Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windenergiean- läge.

Herkömmliche Rotorblätter für Windenergieanlagen bestehen aus zwei Halbschalen und einem Spant, der in dem Hohlraum zwischen den, beiden Halbschalen angeordnet ist und sich entlang der Längsachse des Rotorblatts erstreckt. Die Halbschalen der Ro¬ torblätter sind üblicherweise aus einem Glasfaser/Kunstharz- Gemisch hergestellt. Sie werden zu einem Rotorblatt zusammen¬ gefügt, indem die glatten Stirnflächen der Halbschalen sowie die Stirnflächen des Längsspants miteinander verklebt werden. Ein so zusammengesetztes Rotorblatt wird mit seiner Wurzel an

der Nabe des Rotors einer Windenergieanlage befestigt. Die Ro¬ torblätter sind derart ausgelegt, dass sie die durch den Wind¬ druck und die Rotation der Windenergieanlage erzeugten Kräfte aufnehmen und über die beiden verbundenen Halbschalen sowie den Spant in die Blattwurzel führen. Ein Rotorblatt muss daher entsprechend steif ausgebildet werden. Gleichzeitig müssen die Halbschalen auch entsprechend der gewünschten äußeren Kontur des Rotorblattes ausgeformt sein. Der erläuterte Aufbau der Rotorblätter bedingt eine vergleichsweise hohe Wanddicke der Halbschalen im Bereich der Blattwurzel, während die Wanddicke zur Spitze des Rotorblatts hin abnehmen kann.

Wegen der geforderten hohen Wanddicke weisen Rotorblätter für moderne Windenergieanlagen ein hohes Gewicht auf. Dies ist mit mehreren Nachteilen verbunden. Zum einen ist der Transport ei¬ nes Rotorblatts sehr aufwendig. Ferner sind herkömmliche Ro¬ torblätter nur unter schwierigen Umständen an einer Windener¬ gieanlage zu montieren, was in der Regel nur mit Hilfe großer Kranlagen möglich ist. Zudem ändern sich während der Montage bzw. Demontage beim Austausch eines Rotorblatts die statischen Verhältnisse der gesamten Windenergieanlage erheblich. Dies kann es bei größeren Anlagen erforderlich machen, dass die Windenergieanlage bei der Montage bzw. Demontage der Rotor¬ blätter mittels eines weiteren Krans abgestützt werden muss.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Rotorblatt für eine Wind¬ energieanlage zu schaffen, das über ein möglichst geringes Ge¬ wicht verfügt und trotzdem in der Lage ist, die beim Betrieb einer Windenergieanlage auftretenden hohen Kräfte aufzunehmen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Rotorblatt für eine Wind¬ energieanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran¬ sprüchen.

Das erfindungsgemäße Rotorblatt für eine Windenergieanlage weist einen Dorn auf, der sich von der Wurzel des Rotorblatts bis zur Spitze des Rotorblatts erstreckt. Auf dem Dorn ist ei¬ ne Anzahl von Querspanten auf Abstand zueinander angeordnet. Eine Deckhaut umgibt den Dorn und die Querspanten.

Der Begriff "ein Dorn" ist hier im Sinne von "mindestens ein Dorn" zu verstehen. Denn Rotorblätter, die in dem von der Deckhaut umgebenen Bereich mehrere Dorne aufweisen, die sich im Wesentlichen in Längsrichtung des Rotorblatts erstrecken und dabei im Prinzip auch gekrümmt verlaufen können, fallen ebenfalls unter die Erfindung.

Die Deckhaut kann eine auf den nach oben weisenden Stirnflä- chen der Querspanten aufliegende Oberschale und eine auf den nach unten weisenden Stirnflächen der Querspanten aufliegende Unterschale aufweisen, wobei die Oberschale bzw. die Unter¬ schale auch mehrteilig ausgebildet sein können. Es ist aber auch denkbar, dass die Deckhaut einstückig gestaltet ist, z.B. aus einer aufgewickelten Bahn (siehe unten) .

Der Dorn verjüngt sich vorzugsweise zur Spitze des Rotorblatts hin und hat z.B. eine konische Form. Grundsätzlich deckt hier der Begriff "Dorn" auch eine zylindrische Grundform mit ab. Da bei den im Betrieb des Rotorblatts auftretenden Kräften im Be¬ reich der Wurzel des Rotorblatts ein größeres Flächenträg-

heitsmoment erforderlich ist als im Bereich der Spitze des Ro¬ torblatts, ist ein sich verjüngender Dorn mit Gewichtsvortei¬ len verbunden.

