Projekt 05805/01

Entwicklung und Erprobung eines neuen Fertigungsverfahrens von Rotorblättern für Windkraftanlagen

Projektdurchführung

AIK Faserverbundtechnik GmbH
Otto-Hahn-Str. 5
34123 Kassel

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen des Vorhabens soll die Herstellung von 2,5 m langen Rotorblättern aus faserverstärktem Kunststoff für Windkraftanlagen in einem kombinierten Faserwickel- und Pressverfahren entwickelt werden.
Der Wickelprozess soll dabei auf einer CNC-gesteuerten Wickelmaschine erfolgen. Durch eine im Wesentlichen automatisierte Flügelherstellung soll die gesundheitliche Belastung der Mitarbeiter reduziert und die prozess- und qualitätsgesicherte Herstellung von Windflügeln erreicht werden.Es sollen weiter erst durch die wickeltechnische Flügelherstellung mögliche konstruktive Verbesserungen am Rotorblatt selbst vorgenommen werden, die den Einsatz von umweltschädlichen und gesundheitsbelastenden Klebstoffen und Lacken erübrigen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenBei der herkömmlichen Rotorblattherstellung werden Flügelober- und -unterseite getrennt im Handlaminierverfahren produziert. Auch die Stützelemente werden so in einer eigenen Form gefertigt. In den weiteren Fertigungsschritten werden dann Flügeloberseite, Stützelement und Flügelunterseite unter Einsatz entsprechender Klebstoffe miteinander verklebt.
Im Vergleich dazu ergeben sich mit dem CNC-gesteuerten Wickelverfahren wesentliche Vorteile sowohl für den Herstellprozess als auch für das fertige Rotorblatt. Es ermöglicht eine genauere und reproduzierbare Flügelfertigung. In die Blattwurzel des Flügels wird ein faserverbundgerechtes Krafteinleitungselement integriert mit einer optimalen Anbindung an den Holm, der später die Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen sicherstellt. Infolge der wickeltechnischen Fertigung können die sicherheitskritischen Klebenähte an der Blattvorder- und -hinterkante, wie bei Blättern in Schalenbauweise vorhanden, vermieden werden.
Die mechanische Bearbeitung zum Anbringen von Krafteinleitungselementen entfällt. Der Verzicht auf den Einsatz von Klebstoffen entlastet die Umwelt und verringert gesundheitliche Belastungen der Mitarbeiter.


Ergebnisse und Diskussion

Mit dem neuen Herstellungsverfahren werden Rotorblätter für Windkraftanlagen in einem kombinierten Faserwickel- und Pressverfahren gefertigt. Dieses Verfahren ermöglicht konstruktive Verbesserungen am Rotorblatt, besonders aber werden keine Klebeharze zur Anbindung einer Krafteinleitung oder dem Verbinden von Ober- und Unterschale eingesetzt. Der Krafteinleitungsbolzen ist in dem Wickelprozess in der Weise integriert, dass auf die mechanische Bearbeitung des Flügels für eine nachgeschaltete Montage dieses Elementes verzichtet werden kann. Die sonst notwendigen Schleifarbeiten zur Vorbereitung der Schalenverklebung entfallen. Daraus resultieren deutlich geringere Staub- und Feinstaubemissionen. Die gesundheitliche Belastung der Mitarbeiter reduziert sich damit erheblich.
Nach der aerodynamischen Auslegung ist eine FEM gestützte Strukturberechnung gemäß IEC-Richtlinie 1400-2 durchgeführt worden.
Mit den Ergebnisdaten der Blattaußenkontur ist das Presswerkzeug hergestellt worden. Der für den wickeltechnischen Herstellprozess notwendige Wickeldorn wird in einem separaten Schäumwerkzeug gefertigt. In seiner Längsachse zerschnitten wird dieser PUR-Hartschaumkern schrittweise in den Wickelprozess integriert. Er ist in Polyurethan-Hartschaum ausgeführt, verbleibt im Rotorblatt und erfüllt die Spezifikationen der sonst üblichen Stützelemente. Nach dem Wickelprozess wird der Flügel in dem Presswerkzeug ausgehärtet.
An den Prototypen dieser Rotorblätter sind Festigkeitsuntersuchungen durchgeführt worden. In zwei Teststufen wurde die Festigkeit des Holmsegmentes, die Biege- und Torsionseigenfrequenzen sowie das Verhalten unter Querkraftbiegung getestet. Die Ergebnisse genügen den Anforderungen nach IEC-Richtlinie 1400-2.
Die Rotorblätter sind seit Juli 2000 an der Windenergieanlage der Fachhochschule Braunschweig/ Wolfenbüttel im Einsatz. In der Zeit vom 31.07. bis 09.11.2000 sind die Leistungskenndaten gemessen worden. Das Leistungs- und Drehmomentkennfeld charakterisieren ein Rotorblatt mit guten Leistungswerten bei sehr geringen Anlaufmomenten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Entwicklungsvorhaben und das dem Vorhaben zu Grunde liegende Fertigungsverfahren wurden der Öffentlichkeit von der DLR auf Messen und Tagungen vorgestellt.


Fazit

Im Rahmen des Projektes ist ein Herstellungsverfahren zur Fertigung von Rotorblättern in einem kombinierten Faserwickel- und Pressverfahren entwickelt und die Fertigungstechnologie zur Produktionsreife gebracht worden. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht eine deutliche Verringerung von Staub- und Feinstaubemissionen sowie den Einsatz von Klebeharzen.
Durch den Einsatz von Thermoplastfolien für die Flügeloberfläche kann neben dem Handlaminieren und Verkleben der beiden Flügelhälften auch auf das Lackieren des Rotorblattes verzichtet werden. Dies ist ein weiterer wesentlicher Beitrag, die Umweltbelastungen bei der Herstellung von faserverstärkten Rotorblättern deutlich zu senken.