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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wind- oder Gezeitenturbinenblatt mit einer Befestigungsanordnung (attachment), insbesondere einer Wurzelbefestigungsanordnung zum Befestigen der Wurzel des Blattes an einer Nabe oder einer Befestigungsanordnung, um zwei Teile eines Wind- oder Gezeitenturbinenblattes miteinander zu verbinden.
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Ein Windturbinengenerator wird typischerweise aus diesen Teilen gefertigt: einem Turm; einer Gondel, welche an dem oberen Ende des Turmes sitzt und Generatoren, Getriebekästen oder jegliche Mittel beinhaltet, um Energie in elektrische Energie zu konvertieren; einer Nabe mit einem Blattlager (pitch bearing) für jedes Blatt; und einer Mehrzahl, zum Beispiel zwei oder drei Windturbinenblättern, welche je an ein jeweiliges Blattlager der Nabe angepasst sind. Ein Gezeitengenerator beinhaltet korrespondierend eine Nabe und daran angepasste Blätter.
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Die ”Wurzel” des Blattes ist das Ende, welches an die Nabe über das Blattlager angebracht ist und ist typischerweise zylindrisch ringförmig, und geformt und dimensioniert, um mit dem Lager zusammen zu passen. Blätter sind herkömmlicherweise unter Verwendung von Verbundmaterialien gebaut, insbesondere faserverstärkten Verbundmaterialien, welche Fasern innerhalb einer Harzmatrix umfassen, und derart muss die Verbundmaterialwurzel an dem Blattlager angebracht werden, welches aus Metall zusammengesetzt ist. Die Befestigung wird normalerweise erreicht durch Bolzenverbinden der Wurzel an das Lager, so dass das Blatt montiert und demontiert werden kann.
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Es ist notwendig für das Wurzelbefestigungssystem, bei Verwendung, zuverlässig fähig zu sein, sowohl Zug- als auch Druckkräfte übertragen zu können, welche daran alternierend eingeleitet werden, wenn das Windturbinenblatt während des Betriebs der Windturbine rotiert.
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Typischerweise ist das Blatt mit dem Blattlager durch eine kreisförmige Anordnung von Bolzen verbunden, welche sich in Umfangsrichtung um die ringförmige Wurzel erstreckt, zum Beispiel ungefähr 50–100 Bolzen für ein großes Blatt, typischerweise bis zu 55 m lang. Es sind drei herkömmliche Verfahren zum Anbringen der Bolzen an der Verbundstruktur des Blattes in Verwendung:
T-Bolzen: wie in 1 gezeigt, wird für jeden Bolzen 300, welcher sich von dem Blattlager (nicht gezeigt) erstreckt, ein zylindrischer Metalleinsatz 302 in ein sich radial erstreckendes Loch 304 eingepasst, welches sich durch die Dicke der ringförmigen Blattwurzel 306 erstreckt. Die Einsätze 302 sind typischerweise das 2-3-fache des Durchmessers des Bolzens 300. Der Einsatz 302 wird gebohrt und mit einem helixförmigen Gewinde geschnitten, um den Bolzen 300 mit helixförmigem Gewinde aufzunehmen, welcher durch ein sich in Längsrichtung erstreckendes Loch 308 in dem freien Ende 310 der Wurzel 306 eingebracht wird. Die Wurzel 306 muss dick sein, um ausreichende Lagerstärke zu haben, um ein Herausziehen der Einsätze 302 zu vermeiden. Die Dicke bedeutet, dass die Wurzel 306 schwer ist und stellt ein Problem dar für die Herstellung aufgrund der Exothermie des Harzes in dem Verbundmaterial. Dieses System wird gegenwärtig von den meisten Blattherstellern verwendet, welche Harzeingießung verwenden, um die faserverstärkte Verbundmaterialwurzel zu produzieren.
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Geklebte Buchsen: wie in 2 gezeigt, wird für jeden Bolzen, welcher sich von dem Blattlager (nicht gezeigt) erstreckt, ein Längsloch 402, größer als der Durchmesser des Bolzens, in dem freien Ende der Verbundmaterialwurzel 404 gebohrt. Eine zylindrische Buchse 406 wird in das Loch 402 geklebt. Die Buchse 406 ist intern mit einem Gewinde versehen, um den Bolzen aufzunehmen. Die Haftfestigkeit der Buchsen 406 an der Verbundwurzel 404 ist kritisch, was sorgfältige Herstellung erfordert. Das faserverstärkte Verbundmateriallaminat muss dick sein, um stark genug zu sein, sogar nachdem die Löcher 402 gebohrt sind, was Probleme mit der Exothermie des Harzes wie oben beschrieben verursacht.
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Einlaminierte Buchsen: wie in 3 gezeigt, wird für jeden Bolzen, welcher sich von dem Blattlager (nicht gezeigt) erstreckt, eine sich längserstreckenden Buchse 502 in der Wurzel 504 angeordnet, welche sich von dem freien Ende 506 einwärts erstreckt, wobei die Buchsen 502 in dem Laminat-Verbundmaterial während des Laminierprozesses inkludiert werden, anstelle nachträglich geklebt zu werden, wie bei dem oben beschriebenen geklebten Buchsensystem. Dies ermöglicht dem Wurzellaminat, viel dünner zu sein, da es naturgemäß der Form der Buchsen 502 folgt, ohne unnötiges Verbundmaterial zwischen diesen zu benötigen. Folglich ist diese Lösung leichter und weniger anfällig gegenüber Exothermie als (a) und (b). Schaum 510 wird zwischen den benachbarten Laminatteilen 512 bereitgestellt, welche die Buchsen 502 ringförmig umgeben. Jedoch ist es kompliziert zu laminieren, folglich können die Arbeitskosten hoch sein.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Wind- oder Gezeitenturbinenblatt bereitzustellen, welches eine Befestigungsanordnung (attachment) aufweist, insbesondere eine Wurzelbefestigungsanordnung zum Anbringen der Wurzel des Blattes an einer Nabe, welches zumindest teilweise diese Probleme bekannter Wurzelbefestigungssysteme überwindet.
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Windturbinenblätter werden mit zunehmender Länge hergestellt, zum Beispiel bis zu ungefähr 60 m gegenwärtig, was Schwierigkeiten beim Transport verursacht.
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Ferner zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, ein Wind- oder Gezeitenturbinenblatt bereitzustellen, welches eine Befestigungsanordnung aufweist, welche zur Verbindung zweier Teile eines Wind- oder Gezeitenturbinenblatts miteinander adaptiert ist. Ein einzelnes Blatt kann aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein, welche durch die Befestigungsanordnung miteinander verbunden werden können.
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Die vorliegende Erfindung zielt auch darauf ab, einen Befestigungssystem bereitzustellen, wie zum Beispiel ein Wurzelbefestigungssystem für ein Wind- oder Gezeitenturbinenblatt, welches, bei Verwendung, zuverlässig fähig ist, sowohl Zug- als auch Druckkräfte zu übertragen, welche daran alternierend anliegen, zum Beispiel während das Wind- oder Gezeitenturbinenblatt während des Betriebs der Turbine rotiert.
