EP2572103A1 - Rotorblatt einer windkraftanlage - Google Patents

Rotorblatt einer windkraftanlage

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Publication number
EP2572103A1
EP2572103A1 EP11716549A EP11716549A EP2572103A1 EP 2572103 A1 EP2572103 A1 EP 2572103A1 EP 11716549 A EP11716549 A EP 11716549A EP 11716549 A EP11716549 A EP 11716549A EP 2572103 A1 EP2572103 A1 EP 2572103A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor blade
insert parts
steel
metal insert
blade according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11716549A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Drewes
Thomas FLÖTH
Mark Hirt
Lothar Patberg
Peter Seyfried
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Steel Europe AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
Publication of EP2572103A1 publication Critical patent/EP2572103A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F03D1/065—Rotors characterised by their construction elements
    • F03D1/0675—Rotors characterised by their construction elements of the blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/30—Lightning protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G13/00—Installations of lightning conductors; Fastening thereof to supporting structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2280/00—Materials; Properties thereof
    • F05B2280/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05B2280/6003—Composites; e.g. fibre-reinforced
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2253/00—Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/04—Composite, e.g. fibre-reinforced
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a rotor blade for a
  • Wind turbine comprising a rotor blade root and a
  • Rotor diameter from 80 to 160 m have.
  • a rotor blade consists of a rotor blade root for connecting the
  • Rotor blade to the rotor hub and a rotor blade profile is an optimal transfer of
  • the rotor blade root serves for
  • Rotor diameters greater than 80 m will be a combination of glass fiber reinforced plastics (GRP) and Kc reinforced plastics (CFRP) used.
  • Hybrid construction is very expensive.
  • the aim of the hybrid construction is to keep the deflection or deflection of the individual rotor blade as low as possible under extreme rotor diameters.
  • Another problem is the lightning protection system of the rotor blades, which causes additional costs in the manufacture of the rotor blades in said hybrid construction.
  • the present invention is the
  • the object of the invention is to provide a rotor blade which can easily be produced even with very long lengths and moreover allows a simplified integration of a lightning protection system.
  • this object is achieved for a generic rotor blade in that the rotor blade consists at least partially of a fiber composite plastic embedded in the matrix of the fiber composite plastic metal insert parts.
  • the use of metal inserts, in particular of steel, in a fiber composite plastic matrix enables the advantageous mechanical properties of metal,
  • Metal insert parts in the fiber composite plastic matrix readily integrate into the previous production process, so that no higher costs are expected in the production.
  • the proportion of CFRP plastics can be significantly reduced or avoided by using the metal insert parts, so that a more cost-effective production is made possible.
  • the metal inserts can be used as
  • a particularly cost-saving variant can be provided according to a further embodiment of the rotor blade according to the invention in that metal inserts are embedded in a matrix of a glass fiber reinforced plastic (GfK) and the metal insert parts extend at least partially in the longitudinal direction of the rotor blade.
  • GfK glass fiber reinforced plastic
  • Carbon fiber reinforced plastics significantly cheaper. These can be made particularly resistant to bending in combination with the metal insert parts as composite materials.
  • the metal inserts can be used both in the
  • Rotor blade be provided as well as in the rotor blade root, so that no additional inserts must be provided for the connection of the rotor blade and the rotor hub.
  • the metal insert parts follow the contour of the rotor blade, so that the aerodynamic properties of the rotor blade profile which are normally present can also be ensured with the design according to the invention.
  • Rotor blade root as well as to meet in the rotor blade profile, the metal insert parts according to a further embodiment of the rotor blade according to the invention
  • Metal insert parts are optionally arranged in a plurality of layers in the rotor blade. Different for a long time
  • inserts can be arranged so that a large number of layers with metal inserts are present in the area of the rotor blade root and only a few metal inserts remain in the region of the rotor blade tip
  • the one-piece or consisting of a single material metal inserts are optimally adapted to many years of use in the rotor blade. In principle, there is also the possibility
  • the metal insert parts extend at least partially into the rotor blade root. This embodiment of the invention ensures a better transmission of the forces acting on the rotor blade profiles forces on the
  • Metal inserts in the area of the rotor blade root can also be avoided.
  • Embodiment of the rotor blade according to the invention formations and / or punches.
  • the formations may be that, for example, a fold is provided, which is additionally introduced into the fiber composite matrix and thus an improved anchoring and thus an improved power transmission to the metal insert part entails.
