WO2006039953A1 - Rotorblatt für eine windenergieanlage - Google Patents

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WO2006039953A1
WO2006039953A1 PCT/EP2005/007261 EP2005007261W WO2006039953A1 WO 2006039953 A1 WO2006039953 A1 WO 2006039953A1 EP 2005007261 W EP2005007261 W EP 2005007261W WO 2006039953 A1 WO2006039953 A1 WO 2006039953A1
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WO
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rotor blade
mandrel
longitudinal
blade according
transverse
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Application number
PCT/EP2005/007261
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English (en)
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Inventor
Peter Meyer
Original Assignee
Eew Maschinenbau Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • 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
    • F03D1/0658—Arrangements for fixing wind-engaging parts to a hub
    • 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 energy plant.
  • Conventional rotor blades for wind turbines consist of two half-shells and a bulkhead, which is arranged in the cavity between the two half-shells and extends along the longitudinal axis of the rotor blade.
  • the half-shells of the rotor blades are usually made from a glass fiber / synthetic resin mixture. They are joined together to form a rotor blade by gluing the smooth end faces of the half shells and the end faces of the longitudinal flange together.
  • a composite rotor blade becomes with its root the hub of the rotor of a wind turbine attached.
  • the rotor blades are designed in such a way that they absorb the forces generated by the wind pressure and the rotation of the wind power plant and lead into the blade root via the two connected half shells and the bulkhead.
  • a rotor blade must therefore be made correspondingly stiff.
  • the half-shells must also be shaped according to the desired outer contour of the rotor blade.
  • the explained structure of the rotor blades requires a comparatively high wall thickness of the half shells in the region of the blade root, while the wall thickness can decrease towards the tip of the rotor blade.
  • rotor blades for modern wind turbines have a high weight. This is associated with several disadvantages.
  • the transport of a rotor blade is very complicated.
  • conventional rotor blades can only be mounted on a wind power plant under difficult circumstances, which is generally only possible with the help of large crane installations.
  • change during assembly or disassembly when replacing a rotor blade the static conditions of the entire wind turbine significantly. In the case of larger systems, this may necessitate that the wind energy plant must be supported by means of another crane during assembly or disassembly of the rotor blades.
  • the rotor blade for a wind turbine has a mandrel which extends from the root of the rotor blade to the tip of the rotor blade.
  • a number of transverse ribs are arranged at a distance from one another on the mandrel.
  • a covering skin surrounds the spine and the transverse ribs.
  • a thorn is to be understood here in the sense of "at least one thorn”.
  • rotor blades which have a plurality of mandrels in the area surrounded by the covering skin, which extend substantially in the longitudinal direction of the rotor blade and in principle can also run curved, are also covered by the invention.
  • the covering skin may have an upper shell resting on the upwardly facing end faces of the transverse formers and a lower shell resting on the downwardly facing end faces of the transverse formers, wherein the upper shell or the lower shell may also be designed in several parts.
  • the covering skin is made in one piece, e.g. from a wound web (see below).
  • the mandrel preferably tapers towards the tip of the rotor blade and has a conical shape, for example.
  • the term "mandrel” also covers a cylindrical basic form here. Since the forces occurring in the operation of the rotor blade in the region of the root of the rotor blade have a larger surface area required moment of inertia than in the region of the tip of the rotor blade, a tapering mandrel is associated with weight advantages.
  • the mandrel and the transverse frames form a basic framework.
  • the transverse ribs serve to support the cover skin of the rotor blade, which - in contrast to the above-described prior art rotor blades - does not have to perform a supporting function.
  • the shape of the transverse ribs preferably corresponds to the contour of the circumference of the rotor blade in the respective plane of extent of the transverse ribs. It is also conceivable, however, for the individual transverse ribs to support the covering skin in the respective extent plane only at certain points.
  • the mandrel is preferably hollow and provided in its interior with a transverse and longitudinal stiffening, e.g. with a cross rib.
  • a transverse and longitudinal stiffening e.g. with a cross rib.
  • the rigidity of the rotor blade can be increased.
  • the desired increase in stiffness can also be achieved with the help of other Spantan extract.
  • Particularly advantageous are angular arrangements.
  • the rotor blade further includes at least one longitudinal rib which extends between the mandrel and the cover skin over at least part of the length of the rotor blade.
  • at least one longitudinal rib which extends between the mandrel and the cover skin over at least part of the length of the rotor blade.
  • two longitudinal ribs can be provided which extend between the mandrel and the front edge of the rotor blade and between the mandrel and the rear edge of the rotor blade; Additional longitudinal ribs can extend, for example, transversely to these two longitudinal ribs.
  • at least one longitudinal stiffener may additionally be present which extends transversely to a longitudinal frame between this longitudinal stiffener and the longitudinal stiffener. spant and the cover skin extends over at least part of the length of the rotor blade.
  • the longitudinal ribs and longitudinal stiffeners additionally stabilize the basic framework consisting of the mandrel (or mandrels) and the transverse ribs and thus form a supporting structure from which the covering skin can be held in many places. It is possible, the cover skin also at the longitudinal ribs and on the longitudinal stiffeners only punctually to un ⁇ support; but it is also conceivable that the L jossspanten and Lnaturesteifen not reach up to the top edge. This concept makes it possible to design the covering skin very thinly so that the covering skin forms a membrane which is essentially stressed only by tensile forces.
