DE102007020338A1

DE102007020338A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Blättern

Info

Publication number: DE102007020338A1
Application number: DE102007020338A
Authority: DE
Inventors: Sjef Van Breugel; Jan Willem Bakhuis; Andy John Billen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: LM WIND POWER A/S, DK
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2007-04-30
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2027-05-01
Also published as: CN101062594B; CN101062594A; DK178536B1; US20070251090A1; DK200700628A; DE102007020338B4

Abstract

Ein Verfahren (100) zum Herstellen eines Blattes (24) unter Verwendung eines Formkörpers bzw. eines Formmodells mit einer Form, die einer vorgegebenen Endform wenigstens eines Abschnitts des Blattes entspricht. Das Verfahren enthält das Stapeln (102) mehrerer Schichten (32) aus einem Material in dem Formkörper, das Stapeln (104) wenigstens einer Komponente mit dem Stapel aus den mehreren Schichten, wobei die Komponente eine Zusammensetzung ist, die ein aushärtendes Harz und wenigstens eine Faserschicht enthält, und das Laminieren (110) des Stapels aus den mehreren Schichten und der Komponente.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Blätter, die als Windturbinen-Rotorblätter genutzt werden können, und insbesondere auf Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Blättern.
Im Allgemeinen umfasst eine Windturbine einen Rotor mit mehreren Blättern. Der Rotor ist an einem Gehäuse oder einer Gondel angebracht, das bzw. die auf einem Tragwerk oder einem rohrförmigen Turm bzw. Mast angebracht ist. Windturbinen der Nutzklasse (d. h. Windturbinen, die entworfen worden sind, um elektrische Leistung an ein Stromnetz zu liefern) können große Rotoren (z. B. von 30 oder mehr Metern im Durchmesser) besitzen. Blätter an diesen Rotoren transformieren Windenergie in ein Drehmoment oder eine Drehkraft, das bzw. die einen oder mehrere Generatoren antreibt, die im Allgemeinen, jedoch nicht immer über ein Getriebe mit dem Rotor rotatorisch gekoppelt sind. Das Getriebe erhöht die inhärent niedrige Drehzahl des Turbinenrotors, damit der Generator mechanische Energie effizient in elektrische Energie umsetzt, die in ein Stromnetz eingespeist wird. Getriebelose Direktantriebsturbinen gibt es ebenfalls.
Wenigstens einige herkömmliche Windturbinenrotorblätter werden hergestellt, indem ein Stapel von Schichten, beispielsweise Schichten aus Faser, Metall, Kunststoff und/oder Holz, laminiert wird, um eine zusammengesetzte Schale zu bilden, die eine vorgegebene aerodynamische Form besitzt. Die laminierte Rotorblattschale kann auch weitere Komponenten enthalten, die mit den Schichten aus Faser, Metall, Kunststoff und/oder Holz laminiert werden. Beispielsweise kann Kernmaterial zwischen zwei benachbarte Schichten in dem Stapel gelegt werden, um das Rotorblatt beispielsweise gegen Verwindung infolge von Windlasten zu verstärken. Außerdem können beispielsweise Abschnitte der laminierten Rotorblattschale in der Nähe von inneren Stützholmen eine oder mehrere Stützschichten aus Gewebe, Metall, Kunststoff und/oder Holz, die manchmal als Holmgurte bezeichnet werden, umfassen, um die Abschnitte zur Verbindung mit den Innenholmen zu verstärken. Ferner können beispielsweise Abschnitte der laminierten Rotorblattschale in der Nähe eines Wurzelabschnitts des Rotorblattes eine oder mehrere Stützschichten aus Gewebe, Kunststoff, Metall und/oder Holz umfassen, um den Wurzelabschnitt zu verstärken und eine Beschädigung daran infolge von Scherkräften und/oder des Rotordrehmoments zu verringern oder zu verhindern.
Wenigstens manche herkömmliche laminierte Rotorblattschalen werden hergestellt, indem ein Stapel aus den Gewebe-, Metall-, Kunststoff- und/oder Holzschichten und Schichten aus anderen Komponenten zusammen mit einem Harz laminiert werden. Beispielsweise können die Schichten in einem Formkörper gestapelt werden, der die vorgegebene aerodynamische Form besitzt. Alternativ können die Schichten beispielsweise um einen Dorn, der die vorgegebene aerodynamische Form besitzt, gewickelt werden, um den Stapel zu erzeugen. Das Harz kann in die Schichten infundiert werden, beispielsweise unter Verwendung eines Vakuumbeutelsystems, was das Formen der Schichten in die Form des Formkörpers bzw. des Formmodells ebenfalls erleichtern kann. Alternativ können die Schichten jeweils mit Harz imprägniert und/oder beschichtet werden, bevor sie in den Formkörper gestapelt oder um den Dorn gewickelt werden. Jedoch kann es schwierig und/oder zeitaufwändig sein, manche Komponenten von Rotorblattschalen, beispielsweise Holmgurte, Kernmaterial und/oder Wurzelabschnittunterstützungen, so zu formen, dass sie die Rotorblattschale ausreichend unterstützen und zu der vorgegebenen aerodynamischen Form geformt werden, beispielsweise wegen einer Größe der Schichten, lokalen Schwankungen des Harzgehalts, lokalen Schwankungen der Krümmung der Schichten und/oder lokalen Schwankungen der auf die Schale während ihrer Fertigung ausgeübten Belastungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines Blattes unter Verwendung eines Formkörpers bzw. eines Formmodells mit einer Form, die einer vorgegebenen Endform wenigstens eines Abschnitts des Blattes entspricht, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Stapeln mehrerer Schichten aus einem Material in dem Formkörper, das Stapeln wenigstens einer Komponente mit dem Stapel aus den mehreren Schichten, wobei die Komponente eine Zusammensetzung ist, die ein aushärtendes Harz und wenigstens eine Faserschicht umfasst, und das Laminieren des Stapels aus den mehreren Schichten und der Komponente.
Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines Blattes unter Verwendung einer Formkörper bzw. eines Formmodells mit einer Form, die einer vorgegebenen Endform wenigstens eines Abschnitts des Blattes entspricht, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Stapeln mehrerer Schichten aus einem Material in dem Formkörper, das Stapeln wenigstens einer Komponente mit dem Stapel aus den mehreren Schichten, wobei die Komponente eine Form aufweist, die der vorgegebenen Endform wenigstens eines Abschnitts des Blattes entspricht, und das Laminieren des Stapels aus den mehreren Schichten und der Komponente.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines Blattes unter Verwendung eines Filamentwickelprozesses bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Dorns mit einer Form, die einer vorgegebenen Endform wenigstens eines Abschnitts des Blattes entspricht, das Wickeln von Fasern um den Dorn, um mehrere Schichten aus der Faser zu bilden, das Positionieren wenigstens einer Komponente in der Nähe wenigstens einer Schicht der mehreren Faserschichten, wobei die Komponente eine Form aufweist, die der vorgegebenen Endform wenigstens eines Abschnitts des Blattes entspricht, und/oder wenigstens eine Faserschicht mit einem aushärtenden Harz durchdrungen ist, und das Laminieren der mehreren Faserschichten und der Komponente.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Windturbine.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Rotorblattes zur Verwendung mit der in 1 gezeigten Windturbine.
3 ist eine längs der Linie 3-3 in 2 aufgenommene Querschnittsansicht des in 2 gezeigten Rotorblattes.
4 ist ein Ablaufplan, der eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen des in den 2 und 3 gezeigten Rotorblattes veranschaulicht.
5 ist ein Ablaufplan, der eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen des in den 2 und 3 gezeigten Rotorblattes veranschaulicht.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Begriff "Blatt", wie er hier verwendet wird, soll jede Vorrichtung kennzeichnen, die, wenn sie in Bezug auf ein umgebendes Fluid in Bewegung ist, eine Reaktionskraft liefert. Der Begriff "Windturbine", wie er hier verwendet wird, soll jede Vorrichtung kennzeichnen, die aus Windenergie Rotationsenergie erzeugt und genauer kinetische Windenergie in mechanische Energie umsetzt. Der Begriff "Windgenerator", wie er hier verwendet wird, soll jede Windturbine kennzeichnen, die aus Rotationsenergie, die aus Windenergie erzeugt wird, elektrische Leistung erzeugt und genauer mechanische Energie, die aus kinetischer Windenergie umgesetzt wird, in elektrische Leistung umsetzt. Der Begriff "Windmühle", wie er hier verwendet wird, soll jede Windturbine kennzeichnen, die aus Windenergie erzeugte Rotationsenergie und genauer aus kinetischer Windenergie umgesetzte mechanische Energie zu einem vorgegebenen Zweck, der nicht das Erzeugen elektrischer Leistung beinhaltet, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, zum Pumpen eines Fluids und/oder zum Zerkleinern einer Substanz verwendet.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer beispielhaften Windturbine 10. Die hier beschriebene und gezeigte Windturbine 10 umfasst einen Windgenerator 12 zum Erzeugen elektrischer Energie aus Windenergie. Jedoch kann die Windturbine 10 in manchen Ausführungsformen zusätzlich oder alternativ zum Windgenerator 12 irgendeinen Typ von Windturbine wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, eine Windmühle (nicht gezeigt) umfassen. Außerdem weist die hier beschriebene und gezeigte Windturbine 10 eine Horizontalachsenkonfiguration auf. Jedoch kann in manchen Ausführungsformen die Windturbine 10 zusätzlich oder alternativ zur Horizontalachsenkonfiguration eine Vertikalachsenkonfiguration (nicht gezeigt) aufweisen. Die Windturbine 10 kann mit einem Stromnetz (nicht gezeigt) gekoppelt sein, um von diesem elektrische Leistung zu empfangen, um die Windturbine 10 und/oder ihre zugeordneten Komponenten zu betreiben bzw. deren Betrieb zu steuern, und/oder an dieses durch die Windturbine 10 erzeugte elektrische Leistung zu liefern. Obwohl in 1 nur eine Windturbine 10 gezeigt ist, können in manchen Ausführungsformen mehrere Windturbinen 10 zusammengefasst sein, die manchmal als "Windfarm" bezeichnet werden.
