Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt sowie einen Rotor mit einer Mehrzahl von Rotorblättern für Windkraftanlagen in Megawatt-Bereichen nach Anspruch 1 bzw. 9.

Die maximale in bewegter Luft enthaltene Energie ergibt sich aus der Formel

Pwind = ¹ / ρ A v ³ , mit

Pwind = die maximal in der bewegten Luft enthaltene Leistung,

ρ = Dichte der Luft

A = die von den Rotorblättern überstrichene Fläche,

v = Windgeschwindigkeit.

Windkraftanlagen im Megawattbereich müssen daher sehr lange Rotorblätter besitzen um die überstrichene Fläche A möglichst groß zu machen. Beispielsweise besitzen die Rotorblätter der Windkraftanlage E-126 von Enercon mit einer Nennleistung von 7,6 MW eine Länge von 63 Metern mit einem Gewicht von ca. 24 t. Im Offshore-Bereich kommen Rotorblätter mit einer Länge von 85 Metern zum Einsatz, die ca. 25 t wiegen. Der Transport auf öffentlichen Straßen und die Montage dieser großen und schweren Bauteile ist aufwendig und schwierig.

Aus der DE 10 2012 108 182 A1 ist der grundsätzliche Aufbau von solchen Rotorblättern mit Profilteil und Blattwurzel bekannt. Mit der Blattwurzel wird das Rotorblatt an der Nabe der Windkraftanlage montiert. Unmittelbar im Anschluss an die Blattwurzel befindet sich die breiteste Stelle des Profilteils. Das Profilteil verjüngt sich hin zur Spitze des Rotorblatts bzw. Profilteils. Auf Grund der unterschiedlichen Umlaufgeschwindigkeiten an der Flügelspitze und im Bereich der Blattwurzel ist die Dicke des Querschnitts der Rotorblätter unterschiedlich, d. h. an die Blattwurzel schließt sich der dickste Teil des Rotorblatt; die Spitze des Rotorblatts bzw. des Profilteils ist am dünnsten. Ausgehend von herkömmlichen Rotorblättern für Windkraftanlagen im MW- Bereich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Rotorblatt sowie einen Rotor mit einer Mehrzahl von solchen Rotorblättern anzugeben, die bei einer bestimmten Nennleistung einer damit ausgerüsteten Windkraftanlage leichter sind als herkömmliche Rotorblätter bei dieser Nennleistung.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 .

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Rotorblatt bei dem sich unmittelbar an die Blattwurzel ein längerer aerodynamisch nicht aktiver Bereich anschließt. Die überstrichene Fläche eines Rotors mit herkömmlichen Rotorblatt der Länge L _P ist L _P ² TT. Die effektive überstrichene Kreisringfläche eines um einen aerodynamisch inaktiven Teil der Länge LD verlängerten Rotorblatts ist

Arang = (LP ² + 2 LP LD)TT.

Unter der Annahme LD = x Lp, wird deutlich, dass die effektive Ringfläche des„verlängerten" Rotorblatts gemäß der vorliegenden Erfindung immer größer ist als die überstrichene Fläche eines herkömmlichen Rotorblatts der Länge Lp. Es gilt:

Arang = Lp ² π (1 + 2 x)

Damit ist die mögliche Leistung eines verlängerten Rotorblatts immer größer als die mögliche Leistung eines Rotorblatts ohne Verlängerung. Wenn daher eine bestimmte Leistung erzeugt werden soll, kann die Länge Lp des Profilteils verkürzt werden. Da herkömmliche Rotorblätter im Anschluss an die Blattwurzel am dicksten und damit am schwersten sind, ergibt sich bei den erfindungsgemäßen Rotorblättern eine erhebliche Gewichtsersparnis.

Zwar ist aus der DE 44 28 731 A1 ein Rotorblatt bekannt, dass sich über einen Teleskopmechanismus verlängern lässt, jedoch dient diese Verlängerung lediglich einem verbesserten Anlaufverhalten bei geringen Windgeschwindigkeiten. Darüber hinaus ist aufgrund des Teleskopmechanismus keine Gewichtseinsparung erzielbar und auch nicht beabsichtigt.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 bis 4 werden geeignete Positionen für den Pitchantrieb von der Rotorblätter angegeben. Bei den Ausgestaltungen nach Anspruch 2 und 4 können die Pitch-Antriebe schwächer dimensioniert werden, da die angreifenden Hebelkräfte umso kleiner werden, je weiter entfernt von der Rotornabe der Pitch-Antrieb montiert ist

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 5 wird maximale Stabilität bei minimalem Gewicht erreicht.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 wird ein besonders leichtes Rotorblatt ermöglicht. Im Wesentlichen heißt, dass lediglich Verbindungselemente, wie Flansche und Schrauben nicht aus Carbonfaser verstärktem Kunststoff sind.

