Rotorblatt
Der Begriff Rotorblatt bezeichnet eine einzelne aerodynamische Fläche eines Rotors. Die Funktionsweise ist dieselbe wie bei einer Tragfläche, das Rotorblatt zeigt dasselbe Profil.
Der Begriff Rotorblatt wird hauptsächlich bei großen Rotoren von Hubschraubern, Windkraftanlagen (WKA) und Gebläsen verwendet. Umgangssprachlich wird auch von Flügel gesprochen. Dieser Begriff stammt aus der Zeit der Windmühlen. Bei Turbinen spricht man von Turbinenschaufel, bei Propellern von Propellerblatt.
Man unterscheidet Rotoren mit Rotorblattverstellung und solche ohne. Letztere sind in einem starren Winkel an der Nabe befestigt.
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Windkraftanlage[Bearbeiten]
Konstruktion von Rotorblättern für Windkraftanlagen[Bearbeiten]
Rotorblätter für Windkraftanlagen sind wesentlich für den Ertrag dieser Anlagen verantwortlich und stellen daher eine der Schlüsselkomponenten dar. Sie bestehen heute hauptsächlich aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GfK) und werden in Halbschalen-Sandwichbauweise hergestellt. Daneben werden auch Materialien wie PU-Schaum und Balsaholz verwendet. Bei einigen Rotorblättern kommt zunehmend auch Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) zum Einsatz.
Die Kräfte in Längsrichtung werden durch je einen oder mehrere Gurte aus Glas- oder Kohlenstofffasern, die meist in die Halbschalen integriert sind, aufgenommen. Die Gurte bestehen entweder aus Endlosfasern, sogenannten Rovings, oder unidirektionalen Gelegen.
Der Blattanschluss, auch Rotorblattflansch genannt, wird mit Einsätzen aus Stahl oder einem Stahlring versehen, um das Blatt an der Nabe zu befestigen. Dies erfolgt durch vorgespannte Schraubenverbindungen. Bei kleineren Rotorblättern kommen einreihige Flansche zum Einsatz, bei größeren einreihige oder zweireihige.
Die Rotorblätter haben ein integriertes Blitzschutzsystem. Dieses wird durch eingearbeitete Aluminiumprofile oder im Inneren des Rotorblattes verlaufende Stahlseile (auch zum Bedienen der Blattspitzenbremse) gebildet. In der Nähe der Blattspitze (Tip) befindet sich ein Kontaktpunkt, der mit dem Blitzschutz verbunden ist und als Einschlagpunkt für den Blitz dient. Andere Hersteller verwenden auch Blattspitzen aus Aluminium. Viele Blattspitzen haben aus aerodynamischen Gründen heute Winglets (siehe Foto).
Viele Hersteller bieten optional eine elektrische Rotorblattheizung an.[1] Dies vermeidet Eisbildung am Rotorblatt. Eis macht die Rotorblätter schwerer und erhöht ihren Strömungswiderstand.[2] Vor allem Anlagen im Gebirge oder in hohen Breitengraden stattet man mit einer solchen Heizung aus. Von Rotorblättern abbrechende und herunterfallende Eisstücke nennt man Eisabwurf.[3] Vereisungsbedingungen an Windkraftanlagen wurden im Rahmen des Forschungsprojektes WECO (Wind Energy Production in Cold climates) umfassend untersucht. Eine Vereisungskarte für Europa wurde erstellt; sie stellt dar, für wie viele Tage im Jahr mit Vereisungswetterlagen zu rechnen ist.[4]
Viele WKA-Produzenten fertigen ihre Rotorblätter selbst bzw. lassen sie von Tochtergesellschaften fertigen. Dazu zählen z. B. Vestas, Enercon und Nordex. Einige kaufen Blätter zusätzlich oder ausschließlich von Lieferanten. Größter unabhängiger Produzent ist LM Glasfiber. Ein weiteres Unternehmen in Deutschland, das nur Rotorblätter herstellt, ist die SGL Rotec GmbH & Co. KG in Lemwerder. Sie ist eine 49-prozentige Tochter des Yachtunternehmens Abeking & Rasmussen. 51 % der Anteile gehören der SGL Carbon. Seit den 1980ern stellt Rotec Rotorblätter aus Kunststoff her; davor (seit 1926) Rotorblätter aus Holz für Wasserpumpen.[5]
Moderne Rotorblätter mit einer Länge von rund 46 Metern wiegen pro Stück etwa acht bis neun Tonnen.
