NO340100B1 - Rotorblad for et vindkraftanlegg - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår et rotorblad for et vindkraftanlegg, hvor rotorbladet i det minste har en første og en andre komponent, hvorved den første komponenten har rotorbladspissen og den andre komponenten rotorbladroten.

Et delt rotorblad er f.eks. kjent fra DE 199 62 989 Al. Delene til dette kjente rotorbladet blir på grunn av de betydelige dimensjonene fremstilt og transportert hver for seg for slik å begrense belastningene på infrastrukturen så vel ved fremstillingen som også ved transporten.

Som generelt videre teknikkens stand blir det henvist til DE 101 52 449 Al, DE 203 20 714 Ul ogWO03 078833 Al.

Oppgaven til den foreliggende oppfinnelsen er å optimere videre et rotorblad for et vindkraftanlegg.

Denne oppgaven blir for et rotorblad av den arten som ble nevnt i innledningen løst gjennom anvendelsen av et første materiale for den første komponenten og et andre materiale for den andre komponenten.

Det er således tilveiebrakt et rotorblad for et vindkraftanlegg som har minst en første og en andre komponent. Den første komponenten har rotorbladspissen og den andre komponenten rotorbladroten. Den første og den andre komponenten er utformet som separate deler for sammen å danne rotorbladet. Den første komponenten har et første materiale og den andre komponenten et andre materiale.

Derved ligger den kunnskapen til grunn for oppfinnelsen at gjennom en deling av rotorbladet blir riktignok dimensjonene til delene som skal håndteres redusert, men et utvalg av egnede materialer og dermed forbundne produksjonsfremgangsmåter påvirker likeledes økonomien gunstig og at dette kan tilbakeføres til flere faktorer. Gjennom en reduksjon av dimensjonene på enkeltdelene reduseres også kravene på infrastruktur og logistikk ved fremstilling, håndtering og transport av rotorblader frem til monteringen på vindkraftanlegget. Men infrastrukturen er også avhengig av materialet som skal bearbeides, for alt etter materiale er før og etter den rene formgivningen før- og etterbearbeidingstrinnene nødvendige. Dette er f.eks. tilskjæring og fjerning av grader ved metallbearbeidingen. Med bearbeidingen av fiberforsterkede kunststoffer hører oppfylling av forhåndsangitte termiske krav, f.eks. ved temperforløp, etc.

Mens teknikkens stand riktignok allerede beskriver flerdelte rotorblader, hvor deres formgivende deler i hele rotorbladlengden hele tiden er fremstilt av det samme materialet, foreslår oppfinnelsen anvendelsen av forskjellige materialer som fordelaktig lar seg avstemme til hovedfunksjonen til komponentene. Dette målrettede materialvalget fører f.eks. til et materiale med forholdsvis høy E-modul for et område som blir påført store belastningen, og til et materiale med liten egenvekt for rotorbladdeler, hvor denne belastningen ikke opptrer.

Ifølge teknikkens stand ville ellers lett materiale med forholdsvis lav E-modul f.eks. også bli brukt der, hvor en høy belastning må være sikret. Tilsvarende mye materiale må bli bygget inn; betydelig mer enn det som er påkrevet for å bevare formen for å sikre en sikker belastning. Denne betydelige materialmengden kan gjennom et valg av et annet materiale med en høyere E-modul bli spart inn ifølge oppfinnelsen.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt et rotorblad for et vindkraftanlegg som angitt i krav 1, og et vindkraftanlegg, som angitt i krav 11, med minst ett slikt rotorblad.

I en utvalgt utforming av rotorbladet er den andre komponenten igjen delt i minst to deler som sammen danner den andre komponenten. Oppdelingen foregår fortrinnsvis i en bærende del og et bladbakstykke. Gjennom denne oppdelingen kan håndteringen av store rotorbladkomponenter bli forenklet videre og særlig veitransporten blir på denne måten noe forenklet, for rotorblader har den største dybden i området til den andre komponenten og kan der lett nå dimensjoner på mer enn 6 m. Dermed fremstiller hver trang kjørebane og hver bro et potensielt hinder med tilsvarende problemer som gjennom en deling av denne andre komponenten blir redusert om ikke til og med kan bli unngått.

