Besonderer Kastensandwich für die gewichtsoptimierte, innovative Aussteifung großer WKA-Rotorblätter

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1 DEWI Magazin Nr. 22, Febr esonderer Kastensandwic für die gewictsoptimierte, innovative ussteifung großer WK-Rotorblätter Zusammenfassung Leistungsfäige Windkraftanlagen erfordern bei gegebener lattspitzengescwindigkeit größere, längere Rotorblätter. Mit der Verlängerung der Rotorblätter nimmt deren Volumen mer zu als deren Scalenoberfläce. Zusammen mit dem sic aus dem Volumenzuwacs ergebenden Potenzial für eröte auteilsteifigkeit müßten sic trotz eröter Fläcenbelastung spezifisce Gewictsvorteile erzielen lassen. us der Praxis sind auf wacsende nlagengrößen bezogen eer spezifisce Übergewicte bekannt, die etriebs- und Lebensdauerprobleme verursacen dürften und möglicerweise auc in Unsicereiten in der rt der ussteifung der Rotorblätter begründet sein können. Unter dem eingetragenen Warenzeicen PEKTEX wird ein einzigartiger, vorgefertigter, besonders leicter integraler Kastensandwic aus ocwertigem E-Glas und kontrolliertem nteil an ungesättigtem Polyester angeboten. Dank seiner Geometrie, seinem transparent gitterartigen ufbau, der merlagigen verscränkten nordnungsmöglickeit, seinen energieabsorbierenden, dämpfenden Eigenscaften vermag dieser Kastensandwic die lattscale im Sandwic oder durc Verrippung wie auc als Steg die lattolme rationell, daueraft, umweltfreundlic, innovativ und gewictsoptimiert auszusteifen. Im wissenscaftlicen Meß- und Evaluierungsprogramm, über das im Windenergie-Report 2002*) berictet wird, sind etwa 10% der in Deutscland betriebenen Windernergieanlagen erfaßt. Nac dem erict sind die rund 1500 so gelisteten nlagen durcscnittlic act Jare alt und größtenteils mit Rotorblättern bis etwas über 20 m Länge ausgerüstet. Konzentriert auf die nfangsjare mußten an fast 20% dieser nlagen die kompletten Rotorblattsätze ausgetausct werden. Für die wenigen im Programm entaltenen nlagen mit lättern in dem Längenbereic über 30 m, die seit vier Jaren im Einsatz sind, liegen noc keine ngaben vor. Viele nfangsprobleme mögen inzwiscen überwunden sein. Dennoc wurden allein im Jare 2001 über 200 Reparaturen an Rotorblättern gemeldet. Nac dem erict sind daran die größeren Windkraftanlagen am äufigsten beteiligt. uc wenn diese Situation vielleict nict für die restlicen 90% der nlagen in Deutscland zu gelten brauct, so registrieren die Versicerer jedoc ansceinend allgemein änlice Scadensäufigkeiten: Sie verlangen neuerdings umfangreice periodisce Wartungsarbeiten und verdoppeln ire Prämien. uc auf der DEWEK 2002 erklärten anerkannte rancenkenner, daß sic die Windkraftindustrie genötigt siet, die Entwicklung größerer Windkraftanlagen in ngriff zu nemen, obwol die Probleme an den vorandenen nlagen noc nict als bewältigt gelten können. Die Entwicklung von Rotorblättern im 40 m und im 50 m Längenbereic ist allerorten im Gange. Dabei greift die Industrie natürlic durc Eskalation und Extrapolation auf die Erfarungen mit dem gleicwol noc risikobescwerten kürzeren lättern zurück. Ebenfalls auf der DEWEK 2002 äußerten sic verantwortlice Sackenner in diesem Zusammenang