In manchen Ausführungsformen ist der Windgenerator 12 auf einem Turm bzw. Mast 14 angebracht, jedoch umfasst in manchen Ausführungsformen die Windturbine 10 zusätzlich oder alternativ zu dem auf einem Turm angebrachten Windgenerator 12 einen Windgenerator (und/oder anderen Typ von Windturbine) in der Nähe des Bodens und/oder einer Wasserfläche. Die Höhe des Turms 14 kann auf der Grundlage von Faktoren und Bedingungen, die an sich bekannt sind, gewählt werden. Der Windgenerator 12 umfasst einen Körper 16, der manchmal als "Gondel" bezeichnet wird, und einen Rotor (allgemein mit 18 bezeichnet), der zur Drehung in Bezug auf den Körper 16 um eine Drehachse 20 mit dem Körper 16 gekoppelt ist. Der Rotor 18 umfasst eine Nabe 22 und mehrere Blätter 24 (manchmal als "Flügel" bezeichnet), die sich von der Nabe 22 radial nach außen erstrecken, um Windenergie in Rotationsenergie umzusetzen. Jedes Blatt 24 erstreckt sich zwischen einem Wurzelabschnitt 26, der mit der Rotornabe 22 gekoppelt ist, und einem Spitzen- bzw. Kopfabschnitt 28. Obwohl der Rotor 18 hier mit drei Blättern 24 gezeigt ist und beschrieben wird, kann der Rotor 18 eine beliebige Anzahl von Blättern 24 aufweisen. Die Blätter 24 weisen (ob nun hier beschrieben oder nicht) jeweils irgendeine Länge und/oder Breite auf. Beispielsweise sind in manchen Ausführungsformen eine oder mehrere Rotorblätter 24 etwa 0,5 Meter lang, während in manchen Ausführungsformen eine oder mehrere Rotorblätter 24 etwa 50 Meter lang sind. Andere Beispiele von Längen von Blättern 24 umfassen 10 Meter oder weniger, etwa 20 Meter, etwa 34 Meter, etwa 37 Meter und etwa 40 Meter. Beispiele von Blattbreiten umfassen zwischen etwa 0,5 Meter und etwa 10 Meter.
Ungeachtet dessen, wie in 1 die Rotorblätter 24 gezeigt sind, kann der Rotor 18 Blätter 24 irgendeiner Form aufweisen und kann Blätter 24 irgendeines Typs und/oder irgendeiner Konfiguration aufweisen, ob eine solche Form, ein solcher Typ und/oder eine solche Konfiguration nun hier beschrieben und/oder gezeigt ist oder nicht. Ein Beispiel eines anderen Typs, einer anderen Form und/oder einer anderen Konfiguration von Rotorblättern 24 ist ein Mantelrotor (nicht gezeigt) mit einer Turbine (nicht gezeigt), die in einem Kanal (nicht gezeigt) aufgenommen ist. Ein anderes Beispiel eines weiteren Typs, einer weiteren Form und/oder einer weiteren Konfiguration von Rotorblättern 24 ist eine Darrieus-Windturbine, die manchmal als "Schneebesen"-Turbine bezeichnet wird. Ein nochmals anderes Beispiel eines weiteren Typs, einer weiteren Form und/oder einer weiteren Konfiguration von Rotorblättern 24 ist eine Savonious-Windturbine. Ein nochmals anderes Beispiel eines weiteren Typs, einer weiteren Form und/oder einer weiteren Konfiguration von Rotorblättern 24 ist eine herkömmliche Windmühle zum Pumpen von Wasser wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, Vierblattrotoren mit hölzernen Schalungen und/oder Stoffsegeln. Zudem kann eine Windturbine 10 in manchen Ausführungsformen eine Windturbine sein, bei der der Rotor 18 im Allgemeinen gegen den Wind gerichtet ist, um Windenergie nutzbar zu machen, und/oder eine Windturbine sein, bei der Rotor 18 im Allgemeinen mit dem Wind ausgerichtet ist, um Energie nutzbar zu machen. Natürlich muss der Rotor 18 in irgendwelchen Ausführungsformen nicht exakt gegen den Wind und/oder mit dem Wind ausgerichtet sein, sondern kann im Allgemeinen in irgendeinem Winkel (der veränderlich sein kann) in Bezug auf eine Richtung des Windes ausgerichtet sein, um daraus Energie nutzbar zu machen.
Der Windgenerator 12 umfasst einen Stromerzeuger (nicht gezeigt), der mit einem Rotor 18 gekoppelt ist, um aus der vom Rotor 18 erzeugten Rotationsenergie elektrische Leistung zu erzeugen. Der Stromerzeuger 26 kann irgendein geeigneter Typ von Stromerzeuger wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, ein Induktionsgenerator mit gewickeltem Rotor sein. Der allgemeine Betrieb des Stromerzeugers zum Erzeugen elektrischer Leistung aus der Rotationsenergie des Rotors 18 ist an sich bekannt und wird daher hier nicht ausführlicher beschrieben. In manchen Ausführungsformen kann die Windturbine 10 ein oder mehrere Steuersysteme (nicht gezeigt), Betätigungsmechanismen und/oder Sensoren (nicht gezeigt) umfassen, die mit einigen oder sämtlichen der Komponenten des Windgenerators 12 gekoppelt sind, um im Allgemeinen den Betrieb des Windgenerators 12 und/oder einiger oder sämtlicher seiner Komponenten (ob solche Komponenten nun hier beschrieben und/oder gezeigt sind oder nicht) zu steuern. Beispielsweise können ein oder mehrere Steuersysteme, ein oder mehrere Betätigungsmechanismen und/oder ein oder mehrere Sensoren für die Gesamtsystemüberwachung und -steuerung einschließlich beispielsweise der Neigungs- und Drehzahlregelung, der Hochgeschwindigkeitswellen- und Gierbremsenbetätigung, Gier- und Pumpenmotorbetätigung und/oder Fehlerüberwachung verwendet werden, sind jedoch nicht darauf begrenzt. In manchen Ausführungsformen können alternative verteilte oder zentrale Steuerarchitekturen verwendet werden. Der allgemeine Betrieb der Windturbine 10 und insbesondere des Windgenerators 12 ist an sich bekannt und wird daher hier nicht ausführlicher beschrieben.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Rotorblattes 24 zur Verwendung mit der Windtur bine 10 (in 1 gezeigt). 