esonderer Kastensandwic für die gewictsoptimierte, innovative Aussteifung großer WKA-Rotorblätter Special ox eam Sandwic for te Weigt Optimised, Innovative Stiffening of Wind Turbine Rotor lades O. Landwer, E. Wintermantel, PEKATEX GmbH, onn Zusammenfassung Leistungsfäigere 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. Aus der Praxis sind auf wacsende Anlagengrößen bezogen, eer spezifisce Übergewicte bekannt, die etriebs- und Lebensdauerprobleme verursacen dürften und möglicerweise auc in Unsicereiten in der Art der Aussteifung der Rotorblätter begründet sein können. Unter dem eingetragenen Warenzeicen PEKATEX wird ein einzigartiger, vorgefertigter, besonders leicter integraler Kastensandwic aus ocwertigem E-Glas und kontrolliertem Anteil an ungesättigtem Polyester angeboten. Dank seiner Geometrie, seinem transparent gitterartigen Aufbau, der merlagigen verscränkten Anordnungsmöglickeit, 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 gewicts-optimiert auszusteifen. Summary At given tip speeds iger performance wind turbines require larger, longer rotor blades. Lengtening of rotor blades will increase teir volume content more tan teir sell surface area. In spite of iger blade loads te potential from te greater volume sould provide for specific weigt reductions. Practically, owever, larger wind turbines are known to be associated rater wit specific overweigts wic in turn could be te cause of operative and life problems. Uncertainties in te kind of present rotor blade stiffening may also be responsible for suc overweigts. Trade marked PEKATEX a unique, prefabricated and very ligt box beam sandwic made from ig value E-Glass and a controlled content of unsaturated polyester resin is being offered. Te gridlike structure of te said box beam sandwic, te possibility of angled multilayer build, its energy absorbent damping caracteristics will stiffen blade sells by sandwic or stringer lining as well as by struts supporting te blade main beams rationally, durably, innovatively, friendly to te environment and always taking weigt optimisation into account. Im wissenscaftlicen Mess- und Evaluierungsprogramm, über das im Windenergie-Report 2002 *) berictet wird, sind etwa 10 % der in Deutscland betriebenen Windenergieanlagen erfasst. Nac dem erict sind die rund 1500 so gelisteten Anlagen durcscnittlic act Jare alt und größtenteils mit Rotorblättern bis etwas über 20 m Länge ausgerüstet. Konzentriert auf die Anfangsjare mussten an fast 20 % dieser Anlagen die kompletten Rotorblattsätze ausgetausct werden. Für die wenigen im Programm entaltenen Anlagen mit lättern in dem Längenbereic über 30 m, die seit vier Jaren im Einsatz sind, liegen noc keine Angaben vor. Some 10 percent of all wind turbine plants in operation in Germany are recorded and evaluated in a specific programme reported upon in te Windenergie-Report 2002 *). Te around 1500 wind turbines so listed average eigt years in life and are equipped mostly wit rotor blades up to just over 20 meters in lengt. Te rotor blades of nearly 20 percent of tese wind turbines needed a complete excange, in particular in initial years of operation. For te few plants evaluated in te programme tat are equipped wit blades longer tan 30 meters no details ave been reported upon yet; tey ave only been in operation for four years. *) Windenergie Report Deutscland 2002, Institut für Solare Energieversorgungstecnik, Kassel, 2002 44
