DE102009040515A1

DE102009040515A1 - Rotor blade for three-wing wind turbine of wind power plant, has hollow profile reinforced so that bending-, shear- and torsion-resistant cell is formed between transverse grids, where cell causes local and global reinforcements of blade

Info

Publication number: DE102009040515A1
Application number: DE102009040515A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Grimm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-03-10

Abstract

The blade (1) has a shell body reinforced in an area of maximum profile thickness by a hollow profile (2). The profile is reinforced by transverse grids (21) such that bending-, shear- and torsion-resistant cell (22) is formed between the grids, where the cell causes local reinforcement of the blade as an individual element and a global reinforcement of the blade as a standard element. The grids are arranged at a distance from each other in a longitudinal direction and connected with inner walls of a box section (20) of the profile, where the grids are made from fiber-reinforced plastic.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windturbine mit horizontaler Rotationsachse, bestehend aus einem aerodynamisch geformten Schalenkörper mit Flügelprofilquerschnitt, der eine innere Versteifungsstruktur aufweist.The invention relates to a rotor blade for a wind turbine with a horizontal axis of rotation, consisting of an aerodynamically shaped shell body with airfoil cross-section, which has an inner stiffening structure.

Stand der TechnikState of the art

Dreiflügelige Windturbinen mit Rotorblättern, die aus glasfaser- und bereichsweise auch aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen hergestellt werden sind effiziente Anlagen zur Umwandlung der im Wind enthaltenen kinetischen Energie in eine Rotationsbewegung. Einseitig am Rotorkopf, drehbar gelagert ist ein Rotorblatt unter den wechselnden Betriebsbedingungen einer Windkraftanlage extremen Belastungen ausgesetzt, die sich limitierend sowohl auf seine Größe, als auch auf seine Betriebsdauer auswirken. Jeder Windstoß beansprucht die umlaufenden Rotorblätter mehrfach, sodass bei einer angenommenen Anzahl von einer Milliarde Last wechsel die Auswechselung eines Rotorblatts in der Regel nach 20 Jahren erforderlich wird. Diese hohen mechanischen Belastungen können an der Rotorblattoberfläche zu Spannungsrissen führen, in die Wasser eindringen kann. Weil glasfaserverstärkter Kunststoff Wasser aufnehmen kann und dabei quillt, wird das strukturelle Gefüge eines Rotorblatts allmählich zerstört. Die strukturelle Obergrenze eines aus Kunststoffverbundwerkstoffen hergestellten Rotorblatts liegt heute bei etwa 70 m Länge. Transport und Montage stellen einen weiteren Problemkreis für ein derart großes Fertigteil dar. Üblicherweise wird ein Rotorblatt aus zwei in Hohlformen laminierten Halbschalen, die untereinander verklebt werden, hergestellt. Mit einem Vakuumverfahren kann ein Schalenkörper mit Flügelprofil in einem Stück hergestellt werden. Ein formgebender Stützkörper dient dabei als Lehre und wird nach dem Laminieren unter Vakuum wieder entfernt. Dieses Herstellungsverfahren bietet den Vorteil nahtloser Oberflächen an einem Rotorblatt. Aus dem Anwendungsbereich der Luft- und Raumfahrt sind stabförmige Strukturelemente aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bekannt, die als Leichtbauelemente eine Massenreduktion schnell bewegter Teile einer Konstruktion ermöglichen. Die Firma Schütze GmbH in Braunschweig stellt derartige Faserverbund-Strukturelemente her. Integrierte Piezo-Aktuatoren ermöglichen die aktive Verformungsbegrenzung einer Tragstruktur.Three-bladed wind turbines with rotor blades, which are made of fiberglass and sometimes also of carbon fiber reinforced plastics are efficient systems for converting the kinetic energy contained in the wind into a rotary motion. On one side of the rotor head, rotatably mounted, a rotor blade under the changing operating conditions of a wind turbine is exposed to extreme loads which have a limiting effect both on its size and on its service life. Each gust of wind requires several rotations of the rotating blades, so that assuming a one billion load change, the replacement of a rotor blade usually takes 20 years. These high mechanical loads can lead to stress cracks on the rotor blade surface, into which water can penetrate. Because glass fiber reinforced plastic can absorb water and swells, the structural structure of a rotor blade is gradually destroyed. The structural upper limit of a rotor blade made of plastic composite materials is today about 70 m in length. Transport and installation represent another problem area for such a large finished part. Usually, a rotor blade of two half-shells laminated in hollow shapes, which are glued together, made. With a vacuum process, a shell body with airfoil can be made in one piece. A shaping support body serves as a gauge and is removed again after lamination under vacuum. This manufacturing process offers the advantage of seamless surfaces on a rotor blade. Rod-shaped structural elements made of carbon-fiber-reinforced plastics (CFRP) are known from the aerospace field of application and allow, as lightweight components, a mass reduction of rapidly moving parts of a construction. The company Schütze GmbH in Braunschweig manufactures such fiber composite structural elements. Integrated piezo actuators allow the active deformation limitation of a supporting structure.

In der DE 203 20 714 U1 ist ein Rotorblatt dargestellt, dessen Längsversteifung einen Hohlkastenquerschnitt aufweist. Gurtungen im Bereich der einander gegenüber liegenden Oberflächen des Flügelprofils werden dabei mit Z-förmigen Stegen verbunden. Aussteifende Querschotte sind bei diesem Rotorblatt nicht vorgesehen.In the DE 203 20 714 U1 a rotor blade is shown, the longitudinal reinforcement has a hollow box cross-section. Waistings in the area of the opposing surfaces of the wing profile are connected to Z-shaped webs. Stiffening transverse bulkheads are not provided with this rotor blade.

