Rotorblatt für Windenergieanlagen

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für Windenergieanlagen mit mindestens einer Schale, die eine äußere Kontur des Rotorblatts bildet, und mindestens einem in Längsrichtung des Rotorblatts verlaufenden Gurt, der in eine Kunststoffmatrix eingebettete Fasern aufweist und mit der mindestens einen Schale verbunden ist.

Derartige Rotorblätter werden häufig aus faser-, insbesondere glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt. Die Entwicklung immer größerer Windenergieanlagen mit entsprechend größeren Rotorblättern stellt hohe Anforderungen an die Stabilität der Rotorblätter und an die Fertigungstechnik. Außerdem ist der hohe Materialeinsatz ein bedeutender Kostenfaktor. Es gibt daher eine Reihe von Vorschlägen, wie der bewährte Grundaufbau verbessert werden kann.

Aus der Offenlegungsschrift DT 25 58 882 Al ist ein Rotorblatt bekannt, das für Windenergieanlagen verwendet werden kann. Es ist aus einer Vielzahl von Seite an Seite angeordneten, miteinander verbundenen Rechteck- oder Quadratprofilen aufgebaut. Die Längen der Rechteck- oder Quadratprofile sind an die Länge des Rotorblatts, die Querschnitte der Rechteck- oder Quadratprofile an das aerodynamische Profil des Rotorblatts angepasst. Der um die Rechteck- oder Quadratprofile herum befindliche Raum bis zu einer Form wird mit einem Kunststoffschaum ausgefüllt, der nach dem Aushärten die äußere Kontur des Rotorblatts bildet.

Aus dem Gebrauchsmuster DE 203 20 714 Ul ist ein Rotorblatt für Windenergieanlagen bekannt, dass aus einer Ober- und einer Unterschale, welche die äußere Kontur des Rotorblatts bilden, zusammengesetzt ist. Die Ober- und die Unterschale sind jeweils durch einen an der Innenseite der jeweiligen Schale auflaminierten, im wesentlichen über die gesamte Länge des Rotorblatts erstreckten Gurt, der eine Tragstruktur bildet, verstärkt. Die beiden Gurte sind über zwei in Längsrichtung verlaufende Stege miteinander verbunden. Die Höhe des Gurts in Normalenrichtung zur Kontur des Rotorblatts über die Profiltiefe konstant, so dass die Gurte einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Um eine Anpassung an die über die Rotorblattlänge auftretenden, unterschiedlichen Belastungen zu erreichen, wird vorgeschlagen, einen der Nabe zugewandten Teil der Gurte aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff, einen der Blattspitze zugewandten Teil aus einem carbonfaserverstärkten Kunststoff herzustellen. Jeder Gurt weist eine über die gesamte Länge des Gurts in Richtung der Profiltiefe gleichmäßige Breite auf. Die Höhe des Gurts nimmt in Richtung zu der Blattspitze hin ab.

Aus der Offenlegungsschrift DE 103 36 461 Al ist ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage bekannt, bei dem in die eine Tragstruktur des Rotorblatts bildenden, im Querschnitt rechteckigen Gurte vorgefertigte, biegesteife Komponenten integriert werden. Diese werden in die mit einem noch nicht ausgehärteten Kunststoff durchtränkten Faserstränge des Gurts eingebettet. Dadurch soll unter anderem die wunschgemäße Ausrichtung der Fasern in Längsrichtung des Gurts verbessert werden.