3 ist eine längs der Linie 3-3 in 2 genommene Querschnittsansicht eines Rotorblattes 24. Eine zusammengesetzte Schale 30 des Blattes 24 wird manchmal unter Verwendung mehrerer Materialschichten 32, die mit einem Harz wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, einem Epoxid-, einem Vinylester- und/oder einem Polyesterharz zusammenlaminiert sind, hergestellt. Jede Schicht 32 kann irgendein oder irgendwelche geeigneten Materialien wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, Metall, Kunststoff, Holz und/oder Faser wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, Glasfaser, Kohlefaser und/oder Aramidfaser umfassen. Die Schale 30 kann außerdem mit den Schichten 32 laminierte Schichten aus anderen Komponenten umfassen. Beispielsweise umfasst die beispielhafte Schale 30 des beispielhaften Blattes 24 ein Kernmaterial 34, das zwischen zwei benachbarten Schichten 32 angeordnet ist, um das Verstärken der Schale 30 und/oder des Blattes 24 im Allgemeinen zu fördern und beispielsweise die Schale 30 und/oder das Blatt 24 im Allgemeinen gegen Verwindung infolge von Windlasten zu unterstützen. Obwohl vier Schichten 32 gezeigt sind, kann die Schale 30 irgendeine Anzahl von Schichten 32 umfassen. Obwohl nur eine Schicht aus Kernmaterial 34 gezeigt ist und obwohl das Kernmaterial 34 als zwischen zwei benachbarte Schichten 32 gelegt gezeigt ist, kann außerdem die Schale 30 irgendeine Anzahl von Schichten aus Kernmaterial 34 umfassen, wovon jede irgendwo innerhalb der Schale 30 angeordnet ist, womit das Kernmaterial 34 wie hier beschrieben wirken kann. Obwohl das Kernmaterial 34 dicker als jede Schicht 32 gezeigt ist, kann ferner jede Schicht aus Kernmaterial 34 irgendeine geeignete Dicke, ob nun größer, kleiner und/oder im Wesentlichen gleich einer oder mehreren Schichten 32, aufweisen, die dem Kernmaterial ermöglicht, wie hier beschrieben zu wirken. Ähnlich kann jede Schicht 32 irgendeine geeignete Dicke, ob nun größer, kleiner und/oder im Wesentlichen gleich einer oder mehreren Schichten 32, aufweisen, die es den Schichten 32 ermöglicht, wie hier beschrieben zu wirken. Das Kernmaterial 34 kann irgendeine oder irgendwelche geeigneten Materialien wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, Balsaholz, PVC-Schaum, Styrol-Acryl-Nitrat-(SAN)-Schaum, PE-Schaum, eine Metallwabe wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, eine Aluminiumwabe und/oder ein Gewebe wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, eine Polyesterkernmatte umfassen.
Um die Schale 30 zu unterstützen und/oder zu verstärken, kann das Blatt 24 ein oder mehrere innere Strukturelemente 36, die manchmal als Holme bezeichnet werden, umfassen. Obwohl das eine oder die mehreren Strukturelemente 36 irgendeinen geeigneten Ort und/oder irgendeine geeignete Orientierung, Struktur, Konfiguration und/oder Anordnung besitzen kann/können, die den ein oder mehreren Elementen 36 ermöglichen, wie hier beschrieben zu wirken, ist das beispielhafte Strukturelement 36 des beispielhaften Blattes 24 ein Kastenholm, der zwei Holmgurte 38 und 40 (die manchmal als Komponenten der Schale 30 betrachtet werden können), die sich jeweils zwischen zwei Scherstegen 42 und 44, die die Schale 30 unterstützen und/oder verstärken, erstrecken, umfasst. Die Holmgurte 38 und 40 unterstützen und/oder verstärken im Allgemeinen die Schale 30 in der Nähe der Scherstege 42 und 44, um beispielsweise das Verringern oder Verhindern einer Beschädigung an der Blattschale 30 in der Nähe der Stelle, an der die Stege 42 und 44 damit verbunden sind, zu fördern. Jeder Holmgurt 38 und 40 kann eine oder mehrere Schichten (nicht gezeigt), jeweils aus irgendeinem oder irgendwelchen geeigneten Materialien, die den Holmgurten 38 und 40 ermöglichen, wie hier beschrieben zu wirken, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, Metall, Kunststoff, Holz und/oder Faser wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, Glasfaser, Kohlefaser und/oder Aramidfaser umfassen. Beispielsweise können die Holmgurte 38 und 40 eine Schicht (nicht gezeigt) aus Kernmaterial wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, Balsaholz, PVC-Schaum, Styrol-Acryl-Nitrat-(SAN)-Schaum, PE-Schaum, eine Metallwabe wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, eine Aluminiumwabe und/oder ein Gewebe wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, eine Polyesterkernmatte, die zwischen zwei Faserschichten (nicht gezeigt) gelegt ist, umfassen. Obwohl die Holmgurte 38 und 40 mit einer größeren Dicke als die Stege 42 und 44 gezeigt sind, kann jeder eine kleinere, größere oder im Wesentlichen gleiche Dicke wie die Stege 42 und/oder 44 besitzen. Jeder Schersteg 42 und 44 kann eine oder mehrere Schichten (nicht gezeigt), jeweils aus irgendeinem oder irgendwelchen geeigneten Materialien, die den Scherstegen 42 und 44 ermöglichen, wie hier beschrieben zu wirken, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, Metall, Kunststoff, Holz und/oder Faser wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, Glasfaser, Kohlefaser und/oder Aramidfaser umfassen. Beispielsweise können die Scherstege 42 und 44 eine Schicht (nicht gezeigt) aus Kernmaterial wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, Balsaholz, PVC-Schaum, Styrol-Acryl-Nitrat-(SAN)-Schaum, PE-Schaum, eine Metallwabe wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, eine Aluminiumwabe und/oder ein Gewebe wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, eine Polyesterkernmatte, die zwischen zwei Faserschichten (nicht gezeigt) angeordnet ist, umfassen. Obwohl die Scherstege 42 und 44 in 3 jeweils an einem bestimmten beispielhaften Ort auf einer Sehnenlänge CL des Blattes 24 gezeigt sind, können sie auf irgendeiner geeigneten Sehnenlänge angeordnet sein, die ihnen ermöglicht, wie hier beschrieben zu wirken. Die ein oder mehreren Strukturelemente 36 einschließlich der Stege 42 und 44 und/oder der Holmgurte 38 und 40 können sich über eine gesamte Spannlänge SL des Blattes 24 erstrecken. Alternativ können sich die ein oder mehreren Strukturelemente 36 einschließlich der Stege 42 und 44 und/oder der Holmgurte 38 und 40 lediglich über einen Abschnitt der Blattspannlänge SL erstrecken.
