DE102017003061A1

DE102017003061A1 - Anschlusselement

Info

Publication number: DE102017003061A1
Application number: DE102017003061.8A
Authority: DE
Inventors: Ralph Funck; Hans Peter Fuchs
Original assignee: Individual
Current assignee: Albany Engineered Composites Inc
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: DE102017003061B4

Abstract

Bei dem Anschluss von Rotorblättern an Windenergieanlagen besteht das grundsätzliche Problem, Kräfte in diese Strukturen einzuleiten. Problematisch sind dabei das Herstellen und das Einbringen von Blattwurzelelementen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Anschlusselement aus einer Grundplatte mit parallel zur Längsachse ausgerichteten Einwickelelementen besteht und die Einwickelelemente mit Rovings schlaufenförmig eingewickelt sind. Dies erfolgt vorzugsweise automatisiert oder teilautomatisiert mit einer CNC gesteuerten Faserwickelmaschine, einem CNC gesteuerten Roboter oder mithilfe einer entsprechend CNC gesteuerten Fibre - Placementanlage. Als Roving wird ein Bündel, Strang oder Multifilamentgarn aus parallel angeordneten Filamenten (Endlosfasern) verwendet.
Derartige Anschlusselemente dienen insbesondere als Rotorblattanschluß zwischen Blattwurzel und Rotornabe.

