DE102013101233A1

DE102013101233A1 - Wurzelendanordnungskonfiguration für ein Windkraftanlagenrotorblatt und zugehörige Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102013101233A1
Application number: DE102013101233A
Authority: DE
Inventors: Jay F. Leonard
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: LM WIND POWER A/S, DK
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2033-02-08
Also published as: DK178606B1; CN203383979U; DK201370082A; US9239040B2; DE102013101233B4; US20130216394A1; BR102013003525A2

Abstract

Eine Anordnungskonfiguration zwischen einem Windkraftanlagenrotorblatt und einer Rotornabe enthält eine Rotornabe mit einem oder mehreren Blattlagern, wobei jedes Blattlager einen äußeren Lagerring und einen inneren Lagerring aufweist. An den jeweiligen Blattlagerringen sind Rotorblätter befestigt, wobei die Rotorblätter ein Wurzelende mit einem Außendurchmesser aufweisen. Zwischen dem Wurzelende und dem Blattlager ist ein Adapter eingerichtet, wobei der Adapter an dem inneren Lagerring befestigt ist und das Wurzelende an dem Adapter befestigt ist. Der Adapter definiert eine Montagefläche für das Wurzelende radial innen von dem Blattlager, so dass der Außendurchmesser des Wurzelendes kleiner ist als der Durchmesser des inneren Lagerringes.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Der vorliegende Gegenstand bittet allgemein Rotorblätter für eine Windkraftanlage und insbesondere eine Rotorblattanordnung, die eine Erweiterungseinrichtung zur Steigerung der Energieausgabe einer Windkraftanlage enthält.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Windkraft wird als einer der reinsten, umweltfreundlichsten Energiequellen, die derzeit zur Verfügung stehen, betrachtet, und Windkraftanlagen haben in dieser Hinsicht zunehmend Beachtung erlangt. Eine moderne Windkraftanlage enthält gewöhnlich einen Turm, einen Generator, ein Getriebe, eine Gondel und ein oder mehrere Rotorblätter. Die Rotorblätter fangen kinetische Energie aus dem Wind unter Verwendung bekannter Flügelprinzipien ein und übertragen die kinetische Energie über Rotationsenergie, um eine Welle zu drehen, die die Rotorblätter mit einem Getriebe oder, falls eine Getriebe nicht verwendet wird, unmittelbar mit dem Generator koppelt. Der Generator wandelt anschließend die mechanische Energie in elektrische Energie um, die in ein Versorgungsnetz eingespeist werden kann.
Bei herkömmlichen Konstruktionen ist an der Rotornabe für jedes jeweilige Rotorblatt ein Blattlager zur Anstellwinkelverstellung montiert, wobei das Wurzelende des Blattes mit dem Blattlager direkt verschraubt ist. Die Blattlagerkonstruktion ist in hohem Maße durch die eingeschränkte Steifigkeit der Teile, mit denen das Lager zusammenpasst, insbesondere der Blattwurzel, bestimmt. Die Lager verformen sich weniger unter Last, wenn die Komponente, an der sie angebracht sind, eine größere Steifigkeit aufweist. Für größere Rotorkonstruktionen bilden häufig die Blattlagerkonstruktionsgrenzen den Parameter, der den Blattwurzeldurchmesser bestimmt. Jedoch trägt der Wurzelbereich des Blattes wenig zu der Effizienz des Blattes bei und derzeitige Konstruktions-/ Herstellungsgrenzen für den Blattkrümmungsradius haben einen relativ langen spannweitigen Übergang von dem relativ großen Wurzelende zu dem dünneren Flügelprofilabschnitt des Blattes zur Folge. An sich nehmen mit der Größenzunahme und Leistungssteigerung von Windkraftanlagen (mit der zugehörigen Erhöhnung der Blattgröße) die Kosten der Rotoranordnung in Abhängigkeit von den Blattlagerkonstruktionsgrenzen ohne eine proportionale Steigerung der Blatteffizienz zu.
Demgemäß besteht ein Bedarf nach einer verbesserten Lager/Blattwurzel-Konfiguration, die kosteneffizientere Rotorsystemkonstruktionen ermöglicht und für einen kürzeren spannweitigen Übergang von der Wurzel zu dem Flügelprofilabschnitt des Blattes sorgt, ohne notwendigerweise die gesamte Spannweitenlänge der Blätter zu verringern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung sind zum Teil in der folgenden Beschreibung erläutert oder können aus der Beschreibung offenkundig sein, oder sie können durch Umsetzung der Erfindung in die Praxis erfahren werden.
Der vorliegende Gegenstand betrifft eine Anordnung, die verschiedene Blattwurzeldurchmesser mit einer gegebenen Nabe und einem gegebenen Blattlager einer Windkraftanlage zusammen funktionieren lässt.
