DE102012104238A1

DE102012104238A1 - Rotorflügel für Windkraftanlage mit vorgehärteten Faserstäben und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102012104238A1
Application number: DE102012104238A
Authority: DE
Inventors: Prasad Ogde; Afroz Akhtar; Jacob Johannes Nies
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2012-11-22
Also published as: DK201270255A; CN102787971A; US20120027609A1

Abstract

Ein Rotorflügel einer Windkraftanlage umfasst einen Rotorflügelkörper einschließlich eines Wurzelabschnitts, einer Vorderkante, einer Hinterkante und mindestens eines Holmgurts; eine Vielzahl paralleler, länglicher Elemente aus einem vorgehärteten Verbundwerkstoff, die Fasern und ein Harz umfassen; und ein Harz, das die Vielzahl von Elementen verbindet. Es ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorflügels bereitgestellt.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Der hier beschriebene Gegenstand betrifft allgemein Verfahren und Systeme für Rotorflügel von Windkraftanlagen und insbesondere Verfahren und Systeme für die Strukturverstärkung von Rotorflügeln von Windkraftanlagen.
Zumindest einige bekannte Windkraftanlagen weisen einen Turm und eine Gondel auf, die am Turm montiert ist. Ein Rotor ist drehbar an der Gondel montiert und ist über eine Welle mit einem Generator gekoppelt. Vom Rotor aus erstreckt sich eine Vielzahl von Flügeln. Die Flügel sind derart ausgerichtet, dass der Wind, der über die Flügel strömt, den Rotor dreht und die Welle dreht, wodurch der Generator angetrieben wird, um Strom zu erzeugen.
Der Körper eines Rotorflügels einer Windkraftanlage weist üblicherweise einen Schichtstoff aus einem Harz und einem Fasermaterial auf. Auch Strukturelemente wie Holmgurte und die Wurzelabschnitte des Rotorflügels werden auf diese Weise hergestellt. Ein Holmgurt wird üblicherweise hergestellt, indem Schichten aus Glasfasern in eine Form gelegt und anschließend ein Harz eingebracht wird, um die Schichten nach dem Aushärten zu verbinden. Auch Kohlefasermaterialien haben in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Die Holmgurte tragen merklich zur Festigkeit und Stabilität des Rotorflügels der Windkraftanlage bei. Im Vergleich zu anderen Teilen des Flügels sind sie relativ schwer und tragen üblicherweise merklich zum Gewicht des Rotorflügels bei. Auch der Wurzelabschnitt trägt merklich zur Gesamtfestigkeit des Flügels bei, da er während des Betriebs hohen Biegekräften standhalten muss.
Die Größe von Windkraftanlagen, und folglich auch der Rotorflügel, hat in den letzten Jahren erheblich zugenommen, wodurch eine größere Stabilität von Strukturelementen wie Flügelwurzeln und Holmgurten notwendig ist.
Angesichts der vorstehenden Ausführungen ist ein Rotorflügel von Windkraftanlagen wünschenswert, der im Vergleich zu herkömmlichen Ausgestaltungen eine bessere Stabilität bietet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nach einem Aspekt ist ein Rotorflügel für Windkraftanlagen bereitgestellt. Der Rotorflügel weist einen Rotorflügelkörper einschließlich eines Wurzelabschnitts, einer Vorderkante, einer Hinterkante und mindestens eines Holmgurts auf; eine Vielzahl paralleler, länglicher Elemente aus einem vorgehärteten Verbundwerkstoff, die Fasern und ein Harz enthalten; und ein Harz, das die Vielzahl von Elementen verbindet.
Nach einem anderen Aspekt ist eine Windkraftanlage bereitgestellt. Die Windkraftanlage umfasst einen Turm, eine Gondel, die sich auf dem Turm befindet, und einen Rotor, der drehbar an der Gondel befestigt ist und mindestens einen Rotorflügel aufweist. Der mindestens eine Rotorflügel weist einen Rotorflügelkörper einschließlich eines Wurzelabschnitts, einer Vorderkante, einer Hinterkante und mindestens eines Holmgurts auf; und eine Vielzahl paralleler, länglicher Elemente aus einem vorgehärteten Verbundwerkstoff, die Fasern und ein Harz enthalten; und ein Harz, das die Vielzahl von Elementen verbindet.
Nach einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorflügels von Windkraftanlagen bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines länglichen Elements aus einem vorgehärteten Verbundwerkstoff; das Einlegen des Elements in eine Form; das Wiederholen des Einlegens, sodass mindestens eine Schicht vorgehärteter Elemente entsteht; und das Einspritzen eines Harzes in die Schicht, die durch die länglichen vorgehärteten Elemente geformt wurde.
Weitere Aspekte, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständige und nacharbeitbare Offenbarung, einschließlich der für einen Durchschnittsfachmann besten Ausführung derselben, ist insbesondere in der übrigen Beschreibung dargelegt und bezieht sich auf die zugehörigen Figuren, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Windkraftanlage ist.
2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Abschnitts der Windkraftanlage ist, die in 1 dargestellt ist.
3 eine Querschnittdarstellung eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen ist.
4 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Abschnitts des Rotorflügels einer Windkraftanlage von 4 ist.
5 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Abschnitts eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach weiteren Ausführungsformen ist.
6 eine Querschnittdarstellung eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen ist.
7 eine Seitenansicht eines Holmgurts eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen im Querschnitt ist.
8 fünf Teilquerschnittdarstellungen an verschiedenen Stellen eines Holmgurts eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen ist.
9 eine Draufsicht auf die Herstellung eines Holmgurts eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen zeigt.
10 eine Seitenansicht der Herstellung eines Holmgurts eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen ist.
11 eine weitere Seitenansicht der Herstellung eines Holmgurts eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen zeigt.
