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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einer Rotornabe mit wenigstens einem Rotorblattlager mit einer ersten Anlagefläche und wenigstens einem Rotorblatt mit einer zweiten Anlagefläche, das mittels Befestigungselementen am Rotorblattlager befestigt ist, wobei die erste und zweite Anlagefläche aneinanderliegen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Windkraftanlage mit einer Rotornabe mit wenigstens einem Rotorblattlager mit einer ersten Anlagenfläche und wenigstens einem Rotorblatt mit einer zweiten Anlagefläche, das mittels Befestigungselementen am Rotorblattlager befestigt ist, und die erste und zweite Anlagefläche liegen aneinander.
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Windkraftanlagen weisen üblicherweise drei Rotorblätter auf. Die Rotorblätter umfassen jeweils eine Rotorblattwurzel mit einer Anlagefläche, die an einer Anlagefläche eines Rotorblattlagers anliegt. Das Rotorblattlager ist Teil einer Rotornabe, die Rotornabe ist ein drehbares Bauteil, das am Maschinenhaus der Windkraftanlage drehbar angebracht ist und an dem die drei Rotorblätter zum einen durch Drehung der Rotornabe um eine Längsachse der Rotornabe bzw. des Maschinenhauses drehbar sind. Zum anderen ist jedes der Rotorblätter um seine eigene Längsachse am Rotorblattlager drehbar angebracht.
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Aus der
WO 2009/132612 A1 ist bekannt, dass ein Rotorblatt an einem Rotorblattlager mittels Bolzen befestigt ist. Die Bolzen sind durch einen Außenring des Rotorblattlagers geführt und in Innengewinde in Blockinserts an der Rotorblattwurzel des Rotorblattes eingeschraubt oder in Bohrungen im Laminat der Rotorblattwurzel eingeführt und durch Querbolzen in Form eines Ikea-Verschlusses verriegelt.
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Im Stand der Technik sind äquidistant voneinander beabstandete Rotorblattinserts auch aus der
WO 03/057457 A1 bekannt.
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Aus der
EP 3 121 441 B1 ist ein Rotorblatt mit voneinander unterschiedlich weit beabstandeten Blockinserts bekannt. Das Rotorblatt hat den Nachteil, dass es nur eine sehr eingeschränkte Variabilität bezüglich der Verteilung der Blockinserts, und damit der Tragfähig erlaubt. Aufgrund der nicht kontinuierlichen Verteilung der Inserts kann es zu Überlastungen einzelner Blockinserts kommen bzw. müssen deutlich mehr Inserts verwendet werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Windkraftanlage zur Verfügung zu stellen, die gegenüber dem Stand der Technik hohen Windbelastungen standhält und dennoch kostengünstiger ist.
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Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer obengenannten Windkraftanlage zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich der Windkraftanlage durch eine eingangs genannte Windkraftanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfüllt.
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Erfindungsgemäß weisen die benachbarten Befestigungselemente entlang der ersten und zweiten Anlagefläche verschiedene Abstände zueinander auf, und die Abstände in Sektoren kleinerer Belastungen sind größer als in Sektoren größerer Belastungen. Unter „Sektor“ wird hier ein Ringabschnitt der ersten bzw. zweiten Anlagefläche verstanden. Die Abstände benachbarter Befestigungselemente werden erfindungsgemäß entlang der beiden aneinanderliegenden Anlageflächen bzw. entlang eines Umfanges des Rotorblattlagers unterschiedlich gewählt und zwar dahingehend, dass in Sektoren kleinerer Belastung die Abstände der benachbarten Befestigungselemente größer gewählt werden als in Sektoren größerer Belastung.
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Vorzugsweise weisen die Befestigungselemente in sich diametral gegenüberliegenden Abschnitten der Rotorblattwurzel einen geringeren Abstand voneinander auf als in Abschnitten, die um 90° versetzt dazu angeordnet sind. Es wurde festgestellt, dass die Belastungen sich entlang des Umfanges der Rotorblattwurzel je nach Rotorblatttyp und auch Auslegung der Windkraftanlage, z.B. in Abhängigkeit vom Aufstellungsort, unterschiedlich verteilen. Vorteilhafterweise stellt sich aber in der Regel eine Verteilung dahingehend ein, dass Belastungen in sich an der Rotorblattwurzel diametral gegenüberliegenden Abschnitten höher sind als in anderen Abschnitten, insbesondere in Abschnitten die entlang des Umfanges der Rotorblattwurzel um etwa 90° versetzt dazu angeordnet sind.
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Die Befestigungselemente weisen günstigerweise einen Abstand voneinander auf, der über den Umfang der Rotorblattwurzel zweimal kontinuierlich oder in Stufen ansteigt und wieder abnimmt.
