DE102013003634A1

DE102013003634A1 - Windenergieanlagenrotorblatt mit einem Blattanschlussbereich

Info

Publication number: DE102013003634A1
Application number: DE102013003634.8A
Authority: DE
Inventors: Lutz Beyland
Original assignee: Nordex Energy SE and Co KG
Current assignee: Nordex Energy SE and Co KG
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2033-03-06
Also published as: DE102013003634B4

Abstract

Windenergieanlagenrotorblatt mit einer Blattwurzel und einem an der Blattwurzel befindlichen, ringförmig umlaufenden Blattanschlussbereich zur Befestigung des Rotorblatts an einer Rotornabe, wobei der Blattanschlussbereich in einem ersten Ringsektor Mittel aufweist, die eine mechanische Belastbarkeit der Befestigung an der Rotornabe relativ zu einem dem ersten Ringsektor diametral gegenüberliegenden Ringsektor des Blattanschlussbereichs erhöhen und/oder in einem zweiten Ringsektor Mittel aufweist, die eine mechanische Belastbarkeit der Befestigung an der Rotornabe relativ zu einem dem zweiten Ringsektor diametral gegenüberliegenden Ringsektor des Blattanschlussbereichs erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Windenergieanlagenrotorblatt mit einer Blattwurzel und einem an der Blattwurzel befindlichen, ringförmig umlaufenden Blattanschlussbereich zur Befestigung des Rotorblatts an einer Rotornabe.
Bei einer häufig anzutreffenden Bauweise moderner Windenergieanlagen, die mit variabler Drehzahl betrieben werden, weist die Rotornabe ein Pitchlager mit einem Befestigungsflansch auf, der über Gewindebolzen mit einem ringförmigen Blattanschlussbereich des Rotorblatts verbunden ist. Unabhängig von der Bauweise ist die Verbindung von Rotorblatt und Rotornabe im Betrieb höchsten Belastungen ausgesetzt. Während der Lebensdauer einer Windenergieanlage kommt es infolge der Drehbewegung des Rotors zu vielen Millionen Lastwechseln. Hinzu kommen Extremlasten bei Sturm sowie zusätzliche Lasten infolge von Schwingungsbewegungen des Turms der Windenergieanlage, der Rotorblätter selbst oder von sonstigen Elementen des Triebstrangs. All diese Belastungen nehmen mit den immer größeren Abmessungen der Rotorblätter, die Längen von beispielsweise 50 m oder mehr aufweisen können, weiter zu.
Die Blattanschlussbereiche herkömmlicher Windenergieanlagenrotorblätter weisen eine rotationssymmetrische Form auf. Um weiter steigenden Festigkeitsanforderungen gerecht werden zu können, kommt eine Vergrößerung der Durchmesser und Wandstärken derartiger symmetrischer Blattanschlussbereiche in Betracht. Diese Lösung stößt jedoch an fertigungstechnische und wirtschaftliche Grenzen.
Die Druckschrift US 8,025,485 B2 schlägt zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit der Verbindung zwischen Rotorblatt und Rotornabe die Verwendung spezieller Gewindebolzen vor, die zwischen den kreiszylindrischen Gewindeabschnitten einen mittleren Abschnitt mit abgeflachtem Querschnitt aufweisen.
Die Druckschrift DE 296 18 525 U1 schlägt eine Befestigung zwischen einer Rotornabe und einem Rotorblatt mit Hilfe eines konischen Innenflansches auf, der in einen sich mit zunehmendem Abstand von der Rotornabe erweiternden Innenquerschnitt des Rotorblatts eingreift und mit dem Rotorblatt verklebt wird. Außerdem schlägt die Druckschrift vor, die Wandstärke des Laminats im Blattanschlussbereich in der Schlagebene größer auszuführen als in der Schwenkebene.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Windenergieanlagenrotorblatt mit einem Blattanschlussbereich zur Verfügung zu stellen, der allen auftretenden Belastungen gewachsen und besonders materialsparend und kostengünstig zu fertigen ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Windenergieanlagenrotorblatt mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den sich anschließenden Unteransprüche angegeben.
Das Windenergieanlagenrotorblatt hat eine Blattwurzel und einen an der Blattwurzel befindlichen, ringförmig umlaufenden Blattanschlussbereich zur Befestigung des Rotorblatts an einer Rotornabe. Der Blattanschlussbereich weist in einem ersten Ringsektor Mittel auf, die eine mechanische Belastbarkeit der Befestigung an der Rotornabe relativ zu einem dem ersten Ringsektor diametral gegenüberliegenden Ringsektor des Blattanschlussbereichs erhöhen und/oder er weist in einem zweiten Ringsektor Mittel auf, die eine mechanische Belastbarkeit der Befestigung an der Rotornabe relativ zu einem dem zweiten Ringsektor diametral gegenüberliegenden Ringsektor des Blattanschlussbereichs erhöhen.
Das Windenergieanlagenrotorblatt kann für eine Windenergieanlage mit im Wesentlichen horizontaler Rotorachse bestimmt sein. Das Rotorblatt und/oder der Blattanschlussbereich können aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gefertigt sein, insbesondere aus Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern, die in eine Matrix aus einem Kunststoffmaterial wie Epoxid- oder Polyesterharz eingebettet sind. Das Windenergieanlagenrotorblatt kann aus zwei Halbschalen zusammengefügt sein. Zusätzlich kann es eine Tragstruktur, beispielsweise einen oder mehrere Gurte und Stege und/oder einen oder mehrere Holme aufweisen, die ebenfalls aus einem Faserverbundmaterial bestehen können. Der umlaufende Blattanschlussbereich kann im Querschnitt kreisringförmig sein. Auch ein von der Kreisform abweichender Querschnitt, beispielsweise polygonal oder oval oder eine mit dem Umfang variierende Wandstärke ist möglich. Mit zunehmendem Abstand von der Blattwurzel kann der ringförmige Querschnitt des Blattanschlussbereichs in ein aerodynamisches Profil des Rotorblatts übergehen.
