DE60218408T2

DE60218408T2 - Schalenformwerkzeuganordnung

Info

Publication number: DE60218408T2
Application number: DE60218408T
Authority: DE
Inventors: Joseba Aramburu Arriaga; Sergio Gamesa Eolic Velez Oria
Original assignee: Gamesa Innovation and Technology SL
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation and Technology SL
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2022-11-12
Also published as: DE60218408D1; EP1316400A1; US20030091679A1; ES2208028A1; ES2208028B1; US20070108655A1; US7726962B2; EP1316400B1; DK1316400T3

Description

Die Erfindung betrifft den Aufbau einer neuen Schalenform zur Herstellung von Rotorblättern für Windenergieanlagen, wobei die Schalenform in zufällig verteilte Rippen gespannt ist.
Die Lasten des Gebildes und die Verformungen, die während des Aushärteprozesses auftreten, werden von den Rippen, welche entlang der Form angebracht und entsprechend der auf sie wirkenden Lasten angeordnet sind, absorbiert. Diese Rippen sind auf dem Verbundbett verschraubt. Somit werden mittels der Anordnung dieser Rippen Lüftungskanäle erzeugt, die sich der Flügelform anpassen. Der Luftstrom ist homogen und unerwünschte Ausdehnungen werden aufgrund der Einspannung, die einen Akkordeoneffekt erzeugt, vermieden. Die vorhersagbaren Verformungen werden aufgrund der Freiheitsgrade in den Kniegelenken im unteren Bereich der Schale und den Stützen, welche auf Schlitten gelagert sind, im oberen Bereich der Schale absorbiert.
Der zweite Punkt dieser Erfindung beschäftigt sich mit dem Gebrauch von Lagen, die zu dickeren und stabileren Schichten verbunden werden: Diese Lagen sind aus einem Gewebe, bei welchem die Fäden sinusförmig um den, aus kurzen Fasern bestehenden Schuss, gewoben werden.
Hintergrund der Erfindung
Die Schalen, die bei der Herstellung von Rotorblättern für Windenergieanlagen Verwendung finden, haben einen konstruktiven Nachteil, da sie meist aus Metall bestehen. Dies wirkt sich ungünstig auf die Wärmeausdehnung aus, die entsteht, wenn die Harze polymerisieren, auch bekannt als aushärten. Andere Schalen, die möglichst auf metallische Teile verzichten, haben zwar weniger Probleme mit den Ausdehnungen, sind aber recht steif und verursachen somit Verformungen.
Die Schale, welche üblicherweise für die Aushärtung solcher Rotorblätter verwendet wird, hat einen rechteckig geformten Kanal, der nicht bis in die tiefsten Schalenzonen reicht. Diese Tatsache verlängert den Aushärtungsprozess und die totale Polymerisation des Produktes wird verzögert. Im Gegensatz dazu wird die Aushärtezeit verkürzt, wenn ein entsprechend geformter Kanal vorhanden ist, welcher heiße Luft bis an die Kanten des Rotorblattes befördert.
Vorhergehende Untersuchungen im Stand der Technik markieren einen Startpunkt für die Entwicklung und Herstellung von Rotorblättern, und unter den dabei gefundenen Patenten sollten Folgende hervorgehoben werden: Das Patent ES 2.007.179 benutzt eine Form mit zwei Kernen: einem an der Flügelvorderkante und einem an der Flügelhinterkante, so werden die Rotorblätter in zwei Teilen gefertigt und später zusammengefügt. In diesem Fall sind Form und Rotorblatt völlig anders. In ES 2.089.965 werden die Formen von einem elastischen Material umhüllt, welches sich durch die Hitzeausdehnung im Aushärteprozess mit ausdehnt. Jedoch muss die Form noch in einem Ofen behandelt werden, um die vollständige Harzpolymerisation zu erreichen, was die Kosten dieses Prozesses erhöht. Messerschmitts Patent ES 8.503.080, aktuell überholt, schlägt bankähnliche Schalen vor, bei welchen die Rotorblätter durch Schichtungsvorgänge geformt werden. Die Schalen sind bei den seitlichen Holmen dicker, beinhalten aber keine Vorkehrungen zur inneren Aushärtung. Schließlich beschreibt das Patent EP 856.900 eine Schalenform, in welche ein Gewebe aus Propylenen und Glasfasern gelegt wird. Diese Anordnung wird in einen Heißgasdruckofen befördert, wo die Propylene schmelzen und sich mit den Glasfasern verbinden. Dies stellt ebenfalls eine völlig andere Methode zur Rotorblattherstellung dar, als die, welche in diesem Patenttext aufgezeigt wird.