Die DE 10 2005 061 679 B3 offenbart ein Blitzschutzsystem für das Rotorblatt einer Windkraftanlage. Dieses Blitzschutzsystem erstreckt sich von der Blattspitze bis zur Blattwurzel und umfasst eine Halteleine mit einem Federelement. Bei einem Bruch des Rotorblatts hält die Halteleine die Bruchstücke zurück. In der DE 29 21 152 C2 ist ein Rotorblatt für Windkraftanlagen beschrieben, das aus einzelnen Rotorblattabschnitten zusammengesetzt ist, die durch in Blattlängsrichtung angeordnete Spannelemente miteinander verspannt werden. Diese Spannelemente sind in einen zweischaligen Wandaufbau des Flügelprofils integriert und werden in Führungsrohren geführt. Nachteilig an dieser Lösung für ein vorgespanntes Rotorblatt ist die Tatsache, dass eine Vielzahl von Spanngliedern erforderlich ist, um das Rotorblatt vorzuspannen und dass heftige Bewegungen zwischen den Spanngliedern und den Führungsrohren die Betriebsdauer der Konstruktion limitieren.The DE 10 2005 061 679 B3 discloses a lightning protection system for the rotor blade of a wind turbine. This lightning protection system extends from the blade tip to the blade root and includes a tether with a spring element. If the rotor blade breaks, the tether retains the fragments. In the DE 29 21 152 C2 is described a rotor blade for wind turbines, which is composed of individual rotor blade sections, which are clamped together by arranged in the blade longitudinal direction clamping elements. These clamping elements are integrated into a two-shell wall structure of the sash profile and are guided in guide tubes. A disadvantage of this solution for a prestressed rotor blade is the fact that a plurality of tendons is required to bias the rotor blade and that violent movements between the tendons and the guide tubes limit the operating life of the construction.

In der DE 2007 036 917 A1 wird ein Rotorblatt für Windkraftanlagen vorgestellt, bei dem ein aussteifendes Hohlprofil vorgesehen ist, dessen Wandungen eine Vielzahl von Spannlitzen aufnimmt. Die Spannglieder sind jeweils in Führungsrohren angeordnet und erstrecken sich von der Blattwurzel bis zur Rotorblattspitze. Eine Anpassung der Vorspannkräfte an den sich verjüngenden Blattquerschnitt ist bei dieser Anordnung nicht möglich.In the DE 2007 036 917 A1 a rotor blade for wind turbines is presented, in which a stiffening hollow profile is provided, the walls of which receives a plurality of tension strands. The tendons are each arranged in guide tubes and extend from the blade root to the rotor blade tip. An adaptation of the biasing forces on the tapered blade cross section is not possible with this arrangement.

Aufgabenstellungtask

Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, ein strukturelles System vorzuschlagen, das die Biege- und Torsionssteifigkeit, sowie das elastische Verhalten einer Rotorblattkonstruktion als lokal wirksame Maßnahme und als globale Maßnahme verbessert. Ein erfindungsgemäß ausgesteiftes Rotorblatt ermöglicht nicht nur die Konstruktion von sehr großen Rotorblättern, sondern führt zu einem höheren aerodynamischen Wirkungsgrad, indem die aus dem Wind aufgenommene Energie möglichst vollständig in ein erhöhtes Drehmoment umgesetzt wird.Starting from the illustrated prior art, it is the object of the invention to propose a structural system that improves the bending and torsional rigidity, as well as the elastic behavior of a rotor blade construction as a locally effective measure and as a global measure. An inventively stiffened rotor blade not only allows the construction of very large rotor blades, but leads to a higher aerodynamic efficiency by the energy absorbed from the wind is converted as fully as possible in an increased torque.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung werden im Folgenden erläutert und gehen auch aus den Unteransprüchen hervor. This object is achieved by the features mentioned in claim 1. Further advantageous features of the invention will be explained below and will become apparent from the dependent claims.

Aussteifungstiffening

Ein erfindungsgemäßes Rotorblatt wird durch Querschotte ausgesteift. Querschotte, die wie bei einem Bambusrohr in regelmäßigen Abständen angeordnet sind, bilden untereinander biege-, schub- und torsionssteife Zellen, die bei Windbeanspruchung eine regelmäßige Kraftzerlegung zwischen den beiden Gurten eines Rotorblatts ermöglichen, wobei alle Wandungen einer Zelle einschließlich der Querschotte selbst einer Biege-Zug-, bzw. Biege-Druck-Beanspruchung unterworfen werden. Die Querschotte erhöhen auch die Torsionssteifigkeit des Rotorblatts.An inventive rotor blade is stiffened by transverse bulkheads. Transverse bulkheads, which are arranged at regular intervals, as in a bamboo tube, form flexural, shear and torsion-resistant cells, which permit regular force separation between the two straps of a rotor blade when exposed to wind, whereby all the walls of a cell, including the transverse bulkhead itself, are subjected to bending. Tensile or bending pressure stress are subjected. The transverse bulkheads also increase the torsional rigidity of the rotor blade.