  • other forms For example, deep-drawn areas or embossments conceivable. Die cuts, such as perforations, not only allow a reduction in the weight of the metal insert, but also that the fiber composite plastic can enclose the metal insert part particularly well and insofar as the anchoring of the metal insert is improved in the fiber composite plastic matrix.
  • Metal inserts are used, for example, carbon steel, which are surface-coated or made of stainless steel.
  • carbon steel which are surface-coated or made of stainless steel.
  • Steel insert optimized rotor blade can be made available by at least the outside
  • Lightning protection system can be used.
  • metal insert parts are provided which at least partially consist of a plurality of overlapping ones
  • Metal strips exist and optionally the arrangement of a
  • Corresponding metal insert parts have per se already different stiffnesses due to their structure and can provide these in a simple manner in connection with the fiber composite plastic in the rotor blade.
  • the metal insert parts according to a further embodiment of the rotor blade according to the invention may have a thickness of 0.3 mm to 5 mm, preferably a thickness of 1.0 to 3.0 mm. In these thickness ranges, in particular the
  • the straps serve to absorb the bending moments of the rotor blade profile and can therefore by the use of metal inserts in relation to her
  • Rotor blade nose also transverse forces on the rotor blade.
  • Metal insert parts are preferably also provided in the rotor blade profile nose. This also applies to the wind deflected rotor blade profile / which must meet essentially aerodynamic purposes.
  • Half shells can be used instead of the webs to improve the
  • Stiffness can also be arranged a spar.
  • the spar may preferably be made using metal inserts. In principle, however, it is also conceivable to use the rotor blade according to the invention using the
  • the rotor blade according to the invention is advantageously configured in that the rotor blade has a length of more than 40 m.
  • Rotor blades with a length of more than 40 m usually use cost-intensive CFRP plastics.
  • the rotor blade according to the invention therefore has compared to the previously known rotor blades with corresponding lengths significantly reduced manufacturing costs, since CFRP is substituted by metal insert parts.
  • FIG. 1 is a schematic, perspective view of an embodiment of a rotor blade according to the invention and its cross-sectional shape at three different positions,
  • FIG. 2 is a longitudinal section of the embodiment of FIG. 3 shows a schematic, perspective view of four different examples of metal insert parts and
  • Fig. 4 is a sectional view of an embodiment
  • Fig. 1 shows an embodiment of a rotor blade 1 according to the invention, which has a rotor blade root 2 and a
  • Rotor blade profile 3 has. From the rotor blade profile 3, the cross-sectional shapes in the region of the sections A, B and C are additionally shown in Fig. 1. Steel insert parts are used as metal inserts. The steel inserts 4 extend in the present embodiment of the rotor blade root 2 to partially in the rotor blade tip. This is a very good stiffness of
  • Rotor blade profile reached in the rotor blade root Furthermore, the steel inserts 4 can be used for coupling the rotor blade to the rotor hub of the wind turbine (not shown).
  • Layers 5, 6, 7, the steel insert 4 can absorb higher bending moments in the region of the rotor blade root and make the rotor blade root particularly rigid.
  • Section B shows that here only two layers 5, 6 at
  • Steel inserts 4 are available. This can be achieved, for example, by using different lengths of steel insert 4 to the different Loading areas of the rotor blade 1 to meet. In the rotor blade tip, section C, only one layer 5 of steel insert parts 4 is provided. The use of different numbers of layers of the inserts also results in a weight reduction of the entire
  • Rotor blade 1 taking into account the respective
  • FIG. 1 shows that the rotor blade 1 in
  • Haibschalentechnik consisting of the half-shells 8a and 8b is made with an inner and longitudinally extending spar 9.
  • the spar 9 serves to accommodate
  • Rotor blade profile 3 can be produced using a GRP plastic and achieve the desired stiffness through the use of steel inserts, so that the cost-intensive CFRP plastics can be largely dispensed with.
  • CFRP plastics in conjunction with steel inserts
  • the steel inserts 4 follow the contour of the
  • Embodiment provided both in the rotor blade profile nose 3a and in the rotor blade profile 3b, so that the Rotor blade 1 can also meet the necessary aerodynamic requirements.
  • the upper and lower straps 3c and 3d of the rotor blade profile 3 also have
  • Steel insert 4 and are thus optimally adapted to absorb tensile and compressive stresses due to bending moments of the rotor blade profile 3.
  • FIG. 2 shows the embodiment of FIG. 1 in a longitudinal section along the rotor blade profile 3.
