DE102007036917A1 - Rotor blade for wind power plant i.e. floating wind power plant, has clamping member arranged on pillar such that effective cross section holds additional compressive strength to anticipate stress-dependent deformation due to wind load - Google Patents

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Abstract

The blade has a pillar with a blade radix fastening the pillar to a hub of a rotor. An upper flange faces a wind facing side of the blade in an assembly condition. A lower flange faces a wind-turned away side of the blade in the assembly condition. An outer rotor blade profile (10) is carried by the pillar. The blade is pre-stressed in longitudinal direction by a clamping member arranged on the pillar in such a manner that the entire effective cross section holds an additional compressive strength to anticipate stress-dependent deformation due to the wind load.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für Windkraftanlagen, insbesondere für schwimmende Windkraftanlagen sowie eine Windkraftanlage mit einem Rotorblatt.The Invention relates to a rotor blade for wind power plants, especially for floating wind turbines and a Wind turbine with a rotor blade.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Die Windkrafttechnik ist durch ein kontinuierliches Größenwachstum gekennzeichnet. Der Markt vor allem für die sog. Offshore-Windkrafterschließung, bei der vor der Küste schwimmende Windkraftanlagen eingesetzt werden, verlangt immer leistungsstärkere Windturbinen. Dieser Trend stellt die Windkraftingenieure vor schwierige konstruktive Aufgaben. Ausgehend von Ähnlichkeitsgesetzen der Mechanik und belegt durch Beispiele aus der Praxis kann gezeigt werden, daß die Massen großer Windkraftanlagen und demzufolge auch die Massen und Kosten schneller steigen als die Größe der Rotorfläche und damit auch schneller als die Leistung bzw. die Energieproduktion.The Wind power technology is characterized by a continuous growth in size characterized. The market especially for the so-called offshore wind farm development, used in offshore floating wind turbines are demanding ever more powerful wind turbines. This trend presents wind power engineers with difficult constructive challenges Tasks. Based on similarity laws of mechanics and proven by practical examples it can be shown that the Masses of large wind turbines and consequently also the Masses and costs rise faster than size the rotor surface and thus faster than the power or energy production.

Windkraftanlagen kommen auf Rotordurchmesser von 50 m bis 130 m. Doch je größer die Flügel, desto komplizierter die Konstruktion und Fertigung. Der Trend, insbesondere im Offshorebereich über die Leistungsklassen der Windkraftanlagen von 3,0 bis 5,0 MW zu gehen, ist unverkennbar. Anlagengrößen bis 10 MW befinden sich heute schon in der Planung. Überzeugende technische Lösungen für diese extremen Blattgrößen stehen zur Zeit noch nicht zur Verfügung.Wind turbines come on rotor diameter from 50 m to 130 m. But the bigger the wings, the more complicated the design and manufacturing. The trend, especially in the offshore sector over the performance classes Wind turbines from 3.0 to 5.0 MW are unmistakable. Plant sizes up to 10 MW are already available today in the planning. Convincing technical solutions stand for these extreme leaf sizes currently not available.

Der traditionelle Rotorblattbau hat mit den heute möglichen Rotorblattgrößen seine technischen und wirtschaftlichen Grenzen erreicht. Da die Blattspitzen der Windkraftrotoren im Offshorebereich mit einer Geschwindigkeit bis zu 500 km/h rotieren, muß hohe Festigkeit garantiert werden.Of the Traditional rotor blade construction has the potential today Rotor blade sizes its technical and economic Reached limits. Since the blade tips of the wind power rotors in the offshore area must rotate at a speed of up to 500 km / h, must high Strength can be guaranteed.

Die Rotoren werden meist in aufgelöster Bauweise gefertigt. Das Endprodukt setzt sich aus einzeln vorgefertigten Elementen zusammen. Laminiert im klassischen Sinne wird nicht mehr. Heute verwendet man vorimprägnierte Materialien, sog. Prepregs (aus dem Engl. preimpregnated = vorgetränkt). Diese Prepregs sind in Kunstharz getränkte Glas- oder Kohlefaserfasermatten, die beidseitig mit einer Abziehfolie versehen sind und erst unmittelbar vor der Verarbeitung ausgepackt werden.The Rotors are usually manufactured in dissolved construction. The end product is composed of individually prefabricated elements. Laminated in the classical sense is no more. Used today Preimpregnated materials, so-called prepregs (from the Engl. Preimpregnated = pre-soaked). These prepregs are Resin impregnated glass or carbon fiber mats, which are provided on both sides with a release liner and only immediately be unpacked before processing.

Aus der DE 29 21 152 A1 ist ein aus einzelnen Abschnitten gefertigtes Rotorblatt mit einer Länge von bis zu 60 m bekannt, das aus Teilstücken à 6 bis 12 m besteht, die mittels innenliegender Spannelemente zu einer Einheit verbunden werden. Allerdings enthält diese Schrift keine Aussagen zu Verstärkungsmaßnahmen oder zur effizienten Materialausnutzung sowie zur möglichen Gewichtseinsparung bei sehr großen Rotorblättern. Auch Konzepte zur konstruktiven Erhöhung der Blattsteifigkeit und zur reduzierten Auslenkung der Blattspitze fehlen.From the DE 29 21 152 A1 is a rotor blade of up to 60 m in length, made up of individual sections, consisting of sections of 6 to 12 m, which are connected to form a single unit by means of internal tensioning elements. However, this document contains no statements on reinforcing measures or the efficient use of materials and the possible weight savings for very large rotor blades. Also concepts for constructive increase of the sheet stiffness and the reduced deflection of the blade tip are missing.

Die in der genannten DE 29 21 152 A1 beschriebene gestückelte Bauweise hat sich daher für große Rotorblätter nicht durchgesetzt. Tatsächlich werden die langen Rotorblätter für Offshore-Windkraftanlagen heute vorzugsweise in einem Stück direkt an der Küste oder am Hafenkai gefertigt und per Schiff oder Ponton zur Baustelle vor Ort transportiert. Ein aus einzelnen Abschnitten gefertigtes Rotorblatt bringt in wirtschaftlicher Hinsicht keinen Gewinn. Auch der produktionstechnische Vorteil einer kleineren Wärmekammer (Autoklaven) wird bei einer Großserienfertigung der langen Rotorblätter unbedeutend, da es sich hierbei um eine einmalige Investition handelt. Der Aufwand an Energie und Betriebskosten ist bei einer großen Wärmekammer für ein einteiliges Rotorblatt annähernd gleich den Kosten, die bei einer kleinen Wärmekammer, in der Teilstücke eines gleichgroßen Rotorblattes nacheinander behandelt werden, entstehen.The mentioned in the DE 29 21 152 A1 fragmented design described has therefore not prevailed for large rotor blades. In fact, the long rotor blades for offshore wind turbines today are preferably manufactured in one piece directly on the coast or at the quayside and transported by ship or pontoon to the construction site on site. A manufactured from individual sections rotor blade brings in economic terms no profit. Also, the production technical advantage of a smaller heat chamber (autoclave) is insignificant in a large-scale production of long rotor blades, since this is a one-time investment. The cost of energy and operating costs is in a large heat chamber for a one-piece rotor blade approximately equal to the costs incurred in a small heat chamber, are treated in succession in the sections of a rotor blade of the same size.