Der erste und/oder zweite Ringsektor erstrecken sich jeweils über einen zusammenhängenden Winkelbereich des ringförmig umlaufenden Blattanschlussbereichs. Im ersten und/oder zweiten Ringsektor weist der Blattanschlussbereich Mittel auf, die eine mechanische Belastbarkeit erhöhen. Diese Mittel definieren den Winkelbereich, über den sich der jeweilige Ringsektor erstreckt.
Die mechanische Belastbarkeit bezieht sich auf die Befestigung des Rotorblatts an der Rotornabe. Übersteigt eine auftretende Belastung die Belastbarkeit, kann die Befestigung versagen oder beeinträchtigt sein. Tritt als mechanische Belastung beispielsweise eine Zuglast auf, kann die Verbindung zwischen Rotorblatt und Rotornabe bei Überschreiten einer maximalen Zugbelastbarkeit auseinanderklaffen, oder ein Verbindungsbolzen kann brechen oder sich aus einer Verankerung lösen.
Die mechanische Belastbarkeit ist in den betreffenden Ringsektoren relativ zu einem jeweils diametral gegenüberliegenden Ringsektor des Blattanschlussbereichs erhöht, in dem die Mittel nicht vorhanden sind. Mit den diametral gegenüberliegenden Ringsektoren sind diejenigen Winkelbereiche des Blattanschlussbereichs gemeint, die dem ersten bzw. dem zweiten Ringsektor bezüglich eines gedachten Mittelpunkts des ringförmigen Blattanschlussbereichs gegenüberliegen. Im Falle nicht punktsymmetrischer, ringförmiger Querschnitte des Blattanschlussbereichs kann als gedachter Mittelpunkt ein Schnittpunkt zweier Symmetrieachsen oder ein Schwerpunkt des Querschnitts gewählt werden. In jedem Fall erstreckt sich der Blattanschlussbereich bezüglich des gedachten Mittelpunkts insgesamt über einen Winkelbereich von 360°. Erstreckt sich der erste Ringsektor über einen Winkelbereich α und der zweite Ringsektor über einen Winkelbereich β, verbleibt ein Winkelbereich des Blattanschlussbereichs von 360° – α – β, in dem die Mittel, die die mechanische Belastbarkeit im ersten und/oder im zweiten Ringsektor erhöhen, nicht vorhanden sind. Es versteht sich, dass zwischen einem Winkelbereich, der die Mittel aufweist, und einem Winkelbereich, der die Mittel nicht aufweist, ein Übergangsbereich ausgebildet sein kann.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die weit verbreitete, vollständig rotationssymmetrische Bauform des Blattanschlussbereichs überdimensioniert ist, wenn der Blattanschlussbereich in weniger belasteten Winkelbereichen dem Blattanschlussbereich in hoch belasteten Winkelbereichen angepasst wird. Dies führt zu einem wenig effizienten Materialeinsatz. Demgegenüber ist insbesondere bei großen Rotorblättern der höhere Fertigungsaufwand für die Ausbildung eines oder zweier Ringsektoren mit erhöhter mechanischer Belastbarkeit lohnend. Die Erfinder haben erkannt, dass trotz der Symmetrie der durch die Gewichtskraft des Rotorblatts wirkenden Schwenklasten wegen der hinzukommenden Windlasten die insgesamt auf den Blattanschlussbereich einwirkenden Belastungen asymmetrisch sind. Dieser Erkenntnis trägt die Erfindung durch die Ausbildung eines ersten und/oder zweiten Ringsektors mit Mitteln, die die mechanische Belastbarkeit des Blattanschlussbereichs lokal erhöhen, Rechnung.
In einer Ausgestaltung erstreckt sich der erste Ringsektor über einen Winkelbereich des Blattanschlussbereichs mit einer Größe von 15° bis 90° und/oder der zweite Ringsektor über einen Winkelbereich des Blattanschlussbereichs mit einer Größe von 15° bis 90°. Sind die Mittel in Winkelbereichen dieser Größe angeordnet, können die auftretenden Belastungen besonders zielgenau aufgenommen werden.
In einer Ausgestaltung weisen der erste Ringsektor und der zweite Ringsektor unterschiedliche Mittel zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit der Befestigung an der Rotornabe auf. Insbesondere bei Berücksichtigung unterschiedlicher mechanischer Belastungen, etwa Extremlasten und Ermüdungslasten, kann die Verwendung eines ersten Ringsektors und eines zweiten Ringsektors sinnvoll sein, die unterschiedliche Mittel aufweisen, um die in den betreffenden Winkelbereichen jeweils auftretenden Belastungen aufzunehmen. Beispielsweise kann der erste Ringsektor erste Mittel aufweisen, die eine erhöhte Belastbarkeit unter Ermüdungslasten verleihen, und der zweite Ringsektor kann zweite Mittel aufweisen, die eine erhöhte Belastbarkeit unter Extremlasten verleihen.
In einer Ausgestaltung grenzt der erste Ringsektor an den zweiten Ringsektor an. Grundsätzlich kann auch nur ein einziger mit speziellen Mitteln versehener Ringsektor vorgesehen sein, dessen Winkelbereich so gewählt ist, dass er alle auftretenden, besonders großen Belastungen aufnehmen kann. Werden die beiden auf unterschiedliche Weise verstärkten Ringsektoren aneinander angrenzend angeordnet, können die im Übergangsbereich zwischen den beiden Ringsektoren auftretenden Belastungen besonders gut aufgenommen werden.