  • the mandrel should have a diameter that does not exceed as much as 90% of the distance between the cover skin at the top and at the bottom of the rotor blade, so that sufficient space for such deflections to Available.
  • the above-mentioned one-piece structure of the cover skin can be achieved, for example, by winding web material onto the support structure.
  • the rotor blade can furthermore have at least one tension band which extends in the region of the covering skin over at least part of the length of the rotor blade.
  • a respective tension band may be arranged on the outer surface or on the inner side of the cover skin, for example in the region of the front edge and the trailing edge of the support structure.
  • the drawstrings convert the bends and oscillations of the rotor blade resulting from the wind pressure into tensile forces that are introduced into the root of the blade.
  • the tension belts with rounded or angular cross-sectional shape can be used. to be a circular or square cross section is also conceivable.
  • the above-described components of the rotor blade (or at least some of these components), namely mandrel, transverse ribs, covering skin, transverse and longitudinal reinforcement inside the mandrel, longitudinal ribs, longitudinal stiffeners and drawstrings, have in preferred embodiments of the invention a composite material, preferably a composite material with a fiber material and a curable resin.
  • a composite material preferably a composite material with a fiber material and a curable resin.
  • Particularly advantageous fiber materials are carbon fibers, glass fibers and aramid fibers (i.e., aromatic polyamide fibers, for example, marketed by DuPont under the name of "Kevlar"). Also mixtures of such fiber materials are conceivable.
  • the resin e.g. Epoxy resin and polyester resin.
  • the fibers may be directed or arranged in a multi-directional manner. Braided fibers or chopped monofilaments are also conceivable. Furthermore, a variati ⁇ on the resin content in a wide range may be useful, up to a reduction to zero.
  • the ratio of tensile strength to density is considerably more favorable than with steel or aluminum.
  • a rotor blade in which the cover skin is carried in a manner according to the invention by a basic framework and which is produced using un ⁇ ter composite materials, is therefore much easier than a conventional rotor blade.
  • the rotor blade according to the invention thus avoids the disadvantages of the conventional rotor blades explained in the introduction. Due to the high strength of the composite materials, in principle so small material thicknesses are possible that additional measures must be taken to ensure sufficient rigidity of the components or individual components of the rotor blade.
  • the sandwich structure vor ⁇ preferably an upper cover layer, a foamed middle layer (ie a central layer with a foam) and a lower cover layer, wherein the two outer layers preferably contain one of the illustrated composite materials.
  • a sandwich structure may also be useful for the cover skin.
  • a sandwich structure may even be recommended in this case.
  • connections between components of the rotor blade ie between the parts of the support structure and the cover skin
  • any connection that withstands the stresses during operation is suitable for this purpose.
  • adhesive, screw or rivet connections are conceivable.
  • Positive connections, which, for example, can also be additionally glued, can also be used.
  • the compounds are preferably configured with a composite material of the type explained above.
  • angular structures can be used.
  • a basic body of carbon fibers, glass fibers, aramid fibers or a mixture of these materials is applied over the entire edge length of the joint, for example with a cross section such as an angle profile, and soaked in resin.
  • This basic body may for example consist of a mat material which is made of multidirectionally braided fibers of these fiber materials or of chopped monofilaments. Another possibility of connection is the injection of resin, aramid fibers, carbon fibers, glass fibers or a mixture thereof into the joints between the individual parts or components.
  • the root of the mandrel may be provided with a flange portion which has a larger circumference than the rest of the mandrel extending towards the tip of the rotor blade.
  • the transition from this flange portion to the subsequent tip-facing portion of the mandrel may be e.g. be formed over an angle or as a tapered surface.
  • a steel insert which is introduced into the mandrel in the region of the root of the rotor blade or which comprises the mandrel, is provided, which is set up to connect the rotor blade to a rotor flange of a wind energy plant.
  • a steel insert designed as a ring may be arranged on the end of the above-mentioned flange part, which points towards the tip of the rotor blade.
  • This ring is preferably provided with holes which serve to receive bolts, with the aid of which the rotor blade can be connected to the hub (rotor flange) of a wind energy plant.
  • the purpose of the steel ring is to provide a fastening point for the connecting bolts, which consists of a loadable and in particular also hard material which is suitable for withstanding the forces acting on the connection of the rotor blade and the hub and at the same time less susceptible to damage than the composite material of the mandrel.
  • FIG. 1 shows a three-dimensional representation of an embodiment of the rotor blade according to the invention without covering skin
  • FIG. 2 shows a cross section through the rotor blade according to FIG. 1 along the axis II-II, wherein the covering skin is drawn in,
  • FIG. 3 shows an illustration of connections between components of the rotor blade in a partial cross section
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through the mandrel in the region of the root of the rotor blade from FIG. 1.
  • FIG. 1 illustrates the construction and the supporting framework of a rotor blade 1 for a wind energy plant.
  • the rotor blade 1 extends in the longitudinal direction from a root 2, where it can be mounted on the hub of a wind turbine, up to a tip 4 and has a leading edge 6 and a trailing edge 8.
  • a mandrel 10 is arranged in the longitudinal direction, which forms an essential element of the support structure.