  • Rotor blade thereby still manufacture in a simple manner.
  • the steel insert parts 4 can namely be readily integrated into the existing production process for the production of the rotor blade 1.
  • FIG. 3 Different embodiments of the steel inserts are shown in FIG. 3 in a schematic perspective view
  • the steel inserts 10, 11, 12, 17 each have punches 13, through which the
  • Plastic material such as a glass fiber
  • Fig. 3b is an embodiment of a
  • Punching 13 has, but beyond a
  • a further improvement in contrast is achieved in that in addition to a collar 14, an additional flange portion 15 is provided, which in turn protrudes angled from the collar 14.
  • the steel insert 12 has in all areas, i. also in the collar region 14 and flange region 15,
  • the steel application part 17 can be formed into a hollow profile, in which case the punches can also be dispensed with. As a result, further weight can be saved since the hollow profile is embedded as a closed profile filled with air in the plastic matrix.
  • FIG. 4 shows the cross section of the rotor blade profile 2 of a further exemplary embodiment of a device according to the invention
  • Rotor blade 1 The rotor blade profile 2 also consists of two half-shells 8a and 8b, which in the region of
  • Rotor profile nose 2a and are connected to each other in the region of the rotor profile 2 b. Further, two longitudinally extending webs 16 are provided, which support the half-shells 8a and 8b and can absorb transverse forces.
  • the upper and lower straps 2 c and 2 d are between the webs 16 arranged and have according to the invention steel inserts 4, which are not shown in Fig. 4, however.
  • the rotor blade profile nose 2a, the rotor blade profile 2b and, in principle, the webs 16 may also have steel insert parts 4, which have the rigidity properties of the

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt (1) für eine Windkraftanlage umfassend eine Rotorblattwurzel (2) und ein Rotorblattprofil (3). Die Aufgabe, ein Rotorblatt zur Verfügung zu stellen, welches sich auch bei großen Längen einfach und kostengünstig herstellen lässt und darüber hinaus eine vereinfachte Integration eines Blitzschutzsystems ermöglicht, wird für ein gattungsgemäßes Rotorblatt dadurch gelöst, dass das Rotorblatt zumindest teilweise aus einem Faserverbundkunststoff mit in der Matrix des Faserverbundkunststoffs eingebetteten Metalleinlegeteilen (4) besteht.

Description

Rotorblatt einer Windkraftanlage
Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine
Windkraftanlage umfassend eine Rotorblattwurzel und ein
Rotorblattprofil .
Die Erzeugung von elektrischer Energie unter Verwendung von Windkraftanlagen wird immer weiter ausgebaut. Durch den starken Ausbau ist die Anzahl der Standorte für
Windkraftanlagen begrenzt, so dass in zunehmendem Maße kleinere Anlagen durch Windkraftanlagen mit größerer Leistung ersetzt werden. Ein weiterer Trend geht dahin,
Windkraftanlagen im vorgelagerten Küstenbereich zu
installieren. Hier werden in der Regel Windkraftanlagen mit den grüßten Leistungen installiert. Größere Leistungen erfordern größere Windkraftanlagen, so dass diese
Rotordurchmesser von 80 bis 160 m aufweisen. Ein Rotorblatt besteht aus einer Rotorblattwurzel zur Anbindung des
Rotorblatts an die Rotornabe und einem Rotorblattprofil. Das Rotorblattprofil soll eine optimale Übertragung der
kinetischen Energie des Windes in eine Rotationsbewegung des Rotors ermöglichen. Die Rotorblattwurzel dient zur
Übertragung der Drehmomente auf die Rotornabe und damit den Generator der Windkraftanlage. Bis zu einem Rotordurchmesser von etwa 80 m werden häufig Faserverbundkunststoffe basierend auf einem Glasfaser verstärkten Kunststoff verwendet. Bei höheren
Rotordurchmessern von mehr als 80 m wird eine Kombination aus Glasfaser verstärkten Kunststoffen (GFK) und Kc verstärkten Kunststoffen (CFK) verwendet. Diese
