DE3002685A1 - Windturbinenblattholm-dorn und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Windturbinenblattholm-Dorn und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf Windturbinenblätter und betrifft insbesondere das Herstellen eines einfachen, steifen, leichten, fadenverstärkten Dorns mit ungleichmäßiger Wanddicke für den Holm eines Windturbinenblattes.

Gegenwärtig wird nach neuen Formen von Energiequellen Ausschau gehalten und als eine attraktive Quelle hat sich die Windturbine erwiesen. Im allgemeinen umfaßt eine Windturbine eine Anordnung aus Rotorblättern, einer Nabe, einer Elattver stellvorrichtung, einem Getriebe, einem Turm, einem Generator und typischerweise einer elektrischen Schnittstelle, die alle dazu dienen, Energie aus atmosphärischen Winden zu entnehmen und in elektrische Energie oder in andere nützliche gieformen umzuwandeln.

030033/0600

BAD ORIGINAL

Die große Windturbine (100 kW und mehr) hat extrem lange Rotorblätter (typischerweise mit einer Länge von mindestens jeweils 15m, obgleich auch Längen von 30 m und mehr vorkommen), die bei Entwurfsbelastungen starker Biegung und starker Verdrehung ausgesetzt sind. Die Rotorblätter haben vorzugsweise einen Aufbau aus Holm und Schale, wobei der Holm durch eine Fadenwicklung auf einem Dorn hergestellt wird, wie es beispielsweise aus der US-PS 4 081 220 bekannt ist, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten Bezug genommen wird. Der Aufbau des Holmdorns ist in der vorgenannten US-Patentschrift zwar nicht im einzelnen beschrieben, typischerweise besteht dieser jedoch aus einem zentralen, lasttragenden Gebilde in Form eines Kastenträgers aus Stahl, auf dem eine Reihe von gesonderten, lösbaren Sektionen angebracht ist, die aus Formstücken, Stringern und einer Blechhaut bestehen und an dem zentralen Kastenträger mit Keilen, Stiften od.dgl. festgehalten werden. Da sich der Holm von seinem stumpfen Ende zu seiner Spitze beträchtlich verjüngt und da die Anordnung aus Formstück, Stringer und Haut auf der Außenfläche des zentralen Kastenträgers angebracht ist, damit der Dorn leichter entfernbar ist, ist die Lasttragfähigkeit an der Spitze des Dorns sehr gering. Die Begrenzung der Dicke an der Spitze des Dorns erfordert, daß er hauptsächlich als ein freitragender Balken abgestützt wird, wobei nur ein sehr geringer Teil des Gewichts (bis maximal 3%) auf einem Setzstock an der Spitze aufliegt. Diese Art von Dornkonstruktion ist sehr schwer (in der Größenordnung von zwanzig Tonnen bei einem Holm für ein Blatt mit einer Länge von 30 m) und erzeugt ein beträchtliches einseitiges Moment an dem Spindelstock der Maschine, die den Dorn während des Wickeins trägt und dreht, was massiv gebaute Lager und Fundamente erforderlich macht.

030033/0600

.... ....... . BAD ORIGINAL

Außer seinem Gewicht führt ein aus mehreren Sektionen aufgebauter Dorn, wie er vorstehend beschrieben ist, immer Bewegungen an den Verbindungsstellen zwischen den Sektionen aufgrund von Biegungen in dem Gebilde bei rotierendem Dorn aus. Diese Bewegungen verursachen starken Verschleiß an den Dornsektionen und führen außerdem zu Spannungen in dem Verbundmaterial bei dessen Aufbringen und Aushärten.

Es ist Ziel der Erfindung, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und einen einstückigen,· ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweisenden, hohlen, fadenverstärkten Verbunddorn zu schaffen, der zur Verwendung beim Herstellen eines Windturbinenblattholms geeignet ist und die Form eines steifen, freitragenden Gebildes hat, das äußerst einfach herstellbar ist.

Die Erfindung befaßt sich mit der Herstellung eines einstückigen Windturbinenrotorblattholm-Dorns, der sich von der Basis zur Spitze verjüngt und ein hohles, freitragendes Gebilde aus verklebten inneren und äußeren fadenverstärkten Schichten und Anschlußvorrichtungen ist, die an den Enden des Gebildes zum Drehlagern desselben in einer Blattherstellvorrichtung befestigt sind, wobei der Dorn in der Lage ist, an seiner Spitze bis zu 10% der Summe seines Eigengewichts und des Gewichts des Blattes, das auf ihm hergestellt wird, zu tragen, und ausreichend steif ist, um sich während der Blattherstellung weniger als 1% zu biegen. In einer Ausführungsform ist die Dornwand mit mehreren Perforationslöchern versehen, durch die zum Erleichtern des Entfernens des auf dem Dorn hergestellten Blattholms Druckluft hindurchgeleitet werden kann.