Bei dem erfindungsgemäßen Rotorblatt bilden der Dorn und die Querspanten ein Grundgerüst. Die Querspanten dienen der Ab¬ stützung der Deckhaut des Rotorblattes, die - im Gegensatz zu den eingangs erläuterten vorbekannten Rotorblättern - keine tragende Funktion übernehmen muss. Die Form der Querspanten entspricht bevorzugt der Kontur des Umfanges des Rotorblatts in der jeweiligen Erstreckungsebene der Querspanten. Denkbar ist es aber auch, dass die einzelnen Querspanten die Deckhaut in der jeweiligen Erstreckungsebene nur punktuell abstützen.

Der Dorn ist vorzugsweise hohl und in seinem Inneren mit einer Quer- und Längsversteifung versehen, z.B. mit einem Kreuz¬ spant. Auf diese Weise lässt sich die Steifigkeit des Rotor¬ blatts erhöhen. Die gewünschte Erhöhung der Steifigkeit kann jedoch auch mit Hilfe anderer Spantanordnungen erzielt werden. Besonders vorteilhaft sind winkelige Anordnungen.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung enthält das Rotorblatt ferner mindestens einen Längsspant, der sich zwi¬ schen dem Dorn und der Deckhaut über zumindest einen Teil der Länge des Rotorblatts erstreckt. Dabei können z.B. zwei Längs¬ spanten vorgesehen sein, die zwischen dem Dorn und der Vorder¬ kante des Rotorblatts sowie zwischen dem Dorn und der Hinter¬ kante des Rotorblatts verlaufen; zusätzliche Längsspanten kön¬ nen sich z.B. quer zu diesen beiden Längsspanten erstrecken. Ferner kann zusätzlich mindestens eine Längssteife vorhanden sein, die sich quer zu einem Längsspant zwischen diesem Längs-

spant und der Deckhaut über zumindest einen Teil der Länge des Rotorblatts erstreckt. Die Längsspanten und Längssteifen sta¬ bilisieren das aus dem Dorn (oder den Dornen) und den Quer¬ spanten bestehende Grundgerüst zusätzlich und bilden damit ei- ne Tragstruktur, von der die Deckhaut an vielen Stellen gehal¬ ten werden kann. Dabei ist es möglich, die Deckhaut auch an den Längsspanten und an den Längssteifen nur punktuell zu un¬ terstützen; es ist aber auch denkbar, dass die Längsspanten und Längsteifen gar nicht bis an die Deckkante heranreichen. Dieses Konzept ermöglicht es, die Deckhaut sehr dünn auszuge¬ stalten, sodass die Deckhaut eine Membran bildet, die im We¬ sentlichen nur auf Zugkräfte beansprucht wird. Wegen der im Betrieb des Rotorblatts unter den Windkräften auftretenden Durchbiegungen der Deckhaut sollte der Dorn einen Durchmesser haben, der möglichst 90% des Abstandes zwischen der Deckhaut an der Oberseite und an der Unterseite des Rotorblatts nicht überschreiten, damit genügend Platz für derartige Durchbiegun¬ gen zur Verfügung steht. Die weiter oben erwähnte einstückige Struktur der Deckhaut lässt sich z.B. durch Aufwickeln von Bahnware auf die Tragstruktur erzielen.

Das Rotorblatt kann ferner mindestens ein Zugband aufweisen, das sich im Bereich der Deckhaut über zumindest einen Teil der Länge des Rotorblatts erstreckt. Dabei kann ein jeweiliges Zugband auf der äußeren Oberfläche oder an der Innenseite der Deckhaut angeordnet sein, z.B. im Bereich der Vorderkante und der Hinterkante der Tragstruktur. Durch die Zugbänder werden die durch den Winddruck entstehenden Biegungen und Schwingun¬ gen des Rotorblatts in Zugkräfte umgesetzt, die in die Blatt- wurzel eingeleitet werden. Je nach Anforderung können die Zug¬ bänder mit abgerundeter oder mit eckiger Querschnittsform ge-

staltet sein; auch ein kreisrunder oder quadratischer Quer¬ schnitt ist denkbar.