Besitzen die Formen keine integrierten Heizungen, geschieht der Aushärteprozess in einem Ofen (Autoklave), in welchem Form und Rotorblatt gemeinsam platziert werden. Die größten Nachteile dieses Verfahrens sind die Größe der Rotorblätter zusammen mit den Kosten des Ofens und den Ausdehnungen, die während des Prozesses auftreten. Der Gebrauch einer Schale aus Verbundwerkstoff beugt den Ausdehnungen vor, welche beim Aushärten der synthetischen Harze, die das Rotorblatt beschichten, auftreten. Im Vergleich dazu können Formen aus herkömmlichen Materialien erhebliche Auswirkungen auf das Endprodukt haben.
Die Schalenform zur Herstellung von Rotorblättern für Windräder, welche in dieser Patentschrift vorgestellt wird, ist dafür entwickelt worden, um effektiv die Nachteile der Bauweise dieser Schalenformen entgegenzutreten, indem die Unterschiede bei der Materialaushärtung durch das Einarbeiten mehrerer Heißluftkanäle, die entlang der Form verteilt sind, beseitigt werden und damit die Notwendigkeit eines Ofens (Autoklave) umgehen. Des Weiteren schließt sie ein System ein, um die thermische Verformung aufzunehmen, die das aushärtende Teil beschädigen könnte.
Beschreibung der Erfindung
Die Form, die mit dieser Erfindung vorgestellt wird, besteht aus bis zu zwei Halbformen oder Schalen, die mittels Scharnieren miteinander verbunden sind, die ein Öffnen und Schließen dieser Schalen erlauben. Jede dieser Halbschalen, in welche die Lagen vor dem Verschließen und dem Einleiten des Aushärteprozesses oder dem Aufheizen eingelegt werden, ist für einen Teil des Rotorblattes zuständig.
Jede dieser Halbschalen ist groß und hauptsächlich rechteckförmig. Sie werden mit einzelnen Scharnieren entlang der langen Seite der Rechteckform zusammenklappbar verbunden und die Heißluftversorgung ist an der Seite der Rotorblattwurzel; Die Rotorblattspitze ist also an der freien Luftaustrittsseite der Schalenform. Die Grundform der Schale ist aus nicht metallischen Komponenten gefertigt: einem Verbundwerkstoffbett, eine metallische Struktur, welche das Bett stützt, eine mechanische Komponente, die eine der beiden Schalenhälften zum Öffnen und Schließen bewegt, und ein Heizsystem, welches die Form aufheizt. Die stützende Struktur ist so gefertigt, dass das Verbundbett an allen Stellen von heißer Luft umströmt werden kann und somit eine gute und gleichmäßige Heißluftversorgung sicherstellt.
Die Luftkanäle, die an die Schale angrenzen, haben auch eine strukturelle Aufgabe und sind besser an die Profilform angepasst. Die gesamte Struktur ist in Rippen gefasst, die jedoch nicht steif miteinander verbunden sind, sondern durch einen Akkordeoneffekt in der Lage sind, die Wärmeausdehnungen beim Aushärten abzufangen. Die Effekte der Wärmeausdehnung beim Aushärteprozess werden durch die Kniegelenke in den Stützen der Struktur der unteren Halbschale und den Schlitten an den Stützen der Wendevorrichtung der oberen Halbschale ausgeglichen.
Die Teile werden verschmolzen, indem die Lagen auf eine Werkvorrichtung oder eine rotorblattförmige Schale gelegt werden. Diese Lagen bestehen aus dickeren Schichten, die in Ballen geliefert werden und auf der Schale ausgerollt und entsprechend der Markierungen auf den Lagen aufeinander gelegt werden.