Bei den hier in Frage stehenden Rotorblättern wird bislang in einer ersten Fertigungsstufe wird der sog. Holm produziert. Dieser Holm bildet das tragende Gerüst, das dem Rotorblatt die erforderliche Festigkeit gibt. Ähnlich wie der Holm einer Tragfläche erstreckt er sich im Innern über die gesamte Blattlänge. Der Holm setzt sich wiederum aus zwei Elementen zusammen. Der erste ist der sehr stabile Abschnitt für die Blattwurzel, der das Rotorblatt später mit der Nabe verbindet. Das zweite Element ist ein rund- oder kastenförmiger konischer Träger, der bis zur Blattspitze verläuft. Beide Bauelemente des Holms werden mit Prepregs in Form gebracht.at The question here rotor blades is so far in a first manufacturing stage, the so-called spar is produced. This Holm forms the supporting framework that the rotor blade required strength gives. Similar to the spar of one Tragfläche it extends in the interior over the entire sheet length. The spar again consists of two Elements together. The first is the very stable section for the blade root, the rotor blade later with the hub combines. The second element is a round or box-shaped conical carrier that extends to the tip of the blade. Both components of the spar are brought into shape with prepregs.

In der nächsten Fertigungsstufe werden in Negativformen jeweils die Oberschale und Unterschale des Rotorblattes hergestellt. Danach wird der Holm in die Unterschale eingepaßt. Anschließend werden beide Schalen miteinander verklebt. Das manuelle Bearbeiten der Blätter, Laminieren oder das lagenweise Aufbringen von Prepregs per Hand und das nachträgliche Verkleben von vorgefertigten Elementen ist sehr kosten- und personalintensiv.In the next stage of production will be in negative forms respectively the upper shell and lower shell of the rotor blade made. After that the spar is fitted in the lower shell. Then be both shells glued together. Manually editing the Sheets, laminating or layer-by-layer application of Prepregs by hand and the subsequent gluing of prefabricated Elements is very cost and labor intensive.

Bei Windkraftanlagen besteht die Blattstruktur üblicherweise aus zwei Halbschalen, zum Teil als Sandwichstrukturen mit Schaumkern, mit Nasen- und Endkantenverklebung sowie Holmen aus einfachen oder doppelten Stegen. Als Werkstoffe werden Glasfasermaterial und zunehmend auch für hochbelastete Bereiche Kohlenstoffasern eingesetzt.at Wind turbines usually consists of the leaf structure from two half shells, partly as sandwich structures with foam core, with nose and end edge gluing as well as spars from simple or double bridges. As materials become fiberglass material and increasingly also used for heavily loaded areas carbon fibers.

Rotorblätter von Windkraftanlagen unterliegen einem sehr komplexen Anforderungs- und Belastungsprofil:

  • – instationäre aerodynamische Kräfte,
  • – Eigenbewegungen des Systems und seiner Einzelmassen als Schwingungsproblem,
  • – unterschiedlichste klimatische Bedingungen, z. B. extreme Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, Eis, UV-Strahlen, Blitzschlag,
  • – hohe Anforderungen an die technische Lebensdauer, i. a. > 25 Jahre,
  • – extremer Kostendruck bei Herstellung, Betrieb und Wartung.
Rotor blades of wind turbines unterlie to a very complex requirement and load profile:
  • - transient aerodynamic forces,
  • - proper movements of the system and its individual masses as a vibration problem,
  • - Different climatic conditions, eg. Extreme temperature fluctuations, moisture, ice, UV rays, lightning,
  • - high demands on the technical life, generally> 25 years,
  • - extreme cost pressure during production, operation and maintenance.

Die Rotorblattfertigung ist dabei noch immer handwerklich orientiert. Es werden fast ausschließlich "Unikate" gefertigt. Qualitätsmängel ergeben sich u. a. beim Zusammenfügen und Verkleben der beiden Halbschalen. Je länger das Rotorblatt, desto größer wird die Blattauslenkung unter Windlast. Die zusätzlichen notwendigen konstruktiven Verstärkungsmaßnahmen erhöhen das Blattgewicht überproportional. Bis heute sind viele technische Lösungen erprobt worden, die bei den großen Rotorblättern jedoch bisher nur teilweise Verbesserungen erbrachten, z. B.:

  • – Blattquerschnitt mit faserverstärkter Kunststoffschale als tragender Hohlquerschnitt, wobei die Schale als Sandwichquerschnitt ausgebildet wird, teilweise mit versteifender Profilierung,
  • – vorweggenommene negative Durchbiegung des Blattes kann Verformung unter Last teilweise kompensieren,
  • – vergrößerter Blattquerschnitt im Bereich zwischen Blattwurzel und Mittelteil,
  • – verstärkter Holm in Verbindung teilweise mit Verstärkungszulagen in der Ober- und Unterschale des Blattprofils,
  • – Holm aus hochfestem Karbonfasermaterial statt glasfaserverstärktem Kunststoff,
  • – Holmstege mit Aussteifungselementen aus kastenförmigen Sandwichbauteilen,
  • – besondere Wickeltechnik mit Carbonfasern in Längs- und Querwicklung des Holms.
The rotor blade production is still always technically oriented. There are almost exclusively made "unique". Quality defects arise, inter alia, when assembling and gluing the two half-shells. The longer the rotor blade, the greater the blade deflection under wind load. The additional necessary structural reinforcement measures increase the blade weight disproportionately. To date, many technical solutions have been tested, but so far only partially made improvements in the large rotor blades, z. B .:
  • Sheet cross-section with fiber-reinforced plastic shell as a load-bearing hollow cross-section, wherein the shell is formed as a sandwich cross-section, sometimes with stiffening profiling,
  • - anticipated negative deflection of the blade can partially compensate for deformation under load,
  • - enlarged leaf cross-section in the area between the leaf root and middle part,
  • Reinforced stile in conjunction, partly with reinforcement allowances in the upper and lower shell of the blade profile,
  • - Holm made of high-strength carbon fiber material instead of glass fiber reinforced plastic,
  • - spar bars with stiffening elements made of box-shaped sandwich components,
  • - Special winding technology with carbon fibers in longitudinal and transverse winding of the spar.

Auf das Tragflächenprofil des Rotorblattes wirkt, neben anderen Kräften, ähnlich wie bei einem Flugzeug ein hoher Auftrieb auf der gewölbten Profilseite infolge des Strömungsunterdruckes. Aufgrund der hohen Umlaufgeschwindigkeit des äußeren Blattabschnittes bis zur Blattspitze (wie oben bereits erwähnt bis zu 500 km/h) stellen sich insbesondere an dem schmal auslaufenden Rotorblatt auf der dem Wind abgewandten Seite große Auftriebskräfte ein. Die resultierende Zugkraft bewirkt eine elastische Auslenkung des Rotorblattes. Die Steifigkeit des tragenden Holms und der äußeren Schale bestimmen die Größe der Durchbiegung. Da der Holm von der Blattwurzel bis zur Blattspitze konisch verläuft, werden Holm- und Schalenquerschnitte zwar mit zunehmender Entfernung von der Blattwurzel kleiner und das Widerstandsmoment nimmt ab, gleichzeitig nehmen aber die Umlaufgeschwindigkeit des Rotorblattes mit größerem Radius und die Auftriebskraft zu.On the airfoil profile of the rotor blade acts, among others Forces, much like a plane high Buoyancy on the curved profile side due to the flow negative pressure. Due to the high circulation speed of the outer Leaf section to the leaf tip (as mentioned above up to 500 km / h) are in particular at the narrow expiring Rotor blade on the windward side large buoyancy forces one. The resulting tensile force causes an elastic deflection of the rotor blade. The stiffness of the supporting spar and the outer Shell determine the size of the sag. There the spar of the blade root is tapered to the tip of the blade, Holm and shell cross sections are indeed with increasing distance from the blade root smaller and the moment of resistance decreases, but at the same time take the rotational speed of the rotor blade with larger radius and the buoyancy force too.

