EP2721289A1 - Fertigung einer rotorblattschale - Google Patents

Fertigung einer rotorblattschale

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EP2721289A1
EP2721289A1 EP12727299.5A EP12727299A EP2721289A1 EP 2721289 A1 EP2721289 A1 EP 2721289A1 EP 12727299 A EP12727299 A EP 12727299A EP 2721289 A1 EP2721289 A1 EP 2721289A1
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EP
European Patent Office
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rotor blade
blade shell
fiber material
stiffening element
support body
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12727299.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Urs Bendel
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Senvion GmbH
Original Assignee
Repower Systems SE
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Filing date
Publication date
Application filed by Repower Systems SE filed Critical Repower Systems SE
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F03D1/00Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
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    • F03D1/0675Rotors characterised by their construction elements of the blades
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Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing a rotor blade shell for a rotor blade of a wind power plant, wherein an additional surface reinforcement element for increasing the surface rigidity of the rotor blade shell is integrated into the rotor blade shell.
  • the invention further relates to a rotor blade shell for a rotor blade of a wind energy plant, a rotor blade for a wind energy plant and a wind energy plant.
  • Typical rotor blades consist of at least two rotor blade shells, which dictate the outer shape and thus the essential aerodynamic properties of the rotor blade.
  • Leaf shells are usually reinforced in the region of the largest profile thickness of the rotor blade by so-called straps and connected to each other in the area of the straps by main webs.
  • the straps and the main webs form the essential supporting structure of the rotor blade, while the rotor blade shells are otherwise relatively light and thin.
  • stringers are used to increase the buckling and surface stiffness in this region of the rotor blade shells, which are glued into the rotor blade shells, for example in the form of strips or profile carriers.
  • the stringers sometimes have considerable dimensions and require correspondingly complex mounting devices.
  • rotor blade shells in layered construction or sandwich construction.
  • Such rotor blade shells usually comprise two laminate layers of fiber composite materials, between which a shaping filling layer, the so-called sandwich core, is arranged.
  • a stiffening of the rotor blade shell is realized by local thickening of the sandwich core, but to avoid sudden changes in thickness and a corresponding amount of material must be used.
  • the object of the present invention is to simplify the production of a surface-stiffened rotor blade shell and to provide a corresponding rotor blade shell.
  • the object is achieved by a method for manufacturing a rotor blade shell for a rotor blade of a wind energy plant, wherein a surface stiffening element for increasing the surface rigidity of the rotor blade shell is integrated into the rotor blade shell, with the following method steps:
  • Hardening of the matrix material wherein the fiber material for the rotor blade shell and the carrier body for the surface reinforcing element are at least partially embedded in a common carrier matrix of cured matrix material and / or wherein after hardening of the matrix material, the fiber material for the rotor blade shell and the fiber material for the surface reinforcing element at least partially in a common carrier matrix of hardened matrix are embedded.
  • the surface stiffening element is integrated directly in the manufacture of the rotor blade shell. Compared to a subsequent attachment or gluing a surface stiffening element thereby eliminates a complete step, which in particular the process time is shortened and a setting device for holding, positioning and pressing a prefabricated surface stiffening element can be saved.
  • the surface stiffening element comprises a carrier body and / or fiber material which is wetted with matrix material and forms a stiff fiber composite after hardening of the matrix material.
  • the carrier body comprises, for example, wood and / or a fiber composite material.
  • the invention expressly also includes embodiments in which a prefabricated carrier body and fiber material for the surface reinforcing element are used together.
  • the invention thus provides in particular that the surface stiffening element itself has a certain rigidity, in particular bending stiffness.
  • the surface stiffness, which in the context of the invention is in particular a buckling stiffness, of the rotor blade shell as a whole is increased by forces acting on the rotor blade shell being absorbed by the surface reinforcing element and distributed over a large area of the rotor blade shell.
  • the carrier body and / or the fiber material for the surface stiffening element are held in position according to the invention in the manufacturing mold by means of an additional support body.
  • the support body is not part of the manufacturing form.
  • fibrous material is understood in particular to mean glass fibers, carbon fibers or synthetic fibers in the form of semi-finished products, loops, woven fabrics or continuous fibers or rovings.
  • fiber material and other material for the rotor blade shell for example, one or more prefabricated straps or fillers we cork or rigid foam for a sandwich core can be used. The same applies to the surface stiffening element.
  • matrix material is understood as meaning, in particular, resin, synthetic resin or casting resin, in particular with an associated hardener.
  • the matrix material is used in a flowable state, by which, in particular, the state before full curing is designated, and introduced into the production mold.
  • it is provided in particular to saturate the fiber material designed in the form of production with matrix material or to design fiber material impregnated with matrix material, so-called prepregs, in the production form.
  • the carrier body and / or the fiber material for the surface stiffening element is arranged on an inner side of the rotor blade shell facing away from the outer side.
  • all fiber material and other material for the rotor blade shell is initially introduced or designed in an open manufacturing mold, as if the rotor blade shell is to be manufactured without an additional surface reinforcement element.
  • the material for the surface stiffening element is introduced into the manufacturing mold and formed by means of the support body and / or positioned.
  • the carrier body and / or the fiber material for the surface stiffening element are preferably arranged in the rear half, in particular in the rear quarter, of a rotor blade profile predetermined by the rotor blade shell. This is particularly advantageous for profiles with low thickness backing, in which the supporting structure of straps and main webs is arranged relatively far forward and result in correspondingly large, relatively unstable surfaces of the rotor blade shells between the supporting structure and the trailing edge.
  • a rotor blade and, correspondingly, the rotor blade shells have a longitudinal extension from the blade root, ie the region of the rotor blade close to the hub, to the blade tip, ie the region of the rotor blade remote from the hub.
  • the rotor blade has at least in sections an aerodynamic profile determined by the rotor blade shells, which optionally varies along the longitudinal extension of the rotor blade.
