DE3002685C2 - Hohler, entfernbarer Dorn und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hohlen, entfernbaren Dorn und ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 5.

Gegenwärtig wird nach neuen Energiequellen Ausschau gehalten, und als eine a.traktive Energiequelle hat sich die Windturbine erwiesen. Im allgemeinen umfaßt eine Windturbine eine Anordnung aus Rotorblättern, einer Nabe, einer Blattverstelivorrichtung, einem Getriebe, einem Turm und einem elektrischen Generator, um Energie aus Wind zu gewinnen und in elektrische oder in andere nützliche Energie umzuwandeln.

Eine große Windturbine (d. h. mit einer Leistung von kW und mehr) hat extrem lange Rotorblätter (typisch mit einer Länge von mindestens jeweils 15 m, ob gleich auch Längen von 30 m und mehr vorkommen), die bei Entwurfsbelastungen starker Biegung und starker Verdrehung ausgesetzt sind. Die Rotorblätter haben üblicherweise einen Aufbau aus Holm und Schale, wobei der Holm durch eine Fadenwicklung auf einem Dom hergestellt wird.

Ein solcher hohler, entfernbarer Dom der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art ist aus der DE-OS 2'53 8Ol bekannt die ein Windturbinenblatt

ίο beschreibt bei dem der Dorn, der zur Herstei'ung des Blattholms benötigt wird, aus einem Hauptträger aus Stahl besteht an dem in Längsrichtung hintereinander mehrere Abschnitte aus Formstücken, Stringern und einer Blechhaut befestigt werden. Die geringe Dicke am

J5 Spitzenende des bekannten Doms erfordert daß er hauptsächlich als freitragender Balken abgestützt wird, wobei nur ein sehr geringer Teil des Gewichts am Spitzenende aufliegt Diese bekannte Dornkonstruktion ist sehr schwer (in der Größenordnung von zwanzig Ton nen bei einem Holm für ein Blatt mit einer Länge von 30 m) und erzeugt ein beträchtliches einseitiges Moment an dem Spindelstock der Wickelvorrichtung, was massiv gebaute Lager und Fundamente erforderlich macht Der Aufbau des Doms aus mehreren Sektionen hat den Nachteil daß Bewegungen an den Verbindungsstellen zwischen den Abschnitten einen starken Verschleiß dieser Abschnitte hervorrufen und zu Spannungen in dem Verbund-naterial des herzustellenden Holms führen. Der bekannte Dorn weist auf seiner gesamten Länge überall den gleichen Durchmesser auf, und ein sich daran anschließender, sich verjüngender Teil des Holms kann entweder hohl oder massiv ausgeführt sein oder es kann ein leichtgewichtiger Füllstoff in diesem Teil des Holms eingebaut sein. Das kann beispielsweise erfolgen, indem der Holm an dieser Stelle auf einen dauerhaften Schaumdorn gewickelt wird. Der Schaumdom wird dann nicht mehr aus dem gewickelten Holm entfernt sondern bleibt an Ort und Stelle, wogegen der hohle Dorn nach dem Wickeln des Holms aus dem Holm herausgezogen wird. Der eigentliche Dom ist also bei dem bekannten Windturbinenblatt der hohle, entfernbare Dorn, wogegen der Schaumdorn lediglich ein später nicht entfernbares, im Holm verbleibendes Verlängerungsstück dieses eigentlichen Dorns ist Letzterer hat die oben dargelegten Nachteile, die die freitragende Dornkonstruktion aus Stahl mit sich bringt

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Dorn der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß er die erforderliche Festigkeit bei geringem Gewicht hat verschleißarm ist und keine Spannungen in dem Verbundwerkstoff des herzustellenden Windturbinenblattholms hervorruft. Außerdem soll ein Verfahren zu seiner Herstellung angegeben werden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im

Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 5 angegebenen Merkmale bzw. Schritte gelöst

Der Dorn nach der Erfindung besteht aus einer Innenschale, die zwei sich verjüngende Halbzylinder aus fadenverstärkter Harzmatrix aufweist, welche miteinan der verklebt sind, und aus einer Außenschale aus faden verstärkter Harzmatrix, welche mit der innenschale verklebt ist. Der erfindungsgemäße Dom ist an beiden Enden mit Anschlußstellen zur Lagerung in der Wickelvorrichtung versehen und wird nach dem Wickeln des Holms aus diesem wieder entfernt. Der Dorn nach der Erfindung verjüngt sich vom Basisende zum Spitzenende und ist ein freitragendes Gebilde aus verklebten inneren und äußeren fädenverstärkten Schichten und hat

