DE102005034537A1

DE102005034537A1 - Mehrstückige Windturbinenrotorblätter und damit ausgerüstete Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE102005034537A1
Application number: DE102005034537A
Authority: DE
Inventors: Emilian Mieczyslaw San Diego Moroz
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2005-07-23
Publication date: 2006-04-06
Also published as: DK200501072A; DK177598B1; US7381029B2; CN1755102B; CN1755102A; US20060067827A1

Abstract

Ein mehrere Abschnitte aufweisendes Blatt (108) für eine Windkraftanlage (100) weist einen Nabenfortsatz (200), der an einem Ende ein Pitchlager (212) trägt, eine Schürze oder Verkleidung (202), die ein durchgehendes Loch aufweist und zur Montage auf dem Nabenfortsatz eingerichtet ist, und einen außenliegenden Abschnitt (204) auf, der zur Ankupplung an das Pitchlager ausgelegt ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf Windkraftanlagen und mehr im Einzelnen auf Windkraftanlagen, die Rotorblätter aufweisen, die aus mehr als einem Stück aufgebaut sind.
Seit kurzem haben Windkraftanlagen als eine umweltmäßige sichere und verhältnismäßig billige alternative Energiequelle zunehmendes Interesses gefunden. Zur Folge dieses zunehmenden Interesse wurden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um Windkraftanlagen zu entwickeln, die zuverlässig und leistungsfähig sind.

In der Regel weist eine Windkraftanlage einen Rotor mit mehreren Blättern auf. Der Rotor ist in einem Gehäuse oder einer Gondel untergebracht, die oben auf einem Gerüst oder einem rohrförmigen Turm angeordnet ist. Hochleistungswindturbinen (d.h. Windkraftanlagen, die dazu ausgelegt sind, elektrische Energie in ein Versorgungsnetz einzuspeisen) können große Rotoren (mit einem Durchmesser von z.B. 30 oder mehr Metern) aufweisen. An diesen Rotoren angebrachte Blätter setzen Windenergie in ein Drehmoment oder eine Kraft um, die einen oder mehrere Generatoren antreibt, welche über ein Getriebe drehbar mit dem Rotor gekuppelt sind. Das Getriebe kann dazu verwendet werden, die inhärent niedrige Drehzahl des Turbinenrotors für den Generator heraufzusetzen, um mechanische Energie wirkungsvoll in elek trische Energie umzusetzen, die in ein Versorgungsnetz eingespeist wird. Einige Turbinen verwenden Generatoren, die ohne Verwendung eines Getriebes direkt an den Rotor angekuppelt sind.

Mit zunehmenden Energieerzeugungskapazitäten der Windkraftanlagen nehmen auch die Abmessungen ihrer Rotorblätter und anderer Komponenten zu. An irgendeiner Stelle können praktische Grenzen der Transportfähigkeit und der Logistik überschritten werden. Diese nichttechnischen Beschränkungen führen zu Einschränkungen der Auslegung von On-Shore-Windkraftanlagen für die Energieerzeugung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es wird deshalb bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbau eines Rotors einer Windkraftanlage, am Ort einer Windkraftanlage geschaffen. Das Verfahren beinhaltet den Transport nicht zusammengebauter Teile eines mehrere Abschnitte aufweisenden Rotorblattes zu der Baustelle und das Zusammenbauen des mehrere Abschnitte aufweisenden Rotorblattes an der Baustelle.