Viele Anfangsprobleme 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. Auc wenn diese Situation vielleict nict für die restlicen 90 % der Anlagen in Deutscland zu gelten brauct, so registrieren die Versicerer jedoc ansceinend allgemein änlice Scadensäufigkeiten: sie verlangen neuerdings umfangreice periodisce Wartungsarbeiten und verdoppeln ire Prämien. Auc auf der DEWEK 2002 erklärten anerkannte rancenkenner, dass sic die Windkraftindustrie genötigt siet, die Entwicklung größerer Windkraftanlagen in Angriff zu nemen, obwol die Probleme an den vorandenen Anlagen 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 den gleicwol noc risikobescwerten kürzeren lättern zurück. Ebenfalls auf der DEWEK 2002 äußerten sic verantwortlice Sackenner in diesem Zusammenang sinngemäß daingeend, dass die Gewictsannamen in der Entwicklung größerer Anlagen in der Praxis nict einzualten seien. 1. 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 Ausgleicsmaßnamen dafür erforderlic sind, dass etwa die Hälfte der Many problems may ave been overcome by now but in 2001 more tan 200 rotor blade repairs were registered, reportedly te bulk of tem provided by te larger plants. Peraps tis situation does not reac across to all wind turbine plants in Germany, but apparently te insuring companies experience similar repair frequencies in all: lately, tey ask for compreensive periodic plant ceck-ups and tey double teir premium claims. Acknowledged industrial experts said during DEWEK 2002 also tat te wind turbine industry is being urged to develop more powerful wind turbine plants ever altoug problems wit existing (smaller) plants cannot be claimed to be resolved. Te development of rotor blades in te 40 and 50 meter lengt range is in progress at several places. And in so developing te industry as to take recourse to te risk laden smaller blades by escalating and extrapolating from te experience gained wit tem. Analogically, at te DEWEK 2002 responsible experts said in tis context tat weigt assumptions made for te development of larger wind turbine plants in practice could not always be met. 1. Development of Longer Rotor lades Presently, several companies are known to be engaged in te development of wind turbines wit a nominal performance of four Megawatts and over. lade tip speed given, iger nominal performances require larger blade swept areas, wic means longer rotor blades. Wen a 20 meters long rotor blade is enlarged to 30, 40 or 50 meters in lengt te sell surface of te lengtened blade will increase but relatively not as muc as its volume content will increase. Altoug wit increasing blade size te load per m² will increase and iger moments ave to be absorbed, one would expect tat due to te larger cross sections connected wit te volume increase togeter wit its associated potential for more stiffness, te specific weigt growt as related to a given blade lengt increase will be rater less tan te specific sell surface area increase. So far in practice tis goal as not been acieved it seems. Peraps, known insecurities are met by extra safety carges. Maybe, tere are also special weigt increasing design features suc as for example in te flange area, were alf te fibre strands embedded tere are being drilled out', and need appropriate compensation. Equally, difficult quality assurance measures suc as tose connected wit te idden' bondage of sandwic skin laminates may need special safety precaution. Were tinking in glass is en vogue proportional resin sares must not be overlooked. In 46
DEWI Magazin Nr. 22, Februar 2003 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 Antriebsstrang, das Gondelgewict und so weiter. Übergewict dürfte jedenfalls kaum zu größerer etriebssicereit oder zu längerer Lebensdauer der WKA füren. Fazit: Zuviel Gewict kostet zuviel Geld. 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 PEKATEX auf dem Markt ist. Der nämlice Kastensandwic beinaltet bereits die Abstandsstruktur 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 Abstandsaussteifung der Rotorblattolme. Das Volumengewict des nämlicen Kastensandwic beträgt 40 kg/m³, sein Harzanteil maximal 40 Gewictsprozent. Leistungsdaten für eine ausgesucte Type siee Tab. 1-3. manufacturing dominated by and lay-up procedures, resin sares could amount to more tan 50 percent of weigt. 