Um die Schale 30 in der Nähe des Wurzelabschnitts 26 zu unterstützen und/oder zu verstärken, kann das Blatt 24 zusätzlich zu den Schichten 32 und dem Kernmaterial 34 eine oder mehrere zusätzliche Materialschichten umfassen. Obwohl zwei Schichten 46 und 48 gezeigt sind, kann die Schale 30 irgendeine Anzahl zusätzlicher Schichten umfassen, um die Schale 30 in der Nähe des Wurzelabschnitts 26 zu unterstützen und/oder zu verstärken. Außerdem können sich die Schichten 46 und 48 über irgendeinen Abschnitt der Blattspannlänge SL erstrecken. Bei dem beispielhaften Blatt 24 erstrecken sich die Schichten 46 und 48 über eine Länge 50. Die Schichten 46 und 48 verschaffen der Schale 30 an dem Blattwurzelabschnitt 26 eine zusätzliche Unterstützung und/oder Stärke bzw. Festigkeit, um beispielsweise das Verringern oder Verhindern einer Beschädigung an der Blattschale 30 in der Nähe der Stelle, an der die Schale an die Rotornabe 22 (in 1 gezeigt) anschließt, zu fördern. Beispielsweise können die Schichten 46 und 48 der Schale 30 eine zusätzliche Unterstützung und/oder Festigkeit verschaffen, um das Verringern oder Verhindern einer Beschädigung an dem Wurzelabschnitt 26 infolge des Drehmoments des Rotors 18 und/oder der auf das Blatt 24 einwirkenden Windlasten, die im Allgemeinen zu einer Längs- oder Neigungsachse 52 senkrecht sind und manchmal als Scherlasten oder als Windscherung bezeichnet werden, zu fördern. Eine jeweilige Schicht 46 und 48 kann irgendein oder irgendwelche geeigneten Materialien, die Holmschichten ermöglichen, wie hier beschrieben zu wirken, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, Metall, Kunststoff, Holz und/oder Faser wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, Glasfaser, Kohlefaser und/oder Aramidfaser umfassen.
4 ist ein Ablaufplan, der eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens 100 zum Herstellen eines Blattes, beispielsweise des Rotorblattes 24 (in den 1–3 gezeigt) veranschaulicht. Obwohl das Verfahren 100 dazu verwendet werden kann, jeden Abschnitt des Blattes 24 herzustellen, wird in der beispielhaften Ausführungsform das Verfahren 100 dazu verwendet, wenigstens einen Abschnitt der Rotorblattschale 30 herzustellen. Das Verfahren 100 umfasst das Stapeln 102 von Schichten 32 und Kernmaterial 34 in einen Formkörper (nicht gezeigt), der eine Form aufweist, die einer vorgegebenen Endform eines Teils der Rotorblattschale 30 oder der gesamten Rotorblattschale 30 entspricht. Beispielsweise können die Schichten 32 und das Kernmaterial 34 so in Bezug aufeinander gestapelt 102 werden, dass sie wie in den 2 und 3 gezeigt angeordnet sind. Das Verfahren 100 umfasst außerdem das Stapeln 104 einer oder mehrerer vorgefertigter Komponenten mit den Schichten 32 und/oder dem Kernmaterial 34. Die ein oder mehreren vorgefertigten Komponenten sind wenigstens teilweise Fertigkomponenten aus einer oder mehreren Schichten, jeweils mit einer geeigneten Dicke, die der vorgefertigten Komponente ermöglicht, eine vorgegebene Funktion zu erfüllen und/oder eine vorgegebene Struktur innerhalb der Blattschale 30 zu schaffen. Beispielsweise sind in der beispielhaften Ausführungsform die vorgefertigten Komponenten jeweils eine Zusammensetzung aus einem Material wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, eine oder mehrere Faserschichten und ein aushärtendes Harz. Außerdem weist beispielsweise in manchen Ausführungsformen die vorgefertigte Komponente eine Endform auf, die einer vorgegebenen Endform wenigstens eines Abschnitts der Rotorblattschale entspricht. Alternativ wird die vorgefertigte Komponente während der Laminierung geformt.