In einer Ausgestaltung weist das Rotorblatt eine Längsachse auf, die durch einen Mittelpunkt des Blattanschlussbereichs verläuft und im Betrieb des Rotorblatts eine Rotorebene überstreicht, und der Blattanschlussbereich weist eine gedachte 360°-Einteilung auf, die so gewählt ist, dass bei nicht gepitchtem Rotorblatt eine von einer 0°-Position zu einer 180°-Position verlaufende y-Achse in der Rotorebene angeordnet und eine von einer 90°-Position zu einer 270°-Position verlaufende z-Achse parallel zu einer Rotordrehachse angeordnet ist, wobei die 0°-Position in Bewegungsrichtung des Rotorblatts hinter der Längsachse (zur Endkante des Rotorblatts weisend) angeordnet ist und die 90°-Position zu einer dem Wind zugewandten Seite weist, wobei eine Mittellinie des ersten Ringsektors gegenüber der 0°-Position in Richtung zu der 90°-Position versetzt angeordnet ist. Beispielsweise kann der Versatz der Mittellinie gegenüber der 0°-Position eine Größe von 5° bis 45° aufweisen.
Dass das Rotorblatt nicht gepitcht ist bedeutet, dass es einen für den Teillastbetrieb optimierten Blatteinstellwinkel aufweist. Dieser spezielle Winkel wird bei der Konstruktion des Rotorblatts berücksichtigt und häufig als 0°-Winkel oder 0°-Position beschrieben. Es handelt sich um denjenigen Blatteinstellwinkel, bei dem das Rotorblatt im Betrieb des Rotors mit seiner Auslegungsschnelllaufzahl das größte Moment aus dem Wind aufnimmt. Bekanntermaßen wird im Betrieb von mit variabler Drehzahl betriebenen Windenergieanlagen zwischen einem Teillast- und einem Volllastbereich unterschieden. Im Teillastbereich erfolgt eine Drehzahlregelung des Rotors so, dass der Rotor nach Möglichkeit mit seiner Auslegungsschnelllaufzahl rotiert. Das bedeutet, dass die Blattspitzengeschwindigkeit im als optimal erkannten Verhältnis zur Windgeschwindigkeit steht. Mit steigender Windgeschwindigkeit wird die Drehzahl des Rotors gesteigert, so dass das genannte Verhältnis konstant bleibt. Um bei dieser Auslegungsschnelllaufzahl das Maximum an Energie aus dem Wind aufzunehmen, bleibt das Rotorblatt in seiner nicht gepitchten, für den Teillastbetrieb optimierten Einstellung. Die Regelung der Drehzahl erfolgt durch Vorgabe eines Generatormoments. Erreicht die Windenergieanlage ihre Nennleistung, soll eine weitere Erhöhung der Drehzahl auch bei steigender Windgeschwindigkeit vermieden werden. Das Generatormoment entspricht allerdings bereits dem Nennmoment und kann nicht ohne weiteres weiter erhöht werden. Daher wird die Leistungsaufnahme des Rotors aus dem Wind dadurch verringert, dass das Rotorblatt gepitcht wird, das heißt durch Verringern des aerodynamischen Wirkungsgrads. Hierzu wird das Rotorblatt mit Hilfe eines Pitchantriebs aus seiner für den Teillastbetrieb optimierten Einstellung in Richtung zu einer Fahnenstellung gedreht, in der es dem Wind bei stehendem Rotor die geringste Angriffsfläche bietet. Ohne Bezugnahme auf die bei der Konstruktion vorgesehene Montageposition des Rotorblatts an einer Rotornabe ist eine exakte Definition des 0°-Winkels nicht möglich.
Die Längsachse des Rotorblatts verläuft durch den Mittelpunkt des Blattanschlussbereichs, insbesondere senkrecht zu einer Verbindungsebene zwischen Blattanschlussbereich und Rotornabe. Die Rotationsbewegung dieser Längsachse definiert die Rotorebene. Es versteht sich, dass bei einer gegenüber der Drehachse des Rotors geneigten Längsachse des Rotorblatts die Rotorebene leicht konisch ausgebildet sein kann.
Ebenfalls üblich ist eine Unterscheidung zwischen Schlag- und Schwenkebene des Rotorblatts. Bei der gewählten 360°-Einteilung erfolgt eine Schwenkbewegung des Rotorblatts in Richtung der y-Achse und eine Schlagbewegung senkrecht dazu, in Richtung einer z-Achse, die von der 90°-Position zur 270°-Position verläuft. Dementsprechend entspricht die Schwenkrichtung im Wesentlichen der Richtung der Profiltiefe oder -sehne und die Schlagrichtung im Wesentlichen der Richtung der Profildicke.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist der Mittellinie des ersten Ringsektors gegenüber der 0°-Position versetzt, d. h. der besonders verstärkte Winkelbereich des Blattanschlussbereichs weicht von der Winkelposition, an der sich die Schwenkbelastungen konzentrieren, in Richtung zur 90°-Position bzw. zur Druckseite des Rotorblatts hin ab. Der erste Ringsektor ist daher den durch die Kombination der Schwenklasten und aerodynamischen Lasten insgesamt auftretenden Belastungen besonders gut angepasst und auf denjenigen Winkelbereich konzentriert, in dem insgesamt die höchsten Zugbelastungen auftreten.
In einer Ausgestaltung erstreckt sich der erste Ringsektor von einer ersten Winkelposition im Bereich von 315° bis 0° bis zu einer zweiten Winkelposition im Bereich von 30° bis 75°. Bei dieser Anordnung deckt der Ringsektor denjenigen Teil des Blattanschlussbereichs ab, in dem die höchsten Ermüdungsbelastungen auftreten.
