DE102008037522A1

DE102008037522A1 - Rotorblätter und Verfahren für deren Herstellung

Info

Publication number: DE102008037522A1
Application number: DE102008037522A
Authority: DE
Inventors: Nicholas Keane Althoff; Brandon S. Gerber; Uli Ramm
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2009-05-07
Also published as: CN101435406B; DK200801490A; US20090116966A1; CN101435406A

Abstract

Es wird ein Rotorflügel (112) mit einem faserverstärkten Harzkörper (128) bereitgestellt, der wenigstens teilweise aus wenigstens einem von einem Harz/Additiv-Gemisch und einer ersten Faserschicht mit mehreren pigmentierten Fasern (252) ausgebildet ist. Das wenigstens eine Harz/Additiv-Gemisch enthält wenigstens ein erstes undurchsichtiges Additiv (152), das in eine Menge des Harzes gemischt ist. Die pigmentierten Fasern umfassen wenigstens einen von wenigstens einem Abschnitt der ersten Faserschicht, die mit wenigstens einem zweiten undurchsichtigen Additiv imprägniert ist, und wenigstens eine Schicht einer undurchsichtigen Beschichtung über wenigstens einem Abschnitt der ersten Faserschicht, wobei die undurchsichtige Beschichtung wenigstens ein drittes undurchsichtiges Additiv aufweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein drehende Maschinen, und insbesondere Windkraftanlagen-Rotorblätter und Verfahren zur Herstellung derselben.
Im Wesentlichen enthält eine Windkraftanlage einen Rotor mit mehreren Blättern. Der Rotor ist an einem Gehäuse oder einer Gondel, montiert, die sich auf der Spitze eines Gitter- oder Rohrturms befindet. Energieversorgungswindkraftanlagen (d. h., Windkraftanlagen, die zur Erzeugung von elektrischer Energie für ein Versorgungsnetz ausgelegt sind) können große Rotoren mit Durchmesser von beispielsweise 30 m (98 ft) oder mehr haben. An drehbaren Naben dieser Rotoren befestigte Blätter wandeln mechanische Windenergie in ein mechanisches Rotationsdrehmoment um, das einen oder mehrere Generatoren antreibt. Die Generatoren sind im Wesentlichen, aber nicht immer, drehbar mit dem Rotor über ein Getriebe gekoppelt. Das Getriebe erhöht die inhärent niedrige Drehzahl des Turbinenrotors für den Generator, um die mechanische Rotationsenergie effizient in elektrische Energie umzuwandeln, welche in ein Versorgungsnetz eingespeist wird. Getriebelose Direktantriebsturbinen existieren ebenfalls.
Einige bekannte Blätter sind wenigstens teilweise aus laminiertem (d. h., geschichtetem) Faser/Harz-Verbundmaterial hergestellt. Im Wesentlichen werden Verstärkungsfasern in einem Harz in einem Bereich vorbestimmter Ausrichtungen abgelegt. Die Faserausrichtungen werden oft durch einen Bereich erwarteter Beanspruchungsfaktoren bestimmt, die ein Flügel während einer erwarteten Flügellebensdauer erfahren kann. Die Blätter besitzen typischerweise eine auf der äußersten Oberfläche ausgebildete Schutzschicht. Die Schutzschicht wird unter Verwendung entweder einer Gelschicht oder eines Anstriches erzeugt. Die Verfahren zum Erzeugen solcher Schutzschichten sind arbeitsintensiv, zeitaufwändig und teuer. Ferner erhöht einer derartigen Schichtformation das Gewicht der Schaufel.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Rotorflügels bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet die Erzeugung eines faserverstärkten Harzkörpers. Der faserverstärkte Harzkörper enthält eine Faser/Harz-Matrix, die wenigstens teilweise aus wenigstens einem durch Einmischen wenigstens eines ersten undurchsichtigen Additivs in eine erste Harzmenge hergestellten Harz/Additiv-Gemisch und einer ersten Faserschicht mit mehreren pigmentierten Fasern ausgebildet wird. Die pigmentierten Fasern werden durch wenigstens eines von Imprägnieren wenigstens eines Abschnittes der ersten Faserschicht mit wenigstens einem zweiten undurchsichtigen Additiv und Erzeugen wenigstens einer Schicht einer undurchsichtigen Beschichtung über wenigstens einem Abschnitt der ersten Faserschicht erzeugt. Die undurchsichtige Beschichtung weist ein drittes undurchsichtiges Additiv auf.
In einem weiteren Aspekt wird ein Rotorflügel bereitgestellt. Der Rotorflügel enthält einen faserverstärkten Harzkörper, der wenigstens teilweise aus wenigstens einem von wenigstens einem Harz/Additiv-Gemisch und einer ersten Faserschicht mit mehreren pigmentierten Fasern ausgebildet wird. Das wenigstens eine Harz/Additiv-Gemisch enthält wenigstens ein erstes undurchsichtiges Additiv, das in eine Harzmenge eingemischt wird. Die pigmentierten Fasern umfassen wenigstens eines von wenigstens einem Abschnitt der ersten Faserschicht, der mit wenigstens einem zweiten undurchsichtigen Additiv imprägniert wird, und wenigstens einer Schicht einer undurchsichtigen Beschichtung über wenigstens einem Abschnitt der ersten Faserschicht. Die undurchsichtige Beschichtung enthält wenigstens ein drittes undurchsichtiges Additiv.