  • the mandrel 10 (apart from a stiffening structure in its interior, see below) is designed to be rotationally symmetrical.
  • the mandrel 10 has a flange 12 of relatively large diameter (see also Figure 4), which merges via a tapered transition 14 into a main part 16.
  • the main part 16 is conical and gradually tapers towards the tip 4 of the rotor blade 1.
  • To stiffen the village 10 is an ange ⁇ arranged in its interior funnelspant 18, see also Figure 2. Otherwise, the interior of the mandrel 10 is hollow.
  • transverse ribs 20 are attached to each other at a distance.
  • the circumferential line of a respective transverse bulkhead 20 predetermines the cross-sectional shape of the rotor blade 1 at the relevant point.
  • Longitudinal chips 22, 23, 24 and 25 as well as longitudinal stiffeners 26, 27, 28 and 29 extend in the longitudinal direction of the rotor blade 1, see FIG. 1 and FIG. 2.
  • the longitudinal ribs 22 to 25 run, by definition, between the mandrel 10 and Cover skin of the rotor blade 1, while the longitudinal stiffeners 26 to 29 emanate from the longitudinal ribs 22 to 25 and run towards the cover skin.
  • the longitudinal ribs 22 to 25 and the longitudinal ribs 26 to 29 do not have to touch the covering skin, since the covering skin is already sufficiently supported by the transverse ribs 20 and defined in their shape.
  • the covering skin consists of an upper shell 30 and a lower shell 31, see FIG. 2.
  • the upper shell 30 and the lower shell 31 are manufactured as separate components and joined to the supporting structure of the rotor blade 1. Serve in the embodiment of tongue and groove connections on the front edge 6 and at the trailing edge 8 of the Rotor blades 1, which are glued together.
  • the upper shell 30 and the lower shell 31 are relatively thick components due to the separate production.
  • the cover skin of the rotor blade 1 as a membrane of very thin material, preferably carbon fibers, which can be processed by means of textile techniques and e.g. can be wound as a web to the supporting structure of the rotor blade 1 from the root 2 to the top 4. If necessary, a hardening resin may be added to the carbon fiber material.
  • the rotor blade 1 has an edge reinforcement 32 serving as a drawstring in the region of its trailing edge 8 and an angled intermediate piece 34 likewise serving as a drawstring in the region of its front edge 6. Furthermore, an ice protection profile 36 made of metal is provided on the front edge 6.
  • the parts and components of the rotor blade 1 are made of a composite material which contains carbon fibers and a curable resin (preferably epoxy resin or polyester resin).
  • a curable resin preferably epoxy resin or polyester resin.
  • another fiber material eg of glass fibers or of aramid fibers, as explained above
  • the mandrel 10 the transverse ribs 20, the longitudinal ribs 22 to 25 and longitudinal ribs 26 to 29 extending in sections between the transverse ribs 20 and also the upper shell 30 and the lower shell 31 are designed as sandwich structures.
  • Such a sandwich structure has an upper cover layer and a lower cover layer. layer of the illustrated composite material and a hard foam layer therebetween which keeps the two outer layers at a distance, which leads to a high rigidity and buckling strength of the corresponding component.
  • FIG. 3 illustrates how the individual parts of the rotor blade 1 can be connected to one another by means of the connections between the mandrel 10, the longitudinal rib 24 and the upper shell 30.
  • An angle structure 40 is arranged in each case along the contact points.
  • the angle structures 40 include an angled mat having a fibrous material (e.g., carbon fibers, glass fibers and / or aramid fibers) which is impregnated with a thermosetting resin and, upon application to the respective junction, virtually bonds the parts to be bonded together. Further details and also other connection techniques are already explained above.
  • a fibrous material e.g., carbon fibers, glass fibers and / or aramid fibers
  • the mandrel 10 in the region of the root 2 has a flange part 12 of larger diameter, which merges via a bevelled transition 14 into the main part 16 of the mandrel 10.
  • Figure 4 is shown how the flange 12 can be connected to the hub of a wind turbine.
  • annular flange support 42 located above the transition 14 is an annular flange support 42 made of steel, which forms a stable support for a number of bolts 44.
  • the mandrel 10 carrying the entire rotor blade 1 can be screwed to the hub not shown in FIG.

Abstract

Ein Rotorblatt (1) für eine Windenergieanlage weist einen sich von der Wurzel (2) des Rotorblatts (1) bis zur Spitze (4) des Rotorblatts (1) erstreckenden Dorn (10) auf. Auf dem Dorn (10) ist eine Anzahl von Querspanten (20) zueinander beabstandet angeordnet. Der Dorn (10), die Querspanten (20) und gegebenenfalls weitere, in Längsrichtung des Rotorblatts (1) verlaufende Versteifungen (22 bis 29) sind von einer Deckhaut umgeben.

Description

Rotorblatt für eine Windenergieanlagβ
Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windenergiean- läge.