12 eine Draufsicht auf eine Schicht aus Elementen eines Holmgurts eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen zeigt.
13 eine Seitenansicht der Herstellung eines Holmgurts eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen zeigt.
14 eine weitere Seitenansicht der Herstellung eines Holmgurts eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen zeigt.
15 bis 17 Querschnittdarstellungen eines Teils eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen zeigen.
18 eine Querschnittdarstellung eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen zeigt.
19 eine Teilquerschnittdarstellung eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen zeigt.
20 eine Querschnittdarstellung und eine detaillierte Querschnittdarstellung durch den Wurzelabschnitt eines Rotorflügels nach Ausführungsformen zeigt.
21 eine detaillierte Querschnittdarstellung durch einen Wurzelabschnitt eines Rotorflügels nach Ausführungsformen zeigt.
22 eine vereinfachte Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Rotorflügels nach Ausführungsformen zeigt.
23 eine weitere vereinfachte Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Rotorflügels nach Ausführungsformen zeigt.
24 bis 26 Verfahren zur Vorbehandlung von Elementen nach Ausführungsformen zeigen.
27 vereinfacht ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun ausführlich auf die verschiedenen Ausführungsformen Bezug genommen, für die ein oder mehrere Beispiele in jeder Figur veranschaulicht sind. Jedes Beispiel ist zur Erläuterung aufgeführt und nicht als Einschränkung gemeint. So können zum Beispiel Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder in Verbindung mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um weitere Ausführungsformen zu erzeugen. Die vorliegende Offenbarung soll derartige Abwandlungen und Varianten umfassen.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen umfassen ein Windkraftanlagensystem, das mindestens einen Rotorflügel einschließlich vorgehärteten Elementen aufweist.
Der Begriff ”Holmgurt” soll hier für eine längliche Struktur stehen, die die Festigkeit eines Rotorflügels einer Windkraftanlage erhöht. Die Begriffe ”eingespritzt” und ”per Vakuuminfusion eingebracht” sollen hier beide für ein Verfahren zum Einbringen eines Harzes in eine Schicht aus Fasermaterial stehen. Bei technischen Anwendungen beschreiben Einspritzen und Vakuuminfusion verschiedene Verfahren. In der vorliegenden Offenbarung werden die Begriffe jedoch austauschbar verwendet, da sie das gemeinsame Ziel des Zuführens eines Harzes in eine Schicht aus Fasermaterial haben. Welches Verfahren tatsächlich für welchen konkreten Zweck gewählt wird, liegt im Ermessen des Fachmanns, für das er sich auf der Grundlage seines Standardwissens entscheidet. Der Begriff ”Flügel” soll hier für jede Vorrichtung stehen, die, wenn sie in Bewegung ist, bezogen auf ein umgebendes Fluid eine Reaktionskraft aufbringt. Der Begriff ”Windkraftanlage” soll hier für jede Vorrichtung stehen, die Rotationsenergie aus Windenergie erzeugt und insbesondere die kinetische Energie des Winds in mechanische Energie umwandelt. Der Begriff ”Windgenerator” soll hier für jede Windkraftanlage stehen, die elektrischen Strom aus Rotationsenergie erzeugt, die aus Windenergie erzeugt wird, und insbesondere die mechanische Energie, die aus der kinetischen Energie des Winds umgewandelt wird, in elektrischen Strom umwandelt.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Windkraftanlage 10. In dem Ausführungsbeispiel ist die Windkraftanlage 10 eine Horizontalachsen-Windkraftanlage. Alternativ kann die Windkraftanlage 10 eine Vertikalachsen-Windkraftanlage sein. In dem Ausführungsbeispiel weist die Windkraftanlage 10 einen Turm 12 auf, der sich von einem Standsystem 14 aus erstreckt, eine Gondel 16, die am Turm 12 montiert ist, und einen Rotor 18, der mit der Gondel 16 gekoppelt ist. Der Rotor 18 weist eine drehbare Nabe 20 und mindestens einen Rotorflügel 22 auf, der mit der Nabe 20 gekoppelt ist und sich von dort aus nach außen erstreckt. In dem Ausführungsbeispiel weist der Rotor 18 drei Rotorflügel 22 auf. In einer alternativen Ausführungsform weist der Rotor 18 mehr oder weniger als drei Rotorflügel 22 auf. In dem Ausführungsbeispiel ist der Turm 12 aus Stahlrohr hergestellt, um einen Hohlraum (nicht in 1 dargestellt) zwischen dem Standsystem 14 und der Gondel 16 zu definieren. In einer alternativen Ausführungsform ist der Turm 12 jede geeignete Art von Turm, der eine geeignete Höhe aufweist.
Die Rotorflügel 22 sind mit einem Abstand um die Nabe 20 herum angeordnet, um das Drehen des Rotors 18 zu vereinfachen, sodass kinetische Energie des Windes in nutzbare mechanische Energie und anschließend elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Rotorflügel 22 sind mit der Nabe 20 verbunden, indem ein Flügelwurzelabschnitt 24 in einer Vielzahl von Kraftübertragungsbereichen 26 mit der Nabe 20 gekoppelt ist. Die Kraftübertragungsbereiche 26 weisen einen Nabenkraftübertragungsbereich und einen Flügelkraftübertragungsbereich auf (beide nicht in 1 dargestellt). Kräfte, die auf die Rotorflügel 22 einwirken, werden über die Kraftübertragungsbereiche 26 auf die Nabe 20 übertragen.
