DE102011054871A1

DE102011054871A1 - Holmgurtanordnung für ein Rotorblatt einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102011054871A1
Application number: DE102011054871A
Authority: DE
Inventors: Peter James Fritz; Bruce C. Busbey; Thomas Merzhaeuser
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: LM WIND POWER A/S, DK
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2012-05-03
Also published as: US20110142662A1; CN102465826A; DK201170580A; DK178020B1; CN102465826B

Abstract

Es wird eine Holmgurtanordnung (122, 124) für ein Rotorblatt (100) einer Windkraftanlage (10) offengelegt. Im Wesentlichen kann die Holmgurtanordnung (122, 124) einen Zugholmgurt (122) enthalten, der aus einem Verbundwerkstoffmaterial besteht und dafür eingerichtet ist, an einer Innenoberfläche (128) des Rotorblattes (100) anzugreifen. Der Zugholmgurt (122) kann im Wesentlichen eine erste Dicke (132) und eine erste Querschnittsfläche haben. Zusätzlich kann die Holmgurtanordnung (122, 124) einen Druckholmgurt (124) enthalten, der aus demselben Verbundwerkstoffmaterial besteht und dafür eingerichtet ist, an einer gegenüberliegenden Innenoberfläche (130) des Rotorblattes (100) anzugreifen. Der Druckholmgurt (124) kann im Wesentlichen eine zweite Dicke (136) und eine zweite Querschnittsfläche haben, die größer als die erste Querschnittsfläche ist. Zusätzlich ist das Verbundwerkstoffmaterial im Wesentlichen so gewählt, dass sich wenigstens eines von einer Stärke und einem Elastizitätsmodul des Verbundwerkstoffmaterials abhängig davon unterscheidet, ob das Material unter Zug oder unter Druck steht.

Description

Gebiet der Erfindung
Der vorliegende Erfindungsgegenstand betrifft allgemein Rotorblätter für eine Windkraftanlage und insbesondere eine Holmgurtanordnung für ein Rotorblatt mit unterschiedlichen Dicken.
Hintergrund der Erfindung
Windkraft wird als eine der saubersten, umweltfreundlichsten der derzeit zur Verfügung stehenden Energiequellen betrachtet, und Windkraftanlagen haben diesbezüglich erhöhte Aufmerksamkeit gefunden. Eine moderne Windkraftanlage enthält typischerweise einen Turm, einen Generator, ein Getriebe, eine Gondel und ein oder mehrere Rotorblätter. Die Rotorblätter gewinnen kinetische Energie des Windes unter Anwendung bekannter Flügelprinzipien und übertragen die kinetische Energie über Rotationsenergie, um eine Welle zu drehen, die die Rotorblätter mit einem Getriebe, oder wenn kein Getriebe verwendet wird, direkt mit dem Generator verbindet. Der Generator wandelt dann die mechanische Energie in elektrische Energie um, die an ein Stromversorgungsnetz geliefert werden kann.
Windkraftanlage-Rotorblätter enthalten im Allgemeinen einen von zwei Schalenhälften aus einem Verbundwerkstoff-Laminatmaterial ausgebildeten Schalenkörper. Die Schalenhälften werden im Allgemeinen unter Anwendung eines Formungsprozesse hergestellt und dann miteinander entlang den entsprechenden Rändern des Rotorblattes verbunden. Im Allgemeinen ist der Schalenkörper relativ leicht und hat strukturelle Eigenschaften (z. B. Steifigkeit, Verwindungsbeständigkeit und Festigkeit), welche nicht dafür ausgelegt sind, den Biegemomenten und anderen auf das Rotorblatt ausgeübten Belastungen während des Betriebs zu widerstehen. Zur Steigerung der Steifigkeit, der Verwindungsbeständigkeit und der Festigkeit des Rotorblattes wird die Körperschale typischerweise unter Verwendung von Holmgurten verstärkt, die an den Innenoberflächen der Schalenhälften angreifen. Somit werden in Schlagrichtung oder Spannweitenrichtung auftretende Biegemomente und Belastungen, welche eine Auslenkung einer Rotorblattspitze zu dem Windkraftanlage-Turm hin bewirken, im Wesentlichen entlang dem Rotorblatt durch die Holmgurte übertragen.
Mit der ständig zunehmenden Länge von Rotorblättern in den letzten Jahren wurde die Erfüllung von Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen zu einem größeren Problem in der strukturellen Auslegung eines Rotorblattes. Als solche sind herkömmliche Blattauslegungen im Wesentlichen zu stark und/oder zu steif ausgelegt. Insbesondere werden die Holmgurte typischerweise symmetrisch mit denselben Breiten, Dicken und Querschnittsflächen ausgelegt. Dieses führt im Wesentlichen zu einer schweren Konstruktion mit einer relativ hohen Blattmasse und/oder einer relativ teuren Konstruktion aufgrund von unnötigen Materialkosten.
Demzufolge besteht ein Bedarf nach einer Holmgurtkonstruktion, die eine Verringerung der Blattmasse und/oder Materialkosten ohne Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens des Rotorblattes ermöglicht.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der nachstehenden Beschreibung dargestellt oder können aus der Beschreibung ersichtlich sein oder durch die praktische Ausführung der Erfindung erkannt werden.