Herkömmliche Rotorblätter für Windenergieanlagen bestehen aus zwei Halbschalen und einem Spant, der in dem Hohlraum zwischen den, beiden Halbschalen angeordnet ist und sich entlang der Längsachse des Rotorblatts erstreckt. Die Halbschalen der Ro¬ torblätter sind üblicherweise aus einem Glasfaser/Kunstharz- Gemisch hergestellt. Sie werden zu einem Rotorblatt zusammen¬ gefügt, indem die glatten Stirnflächen der Halbschalen sowie die Stirnflächen des Längsspants miteinander verklebt werden. Ein so zusammengesetztes Rotorblatt wird mit seiner Wurzel an der Nabe des Rotors einer Windenergieanlage befestigt. Die Ro¬ torblätter sind derart ausgelegt, dass sie die durch den Wind¬ druck und die Rotation der Windenergieanlage erzeugten Kräfte aufnehmen und über die beiden verbundenen Halbschalen sowie den Spant in die Blattwurzel führen. Ein Rotorblatt muss daher entsprechend steif ausgebildet werden. Gleichzeitig müssen die Halbschalen auch entsprechend der gewünschten äußeren Kontur des Rotorblattes ausgeformt sein. Der erläuterte Aufbau der Rotorblätter bedingt eine vergleichsweise hohe Wanddicke der Halbschalen im Bereich der Blattwurzel, während die Wanddicke zur Spitze des Rotorblatts hin abnehmen kann.
Wegen der geforderten hohen Wanddicke weisen Rotorblätter für moderne Windenergieanlagen ein hohes Gewicht auf. Dies ist mit mehreren Nachteilen verbunden. Zum einen ist der Transport ei¬ nes Rotorblatts sehr aufwendig. Ferner sind herkömmliche Ro¬ torblätter nur unter schwierigen Umständen an einer Windener¬ gieanlage zu montieren, was in der Regel nur mit Hilfe großer Kranlagen möglich ist. Zudem ändern sich während der Montage bzw. Demontage beim Austausch eines Rotorblatts die statischen Verhältnisse der gesamten Windenergieanlage erheblich. Dies kann es bei größeren Anlagen erforderlich machen, dass die Windenergieanlage bei der Montage bzw. Demontage der Rotor¬ blätter mittels eines weiteren Krans abgestützt werden muss.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Rotorblatt für eine Wind¬ energieanlage zu schaffen, das über ein möglichst geringes Ge¬ wicht verfügt und trotzdem in der Lage ist, die beim Betrieb einer Windenergieanlage auftretenden hohen Kräfte aufzunehmen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Rotorblatt für eine Wind¬ energieanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran¬ sprüchen.
Das erfindungsgemäße Rotorblatt für eine Windenergieanlage weist einen Dorn auf, der sich von der Wurzel des Rotorblatts bis zur Spitze des Rotorblatts erstreckt. Auf dem Dorn ist ei¬ ne Anzahl von Querspanten auf Abstand zueinander angeordnet. Eine Deckhaut umgibt den Dorn und die Querspanten.
Der Begriff "ein Dorn" ist hier im Sinne von "mindestens ein Dorn" zu verstehen. Denn Rotorblätter, die in dem von der Deckhaut umgebenen Bereich mehrere Dorne aufweisen, die sich im Wesentlichen in Längsrichtung des Rotorblatts erstrecken und dabei im Prinzip auch gekrümmt verlaufen können, fallen ebenfalls unter die Erfindung.
Die Deckhaut kann eine auf den nach oben weisenden Stirnflä- chen der Querspanten aufliegende Oberschale und eine auf den nach unten weisenden Stirnflächen der Querspanten aufliegende Unterschale aufweisen, wobei die Oberschale bzw. die Unter¬ schale auch mehrteilig ausgebildet sein können. Es ist aber auch denkbar, dass die Deckhaut einstückig gestaltet ist, z.B. aus einer aufgewickelten Bahn (siehe unten) .
Der Dorn verjüngt sich vorzugsweise zur Spitze des Rotorblatts hin und hat z.B. eine konische Form. Grundsätzlich deckt hier der Begriff "Dorn" auch eine zylindrische Grundform mit ab. Da bei den im Betrieb des Rotorblatts auftretenden Kräften im Be¬ reich der Wurzel des Rotorblatts ein größeres Flächenträg- heitsmoment erforderlich ist als im Bereich der Spitze des Ro¬ torblatts, ist ein sich verjüngender Dorn mit Gewichtsvortei¬ len verbunden.
Bei dem erfindungsgemäßen Rotorblatt bilden der Dorn und die Querspanten ein Grundgerüst. Die Querspanten dienen der Ab¬ stützung der Deckhaut des Rotorblattes, die - im Gegensatz zu den eingangs erläuterten vorbekannten Rotorblättern - keine tragende Funktion übernehmen muss. Die Form der Querspanten entspricht bevorzugt der Kontur des Umfanges des Rotorblatts in der jeweiligen Erstreckungsebene der Querspanten. Denkbar ist es aber auch, dass die einzelnen Querspanten die Deckhaut in der jeweiligen Erstreckungsebene nur punktuell abstützen.