Unter einem anderen Aspekt, schafft die vorliegende Erfindung ein mehrere Abschnitte aufweisendes Blatt für eine Windkraftanlage. Das mehrere Abschnitte aufweisende Blatt weist einen Nabenfortsatz mit einem Anstellwinkel(pitch-)lager an einem Ende, eine Schürze oder Verkleidung, die ein durchgehendes Loch aufweist und so ausgelegt ist, dass sie über den Nabenfortsatz ragt und einen Außenabschnitt auf, der zur Ankupplung an das Pitchlager eingerichtet ist. Unter einem weiteren Aspekt schafft vorliegende Erfindung eine Windkraftanlage mit einem Rotor, der mehrteilige Blätter aufweist.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben somit leicht transportierbare Komponenten, die an Windturbinenbaustellen zu großen Rotoren zusammengesetzt werden können. Außerdem schaffen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum zweckmäßigeren Versand und Zusammenbau von Rotoren auf Windturbinenbaustellen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung eines beispielhaften Aufbaus einer Windturbinenausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Darstellung eines teilweise zusammengebauten Rotors der Windturbinenausbildung in 1.
3 ist eine Querschnittsdarstellung einer Ausführung einer Schürze oder einer Verkleidung eines mehrstückigen Rotorblattes, die eine Klappe aufweist, um einen Luftwiderstand zur Verringerung des Auftriebs unter stürmischen Wetterbedingungen zu erzeugen.
4 ist eine Darstellung eines teilweise zusammengebauten Rotors der Windturbinenausführung nach 1, bei der die Blätter, eine alternative Ausbildung der Schürze oder der Verkleidung aufweisen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einigen Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf 1 weist eine Windkraftanlage 100 bei einigen Konstruktionen eine Gondel 102 auf, die einen (in 1 nicht dargestellten) Generator aufnimmt. Die Gondel 102 ist auf der Spitze eines hohen Turmes 104 angeordnet, von dem lediglich ein Teil in 1 dargestellt ist. Außerdem weist die Windkraftanlage 100 einen Rotor 106 auf, der eine Anzahl Rotorblätter 108 trägt, die an einer umlaufenden Nabe 110 befestigt sind. Wenngleich die in 1 veranschaulichte Windkraftanlage 100 drei Rotorblätter 108 aufweist, gibt es doch keine speziellen Beschränkungen hinsichtlich der für die vorliegenden Erfindung erforderlichen Rotorblätter 108.
Verschiedene Komponenten der Windkraftanlage 100 sind bei der veranschaulichten Ausbildung 100 in der Gondel 102 auf der Spitze 104 der Windkraftanlage 100 untergebracht. Die Höhe des Turmes 104 ist auf Grundlage an sich bekannten Faktoren und Bedingungen gewählt. Bei einigen Ausführungsformen sind ein oder mehrere Mikrocontroller in einem Regel- oder Steuersystem zur gesamten Systemüberwachung und Steuerung eingesetzt, einschließlich der Regelungen von Pitch und Drehzahl, dem Einlegen einer Überdrehzahlwellenbremse und einer Gierbremse, des Einsatzes eines Gier- und Pumpenmotors und der Fehlerüberwachung. Bei einigen Konstruktionen werden alternativ dezentrale oder zentralisierte Steuer- und Regelarchitekturen verwendet. Die Anstellwinkel(pitchs) der Blätter 108 können bei einigen Ausführungen individuell gesteuert werden. Die Nabe 110 und die Blätter 108 bilden zusammen den Windturbinenrotor 106. Die Drehbewegung des Rotors 106 bewirkt, dass ein (in den Figu ren nicht dargestellter) Generator elektrische Energie erzeugt.
Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und unter Bezugnahme auf die 1, 2 weisen die Blätter 108 eine Anzahl Abschnitte auf, die getrennt verschifft oder an Ort und Stelle hergestellt werden können, um den Transport zu erleichtern und/oder einen Vorteil aus unterschiedlichen Herstellungsweisen für innen und außen liegende Abschnitte zu ziehen.
Einige Ausführungen der Blätter 108 weisen z.B. drei Abschnitte auf, nämlich einen Nabenfortsatz 200, eine Schürze oder Verkleidung 202 und einen außenliegenden Abschnitt 204. Bei einigen Ausführungen ist das Blatt 108 in einem gewählten Abstand (z.B. etwa 30%) von der Blattwurzel 210 geteilt. Bei diesen Ausführungsformen umfasst die Schürze oder Verkleidung 202 etwa 30% der Länge des zusammengebauten Blattes 108, von der Blattwurzel 210 aus gemessen, während der außenliegende Abschnitt 204 die restliche Länge beansprucht. Die Schürze oder Verkleidung 202 ist bei einigen Ausführungsformen fest (d.h. drehfest oder bewegungsfest) auf den Nabenfortsatz 200 aufgepasst oder sie ist mechanisch an den außenliegenden Abschnitten 204 (z.B. durch Ankleben, Verschrauben, Befestigung an einem Rahmen oder durch irgendeine andersartige Befestigung der Verkleidung) angekuppelt. Der Nabenfortsatz 200 ist an der Nabe 110 befestigt und weist an dem der Befestigungsstelle an der Nabe 110 gegenüberliegenden Ende des Nabenfortsatzes 200 ein Lager 212 auf.