Aus dem Europäischen Patent 1 417 409 Bl ist ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage bekannt, bei dem Ober- und Unterschale in Sandwichbauweise hergestellt sind. Zwischen einer inneren und einer äußeren Lage der Schalen ist eine gurtartige Tragstruktur eingefügt, die aus vorgefertigten Faser- und Holzprofilen besteht. Die Faser- und Holzprofile sind abwechselnd angeordnet und erstrecken sich in Längsrichtung des Rotorblatts. In einem Ausführungsbeispiel verjüngt sich die in Richtung der Profiltiefe gemessene Breite der gurtartigen Tragstruktur in Richtung zu der Blattspitze hin. Abgesehen von abgerundeten oder abgeschrägten Kanten der äußersten Profile weisen die gurtartigen Tragstrukturen eine gleichmäßige Höhe, gemessen in Normalenrichtung zur Rotorblattkontur, auf.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Rotorblatt für Windenergieanlagen zur Verfügung zu stellen, dass eine an die auftretenden Belastungen besser angepasste Tragstruktur aufweist und einfach, materialsparend und kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Rotorblatt für Windenergieanlagen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Rotorblatt für Windenergieanlagen hat mindestens eine Schale, die eine äußere Kontur des Rotorblatts bildet, und mindestens einen in Längsrichtung des Rotorblatts verlaufenden Gurt, der in eine Kunststoffmatrix eingebettete Fasern aufweist und mit der mindestens einen Schale verbunden ist, wobei in mindestens einem Längsabschnitt des Rotorblatts die

sich in Normalenrichtung zur Kontur des Rotorblatts erstreckende Höhe des Gurts über die Profiltiefe variiert.

Die Schale kann aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial hergestellt sein. Der Gurt kann sich über die gesamte Länge des Rotorblatts erstrecken und bildet eine Tragstruktur, die dem Rotorblatt die erforderliche Steifigkeit verleiht. Der Gurt weist Fasern auf, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind. Dabei kann es sich beispielweise um Glas- oder Kohlefaser handeln, die in Längsrichtung des Gurts ausgerichtet sind und die hohe Zug- und Druckkräfte aufnehmen können. Die Kunststoffmatrix kann beispielsweise ein Epoxid- oder Polyesterharz sein. Ein derartiges Material wird gemeinhin auch als faserverstärkter Kunststoff bezeichnet. Die Höhe des Gurts wird in Normalenrichtung der von der Schale gebildeten Kontur des Rotorblatts betrachtet, d.h. im Wesentlichen in Richtung der Profilhöhe. Diese Höhe variiert in mindestens einem Längsabschnitt des Rotorblatts, d. h. an mindestens einem Querschnitt des Gurts, über die Profiltiefe. Es versteht sich, dass dieser Längsabschnitt in einem Bereich des Rotorblatts ausgebildet ist, in dem das Rotorblatt ein aerodynamisch wirksames Profil aufweist, d. h. dass nicht ein beispielsweise ausschließlich der Verbindung mit der Nabe dienender Bereich des Gurts die Höhenvariation aufweist. Der Längsabschnitt kann sich über die gesamte Länge des Gurts bzw. des Rotorblatts erstrecken. Der Querschnitt des Gurts weicht infolge der Höhenvariation von der bekannten, im Wesentlichen recheckigen Form ab. Er kann beispielsweise trapezförmig, annähernd dreieckig, stufenförmig oder gebogen, beispielsweise teilweise elliptisch, sein. Der Querschnitt kann auch U-förmig mit verdickten Randabschnitten ausgeführt sein. Die Abweichung von der im wesentlichen

rechteckigen Form ist derart, dass die mechanischen Eigenschaften von der gewählten Querschnittsform beeinflusst werden, insbesondere weicht der Querschnitt des Gurts nicht nur geringfügig, beispielsweise durch abgerundete oder mit einer Fase versehen Kanten, von der im wesentlichen rechteckigen Form ab.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Steifigkeit des Rotorblatts bzw. des Gurts nicht nur von dem Volumen, sondern auch von der räumlichen Verteilung der Strukturmatrix über die Länge des Rotorblatts und insbesondere über die Profiltiefe beeinflusst wird. Dabei nimmt die Profiltiefe des Rotorblatts über dessen Längsachse in Richtung zur Blattspitze erheblich ab, während das Verhältnis der Profilhöhe zur Profi ltiefe annähernd konstant bleibt. Die üblicherweise verwendeten Gurte mit bis in die Blattspitze gleichmäßiger Breite und rechteckigem Querschnitt sind in der Regel nur in einem kurzen Längsabschnitt des Rotorblatts gut an die dort gegebenen Anforderungen angepasst. Dies führt dazu, dass in den in näher an der Nabe gelegenen Bereichen zusätzliche Verstärkungen in das Rotorblatt integriert werden müssen, häufig im Bereich des Rotorblattrands, während in den in näher an der Blattspitze gelegenen Bereichen unnötig viel Strukturmaterial verbaut wird. Letzteres bedeutet zusätzliche Kosten und eine vermeidbare Gewichtszunahme des Rotorblatts insbesondere im Bereich der Blattspitzen, was zu einer erhöhten Belastung des gesamten Rotors führen kann.

