DE102012106445B4

DE102012106445B4 - Verbindungsanordnung für Windkraftanlagenflügel-Holmsteg

Info

Publication number: DE102012106445B4
Application number: DE102012106445.8A
Authority: DE
Inventors: Aaron Yarbrough
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: LM WIND POWER A/S, DK
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2032-07-18
Also published as: US8235671B2; US20120027613A1; DK201270442A; CN102889170B; DK178052B1; CN102889170A; DE102012106445A1

Abstract

Windkraftanlagenflügel (16), der aufweist:
ein oberes Schalenelement (20) mit einem Holmgurt (32), der auf einer Innenfläche von diesem eingerichtet ist;
ein unteres Schalenelement (22) mit einem Holmgurt (32), der auf einer Innenfläche von diesem eingerichtet ist;
einen Holmsteg (42), der sich zwischen den Holmgurten (32) entlang einer longitudinalen Länge des Windkraftanlagenflügels erstreckt;
eine Verbindungsanordnung (40) zwischen Querenden (46) des Holmstegs (42) und den Holmgurten (32), wobei die Verbindungsanordnung ferner aufweist:
eine U-förmige Kanalstruktur, die an dem Holmgurt (32) eingerichtet ist, wobei die Kanalstruktur starre Seitenwände (52) aufweist, die sich von dem Holmgurt (32) weg erstrecken, um sich so entlang von Längsseiten (44) des Holmstegs (42) zu erstrecken;
wobei die Kanalstruktur eine Stirnwand aufweist, die sich zwischen den Seitenwänden (52) der Kanalstruktur erstreckt, wobei die Stirnwand mit dem Holmgurt (32) verbunden ist; und
eine Bindepaste (56), die zwischen den Seitenwänden (52) der Kanalstruktur und den Längsseiten (44) des Holmstegs (42) angeordnet ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Windkraftanlagen und insbesondere die Holmstegkonfiguration innerhalb der Windkraftanlagenflügel.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Windkraftanlagenflügel oder sogenannte Turbinenflügel sind die wichtigsten Elemente von Windkraftanlagen zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie. Die Windkraftanlagenflügel haben das Querschnittsprofil einer Tragfläche, so dass während des Betriebs Luft über den Windkraftanlagenflügel strömt und eine Druckdifferenz zwischen den Seiten erzeugt. Demgemäß wirkt eine Auftriebskraft, die von einer Druckseite in Richtung auf eine Saugseite gerichtet ist, auf den Windkraftanlagenflügel ein. Die Auftriebskraft erzeugt ein Drehmoment an der Hauptrotorwelle, die über ein Getriebe mit einem Generator zur Erzeugung von Elektrizität verbunden ist.
Die Turbinenflügel bestehen typischerweise aus einer saugseitigen Schale und einer druckseitigen Schale, die an Verbindungslinien entlang der Hinter- und der Vorderkante des Windkraftanlagenflügels miteinander verbunden sind. Ein innerer Holmsteg (Schersteg) erstreckt sich zwischen dem druck- und dem saugseitigen Schalenelement und ist mit Holmgurten verbunden, die an den Innenflächen der Schalenelemente befestigt sind. Es sind relativ exakte Längenabmessungen erforderlich, damit der Holmsteg den Raum zwischen den Holmgurten überspannt und eine Verbindung zwischen dem Holmgurt und dem Holmsteg mit hinreichenden Weiten- und Dickenabmessungen erreicht wird. Ein Erreichen dieser Abmessungen sowie einer ausreichenden Verbindung kann schwierig sein, und die Verbindung zwischen den Holmgurten und dem Holmsteg stellt einen zeitaufwendigen und mühsamen Prozess dar, der häufig erhebliche Nacharbeit erfordert.
Bei in der Praxis bekannten typischen Flügelkonstruktionen wird ein steifer Flansch verwendet, um eine gewünschte Verbindungsweite für eine Bindepaste zu erreichen, die zwischen den Holmgurten und den Querenden des Holmstegs eingebracht wird. Diese Konfiguration berücksichtigt jedoch nicht relativ große Längenabweichungen (z.B. Unterdeckungen) des Holmstegs und hat häufig die Verwendung von Bindepaste im Übermaß zur Folge, um eine Längenabweichung auszugleichen und um die Verbindungsweite zu erreichen. Die überschüssige Paste trägt unnötiges Gewicht zu dem Windkraftanlagenflügel bei und kann wegbrechen und zu einem „Klappern“ des Windkraftanlagenflügels während eines Betriebs der Windkraftanlage (einer nicht unüblichen Beanstandung seitens Besitzer/Betreiber von Windkraftanlagen) führen. Ferner können sich Luftporen und eine unvorhersagbare Herausquetschung der Bindepaste in der typischen Konstruktion in Bereichen mit verringerter Verbindungsstärke ergeben, was in Abschnitten des Windkraftanlagenflügels besonders problematisch ist, in denen eine Reparatur vom Innenraum des Windkraftanlagenflügels aus nicht möglich ist.