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Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Wind- oder Gezeitenturbinenblatt bereit, welches eine Befestigungsanordnung aufweist, wobei die Befestigungsanordnung umfasst:
einen Stützabschnitt des Turbinenblatts, wobei der Stützabschnitt entgegengesetzte Oberflächen aufweist;
einen Einsatz, welcher adaptiert ist, einen Bolzen zu befestigen bzw. zu haltern (mount) zum Anbringen des Stützabschnitts an einer weiteren Struktur;
und eine Einfassung (mounting) zum Montieren (fitting) des Einsatzes an den Stützabschnitt, wobei die Einfassung eine Schicht bzw. Lage (layer) aufweist, welche sich über eine vordere Fläche des Einsatzes erstreckt und an die entgegengesetzten Oberflächen des Stützabschnitts an entgegengesetzten Seiten des Einsatzes gebunden bzw. geklebt (bonded) ist, wobei die Schicht den Durchtritt eines Bolzens dort hindurch hin zu oder weg von dem Einsatz ermöglicht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Befestigungssystem bereitgestellt, welches ein Wurzelbefestigungssystem für ein Wind- oder Gezeitenturbinenblatt sein kann, welches, bei Verwendung, zuverlässig fähig ist, sowohl Zug- als auch Druckkräfte zu übertragen, welche abwechselnd daran anliegend, zum Beispiel wenn das Wind- oder Gezeitenturbinenblatt während des Betriebs der Turbine rotiert.
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Vorzugsweise umfasst die Einfassung ein faserverstärktes Verbundmaterial.
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Der Einsatz kann einen Hals aufweisen, welcher sich nach außen von der vorderen Fläche erstreckt, wobei sich der Bolzen von dem Hals wegerstreckt.
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Die rückwärtige Fläche des Einsatzes kann eine unebene Oberfläche aufweisen, um mit einer komplementären Endoberfläche des Stützabschnitts zusammenpassen. Optional ist die rückwärtige Fläche des Einsatzes konkav und die Endoberfläche ist konvex. Optional haben die rückwärtige Fläche des Einsatzes und die Endoberfläche komplementär abgestufte Oberflächen.
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Vorzugsweise ist der Stützabschnitt ringförmig und die Befestigungsanordnung stellt wenigstens einen Einsatz und wenigstens eine Einfassung bereit, welche eine ringförmige Anordnung bilden zum Anbringen des ringförmigen Stützabschnitts an der weiteren Struktur durch eine Mehrzahl von Bolzen, wobei sich jeder Bolzen von dem wenigstens einen Einsatz wegerstreckt.
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Bei einer Ausführungsform umfasst der wenigstens eine Einsatz eine Mehrzahl von Einsätzen, welche je einen jeweiligen Bolzen aufweisen, wobei die Einsätze ringförmig um den Stützabschnitt angeordnet sind. Typischerweise liegen benachbarte Seitenoberflächen der benachbarten Einsätze aneinander an. Die benachbarten Seitenoberflächen der benachbarten Einsätze können ineinander greifende Elemente aufweisen, so dass benachbarte Einsätze miteinander verriegelt bzw. arretiert sind.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der wenigstens eine Einsatz einen einzigen ringförmigen Einsatz.
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Vorzugsweise umfasst die wenigstens eine Einfassung eine einzige ringförmige Einfassung.
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Vorzugsweise hat die Einfassung einen zentralen Teil, welcher den Einsatz bedeckt und entgegengesetzte Beine, welche an den entgegengesetzten Oberflächen des Stützabschnitts an entgegengesetzten Seiten des Einsatzes gebunden sind. Optional hat die Einfassung einen U-förmigen Abschnitt bzw. -Profil (section). Vorzugsweise haben die entgegengesetzten Beine je einen Endteil sich verjüngenden Querschnitts, wobei die Beindicke hin zu einem freien Ende des jeweiligen Beines abnimmt. Noch bevorzugter passen die sich verjüngenden Endteile der entgegengesetzten Beine je mit einem korrespondierenden Endbereich, welcher einen sich verjüngenden Querschnitt aufweist, einer jeweiligen Außenschicht des Stützabschnitts zusammen.
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Die Einfassung kann vorgeformt sein. Optional weiten sich die Beine der Einfassung nach außen hin auseinander auf und die entgegengesetzten Oberflächen des Stützabschnitts weiten sich komplementär auf.
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Optional verringert sich der Stützabschnitt in der Querschnittsdicke in einer Richtung, welche sich von dem Einsatz wegerstreckt. Der Stützabschnitt kann einen keilförmigen, sich verjüngenden Kern beinhalten, welcher sich einwärts von dem Einsatz wegerstreckt und zwischen entgegengesetzten äußeren Schichten des faserverstärkten Verbundmaterials in einer Sandwichanordnung angeordnet ist.
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Der Stützabschnitt kann einen zentralen Holm aufweisen, welcher entgegengesetzte Oberflächen aufweist und ein Paar entgegengesetzte, sich verjüngende Lagerplatten, welche je benachbart zu einer jeweiligen entgegengesetzten Oberfläche des Holms angeordnet sind, wobei die Lagerplatten in der Querschnittsdicke in einer Richtung abnehmen, welche sich von dem Einsatz wegerstreckt.
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Die entgegengesetzten Beine der Einfassung können Enden aufweisen, welche an einander gebunden sind, eine Kavität innerhalb der Einfassung, welche den Einsatz umfasst und ein Kernelement, wobei das Kernelement den Stützabschnitt aufweist, und wobei wenigstens eine äußere Fläche des wenigstens einen der Beine an einen sich verjüngenden Abschnitt einer Wurzel des Wind- oder Gezeitenturbinenblatts gebunden ist.
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Optional umfasst die Einfassung zwei Einfassungsabschnitte, einen ersten Einfassungsabschnitt, welcher einen ersten gekrümmten Teil aufweist, welcher den Einsatz bedeckt und einen ersten benachbarten Teil, welcher an eine der entgegengesetzten Oberflächen des Stützabschnitts gebunden ist, und einen zweiten Einfassungsabschnitt, welcher einen zweiten gekrümmten Teil aufweist, welcher an den ersten gekrümmten Teil gebunden ist und einen zweiten benachbarten Teil, welcher an die andere der entgegengesetzten Oberflächen des Stützabschnitts gebunden ist.
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Die rückwärtige Fläche des Einsatzes kann an einer Endfläche des Stützabschnitts anliegen. Alternativ kann die rückwärtige Fläche des Einsatzes von einer Endfläche des Stützabschnitts beabstandet sein.
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Das Turbinenblatt kann ferner eine Befestigungsstruktur aufweisen, an welcher das Wind- oder Gezeitenturbinenblatt anzubringen ist, wobei die Befestigungsstruktur einen Block aufweist, welcher eine konkave Ausnehmung zum Aufnehmen eines, in einer zusammenpassenden Beziehung, komplementär konvexen Abschnitts der Einfassung aufweist, welcher sich über den Einsatz erstreckt.
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Der Block kann ein Blattlager einer Nabe einer Wind- oder Gezeitenturbine umfassen, oder der Block kann angepasst sein, an einem Blattlager einer Nabe einer Wind- oder Gezeitenturbine befestigt zu werden.
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Vorzugsweise ist der Stützabschnitt eine Wurzel eines Wind- oder Gezeitenturbinenblatts. Alternativ ist der Stützabschnitt ein Endabschnitt eines Segments eines Wind- oder Gezeitenturbinenblatts.
