen 16 ein lösbar mit der Antriebswelle 1 verbundenes Sicherungselement an, das in der Montagestellung die zweite axiale Stirnfläche 25 der Blattbefestigungsabschnitte 4.1, 4.2, 4.3 übergreift und axial sichert.
Für das in 6 gezeigte Ausführungsbeispiel werden zur Realisierung der lösbaren Verbindung der Blattbefestigungsabschnitte 4.1, 4.2, 4.3 Zwischenelemente 13.1, 13.2, 13.3 verwendet. Diese stellen separate, räumlich getrennt angeordnete Komponenten dar und dienen der Kopplung der Rotorblätter 2.1, 2.2, 2.3. Für eine nicht in den Figuren gezeigte Weitergestaltung können die Zwischenelemente 13.1, 13.2, 13.3 einen Formschluss zum Wellenstutzen 16 der Antriebswelle 1 aufweisen.
Darüber hinaus ist eine Ausgestaltung denkbar, für die anlagenspezifisch angepasste Zwischenelemente 13.1, 13.2, 13.3 verwendet werden, die eine Verkippungseinstellung der Rotorblätter 2.1, 2.2, 2.3 realisieren. Die für diesen Fall resultierenden Unebenheiten auf der Stirnseite des Rotors 20, die zur angrenzenden Antriebswelle 1 hinweist, müssen zur sicheren Anlage mit entsprechend angepassten Keilelementen unterstützt werden. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den nachfolgenden Schutzansprüchen.
Bezugszeichenliste

1: Antriebswelle
2.1, 2.2, 2.3: Rotorblatt
3.1, 3.2, 3.3: profilierter Rotorblattabschnitt
4.1, 4.2, 4.3: Blattbefestigungsabschnitt
5: segmentiertes Nabenteil
6: Befestigungselement
7.1, 7.2, 7.3: erster Anlagebereich
8.1, 8.2, 8.3: zweiter Anlagebereich
9.1, 9.2, 9.3: Längsachse
10.1, ..., 10.6: formschlüssiges Befestigungselement
11.1, 11.2: Schraubbolzen
12.1, 12.2, 12.3: elastische Zwischenlage
13.1, 13.2, 13.3: Zwischenblattbereich
14: zentraler Freibereich
16: Wellenstutzen
17.1, ..., 17.n: Bohrung
18.1, 18.2, 18.3: Rotorblattzwischenräume
19.1, 19.2, 19.3: Übergangsbereich
20: Rotor
21: Rotationsachse
22: Axialrichtung
23: Umfangsrichtung
24: erste axiale Stirnseite
25: zweite axiale Stirnseite
26: axiale Abschlussfläche
27.1, ..., 27.n: Gewindebohrung
28: Anströmungsrichtung
29.1, 29.2, 29.3, 29.4: Kraftkomponente
30.1, 30.2, 30.3: Schubkräfte
31: Seitenöffnung
32: Trennebene
33: Winkelversatz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/125478 A1 [0005]
US 6305905 B1 [0006]
GB 2467226 A [0006]
US 5173023 [0006]
GB 502409 [0006]