In einem weiteren Aspekt wird ein Windkraftanlagensystem bereitgestellt. Das System enthält eine drehbare Nabe. Das System enthält auch einen mit der drehbaren Nabe gekoppelten Rotorflügel. Der Rotorflügel enthält einen faserverstärkten Harzkörper, der wenigstens teilweise aus wenigstens einem von wenigstens einem Harz/Additiv-Gemisch und einer ersten Faserschicht mit mehreren pigmentierten Fasern ausgebildet wird. Das wenigstens eine Harz/Additiv-Gemisch enthält wenigstens ein erstes undurchsichtiges Additiv, das in eine Harzmenge eingemischt wird. Die pigmentierten Fasern umfassen wenigstens eines von wenigstens einem Abschnitt der ersten Faserschicht, der mit wenigstens einem zweiten undurchsichtigen Additiv imprägniert wird, und wenigstens einer Schicht einer undurchsichtigen Beschichtung über wenigstens einem Abschnitt der ersten Faserschicht. Die undurchsichtige Beschichtung enthält wenigstens ein drittes undurchsichtiges Additiv.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine orthographische Ansicht eines exemplarischen Windkraftanlagensystems;
2 ist eine orthographische Ansicht eines exemplarischen Rotorflügels, das mit dem in 1 dargestellten Windkraftanlagensystem verwendet werden kann;
3 ist eine vergrößerte orthographische Ansicht eines entlang dem Bereich 3 entnommenen Abschnittes des in 2 dargestellten Rotorflügels; und
4 ist eine Übersichtsansicht des exemplarischen Abschnittes des in 3 dargestellten Rotorflügels.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine orthographische Ansicht eines exemplarischen Windkraftanlagensystems 100. In der exemplarischen Ausführungsform ist das System 100 eine Horizontalachsen-Windkraftanlage. Alternativ kann das System 100 eine Vertikalachsen-Windkraftanlage sein. Die Windkraftanlage 100 weist einen sich von einer tragenden Fläche 104 aus erstreckenden Turm 102, eine auf dem Turm 102 montierte Gondel 106 und einen mit der Gondel 106 gekoppelten Rotor 108 auf. Der Rotor 108 weist eine drehbare Nabe 110 und mehrere mit der Nabe 110 gekoppelte Rotorblätter 112 auf. In der exemplarischen Ausführungsform weist der Rotor 108 drei Rotorblätter 112 auf. In einer alternativen Ausführungsform kann der Rotor 108 mehr oder weniger als drei Blätter 112 aufweisen. Der Rotor 108, die Nabe 110 und die Blätter 112 sind so ausgerichtet und konfiguriert, dass sie um eine Rotationsachse 114 rotieren. In der exemplarischen Ausführungsform ist der Turm 102 aus einem Rohrstahl hergestellt und besitzt einen (nicht dargestellten) Hohlraum, der sich zwischen der tragenden Fläche 104 und der Gondel 106 erstreckt. In einer alternativen Ausführungsform ist der Turm 102 ein Gitterturm.
Verschiedene Komponenten einer Windkraftanlage 100 sind in der exemplarischen Ausführungsform in einer Gondel 106 auf dem Turm 102 der Windkraftanlage 100 untergebracht. Beispielsweise ist der Rotor 108 mit einem (in 1 nicht dargestellten) elektrischen Generator gekoppelt, der innerhalb der Gondel 106 angeordnet ist. Die Drehung des Rotors 108 um die Achse 114 ermöglicht die Erzeugung elektrischer Energie durch den Generator. Ferner ist in der Gondel 106 ein (nicht dargestellter) Giereinstellmechanismus untergebracht, der dazu genutzt werden kann, die Gondel 106 und den Rotor 108 in einer Hoch bzw. Gierachse 116 zu drehen, um die Perspektive der Blätter 112 in Bezug auf die Windrichtung zu steuern. Die Höhe des Turms 102 wird auf der Basis von im Fachgebiet bekannten Faktoren und Bedingungen gewählt.
In der exemplarischen Ausführungsform können die Blätter 112 eine beliebige Länge besitzen, die den Betrieb der Windkraftanlage 100 gemäß Beschreibung ermöglichen. Die Blätter 112 sind um die Rotornabe 110 herum positioniert, um dem sich drehenden Rotor 108 die Übertragung von kinetischer Energie aus dem Wind in nutzbare mechanische Energie und anschließend in elektrische Energie zu ermöglichen. Sobald Wind auf die Blätter 112 auftrifft, wird der Rotor 108 um die Rotationsachse 114 gedreht. Sobald die Blätter gedreht und Zentrifugalkräften unterworfen werden, werden die Blätter verschiedenen Biegemomenten und anderen Betriebsbelastungen unterworfen. Somit können sich die Blätter aus einer neutralen oder nicht-ausgelenkten Position in eine ausgelenkte Position auslenken und/oder drehen und eine zugeordnete Belastung kann in die Blätter induziert werden.
In der exemplarischen Ausführungsform werden die Blätter um eine Anstellachse 118 gedreht. Insbesondere kann ein (nicht dargestellter) Anstellwinkel der Blätter, d. h., der Winkel, der die Perspektive der Blätter in Bezug auf die Windrichtung bestimmt, durch einen (nicht dargestellten) Anstellanpassungsmechanismus geändert werden, um eine Erhöhung oder Verringerung einer Drehzahl des Rotors 108 durch Anpassung der Ober fläche der Blätter, die den Windkraftvektoren ausgesetzt werden, zu ermöglichen. In der exemplarischen Ausführungsform werden die Anstellungen der Blätter individuell gesteuert. Alternativ kann die Anstellung der Blätter als eine Gruppe gesteuert werden.