In einem Aspekt legt der vorliegende Erfindungsgegenstand eine Holmgurtanordnung für ein Rotorblatt einer Windkraftanlage offen. Im Wesentlichen kann die Holmgurtanordnung einen Zugholmgurt enthalten, der aus einem Verbundwerkstoffmaterial besteht und dafür eingerichtet ist, an einer Innenoberfläche des Rotorblattes anzugreifen. Der Zugholmgurt kann im Wesentlichen eine erste Dicke und eine erste Querschnittsfläche haben. Zusätzlich kann die Holmgurtanordnung einen Druckholmgurt enthalten, der aus demselben Verbundwerkstoffmaterial besteht und dafür eingerichtet ist, an einer gegenüberliegenden Innenoberfläche des Rotorblattes anzugreifen. Der Druckholmgurt kann im Wesentlichen eine zweite Dicke und eine zweite Querschnittsfläche haben, die größer als die erste Querschnittsfläche ist. Zusätzlich ist das Verbundwerkstoffmaterial im Wesentlichen so gewählt, dass sich wenigstens eines von einer Stärke und einem Elastizitätsmodul des Verbundwerkstoffmaterials abhängig davon unterscheidet, ob das Material unter Zug oder unter Druck steht.
In einem weiteren Aspekt legt der vorliegende Erfindungsgegenstand ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage offen. Das Rotorblatt kann im Wesentlichen eine Körperschale enthalten, die sich zwischen einem Fußende und einem Spitzenende erstreckt und eine erste Innenoberfläche und eine zweite Innenoberfläche enthält. Das Rotorblatt kann auch einen Zugholmgurt und einen Druckholmgurt enthalten. Der Zugholmgurt kann im Wesentlichen aus einem Verbundwerkstoffmaterial geformt sein und dafür eingerichtet sein, an der ersten Innenoberfläche der Körperschale anzugreifen. Zusätzlich kann der Holmgurt eine erste Dicke und eine erste Querschnittsfläche haben. Der Druckholmgurt kann im Wesentlichen aus demselben Verbundwerkstoffmaterial geformt sein und dafür eingerichtet sein, an der zweiten Innenoberfläche der Körperschale anzugreifen. Ferner kann der Druckholmgurt im Wesentlichen eine zweite Dicke und eine zweite Querschnittsfläche haben, die größer als die erste Querschnittsfläche ist. Ferner ist das Verbundwerkstoffmaterial im Wesentlichen so gewählt, dass sich wenigstens eines von einer Stärke und einem Elastizitätsmodul des Verbundwerkstoffmaterials abhängig davon unterscheidet, ob das Material unter Zug oder unter Druck steht.
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verständlich. Die beigefügten Zeichnungen, welche in dieser Patentschrift enthalten sind und einen Teil davon bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Eine vollständige und grundlegende Offenlegung der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Ausführungsart, die an den Fachmann gerichtet ist, wird nachstehend in der Patentschrift unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage mit herkömmlichem Aufbau veranschaulicht;
2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Rotorblattes veranschaulicht; und
3 eine Querschnittsansicht des in 2 dargestellten Rotorblattes veranschaulicht, welche insbesondere die strukturellen Komponenten des Rotorblattes veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Es wird nun detailliert Bezug auf Ausführungsformen der Erfindung genommen, wovon ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen dargestellt sind. Jedes Beispiel wird im Rahmen einer Erläuterung der Erfindung und nicht einer Einschränkung der Erfindung bereitgestellt. Tatsächlich dürfte es für den Fachmann ersichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Varianten in der vorliegenden Erfindung ohne Abweichung von dem Schutzumfang oder dem Erfindungsgedanken der Erfindung vorgenommen werden können. Beispielsweise können als Teil einer Ausführungsform dargestellte und beschriebene Merkmale bei einer weiteren Ausführungsform genutzt werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu erhalten. Somit soll die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Varianten abdecken, soweit sie in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente fallen.
Im Wesentlichen ist der vorliegende Erfindungsgegenstand auf ein Rotorblatt mit Holmgurten ungleicher Dicken gerichtet. Insbesondere legt der vorliegende Erfindungsgegenstand Holmgurte offen, die aus demselben Verbundwerkstoffmaterial geformt sind, welche unterschiedliche Dicken abhängig von den Zug- und Druckeigenschaften des Verbundwerkstoffmaterials haben. Beispielsweise kann, wenn die Zugfestigkeit und/oder der Elastizitätsmodul des Verbundwerkstoffmaterials größer als dessen Druckfestigkeit und/oder Elastizitätsmodul ist, die Dicke des unter Zug belasteten Holmgurtes verringert und die Dicke des unter Druck belasteten Holmgurtes im Vergleich zu einem Paar symmetrischer Holmgurte vergrößert werden. Dabei von den Erfindern des vorliegenden Erfindungsgegenstandes beobachtet, dass die erforderliche Dickenvergrößerung des unter Druck belasteten Holmgurtes im Allgemeinen geringer als die Gesamtdickenreduzierung ist, die an dem unter Zug belasteten Holmgurt ausgeführt werden kann, ohne die Biegefestigkeit, Steifigkeit oder Verwindungsbeständigkeit des Rotorblattes zu beeinträchtigen. Demzufolge hat es sich herausgestellt, dass eine Gesamtverringerung in den Materialkosten und der Blattmasse erzielt werden kann, indem die Dicke von ansonsten symmetrischen Holmgurten von Rotorblättern zur Anpassung an die Abweichungen in den Zug- und Druckfestigkeiten und/oder Modulen von vielen Verbundwerkstoffmaterialien verändert wird.