In einem Aspekt offenbart der vorliegende Gegenstand eine Anordnungskonfiguration zwischen einem Windkraftanlagenrotorblatt und einer Rotornabe, wobei die Rotornabe Blattlager zur Anstellwinkelverstellung mit einem Außenring und einem Innenring enthält. An jedem jeweiligen Blattlager ist ein Wurzelende eines Rotorblattes befestigt, wobei das Wurzelende einen Außendurchmesser aufweist. Zwischen dem Wurzelende und dem Lagerring ist ein Übergangsstück oder ein Adapter eingerichtet, wobei der Adapter an dem Innenring des Blattlagers befestigt ist und das Wurzelende an dem Adapter befestigt ist. Der Adapter bildet eine Montagefläche für das Wurzelende, die in Spannweitenrichtung (wenigstens um die Dicke des Adapters) und in Radialrichtung nach innen von dem Blattlager versetzt sein kann, so dass der Außendurchmesser des Wurzelendes geringer ist als der Durchmesser des Innenrings. Zum Beispiel kann der Innenring das Wurzelende des Rotorblattes vollständig eingrenzen bzw. umschreiben.
Der Adapter kann auf verschiedene Weise konfiguriert sein. Zum Beispiel kann der Adapter in einer bestimmten Ausführungsform ein massives Plattenelement sein. In einer modifizieren Ausführungsform kann der Adapter ein Ringelement sein, das eine umfangsseitige Montagefläche für das Wurzelende des Rotorblattes aufweist. Eine andere mögliche Ausführungsform kann eine speichenartige Konfiguration sein, bei der einzelne Stäbe das Lager in der Radialrichtung versteifen.
In manchen erwünschten Ausführungsformen ist der Adapter aus einem Material ausgebildet, dass so steif wie oder steifer als die Rotorblätter ist, um eine erhöhte Steifigkeit an dem Übergang zwischen dem Rotorblatt und dem Lagerring zu schaffen. Zum Beispiel können die Rotorblätter aus einem herkömmlichen Verbundwerkstoff bestehen, wobei der Adapter aus einem steiferen Verbundwerkstoff oder einem Metall ausgebildet, wie beispielsweise ein Gussbauteil aus Metall ist. Bei dieser Konfiguration verformt sich der Lagerring unter blattinduzierten Lasten weniger. Es sollte ferner verstanden werden, dass der Versteifungsadapter ein gesondertes Teil sein kann oder mit dem Blatt kombiniert sein kann, um eine einstückige, integrale Einrichtung der Blattwurzel zu werden.
In einer bestimmen Ausführungsform kann der Adapter auch gestaltet sein, um einen spannweitigen Versatz in Bezug auf das Blattlager zu schaffen, so dass die Montagefläche der Blattwurzel sich an einer anderen Spannweitenposition relativ zu einem radial äußeren Rand des Adapters befindet, wodurch der gesamte effektive Durchmesser des Windkraftanlagenrotors verändert (zum Beispiel vergrößert) wird, ohne die Länge der Rotorblätter zu verändern. Zum Beispiel kann der Adapter einen radial äußeren Ring enthalten, der an dem Lagerinnenring befestigt ist, wobei die Montagefläche innerhalb dieses äußeren Rings umgrenzt bzw. festgelegt und in Spannweitenrichtung zu diesem äußeren Ring versetzt ist. Bei dieser Ausführungsform kann der Adapter kegelstumpfförmige Seitenwände relativ zu dem äußeren Ring aufweisen, wobei die Montagfläche an den Enden der Seitenwände ausgebildet ist.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform kann der Adapter ferner dazu dienen, den Konuswinkel des Rotors zu verändern, ohne die Blatt- oder Nabenkomponenten zu ändern. Zum Beispiel kann die Montagefläche des Blattwurzelendes in einer nicht-parallelen Ebene relativ zu der Ebene des Lagerringes liegen, an dem der Adapter angebracht ist, wobei dadurch ein Winkelversatz zwischen der Blattwurzelmittelachse und der Blattlagermittelachse geschaffen wird.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner verschiedene Ausführungsformen von Verfahren zur Verbesserung der gesamten Effizienz bzw. des gesamten Wirkungsgrads einer Windkraftanlage, insbesondere der Blattkonstruktion. Zum Beispiel reduziert eine Ausführungsform eines Verfahrens den spannweitigen Übergang von einem Wurzelende zu einem Flügelprofilabschnitt der Rotorblätter in einer Windkraftanlage mit einem gegebenen Rotorblattdurchmesser, wodurch die Effizienz der Blätter gesteigert wird, ohne notwendigerweise die gesamte Spannweitenlänge der Blätter zu erhöhen. Dieses Verfahren kann einen Einbau einer Übergangskomponente zwischen dem Wurzelende des Rotorblattes und einem jeweiligen Laufring eines Blattlagers, an dem das Wurzelende angebracht ist, enthalten. Der Durchmesser des Wurzelendes kann anders als der Durchmesser des Blattlagerringes festgelegt werden, wobei das Wurzelende an der Übergangskomponente befestigt wird. Auf diese Weise verringert oder eliminiert das Verfahren die Spannweite zwischen dem Wurzelende des Rotorblattes und dem Flügelprofilabschnitt, um die gesamte Spannweitenlänge des Flügelprofilabschnitts des Rotorblattes zu vergrößern.