030033/0600

BAD ORIGINAL

Die Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Herstellen des Dorns, das folgende Schritte umfaßt; Herstellen von Längshalbsektionen, Zusammenkleben der Sektionen, um eine Innenschale des Dorns herzustellen, Herstellen einer Außenschale des Dorns durch Aufbringen von fadenverstärktem Epo~ xidharz auf die Außenfläche der Innenschale und Befestigen von Anschlußvorrichtungen an entgegengesetzten Enden der Innenschale und der Außenschale, damit der Dorn an einer bei der Blattherstellung benutzten Wickelvorrichtung drehbar befestigt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 Dornformhälften,

Fig. 2 Dorninnenschalenhälften,

Fig. 3 den Zusammenbau der Innenschalenhälften„

Fig. 4 das Bewickeln der Innenschale mit der

Außenschicht,

Fig. 5 die fertige Dornanordnung und

Fig. 6 im Längsschnitt das Wurzelende der Dornan-

Ordnung, das an der Wickelvorrichtung bef e~ stigt ist.

Fig. 1 zeigt zwei Formen 10 und 12, die längsgeschnittene Hälften darstellen, von denen jede eine langgestreckte, konische Halbzylinderöffnung bildet» Die Innenflächen der Form

030033/0600

BAD ORIGINAL

haben selbstverständlich die gewünschte Außenabmessung und die gewünschte Kontur der darin herzustellenden Innenschalenhälften des Dorns. Zwei Dorninnenschalenhalften 14 und 16, die in Fig. 2 gezeigt sind, werden durch Auflegen von Bögen fadenverstärkten Matrixmaterials auf die Formen 10 und 12 hergestellt. Das fadenverstärkte Matrixmaterial kann unter verschiedenen erhältlichen Fadenmaterial-Matrix-Kombinationen ausgewählt werden, vorzugsweise handelt es sich aber um gewebte oder geschnittene Glasfasern, wie das einen hohen Modul aufweisende, hochfeste S-Glas, Ε-Glas od.dgl., in einem Epoxidharz, so daß eine Verstärkung sowohl in Richtung der Längsachse als auch in Richtung der Querachse des HoImdorns geschaffen wird. Anderes Fadenmaterial, wie Kevlar, Bor oder Graphit,ist ebenfalls geeignet. Für die bauliche Abstützung der Schalenhälften 14 und 16 sind mehrere leichte Rippen 18, die beispielsweise aus Styrolschaum bestehen, in der gezeigten Weise angeklebt. Die Schalenhälften werden dann zusammengebaut und zusammengeklebt, um die Innenschale 20 herzustellen, die in Fig. 3 gezeigt ist. Anschlußstücke 22 und 24 werden an dem stumpfen Ende bzw. an der Spitze der Schale 20 befestigt, damit diese an der Wickelvorrichtung befestigt werden kann, die dann benutzt wird.

Die Schale 20 wird, um ihre Längsachse drehbar, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, an einer auf dem Boden befestigten Vorrichtung befestigt, beispielsweise an einem Spindelstock 36 und einem Reitstock 28. Neben der Schale 20 befindet sich ein Fadenzuführer 30, der in einer zu der Längsachse der Schale 20 parallelen Richtung bewegbar ist. Es ist zwar nicht dargestellt, vorzugsweise enthält der Fadenzuführer jedoch mehrere Fadenquellen, einen Spanner, eine Harzauftragvorrichtung und eine Wickelkopfvorrichtung. Wenn die Schale 20 gedreht wird, bewegt sich der Fadenzuführer 30

030033/0600

BAD ORIGINAL

von der Basis zur Spitze des Blattes, um Faden-Harz-Schichten aus einander überlappenden, schraubenlinienförmigen Wicklungen herzustellen. Ein bevorzugter Faden für diesen Arbeitsgang ist der gleiche, der für die Innenschale 20 benutzt wird, d.h. ein Glasfaserfaden mit beträchtlichem Modul, wie S-Glas oder Ε-Glas, oder ein Faden aus Bor, Graphit, Kevlar od.dgl. Jeder Faden ist mit Harz überzogen, damit eine durchgehende äußere Materialschicht hergestellt wird, die die Dorninnenschale 20 umgibt= Die gewickelten Fäden werden vorzugsweise in dem Fadenzuführer 30 vorher überzogen und im allgemeinen als Stränge aus mehreren Fäden, die durch das Uberzugsharz zusammengehalten werden, aufgebracht. Beim Bewickeln des Dorns werden die aufeinanderfolgenden Fadenschichten unter ausgewählten Winkeln gegen die Dornachse und gegen einander angeordnet, damit eine maximale Biege- und Torsionsfestigkeit erzeugt wird. Beispielsweise bilden unter einem Winkel von 30 gegen die Dornachse gerichtete aufeinanderfolgende Schichten in vielen Fällen die beste Anordnung. Die Fäden werden schraubenlinienförmig auf die Innenschale gewickelt;, bis die Innenschale vollständig mit der gewünschten Anzahl von Fadenschichten der nötigen Festigkeit bedeckt ist. Typischerweise hat der Dorn eine ungleichförmige Wanddicke, wobei die Dicke von der Basis zur Spitze hin abnimmt. Das kann erreicht werden, indem mehr Fadenschichten nahe der Basis angeordnet werden oder indem Gewebeschichten oder andere Füllstoffe eingefügt werden oder indem konische Stränge (Rovings) benutzt werden.