Wird ein Rotorblatt in der konventionellen Bauweise gefertigt, ergeben sich typische Verformungswege bzw. Durchbiegung der Blattspitze unter Windlast von 5 bis 10% der Rotorblattlänge. Je länger das Rotorblatt, desto stärker wird auch die Auslenkung. Trotz Einsatz hochwertiger Materialien, zusätzlicher Blattverstärkungen und spezieller Formgebung sind diesen Bau- und Konstruktionstechniken Grenzen gesetzt, da die Gesamtsteifigkeit auf diese Weise nicht beliebig erhöht werden kann. Zudem sind Verformungswege physikalisch notwendig, um Zug- und Druckspannungen im tragenden Querschnitt zu erzeugen und die Steifigkeit (Elastizität) im Blatt zu aktivieren.Becomes made a rotor blade in the conventional construction, result typical deformation paths or deflection of the blade tip under wind load of 5 to 10% of the rotor blade length. The longer the rotor blade, the stronger the deflection. Despite the use of high quality materials, additional leaf reinforcements and special shaping are limits to these construction and construction techniques set, because the overall stiffness in this way is not arbitrary can be increased. In addition, deformation paths are physical necessary to tensile and compressive stresses in the supporting cross-section to generate and the rigidity (elasticity) in the sheet to activate.

Eine zu große Durchbiegung des Rotorblattes gefährdet die Standsicherheit der Windkraftanlage. Es muß auf jeden Fall verhindert werden, daß die Rotorblattspitze selbst unter extremer Windlast den Turm berühren kann. Bei den großen rotierenden Massen der Rotorblätter würde eine Kollision mit dem Turm unweigerlich zu einer vollständigen Zerstörung der Windkraftanlage führen.A Too much bending of the rotor blade endangered the stability of the wind turbine. It has to be on everyone Case can be prevented that the rotor blade tip itself under extreme wind load can touch the tower. Both large rotating masses of the rotor blades would a collision with the tower inevitably leads to a complete Destruction of the wind turbine lead.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rotorblatt anzugeben, daß auch bei sehr großen Blattlängen von etwa 50 m bis 80 m ein geringes Blattgewicht, eine sehr große Steifigkeit und minimale Durchbiegung aufweist, und zwar ohne Einbußen an Festigkeit, Qualität, technischer Lebensdauer oder aerodynamischer Effizienz. Das Rotorblatt soll dabei in besonders wirtschaftlicher Weise herstellbar sein.Of the Invention is based on the object of specifying a rotor blade, that even with very long blade lengths From about 50 m to 80 m a low sheet weight, a very large Stiffness and minimal deflection, without loss of Strength, quality, technical life or aerodynamic Efficiency. The rotor blade is intended to be particularly economical Be made way.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windkraftanlage mit einem verbesserten Rotorblatt anzugeben, die für sehr große Energieleistungen ausgelegt und insbesondere im Offshorebereich einsetzbar ist.A Another object of the invention is to provide a wind turbine with a specified rotor blade, which is very large Energy performance designed and used especially in the offshore area is.

Die genannten Aufgaben werden gelöst von einem Rotorblatt mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. von einer Windkraftanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.The These tasks are solved by a rotor blade with the features of claim 1 or by a wind turbine with the features of claim 13. Advantageous embodiments and developments are the subject of the respective subclaims.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Grundgedanken, bereits im unbelasteten Ruhezustand Spannungen im tragenden Querschnitt des Rotorblatts zu erzeugen, um die spannungsabhängige Verformungen infolge Windlast vorwegzunehmen. Entsprechend dem Prinzip des vorgespannten Trägers wird das Rotorblatt in Längsrichtung vorgespannt, d. h. der gesamte tragende Querschnitt erhält eine zusätzliche Druckspannung.The solution according to the invention is based on the basic idea of generating stresses in the load-bearing cross-section of the rotor blade already in the unloaded resting state in order to anticipate the voltage-dependent deformations as a result of wind load. According to the principle of the prestressed carrier, the rotor blade is provided in the longitudinal direction spans, ie the entire load-bearing cross section receives an additional compressive stress.

Durch die erfindungsgemäße Vorspannung erhält der tragende Holm trotz Leichtbauweise eine sehr hohe Biegesteifigkeit und nimmt als Träger die gesamte äußere profilgebende Schalenkonstruktion des Rotorblattes auf.By receives the bias of the invention the load-bearing spar, despite its lightweight construction, has a very high flexural rigidity and takes as the carrier the entire outer profiling shell construction of the rotor blade.

Um zu verhindern, daß es im lastfreien Zustand bei einseitiger Vorspannung im sog. Obergurt des Holms (auf der dem Wind zugewandten Seite) nicht zu Verformungen des Rotorblattes kommt, erhält auch der sog. Untergurt des Holms auf der Druckseite Spannglieder.Around to prevent it in the load-free state with unilateral Preload in the so-called Obergurt the spar (on the wind-facing Page) does not come to deformations of the rotor blade receives also the so-called lower flange of the spar on the pressure side tendons.

Insgesamt wird die Steifigkeit wesentlich erhöht, ohne die Masse des Rotorblattes zu vergrößern. Dieses Konstruktionsprinzip, nämlich Leichtbau mit Vorspannung und bessere Materialausnutzung des Holmquerschnitts, eröffnet die Möglichkeit auch sehr große Rotorblätter wirtschaftlich herzustellen.All in all The stiffness is significantly increased without the mass of the rotor blade to enlarge. This design principle, namely lightweight with bias and better material utilization of Holmquerschnitts, opens up the possibility as well to produce very large rotor blades economically.

Die erfindungsgemäße Lösung schlägt vor, das gesamte Rotorblatt vorzuspannen und die Vorspannkräfte direkt in die Rotornabe einzuleiten. Dabei können vorteilhaft Karbonfasern eingesetzt werden. Die Steifigkeit von Karbonfaserbauteilen ist mit derjenigen von Stahlkonstruktionen vergleichbar. Weitere Materialeigenschaften sind: gute Dauerfestigkeit; höchste Reißlänge, sehr hoher Elastizitäts-Modul, keine Korrosionsprobleme. Die Faser ist elektrisch sehr gut und thermisch gering leitfähig. Die Zugfestigkeit der Karbonfasern beträgt je nach Qualität 2500 bis 7000 Mpa und die Materialsteifigkeit bzw. der E-Modul liegt zwischen 220 und 300 Gpa bzw. GN/mm2.The solution according to the invention proposes to pretension the entire rotor blade and to introduce the pretensioning forces directly into the rotor hub. In this case, advantageously carbon fibers can be used. The stiffness of carbon fiber components is comparable to that of steel structures. Other material properties are: good fatigue strength; highest tear length, very high modulus of elasticity, no corrosion problems. The fiber is electrically very good and thermally low conductivity. Depending on the quality, the tensile strength of the carbon fibers is 2500 to 7000 MPa and the material stiffness or the modulus of elasticity is between 220 and 300 GPa or GN / mm 2 .

Ein erfindungsgemäßes Rotorblatt hat unter anderem die Vorteile, eine hohe Blattsteifigkeit zu besitzen, nahezu vollständig automatisch gefertigt werden zu können und ein geringes Gewicht aufzuweisen. Durch die erfindungsgemäße Vorspannung erhält der tragende Holm trotz Leichtbauweise eine sehr hohe Biegesteifigkeit und dient als Träger für die äußere profilgebende Schalenkonstruktion des Rotorblattes.One Rotor blade according to the invention has, among other things the advantages of having a high sheet stiffness, almost completely to be made automatically and a small one To show weight. By the invention Preload receives the supporting spar despite lightweight construction a very high bending stiffness and serves as a carrier for the outer profiling shell construction of the Rotor blade.