Hybridbauweise ist allerdings sehr kostenintensiv. Ziel der Hybridbauweise ist es, bei den extremen Rotordurchmessern die Auslenkung bzw. Durchbiegung des einzelnen Rotorblatts bei Belastung möglichst gering zu halten. Ein weiteres Problem stellt das Blitzschutzsystem der Rotorblätter dar, welches zusätzliche Kosten bei der Herstellung der Rotorblätter in der besagten Hybridbauweise verursacht. Darüber hinaus besteht bereits ein hoher Kostendruck bei der Realisierung von Windkraftanlagen insbesondere mit größeren
Leistungsbereichen. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2007 036 917 ist zur Lösung dieses Problems ein
Rotorblatt für Windkraftanlagen bekannt, welches im
Rotorblatt angeordnete Spannglieder aufweist, welche einen im Rotorblatt vorgesehenen Holm unter Druckspannung setzen, so dass spannungsabhängige Verformungen in Folge von Windlast minimiert werden. Einerseits wird auch bei dieser Lösung einen Kombination aus CFK- und GFK-Werkstoffen verwendet, andererseits weist auch diese Lösung ein integriertes
Blitzschutzsystem nicht auf.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein Rotorblatt zur Verfügung zu stellen, welches sich einfach auch bei sehr großen Längen herstellen lässt und darüber hinaus eine vereinfachte Integration eines Blitzschutzsystems ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für ein gattungsgemäßes Rotorblatt dadurch gelöst, dass das Rotorblatt zumindest teilweise aus einem Faserverbundkunststoff mit in der Matrix des Faserverbundkunststoffs eingebetteten Metalleinlegeteilen besteht . Die Verwendung von Metalleinlegeteilen, insbesondere aus Stahl in einer Faserverbundkunststoffmatrix ermöglicht die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften von Metall,
insbesondere Stahl mit denen des Faserverbundkunststoffs zu kombinieren. Insbesondere ermöglicht der hohe E-Modul von Stahl eine vereinfachte Bauweise von Rotorblättern mit sehr großen Längen. Zudem lässt sich das Einlegen von
Metalleinlegeteile in die Faserverbundkunststoffmatrix ohne weiteres in den bisherigen Fertigungsablauf integrieren, so dass keine höheren Kosten bei der Fertigung erwartet werden. Der Anteil der CFK-Kunststoffe kann durch die Verwendung der Metalleinlegeteile signifikant reduziert oder vermieden werden, so dass eine kostengünstigere Fertigung ermöglicht wird. Zusätzlich können die Metalleinlegeteile als
integrierter Blitzschutz dienen.
Eine besonders kostensparende Variante kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotorblatts dadurch bereitgestellt werden, dass Metalleinlegeteile in eine Matrix eines Glasfaser verstärkten Kunststoffs (GfK) eingebettet sind und die Metalleinlegeteile sich zumindest teilweise in Längsrichtung des Rotorblatts erstrecken.
Glasfaser verstärkte Kunststoffe sind im Vergleich zu
Kohlefaser verstärkten Kunststoffen deutlich kostengünstiger. Diese können in Kombination mit den Metalleinlegeteilen als Verbundwerkstoffe besonders biegesteif ausgeführt werden. Die Metalleinlegeteile können beispielsweise sowohl im
Rotorblattprofil als auch in der Rotorblattwurzel vorgesehen sein, so dass zur Anbindung des Rotorblatts and die Rotornabe keine zusätzlichen Einlegeteile vorgesehen werden müssen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotorblatts folgen die Metalleinlegeteile der Kontur des Rotorblatts, so dass auch die üblicherweise vorhandenen aerodynamischen Eigenschaften des Rotorblattprofils mit der erfindungsgemäßen Bauweise gewährleistet werden können.
Um den unterschiedlichen Belastungen sowohl in der
Rotorblattwurzel als auch im Rotorblattprofil gerecht zu werden, können die Metalleinlegeteile gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotorblatts
unterschiedliche Längen aufweisen, wobei die
Metalleinlegeteile optional in einer Mehrzahl an Schichten im Rotorblatt angeordnet sind. Unterschiedlich lange
Einlegeteile können beispielsweise so angeordnet werden, dass im Bereich der Rotorblattwurzel eine hohe Anzahl an Schichten mit Metalleinlegeteilen vorhanden ist und im Bereich der Rotorblattspitze nur noch wenige Metalleinlegeteile
vorgesehen sind. Insbesondere die hohen Biegemomente, welche im Bereich der Rotorblattwurzel im Betrieb auftreten können mit dieser Anordnung der Metalleinlegeteile insbesondere aus Stahl sehr gut aufgenommen werden.