Die zuvor erläuterten Komponenten des Rotorblatts (oder zumin- dest einige dieser Komponenten) , nämlich Dorn, Querspanten, Deckhaut, Quer- und Längsversteifung im Inneren des Dorns, Längsspanten, Längssteifen und Zugbänder, weisen bei bevorzug¬ ten Ausführungsformen der Erfindung einen Verbundwerkstoff auf, vorzugsweise einen Verbundwerkstoff mit einem Fasermate- rial und einem aushärtbaren Harz. Besonders vorteilhafte Fa¬ sermaterialien sind Kohlenstofffasern, Glasfasern und Aramid- fasern (d.h. Fasern aus aromatischen Polyamiden, z.B. von Du- Pont mit der Bezeichnung "Kevlar" vertrieben) . Auch Mischungen derartiger Fasermaterialien sind denkbar. Als Harz eignen sich z.B. Epoxidharz und Polyesterharz. Je nach Beanspruchung des betreffenden Bauteils können die Fasern gerichtet oder auch multidirektional angeordnet sein. Auch geflochtene Fasern oder gehäckselte Monofasern sind denkbar. Ferner kann eine Variati¬ on des Harzanteils in weiten Bereichen sinnvoll sein, bis zu einer Reduzierung auf Null.

Insbesondere bei Kohlenstofffasern ist das Verhältnis von Zug¬ festigkeit zu Dichte wesentlich günstiger als bei Stahl oder Aluminium. Ein Rotorblatt, bei dem die Deckhaut in erfindungs- gemäßer Weise von einem Grundgerüst getragen wird und das un¬ ter Verwendung derartiger Verbundmaterialien gefertigt ist, ist daher viel leichter als ein herkömmliches Rotorblatt. Durch das erfindungsgemäße Rotorblatt werden somit die ein¬ gangs erläuterten Nachteile der herkömmlichen Rotorblätter vermieden.

Wegen der hohen Festigkeiten der Verbundwerkstoffe sind im Prinzip so geringe Materialstärken möglich, dass durch zusätz¬ liche Maßnahmen für eine ausreichende Steifigkeit der Kompo¬ nenten oder einzelner Komponenten des Rotorblatts gesorgt wer- den muss. Dies geschieht vorzugsweise, indem die jeweilige Komponente (Dorn, Querspanten, Quer- und Längsversteifung im Inneren des Dorns, Längsspanten, Längssteifen) als Sandwich¬ struktur gestaltet wird. Dabei weist die Sandwichstruktur vor¬ zugsweise eine obere Deckschicht, eine geschäumte Mittellage (also eine Mittellage mit einem Schaumstoff) und eine untere Deckschicht auf, wobei die beiden Deckschichten vorzugsweise einen der erläuterten Verbundwerkstoffe enthalten. Wenn die Deckhaut ' nicht als Membran ausgebildet sein soll, kann auch für die Deckhaut eine Sandwichstruktur sinnvoll sein. Je nach Konstruktion und Anordnung eines Zugbands kann sich sogar in diesem Fall eine Sandwichstruktur empfehlen.

Die Verbindungen zwischen Komponenten des Rotorblatts, also zwischen den Teilen der Tragstruktur und zur Deckhaut, können auf vielfältige Weise gestaltet werden. Grundsätzlich ist hierfür jede den Belastungen im Betrieb standhaltende Verbin¬ dung geeignet. Denkbar sind z.B. Klebe-, Schraub- oder Nietverbindungen. Formschlüssige Verbindungen, die z.B. auch zusätzlich verklebt sein können, lassen sich ebenfalls anwen- den. Vorzugsweise sind die Verbindungen mit einem Verbundwerk¬ stoff der oben erläuterten Art ausgestaltet. Dazu können auch winkelförmige Strukturen eingesetzt werden. In einer bevorzug¬ ten Ausführungsform wird z.B. über die gesamte Kantenlänge der Verbindungsstelle ein Grundkörper aus Kohlenstofffasern, Glas- fasern, Aramidfasern oder einem Gemisch dieser Materialien aufgebracht, z.B. mit einem Querschnitt wie ein Winkelprofil,

und mit Harz getränkt. Dieser Grundkörper kann z.B. aus einem Mattenmaterial bestehen, das aus multidirektional geflochtenen Fasern dieser Fasermaterialien hergestellt ist oder auch aus gehäckselten Monofasern. Eine weitere Verbindungsmöglichkeit ist die Injektion von Harz, Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Glasfasern oder eines Gemisches davon in die Verbindungsfugen zwischen den einzelnen Teilen oder Komponenten.

Die Wurzel des Dorns kann mit einem Flanschteil versehen sein, das einen größeren Umfang hat als der sich zur Spitze des Ro¬ torblatts hin erstreckende übrige Teil des Dorns. Der Übergang von diesem Flanschteil zu dem sich anschließenden zur Spitze weisenden Teil des Dorns kann z.B. über einen Winkel oder als angeschrägte Fläche ausgebildet sein.