  • the profile is intended to flow around from front to back, ie the profile nose is at the front and the profile trailing edge is at the back.
  • the profile chord is the imaginary straight line between profile nose and profile trailing edge, the length of the chord is the tread depth. Positions and areas along the profile are given as points or sections of the chord in units of tread depth starting from the profile nose.
  • the position of the th thickness of the profile is referred to as a thickness backing.
  • the flowable matrix material is introduced into the production mold using a vacuum infusion method.
  • the manufacturing form is sealed airtight, for example, by the designed or introduced into the manufacturing form materials covered with a vacuum film and the vacuum film is sealed airtight to the manufacturing form.
  • the sealed mold is evacuated, in particular, the air is sucked in the sealed manufacturing mold, whereby a negative pressure in the manufacturing mold is generated.
  • the manufacturing mold is connected to a supply of flowable matrix material or resin, so that the matrix material is distributed under the influence of the negative pressure in the mold and impregnates the fiber material located in the mold.
  • the support body is advantageously substantially wedge-shaped with a first side, a second side and an upper side, wherein, when the support body is used as intended in the manufacturing mold, the first side of the rotor blade shell and the second side face the surface stiffening element. This makes it possible, in particular, for the support body to be stable on the first side and to support the surface stiffening element or the material for the surface stiffening element with the second side.
  • the support body is formed in a substantially double-wedge shape with an upper side and a first side facing the rotor blade shell, wherein a recess is provided on the first side for the surface reinforcement element and a second, the surface reinforcement element zugege. turned side is an inside of the recess.
  • An angle in the region of the edge between the first side and the upper side of the support body is preferably an acute angle, in particular an angle of less than 45 °.
  • the support body in particular the first side of the support body, at least partially complementary in shape to an outer side facing away from the inside of the rotor blade shell. Furthermore, it is preferably provided that the support body, in particular the second side of the support body, at least partially formed complementary to the shape of the surface stiffening element.
  • the support body is preferably removed from the finished rotor blade shell, wherein the support body is in particular reusable. In this way, unnecessary weight is avoided on the rotor blade shell. At the same time, the burden of deploying material by reuse of the support body.
  • a particularly suitable support body comprises silicone or is in particular made of silicone.
  • Such support bodies are in particular substantially dimensionally stable and yet have a soft, adaptable surface.
  • silicone is easy to process, for example by casting or spraying.
  • At least two support bodies are provided for the surface reinforcing element, wherein, in particular, the two support bodies are arranged on opposite sides of the surface reinforcing element.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that the surface stiffening element is designed as a web, wherein the web is formed on one side facing away from the rotor blade shell with another rotor blade shell connectable. This not only increases the surface stiffness of the rotor blade shell, but also stabilizes the profile of the entire rotor blade.
  • the web in the rear region of the profile for example, at more than 75% of the tread depth, arranged.
  • the rotor blade shells are typically connected to each other in the region of the profile trailing edge, so that the web is preferably arranged at less than 95% of the rotor blade depth.
  • the object is also achieved by a rotor blade shell for a rotor blade of a wind energy plant, obtainable by an invented according to the method.
  • the object is also achieved by a rotor blade for a wind energy plant with a rotor blade shell according to the invention and by a wind energy plant with a rotor blade according to the invention.
  • Fig. 3 shows schematically the inventive production of a rotor blade shell with integrated web
  • FIG. 4 schematically shows the production according to the invention of a rotor blade shell with an integrated stringer.
  • FIG. 1 shows a typical wind energy plant 1 with three rotor blades 2.
  • the cross section of one of the rotor blades 2 along the line A-A is shown in FIG.
  • the supporting structure of the exemplary rotor blade 2 comprises two straps 4, 4 ', between which two webs 5, 5' are glued. In this way, a stable box structure, which forms the supporting backbone of the rotor blade 2.
  • the aerodynamic properties of the rotor blade 2 are determined by the rotor blade shells 3, 3 'connected to the supporting structure of straps 4, 4' and webs 5, 5 ', e.g. glued, are.
  • the rotor blade shells 3, 3 ', the upper shell 3' on the suction side and the lower shell 3 on the pressure side of the rotor blade 2 are provided.
  • longitudinal struts 6, 6' so-called stringers. These longitudinal struts distribute forces acting on the rotor blade shells 3, 3 'and thus effectively prevent buckling of the rotor blade shells 3, 3'.
  • a web 7 is provided in the rear region of the rotor blade profile between the rotor blade shells 3, 3 ', which stabilizes the rotor blade profile in the region of the aerodynamically particularly important profile trailing edge.
  • FIG. 3 shows schematically how a rotor according to the invention Torblattschale 3, 3 'is made with an integrated, designed as a web 7 surface stiffening element. Shown is a section of a manufacturing mold 10 in the rear region of the rotor blade shell 3, 3 'or of the rotor blade profile predetermined by the rotor blade shell 3, 3'. The illustration is a sectional view in a plane transverse to the longitudinal extent of the rotor blade shell 3, 3 'to be manufactured.
  • laminate material 12 is designed for the rotor blade shell 3, 3 '.
  • These are, for example, fiber material and filling material for a multilayer sandwich laminate comprising an outer laminate layer, a sandwich core, for example made of cork, and an inner laminate layer.
  • a C-shaped, prefabricated profile body 18 is arranged on the material 12 for the sandwich laminate and extends substantially in the longitudinal direction of the rotor blade shell 3, 3 'to be manufactured.
  • the prefabricated profile body 18 is positioned and supported by means of two support bodies 16, 16 '.
  • fibrous material for example in the form of sewn fiber scrims made of glass fibers, which are shaped and held in shape by means of the support bodies.
  • the support bodies 16, 16 ' are formed on their profile body 18 facing side 162, 162' in each case complementary to the profile body 18.