In einer bestimmten Ausführungsform des Verfahrens wird der Durchmesser des Wurzelendes des Rotorblattes in Bezug auf den Durchmesser des Blattlagerringes reduziert.
Das Verfahren kann ein Bilden der Übergangskomponente aus Metall, zum Beispiel einer Gussmetallkomponente, enthalten, wodurch eine erhöhte Steifigkeit zwischen dem Lagerring und dem Rotorblatt erzielt wird, so dass sich der Lagerring unter rotorblattinduzierten Lasten weniger verformt. Bei dieser Konfiguration können die auslegungsgemäßen Lastgrenzen für die Lagerringe in Abhängigkeit von der Steifigkeitserhöhung, die durch die Übergangskomponente hinzugefügt wird, angehoben werden.
Eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens kann eine effektive Veränderung des gesamten Rotordurchmessers ohne Veränderung der Blattlänge durch einen Versatz der Übergangskomponente in Spannweitenrichtung relativ zu dem Blattlager enthalten.
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verstanden. Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Offenbarung enthalten sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine umfassende und befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bester Ausführungsart, die sich an einen Fachmann auf dem Gebiet richtet, ist in der Beschreibung angegeben, die auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt, in denen zeigen:
1 eine Perspektivansicht einer Windkraftanlage von herkömmlicher Bauweise;
2 eine Saugseitenansicht eines Rotorblattes von herkömmlicher Bauweise;
3 eine Saugseitenansicht einer herkömmlichen Anordnungskonfiguration zwischen dem Rotorblattwurzelende und einem Blattlagerring;
4 eine Saugseitenansicht einer Ausführungsform einer Anordnungskonfiguration zwischen dem Rotorblattwurzelende und einem Blattlagerring gemäß Aspekten der Erfindung;
5 eine Saugseitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Anordnungskonfiguration zwischen dem Rotorblattwurzelende und einem Blattlagerring gemäß Aspekten der Erfindung;
6 eine Saugseitenansicht einer noch weiteren Ausführungsform einer Anordnungskonfiguration zwischen dem Rotorblattwurzelende und einem Blattlagerring gemäß Aspekten der Erfindung; und
7 eine Saugseitenansicht einer noch weiteren Ausführungsform einer Anordnungskonfiguration zwischen dem Rotorblattwurzelende und einem Blattlagerring gemäß Aspekten der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Einzelnen auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Jedes Beispiel ist zur Erläuterung der Erfindung, nicht zur Beschränkung der Erfindung vorgesehen. In der Tat wird es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass von dem Umfang oder Rahmen der Erfindung abgewichen wird. Zum Beispiel können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit besteht die Absicht, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen, wie sie in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen, und ihre Äquivalente mit umfasst.
Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, veranschaulicht 1 eine Perspektivansicht einer Windkraftanlage 10 von herkömmlicher Konstruktion mit horizontaler Achse. Jedoch sollte verstanden werden, dass die Windkraftanlage 10 eine Windkraftanlage mit vertikaler Achse sein kann. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält die Windkraftanlage 10 einen Turm 12, der sich von einer Stützfläche 14 aus erstreckt, eine Gondel 16, die oben auf dem Turm 12 montiert ist, und einen Rotor 18, der mit der Gondel 16 gekoppelt ist. Der Rotor 18 enthält eine drehbare Nabe 20 und wenigstens ein Rotorblatt 22, das mit der Nabe 20 gekoppelt ist und sich von dieser aus nach außen erstreckt. Wie veranschaulicht, enthält der Rotor 18 drei Rotorblätter 22.
Jedoch kann der Rotor 18 in einer alternativen Ausführungsform mehr oder weniger als drei Rotorblätter 22 enthalten. Der Rotor 18 weist einen effektiven Rotationsdurchmesser auf, der durch die Nabe 20, die Blätter 22 und die Dicke des Befestigungsmechanismus zwischen den Blättern und der Nabe definiert ist.