Demgemäß würde die Industrie von einer verbesserten Verbindungskonfiguration zwischen dem Holmsteg und den Holmgurten, die eine oder mehrere der Unzulänglichkeiten bestimmter herkömmlicher Konfigurationen bewältigt, profitieren.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein erfindungsgemäßer Windkraftanlagenflügel die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung sind zum Teil in der folgenden Beschreibung angegeben oder können aus der Beschreibung offenkundig sein, oder sie können durch Umsetzung der Erfindung in die Praxis erfahren werden.
Gemäß Aspekten der Erfindung enthält ein Windkraftanlagenflügel ein oberes Schalenelement mit einem Holmgurt, der auf einer inneren Fläche von diesem eingerichtet ist, und ein unteres Schalenelement mit einem Holmgurt, der auf einer inneren Fläche von diesem eingerichtet ist. Ein Holmsteg erstreckt sich zwischen den Holmgurten entlang einer longitudinalen Längserstreckung des Windkraftanlagenflügels. Eine Verbindungsanordnung ist zwischen Querenden des Holmstegs und den Holmgurten vorgesehen und enthält eine U-förmige Kanalstruktur, die an dem Holmgurt durch beliebige geeignete Mittel befestigt ist. Die Kanalstruktur weist starre Seitenwände auf, die sich von dem Holmgurt aus entlang von Längsseiten des Holmstegs erstrecken. Zwischen den Seitenwänden der Kanalstruktur und den Längsseiten des Holmstegs ist eine Bindepaste angeordnet. Somit wird zwischen dem Holmsteg und der Kanalstruktur eine effektive Verbindungslänge geschaffen, die zu der Länge der Verbindung zwischen jeder der Seitenwände und der Seite des Holmstegs proportional ist. In einer bestimmten Ausführungsform kann die Länge der Verbindung entlang jeder der Seitenwände größer sein als die Weite des Querendes des Holmstegs, wodurch eine deutlich größere gesamte Bindungsfestigkeit erzielt wird.
Ein weiterer Vorteil der Kanalstrukturkonfiguration besteht darin, dass überschüssige Bindepaste, die gewöhnlich während der Bindeprozedur „herausgequetscht wird“, nun besser kontrolliert wird. Es entsteht ein großes Problem, wenn der Bindepaste ermöglicht wird, frei herausgedrängt zu werden, wodurch sie eine unregelmäßige Gestalt bildet, die als eine Spannungskonzentration wirkt. Durch Kontrolle der Gestalt der Bindepaste mit der Kanalkonfiguration wird der Spannungskonzentrationsfaktor effektiv reduziert.
Die Kanalstruktur kann vielfältig konfiguriert sein. In einer Ausführungsform sind die Seitenwände um weniger als eine Weite des Holmstegs voneinander beabstandet, und sie werden für die Einführung des Holmstegs in die Kanalstruktur nach außen verbogen. Die Seitenwände können ein aufgeweitetes Ende enthalten, um die Durchbiegung und Aufnahme des Holmstegs zu unterstützen.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann die Kanalstruktur eine Mehrkomponentenanordnung sein. Zum Beispiel können alle Seitenwände der Kanalstruktur gesonderte Komponenten sein, die einzeln an dem Holmgurt angebracht werden. In dieser Bauart einer Ausführungsform können die Seitenwände der Kanalstruktur als Flanschelemente konfiguriert sein, die mit dem Holmgurt verbunden sind, so dass sie sich von diesem quer weg erstrecken.
Die U-förmige Kanalstruktur kann eine einzelne, unitäre/einstückige Komponente sein und eine Stirnwand enthalten, die sich zwischen den Seitenwänden erstreckt, wobei die Stirnwand an dem Holmgurt befestigt ist.
