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Bei sehr großen Rotorblättern der Kategorie 5MW oder mehr werden nur an den im Hinblick
auf die Festigkeit besonders kritischen Stellen auch Kohle- oder Carbonfasern (CFK) einge-
setzt, da die Kosten der Carbonfasern wesentlich höher als die der Glasfasern sind. So kos-
ten Glasfaserlaminate ca. 7 Euro/kg, Kohlefaserlaminate dagegen ca. 70 Euro/kg. Die für Fa-
serlaminate verwendeten Epoxy-Harze kosten ca. 7,5 Euro/kg, im Vergleich dazu: Stahl ca.
0,15 Euro/kg, Aluminium ca. 0,5 Euro/kg (Stand: Mitte 2011). Bei dem Gewicht eines Rotor-
blattes der 5MW-Klasse von ca. 16 t mit einemFaservolumengehalt von 50-60 Prozent sind die
Materialkosten also ein erheblicher Kostenfaktor. Als Laminierharze werden fast nur Epoxy-
Harze (EP-Harze) eingesetzt, obwohl diese etwa dreimal so teuer sind wie die ebenfalls geeig-
neten Polyurethan-Harze (PU-Harze).
In diesem Kapitel sollen die statischen und dynamischen Belastungen sowie die Methoden
zur festigkeitsmäßigen und schwingungstechnischen Auslegung von Rotorblättern beschrie-
ben werden. Dabei wird auf die Herleitungen der verwendeten Gleichungen weitgehend ver-
zichtet, da diese in den Grundlagenwerken der Technischen Mechanik oder Festigkeitslehre
in der Rotorblattfertigung am meisten benutzten Faserverbundwerkstoffe und deren Berech-
nungen sowie auf die Fertigung von Rotorblättern eingegangen werden.
5.2 Belastungen der Rotorblätter
5.2.1 Belastungsarten
Die Belastungen von Rotorblättern durch den Wind sind bereits in dem vorgehenden Kapi-
tel behandelt worden. Sie sollen hier nochmals zusammengestellt werden, um ihren Einfluss
auf die Kurz- und Langzeitfestigkeit zu erfassen und beschreiben. Je nach Art der Belastung
kann diese einmalig, periodisch, d. h. bei jeder Umdrehung des Rotors, oder stochastisch auf-
treten. Im Hinblick auf die zeitlichen Änderungen muss man zwischen statischen bzw. quasi-
statischen und dynamischen Lasten unterscheiden. Als dynamische Belastungen werden alle
zeitlich veränderliche Belastungen betrachtet, die das betrachtete System zu Schwingungen
anregen können. Wenn die Eigenfrequenzen der Strukturen deutlich kleiner oder größer als die
Anregungsfrequenzen sind, können die zeitlich veränderlichen Belastungen als quasistatisch
betrachtet werden, da die Strukturen i. A. dann nur sehr gering zu Schwingungen angeregt wer-
den. Sie werden dann wie statische Belastungen behandelt. Liegen die Anregungsfrequenzen
in der Nähe von Bauteileigenfrequenzen, kann es zu Schwingungsresonanzen kommen, die
eine deutlich höhere Belastung der Bauteile verursachen.
Die Belastungsarten eines Rotorblattes ergeben sich aus:
Winddruck bei konstanter Windgeschwindigkeit (konstant, statisch)
Á
Extremwind durch die 50-Jahres- oder 100-Jahres-Böe (einmalig, quasi-statisch)
Á
Änderung der Anströmgeschwindigkeit und -richtung durch die Verteilung der Windge-
schwindigkeit über der Höhe (Windhöhenprofil), das oben stehende Rotorblatt liegt im
Bereich einer größeren Windgeschwindigkeit als das unten stehende (periodisch, quasi-
statisch)
Á