sinngemäß daingeend, daß die Gewictsabnamen in der Entwicklung größerer nlagen in der Praxis nict einzualten seien. Die Entwicklung längerer Rotorblätter Windkraftanlagen mit Nennleistungen bis über vier Megawatt werden derzeit von mereren Unternemen entwickelt. Höere Nennleistungen erfordern bei vorgegebener lattspitzengescwindigkeit größere überdeckte Rotorfläcen, also längere Rotorblätter. Verlängert man ein 20 m langes Rotorblatt auf 30, 40 oder 50 m, vergrößert sic die Scalenoberfläce des verlängerten lattes im Verältnis weniger, als dessen Volumen zunimmt. Obwol sic mit zunemender lattgröße die Fläcenbelastung und die aufzunemenden Momente eröen, würde man doc auc wegen der mit dem größeren Volumen verbundenen größeren Querscnitte und dem damit gegebenen Potenzial zur Eröung der auteilsteifigkeit einen auf die jeweilige lattlänge bezogenen spezifiscen Gewictsanstieg erwarten, der eer unter der spezifiscen Oberfläcenzuname angesiedelt ist. In der Praxis sceint das biser jedoc kaum erreict zu werden. Vielleict wird den bewußten Unsicereiten mit entsprecenden Sicereitszusclägen begegnet. Hinzu kommen ggfs. gewictseröende Eigeneiten der Konstruktion, z.. im Flanscbereic, wo usggleicsmaßnamen dafür erforderlic sind, daß etwa die Hälfte der zur Lastab- und Lastübertragung positionierten Faserstränge erausgebort werden. Die scwierige Qualitätssicerung etwa beim verdeckten Verbund der Deckscictlaminate bei den Sandwicanteilen mag zu weiteren Sicereitszusclägen füren. Denkt man in Glas, sind die Harzanteile nict zu überseen. ei dem überwiegend geübten Handauflegeverfaren betragen sie bis über 50 Gewictsprozent. Natürlic befracten relativ oe lattgewicte sekundär wie dargelegt die lattanbindung im Flansc, aber auc die Nabe, den ntriebsstrang, das Gondelgewict und so weiter. Übergewict dürfte jedenfalls kaum zu größerer etriebssicereit oder zu längerer Lebensdauer der WK füren. Fazit: Zuviel Gewict kostet zuviel Geld. *) Windenergie Report Deutscland 2002, Institut für Solare Energieversorgungstecnik, Kassel, 2002 PEKTEX GmbH, Max-Planck-Straße 5-7, D Grafscaft-Gelsdorf, Telefon +49 (0) 2225 / , Fax +49 (0) 2225 /

2 Ein besonderer Kastensandwic für die lattaussteifung Die im folgenden bescriebenen Eigenscaften, Untersucungen und Überlegungen bezieen sic auf einen einzigartigen, vorgefertigten, integralen Kastensandwic, der unter dem eingetragenen Warenzeicen PEKTEX auf dem Markt ist. Der nämlice Kastensandwic beinaltet bereits die bstandstruktur und beidseitige Deckscicten. Der bescriebene Kastensandwic ist ein omogener Sandwic, ganz aus glasfaserverstärktem Kunststoff zur gewictssparenden direkten eulaussteifung der Scale des Rotorblattes sowie in Stegform zur eulfeldbegrenzung (Rippen) und zur bstandsausteifung der Rotorblattolme. Das Volumengewict des nämlicen Kastensandwic beträgt 40 kg/m 3, sein Harzanteil maximal 40 Gewictsprozent. Leistungsdaten für eine ausgesucte Type siee Tab In der Praxis qualifiziert sic der besagte Kastensandwic zur gewictsoptimierenden ussteifung der Rotorblätter durc eine Vielzal einzigartiger Eigenscaften: Der besondere Kastensandwic bestet aus UP-Harz und ocwertigen Fasern aus