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Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, welches in Faserverbundbauweise hergestellt ist und sich in einer Längsrichtung zwischen einer Rotorblattwurzel und einer Rotorblattspitze erstreckt, umfassend zumindest einen Rotorblattgurt mit einem der Rotorblattwurzel nahen ersten Ende und einem der Rotorblattspitze nahen zweiten Ende, wobei das zweite Ende des Rotorblattgurts in einem vorgegebenen Endabstand zur Rotorblattspitze angeordnet ist, und wobei in einem Rotorblattspitzenbereich, der sich zwischen dem zweiten Ende des Rotorblattgurts und der Rotorblattspitze erstreckt, ein lastaufnehmendes Fasergelege in einer Schale des Rotorblatts vorhanden ist, welches mit dem Rotorblattgurt lastaufnehmend verbunden ist und eine tragende Struktur des Rotorblatts ausbildet. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Rotorblatts sowie eine Windenergieanlage mit einem solchen Rotorblatt.
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Die aeroelastische Stabilität der Rotorblätter einer Windenergieanlage ist eine wichtige Voraussetzung dafür, unerwünschte Schwingungen in der Struktur der Windenergieanlage zu vermeiden. Durch die richtige Platzierung der Eigenfrequenzen des Rotorblatts, beispielsweise durch eine entsprechende Steifigkeitsauslegung, können unerwünschte Schwingungen weitgehend vermieden werden.
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Eine mögliche dynamische Instabilität eines Rotorblatts ist das sog. „flattern”. Wird das Rotorblatt zu einer oszillierenden Bewegung angeregt, so kann es zu einer gegenseitigen Anregung von Luftkräften, elastischen Kräften und Massekräften kommen. Als „flattern” wird dabei eine kombinierte Biege- und Torsionsschwingung bezeichnet.
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Beim Entwurf langer und schlanker Rotorblätter, wie sie bei Windenergieanlagen mit großer Leistung zum Einsatz kommen, muss die kritische Flatterdrehzahl möglichst weit außerhalb der Betriebsgrenzen liegen. Die kritische Flatterdrehzahl ist die Rotordrehzahl der Windenergieanlage, oberhalb derer die Gefahr besteht, dass die Rotorblätter zum Flattern neigen. Ein Flattern der Rotorblätter, also eine Divergenz der gekoppelten Biege- und Torsionsbewegung des Rotorblatts, sollte frühestens bei einer Drehzahl auftreten, die weit genug außerhalb der üblichen Betriebsgrenzen liegt.
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Um das Flattern eines Rotorblatts zu verhindern bzw. dessen Flatterdrehzahl zu erhöhen, kann der Abstand der Biege- und Torsionseigenfrequenzen des Rotorblatts vergrößert werden. Die Torsionseigenfrequenzen des Rotorblatts können beispielsweise erhöht werden, indem das Rotorblatt möglichst torsionssteif gebaut wird.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, eine Windenergieanlage sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Rotorblatts einer Windenergieanlage anzugeben, wobei das Rotorblatt eine verbesserte/erhöhte Flatterdrehzahl aufweisen und außerdem effizient und ökonomisch herstellbar sein soll.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, welches in Faserverbundbauweise hergestellt ist und sich in einer Längsrichtung zwischen einer Rotorblattwurzel und einer Rotorblattspitze erstreckt, umfassend zumindest einen Rotorblattgurt mit einem der Rotorblattwurzel nahen ersten Ende und einem der Rotorblattspitze nahen zweiten Ende, wobei das zweite Ende des Rotorblattgurts in einem vorgegebenen Endabstand zur Rotorblattspitze angeordnet ist, und wobei in einem Rotorblattspitzenbereich, der sich zwischen dem zweiten Ende des Rotorblattgurts und der Rotorblattspitze erstreckt, ein lastaufnehmendes Fasergelege in einer Außenschale des Rotorblatts vorhanden ist, welches mit dem Rotorblattgurt lastaufnehmend verbunden ist und eine tragende Struktur des Rotorblatts ausbildet, wobei das Rotorblatt dadurch fortgebildet ist, dass das lastaufnehmende Fasergelege in einem Teilbereich des Rotorblattspitzenbereichs vorhanden ist, wobei sich dieser Teilbereich ausgehend von einer Rotorblattvorderkante bis in eine zumindest näherungsweise senkrecht zu einer Profilebene des Rotorblatts orientierte erste Ebene erstreckt, welche, betrachtet in Richtung einer Profilsehne, zwischen der Rotorblattvorderkante und dem Rotorblattgurt liegt.