In einer Ausgestaltung weist das Rotorblatt eine Längsachse, die durch einen Mittelpunkt des Blattanschlussbereichs verläuft und im Betrieb des Rotorblatts eine Rotorebene überstreicht, auf und der Blattanschlussbereich weist eine gedachte 360°-Einteilung auf, die so gewählt ist, dass bei nicht gepitchtem Rotorblatt eine von einer 0°-Position zu einer 180°-Position verlaufende y-Achse in der Rotorebene und eine von einer 90°-Position zu einer 270°-Position verlaufende z-Achse parallel zu einer Rotordrehachse angeordnet ist, wobei die 0°-Position in Bewegungsachtung des Rotorblatts hinter der Längsachse angeordnet ist und die 90°-Position zu einer dem Wind zugewandten Seite des Rotorebene weist, wobei eine Mittellinie des zweiten Ringsektors gegenüber der 90°-Position in Richtung zu der 0°-Position hin versetzt angeordnet ist. Zu den Begriffsdefinitionen wird auf die vorstehenden Erläuterungen verwiesen. Die Besonderheit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht darin, dass der zweite Ringsektor gegenüber der 90°-Position in Richtung zu der 0°-Position hin versetzt angeordnet ist. Der Versatz bezieht sich wiederum auf die Mitte des zweiten Ringsektors und kann beispielsweise im Bereich von 5° bis 45° liegen. Die Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, dass auch die auftretenden Extremlasten gegenüber der Schlagrichtung versetzt auftreten, und zwar versetzt in Richtung zur Profilhinterkante hin. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung des zweiten Ringsektors kann dieser die auftretenden Extremlasten besonders gut aufnehmen. Er befindet sich auf der Druckseite des Rotorblatts, wo die größten Zugbelastungen auftreten.
In einer Ausgestaltung erstreckt sich der zweite Ringsektor von einer dritten Winkelposition im Bereich von 30° bis 75° bis zu einer vierten Winkelposition im Bereich von 90° bis 135°. Die Erfinder haben erkannt, dass es in dem genannten Teil des Blattanschlussbereichs durch das Zusammenwirken der unterschiedlichen Belastungen insgesamt zu den größten Extremlasten kommt.
In einer Ausgestaltung ist eine Wandstärke des Blattanschlussbereichs in dem ersten Ringsektor und/oder in dem zweiten Ringsektor relativ zu einer Wandstärke des Blattanschlussbereichs in dem jeweils diametral gegenüberliegenden Ringsektor vergrößert. Mit anderen Worten bestehen die Mittel zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit in dem jeweiligen Ringsektor in einer vergrößerten Wandstärke. Dadurch kann der Blattanschlussbereich in dem betreffenden Ringsektor größere mechanische Belastungen aufnehmen. Diese Lösung eignet sich sowohl für den ersten als auch für den zweiten Ringsektor, weil mit Hilfe einer vergrößerten Wandstärke sowohl Extrem- als auch Ermüdungslasten besser aufgenommen werden können.
In einer Ausgestaltung weist der Blattanschlussbereich in dem ersten Ringsektor und/oder in dem zweiten Ringsektor ein Versteifungsmaterial auf, das in dem jeweils diametral gegenüberliegenden Ringsektor nicht vorhanden ist. Mit anderen Worten bestehen die Mittel zur Erhöhung einer mechanischen Belastbarkeit in dem betreffenden Ringsektor in einem dort verbauten Versteifungsmaterial. Das Versteifungsmaterial kann beispielsweise ein Fasermaterial mit einem höheren Elastizitätsmodul und/oder einer höheren Zugfestigkeit sein, als das im diametral gegenüberliegenden Ringsektor verwendete Fasermaterial. Besteht der Blattanschlussbereich beispielsweise im Wesentlichen aus einem mit Glasfasern verstärkten Kunststoffmaterial, können in dem ersten bzw. zweiten Ringsektor zusätzlich oder ausschließlich Kohlenstofffasern verwendet werden. Ebenfalls möglich ist die Verwendung von Kohlenstofffasern eines anderen Fasertyps als in übrigen Teilen des Blattanschlussbereichs. Möglich ist auch die Verwendung von Fasern oder Formkörpern aus einem sonstigen Material, etwa aus Metall. Insbesondere kann der Blattanschlussbereich in dem ersten bzw. zweiten Ringsektor aus einem Hybridlaminat aufgebaut sein, das zusätzlich zu einem Fasermaterial Versteifungslagen aus Metall aufweist. Ein weiteres geeignetes Versteifungsmaterial ist Keramik.
In einer Ausgestaltung weist der Blattanschlussbereich über seinen Umfang verteilt eine Vielzahl von Aufnahmen zur Verankerung jeweils eines Bolzens auf, wobei die Abstände zwischen benachbarten Bolzen im ersten Ringsektor und/oder im zweiten Ringsektor geringer sind als in dem jeweils diametral gegenüberliegenden Ringsektor. Mit anderen Worten bestehen die Mittel zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit in einer Verringerung des Bolzenabstands in dem betreffenden Ringsektor. Die Anzahl der verwendeten Bolzen ist für die vom Blattanschlussbereich aufnehmbaren Zugbelastungen entscheidend. Durch eine Verringerung des Bolzenabstands und eine damit erhöhende Vergrößerung der Bolzenanzahl pro Winkelbereich kann die Zugbelastbarkeit deutlich erhöht werden. Im diametral gegenüberliegenden Ringsektor, in dem geringere Zugbelastungen auftreten, ist eine geringere Anzahl von Bolzen und ein entsprechend größerer Bolzenabstand ausreichend. Es ergibt sich eine besonders einfache Anpassung der Belastbarkeit des Blattanschlussbereichs. Insbesondere kann mit einer im Vergleich zu einem herkömmlichen Rotorblatt unveränderten Gesamtzahl von Bolzen gearbeitet werden, so dass die erfindungsgemäße Maßnahme im Wesentlichen kostenneutral ist und dennoch zu einer höheren Belastbarkeit bzw. zuverlässigeren Verbindung zwischen Rotorblatt und Nabe führt.
In einer Ausgestaltung sind die Abstände zwischen benachbarten Aufnahmen im zweiten Ringsektor kleiner als im ersten Ringsektor. Diese Differenzierung zwischen den Bolzen im für die höchsten Ermüdungslasten ersten Ringsektor und dem für die Extremlasten zuständigen zweiten Ringsektor verwendeten Bolzen führt zu einem nochmals effizienteren Materialeinsatz.