Aus den vorhergehenden Erklärungen und Beschreibungen über eine Schalenform zur Herstellung von Rotorblättern und deren Aufbau für Windenergieanlagen, kann Folgendes hervorgehoben werden: Jedes einzelne Scharnier ist an einer Rippe befestigt, somit wird die Last, die beim Aushärteprozess entsteht, verteilt. Zwischen die Rippen wird ein Verbundmaterial geklebt, welches durch die Flexibilität, die ihm innewohnt und den dadurch entstehenden Akkordeoneffekt die Wärmeausdehnungen ausgleichen kann. Durch diesen Akkordeoneffekt können die Ausdehnungen an beiden Seiten einer Rippe gleichermaßen abgefangen werden und führen somit nicht zu einer Deplatzierung der Rippen. Die Luftkanäle sind sehr gut an das Rotorblattprofil angepasst und sorgen somit für einen schnelleren Fertigungsprozess. Die Rotorblätter werden aus einer Schichtung verschiedener Lagen, wiederum bestehend aus dünneren Lagen, gebildet, was zwar den Prozess verteuert, jedoch wird diese Verteuerung durch die Vorteile der Endform ausgeglichen.
Kurze Beschreibung der Bilder
1 zeigt einen Querschnitt der Anordnung mit der Wendeeinheit, den Versteifungen, den Betten der beiden Schalen und die Kanäle für die Heißluft, die zum Aushärteprozess verwendet wird.
2 zeigt eine detaillierte Ansicht einer der Schalenhälften und den dazugehörigen Rippen.
3 zeigt eine andere detaillierte Ansicht einer der Schalenhälften mit den Luftkanälen, den Rippen und der Aufhängung für die Wendeeinheit.
4 zeigt eine detaillierte Ansicht der unteren Halbschale und zeigt die Halterungen und die Luftkanäle mit ihren Verzweigungen.
5 zeigt eine Anordnung von den auf das Verbundbett verschraubten und geklebten Rippen, und wie die Ausdehnungen auf die Struktur wirken können.
6 zeigt einen Ausschnitt aus dem Verbundgewebe und den Aufbau seiner Lagen, mit dem Schuss und den kurzen Fasern, die miteinander versponnen und umwunden das Verbundgewebe formen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
Wie in 1 zu sehen ist, besteht die Schale oder die beiden Halbformen vorzugsweise aus zwei verschiedenen Verbundanteilen, nämlich Glasfasern und Epoxidharz, und dienen der aerodynamischen Formgebung. Auf der einen Seite ist das obere Bett (1), das in die obere Form (2) eingelassen ist, und auf der anderen Seite ist das untere Bett (3), welches sich in der unteren Halbschale (4) befindet. Die besagte untere Halbschale ist auf dem Boden befestigt und trägt das Gewicht der oberen Halbschale zusammen mit dem Rotorblattsatz aus Versteifungsholm (c) und den Rotorblattschalen (a) und (b). Die Wendeeinheit (6) ist das mechanische System und dient dazu, die obere Halbform (2) in die geöffnete und geschlossene Position zu bewegen. Im Herstellungsprozess wird das Rotorblatt erst kaltgeschichtet und nachdem die Form geschlossen ist, wird Wärme hinzugeführt. Die Schalen (A) und (B) und der Klebstoff zusammen mit dem Holm und den Verbindungen der Teile werden in besagter Form ausgehärtet.
Das obere (1) und das untere Bett (3) werden von einer Thermokammer umschlossen. Die Formung wird mittels einer Doppelten-Sandwichschichtung verwirklicht, also 2 Schichten (7) aus Glasfasern und Epoxidharz mit einem Wabenkörper mit Aluminiumkern (9).
Es stehen eine Reihe von Kanälen mit dem Bettinneren in Kontakt. Durch diese Kanäle strömt heiße Luft, die gleichmäßig im Innern verteilt wird und mit einer niedrigeren Temperatur wieder ausgestoßen wird. Die Luftverteilung geschieht über einen oberen zentralen Kanal (10) und einen unteren zentralen Kanal (11). Die Eingänge in das Bett werden durch Löcher gebildet, die in die zweite Schicht (8) gebohrt sind und entsprechend der Rotorblattgeometrie verteilt sind. Es wird eine luftdichte Versiegelung verwendet, um Luftlecks oder Druckverluste während der Luftzirkulation zu verhindern. Die Kanäle bestehen aus einer Glasfaser und Epoxidharz Sandwichbauweise mit einem isolierenden Schaumkern. Die Hauptkanäle (10) und (11) sollen nur die Belastungen durch den Luftdruck aufnehmen. Die Luft zirkuliert durch die Hauptkanäle. Nachdem die Luft durch das Bett im mittleren Kern geströmt ist, strömt sie weiter durch den vorderen seitlichen Kanal (12) und den hinteren seitlichen Kanal (13). Die seitlichen Kanäle (12) und (13) sollen auch Kräfte aufnehmen, deswegen sind diese Kanäle durch Träger (14) versteift.