E-Glas. Ungesättigtes Polyesterarz get mit auflaminierten Epoxidarzen einen reaktiven, innigen Verbund ein. Der bescriebene Kastensandwic mact rbeitsabläufe überscaubar. In seine gitterartig offene Struktur können Laminatarze eindringen, reaktiv verkleben und sic zugleic mecanisc verkrallen. Dabei lassen sic zum eispiel mit aufscäumenden Epoxidverbundarzen sowol die eulaussteifung der Scale als auc die Steganbindung zu den Holmen bezüglic des Gewicts wie auc der mecaniscen Eigenscaften optimieren (siee bb. 1). Der nämlice Kastensandwic ist bis mindestens 140 C temperaturbeständig. Hin zur facwerkartigen ussteifung: Struktur, ufbau und Geometrie des bescriebenen Kastensandwic erweitern die konstruktiven Möglickeiten. Zwar könnten auf diesen besonderen Kastensandwic auc zusätzlice Deckscicten auflamiert oder aufgeklebt aufgebract werden. Davor sollte aber stets die nalyse steen, ob es bei dem geringen Volumengewict und dem niedrigen Harzanteil nict tecnisc und wirtscaftlic vorteilafter ist, den bescriebenen Kastensandwic in seiner Grundform merlagig einzusetzen. Der besagte Kastensandwic kann dabei bedarfsgerect verscränkt und facwerkartig angeordnet werden, so daß die gegebene 0 /90 Faserausrictung den Kraftflüssen entsprecend variabel ausgerictet und kombiniert werden. Der Scalenkurvatur und den Lastgegebeneiten läßt sic der bescriebene Kastensandwic durc Scacbrettverlegung einlagig oder merlagig anpassen. lternativ zur Sandwicaussteifung der Scale kann die ussteifung auc durc Verrippung mit Skelettprofilen, die in Material und Struktur dem Kastensandwic entsprecen, erfolgen (siee 4). Mit diesem Kastensandwic ist Transparenz angesagt: Er ist einsebar und jede Verbindung mit im ebenso. Diese Transparenz erleictert die Qualitätssicerung beim rbeiten zur Versteifung der Scale wie bei der Herstellung der Stege und Rippen mit irer nbindung. Im übrigen ist der bescriebene Kastensandwic durclüftet und verindert so jeglices Einnisten von Kondensat. usgezeicnetes Dämpfungsveralten: Der bescriebene Kastensandwic at auf Grund seiner gitterartigen Struktur ein großes Energieabsorptionsvermögen und wirkt dadurc dem uftreten kritiscer Scwingungszustände wesentlic entgegen. Herausragende Dauerfestigkeit: In dynamiscen Prüfungen an ocbelasteten zwei Meter oen Stützstegen aus dem bescriebenen Kastensandwic in einlagiger Konfiguration wurden seine Dauerstandfestigkeit eindrucksvoll nacgewiesen. In dieser Prüfung werden in den Stützstegen Scubverformungen in der Größenordnung simuliert, wie sie angeblic maximal für das uftreten sogenannter Jarundertböen angesetzt und zugelassen werden. iser wurden über fünf Mio. Lastwecsel scadlos überstanden. Zur rasanten Entwicklung immer größerer Rotorblätter bietet der bescriebene Kastensandwic den notwendigen Löungsansatz, Rotorblätter leict, rationell, daueraft und umweltfreundlic zu bauen. Dabei wird es darauf ankommen, dem Rotorblatt entwickelnden Unternemen bei gegebener aerodynamiscer Scalengeometrie und Holmkonstruktion das zur ussteifung mit diesem Kastensandwic erforderlice konstruktive und fabrikatorisce Know-ow so zu vermitteln, und mit im so zertifikationsgerect anzupassen, daß die Vorteile dieser Tecnologie im und seinen Kunden möglicst umfassend zugute kommen. PEKTEX GmbH, Max-Planck-Straße 5-7, D Grafscaft-Gelsdorf, Telefon +49 (0) 2225 / , Fax +49 (0) 2225 /