In einer Ausgestaltung weist der Blattanschlussbereich über seinen Umfang verteilt eine Vielzahl von Aufnahmen zur Verankerung jeweils eines Bolzens auf, wobei ein Durchmesser der Aufnahmen im ersten Ringsektor geringer ist als in dem diametral gegenüberliegenden Ringsektor. Mit anderen Worten bestehen die Mittel zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit in einer Verringerung des Durchmessers der Aufnahmen für die Bolzen im ersten Ringsektor. Bei dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, im ersten Ringsektor weichere Bolzen, insbesondere Dehnbolzen, einzusetzen, die den dort auftretenden Ermüdungsbelastungen besser standhalten können. Da diese Bolzen nicht so hoch vorgespannt werden können, wie steifere Bolzen mit einem größeren Durchmesser, ist es für den Erfolg dieser Maßnahme entscheidend, dass bei der Montage der Bolzen die richtigen Vorspannungen eingestellt werden. Um Verwechslungen zu vermeiden, ist bei dieser Ausgestaltung vorgesehen, unterschiedliche Gewindedurchmesser zu verwenden. Beispielsweise können im ersten Ringsektor Bolzen mit einen M30-Gewinde eingesetzt werden und im diametral gegenüberliegenden Ringsektor Bolzen mit einem M36-Gewinde. Als zusätzlichen Vorteil bietet diese Lösung, dass ein nach den einschlägigen Richtlinien anzusetzender Abminderungsfaktor (etwa 5%) erst für Schrauben mit einem Gewinde größer als M30 anzusetzen ist, so dass die M30-Bolzen im Verhältnis zu ihrem Durchmesser und Gewicht höher belastbar sind.
In einer Ausgestaltung ist das Windenergieanlagenrotorblatt an einer Rotornabe befestigt und der Blattanschlussbereich ist mit einer Vielzahl von Bolzen mit der Rotornabe verspannt, wobei die im ersten Ringsektor montierten Bolzen Dehnbolzen und die im diametral gegenüberliegenden Ringsektor montierten Bolzen Schaftbolzen sind. Dehnbolzen weisen zwischen ihren beiden mit jeweils einem Gewinde versehenen Endabschnitten einen Dehnschaft mit geringerem Durchmesser auf. Schaftbolzen weisen einen im Wesentlichen über ihre gesamte Länge gleichmäßigen Durchmesser auf. Durch den geringeren Durchmesser im mittleren Bereich der Dehnbolzen müssen diese zwar geringer vorgespannt werden, halten jedoch Ermüdungslasten länger stand.
In einer Ausgestaltung ist eine Verspannlänge der im ersten Ringsektor montierten Bolzen größer als eine Verspannlänge der im diametral gegenüberliegenden Ringsektor montierten Bolzen. Die Verspannlänge der Bolzen bezeichnet diejenige Länge des Bolzens, die im montierten Zustand unter der Vorspannung steht. Dabei handelt es sich insbesondere um den Längsabschnitt eines Bolzens zwischen zwei auf den Gewindeabschnitten aufgebrachten Mutter. Die Verspannlänge, die auch als Klemmlänge bezeichnet wird, kann durch unterschiedliche Maßnahmen vergrößert werden. Beispielsweise können Spannhülsen verwendet werden, die ähnlich wie Unterlegscheiben unter einer Mutter montiert werden. In diesem Fall kann für jeden Bolzen eine separate Spannhülse oder können zwei Spannhülsen je Bolzen eingesetzt werden. Alternativ kann ein durchgängiger Verspannkörper verwendet werden, der ähnlich wie ein Lochblech Bohrungen zur Aufnahme mehrerer der Bolzen aufweist. Insbesondere kann der Verspannkörper der Querschnittsform des ersten Ringsektors entsprechen und/oder sich über den gesamten Winkelbereich des ersten Ringsektors erstrecken. Bevorzugt weisen die Spannhülsen eine Länge bzw. der Verspannkörper eine Dicke von 20 mm oder mehr auf, um die Verspannlänge wirksam zu vergrößern.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Windenergieanlagenrotorblatt in einer schematischen Darstellung,
2 den Blattanschlussbereich eines anderen erfindungsgemäßen Windenergieanlagenrotorblatts in einer schematischen Darstellung,
3 einen Dehnbolzen in einer Ansicht von der Seite,
4 einen Ausschnitt einer Rotornabe mit einem daran befestigten Windenergieanlagenrotorblatt in einer vereinfachten Querschnittsdarstellung.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Windenergieanlagenrotorblatt 10 in einer auf den Blattanschlussbereich 12 gerichteten Ansicht. Der Blattanschlussbereich 12 dient zur Befestigung des Rotorblatts 10 an einer Rotornabe. Der Blattanschlussbereich 12 ist ringförmig umlaufend ausgebildet und weist eine Vielzahl von Aufnahmen 14 für jeweils einen Gewindebolzen auf. Im Beispiel der 1 ist der Blattanschlussbereich 12 im Querschnitt kreisringförmig ausgebildet.
Der Blattanschlussbereich 12 weist eine gedachte 360°-Einteilung auf, die in der 1 durch mit den betreffenden Gradzahlen bezeichnete „Tortenstücke” sowie durch eine von der 0°-Position zur 180°-Position verlaufende y-Achse und eine von der 90°-Position zur 270°-Position verlaufende z-Achse veranschaulicht ist.
Die Langsachse des Windenergienanlagenrotorblatts 10 entspricht der x-Achse (nicht gezeigt) des Koordinatensystems. Sie verläuft senkrecht zur Zeichenebene durch den Mittelpunkt des ringförmigen Blattanschlussbereichs 12, der zugleich den Ursprung des Koordinatensystems bildet.