Der Dorn ist vorzugsweise hohl und in seinem Inneren mit einer Quer- und Längsversteifung versehen, z.B. mit einem Kreuz¬ spant. Auf diese Weise lässt sich die Steifigkeit des Rotor¬ blatts erhöhen. Die gewünschte Erhöhung der Steifigkeit kann jedoch auch mit Hilfe anderer Spantanordnungen erzielt werden. Besonders vorteilhaft sind winkelige Anordnungen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung enthält das Rotorblatt ferner mindestens einen Längsspant, der sich zwi¬ schen dem Dorn und der Deckhaut über zumindest einen Teil der Länge des Rotorblatts erstreckt. Dabei können z.B. zwei Längs¬ spanten vorgesehen sein, die zwischen dem Dorn und der Vorder¬ kante des Rotorblatts sowie zwischen dem Dorn und der Hinter¬ kante des Rotorblatts verlaufen; zusätzliche Längsspanten kön¬ nen sich z.B. quer zu diesen beiden Längsspanten erstrecken. Ferner kann zusätzlich mindestens eine Längssteife vorhanden sein, die sich quer zu einem Längsspant zwischen diesem Längs- spant und der Deckhaut über zumindest einen Teil der Länge des Rotorblatts erstreckt. Die Längsspanten und Längssteifen sta¬ bilisieren das aus dem Dorn (oder den Dornen) und den Quer¬ spanten bestehende Grundgerüst zusätzlich und bilden damit ei- ne Tragstruktur, von der die Deckhaut an vielen Stellen gehal¬ ten werden kann. Dabei ist es möglich, die Deckhaut auch an den Längsspanten und an den Längssteifen nur punktuell zu un¬ terstützen; es ist aber auch denkbar, dass die Längsspanten und Längsteifen gar nicht bis an die Deckkante heranreichen. Dieses Konzept ermöglicht es, die Deckhaut sehr dünn auszuge¬ stalten, sodass die Deckhaut eine Membran bildet, die im We¬ sentlichen nur auf Zugkräfte beansprucht wird. Wegen der im Betrieb des Rotorblatts unter den Windkräften auftretenden Durchbiegungen der Deckhaut sollte der Dorn einen Durchmesser haben, der möglichst 90% des Abstandes zwischen der Deckhaut an der Oberseite und an der Unterseite des Rotorblatts nicht überschreiten, damit genügend Platz für derartige Durchbiegun¬ gen zur Verfügung steht. Die weiter oben erwähnte einstückige Struktur der Deckhaut lässt sich z.B. durch Aufwickeln von Bahnware auf die Tragstruktur erzielen.
Das Rotorblatt kann ferner mindestens ein Zugband aufweisen, das sich im Bereich der Deckhaut über zumindest einen Teil der Länge des Rotorblatts erstreckt. Dabei kann ein jeweiliges Zugband auf der äußeren Oberfläche oder an der Innenseite der Deckhaut angeordnet sein, z.B. im Bereich der Vorderkante und der Hinterkante der Tragstruktur. Durch die Zugbänder werden die durch den Winddruck entstehenden Biegungen und Schwingun¬ gen des Rotorblatts in Zugkräfte umgesetzt, die in die Blatt- wurzel eingeleitet werden. Je nach Anforderung können die Zug¬ bänder mit abgerundeter oder mit eckiger Querschnittsform ge- staltet sein; auch ein kreisrunder oder quadratischer Quer¬ schnitt ist denkbar.
Die zuvor erläuterten Komponenten des Rotorblatts (oder zumin- dest einige dieser Komponenten) , nämlich Dorn, Querspanten, Deckhaut, Quer- und Längsversteifung im Inneren des Dorns, Längsspanten, Längssteifen und Zugbänder, weisen bei bevorzug¬ ten Ausführungsformen der Erfindung einen Verbundwerkstoff auf, vorzugsweise einen Verbundwerkstoff mit einem Fasermate- rial und einem aushärtbaren Harz. Besonders vorteilhafte Fa¬ sermaterialien sind Kohlenstofffasern, Glasfasern und Aramid- fasern (d.h. Fasern aus aromatischen Polyamiden, z.B. von Du- Pont mit der Bezeichnung "Kevlar" vertrieben) . Auch Mischungen derartiger Fasermaterialien sind denkbar. Als Harz eignen sich z.B. Epoxidharz und Polyesterharz. Je nach Beanspruchung des betreffenden Bauteils können die Fasern gerichtet oder auch multidirektional angeordnet sein. Auch geflochtene Fasern oder gehäckselte Monofasern sind denkbar. Ferner kann eine Variati¬ on des Harzanteils in weiten Bereichen sinnvoll sein, bis zu einer Reduzierung auf Null.
Insbesondere bei Kohlenstofffasern ist das Verhältnis von Zug¬ festigkeit zu Dichte wesentlich günstiger als bei Stahl oder Aluminium. Ein Rotorblatt, bei dem die Deckhaut in erfindungs- gemäßer Weise von einem Grundgerüst getragen wird und das un¬ ter Verwendung derartiger Verbundmaterialien gefertigt ist, ist daher viel leichter als ein herkömmliches Rotorblatt. Durch das erfindungsgemäße Rotorblatt werden somit die ein¬ gangs erläuterten Nachteile der herkömmlichen Rotorblätter vermieden. Wegen der hohen Festigkeiten der Verbundwerkstoffe sind im Prinzip so geringe Materialstärken möglich, dass durch zusätz¬ liche Maßnahmen für eine ausreichende Steifigkeit der Kompo¬ nenten oder einzelner Komponenten des Rotorblatts gesorgt wer- den muss. Dies geschieht vorzugsweise, indem die jeweilige Komponente (Dorn, Querspanten, Quer- und Längsversteifung im Inneren des Dorns, Längsspanten, Längssteifen) als Sandwich¬ struktur gestaltet wird. Dabei weist die Sandwichstruktur vor¬ zugsweise eine obere Deckschicht, eine geschäumte Mittellage (also eine Mittellage mit einem Schaumstoff) und eine untere Deckschicht auf, wobei die beiden Deckschichten vorzugsweise einen der erläuterten Verbundwerkstoffe enthalten. Wenn die Deckhaut ' nicht als Membran ausgebildet sein soll, kann auch für die Deckhaut eine Sandwichstruktur sinnvoll sein. Je nach Konstruktion und Anordnung eines Zugbands kann sich sogar in diesem Fall eine Sandwichstruktur empfehlen.