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Das Turbinenblatt kann ferner einen Kragen aufweisen, welcher an wenigstens einen Bolzen montiert ist, um zwei entgegengesetzte Bolzenenden mit gegenläufigem Gewinde bereitzustellen, welche sich von dem Kragen wegerstrecken, wobei jeder Bolzen angepasst ist, in einer jeweiligen Bohrung aufgenommen zu werden.
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Vorzugsweise sind entgegengesetzte Lagerflächen des Kragens je angepasst, eine jeweilige Lageroberfläche eines Einsatzes in Eingriff zu bringen.
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Der Einsatz kann eine Bohrung beinhalten zum Aufnehmen eines jeweiligen Bolzens, und der Bolzen kann geschraubt in der Bohrung aufgenommen sein oder in dem Einsatz gefangen sein. Alternativ kann der Bolzen integral mit dem Einsatz sein.
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Vorzugsweise beinhaltet die Einfassung ein Loch für einen Durchtritt eines jeweiligen Bolzens dort hindurch, welcher sich von dem Einsatz wegerstreckt.
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Vorzugsweise umfasst der Stützabschnitt ein faserverstärktes Verbundmaterial, optional beinhaltend einen zentralen Kern.
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Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Befestigungsanordnung zum Anbringen eines Elements, wie zum Beispiel eines Wind- oder Gezeitenturbinenblatts, an einer weiteren Struktur bereit, wobei die Befestigungsanordnung aufweist: einen Einsatz, welcher angepasst ist, einen Bolzen zu befestigen zum Anbringen der Befestigungsanordnung an einer weiteren Struktur; und eine Einfassung, welche eine Schicht aufweist, welche sich über eine vordere Fläche des Einsatzes erstreckt, und wobei die Schicht den Durchtritt eines Bolzens dort hindurch hin zu oder weg von dem Einsatz ermöglicht, wobei die Einfassung einen zentralen Abschnitt aufweist, welcher den Einsatz und entgegengesetzte Beine bedeckt, wobei die entgegengesetzten Beine der Einfassung Enden aufweisen, welche miteinander verbunden sind, und eine Kavität innerhalb der Einfassung den Einsatz umfasst.
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In besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Befestigungsanordnung angepasst, ein Wind- oder Gezeitenturbinenblatt an einer weiteren Struktur anzubringen, wie zum Beispiel einem Blattlager oder einer Nabe. Jedoch ist, bei alternativen Ausführungsformen, die Befestigungsanordnung angepasst, ein weiteres Element zu befestigen, wie zum Beispiel ein anderes Energie erzeugendes Element, zum Beispiel ein hin- und hergehendes Element oder Blatt einer Gezeitenenergievorrichtung, an einer weiteren Struktur. Die Befestigungsanordnung kann, in noch weiteren Ausführungsformen, verwendet werden, um verschiedene Komponenten einer kombinierten Struktur miteinander zu verbinden, zum Beispiel Segmente einer Brücke.
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Optional ist die Befestigungsanordnung angeschrägt und von abnehmender Querschnittsdicke sich von dem Einsatz wegerstreckend, um eine spitzwinklig geneigte äußere Oberfläche zum Binden an einen sich verjüngenden Abschnitt einer Wurzel des Wind- oder Gezeitenturbinenblatts zu definieren.
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Die Befestigungsanordnung kann ferner ein Kernelement aufweisen, welches entgegengesetzte Oberflächen hat, welche sich von einem freien Ende wegerstrecken, wobei der Einsatz eine rückwärtige Fläche hat, welche zu dem freien Ende hin zeigt, und wobei die Beine des Montageelements an den entgegengesetzten Oberflächen des Kernelements an entgegengesetzten Seiten des Einsatzes gebunden sind.
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Optional umfasst die Einfassung zwei Einfassungsabschnitte, einen ersten Einfassungsabschnitt, welcher einen ersten gekrümmten Teil aufweist, welcher den Einsatz bedeckt und ein erstes Bein, und einen zweiten Einfassungsabschnitt, welcher einen zweiten gekrümmten Teil aufweist, welcher an den ersten gekrümmten Teil und ein zweites Bein gebunden ist.
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Bevorzugt umfasst die Einfassung ein faserverstärktes Verbundmaterial.
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Vorzugsweise haben die entgegengesetzten Beine je einen Endteil sich verjüngenden Querschnitts, wobei die Beindicke hin zu einem freien Ende des jeweiligen Beines abnimmt.
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Bei einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System zum Anschließen der Wurzel eines Wind- oder Gezeitenturbinenblatts an Bolzen, welche sich von dem Blattlager der Nabe wegerstrecken. Bei einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System, um jegliche Bolzenverbindung zwischen hochbelasteten Teilen von Wind- oder Gezeitenblättern, welche unter Nutzung von Verbundmaterialien gebaut sind (inbegreifend Fasern wie zum Beispiel Glas- oder Karbonfasern, welche in jegliches Matrixmaterial eingebettet sind, wie zum Beispiel ein wärmehärtendes Harz).
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Die bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können eine alternative Art bereitstellen, einen Metalleinsatz mit Gewinde in die Blattwurzel einzubeziehen, welcher leichter ist als die bekannten T-Bolzensysteme oder die geklebten Stiftsysteme aber einfacher zu laminieren als das Einlaminierte-Bolzen-System, wie oben beschrieben.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun, nur beispielhaft, mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 bis 3 jeweilige verschiedene bekannte Windturbinenblatt-Wurzelbefestigungsanordnungen zeigen;
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4 ein schematischer Querschnitt durch eine Windturbinenblatt-Wurzelbefestigungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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5 eine schematische perspektivische Ansicht des Einsatzes der Windturbinenblatt-Wurzelbefestigungsanordnung gemäß 4 ist;
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6 eine schematische perspektivische Ansicht einer Bügelform der Windturbinenblatt-Wurzelbefestigungsanordnung gemäß 4 ist;
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7 schematisch eine Modifizierung der Ränder des Einsatzes von 5 zeigt;
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8 einen schematischen Querschnitt durch eine Windturbinenblatt-Wurzelbefestigungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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9 einen schematischen Querschnitt durch eine Windturbinenblatt-Wurzelbefestigungsanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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10 einen schematischen Querschnitt durch eine Windturbinenblatt-Wurzelbefestigungsanordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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11 einen schematischen Querschnitt durch eine Windturbinenblatt-Wurzelbefestigungsanordnung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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12 einen schematischen Querschnitt durch eine Windturbinenblatt-Wurzelbefestigungsanordnung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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13 einen schematischen Querschnitt durch eine Windturbinenblatt-Wurzelbefestigungsanordnung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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14 einen schematischen Querschnitt durch eine Windturbinenblatt-Wurzelbefestigungsanordnung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Befestigungsanordnung an einer Nabe angebracht ist;
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15 einen schematischen Querschnitt durch eine Windturbinenblatt-Wurzelbefestigungsanordnung gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Befestigungsanordnung an einer Nabe angebracht ist;
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16 einen schematischen Querschnitt durch eine Windturbinenblatt-Wurzelbefestigungsanordnung gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Befestigungsanordnung an einer Nabe angebracht ist;
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17 einen schematischen Querschnitt durch eine Windturbinenblatt-Wurzelbefestigungsanordnung gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Befestigungsanordnung an einer Nabe angebracht ist;
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18 einen schematischen Querschnitt durch eine Befestigungsanordnung zur Zusammenfügung zweier Abschnitte eines Windturbinenblattes gemäß einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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19 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Anschlussstücks in einem Abschnitt des Windturbinenblattes in der Ausführungsform gemäß 18 zeigt; und
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20 einen schematischen Querschnitt durch eine Befestigungsanordnung zur Zusammenfügung zweier Abschnitte eines Windturbinenblattes gemäß einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Obwohl die veranschaulichten Ausführungsformen Windturbinenblätter betreffen, wird es einem Fachmann offensichtlich sein, wie die vorliegende Erfindung zu adaptieren ist, um Gezeitenturbinenblatt-Ausführungsformen herzustellen.