Derved blir det særlig foretrukket for de to delene som sammen danner den andre komponenten igjen å anvende forskjellige materialer.

For å forenkle løsningen av transportoppgaven videre er bladbakstykket etter behov delt opp i flere deler, slik at på denne måten kan rotorblader med dimensjoner etter eget ønske bli fremstilt og transportert.

For å komme frem til en særlig fordelaktig oppdeling av rotorbladet i begge komponentene har den første komponenten fortrinnsvis en lengde på omtrent 5/6 til 1/2 av lengden av hele rotorbladet, mens lengden av den andre komponenten fortrinnsvis tilsvarer 1/6 til 1/2 av lengden på rotorbladet.

Bladbakstykket h.h.v. dets deler kan f.eks. bli fremstilt av aluminium. Dette materialet er lett, enkelt å forme og har temperaturforhold som kommer nær opp til stål. Derfor er det ved en kombinasjon av et aluminiumbakstykke og en bærende del av stål å forvente å kunne fremstille et relativt prisgunstig blad med en tilstrekkelig riktig form. Ut over dette er også E-modulen for aluminium omtrent med en faktor 5 mindre enn for stål. Derav fremkommer blant annet at belastninger som blir påført den andre komponenten ikke blir tatt opp det mykere materialet til bakstykket. Tilsvarende gunstigere kan igjen dimensjoneringen av delene til bakstykket foregå.

For å forenkle monteringen av bladet gjennom sammenføyningen av enkeltdelene og også under senere drift ved en kontroll av bladet og særlig en kontroll av overgangen mellom den første og den andre komponenten er det særlig foretrukket at den bærende delen av den andre komponenten er utformet slik at man kan gå på den. Det betyr på den ene siden at innerrommet har tilstrekkelig plass og videre at materialet er så bærende at det i det minste ikke oppstår noen (varige) deformeringer.

Forbindelsen til den første og andre komponenten foregår særlig foretrukket med en kort stang, hvorved forbindelseselementene til utjevningen av sarmnenføyningsfugen utelukkende er anordnet inne i rotorbladet. Derigjennom blir en aerodynamisk ren ytterkontur på bladet oppnådd.

Her er forbindelsen fortrinnsvis utformet slik at forbindelseselementene omfatter tverrbolter, trekkelementer og på den andre komponenten en L-flens som er rettet innover i rotorbladet, hvorved tverrboltene er holdt i utsparinger i den første komponenten. Disse utsparingene er i en utvalgt utforming utformet som gjennomgangshull. For å få en aerodynamisk feilfri rotorbladoverflate blir hullene dekket til på egnet måte. Dette kan skje ved hjelp av forhåndsfremstilte tildekninger som hullet blir dekket til med utenfra. Naturligvis kan denne oppgaven også bli løst ved bladoverflatebearbeidingen gjennom påføring av en fyllmasse eller lignende.

I en alternativ utforming av den foreliggende oppfinnelsen er utsparingene utformet som endehull med bunn fra innersiden på den første komponenten, hvor trekkelementene uavhengig av arten av utformingen til utsparingene er forbundet med tverrboltene, strekker seg til L-flensen og er festet der.

Avgjørende for utformingen av utsparingene er materialtykkelsen til den første komponenten i området ved utsparingen. For å oppnå en sikker avlastning er det for tverrboltene nødvendig med en forhåndsangitt minsteopplagsflate hvor det fremgår den nødvendige dybden på utsparingen. Hvis materialet ikke er tykkere blir det et gjennomgangshull som så må bli dekket til på rotorbladoverflaten. Er materialet tykkere er et endehull med bunn tilstrekkelig, slik at en etterbearbeiding av rotorbladoverflaten ikke er nødvendig.