Vorzugsweise ist eine im Bereich der Wurzel des Rotorblatts in den Dorn eingebrachte oder den Dorn umfassende Stahleinlage vorgesehen, die zur Verbindung des Rotorblatts mit einem Ro¬ torflansch einer Windenergieanlage eingerichtet ist. Dazu kann auf dem zur Spitze des Rotorblatts weisenden Ende des oben er¬ wähnten Flanschteils eine als Ring gestaltete Stahleinlage (oder hier besser Stahlauflage) angeordnet sein. Eine Ferti¬ gung aus anderen Metallen als Stahl ist ebenfalls denkbar. Dieser Ring ist vorzugsweise mit Löchern versehen, die zur Aufnahme von Bolzen dienen, mit deren Hilfe sich das Rotor¬ blatt mit der Nabe (Rotorflansch) einer Windenergieanlage ver¬ binden lässt. Der Sinn des Stahlringes ist es, eine Befesti¬ gungsstelle für die Verbindungsbolzen bereitzustellen, die aus einem belastbaren und insbesondere auch harten Material be- steht, das geeignet ist, den auf die Verbindung von Rotorblatt und Nabe einwirkenden Kräften standzuhalten und gleichzeitig

weniger anfällig für Beschädigungen ist als der Verbundwerk¬ stoff des Dornes.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie- len weiter beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in

Figur 1 eine räumliche Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotorblatts ohne Deckhaut,

Figur 2 einen Querschnitt durch das Rotorblatt gemäß Figur 1 entlang der Achse II-II, wobei die Deckhaut eingezeich¬ net ist,

Figur 3 eine Veranschaulichung von Verbindungen zwischen Kompo- nenten des Rotorblatts in einem Teilquerschnitt und

Figur 4 einen Längsschnitt durch den Dorn im Bereich der Wurzel des Rotorblatts aus Figur 1.

In Figur 1 sind der Aufbau und das Traggerüst eines Rotor¬ blatts 1 für eine Windenergieanlage veranschaulicht. Das Ro¬ torblatt 1 erstreckt sich in Längsrichtung von einer Wurzel 2, wo es an der Nabe einer Windenergieanlage montiert werden kann, bis zu einer Spitze 4 und hat eine Vorderkante 6 und ei- ne Hinterkante 8.

Im Inneren des Rotorblatts 1 ist in Längsrichtung ein Dorn 10 angeordnet, der ein wesentliches Element der Tragstruktur bil¬ det. Im Ausführungsbeispiel ist der Dorn 10 (abgesehen von ei- ner Versteifungsstruktur in seinem Innenraum, siehe unten) ro- tationssymmetrisch gestaltet. Im Bereich der Wurzel 2 des Ro-

torblatts 1 weist der Dorn 10 ein Flanschteil 12 von relativ großem Durchmesser auf (siehe auch Figur 4), das über einen abgeschrägten Übergang 14 in ein Hauptteil 16 übergeht. Das Hauptteil 16 ist konisch gestaltet und verjüngt sich allmäh- lieh in Richtung auf die Spitze 4 des Rotorblatts 1 zu. Zur Versteifung des Dorfts 10 dient ein in seinem Innenraum ange¬ ordneter Kreuzspant 18, siehe auch Figur 2. Ansonsten ist der Innenraum des Dorns 10 hohl.

Auf dem Dorn 10 ist zueinander beabstandet eine Anzahl von Querspanten 20 befestigt. Im Ausführungsbeispiel gibt die Um- fangslinie eines jeweiligen Querspants 20 die Querschnittsform des Rotorblatts 1 an der betreffenden Stelle vor.

In Längsrichtung des Rotorblatts 1 erstrecken sich Längsspan¬ ten 22, 23, 24 und 25 sowie Längssteifen 26, 27, 28 und 29, siehe Figur 1 und Figur 2. Die Längsspanten 22 bis 25 verlau¬ fen per definitionem zwischen dem Dorn 10 und der Deckhaut des Rotorblatts 1, während die Längssteifen 26 bis 29 von den Längsspanten 22 bis 25 ausgehen und auf die Deckhaut zulaufen. Die Längsspanten 22 bis 25 und die Längssteifen 26 bis 29 müs¬ sen die Deckhaut jedoch nicht berühren, da die Deckhaut be¬ reits von den Querspanten 20 in ausreichendem Maße abgestützt und in ihrer Form definiert wird.