In einer Ausführungsform weisen die Rotorflügel 22 eine Länge im Bereich von etwa 15 Metern (m) bis etwa 91 m auf. Alternativ können die Rotorflügel 22 jede geeignete Länge aufweisen, die es ermöglicht, dass die Windkraftanlage 10 wie hier beschrieben arbeitet. Beispielsweise umfassen weitere nicht einschränkende Beispiele für Flügellängen 10 m oder kürzer, 20 m, 37 m oder eine Länge, die über 91 m beträgt. Wenn der Wind aus einer Richtung 28 auf die Rotorflügel 22 trifft, wird der Rotor 18 um eine Drehachse 30 gedreht. Wenn die Rotorflügel 22 gedreht und Fliehkräften sowie Auftriebs- und Widerstandskräften ausgesetzt werden, die zu inneren Momenten führen, sind die Rotorflügel 22 auch verschiedenen Kräften und Momenten ausgesetzt. Die Rotorflügel 22 können sich so von einer Ruheposition oder nicht gebogenen Position in eine gebogene Position biegen und/oder drehen.
Darüber hinaus kann ein Anstellwinkel oder Einstellwinkel der Rotorflügel 22, d. h. ein Winkel, der das Verhältnis der Rotorflügel 22 zur Richtung 28 des Windes bestimmt, mit einem Winkeleinstellsystem 32 verändert werden, um die Kraft und die Energie, die die Windkraftanlage 10 erzeugt, durch Einstellen der Winkellage von mindestens einem Rotorflügel 22 relativ zu Windvektoren zu beeinflussen. Es sind die Längsachsen 34 für die Rotorflügel 22 dargestellt. Während des Betriebs der Windkraftanlage 10 kann das Winkeleinstellsystem 32 einen Einstellwinkel der Rotorflügel 22 derart verändern, dass die Rotorflügel 22 in eine Fahnenstellung bewegt werden, sodass das Verhältnis von mindestens einem Rotorflügel 22 relativ zu Windvektoren dafür sorgt, dass eine minimale Oberfläche des Rotorflügels 22 zu den Windvektoren ausgerichtet ist, wodurch die Verringerung der Drehzahl des Rotors 18 vereinfacht wird und/oder ein Strömungsabriss am Rotor 18 vereinfacht wird.
In dem Ausführungsbeispiel wird der Einstellwinkel jedes Rotorflügels 22 einzeln mit einer Regeleinheit 36 geregelt. Alternativ kann der Einstellwinkel sämtlicher Rotorflügel 22 gleichzeitig mit der Regeleinheit 36 geregelt werden. In dem Ausführungsbeispiel kann ferner, wenn sich die Richtung 28 ändert, eine Gierrichtung der Gondel 16 um eine Hochachse 38 herum geregelt werden, um die Rotorflügel 22 bezüglich der Richtung 28 zu positionieren.
2 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Abschnitts der Windkraftanlage 10. In dem Ausführungsbeispiel weist die Windkraftanlage 10 eine Gondel 16 und eine Nabe 20 auf, die drehbar mit der Gondel 16 gekoppelt ist. Die Nabe 20 ist insbesondere drehbar mit einem elektrischen Generator 42, der in der Gondel 16 platziert ist, über die Rotorwelle 44 (manchmal entweder als Hauptwelle oder langsam laufende Welle bezeichnet), ein Getriebe 46, eine schnell laufende Welle 48 und eine Kupplung 50 gekoppelt. In dem Ausführungsbeispiel ist die Rotorwelle 44 koaxial zur Längsachse 116 angeordnet. Die Drehbewegung der Rotorwelle 44 treibt drehend das Getriebe 46 an, das anschließend die schnell laufende Welle 48 antreibt. Die schnell laufende Welle 48 treibt drehend den Generator 42 mit der Kupplung 50 an und die Drehbewegung der schnell laufenden Welle 48 erleichtert die Erzeugung von elektrischem Strom durch den Generator 42. Das Getriebe 46 und der Generator 42 werden von einem Halter 52 und einem Halter 54 gehalten. In dem Ausführungsbeispiel wird bei dem Getriebe 46 eine Zweiwegegeometrie zum Antrieb der schnell laufenden Welle 48 verwendet. Alternativ ist die Rotorwelle 44 direkt über die Kupplung 50 mit dem Generator 42 gekoppelt.
Die Gondel 16 weist auch einen Gierantriebsmechanismus 56 auf, der verwendet werden kann, um die Gondel 16 und die Nabe 20 auf der Hochachse 38 (in 1 dargestellt) zu drehen, um das Verhältnis der Rotorflügel 22 beziehungsweise des Rotors zur Richtung 28 des Windes zu steuern. Die Gondel 16 weist auch mindestens einen Windmessmast 58 auf, der eine Windfahne und ein Anemometer (beide nicht in 2 dargestellt) umfasst. Der Mast 58 liefert Informationen an die Regeleinheit 36, die die Windrichtung und/oder Windgeschwindigkeit umfassen können. In dem Ausführungsbeispiel weist die Gondel 16 auch ein vorderes Haupttraglager 60 und ein hinteres Haupttraglager 62 auf.
Das vordere Traglager 60 und das hintere Traglager 62 erleichtern den radialen Halt und die Ausrichtung der Rotorwelle 44. Das vordere Traglager 60 ist nahe der Nabe 20 mit der Rotorwelle 44 gekoppelt. Das hintere Traglager 62 befindet sich auf der Rotorwelle 44 nahe dem Getriebe 46 und/oder dem Generator 42. Alternativ weist die Gondel 16 eine beliebige Zahl von Traglagern auf, mit denen die Windkraftanlage 10 wie hier offenbart funktionieren kann. Die Rotorwelle 44, der Generator 42, das Getriebe 46, die schnell laufende Welle 48, die Kupplung 50 und alle zugehörigen Befestigungs-, Halte- und/oder Sicherungsvorrichtungen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf den Halter 52 und/oder den Halter 54 und das vordere Traglager 60 und das hintere Traglager 62 werden manchmal als Antriebsstrang 64 bezeichnet.