Die Rotorblätter 22 können allgemein eine beliebige geeignete Länge aufweisen, die der Windkraftanlage 10 ermöglichen, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. Außerdem können die Rotorblätter 22 rings um die Nabe 20 im Abstand verteilt sein, um eine Drehung des Rotors 18 zu unterstützen, um zu ermöglichen, dass kinetische Energie aus dem Wind in nutzbare mechanische Energie und anschließend in elektrische Energie umgesetzt wird. Insbesondere kann die Nabe 20 mit einem (nicht veranschaulichten) elektrischen Generator drehfest gekoppelt sein, der innerhalb der Gondel 16 angeordnet ist, um die Erzeugung elektrischer Energie zu erlauben. Ferner können die Rotorblätter 22 an mehreren Lastübertragungsbereichen 26 mit der Nabe 20 zusammenpassend verbunden sein. Somit werden jegliche Lasten, die auf die Rotorblätter 22 eingeleitet werden, über die Lastübertragungsbereiche 26 auf die Nabe 20 übertragen.
Wie in der veranschaulichten Ausführungsform dargestellt, kann die Windkraftanlage ferner ein Turbinensteuersystem oder eine Turbinensteuereinrichtung 36 enthalten, das bzw. die innerhalb der Gondel 16 zentralisiert ist. Jedoch sollte erkannt werden, dass die Steuereinrichtung 36 an einer beliebigen Stelle an oder in der Windkraftanlage 10 oder einer beliebigen Stelle auf der Stützfläche 14 oder allgemein an jeder beliebigen sonstigen Stelle angeordnet sein kann.
Die Steuereinrichtung 36 kann allgemein konfiguriert sein, um die verschiedenen Betriebsmodi der Windkraftanlage 10 (z.B. Anlauf- oder Abschaltsequenzen) zu steuern. Außerdem kann die Steuereinrichtung 36 ferner konfiguriert sein, um die Blattneigung oder den Anstellwinkel jedes der Rotorblätter 22 (d.h. einen Winkel, der eine Perspektive der Rotorblätter 22 in Bezug auf die Richtung 28 des Windes bestimmt) zu steuern, um die Last und die durch die Windkraftanlage 10 erzeugte Leistung durch Einstellung einer Winkelposition wenigstens eines Rotorblattes 22 in Bezug auf den Wind zu steuern. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung 36 den Anstellwinkel der Rotorblätter 22 entweder einzeln oder gleichzeitig durch Übertragung geeigneter Steuersignale zu einem Blattantriebs- oder Blattverstellsystem 32 steuern, das konfiguriert ist, um die Blätter 22 um ihre Längsachsen 34 zu verdrehen. Es sollte erkannt werden, das die vorliegende Erfindung auch für durch Strömungsabriss geregelte, so genannte Stall-geregelte, Maschinen von Windkraftanlagen gilt.
Bezugnehmend auf den herkömmlichen Aufbau gemäß 2 enthält das Rotorblatt 22 eine Saugseite 52 und eine gegenüberliegende Druckseite 54, die sich zwischen einer Vorderkante 56 und einer Hinterkante 58 erstrecken. Ferner weist das Rotorblatt 22 eine Spannweite 60, die eine gesamte Blattlänge zwischen einer Blattwurzel 38 und einer Blattspitze 40 definiert, sowie eine Sehne 62 auf, die die gesamte Länge zwischen der Vorderkante 56 und der Hinterkante 58 definiert. Wie allgemein verstanden wird, kann die Sehne 62 generell hinsichtlich ihrer Länge in Bezug auf die Spannweite 60 variieren, während sich das Rotorblatt 22 von der Blattwurzel 38 zu der Blattspitze 40 erstreckt.
Die Rotorblätter 22 definieren ein beliebiges geeignetes aerodynamisches Profil oder eine beliebige geeignete aerodynamische Gestalt entlang einer (im Querschnitt) tragflächen- bzw. flügelprofilförmigen Spannweitenlänge des Blattes, die von der Blattwurzel 38 aus nach außen verläuft. Zum Beispiel kann das Rotorblatt 22 als ein symmetrisches Flügelprofil oder ein gewölbtes Flügelprofil entlang dieses Flügelprofilabschnitts eingerichtet sein. Außerdem kann das Rotorblatt 22 auch entlang des Flügelprofilabschnitts aeroelastisch angepasst sein, was eine Verbiegung des Blattes 22 im Wesentlichen in Sehnenrichtung (parallel zu der Sehne 62) und/oder im Wesentlichen in Spannweitenrichtung (parallel zu der Spannweite 60) mit sich bringt. Eine aeroelastische Anpassung kann ferner eine Verwindung des Rotorblattes 22, beispielsweise eine Verwindung des Blattes 22 im Wesentlichen in Sehnenrichtung und/oder in Spannweitenrichtung mit sich bringen.