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Mit Bezug auf die 4 bis 6 wird eine Windturbinenblatt-Wurzelbefestigungsanordnung (wind turbine blade root attachment) 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Wurzel 4 des Windturbinenblatts 6 ist aus einem Laminat 8 aus einem faserverstärkten Verbundmaterial zusammengesetzt, optional mit einem Kernmaterial darin, wobei eine ringförmige, typischsterweise zylindrisch ringförmige, Wurzelstruktur gebildet wird zur Anbringung bzw. Befestigung an der Nabe (nicht gezeigt) durch die Wurzelbefestigungsanordnung 2. Die Wurzelbefestigungsanordnung 2 umfasst wenigstens eine Bolzenhalterung, welche einen Einsatz 10 aufweist, detaillierter in 5 gezeigt, welcher eine in rückwärtiger Richtung gerichtete Fläche 12 aufweist, welche mit einer Endfläche 14 der ringförmigen Wurzel 4 zusammenpasst. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist die nach hinten gerichtete Fläche 12 planar und die Endfläche 14 ist korrespondierend planar.
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In die Endfläche 14 sind keine Löcher gebohrt. Das Fertigstellen des Blattes mit einer flachen Oberfläche, welche aus der Endfläche 14 besteht, ist eine relativ einfache Maschinenoperation im Vergleich zu dem Bohren von bis zu 100 Löchern akkurat darin, wie bei einigen bekannten Systemen wie vorstehend beschrieben. Die Blattwurzel kann das Ende der Blatthülle umfassen, das Ende des Holmes, einen separat geformten Wurzeleinsatz oder eine Kombination dieser drei Elemente. Wie im Fachgebiet bekannt ist, sollten die inneren und äußeren Oberflächen der zylindrischen Wurzel akkurat zylindrisch und konzentrisch sein, das heißt die Dicke der Wurzel muss sorgfältig kontrolliert werden. Das kann erreicht werden durch Gestalten der inneren und äußeren Oberflächen als geformte Oberflächen oder durch maschinelle Bearbeitung nach dem Entformen.
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Bei dieser Ausführungsform hat der Einsatz 10 eine konvex gekrümmte vordere Fläche 16, welche typischerweise im Wesentlichen halbkreisförmig ist. Von der vorderen Fläche 16 erstreckt sich ein Hals 18 weg, welcher eine Gewindebohrung 20 darin aufweist, wobei die Achse der Bohrung 20 parallel zu der Achse der Wurzel 4 ist. Der Hals 18 erstreckt sich weg von der vorderen Fläche 16 des Einsatzes 10, um dadurch eine Bohrungslänge bereitzustellen, welche größer ist als die Dicke des Hauptkörpers 22 des Einsatzes 10. Die Bohrung 20 kann als ein Blindloch gebildet sein, wie veranschaulicht, oder sich alternativ durch die gesamte Dicke des Hauptkörpers 22 sowie die Länge des Halses 18 erstrecken.
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Der Einsatz 10 besteht typischerweise aus einem widerstandsfähigen Metall, wie zum Beispiel Stahl oder Bronze. Die Endfläche des Halses 18 leistet zusätzlich, dass die Wurzelbefestigungsanordnung sicher gegen das Blattlager der Nabe aufsitzen kann, um ein sicheres Fitting, welches in der Lage ist, hohe Druck- und Zuglasten zu übertragen, zwischen dem Blattlager und der Blattwurzel 4 bereitzustellen. Das bedeutet auch, dass der Abstand zwischen der Fläche des Blattwurzellaminats und dem Blattlager akkurat gesteuert wird ohne auf eine Kontrolle der Laminatdicke zu vertrauen.
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Eine im Wesentlichen U-profilierte Verlaschungs- bzw. Bügelform (strap moulding) 24, welche detaillierter in 6 gezeigt ist, sichert den Einsatz 10 an die Wurzel 4. Die Bügelform 24 umfasst eine Form faserverstärkten Verbundmaterials. Die Bügelform 24 hat entgegengesetzte Beine 26, 28, welche sich von einem zentralen gekrümmten Teil 30 wegerstrecken, welcher einen zentralen Kanal 31 definiert, welcher geformt und dimensioniert ist, um gegen den Einsatz 10 und die Wurzel 4 montiert zu werden/zu passen (fit). Der zentrale gekrümmte Teil 30 ist an die vordere Fläche 16 des Einsatzes 10 angepasst bzw. über die vordere Fläche 16 des Einsatzes 10 montiert (und optional gebunden bzw. geklebt (bonded)), und die entgegengesetzten Beine 26, 28 sind an die jeweiligen äußeren und inneren Umfangsoberflächen 32, 34 der Wurzel 4 angepasst/montiert und gebunden. Die Bügelform 24 ist mit einem Loch 36 in dem zentralen Teil 30 ausgestattet, durch welches sich der Hals 18 erstreckt. Entsprechend kann ein Wurzelstift (oder Wurzelbolzen) 38, welcher sich von der Nabe (nicht gezeigt) wegerstreckt, in der Gewindebohrung 20 des Halses 18 über einen Durchtritt durch das Loch 36 der Bügelform 34 gewindegesichert sein.
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Die Bügelform 24 ist im Wesentlichen ringförmig, um so die ringförmige Wurzel 4 zu umgeben. Die Bügelform 24 beinhaltet eine Mehrzahl von Löchern 36, welche je über einen jeweiligen Hals 18 passen. Eine Mehrzahl der Einsätze 10 ist in einer ringförmigen Anordnung um den Umfang der Wurzel 4 herum angebracht bzw. angepasst, um eine Befestigungsanordnung für eine ringförmige Anordnung von Wurzelstiften oder -bolzen 38 zwischen der Nabe (nicht gezeigt) und der Wurzel 4 bereitzustellen.
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Während der Herstellung werden der eine oder die mehreren gewindeversehenen Einsätze 10 gegen die Endfläche 14 des Blattes in einer Position angeordnet, um die Bohrung 20 mit einem jeweiligen Bolzen 38 auszurichten. Die Einsätze 10 werden unter Verwendung einer Einspannvorrichtung zeitweilig in Position gehalten. Dann wird die U-Profil-Verbundkanalform 24 über die Einsätze 10 montiert, wobei sich die Hälse 18 durch die Löcher 36 erstrecken, und auf die Blattwurzel 4 gebunden. Die Form 24 kann an einer separaten Form laminiert und gehärtet werden.