In dem Ausführungsbeispiel weist die Nabe 20 eine Einstellwinkelanordnung 66 auf. Die Einstellwinkelanordnung 66 weist ein oder mehrere Einstellwinkelantriebssysteme 68 und mindestens einen Sensor 70 auf. Jedes Einstellwinkelantriebssystem 68 ist mit einem entsprechenden Rotorflügel 22 (in 1 dargestellt) gekoppelt, um den Einstellwinkel des zugehörigen Rotorflügels 22 entlang der Längsachse 34 anzupassen. In 2 ist nur eins von drei Einstellwinkelantriebssystemen 68 dargestellt.
In dem Ausführungsbeispiel weist die Einstellwinkelanordnung 66 mindestens ein Flügellager 72 auf, das mit der Nabe 20 und dem jeweiligen Rotorflügel 22 (in 1 dargestellt) gekoppelt ist, um den jeweiligen Rotorflügel 22 um die Längsachse 34 zu drehen. Das Einstellwinkelantriebssystem 68 weist einen Einstellwinkelantriebsmotor 74, ein Einstellwinkelantriebsgetriebe 76 und ein Einstellwinkelantriebsritzel 78 auf. Der Einstellwinkelantriebsmotor 74 ist mit dem Einstellwinkelantriebsgetriebe 76 derart gekoppelt, dass der Einstellwinkelantriebsmotor 74 eine mechanische Kraft auf das Einstellwinkelantriebsgetriebe 76 überträgt. Das Einstellwinkelantriebsgetriebe 76 ist mit dem Einstellwinkelantriebsritzel 78 derart gekoppelt, dass das Einstellwinkelantriebsritzel 78 von dem Einstellwinkelantriebsgetriebe 76 gedreht wird. Das Flügellager 72 ist mit dem Einstellwinkelantriebsritzel 78 derart gekoppelt, dass durch die Drehbewegung des Einstellwinkelantriebsritzels 78 das Flügellager 72 gedreht wird. In dem Ausführungsbeispiel ist insbesondere das Einstellwinkelantriebsritzel 78 mit dem Flügellager 72 derart gekoppelt, dass durch die Drehbewegung des Einstellwinkelantriebsgetriebes 76 das Flügellager 72 und der Rotorflügel 22 um die Längsachse 34 gedreht werden, um den Einstellwinkel des Flügels 22 zu verändern.
Das Einstellwinkelantriebssystem 68 ist mit der Regeleinheit 36 gekoppelt, um den Einstellwinkel des Rotorflügels 22 beim Empfang von ein oder mehreren Signalen von der Regeleinheit 36 anzupassen. In dem Ausführungsbeispiel ist der Einstellwinkelantriebsmotor 74 jeder geeignete Motor, der mit elektrischem Strom betrieben wird, und/oder ein hydraulisches System, mit dem die Einstellwinkelanordnung 66 wie hier beschrieben funktionieren kann. Alternativ kann die Einstellwinkelanordnung 66 eine geeignete Struktur, Konfiguration, Anordnung und/oder Bestandteile wie, jedoch nicht beschränkt auf, Hydraulikzylinder, Federn und/oder Servomechanismen umfassen. Die Einstellwinkelanordnung 66 kann darüber hinaus mit jedem geeigneten Mittel angetrieben werden, beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf Hydraulikflüssigkeit, und/oder mit mechanischer Kraft, beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf, induzierte Federkräfte und/oder elektromagnetische Kräfte. In bestimmten Ausführungsformen wird der Einstellwinkelantriebsmotor 74 mit Energie betrieben, die aus einem Trägheitsmoment der Nabe 20 stammt, und/oder einer Quelle gespeicherter Energie (nicht dargestellt), die Bestandteilen der Windkraftanlage 10 Energie liefert.
3 zeigt vereinfacht eine Querschnittdarstellung eines Rotorflügels 22 einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen. Die zwei Holmgurte 230 weisen jeweils eine Vielzahl der parallelen länglichen Elemente 240 auf. Die Elemente enthalten einen vorgehärteten Verbundwerkstoff, der Fasern und ein Harz umfasst, wobei die Elemente mit einem Harz verklebt sind. Die Holmgurte 230 ragen von einem Wurzelabschnitt des Flügels in einer Richtung der Längsachse des Flügels zu einem Spitzenabschnitt des Flügels vor. Sie sind üblicherweise mit einem Holmsteg 280 (nur vereinfacht dargestellt) verbunden.
4 zeigt eine ausführlichere Querschnittdarstellung eines Holmgurts 230 mit den länglichen Elementen 240 nach Ausführungsformen. Die Elemente 240 sind über ein Harz 250 verbunden, das Lücken zwischen den Elementen füllt. Die Elemente 240 selbst können einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wie in 3 und 4 dargestellt ist, oder können einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wie in 5 dargestellt ist. In Ausführungsformen sind auch andere Querschnitte möglich, beispielsweise ein Vieleck, ein Rechteck oder eine Ellipse.
6 zeigt eine Draufsicht auf den Rotorflügel 22 einer Windkraftanlage nach den Ausführungsformen von 3 bis 5, mit einer Querschnittdarstellung des Umrisses eines Holmgurts 230. Der Holmgurt 230 umfasst die verschiedenen Schichten 290 und ragt von einem Wurzelabschnitt 260 des Rotorflügels 22 zu einem Spitzenabschnitt 270 vor.