Im Ausführungsbeispiel besteht die Deckhaut aus einer Ober¬ schale 30 und einer Unterschale 31, siehe Figur 2. Die Ober¬ schale 30 und die Unterschale 31 werden als getrennte Bauteile gefertigt und an der Tragstruktur des Rotorblatts 1 zusammen- gefügt. Dazu dienen im Ausführungsbeispiel Nut/Feder- Verbindungen an der Vorderkante 6 und an der Hinterkante 8 des

Rotorblatts 1, die miteinander verklebt werden. Bei dieser Konstruktion sind die Oberschale 30 und die Unterschale 31 we¬ gen der separaten Fertigung relativ dicke Bauteile.

Alternativ ist es möglich, die Deckhaut des Rotorblatts 1 als Membran aus sehr dünnem Material zu gestalten, vorzugsweise aus Kohlenstofffasern, die sich mittels textiler Techniken verarbeiten lassen und z.B. als Bahnware um die Tragstruktur des Rotorblatts 1 von der Wurzel 2 bis zur Spitze 4 gewickelt werden können. Bei Bedarf kann dem Kohlenstofffasermaterial ein aushärtendes Harz zugesetzt werden.

In Figur 2 ist zu erkennen, dass das Rotorblatt 1 im Bereich seiner Hinterkante 8 eine als Zugband dienende Kantenverstär- kung 32 und im Bereich seiner Vorderkante 6 ein ebenfalls als Zugband dienendes winkliges Zwischenstück 34 aufweist. Ferner ist an der Vorderkante 6 ein Eisschutzprofil 36 aus Metall vorgesehen.

Im Ausführungsbeispiel sind die Teile und Komponenten des Ro¬ torblatts 1 aus einem Verbundwerkstoff gefertigt, der Kohlen¬ stofffasern und ein aushärtbares Harz (vorzugsweise Epoxidharz oder Polyesterharz) enthält. Die Verwendung eines anderen Fa¬ sermaterials (z.B. von Glasfasern oder von Aramidfasern, wie weiter oben erläutert) oder von Mischungen verschiedener Fa¬ serarten ist ebenfalls denkbar. Dabei sind der Dorn 10, die Querspanten 20, die sich abschnittsweise zwischen den Quer¬ spanten 20 erstreckenden Längsspanten 22 bis 25 und Längsstei¬ fen 26 bis 29 und auch die Oberschale 30 und die Unterschale 31 als Sandwichstrukturen gestaltet. Eine derartige Sandwich¬ struktur besitzt eine obere Deckschicht und eine untere Deck-

schicht aus dem erläuterten Verbundwerkstoff und dazwischen eine Hartschaumschicht, die die beiden Deckschichten auf Ab¬ stand hält, was zu einer hohen Steifigkeit und Knickfestigkeit des entsprechenden Bauteils führt.

In Figur 3 ist veranschaulicht, wie die einzelnen Teile des Rotorblatts 1 miteinander verbunden werden können, und zwar anhand der Verbindungen zwischen dem Dorn 10, dem Längsspant 24 und der Oberschale 30. Längs der Berührungsstellen ist je- weils eine Winkelstruktur 40 angeordnet. Die Winkelstrukturen 40 enthalten eine abgewinkelte Matte mit einem Fasermaterial (z.B. Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Aramidfasern) , die mit einem aushärtbaren Harz getränkt wird und nach Anlegen an der jeweiligen Verbindungsstelle die zu verbindenden Teile quasi miteinander verklebt. Weitere Einzelheiten dazu und auch zu anderen Verbindungstechniken sind bereits weiter oben er¬ läutert.

Wie bereits erwähnt, besitzt der Dorn 10 im Bereich der Wurzel 2 ein Flanschteil 12 von größerem Durchmesser, das über einen abgeschrägten Übergang 14 in das Hauptteil 16 des Dorns 10 übergeht. In Figur 4 ist gezeigt, wie das Flanschteil 12 mit der Nabe einer Windenergieanlage verbunden werden kann. Zu diesem Zweck befindet sich über dem Übergang 14 eine ringarti- ge Flanschauflage 42 aus Stahl, die einen stabile Unterlage für eine Anzahl von Bolzen 44 bildet. Mit Hilfe der Bolzen 44 kann der das gesamte Rotorblatt 1 tragende Dorn 10 mit der in Figur 4 nicht eingezeichneten Nabe verschraubt werden.