Gemäß den Fig. 5 und 6 wird, nachdem das Bewickeln der Schale 20 abgeschlossen ist, eine Anschlußanordnung 32 aus einer Stahlnabe und einer Stummelwelle 34 sowie aus einem inneren Ring 36 und einem äußeren Ring 38 an dem stumpfen Ende befestigt, während eine gleiche oder ähnliche Anschlußanordnung 40 an der Spitze befestigt

030033/06

■ - BAD ORIGINAL

wird. Die Anordnungen 32 und 40 dienen zum Herstellen einer haltbaren Verbindung mit der Wickelmaschine.

Gemäß Fig. 5 kann der Dorn mit mehreren Öffnungen 42 versehen

werden, die die Verwendung von Druckluft in dem hohlen Dorn

gestatten, um den Dorn von dem Holm zu trennen, der später auf ihm gewickelt wird.

Der Verbundmaterialholmdorn nach der Erfindung bietet folgende Vorteile:

a) Eine bessere Ausnutzung des verfügbaren Raumes für das verlangte Gebilde;

b) keine Verbindungsstellen oder harten Stellen in dem Dorn? die verschleißen können Spannungen (distress) in den Laminaten verursachen können;

c) geringeres Gewicht und größere Steifigkeit aufgrund der Lage des Baumaterials an der Außenfläche des Dorns, was einen minimalen Dorndurchhang während des Blattholm- und Schalenwickelns ergibt;

d) Verringerung der Wickelmaschinengröße und der Wickelkosten aufgrund eines minimalen einseitigen Moments an der Wickelmaschine;

e) niedrige Dorngrundkosten;

f) leichte Vervielfältigbarkeit;

g) geringere Handhabungszeit, da das Zerlegen und Wiederzusammenbauen des Dorns nicht erforderlich sind; und

h) längere Dornlebensdauer.

Im Rahmen der Erfindung bietet sich über das beschriebene Ausführungsbeispiel hinaus eine Vielzahl von Abwandlungsmöglichkeiten« So eignet sich die Erfindung beispielsweise zum Herstellen irgendeines langen und konischen Gebildes, das einem

030033/0600

BAD ORIGINAL

Windturbinenholm oder -blatt gleicht, wie beispielsweise ein Schiffsmast, ein Lichtmast ododgl., die eine geringe Durchbiegung und eine geringe Spitzenabstützung während der Fertigung verlangen.

030033/0600

BAD ORIGINAL

Claims (7)

Patentansprüche :

1./ Hohler, freitragender Dorn zur Herstellung von Blattholmen großer Windturbinen auf einer Wickelvorrichtung, gekennzeichnet durch eine rohrförmige Innenschale (20) aus fadenverstärkter Harzmatrix und mit einem Basisende und einem Spitzenende, die sich im Durchmesser von dem Basisende zu dem Spitzenende verjüngt, durch eine Außenschale aus fadenverstärkter Harzmatrix, die mit der Außenfläche der Innenschale verklebt ist, wobei die Innenschale und die Außenschale eine Dornwand mit ungleichmäßiger Dicke bilden, und durch Anschlußvorrichtungen (32, 40) an dem Basisende und dem Spitzenende zum drehbaren Befestigen des Dorns an der Wickelvorrichtung (26, 28).

2. Dorn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschale (20) zwei hohle, sich verjüngende Halbzylinder (14, 16) aus fadenverstärkter Harzmatrix aufweist, die miteinander verklebt sind.

030033/0600

3. Dorn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand in ihrer Dicke von dem Basisende zu dem Spitzenende abnimmt.

4. Dorn nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußvorrichtung (32) an dem Basisende zwei konzentrische Ringe (36, 38) aufweist, die an dem Basisende der Wand festgeklemmt sind.

5. Dorn nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand mit mehreren Perforationslöchern (42) versehen ist.

6. Verfahren zum Herstellen eines hohlen, freitragenden Doms, der bei der Herstellung von Blattholmen großer Windturbinen auf einer Wickelvorrichtung verwendbar ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Auflegen von fadenverstärktem Harzmatrixmaterial, um spiegelbildlich gleiche, hohle Halbzylinder herzustellen, die sich im Durchmesser auf ihrer Länge verjüngen;

Zusammenkleben der Halbzylinder, um eine hohle, sich verjüngende zylindrische Innenschale herzustellen;

Aufbringen von fadenverstärktem Harzmatrixmaterial auf die Außenfläche der Innenschale, um eine äußere zylindrische Schale herzustellen, die integral mit der Innenschale verbunden ist, so daß die Irinenschale und die Außenschale die Wand des Dorns bilden, welche eine ungleichmäßige Dicke hat; und

Befestigen von Anschlußvorrichtungen an entgegengesetzten Enden der Innenschale und der Außenschale, damit der Dorn an

Ö30033/0600

der Wickelvorrichtung drehbar befestigt werden kann.

7. Verfahren nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Dornwand auf deren Verjüngungslänge abnimmt»

030033/0600