WO2001046582A2 - Rotorblatt für windenergieanlagen - Google Patents

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Aerodyn Engineering Gmbh
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    • F03D1/06—Rotors
    • F03D1/065—Rotors characterised by their construction elements
    • F03D1/0675—Rotors characterised by their construction elements of the blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a rotor blade for wind turbines.
  • Rotor blades for wind turbines differ from hydrofoils manufactured in a similar design, for example from aircraft, essentially in that they are exposed to turbulent wind currents and, due to the vertical arrangement of the rotating plane, are subject to changing dead weight loads due to gravity and centrifugal forces.
  • the invention has therefore set itself the task of creating a rotor blade, the structure of which is already better adapted in concept to the changing dead weights that occur in wind turbines than is the case with conventional rotor blades similar to aircraft wings.
  • the profile lugs and / or flag structure of the rotor blade consist of individual radial separate segment elements is built. These segments are connected separately with a load-bearing spar box, which results in a shear-resistant connection in this area.
  • the connection between the flag elements themselves is made with a permanently elastic adhesive, which, due to its flexibility, transmits very little forces in the axial direction of the blade, which means that the load-bearing deformation of the load-bearing spar box can be traced almost without load by the flag elements.
  • the length of the flag elements is designed so that the adhesive bond between the flag elements is adapted to the load of the elastic adhesive and does not overload it.
  • this segment can be used to simply replace the segment of the area concerned, and the segments do not require any belt structures.
  • FIG. 1 is an exploded view of a rotor blade with a row of seven lug elements, which are arranged in front of a continuous spar box and which are followed by flag elements which follow in the direction of rotation and which narrow towards the rear edge,
  • Fig. 3 is a basic sectional view through such a rotor blade
  • Fig. 4a, 4b, 4c three alternative types of adhesive connection between the flag elements while leaving a flexible, material-filled joint area.
  • the rotor blade shown in FIGS. 1 and 2 consists of a central spar box 10 which extends from the blade connection to substantially the blade tip 14 and in which straps 12 are arranged for absorbing the longitudinal tensions.
  • the webs 22 (see also FIG. 3) of the spar box 10 transmit the shear stresses.
  • nose and flag elements 18, 16, and a separate part present on the outer side of the blade as a blade tip 14, which is connected to the end of the spar box 10, are provided to produce the required aerodynamic outer contour.
  • the carrying function is performed by a spar box 10 which runs essentially centrally in the rotor blade and which is formed longitudinally in the blade up to a final tip segment 14 and on which - in rotation - direction - nose elements 18 are attached to the front and flag elements 16 are attached to the rear.
  • FIG 3 is a schematic representation of a section through a rotor blade, in which the spar box is shown with its belts 12 and the two webs 22 and the connecting laminate 24, the attachment edges 26 for the substantially U-shaped cross-section Offers nose elements and the substantially V-shaped flag elements.
  • the transition area between two segments 16; 18 can be made partially flexible by gluing, but through the joints 28 transversely to the extension of the spar, movement for each individual segment with respect to the neighboring segment is already possible, so that it can itself be attached to the spar box in a comparatively rigid manner.
  • the connection between the flag and nose elements 16; 18 with the spar box 10 can be carried out by gluing, screwing, riveting or a combination thereof.
  • Fig. 4 the bond between the adjacent nose elements 18 or between the adjacent flag elements 16 is shown in the blade depth direction, the bonding taking place via a wide joint 28 which is filled with a highly elastic adhesive which transmits the forced deformation of the rotor blade by the segment elements opposed little resistance, so that no cracking will occur within this and also within the joint.
  • the joint 28 will advantageously be filled with highly elastic plastic, with a large-area bonding of the elastic material to the segments being made possible by the formation of overlapping structures.
  • the individual segments 16; In this case, in particular, 18 can be held together by a joint 28 with a width which exceeds the height of the lateral segment connection surfaces defined in the direction perpendicular to the rotor blade plane by a multiple.
  • the joint 28 can be covered in the edge area on the segment edge on the top and / or bottom by a fixed attachment surface 30 attached to the segment (see FIG. 4b), these sections of adjoining segments being able to overlap.