Das Problem, dass Fügeverbindungen bei den hohen Belastungen problematisch in Bezug auf die Steifigkeit von
Metalleinlegeteilen sein können, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotorblatts dadurch gelöst werden, dass die Metalleinlegeteile keine
Fügeverbindungen aufweisen. Die einstückigen bzw. aus einem einzigen Material bestehenden Metalleinlegeteile sind so optimal an den langjährigen Einsatz im Rotorblatt angepasst. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit,
beispielsweise bei Verwendung von aus „tailored Products", beispielsweise Blanks und/oder Strips hergestellten
Metalleinlegeteilen, unterschiedliche Belastungssituationen mit einem einzigen Metalleinlegeteil zu berücksichtigen.
Denkbar ist auch der Einsatz von „tailored rolled Blanks" als Metalleinlegeteile, welche sowohl keine Fügeverbindungen als auch auf unterschiedliche Belastungen angepasste Bereiche aufweisen. Als Fügeverbindung im Sinne der vorliegenden Erfindung werden bevorzugt stoffschlüssige Verbindungen, also beispielsweise Schweiß-, L t- oder KlebeVerbindungen
angesehen. Prinzipiell sind aber auch kraft- und/oder formschlüssig verbundene Metalleinlegeteile verwendbar. Diese sind in der Regel einfacher herstellbar.
Gemäß einer nächsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotorblatts erstrecken sich die Metalleinlegeteile zumindest teilweise bis in die Rotorblattwurzel. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform gewährleistet eine bessere Übertragung der auf das Rotorblattprofils einwirkenden Kräfte auf die
Rotorblattwurzel und die Rotornabe. Zusätzliche
Metalleinlegeteile im Bereich der Rotorblattwurzel können dadurch auch vermieden werden.
Zur Verbesserung des Kraftaufnahmevermögens bzw.
Kraftübertragungsvermögens der Metalleinlegeteile auf die übrigen Teile des Rotorblatts sowie zur Gewichtsersparnis weisen die Metalleinlegeteile gemäß einer weiteren
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotorblatts Ausformungen und/oder Stanzungen auf. Die Ausformungen können darin bestehen, dass beispielsweise eine Abkantung vorgesehen ist, welche zusätzlich in die Faserverbundmatrix eingebracht wird und damit eine verbesserte Verankerung und damit eine verbesserte Kraftübertragung auf das Metalleinlegeteil nach sich zieht. Allerdings sind auch andere Ausformungen, beispielsweise tiefgezogene Bereiche oder Prägungen denkbar. Stanzungen, beispielsweise Lochungen, ermöglichen nicht nur eine Gewichtsreduzierung des Metalleinlegeteils, sondern auch, dass der Faserverbundkunststoff das Metalleinlegeteil besonders gut umschließen kann und insofern die Verankerung des Metalleinlegeteils in der Faserverbundkunststoffmatrix verbessert wird.
Zur Verbesserung des Korrosionsverhaltens können
Metalleinlegeteile, beispielsweise Karbonstahl verwendet werden, welche oberflächenbeschichtet sind oder aus Edelstahl bestehen. Hier kommt beispielsweise der Einsatz von
verzinkten Stahleinlegeteilen aber auch der Einsatz von mit organischen Beschichtungen versehenen Stahleinlegeteilen in Frage.
Ein beispielsweise in Bezug auf Korrosion der
Stahleinlegeteile optimiertes Rotorblatt kann dadurch zur Verfügung gestellt werden, dass zumindest die außen
angeordneten Stahleinlegeteile aus einem Edelstahl und die inneren Stahleinlegeteile aus einem Karbonstahl bestehen. Edelstahl weist bekanntlich eine extrem hohe
Korrosionsbeständigkeit auf und kann daher im Außenbereich des Rotorblatts ohne weiteres den Witterungsverhältnissen auf hoher See ausgesetzt werden gleichzeitig als äußeres
Blitzschutzsystem verwendet werden. Die inneren
Stahleinlegeteile können aufgrund deren Anordnung
beispielsweise durch Karbonstahl in Bezug auf die Festigkeit und Kosten optimiert werden, ohne dass Erfordernisse in Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit im Vordergrund stehen. Um besonderen mechanischen Belastungen gerecht zu werden, sind in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotorblatts Metalleinlegeteile vorgesehen, die zumindest teilweise aus einer Mehrzahl sich überlappender
Metallstreifen bestehen und optional die Anordnung einer
Blattfeder aufweisen. Entsprechende Metalleinlegeteile weisen per se schon unterschiedliche Steifigkeiten aufgrund ihres Aufbaus auf und können diese auf einfache Weise in Verbindung mit dem Faserverbundkunststoff im Rotorblatt bereitstellen.