Die übrigen Komponenten des Windenergieanlagenrotorblatts 10 sind in der 1 nur angedeutet. Sie befinden sich auf der vom Betrachter abgewandten Seite des Blattanschlussbereichs 12. In der 1 unten erkennbar ist die Blattspitze 16 und ein sich daran anschließender, blattspitzennaher Längsabschnitt 18. Der blattspitzennahe Längsabschnitt 18 weist ein aerodynamisches Profil 20 (in der Figur gestrichelt angedeutet) mit einer Profilnasenkante 22 und einer Profilendkante 24 auf. Man erkennt, dass die Profilsehne 26 des aerodynamischen Profils 20, verlaufend von der Profilnasenkante 22 zur Profilendkante 24, etwa parallel zur y-Achse des Koordinatensystems ausgerichtet ist, wobei die Profilendkante 24 ungefähr der Position und und die Profilnasenkante 22 ungefähr der 180°-Position der 360°-Einteilung entspricht. Wegen der Vorbiegung des Rotorblatts ist der blattspitzennahe Längsabschnitt 18 gegenüber dem Blattanschlussbereich nach unten versetzt dargestellt.
Ebenfalls in der 1 nur angedeutet ist ein mittlerer Längsabschnitt 28 des Windenergieanlagenrotorblatts 10. Dieser befindet sich zwischen dem Blattanschlussbereich 12 und dem blattspitzennahen Längsabschnitt 18. Er weist ebenfalls eine Profilnasenkante 30 und Profilendkante 32 auf. Sowohl der blattspitzennahe Längsabschnitt 18 als auch der mittlere Längsabschnitt 28 weisen jeweils eine Druckseite 34 und eine Saugseite 26 auf. Dabei befindet sich die Profilendkante 32 wiederum im Wesentlichen in einer der 0°-Position der 360°-Einteilung des Blattanschlussbereichs 12 entsprechenden Richtung.
Ferner erkennt man in der 1, dass die Druckseite 34 im Wesentlichen der 900 Position, die Saugseite 36 im Wesentlichen der 270°-Position der 360°-Einteilung zugewandt ist. Im Betrieb rotiert das Blatt in Richtung der y-Achse. Dementsprechend bedeuten Belastungen in Schwenkrichtung des Rotorblatts eine Verformung in Richtung dieser y-Achse bzw. ein Biegemoment um die z-Achse, wie durch den Pfeil 38 angedeutet. Belastungen in Schlagrichtung verformen das Rotorblatt in Richtung der z-Achse und entsprechen einem Biegemoment um die y-Achse, wie durch den Pfeil 40 angedeutet.
Die Besonderheit des in der 1 gezeigten Rotorblatts besteht darin, dass in einem ersten Ringsektor 42 und in einem zweiten Ringsektor 44 (in der 1 nicht gezeigte) Mittel vorhanden sind, die eine mechanische Belastbarkeit in diesen Ringsektoren 42, 44 gegenüber jeweils diametral gegenüberliegenden Ringsektoren erhöhen.
Der erste Ringsektor 42 erstreckt sich im gezeigten Beispiel über einen Winkelbereich von einer 337,5°-Position bis zu einer 52,5°-Position. Der zweite Ringsektor schließt sich unmittelbar daran an, d. h. er beginnt bei der 52,5°-Position und erstreckt sich bis zu einer Position von 112,5°. Damit ist die gestrichelt angedeutete Mitte 46 des ersten Ringsektors gegenüber der 0°-Position zur Druckseite 34, d. h. zu der dem Wind zugewandten Seite der Rotorebene, versetzt angeordnet. Die gestrichelt angedeutete Mitte 48 des zweiten Ringsektors 44 ist gegenüber der 90°-Position in Richtung zu der 0°-Position hin versetzt angeordnet.
Der erste Ringsektor 42 weist (in der 1 nicht gezeigte) Mittel auf, die insbesondere eine erhöhte Belastbarkeit gegenüber Ermüdungslasten bewirken. Der zweite Ringsektor 44 weist (in der 1 nicht gezeigte) Mittel auf, die insbesondere die Belastbarkeit gegenüber Extremlasten erhöhen. In den jeweils diametral gegenüberliegend angeordneten Abschnitten sind diese Mittel nicht vorhanden.
In der 2 ist der Blattanschlussbereich 12 eines anderen erfindungsgemäß ausgestalteten Windenergieanlagenrotors 10 isoliert dargestellt. Für die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Elemente werden dieselben Bezugszeichen verwendet. Die Wahl des Koordinatensystems bzw. der gedachten 360°-Einteilung unterscheidet sich nicht vom Ausführungsbeispiel der 1. Auch der erste Ringsektor 42 und der zweite Ringsektor 44 erstrecken sich im Wesentlichen über dieselben im Zusammenhang mit der 1 erläuterten Winkelbereiche des Blattanschlussbereichs 12.
Zusätzlich zum ersten Ringsektor 42 und zum zweiten Ringsektor 44 sind in der 2 die jeweils diametral gegenüberliegenden Ringsektoren 52, 54 eingezeichnet. In diesen diametral gegenüberliegenden Ringsektoren 52, 54 weisen die Aufnahmen 14 einen Abstand a₁ (bezogen auf die Mittelpunkte der Aufnahmen 14) voneinander auf und das Laminat des Blattanschlussbereichs 12 weist eine Wandstärke t₁ im Bereich von 40 mm bis 100 mm, z. B. von ungefähr 80 mm, auf. Der Durchmesser der Aufnahmen 14 in den beiden diametral gegenüberliegenden Ringsektoren 52, 54 ist so gewählt, dass Bolzen beispielsweise mit einem M36-Gewinde aufgenommen werden können, insbesondere Schaftbolzen.