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Die einwärts zeigenden Oberflächen 44, 46 der Beine 26, 28 der Bügelform 24 werden an die jeweiligen äußeren und inneren Umfangsoberflächen 32, 34 der Wurzel 4 entweder durch eine zusätzliche Klebeschicht 48 gebunden oder durch Binden daran durch die Harzmatrix des faserverstärkten Verbundmaterials der Bügelform 24. Die Bügelform 24 umfasst ein Laminat eines faserverstärkten Verbundmaterials, welches offline geformt werden und dann über die Blattwurzel 4 montiert werden kann oder alternativ in situ über die Anordnung des Einsatzes/der Einsätze 10 an der Blattwurzel 4 laminiert werden. Typischerweise umfasst die Bügelform 24 ein Laminatmaterial, welches eine Mischung aus triaxial orientierten und unidirektional faserverstärkten Verbundmaterialien oder eine Mischung von biaxial orientierten und unidirektional faserverstärkten Verbundmaterialien ist.
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Der Einsatz 10 kann, wie in 5 veranschaulicht ist, nur einen einzigen Hals 18 zur Einpassung bzw. Montage eines einzigen Wurzelstifts oder -bolzens 38 in eine jeweilige Gewindebohrung 20 haben. Alternativ kann der Einsatz 10 zumindest teilweise bogenförmig sein und eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Hälsen 18 aufweisen, welche je eine jeweilige Gewindebohrung 20 zum Einpassen einer Mehrzahl von Wurzelstiften oder -bolzen 38 haben.
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Bei einer modifizierten Ausführungsform ist ein einziger ringförmiger Einsatz 10 zusammen mit einer einzigen ringförmigen Bügelform 24 bereitgestellt, wobei der einzige ringförmige Einsatz 10 mit einer Mehrzahl von Gewindebohrungen 20 bereitgestellt ist, zum Aufnehmen einer korrespondierenden Vielzahl von Wurzelstiften oder -bolzen 38 zur Befestigung an der Nabe.
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Wenn eine Mehrzahl von Einsätzen 10 bereitgestellt ist, können die Einsätze 10 ringförmig um die Wurzel 4 in einer voneinander beabstandeten Konfiguration angeordnet sein. Alternativ können die Einsätze 10 aneinander aufsitzen, und wenn aneinander aufsitzend, wie in 7 gezeigt, können benachbarte Einsätze 10 optional mit komplementär geformten ineinandergreifenden Oberflächen ausgestattet sein, zum Beispiel einer Steck-Hundeknochen 40-/korrespondierenden Buchsen-Kavitäts 42 -struktur. Die Bereitstellung einer Mehrzahl von Einsätzen 10 ist einfacher herzustellen als ein einziger ringförmiger Einsatz 10.
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Bei der Ausführungsform der 4 bis 6 ist die nach hinten gerichtete Fläche 12 des Einsatzes planar. Jedoch kann die nach hinten gerichtete Fläche eine profilierte Oberfläche haben, welche komplementär adaptiert ist, um mit einer Endfläche des Blattlaminats zusammenzupassen.
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Zum Beispiel, wie in 8 gezeigt, kann die nach hinten gerichtete Fläche 50 des Einsatzes 51 und die Endfläche 52 der Wurzel 53 eine abgestufte Konfiguration 54 haben. Dies liefert eine ineinandergreifende Beziehung zwischen dem Einsatz 62 und der Wurzel 58, welche die mechanische Festigkeit der Verbindung dazwischen verbessert. Der zentrale Teil 56 der Wurzel 58 kann mit einem keilförmigen Kern 60 bereitgestellt sein, zum Beispiel einem Zellschaum, welcher sich im Querschnitt von der Endfläche 52 weg verjüngt. Der Kern 60 kann örtlich das Ende 55 der Wurzel 53 verdicken, um eine vergrößerte Endoberfläche 57 zur Montage des Einsatzes 51 bereitzustellen, ohne signifikantes Zusatzgewicht hinzuzufügen.
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Bei einer anderen in 9 gezeigten Modifizierung kann die nach hinten gerichtete Fläche 64 des Einsatzes 65 konkav sein und die Endfläche 66 der Wurzel 68 kann korrespondierend konvex sein, um eine zusammenpassende Beziehung dazwischen zu bilden. Die konkave Fläche 64 kann, bei Verwendung, Kräfte in der Dickenrichtung der Wurzel 68 ausüben, um Delaminierung der faserverstärkten Verbundschichten in der Wurzel 68 zu vermeiden oder zu verhindern.
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Bei der Ausführungsform von 10 umfasst die vordere Fläche 70 des Einsatzes 71 innere und äußere zylindrische ringförmige Seitenflächen 72, 74, welche an eine planare Zentralfläche 76 angeschlossen sind, von welcher sich der Hals 78 erstreckt, durch jeweilige gekrümmte Oberflächen 80, 82.
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Mit Bezug auf 11 kann bei einer weiteren Ausführungsform die äußere und/oder innere Umfangsoberfläche 84, 86 der Wurzel 88 des Blattes 89 mit einer Verjüngung sich verringernder Wurzeldicke in einer Richtung hin zu der Endfläche 90 bereitgestellt werden, wobei der Verjüngungswinkel α typischerweise ein Winkel von ungefähr 2 bis 3 Grad ist. Das kann dabei assistieren, die vorgeformte U-Profil-Form 92 über den Einsatz 91 und die Wurzel 88 zu montieren, welche eine korrespondierend geformte, sich nach außen aufweitende Konfiguration hat, durch progressives Schieben der Form 92 über die außen angeschrägten Wurzeloberflächen 84, 86.
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Mit Bezug auf 12 umfasst bei einer weiteren Ausführungsform die U-Profil-Form 94 ein Paar von ineinandergreifenden J-Profil-Formen 96, 98. Jede J-Profil-Form 96, 98 umfasst ein gekrümmtes Ende 100, 102 und ein Rein 104, 106. Eine erste J-Profil-Form 96 ist über den Einsatz 108 montiert und die äußere Umfangsoberfläche 110 der Wurzel 112, und daran wie oben beschrieben gebunden, und dann wird eine zweite J-Profil-Form 98 über das gekrümmte Ende 100 der ersten J-Profil-Form 96 montiert und die innere Umfangsoberfläche 114 der Wurzel 112. Diese Ausführungsform stellt eine Mehr-Komponenten-U-Profil-Bügelform bereit, welche einfacher herzustellen und zu montieren sein könnte als eine Ein-Komponenten-U-Profil-Form.
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Mit Bezug auf 13 umfasst bei noch einer weiteren Ausführungsform die Wurzel 116 einen Holm 118, welcher aus faserverstärktem Verbundmaterial besteht, von konstantem Querschnitt, welcher mit einem Paar sich verjüngender Lagerplatten 120, 122, welche aus faserverstärktem Verbundmaterial bestehen, an den jeweiligen äußeren und inneren Umfangsoberflächen 124, 126 der Wurzel 118 montiert ist, und daran durch Klebstoff oder durch die Harzmatrix des faserverstärkten Verbundmaterials gebunden ist. Optional können die Lagerplatten integral mit der U-Profil-Form 138 sein. Die Endfläche 130 der Wurzel 116 umfasst die Endflächen des Holmes 118 und der Lagerplatte 120, 122, und kann eine abgestufte Konfiguration durch den Holm 118 haben, welcher sich nach außen weiter als die Lagerplatten 120, 122 erstreckt. Die Einsätze 132 sind an die Endfläche 130 montiert und haben eine nach hinten gerichtete Fläche 134 mit einer abgestuften Konfiguration, welche geformt ist, um mit der Endfläche 130 zu verriegeln. Eine vordere Fläche 136 der Einsätze 132 ist durch die U-Profil-Form 138 bedeckt, wobei Löcher 140 in der U-Profil-Form 138 mit jeweiligen Gewindebohrungen 142 in den Einsätzen 132 zum Aufnehmen eines jeweiligen Bolzens oder Stifts 144 ausgerichtet sind.
