DK175562B1

DK175562B1 - Vindmöllevinge med kulfibertip

Info

Publication number: DK175562B1
Application number: DK200200424A
Authority: DK
Inventors: Peter Grabau; Lars Fuglsang Andersen
Original assignee: Lm Glasfiber As
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2004-12-06
Also published as: AU2003218632A1; CN1697924A; CN100376790C; AU2003218632B2; PL370864A1; ES2346199T3; PL206703B1; EP1485611A1; CA2479608C; PT1485611E; EP1485611B1; DE60332606D1; US20050180853A1; CA2479608A1; WO2003078833A1; AT468484T; DK200200424A

Description

DK 175562 B1

Opfindelsen angår en vindmøllevinge ifølge den indledende del af krav 1.

Vindmøllevinger fremstilles typisk ved hjælp af to vingeskalhalvparter af fiberarmeret polymer, som efter støbning limes sammen langs kanten og via to afstivningsbjælker, idet bjælkerne først limes fast på indersiden af den ene vingeskalhalvpart, hvorefter den anden 5 vingeskalhalvpart anbringes ovenpå og limes fast på bjælkerne samt langs randen.

Selve vingeskalhalvparteme fremstilles typisk ved vakuuminfusion, hvor jævnt fordelte fibre, rovings, der er fiberbundter, bånd af rovings eller måtter, der kan være filtmåtter ef enkeltfibre eller vævede måtter af fiberrovings, anbringes i lag i en formpart og dæk-kes af en vakuumdug. Ved at tilvejebringe et vakuum (typisk 80-90%) i hulrummet 10 mellem formpartens inderside og vakuumdugen kan harpiks suges ind og fylde hulrummet med det heri værende fibermateriale. For at sikre en effektiv fordeling af harpiks anvendes ofre såkaldte fordelingslag og fordelingskanaler mellem vakuumdugen og fiberma-terialet for at opnå en så god og effektiv fordeling af harpiks som mulig.

15 Den anvendte polymer er i de fleste tilfælde er polyester eller epoxy, og fiberarmeringen er oftest baseret på glasfibre. Det er dog også kendt at anvende kulfibre, som er stivere end glasfibre, men som til gengæld har en lavere trækbrudstyrke end glasfibre. Kulfibrene kan tilsættes for at opnå en større stivhed og/eller lavere vægt. Man kan således lade en del af fiberarmeringen udgøres af kulfibre og reducere vægten af vingen, uden at denne 20 mister for meget stivhed. En ulempe ved kulfibrene er dog, at de er væsentligt dyrere end glasfibre, og dette har været en af årsagerne til, at vindmøllevinger af kulfiberarmeret polymer ikke har vundet så stor udbredelse hidtil.

Fra WO 00/14405 er det kendt at forstærke en vindmøllevinge af glasfiberpolymer med langsgående bånd af kulfiberarmeret polymer.

I DK 175562 B1 I

I 2 I

I Fra US 6.287.122 er det kendt at fremstille aflange kompositemner, hvor en variant af I

I emnets stivhed i emnets længderetning er opnået ved at ændre fiberindholdet eller flette- I

I de fiberdeles vinkelorientering. I

I Fra US 5.520.532 kendes en formpart af fiberarmeret polymer med varierende stivhed, I

I 5 hvilket er opnået ved at variere antallet af fibermåttelag. I

I Fra US 4.077.740 kendes ethelikopterrotorblad af fiberkompositmateriale, hvis stivhed I

I set i længderetningen varierer. Dette er opnået ved at variere fiberorienteringen, og I

formålet er at opnå en bedre svingningsdæmpning. I

I Egenvægten af moderne glasfibervinger er et problem, idet en stor egenvægt eller rettere I

I 10 egenvægtsmoment kræver en stor udmattelsesstyrke i vingens kantvise retning. Dette I

I problem bliver større og større, jo længere vingerne bliver. I

I Formålet med opfindelsen er at løse ovenstående problem på en enkel og billig måde. I

I Formålet er ifølge opfindelsen opnået ved, at vingen er opdelt i en indre endedel, som I

omfatter vingeroden, og som i det væsentlige er fremstillet af glasfiberforstærket poly- I

15 mer, og en ydre endedel, som omfatter vingespidsen, og som i det væsentlige er fremstil- I

let af kulfiberforstærket polymer. Herved kan der spares vægt i den yderste del, hvorved I

egenvægtsmomentet reduceres. Der kræves således mindre materiale og/eller tværsnit I

ved den inderste del af vingen, ligesom belastningen af møllenavet reduceres. Desuden I

kan der opnås en større stivhed i den yderste del af vingen, hvorfor risikoen for, at vingen I

20 på grund afvindpåvirkning udbøjes så kraftigt, at vingetippen rammer mølletåmet, reduceres. En sådan vindmøllevinge er billigere at fremstille end en vinge, der udelukkende består af kulfiberarmeret polymer.