7 zeigt eine Seitenansicht eines Holmgurts 230 wie von 6. Die Proportionen sind darin zur Veranschaulichung nicht maßstabsgerecht dargestellt. Der Holmgurt weist eine Vielzahl der Schichten 290 auf. Jede Schicht 290 weist mehrere parallele längliche Elemente 240 auf. Die Elemente 240 innerhalb einer Schicht sind mit einem Harz (nicht dargestellt) verklebt. Die Schichten 290 sind mit ihren jeweiligen benachbarten Schichten mit einem Harz verklebt. Die verschiedenen Schichten 290 weisen üblicherweise in Richtung der Längsachse des Rotorflügels 22 unterschiedliche Längen auf. Der Holmgurt 230 weist folglich entlang seiner Länge unterschiedliche Dickenwerte auf, die sich aus der unterschiedlichen Anzahl von Schichten ergeben, die daran beteiligt sind. Damit werden, neben anderen Faktoren, unterschiedliche Biege- und Torsionsmomente berücksichtigt, die an verschiedenen Stellen entlang der Länge auf den Rotorflügel 22 einwirken. Es sei angemerkt, dass die verschiedenen Schichten 290, die in 7 dargestellt sind, in 6 zu erkennen sind, wo die Ränder der Schichten 290 zu erkennen sind. Ferner sind die Elemente 240 der Schichten 290, die in 8 dargestellt sind, zur Veranschaulichung in 6 nicht dargestellt.
8 zeigt mehrere Querschnittdarstellungen des Holmgurts 230 an verschiedenen Stellen entlang der Länge, die mit den Buchstaben A bis E in 7 dargestellt sind. In dem Ausführungsbeispiel weist der Holmgurt 230 an der Stelle A im Spitzenabschnitt 270 eine Schicht 290 auf, die sechs parallele Elemente 240 mit jeweils einem rechteckigen Querschnitt aufweist. An Stelle B weist der Holmgurt zwei Schichten auf, an der Stelle C drei Schichten, an der Stelle D weist er den Höchstwert von sieben Schichten 290 mit je sechs Elementen 240 auf. An Stelle D hat der Holmgurt seine maximale Dicke. Wie in 8 dargestellt ist, nimmt die Dicke des Holmgurts von dort in einer Richtung zum Wurzelabschnitt 260 des Flügels ab. Am Wurzelabschnitt 260 (siehe 6) weist der Holmgurt eine Dicke auf, die einer Schicht 290 entspricht, wie im Spitzenabschnitt 270. Die Anzahl aufeinanderfolgender Schichten an verschiedenen Stellen des Rotorflügels sowie die Dicke der Schichten selbst hängen natürlich stark von der Festigkeit und Steifigkeit des Rotorflügels sowie von der Dicke und Steifigkeit der vorgehärteten Elemente ab. Diese Parameter können daher merklich von denen in dem Ausführungsbeispiel, wie es in 8 dargestellt ist, abweichen.
9 bis 11 zeigen Phasen eines beispielhaften Herstellungsverfahrens für einen Holmgurt 230 nach Ausführungsformen. 9 zeigt eine Spule 215, auf der das vorgehärtete Material, das die Elemente 240 bildet, bereitgestellt ist. Das Material umfasst Fasern und ein ausgehärtetes Harz und wird üblicherweise vorher in einem Pultrusionsverfahren hergestellt. Geeignete Fasermaterialien umfassen Kohlefaser, Glasfaser, Kombinationen davon oder jedes andere hochfeste Fasermaterial, was auch andere hier beschriebene Ausführungsformen betrifft. Nachdem es auf die Spule 215 aufgerollt ist, wird es zur Produktionseinrichtung für den Rotorflügel 22 transportiert. Beginnend an einem Ende des Holmgurts 230, der geformt werden soll, wird ein Band des vorgehärteten Materials von der Spule abgerollt und in eine Form gelegt, die die Form des zu formenden Holmgurts 230 aufweist. Nachdem die für das erste Element 240 benötigte Länge abgerollt ist, wird das vorgehärtete Material abgeschnitten und der Vorgang wird mit einem nachfolgenden Band vorgehärteten Materials wiederholt, das parallel zum ersten Element 240 gelegt wird. In 9 ist dieser Vorgang dreimal wiederholt worden und das vierte Element 240 wird gerade fertiggestellt. Die hier verwendete Anzahl von Elementen dient lediglich als nicht einschränkendes Beispiel und kann in der praktischen Anwendung abweichen. Wenn eine Schicht 290 aus den länglichen Elementen 240 fertiggestellt ist, das heißt, wenn alle parallelen Elemente 240 einer Schicht 290 platziert sind, wird mit der Herstellung einer weiteren Schicht 295 oben auf der ersten Schicht 290 begonnen. Dies ist in 10 dargestellt. 11 zeigt, wie ein Element 240 einer dritten Schicht 300 auf der Schicht 295 platziert wird.
12 zeigt einen Endabschnitt einer Schicht 290 nach Ausführungsformen. Die Endabschnitte 330 des einzelnen länglichen Elements 240 laufen darin spitz zu. Dieses Merkmal sorgt für einen gleichmäßigen Kraftverlauf entlang dem Holmgurt 230, der eine Vielzahl der Schichten 230 aufweist. Wenn die Endabschnitte der Elemente 240 eine scharfe Kante aufweisen würden, würde der Kraftverlauf einer Kraft auf den Holmgurt 230, die auf ein Biegemoment zurückzuführen ist, einen raschen Anstieg beziehungsweise Abfall an der Stelle aufweisen, an der eine Schicht endet. Die Endabschnitte der Elemente 330 können gefräst werden, um das spitz zulaufende Ende zu erhalten, kurz bevor das Element in der Form, jeweils auf der vorherigen Schicht, platziert wird. Der Fräsvorgang ist vereinfacht in 13 dargestellt, mit einem Fräswerkzeug 310 und einer Werkzeugplatte 320, mit der der Endabschnitt 330 gehalten wird.