Die Blattwurzel 38 ist die Komponente des Blattes, die an der Nabe 20 der Windkraftanlage 10 angebracht ist und die Last auf die Rotornabe 20 an dem Übertragungsbereich 26 überträgt. Die Blattwurzel 38 weist eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt auf und kann als ein relativ dicker und starrer Abschnitt des Rotorblattes 22 eingerichtet sein, um so den Biegemomenten und anderen Kräften, die während eines Betriebs der Windkraftanlage 10 an dem Blatt 22 erzeugt werden, standzuhalten. Diese nicht-flügelprofilförmige zylindrische Blattwurzel 38 trägt zu der Fähigkeit des Blattes 22, Windenergie in mechanische Energie umzuwandeln, nicht bedeutend bei.
In dem herkömmlichen Aufbau, wie er in 2 dargestellt ist, weist die Blattwurzel 38 einen sich nach außen erstreckenden Blattflansch 42 auf, der an dem Wurzelende 64 eingerichtet ist und der mit einer entsprechenden Befestigungskomponente 44 der Nabe 20 ausgerichtet und an dieser montiert ist. Diese Komponente 44 ist gewöhnlich das Blattlager zur Anstellwinkelverstellung oder ein beliebiges sonstiges geeignetes Lastübertragungsbauteil. Insbesondere kann der Blattflansch 42 allgemein mehrere Bolzenlöcher 46 definieren, die ein Lochmuster aufweisen, das dem Muster der Bolzenlöcher 48 entspricht, die in einem Laufring des Blattlagerringes 44 ausgebildet sind. An sich kann das Rotorblatt 22 an der Nabe 20 unter Verwendung mehrerer Schraubenbolzen 50 oder beliebiger sonstiger geeigneter Befestigungsmechanismen und/oder -einrichtungen starr befestigt sein.
In dem in der 2 und 3 dargestellten herkömmlichen Konstruktion ist der Blattbefestigungsflansch unmittelbar radial innen an dem Ende 64 der Blattwurzel 38 angeordnet. In anderen Ausführungsformen kann der Befestigungsflansch von dem Blattwurzelende 64 aus radial nach außen gerichtet sein.
Weiterhin bezugnehmend auf die herkömmliche Konstruktion nach 3 weist das Blattlager einen Innenlaufring 45 und einen Außenlaufring 46 auf, der an der Nabe 20 mittels Bolzen oder anderer geeigneter Mittel fixiert ist. Das Blattlager weist einen Verbindungsstellendurchmesser 72, der an der Verbindungsstelle zwischen dem Außenring 46 und dem Innenring 45 definiert ist, und einen Innendurchmesser 74 auf, der durch den Innenring 45 definiert ist. Der Blattwurzelabschnitt 38 weist einen Durchmesser 68 auf, der im Wesentlichen dem Verbindungsstellendurchmesser 72 entspricht. Der Blattwurzelabschnitt 38 weist eine Spannweitenlänge auf, so dass eine Übergangslänge 70 zwischen dem Ende 64 der Blattwurzel 38 und einer Position entlang der Längserstreckung des Blattes 22 definiert ist, an der das Blatt in den relativ dünnen Flügelprofilabschnitt übergeht. Es sollte erkannt werden, dass dieser Übergangspunkt an verschiedenen Stellen definiert sein kann, solange der Punkt für die Zwecke eines Vergleiches der Übergangslängen 70 der herkömmlichen Konstruktionen (wie beispielsweise der Konstruktion in den 2 und 3) mit Konstruktionen gemäß der vorliegenden Erfindung eindeutig definiert ist.
4 zeigt ein Rotorblatt 22 mit einer Anordnungskonfiguration 66 gemäß Aspekten der Erfindung, wobei ein Übergangsstück oder Adapter 76 zwischen dem Wurzelende 64 und dem Lagerring 44 eingerichtet ist. Der Adapter 76 definiert eine Montagefläche 78, an der das Wurzelende 64 befestigt ist. Zum Beispiel ist in der Ausführungsform, wie sie in 4 dargestellt ist, der Blattflansch 42 auf der Montagefläche 78 mit mehreren Schraubenbolzen 50 angeschraubt. Der Adapter 76 und die zugehörige Montagefläche 78 bieten Mittel zur Reduktion des Wurzeldurchmessers 68 und des Durchmessers des Blattflansches 42 auf weniger als der Innendurchmesser 74 des Blattlagers 44, wie dies insbesondere in 4 veranschaulicht ist. Diese Konfiguration ergibt deutliche Vorteile. Zum Beispiel kann die Übergangslänge 70 zwischen dem Wurzelende 64 und dem Flügelprofilabschnitt des Blattes 22 durch Verkürzung der Spannweitenlänge der Blattwurzel 38 verringert werden, wie dies durch Vergleich der Konfiguration nach 4 mit der herkömmlichen Konfiguration nach 3 erkannt werden kann. Wie oben erläutert, ist für relativ große moderne Windkraftanlagen der bestimmende Konstruktionsfaktor an dem Übergangsbereich 26 (1) häufig das Blattlager 44, das einen relativ großen Wurzelenddurchmesser 68 (3) erfordert. Der Adapter 76 ermöglicht einen reduzierten Wurzelenddurchmesser 68 und die damit verbundene Reduktion der Übergangslänge 70. Der Adapter 76 reduziert in effektiver Weise Beschränkungen hinsichtlich des Krümmungsradius in der Blattkonstruktion unter Ermöglichung der reduzierten Übergangslänge 70.
