DE19826086A1 - Verfahren zum Herstellen eines Rotorblatts für Windkraftanlagen und Rotorblatt für Windkraftanlagen - Google Patents
Verfahren zum Herstellen eines Rotorblatts für Windkraftanlagen und Rotorblatt für WindkraftanlagenInfo
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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 (10)
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,
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.
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