Til å utnytte dette økonomisk fordelaktige bladet foreligger det et vindkraftanlegg med minst et rotorblad av denne arten.

I det etterfølgende blir et utvalgt utformingseksempel av den foreliggende oppfinnelsen forklart nærmere ved hjelp av de vedlagte figurene. Her viser: figur 1 en eksplosjonsfremstilling av et rotorblad ifølge oppfinnelsen, figur 2 en fremstilling av et rotorblad ifølge oppfinnelsen i sammenføyd tilstand, figur 3 en forenklet fremstilling av forbindelsen mellom den første og den andre komponenten, sett fra siden, figur 4 forbindelsen mellom den første og den andre komponenten, sett ovenfra, og figur 5 en alternativ utforming av forbindelsen fremstilt i figur 3.

Eksplosjonsfremstillingen i figur 1 viser den første komponenten 10 som omfatter rotorbladspissen 11. Den andre komponenten 20 blir dannet av to deler, nemlig en bærende del 22 som også omfatter rotorbladroten 23 til festet for rotorbladet på det ikke fremstilte rotornavet, og også et bladbakstykke 24. Den bærende delen 22 har en første forbindelsesflate 22a og en andre forbindelsesflate 22b. Den første forbindelsesflaten 22a tjener til å forbinde den bærende delen 22 med den første komponenten h.h.v. forbindelsesflaten 10a på den første komponenten. Den andre forbindelses- h.h.v. kontaktflaten 22b tjener til å forbinde den bærende delen 22 med bladbakstykket 24. Herved er de tilsvarende kontaktflatene, d.v.s. for det første kontakt- h.h.v. forbindelsesflaten 22a og for det andre kontakt- h.h.v. forbindelsesflaten 10a tilpasset slik til hverandre, at den bærende delen og den første komponenten i alt vesentlig kan bli festet til hverandre uten synlig overgang. Tilsvarende gjelder for forbindelses- h.h.v. kontaktflatene 22b og 24a.

Figur 2 viser rotorbladet 1 ifølge oppfinnelsen sammensatt. Her danner den første komponenten 10 og den andre komponenten 20 sammensatt av delene 22 og 24 rotorbladet som i sin helhet er betegnet med henvisningen 1.

Gjennom valg av forskjellige materialer blir det tatt hensyn til de forskjellige kravene til komponentene h.h.v. deres deler. Slik blir det for den første komponenten (bladspissen) fortrinnsvis anvendt fiberforsterket kunstharpiks, mens det for den bærende delen i den andre komponenten (bladroten) blir benyttet stål og aluminium finner anvendelse for delen eller delene til bladbakstykket. Slik kan den bærende delen bli gitt den nødvendige fastheten gjennom lenge kjent og sikkert behersket arbeidsfremgangsmåte ved stålbearbeidingen. Da det for den andre komponenten handler om den som omfatter rotorbladroten, som altså for det sammenføyde rotorbladet danner det indre navnære området, blir det ikke stilt særlig høye krav til utformingen. Gjennom den relativt høye E-modulen for stål er det heller ikke nødvendig med ytterligere materiale for å lede bort de opptredende belastningene fra rotorbladet. Annerledes forholder det seg med f.eks. glassfiberarmert kunststoff (GFK) som materiale til den andre komponenten. Her måtte det bli anvendt mere materiale enn det som egentlig er nødvendig for en formstabil utforming for å oppnå den nødvendige bøyestivheten for avlastningen. Men da stål har en omtrent 5 ganger høyere E-modul enn GFK er denne forsterkningen og innsatsen, som uunngåelig inngår i dette, ikke nødvendig.