Der Bau auch sehr großer Rotorblätter, insbesondere für den Einsatz im Offshorebereich, kann aus wirtschaftlichen Gründen mit maschineller Unterstützung ablaufen. Besonders geeignet für diese Produktionstechnik ist die Herstellung der Rotorblätter mit Hilfe von Wickelmaschinen oder Wickelautomaten in Verbindung mit dem Einsatz kunstharzgetränkter Karbonfasern. Damit kann der kostenintensive und manuell aufwendige Bau von Negativformen für die Oberschale und Unterschale des Rotorblattes und für den Holm entfallen. Die grundsätzliche Wickeltechnik ist in Hau, E.: Windkraftanlagen, 2. Auflage 1995, Springer Verlag Berlin, Seite 204 ff. beschrieben.The construction of even very large rotor blades, in particular for use in the offshore sector, can take place for economic reasons with mechanical assistance. Particularly suitable for this production technique is the production of the rotor blades with the help of winding machines or automatic winding machines in connection with the use of resin-impregnated carbon fibers. Thus, the costly and manually consuming construction of negative molds for the upper shell and lower shell of the rotor blade and for the spar can be omitted. The basic winding technique is in Hau, E .: wind turbines, 2nd edition 1995, Springer Verlag Berlin, page 204 ff. described.

Die größte Blattbelastung erfolgt in Längsrichtung. Anstelle der üblichen Kraftaufnahme über die eingelegten Glas- oder Carbonfasern übernehmen jetzt die Spannglieder die Längskräfte und leiten diese direkt in die Blattwurzel.The largest sheet load occurs in the longitudinal direction. Instead of the usual power absorption over the inserted Glass or carbon fibers now take over the tendons the longitudinal forces and direct these directly into the Blade root.

Durch die erfindungsgemäße Konstruktionsmethode gelingt es erstmalig, ein hochfestes Rotorblatt durch Leichtbau mit Vorspanntechnik zu bauen. Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es ferner, erhebliche Stabilitätsreserven durch bessere Materialausnutzung zu erschließen, ohne das Blattgewicht zu erhöhen. Die eingesetzte Vorspanntechnik im Rotorblatt ersetzt jene Konstruktionsmasse, die sonst für die zusätzliche Verstärkung des Rotorblattes notwendig geworden wäre.By the construction method according to the invention succeeds It is the first time, a high-strength rotor blade by lightweight construction with pretensioning technology to build. The solution according to the invention It also allows considerable stability reserves through To tap better material utilization, without the weight of the sheet too increase. The used preloading technique in the rotor blade replaces that construction mass that would otherwise be used for the extra Reinforcement of the rotor blade would have become necessary.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden rein beispielhaften und nicht-beschränkenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung.Further Details and advantages of the invention will become apparent from the following purely exemplary and non-limiting description of a Embodiment in conjunction with the drawing.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1 ist eine schematische Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Rotorblattes mit Holm. 1 is a schematic perspective view of a rotor blade according to the invention with spar.

2 ist eine Querschnittsansicht des Holms. 2 is a cross-sectional view of the spar.

3 ist eine Querschnittsansicht des Rotorblatts im Bereich des Abschnittes mit Tragflächenprofil. 3 is a cross-sectional view of the rotor blade in the area of the section with airfoil profile.

4 ist eine schematische isometrische Ansicht des Holms von der Blattwurzel bis zur Holmspitze. 4 is a schematic isometric view of the spar from the blade root to the spar tip.

5 zeigt Details der Spanngliedführung im Holm. 5 shows details of the tendon guide in the spar.

BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELENDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

In der 1 ist schematisch der prinzipielle Aufbau einer Offshore-Windkraftanlage gezeigt. Das Rotorblatt 2 ist vorzugsweise für einen zwei- oder dreiflügligen Windkraftrotor ausgelegt. Dabei ist der innenliegende Holm 16 das tragende und kraftaufnehmende Element, während das äußere Profil 10 des Rotorblattes ausschließlich für die aerodynamische Effizienz verantwortlich ist. Wichtig für das Blatt ist die exakte Fertigung, Formtreue und Oberflächenqualität des berechneten Profils 10.In the 1 is shown schematically the basic structure of an offshore wind turbine. The rotor blade 2 is preferably designed for a two- or three-bladed wind power rotor. Here is the inside spar 16 the load-bearing and force-absorbing element, while the outer profile 10 of the rotor blade is solely responsible for the aerodynamic efficiency. Important for the sheet is the exact production, dimensional accuracy and surface quality of the calculated profile 10 ,

Der Holm 16 besitzt eine definierte Zug- und Druckseite. Auf der dem Wind 8 zugewandten Seite (Blattoberseite) 6 entstehen infolge Durchbiegung am Rotorblatt bzw. im Obergurt 20 des Holms 16 stets Zugspannungen, während sich auf der dem Wind 8 abgewandten Seite stets Druckspannungen einstellen. Somit ergeben sich auf der Oberseite 6 infolge der Zugspannungen elastische Dehnungen und auf der Blattunterseite durch die Druckspannungen elastische Stauchungen. Diese Orientierungen der Spannungen bzw., auf die Querschnittsfläche bezogen, der Zug- und Druckkräfte im tragende Holm 16 bleiben gleich, es ändern sich nur ihre Größen infolge der Windbelastung. Die hier trapezförmige Formgebung des Holmquerschnitts kann damit auf die Spannungsverhältnisse abgestimmt werden.The spar 16 has a defined pull and pressure side. On the wind 8th facing side (top of sheet) 6 arise as a result of deflection on the rotor blade or in the upper flange 20 of the spar 16 always tension while on the wind 8th Always set opposite compressive stresses on the opposite side. Thus arise on the top 6 due to the tensile stresses elastic strains and on the underside of the sheet by the compressive stresses elastic compressions. These orientations of the stresses or, based on the cross-sectional area, the tensile and compressive forces in the supporting spar 16 stay the same, only their sizes change due to the wind load. The trapezoidal shape of the spar cross section can thus be adjusted to the voltage conditions.

Im Bereich der Blattwurzel 12 besitzt der Holm 16 dagegen bei diesem Ausführungsbeispiel einen kreisförmigen Querschnitt, wie insbesondere in 4 gut zu erkennen. Diese Maßnahme erleichtert die Montage des Blattes an die Rotornabe. Die Querschnittsform wird in diesem Teil des Holms nicht mehr von dem Rotorblattprofil bestimmt und ermöglicht damit in statischer Hinsicht die zuverlässige und bessere Einleitung des größten Biegemomentes in die Rotornabe. Dabei sei an dieser Stelle betont, daß der Holm im Bereich der Blattwurzel auch andere Querschnittsformen besitzen kann, z. B. ovale oder eckige. Eine runde Form eignet sich aber besonders gut, wenn das Rotorblatt für den sog. Pitchbetrieb ausgelegt sein soll.In the area of the leaf root 12 owns the spar 16 in contrast, in this embodiment, a circular cross section, as in particular in 4 clearly visible. This measure facilitates the assembly of the sheet to the rotor hub. The cross-sectional shape is no longer determined in this part of the spar by the rotor blade profile and thus allows the static reliable and better introduction of the largest bending moment in the rotor hub. It should be emphasized at this point that the spar may also have other cross-sectional shapes in the leaf root, z. B. oval or angular. However, a round shape is particularly well suited if the rotor blade is to be designed for so-called pitch operation.

Der Holm 16 erstreckt sich über die gesamte Rotorblattlänge und nimmt als tragendes Element sämtliche auf das Rotorblatt wirkenden Kräfte und Biegemomente auf. Der Holm 16 besteht, wie in 2 gut zu erkennen, aus einem innenliegenden Kern 18, der einem Block aus einem Hartschaumkunststoff zugeschnitten wird. Bei diesem Hartschaumkunststoff kann es sich z. B. um Polyetherimid handeln, was die Anforderungen an statisch und dynamisch beanspruchte Strukturen in einem Einsatzbereich von –190°C bis +160°C erfüllt.The spar 16 extends over the entire rotor blade length and takes as a supporting element all acting on the rotor blade forces and bending moments. The spar 16 exists, as in 2 good to recognize, from an inner core 18 which is cut to a block of rigid foam plastic. In this hard foam plastic, it may, for. B. to act polyetherimide, which meets the requirements of statically and dynamically stressed structures in a range of application of -190 ° C to + 160 ° C.