Das Querende des Holmstegs kann auf verschiedene Weise innerhalb der Kanalstruktur aufgenommen sein. In einer Ausführungsform kann das Querende von dem Holmgurt (oder einer Stirnwand der Kanalstruktur) beabstandet sein. Der Zwischenraum zwischen dem Querende des Holmstegs und dem Holmgurt kann frei von einem Bindemittel sein, um so die Gesamtmenge und das Gesamtgewicht der Bindepaste zu verringern. In anderen Ausführungsformen kann es erwünscht sein, das Querende des Holmstegs mit dem Holmgurt (oder einer Stirnwand der Kanalstruktur) zu verbinden, indem das Querende des Holmstegs mit der Bindepaste innerhalb der Kanalstruktur im Wesentlichen eingeschlossen wird.
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verstanden. Die beigefügten Ansprüche, die in dieser Offenbarung enthalten sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
Figurenliste
Eine umfassende und befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bester Ausführungsart, die sich an einen Fachmann auf dem Gebiet richtet, ist in der Beschreibung angegeben, die auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt, in denen zeigen:

1 eine Perspektivansicht einer herkömmlichen Windkraftanlage;
2 eine Perspektivansicht eines herkömmlichen Windkraftanlagenflügels;
3 eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Windkraftanlagenflügels, der Aspekte der Erfindung verkörpert;
4 eine vergrößerte quergeschnittene Komponentenansicht einer Verbindungsanordnung zwischen einem Holmsteg und einem Holmgurt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5 eine vergrößerte Querschnittsansicht der Ausführungsform nach 4, in einem zusammengefügten Zustand;
6 eine vergrößerte quergeschnittene Komponentenansicht einer alternativen Ausführungsform einer Verbindungsanordnung; und
7 eine vergrößerte quergeschnittene Komponentenansicht einer noch weiteren Ausführungsform einer Verbindungsanordnung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Einzelnen auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind.
1 veranschaulicht eine Windkraftanlage 10 von herkömmlichem Aufbau. Die Windkraftanlage 10 enthält einen Turm 12 mit einer an diesem montierten Gondel 14. Mehrere Windkraftanlagenflügel 16 sind an einer Rotornabe 18 montiert, die wiederum mit einem Hauptflansch verbunden ist, der eine Hauptrotorwelle dreht. Die Energieerzeugungs- und Steuerungskomponenten der Windkraftanlage sind innerhalb der Gondel 14 untergebracht. Die Ansicht gemäß 1 ist lediglich zu veranschaulichenden Zwecken vorgesehen, um die vorliegende Erfindung in ein beispielhaftes Einsatzgebiet zu platzieren.
2 zeigt eine detailliertere Ansicht eines Windkraftanlagenflügels 16. Der Windkraftanlagenflügel 16 enthält ein oberes Schalenelement 20 und ein unteres Schalenelement 22. Das obere Schalenelement 20 kann als die saugseitige Fläche des Windkraftanlagenflügels 16 konfiguriert sein, während das untere Schalenelement 22 als die druckseitige Fläche des Windkraftanlagenflügels konfiguriert sein kann. Der Windkraftanlagenflügel 16 enthält eine Vorderkante 24 und eine Hinterkante 26 sowie einen Wurzelabschnitt 28 und einen Spitzenabschnitt 30. Wie in der Technik allgemein bekannt ist, sind das obere Schalenelement 20 und das untere Schalenelement 22 an der Vorderkante 24 und der Hinterkante 26 miteinander verbunden. Der Windkraftanlagenflügel 16 enthält einen inneren Hohlraum 25 (3), in dem verschiedene strukturelle Elemente, wie beispielsweise Holmgurte und ein oder mehrere Holmstege (Scherstege) eingerichtet sind.
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Windkraftanlagenflügels 16, der Aspekte der Erfindung verkörpert. Der Windkraftanlagenflügel 16 enthält einen oder mehrere innere strukturelle Holmstege 42, die den Raum zwischen dem oberen 20 und dem unteren Schalenelement 22 überspannen. Insbesondere erstrecken sich die Holmstege 42 zwischen strukturellen Holmgurten 32, die an den Innenflächen der Schalenelemente 20, 22 fixiert sind. Gemäß Aspekten der Erfindung ist eine verbesserte Verbindungsanordnung 40 an der Verbindungsstelle zwischen den Holmstegen 42 und den Holmgurten 32 geschaffen, wie dies in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben ist.