Die ein oder mehreren vorgefertigten Komponenten können ein Teil oder die Gesamtheit einer Komponente der Schale 30 sein und/oder ein Teil oder die Gesamtheit einer Komponente mit einem bestimmten Ort innerhalb, auf und/oder in der Nähe der Schale 30 sein. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren 100 das Stapeln 106 eines vorgefertigten Holmgurts 38 und/oder 40 mit Schichten 32 und Kernmaterial 34 längs des Abschnitts 108 (in 3 gezeigt) der Sehnenlänge (CL) (in 3 gezeigt), der sich zwischen den Scherstegen 42 und 44 (in 3 gezeigt) erstreckt, und längs wenigstens eines Abschnitts (nicht gezeigt) der Blattspannlänge (SL) (in 2 gezeigt). Beispielsweise können die ein oder mehreren Holmgurte 38 und 40 in Bezug auf die Schichten 32 und das Kernmaterial 34 so gestapelt 106 werden, dass sie wie in 3 gezeigt angeordnet sind. Außerdem umfasst in der beispielhaften Ausführungsform das Verfahren 100 das Stapeln 108 einer aus vorgefertigten Schichten 46 und 48 (in 2 gezeigt) zusammengesetzten, vorgefertigten Wurzelabschnitt-Stützkomponente mit den Schichten 32 und dem Kernmaterial 34 über die Länge 50 (in 2 gezeigt). Beispielsweise können die vorgefertigten Schichten 46 und 48 in Bezug auf die Schichten 32 und das Kernmaterial 34 so gestapelt 108 werden, dass sie wie in 2 gezeigt angeordnet sind. In der beispielhaften Ausführungsform weisen die vorgefertigten Schichten 46 und 48 eine Endform auf, die einer vorgegebenen Endform wenigstens eines Abschnitts der Schale 30 entspricht. Andere Beispiele von vorgefertigten Komponenten, die mit Schichten 32 und/oder Kernmaterial 34 gestapelt werden können, umfassen, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein, einen Teil oder die Gesamtheit eines lasttragenden Holms und/oder einen Teil oder die Gesamtheit eines Hinterkantenholms (nicht gezeigt).
Die Schichten 32, das Kernmaterial 34, die ein oder mehreren Holmgurte 38 und/oder 40 und die Schichten 46 und 48 werden, sobald sie gestapelt sind, mit einem Harz laminiert 110, um sie miteinander zu verbinden. Es kann irgendein geeigneter Laminierprozess angewandt werden wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, ein Harztransferpressen (RTM-Prozess), ein Harzinfusionsprozess (RFI-Prozess), das Erwärmen des Stapels für eine beliebige geeignete Zeit bei einer beliebigen geeigneten Temperatur, das Trocknen des Stapels bei Zimmertemperatur und atmosphärischem Druck für eine beliebige geeignete Zeit und/oder die Beaufschlagung des Stapels mit Druck. In manchen Ausführungsformen wird das Harz mittels Druck, Wärme und/oder eines Vakuumbeutelsystems (nicht gezeigt) wie etwa jenem, das bei einem Harztransferpressvorgang verwendet wird, in den Stapel infundiert. Das Druck- und/oder Vakuumbeutelsystem kann auch das Formen des Stapels zu der Form des Formkörpers bzw. des Formmodells erleichtern. In manchen Ausführungsformen werden die Schichten 32 und/oder das Kernmaterial vor dem Stapeln in dem Formkörper mit Harz vorimprägniert. Außerdem werden in manchen Ausführungsformen die Schichten 32, das Kernmaterial 34, der Holmgurt oder die Holmgurte 38 und/oder 40 und/oder die Schichten 46 und/oder 48 vor dem Stapeln mit Harz überzogen.
5 ist ein Ablaufplan, der eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens 200 zum Herstellen eines Blattes, beispielsweise eines Rotorblattes 24 (in den 1–3 gezeigt) unter Anwendung eines Filamentwickelprozesses veranschaulicht. Obwohl das Verfahren 200 dazu verwendet werden kann, jeden Abschnitt des Blattes 24 herzustellen, wird in der beispielhaften Ausführungsform das Verfahren 200 dazu verwendet, wenigstens einen Abschnitt der Rotorblattschale 30 herzustellen. Das Verfahren 200 umfasst das Wickeln 202 von Schichten 32 und Kernmaterial 34 um einen Dorn (nicht gezeigt), der eine Form aufweist, die einer vorgegebenen Endform eines Teils der Rotorblattschale 30 oder der gesamten Rotorblattschale 30 entspricht, um einen Stapel aus Schichten 32 und Kernmaterial 34 zu formen. Beispielsweise können die Schichten 32 und das Kernmaterial 34 so um den Dorn gewickelt werden, dass sie so gestapelt und angeordnet sind, wie in den 2 und 3 gezeigt ist. Das Verfahren 200 umfasst außerdem das Positionieren 204 einer oder mehrerer vorgefertigter Komponenten in Nachbarschaft zu einer oder mehreren Schichten 32 und/oder dem Kernmaterial 34. Die ein oder mehreren vorgefertigten Komponenten sind wenigstens teilweise Fertigkomponenten aus einer oder mehreren Schichten, jeweils mit einer geeigneten Dicke, die der vorgefertigten Komponente ermöglicht, eine vorgegebene Funktion zu erfüllen und/oder eine vorgegebene Struktur innerhalb der Blattschale 30 zu schaffen. Beispielsweise sind in der beispielhaften Ausführungsform die vorgefertigten Komponenten jeweils eine Zusammensetzung aus einem Material wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, eine oder mehrere Faserschichten und ein aushärtendes Harz. Außerdem weist beispielsweise in manchen Ausführungsformen die vorgefertigte Komponente eine Endform auf, die einer vorgegebenen Endform wenigstens eines Abschnitts der Rotorblattschale entspricht. Alternativ wird die vorgefertigte Komponente während der Laminierung geformt.