3 PEKTEX Typ RE/RO 30 Strukturkennwerte bb. 1 PEKTEX Typ RE/RO 30 Produktkennwerte bb. 1 Stegrictung PEKTEX Typ RE/RO 30 Produktkennwerte PEKTEX Strukturscnitt 90 zur Steg-, Kanalrictung S De t 90 S St 90 Stegrictung l b 1000 mm l k 1000 mm Stegrictung Einbauöe bb. 1 Stegrictung Scnitt F Scub zu bb. 1 u. 2 in Steglängsrictung senkrect zu den Deckscicten S St t Stegrictung Deckscicten verstärkt zu bb. 1 u. 2 t S De S St PEKTEX Einbauöe F Scub t Einbaulänge L 45 Stegrictung F Scub F Scub Scnitt Gewict ± 10% Stegöe Steglänge je m² Steg senkrect zu den Deckscicten gemäß bb. 1 Tabelle 1 mm 30 t mm 64 S St mm 1,63 m 16 Druck - rucspannung N/mm² 7,5 - rucstaucung % der Stegöe 2,0 N/mm² ruclast N je mm Steglänge 12,2 N je 16 m Steglänge Steg über die Deckscicten in Steglängsrictung gemäß Scub - rucspannung N/mm² 4,4 - rucsciebung % der Stegöe 4,1 N/mm² ruclast N je mm Steglänge 7,1 N je 16 m Steglänge Gewict ± 10% Stegöe Deckscictdicke Stege je m reite Prüfbedingungen gemäß bb. 1 mm 30 t mm 64 S St mm 1,63 S De mm 0,66 Stück 16 iegung - rucspannung N/mm² 5,03 - Durcbiegung unter ruclast mm 11,5 N/mm² ruclast Prüfbedingungen gemäß Knicken, eulen, Knittern Tabelle 2 - rucspannung - Staucung unter ruclast - ruclast N je 2 Stege 45,5 (ein Kanal) N je 16 Stege 364 N/mm² 3,99 mm 2,3 N/mm² N je 2 Stege 896 (ein Kanal) N je 16 Stege Gewict ± 10% Plattendicke/Stegöe Deckscictdicke Prüfbedingungen gemäß bb. 1 (Druckbelastung dominant) Tabelle 3 Einbaulänge L Strukturquerscnitt, Strukturfläce Vergleicsquerscnitt, Vergleicsfläce x L mm 30 SDe mm 0,66 t90 mm 64 SSt90 mm 1,63 t45 mm 90,5 SSt45 mm 2,31 Scub - rucspannung N/mm² Strukturfläce 1,54 N/mm² Vergleicsfläce (0,11) - rucsciebung % der Einbauöe 0,73 N/mm² Strukturfläce 211 N/mm² Vergleicsfläce (15) - ruclast N je PEKTEX -Kanal 304 N je 1 m Einbaulänge L Prüfbedingungen gemäß (Zugbelastung dominant) Scub - rucspannung N/mm² Strukturfläce 33,65 N/mm² Vergleicsfläce (2,43) - rucsciebung % der Einbauöe 10,7 N/mm² Strukturfläce 315 N/mm² Vergleicsfläce (23) - ruclast N je PEKTEX -Kanal N je 1 m Einbaulänge L t 45 PEKTEX GmbH, Max-Planck-Straße 5-7, D Grafscaft-Gelsdorf, Telefon +49 (0) 2225 / , Fax +49 (0) 2225 /

4 Klebeverbund Klebe- und Verkrallungsverbund : PEKTEX -Scubsteg zur bstandsaussteifung der Rotorblattolme ier: 3-Lagenkonfiguration 1 < Klebe- und Einbettungsverbund Scalenlaminat PEKTEX -Kastensandwic bzw. 1 wirksame Höe des Sandwic-Scubsteges bb. 1: eulaussteifung der Rotorblattscale mittels PEKTEX -Kastensandwic ier: Verbundvarianten PEKTEX GmbH, Max-Planck-Straße 5-7, D Grafscaft-Gelsdorf, Telefon +49 (0) 2225 / , Fax +49 (0) 2225 /

5 ussteifung mit PEKTEX - Kastensandwic - Skelettpr elettprof ofilen bb. 4: lattaussteifung zwiscen den Holmen und eulaussteifung der Scale mittels PEKTEX -Kastensandwic bzw. Skelettprofilen bb. 3: Scubprüfung an einer zweilagigen ± 45 PEKTEX -Stegkonfiguration PEKTEX GmbH, Max-Planck-Straße 5-7, D Grafscaft-Gelsdorf, Telefon +49 (0) 2225 / , Fax +49 (0) 2225 /