14 zeigt vereinfacht einen Endabschnitt eines Holmgurts 230 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Endabschnitt 330 des Elements 240 ist darin zwischen die Walzen 340, 350 gequetscht, um die Struktur des vorgehärteten Faser-Harz-Materials des Elements 240 teilweise zu zerstören. Ein Element 295, das entsprechend behandelt wurde und einen Endabschnitt 330 mit einer aufgebrochenen Struktur aufweist, ist vereinfacht dargestellt. Die aufgebrochene Struktur des Endabschnitts des Faser-Harz-Verbunds beziehungsweise aller Enden der Elemente einer Schicht verringert die Fähigkeit dieses Abschnitts des Elements zur Kraftübertragung zwischen dem Ende der Schicht und der angrenzenden Schicht, in 14 der Schicht 290, was denselben Zweck erfüllt wie das spitze Zulaufen der Endabschnitte in der Ausführungsform von 13.
Die Endabschnitte 330 der länglichen Elemente 240, die in 13 und 14 dargestellt sind, weisen aufgrund der beschriebenen Behandlungen eine Querschnittsform auf, die sich von der anderer Abschnitte des Elements unterscheidet.
15 zeigt eine Querschnittdarstellung einer Ausführungsform, in der zwei Holmgurte 230 mit einem Holmsteg 280 verbunden sind. Es ist darin dargestellt, wie ein spitz zulaufender Holmgurt aus den Schichten 290 der Elemente 240 gebildet ist, wobei die Schichten jeweils eine unterschiedliche Zahl von Elementen aufweisen. In der Ausführungsform weist die äußerste Schicht 290 der Holmgurte 230 13 Elemente 240 auf, die zweite Schicht 295 weist 11 Elemente auf und die innerste Schicht weist 9 Elemente auf.
16 zeigt eine weitere Ausführungsform, in der die Holmgurte 230 geformt sind, um eine Art Kanal zum Aufnehmen des Holmstegs 280 aufzuweisen, der für bessere Stabilität sorgt.
17 zeigt eine weitere Ausführungsform, in der die Holmgurte sowohl eine spitz zulaufende Form wie in 15 als auch einen Kanal wie in der Ausführungsform von 16 aufweisen.
Die Ausführungsformen, die in 15 bis 17 dargestellt sind, können mit einem Verfahren hergestellt werden, wie es zuvor beschrieben wurde.
18 zeigt einen Querschnitt eines Rotorflügels, wobei mögliche Positionen der vorgehärteten länglichen Elemente 240 nach Ausführungsformen dargestellt sind. Darin sind Elemente in einem Holmgurt 230 vorgesehen, wie zuvor beschrieben ist, und als Verstärkung für die Hinterkante 370 und die Vorderkante 380.
19 zeigt eine Teilquerschnittdarstellung eines Rotorflügels 22, in dem die vorgehärteten Elemente 240 nach Ausführungsformen in einem Wurzelabschnitt 24 vorgesehen sind.
Der kreisförmige Wurzelabschnitt 24 von Rotorflügeln kann aus vorgefertigten Hälften geformt werden, die getrennt vom Rest des Rotorflügelkörpers hergestellt werden. Diese Teile werden üblicherweise hergestellt, indem Schichten aus Fasermaterial in einer Form platziert werden und ein Harz eingespritzt oder per Vakuuminfusion eingebracht wird. Wie in 20 dargestellt ist, weist der kreisförmige Wurzelabschnitt 24 nach Ausführungsformen die Schichten 410, 420 aus Fasermaterial auf, bei denen ein Harz 250 eingespritzt ist (nicht ausführlich dargestellt), und mindestens eine Schicht 415 aus den vorgehärteten länglichen Elementen 240, bei denen ein Harz 250 eingespritzt ist. Üblicherweise werden alle Schichten zuerst in der Form platziert und anschließend wird bei dem gesamten Stapel aus den Schichten 410, 420, 430 das Harz 250 eingespritzt oder per Vakuuminfusion eingebracht. Um die Stabilität des Wurzelabschnitts 24 weiter zu verbessern und den Fluss des Harzes durch den Stapel zu erleichtern, kann die Oberfläche der vorgehärteten Elemente 240 vorbehandelt werden. Dazu kann das Aufrauen ihrer Oberfläche gehören, beispielsweise durch Sandstrahlen oder durch mechanisches Erzeugen von Rillen in der Oberfläche oder durch Erzeugen kleiner Erhebungen beziehungsweise Vorwölbungen auf der Oberfläche, beispielsweise durch Aufbringen kleiner Tröpfchen aus Harz oder anderen Materialien auf die Oberfläche der Elemente, bevor sie in der Form platziert werden.
21 zeigt eine Teilquerschnittdarstellung ähnlich der von 20, in der der Wurzelabschnitt 24 eine Vielzahl der Faserschichten 410, 420, 430 aufweist, die mit den Schichten 415, 425 aus den vorgehärteten Elementen 240 gestapelt sind. Die Faserschichten können in einer unidirektionalen und biaxialen Orientierung angewendet werden, wobei der größere Teil der Fasern üblicherweise in biaxialer Orientierung vorgesehen ist. Die biaxiale Orientierung sorgt in verschiedenen Richtungen für eine höhere Stabilität, als sie von unidirektionalen Schichten erreicht wird. Des Weiteren kann die biaxiale Orientierung während der nachfolgenden Infusion/Einspritzung das Harz leichter fließen lassen.
22 zeigt, wie die vorgehärteten länglichen Elemente 240 in die Form 440 gelegt werden, um eine Schicht aus vorgehärteten Elementen zu bilden. Um die Elemente in der halbkreisförmigen Form vor dem Einspritzen von Harz zu stabilisieren, können die Elemente von einem oder mehreren zusätzlichen Stabilisierungselementen 450 (nur vereinfacht dargestellt) gehalten werden. In 22 bedeckt das Element 450 zur Veranschaulichung lediglich einen Teil des Umfangs der Form. Die vorgehärteten länglichen Elemente 240 in dieser Ausführungsform weisen üblicherweise Enden auf, die ähnlich geformt sind wie die Endabschnitte 330 in 12.