Jedes von den Blättern 112 enthält einen Flügelfußabschnitt 120, der die Verbindung der Blätter 112 mit der Nabe 110 ermöglicht. Die Blätter 112 enthalten jeweils auch einen Flügelspitzenabschnitt 122, der sich an einem in Längsrichtung äußersten Abschnitt der Blätter 112 befindet.
2 ist eine orthographische Ansicht eines exemplarischen Rotorflügels 112, der mit dem (in 1 dargestellten) Windkraftanlagensystem 100 verwendet werden kann. Die Anstellachse 118, der Flügelfußabschnitt 120 und Flügelspitzenabschnitt 122 sind perspektivisch dargestellt. Eine (nicht dargestellte) Nabenbefestigungsvorrichtung ist typischerweise mit dem Fußabschnitt 120 gekoppelt. Der Flügel 112 enthält eine Vorderkante 124 und eine Hinterkante 126. Der Flügel 112 enthält auch einen faserverstärkten Harzkörper, oder eine Außenhaut 128, die sich im Wesentlichen über den gesamten Flügel 112 hinweg erstreckt. Die Haut 128 enthält eine Außenoberfläche 130, eine Innenoberfläche 132 und besitzt eine Dicke 134. Typischerweise ist die Dicke 134 eine Funktion einer vorbestimmten Belastung innerhalb jedem von mehreren spezifischen Abschnitten des Flügels 112, wobei eine derartige Belastung wie im Fachgebiet bekannt, bestimmt wird. In der exemplarischen Ausführungsform variiert die Dicke 134 entlang des Flügels 112 zwischen dem Fußabschnitt 120 und Spitzenabschnitt 122. Insbesondere ist die Dicke 134 am Fußabschnitt 120 größer als die Dicke 134 am Spitzenabschnitt 122, um eine erwartete größere Lastübertragung innerhalb des Fußabschnittes 120 zu ermöglichen, da die Belastungen an dem Flügel 112 in die Nabe 110 über den Abschnitt 120 eingeleitet werden. Insbesondere beträgt ein typischer Wertebereich für Dicken 134 am Spitzenabschnitt 122 0,05 mm (0,0020 inches) bis 3 mm (0,118 inches). Ebenso beträgt ein typischer Wertebereich für die Dicke 134 an dem Fußabschnitt 120 50 mm bis 200 mm (1,97 bis 7,87 inches). Ferner nimmt insbesondere die Dicke 134 mit vorbestimmten Werten als eine Funktion des Abstandes zu dem Spitzenabschnitt 122 vom Fußabschnitt 120 aus zu. Alternativ kann jede Dicke 134, die einen Betrieb des Flügels 112 ermöglicht, am Fußabschnitt 120, Spitzenabschnitt 122 und allen Bereichen dazwischen verwendet werden. Ferner wird alternativ jede Dickenabmessung 134 um den Flügel 112 herum einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, einer variierenden Dicke 134 als eine Funktion des Abstands zwischen der Vorderkante 124 und der Hinterkante 126 und unter Anwendung einer im Wesentlichen konstanten Dicke 134 um den gesamten Flügel 112 herum angewendet.
Die Innenoberfläche 132 definiert teilweise einen Flügelhohlraum 136. In der exemplarischen Ausführungsform enthält der Hohlraum 136 mehrere (nicht dargestellte) Flügelstrukturverstärkungselemente. Alternativ enthält der Hohlraum 136 Vorrichtungen wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, Heizkanäle, Überwachungseinrichtungen und Zugangskanäle (wovon nichts dargestellt ist). Der Bereich 3 repräsentiert einen Abschnitt der Haut 128 und wird nachstehend detaillierter diskutiert. Eine x-Achse 138 stellt einen horizontalen Bezug dar. Ferner stellt eine y-Achse 140 einen vertikalen Bezug dar. Darüber hinaus stellt eine z-Achse 142 einen Längsabmessungs-Bezug dar.
3 ist eine vergrößerte orthographische Ansicht eines entlang dem Bereich 3 entnommenen exemplarischen Abschnittes eines in 2 dargestellten Rotorflügels 2. Ein Abschnitt der Haut 128, einschließlich einer Außenoberfläche 130, Innen oberfläche 132, Dicke 134 und einem Hohlraum 136 am Fußabschnitt 120 sind perspektivisch dargestellt. Ferner sind die Achsen 138, 140 und 142 zur Bezugnahme dargestellt. 4 ist eine Übersichtsansicht des exemplarischen Abschnittes des Rotorflügels 112. Insbesondere stellt 4 einen Abschnitt des Flügels 112 dar, der sich von dem Fußabschnitt 120 zu dem Spitzenabschnitt 122 aus einer Perspektive dar, wenn man entlang einer Außenoberfläche 130 blickt. Die x-Achse 138 und z-Achse 142 sind zwecks Bezugs dargestellt.
