DE19826086A1

DE19826086A1 - Verfahren zum Herstellen eines Rotorblatts für Windkraftanlagen und Rotorblatt für Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE19826086A1
Application number: DE19826086A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Lang; Christopher Renner
Original assignee: Mekra Lang GmbH and Co KG
Current assignee: AQUASOLAR WASSERENTSALZUNG UND UMWELTTECHNOLOGIE A
Priority date: 1998-06-12
Filing date: 1998-06-12
Publication date: 1999-12-16

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Rotorblatts (3, 4, 5) für Windkraftanlagen, das einen Flügelkörper und ein Befestigungselement (6, 7, 8) zur Befestigung des Rotorblatts (3, 4, 5) an einer Rotornabe (1) aufweist, ist vorgesehen, daß ein Kunststoffeinlegekörper (17) an seinem nabenseitigen Ende in eine Aufnahmeeinrichtung (16) am Befestigungselement (6) eingesetzt wird, der Kunststoffeinlegekörper (17) und die Aufnahmeeinrichtung (16) mit einer Glasfaserwicklung (18) umwickelt werden, und der Kunststoffeinlegekörper (17), die Aufnahmeeinrichtung (16) und die Glasfaserwicklung (18) von einer formgebenden Lage aus Kunststoffschaum (21) ummantelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Rotorblatts für Windkraftanlagen, das einen Flügelkörper und ein Befestigungsele ment zur Befestigung des Rotorblatts an einer Rotornabe aufweist so wie ein Rotorblatt für Windkraftanlagen mit einem Flügelkörper und mit einem Befestigungselement zur Befestigung des Rotorblatts an der Rotornabe.

Durch Windkraftanlagen soll elektrische Energie aus Windenergie ge wonnen werden. Hierzu wird an einem windreichen Ort ein hoher Mast aufgestellt, der einen Rotor mit z. B. drei Rotorblättern trägt. Der vom Wind angetriebene Rotor treibt dann einen Stromgenerator an. Um ei nen besonders hohen Wirkungsgrad von solchen Anlagen zu erzielen, ist die aerodynamische Form des Rotorflügels neben dem Gewicht oder der Biegesteifigkeit eines der Kriterien, das den Vorgang der Ener gieumwandlung der kinetischen Energie des Windes in eine Rotations energie der Stromgeneratorwelle unmittelbar beeinflußt.

In bekannten Ausführungsformen von Windkraftanlagen wurden teil weise Metallrotorblätter verwendet, die ein hohes Gewicht aufweisen. Teilweise wurden und werden Kunststoffblätter verwendet, deren Her stellung teuer und aufwendig ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein produktionstechnisch einfaches Ver fahren zum Herstellen von Rotorblättern für Windkraftanlagen zu schaffen, wobei das damit hergestellte Rotorblatt eine ausreichende Fe stigkeit und Steifigkeit aufweist sowie eine sichere Kraftübertragung vom Befestigungselement des Blattes auf die damit verbundene Ro tornabe gewährleistet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Kunststoffeinlegekörper an seinem nabenseitigen Ende in eine aus Metall bestehende Aufnahme einrichtung am Befestigungselement eingesetzt wird, der Kunststoff einlegekörper und die Aufnahmeeinrichtung mit einem Glasfasergewe be umwickelt werden, und der Kunststoffeinlegekörper, die Aufnahme einrichtung und die Glasfaserwicklung von einer formgebenden Lage aus Kunststoffschaum ummantelt werden. Die Vorzüge von Stahl und Kunststoff werden also in vorteilhafter Weise kombiniert, was insbe sondere für kleinere und mittlere Serien interessant ist.

Besonders vorteilhaft ist es, eine PUR-Schaum-Sandwich-Bauweise für einen Windradflügel zu verwenden. Somit wird das Rotorblatt beson ders fest und steif ausgeführt, obgleich es eine leichte Bauform auf weist.

Da der Rotorflügel hauptsächlich aus nichtleitendem Kunststoff besteht, wird als Blitzschutzeinrichtung ein Band aus leitfähigem Gewebe, z. B. aus Carbonfasern oder Kupfer, von der Rotorblattspitze bis zur Auf nahmeeinrichtung in das Rotorblatt integriert.

