DE2937895C2 - Vorrichtung zur Befestigung eines faserverstärkten Rotorflügels an der Nabe einer Windkraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen All.

Verschiedene Befestigungsvorrichtungen für Rotorblätter, wie beispielsweise in der Luftfahrt verwendete Propeller, sind bekannt und haben Flansche, Schubaufnahmeringe, Axiallager, Verriegelungsringe und geteilte Bunde. Diese Vorrichtungen erfordern jeweils irgendeine Art von Modifizierung des Holms des Rotorblattes, beispielsweise das maschinelle Bearbeiten von Laufringen oder das Herstellen von erhabenen Flächen an dem Holm. Weiter ist bei vielen dieser bekannten Befestigungsvorrichtungen der Holm integraler Bestandteil einer Rotorblattverstelleinrichtung und konstruktiv so ausgebildet, daß er sowohl Zentrifugal- als auch Querkräfte aus dem Rotorblatt und den Stellantrieben zur Rotorblattverstellung absorbiert und überträgt.

Große Rotorflügel für Windkraftanlagen, bei denen die Rotoren häufig Durchmesser von 30 bis 60 m haben, erfordern spezielle Herstellungsverfahren zum Verringern des Gewichtes und der Kosten. Weiter üben die großen Rotorflügel bei der Rotordrehung starke Kräfte auf die Befestigungsvorrichtung aus, so daß Verbesserungen in der Konstruktion solcher Befestigungsvorrichtungen erwünscht sind, um eine richtige Verteilung der Kräfte zu gewährleisten.

Zum Verringern des Rotorflügelgewichts und der Kosten ohne Beeinträchtigung der Konstruktionsfestigkeit werden Verbundmaterialien zur Herstellung des Rotorflügels verwendet Ein faserverstärkter Rotorflügel kann auf automatisierten Wickelmaschinen hergestellt werden, wodurch das Ausmaß verringert wird, in dem der Festigkeitsverband des Rotorflügels von den Klebestellen abhängig ist. Typische Faden- oder Fasermaterialien, die sich als brauchbar erwiesei. haben, sind Glasfasern, Kohlenstoff, Graphit, Kevlar und Bor in Epoxidharz oder Polyester. Verbundbänder können ebenfalls benutzt werden. Bei Rotorflügeln dieser Art ist der Holm, der ebenfalls fasergewickelt ist, das tragende Bauteil. Die Anwendung des Faserwickelverfahrens gestattet, die Wanddicke und die Faserausrichtung im Sinne einer Optimierung der Festigkeit und der Steifigkeit längs des Rotorflügels zu verändern, was ausgezeichnete Schereigenschaften und die Möglichkeit der Aufnahme großer Kräfte ergibt.

Die meisten bekannten Verbundrotorflügel haben jedoch Stahlholme, die das Blatt des Rotorflügels auf seiner gesamten Länge tragen und die Verwendung von Standardrotorflügelbefestigungsvorrichtungen einschließlich einstückig mit dem Holm gebildeter Rotorflügelverstelleinrichtungen gestatten. Für Rotorflügel mit fasergewickelten Holmen sind bekannte Methoden zum Verbinden des Rotorflügels mit der Nabe aufgrund des Holmmaterials nicht geeignet. Bei Verbundholmrotorflügeln hat es sich als erwünscht erwiesen, die Rotorflügelverstelleinrichtung von dem Rotorflügel zu trennen, wobei die Rotorflügelverstellkräfte dann von der Rotorflügelverstelleinrichtung, die in der Nabe angeordnet ist, über Holm/Nabe-Anschlußteile auf den Rotorflügel selbst übertragen werden. Infolgedessen muß die Rotorflügelbefestigungsvorrichtung in der Lage sein, den Verbundholm sicher festzuhalten und gleichzeitig Rotorflügelverstellkräfte aus der Rotorflügelverstelleinrichtung auf den Rotorflügel zu übertragen und dabei die hohen Kräfte zu absorbieren, die aus der beträchtlichen Größe des Rotorflügels resultieren.
Bei einer bekannten Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art (US-PS 37 34 642) sind zwar Klebeverbindungen zwischen dem Holm und der äußeren Hülse sowie zwischen dem Holm und der inneren Hülse vorgesehen, dabei ist jedoch jeweils nur eine Klebeverbindung tragend. Die Belastung wird während des normalen Betriebes von dem Holm nur durch die äußere Klebeverbindung auf die äußere Hülse übertragen. Wenn diese Klebeverbindung zerstört wird, kann sich der Holm mit der inneren Hülse