Durch die erfindungsgemäße Variation der Höhe des Gurts über die Profil- tiefe erhält der Konstrukteur die Möglichkeit, den Gurt in dem betreffenden Längsabschnitt des Rotorblatts genauer auf die auftretenden Belastungen

abzustimmen. Dadurch kann Material eingespart werden und es kann eine höhere Festigkeit bei geringerem Gewicht erzielt werden. Auch die Krafteinleitung von der Schale in den Gurt kann optimiert werden, was zu einer geringeren Belastung der Schale führen kann. Außerdem ermöglicht die Variation der Höhe des Gurts eine gezielte Beeinflussung der Eigenfrequenzen des Rotorblatts, so dass dessen Schwingungsverhalten optimiert werden kann.

In einer Ausgestaltung variiert die Höhe des mindestens einen Gurts in dem Längsabschnitt stufenweise über die Profiltiefe. Beispielsweise können in Richtung der Profϊltiefe zwei, drei oder mehr aneinander angrenzende Abschnitte mit einer bestimmten Höhe ausgebildet sein, die jeweils eine Stufe bilden. Durch die Stufenform vereinfacht sich die Fertigung des Gurts.

Grundsätzlich kann die Höhe des Gurts in Richtung der Profiltiefe einen beliebigen, nicht konstanten Verlauf aufweisen, beispielsweise mit einer vergrößerten Höhe in den der Profilnase und der Profilhinterkante zugewandten Abschnitten, oder in der dazwischenliegenden Mitte des Gurts. In einer Ausgestaltung nimmt die Höhe des mindestens einen Gurts in dem Längsabschnitt in Richtung der Profiltiefe zu der Profilnase hin zu. Dadurch ist die Steifigkeit nahe der besonders belasteten Profilnase am höchsten.

In einer Ausgestaltung variiert die Höhe und/oder die geometrische Gestalt des mindestens einen Gurts über die Längsrichtung des Rotorblatts. Beispielsweise kann sich der Gurt in seiner Höhe und/oder Breite in Richtung zu der Blattspitze hin verjüngen, um der im Bereich der Blattspitze

abnehmenden Belastung zu genügen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die geometrische Gestalt des Querschnitts in unterschiedlichen Längsabschnitten unterschiedlich gewählt werden, wobei auch Abschnitte mit einem einfachen rechteckigen Querschnitt vorgesehen sein können. Dadurch kann insbesondere das Schwingungs- und Torsionsverhalten des Rotorblatts in vorteilhafter Weise beeinflusst werden.

Gemäß einer Ausgestaltung variiert die Höhe und/oder die geometrische Gestalt des mindestens einen Gurts stufenweise über die Längsrichtung des Rotorblatts. Dadurch kann die Herstellung des Gurts vereinfacht werden.

In einer Ausgestaltung ist der mindestens eine Gurt aus einer Vielzahl von Faserbändern aufgebaut. Die Fasern der Faserbänder sind in die Kunststoffmatrix eingebettet. Ein Faserband ist ein vorgefertigtes Band aus lose gebundenen Fasersträngen. Als Fasern können insbesondere Glas-, Kohleoder Aramidfasern verwendet werden. Die Faserbänder werden mit dem nicht ausgehärteten Material der Kunststoffmatrix, beispielsweise Epoxid- oder Polyesterharz, durchtränkt und zur Ausbildung des Gurts zu der gewünschten Querschnittsform kombiniert und mit der Schale verbunden. Im Gegensatz zur Verwendung von ungebundenen Fasersträngen erlaubt die Verwendung von Faserbändern eine einfachere und gegebenenfalls automatisierte Herstellung der Gurte.