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Die Beine 146, 148 der U-Profil-Form 138 haben sich progressiv verringernde Verjüngungsdicke in einer Richtung weg von dem zentralen gekrümmten Teil 150, welcher die Einsätze 132 bedeckt. Solch ein Verjüngen der Beindicke, entlang des gesamten oder eines Endteils des Beines, kann bei jeglicher oder allen der anderen Ausführungsformen bereitgestellt sein.
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Bei dieser Ausführungsform können die Abmessungen wie folgt sein: die Länge I des Einsatzes kann ungefähr 100 mm und die Länge L des Holmes 118, welcher durch die U-Profil-Form 138 bedeckt ist, kann ungefähr 630 mm betragen. Dies liefert eine kompakte Bolzenmontagestruktur verglichen mit bekannten wie oben beschriebenen Systemen.
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14 bis 17 veranschaulichen Ausführungsformen des Wurzelbefestigungssystems, bei welchen die Wurzelbefestigungsanordnung und das Blattlager konfiguriert sind, um mit komplementären konvexen/konkaven Oberflächen zusammen zu passen, um so dafür zu sorgen, dass die U-Profil-Bügelform, bei Verwendung, sowohl Zug- als auch Druckkräfte übertragen kann, welche darauf ausgeübt werden, wenn das Windturbinenblatt während des Betriebs der Windturbine rotiert.
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Zunächst mit Bezug auf 14, ist, wie bei der Ausführungsform gemäß 11, der Einsatz 160 nicht mit einem Hals ausgestattet, sondern hat eine sanft konvex gekrümmte vordere Oberfläche 162, welche vollständig durch die U-Profil-Bügelform 164 bedeckt ist. Der zentrale gekrümmte Abschnitt 166 der Form 164 ist hierzu sanft konvex gekrümmt und liefert einen sanft konvex gekrümmten Vorsprung 167 an dem Ende der Wurzel, welcher mit einer komplementär geformten, ringförmigen konkaven Nut 168 in dem Blattlager 170 übergangsangepasst ist. Diese Nut 168 bildet eine Ausnehmung in dem Blattlager 170 zur übergangsangepassten Aufnahme des ringförmigen freien Endes der Wurzel in einer lasttragenden Beziehung. Die Nut 168 kann maschinell in das Blattlager 170 gearbeitet sein.
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Ein Stift oder Bolzen 172 ist in die Gewindebohrung 174 des Einsatzes 160 schraubmontiert, um das Windturbinenblatt 176 auf dem Blattlager 170 sicher zu verbolzen.
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Bei dieser Ausführungsform ist zusätzlich die Wurzelstruktur modifiziert. Die Wurzel 178 umfasst einen zentralen Kern 180, zum Beispiel aus Zellschaum oder laminiertem, faserverstärkten Verbundmaterial, welcher zwischen zwei äußeren Schichten 182, 184 aus faserverstärktem Verbundmaterial in einer Sandwichanordnung angeordnet ist. Die freien Enden der Schichten 182, 184 sind angeschrägt und passen mit korrespondierend angeschrägten Enden 186, 188 der Form 164 zusammen. Dies schafft, durch die Kombination der Schichten 182, 184 und die Form 164 eine äußerste Schicht im Wesentlichen konstanter Dicke aus Verbundmaterial für die Wurzel 178, welche den Einsatz 160 und den Kern 180 einschließt, wobei der Einsatz 160 und der Kern 180 im Wesentlichen dieselbe Dicke in der radialen Richtung aufweisen. Diese Struktur stellt ein dünneres Laminat an der Wurzel 178 bereit, welches eine leichtgewichtigere Struktur liefert.
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Die Stresskonzentration an dem Ende des blattförmigen Laminats ist reduziert, weil das Blattlaminat an dieser Position dünner sein kann, da das Blattlaminat keine Last in Anlage in die flache Endfläche 182 des Einsatzes 160 übertragen muss. Die U-Profil-Form 164 ist in der Lage, eine Drucklast zu übertragen, weil deren Ende extern durch das übergangsangepasste Blattlager 170 und intern durch den Einsatz 160 abgestützt ist. Das verhindert, dass sich die U-Profil-Form 164 um das gekrümmte Ende davon biegt oder knickt. Das Bereitstellen einer Ausnehmung 168 in dem Blattlager 170 spart auch Gewicht in dem Blattlager 170.
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Eine modifizierte Ausführungsform ist in 15 veranschaulicht, bei welcher, anstelle der Bereitstellung der Ausnehmung in dem Blattlager selbst, eine zusätzliche Montagekomponente 190, welche eine genutete Ausnehmung 192 enthält, an das Blattlager 194 angebracht ist.
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Bei einer ferner modifizierten Ausführungsform, welche in 16 gezeigt ist, ist der Einsatz 196 mit einem zylindrischen Querschnitt bereitgestellt, und hat dabei eine gekrümmte Endfläche 198 anstelle einer im Wesentlichen planaren Endfläche wie bei den Ausführungsformen der 14 und 15.
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Bei einer weiter modifizierten Ausführungsform, welche in 17 veranschaulicht ist, sind die freien Enden 200, 201 der Beine 202, 204 der U-Profil-Form 206 nicht separiert, sondern zusammengebracht und aneinander gebunden, um somit den Einsatz 208 und einen angeschrägten Kern 210 zu umschließen. Die derart gebildete Form 206 ist in der Struktur asymmetrisch, wobei sie eine Außenfläche 212 aufweist, welche im Wesentlichen mit der Längsrichtung der Achse des Blattes 214 ausgerichtet ist und eine entgegengesetzte Außenfläche 216, welche dazu spitzwinklig geneigt ist, um eine sich verjüngende Struktur 207 für das Ende der Form 206 entfernt von dem Blattlager 218 zu schaffen, welche an ein sich komplementär verjüngendes, zusammenpassendes Ende 219 des Blattes oder Holmes montiert ist. Jedoch kann bei anderen Ausführungsformen eine symmetrische Struktur bereitgestellt werden, wobei beide Außenflächen spitzwinklig zu der Längsrichtung der Achse des Blattes geneigt sind und an einen komplementär sich verjüngenden zusammenpassenden Abschnitt des Endes des Blattes oder Holmes angepasst bzw. montiert sind. Dies liefert wiederum eine Struktur, welche eine Wurzelstruktur reduzierter Dicke und dementsprechend ein Blatt leichteren Gewichts bereitstellen kann.
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Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ferner modifiziert werden durch das Weglassen des Kerns – die zwei Beine der Einfassung werden an ihren freien Enden zusammengebunden um eine Kavität zu umschließen, welche den Einsatz/die Einsätze enthält.
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Die hauptsächliche Anwendung der Befestigungsanordnung der vorliegenden Erfindung ist für Wind- oder Gezeitenturbinenblatt-Wurzelbefestigungen. Jedoch werden einige Windturbinenblätter zur leichteren Handhabung und Transport in kürzeren Stücken gefertigt, und dann vor Ort vor oder während der Errichtung der Turbine zusammengefügt. In diesem Fall ist eine weitere Anwendung der Erfindung, die Segmente eines Wind-, oder Gezeitenturbinenblatts zusammenzufügen.