  • the lower surfaces 161, 161 'of the support body 16, 16' are each complementary in shape to the rotor blade shell 3, 3 'is formed. This results in controllable cavities between the support members 16, 16 'and the laminate material 12 and between the support members 16, 16' and the profile body 18, which are then filled with resin.
  • the manufacturing mold 10 with the laminate materials 12, the profile carriers 18 and the support bodies 16, 16 ' is covered with a vacuum film 14.
  • the vacuum film 14 is fastened to the mold 10 by means of a seal 15 so that the interior of the mold 10 can be evacuated to supply flowable resin or matrix material in a vacuum infusion process.
  • suction and resin flows are provided, which are distributed over the surface of the mold 10 and / or the vacuum film 14 suitable.
  • an extraction nozzle in the vacuum film 14 in the region of the profile body 18 is advantageous, because in this way the flow of the resin across the surface of the rotor blade shell 3, 3 'is supported. This is particularly advantageous if, instead of the carrier body 18, fiber material is used for the web 7.
  • Exhaust nozzles are preferably equipped with a resin barrier, for example in the form of a semipermeable membrane. This prevents the resin from being sucked out of the mold again.
  • a resin barrier for example in the form of a semipermeable membrane. This prevents the resin from being sucked out of the mold again.
  • the support body 16, 16 ' are formed as a silicone casting. Thus, they are sufficiently dimensionally stable in order to support the profile body 18 even under negative pressure in the production mold 10 and have the same timely a flexible, conformable surface to compensate for small irregularities in the surface of the laminate material 12 and / or the profile body 18.
  • FIG. Another embodiment of the invention is shown schematically in FIG. Again, a section of a manufacturing mold 10 for a rotor blade shell 3, 3 'is shown in the laminate material 12 for the rotor blade shell 3, 3' is arranged.
  • the laminate material 12 consists of resin-impregnated fiber mats, so-called prepregs, which are laid out in the mold 10 and remain there until the resin has hardened.
  • a stiffening rib or Stringer 6, 6' is integrated in the rotor blade shell 3, 3 '.
  • a shaped body 20 is provided, which is covered with one or more layers of prepreg fibers 22.
  • the molded body is formed, for example, from hard foam or PVC foam and therefore hardly contributes to the surface stiffening of the rotor blade shell 3, 3 'at.
  • a molded body 20 can be used with a certain inherent rigidity, whereby the stiffening effect of the stringer 6, 6 'for the rotor blade shell 3, 3 'is still increased.
  • the essential function of the shaped body 20 in the present example is to specify the shape of the final stringer 6, 6 ', which is essential for the stiffening effect.
  • the illustrated triangular shape is to be understood as an example.
  • embodiments according to the invention without shaped bodies 20 are also conceivable, the shaping taking place, for example, exclusively by one or more supporting bodies 16, 16 ', 24.
  • the example shown in FIG. 4 comprises a support body 24 with a recess which is complementary in shape to the rotor blade shell 3, 3 on the underside 241 and complementary to the stringer 6, 6 'on an inner side 242 of the recess.
  • the support body 24 covers the fiber material 22 for the stringer and thus ensures that the outer shape of the stringer 6, 6 'is predetermined until the prepregs cure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen einer Rotorblattschale (3, 3') für ein Rotorblatt (2) einer Windenergieanlage (1), wobei in die Rotorblattschale (3, 3') ein Flächenversteifungselement (6, 6', 7) zur Erhöhung der Flächensteifigkeit der Rotorblattschale (3, 3') integriert wird, wobei ein Stützkörper (16, 16', 24) zur Positionierung eines Trägerkörpers (18) und/oder eines Fasermaterials (22) für das Flächenversteifungselement (6, 6', 7) in der Fertigungsform (10) für die Rotorblattschale (3, 3') vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Rotorblattschale (3, 3') für ein Rotorblatt (2) einer Windenergieanlage (1), ein Rotorblatt (2) für eine Windenergieanlage (1) und eine Windenergieanlage (1).

Description

Fertigung einer Rotorblattschale
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen einer Rotorblattschale für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, wobei in die Rotorblattschale ein zusätzliches Flächenversteifungselement zur Erhöhung der Flächensteifigkeit der Rotorblattschale integriert wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Rotorblattschale für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage sowie eine Windenergieanlage.
Bekannt sind Rotorblätter für Windenergieanlagen aus mehreren Einzelteilen, die einzeln in Faserverbundbauweise gefertigt und zu einem Rotorblatt gefügt werden. Die Einzelteile weisen zum Teil erhebliche Ausmaße auf und sind gewöhnlich flächig, d.h. die Dicke ist wesentlich kleiner als die Länge und die Breite.
Typische Rotorblätter bestehen aus wenigstens zwei Rotorblattschalen, die die äußere Form und somit die wesentlichen aerodynamischen Eigenschaften des Rotorblattes vorgeben. Die Rotor-
BESTÄTIGUNGSKOPIE blattschalen sind üblicherweise im Bereich der größten Profildicke des Rotorblattes durch sogenannte Gurte verstärkt und im Bereich der Gurte durch Hauptstege miteinander verbunden. Die Gurte und die Hauptstege bilden dabei die wesentliche tragende Struktur des Rotorblattes, während die Rotorblattschalen ansonsten relativ leicht und dünn ausgebildet sind. Zwischen der tragenden Struktur aus Gurten und Hauptstegen und der Hinterkante des Rotorblattes ergeben sich große Flächen, wo die Rotorblattschalen relativ leicht und dünn ausgebildet sind.
Im Stand der Technik werden zur Erhöhung der Beul- und Flä- chensteifigkeit in diesem Bereich der Rotorblattschalen zusätzliche Versteifungen, sogenannte Stringer, verwendet, die beispielsweise in Form von Leisten oder Profilträgern in die Rotorblattschalen eingeklebt werden. Die Stringer haben teilweise erhebliche Ausmaße und erfordern entsprechend aufwändige Montagevorrichtungen.