Die Verbindungen zwischen Komponenten des Rotorblatts, also zwischen den Teilen der Tragstruktur und zur Deckhaut, können auf vielfältige Weise gestaltet werden. Grundsätzlich ist hierfür jede den Belastungen im Betrieb standhaltende Verbin¬ dung geeignet. Denkbar sind z.B. Klebe-, Schraub- oder Nietverbindungen. Formschlüssige Verbindungen, die z.B. auch zusätzlich verklebt sein können, lassen sich ebenfalls anwen- den. Vorzugsweise sind die Verbindungen mit einem Verbundwerk¬ stoff der oben erläuterten Art ausgestaltet. Dazu können auch winkelförmige Strukturen eingesetzt werden. In einer bevorzug¬ ten Ausführungsform wird z.B. über die gesamte Kantenlänge der Verbindungsstelle ein Grundkörper aus Kohlenstofffasern, Glas- fasern, Aramidfasern oder einem Gemisch dieser Materialien aufgebracht, z.B. mit einem Querschnitt wie ein Winkelprofil, und mit Harz getränkt. Dieser Grundkörper kann z.B. aus einem Mattenmaterial bestehen, das aus multidirektional geflochtenen Fasern dieser Fasermaterialien hergestellt ist oder auch aus gehäckselten Monofasern. Eine weitere Verbindungsmöglichkeit ist die Injektion von Harz, Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Glasfasern oder eines Gemisches davon in die Verbindungsfugen zwischen den einzelnen Teilen oder Komponenten.
Die Wurzel des Dorns kann mit einem Flanschteil versehen sein, das einen größeren Umfang hat als der sich zur Spitze des Ro¬ torblatts hin erstreckende übrige Teil des Dorns. Der Übergang von diesem Flanschteil zu dem sich anschließenden zur Spitze weisenden Teil des Dorns kann z.B. über einen Winkel oder als angeschrägte Fläche ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist eine im Bereich der Wurzel des Rotorblatts in den Dorn eingebrachte oder den Dorn umfassende Stahleinlage vorgesehen, die zur Verbindung des Rotorblatts mit einem Ro¬ torflansch einer Windenergieanlage eingerichtet ist. Dazu kann auf dem zur Spitze des Rotorblatts weisenden Ende des oben er¬ wähnten Flanschteils eine als Ring gestaltete Stahleinlage (oder hier besser Stahlauflage) angeordnet sein. Eine Ferti¬ gung aus anderen Metallen als Stahl ist ebenfalls denkbar. Dieser Ring ist vorzugsweise mit Löchern versehen, die zur Aufnahme von Bolzen dienen, mit deren Hilfe sich das Rotor¬ blatt mit der Nabe (Rotorflansch) einer Windenergieanlage ver¬ binden lässt. Der Sinn des Stahlringes ist es, eine Befesti¬ gungsstelle für die Verbindungsbolzen bereitzustellen, die aus einem belastbaren und insbesondere auch harten Material be- steht, das geeignet ist, den auf die Verbindung von Rotorblatt und Nabe einwirkenden Kräften standzuhalten und gleichzeitig weniger anfällig für Beschädigungen ist als der Verbundwerk¬ stoff des Dornes.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie- len weiter beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in
Figur 1 eine räumliche Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotorblatts ohne Deckhaut,
Figur 2 einen Querschnitt durch das Rotorblatt gemäß Figur 1 entlang der Achse II-II, wobei die Deckhaut eingezeich¬ net ist,
Figur 3 eine Veranschaulichung von Verbindungen zwischen Kompo- nenten des Rotorblatts in einem Teilquerschnitt und
Figur 4 einen Längsschnitt durch den Dorn im Bereich der Wurzel des Rotorblatts aus Figur 1.
In Figur 1 sind der Aufbau und das Traggerüst eines Rotor¬ blatts 1 für eine Windenergieanlage veranschaulicht. Das Ro¬ torblatt 1 erstreckt sich in Längsrichtung von einer Wurzel 2, wo es an der Nabe einer Windenergieanlage montiert werden kann, bis zu einer Spitze 4 und hat eine Vorderkante 6 und ei- ne Hinterkante 8.