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Die Anordnung der lastaufnehmenden Fasergelege in dem genannten Teilbereich des Rotorblattspitzenbereichs sorgt dafür, dass sich die elastische Achse des Rotorblatts in Richtung der Rotorblattvorderkante verschiebt. Außerdem gewinnt das Rotorblatt im Bereich seiner Vorderkante an Gewicht. Dieses zusätzliche Gewicht wirkt sich gemeinsam mit der Gravitation im Betrieb der Windenergieanlage positiv auf die Flattereigenschaften des Rotorblatts aus. Ferner werden durch die genannte Maßnahme die Schubmittelpunkte in den äußeren Profilschnitten, also in dem Rotorblattspitzenbereich, nach vorn gezogen, also in Richtung der Rotorblattvorderkante. Dies wirkt sich positiv auf eine Entkopplung von Biegung und Torsion des Rotorblatts aus und wirkt gemeinsam mit der Verschiebung der elastischen Achse und der Verlagerung des Gewichts in Richtung der Rotorblattvorderkante dem Flattern des Rotorblatts entgegen.
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Im Ergebnis wird ein Rotorblatt mit höherer Flatterdrehzahl bereitgestellt. Ein weiterer Vorteil des gemäß Aspekten der Erfindung ausgeführten Rotorblatts besteht darin, dass weniger lastaufnehmendes Fasergelege eingesetzt wird als bei einem Rotorblatt in herkömmlicher Bauweise. Dies führt zu Kostenersparnissen.
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Bei dem lastaufnehmenden Fasergelege handelt es sich insbesondere um ein unidirektionales Fasergelege (UD-Gelege). Bevorzugt wird dieses Fasergelege so angeordnet, dass seine Vorzugsrichtung zumindest näherungsweise in Richtung der Längsrichtung des Rotorblatts orientiert ist.
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Das zweite Ende des Rotorblattgurts weist einen vorgegebenen Endabstand von der Spitze des Rotorblatts auf. Diese Maßnahme wird insbesondere aus Blitzschutzgründen ergriffen. Ihr kommt besondere Bedeutung zu, wenn der Rotorblattgurt gemäß einer weiteren Ausführungsform aus einem kohlefaserverstärkten Verbundmaterial hergestellt ist.
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Die Bauhöhe des Rotorblatts nimmt in Längsrichtung des Rotorblatts, ausgehend vom zweiten Ende des Rotorblattgurts in Richtung der Rotorblattspitze, stark ab. Das lastaufnehmende Fasergelege, insbesondere das unidirektionale Gelege, dient in diesem Bereich des Rotorblatts anstelle des Rotorblattgurtes als lastaufnehmendes Element.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das lastaufnehmende Fasergelege, also insbesondere das unidirektionale Gelege, in einem Teilbereich des Rotorblattspitzenbereichs vorgesehen, der durch eine erste und eine zweite Ebene begrenzt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform verläuft die erste Ebene entlang einer Rotorblattgurtvorderkante, die der Rotorblattvorderkante zugewandt ist. Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass sich der Teilbereich des Rotorblattspitzenbereichs in Längsrichtung des Rotorblatts ausgehend von der Rotorblattspitze bis zu einer zweiten Ebene erstreckt, welche zumindest näherungsweise parallel zu einer Profilebene des Rotorblatts orientiert ist und das zweite Ende des Rotorblattgurts umfasst. Das zweite Ende des Rotorblattgurts liegt also mit anderen Worten in der zweiten Ebene.
