DE19826086A1 - Rotor blade for wind power generators and rotor blade manufacture - Google Patents
Rotor blade for wind power generators and rotor blade manufactureInfo
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Abstract
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.The invention relates to a method for producing a rotor blade for wind turbines, the one wing body and a fastening element element for fastening the rotor blade to a rotor hub like a rotor blade for wind turbines with a wing body and with a fastening element for fastening the rotor blade to the Rotor hub.
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.Wind turbines are said to produce electrical energy from wind energy be won. For this, a high mast is placed in a windy place set up a rotor with z. B. carries three rotor blades. The from Wind driven rotor then drives an electricity generator. To egg to achieve particularly high efficiency from such systems, is the aerodynamic shape of the rotor blade next to the weight or The bending stiffness is one of the criteria that determine the process of the ener casting the kinetic energy of the wind into a rotation Energy of the generator shaft is directly affected.
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.In known embodiments of wind turbines have been part wise metal rotor blades are used, which are heavy. In some cases plastic sheets have been and are used, the origin of which position is expensive and complex.
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.It is an object of the invention to produce a simple Ver drive to manufacture rotor blades for wind turbines create, the rotor blade thus produced a sufficient Fe has rigidity and rigidity as well as safe power transmission from the fastener of the sheet to the associated Ro door hub guaranteed.
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.This object is achieved in that a plastic insert body its hub-side end in a receptacle made of metal device is used on the fastener, the plastic insert body and the receiving device with a glass fiber fabric be wrapped, and the plastic insert body, the recording device and the glass fiber winding from a shaping layer are encased in plastic foam. The advantages of steel and Plastic are thus combined in an advantageous manner, which in particular is particularly interesting for small and medium-sized series.
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.It is particularly advantageous to use a PUR foam sandwich construction to use a windmill wing. Thus, the rotor blade is special sturdy and stiff, although it has a light design points.
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.Since the rotor blade is mainly made of non-conductive plastic, is used as a lightning protection device a tape made of conductive tissue, for. B. made of carbon fibers or copper, from the rotor blade tip to the top device integrated in the rotor blade.
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.For the load occurring in operation in the form of a bending gate Sions- and tensile forces has the rotor blade due to the erfindungsge manufacturing process and the associated construction sufficient strength. They should also transmit power the connecting parts, such as. B. the fastener rotor hub Connection, adequately dimensioned and still constructive just be designed. For this purpose, the fastening element which is preferably tubular, a radial enlargement of the outer diameter at its hub end so that the centrifugal forces and bearing forces occurring during operation Enlargement of the outer diameter can be introduced into the rotor hub can.
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.In the method according to the invention, for the fastening element element for fastening the rotor blade to the rotor hub in the cross cut circular tube used. These mounting tubes can any angle with respect to the plane of rotation of the rotor blades take, which gives the opportunity to adjust the angle of the Rotor blade depending on the location of the wind turbine the Windge adapt conditions.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform des durch das er findungsgemäße Verfahren hergestellten Erzeugnisses anhand der bei gefügten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:Below is a preferred embodiment of the by which he inventive method manufactured product based on the attached drawings explained. Show:
Fig. 1 eine Rotornabe einer Windkraftanlage mit drei an der Rotornabe befestigten Rotorblättern, Fig. 1 is a rotor hub of a wind turbine with three blades mounted on the rotor hub,
Fig. 2 ein durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestelltes Rotor blatt in einer ersten Ausführungsform und Fig. 2 is a rotor blade produced by the inventive method in a first embodiment and
Fig. 3 ein Rotorblatt analog Fig. 2 in einer weiteren Ausführungsform. Fig. 3 shows a rotor blade similar to FIG. 2 in a further embodiment.
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. Fig. 1 shows a rotor hub 1 , which is attached to a drive shaft of a generator 2 by a conventional shaft hub connection. The rotor hub can also be designed as a belt pulley for a transmission belt that serves as part of a belt transmission for power transmission to the drive shaft of the generator. On the rotor hub 1 , three rotor blades 3 , 4 , 5 are each fastened to the rotor hub 1 via fastening tubes 6 with a circular cross section, the fastening tubes 6 being at an angle of 120 ° to one another. These mounting tubes 6 serve to hold the actual wing body 7 of the rotor blades 3 , 4 , 5 and are attached to the rotor hub 1 by means of clamps 9 , 10 . For each fastening supply tube 6, two clamps 9 , 10 are used, which are arranged on the one hand at the hub-side end of the fastening tube 6 and on the other hand from the hub-side end. The hub-side clamps 9 are each connected to the adjacent clamps by struts 11 , which also applies to the clamps 10 arranged at a distance from the hub-side end of the fastening tube 6 . These clamps 9 have a central part 12 adapted to the circular outer diameter of the fastening tubes 6 and two side parts 13 adjoining the central part 12 , which have a flat surface. These plan side parts 13 are used for fastening the clamps 9 by means of screws 14 on the rotor hub 1 as a contact surface. In the screwed state of the clamps 9 , 10 there is a fixation of the mounting tubes 6 transverse to the longitudinal axis of the mounting tubes. The clamping force generated by the screwing between the surfaces of the middle part 12 of the clamps 9 , 10 and the fastening tubes 6 ensures a fixation with respect to the longitudinal and rotational direction of the fastening tubes 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.In the operation of the wind turbine there are centrifugal forces as well as weight and wind forces which, on the one hand, can be introduced into the rotor hub 1 via the clamp clamp connection described above and, on the other hand, via a radial enlargement 15 of the outer diameter at the hub-side end of the fastening pipes 6 .