Das Material ist schlagzäh, hat je nach Wahl eine Rohdichte von 30 bis 80 kg/m3, besitzt eine Druckfestigkeit zwischen 0,5 bis 5,0 N/mm2, ist schub- und druckfest und hat einen E-Modul bis 60 N/mm2. Dieses Material verfügt damit über ideale Eigenschaften, um daraus die Formkerne für die eingesetzte Wickeltechnik herzustellen. Insbesondere sind es die guten Festigkeitswerte, die geringe Dichte, die Temperatur- und Formbeständigkeit und die einfache Handhabung. Die vollständige Auskleidung des Holms und des Rotorblattes (Hartschaumkerne 36 und 38 – siehe 3) verhindert vorteilhaft die Bildung von Feuchtigkeit und die Ansammlung von Kondenswasser im Blattinneren. Zudem wirken die Hartschaumkerne Schwingungen und "Flattern" des Rotorblattes während des Betriebes entgegen und verhindern auch ein Verformen des Rotorblattquerschnitts (des Profils 10) unter Windlast oder Temperatur, z. B. Beulen der großen Flächen. Mit Hilfe einer sog. 3D-Software können die Wickelkerne berechnet, aus Blöcken geschnitten und zusammengesetzt werden. Selbst bei sehr langen Rotorblättern bleibt der Gewichtsanteil der Hartschaumstoffkerne unter 20% des gesamten Blattgewichtes.The material is impact-resistant, has a density of 30 to 80 kg / m 3 , has a compressive strength between 0.5 and 5.0 N / mm 2 , is shear-resistant and pressure-resistant and has a modulus of elasticity up to 60 N, depending on the choice / mm 2 . This material therefore has ideal properties for producing the mandrels for the winding technique used. In particular, it is the good strength values, low density, temperature and dimensional stability and ease of use. The complete lining of the spar and the rotor blade (hard foam cores 36 and 38 - please refer 3 ) advantageously prevents the formation of moisture and the accumulation of condensation in the blade interior. In addition, the hard foam cores counteract oscillations and "fluttering" of the rotor blade during operation and also prevent deformation of the rotor blade cross section (of the profile 10 ) under wind load or temperature, z. B. bumps of the large areas. With the help of a so-called 3D software, the hubs can be calculated, cut from blocks and assembled. Even with very long rotor blades, the proportion by weight of hard foam cores remains below 20% of the total blade weight.

Der Kern 18 wird als Form von einem Wickelautomaten mit mehreren Lagen kunstharzgetränkten Karbonfasern gegenläufig, jeweils in einem vorgegebenen Winkel zur Holmlängsachse umwickelt. Es ergibt sich eine hochfeste Schicht der 1. Faserwicklung 26 um den Kern 18 in Form eines Trapezquerschnittes. Der Hartschaumkern 18 hat eine stützende Funktion innerhalb des Holms, ähnlich einer Sandwichbauweise und dient als sogenannte "verlorene Schalung".The core 18 is wrapped in the form of a winding machine with multiple layers of resin impregnated carbon fibers in opposite directions, each at a predetermined angle to Holmlängsachse. This results in a high-strength layer of the first fiber winding 26 around the core 18 in the form of a trapezoidal cross-section. The hard foam core 18 has a supporting function within the spar, similar to a sandwich construction and serves as so-called "lost formwork".

Auf der ersten Faserwicklung 26 werden die über die gesamte Holmlänge verlaufenden Hüllrohre 56 für die Spannglieder 54 ausgerichtet, jeweils im Obergurt des Holms 20 auf der dem Wind zugewandten Seite und im Untergurt des Holms 22. Die Zwischenräume zwischen den Hüllrohren 56 werden mit Streifen aus kunstharzgetränkten Gewebelagen (Prepregs) 30 gelegt, um eine geglättete Oberfläche als Grundlage für die zweite Schicht der Faserwicklung 32 um den Holm 16 zu erhalten.On the first fiber winding 26 become the over the entire length of the trunk extending ducts 56 for the tendons 54 aligned, each in the upper flange of the spar 20 on the windward side and in the lower flange of the spar 22 , The spaces between the ducts 56 are coated with strips of resin-impregnated fabric layers (prepregs) 30 placed to a smoothed surface as the basis for the second layer of the fiber winding 32 around the spar 16 to obtain.

Die Vorspannkraft wirkt in der Längsrichtung des Holms 16 und erhöht im gesamten Querschnitt die Druckspannung. Entspricht die aufgeprägte Druckspannung der maximal auftretenden Biegezugspannung unter Windlast im Obergurt des Holms 20, so ist die Summe der Spannungen im Obergurt 20 gleich Null, während sich im Untergurt 22 die Druckspannungen verdoppeln. Zur besseren Aufnahme der Druckspannungen im Untergurt und um zu große elastische Stauchungen zu vermeiden, wird der Untergurt 22 verbreitert. Zusammen mit den Holmstegen 24 ergibt sich ein stabiler Trapezquerschnitt.The biasing force acts in the longitudinal direction of the spar 16 and increases the compressive stress throughout the cross section. Corresponds to the impressed compressive stress of the maximum bending tensile stress occurring under wind load in the upper flange of the spar 20 , so is the sum of the stresses in the upper chord 20 equal to zero while in the lower chord 22 double the compressive stresses. To better absorb the compressive stresses in the lower flange and to avoid excessive elastic compression, the lower flange 22 widened. Together with the spar bars 24 results in a stable trapezoidal cross-section.

Wie in 1 gut zu erkennen, besitzt das Rotorblatt im wesentlichen zwei Abschnitte: die Blattwurzel mit rundem Querschnitt, wo das Rotorblatt an einer hier nicht gezeigten Nabe befestigt wird, und einen Abschnitt mit einem Tragflächenprofil. In 3 ist ein Querschnitt durch das Rotorblatt im Bereich des Abschnittes mit Tragflächen gezeigt. Das Profil 10 ist im Hinblick auf geringen Strömungswiderstand und hohe Auftriebskraft optimiert. Vorzugsweise wird ein standardisiertes und robustes NACA-Profil gewählt, das eine äußere Kontur besitzt, die entweder aus konvexen oder geraden Flächenelementen zusammengesetzt wird. Die für die Fertigung des Rotorblattes eingesetzte maschinelle Wickeltechnik ist weniger geeignet für konkave Flächenabschnitte.As in 1 The rotor blade has two main sections, the round root of the blade, where the rotor blade is attached to a hub, not shown, and a section with a wing profile. In 3 is shown a cross section through the rotor blade in the region of the section with wings. The profile 10 is optimized in terms of low flow resistance and high buoyancy. Preferably, a standardized and robust NACA profile is selected having an outer contour composed of either convex or straight surface elements. The machine winding technique used for the manufacture of the rotor blade is less suitable for concave surface sections.

Der bereits vorgefertigte Holm 16 wird in einem zweiten Produktionsschritt ausgerüstet mit einem Hartschaumkern für die Rotorblattnase 36 und dem vorgeformten Hartschaumkern für den hinteren Teil des Rotorblattes 38. Beide Kernelemente werden an die Flanken des trapezförmigen Holms geklebt und bilden gemeinsam mit dem Holm die Profil- bzw. Querschnittsform des Rotorblattes.The already prefabricated spar 16 is equipped in a second production step with a hard foam core for the rotor blade nose 36 and the preformed hard foam core for the rear part of the rotor blade 38 , Both core elements are glued to the flanks of the trapezoidal spar and form together with the spar the profile or cross-sectional shape of the rotor blade.