Bevorzugt sind mehrere Faserbänder unterschiedlicher Breite übereinander angeordnet. Auf diese Weise kann die gewünschte Höhenvariation des Gurts durch entsprechende Auswahl der Faserbandbreiten vorgegeben werden. Dies

ermöglicht eine besonders einfache Herstellung insbesondere stufenförmig ausgebildeter Gurte.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen alle Faserbänder des mindestens einen Gurts einen einheitlichen Querschnitt auf und mehrere Faserbänder sind nebeneinander und übereinander angeordnet. Auf diese Weise können unterschiedliche Querschnittsformen des Gurts unter Verwendung eines einzigen Faserbandtyps hergestellt werden. Dies erlaubt eine besonders effiziente automatisierte Fertigung. Eine Variation der Höhe des Gurts entlang der Profiltiefe kann durch eine Abstufung der Anzahl übereinander angeordneter Faserbänder verwirklicht werden.

In einer Ausgestaltung weisen die Faserbänder eine unterschiedliche Länge auf. Dadurch kann sowohl die Breite als auch die Höhe des Gurtes in Längsrichtung des Rotorblatts variiert werden. Es kann auch die geometrische Gestalt des Gurts auf diese Weise verändert werden, beispielsweise durch Auslaufenlassen einzelner Faserbänder an einer bestimmten Längsposition.

Gemäß einer Ausgestaltung erstreckt sich ein Teil der Faserbänder über die gesamte Länge des mindestens einen Gurts. Der Gurt kann sich seinerseits über die gesamte Länge des Rotorblatts erstrecken. Es wird dadurch eine durchgängige Tragstruktur zur Verfügung gestellt.

Gemäß einer Ausgestaltung erstreckt sich ein Teil der Faserbänder über weniger als die Hälfte der Länge des mindestens einen Gurts. Dieser Teil

relativ kurzer Faserbänder bildet eine Verstärkung beispielsweise in den nahe der Nabe gelegenen Gurtbereichen.

In einer Ausgestaltung weist das Rotorblatt eine Oberschale und eine Unterschale auf, die jeweils mit einem Gurt verbunden sind. Mindestens einer der Gurte weist eine in Richtung der Profiltiefe variierende Höhe auf. Bevorzugt weisen beide Gurte eine derartige, genau aufeinander abgestimmte Variation der Höhe auf.

Gemäß einer Ausgestaltung sind die beiden Gurte über mindestens einen in Längsrichtung des Rotorblatts verlaufenden Steg miteinander verbunden. Bevorzugt können zwei Stege vorgesehen sein, die sich nahe des der Profilnase bzw. der Profilhinterkante zugewandten Endes des Gurts befinden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Rotorblatt in einer vereinfachten, schematischen Querschnittsdarstellung;

Fig. 2 das Rotorblatt aus Figur 1 in einer vereinfachten, schematischen Draufsicht;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer vereinfachten, schematischen Draufsicht;

Fig. 4 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung in einer vereinfachten, schematischen Querschnittsdarstellung;

Fig. 5 ein Rotorblatt nach dem Stand der Technik in einer vereinfachten, schematischen Draufsicht.

In Fig. 1 ist ein Rotorblatt im Querschnitt dargestellt. Das Profil des Rotorblatts weist eine Profilhöhe h und eine Profiltiefe t auf. Das Rotorblatt hat eine Unterschale 10 und einer Oberschale 12, welche die äußere Kontur des Rotorblatts bilden. Ein erster Gurt 20 ist mit der Innenseite der Unterschale 10, ein zweiter Gurt 30 mit der Innenseite der Oberschale 12 verbunden.