In einer exemplarischen Ausführungsform wird die Haut 128 wenigstens teilweise von einer Faser/Harz-Matrix 150 erzeugt, wobei die Faser/Harz-Matrix 150 eine innerste Lage 144 und eine äußerste Lage 146 und einen Zwischensatz von Lagen 148 enthält. Die Lagen 148 erstrecken sich zwischen den Lagen 144 und 146. Alternativ enthält die Haut 128 eine beliebige Anzahl von Lagen, die den Betrieb des Flügels 112 wie hierin beschrieben ermöglichen. Die innerste Lage 144 enthält eine Innenoberfläche 132 und bildet wenigstens teilweise den Hohlraum 136. Die äußerste Lage 146 enthält eine Außenoberfläche 130.
Typischerweise wird unter Anwendung bekannter Herstellungsverfahren mit von Hand durchgeführter Auflegung zum Erzeugen einer Faser/Harz-Matrix eine Schicht eines (nicht dargestellten) vorbestimmten Verstärkungsmaterials in eine (nicht dargestellte) Formstruktur eingelegt und ein (nicht dargestelltes) vorbestimmtes Harz anschließend in die Form hinzugefügt, um das Verstärkungsmaterial zu sättigen, und dadurch wenigstens teilweise eine erste Schicht der Faser/Harz-Matrix 150 zu erzeugen. Zusätzliche Schichten können in einer ähnlichen Weise wie der vorstehend beschriebenen hinzugefügt werden. Anschließend werden die gesättigten Schichten in der Form gehärtet, wobei jede von den Schichten jede von den Lagen 144, 146 und 148 in der Faser/Harz-Matrix bildet.
In einer exemplarischen Ausführungsform werden Verfahren mit Auflegung von Hand für die Faser/Harz-Matrixherstellung ähnlich den vorstehend beschriebenen verwendet. Alternativ können alle bekannten Herstellungsverfahren, wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, bekannte Infusionsverfahren angewendet werden.
In einer exemplarischen Ausführungsform besteht das Verstärkungsmaterial aus mehreren Schichten Glasfaser und das Harz ist ein wärmehärtendes Epoxidharz. Alternativ werden beliebige Materialien, die das Erzeugen von Blättern 112 wie hierin beschrieben, ermöglichen, zum Erzeugen der Haut 128 einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Kohlefaser, Aramidfasern (wie z. B. Kevlar^®, ein eingetragnes Warenzeichen einer Fasermarke von E. I. DuPont de Nemours), Vinylester, Polymerfasern und Polyesterfasern innerhalb vorbestimmter Strukturfestigkeits-, Haltbarkeits- und Kompatibilitätsparameter verwendet.
Ein exemplarisches Verfahren zum Erzeugen eines Rotorflügels 112 beinhaltet wenigstens teilweise die Herstellung eines faserverstärkten Harzkörpers durch Erzeugen einer Faser/Harz-Matrix 150. Die Faser/Harz-Matrix 150 wird erzeugt, indem wenigstens ein Harz/Additiv-Gemisch erzeugt wird, indem wenigstens ein undurchsichtiges Additiv in eine Harzmenge eingemischt wird (nichts davon ist dargestellt). In der exemplarischen Ausführungsform wird die erste Lage 144 teilweise erzeugt, indem eine erste Schicht aus (nicht dargestellter) Glasfaser in die Form eingelegt wird und ein Teil einer ersten Harzquelle auf die erste Schicht so aufgebracht wird, dass die Glasfasern mit dem Harz gesättigt werden. Eine zweite Schicht aus (nicht dargestellten) Glasfasern wird auf die Oberseite der ersten Schicht aufgebracht und ein Teil der ersten Harz quelle wird auf die zweite Schicht in einer ähnlichen Weise wie die erste Schicht aufgebracht, um dadurch wenigstens teilweise Zwischenlagen 148 auszubilden. Daher wird in einer exemplarischen Ausführungsform die Faser/Harz-Matrix 150 teilweise erzeugt, indem ein Teil der ersten Harzquelle auf alle Glasfaserschichten wie vorstehend beschrieben mit Ausnahme der äußersten Schicht aufgebracht wird, die zur Erzeugung der äußersten Lage 146 genutzt wird.
Wenigstens ein Additiv wird in eine zweite Harzquelle gemischt, um dadurch ein Harz/Additiv-Gemisch zu erzeugen, bevor wenigstens ein Teil des Harz/Additiv-Gemisches auf die äußerste Glasfaserschicht aufgebracht wird. In der exemplarischen Ausführungsform wird ein undurchsichtiges Additiv, wie z. B. ein Pigment 152, das Titandioxid (TiO₂) und/oder Kalziumkarbonat (CaCO₃) enthält, der zweiten Harzquelle zugesetzt, um das Harz/Additiv-Gemisch zu erzeugen. In einer alternativen Ausführungsform wird ein Additiv, das ein beliebiges Pigment ist und/oder eine pigmentierte Substanz enthält, die in das Harz gemischt wird, das das Erzeugen des Flügels 112 wie hierin beschrieben ermöglicht, verwendet. Insbesondere ändern derartige exemplarische und alternative Additive die Materialeigenschaften und das Verhalten des Harzes, indem sie dessen Undurchsichtigkeit bewirken und/oder ihm Farbe verleihen. In der exemplarischen Ausführungsform ist der Volumenprozentsatz des Pigmentes 152 in Bezug auf das gesamte Harz/Additiv-Gemisch, hierin als der Pigment-zu-Harz/Additiv-Gemischvolumenprozentsatz bezeichnet weniger als 1 Prozent. Insbesondere ist ein exemplarischer Bereich von Werten für den Pigment-zu-Harz/Additiv-Gemischvolumenprozentsatz angenähert 0,10 Prozent bis angenähert 0,99 Prozent des Harz/Additiv-Gemisches. Alternativ wird jede Konzentration des Pigmentes 152 innerhalb des Harz/Additiv-Gemisches verwendet, um jeden Pigment-zu-Harz/Additiv- Gemischvolumenprozentsatz bereitzustellen, der die Erzeugung der Haut 128 so wie hierin beschrieben ermöglicht.