Dementsprechend kann eine erfindungsgemäße Zelle an besonders beanspruchten Längsabschnitten eines Rotorblatts als Einzelelement gezielt zur lokalen Verstärkung eingesetzt werden. Von besonderem Vorteil ist die regelmäßige Anordnung der Querschotte über die gesamte Länge des Hohlprofils. Ihr Abstand kann auf die unterschiedliche Beanspruchung in den Längenabschnitten eines Rotorblatts abgestimmt werden. Dabei gilt, dass ein kleinerer Abstand der Querschotte eine höhere Steifigkeit bewirkt, wobei die Querschotte die Funktion von Beulsteifen übernehmen. Die Wandungen des Hohlkastens werden zu Schubfeldern und können durch überkreuz diagonal angeordnete Glasfaserlagen gezielt an die Aussteifungsstruktur angepasst werden. Die Querschotte selbst werden aus glasfaser- oder kohlefaserverstärktem Kunststoff hergestellt und haben erweiterte Anschlussflächen für die Herstellung einer biegesteifen Klebeverbindung mit den inneren Wandungen des Kastenquerschnitts. Vouten, Rippen und Stege können dabei die Querschotte verstärken. Jeweils zwei voneinander beabstandete Querschotte bilden eine Zelle, die aussteifende Füllelemente aufnehmen kann. Die Füllelemente können aus Seilen, Stäben, Flächen oder aus einem Schaumkörper bestehen, der allseitig kraftschlüssig mit den Wandungen einer Zelle verbunden ist.Accordingly, a cell according to the invention can be selectively used for local reinforcement on particularly stressed longitudinal sections of a rotor blade as a single element. Of particular advantage is the regular arrangement of the transverse bulkhead over the entire length of the hollow profile. Their spacing can be matched to the different stresses in the lengths of a rotor blade. It is true that a smaller distance of the transverse bulkhead causes a higher rigidity, the transverse bulkhead take over the function of Beulsteifen. The walls of the hollow box become shear fields and can be adapted to the stiffening structure by crosswise diagonally arranged glass fiber layers. The transverse bulkheads themselves are made of fiberglass or carbon fiber reinforced plastic and have extended connection surfaces for the production of a rigid adhesive bond with the inner walls of the box cross-section. Coves, ribs and bridges can reinforce the transverse bulkhead. In each case two spaced transverse bulkheads form a cell that can accommodate stiffening filling elements. The filling elements may consist of ropes, rods, surfaces or of a foam body, which is connected on all sides non-positively with the walls of a cell.

Eine dem Konstruieren mit faserverstärkten Kunststoffen entsprechende Möglichkeit zur Aussteifung einer Zelle besteht in der Anordnung von Flächen als Füllelemente. Dabei kann eine Fläche als zusätzliches Längsschott ausgebildet sein oder in der Art einer Fachwerkkonstruktion jeweils die Gurtungen an der Saug- und Druckseite des Rotorblatts verbinden. Bei einer ultraleichten Rotorblattkonstruktion werden die luftdichte Zellen mit einem Überdruck beaufschlagt, um die Steifigkeit des Rotorblatts zu erhöhen.A possibility for stiffening a cell, which corresponds to designing with fiber-reinforced plastics, consists in the arrangement of surfaces as filling elements. In this case, a surface may be formed as an additional longitudinal bulkhead or connect in the manner of a truss structure each of the straps on the suction and pressure side of the rotor blade. In an ultralight rotor blade design, the airtight cells are pressurized to increase the rigidity of the rotor blade.

Vorspannungpreload

Seile, Stäbe und Flächen sind Füllelemente, mit denen ein Rotorblatt abschnittsweise in Längsrichtung vorgespannt werden kann. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Zelle durch Zugglieder, die als Raumdiagonalen die acht Ecken der Zelle untereinander verbindet, zu verspannen. Dabei ist am Kreuzungspunkt der Raumdiagonalen ein Spannschloss vorgesehen, mit dem alle Zugglieder gleichzeitig vorgespannt werden können. Minimale, verschließbare Öffnungen in dem Flügelprofil reichen aus, um ein quer zur Blattlängsrichtung angeordnetes Spannschloss zu betätigen. Mit einem Momentenschlüssel kann die Vorspannkraft in einer Zelle auch zu Revisionszwecken kontrolliert werden.Ropes, rods and surfaces are filling elements with which a rotor blade can be partially prestressed longitudinally. In a particularly advantageous embodiment of the invention, it is proposed to clamp a cell by means of tension members, which interconnect the eight corners of the cell as spatial diagonals. Here, a turnbuckle is provided at the intersection of the room diagonals, with which all tension members can be biased simultaneously. Minimal, closable openings in the wing profile are sufficient to actuate a transversely arranged to the blade longitudinal direction turnbuckle. With a torque key, the preload force in a cell can also be checked for revision purposes.

Die diagonale Verspannung einer Zelle bewirkt nicht nur eine fachwerkartige Kraftzerlegung zwischen den Gurtungen und Stegen, sondern hat auch eine resultierende Vorspannung der Wandungen des Hohlprofils zur Folge. Endbeschläge an den Zuggliedern, wie z. B. Gabelköpfe oder Gewindehülsen, unterbrechen die Vorspannkraft an den Knotenpunkten mit den Querschotten. Von besonderem Vorteil ist jedoch die Durchführung der Seile als Diagonalenzug, der sich über mehrere Zellen erstreckt. In diesem Fall tragen die Seile Hülsen mit integrierten Seilumlenkflächen, sodass am Knotenpunkt mit den Querschotten nur Differenzkräfte übertragen werden müssen. Rundlitzenseile mit einem niedrigen E-Modul können sich elastisch längen und entfalten dabei als diagonale Spannglieder eine rückstellende Wirkung. Alternativ zu elastisch verformbaren Seilen können Teller- oder Spiralfedern im Zusammenwirken mit dem Spannschloss eine konstante Vorspannkraft, auch bei extremer Verformung des Rotorblatts, sicherstellen.The diagonal bracing of a cell not only causes a truss-like force decomposition between the straps and webs, but also has a resulting bias of the walls of the hollow profile result. End fittings on the tension members, such. As clevises or threaded sleeves, interrupt the biasing force at the nodes with the transverse bulkheads. Of particular advantage, however, is the implementation of the cables as a diagonal train, which extends over several cells. In this case, the ropes carry sleeves with integrated Seilumlenkflächen, so that at the junction with the transverse bulkheads only differential forces must be transmitted. Round strand ropes with a low modulus of elasticity can stretch elastically and have a restoring effect as diagonal tendons. As an alternative to elastically deformable ropes, plate or coil springs can work together with the turnbuckle to ensure a constant preload force, even with extreme deformation of the rotor blade.