Bei einigen Ausführungsformen ist der außenliegende Abschnitt 210 so ausgebildet, dass er eine aeroelastische Kopplung ergibt, während die innenliegenden Abschnitte 200, 202 so ausgelegt, dass sie keine solche Kopplung ergeben. Die aeroelastische Kopplung wird bei einigen dieser Ausführungen unter Verwendung einer nach vorne oder nach hinten weisenden Pfeilung (sweep) (oder einer Kombination davon) der außenliegenden Abschnitte 204 der Blätter 108 nahe deren Spitzen 208 erreicht. Bei anderen Ausführungsformen wird eine aeroelastische Kopplung durch eine (in den Figuren nicht dargestellte) achsversetzte Auflage von Laminatschichten bei dem außenliegenden Abschnitt 204, zur Erzielung einer Verwindungs-Biegungs-Kopplung (twist bend coupling) erreicht.
Die Blattabschnitte 200, 202 und/oder 204 können unter Verwendung von Kohlenstofffasern und/oder anderem Konstruktionsmaterial konstruiert sein. Bei einigen Ausführungen, bei denen diese verwendet werden, wird eine zusätzliche Wirtschaftlichkeit dadurch erzielt, dass die Verwendung von Kohlenstofffasern auf außenliegende Teile (d.h. Teile, die radial außerhalb des Lagers 212, d.h. in dem außenliegenden Abschnitt 204 liegen) der Rotorblätter 108 beschränkt ist, wo die Kohlenstofffasern eine maximale Reduktion des statischen Momentes pro lb ergeben. Diese Beschränkung vermeidet auch komplexe Übergänge zwischen Kohlenstoff und Glas in Rotorblättern und ermöglicht es, dass die Länge einzelner Holmkappen kürzer ist als dies sonst notwendig wäre. Außerdem kann durch diese Beschränkung auch die Herstellungsqualität verbessert werden. Ein weiterer Vorteil mehrstückiger Blätter 108 liegt auch darin, dass während der Entwicklung oder der Lebenszeit eines Rotors 106 verschiedene Optionen benutzt oder ausprobiert werden können.
Das Pitchlager 212 ist an dem außenliegenden Ende des Nabenfortsatzes 202 angeordnet. Vorteilhafterweise kann ein Pitchlager 212 mit verhältnismäßig geringem Durchmesser an diesem Ort verwendet werden, um lediglich den außenliegenden Abschnitt 204 zu bewegen, im Gegensatz zu einstückigen Blättern nach dem Stand der Technik, die die Verwendung eines Pitchlagers zur Bewegung des ganzen Blattes an dessen Wurzel erfordern. Darüber hinaus ist das Gesamtsystem leichter beweglich, weil der außenliegende Abschnitt 204 eine geringere Trägheit aufweist als ein ganzes Blatt, so dass weder das Lager 212 noch die Motoren, die es betätigen, für das ganze Blatt ausgelegt werden müssen. Der Nabenfortsatz 200 ist kegelstumpfförmig oder bei einigen Ausführungen zylindrisch und kann aus in Wickeltechnik verarbeiteten Kohlenstoff- oder Glasfasern bestehen oder solche enthalten. Der außenliegende Abschnitt 204 beinhaltet bei einigen Ausführungen eine hybride Verbundkonstruktion, die eine aerodynamische Kopplung einbringt. Die Schürze oder Verkleidung 202 deckt bei eingebautem Blatt den innenliegenden Abschnitt 200 ab. Die Schürze oder Verkleidung 202 kann mit dem außenliegenden Abschnitt 204 die Pitchverstellung mitmachen, um eine hohe aerodynamische Wirksamkeit bei der Erzeugung eines Biegemoments sicherzustellen, das dazu beiträgt, ein von dem außenliegenden Abschnitt 204 hervorgerufenes Biegemoment um das Pitchlager 212 im Normalbetrieb zu verkleinern.
Der Rotor 106 der Windkraftanlage 100 kann während schlechter Wetterbedingungen, wie etwa Stürmen, geparkt werden. Die Schürze oder Verkleidung 202 verringert mit Vorteil die im Parkzustand unter solchen Bedingungen auftretenden Belastungen, indem sie im Leerlauf einen innenliegenden Auftriebsbeitrag unwirksam macht. Beispielsweise sind unter Bezugnahme auf 3 eine ortsfeste Schürze oder Verkleidung 202 und ein äußeres sich bewegendes Blatt 200 vorgesehen. Um den innenliegenden Auftriebsbeitrag im Leerlauf unwirksam zu machen, ist eine bewegliche Klappe 216 an dem schmalen Ende der innenliegenden Schürze oder Verkleidung 202 vorgesehen, um einen Luftwiderstand zu erzeugen und damit den Auftrieb in Situationen wie etwa bei einer Sturmbelastung zu verringern. 