  • the elastic joint 28 can also be formed by an elastic rubber element, e.g. with vulcanized steel contact elements, which are used to attach to the other elements.

Abstract

Rotorblatt für eine Windenergieanlage, welches eine Mehrzahl von Segmentelementen (16, 18) aufweist, die an einem lastübertragenden Holmkasten (10) angesetzt sind und die zwischen sich elastische Fugen (28) besitzen, die eine Relativbewegung der Segmente zueinander zulassen, um die Spannungsbelastungen in dem Bereich des Rotorblattes, in dem die Segmente vorgesehen sind, zu minimieren.

Description

Rotorblatt für Windenergieanlagen
Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für Windenergieanlagen.
Rotorblätter für Windenergieanlagen unterscheiden sich von bisher in ähnlicher Bauweise gefertigten Tragflügeln, beispielsweise von Flugzeugen, im wesentlichen dadurch, daß sie turbulenten Windströmungen ausgesetzt sind und durch die vertikale Anordnung der Drehebene mit wechselnden Eigengewichtbelastungen durch die Gravitation und auch Fliehkräften unterliegen.
Durch die kubisch mit dem Durchmesser ansteigende Blatt- masse und die o.g. Belastungen nehmen die Probleme bei der Strukturauslegung der Blätter insbesondere bei großen Rotorblättern überproportional zu.
Bei bisheriger konventioneller Fertigung, beispielsweise aus zwei Hälften, die in Negativ-Formen vorgefertigt und anschließend in GFK-Bau-üblicher Weise miteinander verklebt werden, werden insbesondere in der Schwenkebene der Blätter hohe Spannungsamplituden in der Profilnase und der dünn auslaufenden Profilhinterkante im Betrieb auftreten.
Die durch die Spannungsamplituden hervorgerufenen Ermüdungsbelastungen führen insbesondere in der Profilhinterkante bei einigen der bisher bekannten Rotorblätter zu frühzeitiger Rißbildung, die sehr bedenklich ist, da sich die Risse durch die gesamte Struktur fortsetzen können und das Rotorblatt sogar völlig zerstören können.
Bisher begegnete man diesen Rissen dadurch, daß in der nachlaufenden Blatthälfte, der Profilfahne, und in der Profilnase zusätzliche Gurtstränge eingelegt wurden, die diese Lasten aufnehmen sollten. Zum einen ist dies kostenträchtig, zum anderen ist dies auch deswegen nachteilig, da dadurch hohe Kräfte in den Nasen- und Hinterkantenbereich eingebracht werden, die im Blattanschluß wieder in den zentralen Holmkasten eingeleitet werden müssen.
Zusätzlich muß eine Kraftumlenkung stattfinden, die zwangsläufig Zusatzkräfte in Blattquerrichtung erzeugt, die wiederum nur durch zusätzliche strukturelle Elemente aufgefangen werden können. Schließlich ist die Einbringung der Gurte in Nase und Hinterkante neben dem dadurch verursachten erheblichen Fertigungsaufwand auch eine Fehlerquelle für die Struktur, da der Verlauf dieser zusätzlichen Gurte ganz besonders genau eingehalten werden muß.
Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, ein Rotorblatt zu schaffen, dessen Struktur bereits im Konzept an die wechselnden Eigengewichte, die bei Windkraftanlagen auftreten, besser angepaßt ist, als dies bei herkömmlichen, den Flugzeugtragflächen ähnelnden Rotorblättern der Fall ist.
Erfindungsgemäß wird dies durch eine Struktur mit den Merkmalen des Anspruches 1 erreicht. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung wieder.
Insbesondere ist vorteilhaft, daß die Profilnasen und/- oder Fahnenstruktur des Rotorblattes aus einzelnen radial getrennten Segmentelementen aufgebaut ist . Diese Segmente werden separat mit einem tragenden Holmkasten verbunden, wobei sich in diesem Bereich eine schubsteife Verbindung ergibt .
Die Verbindung zwischen den Fahnenelementen selbst wird mit einem dauerelastischen Klebstoff hergestellt, der aufgrund seiner Nachgiebigkeit sehr geringe Kräfte in axialer Blattrichtung überträgt, wodurch eine lastabhängige Deformation des tragenden Holmkastens nahezu lastlos von den Fahnenelementen nachvollzogen werden kann. Die Länge der Fahnenelemente wird dabei so ausgelegt, daß die Verklebung zwischen den Fahnenelementen, der Last des elastischen Klebers angepaßt, diesen nicht überlastet.