Description

Die Erfindung betrifft ein Anschlusselement, insbesondere einer Windenergieanlage, zur Verbindung eines Rotorblatts mit einer Rotornabe.
Heutige Windkraftanlagen verfügen fast ausnahmslos über drei Rotorblätter. Diese sind mit der Rotornabe verbunden. Die Montage der Rotorblätter an die Rotornabe erfolgt dabei vor Ort auf der Baustelle. Rotorblätter heutiger Windkraftanlagen mit horizontaler Achse bestehen aus einem oder mehreren trapezförmigen Abschnitten und gehen zur Blattwurzel hin meist in einen Kreisquerschnitt über. Die einzelnen Querschnitte haben aerodynamische Profile. Heutige Rotorblätter bestehen in der Regel aus glasfaserverstärkten Kunststofflaminaten. Vermehrt kommen bei langen Rotorblättern in den Laminaten Kohlenstofffasern zum Einsatz, vor allem bei hohen Belastungen ausgesetzten Starkwind- und Offshore-Anlagen, aber ebenfalls bei Schwachwindanlagen mit großen Rotordurchmessern. Der Rotorblattanschluss an die Rotornabe der Windkraftanlage erfolgt über die Blattwurzel.
Rotorblattanschlüsse zur Verbindung eines Rotorblatts mit einer Anschlussvorrichtung sind beispielsweise aus WO 01/42647 A2 sowie WO 2007/131589 A2 und EP 0 057 272 A2 bekannt. Hierbei werden insbesondere durch Bohrungen in einer Rotornabe gehende Schrauben verwendet, die in der Blattwurzel eingebrachten Querbolzen eingeschraubt werden. Weiterhin sind Rotorblattanschlüsse zur Verbindung eines Rotorblatts wie beispielsweise in DE 10 2014 008 558 A1 bekannt, bei der statt der Querbolzen so genannte Inserts in dem Laminat der Blattwurzel eingebracht sind.
Derartige Rotorblattanschlüsse haben allerdings wesentliche Nachteile. Ein wesentlicher Nachteil ist die zur Kraftübertragung erforderliche hohe Laminatwanddicke im Bereich der Blattwurzel. Die Herstellung der hohen Laminatdicken im Blattwurzelbereich ist material- und zeitintensiv, erfordert besondere Prozessabläufe um exotherme Härtereaktionen aufgrund der hohen Laminatwanddicken beherrschbar zu machen und ist mit erheblichem Aufwand zur mechanischen Bearbeitung im Blattwurzelbereich verbunden. So werden die Bohrungen für das Einbringen der Querbolzen sowie die Bohrungen für das Einbringen der Dehnbolzen, als Verbindungsbolzen von der Blattwurzel zur Rotornabe, nachträglich in das Laminat der Blattwurzel gebohrt oder gefräst. Zudem wird die Stirnfläche der Blattwurzel überfräst. Die Prozesse zur Herstellung der Aufdickungen im Bereich der Blattwurzel sind kaum automatisierbar und sind mit teilweise erheblichem Materialverschnitt bei der Herstellung und durch die beschriebene nachträgliche mechanische Bearbeitung verbunden.
Weiterhin entsteht Werkzeugverschleiß und Staubbildung während der mechanischen Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen.
Die steigenden Anforderungen an Blattwurzelbelastung, Gewichts- und Kosteneinsparung, hohe Variantenvielfalt und minimale Werkzeugkosten führen an die Grenzen des Potentials bekannter Bauweisen. Zudem erfordern die immer länger werdenden Rotorblätter modulare Bauweisen, die auf der Baustelle montiert werden können.
Alle bisher bekannten Bauweisen der Krafteinleitung in Rotorblätter sind entweder zu aufwändig und damit zu kostenintensiv in der Herstellung und/oder halten den Anforderungen bezüglich geringen Gewichtes, geringer Herstellkosten, minimale mechanische Bearbeitung, geringem Materialverschnitt, effizienter Qualitätssicherungsmöglichkeiten, hoher mechanischer Beanspruchungen und Reparaturfreundlichkeit nicht stand.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Rotorblattanschluss derart weiterzubilden, dass die dem heutigen Stand der Technik entsprechenden Nachteile vermieden werden. Es soll ein Anschlusselement geschaffen werden, das effizient und automatisierbar herzustellen ist, das mit minimalem Laminatverschnitt herzustellen ist, das eine minimale mechanische Nachbearbeitung erfordert, das mit geringen Laminatdicken auskommt, das einen geringen Werkzeugaufwand mit sich bringt, das sowohl mit glasfaser- als auch mit kohlenstofffaserverstärktem Faserverbundwerkstoff herstellbar ist, das mit hohen Ablegeraten herstellbar ist, das den Einsatz von Dehnbolzen ermöglicht und das auch für modulare Bauweisen, zum Beispiel zur Wurzelverlängerung, eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Anschlusselement aus einer Grundplatte mit parallel zur Längsachse ausgerichteten Einwickelelementen besteht und die Einwickelelemente mit Rovings eingewickelt sind. Die Längsachse definiert sich anhand der Stirnfläche des Anschlusselementes und ist orthogonal zu dieser ausgerichtet. Als Roving wird ein Bündel, Strang oder Multifilamentgarn aus parallel angeordneten Filamenten (Endlosfasern) bezeichnet, der überwiegend in der Fertigung von Faserverbundkunststoffen oder faserverstärkten Kunststoffen verwendet wird. Als Laminat wird ein aus mehreren Rovinglagen miteinander verklebte Schicht bezeichnet.
Grundplatte und Einwickelelemente verbleiben vorzugsweise in dem Anschlusselement. Vorzugsweise ist das Einwickelelement als Hülse ausgeführt und wird schlaufenförmig mit Rovings eingewickelt. Dies erfolgt vorzugsweise automatisiert oder teilautomatisiert mit einer CNC gesteuerten Faserwickelmaschine, einem CNC gesteuerten Roboter oder mithilfe einer entsprechend CNC gesteuerten Fibre - Placementanlage. Damit wird eine hohe Wiederholgenauigkeit während der Fertigung, eine hohe Ablegerate, eine optimale Faserausnutzung bei zugleich minimalem Verschnitt erreicht. Der Außendurchmesser der Einwickelelemente lässt sich dabei konstruktiv derart anpassen, dass die für das am Einwickelelement umgebende Laminat die zulässige Flächenpressung im Betrieb nicht übersteigt. Die erfindungsgemäße spanlose Herstellung der Stirnfläche in Verbindung mit dem Einsatz bewährter Dehnbolzen ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung besonders vorteilhaft möglich.