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Entsprechend zeigen 18 bis 20 Ausführungsformen zum Zusammenfügen von Segmenten eines Windturbinenblattes, anstelle des Befestigens einer Wurzel eines Windturbinenblattes an einem Blattlager.
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Mit Bezug auf 18 ist jedes von zwei Windturbinensegmenten 220, 222, welche mit einer Befestigungsanordnung 224 aneinander gefügt werden sollen, mit einer, wie bei der Ausführungsform gemäß 4, ringförmigen U-Profil-Form 226, 228, welche an ein Ende 230, 232 eines Holmes oder Laminats gebunden Ist, bereitgestellt. Die Form 226, 228 sichert einen jeweiligen Einsatz 234, 236, insbesondere eine jeweilige Mehrzahl von Einsätzen, welche in einer ringförmigen Weise angeordnet sind, an das Ende des Holmes oder Laminats des jeweiligen Windturbinensegments 220, 222. Die Einsätze 234, 236 liefern eine ringförmige Anordnung von Gewindebohrungen 238, 240, welche sich durch einen Hals 242, 244 des jeweiligen Einsatzes 234, 236 und in einen Hauptkörper des Einsatzes 234, 236 erstrecken. Die Hälse 242, 244 sind einander zugewandt und sind an entgegengesetzten Seiten eines rotierbaren Kragens 246 bereitgestellt. Der Kragen 246 hat einen Bolzen 248 oder ein Paar von entgegengesetzt gerichteten Bolzen 248 daran montiert, wobei die entgegengesetzten Bolzenenden 250, 251 gegenläufig mit Gewinde versehen sind, i. e. mit einem Rechtsgewinde an einem Ende und einem Linksgewinde an dem anderen.
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Ein entfernbarer Griff 252 kann zeitweise mit dem Kragen 246 verbunden sein und Rotation des Griffs 252 verursacht Rotation des Kragens 246 und korrespondierende Rotation des/der Bolzen 248, was die zwei Einsätze 234, 236 zusammenzieht, um die Einsätze 234, 236 sicher an dem Kragen 246 mit Bolzen zu verbinden. Nach Entfernen des Griffs 252 können all die verbleibenden Bolzen korrespondierend angezogen werden, um eine sichere Mehrfachbolzen-Verschraubung zwischen den zwei Segmenten 220, 222 des Windturbinenblattes bereitzustellen.
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Wie in 19 gezeigt, kann die U-Profil-Form 226, 228 an einem ringförmigen Ende, welches nicht kreisförmig sein muss, eines Holmes 254 bereitgestellt sein, welcher durch die Außenhaut des 256 eines Windturbinenblatts verdeckt ist. Solch eine Implementierung erfordert nicht notwendigerweise, dass die Anordnung von Bolzen kreisförmig ist; vielmehr kann das Bolzenmuster angeordnet sein, für den Querschnitt des Blattholmes an diesem Punkt zu passen.
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Mit Bezug auf 20, auf eine Weise ähnlich den Ausführungsformen der 14 bis 17, wird eine Anordnung bereitgestellt, um zu leisten, dass die U-Profil-Bügelform sowohl Zug- als auch Drucklasten übertragen kann, wenn zwei Segmente eines Windturbinenblattes zusammengefügt werden. Bei dieser Ausführungsform, welche ähnlich der Struktur von 14 ist, ist das konvexe Ende 258 der U-Profil-Form 260 eines jeden jeweiligen Segments 262, 264 eines Windturbinenblattes in einem jeweiligen Stützkörper 266, 268 aufgenommen, welcher eine komplementär geformte, ringförmige, konkav genutete Ausnehmung 270, 272 aufweist. Die zwei Stützkörper 266, 268, einer für jedes Windturbinenblattsegment 262, 264, sind durch einen rotierbaren Kragen 272 separiert, welcher dazwischen angeordnet ist, und lagern einen Bolzen 270, welcher an die entgegengesetzten Einsätze 274, 276 schraubmontiert ist. Rotation des Kragens 272 in der hier vorstehend beschriebenen Weise mit Bezug auf die Ausführungsform gemäß 18, verursacht Rotation des Bolzens 270 und verbolzt die zwei Windturbinenblattsegmente 262, 264 sicher miteinander.
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Verschiedene Modifizierungen können an den veranschaulichten Ausführungsformen gemacht werden, wie unten zusammengefasst.
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Bei all den veranschaulichten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhaltet der Einsatz eine Bohrung, in welcher ein Gewindebolzen oder -stift aufgenommen werden kann. Jedoch kann, in jeglichen der Ausführungsformen, einschließlich der veranschaulichten Ausführungsformen, eine alternative Bolzen/Stift-Struktur vorgesehen werden, bei welcher der Bolzen oder Stift an dem Einsatz mittels anderer Mittel als einem Gewinde angebracht werden kann, zum Beispiel kann der Bolzen oder Stift mit einem ”Kopf” gebildet sein, welcher durch den Einsatz gefangen oder anderweitig gesichert wird, der Bolzen oder Stift kann an den Einsatz geschweißt sein, oder der Bolzen oder Stift kann sogar als Teil des Einsatzes oder integral mit dem Einsatz gebildet sein, zum Beispiel durch Schmieden.
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Die Einsatzrückfläche kann an der Endfläche des Stützabschnitts wie in den veranschaulichten Ausführungsformen gezeigt anliegen, oder davon beabstandet sein, wenn die U-Profil-Bügel-Einfassung angepasst ist, Drucklasten zu übertragen, insbesondere für die Ausführungsformen der 14 bis 17, welche den Stützblock mit der laststützenden Nut verwenden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthalten die Metalleinsätze einen Hals, welcher durch die Löcher in der U-Profil-Form heraus ragt, den Teil des Einsatzes, welcher den Bolzen oder Stift, sichert, verlängernd, welcher optional mit einem Gewinde versehen ist und eine flache, maschinell bearbeitete Fläche bereitstellt, um gegen die Spannvorrichtung und schließlich das Windturbinenlager aufzusitzen. Jedoch können solche Hälse bei einigen Ausführungsformen (siehe 11 bis 13 zum Beispiel) weggelassen werden.
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Ein Zwischenraum-Füller oder Klebstoff kann zwischen den Metalleinsätzen und der Blattwurzel und/oder der U-Profil-Bügelform verwendet werden. Das kann derselbe Klebstoff sein, welcher verwendet wird, um die U-Profil-Bügelform an die Blattwurzel zu kleben bzw. zu binden.
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Die U-Profil-Bügelform kann in situ über die Einsätze und Blattwurzel laminiert werden, um die Verwendung einer separaten Form zu vermeiden und um eine blinde Klebebindung (mit Potenzial für Lücken und Hohlraumbildung) zwischen der U-Profil-Bügelform und der Wurzel zu vermeiden.
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Die Metalleinsätze können durch einen Verzahnmechanismus miteinander gekoppelt sein, zum Beispiel hundeknochenförmige Metalleinsätze, oder mit gleichen Formen integral an dem Hauptkörper des Einsatzes gebildet sein, oder die Metalleinsätze könnten aus einem kontinuierlichen Streifen gefertigt sein, so dass ein Metalleinsatz für eine Mehrzahl oder sogar alle der Bolzen angebohrt wird.