Im Inneren des Rotorblatts 1 ist in Längsrichtung ein Dorn 10 angeordnet, der ein wesentliches Element der Tragstruktur bil¬ det. Im Ausführungsbeispiel ist der Dorn 10 (abgesehen von ei- ner Versteifungsstruktur in seinem Innenraum, siehe unten) ro- tationssymmetrisch gestaltet. Im Bereich der Wurzel 2 des Ro- torblatts 1 weist der Dorn 10 ein Flanschteil 12 von relativ großem Durchmesser auf (siehe auch Figur 4), das über einen abgeschrägten Übergang 14 in ein Hauptteil 16 übergeht. Das Hauptteil 16 ist konisch gestaltet und verjüngt sich allmäh- lieh in Richtung auf die Spitze 4 des Rotorblatts 1 zu. Zur Versteifung des Dorfts 10 dient ein in seinem Innenraum ange¬ ordneter Kreuzspant 18, siehe auch Figur 2. Ansonsten ist der Innenraum des Dorns 10 hohl.
Auf dem Dorn 10 ist zueinander beabstandet eine Anzahl von Querspanten 20 befestigt. Im Ausführungsbeispiel gibt die Um- fangslinie eines jeweiligen Querspants 20 die Querschnittsform des Rotorblatts 1 an der betreffenden Stelle vor.
In Längsrichtung des Rotorblatts 1 erstrecken sich Längsspan¬ ten 22, 23, 24 und 25 sowie Längssteifen 26, 27, 28 und 29, siehe Figur 1 und Figur 2. Die Längsspanten 22 bis 25 verlau¬ fen per definitionem zwischen dem Dorn 10 und der Deckhaut des Rotorblatts 1, während die Längssteifen 26 bis 29 von den Längsspanten 22 bis 25 ausgehen und auf die Deckhaut zulaufen. Die Längsspanten 22 bis 25 und die Längssteifen 26 bis 29 müs¬ sen die Deckhaut jedoch nicht berühren, da die Deckhaut be¬ reits von den Querspanten 20 in ausreichendem Maße abgestützt und in ihrer Form definiert wird.
Im Ausführungsbeispiel besteht die Deckhaut aus einer Ober¬ schale 30 und einer Unterschale 31, siehe Figur 2. Die Ober¬ schale 30 und die Unterschale 31 werden als getrennte Bauteile gefertigt und an der Tragstruktur des Rotorblatts 1 zusammen- gefügt. Dazu dienen im Ausführungsbeispiel Nut/Feder- Verbindungen an der Vorderkante 6 und an der Hinterkante 8 des Rotorblatts 1, die miteinander verklebt werden. Bei dieser Konstruktion sind die Oberschale 30 und die Unterschale 31 we¬ gen der separaten Fertigung relativ dicke Bauteile.
Alternativ ist es möglich, die Deckhaut des Rotorblatts 1 als Membran aus sehr dünnem Material zu gestalten, vorzugsweise aus Kohlenstofffasern, die sich mittels textiler Techniken verarbeiten lassen und z.B. als Bahnware um die Tragstruktur des Rotorblatts 1 von der Wurzel 2 bis zur Spitze 4 gewickelt werden können. Bei Bedarf kann dem Kohlenstofffasermaterial ein aushärtendes Harz zugesetzt werden.
In Figur 2 ist zu erkennen, dass das Rotorblatt 1 im Bereich seiner Hinterkante 8 eine als Zugband dienende Kantenverstär- kung 32 und im Bereich seiner Vorderkante 6 ein ebenfalls als Zugband dienendes winkliges Zwischenstück 34 aufweist. Ferner ist an der Vorderkante 6 ein Eisschutzprofil 36 aus Metall vorgesehen.
Im Ausführungsbeispiel sind die Teile und Komponenten des Ro¬ torblatts 1 aus einem Verbundwerkstoff gefertigt, der Kohlen¬ stofffasern und ein aushärtbares Harz (vorzugsweise Epoxidharz oder Polyesterharz) enthält. Die Verwendung eines anderen Fa¬ sermaterials (z.B. von Glasfasern oder von Aramidfasern, wie weiter oben erläutert) oder von Mischungen verschiedener Fa¬ serarten ist ebenfalls denkbar. Dabei sind der Dorn 10, die Querspanten 20, die sich abschnittsweise zwischen den Quer¬ spanten 20 erstreckenden Längsspanten 22 bis 25 und Längsstei¬ fen 26 bis 29 und auch die Oberschale 30 und die Unterschale 31 als Sandwichstrukturen gestaltet. Eine derartige Sandwich¬ struktur besitzt eine obere Deckschicht und eine untere Deck- schicht aus dem erläuterten Verbundwerkstoff und dazwischen eine Hartschaumschicht, die die beiden Deckschichten auf Ab¬ stand hält, was zu einer hohen Steifigkeit und Knickfestigkeit des entsprechenden Bauteils führt.
In Figur 3 ist veranschaulicht, wie die einzelnen Teile des Rotorblatts 1 miteinander verbunden werden können, und zwar anhand der Verbindungen zwischen dem Dorn 10, dem Längsspant 24 und der Oberschale 30. Längs der Berührungsstellen ist je- weils eine Winkelstruktur 40 angeordnet. Die Winkelstrukturen 40 enthalten eine abgewinkelte Matte mit einem Fasermaterial (z.B. Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Aramidfasern) , die mit einem aushärtbaren Harz getränkt wird und nach Anlegen an der jeweiligen Verbindungsstelle die zu verbindenden Teile quasi miteinander verklebt. Weitere Einzelheiten dazu und auch zu anderen Verbindungstechniken sind bereits weiter oben er¬ läutert.