Eine alternative Methode zur Flächenversteifung ist bekannt für Rotorblattschalen in Schichtbauweise oder Sandwichbauweise. Derartige Rotorblattschalen umfassen üblicherweise zwei Laminatschichten aus Faserverbundwerkstoffen, zwischen denen eine formgebende Füllschicht, der sogenannte Sandwichkern, angeordnet ist. Eine Versteifung der Rotorblattschale wird durch lokale Verdickungen des Sandwichkerns realisiert, wobei jedoch sprunghafte Änderungen der Dicke vermieden und entsprechend viel Material eingesetzt werden muss.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Fertigung einer flächenversteiften Rotorblattschale zu vereinfachen sowie eine entsprechende Rotorblattschale anzugeben. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Fertigen einer Rotorblattschale für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, wobei in die Rotorblattschale ein Flächenversteifungselement zur Erhöhung der Flächensteifigkeit der Rotorblattschale integriert wird, mit den folgenden Verfahrensschritten:
- Vorsehen von Fasermaterial für die Rotorblattschale in einer Fertigungsform, wobei durch die Fertigungsform die Form einer Außenseite der Rotorblattschale vorgegeben ist oder wird,
- Einbringen eines Trägerkörpers und/oder von Fasermaterial für das Flächenversteifungselement in die Fertigungsform, wobei ein Stützkörper zur Positionierung des Trägerkörpers und/oder des Fasermaterials für das Flächenversteifungselement in der Fertigungsform vorgesehen ist,
- Einbringen von fließfähigem Matrixmaterial in die Fertigungsform, so dass das Fasermaterial für die Rotorblattschale und der Trägerkörper für das Flächenversteifungselement mit Matrixmaterial benetzt werden und/oder so dass das Fasermaterial für die Rotorblattschale und das Fasermaterial für das Flächenversteifungselement mit Matrixmaterial benetzt werden, und
- Aushärten des Matrixmaterials, wobei das Fasermaterial für die Rotorblattschale und der Trägerkörper für das Flächenversteifungselement wenigstens teilweise in eine gemeinsame Trägermatrix aus ausgehärtetem Matrixmaterial eingebettet sind und/oder wobei nach Aushärten des Matrixmaterials das Fasermaterial für die Rotorblattschale und das Fasermaterial für das Flächenversteifungselement wenigstens teilweise in eine gemeinsame Trägermatrix aus ausgehärtetem Matrixma- terial eingebettet sind.
Gemäß der Erfindung wird das Flächenversteifungselement direkt beim Fertigen der Rotorblattschale integriert. Gegenüber einem nachträglichen Anbringen oder Einkleben eines Flächenversteifungselements entfällt dadurch ein kompletter Arbeitsschritt, wodurch insbesondere die Prozesszeit verkürzt und eine Setzvorrichtung zum Halten, Positionieren und Anpressen eines vorgefertigten Flächenversteifungselements eingespart werden.
Gemäß der Erfindung umfasst das Flächenversteifungselement einen Trägerkörper und/oder Fasermaterial, das mit Matrixmaterial benetzt wird und nach Aushärten des Matrixmaterials einen steifen Faserverbund bildet. Der Trägerkörper umfasst dabei beispielsweise Holz und/oder einen Faserverbundwerkstoff. Die Erfindung umfasst ausdrücklich auch Ausführungsformen, bei denen ein vorgefertigter Trägerkörper und Fasermaterial für das Flächenversteifungselement zusammen verwendet werden.
Die Erfindung sieht somit insbesondere vor, dass das Flächenversteifungselement selbst eine gewisse Steifigkeit, insbesondere Bie- gesteifigkeit, aufweist. Dadurch wird insbesondere ein Einbeulen der Rotorblattschale verhindert und somit die Flächensteifigkeit, die im Rahmen der Erfindung insbesondere eine Beulsteifigkeit ist, der Rotorblattschale insgesamt erhöht, indem auf die Rotorblattschale einwirkende Kräfte von dem Flächenversteifungselement aufgenommen und über eine große Fläche der Rotorblattschale verteilt werden.
Der Trägerkörper und/oder das Fasermaterial für das Flächenversteifungselement werden gemäß der Erfindung in der Fertigungsform mittels eines zusätzlichen Stützkörpers in Position gehalten. Der Stützkörper ist dabei kein Bestandteil der Fertigungsform.
Unter Fasermaterial werden im Rahmen der Erfindung insbesondere Glasfasern, Kohlefasern oder Kunststofffasern in Form von Halbzeugen, Gelegen, Geweben oder Endlosfasern oder Rowings verstanden. Neben Fasermaterial kann auch weiteres Material für die Rotorblattschale, beispielsweise ein oder mehrere vorgefertigte Gurte oder Füllmaterialien wir Kork oder Hartschaum für einen Sandwichkern, verwendet werden. Entsprechendes gilt für das Flächenversteifungselement.
Unter Matrixmaterial wird im Rahmen der Erfindung insbesondere Harz, Kunstharz oder Gießharz, insbesondere mit einem zugehörigen Härter, verstanden. Das Matrixmaterial wird erfindungsgemäß in fließfähigem Zustand, worunter insbesondere der Zustand vor dem vollständigen Aushärten bezeichnet wird, verwendet und in die Fertigungsform eingebracht. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, das in der Fertigungsform ausgelegte Fasermaterial mit Matrixmaterial zu durchtränken oder mit Matrixmaterial getränktes Fasermaterial, sogenannte Prepregs, in der Fertigungsform auszulegen.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der Trägerkörper und/oder das Fasermaterial für das Flächenversteifungselement an einer der Außenseite abgewandten Innenseite der Rotorblattschale angeordnet wird.