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Die erste Ebene ist, zumindest näherungsweise, senkrecht zu der zweiten Ebene orientiert. Sie verläuft entlang der Rotorblattgurtvorderkante, die einer Rotorblattvorderkante zugewandt ist. Mit anderen Worten umfasst also die erste Ebene die Rotorblattgurtvorderkante. In dem von der ersten und der zweiten Ebene eingeschlossenen Teilbereich der Rotorblattschale(n), zwischen diesen beiden Ebenen und der Rotorblattvorderkante sowie je nach Blattentwurf einem geringen Abschnitt der Rotorblatthinterkante, erstreckt sich der Teilbereich des Rotorblattspitzenbereichs, in dem das lastaufnehmende Fasergelege in der/den Rotorblattschale(n) vorgesehen ist.
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Im Ergebnis wird also ein Rotorblatt bereitgestellt, welches eine erhöhte Flatterdrehzahl aufweist und außerdem gegenüber herkömmlichen Entwürfen ökonomischer herzustellen ist.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Windenergieanlage mit einem Rotorblatt gemäß einer oder mehreren der zuvor genannten Ausführungsformen. Gleiche oder ähnliche Vorteile, wie sie im Hinblick auf das Rotorblatt selbst erwähnt wurden, treffen auch auf die Windenergieanlage zu. Da die Rotorblätter der Windenergieanlage eine höhere Flatterdrehzahl aufweisen, ist diese betriebssicherer. Aufgrund der verringerten Kosten für die Rotorblätter sinken die Gesamtkosten für die Windenergieanlage.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Rotorblatts einer Windenergieanlage in Faserverbundbauweise, wobei sich das Rotorblatt in einer Längsrichtung zwischen einer Rotorblattwurzel und einer Rotorblattspitze erstreckt, und wobei zumindest ein Rotorblattgurt vorgesehen wird, der mit einem ersten Ende nahe der Rotorblattwurzel und mit einem zweiten Ende nahe der Rotorblattspitze vorgesehen und derart angeordnet wird, dass sein zweites Ende einen vorgegebenen Endabstand zur Rotorblattspitze einhält, wobei in einem Rotorblattspitzenbereich, der sich zwischen dem zweiten Ende des Rotorblattgurts und der Rotorblattspitze erstreckt, ein lastaufnehmendes Fasergelege in einer Außenschale des Rotorblatts vorgesehen und dieses Fasergelege mit dem Rotorblattgurt lastaufnehmend verbunden wird und eine tragende Struktur des Rotorblatts ausbildet, wobei das Verfahren dadurch fortgebildet ist, dass das lastaufnehmende Fasergelege in einem Teilbereich des Rotorblattspitzenbereichs vorgesehen wird, wobei sich dieser Teilbereich ausgehend von einer Rotorblattvorderkante bis in eine zumindest näherungsweise senkrecht zu einer Profilebene des Rotorblatts orientierte erste Ebene erstreckt, welche, betrachtet in Richtung einer Profilsehne, zwischen der Rotorblattvorderkante und dem Rotorblattgurt liegt.
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Auch auf das Verfahren zum Herstellen eines Rotorblatts treffen gleiche oder ähnliche Vorteile zu, wie sie bereits im Hinblick auf das Rotorblatt selbst erwähnt wurden. Beispielsweise ist das Verfahren ökonomischer durchführbar, da im Vergleich zu herkömmlichen Entwürfen eine geringere Menge an lastaufnehmendem Fasergelege, insbesondere unidirektionalem Gelege, eingesetzt werden muss.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Verfahren dadurch fortgebildet, dass als lastaufnehmendes Gelege ein unidirektionales Fasergelege vorgesehen wird, ferner wird insbesondere als Rotorblattgurt ein Holmgurt vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verfahren dadurch fortgebildet, dass die erste Ebene entlang einer Rotorblattgurtvorderkante verläuft, die der Rotorblattvorderkante zugewandt ist, ferner ist insbesondere vorgesehen, dass sich der Teilbereich des Rotorblattspitzenbereichs in Längsrichtung des Rotorblatts ausgehend von der Rotorblattspitze bis zu einer zweiten Ebene erstreckt, welche zumindest näherungsweise parallel zu einer Profilebene orientiert ist und das zweite Ende des Rotorblattgurts umfasst. Vorteilhaft ist das Verfahren dadurch fortgebildet, dass der Rotorblattgurt aus einem kohlefaserverstärken Verbundmaterial hergestellt wird.