Der Hartschaumkern 38 des Rotorblattes ist am hinteren Ende abgerundet ausgeformt. Mit der eingesetzten Wickeltechnik ist die scharfkantige Gestaltung der Rotorblatthinterkante nicht möglich. Nach Abschluß der Wickelmaßnahmen 40 wird die Rotorblatthinterkante mit einem vorgefertigten Paßstück 42 vervollständigt. Bedingt durch unvermeidliche Oberflächenrillen, die sich durch die Fasern bei der Wickeltechnik ergeben, genügt die erreichte Oberflächenqualität noch nicht den Anforderungen an ein Hochleistungsrotorblatt. Die Oberfläche des Rotorblattes muß nach dem Wickeln noch eine Deckschicht bzw. ein geschliffene und gehärtete Oberflächenbeschichtung 44 erhalten.The hard foam core 38 of the rotor blade is rounded at the rear end. With the winding technique used, the sharp-edged design of the rotor blade trailing edge is not possible. After completion of the winding measures 40 becomes the rotor blade trailing edge with a prefabricated fitting 42 completed. Due to unavoidable surface grooves, which result from the fibers in the winding technique, the surface quality achieved does not yet meet the requirements for a high-performance rotor blade. The surface of the rotor blade after winding still has a cover layer or a ground and hardened surface coating 44 receive.

Der Holm ist das tragende Element, das vorzugsweise als trapezförmiger Träger geformt ist, sich bis in die Blattspitze konisch verjüngt und von der äußeren Verkleidung, die das eigentliche Blattprofil bildet, bis auf den Bereich der Blattwurzel vollkommen eingeschlossen ist. Wie in 4 gut zu erkennen, in der das äußere Profil 10 nur angedeutet ist, geht das trapezförmige Profil des Holms im Bereich der Blattwurzel 12 in einen ovalen Querschnitt 46 über, um an der Nabe eine stabile und sichere Befestigung für die Einleitung der größten Kräfte, Biegemomente und Schwingungen des Rotorblattes zu gewährleisten. Die ringförmige Blattwurzel 12 ist insbesondere für Windkraftrotoren, die im Pitchbetrieb arbeiten, ein wichtiges Konstruktionselement.The spar is the supporting element, which is preferably shaped as a trapezoidal support, tapers conically up to the blade tip and is completely enclosed by the outer panel, which forms the actual leaf profile, except for the area of the blade root. As in 4 good to see in the outer profile 10 only indicated is the trapezoidal profile of the spar in the area of the blade root 12 in an oval cross-section 46 over to ensure a stable and secure attachment to the hub for the introduction of the largest forces, bending moments and vibrations of the rotor blade. The ring-shaped leaf root 12 is particularly important for wind power rotors that operate in pitch mode, an important design element.

In 5 ist zu erkennen, daß die Rotorblattwurzel bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Stahlring 48 besteht, der den Anschlußflansch bildet und gleichzeitig Spannköpfe für die im Holm verlaufenden Spannglieder aufnimmt. Diese Kombination innerhalb der Blattwurzel ist einer der zentralen Punkte der erfindungsgemäßen Lösung. An den Stahlring 48 schließt sich der kreisförmige Abschnitt 46 des Holms an.In 5 It can be seen that the rotor blade root in the embodiment shown here from a steel ring 48 consists, which forms the connecting flange and at the same time receives clamping heads for running in the spar struts. This combination within the leaf root is one of the central points of the solution according to the invention. To the steel ring 48 closes the circular section 46 of the spar.

Zum besseren Verbund und zur Einleitung der spanngliedinduzierten Druckkräfte in den Holm ist für die zweite Lage der Faserwicklung 32 eine Verzahnung 60 vorgesehen. Insbesondere unter dem Aspekt der Serienproduktion großer Rotorblätter ist auch die wirtschaftliche Herstellung des Stahlringes 48 von Bedeutung, da dieses Bauelement ein relativ einfach zu fertigendes Drehteil ist.For a better connection and to initiate the tendon-induced pressure forces in the spar is for the second layer of the fiber winding 32 a gearing 60 intended. Especially in terms of mass production of large rotor blades is also the economic production of the steel ring 48 important because this device is a relatively easy to manufacture rotary part.

Die von außen auf das Rotorblatt wirkenden Kräfte und Momente sowie das Eigengewicht werden nicht mehr, wie bisher üblich vom Holm und der Rotorblattschale aufgenommen und bis an die Einspannstelle des Blattes an die Nabe übertragen. Jetzt gelangen sämtliche Zugspannungen, die sich im Normalfall bei Belastung durch die Auslenkung des Blattes einstellen, über die Spannglieder 54 auf direktem Wege in die Blattwurzel 12. Als Ergebnis dieser Krafteinleitung wird das Rotorblatt selbst unter extremer Last nur minimal ausgelenkt.The forces and moments acting on the outside of the rotor blade as well as the dead weight are no longer taken up by the spar and the rotor blade shell, as has hitherto been customary, and transmitted to the hub up to the clamping point of the blade. Now all tensile stresses, which normally occur under load due to the deflection of the blade, pass over the tendons 54 directly into the leaf root 12 , As a result of this introduction of force, the rotor blade is only minimally deflected even under extreme load.

Damit ist der Weg zum Bau sehr langer Rotorblätter aus konstruktiver Sicht frei. Blätter können sehr leicht und trotzdem hochfest gebaut werden. Das Prinzip Leichtbau durch Vorspannung ersetzt die sonst notwendigen Massen für die Konstruktions- und Verstärkungsmaßnahmen.In order to is the way to build very long rotor blades from constructive View free. Leaves can be very light and still be built high-strength. The principle of lightweight construction through preload Replaces the otherwise necessary masses for the design and Reinforcement measures.

Die Spannglieder 54 bestehen vorzugsweise aus drei oder mehr hochfesten und kaltgezogenen Einzeldrähten mit Durchmessern z. B. von 3–4 mm. Diese aus Einzeldrähten zusammengefügten Spannglieder 54 werden als Spannlitzen bezeichnet.The tendons 54 preferably consist of three or more high-strength and cold-drawn individual wires with diameters z. From 3-4 mm. These tendons assembled from individual wires 54 are referred to as tension strands.

An einem herausstehenden Stück der Spannlitze 54 kann jederzeit am Stahlring 48 die Vorspannung mit Hilfe von Hydraulikpressen eingestellt oder überprüft werden. Jede Spannlitze ist mittels eines Klemmkeils 52 (5) in einer Bohrung im Stahlrahmen 48 verkeilt (5)On a protruding piece of the tension cord 54 Can always on the steel ring 48 the preload can be adjusted or checked by means of hydraulic presses. Each tension cord is by means of a clamping wedge 52 ( 5 ) in a hole in the steel frame 48 wedged ( 5 )

Die Spannlitze 54 ist im Hüllrohr 56 durch ein Schutzfett 58 gegen Korrosion gesichert. Die Hüllrohre 56 sind dünne gerade oder gewellte über die gesamte Holmlänge verlaufende Metall- oder Kunststoffrohre, die in der Kunstharzmatrix eingebettet sind. Es sind lineare oder auch bogenförmige Lagen der Hüllrohre 56 mit den Spannlitzen 54 möglich. Ein mittragender Verbund im Holm 16 entlang der Spannlitzen 54, z. B. durch Verpressen mit Kunstharz ist nicht vorgesehen.The tension cord 54 is in the cladding tube 56 through a protective grease 58 secured against corrosion. The ducts 56 are thin straight or corrugated metal or plastic pipes running the full length of the beam embedded in the resin matrix. There are linear or arcuate layers of the cladding tubes 56 with the tension strands 54 possible. A cooperative composite in the spar 16 along the tension strands 54 , z. B. by pressing with synthetic resin is not provided.