In der exemplarischen Ausführungsform wird das Pigment 152 der zweiten Harzquelle so zugesetzt, dass das erzeugte exemplarische Harz/Additiv-Gemisch im Wesentlichen eine homogene Verteilung des Pigmentes 152 über das gesamte Harz/Additiv-Gemisch enthält. Insbesondere variiert in der exemplarischen Ausführungsform die Verteilung des Pigmentes 152 zwischen irgendwelchen zwei Abschnitten des Flügels 112 nicht außerhalb eines Bereichs von 0,1% bis 5% über den gesamten Flügel 112. Das exemplarische Harz/Additiv-Gemisch wird auf die äußerste Glasfaserschicht so aufgebracht, dass die Konzentration des Pigmentes 152 im Wesentlichen homogen über die gesamte äußerste Schicht vom Wurzelabschnitt 120 bis zum Spitzenabschnitt 122 verteilt ist. Eine derartige Verteilung ermöglicht eine anschließende Erzeugung einer im Wesentlichen konsistenten Undurchsichtigkeit über den gesamten betroffenen Abschnitten der Haut 128. Die Glasfasern und das Harz in der Form werden anschließend ausgehärtet, um wenigstens einen Abschnitt der Haut 128, oder insbesondere die Faser/Harz-Matrix 150 mit voll ausgebildeten Lagen 144, 146, 148 zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen werden zusätzliche Materialien, die (nicht dargestellte) schichtentrennende Materialien enthalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind, zum Erzeugen der Faser/Harz-Matrix 150 verwendet. In der exemplarischen Ausführungsform wird die äußerste Lage 146 mit einer Undurchsichtigkeit erzeugt, die in einem Undurchsichtigkeitsbereich liegt, der 95% und 100% umfasst. Der Undurchsichtigkeitswert von 95% ist qualitativ einer visuellen Beobachtung von Umrissen bestimmter Objekt unter der äußersten Lage 146 zugeordnet. Der Undurchsichtigkeitswert von 100% ist qualitativ einer Unmöglichkeit zugeordnet, irgendwelche Abschnitte des Flügels 112 unter der Lage 146 zu betrachten. Alternativ weist die äußerste Lage 146 eine beliebige Undurchsichtigkeit auf, die den Betrieb des Flügels 112 wie hierin beschrieben ermöglicht.
Die Erzeugung von Blättern 112 mit derartigen Additiven wie hierin beschrieben verringert eine Vielfalt von Kapitalkosten in Verbindung mit der Herstellung des Flügels 112 einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Anstrich- und/oder Gel-Beschichtungsarbeiten und Materialien. Ferner ermöglicht die Erzeugung des Flügels 112 wie hierin beschrieben, die Verkürzung der Herstellungszeiten sowie die Vermeidung einer Notwendigkeit großer, spezieller Anstrichs- und Beschichtungsräume innerhalb einer Fabrikationseinrichtung. Die Beseitigung von Fertigungsstufen für den Flügel 112, welcher eine Gelschicht enthält, ermöglicht eine Verkürzung in den Herstellungszykluszeiten, eine Reduzierung in der Anzahl von Formen und weiterer Werkzeuge, welche ansonsten irgendwann während des Gelbeschichtungsprozesses verwendet würden und/oder eine Zunahme im Herstellungsdurchsatz mit einer vorgegebenen Anzahl von Formen.
Ferner ermöglicht die Eliminierung von Anstrichen oder anderen Beschichtungen eine Gewichtsreduzierung des Flügels 112 um 100 bis 200 kg (220 bis 440 lbs) für einen Flügel 112 mit einer Oberfläche von angenähert 150 qm (1615 square feet). Ferner kann eine alternative Ausführungsform die Erzeugung einer (nicht dargestellten) Außenabtragsschicht ermöglichen, die eine Erhöhung der Abtragstoleranz ermöglicht. Ferner müssen, wenn anschließende Anstrichs- und/oder Gelbeschichtungsschichten auf Blättern 112, die bereits in Betrieb genommen worden sind, aufgebracht werden sollen, frühere Schichten nicht entfernt werden, um dadurch eine Reduzierung in den Wartungskosten und eine Zunahme in der Energieerzeugungsverfügbarkeit der Windkraftanlage 100 zu ermöglichen.