Durch diese Ausführung ist die Hinterkante den bisher auftretenden hohen Dehnungsbelastungen entzogen, so daß nunmehr keine Ausbildung gefährlicher Risse mehr zu befürchten ist. Durch die geringen Dehnungen im Bauteil kann zudem bei der Auslegung des Bauteils bereits an Material eingespart werden.
Das Rotorblatt wird durch diese Aufteilung erheblich einfacher zu fertigen sein, was insbesondere bei sehr großen Rotorblättern, deren Bauformen die gesamte Länge des Rotorblattes haben müssen, bisher mit erheblichen Nachteilen in der Fertigung verbunden war.
Weiter kann durch diese Ausbildung im Fall einer Strukturbeschädigung das Segment des betroffenen Bereiches einfach ausgetauscht werden, und die Segmente benötigen in sich keine GurtStrukturen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt: Fig. 1 eine Explosionsdarstellung eines Rotorblattes mit einer Reihe von sieben Nasenelementen, die vor einem durchgehenden Holmkasten angeordnet sind und an die sich in Drehrichtung nachlaufende Fahnenelemente anschließen, die zur hinteren Kante her schmal auslaufen,
Fig. 2 das Rotorblatt der Fig. 1 im zusammengebauten Zustand,
Fig. 3 eine prinzipielle Schnittdarstellung durch ein derartiges Rotorblatt, und
Fig. 4a, 4b, 4c drei alternative Arten der Klebverbindung zwischen den Fahnenelementen unter Belassung eines mit flexiblen, materialgefüllten Fugenbereichs.
Das in der Fig. 1 und 2 dargestellte Rotorblatt besteht aus einem zentralen, vom Blattanschluß bis im wesentlichen zur Blattspitze 14 reichenden Holmkasten 10, in dem Gurte 12 zur Aufnahme der LängsSpannungen angeordnet sind. Die Stege 22 (siehe auch Fig. 3) des Holmkasten 10 übertragen die Schubspannungen. An dem Holmkasten 10 sind zur Herstellung der erforderlichen aerodynamischen Außenkontur Nasen- und Fahnenelemente 18, 16, sowie ein an der äußeren Seite des Blattes als Blattspitze 14 vorhandenes separates Teil, das mit dem Ende des Holmkastens 10 verbunden ist, vorgesehen.
Dabei wird die Tragfunktion von einem im wesentlichen zentral im Rotorblatt verlaufenden Holmkasten 10 wahrgenommen, der bis zu einem abschließendem Spitzensegment 14 längs im Blatt ausgebildet ist und an den - in Rotations- richtung - an der Vorderseite Nasenelemente 18 und an der Rückseite Fahnenelemente 16 angesetzt sind.
In der Fig. 3 ist anhand eines Schnittes durch ein Rotorblatt eine schematische Darstellung enthalten, in der der Holmkasten mit seinen Gurten 12 und den beiden Stegen 22 sowie dem Verbindungslaminat 24 dargestellt ist, der Ansatzkanten 26 für die im wesentlichen im Querschnitt U-förmig ausgebildeten Nasenelemente und die im wesentlichen V-förmig ausgebildeten Fahnenelemente bietet.
Der Übergangsbereich zwischen zwei Segmenten 16; 18 kann durch Verklebung teilflexibel ausgebildet sein, wobei jedoch durch die Fugen 28 quer zur Erstreckung des Holmes bereits für jedes einzelne Segment eine Bewegung gegenüber dem benachbarten möglich ist, so daß es selber vergleichsweise steif an dem Holmkasten angesetzt werden kann. Die Verbindung zwischen den Fahnen- und Nasenelementen 16; 18 mit dem Holmkasten 10 kann durch Verklebung, Verschraubung, Vernietung oder einer Kombination hiervon ausgeführt werden.