23 zeigt, wie eine Vielzahl von Schichten aus Fasermaterial 410, 420, 430 periodisch mit den doppelten Schichten 415, 425 aus den vorgehärteten Elementen 240 auf die Form 440 gestapelt werden (mit dem Pfeil angegeben). Die Oberflächen der Elemente 240 sind vorbehandelt, um eine höhere Rauigkeit aufzuweisen, wie zuvor beschrieben ist. Nach dem Stapeln wird das Harz 250 in den Stapel Schichten per Vakuuminfusion eingebracht (nicht dargestellt).
24 bis 26 zeigen die Vorbehandlung eines vorgehärteten Elements 240 nach Ausführungsformen. 24 zeigt, wie die Oberflächenrauigkeit der Oberfläche 241 des Elements 240 durch Sandstrahlen mit einer Sandstrahlvorrichtung 500 erhöht oder verstärkt wird.
25 zeigt, wie mindestens eine Rille mit einer Schneidvorrichtung 520 in die Oberfläche 241 des Elements 240 geschnitten wird. Das Element 240 kann während des Vorgangs gedreht werden, wodurch mindestens eine spiralförmig gedrehte Rille erhalten wird. Alternativ kann die Schneidvorrichtung 520 in einer spiralförmigen oder kreisförmigen Bewegung um das Element 240 herum bewegt werden, was mit dem Pfeil über der Vorrichtung 520 angegeben ist.
26 zeigt, wie die Tröpfchen 540 aus einem Harz mit einer Vorrichtung 530 auf die Oberfläche 241 des Elements 240 aufgebracht werden. Die Tröpfchendichte hängt stark vom Einzelfall ab. In Ausführungsformen kann die Tröpfchendichte 0,1 bis 20 pro cm², typischer 1 bis 10 pro cm² betragen. Nach dem Aushärten bilden die Tröpfchen kleine Erhebungen oder Höcker auf der Oberfläche 241 und erhöhen die wirksame Oberflächenrauigkeit.
Die Elemente 240, die in 24, 25 und 26 dargestellt sind, weisen eine runde Form auf. Sie können jedoch jede Querschnittsform aufweisen, wie zuvor beschrieben ist.
27 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorflügels einer Windkraftanlage nach Ausführungsformen. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines länglichen Elements aus einem vorgehärteten Verbundwerkstoff in Block 1100; das Einlegen des Elements in eine Form in Block 1200; in Block 1300 das Wiederholen von Block 1200, sodass mindestens eine Schicht vorgehärteter Elemente entsteht; und das Einspritzen eines Harzes in die Schicht, die durch die länglichen vorgehärteten Elemente geformt wurde, in Block 1400.
Es sind Vorbehandlungsverfahren für vorgehärtete längliche Elemente beschrieben, wie sie bei der Herstellung von Rotorflügeln von Windkraftanlagen verwendet werden. In verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen weisen die Elemente eine rechteckige oder quadratische Form auf. Wenn diese Elemente beim Formen einer Schicht parallel zueinander platziert werden, können die Seitenflächen von parallelen Elementen eng miteinander in Kontakt stehen. Darüber hinaus werden üblicherweise alle Schichten eines Holmgurts geformt, indem ihre entsprechenden Elemente platziert werden, bevor mit dem Einbringen von Harz in die so geformte Schicht begonnen wird, um die verschiedenen Elemente zu verbinden. Es ist folglich ein Stapel aus Elementen vorhanden, die dicht aneinanderliegen, bevor mit dem Einspritzen des Harzes begonnen wird, um die Elemente zu verbinden. Wenn die Elemente nicht behandelt werden, um mehr Harz in den Stapel fließen zu lassen, können folglich Teile der Kontaktflächen zwischen Elementen nicht vom Harz erreicht werden oder es kann lange dauern, bis alle Seiten ausreichend mit Harz bedeckt sind, um eine stabile Verklebung zu ermöglichen.
Um diesen Vorgang zu erleichtern, können einige oder alle Seiten der Elemente vorbehandelt werden, bevor sie in der Holmgurtform platziert werden, um eine Schicht beziehungsweise den Stapel Schichten zu bilden.
In einer weiteren Ausführungsform werden kleine Tröpfchen eines schnell aushärtenden Harzes auf die Oberfläche der Elemente aufgebracht, bevor sie in der Form platziert werden. Dieses Harz härtet aus, bevor das Element in der Form platziert wird, und die Tröpfchen bilden so eine Art Abstandshalter zwischen den Elementen, die für ausreichend Platz sorgen, dass das Harz durch den Stapel fließen kann.
Die zuvor beschriebenen Systeme und Verfahren erleichtern die Herstellung von Rotorflügeln von Windkraftanlagen mit verbesserten Eigenschaften. Insbesondere vereinfachen sie die Herstellung von Rotorflügeln mit verbesserter mechanischer Stabilität.
Ausführungsbeispiele für Systeme und Verfahren für die Herstellung von Rotorflügeln von Windkraftanlagen sind zuvor ausführlich beschrieben. Die Systeme und Verfahren sind nicht auf die hier beschriebenen konkreten Ausführungsformen beschränkt, sondern vielmehr können Bestandteile der Systeme und/oder Schritte der Verfahren unabhängig und getrennt von anderen hier beschriebenen Bestandteilen und/oder Schritten verwendet werden. Die Verfahren können beispielsweise auf andere Rotorflügel angewendet werden und sind nicht auf den Einsatz nur bei den Windkraftanlagesystemen, die hier beschrieben sind, beschränkt. Das Ausführungsbeispiel kann vielmehr in Verbindung mit vielen anderen Rotorflügelanwendungen ausgeführt und verwendet werden.