Anschlußvorrichtungen, die an seinen Enden zum drehbaren Befestigen des Doms an der Wickelvorrichtung angebracht sind, wobei der Dorn in der Lage ist an seinem Spitzenende bis zu 10% der Summe seines Eigengewichts und des Gewichts des Windturbinenblattes, das auf ihm hergestellt wird, zu tragen, und so steif ist, daß er sich während der Blattherstellung um weniger als 1% biegt

Der Dorn nach der Erfindung hat also folgende Vorteile:

a) eine bessere Ausnutzung des für den Dorn verfügbaren Raumes:

b) keine Verbindungsstellen in dem Dorn, die verschleißen und Spannungen in der fadenverstärkten Harzmatrix verursachen können;

c) geringeres Gewicht größere Steifigkeit und minimaler Dorndurchhang während des Wickelvorgangs;

d) Verkleinerung der Wickelvorrichtung und Verringerung der Wickelkosten aufgrund eines minimalen einseitigen Moments auf der Wickelvorrichtung;

e) niedrige Dorngrundkosten;

f) leichte Reproduzierbarkeit;

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

h) längere Dornlebensdauer.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4, und das Verfahren zum Herstellen des Doms nach der Erfindung bildet den Gegenstand des Anspruchs 5.

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

F i g. 1 Domformhälften, .

Fig.2 zwei Halbzyiinder einer Innenschale des Dorns,

F i g. 3 der Zusammenbau der Halbzylinder,

F i g. 4 das Bewickeln der Innenschale mit der Außenschale,

F i g. 5 den fertigen Dorn und

F i g. 6 im Längsschnitt das Basisende des Dorns, das an einer Wickelvorrichtung befestigt ist

F i g. 1 zeigt zwei Dornformhälfteu 10 und 12, die jeweils als langgestreckter, konischer Halbzylinder ausgebildet sind. Die Innenflächen der Dornformhälften 10, 12 haben die gewünschte Außenabmessung und die gewünschte Kontur von dann herzustellenden Halbzylindern 14,16 für die Innenschale 20 des Dorns. Die Innenschale 20 (F i g. 3) besteht tus den beiden Halbzylindern 14,16 (F i g. 2), die durch Auflegen von Bögen fadenverstärkter Harzmatrix auf die Dornformhälften 10 und 12 hergestellt werden. Die fadenverstärkte Harzmatrix besteht vorzugsweise aus hochfesten Glasfasern in einem Epoxidharz, so daß eine Verstärkung sowohl in Richtung der Längsachse als auch in Richtung der Querachse des Dorns erfolgt. Anderes Fadenmaterial, wie z. B. Bor oder Graphit, ist ebenfalls geeignet. Zur Abstützung der Halbzylinder 14 und 16 werden mehrere leichte Rippen 18, beispielsweise aus Styrolschaum, in der gezeigten Weise mit den beiden Halbzylindern verklebt. Die Halbzyiinder 14,16 werden dann zusammengebaut und zusammengeklebt, um die Innenschale 20 herzustellen, die in F i g. 3 gezeigt ist. Anschlußstücke 22 und 24 werden an dem IBasiseiirir bzw. an dem Spitzenende der Innenschale 20 befestigt, damit diese an einer Wickelvorrichtung befestigt werden kann.

Die Innenschale 20 wird, um ihre Längsachse drehbar, wie es in Fig. 4 gezeigt ist an der auf dem Boden befestigten Wickelvorrichtung befestigt und zwar an deren Spindelstock 26 und deren Reitstock 28. Neben der Innenschale 20 befindet sich ein Fadenzuführer 30, der in einer zu der Längsachse der Innenschale 20 parallelen Richtung bewegbar ist- Der Fadenzuführer enthält