In den Zeichnungen stellt 1 eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage 10 herkömmlichen Aufbaus dar. Gemäß Darstellung ist die Windkraftanlage 10 eine Horizontalachsen-Windkraftanlage. Es dürfte jedoch ersichtlich sein, dass die Windkraftanlage 10 auch eine Vertikalachsen-Windkraftanlage sein kann. In der dargestellten Ausführungsform enthält die Windkraftanlage 10 einen Turm 12, der sich von einer tragenden Fläche 14 aus erstreckt, eine Gondel 16, die auf dem Turm 12 befestigt ist und einen Rotor 18, der mit der Gondel 16 verbunden ist. Der Rotor 18 enthält eine drehbare Nabe 20 und wenigstens ein Rotorblatt 22, das mit der Nabe 20 verbunden ist und sich daraus erstreckt. Gemäß Darstellung enthält der Rotor 18 drei Rotorblätter 22. Jedoch kann der Rotor 18 in einer alternativen Ausführungsform mehr oder weniger als drei Rotorblätter 22 enthalten. Zusätzlich ist in der dargestellten Ausführungsform der Turm 12 aus Rohrstahl aufgebaut, um einen (nicht dargestellten) Hohlraum zwischen der tragenden Fläche 14 und der Gondel 16 auszubilden. In einer alternativen Ausführungsform kann der Turm 12 jede geeignete Art von Turm mit jeder geeigneten Höhe sein.
Die Rotorblätter 22 können im Wesentlichen jede geeignete Länge haben, die eine Funktion der Windkraftanlage 10 wie hierin beschrieben ermöglichen. Zusätzlich können die Rotorblätter 22 in Abstand um die Nabe 20 zum Ermöglichen der Drehung des Rotors 18 angeordnet sein, um die Umwandlung kinetischer Energie aus dem Wind in nutzbare mechanische Energie und anschließend in elektrische Energie zu ermöglichen. Insbesondere kann die Nabe 20 drehbar mit einem (nicht dargestellten) elektrischen Generator verbunden sein, der in der Gondel 16 angeordnet ist, um die Erzeugung elektrischer Energie zu ermöglichen. Ferner können die Rotorblätter 22 mit der Nabe an mehreren Lastübertragungsbereichen 26 verbunden sein. Somit werden alle in die Rotorblätter eingeleiteten Belastungen über die Lastübertragungsbereiche 26 auf die Nabe 20 übertragen.
Wie in der veranschaulichten Ausführungsform dargestellt, kann die Windkraftanlage ein in der Gondel 16 zentralisiertes Anlagensteuerungssystem oder eine Anlagensteuerung 36 enthalten. Es dürfte jedoch ersichtlich sein, dass die Steuerung 36 an jeder Stelle auf oder in der Windkraftanlage 10, an jeder Stelle auf der tragenden Fläche 14 oder im Allgemeinen an jedem anderen Ort angeordnet sein kann. Die Steuerung 36 kann im Wesentlichen dafür ausgestaltet sein, die verschiedenen Betriebsmodi der Windkraftanlage 10 (zum Beispiel Anfahr- oder Abschaltsequenzen) zu steuern.
In den 2 und 3 ist eine Ausführungsform eines Rotorblattes 100 zur Verwendung mit einer Windkraftanlage 10 gemäß Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes dargestellt. Insbesondere stellt 2 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform des Rotorblattes 100 dar. 3 stellt eine Querschnittsansicht des Rotorblattes 100 entlang der in 2 dargestellten Schnittlinie 3-3 dar.
Gemäß Darstellung enthält das Rotorblatt 100 im Wesentlichen ein Fußende 102, das zur Montage oder anderweitigen Befestigung an der Nabe 20 (1) einer Windkraftanlage 10 eingerichtet ist, und ein Spitzenende 104, das gegenüber dem Fußende 102 angeordnet ist. Eine Körperschale 106 des Rotorblattes erstreckt sich im Wesentlichen zwischen dem Fußende 102 und dem Spitzenende 104 entlang einer Längsachse 108. Die Körperschale 106 kann im Wesentlichen als das/die Außengehäuse/Abdeckung des Rotorblattes 10 dienen und kann ein im Wesentlichen aerodynamisches Profil definieren, wie z. B. durch Definieren eines symmetrischen oder gewölbten schaufelblattförmigen Querschnittes. Die Körperschale 106 kann auch eine Druckseite 110 und eine Saugseite 112 definieren, die sich zwischen Vorder- und Hinterkanten 114, 116 des Rotorblattes 100 erstrecken. Ferner kann das Rotorblatt 100 auch eine die Gesamtlänge zwischen dem Fußende 100 und dem Spitzenende 102 definierende Spannweite 118 und eine die Gesamtlänge zwischen der Vorderkante 114 und der Hinterkante 116 definierende Sehne 120 haben. Wie allgemein bekannt, kann die Sehne 120 im Allgemeinen in der Länge in Bezug auf die Spannweite 118 variieren, in der sich das Rotorblatt 100 von dem Fußende 102 zu dem Spitzenende 104 erstreckt.