1 < A A A Abb. 1: Fig. 1: A Scalenlaminat PEKATEX -Kastensandwic bzw. 1 wirksame Höe des Sandwic-Scubsteges Klebeverbund Adesive bondage Klebe- und Verkrallungsverbund Adesive and ooking bondage Klebe- und Einbettungsverbund Adesive and embedding bondage A Sell laminate PEKATEX -ox beam sandwic or 1 effective eigt of Sandwic-sear strut eulaussteifung der Rotorblattscale mittels PEKA- TEX -Kastensandwic, ier: Verbundvarianten Stiffening of rotor blade sell against buckling by PEKATEX -ox beam sandwic ere: Compounding variants - 45 + 45 90 Abb. 2: Fig. 2: PEKATEX -Scubsteg zur Abstandsaussteifung der Rotorblattolme, ier: 3-Lagenkonfiguration PEKATEX -Sear strut for stiffening of space between rotor blade main beams ere: 3-layer configuration 47
In der Praxis qualifiziert sic der besagte Kastensandwic zur gewictsoptimierenden Aussteifung 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 Arbeitsabläufe 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 Gewictes wie auc der mecaniscen Eigenscaften optimieren (siee Abb. 1). Der nämlice Kastensandwic ist bis mindestens 140 C temperaturbeständig. - Hin zur facwerkartigen Aussteifung: Struktur, Aufbau und Geometrie des bescriebenen Kastensandwic erweitern die konstruktiven Möglickeiten. Zwar könnten auf diesen besonderen Kastensandwic auc zusätzlice Deckscicten - auflaminiert oder aufgeklebt - aufgebract werden. Davor sollte aber stets die Analyse 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 kann. Der Scalenkurvatur und den Lastgegebeneiten lässt sic der bescriebene Kastensandwic durc Scacbrettverlegung - einla- Aussteifung mit PEKATEX - Kastensandwic - Skelettprofilen Abb. 4: Fig. 4: Stiffening by PEKATEX - ox beam sandwic - Skeleton profiles lattaussteifung zwiscen den Holmen und eulaussteifung der Scale mittels PEKATEX -Kastensandwic bzw. Skelettprofilen Rotor blade strut stiffening between main beams and stiffening of te sell against buckling by PEKA- TEX -ox beam sandwic or skeleton profiles Abb. 3: Fig. 3: Scubprüfung an einer zweilagigen ±45 PEKATEX -Stegkonfiguration Sear load test wit a two layer ±45 PEKATEX -Strut configuration Hig blade weigts affect, of course, in a secondary way te blade flange as already sown, te ub, te main drive, te nacelle weigt and so on. In any case overweigt ardly produces more plant reliability or a longer plant life. Te moral: Too muc weigt costs too muc money. 2. A Special ox eam Sandwic for lade Stiffening Te caracteristics, investigations and tougts following relate to a unique, prefabricated, integral box beam sandwic trade named PEKATEX. Te very box beam sandwic incorporates te distance giving structure as well as te skins on eiter side. Te box beam sandwic referred to is a omogeneous RFP sandwic for te weigt saving direct stiffening of te rotor blade sell against buckling and as a strut structure for limiting buckling areas (by ribs) and furter for stiffening of te space between te main beams. Te said special box beam sandwic weigs 40 kg/m³ by volume and te maximum resin content will not exceed 40 percent of weigt. Performance data for a selected type of te special box beam sandwic are given in table 1-3. 48
DEWI Magazin Nr. 22, Februar 2003 gig oder merlagig - anpassen. Alternativ zur Sandwicaussteifung der Scale kann die Aussteifung auc durc Verrippung mit Skelettprofilen, die in Material und Struktur dem Kastensandwic entsprecen, erfolgen (siee Abb. 2,3,4). - Mit diesem Kastensandwic ist Transparenz angesagt: Er ist 'einsebar' und jede Verbindung mit im ebenso. Diese Transparenz erleictert die Qualitätssicerung beim Arbeiten zur Versteifung der Scale wie bei der Herstellung der Stege und Rippen mit irer Anbindung. Im übrigen ist der bescriebene Kastensandwic 'durclüftet' und verindert so jeglices Einnisten von Kondensat. - Ausgezeicnetes Dämpfungsveralten: Der bescriebene Kastensandwic at aufgrund seiner gitterartigen Struktur ein großes Energieabsorptionsvermögen und wirkt dadurc dem Auftreten kritiscer Scwingungszustände wesentlic entgegen. - Herausragende