Insbesondere wird in einer offenen Fertigungsform zunächst alles Fasermaterial und sonstiges Material für die Rotorblattschale eingebracht oder ausgelegt, so als ob die Rotorblattschale ohne zusätzliches Flächenversteifungselement gefertigt werden soll. Anschließend wird das Material für das Flächenversteifungselement in die Fertigungsform eingebracht und mittels des Stützkörpers geformt und/oder positioniert. Dadurch wird eine besonders einfache Fertigung ermöglicht, weil das Auslegen der Materialien für die Rotorblattschale und für das Flächenversteifungselement unabhängig voneinander erfolgt. Außerdem wird ermöglicht, bei bestehenden Rotorblattdesigns nachträglich zusätzliche Flächenversteifungselemente vorzusehen, ohne das Design des Laminats der Rotorblattschale verändern oder anpassen zu müssen.
Der Trägerkörper und/oder das Fasermaterial für das Flächenversteifungselement werden vorzugsweise in der hinteren Hälfte, insbesondere im hinteren Viertel, eines durch die Rotorblattschale vorgegebenen Rotorblattprofils angeordnet. Dies ist insbesondere vorteilhaft für Profile mit geringer Dickenrücklage, bei denen die tragende Struktur aus Gurten und Hauptstegen relativ weit vorne angeordnet ist und sich entsprechend große, relativ labile Flächen der Rotorblattschalen zwischen der tragenden Struktur und der Hinterkante ergeben.
Ein Rotorblatt und entsprechend die Rotorblattschalen weisen im Rahmen dieser Erfindung eine Längserstreckung von der Blattwurzel, d.h. dem nabennahen Bereich des Rotorblattes, zur Blattspitze, d.h. dem nabenfernen Bereich des Rotorblattes, auf. Quer zu dieser Längserstreckung weist das Rotorblatt wenigstens abschnittsweise ein durch die Rotorblattschalen bestimmtes aerodynamisches Profil auf, das gegebenenfalls entlang der Längserstreckung des Rotorblattes variiert. Das Profil wird bestimmungsgemäß von vorne nach hinten umströmt, d.h. die Profilnase ist vorne und die Profilhinterkante ist hinten. Die Profilsehne ist die gedachte gerade Linie zwischen Profilnase und Profilhinterkante, die Länge der Profilsehne ist die Profiltiefe. Positionen und Bereiche entlang des Profils werden angegeben als Punkte bzw. Abschnitte der Profilsehne in Einheiten der Profiltiefe beginnend von der Profilnase. Die Position der groß- ten Dicke des Profils wird als Dickenrücklage bezeichnet.
Bei einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass das fließfähige Matrixmaterial unter Verwendung eines Vakuuminfusionsverfahrens in die Fertigungsform eingebracht wird. Hierbei wird die Fertigungsform luftdicht abgedichtet, beispielsweise indem die in die Fertigungsform ausgelegten oder eingebrachten Materialien mit einer Vakuumfolie abgedeckt und die Vakuumfolie gegenüber der Fertigungsform luftdicht abgedichtet wird. Anschließend wird die abgedichtete Fertigungsform evakuiert, insbesondere wird die Luft in der abgedichteten Fertigungsform abgesaugt, wodurch ein Unterdruck in der Fertigungsform erzeugt wird. Als letzter Schritt wird die Fertigungsform mit einem Vorrat an fließfähigem Matrixmaterial oder Harz verbunden, so dass das Matrixmaterial unter dem Einfluss des Unterdrucks in der Form verteilt wird und das in der Form befindliche Fasermaterial durchtränkt.
Der Stützkörper ist vorteilhafterweise im Wesentlichen keilförmig mit einer ersten Seite, einer zweiten Seite und einer Oberseite ausgebildet, wobei bei bestimmungsgemäßem Einsatz des Stützkörpers in der Fertigungsform die erste Seite der Rotorblattschale und die zweite Seite dem Flächenversteifungselement zugewandt ist. Dadurch wird insbesondere ermöglicht, dass der Stützkörper stabil auf der ersten Seite steht und das Flächenversteifungselement oder das Material für das Flächenversteifungselement mit der zweiten Seite abstützt.
Dieser Vorteil wird auch erreicht, wenn der Stützkörper im Wesentlichen doppelkeilförmig ausgebildet ist mit einer Oberseite und einer der Rotorblattschale zugewandten ersten Seite, wobei eine Aussparung an der ersten Seite für das Flächenversteifungselement vorgesehen ist und eine zweite, dem Flächenversteifungselement zuge- wandte Seite eine Innenseite der Aussparung ist.
Ein Winkel im Bereich der Kante zwischen der ersten Seite und der Oberseite des Stützkörpers ist vorzugsweise ein spitzer Winkel, insbesondere ein Winkel von weniger als 45°.
Dadurch ergibt sich ein gleichmäßiger Übergang zwischen dem Fasermaterial für die Rotorblattschale und der Oberseite des Stützkörpers. Gerade bei Verwendung eines Vakuuminfusionsverfahrens wird so ermöglicht, dass die Vakuumfolie glatt auf dem Fasermaterial für die Rotorblattschale und dem Stützkörper aufliegt. Dadurch wird verhindert, dass bei Evakuierung der Fertigungsform das Fasermaterial für die Rotorblattschale oder das Material für das Flächenversteifungselement unter Einwirkung des Unterdruckes verrutschen oder Falten bilden.
Besonders vorteilhaft ist der Stützkörper, insbesondere die erste Seite des Stützkörpers, wenigstens abschnittsweise formkomplementär zu einer der Außenseite abgewandten Innenseite der Rotorblattschale ausgebildet. Des Weiteren ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Stützkörper, insbesondere die zweite Seite des Stützkörpers, wenigstens abschnittsweise formkomplementär zu dem Flächenversteifungselement ausgebildet ist.
Dadurch werden Zwischenräume vermieden, die beim Einleiten von Matrixmaterial in die Fertigungsform zu unerwünschten Verdickungen, Materialansammlungen und dergleichen führen können.