etwas radial nach außen in der äußeren Hülse verlagern. Dadurch wird die innere Klebeverbindung lasttragend, und infolge der Verlagerung treten Schwingungen auf, welche dann die Zerstörung der äußeren Klebeverbindung anzeigen.

Es ist weiter eine Vorrichtung zur Befestigung eines faserverstärkten Rotorflügels an einer Nabe einer Windkraftanlage bekannt (DE-AS 10 45 810), bei der nur eine innere Hülse zur Übertragung der Zentrifugalkräfte von dem Rotorflügel auf die Nabe vorgesehen :st Die äußere Hülse, die aus Strängen besteht, kann nicht zur Übertragung der Zentrifugalkräfte herangezogen werden. Diese Stränge verhindern lediglich ein Lösen des Rotorflügels aus den Rillen der inneren Hülse.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so zu verbessern, daß sie die während des Betriebes auftretenden hohen Zentrifugalkräfte sicherer aufnehmen kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durcn die Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung sind mehrere Kraftübertragungswege zwischen dem Rotorflügel und der Nabe vorhanden. Die Zentrifugalkraft kann erstens durch die Klebeverbindung zwischen dem Holm und der zweiten Hülse übertragen werden. Zweitens kann die Zentrifugalkraft durch die Klebeverbindung zwischen dem Holm und der ersten Hülse und durch die zweiten Schrauben übertragen werden. Schließlich kann die Zentrifugalkraft auch noch durch die ersten Schrauben auf die beiden Hülsen übertragen werden. Auf diese Weise wird eine äußerst zuverlässige Befestigung des Rotorflügels an der Nabe erzielt

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 ist das innere Ende des Holms, mit dem die Hülsen verklebt sind, etwas konisch und hat in bezug auf den in Richtung des äußeren Endes des Holms benachbarten Teil desselben einen kleineren Durchmesser, wodurch das innere Ende des Holms zwischen den Hülsen wirksam verriegelt ist und auf den Rotorflügel einwirkende Zentrifugalkräfte bestrebt sind, die Verriegelung zu festigen und eine Trennung des Rotorflügels von den Hülsen der Befestigungsvorrichtung zu verhindern.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 wird durch das Verkleben der Schrauben mit den Teilen, die sie miteinander verbinden, eine spielfreie Verbindung geschaffen, die eine Bewegung zwischen den einzelnen Teilen minimiert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Längsschnittansicht der Rotorflügelbefestigungsvorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Schnitt auf der Linie 2-2 von F i g. 1.