Dauerstandfestigkeit: In dynamiscen Prüfungen an oc belasteten zwei Meter oen Stützstegen aus dem bescriebenen Kastensandwic in einlagiger Konfiguration wurde seine Dauerstandfestigkeit eindrucksvoll nacgewiesen. In dieser Prüfung werden in den Stützstegen Scubverformungen in der Größenordnung simuliert, wie sie angeblic maximal für das Auftreten 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 Lösungsansatz, 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 Aussteifung 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. Abb. 1 fig. 1 Te special box beam sandwic mentioned qualifies for te weigt optimising stiffening of rotor blades by a number of unique features: - Te special box beam sandwic is made from UP-resin and ig quality E-glass fibres. Laminates of epoxy resin onto unsaturated polyester will produce a reactive close bondage. - Te special box beam sandwic will make te production sequence transparent. Laminating resins can penetrate te gridlike open structure for a reactive and also for a mecanical ooking bondage. y embedding epoxy-foams for example bot te blade sell can be stiffened against buckling and also te struts can be joined wit te main beams giving low weigt and good mecanical properties (see fig. 1). Te described box beam sandwic will witstand temperatures up to and over 140 C. - Towards frame work type of stiffening: Te structure, build and te geometry of te special box beam sandwic as referred to will widen te designer's possibilities. Te special box beam sandwic can accept additional skins, be it by lamination or by bonding on. However, wit te benefit of its low volume weigt and its low resin content one sould analyse beforeand always to see if it will not be better economically as well as tecnically to use two or more layers of te basic configuration of te special box beam sandwic. Tus it can be angle and frame work like arranged as required so tat its given 0 /90 fibre orientation can be positioned and combined best according to te flow of forces. Te described Strukturkennwerte Structural caracteristics Gewict ± 10% Stegöe Steglänge je m² Steg senkrect zu den Deckscicten gemäß Abb. 1 Steg Stegrictung G kg/m² 1,20 mm 30 t mm 64 S St mm 1,63 m 16 - rucspannung Druck 7,5 - rucstaucung % der Stegöe 2,0 376 - ruclast N je mm Steglänge 12,2 N je 16 m Steglänge 195.200 über die Deckscicten in Steglängsrictung gemäß Abb. 2 - rucspannung Scub 4,4 - rucsciebung % der Stegöe 4,1 106 - ruclast N je mm Steglänge 7,1 N je 16 m Steglänge 113.600 zu Abb. 1 u. 2 to fig. 1 and 2 in Steglängsrictung along stringers senkrect zu den Deckscicten vertical to covering layers % of stringer eigt N per mm stringer lengt N per 16 m stringer lengt % of stringer eigt N per mm stringer lengt N per 16 m stringer lengt S St t Deckscicten verstärkt reinforced covering layers Abb. 2 fig. 2 Stegrictung Weigt ± 10% Heigt of stringers Tickness of stringers Lengt of stringers per m² Stringers vertical to covering layers according fig. 1 Compression - Stress to failure Stringers over covering layers along stringers according fig. 2 Sear - Strain at failure load us - Stress to failure - Strain at failure load us Tab. 1 49
Produktkennwerte Product caracteristics zu Abb. 1 u. 2 to fig. 1 and 2 PEKATEX Abb. 1 fig. 1 S De Produktkennwerte Product caracteristics Einbauöe A Heigt of installation A t Gewict ± 10% Stegöe Deckscictdicke Stege je m reite Gewict ± 10% F Scub sear Plattendicke/Stegöe Deckscictdicke Prüfbedingungen gemäß Abb. 1 t 45 Prüfbedingungen gemäß Abb. 1 (Druckbelastung dominant) Stegrictung 45 PEKATEX Strukturscnitt 90 zur Steg-, Kanalrictung Structural section at 90 angle to direction of stringers and boxes S De Abb. 1 fig. 1 Abb. 2 fig. 2 Einbaulänge L Lengt of installation L G kg/m² 1,20 mm 30 SDe mm 0,66 t 90 mm 64 SSt90 mm 1,63 t 45 mm 90,5 S St45 mm 2,31 Scub - rucspannung Strukturfläce 1,54 Vergleicsfläce (0,11) - rucsciebung % der Einbauöe A 0,73 Strukturfläce 211 Vergleicsfläce (15) - ruclast N je PEKATEX -Kanal 304 N je 1 m Einbaulänge L 3.359 Prüfbedingungen gemäß Abb. 2 (Zugbelastung dominant) S St Scub - rucspannung Strukturfläce 33,65 Vergleicsfläce (2,43) - rucsciebung % der Einbauöe A 10,7 Strukturfläce 315 Vergleicsfläce (23) - ruclast N je PEKATEX -Kanal 6.632 N je 1 m Einbaulänge L 73.282 G kg/m² 1,20 mm 30 t mm 64 SSt mm 1,63 SDe mm 0,66 Stück 16 = F Scub sear Scnitt Section l b = 1000 mm t 90 Stegrictung Stegrictung F Scub sear Strukturquerscnitt, Strukturfläce Section of structure, structural area Vergleicsquerscnitt, Vergleicsfläce x L comparative section, area of comparison x L = F Scub sear 45 t 45 Einbaulänge L Lengt of installation L Tests according fig. 1 S St 90 Tickness of stringers Tickness of stringers (Compressive loads dominant) Scnitt Section Weigt ± 10% Tickness of seets/heigt of stringers Tickness of covering layer structural area Sear - Stress to failure comparative area % of installation eigt A - Strain at failure load structural area us comparative area N per PEKATEX -box N per 1 m installational lengt L Tests according fig. 2 (Tensile loads dominant) Abb. 2 fig. 2 structural area Sear - Stress to failure comparative area % of installation eigt A - Strain at failure load structural area us comparative area N per PEKATEX -box N per 1 m installational lengt L l k = 1000 mm iegung - rucspannung 5,03 Flexure - Stress to failure - Durcbiegung unter ruclast mm 11,5 mm - Flexure at failure load 2.431 us - ruclast N je 2 Stege 45,5 N per 2 stringers (ein Kanal) (one box) N je 16 Stege 364 N per 16 stringers Prüfbedingungen gemäß Abb. 2 Knicken, eulen, Knittern - rucspannung - Staucung unter ruclast - ruclast 3,99 mm 2,3 1.735 N je 2 Stege 896 (ein Kanal) N je 16 Stege 7.168 mm N per 2 stringers (one box) N per 16 stringers Weigt ± 10% Heigt of stringers Tickness of stringers Tickness of covering layers Number of stringers per m widt Tests according fig. 1 Tests according fig. 2 uckling, creasing - Stress to failure Stegrictung - Compression at failure load us Tab. 2 Tab. 3 box beam sandwic can be adapted to te sell curvature and to te loads by cess-board type of lay-up of one or more layers, or alternatively to tis sandwic stiffening also by ribbed stiffening using skeleton profiles consisting of materials and retaining a structure similar to te said box beam sandwic (see fig. 2,3,4). - Te special box beam sandwic builds upon transparent configuration. Its bonds and joints are always visible, to allow quality assurance bot in stiffening te sell as well as in manufacturing te struts and ribs and teir joints. And te described box beam sandwic by its vented structure will inder any settling of condensation in te blade. - Excellent damping caracteristics: y way of its gridlike structure te said box beam sandwic features a large energy absorbent capacity and will tereby dampen critical vibrations efficiently. - Outstanding fatigue resistance: Dynamic tests wit single layer igly loaded special box sandwic struts two meters ig ave demonstrated impressively outstanding fatigue resistance. Tese tests simulate te sear deformation magnitude of so-called century wind gusts' and known to be underlying certification proceedings. So far te struts made of te special box beam sandwic in tis test survived five million load intervals witout arm. For te rapid development of larger and larger rotor blades, te said box beam sandwic will offer te solution for te manufacture of ligt, rationally made and durable rotor blades, friendly to te environment. Given te aerodynamic sell geometry and te main beam design muc will depend upon te necessary design and manufacturing knowow being conveyed and adapted to certification requirements so tat te developing company as well as its customers will draw lasting benefit from te advantages of te special box beam sandwic tecnology. 50