Abmessung von Rotorblättern für Windkraftanlagen[Bearbeiten]
Den Rekord für den größten Rotordurchmesser hält derzeit eine Siemens-Windkraftanlage mit einer Rotorblattlänge von 75 Metern und 6 MW Nennleistung.[6] Die Rotorblätter der derzeit (2012) größten am Markt verfügbaren Anlagen sind über 60 m lang (siehe z. B. REpower 6M: Rotorlänge = 61,5 m; Rotordurchmesser 126 m; ca 20 t/Stück; 6 MW oder Enercon E-126 mit 7,5 MW; 127 m Rotordurchmesser).
Ein mit 83,5 Metern noch längeres Rotorblatt (Stand: 10/2012) wird in den nächsten Monaten vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Bremerhaven getestet.[7]
siehe auch Liste europäischer Windkraftanlagentypen (die Liste kann man nach Rotordurchmesser sortieren)
Hubschrauber[Bearbeiten]
Materialien[Bearbeiten]
Bei den Rotoren von Hubschraubern und Tragschraubern kommen Stahl, Titan, Leichtmetall und Faserverbundwerkstoffe wie z. B. Glasfaser- (GFK) und Kohlenstofffaserverbunde (CFK) zum Einsatz. Früher wurde auch vielfach noch Holz verwendet. GFK-Blätter wurden erstmals bei dem Kamow Ka-26 und dann bei der Bo 105 im Zusammenhang mit elastischer Aufhängung und gelenklosem Rotorkopf (vgl. Taumelscheibe) eingesetzt. Die wegen der zahlreichen Gelenke bei klassischen Konstruktionen besonders aufwendige Wartung des Rotorkopfs wird damit deutlich vereinfacht, allerdings müssen die Blätter regelmäßig auf Materialermüdung untersucht werden.
Die Rotorblätter tragen das volle Gewicht des Hubschraubers. Zusätzlich müssen sie die Fliehkraft der Rotation aushalten und dabei ein möglichst geringes Gewicht aufweisen. Um diese Vorgaben zu erfüllen, sind sie häufig aus hochfesten Verbundwerkstoffen gefertigt. Manche Rotoren sind mit Dehnungsmessstreifen ausgestattet, mit denen im Betrieb die Belastung gemessen wird.
Im Modellbaubereich werden Rotorblätter aus Holz, einfachem Kunststoff, GFK und CFK genutzt. Bei modernen CFK-Rotorblätter für Modellhubschrauber bildet ein Schaumstoffkern zusammen mit einem CFK-Holm das Gerüst und verleiht dem Rotorblatt die erforderliche Druck- und Biegefestigkeit. Das Profil wird aus mehreren Lagen Kohlefasermatten geformt, die für die nötige Torsionsfestigkeit sorgen.
Rotorblattformen[Bearbeiten]
Bei Rotorblättern für Hubschrauber werden vier Grundformen unterschieden. Bei der trotz schlechterer aerodynamischer Eigenschaften am häufigsten verwendeten Rechteckform hat das Rotorblatt über die Gesamtlänge eine gleiche Tiefe. Diese Bauform ist sowohl in der Herstellung als auch in der Wartung kostengünstiger. Bei der Trapezform hat das Rotorblatt von der Blattwurzel bis zur Blattspitze eine abnehmende Tiefe. Da die Anströmgeschwindigkeit und damit auch der Auftrieb an der Blattspitze höher ist als an der Blattwurzel, wird durch die Trapezform ein Ausgleich des Auftriebes über die gesamte Blattlänge erreicht. Bei der Doppeltrapezform nimmt die Tiefe des Rotorblattes von der Blattwurzel zur Blattmitte zunächst zu und dann zur Blattspitze wieder ab. Bei der Rechtecktrapezform ist die Tiefe von der Blattwurzel zur Blattmitte zunächst gleich und nimmt dann zur Blattspitze hin ab [8]:231.
Um die Flugleistungen von Hubschraubern zu verbessern, setzt man neuerdings teils zum Blattende hin verbreiterte Formen ein, so beim Westland Lynx AH Mk.7, dem mit 400 km/h aktuell schnellsten bekannten Hubschrauber.
Rotorblattprofile[Bearbeiten]
Das Rotorblatt hatte früher oft ein symmetrisches Profil, um die Druckpunktwanderung bei verschiedenen Anstellwinkeln und damit entsprechende Kompensationskräfte zu verhindern. Solche Rotorblätter weisen auf der Ober- und Unterseite ein gleiches Profil auf und erzeugen bei einem 0°-Anstellwinkel weder Auf- noch Abtrieb. Dieser wird ausschließlich durch Änderung des Anstellwinkels des Rotorblattes erzeugt. Halbsymmetrische Rotorblätter weisen auf der Ober- und Unterseite ein identisches Profil auf, das auf der Unterseite jedoch "dünner" ausgeprägt ist. Sie erzeugen bei positivem Anstellwinkel mehr Auftrieb und bei negativem Anstellwinkel mehr Abtrieb als Rotorblätter mit symmetrischem Profil. Rotorblätter mit S-Schlag-Profil sind auf der Unterseite fast gerade und somit auf optimalen Auftrieb ("Hubkraft") ausgelegt[9]. Sie halten die Drehmomentkräfte am Neutralpunkt gering.