In einigen Ausführungsformen kann die Körperschale 106 des Rotorblattes 100 als nur eine einteilige Komponente ausgebildet sein. Alternativ kann die Körperschale 106 aus mehreren Schalenkomponenten ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Körperschale 106 aus einer ersten Schalenhälfte hergestellt sein, die im Wesentlichen die Druckseite 110 des Rotorblattes 100 definiert und aus einer zweiten Schalenhälfte, die im Wesentlichen die Saugseite 112 des Rotorblattes 100 definiert, wobei derartige Schalenhälften aneinander an den Vorder- und Hinterkanten 114, 116 des Blattes 100 befestigt sind. Zusätzlich kann die Körperschale 106 im Wesentlichen aus jedem geeigneten Material hergestellt sein. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform die Körperschale 106 vollständig aus einem Laminatverbundwerkstoffmaterial hergestellt sein, wie z. B. einem kohlefaserverstärkten Laminatverbundwerkstoff oder einem glasfaserverstärkten Laminatverbundwerkstoff. Alternativ können einer oder mehrere Abschnitte der Körperschale 106 als eine Schichtenkonstruktion ausgebildet sein und können ein Kernmaterial enthalten, das aus einem leichten Material wie z. B. Holz (z. B. Balsa), Schaum (z. B. extrudiertem Polystyrolschaum) oder einer Kombination derartiger Materialien ausgebildet sind, die zwischen Lagen eines Laminatverbundwerkstoffmaterials angeordnet sind.
Insbesondere kann gemäß 3 das Rotorblatt 100 auch eine oder mehrere sich in Längsrichtung erstreckende strukturelle Komponenten enthalten, die dafür ausgelegt sind, eine erhöhte Steifigkeit, Verwindungsbeständigkeit und/oder Festigkeit für das Rotorblatt 100 zu liefern. Beispielsweise kann das Rotorblatt 100 auch ein Paar von sich in Längsrichtung erstreckenden Holmgurten 122, 124 enthalten, die dafür ausgelegt ist, an den gegenüberliegenden Innenoberflächen 128, 130 der Druck- und Saugseiten 110, 112 der Körperschale 106 anzugreifen. Zusätzlich können einer oder mehrere Scherungsstege 126 zwischen den Holmgurten 122, 124 angeordnet sein, um somit eine trägerartige Ausgestaltung zu bilden. Die Holmgurte 122, 124 können im Wesentlichen so ausgelegt sein, dass sie die im Wesentlichen in einer Spannweitenrichtung (einer Richtung parallel zu der Spannweite 1l8 des Rotorblattes 100) auftretenden Biegebelastungen und/oder anderen auf das Rotorblatt 100 einwirkenden Belastungen während des Betriebs einer Windkraftanlage 10 steuern. Beispielsweise können Biegebelastungen auf einem Rotorblatt 100 auftreten, wenn der Wind direkt auf die Druckseite 112 des Blattes 100 drückt und dadurch die Druckseite 112 einer Zugspannung in der Spannweitenrichtung und die Saugseite 110 eine Druckspannung in der Spannweitenrichtung unterwirft, da sich das Rotorblatt 100 in der Richtung zu dem Turm 12 der Windkraftanlage biegt (1).
Somit kann gemäß Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes, der auf der Druckseite 110 des Rotorblattes 100 angeordnete Holmgurt 122 (hierin nachstehend als der ”Zugholmgurt 122” bezeichnet) im Wesentlichen dafür ausgelegt sein, der Spannweitenzugspannung zu widerstehen, die auftritt, während das Rotorblatt 100 verschiedenen Biegemomenten und anderen Belastungen während des Betriebs unterwarfen ist. Ebenso kann der auf der Saugseite 112 des Rotorblattes 100 angeordnete Holmgurt 124 (hierin nachstehend als der ”Druckholmgurt 124” bezeichnet) im Wesentlichen dafür ausgelegt sein, der Spannweitendruckspannung zu widerstehen, die auftritt, während des Betriebs des Rotorblattes 100 auftritt. Insbesondere können die Zug- und Druckholmgurte 122, 124 jeweils eine Querschnittsfläche gleich einem Produkt einer Holmgurtdicke und einer Sehnenrichtungsbreite jedes Holmgurtes 122, 124, gemessen entlang der zwischen der Vorderkante 114 und der Hinterkante 110 definierten Sehne 120, enthalten. Beispielsweise kann gemäß Darstellung in 3 der Zugholmgurt 122 im Wesentlichen eine erste Dicke 132 (definiert als die maximale Dichte zwischen der Innenseite 123 des Zugholmgurtes 122 und der Innenoberfläche 128 der Körperschale 106) und einer ersten Sehnenrichtungsbreite 132 haben. Zusätzlich kann der Druckholmgurt 124 im Wesentlichen eine zweite Dicke 136 (definiert als die maximale Dichte zwischen der Innenseite 125 des Druckholmgurtes 124 und der Innenoberfläche 130 der Körperschale 106) und einer zweiten Sehnenrichtungsbreite 138 haben. Wie es nachstehend beschrieben wird, können abhängig von den Eigenschaften des zum Erzeugen der Holmgurte 122, 124 verwendeten Materials die Zug- und Druckholmgurte 122, 124 im Wesentlichen so ausgelegt sein, dass sie unterschiedliche Dicken 132, 136 und unterschiedliche Querschnittsflächen ohne Verschlechterung des Betriebsverhaltens definieren.