Wie bereits erwähnt, besitzt der Dorn 10 im Bereich der Wurzel 2 ein Flanschteil 12 von größerem Durchmesser, das über einen abgeschrägten Übergang 14 in das Hauptteil 16 des Dorns 10 übergeht. In Figur 4 ist gezeigt, wie das Flanschteil 12 mit der Nabe einer Windenergieanlage verbunden werden kann. Zu diesem Zweck befindet sich über dem Übergang 14 eine ringarti- ge Flanschauflage 42 aus Stahl, die einen stabile Unterlage für eine Anzahl von Bolzen 44 bildet. Mit Hilfe der Bolzen 44 kann der das gesamte Rotorblatt 1 tragende Dorn 10 mit der in Figur 4 nicht eingezeichneten Nabe verschraubt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Rotorblatt für eine Windenergieanlage, mit einem sich von der Wurzel (2) des Rotorblatts (1) bis zur Spitze (4) des Rotorblatts (1) erstreckenden Dorn (10), auf dem eine An¬ zahl von Querspanten (20) zueinander beabstandet angeord¬ net ist, und mit einer Deckhaut (30, 31) , die den Dorn (10) und die Querspanten (20) umgibt.
2. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckhaut (30, 31) eine auf den nach oben weisenden Stirnflächen der Querspanten (20) aufliegende Oberschale (30) und eine auf den nach unten weisenden Stirnflächen der Querspanten (20) aufliegende Unterschale (31) auf- weist.
3. Rotorblatt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn (10) sich zur Spitze (4) des Rotorblatts (1) hin verjüngend ausgebildet ist, vorzugsweise konisch ver- jungend.
4. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Dorn (10) hohl und in seinem Inne¬ ren mit einer Quer- und Längsversteifung versehen ist, 'vorzugsweise mit einem Kreuzspant (18) .
5. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeich¬ net durch mindestens einen Längsspant (22, 23, 24, 25) , der sich zwischen dem Dorn (10) und der Deckhaut (30, 31) über zumindest einen Teil der Länge des Rotorblatts (1) erstreckt.
6. Rotorblatt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Längsspanten (22, 23) vorgesehen sind, die zwischen dem Dorn (10) und der Vorderkante (6) des Rotorblatts (1) sowie zwischen dem Dorn (10) und der Hinterkante (8) des Rotorblatts (1) verlaufen.
7. Rotorblatt nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch mindestens eine Längssteife (26, 27, 28, 29), die sich quer zu einem Längsspant (22, 23) zwischen diesem Längs¬ spant (22, 23) und der Deckhaut (30, 31) über zumindest einen Teil der Länge des Rotorblatts (1) erstreckt.
8. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeich- net durch mindestens ein Zugband (32, 34), das sich im Be¬ reich der Deckhaut (30, 31) über zumindest einen Teil der Länge des Rotorblatts (1) erstreckt.
9. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass mindestens eine der in der folgenden
Liste aufgeführten Komponenten des Rotorblatts (1) einen Verbundwerkstoff, vorzugsweise mit einem Fasermaterial und einem aushärtbaren Harz, aufweist: Dorn (10), Querspanten (20), Deckhaut (30, 31), Quer- und Längsversteifung (18) im Inneren des Dorns (10), Längsspanten (22, 23, 24, 25), Längssteifen (26, 27, 28, 29), Zugbänder (32, 34) .
10. Rotorblatt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff mindestens eines der aus der folgen- den Liste ausgewählten Fasermaterialien aufweist: Kohlen¬ stofffasern, Glasfasern, Aramidfasern.
11. Rotorblatt nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich¬ net, dass der Verbundwerkstoff mindestens eines der aus der folgenden Liste ausgewählten Harze aufweist: Epoxid- harz, Polyesterharz.
12. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass mindestens eine der in der folgenden Liste aufgeführten Komponenten des Rotorblatts eine Sand- wichstruktur aufweist: Dorn (10), Querspanten (20), Deck¬ haut (30, 31) , Quer- und Längsversteifung (18) im Inneren des Dorns (10) , Längsspanten (22, 23, 24, 25) , Längsstei¬ fen (26, 27, 28, 29), Zugbänder (32, 34) .
13. Rotorblatt nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sandwichstruktur eine obere Deckschicht, eine ge¬ schäumte Mittellage und eine untere Deckschicht aufweist, wobei die beiden Deckschichten vorzugsweise einen Verbund¬ werkstoff gemäß Anspruch 10 oder 11 aufweisen.
14. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass Verbindungen zwischen Komponenten (10, 18, 20, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34) des Rotorblatts (1) mit einem Verbundwerkstoff gemäß An- spruch 10 oder 11 ausgestaltet sind, vorzugsweise unter Verwendung winkelförmiger Strukturen (40) .
15. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeich¬ net durch eine im Bereich der Wurzel (2) des Rotorblatts (1) in den Dorn eingebrachte oder den Dorn (10) umfassende Stahleinlage (42), die zur Verbindung des Rotorblatts (1) mit einem Rotorflansch einer Windenergieanlage eingerich¬ tet ist.
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