Anstelle von Stahl- oder Kunststoffseilen kann eine Zelle auch durch Kohlefaserstäbe vorgespannt werden, wobei am Kreuzungspunkt der Raumdiagonalen ein Elastomerlager vorgesehen ist. Eine weitere Möglichkeit zur Vorspannung des Rotorblatts ist ein Seil, das das Rotorblatt im Inneren des Hohlkastens von der Blattspitze bis zur Blattwurzel durchquert und dabei z. B. in drei Spannabschnitte untergliedert ist, wobei die Vorspannkraft zur Blattwurzel hin abschnittsweise zunimmt. Als Krafteinleitungspunkte dienen in diesem Fall jeweils Zellen, in denen ein trichterförmiger Schalenkörper das zentrisch im Hohlprofil geführte Seil aufnimmt. Tellerfedern, die zwischen einer Hülse und einem trichterförmigen Schalenkörper angeordnet sind, halten in jedem Betriebszustand die Vorspannung des Seils konstant. Ein derartiges Spannseil durchquert mehrere Zellen und ist über Elastomerlager mit den Querschotten verbunden. Eine trichterförmige Schale an der Rotorblattwurzel nimmt die maximale Vorspannkraft im ersten Spannabschnitt auf.Instead of steel or plastic ropes, a cell can also be prestressed by carbon fiber rods, wherein an elastomer bearing is provided at the intersection of the space diagonals. Another way to bias the rotor blade is a rope that traverses the rotor blade inside the hollow box from the blade tip to the blade root while z. B. is divided into three clamping sections, wherein the biasing force to the blade root increases in sections. As force application points serve in this case each cells, in which a funnel-shaped shell body receives the centrally guided in the hollow profile rope. Disc springs, which are arranged between a sleeve and a funnel-shaped shell body, hold in In every operating condition the tension of the rope is constant. Such a tensioning cable traverses several cells and is connected to the transverse bulkheads via elastomeric bearings. A funnel-shaped shell on the rotor blade root absorbs the maximum preload force in the first clamping section.

Das Vorspannen eines Rotorblatts ermöglicht auch die Elementierung des Schalenkörpers in zwei oder mehrere Segmente, die ineinander gesteckt und verklebt werden können. Hier gewährleistet das Überdrücken des Schalenkörpers die Stabilität der Stoßfugen zwischen den Blattsegmenten. Seile, Stäbe und Schalen können mit Piezo-Aktuatoren ausgerüstet werden, um eine sensorgesteuerte, aktive Verformungskontrolle zu ermöglichen.The biasing of a rotor blade also allows the element body to be segmented into two or more segments that can be nested and glued together. Here, the over-pressing of the shell body ensures the stability of the butt joints between the blade segments. Ropes, rods and shells can be equipped with piezo-actuators to enable sensor-controlled, active deformation control.

Herstellungmanufacturing

Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Rotorblatts ist von Bedeutung, in welcher Reihenfolge die Wandungen des Kastenquerschnitts mit dem Schalenkörper des Flügelprofils verbunden werden. Dazu wird vorgeschlagen, zunächst die Stege mit den Querschotten kraftschlüssig zu verbinden, sodass ein formgebendes, steifes, an zwei Seiten offenes Hohlprofil gebildet wird, das anschließend mit den beiden Hälften des Flügelprofils, die jeweils durch Gurtungen verstärkt sind, verbunden wird. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, den Kastenquerschnitt als Ganzes einschließlich der Gurtungen, Stege und Querschotte und ggf. auch der Füllelemente vorzufertigen und in ein einstückig hergestelltes Flügelprofil einzuführen und mit diesem zu verkleben. Bei einem vorgespannten Rotorblatt können die Vorspannkräfte während des Zusammenbaus von einem Montagerahmen, der innerhalb oder außerhalb des Kastenquerschnitts ansetzt, temporär aufgenommen werden.In the manufacture of a rotor blade according to the invention, it is important in which order the walls of the box cross-section are connected to the shell body of the wing profile. For this purpose, it is proposed to first frictionally connect the webs with the transverse bulkheads, so that a shaping, rigid, open on two sides hollow profile is formed, which is then connected to the two halves of the airfoil, which are each reinforced by straps. A second possibility is to prefabricate the box cross-section as a whole including the straps, webs and transverse bulkheads and possibly also the filling elements and introduce them into a one-piece manufactured wing profile and glued to this. In a prestressed rotor blade, the preload forces during assembly of a mounting frame that attaches inside or outside the box cross-section can be temporarily absorbed.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen:Show it:

1 den Längenabschnitt eines Rotorblatts mit einer aussteifenden Zelle in schematischer isometrischer Darstellung 1 the longitudinal section of a rotor blade with a stiffening cell in a schematic isometric view

2 ein aus Segmenten zusammengesetztes Rotorblatt mit aussteifenden Zellen im schematischen Längsschnitt 2 a segmented rotor blade with stiffening cells in schematic longitudinal section

3 den Längenabschnitt eines mittels von Seilen vorgespannten Rotorblatts in perspektivischer Darstellung 3 the longitudinal section of a biased by ropes rotor blade in a perspective view

4 ein Rotorblatt nach 3 mit einzelnen Spannabschnitten im schematischen Längsschnitt 4 a rotor blade behind 3 with individual clamping sections in the schematic longitudinal section

5 das Spannschloss eines Rotorblatts nach den 3 und 4 in der isometrischen Übersicht 5 the turnbuckle of a rotor blade after the 3 and 4 in the isometric overview

6 den Längenabschnitt eines mittels von Stäben vorgespannten Rotorblatts in isometrischer Darstellung 6 the longitudinal section of a prestressed by means of rods rotor blade in isometric view

7 ein Rotorblatt nach 6 mit einzelnen Spannabschnitten im schematischen Längsschnitt 7 a rotor blade behind 6 with individual clamping sections in the schematic longitudinal section

8 eine Zelle zur Aufnahme eines zentrisch angeordneten Spannseils in der isometrischen Übersicht 8th a cell for receiving a centrally arranged tensioning cable in the isometric overview