3 zeigt speziell einen Querschnitt durch eine Schürze oder Verkleidung 202. Wenn erforderlich, öffnet sich die Klappe 216 an einem Gelenk 218, um eine entweder V- oder T-förmige Öffnung aufzumachen, wie dies in 3 veranschaulicht ist. Unabhängig von der Richtung, aus der der Wind bläst, wird er auf einen Widerstand an dieser Klappe treffen und einen beträchtlichen Luftwiderstand erzeugen und den Auftrieb reduzieren. Dadurch, dass an Stelle einer L-förmigen Gestalt eine V- oder T-förmige Gestalt vorgesehen ist, ist die Windrichtungsempfindlichkeit bei der Erzeugung des Luftwiderstandes und der Verringerung des Auftriebs reduziert. Bei einigen Ausführungsformen wird die Klappe 216 durch eine (in den Figuren nicht dargestellte) mechanische Vorrichtung bewegt, die die Öffnung der Klappe mit dem außenliegenden Teil koppelt. Dadurch, dass die Klappe auf einer innenliegenden Schürze oder Verkleidung 202 und nicht an einem weiter außenliegenden Ort angeordnet ist, ergibt sich der Vorteil einer höheren Wahrscheinlichkeit, dass die Klappe ihre Nennlebensdauer überlebt, im Gegensatz zu einigen einstückigen Blattausbildungen nach dem Stand der Technik, bei denen eine Klappe an einem außenliegenden Ort angeordnet ist, wo eine beträchtliche Biegsamkeit vorhanden ist. Denn diese Flexibilität kann insbesondere bei großen Blätternn, d.h. Blättern die etwa 20m lang sind, zu vorzeitigem Ausfall einer Klappe führen. Bei einigen Ausführungsformen ist ein Teil 220 der Schürze oder Verkleidung 202 anstelle oder zusätzlich zu der Klappe 216 anscharniert, so dass der Abschnitt 220 als eine Klappe wirkt.
Zur Montage eines Rotors einer Windkraftanlage auf einer Windturbinenbaustelle können die Teile des mehrere Abschnitte aufweisenden Blattes 108 im unmontierten Zustand als getrennte Komponenten zu der Baustelle transportiert und/oder auf der Baustelle hergestellt werden, wodurch die Länge von Lastkraftwagen, Eisenbahnwagen oder anderen Transportfahrzeugen, die zum Transport des Blattes eingesetzt werden, verringert wird. Das Blatt wird dann auf der Baustelle zusammengesetzt. So können z.B. ein Teil des Nabenfortsatzes 200 und der außenliegende Abschnitt 204 getrennt voneinander oder zusammen, jedoch als getrennte Komponenten zu einer Windturbinenbaustelle transportiert werden. Vorteilhafterweise sind weder der Nabenfortsatz 200 noch der außenliegende Abschnitt 204 so lang wie ein bekanntes Blatt, das die Länge des mehrteiligen Blattes 108 im zusammengebauten Zustand aufweist, so dass die Transportkosten entsprechend verringert sind. Die Schürze oder Verkleidung 202 kann zusammen mit oder getrennt von dem Nabenfortsatz 200 und/oder dem außenliegenden Abschnitt 204, jedoch als eine jeweils getrennte Komponente zu der Baustelle gebracht werden. Alternativ kann irgend ein Teil des Blattes 108 auch auf der Baustelle hergestellt werden. Bei vielen solchen alternativen Ausbildungen werden der Nabenfortsatz 200 und der außenliegende Abschnitt 204 zu der Baustelle transportiert, während die Schürze oder Verkleidung 202 als integriertes Ganzes auf der Baustelle hergestellt werden. Bezugnehmend auf 4 benutzen derartige Ausbildungen eine alternative Schürze oder Verkleidung 228, die ähnliche wie eine Fowler-Klappe als eine Anzahl Spann weitenschichten Querachsialschichten 222, 224, 226 hergestellt sein. In jedem Falle ist ein Nabenfortsatz 200, der an seinem einen Ende ein Pitchlager trägt, an seinem anderen Ende starr an der Nabe 110 befestigt, und die Schürze oder die Verkleidung 202 bzw. 228 ist entweder fest über dem Nabenfortsatz angebracht oder mit dem außenliegenden Abschnitt 204 und den Nabenfortsatz 200 übergreifend mechanisch gekuppelt. Im Falle einer Schürze oder Verkleidung 228 ist jede Schicht 222, 224, 226 bei gewissen Ausführungsformen mit einer (nicht dargestellten) Platte auf dem außenliegenden Abschnitt 204 und mit der Nabe 110 oder einer (nicht dargestellten) an oder in dieser angeordneten Platte starr gekuppelt. Der außenliegende Abschnitt 204 ist seinerseits an das Pitchlager 212 auf dem Nabenfortsatz 200 angekuppelt. Zu bemerken ist, dass die Anordnung der Schürze oder Verkleidung über dem Nabenfortsatz den Umstand beinhaltet, dass der Nabenfortsatz in ein Loch der Schürze oder Verkleidung eingesteckt ist.
Es ergibt sich somit, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung leichte und transportierbare Komponenten ergeben, die an Windturbinenbaustellen zu großen Rotoren zusammengesetzt werden können. Außerdem ergeben verschiedene Ausbildungen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum zweckmäßigeren Transportieren und Zusammenbauen von Rotoren auf Windturbinenbaustellen.
Wenngleich die Erfindung anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, so liegt doch auf der Hand, dass die Erfindung mit Abwandlungen im Rahmen des Schutzbereiches der Patentansprüche ausgeführt werden kann.