In der Fig. 4 ist in Blattiefenrichtung die Verklebung zwischen den benachbarten Nasenelementen 18 oder zwischen den benachbarten Fahnenelementen 16 dargestellt, wobei die Verklebung über eine breite Fuge 28 erfolgt, die mit einem hochelastischen Klebstoff ausgefüllt ist, der der Zwangsverformung des Rotorblatts übertragen durch die Segmentelemente wenig Widerstand entgegensetzt, so daß sich innerhalb dieser und auch innerhalb der Fuge keine Rißbildung einstellen wird.
Die Fuge 28 wird vorteilhafterweise mit hochelastischem Kunststoff gefüllt sein, wobei eine großflächige Verklebung des elastischen Materials an den Segmenten durch Ausbildung überlappender Strukturen ermöglicht wird. Die einzelnen Segmente 16; 18 können insbesondere in diesem Fall von einer Fuge 28 mit einer Breite, die die in Richtung senkrecht zur Rotorblattebene definierte Höhe der seitlichen Segmentanschlußflächen um ein Mehrfaches übersteigt, zusammengehalten werden.
Die Fuge 28 kann dabei im Randbereich an der Segmentkante an Ober- und/oder Unterseite jeweils von einem festen, am Segment angesetzten Ansatzfläche 30 (siehe Fig. 4b) überdeckt werden, wobei sich diese Abschnitte aneinander angrenzender Segmente überlappen können.
Es ist auch denkbar, daß die Fuge 28 durch von den beiden benachbarten Segmenten 16; 18 in den Zwischenraum hineinragende, U-förmige, mit den Segmenten einstückige Stegstrukturen 32 im Kantenbereich zu den Segmenten hin, an Blattober- und Blattunterseite wenigstens teilweise überdeckt wird.
Schließlich wird eine Ausführung vorgeschlagen, in der sich eine U-förmige Stegstruktur eines Segments und eine in diese einliegende Stegkante 34 eines angrenzenden Segmentes derart überdecken, daß die Klebefuge 28 im Schnitt quer zur Erstreckung der Fuge einen U-förmigen Verlauf aufweist .
Die elastische Fuge 28 kann jedoch auch durch ein elastisches Gummielement, z.B. mit anvulkanisierten Kontaktelementen aus Stahl, die zur Befestigung an den übrigen Elementen dienen, realisiert werden.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Rotorblatt für eine Windenergieanlage, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Segmentelementen (16, 18), die an einem lastübertragenden Holmkasten (10) angesetzt, zwischen sich elastische Fugen (28) besitzen, die eine Relativbewegung der Segmente zueinander zulassen, um die Spannungsbelastungen in dem Bereich des Rotorblattes, in dem die Segmente vorgesehen sind, zu minimieren.
2. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den einzelnen Elementen vorgesehenen Fugen (28) mit hochelastischem Kunststoff gefüllt sind.
3. Rotorblatt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen zentral im Rotorblatt verlaufender Holmkasten (10) bis zu einem abschließendem Spitzensegment ausgebildet ist und an der Vorderseite Nasenelemente (18) und an der Rückseite Fahnenelemente (16) an diesen angesetzt sind.
4. Rotorblatt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fugenbreite, die durch den Abstand der einzelnen Segmente (16, 18) gebildet ist, die in Richtung senkrecht zur Rotorblattebene definierte Höhe der seitlichen Segmentanschlußflächen um ein Mehrfaches übersteigt.
5. Rotorblatt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuge (28) durch von beiden Segmenten (16; 18) in die Fuge hineinragende U-förmige, mit den Segmenten einstückige Stegstrukturen (32) im Kantenbereich zu den Segmenten hin an Ober- und Unterseite überdeckt wird.
6. Rotorblatt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuge (28) im Randbereich an der Segmentkante an Ober- und/oder Unterseite des Rotorblatts jeweils von einem festen, am Segment angesetzten Ansatzfläche (30) überdeckt wird, wobei die Ansatzflächen (30) aneinander angrenzender Segmente (16; 18) sich überlappen.
7. Rotorblatt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine U-förmige Stegstruktur eines Segments und eine in diese einliegende Stegkante (34) an einem danebenliegenden Segment sich derart überdecken, daß die Fuge (28) im Schnitt quer zur Erstreckung der Fuge einen U-förmigen Verlauf aufweist.
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