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Mit dem Verfahren gemäß Aspekten der Erfindung wird ein Rotorblatt mit verbesserten aeroelastischen Eigenschaften hergestellt. Seine tragendende Schale im Rotorblattaußenbereich optimiert die aeroelastischen Eigenschaften, so dass ein solches Rotorblatt eine erhöhte Flatterdrehzahl aufweist.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
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1 eine Windenergieanlage in schematisch vereinfachter Frontansicht und
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2 eine schematisch vereinfachte Detailansicht eines Rotorblatts im Bereich seiner Rotorblattspitze.
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In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
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Die in 1 gezeigte Windenergieanlage 2 umfasst einen Rotor mit beispielhaft drei Rotorblättern 4, welche an einer Rotornabe 6 befestigt sind. Der Rotor wird von einer Tragstruktur 8, beispielsweise einem Segmentturm, getragen. Beispielhaft ist eine Windenergieanlage 2 dargestellt, welche auf Land gegründet ist. Es kann sich bei der Windenergieanlage 2 jedoch ebenso um eine Offshore-Anlage handeln. Die Rotorblätter 4 der Windenergieanlage 2 erstrecken sich in einer Längsrichtung L zwischen einer Rotorblattwurzel 10 und einer Rotorblattspitze 12. Außerdem umfassen die Rotorblätter 4 je eine Rotorblattvorderkante 14 und Rotorblatthinterkante 16.
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Im Betrieb der Windenergieanlage 2 wird der Rotor in einer Rotationsrichtung R aerodynamisch angetrieben.
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Die Rotorblätter 4 sind in Faserverbundbauweise hergestellt. Innerhalb der Rotorblätter 4 erstreckt sich in ihrer Längsrichtung L ein schematisch mit gestrichelter Linie angedeuteter Rotorblattgurt 18, bevorzugt ein Holmgurt. Der Rotorblattgurt 18 umfasst ein der Rotorblattwurzel 10 nahes erstes Ende 20, welches sich beispielsweise bis an die Rotorblattwurzel 10 erstreckt. Ferner umfasst der Rotorblattgurt 18 ein der Rotorblattspitze 12 nahes zweites Ende 22, welches in einem vorgegebenen Endabstand A zur Rotorblattspitze 12 angeordnet ist. Mit anderen Worten liegt also der Endabstand A zwischen dem zweiten Ende 22 des Rotorblattgurts 18 und der Rotorblattspitze 12 vor.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Rotorblattgurt 18 um ein aus kohlefaserverstärktem Verbundmaterial hergestelltes Bauteil. Insbesondere ist also der Rotorblattgurt 18 ein aus kohlefaserverstärktem Verbundmaterial hergestellter Holmgurt. Aus Blitzschutzgründen ist vorgesehen, dass der Rotorblattgurt 18 nicht bis in die Rotorblattspitze 12 reicht, sondern in dem vorgesehenen Endabstand A in Längsrichtung L vor der Rotorblattspitze 12 endet. Der Endabstand A beträgt beispielsweise 5 Meter. Insbesondere beträgt der Abstand A 10% der Rotorblattlänge zwischen Rotorblattwurzel 10 und Rotorblattspitze 12.
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In einer Außenschale des Rotorblatts 4 ist in einem Rotorblattspitzenbereich S ein lastaufnehmendes Fasergelege 24 in einer Außenschale des Rotorblatts 4 vorhanden. Dieses lastaufnehmende Fasergelege 24, beispielsweise ein unidirektionales Fasergelege, dient dazu, über den Rotorblattgurt 18 bzw. den Rotorblattholmgurt hinweg in Längsrichtung L des Rotorblatts 4 einen ähnlichen Steifigkeitsverlauf der mechanischen Eigenschaften des Rotorblatts 4 zu verwirklichen wie im übrigen Bereich des Rotorblatts 4, in dem der Rotorblattgurt 18 vorhanden ist. Mit anderen Worten soll also über das zweite Ende 22 des Rotorblattgurts 18 hinweg ein Steifigkeitsverlauf ohne Sprung realisiert werden. Das lastaufnehmende Fasergelege 24 ist bevorzugt ein unidirektionales Fasergelege. Die Vorzugsrichtung dieses Fasergeleges 24 ist ferner bevorzugt zumindest näherungsweise parallel zur Längsrichtung L des Rotorblatts 4.