100: Windkraftanlage
102: Gondel
104: Turm
106: Rotor
108: Blatt
110: Nabe
200: Nabenfortsatz
202: Schürze oder Verkleidung
204: außenliegender Abschnitt
208: Spitzen
210: Blattwurzel
212: Anstellwinkel(-pitch)lager
216: bewegliche Klappe
218: Scharnier
220: Teil oder Abschnitt
222: spannweitenmäßige (querachsiale) Schicht
224: weitere Schicht
226: weitere Schicht
228: Schürze oder Verkleidung

Claims

Verfahren zum Zusammenbau eines Rotors (106) einer Windkraftanlage (100) auf einer Windturbinenbaustelle, wobei das Verfahren beinhaltet: Verfrachten nicht zusammengebauter Teile (200, 202, 216, 204) eines mehrere Abschnitte aufweisenden Rotorblattes (108) zu der Baustelle; und Zusammenbauen des mehrere Abschnitte aufweisenden Rotorblattes auf der Baustelle.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verfrachten nicht zusammengebauter Teile des mehrere Abschnitte aufweisenden Rotorblattes (108) das Verfrachten wenigstens eines Nabenfortsatzes (200) und eines außenliegenden Abschnitts (204) des mehrere Abschnitte aufweisenden Rotorblattes beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Verfrachten nicht zusammengebauter Teile des mehrere Abschnitte aufweisenden Rotorblattes außerdem das Verfrachten einer Schürze oder einer Verkleidung (202) des Rotorblattes beinhaltet.
Mehrere Abschnitte aufweisendes Blatt (108) für eine Windkraftanlage (100), der aufweist: einen Nabenfortsatz (200) mit einem Anstellwinkel(pitch-)lager (212) an seinem einen Ende; eine Schürze oder Verkleidung (202), die ein durch gehendes Loch aufweist und zur Montage auf dem Nabenfortsatz eingerichtet ist; und einen außenliegenden Abschnitt (204), der zur Ankupplung an das Anstellwinkel(pitch-)lager ausgelegt ist.
Mehrere Abschnitte aufweisendes Blatt gemäß Anspruch 4, bei dem der außenliegende Abschnitt dazu eingerichtet ist, eine aeroelastische Kopplung auszubilden, während der Nabenfortsatz und die Schürze oder Verkleidung dies nicht sind.
Mehrere Abschnitte aufweisendes Blatt gemäß Anspruch 5, bei dem die aeroelastische Kopplung mit einer vorderen oder hinteren Pfeilung (sweep) oder einer Kombination derselben nahe der Spitze (208) des außenliegenden Abschnitts ausgebildet ist.
Mehrere Abschnitte aufweisendes Blatt nach Anspruch 4, bei dem der Nabenfortsatz kegelstumpfförmig oder zylindrisch ist.
Windkraftanlagen (100) mit einem Rotor (106), der aus mehreren Abschnitten bestehende Blätter (108) aufweist.
Windkraftanlage nach Anspruch 8, bei dem jedes der mehrere Abschnitte aufweisenden Blätter aufweist: einen Nabenfortsatz (200) mit einem Anstellwinkel(pitch-)lager an einem Ende; eine Schürze oder Verkleidung (202) mit einem durch gehenden Loch und ausgelegt zur Montage auf dem Nabenfortsatz; und einen außenliegenden Abschnitt (204), der zur Ankupplung an das Anstellwinkel(pitch-)lager eingerückt ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 8, bei der der Nabenfortsatz (204) kegelstumpfförmig oder zylindrisch ist.