Die Endsicherung der Spannlitzen 54 befindet sich an der Holmspitze 72 in dem Stahlrahmen 62. Hier werden die Spannlitzen 54 in Bohrungen 64 zugfest verkeilt. Der Stahlrahmen 62 hat zur Aufnahme der Spannlitzen speziellen Bohrungen, die sich am Ende konisch aufweiten. Mit Hilfe einer Montageschraube 70 kann die Spannlitze 48 zunächst in der gewünschten Position fixiert werden. Anschließend wird ein schmaler dreiecksförmiger Sicherungskeil aus Stahl 66 in das Ende der Spannlitze 48 geschlagen. Dadurch weiten sich die Einzeldrähte der Spannlitze 48 auf, so daß selbst bei sehr großen Zugkräften die Spannlitze 48 absolut gegen ein Herausziehen gesichert ist. Mit einer fettgefüllten Kappe 68 wird das freie Ende der Spannlitze 48 gegen Korrosion gesichert.The end securing of the tension strands 54 is located at the Holmspitze 72 in the steel frame 62 , Here are the tension strands 54 in holes 64 traction-resistant wedged. The steel frame 62 has special holes to accommodate the tension strands, which widen conically at the end. With the help of a mounting screw 70 can the tension cord 48 first be fixed in the desired position. Subsequently, a narrow triangular safety wedge made of steel 66 in the end of the tension cord 48 beaten. As a result, the individual wires of the tensioning wire widen 48 on, so that even with very large tensile forces the Spannlitze 48 is absolutely secured against pulling out. With a fat-filled cap 68 becomes the free end of the tension cord 48 secured against corrosion.

Das erfindungsgemäße Rotorblatt wird mittels Faserwickeln wie folgt hergestellt: Das Faserwickeln ist eine Technik zum Ablegen von Endlosfasersträngen (Rovings) auf einer Form. Es wird mit einem Harztränkungsverfahren gekoppelt. Mit diesem Verfahren werden Fasern sehr straff und eng mit hoher Maßgenauigkeit positioniert.The rotor blade according to the invention is with Fiber wrapping is a technique for laying continuous filament rovings on a mold. It is coupled with a resin impregnation process. With this method, fibers are positioned very tight and tight with high dimensional accuracy.

Die Produktion des Rotorblattes verläuft in zwei Bearbeitungsschritten. Zunächst wird der Holm als zentrales Bauteil hergestellt. Anschließend wird in einem zweiten Arbeitsgang das Profil des Rotorblattes mit dem Holm kombiniert und durch die von der Wickelmaschine aufgetragenen Faserlagen maschinell und mit großer Präzision zu einer Einheit verbunden.The Production of the rotor blade takes place in two processing steps. First, the spar is manufactured as a central component. Subsequently, in a second operation, the profile of the rotor blade combined with the spar and by the winding machine applied fiber layers mechanically and with great precision connected to a unit.

Dieser automatische Herstellungsprozeß ist besonders für die Serienproduktion für kleine und große Stückzahlen geeignet. Selbst ein Wechsel auf ein anderes Rotorblattformat ist mit dieser Technik einfach und kurzfristig zu realisieren, da die sehr aufwendige Herstellung von individuellen Negativformen für die Ober- und Unterschale des Rotorblattes entfällt.This automatic manufacturing process is special for the serial production for small and large quantities suitable. Even a change to another rotor blade format is to realize this technique easily and quickly, because the very complex production of individual negative molds for the upper and lower shell of the rotor blade is eliminated.

Zum Wickeln ist ein vorgeformter Körper notwendig, der dem Bauteil seine spätere Gestalt gibt, der sog. Kern. Die Herstellung bzw. Konfektion der im Rotorblatt verbleibenden Kernelemente z. B. aus einem Hartschaumkunststoff erfolgt maschinell mit an sich bekannten Verfahren.To the Winding is a preformed body necessary to the Component gives its later appearance, the so-called. Kern. The Production or fabrication of the core elements remaining in the rotor blade z. B. made of a rigid foam plastic is done by machine with known methods.

Im ersten Arbeitsschritt der Rotorblattfertigung muß der tragende Holm hergestellt werden. Abschnittsweise werden die konfektionierten Kernelemente aus Hartschaumkunststoff miteinander verklebt und mit den Fasern umwickelt. Geometrie, Wanddicke, Faserlagen und Richtungen und ggf. Zulagen, Leerrohre, Sandwichelemente, Signalleitungen können während des Produktionsprozesses nach Berechnung und Bedarf berücksichtigt werden.in the first step of the rotor blade production must be the bearing Holm are made. In sections, the ready-made Core elements made of hard foam plastic glued together and with wrapped around the fibers. Geometry, wall thickness, fiber layers and directions and, where appropriate, allowances, conduits, sandwich elements, signal lines during the production process according to calculation and requirement be taken into account.

Nachdem der sich über die gesamte Blattlänge erstreckende Holm ausgehärtet ist, werden in dem zweiten Arbeitsschritt die Hartschaumkernelemente für das Rotorblattprofil zugeschnitten und an den Holm geklebt. Die an den Holm angefügten Hartschaumteile bilden die formgebende Lehre für das berechnete Profil des Rotorblattes. Mit Hilfe der Wickelmaschine wird die äußere Kontur des Rotorblattes mit mehreren Faserlagen belegt. Der Wickelautomat kann an auf die größte Breite des Rotorblattes eingestellt werden. Während des Wickelns um das Rotorblatt wird die Maschine in Längsrichtung von der Blattwurzel bis zum Blattspitze verfahren.After this extending over the entire length of the blade Holm is cured, in the second step the Hartschaumkernelemente tailored for the rotor blade profile and glued to the spar. The hard foam parts attached to the spar form the formative gauge for the calculated profile of the rotor blade. With the help of the winding machine, the outer Contour of the rotor blade occupied by several fiber layers. The winding machine can be adjusted to the largest width of the rotor blade become. During winding around the rotor blade is the Machine lengthwise from the blade root to the blade tip method.

Die maschinelle Wickeltechnik hat zwar für Rotorblätter den Nachteil, daß die Fasern gegenläufig mit einem Winkel von 30 bis 60° zur Längsachse des Blattes oder den Holm gewickelt werden, während sich die Hauptbeanspruchung unter Windlast jedoch in der Längsachse von Holm und Rotorblatt einstellt, wobei mit der Wickeltechnik die Orientierung der Faser nicht überall der Beanspruchungsrichtung angepaßt werden kann, jedoch kann dieser konstruktive Schwachpunkt durch die erfindungsgemäße Vorspanntechnik besonders vorteilhaft kompensiert werden.The Although mechanical winding technology has for rotor blades the disadvantage that the fibers in opposite directions with a Angle of 30 to 60 ° to the longitudinal axis of the sheet or the spar to be wrapped while the main strain under wind load, however, in the longitudinal axis of spar and rotor blade adjusting, wherein with the winding technique, the orientation of the fiber not adapted everywhere to the direction of stress can, however, this constructive weakness by the preloading technique according to the invention especially be compensated advantageous.