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Besonders bevorzugt weisen die Befestigungselemente an einer Vorderkante oder Hinterkante des Rotorblattes einen geringeren Abstand voneinander auf als an einer Saugseite oder einer Druckseite des Rotorblattes.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Befestigungselemente in Abschnitten zwischen Vorderkante und Saugseite sowie zwischen Hinterkante und Druckseite einen geringeren Abstand voneinander auf als an einer Saugseite oder einer Druckseite des Rotorblattes.
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Es wurde festgestellt, dass die Belastung für bestimmt Rotorblätter insbesondere an der Druckseite und der Saugseite des Rotorblattes besonders hoch ist, so dass in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Befestigungselemente an der Druckseite und der Saugseite des Rotorblattes einen geringeren Abstand voneinander aufweisen als an einer Vorderkante oder Hinterkante des Rotorblattes.
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Es wurde darüber hinaus festgestellt, dass für andere Rotorblätter die Belastung insbesondere an der Vorderkante oder Hinterkante des Rotorblattes besonders hoch ist, so dass in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Befestigungselemente an der Vorderkante oder Hinterkante des Rotorblattes einen geringeren Abstand voneinander aufweisen als an einer Druckseite und der Saugseite des Rotorblattes.
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Für wiederum andere Rotorblätter wurde festgestellt, dass die Belastung insbesondere im Bereich zwischen der Vorderkante und der Saugseite sowie zwischen der Hinterkante und der Druckseite des Rotorblattes besonders hoch ist, so dass in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Befestigungselemente in diesen Bereichen einen geringeren Abstand voneinander aufweisen als an einer Druckseite und der Saugseite des Rotorblattes.
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Je nachdem ob die Anstrengungen der Struktur des Rotorblattes durch Extremlasten oder durch zyklische Last höher sind, kann die Verteilung der Blockinserts der Verteilung der jeweiligen Lasten angepasst werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Befestigungselemente Bolzen auf, die zwischen Rotorblattlager und Rotorblattwurzel verlaufen. Die Bolzen sind die eigentlichen Verbindungselemente zwischen der Rotornabe und dem Rotorblatt.
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Vorzugsweise sind die Bolzen durch einen Außenring des Rotorblattlagers geführt. Der Außenring des Rotorblattlagers ist drehbar um einen Innenring des Rotorblattlagers gelagert. Die Bolzen sind in einem Innengewinde eines Blockinserts der Rotorblattwurzel eingeschraubt. Die Bolzen weisen dafür vorzugsweise ein Außengewinde auf und die Blockinserts das Innengewinde.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung gehen die Bolzen durch einen Außenring des Rotorblattlagers und sie sind jeweils in eine Längsbohrung in der Laminatwandung der Rotorblattwurzel eingeführt. Die Bolzen weisen jeweils eine Querbohrung auf, und die Rotorblattwurzel weist an jeder Längsbohrung eine zugehörende Querbohrung auf, die jeweils in die zugehörende Längsbohrung hineingeführt ist, so dass der in die Längsbohrung eingeführte Bolzen durch einen Querbolzen, der durch die Querbohrung in der Laminatwandung und die Querbohrung im Bolzen geführt ist, festgeschraubt werden kann. Diese Anschlussform ist auch als Ikea-Verschluss bekannt.
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Vorzugsweise sind die Bolzen durch einen Innenring des Rotorblattlagers geführt. Der Innenring des Rotorblattlagers ist drehbar um einen Außenring des Rotorblattlagers gelagert. Die Bolzen sind in einem Innengewinde eines Blockinserts der Rotorblattwurzel eingeschraubt. Die Bolzen weisen dafür vorzugsweise ein Außengewinde auf und die Blockinserts das Innengewinde.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung gehen die Bolzen durch einen Innenring des Rotorblattlagers und sie sind jeweils in eine Längsbohrung in der Laminatwandung der Rotorblattwurzel eingeführt. Die Bolzen weisen jeweils eine Querbohrung auf, und die Rotorblattwurzel weist an jeder Längsbohrung eine zugehörende Querbohrung auf, die jeweils in die zugehörende Längsbohrung hineingeführt ist, so dass der in die Längsbohrung eingeführte Bolzen durch einen Querbolzen, der durch die Querbohrung in der Laminatwandung und die Querbohrung im Bolzen geführt ist, festgeschraubt werden kann. Diese Anschlussform ist auch als Ikea-Verschluss bekannt.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein eingangs genanntes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 erfüllt.