Abhängig von dem jeweilig verwendeten Werkstoff können die Metalleinlegeteile gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotorblatts eine Dicke von 0,3 mm bis 5 mm, vorzugsweise eine Dicke von 1,0 bis 3,0 mm aufweisen. In diesen Dickenbereichen können insbesondere die
Stahleinlegeteile ihre Vorteile in Bezug auf einfache
Herstellung und Bereitstellung von sehr hohen
Biegesteifigkeiten gerecht werden. Weist das Rotorblattprofil gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zwei Halbschalen und zwischen den Halbschalen in Längsrichtung verlaufende Stege auf, wobei zwischen den Stegen mindestens ein oberer und ein unterer Gurt vorgesehen sind und Metalleinlegeteile im oberen und/oder unteren Gurt angeordnet sind, so kann ein konventionelles
Herstellverfahren auch bei Verwendung der erfindungsgemäßen Hybridbauweise erfolgen. Die Gurte dienen zur Aufnahme der Biegemomente des Rotorblattprofils und können deshalb durch die Verwendung der Metalleinlegeteile in Bezug auf ihr
Lastaufnahmevermögen verbessert werden. Neben aerodynamischen Anforderungen überträgt die in Windrichtung weisende
Rotorblattprofilnase ebenfalls Querkräfte auf das Rotorblatt. Vorzugsweise sind auch in der Rotorblattprofilnase Metalleinlegeteile vorgesehen. Dies gilt ebenso für die Wind abgewandte Rotorblattprofilfahne/ welche im Wesentlichen aerodynamischen Zwecken genügen muss. Zwischen den
Halbschalen kann anstelle der Stege zur Verbesserung der
Steifigkeit auch ein Holm angeordnet sein. Auch der Holm kann vorzugsweise unter Verwendung von Metalleinlegeteilen hergestellt sein. Grundsätzlich ist aber auch denkbar, das erfindungsgemäße Rotorblatt unter Verwendung der
Wickeltechnik ohne die Verwendung von Halbschalen
herzustellen.
Schließlich wird das erfindungsgemäße Rotorblatt dadurch vorteilhaft ausgestaltet, dass das Rotorblatt eine Länge von mehr als 40 m aufweist. Bei Rotorblättern mit einer Länge von mehr als 40 m werden üblicherweise kostenintensive CFK- Kunststoffe verwendet. Das erfindungsgemäße Rotorblatt weist daher gegenüber den bisher bekannten Rotorblättern mit entsprechenden Längen deutlich verringerte Herstellkosten auf, da CFK durch Metalleinlegeteile substituiert wird.
Im Weiteren soll die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 in einer schematischen, perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorblatts und dessen Querschnittsform an drei verschiedenen Positionen,
Fig. 2 ein Längsschnitt des Ausführungsbeispiels aus Fig. Fig. 3 in einer schematischen, perspektivischen Ansicht vier verschiedene Beispiele von Metalleinlegeteilen und
Fig. 4 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Rotorblattprofils.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorblatts 1, welches eine Rotorblattwurzel 2 und ein
Rotorblattprofil 3 aufweist. Von dem Rotorblattprofil 3 sind in Fig. 1 zusätzlich die Querschnittsformen im Bereich der Schnitte A, B und C dargestellt. Als Metalleinlegeteile werden Stahleinlegeteile verwendet. Die Stahleinlegeteile 4 verlaufen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel von der Rotorblattwurzel 2 bis teilweise in die Rotorblattspitze. Hierdurch wird eine sehr gute Steifigkeit vom
Rotorblattprofil in die Rotorblattwurzel erreicht. Ferner können die Stahleinlegeteile 4 zur Ankopplung des Rotorblatts an die Rotornabe der Windkraftanlage (nicht dargestellt) genutzt werden.