Der Stützkörper wird vorzugsweise von der fertigen Rotorblattschale entfernt, wobei der Stützkörper insbesondere wiederverwendbar ist. Auf diese Weise wird unnötiges Gewicht an der Rotorblattschale vermieden. Gleichzeitig verringert sich der Aufwand an eingesetz- tem Material durch Wiederverwendung des Stützkörpers.
Ein besonders geeigneter Stützkörper umfasst Silikon oder ist insbesondere aus Silikon ausgebildet.
Derartige Stützkörper sind insbesondere im Wesentlichen formstabil und weisen dennoch eine weiche, anpassungsfähige Oberfläche auf. Außerdem ist Silikon einfach zu verarbeiten, beispielsweise durch Gießen oder Spritzen. Insbesondere ist ermöglicht, dass der Stützkörper für eine erste Verwendung direkt in der Fertigungsform unter Verwendung von Spritzsilikon geformt wird, aushärtet und für weitere baugleiche Rotorblattschalen wiederverwendet wird.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens zwei Stützkörper für das Flächenversteifungselement vorgesehen sind, wobei insbesondere die zwei Stützkörper an gegenüberliegenden Seiten des Flächenversteifungselements angeordnet sind.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Flächenversteifungselement als Steg ausgebildet ist, wobei der Steg an einer der Rotorblattschale abgewandten Seite mit einer weiteren Rotorblattschale verbindbar ausgebildet ist. Hierdurch wird nicht nur die Flächensteifigkeit der Rotorblattschale erhöht, sondern auch das Profil des gesamten Rotorblattes stabilisiert. Besonders vorteilhaft ist der Steg im hinteren Bereich des Profils, beispielsweise bei mehr als 75% der Profiltiefe, angeordnet. Andererseits sind die Rotorblattschalen typischerweise im Bereich der Profilhinterkante miteinander verbunden, so dass der Steg vorzugsweise bei weniger als 95% der Rotorblatttiefe angeordnet ist.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Rotorblattschale für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, erhältlich durch ein erfin- dungsgemäßes Verfahren.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage mit einer erfindungsgemäßen Rotorblattschale und durch eine Windenergieanlage mit einem erfindungsgemäßen Rotorblatt.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Windenergieanlage,
Fig. 2 schematisch einen Querschnitt durch ein Rotorblatt einer Windenergieanlage,
Fig. 3 schematisch die erfindungsgemäße Fertigung einer Rotorblattschale mit integriertem Steg und
Fig. 4 schematisch die erfindungsgemäße Fertigung einer Rotorblattschale mit einem integrierten Stringer.
In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente bzw. entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern ver- sehen, so dass von einer entsprechenden erneuten Vorstellung abgesehen wird.
Fig. 1 zeigt eine typische Windenergieanlage 1 mit drei Rotorblättern 2. Der Querschnitt eines der Rotorblätter 2 entlang der Linie A-A ist in Fig. 2 gezeigt.
Die tragende Struktur des beispielhaften Rotorblattes 2 umfasst zwei Gurte 4, 4', zwischen denen zwei Stege 5, 5' eingeklebt sind. Auf diese Weise entsteht eine stabile Kastenstruktur, die das tragende Rückgrat des Rotorblattes 2 bildet.
Die aerodynamischen Eigenschaften des Rotorblattes 2 werden durch die Rotorblattschalen 3, 3' bestimmt, die mit der tragenden Struktur aus Gurten 4, 4' und Stegen 5, 5' verbunden, z.B. verklebt, sind. Typischerweise sind wenigstens zwei Rotorblattschalen 3, 3', die Oberschale 3' auf der Saugseite und die Unterschale 3 auf der Druckseite des Rotorblattes 2, vorgesehen.
Zur Stabilisierung der großen Flächen der Rotorblattschalen 3, 3' hinter der tragenden Struktur 4, 4', 5, 5' des Rotorblattes 2 sind Längsverstrebungen 6, 6', so genannte Stringer, vorgesehen. Diese Längsverstrebungen verteilen auf die Rotorblattschalen 3, 3' einwirkende Kräfte und verhindern so wirksam ein Einbeulen der Rotorblattschalen 3, 3'.
Zusätzlich ist im hinteren Bereich des Rotorblattprofils zwischen den Rotorblattschalen 3, 3' ein Steg 7 vorgesehen, der das Rotorblattprofil im Bereich der aerodynamisch besonders wichtigen Profilhinterkante stabilisiert.
In Fig. 3 ist schematisch gezeigt, wie eine erfindungsgemäße Ro- torblattschale 3, 3' mit einem integrierten, als Steg 7 ausgebildeten Flächenversteifungselement gefertigt wird. Gezeigt ist ein Ausschnitt einer Fertigungsform 10 im hinteren Bereich der Rotorblattschale 3, 3' bzw. des durch die Rotorblattschale 3, 3' vorgegebenen Rotorblattprofils. Die Darstellung ist eine Schnittdarstellung in einer Ebene quer zur Längserstreckung der zu fertigenden Rotorblattschale 3, 3'.
In der Fertigungsform 0 ist Laminatmaterial 12 für die Rotorblattschale 3, 3' ausgelegt. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Fasermaterial und Füllmaterial für ein mehrschichtiges Sandwichlaminat umfassend eine äußere Laminatschicht, einen Sandwichkern, beispielsweise aus Kork, und eine innere Laminatschicht. Ein C- förmiger, vorgefertigter Profilkörper 18 ist auf dem Material 12 für das Sandwichlaminat angeordnet und erstreckt sich im Wesentlichen in Längsrichtung der zu fertigenden Rotorblattschale 3, 3'.