Die ein oder mehreren vorgefertigten Komponenten können ein Teil oder die Gesamtheit einer beliebigen Komponente der Schale 30 sein und/oder ein Teil oder die Gesamtheit einer beliebigen Komponente mit einem bestimmten Ort innerhalb, auf und/oder in der Nähe der Schale 30 sein. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren 200 das Positionieren 206 eines vorgefertigten Holmgurts 38 und/oder 40 in Nachbarschaft zu einer oder mehreren Schichten 32 und/oder Kernmaterial 34 längs des Abschnitts 108 (in 3 gezeigt) der Sehnenlänge (CL) (in 3 gezeigt), der sich zwischen den Scherstegen 42 und 44 (in 3 gezeigt) erstreckt, und längs wenigstens eines Abschnitts (nicht gezeigt) der Blattspannlänge (SL) (in 2 gezeigt). Beispielsweise können die ein oder mehreren Holmgurte 38 und 40 in Bezug auf die Schichten 32 und das Kernmaterial 34 so positioniert 206 werden, dass sie wie in 3 gezeigt angeordnet sind. Außerdem umfasst in der beispielhaften Ausführungsform das Verfahren 200 das Positionieren 208 einer vorgefertigten Wurzelabschnitt-Stützkomponente, die aus vorgefertigten Schichten 46 und 48 (in 2 gezeigt) zusammengesetzt ist, in der Nähe der einen oder der mehreren Schichten 32 und/oder dem Kernmaterial 34 über die Länge 50 (in 2 gezeigt). Beispielsweise können die vorgefertigten Schichten 46 und 48 in Bezug auf die Schichten 32 und das Kernmaterial 34 so positioniert 208 werden, dass sie wie in 2 gezeigt angeordnet sind. In der beispielhaften Ausführungsform weisen die vorgefertigten Schichten 46 und 48 eine Endform auf, die einer vorgegebenen Endform wenigstens eines Abschnitts der Schale 30 entspricht. Andere Beispiele von vorgefertigten Komponenten, die mit Schichten 32 und/oder Kernmaterial 34 gestapelt werden können, umfassen, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein, einen Teil oder die Gesamtheit eines lasttragenden Holms und/oder einen Teil oder die Gesamtheit eines Hinterkantenholms (nicht gezeigt).
Die Schichten 32, das Kernmaterial 34, die ein oder mehreren Holmgurte 38 und/oder 40 und die Schichten 46 und 48 werden, sobald sie gestapelt (gewickelt und positioniert) sind, mit einem Harz laminiert 110, um sie miteinander zu verbinden. Es kann irgendein geeigneter Laminierprozess angewandt werden wie beispielsweise, jedoch nicht darauf begrenzt, ein Harztransferpressen (RTM-Prozess), ein Harzinfusionsprozess (RFI-Prozess), das Erwärmen des Stapels für eine beliebige geeignete Zeit bei einer beliebigen geeigneten Temperatur, das Trocknen des Stapels bei Zimmertemperatur und atmosphärischem Druck für eine beliebige geeignete Zeit und/oder die Beaufschlagung des Stapels mit Druck. In manchen Ausführungsformen wird das Harz mittels Druck, Wärme und/oder eines Vakuumbeutelsystems (nicht gezeigt) wie etwa jenem, das bei einem Harztransferpressprozess verwendet wird, in den Stapel infundiert. Das Druck- und/oder Vakuumbeutelsystem kann auch das Formen des Stapels zu der Form des Dorns erleichtern. In manchen Ausführungsformen werden die Schichten 32 und/oder das Kernmaterial vor dem Aufwickeln auf den Dorn und/oder dem Positionieren auf dem Dorn mit Harz vorimprägniert. Außerdem werden in manchen Ausführungsformen die Schichten 32, das Kernmaterial 34, der Holmgurt oder die Holmgurte 38 und/oder 40 und/oder die Schichten 46 und/oder 48 vor dem Wickeln und/oder Positionieren mit Harz überzogen.
Die hier beschriebenen Verfahren sind beim Herstellen von Rotorblättern kostengünstig und zuverlässig. Beispielsweise können die hier beschriebenen und/oder gezeigten Verfahren durch Stapeln und/oder Positionieren vorgefertigter Komponenten mit Schichten aus ein oder mehreren anderen Materialien das Steigern der strukturellen Integrität bzw. Festigkeit hergestellter Rotorblätter fördern und/oder das Verbessern der Qualitätskontrolle von hergestellten Rotorblättern fördern. Außerdem können beispielsweise solche vorgefertigten Komponenten das Senken einer Fertigungszeit von Rotorblättern fördern, was das Steigern der Anzahl innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne und/oder durch eine einzige Fertigungseinheit hergestellter Rotorblätter fördern kann.