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Das lastaufnehmende Fasergelege 24 ist grundsätzlich von weiterem Fasergelege, wie es zur Herstellung der Rotorblattschale bzw. der Rotorblattschalen eingesetzt wird, zu unterscheiden. Bei letzterem handelt es sich nämlich bevorzugt um bidirektionales Fasergelege, welches der Rotorblattschale oder den Rotorblattschalen ihre Form und in gewissem Umfang ihre Steifigkeit verleiht, jedoch nicht im Sinne eines Rotorblattholms oder -gurts lastaufnehmend wirkt. Insbesondere ist dieses Fasergelege nicht in der Lage, einen entsprechenden Steifigkeitsverlauf über den Rotorblattholm hinaus ohne einen entsprechenden Sprung in der Steifigkeit bereitzustellen.
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Um lastaufnehmend wirksam zu sein, ist das lastaufnehmende Fasergelege 24 außerdem mit dem Rotorblattgurt 18 lastaufnehmend verbunden, so dass es eine tragende Struktur des Rotorblatts 4 ausbildet.
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2 zeigt in einer schematisch vereinfachten Detailansicht das Rotorblatt 4 im Bereich seiner Rotorblattspitze 12. Das lastaufnehmende Fasergelege 24 ist in einem Teilbereich 26 des Rotorblattspitzenbereichs S vorgesehen. Der Teilbereich 26 erstreckt sich ausgehend von einer Rotorblattvorderkante 14 bis in eine erste Ebene 28, die in 2 punktiert dargestellt ist. Die erste Ebene 28 ist zumindest näherungsweise senkrecht zu einer Profilebene des Rotorblatts 4 orientiert. Die erste Ebene 28 liegt betrachtet in Richtung einer Profilsehne 30 zwischen der Rotorblattvorderkante 14 und dem Rotorblattgurt 18. Insbesondere verläuft die erste Ebene 28 entlang einer Rotorblattgurtvorderkante 32. Diese Kante des Rotorblattgurts 18 ist der Rotorblattvorderkante 14 zugewandt. Mit anderen Worten ist also die erste Ebene 28 so orientiert, dass die Rotorblattgurtvorderkante 32 in der ersten Ebene 28 liegt.
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Der Teilbereich 26 des Rotorblattspitzenbereichs S ist außerdem dadurch definiert, dass dieser sich, betrachtet in Längsrichtung L des Rotorblatts 4, ausgehend von der Rotorblattspitze 12 bis zu einer zweiten Ebene 34 erstreckt. Die zweite Ebene 34 ist zumindest näherungsweise parallel zu einer Profilebene des Rotorblatts 4 orientiert. Die zweite Ebene 34 umfasst außerdem das zweite Ende 22 des Rotorblattgurts 18.
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Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere” oder „vorzugsweise” gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Windenergieanlage
- 4
- Rotorblatt
- 6
- Rotornabe
- 8
- Tragstruktur
- 10
- Rotorblattwurzel
- 12
- Rotorblattspitze
- 14
- Rotorblattvorderkante
- 16
- Rotorblatthinterkante
- 18
- Rotorblattgurt
- 20
- erstes Ende des Rotorblattgurtes
- 22
- zweites Ende des Rotorblattgurtes
- 24
- lastaufnehmende Fasergelege
- 26
- Teilbereich
- 28
- erste Ebene
- 30
- Profilsehne
- 32
- Rotorblattgurtvorderkante
- 34
- zweite Ebene
- L
- Längsrichtung
- R
- Rotationsrichtung
- A
- Endabstand
- S
- Rotorblattspitzenbereich