Der vorgefertigte Profilkörper 18 wird mittels zweier Stützkörper 16, 16' positioniert und gestützt. Alternativ dazu kann auch Fasermaterial, beispielsweise in Form vernähter Fasergelege aus Glasfasern, verwendet werden, die mittels der Stützkörper in Form gebracht und gehalten werden.
Dabei sind die Stützkörper 16, 16' an ihrer dem Profilkörper 18 zugewandten Seite 162, 162' jeweils formkomplementär zum Profilkörper 18 ausgebildet. Auch sind die Unterseiten 161 , 161 ' der Stützkörper 16, 16' jeweils formkomplementär zu der Rotorblattschale 3, 3' ausgebildet. Hierdurch ergeben sich kontrollierbare Hohlräume zwischen den Stützkörpern 16, 16' und dem Laminatmaterial 12 und zwischen den Stützkörpern 16, 16' und dem Profilkörper 18, die anschließend mit Harz ausgefüllt werden. Insbesondere wird durch die Form der Stützkörper 16, 16' an der zweiten Seite 162, 162' genau vorgegeben, in wieweit der Profilkörper 18 seitlich von Harz benetzt und entsprechend in die spätere Trägermatrix aus ausgehärtetem Harz eingebettet wird.
Die Oberseiten 163, 163' der Stützkörper 16, 16' bilden zusammen mit dem Profilkörper 18 eine gleichmäßige einhüllende Fläche, die sich im Wesentlichen stufenlos und nahtlos an die Oberfläche des Laminatmaterials 12 für die Rotorblattschale 3, 3' anschließt. Die Fertigungsform 10 mit den Laminatmaterialien 12, den Profilträgern 18 sowie den Stützkörpern 16, 16' ist mit einer Vakuumfolie 14 abgedeckt. Die Vakuumfolie 14 ist mittels einer Abdichtung 15 an der Fertigungsform 10 befestigt, so dass der Innenraum der Fertigungsform 10 evakuierbar ist, um fließfähiges Harz oder Matrixmaterial in einem Vakuuminfusionsverfahren zuzuführen.
Hierzu sind nicht gezeigte Absaugstutzen und Harzzuflüsse vorgesehen, die geeignet über die Fläche der Fertigungsform 10 und/oder der Vakuumfolie 14 verteilt sind. Vorteilhaft ist beispielsweise ein Absaugstutzen in der Vakuumfolie 14 im Bereich des Profilkörpers 18, weil hierdurch das Fließen des Harzes quer zur Fläche der Rotorblattschale 3, 3' unterstützt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn statt des Trägerkörpers 18 Fasermaterial für den Steg 7 verwendet wird.
Absaugstutzen sind vorzugsweise mit einer Harzsperre, beispielsweise in Form einer semipermeablen Membran, ausgestattet. Dadurch wird verhindert, dass das Harz wieder aus der Fertigungsform herausgesaugt wird.
Die Stützkörper 16, 16' sind als Silikongusskörper ausgebildet. Damit sind sie ausreichend formstabil, um auch bei Unterdruck in der Fertigungsform 10 den Profilkörper 18 zu stützen und haben gleich- zeitig eine flexible, anpassungsfähige Oberfläche, um kleine Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Laminatmaterials 12 und/oder des Profilkörpers 18 auszugleichen.
Durch die besondere Ausgestaltung der Stützkörper 16, 16' wird sichergestellt, dass der Profilkörper 18 bei dem Infusionsprozess nicht verrutscht, dass Fasermaterial 12 für die Rotorblattschale 3, 3' keine Falten wirft und keine ungewollten Hohlräume entstehen.
Nach der Harzinfusion und dem Aushärten des Harzes werden die Vakuumfolie 14 sowie die Stützkörper 16, 16' entfernt und die fertige Rotorblattschale 3, 3' mit integriertem Steg 7 der Form entnommen oder entformt. Die Rotorblattschale 3, 3' steht jetzt für die weitere Rotorblattfertigung zur Verfügung.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in Fig. 4 gezeigt. Auch hier ist ein Ausschnitt einer Fertigungsform 10 für eine Rotorblattschale 3, 3' gezeigt, in der Laminatmaterial 12 für die Rotorblattschale 3, 3' angeordnet ist. In diesem Fall besteht das Laminatmaterial 12 aus mit Harz vorgetränkten Fasermatten, sogenannten Prepregs, die in der Fertigungsform 10 ausgelegt werden und dort verbleiben, bis das Harz ausgehärtet ist.
In die Rotorblattschale 3, 3' wird eine Versteifungsrippe oder Strin- ger 6, 6' integriert. Hierfür ist ein Formkörper 20 vorgesehen, der mit einer oder mehreren Lagen Prepreg-Fasern 22 abgedeckt ist.
Der Formkörper ist beispielsweise aus Hartschaum oder PVC- Schaum ausgebildet und trägt daher kaum zur Flächenversteifung der Rotorblattschale 3, 3' bei. Alternativ kann jedoch ein Formkörper 20 mit gewisser Eigensteifigkeit verwendet werden, wodurch die versteifende Wirkung des Stringers 6, 6' für die Rotorblattschale 3, 3' noch erhöht wird.
Die wesentliche Funktion des Formkörpers 20 im vorliegenden Beispiel besteht darin, die Form des endgültigen Stringers 6, 6', die wesentlich für die versteifende Wirkung ist, vorzugeben. Die dargestellte dreieckige Form ist dabei ausdrücklich beispielhaft zu verstehen. Insbesondere sind auch erfindungsgemäße Ausführungsformen ohne Formkörper 20 denkbar, wobei die Formgebung beispielsweise ausschließlich durch einen oder mehrere Stützkörper 16, 16', 24 erfolgt.
Das in Fig. 4 gezeigte Beispiel umfasst einen Stützkörper 24 mit einer Aussparung, der an der Unterseite 241 formkomplementär zur Rotorblattschale 3, 3 und an einer Innenseite 242 der Aussparung formkomplementär zum Stringer 6, 6' ausgebildet ist. Der Stützkörper 24, deckt das Fasermaterial 22 für den Stringer ab und gewährleistet so, dass die äußere Form des Stringers 6, 6' bis zum Aushärten der Prepregs vorgegeben wird.