Für die im Betrieb auftretende Belastung in Form von Biege-, Tor sions- und Zugkräften weist das Rotorblatt aufgrund des erfindungsge mäßen Herstellungsverfahrens und der damit verbundenen Konstruktion eine ausreichende Festigkeit auf. Außerdem sollten die kraftübertragen den Verbindungsteile, wie z. B. die Befestigungselement-Rotornabe- Verbindung, ausreichend fest dimensioniert und trotzdem konstruktiv einfach gestaltet sein. Zu diesem Zweck weist das Befestigungselement, das vorzugsweise rohrförmig ausgebildet ist, eine radiale Vergrößerung des Außendurchmessers an seinem nabenseitigen Ende auf, damit die im Betrieb auftretenden Zentrifugalkräfte und Lagerkräfte über diese Außendurchmesservergrößerung in die Rotornabe eingeleitet werden können.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird für das Befestigungsele ment zur Befestigung des Rotorblatts an der Rotornabe ein im Quer schnitt kreisförmiges Rohr verwendet. Diese Befestigungsrohre können jeglichen Winkel bezüglich der Rotationsebene der Rotorblätter ein nehmen, wodurch die Möglichkeit besteht, die Winkeleinstellung des Rotorblatts je nach Aufstellungsort der Windkraftanlage den Windge gebenheiten anzupassen.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform des durch das er findungsgemäße Verfahren hergestellten Erzeugnisses anhand der bei gefügten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Rotornabe einer Windkraftanlage mit drei an der Rotornabe befestigten Rotorblättern,

Fig. 2 ein durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestelltes Rotor blatt in einer ersten Ausführungsform und

Fig. 3 ein Rotorblatt analog Fig. 2 in einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt eine Rotornabe 1, die durch eine herkömmliche Wel lennabenverbindung an einer Antriebswelle eines Generators 2 befestigt ist. Die Rotornabe kann auch als Riemenscheibe für einen Transmissi onsriemen ausgebildet sein, der als Teil eines Riemegetriebes zur Kraftübertragung auf die Antriebswelle des Generators dient. An der Rotornabe 1 sind drei Rotorblätter 3, 4, 5 jeweils über Befestigungsroh re 6 mit kreisförmigem Querschnitt an der Rotornabe 1 befestigt, wobei die Befestigungsrohre 6 einen Winkel von 120° zueinander einnehmen. Diese Befestigungsrohre 6 dienen zur Halterung des eigentlichen Flü gelkörpers 7 der Rotorblätter 3, 4, 5 und werden mittels Klemmschellen 9, 10 an der Rotornabe 1 angebracht. Dabei werden für jedes Befesti gungsrohr 6 zwei Klemmschellen 9, 10 verwendet, die einerseits am nabenseitigen Ende des Befestigungsrohres 6 und andererseits mit Ab stand zum nabenseitigen Ende angeordnet sind. Die nabenseitigen Klemmschellen 9 werden jeweils mit den benachbarten Klemmschellen durch Streben 11 verbunden, was auch für die mit Abstand zum naben seitigen Ende des Befestigungsrohres 6 angeordneten Klemmschellen 10 gilt. Diese Klemmschellen 9 weisen ein an den kreisrunden Außen durchmesser der Befestigungsrohre 6 angepaßtes Mittelteil 12 und zwei an das Mittelteil 12 anschließende Seitenteile 13 auf, die eine plane Oberfläche besitzen. Diese planen Seitenteile 13 dienen beim Befesti gen der Klemmschellen 9 mittels Schrauben 14 an der Rotornabe 1 als Auflagefläche. Im verschraubten Zustand der Klemmschellen 9, 10 be steht eine Fixierung der Befestigungsrohre 6 quer zur Längsachse der Befestigungsrohre. Die durch das Verschrauben erzeugte Klemmkraft zwischen den Oberflächen des Mittelteils 12 der Klemmschellen 9, 10 und der Befestigungsrohre 6, gewährleistet eine Fixierung bezüglich der Längs- und Rotationsrichtung der Befestigungsrohre 6.

Im Betrieb der Windkraftanlage herrschen Zentrifugalkräfte sowie Ge wichts- und Windkräfte, die einerseits über die oben beschriebene Klemmschellenverbindung und andererseits über eine radiale Vergröße rung 15 des Außendurchmessers am nabenseitigen Ende der Befesti gungsrohre 6 in die Rotornabe 1 eingeleitet werden können.