Obwohl konkrete Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Erfindung möglicherweise in einigen Zeichnungen dargestellt sind und in anderen nicht, dient dies lediglich der Vereinfachung. Gemäß den Grundsätzen der Erfindung kann jedes Merkmal einer Zeichnung in Kombination mit einem Merkmal einer anderen Zeichnung genannt und/oder beansprucht werden.
In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele verwendet, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform, zu offenbaren und auch um es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung anzuwenden, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von darin enthaltenen Verfahren. Auch wenn vorstehend verschiedene konkrete Ausführungsformen beschrieben wurden, erkennt der Fachmann, dass der Geist und Geltungsbereich der Ansprüche gleichermaßen wirksame Abwandlungen zulässt. Es können insbesondere sich gegenseitig nicht ausschließende Merkmale der zuvor beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. Der patentierbare Geltungsbereich der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, an die der Fachmann denkt. Diese weiteren Beispiele sollen in den Geltungsbereich der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die nicht vom genauen Wortlaut der Ansprüche abweichen oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum genauen Wortlaut der Ansprüche umfassen.
Ein Rotorflügel einer Windkraftanlage umfasst einen Rotorflügelkörper einschließlich eines Wurzelabschnitts, einer Vorderkante, einer Hinterkante und mindestens eines Holmgurts; eine Vielzahl paralleler, länglicher Elemente aus einem vorgehärteten Verbundwerkstoff, die Fasern und ein Harz umfassen; und ein Harz, das die Vielzahl von Elementen verbindet. Es ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorflügels bereitgestellt.

Claims

Rotorflügel für Windkraftanlagen, umfassend: a) einen Rotorflügelkörper einschließlich eines Wurzelabschnitts, einer Vorderkante, einer Hinterkante und mindestens eines Holmgurts; b) eine Vielzahl paralleler, länglicher Elemente aus einem vorgehärteten Verbundwerkstoff, die Fasern und ein Harz umfassen; und c) ein Harz, das die Vielzahl von Elementen verbindet.
Rotorflügel einer Windkraftanlage nach Anspruch 1, wobei die länglichen Elemente in einem oder mehreren Elementen aus der Liste vorgesehen sind, die Folgendes enthält: einen Wurzelabschnitt, einen Holmgurt, eine Vorderkante und eine Hinterkante.
Rotorflügel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei mindestens eins der länglichen Elemente einen Querschnitt aufweist, der eine Form hat, die aus der Liste ausgewählt ist, die aus Folgendem besteht: einem Vieleck, einem Rechteck, einem Quadrat, einem Kreis und einer Ellipse.
Rotorflügel nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der mindestens eine Holmgurt eine Vielzahl von Schichten aus Elementen aus einem vorgehärteten Verbundwerkstoff in einer Richtung senkrecht zur Sehne und zur Längsachse des Flügels umfasst.
Rotorflügel nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Länge von mindestens einem Element einer ersten Schicht von der Länge von mindestens einem Element einer zweiten Schicht abweicht.
Rotorflügel nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Elemente mindestens ein Element aus der Liste umfassen, die aus Folgendem besteht: Kohlefaser, Glasfaser und Kombinationen davon, und wobei eine Oberfläche von mindestens einem der Elemente Höcker oder mindestens eine Rille umfasst.
Rotorflügel nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die vorgehärteten Elemente in einem Wurzelabschnitt des Flügels vorgesehen sind und wobei die Längsachsen der Elemente im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Rotorflügels verlaufen und wobei der Wurzelabschnitt des Rotorflügels mindestens eine Schicht aus einem Fasermaterial und einem Harz umfasst und mindestens eine Schicht, die aus länglichen vorgehärteten Elementen und einem Harz geformt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Rotorflügels für Windkraftanlagen, umfassend: a) Bereitstellen eines länglichen Elements aus einem vorgehärteten Verbundwerkstoff; b) Einlegen des Elements in eine Form; c) Wiederholen von b), sodass mindestens eine Schicht aus vorgehärteten Elementen entsteht; und d) Einspritzen eines Harzes in die Schicht, die aus den länglichen vorgehärteten Elementen geformt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die vorgehärteten Elemente in die Form für einen Holmgurt oder für einen Flügelwurzelabschnitt eingelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei in einer Form für einen Holmgurt, in einer Richtung senkrecht zur Sehne des Flügels und zur Längsachse des Flügels, mindestens zwei Schichten aus vorgehärteten Elementen geformt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Verbundwerkstoff mindestens ein Element aus der Liste umfasst, die aus Folgendem besteht: Kohlefaser, Glasfaser und Kombinationen davon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der vorgehärtete Verbundwerkstoff auf Spulen bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Verbundwerkstoff vor dem Einlegen in die Form vorbehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Vorbehandlung mindestens eins aus dem Folgenden umfasst: Aufsprühen von Tröpfchen aus Harz auf eine Oberfläche des Materials, Sandstrahlen des Materials, Behandeln der Oberfläche mit einem Werkzeug, Erzeugen von Rillen oder Vertiefungen in der Oberfläche.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, das ferner das Bereitstellen von mindestens einer Schicht aus einem Fasermaterial auf der mindestens einen Schicht aus vorgehärteten Elementen umfasst, wobei die Schicht aus einem Fasermaterial unidirektional oder biaxial bereitgestellt wird, und wobei ein Harz in einen Stapel eingespritzt wird, der aus der mindestens einen Schicht aus einem Fasermaterial und der mindestens einen Schicht aus vorgehärteten Elementen gebildet ist.