Im Allgemeinen können die Zug- und Druckholmgurte 122, 124 aus jedem geeigneten Verbundwerkstoffmaterial hergestellt sein, das Materialeigenschaften hat, (wie z. B. Festigkeiten und/oder Elastizitätsmodule) welche abhängig davon variieren, ob sich der Verbundwerkstoff unter Zug oder unter Druck befindet. Zusätzlich können die Zug- und Druckholmgurte 122, 124 im Allgemeinen aus demselben Verbundwerkstoffmaterial hergestellt sein. Somit können in verschiedenen Ausführungsformen des vorliegenden Erfindungsgegenstandes sowohl der Zug- als auch der Druckholmgurt 122, 124 aus jedem geeigneten Laminatverbundwerkstoffmaterial geformt sein, welches eine Zugfestigkeit und/oder Elastizitätsmodul besitzt, der von der Druckfestigkeit und/oder dem Elastizitätsmodul des Verbundwerkstoffs abweicht. Geeignete Laminatverbundwerkstoffmaterialien können mit Kohlenstoff, Gemischen von Kohlenstoff, Glasfaser, Gemischen von Glasfaser, Gemischen von Kohlenstoff- und Gasfaser und irgendwelchem anderen geeigneten Verstärkungsmaterial verstärkte Laminatverbundwerkstoffe beinhalten, und jedes andere geeignete Verstärkungsmaterial und Gemische davon. Beispielsweise können in einer speziellen Ausführungsform des vorliegenden Erfindungsgegenstandes sowohl die Zug- als auch Druckholmgurte 122, 124 aus einem mit Kohlefaser verstärkten Laminatverbundwerkstoff geformt sein, welcher ein(e) Zugfestigkeit und/oder Modul hat, die größer als die Druckfestigkeit und/oder der Modul des Verbundwerkstoffes ist.
Es dürfte für den Fachmann erkennbar sein, dass zahlreiche unterschiedliche faserverstärkte Laminatverbundwerkstoffe bekannt sind, die unterschiedliche Verhältnisse der Zug/Druck-Festigkeiten und/oder Zug/Druck-Elastizitätsmodulen haben. Beispielsweise sind kohlefaserverstärkte Laminatverbundwerkstoffe im Handel erhältlich, in welchen die prozentuale Differenz zwischen der Zugfestigkeit und der Druckfestigkeit von mehr als 0% bis etwa 85% variiert, wie z. B. von etwa 20% bis etwa 80% oder von etwa 55% bis etwa 75% und alle anderen Unterbereiche dazwischen. Zusätzlich sind kohlefaserverstärkte Laminatverbundwerkstoffe im Handel erhältlich, in welchen der prozentuale Unterschied zwischen dem Zugelastizitätsmodul und dem Druckelastizitätsmodul von größer als 0% bis ca. 55%, wie z. B. von ca. 10% bis ca. 50% oder von ca. 15% bis ca. 30% und allen anderen Teilbereichen dazwischen reicht. Es dürfte erkennbar sein, dass wie hierin verwendet, die prozentualen Unterschiede zwischen den Zug- und Druckeigenschaften als der Unterschied zwischen der Zugeigenschaft und der Druckeigenschaft dividiert durch die Zugeigenschaft sind. Somit ist die prozentuale Differenz in der Zug/Druck-Festigkeit eines speziellen Verbundwerkstoffmaterials gleich der Differenz zwischen der Zugfestigkeit und der Druckfestigkeit des Verbundwerkstoffes dividiert durch dessen Zugfestigkeit.
Aufgrund der Kenntnis derartiger Abweichungen in den Zug- und Druckeigenschaften vieler Verbundwerkstoffmaterialien hat es sich herausgestellt, dass die Dicke 132 des Zugholmgurtes 122 im Wesentlichen um einen Betrag verringert werden kann, der größer ist als die erforderliche Zunahme in der Dicke 136 des Druckholmgurtes 124, um dieselbe Steifigkeit, Verwindungsfestigkeit und/oder Festigkeit aufrechtzuerhalten, die ansonsten in dem Rotorblatt vorhanden sein kann, wenn symmetrische Holmgurte (z. B. Holmgurte mit denselben Dicken, Breiten und Querschnittsflächen) verwendet werden. Somit kann eine Gesamtverringerung in der Blattmasse und in den Materialkosten erzielt werden, ohne das Betriebsverhalten des Rotorblattes 100 zu beeinträchtigen.