Aufgrund der kreisförmigen Befestigungsrohre 6 ist es möglich, bei ei ner gelockerten Schraubenverbindung die Rotorblätter 3, 4, 5 je nach den Windverhältnissen in eine günstige Lage zu drehen und anschlie ßend die Klemmschellen 9, 10 wieder fest zu verschrauben. Auf diese Weise ist eine leichte und schnelle Einstellung der Rotorblätter mög lich.

In Fig. 2 wird eines der durch das erfindungsgemäße Verfahren herge stellten Rotorblätter 3, 4, 5 gezeigt, wobei Rotorblatt 3 als Ausfüh rungsbeispiel dienen soll. Das Befestigungsrohr 6 ist am blattseitigen Ende mit einem Metallgitterkäfig 16 aus Lochblech fest verbunden. In diesen Metallgitterkäfig 16 wird ein Hartschaumkern 17 als Einlegekör per paßgenau eingeführt. Dieser Hartschaumkern 17 und der Metallgit terkäfig 16 werden nun entsprechend einem vorgegebenen Wickelplan mit einer Glasfaserwicklung 18 umwickelt. Anschließend wird ein Band 19 aus leitfähigem Gewebe, z. B. aus Carbonfasern oder Kupfergewebe, als Blitzschutzeinrichtung von der Rotorblattspitze 20 bis zum Metall käfig 16 in das Rotorblatt 3 integriert. Der Hartschaumkern 17, der Metallgitterkäfig 16 und die Glasfaserwicklung 18 werden nun in einer nicht dargestellten vorgeheizten Form mit einem Kunststoffschaum 21 umschäumt. Durch das Umschäumen des Hartschaumkerns 17, des Metallgitterkäfigs 16 und der Glasfaserwicklung 18 dringt der Kunst stoffschaum 21 durch die Glasfaserwicklung 18 und gelangt in direkten Kontakt mit dem Hartschaumkern 17 und dem Metallgitterkäfig 16. Nach dem Aushärten des Kunststoffschaums 21 wird, wie bei faserver stärkten Kunststoffen, ein fester und steifer Verbund zwischen allen Bauteilen geschaffen, womit ein biege- und torsionssteifes Rotorblatt mit relativ niedrigem Gewicht realisierbar ist. Eine vorher in die vorge heizte Form eingebrachte Gel-Coat-Schicht 22 wird ferner direkt beim Schäumen mit dem Rotorblatt 3 verbunden und bildet die endgültige Oberfläche des Rotorblatts 3.

Der Flügelkörper kann z. B. entsprechend dem Profil NACA 4412 ge formt sein. Um eine gleichmäßige aerodynamische Strömung zu erhal ten, besitzt das Rotorblatt 3 eine Verwindung von z. B. 12° über seine gesamte Länge. Bei Rotorblattprofilen ist es vorteilhaft, zur Anpassung an unterschiedliche Windverhältnisse eine rotative Verstellung des Ro torblatts 3 um die Längsachse des Befestigungsrohres 6 zu ermöglichen, was durch die kreisrunde Querschnittsform von dem Befestigungsrohr 6 und der Klemmschellen 9, 10, wie oben beschrieben, realisierbar ist.

Das Rotorblatt 3 ist schließlich an der Blattwurzel 23 doppelt so breit ausgeführt wie an der Rotorblattspitze 20, wodurch ein leichter Anlauf der Windkraftanlage bei Schwachwind möglich ist. Durch das erfin dungsgemäße Verfahren sind solche komplizierten Formtypen des Ro torblatts 3 leicht herstellbar, da der Hartschaumkern 17 und der Metall gitterkäfig 16 für die Formgebung des Rotorblatts 3 zweitrangig sind und somit letztere bei kleinen Formänderungen nicht adaptiert werden müssen.