9 ein Rotorblatt nach 8 mit einem über mehrere Zellen sich erstreckenden Spannabschnitt im schematischen Längsschnitt 9 a rotor blade behind 8th with a clamping section extending over several cells in a schematic longitudinal section

1 zeigt eine Zelle 22 in einem Längenabschnitt eines Rotorblatts 1. Das Rotorblatts 1 besteht aus einem Schalenkörper mit Flügelprofil 10, dessen von der Profilsehne s beabstandeten Druck- und Saugseiten 100, 101 jeweils durch Gurtungen 200, 201 verstärkt sind. Zwei U-förmige Stege 202, 203 bilden zusammen mit den Gurtungen 200, 201 ein Hohlprofil 2 mit Kastenquerschnitt 20. Zwei mit einem Längsabstand zueinander angeordnete Querschotte 21 sind allseitig und biegesteif mit den inneren Wandungen des Kastenquerschnitts 20 verbunden und bilden die Zelle 22. Die Zelle 22 als Einzelelement oder als Regelelement zur Aussteifung eines Rotorblatts 1 ermöglicht eine Kraftzerlegung in der Art eines Vierendeel-Trägers sowohl zwischen den einander gegenüber liegenden Gurtungen 200, 201 als auch zwischen den Stegen 202, 203. Die Querschotte 21 wirken dabei als Beulsteifen an den Wandungen des Kastenquerschnitts 20 und erhöhen die Torsionssteifigkeit des Rotorblatts erheblich. 1 shows a cell 22 in a longitudinal section of a rotor blade 1 , The rotor blade 1 consists of a shell body with sash profile 10 whose spaced from the chord s sine pressure and suction sides 100 . 101 each by straps 200 . 201 are reinforced. Two U-shaped bars 202 . 203 form together with the straps 200 . 201 a hollow profile 2 with box cross-section 20 , Two with a longitudinal distance from each other arranged transverse bulkheads 21 are all-round and rigid with the inner walls of the box section 20 connected and form the cell 22 , The cell 22 as a single element or as a control element for stiffening a rotor blade 1 allows force separation in the manner of a Vierendeel beam both between the opposing straps 200 . 201 as well as between the jetties 202 . 203 , The transverse bulkhead 21 act as Beulsteifen on the walls of the box cross-section 20 and significantly increase the torsional rigidity of the rotor blade.

2 zeigt ein durch Zellen 22 ausgesteiftes Rotorblatt 1 nach 1 im Übersichtsschnitt entlang der Profilsehne s. Das Hohlprofil 2 verjüngt sich von der Blattwurzel 11 bis zur Rotorblattspitze 13 und ist regelmäßig durch Querschotte 21 ausgesteift. Drei Rotorblattsegmente 12 werden als Fertigteile am Einbauort zusammengefügt. An den Verbindungsstellen ermöglichen Füllelemente 3 als Diagonalenzüge 300 die räumliche Verspannung der Zellen 22. Die daraus resultierende Vorspannung in dem Hohlprofil 2 wird an der Nahtstelle der Rotorblattsegmente 12 zur Sicherung einer nicht näher dargestellten, formschlüssigen Klebe-Steck-Verbindung genutzt. Als Regelelement zur Aussteifung des Hohlprofils 2 erhöhen die Querschotte 21 die Biege-, Schub- und Torsionssteifigkeit des Rotorblatts 1 als Ganzes, sowohl in Schlagrichtung r des Rotorblatts 1 als vor allem auch in Windrichtung quer zur Schlagrichtung r. 2 shows one by cells 22 stiffened rotor blade 1 to 1 in the overview section along the chord s. The hollow profile 2 rejuvenates from the leaf root 11 to the rotor blade tip 13 and is regularly through transverse bulkheads 21 stiffened. Three rotor blade segments 12 are assembled as finished parts at the installation site. At the joints allow filling elements 3 as diagonal trains 300 the spatial tension of the cells 22 , The resulting bias in the hollow profile 2 becomes at the interface of the rotor blade segments 12 used to secure a non-illustrated, positive locking plug-in connection. As a control element for stiffening the hollow profile 2 increase the transverse bulkheads 21 the bending, shear and torsional rigidity of the rotor blade 1 as a whole, both in the direction of impact r of the rotor blade 1 as especially in the wind direction across the direction of impact r.

3 zeigt den Längenabschnitt eines Rotorblatts 1 mit zwei erfindungsgemäßen Zellen 22, die von drei mit einem Abstand zueinander angeordneten Querschotten 21 gebildet werden. Die Querschotte 21 steifen das Hohlprofil 2 mit Kastenquerschnitt 20 aus, wobei sie über einen verstärkten Rand mit den Gurtungen 200, 201 und den U-förmigen Stegen 202, 203 allseitig verbunden sind. Analog zu einem Fachwerkträger, bei dem Ober- und Untergurt durch Füllstäbe untereinander verbunden sind, dienen hier Füllelemente 3, die als Seile 30 ausgebildet sind, der räumlichen Verspannung der Zellen 22. Durch die Vorspannung der vier, jeweils als Diagonalenzug 300 über mehrere Zellen 22 durchlaufenden Seile 30 mittels eines Spannschlosses 302 am Kreuzungspunkt der Raumdiagonalen wird das Rotorblatt 1 in Längsrichtung vorgespannt. Kraftschlüssig mit den Seilen 30 verbundene Hülsen 301 mit integrierten Seilumlenkflächen werden dabei abwechselnd in den verstärkten Ecken der Querschotte 21 und in den Lagerschalen des Spannschlosses 302 verankert. Bei einer Biegebeanspruchung durch Wind wird deshalb auf der Windangriffsseite 100 erst die in das Flügelprofil 10 eingetragene Druckkraft aufgezehrt, bevor eine Zugbeanspruchung in der Gurtung 200 auftritt. Wie in 4 dargestellt, definiert dabei eine Zelle 22 einen Spannabschnitt 3.1–3.n, sodass die Vorspannkraft abschnittsweise an die jeweilige Beanspruchung des Längenabschnitts eines Rotorblatts 1 angepasst werden kann. 3 shows the length of a rotor blade 1 with two cells according to the invention 22 that of three spaced transverse bulkheads 21 be formed. The transverse bulkhead 21 stiff the hollow profile 2 with box cross-section 20 from where they have a reinforced edge with the straps 200 . 201 and the U-shaped bars 202 . 203 are connected on all sides. Analogous to a truss girder, in which the upper and lower chords are connected to one another by filler rods, filling elements are used here 3 that as ropes 30 are formed, the spatial tension of the cells 22 , By the bias of the four, each as a diagonal train 300 over several cells 22 passing ropes 30 by means of a turnbuckle 302 At the intersection of the space diagonals is the rotor blade 1 prestressed in the longitudinal direction. Strong connection with the ropes 30 connected sleeves 301 with integrated Seilumlenkflächen be alternately in the reinforced corners of the transverse bulkhead 21 and in the bearing shells of the turnbuckle 302 anchored. At a bending stress by wind therefore becomes on the wind attack side 100 first in the wing profile 10 registered compressive force consumed before a tensile stress in the belting 200 occurs. As in 4 represented, thereby defining a cell 22 a tension section 3.1 - 3.n so that the biasing force in sections to the respective stress of the longitudinal section of a rotor blade 1 can be adjusted.