Zur Herstellung einer Stirnfläche wird erfindungsgemäß eine Stirnplatte an das Laminat gepresst. Der Zwickel am Außendurchmesser zwischen Stirnplatte und Laminat kann nach Anbringen der Stirnplatte mit Faserverbundwerkstoff gefüllt werden, vorzugsweise automatisiert oder teilautomatisiert mit einer der im Vorangegangenen beschriebenen Maschinen.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Anordnung dargestellt. 1 zeigt einen schematischen Schnitt im Endenbereich des Anschlusselementes (1). Das Anschlusselement (1), besteht aus einer Grundplatte (2) sowie aus parallel zur Längsachse (7) ausgerichteten Einwickelelementen (3) welche in diesem Ausführungsbeispiel als Hülsen dargestellt sind. Die Einwickelelemente (3) sind mit Rovingschlaufen (15) umgeben, welche ein Laminat (4) ergeben, welches sich von der Rotornabenseite (19) in Richtung der Flügelspitzenseite (20) erstreckt. Die Rovingschlaufen verlaufen bei diesem Ausführungsbeispiel in einer 90° (Gradmaß) zur Längsachse ausgerichteten Ebene. Die Stirnfläche (10) ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Stirnplatte (5) versehen.
Aufgrund der vorteilhaften Anordnung lässt sich Stirnfläche (10) besonders vorteilhaft ohne weitere mechanische Bearbeitung herstellen indem nach dem Einwickeln der Einwickelelemente (3) mit Rovingschlaufen (15) und der damit verbundenen Herstellung des Laminats (4) mit Hilfe der Stirnplatte (5) das Laminat auf der Rotornabenseite (19) gegen die Grundplatte (2) verpresst und dabei orthogonal zur Längsachse (7) ausgerichtet wird. Nach Montage der Stirnplatte (5) wird das Laminat (4) ausgehärtet. Wahlweise kann vor oder nach dem Aushärten der Zwickel (6) noch mit Laminat gefüllt werden.
Der geometrische Verlauf des Laminats (4) kann dabei von einem Kreisquerschnitt im Bereich der der Rotornabenseite (19) in einen aerodynamischen Querschnitt auf der der Flügelspitze zugewandte Seite (20) übergehen.
Zur späteren Verbindung des Anschlusselementes (1) an den aerodynamisch ausgebildeten Teil es Rotorblatts kann das Laminat im Übergangsbereich angschrägt werden, um somit die Fügefläche zwischen Rotorblatt und Anschlusselement (1) zu erhöhen.
2 zeigt einen schematischen Schnitt eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung zur Herstellung von zwei Anschlusselementen (1) in einer Aufspannung. Auf einer Achse (13) sind zwei Adapter (12) montiert. Die Adapter (12) sind jeweils mit einer Grundplatte (2) verbunden. Dorne (11) vereinfachen das einwickeln der parallel zur Längsachse (7) ausgerichteten Einwickelelementen (3) welche in diesem Ausführungsbeispiel als Hülsen dargestellt sind. Die Einwickelelemente (3) sind mit Rovingschlaufen (15) umgeben, welche ein Laminat (4) ergeben.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Laminat (4) zweiteilig dargestellt. Es besteht aus einem Grundlaminat (14) und dem eigentlichen Laminat (4). In einem ersten Schritt wird ein Grundlaminat (14) hergestellt und ausgehärtet und dient somit im nächsten Schritt gleichzeitig als Stützkern und tragendes Laminat für die spätere Anwendung. Somit können Werkzeuge und damit Werkzeugkosten zur Laminatherstellung eingespart werden.
Aufgrund der vorteilhaften Anordnung lassen sich Anschlusselemente (1) zudem besonders material- und kostensparend herstellen. Durch mittiges Teilen der auf diese Weise gefertigten Laminatstruktur lassen sich somit zwei Anschlusselemente in einer Aufspannung fertigen. Wahlweise können dabei weitere Stützelemente eingesetzt werden, um durch die vorteilhafte Anordnung den geometrischen Verlauf des Laminats (4) von einem Kreisquerschnitt im Bereich der der Rotornabenseite (19) in einen aerodynamischen Querschnitt zu erreichen.
In 3 ist anhand einer Frontansicht auf die Grundplatte (2) beispielhaft ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Anordnung der Rovingschlaufen (15) dargestellt. Die Rovingschlaufen (15) umschlingen dabei die Einwickelelemente (3).
In 4 sind anhand einer Frontansicht auf die Grundplatte (2) beispielhaft weitere Ausführungsbeispiel von erfindungsgemäß ausgestalteten Anordnung der Rovingschlaufen (15) dargestellt.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Anordnung für ein an eine Rotornabe (16) montiertes Anschlusselementes (1) dargestellt. 5 zeigt einen schematischen Schnitt im Endenbereich des Anschlusselementes (1) sowie den Übergang zur Rotornabe (16). Das Anschlusselement (1), besteht aus einer Grundplatte (2) sowie aus parallel zur Längsachse (7) ausgerichteten Einwickelelementen (3) welche in diesem Ausführungsbeispiel als Hülsen dargestellt sind. Die Einwickelelemente (3) sind mit Rovingschlaufen (15) umgeben, welche ein Laminat (4) ergeben, welches sich von der Rotornabenseite (19) in Richtung der Flügelspitzenseite (20) erstreckt. Die Rovingschlaufen verlaufen bei diesem Ausführungsbeispiel in einer 90° (Gradmaß) zur Längsachse ausgerichteten Ebene. Die Stirnfläche (10) ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Stirnplatte (5) versehen. Der Zwickel (6) ist mit Laminat gefüllt. Aufgrund der vorteilhaften Anordnung lassen sich Dehnbolzen (8) zur Montage des Anschlusselementes (1) an die Rotornabe (16), wahlweise mit Unterlegscheiben (17), einsetzen.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Anordnung dargestellt. 6 zeigt einen schematischen Schnitt einer Wurzelverlängerung für modulare Bauweisen von Rotorblättern. Eine Seite dient später zur Verbindung an die Rotornabe, die andere Seite dient später zur Verbindung an ein Blattende. Die Anordnung dient zur Herstellung einer Wurzelverlängerung in einer Aufspannung. Auf beiden Seiten befinden sich jeweils die Grundplatten (2) sowie Einwickelelemente (3). In diesem Ausführungsbeispiel ist die Stirnplatte nach der Herstellung entfernt worden.
7 zeigt die Seitenansicht der Längsachse (7), der Stirnfläche (10) und die über den Winkel α (18) zur Längsachse (7) ausgerichteten Ebene (21) wobie die Ausrichtung der Rovingschlaufen (15) in einem Winkel α (18) zwischen 50° und 130° zur Längsachse ausgerichteten Ebene (21) verlaufen.
Bezugszeichenliste