Es dürfte erkennbar sein, dass der Unterschied in der Größe der Dicken 132, 136 der Zug- und Druckholmgurte 122, 124 erheblich in Abhängigkeit von dem Gesamtunterschied in den Zug- und Druckeigenschaften des zum Erzeugen der Holmgurte 122, 124 verwendeten Verbundwerkstoffmaterials variieren kann. Jedoch kann in verschiedenen Ausführungsformen des vorliegenden Erfindungsgegenstandes der prozentuale Unterschied in den Dicken 132, 136 zwischen dem Zugholmgurt 122 und dem Druckholmgurt 124 im Wesentlichen von mehr als 0% bis ca. 70% reichen. Insbesondere kann für ein Verbundwerkstoffmaterial, in welchem der prozentuale Unterschied zwischen der Zugfestigkeit und der Druckfestigkeit von mehr als 0% bis ca. 85% reicht, der prozentuale Unterschied zwischen den Dicken 132 des Zugholmgurtes 122 und der Dicke 136 des Druckholmgurtes 124 im Wesentlichen von mehr als 0% bis etwa 70% reichen, wie z. B. von ca. 10% bis ca. 65% oder von ca. 35% bis etwa 60% und alle anderen Unterbereiche dazwischen. Jedoch ist es für Verbundwerkstoffmaterialien, in welchen der prozentuale Unterschied zwischen der Zugfestigkeit und der Druckfestigkeit größer als 85% ist, vorgesehen, dass der prozentuale Unterschied in den Dicken 132, 136 größer als 70% sein kann. Zusätzlich kann für ein Verbundwerkstoffmaterial, in welchem der prozentuale Unterschied zwischen dem Zugelastizitätsmodul und dem Druckelastizitätsmodul von mehr als 0% bis zu ca. 55% reicht, der prozentuale Unterschied zwischen den Dicken 132 des Zugholmgurtes 122 und der Dicke 136 des Druckholmgurtes 124 im Wesentlichen von mehr als 0% bis zu ca. 45%, wie z. B. von ca. 10% bis zu ca. 40% oder von ca. 15% bis zu ca. 35% und über alle anderen Unterbereiche dazwischen reicht. Jedoch ist es für Verbundwerkstoffmaterialien, in welchen der prozentuale Unterschied zwischen dem Zugelastizitätsmodul und dem Druckelastizitätsmodul größer als 55% ist, vorgesehen, dass der prozentuale Unterschied in den Dicken 132, 136 größer als 45% sein soll. Es dürfte erkennbar sein, dass wie hierin verwendet, der prozentuale Unterschied in den Dicken 132, 136 zwischen den Zug- und Druckholmgurten 122, 124 als der Unterschied zwischen den Dicken 132 des Zugholmgurtes 122 und der Dicke 136 des Druckholmgurtes 124, dividiert durch die Dicke 132 des Zugholmgurtes 122 ist.
Zusätzlich kann, wenn die Dicke 136 des Druckholmgurtes 124 größer als die Dicke 132 des Zugholmgurtes 122 ausgelegt ist, die Querschnittfläche des Druckholmgurtes 124 ebenfalls größer als die Querschnittsfläche des Zugholmgurtes 122 sein. Somit kann in einer Ausführungsform die Sehnenrichtungsbreite 138 des Druckholmgurtes 124 im Wesentlichen gleich der Sehnenrichtungsbreite 134 des Zugholmgurtes 122 sein. Somit kann der Unterschied in den Querschnittsflächen der Zug- und Druckholmgurte 122, 124 direkt proportional zu dem Dickenunterschied der Holmgurte 122, 124 sein. Demzufolge kann in einer speziellen Ausführungsform die Querschnittsfläche des Druckholmgurtes 124 um einen prozentualen Unterschied von bis zu 70%, wie z. B. von ca. 10% bis ca. 65% oder von ca. 35% bis ca. 60% und alle anderen Unterbereiche dazwischen größer als die Querschnittsfläche des Zugholmgurtes 122 sein. Alternativ können die Sehnenrichtungsbreiten 134, 138 der Zug- und Druckholmgurte 122, 124 verändert werden, während der Unterschied in den Querschnittsflächen der Holmgurte 122, 124 beibehalten wird.
Es dürfte auch erkennbar sein, dass die Dicken 132, 136 und Breiten 134, 138 jedes Holmgurtes 122, 124 generell entlang der Spannweite 118 des Rotorblattes 100 variieren können. Beispielsweise können in verschiedenen Ausführungsformen die Dicken 132, 136 und/oder Breiten 134, 138 der Zug- und Druckholmgurte 122, 124 abnehmen oder zunehmen, während sich die Holmgurte 122, 124 von dem Fußende 102 des Rotorblattes 100 zu dem Spitzenende 104 hin erstrecken. In derartigen Ausführungsformen kann der prozentuale Unterschied in den relativen Dicken zwischen den Zug- und Druckholmgurten 122, 124 entlang des Verlaufs der Spannweite 118 konstant bleiben, oder kann entlang des Verlaufs der Spannweite 118 vergrößert oder verringert werden. Ebenso kann in Ausführungsformen, in welchen die Dicken 132, 136 und/oder Breiten 134, 138 der Zug- und Druckholmgurte 122, 124 entlang der Spannweite 118 des Rotorblattes 100 konstant bleiben, die prozentuale relative Dicke zwischen den Zug- und Druckholmgurten 122, 124 konstant bleiben oder kann entlang der Länge der Spannweite 118 vergrößert oder verkleinert werden.