In einer alternativen Ausführungsform werden mehrere Harz/Additiv-Gemische ausgebildet, wobei jedes von derartigen mehreren Harz/Additiv-Gemischen eine entsprechende einzigartige Konzentration des Pigmentes 152 enthält. Insbesondere werden wenigstens ein erstes Harz/Additiv-Gemisch mit einer ersten Pigmentkonzentration und ein zweites Harz/Additiv-Gemisch mit einer zweiten Pigmentkonzentration hergestellt, wobei die zweite Pigmentkonzentration niedriger als die erste Pigmentkonzentration ist. Daher ist eine der ersten Pigmentkonzentration zugeordnete Undurchsichtigkeit größer als eine der zweiten Pigmentkonzentration zugeordnete zweite Undurchsichtigkeit. Anschließend wird das zweite Harz/Additiv-Gemisch auf einen Abschnitt des Flügels 112, beispielsweise den Fußabschnitt 120 aufgebracht und das erste Harz/Additiv-Gemisch auf einen weiteren Abschnitt des Flügels 112, beispielsweise den Spitzenabschnitt 122 aufgebracht. Dieses Verfahren verringert die Undurchsichtigkeit von Abschnitten des Flügels 112 mit größerer Wanddicke 134, insbesondere des Fußabschnittes 120. Die verringerte Undurchsichtigkeit ermöglicht die Durchführung von nicht-zerstörenden Untersuchungen (NDE) oder insbesondere visuelle Untersuchungen des Fußabschnittes 120, um dadurch eine verbesserte Detektion von Verformungen in der Haut 128 bei dem Fußabschnitt 120 zu ermöglichen.
In einer zweiten alternativen Ausführungsform wird das Harz/Additiv-Gemisch auf mehrere Glasfaserschichten aufgebracht. Derartige Ausführungsformen beinhalten Verfahren mit von Hand durchgeführten Auflegungen gemäß vorstehender Beschreibung, um das Harz/Additiv-Gemisch auf die gewünschten Schichten innerhalb des Flügels 112 aufzubringen. Wenigstens einige Kriterien für die Auswahl, welche Lagen 144, 146 und 148 das Harz/Additiv-Gemisch aufnehmen, beinhalten die Vermeidung von vorgefertigten Glasfaserkomponenten, die nicht für die Aufnahme des Pigmentes 152 vorgesehen sind, Herstellungsressourcenzuordnungen, Herstellungszeitbeschränkungen und Einzelkomponentenspezifikationen. Eine dritte alternative Ausführungsform umfasst die Verwendung bekannter Infusionsverfahren, die vakuumunterstützte Harzinjektion beinhalten, um ein im Wesentlichen homogenes Aufbringen des Harz/Additiv-Gemisches durch alle Lagen 144, 146 und 148 hindurch zu ermöglichen, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
In der exemplarischen Ausführungsform umfasst das Pigment 152 eine vorbestimmte Weiß- und/oder Grau- und/oder Rotschattierung, wobei Rot dazu verwendet werden kann, die Erfüllung von Luftfahrtsicherheitsvorschriften zu ermöglichen). Alternativ beinhaltet das Pigment 152 jede beliebige Farbe, die die Erzeugung des Flügels 112 wie hierin beschrieben ermöglicht, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Schattierungen von brauner und/oder blauer und/oder grüner Farbe, welche eine ästhetische Integration der (in 1 dargestellten) Windkraftanlage 100 in eine (nicht dargestellte) Umweltumgebung ermöglichen.
In weiteren alternativen Ausführungsformen wird eine Vielfalt von alternativen Additiven in das Harz gemischt, um alternative undurchsichtige und/oder gefärbte Harz/Additiv-Gemische zu erzeugen. Beispiele von derartigen alternativen undurchsichtigen und/oder gefärbten Additiven umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, wasserbeständige Additive, abriebsbeständige Additive und ultraviolettbeständige Additive. In dieser alternativen Ausführungsform wird jede Konzentration von derartigen Additiven innerhalb der alternativen Harz/Additiv-Gemische verwendet, die eine Erzeugung der Haut 128 wie hierin beschrieben ermöglicht. Zusätzliche weitere alternative Ausführungsformen beinhalten die Erzeugung wenigstens einer Anstrichschicht und/oder Gelschicht über einen Abschnitt der Oberfläche 130.
In weiteren alternativen Ausführungsformen werden Pigment-zu-Harz/Additiv-Gemischvolumenprozentwerte oder Pigmentkonzentrationen als eine Funktion der Position zwischen dem Fußabschnitt 120 und Spitzenabschnitt 122 entlang der z-Achse 142 variiert. Ferner werden alternativ Pigmentkonzentrationen als eine Funktion der Position zwischen der Vorderkante 124 und Hinterkante 126 (beide dargestellt in 2), entlang der x-Achse 138 variiert. Ferner werden alternativ Pigmentkonzentrationen als Funktion der Position zwischen der Innenoberfläche 132 und der Außenoberfläche 130 entlang der y-Achse 140 entweder als diskrete, im Wesentlichen homogene Werte innerhalb jeder von den Lagen 144, 146 und 148 oder kontinuierlich quer über die Lagen 144, 146 und 148 variiert. Außerdem kann alternativ jede beliebige Kombination derartiger alternativer Pigmentkonzentrationsvariationen angewendet werden.
Ferner beinhalten weitere alternative Ausführungsformen die Veränderung von Additiven und/oder Pigmenten und/oder Pigmentkonzentrationen innerhalb einer Vielfalt vorgefertigter Abschnitte oder Komponenten des Flügels 112 und anschließend an den Zusammenbau des Flügels 112. Des Weiteren beinhalten weitere alternative Ausführungsformen Harzinfusionsverfahren, wobei ein Abschnitt des Flügels 112 mit einem ersten Harz/Additiv-Gemisch infundiert und ein weiterer Abschnitt des Flügels 112 mit einem Harz/Additiv-Gemisch infundiert wird. Beispielsweise wird, jedoch nicht darauf beschränkt, der Flügelspitzenabschnitt 122 mit einem weißen Harz/Additiv-Gemisch infundiert und der Flügelfußabschnitt 120 mit einem anders gefärbten Harz/Additiv-Gemisch (oder nur Harz) infundiert, wodurch ein Übergangsbereich zwischen den Abschnitten 120 und 122 erzeugt wird.