Obwohl die hier beschriebenen und/oder gezeigten Verfahren in Bezug auf Rotorblätter und insbesondere auf Windturbinen-Rotorblätter beschrieben und/oder gezeigt worden sind, sind die hier beschriebenen und/oder gezeigten Verfahren weder auf Windturbinen-Rotorblätter noch auf Rotorblätter allgemein begrenzt. Stattdessen sind die beschriebenen und/oder gezeigten Verfahren auf das Herstellen jedes Blattes oder jedes Flügels anwendbar.
Beispielhafte Ausführungsformen von Verfahren sind hier ausführlich beschrieben und/oder gezeigt worden. Die Verfahren sind nicht auf die hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen begrenzt; stattdessen können Schritte jedes Verfahrens unabhängig und getrennt von anderen hier beschriebenen Schritten verwendet werden. Die Schritte jedes Verfahrens können auch in Kombination mit Schritten anderer Verfahren verwendet werden, ob diese nun hier beschrieben und/oder gezeigt sind oder nicht.
Wenn Elemente der hier beschriebenen und/oder gezeigten Verfahren eingeführt worden sind, sind "ein", "eine", "der", "die" und "das" so auszulegen, dass es ein Element oder mehrere Elemente gibt. Die Begriffe "umfassen", "aufweisen" und "besitzen" sind als einschließend aufzufassen und bedeuten, dass es zusätzliche Elemente geben kann, die sich von den aufgelisteten Elementen unterscheiden.
Obwohl die Erfindung bezüglich verschiedener spezifischer Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute erkennen, dass Ausführungsformen (ob sie nun hier beschrieben und/oder gezeigt worden sind oder nicht) der vorliegenden Erfindung mit Abänderungen innerhalb des Leitgedankens und des Umfangs der Ansprüche ausgeführt werden können. Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Blättern Bezugszeichenliste

Claims

Verfahren (100) zum Herstellen eines Blattes (24) unter Verwendung eines Formkörpers bzw. eines Formmodells mit einer Form, die einer vorgegebenen Endform wenigstens eines Abschnitts des Blattes entspricht, wobei das Verfahren umfaßt: Stapeln (102) mehrerer Schichten (32) aus einem Material in dem Formkörper; Stapeln (104) wenigstens einer Komponente mit dem Stapel aus den mehreren Schichten, wobei die Komponente eine Zusammensetzung ist, die ein aushärtendes Harz und wenigstens eine Faserschicht enthält; und Laminieren (110) des Stapels aus den mehreren Schichten und der Komponente.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, das ferner vor dem Stapeln (104) der Komponente das Herstellen der Komponente durch ein Durchsetzen der Faserschicht mit Harz und das Aushärten des Harzes umfaßt.
Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Faserschicht eine erste Faserschicht ist und das Stapeln mehrerer Schichten (32) aus einem Material in dem Formkörper umfaßt: Stapeln wenigstens einer zweiten Faserschicht in dem Formkörper; und/oder Stapeln wenigstens einer Holzschicht in dem Formkörper.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stapeln wenigstens einer Komponente mit dem Stapel aus den mehreren Schichten (32) ein Stapeln (104) der Komponente wenigstens teilweise zwischen zwei benachbarte Schichten der mehreren Schichten umfaßt.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stapeln wenigstens einer Komponente mit dem Stapel aus den mehreren Schichten (32) ein Stapeln (106, 108) wenigstens eines Holmgurts (38, 40) und/oder einer Stützkomponente für den Wurzelabschnitt (26) mit dem Stapel aus den mehreren Schichten umfaßt.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner das Vorimprägnieren wenigstens einer Schicht der mehreren Schichten (32) mit Harz vor dem Stapeln der mehreren Schichten in dem Formkörper umfaßt.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Laminieren enthält: Infundieren von Harz in wenigstens eine Schicht der mehreren Schichten (32); und/oder Erwärmen des Stapels aus den mehreren Schichten und der Komponente; und/oder Beaufschlagen des Stapels aus den mehreren Schichten und der Komponente mit Druck.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Laminieren (110) das Laminieren des Stapels aus den mehreren Schichten und der Komponente unter Anwendung eines Harztransferpressprozesses (RTM-Prozesses) umfaßt.
Verfahren (100) zum Herstellen eines Blattes (24) unter Verwendung eines Formkörpers bzw. eines Formmodells mit einer Form, die einer vorgegebenen Endform wenigstens eines Abschnitts des Blattes entspricht, wobei das Verfahren umfaßt: Stapeln (102) mehrerer Schichten (32) aus einem Material in dem Formkörper; Stapeln (104) wenigstens einer Komponente mit dem Stapel aus den mehreren Schichten, wobei die Komponente eine Form aufweist, die der vorgegebenen Endform wenigstens eines Abschnitts des Blattes entspricht; und Laminieren (110) des Stapels aus den mehreren Schichten und der Komponente.
Verfahren (200) zum Herstellen eines Blattes (24) unter Anwendung eines Filamentwickelprozesses, wobei das Verfahren umfaßt: Bereitstellen eines Dorns mit einer Form, die einer vorgegebenen Endform wenigstens eines Abschnitts des Blattes entspricht; Wickeln (202) von Faser um den Dorn, um mehrere Schichten (32) aus der Faser zu bilden; Positionieren (204) wenigstens einer Komponente in der Nähe wenigstens einer Schicht der mehreren Faserschichten, wobei die Komponente eine Form, die der vorgegebenen Endform wenigstens eines Abschnitts des Blattes entspricht, und/oder wenigstens eine Faserschicht, die mit einem aushärtenden Harz durchdrungen ist, aufweist; und Laminieren der mehreren Faserschichten und der Komponente.