In einem weiteren Aspekt verändert der Adapter 76 in effektiver Weise die Gesamtlänge des Rotorblattes 22 um die spannweitige Dicke oder Höhe des Adapters 76, wodurch die Leistungsfähigkeit der Rotorblätter 22, kinetische Energie aus dem Wind in nutzbare mechanische Energie umzuwandeln, verändert wird, ohne tatsächlich die Spannweitenlänge des Blattes 22 zu vergrößern.
Der Adapter 76 kann gemäß Aspekten der Erfindung auf verschiedene Weise eingerichtet sein. Zum Beispiel ist in der in 4 dargestellten Ausführungsform der Adapter 76 ein Plattenelement 80, das im Wesentlichen den gleichen Außendurchmesser wie der Innenring 45 aufweist. Die Platte 80 ist an den Lagerring 45 mit mehreren Bolzen 50 angeschraubt und definiert eine im Wesentlichen flache, ebene und ununterbrochene Montagefläche 78, auf der der Blattflansch 42 mit Schaumbolzen 50 montiert ist. Bei dieser plattenartigen Konfiguration 80 des Adapters 76 können mehrere unterschiedliche Bolzenlochmuster in der Platte 80 vordefiniert sein, so dass die Platte Blattwurzel 38 mit unterschiedlichen Wurzelenddurchmessern 68 aufnehmen kann.
In einer modifizierten Konfiguration, wie sie in 5 dargestellt ist, ist der Adapter 76 durch ein Ringelement 82 gebildet, das einen Aussendruchmesser aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Lagerringes 44 ist. Das Ringelement 82 definiert eine ringförmige Montagefläche 78, auf der der Blattflansch 42 angeschraubt ist.
Es sollte erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf irgendein spezielles Maß der Reduktion des Blattwurzeldurchmessers 68 in Bezug auf den Lagerring 44 beschränkt ist. Die prozentuale Reduktion wird entsprechend zahlreichen Faktoren, wie beispielsweise der gesamten Blattlänge, der Blattkonstruktion, den Lastgrenzen und -auslegungen, den Materialeigenschaften der Anordnungskomponenten, und dergleichen variieren.
Wie vorstehend erläutert, ist die Konstruktion des Blattlagerringes 44 größtenteils durch die eingeschränkte Steifigkeit der Teile, an denen der Lagerring 44 montiert ist, bestimmt. Eine Erhöhung der Steifigkeit der blattseitigen Verbindungskomponente wird die Lastgrenzen für eine gegebene Größe des Blattlagers 44 erhöhen. In dieser Hinsicht kann der Adapter 76 aus einem Material ausgebildet sein, das mit dem Blattmaterial vergleichbar oder steifer als dieses ist. Zum Beispiel ist der Adapter 76 in einer speziellen Ausführungsform aus Metall geformt, beispielsweise eine Gussmetallkomponente, die deutlich steifer ist als der Verbundwerkstoff des Blattwurzelendes 38 (und des gesamten Blattes 22). Diese Metallkomponente ergibt eine deutlich größere Steifigkeit, so dass sich der Lagerring 44 unter einer Last weniger verformt, verglichen mit dem Fall, wenn das Blattwurzelende 64 unmittelbar mit dem Lagerring 44 verknüpft ist.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anordnungskonfiguration 66, bei der der Adapter 76 ein in Spannweitenrichtung erhöhtes Profil in Bezug auf das Blattlager 44 aufweist, so dass die Montagefläche 78 um einen Abstand 84 zu einem Montageende des Adapters 76 versetzt ist. Zum Beispiel enthält der Adapter 76 in der Ausführungsform nach 6 einen äußeren Ring 86, der an dem Innenring 45 montiert ist. Seitenwände 88 erstrecken sich von dem äußeren Ring 86 aus und enden an einem oberen Plattenelement, das die Montagefläche 78 bildet. Die Seitenwände 88 definieren den Versatz und können in manchen Ausführungsformen geneigt oder kegelstumpfförmig sein, um den Durchmesser 68 des Blattwurzelendes weiter zu reduzieren, wie dies in 6 dargestellt ist. Wie bei der Ausführungsform nach 4 ist das Wurzelende 64 an der Montagefläche 78 angeschraubt. Diese Ausführungsform ergibt eine deutlich andere Gesamtlänge des Blattes 22 ohne Veränderung der Länge der Wurzel 38 und ermöglicht dennoch eine reduzierte Übergangslänge 70 im Vergleich zum Beispiel zu der herkömmlichen Konstruktion nach 3.