Der erste Gurt 20 weist vier miteinander verbundene, in Richtung der Profil- tiefe t aneinandergrenzende Abschnitte 22, 24, 26 und 28 auf, die jeweils eine unterschiedliche Höhe aufweisen. Die Höhe der Abschnitte 22, 24, 26 und 28 erstreckt sich im Wesentlichen in Richtung der Profilhöhe h, genauer in Normalenrichtung zur der von der Unterschale 10 im Bereich des jeweiligen Abschnitts gebildeten Kontur des Rotorblatts. Jeder Abschnitt hat einen rechteckigen Querschnitt. Der der Profilnase 14 zugewandte Abschnitt 22 weist die größte Höhe, der der Profilhinterkante 16 zugewandte Abschnitt 28 die geringste Höhe auf. Jeder Abschnitt 22 bis 28 bildet eine Stufe. Die Höhe der Abschnitte nimmt in Richtung zu der Profilnase 14 hin zu. Insgesamt hat der Gurt 20 in dem in der Figur dargestellten Längsabschnitt einen treppen- förmigen Querschnitt, wobei die Unterseite des Gurts an der Innenseite der Unterschale 10 anliegt.

Der zweite Gurt 30 weist zwei miteinander verbundene Abschnitte 32 und 34 auf, wobei der der Profilnase 14 zugewandte Abschnitt 32 eine größere Höhe als der der Profilhinterkante 16 zugewandte Abschnitt 34 aufweist. Im übrigen entspricht der Aufbau des zweiten Gurts 30 dem des ersten Gurts 20.

Die Gurte 20 und 30 bestehen aus einer Anzahl nebeneinander und übereinander angeordneter Faserbänder, die alle denselben, im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Breite jedes Abschnitts 22, 24, 26, 28, 32 und 34, gemessen im Wesentlichen in Richtung der Profiltiefe t, entspricht der Breite des verwendeten Faserbands. Diese kann beispielsweise 10 cm betragen. Die unterschiedliche Höhe der Abschnitte 22, 24, 26, 28, 32 und 34 ergibt sich aus der unterschiedlichen Anzahl übereinander liegender Faserbänder. Die Faserbänder bestehen im Beispiel aus lose gebündelten Glasfasersträngen und können vorteilhaft maschinell verarbeitet werden. Dabei werden sie mit einer geeigneten Kunststoffmatrix, beispielsweise einem Epoxidharz, durchtränkt. Anschließend werden sie in der gewünschten Anordnung in die jeweilige Schale 10 bzw. 12 eingelegt, wo die Kunststoffmatrix aushärtet. Dabei entsteht eine innige Verbindung der einzelnen Fasern und der neben- und übereinander angeordneten Faserbänder, so dass hoch belastbare, annähernd homogen strukturierte Gurte 20, 30 entstehen. Gleichzeitig entsteht beim Aushärten eine feste Verbindung der Gurte 20, 30 mit der jeweiligen Schale 10 bzw. 12.

In der Draufsicht der Fig. 2 auf das Rotorblatt der Fig. 1 ist nur der mit der Unterschale 10 verbundene Gurt 20 dargestellt. Gut erkennbar ist, dass jeder der den Gurt 20 bildenden Abschnitt 22, 24, 26 und 28 eine unterschiedliche

Länge in Richtung der Rotorblattlängsachse aufweist. Der Abschnitt 22 erstreckt sich über die gesamte Länge des Gurts 20, welcher sich seinerseits im Wesentlichen über die gesamte Länge des Rotorblatts, von der Blattwurzel 40 bis zur Blattspitze 42, erstreckt. Die Abschnitte 24, 26 und 28 beginnen ebenfalls im Bereich der Blattwurzel 40, weisen jedoch geringere Längen als der Abschnitt 22 auf. Der kürzeste Abschnitt 28 erstreckt sich über weniger als die halbe Länge des Rotorblatts. Die unterschiedlichen Längen der Abschnitte 22, 24, 26 und 28 werden in einfacher Weise durch die Verarbeitung unterschiedlich langer Faserbänder erzielt.