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Das Verfahren und die nachfolgend aufgeführten Verfahren eignen sich zur Herstellung einer der obengenannten Windkraftanlagen. Die obengenannten Windkraftanlagen werden vorzugsweise durch das oben aufgeführte oder eines der nachfolgend aufgeführten Verfahren hergestellt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Windkraftanlage werden zunächst Belastungen der Befestigungselemente ermittelt, die entlang eines Umfanges einer Rotorblattwurzel des Rotorblattes gleichverteilt, vorzugsweise äquidistant verteilt sind. Es werden dann erfindungsgemäße Abstände zwischen Befestigungselementen bestimmt, indem die Abstände zwischen stärker belasteten Befestigungselementen kleiner gewählt werden als Abstände zwischen schwächer belasteten Befestigungselementen. Es wird somit eine Windkraftanlage mit den erfindungsgemäßen Abständen hergestellt.
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Windkraftanlagen mit Befestigungselementen für das Rotorblatt an dem zugehörenden Rotorblattlager sind im Stand der Technik bekannt. Die Befestigungselemente sind entlang des Umfanges des Rotorblattlagers gleichverteilt. Numerisch oder auch durch Messsensoren können die Belastungen der Befestigungselemente, beispielsweise Zugbelastungen, aber auch Drehmomente, die auf die Befestigungselemente wirken, gemessen werden. Es werden die Belastungen in Betrieb in verschiedenen Belastungssituationen gemessen und Durchschnittsbelastungen oder jeweils die Höchstbelastung ermittelt. Es hat sich herausgestellt, dass die Belastungen, die auf die Befestigungselemente wirken, entlang des Umfanges der Anlagefläche des Rotorblattes unterschiedlich sind.
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Je nach Rotorblatttyp sind Belastungen entlang des Umfanges der Rotorblattwurzel verschieden verteilt.
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Dieser Erkenntnis wird dadurch Rechnung getragen, dass der Abstand zwischen den Befestigungselementen entlang der weniger belasteten Sektoren vergrößert wird und die Abstände der Befestigungselemente entlang der höher belasteten Sektoren gleichbleibt, gegebenenfalls sogar verringert wird. Insgesamt ist es damit möglich, entlang des gesamten Umfanges der Rotorblattwurzel weniger Befestigungselemente zu benutzen, um das Rotorblatt mit einer gleichen zulässigen Maximalbelastung an dem Rotorblattlager zu befestigen. Das ist unter anderem darin begründet, dass die Befestigungselemente entlang der schwächer belasteten Sektoren im Stand der Technik überdimensioniert sind bzw. in zu großer Anzahl vorhanden sind und somit keinen zusätzlichen belastungssteigernden Effekt erzielen.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in zwei Figuren beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Rotorblattwurzel,
- 2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Rotornabe.
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Eine in 1 dargestellte erfindungsgemäße Rotorblattwurzel 1 ist an einem rotornabenseitigen Ende eines Rotorblattes 2 vorgesehen. Das Rotorblatt 2 ist entlang seiner Außenwandung und auch Innenwandung am rotornabenseitigen Ende im Querschnitt senkrecht zu einer Längsrichtung L kreisrund ausgebildet. Die Rotorblattwurzel 1 ist ein Laminatbauteil mit einer umlaufend gleichen Wandstärke d. Eine Stirnfläche der Rotorblattwurzel 1, die hier als zweite Anlagefläche 3 bezeichnet wird, wird durch eine Abfolge von Blockinserts 4 und Abstandsbauteilen 6 ausgebildet. Die Blockinserts 4 weisen an ihrer Stirnfläche mittig ein Innengewinde 7 auf. Die Blockinserts 4 sind in Längsrichtung L länglich ausgebildet und in die Wandung der Rotorblattwurzel 1 eingeklebt. Zwischen benachbarten Blockinserts 4 sind ein, zwei oder mehrere Abstandsbauteile 6 vorgesehen, günstigerweise ist zwischen benachbarten Blockinserts 4 genau eines der Abstandsbauteile 6 vorgesehen, das zum einen der Kreisform der zweiten Anlagefläche 3 angepasst ist, das also an seiner Rotorblattaußenseite länger ausgebildet ist als an seiner Rotorblattinnenseite, zum anderen sind die Abstandsbauteile 6 aber auch untereinander mit unterschiedlichen sektorförmigen Querschnitten ausgebildet. Insbesondere weisen die Abstandbauteile 6 eine entlang des Umfanges der Rotorblattwurzel 1 bei gleichem radialen Abstand von einem Mittelpunkt M der Rotorblattwurzel 1 unterschiedliche Breite auf, so dass durch Wahl verschieden breiter Abstandsbauteile 6 der Abstand zwischen den benachbarten Blockinserts 4 veränderbar ist.
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In der Ausführungsform gemäß 1 sind die Abstände der Blockinserts 4 und damit die Abstände der Innengewinde 7 an der Druckseite der Rotorblattwurzel 1 und an der Saugseite der Rotorblattwurzel 1 geringer als an der Vorderkante und der Hinterkante der Rotorblattwurzel 1.