ίο mehrere Fadenquellen, einen Fadenspanner, eine Harzauftragvorrichtung und einen Wickelkopf, die nicht im einzelnen dargestellt sind. Wenn die Innenschale 20 gedreht wird, bewegt sich der Fadenzuführer 30 von dem Basisende zum Spitzenende, um Faden-Harz-Schichten aus einander überlappenden, schraubenlinienförmigen Wicklungen herzustellen. Vorzugsweise wird für diesen Arbeitsgang der gleiche Faden wie für die Innenschale 20 benutzt Jeder Faden ist mit Harz überzogen, damit eine durchgehende Außenschale aus fadenverstärkter Harzmatrix hergestellt wird, die die Innenschale 20 umgibt Die Fäden werden durch den Fadenzuführer 30 im allgemeinen als Stränge aus mehreioi Fäden, die durch die Harzmatrix zusammengehalten werden, aufgebracht Beim Bewickeln des Doms werden die aufeinanderfolgenden Fadenschichten unter ausgewählten Winkeln gegen die Domachse und gegeneinander 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 20 gewickelt bis die Innenschale vollständig mit der gewünschten Anzahl von Fadenschichten der nötigen Festigkeit bedeckt ist Der Dorn erhält eine ungleichförmige Wanddicke, wobei die Dicke vom Basisende zum Spitzenende hin abnimmt Das wird erreicht, indem mehr Fadenschichten nahe dem Basisende angeordnet Gewebeschichten oder andere Füllstoffe eingefügt oder konische Fadenstränge benutzt werden.

Gemäß den F i g. 5 und 6 wird, nachdem das ßewikkeln der Innenschale 20 abgeschlossen ist, eine Ansch'ußvorrichtung 32 aus einer Stahlnabe und einer Stummelwelle 34 sowie aus einem inneren Ring 36 und einem äußeren Ring 38 an dem Basisende befestigt während eine gleiche Anschlußvorrichtung 48 am Spitzenende befestigt wird. Die Anschlußvorrichtungen 32 und 40 dienen zum Herstellen einer haltbaren Verbindung mit der Wickelvorrichtung.
Gemäß F i g. 5 wird der Dom mit mehreren Löchern 42 versehen, die die Verwendung von Druckluft in dem hohlen Dorn gestatten, um den Dorn von dem später auf ihm gewickelten Hoim trennen zu können.

Das oben beschriebene Verfahren zur Domherstc}-lung eignet sich beispielsweise auch zum Herstellen eincs Schiffsmastes, eines Lichtmastes od. dgl., wenn bei diesen eine geringe Durchbiegung und ein·; leichte Abstützung am Spitzenende während der Fertigung verlangt werden.

Hie zu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Hohler, entfernbarer Dorn zur Herstellung von Blattholmen großer Windturbinen auf einer Wickelvorrichtung, mit wenigstens einer Anschlußvorrichtung am Basisende zum drehbaren Befestigen des Doms an der Wickelvorrichtung, gekennzeichnet durch eine weitere Anschlußvorrichtung (40) am Spitzenende, durch eine rohrförmige Innenschale (20) aus fadenverstärkter Harzmatrix, die sich im Durchmesser vom Basisende zum Spitzenende verjüngt und aus zwei hohlen, sich verjüngenden Halbzylindern '(14, 16) aus fadenverstärkter Harzmatrix besteht, die miteinander verklebt sind, und durch eine Außenschale aus fadenverstärkter Harzmatrix, die mit der Außenfläche der Innenschale verklebt ist und mit der Innenschale eine Wand mit ungleichmäßiger Dicke bildet

Z Dorn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand in ihrer Dicke von dem Basisende zu dem Sp'nzenende abnimmt

3. Dorn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußvorrichtung (32) an dem Basisende zwei konzentrische Ringe (36, 38) aufweist, die an dem Basisende der Wand festgeklemmt sind.

4. Dorn nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand mit mehreren Löchern (42) versehen ist

5. Verfahren zum Herstellen eines Doms nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Auflegen von fadenverstärktem Harzmatrixmaterial auf Formen, um spiegt-lbildlic.i gleiche, hohle Halbzylinder (14,16) herzustellen, die sich im Durchmesser auf ihrer Länge verjüngen; Zusammenkleben der Halbzylinder (14,16), um eine hohle, sich verjüngende zylindrische Innenschale (20) herzustellen;

Aufbringen von fadenverstärktem Harzmatrixmaterial auf die Außenfläche der Innenschale (20), um eine äußere, sich verjüngende zylindrische Außenschale herzustellen, die integral mit der Innenschale verbunden ist so daß die Innenschale und die Außenschale die Wand des Doms bilden, welche eine ungleichmäßige Dicke hat; und Befestigen von Anschlußvorrichtungen (32, 40) an den entgegengesetzten Enden der Innenschale (20) und der Außenschale, damit der Dorn an der Wickelvorrichtung drehbar befestigt werden kann.