(1): Anschlusselement
(2): Grundplatte
(3): Einwickelelement
(4): Laminat
(5): Stirnplatte
(6): Freiraum
(7): Längsachse
(8): Dehnbolzen
(9): Mutter
(10): Stirnfläche
(11): Dorn
(12): Adapter
(13): Achse
(14): Grundlaminat
(15): Rovingschlaufe
(16): Rotornabe
(17): Unterlegscheibe
(18): Winkel α
(19): Rotornabenseite
(20): Flügelspitzenseite
(21): Ebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 0142647 A2 [0003]
WO 2007/131589 A2 [0003]
EP 0057272 A2 [0003]
DE 102014008558 A1 [0003]

Claims

Anschlusselement, insbesondere einer Windenergieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussende aus einer Grundplatte besteht, die mit parallel zur Längsachse ausgerichteten Einwickelelementen versehen ist, wobei die Einwickelelemente mit Rovingschlaufen umgeben sind und die Rovingschlaufen in einer zwischen 50° und 130° zur Längsachse ausgerichteten Ebene verlaufen.
Anschlusselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwickelelemente als Hülsen ausgeführt sind.
Anschlusselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche mit einer Stirnplatte versehen ist.
Anschlusselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Verlauf des Laminats von einem Kreisquerschnitt im Bereich der der Rotornabenseite zugewandten Seite in ein aerodynamisches Profil auf der der Flügelspitze zugewandten Seite übergeht.
Verfahren zur Herstellung eines Anschlusselementes, insbesondere einer Windenergieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement aus einer Grundplatte besteht die mit parallel zur Längsachse ausgerichteten Einwickelelementen versehen ist wobei die Einwickelelemente mit Rovingschlaufen eingewickelt sind und die Rovingschlaufen in einer zwischen 50° und 130° zur Längsachse ausgerichteten Ebene verlaufen wobei das Verlegen der Rovingschlaufen zumindest teilautomatisiert CNC gesteuert mit einer Faserwickelmaschine, einem Roboter oder einer Fibre - Placementanlage erfolgt und die Stirnfläche ohne weitere mechanische Bearbeitung hergestellt wird indem nach dem Einwickeln der Einwickelelemente mit Rovingschlaufen und der damit verbundenen Herstellung des Laminats mit Hilfe einer Stirnplatte das Laminat gegen eine Grundplatte verpresst wird und dabei orthogonal zur Längsachse ausgerichtet wird und das Laminat nach Montage der Stirnplatte ausgehärtet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Anschlusselementes nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Montage der Stirnplatte der Zwickel am Außendurchmesser zwischen Stirnplatte und Laminat mit Faserverbundwerkstoff gefüllt wird.