F i g. 1 zeigt einen Rotorflügel mit einem Holm 10 aus einem Verbundmaterial, um den ein Blatt 12 gewickelt ist. Das bevorzugte Verbundmaterial für den Holm 10 und das Blatt 12 ist ein fasergewickeltes Glasfaserepoxidharzverbundmaterial. Zum Wickeln werden herkömmliche Verfahren angewandt. Das Blatt 12 und der Holm 10 können jede Größe haben, repräsentativ ist aber ein großer Windkraftanlagenrotorflügel mit einem Rotordurchmesser von mehr als 30 m. Solche Rotorflügel wiegen mehr als 9000 N und erzeugen, wenn sie in einer Windkraftanlage drehbar montiert sind, extrem hohe Belastungen an ihren mechanischen Befestigungsvorrichtungen. Die meisten Rotorflügel dieser Art sind außerdem so ausgebildet, daß sie um die Längsachse verstellt werden können, was eine Quelle zusätzlicher Belastung darstellt Weitere Kräfte werden durch Windböen hervorgerufen, die unterschiedliche Geschwindigkeiten und/oder Richtungen längs der Rotorflügellängsachse haben oder in unterschiedlichen Drehpunkten auftreten können. Infolgedessen ist die mechanische Befestigung dieser Rotorflügel ein wichtiger Faktor sowohl hinsichtlich der Sicherheit als auch hinsichtlich der Lebensdauer des Rotorflügels und der zugeordneten tragenden Konstruktionen. Die Verwendung von gewickelten Faserverbundmaterialien für das Blatt und den Holm reduziert zwar das Gewicht des Rotorflügels, erfordert jedoch Sorgfalt bei der Herstellung der mechanischen Befestigungsvorrichtungen wegen der besonderen Eigenschaften der Verbundmaterialien.
Eine Befestigungsvorrichtung, die redundante Kraft-Übertragungswege bietet, ist in der Zeichnung gezeigt und enthält eine innere metallische Hülse 14 und eine äußere metallische Hülse 16, die z. B. aus Stahl bestehen. Die Hülsen sind zur Längsachse des Rotorflügels konzentrisch, und ein Teil jeder Hülse grenzt an den Holm 10 an und berührt diesen, wodurch der Holm 10 zwischen den Hülsen 14 und 16 aufgenommen ist Der Holm 10 ist zwischen den Hülsen 14 und 16 durch Schrauben 18 mit Muttern 20 befestigt, die auf dem Umfang des Holms angeordnet und durch in den Hülsen und dem Holm gebildete Durchgangslöcher hindurchgeführt sind. Die Schrauben 18 werden außerdem mit dem Holm 10 und den Hülsen 14, 16 verklebt, indem eine kleine Menge Epoxidharz vor dem Einführen der Schrauben 18 in die Schraubenlöcher eingebracht wird.

Die Hülsen 14 und 16 sind ebenfalls mit dem Holm 10 verklebt, was im folgenden noch näher erläutert ist.

Die Hülsen 14 und 16 erstrecken sich außerdem eine kurze Strecke über das innere Ende des Holms 10 hinaus, wobei die äußere Hülse 16 einen Flansch 22 hat, der sich radial nach innen erstreckt, den inneren Ansatz der inneren Hülse 14 berührt und mit diesem eine Verbindungsstelle 24 bildet Der Flansch 22 der äußeren Hülse 16 ist in geringem Abstand von dem inneren Ende des Holms 10 angeordnet, so daß ein kleiner Spalt 26 zwisehen ihnen besteht, der direkte Belastungen zwischen dem Holmende und dem Flansch 22 verhindert.

Zusätzlich zu den Schrauben 18, die die innere Hülse 14 und die äußere Hülse 16 über den Holm 10 miteinander verbinden, sind weitere Schrauben 38, die durch

so Muttern 40 befestigt sind, in Löcher eingeführt, die an einer Stelle durch die Hülsen 14 und 16 gebohrt sind, welche sich etwas einwärts von dem Ende des Holms 10 befindet. Zur Erhöhung der Festigkeit können die Schrauben 38 ebenfalls eingeklebt werden.

Die Befestigungsvorrichtung hält mit den Hülsen 14 und 16 den Holm 10 sicher fest. Es sind einige Maßnahmen erforderlich, um den Holm 10 und die Befestigungsvorrichtung mit der drehbaren Nabe zu verbinden. In Abhängigkeit von der besonderen Konstruktion kann es möglich sein, die Befestigungsvorrichtung direkt mit der Nabe zu verschrauben. In vielen Fällen ist es jedoch erforderlich, ein Verbindungsteil 32 vorzusehen, von dem ein Beispiel in F i g. 1 gezeigt ist. Das konische Verbindungsteil 32 ist an einem Ende mit der Befestigungsvorrichtung und an dem anderen Ende mit einem Schaft 36 der Nabe verschraubt.