Im ersten Ringsektor 42 sind mehrere Mittel vorhanden, die die mechanische Belastbarkeit des Blattanschlussbereichs in diesem Ringsektor 42 gegenüber dem diametral gegenüberliegenden Ringsektor 52 erhöhen. Hierzu zählt eine Vergrößerung der Wandstärke des Laminats auf einen Wert von t₂ im Bereich von 80 mm bis 160 mm, z. B. von ungefähr 120 mm. Außerdem ist der Abstand zwischen den Aufnahmen 14 in diesem Bereich auf einen kleineren Wert a₃ verringert. Der Durchmesser der Aufnahmen 14 im ersten Ringsektor 42 ist ebenfalls verringert, so dass diese zur Aufnahme von M30-Dehnbolzen geeignet sind. Schließlich sind Spannhülsen 50 vorhanden, die die Verspannlänge der in diese Aufnahmen 14 eingesetzten Bolzen vergrößern, und zwar beispielsweise um 10 mm bis 200 mm oder mehr, z. B. um ungefähr 100 mm. All diese Maßnahmen tragen zu einer gegenüber dem diametral gegenüberliegenden Ringsektor 52 deutlich größeren Belastbarkeit insbesondere gegenüber Ermüdungslasten bei.
Im zweiten Ringsektor 44 weisen benachbart angeordnete Aufnahmen den Abstand a₂ auf, wobei der Wert dieses Abstands nochmals geringer gewählt ist als der Wert des Abstands a₃ im ersten Ringsektor 42. Der Wert der Wandstärke t₂ des Laminats im zweiten Ringsektor 44 entspricht dem Wert der Wandstärke im ersten Ringsektor 42, der gegenüber dem Wert der Wandstärke t₁ in den diametral gegenüberliegenden Ringsektoren 52, 54 vergrößert ist. Die Aufnahmen 14 im Bereich des zweiten Ringsektors 44 entsprechen im Übrigen denjenigen im diametral gegenüberliegenden Ringsektor 42 und sind somit auch zur Aufnahme von M36-Schaftbolzen vorgesehen. Spannhülsen 50 sind ausschließlich im ersten Ringsektor 42 vorgesehen. Somit tragen die im zweiten Ringsektor 44 vorgesehenen Mittel insbesondere zu einer höheren Belastbarkeit unter Extremlasten bei. Sie zielen insbesondere darauf ab, ein Auseinanderklaffen der miteinander verspannten Bauteile erst bei höheren Lastniveaus auftreten zu lassen oder ganz zu vermeiden.
3 zeigt einen für den ersten Ringsektor 42 vorgesehenen Dehnbolzen 56. Dieser weist zwei zylindrische Endabschnitte 58 auf, die jeweils mit einem M30-Gewinde versehen sind. Im mittleren Abschnitt weist der Dehnbolzen 56 einen Dehnschaft 60 mit einem gegenüber dem Durchmesser der Endabschnitte reduziertem Durchmesser auf.
4 zeigt vereinfacht, wie das Windenergieanlagenrotorblatt 10 an einer ebenfalls nur ausschnittsweise dargestellten Rotornabe 62 befestigt werden kann. Die Rotornabe 62 weist eine Pitch-Drehverbindung 64 auf, die einen gegenüber der Rotornabe 62 drehbar gelagerten Befestigungsflansch umfasst. Mit diesem ist der Blattanschlussbereich 12 des Windenergieanlagenrotorblatts 10 mittels einer Vielzahl von Bolzen 66 verschraubt. Jeder Bolzen 66 greift mit einem Ende in eine Aufnahme 14 des Blattanschlussbereichs 12 des Windenergieanlagenrotorblatts 10 ein und ist dort verankert, beispielsweise mit Hilfe einer Gewindehülse oder durch Verschrauben mit einem Querbolzen (sogenannte „Ikea-Verbindung”). Das vom Blattanschlussbereich 12 entfernte Ende jedes Bolzens 66 ist mit einer Mutter 68 mit dem Pitchlager 64 verspannt. Zwischen der Mutter 68 und dem Pitchlager 64 ist eine Spannhülse 50 angeordnet, die die Verspannlänge des Bolzens 66 vergrößert.
Als Alternative zu der Spannhülse 50, die jeweils nur einen einzelnen Bolzen 66 umgibt, kann auch ein (nicht gezeigter) durchgängiger Verspannkörper verwendet werden, das sich insbesondere über den gesamten ersten Ringsektor 42 erstrecken kann.
Bezugszeichenliste

10: Windenergieanlagenrotorblatt
12: Blattanschlussbereich
14: Aufnahme
16: Blattspitze
18: blattspitzennaher Längsabschnitt
20: aerodynamisches Profil
22: Profilnasenkante
24: Profilendkante
26: Profilsehne
28: mittlerer Längsabschnitt
30: Profilnasenkante
32: Profilendkante
34: Druckseite
36: Saugseite
38: Drehmoment bei Belastung in Schwenkrichtung (Pfeil)
40: Drehmoment bei Belastung in Schlagrichtung (Pfeil)
42: erster Ringsektor
44: zweiter Ringsektor
46: Mittellinie des ersten Ringsektors
48: Mittellinie des zweiten Ringsektors
50: Spannhülse
52: dem ersten Ringsektor diametral gegenüberliegender Ringsektor
54: dem zweiten Ringsektor diametral gegenüberliegender Ringsektor
56: Dehnbolzen
58: Endabschnitt
60: Dehnschaft
62: Rotornabe
64: Pitch-Drehverbindung
66: Bolzen
68: Mutter
t₁, t₂: Wandstärken des Blattanschlussbereichs
a₁, a₂, a₃: Abstände zwischen Aufnahmen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8025485 B2 [0004]
DE 29618525 U1 [0005]

Claims

Windenergieanlagenrotorblatt (10) mit einer Blattwurzel und einem an der Blattwurzel befindlichen, ringförmig umlaufenden Blattanschlussbereich (12) zur Befestigung des Rotorblatts (10) an einer Rotornabe (62), dadurch gekennzeichnet, dass der Blattanschlussbereich (12) in einem ersten Ringsektor (42) Mittel aufweist, die eine mechanische Belastbarkeit der Befestigung an der Rotornabe (62) relativ zu einem dem ersten Ringsektor (42) diametral gegenüberliegenden Ringsektor (52) des Blattanschlussbereichs (12) erhöhen und/oder in einem zweiten Ringsektor (44) Mittel aufweist, die eine mechanische Belastbarkeit der Befestigung an der Rotornabe (62) relativ zu einem dem zweiten Ringsektor (44) diametral gegenüberliegenden Ringsektor (54) des Blattanschlussbereichs (12) erhöhen.