Claims

Rotoranordnung umfassend 1.1 eine Antriebswelle (1) mit einer zugeordneten Rotationsachse (21), die eine Axialrichtung (22) und eine Umfangsrichtung (23) festlegt; 1.2 einen Rotor (20) mit einer Vielzahl von Rotorblättern (2.1, 2.2, 2.3), die jeweils einen profilierten Rotorblattabschnitt (3.1, 3.2, 3.3), der in Axialrichtung (22) anströmbar ist, und einen Blattbefestigungsabschnitt (4.1, 4.2, 4.3) umfassen; 1.3 wobei die Blattbefestigungsabschnitte (4.1, 4.2, 4.3) wenigstens mittelbar, drehstarr mit der Antriebswelle (1) verbunden sind; dadurch gekennzeichnet, dass 1.4 die Blattbefestigungsabschnitte (4.1, 4.2, 4.3) benachbarter Rotorblätter (2.1, 2.2, 2.3) sich in Umfangsrichtung (23) direkt oder über separate und räumlich getrennt angeordnete Zwischenelemente (13.1, 13.2, 13.3) wechselseitig abstützen.
Rotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattbefestigungsabschnitte (4.1, 4.2, 4.3) oder die Gesamtheit der Blattbefestigungsabschnitte (4.1, 4.2, 4.3) und der Zwischenelemente (13.1, 13.2, 13.3) ein segmentiertes Nabenteil (5) des Rotors (20) bilden.
Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Blattbefestigungsabschnitt (4.1, 4.2, 4.3) einen ersten Anlagebereich (7.1, 7.2, 7.3) und einen zweiten Anlagebereich (8.1, 8.2, 8.3) umfasst, wobei der erste Anlagebereich (7.1, 7.2, 7.3) sich am Blattbefestigungsabschnitt (4.1, 4.2, 4.3) eines ersten benachbarten Rotorblatts wenigstens mittelbar abstützt und der zweite Anlagebereich (8.1, 8.2, 8.3) sich am Blattbefestigungsabschnitt (4.1, 4.2, 4.3) eines zweiten benachbarten Rotorblatts (2.1, 2.2, 2.3) wenigstens mittelbar abstützt.
Rotoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anlagebereich (7.1, 7.2, 7.3) und der zweite Anlagebereich (8.1, 8.2, 8.3) jeweils mit dem Blattbefestigungsabschnitt (4.1, 4.2, 4.3) eines benachbarten Rotorblatts (2.1, 2.2, 2.3) lösbar verbunden ist und die lösbare Verbindungen als Schraubverbindungen und/oder als formschlüssige Verbindungen ausgebildet sind.
Rotoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anlagebereich (7.1, 7.2, 7.3) und der zweite Anlagebereich (8.1, 8.2, 8.3) der Blattbefestigungsabschnitte (4.1, 4.2, 4.3) jeweils in einem Zwischenblattbereich (18.1, 18.2, 18.3) angeordnet sind, dessen Winkelversatz in Umfangsrichtung zu einer Trennebene (32) zwischen benachbarten Rotorblättern (2.1, 2.2, 2.3) maximal +/–30° beträgt.
Rotoranordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Blattbefestigungsabschnitten (4.1, 4.2, 4.3) benachbarter Rotorblätter (2.1, 2.2, 2.3) Zwischenelemente (13.1, 13.2, 13.3) mit einer elastischen Zwischenlage (12.1, 12.2, 12.3) vorliegen.
Rotoranordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) eine Vielzahl separater und räumlich getrennt angeordneter Zwischenelemente (13.1, 13.2, 13.3) aufweist, die eine lösbare Verbindung benachbarter Blattbefestigungsabschnitte (4.1, 4.2, 4.3) herstellen.
Rotoranordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Rotorblatt (2.1, 2.2, 2.3) der zugeordnete profilierte Rotorblattabschnitt (3.1, 3.2, 3.3) und der zugeordnete Blattbefestigungsabschnitt (4.1, 4.2, 4.3) stoffschlüssig verbunden sind.
Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass an jeden Blattbefestigungsabschnitt (4.1, 4.2, 4.3) ein Stummelflügel stoffschlüssig anschließt, der einen ersten Teil des profilierten Rotorblattabschnitts (3.1, 3.2, 3.3) bildet, wobei ein zweiter Teil des profilierten Rotorblattabschnitts (3.1, 3.2, 3.3) mit dem Stummelflügel lösbar verbunden ist.
Rotoranordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Rotorblatt (2.1, 2.2, 2.3) der Übergang vom profilierten Rotorblattabschnitt (3.1, 3.2, 3.3) zum Blattbefestigungsabschnitt (4.1, 4.2, 4.3) eine Außenkontur aufweist, die frei von Einschnürungen ist.
Rotoranordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattbefestigungsabschnitte (4.1, 4.2, 4.3) einen zentralen Freibereich (14) des Rotors (20) umschließen.
Rotoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur des zentralen Freibereichs (14) in einer Rotorebene von der Kreiskontur abweicht.
Rotoranordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattbefestigungsabschnitte (4.1, 4.2, 4.3) formschlüssig und/oder mittels einer Verschraubung (17.1, ..., 17.n) an der Antriebswelle (1) befestigt sind.
Verfahren zur Montage einer Rotoranordnung mit 14.1 einer Antriebswelle (1), der eine Rotationsachse (21), die eine Axialrichtung (22) und eine Umfangsrichtung (23) festlegt, zugeordnet ist; 14.2 einem Rotor (20) mit einer Vielzahl von Rotorblättern (2.1, 2.2, 2.3), die jeweils einen profilierten Rotorblattabschnitt (3.1, 3.2, 3.3), der in Axialrichtung (22) anströmbar ist, und einen Blattbefestigungsabschnitt (4.1, 4.2, 4.3) umfassen; mit dem Verfahrensschritt einer 14.3 wenigstens mittelbaren, drehstarren Verbindung der Blattbefestigungsabschnitte (4.1, 4.2, 4.3) an der Antriebswelle (1), wobei die Blattbefestigungsabschnitte (4.1, 4.2, 4.3) benachbarter Rotorblätter (2.1, 2.2, 2.3) sich in Umfangsrichtung (23) direkt oder über separate und räumlich getrennt angeordnete Zwischenelemente (13.1, 13.2, 13.3) wechselseitig abstützen.
Verfahren nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattbefestigungsabschnitte (4.1, 4.2, 4.3) oder die Gesamtheit der Blattbefestigungsabschnitte (4.1, 4.2, 4.3) und der Zwischenelemente (13.1, 13.2, 13.3) so angeordnet werden, dass sie ein segmentiertes Nabenteil (5) des Rotors (20) bilden.