| Profil | Vorteile (Modellhubschrauber)[10]. | Nachteile (Modellhubschrauber) |
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Die Konstruktion von Rotorblättern mit unterschiedlichen Blatttiefen ist sehr komplex. Um trotzdem einen gleichmäßigen Auftrieb über die gesamte Rotorblattlänge zu erreichen, werden diese oft geschränkt. Dabei wird z. B. der Anstellwinkel an der Blattwurzel groß gewählt und nimmt zur Blattspitze hin (ggf. bis auf 0°) ab[8]:232.
Vorlauf[Bearbeiten]
Sofern keine anderen Einflüsse einwirken, strecken sich Rotorblätter, deren Schwerpunkt auf der parallel zur Rotorblattkante verlaufenden und die Befestigungsöse mittig schneidenden Linie liegt, aufgrund der durch die Rotation entstehenden Fliehkräfte genau in die Verlängerung des starren Blatthalters.
Wenn der Schwerpunk des Rotoblattes nicht auf dieser Linie liegt, wirken die Fliehkräfte nicht wie oben beschrieben im 90°-Winkel zur Rotationsachse auf das Rotorblatt. Die Vorderkante des Rotorblattes dreht sich dann so lange um die Befestigungsöse vor bzw. zurück, bis der Schwerpunkt des Rotorblattes wieder im 90°-Winkel zur Rotationsachse liegt, sofern keine anderen Einflüsse auf das Rotorblatt einwirken. Dieses Verhalten wird Vorlauf genannt. Schiebt sich die Vorderkante nach vorne, spricht man von positivem Vorlauf (die Blattspitze eilt in Drehrichtung voraus); schiebt sie sich nach hinten, spricht man von negativem Vorlauf oder Nachlauf (die Blattspitze hängt in Drehrichtung nach).
Der Strömungswiderstand, dem das Rotorblatt aufgrund seiner hohen Umlaufgeschwindigkeit ausgesetzt ist, verringert den Vorlauf bzw. vergrößert den Nachlauf des Rotorblattes. Durch konstruktive Verlagerung des Schwerpunktes kann das Rotorblatt so eingestellt werden, dass es sich im vorgesehenen Drehzahlbereich des Hauptrotors unter Berücksichtigung des Strömungswiderstandes möglichst geradlinig in Bezug zum Blatthalter ausrichtet und somit weder Vor- noch Nachlauf aufweist.
Neben einem verlagerten Blattschwerpunkt und dem Strömungswiderstand wirken sich auch aeroelastischen Effekte auf den Vorlauf eines Rotorblattes aus.
Siehe auch[Bearbeiten]
Weblinks[Bearbeiten]
- Bundesverband Windenergie, Informationszentrum Technik
- FH Bremen: 'Projekt Rotorblatt' (2008, ODF, 54 S.) (PDF; 2,6 MB)
- Polymere vermindern Adhäsion von Eis auf Rotorblättern (2012)
Literatur[Bearbeiten]
- Ernst Götsch: Luftfahrzeugtechnik. Motorbuchverlag, Stuttgart 2003, ISBN 3-613-02006-8.
Einzelnachweise[Bearbeiten]
- ↑ http://windmesse.de
- ↑ (1999) (PDF; 935 kB), Schweizer Forscher untersuchen Möglichkeiten, Windkraftanlagen von Frost zu befreien (2011)
- ↑ Gefährdungspotenzial durch Eisabwurf von einer Windenergieanlage (PDF; 47 kB)
- ↑ Bengt Tammelin, Massimo Cavaliere, Hannelore Holtinnen, Colin Morgan, Henry Seifert, Kristiina Säntti (2000): Wind Energy in Cold Climate, Final Report WECO. Finish Meteorological Institute, Helsinki 2000, ISBN 951-697-518-6.
- ↑ www.sglgroup.com
- ↑ Siemens-WKA hat 6 MW und 75 Meter lange Flügel
- ↑ Rotorblatt mit 83,5 Metern
- ↑ a b Niels Klußmann und Arnim Malik, "Lexikon der Luftfahrt", Springer Verlag, Berlin und Heidelberg, 3. Auflage 2012, ISBN 978-3642224997
- ↑ Magazin ROTOR, Ausgabe 1/2013, S. 47 ff., Modellsportverlag, Baden-Baden
- ↑ Magazin ROTOR, Ausgabe 1/2013, S. 48-49, Modellsportverlag, Baden-Baden