Den første komponenten (bladspissen) som danner den ytterste delen på rotorbladet må derimot bli fremstilt med høy formlikhet, da denne komponenten helt overveiende bestemmer de aerodynamiske egenskapene til rotorbladet. Til dette har det i mange år vært kjent fremstillingsfremgangsmåter med anvendelse av fiberforsterkede kunstharpikser, slik at også i serieproduksjon av komponenter med en høy formlikhet og samtidig lav vekt lar seg fremstille, men med høyere materialomkostninger enn for stål. Naturligvis kan også et annet materiale med forholdsvis lav vekt, som aluminium, bli anvendt for den første komponenten. Den lave vekten til den første komponenten fører til tilsvarende lav belastning som virker inn på den andre komponenten og hele vindkraftanlegget. Eksempelvis er her omløpssykliske belastninger gjennom gravitasjonsvirkningen nevnt.

Av figur 3 fremgår det hvordan en forbindelse mellom den første komponenten 10 og den andre komponenten 20 h.h.v. kontaktflaten 10a og kontaktflaten 22b kan foregå.

I den første komponenten 10 er det utformet såkalte blindhull, altså utsparinger som ikke går tvers igjennom materialet. I en slik utsparing blir det satt inn en tverrbolt 12. Med denne tverrbolten 12 blir et trekkelement 14, f.eks. en gjengestang, forbundet, hvor lengden er utmålt slik at den stikker så langt ut av den første komponenten 10 at den andre komponenten 20 kan bli satt på og en sammenskruing er mulig.

Da den andre komponenten 20 har en L-flens 26 som er rettet innover i rotorbladet fremgår det av denne figur 3 at også tverrbolten 12 blir satt inn i utsparingen fra det indre av rotorbladet. Derigjennom blir rotorbladets ytterside uberørt og dermed aerodynamisk ren.

Som det videre fremgår av denne figuren blir begge komponentene 10, 20 på rotorbladet forbundet med hverandre, i det en mutter 16 blir satt på gjengene til trekkelementet 14 som stikker ut av L-flensen 26 på den andre komponenten 20.

For å oppnå en gunstigere avlastning fra L-flensen 26 i den andre komponenten kan det med forhåndsangitte avstander foreligge avstivningsplater 28.

Figur 4 viser forbindelsen mellom den første komponenten 10 og den andre komponenten 20, sett ovenfra. Her er igjen tverrboltene 12 fremstilt som trekkelementene 14 er forbundet med, som griper gjennom L-flensen 26 på den andre komponenten 20 og er trukket fast til med muttere 16, slik at det blir en fast forbindelse mellom de to komponentene 10, 20.

Av denne figuren fremgår det videre at mellom to nabotrekkelementer foreligger et avstivningsplate 28, slik at denne avstivningsplaten 28 er fordelt over hele innerperiferien til rotorbladet og dermed understøtter en jevn avlastning.

Figur 5 viser en alternativ utforming av forbindelsen fremstilt i figur 3. Forskjellen mellom de to figurene består i alt vesentlig i at det i figur 5 er fremstilt gjennomgangshull istedenfor blindhull vist i figur 3. De øvrige delene er like og har de samme henvisningene som i figur 3. Derfor blir her ikke beskrivelsen gjentatt og for så vidt henvist til beskrivelsen for figur 3.

Rotorbladene beskrevet ovenfor blir fortrinnsvis anvendt som rotorblader i et vindkraftanlegg hvor vindkraftanlegget fortrinnsvis har tre av disse rotorbladene.

Ifølge et annet utformingseksempel på oppfinnelsen kan bladbakstykket 24 og også rotorbladspissen ha forskjellige dimensjoner. Men her skulle det bli passet på at forbindelsesflatene 10a på rotorbladspissen 24a og bladbakstykket 24 også med forskjellige dimensjoner på rotorbladspissen og bakstykket forblir like, slik at de aktuelle h.h.v. de forskjellige rotorbladspissene og bladbakstykkene kan bli festet på den bærende delen 22. Følgelig kan det bli sikret at basert på den bærende delen 22 og med forskjellig utformede rotorbladspisser og rotorbladbakstykker 24 kan et rotorblad bli bygget opp modulært. Det aktuelle rotorbladet kan følgelig på enkel måte bli tilpasset driftsbetingelsene som er å forvente. Følgelig kan rotorblader med forskjellig lengde, bredde og med forskjellige geometriske mål bli fremstilt, hvorved den bærende delen forblir uforandret og bare rotorbladspissen og bladbakstykket må bli tilpasset tilsvarende.