Ferner dürfte erkennbar sein, dass in alternativen Ausführungsformen des vorliegenden Erfindungsgegenstandes das Rotorblatt 100 so ausgestaltet sein kann, dass die Druckseite 110 des Blattes 100 Druckkräften unterworfen ist, während die Saugseite 112 des Blattes 100 Zugkräften unterworfen ist. In einer derartigen Ausführungsform kann der Zugholmgurt 122 im Wesentlichen auf der Saugseite 112 des Rotorblattes 100 angeordnet sein, während der Druckholmgurt 124 auf der Druckseite 110 angeordnet ist. Zusätzlich können in einer oder mehreren Ausführungsformen die Zug- und Druckholmgurte 122, 124 aus einem Verbundwerkstoffmaterial geformt sein, in welchem die Druckfestigkeit und/oder der Modul größer als die Zugfestigkeit und/oder Modul ist. In derartigen Ausführungsformen kann die Dicke 132 des Zugspannungsholms 122 so ausgelegt sein, dass sie größer als die Dicke 136 des Druckholmgurtes 124 ist. Jedoch kann in einer weiteren alternativen Ausführungsform des vorliegenden Erfindungsgegenstandes der Zugholmgurt 122 aus einem anderen Verbundwerkstoffmaterial als der Druckholmgurt 124 ausgebildet sein.
Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich der besten Ausführungsart offenzulegen, und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.
Es wird eine Holmgurtanordnung 122, 124 für ein Rotorblatt 100 einer Windkraftanlage 10 offengelegt. Im Wesentlichen kann die Holmgurtanordnung 122, 124 einen Zugholmgurt 122 enthalten, der aus einem Verbundwerkstoffmaterial besteht und dafür eingerichtet ist, an einer Innenoberfläche 128 des Rotorblattes 100 anzugreifen. Der Zugholmgurt 122 kann im Wesentlichen eine erste Dicke 132 und eine erste Querschnittsfläche haben. Zusätzlich kann die Holmgurtanordnung 122, 124 einen Druckholmgurt 124 enthalten, der aus demselben Verbundwerkstoffmaterial besteht und dafür eingerichtet ist, an einer gegenüberliegenden Innenoberfläche 133 des Rotorblattes 100 anzugreifen. Der Druckholmgurt 124 kann im Wesentlichen eine zweite Dicke 136 und eine zweite Querschnittsfläche haben, die größer als die erste Querschnittsfläche ist. Zusätzlich ist das Verbundwerkstoffmaterial im Wesentlichen so gewählt, dass sich wenigstens eines von einer Stärke und einem Elastizitätsmodul des Verbundwerkstoffmaterials abhängig davon unterscheidet, ob das Material unter Zug oder unter Druck steht.
Bezugszeichenliste

10: Windkraftanlage
12: Turm
14: tragende Fläche
16: Gondel
18: Rotor
20: Nabe
22: Rotorblätter
26: Lastübertragungsbereiche
36: Steuerung
100: Rotorblatt
102: Fußende
104: Spitzenende
106: Körperschale
108: Längsachse
110: Druckseite
112: Saugseite
114: Vorderkante
116: Hinterkante
118: Spannweite
120: Sehnenrichtungsbreite
122: Zugholmgurt
123: Innenoberfläche
124: Druckholmgurt
125: Innenoberfläche
126: Scherungssteg
128: Innenoberfläche
130: Innenoberfläche
132: Zugspannungsgurt-Dicke
134: Zugspannungsgurt-Breite
136: Druckspannungsgurt-Dicke
138: Druckspannungsgurt-Breite

Claims

Holmgurtanordnung (122, 124) für ein Rotorblatt (100) einer Windkraftanlage (10), wobei die Holmgurtanordnung (122, 124) aufweist: einen Zugholmgurt (122), der aus einem Verbundwerkstoffmaterial besteht und dafür eingerichtet ist, an einer Innenoberfläche (128) des Rotorblattes (100) anzugreifen, wobei der Zugholmgurt (122) im Wesentlichen eine erste Dicke (132) und eine erste Querschnittsfläche enthält, einen Druckholmgurt (124), der aus demselben Verbundwerkstoffmaterial besteht und dafür eingerichtet ist, an einer gegenüberliegenden Innenoberfläche (130) des Rotorblattes (100) anzugreifen, wobei der Druckholmgurt (124) im Wesentlichen eine zweite Dicke (136) und eine zweite Querschnittsfläche hat, die größer als die erste Querschnittsfläche ist, wobei das Verbundwerkstoffmaterial im Wesentlichen so gewählt, dass sich wenigstens eines von einer Stärke und einem Elastizitätsmodul des Verbundwerkstoffmaterials abhängig davon unterscheidet, ob das Material unter Zug oder unter Druck steht.
Holmgurtanordnung (122, 124) nach Anspruch 1, wobei die zweite Querschnittsfläche des Druckholmgurtes (124) um einen prozentualen Unterschied von bis zu ca. 70% größer als die erste Querschnittsfläche des Zugholmgurtes (122) ist.
Holmgurtanordnung (122, 124) nach Anspruch 1, wobei das Verbundwerkstoffmaterial ein mit wenigstens einem von Kohlenstoff, Glasfaser, Gemischen von Kohlenstoff, Gemischen von Glasfaser und Gemischen von Kohle- und Glasfaser verstärkter Laminatverbundwerkstoff ist.