Die Herstellung der oberen Halbform (2) und der unteren Halbform (3) folgt einem Muster. Beide Halbformen sollten mit bestimmten Elementen ausgestattet sein, um Lasten, die beim Wenden auftreten, aufzunehmen. Zu diesem Zweck sind einige Rippen in der unteren Halbschale (3) und der oberen Halbschale (2) angebracht, die an die Kanäle angrenzen und sich jeweils mit den Scharnieren der Wendeeinheit (6) decken.
Der Bereich zwischen den Luftkanälen ist wärmeisoliert, um den Wärmeverlust minimal zu halten. Die metallische Struktur wird von einer Reihe von Deckplatten (15) über den seitlichen Kanälen sowie auf den vorderen und hinteren Kanälen (12) & (13) und auf den zentralen Kanälen (10) & (11) verschlossen.
Wie in 2 & 3 zu sehen ist, wird die Form von Rippen überspannt. Die erste Rippe (nicht abgebildet) und die zweite Rippe (17) unterscheiden sich in ihrer Konstruktion und ihrem Aufbau. Die erste Rippe ist in der Nähe der Rotorblattwurzel angeordnet und rechteckig geformt. Ihre abstehenden Kanten sind abgeschrägt und enden in verdeckten Flanschen neben den seitlichen Kanälen. Die zweite Rippe (17) besteht aus einem rechteckigen Rahmen mit seitlichen Versteifungen (20), welche wie auch vorher schon beschrieben in verdeckten Flanschen (21) neben den seitlichen Kanälen (12) & (13) enden. Beginnend mit der zweiten Rippe (17) werden die restlichen Rippen (18) gleichmäßig verteilt, entsprechend der Form, ebenso wie die Luftkanäle (10) & (11). Diese Rippen sind ebenfalls rechteckig geformt und besitzen ebenfalls entsprechende seitliche Versteifungen (20) mit einem oder mehreren stiftartigen Elementen (22), die zur Kraftübertragung beim Wenden der oberen Form (2) dienen. Neben den genannten Stiften (22), die an der oberen Schale angebracht sind, befinden sich an jeder Seite der Rippen weitere Stützen (23). Die letzten Befestigungselemente sind Stützen (24), die an den Formenden angebracht sind, welche von den verdeckten Flanschen (21) der Rippen abzweigen und deren Enden mit mehreren Schlitten (16) ausgestattet sind.
Wie in 4 zu sehen ist, wird der Luftstrom, der durch den unteren zentralen Kanal (11) geleitet wird, verzweigt und über die zentralen (111) und seitlichen (112) Flächen, gleichmäßig der Form angepasst, verteilt. Der Luftstrom wird im Bild von zwei sich verzweigenden Pfeilen dargestellt. Die Lasten, die von der Form getragen werden, werden gleichmäßig verteilt und durch den Akkordeoneffekt, erreicht durch die entsprechende Verteilung von Rippen (17) & (18) an Last empfindlichen Stellen, um ein erhebliches Maß reduziert. Die metallische Konstruktion der unteren Halbschale (4) besteht aus einer Serie von Beinen (31), die mit der Basisstruktur (33) verbunden sind, welche wiederum in den dafür vorgesehenen Aushöhlungen auf dem Boden ruhen. Die Verbindungen der Beine (31) mit der Basisstruktur (33) sind mit Kniegelenken (32) ausgeführt, welche Verschiebungen beim Aushärteprozess verringern.
In 5 ist zu erkennen, wie die oben erläuterten Rippen (17) & (18) mit einem passenden Verbindungselement (25) verschraubt und mittels Klebemitteln (27) mit dem Verbundbett (26), an der Stelle der Luftkanäle (10) & (11), befestigt sind. Alle Ausdehnungen werden durch den umklammernden Aufbau der Form abgefangen.