4 und 5 zeigen eine Ausführungsform einer Verbindungsanordnung 40 zwischen Querenden 46 des Holmstegs 42 und den Holmgurten 32. Die Verbindungsanordnung 40 enthält eine Kanalstruktur 50, die an dem Holmgurt 32 eingerichtet ist. Die Kanalstruktur 50 weist starre Seitenwände 52 auf, die sich quer von dem Holmgurt 32 weg entlang von Längsseiten 44 des Holmstegs 42 erstrecken. Eine Bindepaste 56 ist zwischen den Seitenwänden 52 der Kanalstruktur und den Holmstegseiten 44 des Holmstegs angeordnet. Die Bindepaste 56 kann als eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Schicht zwischen den Elementen und in jeder beliebigen Menge aufgetragen sein, um eine gewünschte Bindepastendicke zu erreichen.
Beim Einführen des Querendes 46 des Holmstegs 42 in die Kanalstruktur 50 wird eine effektive Länge der Verbindung 70 zwischen dem Holmsteg und einer jeweiligen einzelnen der Seitenwände 52 geschaffen. Die gesamte Verbindung zwischen dem Holmsteg 42 und dem Holmgurt 32 ist somit zu der kombinierten Länge der Verbindungen 70 zwischen jeder der Seitenwände 52 und der Holmstegseiten 44 proportional. In der Ausführungsform gemäß den 4 und 5 ist die Länge 70 der Verbindung entlang jeder der Seitenwände 52 größer als die Weite 60 des Querendes 46 des Holmstegs, wodurch eine deutlich größere gesamte Bindungsfestigkeit im Vergleich zu einer Verbindungsschicht zwischen dem Querende 46 und dem Holmgurt 32 erzielt wird.
Die Kanalstruktur 50 kann vielfältig konfiguriert sein. Zum Beispiel sind die starren Seitenwände 52 in der Ausführungsform gemäß den 4 und 5 mit einer Weite 58 voneinander beabstandet angeordnet, die geringer ist als die Holmstegweite 60 (wenigstens an dem offenen Aufnahmeende der Kanalstruktur 50). In dieser Konfiguration biegen sich die Seitenwände 52 nach außen für die Einführung des Holmstegs 42 in die Kanalstruktur durch, wie dies aus der Ansicht nach 5 ersichtlich wird. Somit wird eine formschlüssige Eingriffsverbindung der Seitenwände 52 gegen die Holmstegseiten 44 geschaffen. Die Seitenwände 52 können ein aufgeweitetes Aufnahmeende 54 enthalten, um der Durchbiegung und Aufnahme des Holmstegs 42 Rechnung zu tragen.
Die Kanalstruktur 50 kann eine Mehrkomponentenanordnung sein, wie in den Ausführungsformen gemäß den 4 bis 6 dargestellt. Zum Beispiel können alle Seitenwände 52 der Kanalstruktur gesonderte Komponenten sein, die einzeln an dem Holmgurt 32 befestigt sind. In der veranschaulichten Ausführungsform sind die Seitenwände 52 der Kanalstruktur als einzelne Flanschelemente 62 konfiguriert, die einen Befestigungsschenkel 64 aufweisen, der durch geeignete Mittel, wie beispielsweise Kleben, mechanische Befestigungsmittel und dergleichen, an dem Holmgurt 32 befestigt ist. Die Flanschelemente 62 enthalten eine Verbindungsfläche 66, die sich von dem Holmgurt 32 quer entlang der Holmsteg-Längsseiten 44 erstreckt.
In 7 ist die U-förmige Kanalstruktur eine einzelne, unitäre/einstückige Komponente und sie enthält eine Stirnwand 68, die sich zwischen den Seitenwänden 52 erstreckt. Die Stirnwand 68 ist an dem Holmgurt 32 durch beliebige geeignete Mittel befestigt. Die U-förmige Kanalkomponente bildet auf diese Weise einen Rahmen zur Aufnahme des Querendes 46 des Holmstegs 42.
Das Querende 46 des Holmstegs 42 kann auf verschiedene Weise innerhalb der Kanalstruktur 50 aufgenommen sein. In den veranschaulichten Ausführungsformen ist das Querende 46 von dem Holmgurt 32 (oder der Stirnwand 68 der Kanalstruktur 50) beabstandet. Der Abstand zwischen dem Querende 46 und dem Holmgurt 32 kann frei von einem Bindemittel sein, wie in 6 dargestellt, um so die gesamte Menge und das Gesamtgewicht der Bindepaste zu verringern. In anderen Ausführungsformen, wie in den 5 und 7 dargestellt, kann der Zwischenraum mit der Bindepaste 56 gefüllt sein, so dass das Querende 46 des Holmstegs 42 in dem Bindemittel innerhalb der Kanalstruktur 50 im Wesentlichen eingekapselt/eingeschlossen ist.