Die in 7 dargestellte Ausführungsform ist der Ausführungsform nach 6 ähnlich mit der Ausnahme, dass die Montagefläche 78 unter einem nicht-parallelen Winkel in Bezug auf die Montagefläche des äußeren Radialringes 86 ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform kann der Adapter 76 dazu dienen, den Konuswinkel des Rotors zu verändern, ohne die Blatt- oder Nabenkomponenten zu ändern. Zum Beispiel kann die Montagefläche 78 des Blattwurzelendes in einer nichtparallelen Ebene in Bezug auf die Ebene des Lagerringes 45, an dem der Adapter 76 befestigt ist, angeordnet sein, wodurch ein Winkelversatz zwischen der Blattwurzelmittelachse 92 und der Blattlagermittelachse 90 geschaffen wird.
Es sollte erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung ferner verschiedene Ausführungsformen von Verfahren entsprechend den vorstehend erläuterten Aspekten umfasst. Zum Beispiel kann, bezugnehmend auf die Figuren, allgemein ein Verfahren zur Reduktion des spannweitigen Übergangs 70 von einem Wurzelende 64 zu einem Flügelprofilabschnitt eines Rotorblattes 22 in einer Windkraftanlage mit einem gegebenen Rotorblattdurchmesser durch Montage einer Übergangskomponente oder eines Adapters 76 zwischen dem Wurzelende 64 und einem Lagerring 44, an dem das Wurzelende befestigt ist, geschaffen sein. Mit der Übergangs- oder Adapterkomponente 76 kann der Durchmesser 68 des Wurzelendes 64 auf weniger als ein Innendurchmesser 74 des Lagerringes 44 reduziert werden. Bei dieser Konfiguration wird die Spannweiten- oder Übergangslänge 70 zwischen dem Wurzelende 64 und dem Flügelprofilabschnitt des Blattes reduziert, um so die gesamte Spannweitenlänge des Flügelprofilabschnitts des Rotorblattes 22 zu vergrößern.
Das Verfahren kann ein Schaffen einer erhöhten Steifigkeit zwischen dem Lagerring 44 und dem Rotorblatt 22 durch Erzeugung der Übergangskomponente 76 aus Metall enthalten, so dass sich der Lagerring 44 unter rotorblattinduzierten Lasten weniger verformt. Das Verfahren kann somit ferner ein Erhöhen der auslegungsgemäßen Lastgrenzen für die Lagerringe 44 in Abhängigkeit von der erhöhten Steifigkeit außerhalb der Ebene, die durch die Übergangskomponente 76 erhöht ist, enthalten.
Das Verfahren kann ferner ein Verändern (z.B. Vergrößern) des gesamten Rotordurchmessers enthalten, ohne dem Rotor 38 Spannweitenlänge hinzuzufügen, indem die Montagefläche der Übergangskomponente 76 relativ zu dem Lagerring 44 versetzt wird, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach 4 erläutert ist.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente enthalten, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
Eine Anordnungskonfiguration zwischen einem Windkraftanlagenrotorblatt und einer Rotornabe enthält eine Rotornabe mit einem oder mehreren Blattlagern, wobei jedes Blattlager einen äußeren Lagerring und einen inneren Lagerring aufweist. An den jeweiligen Blattlagerringen sind Rotorblätter befestigt, wobei die Rotorblätter ein Wurzelende mit einem Außendurchmesser aufweisen. Zwischen dem Wurzelende und dem Blattlager ist ein Adapter eingerichtet, wobei der Adapter an dem inneren Lagerring befestigt ist und das Wurzelende an dem Adapter befestigt ist. Der Adapter definiert eine Montagefläche für das Wurzelende radial innen von dem Blattlager, so dass der Außendurchmesser des Wurzelendes kleiner ist als der Durchmesser des inneren Lagerringes.