4 zeigt ein Rotorblatt 1 nach 3 im schematischen Längsschnitt entlang der Profilsehne s. Das sich von der Blattwurzel 11 bis zur Blattspitze 13 verjüngende Hohlprofil 2 ist durch Querschotte 21 in eine Anzahl von Zellen 22 unterteilt. Wie in 3 dargestellt, bilden die Querschotte 21 jeweils das Widerlager für Seile 30, die in einem Diagonalenzug 300 jeweils über mehrere Zellen durchlaufen. Ein Diagonalenzug 300 mit einem Rundlitzenseil 30 mit einem Durchmesser von 12 mm erstreckt sich dabei z. B. über die Spannabschnitte 3.1–3.4. In den Spannabschnitten 3.5–3.9 wird eine geringere Vorspannkraft benötigt, wobei der Seildurchmesser des Diagonalenzugs 300 z. B. auf 8 mm reduziert werden kann. Wie in 3 dargestellt, befindet sich am Kreuzungspunkt der Raumdiagonalen ein Spannschloss 302, mit dem alle vier Diagonalenzüge 300 innerhalb einer Zelle 22 vorgespannt werden. Bei dem gezeigten Beispiel ist sichergestellt, dass die maximal beanspruchten Teile des Rotorblatts 1 durch die Seile 30 zusätzlich ausgesteift werden. Eine Erweiterung des Systems über die gesamte Rotorblattlänge ist ohne weiteres möglich. 4 shows a rotor blade 1 to 3 in a schematic longitudinal section along the chord s. That differs from the leaf root 11 to the tip of the blade 13 tapered hollow profile 2 is through transverse bulkhead 21 into a number of cells 22 divided. As in 3 represented, form the transverse bulkheads 21 each the abutment for ropes 30 in a diagonal train 300 each pass through several cells. A diagonal train 300 with a round rope rope 30 with a diameter of 12 mm z. B. over the clamping sections 3.1 - 3.4 , In the clamping sections 3.5 - 3.9 a lower preload force is needed, the rope diameter of the diagonal train 300 z. B. can be reduced to 8 mm. As in 3 represented, located at the crossing point of the room diagonals a turnbuckle 302 , with all four diagonal trains 300 within a cell 22 be biased. In the example shown, it is ensured that the maximum stressed parts of the rotor blade 1 through the ropes 30 additionally stiffened. An extension of the system over the entire rotor blade length is readily possible.

5 zeigt ein Spannschloss 302 am Kreuzungspunkt der von Seilen 30 gebildeten Raumdiagonalen einer Zelle 22 entsprechend dem in den 3 und 4 erläuterten Ausführungsbeispiel. Das Spannschloss 302 besteht aus zwei Lagerschalen 303, in die Presshülsen 301 mit integrierten Seilumlenkflächen formschlüssig eingelegt werden. Mittels einer Spannhülse 304 werden vier Diagonalenzüge 300 gleichzeitig vorgespannt. Nicht näher dargestellte Federelemente auf der Achse der Spannschraube können eine konstante Vorspannkraft in den Seilen 30 auch bei extremen Verformungen eines Rotorblatts sicherstellen. Als aktive Maßnahme zur Verformungskontrolle wird vorgeschlagen, einzelne Seile 30 mit einem Piezo-Aktuator 35 auszurüsten, der durch Anlegen einer elektrischen Spannung seine Länge ändern kann. 5 shows a turnbuckle 302 at the crossroads of ropes 30 formed room diagonals of a cell 22 according to the in the 3 and 4 illustrated embodiment. The turnbuckle 302 consists of two bearing shells 303 , in the press sleeves 301 be inserted positively with integrated Seilumlenkflächen. By means of a clamping sleeve 304 become four diagonal trains 300 preloaded at the same time. Not shown spring elements on the axis of the clamping screw can be a constant biasing force in the ropes 30 even with extreme deformations of a rotor blade. As an active measure of deformation control is proposed, individual ropes 30 with a piezo actuator 35 to equip, which can change its length by applying an electrical voltage.