Ein alternatives Verfahren zur Erzeugung eines Rotorflügels 112 beinhaltet eine wenigstens teilweise Erzeugung eines alternativen faserverstärkten Harzkörpers, indem eine alternative Faser/Harz-Matrix 250 ausgebildet wird. Die Erzeugung einer alternativen Faser/Harz-Matrix 250 beinhaltet die Erzeugung einer Faserschicht mit mehreren pigmentierten Fasern 252. Die Erzeugung mehrerer pigmentierter Fasern 252 beinhaltet wenigstens eines von einer Imprägnierung wenigstens eines Abschnittes der Faserschicht mit wenigstens einem (nicht dargestellten) undurchsichtigen Additiv und der Erzeugung wenigstens einer Schicht (einer nicht dargestellten) undurchsichtigen Beschichtung über wenigstens einem Abschnitt der Faserschicht. 3 und 4 stellen wenigstens einen Abschnitt von einigen diesen alternativen Ausführungsformen dar.
Derartige alternative Ausführungsformen beinhalten die Imprägnierung wenigstens eines Abschnittes der Verstärkungsfasern der Faser/Harz-Matrix 250 mit einem undurchsichtigen Additiv vor der Hinzufügung des Harzes (nichts davon ist dargestellt). Einige weitere zusätzliche Ausführungsformen beinhalten das Aufbringen wenigstens einer (nicht dargestellten) Schicht einer undurchsichtigen Beschichtung auf wenigstens einem Abschnitt von (nicht dargestellten) Verstärkungsfasern einer Faser/Harz-Matrix 250 mit einem undurchsichtigen Additiv vor der Hinzufügung des Harzes. Das undurchsichtige Additivmaterial und das undurchsichtige Beschichtungsmaterial können ähnlich dem Pigment 152 sein oder auch nicht. Die mit undurchsichtigem Additiv imprägnierten und/oder beschichteten Fasern, d. h., pigmentierten Fasern, werden in der äußersten Glasfaserschicht verwendet, um die Erzeugung des Flügels 112 wie hierin beschrieben zu ermöglichen. Insbesondere ändern derartige alternative undurchsichtig pigmentierte Fasern die Materialeigenschaften und das Verhalten der Fasern, indem sie deren Un durchsichtigkeit bewirken, und/oder indem sie Farbe hinzufügen. Ferner sind in diesen alternativen Ausführungsformen die Gewichtsanteile wie vorstehend in Verbindung mit der Harz-Matrix 150 und der Konzentration des Pigmentes 152 beschrieben, bezüglich des undurchsichtigen Additivs und/oder der undurchsichtigen Beschichtung innerhalb der Faser/Harz-Matrix 250 und pigmentierten Fasern 252 ähnlich.
Auch in diesen alternativen Ausführungsformen kann die Verteilung der pigmentierten Fasern in der äußersten Schicht der Faser/Harz-Matrix 250 vom Wurzelabschnitt 120 bis zum Spitzenabschnitt 122 im Wesentlichen homogen sein. Daher kann in diesen alternativen Ausführungsformen die äußerste Lage 146 mit einer Undurchsichtigkeit ausgebildet werden, die innerhalb eines Undurchsichtigkeitsbereiches liegt, der 95% und 100% umfasst. In weiteren alternativen Ausführungsformen können die Konzentrationen pigmentierter Fasern als eine Funktion der Position zwischen dem Fußabschnitt 120 und dem Spitzenabschnitt 122 entlang der z-Achse 142 variiert werden. Ferner können alternativ Konzentrationen pigmentierter Fasern als eine Funktion der Position zwischen der Vorderkante 124 und Hinterkante 126 (beide dargestellt in 2), entlang der x-Achse 138 variiert werden. Ferner können alternativ Konzentrationen pigmentierter Fasern als Funktion der Position zwischen der Innenoberfläche 132 und der Außenoberfläche 130 entlang der y-Achse 140 entweder als diskrete, im Wesentlichen homogene Werte innerhalb jeder von den Lagen 144, 146 und 148 oder kontinuierlich quer über die Lagen 144, 146 und 148 variiert werden. Außerdem kann alternativ jede beliebige Kombination derartiger alternativer Konzentrationsvariationen pigmentierter Fasern verwendet werden. Des Weiteren können andere alternative Ausführungsformen eine Konzentrationsvariation pigmentierter Fasern innerhalb einer Vielfalt vorgefertigter Abschnitte oder Komponenten des Flügels 112 und anschließend bei dem Zusammenbau des Flügels 112 beinhalten.
Das Verfahren zum Erzeugen von Rotorblättern, wie es hierin beschrieben ist, ermöglicht den Aufbau eines Windkraftanlagensystems. Insbesondere ermöglicht das Verfahren zur Erzeugung des Rotorflügels gemäß vorstehender Beschreibung eine Verringerung der Montagezeit, von Arbeits- und Kapitalkosten in Verbindung mit der Aufbringung externer Flügelbeschichtungen.
Exemplarische Ausführungsformen von Rotorblättern in Verbindung mit Windkraftanlagensystemen sind vorstehend im Detail beschrieben. Die Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sind weder auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen noch auf die spezifisch dargestellten Rotorblätter beschränkt.
Obwohl die Erfindung in Form verschiedener spezifischer Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass die Erfindung mit Modifikationen innerhalb des Erfindungsgedankens und Schutzumfangs der Ansprüche ausgeführt werden kann.