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Die U-Profil-Bügelform kann ein kontinuierliches Teil für den gesamten Umfang der Wurzel sein oder sie kann in mehreren kürzeren Segmenten hergestellt sein. In dem extremen Fall kann es ein Segment pro Bolzen geben. Die Segmente können an ihren Enden verjüngt sein, um unter Bildung eines Schrägstoßes an jeder Schnittfläche zu überlappen.
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Die U-Profil-Bügelform kann in Segmenten hergestellt werden, welche zwischen den Bolzen oder Hälsen verlaufen, müssen folglich keine Löcher im Wege der Bolzen oder Hälse haben. Das reduziert potentiell die Herstellzeit und die Materialverwendung und die Stresskonzentration an den Löchern.
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Die U-Profil-Bügelform kann in zwei Stücken hergestellt werden, welche in dem gekrümmten Endabschnitt überlappen, wie bei der Ausführungsform gemäß 12.
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Zur Erleichterung der Montage kann, wie in 11 gezeigt, eine leichte Aufweitung zu der U-Profil-Bügelform hinzugefügt werden, mit einer korrespondierenden Verjüngung der äußeren Oberfläche der Wurzel, um eine konsistente Klebebindung zu ermöglichen während der U-Kanal am Ort gebunden wird. Der U-Kanal kann an einer Steck- oder Hohlform vorgefertigt sein, und die beschriebene Aufweitung sorgt für leichtes Entformen.
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Die Löcher in den Einsätzen können blind endend oder offen endend sein.
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Das Blattlaminat kann örtlich verdickt sein durch das Hinzufügen eines Schaumkeils (siehe 8, zum Beispiel) oder durch das Hinterlassen eines Hohlraumes, welcher mit einem Füller niedriger Dichte gefüllt werden kann. Das vermeidet das Hinzufügen von Zusatzgewicht, falls zusätzliche Dicke erforderlich ist, um genug Tiefe bereitzustellen, um zu den Metalleinsätzen zu passen.
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Die Metalleinsätze können konkav sein oder Nuten einbeziehen (siehe 8 und 9, zum Beispiel), um Delaminierung der Wurzel unter Drucklast zu verhindern. Alternativ können sie konvex sein an der Ecke zwischen der U-Kanal-Bügelform und der Blattwurzel, um Stresskonzentrationen in dem faserverstärkten Verbundmaterial zu reduzieren.
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Für das faserverstärkte Verbundmaterial der U-Profil-Bügelform, und für die Wurzel, können die Fasern überwiegend in der Längsrichtung des Blattes orientiert sein, mit einem Teil in anderen Richtungen, um zu helfen, die Last zu verteilen.
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Die Struktur der Befestigungsanordnung der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellt eine Anzahl von technischen Wirkungen und Vorteilen bereit.
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Mit den Bolzen unter Spannung wird das faserverstärkte Verbundmaterial, welches für die U-Kanal-Form verwendet wird, hauptsächlich in Spannung in den Fasern belastet, die effizienteste Belastungsmethode für Verbundmaterialien. Mit den Bolzen unter Kompression wird die Last direkt in Kompression in den Blattfasern übertragen. Die Harzmatrix des faserverstärkten Verbundmaterials ist weiter nicht belastet als durch das Transferieren der Last von dem U-Kanal zu der Wurzel durch interlaminare Scherung, welche innerhalb vernünftiger Grenzen gehalten werden kann durch allmähliches Verjüngen der Dicke der Beine der U-Kanal-Form hin zu ihren jeweiligen Spitzen, wie in den Figuren veranschaulicht. Folglich wird das Verbundmaterial effizienter genutzt als bei bekannten T-Bolzen-Systemen, so dass das Laminat dünner sein kann.
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Im Gegensatz zu dem bekannten T-Bolzen-System (a) sind die Metalleinsätze nicht darauf beschränkt, zylindrisch zu sein, können folglich mit weniger Material gefertigt werden.
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Die Metalleinsätze sind viel kürzer als die einlaminierten Buchsen im existierenden System (a), und folglich leichter.
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Die Bolzen können kürzer, folglich leichter, als jene sein, welche in irgendeinem oben beschriebenen existierenden System verwendet werden.
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Bei den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen die Metalleinsätze einen Hals beinhalten, welcher durch das Loch in der U-Profil-Bügelform herausragt, wird Bolzenvorspannung (welche der mehrfachen typischen Bolzenarbeitslast entsprechen kann) durch direkte Anlage zwischen dem Einsatz und dem Blattlager übertragen, folglich diese Beanspruchung von dem Verbundteil der Blattwurzelanordnung abbauend. Das steht in Kontrast zu den bekannten T-Bolzen-Systemen, bei welchen die Bolzenvorspannung durch Anlage zwischen der Verbundwurzel und dem Blattlager übertragen wird.
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Verglichen mit dem Einlaminierte-Hülsen-System (c) ist die Laminierung der Blattwurzel einfacher.
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Die Bindungsfläche zwischen der U-Profil-Bügelform und der Wurzel ist größer als die Bindungsfläche zwischen den Buchsen und dem Laminat in den Buchsensystemen (b) und (c), folglich kann der Wurzelteil des Blattes kürzer sein (i. e. leichter) und die Bindungsbelastung geringer (i. e. zuverlässiger).
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Verglichen mit dem T-Bolzen-System (a) und dem Eingebundene-Buchsen-System (b) kann das Basis-Wurzellaminat (1) wesentlich dünner sein. Das reduziert das Gewicht und die Kosten des Materials, aber bedeutsamer reduziert dies die Wahrscheinlichkeit exothermischer Reaktion während des Härtens, was der Wurzel ermöglicht, schneller zu härten, folglich die Herstellzykluszeit verringernd. Es reduziert auch oder eliminiert den Bedarf für eine separate Wurzelform.
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Verglichen mit dem T-Bolzen-System (a), welches das Bohren zweier Löcher pro Bolzen erfordert und dem Eingebundene-Buchsen-System (b), welches das Bohren eines sehr langen Lochs pro Bolzen in die Blattwurzel erfordert, sind die Bohrerfordernisse der Erfindung einfacher. Das deshalb, weil die Löcher in der U-Profil-Bügelform gebohrt werden, welche viel kleiner ist, folglich leichter akkurat handzuhaben als die Blattwurzel. Die Toleranz der Löcher ist ebenfalls weniger kritisch, weil sie um die Bolzen herum überdimensioniert sein können; die exakten Bolzenpositionen werden durch die Spannvorrichtung bestimmt.
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Beim Vergleich mit bekannten Systemen zum Anbringen einer Windturbinenblattwurzel an einem Blattlager einer Nabe, können die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung an den vorstehenden Systemen durch eines oder mehrere des Folgenden Verbesserungen liefern: leichter sein, maschinelle Bearbeitung des fertig gestellten Blattes oder Holmes reduzieren; Bieten einer vergrößerten Bindungsfläche und/oder reduzierter Wurzellänge; Bieten reduzierter Bolzenlänge; Übertragen von Bolzenvorspannung direkt in das Metallbauwerk; Bieten reduzierter Laminatdicke folglich leichtere/schnellere Herstellung ohne exothermische Reaktion; potentielle Kostenersparnis bei Materialien; und/oder potentielle Steigerung der Produktivität durch einen hohen Teileumschlag.