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In die Blockinserts 4 werden Bolzen 8 mit einem Außengewinde eingeschraubt, die Bolzen 8 sind durch einen Außenring 9 eines Rotorblattlagers 11 einer Rotornabe 12 geführt.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Rotornabe 12 mit drei Rotorblattlagern 11. Jedes Rotorblattlager 11 weist einen Innenring 13 und den Außenring 9 auf, wobei der Außenring 9 um den Innenring 13 in beide Richtungen frei rotierbar ist. Eine Außenfläche des Außenringes 9 bildet eine erste Anlagefläche aus, die an der zweiten Anlagefläche 3 anliegt. Durch den Außenring 9 sind Bohrungen 14 geführt, wobei ein Abstand zwischen benachbarten Bohrungen 14 ebenfalls entlang des Umfanges unterschiedlich ist. Durch jede der Bohrungen 14 ist einer der Bolzen 8 mit dem Außengewinde an seinem freien Ende geführt. Jeder Bolzen 8 ist dazu bestimmt, in eines der Innengewinde 7 eines der Blockinserts 4 eingeschraubt zu werden. Die Abstände aller benachbarter Bolzen 8 sind somit exakt den Abständen der Innengewinde 7 der zugehörenden benachbarten Blockinserts 4 angepasst; die durch die Bolzen 8 gebildete Maske entspricht der durch die Blockinserts 4 gebildeten Maske, so dass das Rotorblatt 2 mit seiner Rotorblattwurzel 1 auf das Rotorblattlager 11 in einer vorgegebenen relativen Position gesetzt werden kann und in das Innengewinde 7 jedes Blockinserts 4 genau ein Außengewindes eines der Bolzen 8 einschraubbar ist.
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Die Abstände der Bolzen 8 voneinander, insbesondere die Abstände benachbarter Bolzen 8 voneinander, werden numerisch oder experimentell bestimmt.
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In alternativen Ausführungsformen sind Innenring und Außenring vertauscht.
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Herkömmliche Windkraftanlagen weisen üblicherweise Rotorblattlager 11 und zugehörende Rotorblattwurzeln 1 auf, die äquidistant voneinander beabstandete Bolzen 8 bzw. äquidistant voneinander beabstandete Blockinserts 4 aufweisen. Experimentell oder auch numerisch werden die Belastungen an jedem einzelnen der Bolzen 8 bei einer äquidistanten Anordnung gemessen bzw. berechnet. Insbesondere werden Zuglasten am Bolzen 8 in der Längsrichtung L und Drehmomente am Bolzen 8 ermittelt bzw. errechnet. Es hat sich herausgestellt, dass die Belastungen der Bolzen 8 während des Betriebes unterschiedlich sind. Die Belastungen der Bolzen 8 an der Druckseite bzw. der Saugseite sind anders als die Belastung an der Vorderkante oder Hinterkante des Rotorblattes 2. Dieser Erkenntnis wird dadurch Rechnung getragen, dass die Abstände der Bolzen 8 voneinander geändert werden. Abstände benachbarter Bolzen 8 werden vergrößert, wenn die Belastungen der Bolzen 8 bei äquidistanter Beabstandung klein sind. Abstände werden verkürzt oder auf einem gleichbleibend kurzen Abstand gehalten, wenn die Belastung der äquidistant voneinander beabstandeten Bolzen 8 hoch ist.
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In der Ausführungsform gemäß 1 und 2 ist die Rotorblattwurzel 1 mittels der Bolzen 8 befestigt, die das Außengewinde aufweisen und die in das zugehörende Innengewinde 7 geschraubt sind.
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Es gibt aber auch noch andere Ausführungsformen des Rotorblattes 2. Insbesondere kann in das Laminat direkt eine Bohrung ohne Innengewinde eingefügt werden, und die Bolzen 8 können dann durch den Außenring 9 des Rotorblattlagers 11 geführt werden und in die Bohrung des Laminates eingeführt werden. Die Bolzen 8 weisen ein Querloch auf, in das von außen durch das Laminat der Rotorblattwurzel 1 durch ein weiteres Querloch ein Querbolzen geführt wird, der den Bolzen im Laminat hält. Hinsichtlich der Abstände der Bolzen 8 entlang des radialen Umfanges der Rotorblattwurzel 1 voneinander gilt für diese Ausführungsform sinngemäß das Obengesagte genauso.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotorblattwurzel
- 2
- Rotorblatt
- 3
- zweite Anlagefläche
- 4
- Blockinserts
- 6
- Abstandsbauteile
- 7
- Innengewinde
- 8
- Bolzen
- 9
- Außenring
- 11
- Rotorblattlager
- 12
- Rotornabe
- 13
- Innenring
- 14
- Bohrung
- d
- Wandstärke
- L
- Längsrichtung
- M
- Mittelpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/132612 A1 [0004]
- WO 03/057457 A1 [0005]
- EP 3121441 B1 [0006]