Holmgurtanordnung (122, 124) nach Anspruch 1, wobei das Verbundwerkstoffmaterial einen mit Kohlefaser verstärkten Laminatverbundwerkstoff aufweist.
Holmgurtanordnung (122, 124) nach Anspruch 1, wobei der Zugholmgurt (122) eine erste Breite (134) hat und der Druckholmgurt (124) eine zweite Breite (138) hat, wobei die erste Breite (134) im Wesentlichen gleich der zweiten Breite (138) ist.
Holmgurtanordnung (122, 124) nach Anspruch 1, wobei der Zugholmgurt (122) eine erste Breite (134) hat und der Druckholmgurt (124) eine zweite Breite (138) hat, wobei sich die erste Breite (134) von der zweiten Breite (138) unterscheidet.
Holmgurtanordnung (122, 124) nach Anspruch 1, wobei die zweite Dicke (136) des Druckholmgurtes (124) größer als die erste Dicke (132) des Zugholmgurtes (122) ist.
Holmgurtanordnung (122, 124) nach Anspruch 7, wobei das Verbundwerkstoffmaterial eine Zugfestigkeit hat, die sich von einer Druckfestigkeit unterscheidet, wobei die Zugfestigkeit um einen prozentualen Unterschied von bis zu ca. 85% größer als die Druckfestigkeit ist.
Holmgurtanordnung (122, 124) nach Anspruch 8, wobei die zweite Dicke (136) des Druckholmgurtes (124) um einen prozentualen Unterschied von bis zu ca. 70% größer als die erste Dicke (132) des Zugholmgurtes (122) ist.
Holmgurtanordnung (122, 124) nach Anspruch 7, wobei das Verbundwerkstoffmaterial einen Zugelastizitätsmodul hat, der sich von einem Druckelastizitätsmodul unterscheidet, wobei der Zugelastizitätsmodul um einen prozentualen Unterschied von bis zu ca. 55% größer als der Druckelastizitätsmodul ist.
Holmgurtanordnung (122, 124) nach Anspruch 10, wobei die zweite Dicke (136) des Druckholmgurtes (124) um einen prozentualen Unterschied von bis zu ca. 45% größer als die erste Dicke (132) des Zugholmgurtes (122) ist.
Holmgurtanordnung (122, 124) nach Anspruch 1, wobei der Zugholmgurt (122) dafür eingerichtet ist, an der Innenoberfläche (128) einer Druckseite (110) eines Rotorblattes (100) anzugreifen und der Druckholmgurt (124) dafür eingerichtet ist, an der Innenoberfläche (130) einer Saugseite (112) des Rotorblattes (100) anzugreifen.
Rotorblatt (100) für eine Windkraftanlage (10), wobei das Rotorblatt (100) aufweist: eine Körperschale (106), die sich zwischen einem Fußende (102) und einem Spitzenende (104) erstreckt, wobei die Körperschale (106) eine auf einer Druckseite (110) des Rotorblattes (100) angeordnete erste Innenoberfläche (128) und eine auf einer Saugseite (112) des Rotorblattes (100) angeordnete zweite Innenoberfläche (130) enthält; einen Zugholmgurt (122), der aus einem Verbundwerkstoffmaterial geformt und dafür eingerichtet ist, an der ersten Innenoberfläche (128) der Körperschale (106) anzugreifen, wobei der Zugholmgurt (122) eine erste Dicke (132) und eine erste Querschnittsfläche hat; und einen Druckholmgurt (124), der aus demselben Verbundwerkstoffmaterial geformt und dafür eingerichtet ist, an der zweiten Innenoberfläche (130) der Körperschale (106) anzugreifen, wobei der Druckholmgurt (124) eine zweite Dicke (136) und eine zweite Querschnittsfläche hat, die größer als die erste Querschnittsfläche ist, wobei das Verbundwerkstoffmaterial so gewählt ist, dass sich wenigstens eines von einer Stärke und einem Elastizitätsmodul des Verbundwerkstoffmaterials abhängig davon unterscheidet, ob das Material unter Zug oder unter Druck steht.
Rotorblatt (100) nach Anspruch 13, wobei das Verbundwerkstoffmaterial eine Zugfestigkeit hat, die sich von einer Druckfestigkeit unterscheidet, wobei die Zugfestigkeit um einen prozentualen Unterschied von bis zu ca. 85% größer als die Druckfestigkeit ist, die zweite Dicke (136) des Druckholmgurtes (124) um einen prozentualen Unterschied von bis zu ca. 0% bis ca. 70% größer als die erste Dicke (132) des Zugholmgurtes (122) ist.
Rotorblatt (100) nach Anspruch 13, wobei das Verbundwerkstoffmaterial einen Zugelastizitätsmodul hat, der sich von einem Druckelastizitätsmodul unterscheidet, wobei der Zugelastizitätsmodul um einen prozentualen Unterschied von bis zu ca. 55% größer als der Druckelastizitätsmodul ist, wobei die zweite Dicke (136) des Druckholmgurtes (124) um einen prozentualen Unterschied von bis zu ca. 45% größer als die erste Dicke (132) des Zugholmgurtes (122) ist.