Bezugszeichenliste

10: Windkraftanlage
12: Turm
14: Stützfläche
16: Gondel
18: Rotor
20: Nabe
22: Rotorblatt
26: Lastübertragungsbereich
28: Wind
30: Achse
32: Anstellwinkelverstellmechanismus, Blattverstellmechanismus
34: Achse
36: Steuerungseinrichtung
38: Wurzel
40: Spitze
42: Blattflansch
44: Blattlager, Blattverstelllager
45: Innenring
46: Außenring
48: Bolzenlöcher
50: Schraubenbolzen
52: Saugseite
54: Druckseite
56: Vorderkante
58: Hinterkante
60: Spannweite
62: Sehne
64: Blattwurzelende
66: Anordnungskonfiguration
68: Wurzeldurchmesser
70: Übergangslänge
72: Blattlager-Verbindungsstellendurchmesser
74: Blattlager-Innendurchmesser
76: Adapter
78: Montagefläche
80: Plattenelement
82: Ringelement
84: Versatzabstand
86: äußerer Ring
88: Seitenwand
90: Blattlagermittelachse
92: Blattwurzelmittelachse

Claims

Anordnungskonfiguration zwischen einem Windkraftanlagenrotorblatt und einer Rotornabe, die aufweist: eine Rotornabe mit einem oder mehreren Blattlagern, wobei die Blattlager einen Außenring und einen Innenring aufweisen; ein Rotorblatt, das an dem Blattlager befestigt ist, wobei die Rotorblätter ein Wurzelende mit einem Außendurchmesser aufweisen; einen Adapter, der zwischen dem Wurzelende und dem Lager eingerichtet ist, wobei der Adapter an dem Innenring befestigt ist und das Wurzelende an dem Adapter befestigt ist; und wobei der Adapter eine Montagefläche für das Wurzelende radial innen von dem Innenring bildet, so dass der Außendurchmesser des Wurzelendes kleiner ist als der Innendurchmesser des Blattlagers.
Anordnungskonfiguration nach Anspruch 1, wobei der Adapter ein Plattenelement aufweist.
Anordnungskonfiguration nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Adapter ein Ringelement aufweist.
Anordnungskonfiguration nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei der Adapter aus einem Material ausgebildet ist, das die gleiche Steifigkeit wie die Rotorblätter oder eine größere Steifigkeit als diese aufweist.
Anordnungskonfiguration nach Anspruch 4, wobei die Rotorblätter aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet sind und der Adapter aus einem Verbundwerkstoff oder Metall ausgebildet ist.
Anordnungskonfiguration nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Adapter ein in Spannweitenrichtung erhöhtes Profil in Bezug auf das Blattlager und Seitenwände aufweist, die sich von einem radial äußeren Rand des Adapters aus quer nach außen erstrecken, wobei die Montagefläche an einem Ende der Seitenwände ausgebildet ist.
Anordnungskonfiguration nach Anspruch 6, wobei der Adapter einen radial äußeren Ring aufweist, der an dem Innenring befestigt ist, wobei die Montagefläche innerhalb des äußeren Ringes eingegrenzt ist.
Anordnungskonfiguration nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Adapter ein konusförmiges Querschnittsprofil aufweist.
Anordnungskonfiguration nach einem beliebigen der Ansprüche 6–8, wobei der Adapter aus Metall ausgebildet ist und das Rotorblatt aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet ist.
Anordnungskonfiguration nach einem beliebigen der Ansprüche 6–9, wobei die Montagefläche in einer nicht-parallelen Ebene relativ zu einer Ebene des Innenrings ausgebildet ist, so dass eine Mittelachse des Blattes relativ zu einer Mittelachse des Blattlagers versetzt ist.
Verfahren zur Reduktion des spannweitigen Übergangs von einem Wurzelende zu einem Flügelprofilabschnitt von Rotorblättern in einer Windkraftanlage mit einem gegebenen Rotorblattdurchmesser, das aufweist: Einbau einer Übergangskomponente zwischen einem Wurzelende der Rotorblätter und einem jeweiligen Ring eines Blattlagers, an dem das Wurzelende befestigt ist; Festlegen, dass der Durchmesser des Wurzelendes des Rotorblattes sich von dem Durchmesser des Blattlagerringes unterscheidet, und Befestigen des Wurzelendes an der Übergangskomponente; und Reduktion oder Elimination der Spannweite zwischen dem Wurzelende des Rotorblattes und dem Flügelprofilabschnitt, um die gesamte Spannweitenlänge des Flügelprofilabschnitts des Rotorblattes zu vergrößern.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Durchmesser des Wurzelendes des Rotorblattes relativ zu dem Durchmesser des Blattlagerringes reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Übergangskomponente aus einem Metall oder Verbundwerkstoff mit einer größeren Steifigkeit als das Rotorblatt ausgebildet ist, wobei das Verfahren dadurch eine erhöhte Steifigkeit zwischen dem Blattlager und dem Rotorblatt erzielt, so dass sich der Lagerring unter rotorblattinduzierten Lasten weniger verformt.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner ein Erhöhen auslegungsgemäßer Lastgrenzen für das Blattlager in Abhängigkeit von der erhöhten Steifigkeit, die durch die Übergangskomponente erhöht wird, aufweist.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 11–14, das ferner ein Vergrößern der Spannweitenlänge des Rotorblattes durch Versetzen der Übergangskomponente relativ zu dem Blattlagerring aufweist.