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.Due to the circular mounting tubes 6 , it is possible to rotate the rotor blades 3 , 4 , 5 into a favorable position, depending on the wind conditions, and then screw the clamps 9 , 10 tight again when the screw connection is loosened. In this way, easy and quick adjustment of the rotor blades is possible.
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.In Fig. 2 one of the rotor blades 3 , 4 , 5 produced by the method according to the invention is shown, rotor blade 3 serving as an example of embodiment. The fastening tube 6 is fixedly connected at the leaf end to a metal grid cage 16 made of perforated plate. In these metal mesh cage 16 a rigid foam core 17 is inserted as Einlegekör by an exact fit. This hard foam core 17 and the Metallgit terkäfig 16 are now wrapped according to a predetermined winding plan with a glass fiber winding 18 . Subsequently, a tape 19 made of conductive fabric, e.g. B. made of carbon fibers or copper mesh, integrated as a lightning protection device from the rotor blade tip 20 to the metal cage 16 in the rotor blade 3 . The hard foam core 17 , the metal grid cage 16 and the glass fiber winding 18 are now foamed with a plastic foam 21 in a preheated form, not shown. By foaming the hard foam core 17 , the metal grid cage 16 and the glass fiber winding 18 , the plastic foam 21 penetrates through the glass fiber winding 18 and comes into direct contact with the hard foam core 17 and the metal grid cage 16 . After hardening of the plastic foam 21 , as with fiber reinforced plastics, a firm and stiff bond is created between all components, whereby a flexurally and torsionally rigid rotor blade can be realized with a relatively low weight. A gel coat layer 22 previously introduced into the preheated mold is further connected directly to the rotor blade 3 during foaming and forms the final surface of the rotor blade 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.The wing body can e.g. B. ge according to the profile NACA 4412. In order to get a uniform aerodynamic flow, the rotor blade 3 has a twist of z. B. 12 ° over its entire length. In the case of rotor blade profiles, it is advantageous, in order to adapt to different wind conditions, to allow the rotor blade 3 to be rotated about the longitudinal axis of the fastening tube 6 , which can be achieved by the circular cross-sectional shape of the fastening tube 6 and the clamps 9 , 10 , as described above.
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.The rotor blade 3 is finally carried out at the blade root 23 twice as wide as at the rotor blade tip 20 , whereby an easy start of the wind turbine is possible in light winds. Such complicated shapes of the rotor blade 3 can be easily produced by the method according to the invention, since the hard foam core 17 and the metal grid cage 16 are secondary for the shaping of the rotor blade 3 and the latter therefore do not have to be adapted for small changes in shape.
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. Fig. 3 shows a rotor blade 3 step after the first manufacturing process, in which the plastic insert body 17 is inserted at its hub-side end into a metal grid cage 16 '. 16 'has with respect to the metal mesh cage 16 of FIG. 2 larger receiving surfaces on the processing in the form of a pair of cheeks 24 in Rich extend this metal mesh cage of the rotor blade tip 20. In this way, a stable recording of the plastic insert body 17 is ensured, which results in a secure transmission of force from the wing body 7 to the fastening tube 6 .
Claims (10)
- 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.
- 1. a plastic insert body ( 17 ) is used at its hub-side end in a metal receiving device ( 16 ) on the fastening supply element ( 6 ),
- 2. the plastic insert body ( 17 ) and the receiving device ( 16 ) are wrapped with a glass fiber winding ( 18 ), and
- 3. the plastic insert body ( 17 ), the receiving device ( 16 ) and the glass fiber winding ( 18 ) from a shaping layer of plastic foam ( 21 ) are encased.
- 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,
- 1. with a wing body ( 7 ) and
- 2. with a fastening element ( 6 ) for fastening the rotor blade ( 3 , 4 , 5 ) to a rotor hub ( 1 ), produced by the method according to one of claims 1 to 4,
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