Wie anhand des Schnitts A zu erkennen ist, sind die
Stahleinlegeteile 4 in drei Schichten 5, 6, 7 im Bereich der Rotorblattwurzel 2 vorgesehen. Durch die Mehrzahl an
Schichten 5, 6, 7 können die Stahleinlegeteile 4 im Bereich der Rotorblattwurzel höhere Biegemomente aufnehmen und die Rotorblattwurzel besonders biegesteif ausgestalten. Schnitt B zeigt, dass hier lediglich zwei Schichten 5, 6 an
Stahleinlegeteilen 4 vorhanden sind. Dies kann dadurch erreicht werden, dass beispielsweise unterschiedlich lange Stahleinlegeteile 4 verwendet werden, um den verschiedenen Belastungsbereichen des Rotorblatts 1 gerecht zu werden. In der Rotorblattspitze, Schnitt C, ist lediglich eine Schicht 5 an Stahleinlegeteilen 4 vorgesehen. Die Verwendung von unterschiedlichen Anzahlen an Schichten der Einlegeteile führt auch zu einer Gewichtsreduzierung des gesamten
Rotorblatts 1 unter Berücksichtigung der jeweiligen
Belastungssituation der unterschiedlichen Bereiche des
Rotorblatts 1. Darüber hinaus zeigt Fig. 1, dass das Rotorblatt 1 in
Haibschalentechnik bestehend aus den Halbschalen 8a und 8b mit einem innenliegenden und in Längsrichtung verlaufender Holm 9 gefertigt ist. Der Holm 9 dient zur Aufnahme von
Kräften und Momenten im Betrieb des Rotorblatts 1. Anstelle des innenliegenden Holms 9 können aber auch Stege vorgesehen sein, welche die beiden Halbschalen 8a und 8b zumindest abschnittsweise abstützen, wie später in Fig. 4 dargestellt ist. Der Holm 9 aber auch die Rotorblattwurzel 2 und das
Rotorblattprofil 3 können unter Verwendung eines GFK- Kunststoffes hergestellt werden und erreichen die gewünschten Steifigkeiten durch die Verwendung der Stahleinlegeteile, so dass auf die kostenintensiven CFK-Kunststoffe weitgehend verzichtet werden kann. Es ist aber auch denkbar CFK- Kunststoffe in Verbindung mit Stahleinlegeteilen zu
verwenden, um besondere Anforderungen zu erfüllen.
Die Stahleinlegeteile 4 folgen der Kontur des
Rotorblattprofils 3 und sind im dargestellten
Ausführungsbeispiel sowohl in der Rotorblattprofilnase 3a als auch in der Rotorblattprofilfahne 3b vorgesehen, so dass das Rotorblatt 1 auch die notwendigen aerodynamischen Voraussetzungen erfüllen kann. Die oberen und unteren Gurte 3c und 3d des Rotorblattprofils 3 weisen ebenfalls
Stahleinlegeteile 4 auf und sind damit optimal zur Aufnahme von Zug- und Druckspannungen aufgrund von Biegemomenten des Rotorblattprofils 3 angepasst.
Fig. 2 zeigt das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 in einem Längsschnitt entlang des Rotorblattprofils 3. Zur
Orientierung sind die Positionen der Querschnitte A, B und C in Fig. 2 ebenfalls eingezeichnet. Zu erkennen ist, dass zunächst drei Schichten 5, 6, 7 an Stahleinlegeteilen im Rotorblattprofil 2 vorgesehen sind. Die in den Schichten 5, 6 und 7 vorgesehenen, unterschiedlich langen Stahleinlegeteile 4 gewährleisten, dass das Rotorblatt 1 einen
Steifigkeitsgradienten aufweist. Dieser wird beispielsweise dadurch erreicht, dass in Längsrichtung zur Spitze des
Rotorblatts 1 hin die Anzahl der übereinander angeordneten Schichten 5,6,7 an Stahleinlegeteilen 4 abnimmt. Trotz des Steifigkeitsgradienten lässt sich das erfindungsgemäße
Rotorblatt hierdurch noch auf einfache Weise fertigen. Die Stahleinlegeteile 4 können nämlich ohne weiteres in den bestehenden Fertigungsablauf zur Herstellung des Rotorblatts 1 integriert werden.
Unterschiedliche Ausführungsformen der Stahleinlegeteile zeigt Fig. 3 in einer schematischen, perspektivischen
Darstellung. Die Stahleinlegeteile 10, 11, 12, 17 weisen jeweils Stanzungen 13 auf, durch welche das
Kunststoffmaterial, beispielsweise eines Glasfaser
verstärkten Kunststoffes, hindurchtreten kann und insofern zu einer besseren Verankerung der Stahleinlegeteile 10, 11, 12 führt, Fig. 3a), 3b), 3c) und 3d) .
In Fig. 3b) ist ein Ausführungsbeispiel eines
Stahleinlegeteils 11 dargestellt, welches nicht nur
Stanzungen 13 aufweist, sondern darüber hinaus eine
Ausformung in Form eines Kragens 14, welcher in der Matrix des Kunststoffes versenkt werden kann. Auch hierdurch wird eine bessere Verankerung des Stahleinlegeteils 11,
beispielsweise gegen ein seitliches Verrutschen erreicht.