Ein Windkraftanlagenflügel weist ein oberes Schalenelement mit einem Holmgurt, der auf einer Innenfläche von diesem eingerichtet ist; ein unteres Schalenelement mit einem Holmgurt, der auf einer Innenfläche von diesem eingerichtet ist; einen Holmsteg, der sich zwischen den Holmgurten entlang einer longitudinalen Länge des Windkraftanlagenflügels erstreckt; und eine Verbindungsanordnung zwischen Querenden des Holmstegs und den Holmgurten auf. Die Verbindungsanordnung weist ferner eine U-förmige Kanalstruktur, die an dem Holmgurt eingerichtet ist, wobei die Kanalstruktur starre Seitenwände aufweist, die sich von dem Holmgurt weg erstrecken, um sich so entlang von Längsseiten des Holmstegs zu erstrecken; wobei die Kanalstruktur eine Stirnwand aufweist, die sich zwischen den Seitenwänden der Kanalstruktur erstreckt, wobei die Stirnwand mit dem Holmgurt verbunden ist; und eine Bindepaste auf, die zwischen den Seitenwänden der Kanalstruktur und den Längsseiten des Holmstegs angeordnet ist.

Claims

Windkraftanlagenflügel (16), der aufweist: ein oberes Schalenelement (20) mit einem Holmgurt (32), der auf einer Innenfläche von diesem eingerichtet ist; ein unteres Schalenelement (22) mit einem Holmgurt (32), der auf einer Innenfläche von diesem eingerichtet ist; einen Holmsteg (42), der sich zwischen den Holmgurten (32) entlang einer longitudinalen Länge des Windkraftanlagenflügels erstreckt; eine Verbindungsanordnung (40) zwischen Querenden (46) des Holmstegs (42) und den Holmgurten (32), wobei die Verbindungsanordnung ferner aufweist: eine U-förmige Kanalstruktur, die an dem Holmgurt (32) eingerichtet ist, wobei die Kanalstruktur starre Seitenwände (52) aufweist, die sich von dem Holmgurt (32) weg erstrecken, um sich so entlang von Längsseiten (44) des Holmstegs (42) zu erstrecken; wobei die Kanalstruktur eine Stirnwand aufweist, die sich zwischen den Seitenwänden (52) der Kanalstruktur erstreckt, wobei die Stirnwand mit dem Holmgurt (32) verbunden ist; und eine Bindepaste (56), die zwischen den Seitenwänden (52) der Kanalstruktur und den Längsseiten (44) des Holmstegs (42) angeordnet ist.
Windkraftanlagenflügel nach Anspruch 1, wobei die Seitenwände (52) der Kanalstruktur um weniger als eine Weite (60) des Holmstegs voneinander beabstandet sind und zur Einführung des Holmstegs in die Kanalstruktur nach außen verbogen werden.
Windkraftanlagenflügel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Querende (46) des Holmstegs (42) von dem Holmgurt (32) beabstandet ist.
Windkraftanlagenflügel nach Anspruch 3, wobei das Querende (46) des Holmstegs (42) mit dem Holmgurt (32) nicht verbunden ist.
Windkraftanlagenflügel nach Anspruch 3, wobei das Querende (46) des Holmstegs (42) in der Bindepaste (56) innerhalb der Kanalstruktur eingeschlossen ist.
Windkraftanlagenflügel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Seitenwand (52) der Kanalstruktur eine Verbindung mit der Längsseite des Holmstegs (42) mit einer Länge (70) bildet, die größer ist als eine Weite (60) des Querendes (46) des Holmstegs (42).
Windkraftanlagenflügel nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 5 und 6, wobei die Seitenwände (52) um weniger als eine Weite (60) des Holmstegs (42) voneinander beabstandet sind und zur Einführung des Holmstegs in die Kanalstruktur nach außen verbogen werden; und wobei die Bindepaste (56) eine Verbindung zwischen jeder Seitenwand (52) und der Längsseite des Holmstegs (42) mit einer Länge (70) bildet, die größer ist als eine Weite (60) des Querendes (46) des Holmstegs (42).