Weiterhin weisen die einen der Abschnitte 22, 24, 26 und 28 bildenden Faserbänder ihrerseits unterschiedliche Längen auf. Dies ist durch die jeweils das Ende eines Faserbands andeutenden Querstriche 44 dargestellt. Die Abstufung der Faserbandlängen innerhalb der einzelnen Abschnitte 22, 24, 26 und 28 führt zu einer stufenweisen Variation der Höhe des Gurtes 20 in diesen Abschnitten über die Länge des Rotorblatts. Die Höhe der Gurtabschnitte 22, 24, 26 und 28 nimmt in Richtung zu der Blattspitze 42 hin ab. Außerdem ändert sich durch das Auslaufen einzelner Faserbänder auch die geometrische Gestalt an der betreffenden Position des Gurts 20. Beispielsweise hat der Gurt 20 nahe der Blattwurzel 40 die in Fig. 1 dargestellte Gestalt, während die Anzahl der stufenweise angeordneten Abschnitte zur Blattspitze 42 hin abnimmt, bis nach dem Ende des letzten Faserbands des Abschnitts 24 ein rechteckiger, allein vom Abschnitt 22 gebildeter Querschnitt vorliegt, dessen Höhe stufenweise abnimmt, bis er nahe der Blattspitze 42 gegebenenfalls nur noch von einem einzigen Faserband gebildet wird.

Anhand der Ausfiihrungsbeispiele der Figuren 3 und 4 soll aufgezeigt werden, dass weder die im Querschnitt treppenförmige Struktur, wie in Fig. 1 dargestellt, noch die in Längsrichtung des Rotorblatts regelmäßig aufeinanderfolgenden Stufen der Längen der Abschnitte des Gurts, wie in der Fig. 2 gezeigt, zwingend sind.

In der Draufsicht der Fig. 3 ist ein Gurt 50 dargestellt, dessen Abschnitte 52, 54, 56 und 58 sich in Längsrichtung unterschiedlich weit über das Rotorblatt erstrecken. Alle Abschnitte 52, 54, 56 und 58 beginnen im Bereich der Blattwurzel. Der der Profilnase zugewandte Abschnitt 52 ist am längsten und erstreckt sich im Wesentlichen bis zur Blattspitze. Der kürzeste Abschnitt 56 erstreckt sich ungefähr über zwei Drittel der Länge der Rotorblatts und grenzt sowohl in Richtung zur Profilnase als auch zur Rotorblatthinterkante hin an die längeren Abschnitte 54 bzw. 58 an. Dadurch erhält der Gurt 50 jenseits des der Blattspitze zugewandten Endes des Abschnitts 56 eine im Querschnitt zweigeteilte Form.

Im Beispiel der Fig. 4 ist ein weiterer Gurt 60 dargestellt, der aus fünf Abschnitten 62, 64, 66, 68 und 70 besteht. Die übereinander angeordneten Faserbänder, die jeden der fünf Abschnitte bilden, sind in der Figur durch Querstriche 72 angedeutet. Der Abschnitt 62 weist fünf, der Abschnitt 64 vier, der Abschnitt 66 sechs und der Abschnitt 68 zwei übereinander angeordnete Faserbänder auf. Der Abschnitt 70 weist ein Faserband auf. Die Anzahl der übereinander anzuordnenden Faserbänder hängt natürlich vom Querschnitt des verwendeten Faserbands ab, bei dünneren Faserbändern sind unter Umständen wesentlich größere Anzahlen übereinander zu legen.

Zum Vergleich zeigt Fig. 5 ein Rotorblatt nach dem Stand der Technik. Das Rotorblatt hat einen Gurt 80 mit über die gesamte Länge des Rotorblatts gleichmäßiger Breite, wobei die Höhe des Gurtes sich in Richtung zu der Blattspitze hin verjüngen kann. Zur Verstärkung des Rotorblatts ist in einem nahe der Blattwurzel beginnenden Längsabschnitt eine zusätzliche Verstärkung 82 vorgesehen, die entlang der Rotorblatthinterkante verläuft.