6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Füllelemente 3 aus druck- und zugsteifen Stäben 31 bestehen, die als Raum diagonalen eine Zelle 22 aussteifen. Am Kreuzungspunkt der Raumdiagonalen ist ein Spannschloss 302 vorgesehen, bei dem eine nicht näher dargestellte, in Blattlängsrichtung ausgerichtete Spannschraube mit einem Elastomerlager 33 zusammenwirkt. Während die Querschotte 21 ein starres Widerlager für die Stäbe 31 bilden, ermöglicht das Elastomerlager 33 eine Verformung des Rotorblatts 1 ohne dabei übermäßige Druckspannungen auf die Stäbe 31 zu übertragen. Leichte, hochbelastbare CFK-Stäbe 31 mit einem stützenden Schaumkern eignen sich besonders gut zur Aussteifung einer Zelle 22. Im Zusammenwirken mit dem zentralen Spannschloss 302 kann das gesamte Rotorblatt 1 in Längsrichtung vorgespannt werden, sodass bei Windbeanspruchung in den Gurtungen 200, 201, in den Stegen 202, 203 und in dem umgebenden Schalenkörper mit Flügelprofil 10 zuerst Druckspannungen abgebaut werden müssen, bevor das Faserverbundmaterial auf Zug beansprucht wird. 6 shows an embodiment in which the filling elements 3 made of compression and tension rods 31 exist as a space diagonal a cell 22 stiffen. At the intersection of the room diagonals is a turnbuckle 302 provided in which a non-illustrated, aligned in sheet longitudinal direction clamping screw with an elastomeric bearing 33 interacts. While the transverse bulkheads 21 a rigid abutment for the bars 31 form, allows the elastomeric bearing 33 a deformation of the rotor blade 1 without excessive compressive stresses on the bars 31 transferred to. Lightweight, heavy-duty CFRP rods 31 with a supporting foam core are particularly well suited for stiffening a cell 22 , In cooperation with the central turnbuckle 302 can the entire rotor blade 1 be preloaded in the longitudinal direction, so that when wind stress in the straps 200 . 201 , in the footbridges 202 . 203 and in the surrounding shell body with sash profile 10 first compressive stresses must be reduced before the fiber composite material is subjected to train.

7 zeigt das in 6 als Längsabschnitt dargestellte Rotorblatt 1 im Übersichtsschnitt entlang der Profilsehne s. In der unteren Blatthälfte sind sechs Spannabschnitte 3.1–3.6 dargestellt, die der Aussteifung und der abschnittsweisen Vorspannung der Zellen 22 dienen. In der oberen Blatthälfte wird das sich von der Blattwurzel 11 bis zur Blattspitze 13 verjüngende Hohlprofil 2 mit Kastenquerschnitt 20 durch Querschotte 21 ausgesteift. Der schematische Längsschnitt stellt nur eine mögliche Anordnung der Zellen 22 und der Füllelemente 3 dar. Gegebenenfalls kann das Rotorblatt 1 von der Blattwurzel 11 bis zur Blattspitze 13 durch die Füllelemente 3 vorgespannt werden. 7 shows that in 6 as a longitudinal section shown rotor blade 1 in the overview section along the chord s. In the lower half of the sheet are six clamping sections 3.1 - 3.6 shown, the stiffening and the sectional bias of the cells 22 serve. In the upper half of the page, that will be different from the leaf root 11 to the tip of the blade 13 tapered hollow profile 2 with box cross-section 20 through transverse bulkhead 21 stiffened. The schematic longitudinal section represents only one possible arrangement of the cells 22 and the filling elements 3 Optionally, the rotor blade 1 from the leaf root 11 to the tip of the blade 13 through the filling elements 3 be biased.

8 zeigt das Widerlager für ein Seil 30, mit dem ein Rotorblatt 1 in Längsrichtung vorgespannt wird. Das Widerlager besteht aus einer Zelle 22, die durch einen pyramidenförmigen Schalenkörper 32 aus GFK ausgesteift wird. Der Schalenkörper 32 ist an beiden Enden kraftschlüssig mit den Querschotten 21 verbunden, sodass die Vorspannkraft aus dem Seil 30 in die Gurtungen 200, 201 und die Stege 202, 203, sowie in den umgebenden Schalenkörper mit Flügelprofil 10 eingetragen werden können. Die Endverbindung des Seils 30 besteht aus einer Hülse 301, die über Tellerfedern 330 in dem Schalenkörper 32 gelagert ist. Wie in 9 dargestellt, erstreckt sich das Seil 30 über mehrere Zellen 22, wobei es jeweils an den Querschotten 21 über ein Elastomerlager 34 elastisch gelagert ist. 8th shows the abutment for a rope 30 with which a rotor blade 1 is biased in the longitudinal direction. The abutment consists of a cell 22 passing through a pyramidal shell body 32 made of GRP is stiffened. The shell body 32 is frictionally engaged with the transverse bulkheads at both ends 21 connected, so that the biasing force from the rope 30 in the straps 200 . 201 and the footbridges 202 . 203 , as well as in the surrounding shell body with sash profile 10 can be entered. The end connection of the rope 30 consists of a sleeve 301 that about disc springs 330 in the shell body 32 is stored. As in 9 shown, the rope extends 30 over several cells 22 , in each case at the transverse bulkheads 21 via an elastomeric bearing 34 is elastically mounted.