Windenergieanlagenrotorblatt (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Ringsektor (42) über einen Winkelbereich des Blattanschlussbereichs (12) mit einer Größe von 15° bis 90° und/oder der zweite Ringsektor (44) über einen Winkelbereich des Blattanschlussbereichs (12) mit einer Größe von 15° bis 90° erstreckt.
Windenergieanlagenrotorblatt (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ringsektor (42) und der zweite Ringsektor (44) unterschiedliche Mittel zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit der Befestigung an der Rotornabe (62) aufweisen.
Windenergieanlagenrotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ringsektor (42) an den zweiten Ringsektor (44) angrenzt.
Windenergieanlagenrotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt (10) eine Längsachse, die durch einen Mittelpunkt des Blattanschlussbereichs (12) verläuft und im Betrieb des Rotorblatts (10) eine Rotorebene überstreicht, aufweist und der Blattanschlussbereich (12) eine gedachte 360°-Einteilung aufweist, die so gewählt ist, dass bei nicht gepitchtem Rotorblatt eine von einer 0°-Position zu einer 180°-Position verlaufende y-Achse in der Rotorebene angeordnet und eine von einer 90°-Position zu einer 270°-Position verlaufende z-Achse parallel zu einer Rotordrehachse angeordnet ist, wobei die 0°-Position in Bewegungsrichtung des Rotorblatts hinter der Längsachse angeordnet ist und die 90°-Position zu einer dem Wind zugewandten Seite der Rotorebene weist, wobei eine Mittellinie (46) des ersten Ringsektors (42) gegenüber der 0°-Position in Richtung zu der 90°-Position versetzt angeordnet ist.
Windenergieanlagenrotorblatt (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Ringsektor (42) von einer ersten Winkelposition im Bereich von 315° bis 0° bis zu einer zweiten Winkelposition im Bereich von 30° bis 75° erstreckt.
Windenergieanlagenrotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt (10) eine Längsachse, die durch einen Mittelpunkt des Blattanschlussbereichs (12) verläuft und im Betrieb des Rotorblatts eine Rotorebene überstreicht, aufweist und der Blattanschlussbereich (12) eine gedachte 360°-Einteilung aufweist, die so gewählt ist, dass bei nicht gepitchtem Rotorblatt eine von einer 0°-Position zu einer 180°-Position verlaufende y-Achse in der Rotorebene angeordnet und eine von einer 90°-Position zu einer 270°-Position verlaufende z-Achse parallel zu einer Rotordrehachse angeordnet ist, wobei die 0°-Position in Bewegungsrichtung des Rotorblatts hinter der Längsachse angeordnet ist und die 90°-Position zu einer dem Wind zugewandten Seite der Rotorebene weist, wobei eine Mittellinie (48) des zweiten Ringsektors (44) gegenüber der 90°-Position in Richtung zu der 0°-Position hin versetzt angeordnet ist.
Windenergieanlagenrotorblatt (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Ringsektor (44) von einer dritten Winkelposition im Bereich von 30° bis 75° bis zu einer vierten Winkelposition im Bereich von 90° bis 135° erstreckt.
Windenergieanlagenrotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandstärke (t₂) des Blattanschlussbereichs (12) in dem ersten Ringsektor (42) und/oder in dem zweiten Ringsektor (44) relativ zu einer Wandstärke (t₁) in dem jeweils diametral gegenüberliegenden Ringsektor (52, 54) vergrößert ist.
Windenergieanlagenrotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Blattanschlussbereich (12) in dem ersten Ringsektor (42) und/oder in dem zweiten Ringsektor (44) ein Versteifungsmaterial aufweist, das in dem jeweils diametral gegenüberliegenden Ringsektor (52, 54) nicht vorhanden ist.
Windenergieanlagenrotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Blattanschlussbereich (12) über seinen Umfang verteilt eine Vielzahl von Aufnahmen (14) aufweist zur Verankerung jeweils eines Bolzens (66), wobei die Abstände (a₂, a₃) zwischen benachbarten Aufnahmen (14) im ersten Ringsektor (42) und/oder im zweiten Ringsektor (44) geringer sind als in dem jeweils diametral gegenüberliegenden Ringsektor (52, 54).
Windenergieanlagenrotorblatt (10) nach Anspruch 10, dass die Abstände (a₂, a₃) zwischen benachbarten Aufnahmen (14) im zweiten Ringsektor (44) kleiner sind als im ersten Ringsektor (42).
Windenergieanlagenrotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Blattanschlussbereich (12) über seinen Umfang verteilt eine Vielzahl von Aufnahmen (14) aufweist zur Verankerung jeweils eines Bolzens (66), wobei ein Durchmesser der Aufnahmen (14) im ersten Ringsektor (42) geringer ist als in dem diametral gegenüberliegenden Ringsektor (52).
Windenergieanlagenrotorblatt (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 im an einer Rotornabe (62) befestigten Zustand, wobei der Blattanschlussbereich (12) mit einer Vielzahl von Bolzen (66) mit der Rotornabe (62) verspannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die im ersten Ringsektor (42) montierten Bolzen (66) Dehnbolzen (56) und die im diametral gegenüberliegenden Ringsektor (52) montierten Bolzen Schaftbolzen sind.
Windenergieanlagenrotorblatt (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verspannlänge der im ersten Ringsektor (42) montierten Bolzen (66) größer ist als eine Verspannlänge der im diametral gegenüberliegenden Ringsektor (52) montierten Bolzen (66).