Mehrere Gewindelöcher 28 sind axial durch den Flansch 22 der äußeren Hülse 16 gebohrt, und in diese

Gewindelöcher sind Schrauben 30 eingeschraubt, die das Flanschende des konischen Verbindungsteils 32 mit der äußeren Hülse 16 verbinden. Eine oder mehrere Schrauben 30 können durch Stifte 34 ersetzt werden, wie es in Fig.2 gezeigt ist, um eine Relativbewegung und Verdrehungskräfte zwischen der äußeren Hülse 16 und dem Verbindungsteil 32 zu minimieren. Die Schrauben 30 können ebenfalls mit einem geeigneten Epoxidharz in die Löcher 28 eingeklebt werden. Die Schrauben 30 können leicht entfernt werden, wenn der Rotorflügel von der Nabe gelöst werden soll.

Das Verbindungsteil 32 ist durch Schrauben, an dem Schaft 36 befestigt, der durch nicht gezeigte Lager abgestützt ist und um seine Achse drehbar gelagert sein kann, damit der Rotorflügel verstellt werden kann.

Gemäß Fig. 1 hat das innere Ende des Holms 10 einen Durchmesser, der etwas kleiner ist als der Durchmesser des in Richtung zum äußeren Ende unmittelbar angrenzenden Teils des Holms, so daß das innere Ende des Holms etwas konisch ist und sich nach innen zu der Nabe hin verjüngt. Diese Konstruktion ergibt eine formschlüssige Verriegelung für den Holm 10, da die Zentrifugalkräfte, die versuchen, den Holm aus der Befestigungsvorrichtung herauszuziehen, auch eine Kraftkomponente haben, die radial auf die Hülsen 14 und 16 einwirkt und ihrerseits der Kraftkomponente entgegenwirkt und den Verschluß festigt, die durch die innere und die äußere Hülse erzeugt werden, d.h. die Hülsen wirken zum Festhalten des Holms wie ein Keil.

Der Holm 10 ist wie oben erwähnt mit der inneren Hülse 14 und der Hülse 16 verklebt. Die innere Hülse 14 wird als Teil des Dorns benutzt, auf den die Glasfasern bei der Herstellung des Holms 10 gewickelt werden. Am Anfang wird das Fasermaterial integral über die innere Hülse 14 gewickelt und Epoxidharzklebstoff wird auf die Verbindungs- oder Klebefläche der Hülse 14 aufgebracht. Die Faserdicke, die zwischen der inneren und der äußeren Hülse erforderlich ist, wird erzielt, indem ein Fasen- oder Fasergewebe zwischen die Faserschichten eingelegt wird. Die ersten Gewebeschichten werden direkt auf den Klebstoff auf der inneren Hülse 14 aufgelegt, und die erste schraubenlinienförmige Faserschicht wird dann über das Gewebe gewickelt, wobei dann eine weitere Gewebelage aufgebracht wird, eine weitere schraubenünienförmige Faserschicht über das Gewebe gewickelt wird, usw., bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Zusätzliche Gewebeschichten können in dem Befestigungsbereich des Holms 10 bei Bedarf benutzt werden, die Endschicht wird aber gewickelt, in der Praxis wird ein äußerer Nylontauchüberzug benutzt, um die Holmoberfläche während anschließender Hülsenklebearbeiten vor Verunreinigung zu schützen.

Der fertige Holm 10 v/ird bei Raumtemperatur 48 Stunden lang ausgehärtet, so daß das Material in dem Holmbefestigungsbereich maschinell bearbeitet werden kann. Das innere Ende des Holms 10 wird dann an der richtigen Stelle bezüglich der inneren Hülse 14 abgeschnitten, da bei dem Wickelprozeß die gesamte innere Hülse mit Glasfasern bedeckt wird. Die Holmklebefläche wird dann maschinell bearbeitet, und Epoxidharzklebstoff wird auf die Klebeflächen des Holms 10 und der äußeren Hülse 16 aufgebracht. Die äußere Hülse 16 wird dann bis zu der gewünschten radialen Stelle auf den Holm 10 geschoben und festgehalten, bis der Klebstoff ausgehärtet ist. Die Schraubenlöcher in der äußeren Hülse 16 werden vorher gebohrt und als Aufnahmen zum Bohren und Räumen der Löcher in dem Holm 10 und der inneren Hüise 14 benutzt. Die Schrauben 38 werden dann eingeschraubt, während die Schrauben 18 später eingeschraubt werden, wenn der Holmdorn entfernt ist.