Følgelig kan en omkostningsgunstig produksjon av den bærende delen bli oppnådd, da denne delen er utformet identisk for mange forskjellige rotorblader.

Claims (11)

1. Rotorblad for et vindkraftanlegg med minst en første og andre komponent, hvor den første komponenten har rotorbladspissen og den andre komponenten rotorbladroten og den første og den andre komponenten er separate deler som sammen danner rotorbladet, hvor den første komponenten (10) har et første materiale og den andre komponenten (20) har et andre materiale, hvor den andre komponenten (20) har en første og en andre del (22, 24) som er utformet som separate deler og sammen danner den andre komponenten (20), hvor den første delen fremstiller en bærende del (22) og den andre delen et bladbakstykke (24), hvor den første delen har et andre materiale og den andre delen har et tredje materiale, hvor fiberforsterket kunststoff foreligger som det første materiale, stål som andre materiale for den bærende delen (22) i den andre komponenten (20), og aluminium som det tredje materiale for delen eller delene til bladbakstykket (24).

2. Rotorblad ifølge krav 1,karakterisert veden oppdeling av bladbakstykket (24) i flere deler.

3. Rotorblad ifølge foregående krav,karakterisert vedat lengden av den første komponenten (10) tilsvarer omtrent 5/6 til 1/2 av lengden av hele rotorbladet og at lengden av den andre komponenten (20) tilsvarer omtrent 1/6 til 1/2 av hele rotorbladet 0).

4. Rotorblad ifølge foregående krav,karakterisert vedat i det minste den bærende delen (22) av den andre komponenten er utformet slik at man kan gå på den.

5. Rotorblad ifølge foregående krav,karakterisert veden forbindelse mellom den første og andre komponenten (10, 20) av rotorbladet (1) med en kort stang, hvor forbindelseselementene for å dekke over stangfugen utelukkende er anordnet inne i rotorbladet (1).

6. Rotorblad ifølge krav 5,karakterisert vedat forbindelseselementene har tverrbolter (12), trekkelementer (14) og en L-flens (26) rettet innover på rotorbladet på den andre komponenten (20), hvor tverrboltene (12) blir holdt i utsparinger i den første komponenten (10) og hvor trekkelementene (14) som er forbundet med tverrboltene (12) strekker seg gjennom L-flensen (26) og er festet der.

7. Rotorblad ifølge krav 6,karakterisert vedat utsparingene i den første komponenten (10) til å holde tverrboltene (12) er utformet som blindhull fra innersiden av den første komponenten (10).

8. Rotorblad ifølge foregående krav, videre med en første komponent som har rotorbladspissen, en andre komponent som har rotorbladroten, hvor den første og den andre komponenten er utformet som separate deler og sammen danner rotorbladet, hvor den andre komponenten har minst en første bærende del (22) og minst en andre del som fremstiller bladbakstykket (24), hvor rotorbladet er bygget opp modulært og hvor rotorbladspisser med forskjellige dimensjoner kan bli festet på den bærende delen (22) og/eller bladbakstykker (24) med forskjellige dimensjoner kan bli festet på den bærende delen (22).

9. Rotorblad ifølge krav 8, hvor rotorbladspissene (10) også før forskjellige geometriske utforminger har en på forhånd definert kontaktflate (10a), hvor rotorbladbakstykkene (24) også ved forskjellige dimensjoner har en på forhånd definert kontaktflate (24a).

10. Rotorblad ifølge krav 7-8, hvor forbindelsesflaten (10a) på rotorbladspissen (10) er tilpasset en første forbindelsesflate (22a) på den bærende delen (22), og hvor kontaktflaten (24a) på bladbakstykket (24) er tilpasset en andre forbindelsesflate (22b) på den bærende delen (22).

11. Vindkraftanlegg med minst ett rotorblad ifølge foregående krav.