Es wird ein Rotorflügel 112 mit einem faserverstärkten Harzkörper 128 bereitgestellt, der wenigstens teilweise aus wenigstens einem von einem Harz/Additiv-Gemisch und einer ersten Faserschicht mit mehreren pigmentierten Fasern 252 ausgebildet ist. Das wenigstens eine Harz/Additiv-Gemisch enthält wenigstens ein erstes undurchsichtiges Additiv 152, das in eine Menge des Harzes gemischt ist. Die pigmentierten Fasern umfassen wenigstens eines von wenigstens einem Abschnitt der ersten Faserschicht, die mit wenigstens einem zweiten undurchsichtigen Additiv imprägniert ist, und wenigstens einer Schicht einer undurchsichtigen Beschichtung über wenigstens einem Abschnitt der ersten Faserschicht, wobei die undurchsichtige Beschichtung wenigstens ein drittes undurchsichtiges Additiv aufweist.

100: Windkraftanlagensystem
102: Turm
104: Tragende Fläche
106: Gondel
108: Rotor
110: Nabe
112: Rotorblätter
114: Rotationsachse
116: Gierachse
118: Anstellachse
120: Flügelfußabschnitt
122: Flügelspitzenabschnitt
124: Vorderkante
126: Hinterkante
128: Haut
130: Außenoberfläche
132: Innenoberfläche
134: Dicke
136: Hohlraum
138: x-Achse
140: y-Achse
142: z-Achse
144: Innerste Lage
146: Äußerste Lage
148: Mehrere Zwischenlagen
150: Faser/Harz-Matrix
152: Additiv
250: Alternative Faser/Harz-Matrix
252: Pigmentierte Fasern

Claims

Rotorflügel (112) mit einem faserverstärkten Harzkörper (128), der wenigstens teilweise ausgebildet ist, aus einem von: wenigstens einem Harz/Additiv-Gemisch, wobei das wenigstens eine Harz/Additiv-Gemisch wenigstens ein in eine Menge des Harzes gemischtes erstes undurchsichtiges Additiv (152) aufweist; und einer ersten Faserschicht mit mehreren pigmentierten Fasern (252), wobei die pigmentierten Fasern wenigstens eines aufweisen von: wenigstens einem Abschnitt der ersten Faserschicht, der mit wenigstens einem zweiten undurchsichtigen Additiv imprägniert ist; und wenigstens einer Schicht einer undurchsichtigen Beschichtung über wenigstens einem Abschnitt der ersten Faserschicht, wobei die undurchsichtige Beschichtung wenigstens ein drittes undurchsichtiges Additiv aufweist.
Rotorflügel (112) nach Anspruch 1, wobei jedes von dem wenigstens einem ersten (152), zweiten und dritten Additiv wenigstens ein Pigment aufweist.
Rotorflügel (112) nach Anspruch 2, wobei das wenigstens eine Pigment weniger als ein Volumenprozent des Rotorflügels ausmacht.
Rotorflügel (112) nach Anspruch 2, wobei das wenigstens eine Pigment wenigstens eines aufweist von: Titandioxid (TiO₂); und Kalziumkarbonat (CaCO₃).
Rotorflügel (112) nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine erste undurchsichtige Additiv (152) wenigstens eines aufweist von: einem wasserbeständigen Additiv; einem abriebsbeständigen Additiv; und einem ultraviolettbeständigen Additiv.
Rotorflügel (112) nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Abschnitt des faserverstärkten Harzkörpers (128) wenigstens eines aufweist von: einer Undurchsichtigkeit, die in einem Undurchsichtigkeitsbereich von 95% bis 100% liegt; und wenigstens einer vorbestimmten Farbe.
Windkraftanlagensystem (100), aufweisend: eine drehbare Nabe (110); und wenigstens ein Rotorflügel (112), das mit der drehbaren Nabe gekoppelt ist, wobei das wenigstens eine Rotorflügel einen faserverstärkten Harzkörper (128) aufweist, wer wenigstens teilweise ausgebildet ist von: wenigstens einem Harz/Additiv-Gemisch, wobei das wenigstens eine Harz/Additiv-Gemisch wenigstens ein in eine Menge des Harzes gemischtes erstes undurchsichtiges Additiv (152) aufweist; und einer ersten Faserschicht mit mehreren pigmentierten Fasern (252), wobei die pigmentierten Fasern wenigstens eines aufweisen von: wenigstens einem Abschnitt der ersten Faserschicht, der mit wenigstens einem zweiten undurchsichtigen Additiv imprägniert ist; und wenigstens einer Schicht einer undurchsichtigen Beschichtung über wenigstens einem Abschnitt der ersten Faserschicht, wobei die undurchsichtige Beschichtung wenigstens ein drittes undurchsichtiges Additiv aufweist.
Windkraftanlagensystem (100) nach Anspruch 7, wobei jedes von dem wenigstens einem ersten (152), zweiten und dritten Additiv wenigstens ein Pigment aufweist.
Windkraftanlagensystem (100) nach Anspruch 8, wobei das wenigstens eine Pigment weniger als ein Volumenprozent des Rotorflügels ausmacht.
Windkraftanlagensystem (100) nach Anspruch 8, wobei das wenigstens eine Pigment wenigstens eines aufweist von: Titandioxid (TiO₂); und Kalziumkarbonat (CaCO₃).