Fig. 3 zeigt ein Rotorblatt 3 nach dem ersten Herstellungsverfahrens schritt, in dem der Kunststoffeinlegekörper 17 an seinem nabenseitigen Ende in einen Metallgitterkäfig 16' eingesetzt wird. Dieser Metallgitter käfig 16' weist bezüglich des Metallgitterkäfigs 16 nach Fig. 2 größere Aufnahmeflächen auf, die sich in Form eines Wangenpaars 24 in Rich tung der Rotorblattspitze 20 erstrecken. Auf diese Weise wird eine sta bile Aufnahme des Kunststoffeinlegekörpers 17 gewährleistet, was ein sicheres Kraftübertragen von dem Flügelkörper 7 auf das Befestigungs rohr 6 nach sich zieht.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Rotorblatts (3, 4, 5) für Windkraft anlagen, das einen Flügelkörper (7) und ein Befestigungselement (6) zur Befestigung des Rotorblatts (3, 4, 5) an einer Rotornabe (1) auf weist, dadurch gekennzeichnet, daß für den Aufbau des Flügelkörpers (7)

1. ein Kunststoffeinlegekörper (17) an seinem nabenseitigen Ende in eine aus Metall bestehende Aufnahmeeinrichtung (16) am Befesti gungselement (6) eingesetzt wird,
2. der Kunststoffeinlegekörper (17) und die Aufnahmeeinrichtung (16) mit einer Glasfaserwicklung (18) umwickelt werden, und
3. der Kunststoffeinlegekörper (17), die Aufnahmeeinrichtung (16) und die Glasfaserwicklung (18) von einer formgebenden Lage aus Kunst stoffschaum (21) ummantelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffeinlegekörper (17), die Aufnahmeeinrichtung (16) und die Glasfaserwicklung (18) in einer vorgeheizten Form mit dem Kunststoff schaum (21), vorzugsweise PUR-Schaum, umschäumt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vor geheizte Form vor dem Umschäumen mit einer Oberflächenschutz schicht, vorzugsweise einer Gel-Coat-Schicht (19), versehen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, daß eine leitenden Verbindung als Blitzableiter, vorzugsweise ein Band (19) aus leitfähigem Gewebe, z. B. aus Carbonfasern oder Kupfer gewebe, von der Rotorblattspitze (20) bis zur Aufnahmeeinrichtung (16) in das Rotorblatt (3, 4, 5) integriert wird.

5. Rotorblatt für Windkraftanlagen

1. mit einem Flügelkörper (7) und
2. mit einem Befestigungselement (6) zur Befestigung des Rotorblatts (3, 4, 5) an einer Rotornabe (1), hergestellt nach dem Verfahren ge mäß einem der Ansprüche 1 bis 4,

gekennzeichnet durch einen Kunststoffeinlegekörper (17) im Flügelkörper (7) und eine am Befestigungselement (6) angeordnete, aus Metall bestehende Aufnah meeinrichtung (16), die das nabenseitige Ende des Kunststoffeinlege körpers (17) aufnimmt, wobei der Kunststoffeinlegekörper (17) und die Aufnahmeeinrichtung (16) mit einer Glasfaserwicklung (18) versehen und mit einer formgebenden Lage aus Kunststoffschaum (21) ummantelt sind.

6. Rotorblatt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auf nahmeeinrichtung einen Käfig, vorzugsweise einen Metallgitterkäfig (16), umfaßt, in den der Kunststoffeinleger (17) mit seinem nabenseiti gen Ende paßgenau eingeführt ist.

7. Rotorblatt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Me tallgitterkäfig (16') Aufnahmeflächen in Form mindestens einer Wange, vorzugsweise eines Wangenpaares (24), aufweist, die in Richtung zur Rotorblattspitze hin verlängert sind.

8. Rotorblatt nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement als Befestigungsrohr (6), vorzugsweise mit kreis förmigem Querschnitt ausgeführt ist, das an seinem nabenseitigen Ende eine radiale Vergrößerung (15) des Außendurchmessers aufweist.

9. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeich net, daß die formgebende Lage des Kunststoffschaums (21), insbeson dere einem PUR-Schaum, mit einer Oberflächenschutzschicht, insbe sondere Gel-Coat-Schicht (19), überzogen ist.

10. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß das Rotorblatt (3, 4, 5) eine leitende Verbindung als Blitzableiter, vorzugsweise ein Band (19) aus leitfähigem Gewebe, z. B. aus Carbonfasern oder Kupfergewebe, von der Rotorblattspitze (20) bis zur Aufnahmeeinrichtung (16) aufweist.