In 6 sind die Glasfasern, die zur Herstellung der Schichten (7) & (8) verwendet werden, dargestellt. Diese bestehen aus mehreren Glasfaserlagen, die im 45° Winkel zueinander angeordnet sind. Die Lage (28) besteht aus einem konventionellen Gewebe mit einem Schuss aus Fasern (29). Die Fasern bestehen aus umwundenen Fäden, so dass eine Faser (20) aus einer Gruppe von Fäden (30) besteht, die verwoben das beschriebene Gewebe formen.

Claims

Schalenform zur Herstellung von Rotorblättern für Windenergieanlagen und Muster, bestehend aus zwei Verbundteilen, welche die Rotorblattform erstellen mit einem oberen Bett (1), eingelassen in die obere Form (2), und einem unteren Bett (3), plaziert in der unteren Form (4); Diese Form besitzt eine Wendeeinheit (6), die es ermöglicht die Form in die geöffnete und geschlossene Position zu bewegen; Die Einleitung von heißer Luft in das Bett wird durch mehrere Luftkanäle ermöglicht, die in ihrer Form dem Flügelprofil angepasst sind. Die heiße Luft strömt von der Rotorblattwurzel hoch bis zur Rotorblattspitze durch die zentralen Kanäle (10) & (11), durch eine erste Schicht (7), einen Zwischenkern (9) und einigen Löchern, welche in die zweite Schicht (8) gebohrt sind, schließlich zurück durch den vorderen seitlichen Kanal (12) und den hinteren seitlichen Kanal (13). Diese Kanäle werden von Rippen versteift, welche ein Verbundbett umspannen und mittels entsprechender Befestigungsmethoden (25) verschraubt sind; schließlich wird dieser Satz aus Rippen und Verbundbett (26) mittels eines Klebemittels (27) verklebt.
Schalenform entsprechend Anspruch 1, in welcher die Glasfaserschichten, welche das Basismaterial für das Bett des Musters bilden, sehr dünn sind und aus mehreren Schichten bestehen. Jede Schicht (27) besteht aus einem Netzwerk aus Fasern (29), welche wiederum aus einer Mehrzahl von umwundenen Fäden (30) bestehen, so dass eine Faser (29) aus mehreren Fäden (30) zusammengesetzt ist, welche wiederum miteinander verwoben die Schichten (28) ergeben. Diese Schichten (28) werden nun jeweils in ihrer Ausrichtung senkrecht zur angrenzenden Schicht verbunden.
Schalenform entsprechend Anspruch 1, deren Rippen rechteckförmig sind und dessen abstehende Kanten schräg stehen und in verdeckte Flansche (21) enden und an die seitlichen vorderen Kanal (12) und auf der anderen Seite an den seitlich hinteren Kanal (13) angrenzen. Einige Rippen verfügen über seitliche Versteifungen (20) und über einen oder mehrere stiftartige Befestigungen (22), die mit der Wendeeinheit verbunden werden.
Schalenform entsprechend dem vorhergehenden Anspruch, welche ebenso wie die stiftartigen Befestigungen (22), auch über seitliche Aufhängungen (23) verfügt, welche an jeder Seite der entsprechenden Rippe angebracht sind. Einige Befestigungen sind durch Stützen (24) gegeben, die sich an den Rändern der Form befinden und von den verdeckten Flanschen (21) der Rippen abzweigen und in einigen Schlitten (16) enden.
Schalenform entsprechend den Ansprüchen 3 und 4, dessen untere Halbschale (4) und metallische Struktur eine Serie von Beinen (31) beinhaltet, welche entlang beider Seiten plaziert sind und in einer Basisstruktur (33) zusammenlaufen. Besagte Basisstruktur besteht aus mehreren horizontalen Platten, die mittels Kniegelenken (32) mit besagten Beinen (32) verbunden sind, welche somit ein Verrutschen verhindert oder aufnimmt.
Schalenform entsprechend Anspruch 1, deren Luftkanäle, die an die Form angrenzen, strukturelle Eigenschaften haben und über eine Konstruktion aus Rippen verfügt, welche die Ausdehnungen auf beiden Seiten einer Rippe abdämpfen kann ohne ein Verrutschen zuzulassen oder die Belastungen zu übertragen.