Eine weitere Verbesserung demgegenüber wird dadurch erzielt, dass neben einem Kragen 14 ein zusätzlicher Flanschbereich 15 vorgesehen ist, welcher wiederum abgewinkelt vom Kragen 14 absteht. Das Stahleinlegeteil 12 weist in allen Bereichen, d.h. auch im Kragenbereich 14 und Flanschbereich 15,
Stanzungen 13 auf, welche zur verbesserten Verankerung und gleichzeitig zur Gewichtsreduzierung des Stahleinlegeteils 12 dienen. Das Stahlanlegeteil 17 kann zu einem Hohlprofil geformt werden, wobei in diesem Fall auf die Stanzungen auch verzichtet werden kann. Hierdurch kann weiteres Gewicht eingespart werden, da das Hohlprofil als geschlossenes Profil mit Luft gefüllt in die Kunststoffmatrix eingebettet wird.
Fig. 4 zeigt den Querschnitt des Rotorblattprofils 2 eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Rotorblatts 1. Das Rotorblattprofil 2 besteht auch hier aus zwei Halbschalen 8a und 8b, welche im Bereich der
Rotorprofilnase 2a und im Bereich der Rotorprofilfahne 2b miteinander verbunden sind. Ferner sind zwei in Längsrichtung verlaufende Stege 16 vorgesehen, welche die Halbschalen 8a und 8b abstützen und Querkräfte aufnehmen können. Die oberen und unteren Gurte 2c und 2d sind zwischen den Stegen 16 angeordnet und weisen erfindungsgemäß Stahleinlegeteile 4 auf, welche allerdings in Fig. 4 nicht dargestellt sind. Auch die Rotorblattprofilnase 2a, die Rotorblattprofilfahne 2b und prinzipiell auch die Stege 16 können Stahleinlegeteile 4 aufweisen, welche die Steifigkeitseigenschaften des
Rotorblattprofils 2 in diesen Bereichen verbessern.

Claims

Patentansprüche
Rotorblatt (1) für eine Windkraftanlage umfassend eine Rotorblattwurzel (2) und ein Rotorblattprofil (3), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Rotorblatt (1) zumindest teilweise aus einem
Faserverbundkunststoff mit in der Matrix des
Faserverbundkunststoffs eingebetteten Metalleinlegeteilen (4) besteht.
Rotorblatt nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s Metalleinlegeteile (4) in eine Matrix eines Glasfaser verstärkten Kunststoffs (GfK) eingebettet sind und die Stahleinlegeteile (4) sich zumindest teilweise in
Längsrichtung des Rotorblatts (1) erstrecken.
Rotorblatt nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Stahleinlegeteile (4) der Kontur des Rotorblatts (1) folgen.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Metalleinlegeteile (4) unterschiedliche Längen aufweisen und optional in einer Mehrzahl an Schichten (5, 6, 7) im Rotorblatt (1) angeordnet sind. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Metalleinlegeteile (1) keine Fügeverbindungen aufweisen. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Metalleinlegeteile (4) sich zumindest teilweise bis in die Rotorblattwurzel (2) erstrecken.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a die Metalleinlegteile (4) Ausformungen (14, 15, 17) und/oder Stanzungen (13) aufweisen.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a die Metalleinlegeteile (4) aus Stahl
oberflächenbeschichtet sind und/oder aus Edelstahl bestehen. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die außen angeordneten Metalleinlegeteile (4) aus einem Edelstahl und die inneren Metalleinlegeteile (4) aus einem Karbonstahl bestehen.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Metalleinlegeteile (4) zumindest teilweise aus einer Mehrzahl sich überlappender Stahlstreifen (4) bestehen und optional die Anordnung einer Blattfeder aufweisen. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Metalleinlegeteile (4) eine Dicke von 0,3 mm bis 5,0 mm, vorzugsweise von 1,0 mm bis 3,0 mm aufweisen. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Rotorblattprofil (3) Halbschalen (8a, 8b) und Stege aufweist und zwischen den Stegen mindestens ein oberer und ein unterer Gurt (3c, 3d) vorgesehen sind und
Stahleinlegeteile (4) im oberen und/oder unteren Gurt (3c 3d) angeordnet sind. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Rotorblatt (1) eine Länge von mehr als 40 m aufweist
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