Die hier beschriebene Befestigungsvorrichtung ergibt also zwei getrennte Wege für Kräfte, die durch den Rotorflügel auf die Befestigungsvorrichtung ausgeübt werden. Erstens gehen die Scherkräfte von dem Holm 10 zu der inneren Hülse 14 und der äußeren Hülse 16 über die zwischen diesen gebildeten Klebestellen, die auf die innere Hülse 14 wirkende Kraft wird weiter über die Schrauben 38 zu der äußeren Hülse 16 und dann über die Schrauben 30 auf das Verbindungsteil 22 übertragen. Zweitens bilden die Schrauben 18 einen weiteren Weg für dieselbe Kraft. Wenn ein Kraftübertragungsweg unterbrochen wird, ist somit der andere Weg noch in der Lage, die Kraft sicher zu übertragen, was eine äußerst zuverlässige Befestigungsvorrichtung ergibt.

Der Holm 10 ist zwar vorzugsweise im Querschnitt kreisförmig und hohl, es können aber auch andere Konstruktionen in Verbindung mit der hier beschriebenen Befestigungsvorrichtung benutzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Befestigung eines faserverstärkten Rotorflügels mit dessen Holm an der Nabe einer Windkraftanlage, mit einer ersten zylindrischen, metallischen Hülse, die den Holm auf dessen Innenumfang berührt und sich etwas über das innere Ende des Holms hinaus erstreckt, mit einer zweiten zylindrischen, metallischen Hülse, die den Holm auf dessen Außenumfang berührt, sich etwas über das Ende des Holms hinaus erstreckt und einen radialen Flansch hat, und mit Klebeverbindungen zwischen der ersten und der zweiten Hülse und dem Holm, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Flansch (22) der zweiten Hülse (16) radial nach innen erstreckt und an dem über das Ende des Holms (10) vorstehenden Teil der ersten Hülse (14) anliegt, daß erste Schrauben (18) sich am Umfang des Holms (10) jeweils radial durch beide Hülsen (14, 16) und den Holm (10) erstrecken und den Holm zwischen den beiden Hülsen festhalten und daß zweite Schrauben (3S) an einer Stelle etwas außerhalb des inneren Endes des Holms (10) angeordnet sind und sich jeweils radial durch die beiden Hülsen (14, 16) erstrecken und diese fest miteinander verbinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Verbindungsteil (32), das einen mit einem weiteren Flansch versehenen, im Querschnitt kreisförmigen Endteil hat, und durch dritte Schrauben (30), die auf dem Umfang des Verbindungsteils (32) angeordnet und durch den weiteren Flansch hindurch axial in den Flansch der zweiten Hülse (16) eingeschraubt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der dritten Schrauben (30) durch einen Stift (34) mit Preßsitz ersetzt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Holms (10) axial konisch ist und einen Umfang hat, der etwas kleiner ist als der Teil des Holms, der in Richtung zum äußeren Ende des Holms unmittelbar benachbart ist, und daß sich der Holm (10) in einer Richtung verjüngt, wodurch ein Teil der Belastung, die durch auf den Rotorflügel einwirkende Zentrifugalkräfte erzeugt wird, in Querrichtung auf die Hülsen (14, 16) übertragen und so der Holm (10) zwischen den Hülsen verkeilt wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Schrauben (18,38) mit den durch sie verbundenen Teilen verklebt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrauben (18,30, 38) Durchsteckschrauben sind und daß die ersten und zweiten Schrauben (18, 38) mit Muttern (20, 40) versehen sind.