Die positive Wirkung der vorliegenden Erfindung, Gewichtsreduzierung einerseits und geringe Verringerung der überstrichenen aktiven Fläche andererseits tritt signifikant bereits ein, wenn die Länge LD des zweiten nicht aerodynamisch aktiven Teils des Rotorblatts mindestens 10 % der Länge Lp des ersten aerodynamisch aktiven Teils des Rotorblatts beträgt - Anspruch 8. Als Obergrenze der Länge LD des zweiten nicht aerodynamisch aktiven Teils des Rotorblatts ist maximal 50 % der Länge Lp des ersten aerodynamisch aktiven Teils des Rotorblatts anzusetzen - Anspruch 8. Wie dieses Längenverhältnis optimal ausgestaltet wird, ist ein Ergebnis einer Optimierungsrechnung in die zum einen die Gewichtsreduzierung und Stabilität des Rotorblatts und zum anderen die Vergrößerung der wirksamen Fläche A eingeht.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 kann das Rotorblatt vor der Montage für den Transport zerlegt werden, wodurch sich der Transport erheblich vereinfacht. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 10 kann der Verbiegung der Rotorblätter durch den Winddruck Rechnung getragen werden. Es kann somit sicher verhindert werden, dass die Rotorblätter bei Starkwind mit dem Turm der Windkraftanlage in Berührung kommen. Hierbei können die zweiten, aerodynamisch nicht aktiven Teile oder die ersten aerodynamisch aktiven Teile parallel zur Vertikalen verlaufen oder beide Teile schließen einen spitzen Winkel zur Vertikalen ein.

Die Erfindung ist insbesondere für Windkraftanlagen im MW-Bereich geeignet - Anspruch 13.

Weitere Einzelheiten, Merkmal und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung.

Es zeigt

Fig. 1 einen Rotor für Windkraftanlagen mit 3 Rotorblättern, die jeweils eine Länge von 100m aufweisen, und

Fig. 2 einen Rotor für Windkraftanlagen mit 4 Rotorblättern, die jeweils eine Länge von 120m aufweisen.

In beiden Fällen besten die einzelnen Rotorblätter 2 aus einen ersten Teil 4 mit einer festen Länge LP in Form eines sich nach außen hin verjüngenden aerodynamisch aktiven Blattprofils, einem zweiten Teil 6 einer festen Länge LD in Form eines aerodynamisch inaktiven Hohlprofils und einer Blattwurzel 8 zum Verbinden des Rotorblatts mit einer Rotornabe 10 einer Windkraftanlage. Blattwurzel 8, zweites Teil 6 und erstes Teil 4 sind längenfest bzw. längeninvariant miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen erstem und zweitem Teil 4, 6 ist lösbar ausgestaltet, z. B in Form einer Ver- schraubung. Damit wird der Transport vereinfacht.

Das erste Teil 4 des Rotorblatts 2 in Form eines aerodynamisch aktiven Hohlprofils ist gemäß einem herkömmlichen Rotorblatt ausgestaltet. Das zweite Teil 6 in Form des aerodynamisch nicht aktiven Hohlprofils besitzt einen kreisförmigen Querschnitt und besteht aus Kunststoff, der mit Carbonfasern verstärkt ist. Hierdurch ist das zweite Teil 6 leicht und dennoch stabil und geeignet das erste Teil 4 zu tragen und die dynamischen Windlasten aufzunehmen. Das zweite Teil 6 verjüngt sich von der Blattwurzel 8 zum ersten Teil 4 hin leicht konisch, wodurch sich eine zusätzliche Gewichtseinsparung ergibt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 gelten folgende Dimensionen:

LD = 20m

effektive überstrichen Ringfläche Arang = 30144m ²

Ein herkömmliches Rotorblatt, das diese Fläche überstreicht hätte eine Länge von 98m, wäre jedoch aufgrund des verbreiterten zusätzlichen Längenstücks im Vergleich zum ersten Teil 4 mit der Länge von 80m erheblich schwerer.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 gelten folgende Dimensionen:

LD = 30m

effektive überstrichen Ringfläche ARing = 42390m ²

Ein herkömmliches Rotorblatt, das diese Fläche überstreicht hätte eine Länge von 1 16m, wäre jedoch aufgrund des verbreiterten zusätzlichen Längenstücks im Vergleich zum ersten Teil 4 mit der Länge von 90m erheblich schwerer.

In Analogie zu der Ausführungsform nach Fig. 1 können bei den Rotorblattlängen gemäß Fig. 2 auch nur drei Rotorblätter vorgesehen werden. Auch Ausführungsformen mit nur zwei Rotorblättern sind möglich.

Bezugszeichenliste

2 Rotorblatt

4 erster Teil von 2

6 zweiter Teil von 2 Blattwurzel von 2 Rotornabe