22
Rotationsebeneplane of rotation
44
Rotorachserotor axis
66
RotorblattoberseiteRotor blade top
88th
Windwind
1010
RotorblattprofilAirfoil
1212
Blattwurzelblade root
1414
Blattspitzeblade tip
1616
Holm mit trapezförmigem QuerschnittHolm with trapezoidal cross-section
1818
Kern aus Hartschaumkunststoffcore made of hard foam plastic
2020
HolmobergurtHolmobergurt
2222
HolmuntergurtHolmuntergurt
2424
Holmstegspar web
2626
1. Lage der Faserwicklung für den Holm1. Position of the fiber winding for the spar
2828
Spannsystem, bestehend aus Spannglied und HüllrohrTensioning system, consisting of tendon and cladding tube
3030
Ausgleichsschicht aus kunstharzgetränkten Gewebelagen (Prepregs)leveling layer made of resin-impregnated fabric layers (prepregs)
3232
2. Lage der Faserwicklung für den HolmSecond Position of the fiber winding for the spar
3434
Rotorblattquerschnitt und AufbauRotor blade section and construction
3636
Hartschaumkern für die BlattnaseRigid foam core for the leaf nose
3838
Hartschaumkern für den hinteren Teil des RotorblattesRigid foam core for the rear part of the rotor blade
4040
Karbonfaserwicklung der RotorblattschaleCarbon fiber winding the rotor blade shell
4242
Hinterkante Rotorblatt mit Paßstücktrailing edge Rotor blade with adapter
4444
Oberflächenbeschichtungsurface coating
4646
Holmübergang vom Kreiszylinder zum TrapezquerschnittHolm transition from the circular cylinder to the trapezoidal cross section
4848
Stahlringsteel ring
5050
Spannkopfclamping head
5252
Klemmkeilclamping wedge
5454
Spannglied bzw. Spannlitzetendon or tension cord
5656
Hüllrohrcladding tube
5858
Schutzfettprotection grease
6060
Verzahnunggearing
6262
Stahlrahmen als Endsicherung der Spannlitzensteel frame as end protection of the tension strands
6464
Konische Bohrungconical drilling
6666
Dreiecksförmiger Sicherungskeiltriangular retaining key
6868
KorrosionsschutzkappeCorrosion protection cap
7070
MontageschraubeMounting screw
7272
HolmspitzeHolm tip
7474
Flansch, Anschluß an die RotornabeFlange, Connection to the rotor hub

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 2921152 A1 [0006, 0007] DE 2921152 A1 [0006, 0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - E.: Windkraftanlagen, 2. Auflage 1995, Springer Verlag Berlin, Seite 204 ff. [0025] - E .: wind turbines, 2nd edition 1995, Springer Verlag Berlin, page 204 et seq. [0025]

Claims (14)

Rotorblatt für Windkraftanlagen, insbesondere für schwimmende Windkraftanlagen, umfassend – einen Holm mit – einer Blattwurzel, die zur Befestigung des Holms an der Nabe eines Rotors dient, – einem im bestimmungsgemäßen Montagezustand der windzugewandten Seite des Rotorblattes zugewandten Obergurt und – einem im bestimmungsgemäßen Montagezustand der windabgewandten Seite des Rotorblattes zugewandten Untergurt, – und ein von dem Holm getragenes äußeres Rotorblattprofil (10), dadurch gekennzeichnet, daß – daß das Rotorblatt in Längsrichtung durch an dem Holm angeordnete Spannglieder derart vorgespannt ist, daß der gesamte tragende Querschnitt eine zusätzliche Druckspannung erhält, um spannungsabhängige Verformungen infolge von Windlast vorwegzunehmen.Rotor blade for wind turbines, in particular for floating wind turbines, comprising - a spar with - a blade root, which serves to fasten the spar to the hub of a rotor, - in the intended mounting state of the windward side of the rotor blade facing upper flange and - in the intended mounting position of the wind Side of the rotor blade facing lower flange, - and a supported by the spar outer rotor blade profile ( 10 ), characterized in that - that the rotor blade is biased in the longitudinal direction by arranged on the spar bars such that the entire supporting cross-section receives an additional compressive stress to anticipate voltage-dependent deformation due to wind load. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannglieder sowohl auf dem Obergurt als auch dem Untergurt des Holms angeordnet sind.Rotor blade according to claim 1, characterized that the tendons both on the upper flange and the Lower chord of the spar are arranged. Rotorblatt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannglieder aus drei oder mehr Einzeldrähten bestehen, die schraubenartig miteinander verdreht sind und eine Spannlitze bilden.Rotor blade according to claim 1 or 2, characterized that the tendons of three or more individual wires exist, which are helically twisted together and one Forming a tension cord. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannglieder in Hüllohren geführt sind.Rotor blade according to one of claims 1 to 3, characterized in that the tendons in Hüllohren are guided. Rotorblatt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllrohre gerade oder in Kurven über die gesamte Länge des Holms verlaufen und aus dünnem Blech oder Kunststoff bestehen, aber keine lastaufnehmende Funktion haben.Rotor blade according to claim 4, characterized that the ducts over straight or in curves the entire length of the spar run and made of thin Sheet metal or plastic, but no load-bearing function to have. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Holmende wird ein vorzugsweise aus Stahl gefertigter Rahmen zur Befestigung der Spannglieder vorgesehen ist.Rotor blade according to one of claims 1 to 5, characterized in that at the end of the bar is a preferably Made of steel frame for fixing the tendons provided is. Rotorblatt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rahmen Bohrungen zur Hindurchführung von Spanngliedern vorgesehen sind, wobei sich die Bohrungen zu der dem freien Ende des Rotorblattes zugewandten Seite konisch aufweiten.Rotor blade according to claim 6, characterized that in the frame holes for passage are provided by tendons, with the holes to the widen conically towards the free end of the rotor blade. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattwurzel des Holms in einem vorzugsweise aus Stahl gefertigten Ring mündet, der einen Flansch zur Befestigung des Rotorblattes mit der Rotornabe aufweist und als Kopfverankerung für die Spannglieder dientRotor blade according to one of claims 1 to 7, characterized in that the blade root of the spar in a ring, preferably made of steel, a flange for attachment of the rotor blade with the rotor hub has and serves as a head anchor for the tendons Rotorblatt nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Holm in seinem im bestimmungsgemäßen Montagezustand der Nabe zugewandten Bereich ein Innengewinde und der Ring ein dazu komplementäres Außengewinde besitzt, so daß Holm und Ring miteinander verschraubt werden können.Rotor blade according to claim 8, characterized that the spar in its intended Mounting state of the hub facing area an internal thread and the ring a complementary external thread has, so that spar and ring are bolted together can. Rotorblatt nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannglieder partiell derart durch in dem Ring vorgesehene Bohrungen geführt sind, daß im bestimmungsgemäßen Montagezustand des Rotorblattes an einer Nabe von der Nabeninnenseite her die Vorspannung mit Hilfe von Hydraulikpressen überprüft und eingestellt werden kann.Rotor blade according to claim 9 or 10, characterized that the tendons partially so through in the ring provided holes are performed that in the intended Mounting state of the rotor blade on a hub of the hub inner side ago the preload checked by means of hydraulic presses and can be adjusted. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Rotorblatt einen Abschnitt mit einem Tragflächenprofil besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Holm in demjenigen Abschnitt des Rotorblattes, in dem es ein Tragflächenprofil besitzt, einen trapezförmigen Querschnitt besitzt, wobei der Untergurt breiter ist als der Obergurt.Rotor blade according to one of claims 1 to 10, wherein the rotor blade has a section with a wing profile has, characterized in that the spar in the one Section of the rotor blade in which there is a wing profile has a trapezoidal cross-section, wherein the lower flange is wider than the upper flange. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Holm in demjenigen Abschnitt des Rotorblattes, in dem es an der Nabe eines Rotors befestigt wird, einen ovalen oder kreisrunden Querschnitt besitzt.Rotor blade according to one of claims 1 to 11, characterized in that the spar in that section of the rotor blade, in which it is fastened to the hub of a rotor, has an oval or circular cross-section. Windkraftanlage, insbesondere schwimmende Windkraftanlage, mit einem Rotor mit einer Anzahl von Rotorblättern, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rotorblatt ein Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ist.Wind turbine, in particular floating wind turbine, with a rotor having a number of rotor blades, thereby characterized in that each rotor blade after a rotor blade one of claims 1 to 12. Windkraftanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor zwei Rotorblätter aufweist.Wind power plant according to claim 13, characterized that the rotor has two rotor blades.
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