9 zeigt ein abschnittsweise vorgespanntes Rotorblatt 1, bei dem acht Zellen 22 im unteren Blattabschnitt zu einem Spannabschnitt 3.1 zusammengefasst sind. Das in 8 mit seinem oberen Widerlager dargestellte Seil 30 ist innerhalb des Hohlprofils 2 mit Kastenquerschnitt 20 angeordnet und durchquert mehrere Zellen 22, wobei jeweils an den Querschotten 21 Elastomerlager 34 vorgesehen sind. An der Rotorblattwurzel 11 dient ein trichterförmiger Schalenkörper 32 zur Einleitung der Vorspannkraft in das Hohlprofil 2. Auch hier stellen Tellerfedern 330 eine gleichbleibende Vorspannkraft in dem Seil 30 unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Rotorblatts 1 sicher. Bezugszeichenübersicht Rotorblatt 1 Flügelprofil 10 Druckseite 100 Saugseite 101 Blattwurzel 11 Blattsegment 12 Blattspitze 13 Profilsehne s Schlagrichtung r Hohlprofil 2 Kastenquerschnitt 20 Gurtungen 200, 201 Stege 202, 203 Querschott 21 Zelle 22 Füllelement 3 Seil 30 Diagonalenzug 300 Hülse 301 Spannschloss 302 Lagerschale 303 Spannhülse 304 Stab 31 Schalenkörper 32 Federelement 33 Tellerfeder 330 Elastomerlager 34 Piezo-Aktuator 35 Spannabschnitt 3.1–3.n 9 shows a sectionally biased rotor blade 1 in which eight cells 22 in the lower leaf section to a clamping section 3.1 are summarized. This in 8th rope shown with its upper abutment 30 is inside the hollow profile 2 with box cross-section 20 arranged and traverses several cells 22 , in each case at the transverse bulkheads 21 elastomeric bearings 34 are provided. At the rotor blade root 11 serves a funnel-shaped shell body 32 for introducing the preload force into the hollow profile 2 , Again, set disc springs 330 a constant biasing force in the rope 30 under different operating conditions of the rotor blade 1 for sure. Reference numeral Overview rotor blade 1 airfoil 10 pressure side 100 suction 101 blade root 11 blade segment 12 blade tip 13 chord s impact direction r hollow profile 2 Box section 20 walings 200 . 201 Stege 202 . 203 transverse bulkhead 21 cell 22 filler 3 rope 30 Diagonalenzug 300 shell 301 turnbuckle 302 bearing shell 303 clamping sleeve 304 Rod 31 shell body 32 spring element 33 Belleville spring 330 elastomeric bearings 34 Piezo actuator 35 clamping section 3.1 - 3.n

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 20320714 U1 [0003]
DE 102005061679 B3 [0004]
DE 2921152 C2 [0004]
DE 2007036917 A1 [0005]

Claims

Rotor blade ( 1 ) for a wind turbine with a horizontal axis of rotation, in which an aerodynamically shaped shell body with airfoil ( 10 ) each in the range of the maximum profile thickness by a hollow profile ( 2 ) with box cross-section ( 20 ) is stiffened lengthwise, wherein the box cross-section ( 20 ) of straps ( 200 . 201 ), each with a distance to the chord (s) of the wing profile ( 10 ) the shell body on the pressure and suction side ( 100 . 101 ) and of Stegen ( 202 . 203 ), which are the two straps ( 100 . 101 ) transversely to the direction of impact (r) of the rotor blade ( 1 ), is formed, characterized in that the hollow profile ( 2 ) by longitudinally spaced transverse bulkheads ( 21 ), which are rigid on all sides with the inner walls of the box section ( 20 ) are stiffened, so that between each two transverse bulkheads ( 21 ) a bending, thrust and torsion-resistant cell ( 22 ) is formed, as a single element, a local stiffening and as a control element global stiffening of the rotor blade ( 1 ) causes.

Rotor blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the transverse bulkheads ( 21 ) consist of fiber-reinforced plastic, have a peripherally extended edge and with the inner walls of the box cross section ( 20 ) are connected non-positively on all sides.

Rotor blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the webs ( 202 . 203 ) consist of fiber-reinforced plastic and have a U-shaped cross-section, wherein the legs of the U-profiles respectively inside or outside the box cross section ( 20 ) are arranged.

Rotor blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a cell ( 22 ) stiffening filling elements ( 3 ), whereby the transverse bulkheads ( 21 ) an abutment for the filling elements ( 3 ) form.

Rotor blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the filling elements ( 3 ) as ropes ( 30 ), as rods ( 31 ) or as shells ( 32 ) are formed and a bias of the rotor blade ( 1 ) in the longitudinal direction.

Rotor blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the bias of the rotor blade ( 1 ) in sections, wherein a clamping section ( 3.1 - 3.n ) at least one cell ( 22 ).

Rotor blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that for biasing the rotor blade ( 1 ) several clamping sections ( 3.1 - 3.n ) are provided and the biasing force from one clamping section to the next (eg. 3.1 - 3.2 ), wherein the maximum biasing force at the rotor blade root ( 11 ) is effective.

Rotor blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a cell ( 22 ) with four ropes ( 30 ) is clamped as a room diagonal.

Rotor blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that at the crossing point of the room diagonals a central turnbuckle ( 302 ) with clamping sleeve ( 304 ) for prestressing the ropes ( 30 ) is provided.

Rotor blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a diagonal train ( 300 ) over several cells ( 22 ) and cable sleeves ( 301 ) carries with integrated Seilumlenkflächen, each frictionally with the transverse bulkheads ( 21 ) and the turnbuckle ( 302 ) get connected.

Rotor blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a rope ( 30 ) as a diagonal train ( 300 ) has a low modulus of elasticity and as a restoring spring element, the deformation behavior of the rotor blade ( 1 ) favorably influenced.

Rotor blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a constant biasing force within a clamping section ( 3.1 - 3.n ) by spring elements ( 33 ), which serve as disc springs ( 310 ) or formed as coil springs, is ensured.

Rotor blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a cell ( 22 ) by crosswise arranged diagonal CFRP rods ( 31 ), the pressure side ( 100 ) with the suction side ( 101 ) of the wing profile ( 10 ), is stiffened like a truss.

Rotor blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a filling element ( 3 ) with a piezo actuator ( 35 ), which is a targeted change in length of individual filling elements ( 3 ).

Rotor blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that one in leaf longitudinal direction over a plurality of cells ( 22 ) passing rope ( 30 ) is provided, in each case at the end points funnel-shaped shells ( 32 ) the preload force in the hollow profile ( 2 ) and elastomeric bearings ( 34 ) at the crossing point with the transverse bulkheads ( 21 ) elastic intermediate bearings of the rope ( 30 ) form.

Rotor blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a wing profile ( 10 ) of several segments ( 12 ) is composed, being provided at the transverse joints for mounting at the installation adhesive joints.