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Bezuqszeichenliste
1 Windenergieanlage
2 Rotorblatt
3, 3' Rotorblattschale
4, 4' Rotorblattgurt
5, 5' Hauptsteg
6, 6' Stringer
7 Steg
10 Fertigungsform
12 Laminatmaterial für Rotorblattschale
14 Vakuumfolie
15 Abdichtung
16, 16' Stützkörper
18 Profilkörper
20 Formkörper
22 Fasermaterial für Stringer
24 Stützkörper

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Fertigen einer Rotorblattschale (3, 3') für ein Rotorblatt (2) einer Windenergieanlage (1 ), wobei in die Rotorblattschale (3, 3') ein Flächenversteifungselement (6, 6', 7) zur Erhöhung der Flächensteifigkeit der Rotorblattschale ( 3, 3') integriert wird, mit den folgenden Verfahrensschritten:
- Vorsehen von Fasermaterial (12) für die Rotorblattschale (3, 3') in einer Fertigungsform (10), wobei durch die Fertigungsform (10) die Form einer Außenseite der Rotorblattschale (3, 3') vorgegeben ist oder wird,
- Einbringen eines Trägerkörpers (18) und/oder von Fasermaterial (22) für das Flächenversteifungselement (6, 6', 7) in die Fertigungsform (10), wobei ein Stützkörper (16, 16', 24) zur Positionierung des Trägerkörpers (18) und/oder des Fasermaterials (22) für das Flächenversteifungselement (6, 6', 7) in der Fertigungsform (10) vorgesehen ist, Einbringen von fließfähigem Matrixmaterial in die Fertigungsform (10), so dass das Fasermaterial (12) für die Rotorblattschale (3, 3') und der Trägerkörper für das Flächenversteifungselement (6, 6', 7) mit Matrixmaterial benetzt werden und/oder so dass das Fasermaterial (12) für die Rotorblattschale (3, 3') und das Fasermaterial (22) für das Flächenversteifungselement (6, 6', 7) mit Matrixmaterial benetzt werden, und
Aushärten des Matrixmaterials, wobei das Fasermaterial (12) für die Rotorblattschale (3, 3') und der Trägerkörper (18) für das Flächenversteifungselement (6, 6', 7) wenigstens teilweise in eine gemeinsame Trägermatrix aus ausgehärtetem Matrixmaterial eingebettet sind und/oder wobei nach Aushärten des Matrixmaterials das Fasermaterial (12) für die Rotorblattschale (3, 3') und das Fasermaterial (22) für das Flächenversteifungselement (6, 6', 7) wenigstens teilweise in eine gemeinsame Trägermatrix aus ausgehärtetem Matrixmaterial eingebettet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (18) und/oder das Fasermaterial (22) für das Flächenversteifungselement (6, 6', 7) an einer der Außenseite abgewandten Innenseite der Rotorblattschale (3, 3') angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (18) und/oder das Fasermaterial (22) für das Flächenversteifungselement (6, 6', 7) in der hinteren Hälfte, insbesondere im hinteren Viertel, eines durch die Ro- torblattschale (3, 3') vorgegebenen Rotorblattprofils angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige Matrixmaterial unter Verwendung eines Vakuuminfusionsverfahrens in die Fertigungsform (10) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (16, 16', 24) im Wesentlichen keilförmig mit einer ersten Seite (161 , 161 ' 241 ), einer zweiten Seite (162, 162', 242) und einer Oberseite (163, 163', 243) ausgebildet ist, wobei bei bestimmungsgemäßem Einsatz des Stützkörpers (16, 16", 24) in der Fertigungsform (10) die erste Seite (161 , 161 ', 241 ) der Rotorblattschale (3, 3') und die zweite Seite (162, 162', 242) dem Flächenversteifungselement (6, 6', 7) zugewandt sind.
Verfahren nach einem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel im Bereich der Kante zwischen der ersten Seite (161 , 161 ', 241 ) und der Oberseite (163, 163', 243) des Stützkörpers (16, 16', 24) ein spitzer Winkel, insbesondere ein Winkel von weniger als 45°, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch kennzeichnet, dass der Stützkörper (16, 16', 24), insbesondere die erste Seite (161 , 161 ', 241 ) des Stützkörpers (16, 16', 24), wenigstens abschnittsweise formkomplementär zu einer der Außenseite abgewandten Innenseite der Rotorblattschale (3, 3') ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Stützkörper (16, 16', 24), insbesondere die zweite Seite (162, 162', 242) des Stützkörpers (16, 16', 24), wenigstens abschnittsweise formkomplementär zu dem Flächenversteifungselement (6, 6', 7) ausgebildet ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (16, 16', 24) von der fertigen Rotorblattschale (3, 3') entfernt wird, wobei der Stützkörper (16, 16', 24) insbesondere wiederverwendbar ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (16, 16', 24) Silikon um- fasst, insbesondere aus Silikon ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Stützkörper (16, 16', 24) für das Flächenversteifungselement (6, 6', 7) vorgesehen sind. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenversteifungselement (6, 6', 7) als Steg (7) ausgebildet ist, wobei der Steg (7) an einer der Rotorblattschale (3, 3') abgewandten Seite mit einer weiteren Rotorblattschale (3', 3) verbindbar ausgebildet ist.
13. Rotorblattschale (3, 3') für ein Rotorblatt (2) einer Windenergieanlage (1 ), erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12. 14. Rotorblatt (2) für eine Windenergieanlage (1 ) mit einer Rotorblattschale (3, 3') nach Anspruch 13. Windenergieanlage (1 ) mit einem Rotorblatt (2) nach spruch 14.
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