Ifølge en udførelsesform kan den ydre endedel udgøre mellem 25% og 50% af hele vingens længde.

DK 175562 B1 3

Ifølge en foretrukken udførelsesform kan den ydre endedel modsat vingetippen omfatte en overgangszone, hvor kulfibrene gradvist afløses af glasfibre. Herved opnås, at man undgår et spring i vingens stivhed i overgangen mellem kulfibre og glasfibre. Ved kraftige dynamiske eller statiske belastninger vil en brat overgang mellem kulfibrene og glasfi-5 brene betyde, at bøjningsspændningeme optages i det yderste af kulfiberene, der typisk er 3-4 gange stivere end glasfibrene. Dette ville kunne medføre risiko for, at vingen ødelægges. Ved en sådan oveigangsområde undgår man således en kraftig spændingskoncentration op mod grænsefladen mellem kulfibrene og glasfibrene.

Ifølge en udførelsesform kan overgangszonen have en længde på mellem 0,5 og 1 meter.

10 Ifølge opfindelsen kan de to typer fibre således fordelt i polymermatriksen, at kulfibre eller kulfiberbundter med forskellige længder forløber fra en første ende af overgangszonen, og glasfibre eller glasfiberbundter forløber fra den modsatte ende af overgangszonen. Herved kan der opnås en særlig jævn stivhedsovergang.

Ifølge en anden udførelsesform kan overgangszonen bestå af et laminat af flere fiberlag, 15 hvor hvert fiberlag ved en position i længderetningen har en grænseflade, idet fiberlaget omfatter kulfibre på den ene side af grænsefladen og glasfibre på den anden side af grænsefladen, og hvor de enkelte fiberlags grænseflader er forskudt i forhold til hinanden i vingens længderetning. Herved kan der på en særlig enkel måde opnås en gradvis ændring af stivheden i overgangszonen.

20 Ifølge en udførelsesform kan grænsefladerne være savtakformede set i et snit parallelt med fiberlagene. Herved opnås en endnu mere jævn overgang af stivheden i overgangszonen. De savtakformede grænsefladers spidser kan være forskudt i forhold til hinanden i vingens tværretning. Herved opnås en yderligere udjævnet variation af stivheden i overgangszonen.

I DK 175562 B1 I

4 I

I Opfindelsen vil i det følgende blive forklaret nærmere ved hjælp af forskellige udførel- I

I sesformer for opfindelsen, der er vist skematisk på tegningen, hvor I

I fig. 1 viser en vindmølle med tre vinger, I

I fig. 2 en vinge ifølge en udførelsesfonn for opfindelsen, I

I 5 fig. 3 en kontinuerlig variation af mængdeforholdet mellem kulfibre og glasfibre ifølge I

I en særlig udførelsesform for opfindelsen, I

I fig. 4 en kontinuerlig variation af mængdeforholdet mellem kulfibre og glasfibre ifølge I

I en anden særlig udførelsesform for opfindelsen, I

I fig. 5 en kontinuerlig variation af mængdeforholdet mellem kulfibre og glasfibre ifølge I

I 10 en tredje særlig udførelsesform for opfindelsen, og I

I fig. 6 diagrammer der viser, hvorledes mængdeforholdet mellem kulfibre og glasfibre I

I kan variere i overgangszonen. I

I I fig. 1 ses en moderne vindmølle omfattende et tåm 12 med et nav 13 og tre ud fra navet I

I ragende vindmøllevinger 14. I

I 15 I fig. 2 ses en udførelsesform for en vindmøllevinge ifølge opfindelsen, hvor en indre I

I endedel 15, som omfatter vingeroden, i det væsentlige er fremstillet af glasfiberforstær- I

I ket polymer, og hvor en ydre endedel 17, som omfatter vingespidsen, i det væsentlige er I

I fremstillet af kulfiberforstærket polymer. Den ydre endedel 17 omfatter op til den indre I

I endedel 15 en overgangszone 16, hvor kulfiberene gradvist afløses af glasfibre, så at man I

I 20 opnår en gradvis ændring af vingens stivhed. I

5 DK 175562 B1 I fig. 3 ses et udsnit af overgangszonen, hvor mængdeforholdet mellem kulfibre og glasfibre ændres gradvist. Kulfibrene 1 forløber fra den venstre side af udsnittet i form af bundter eller enkeltfibre med forskellige længder. Glasfibrene 2 kan ikke ses i figur 1, men komplementerer kulfibrene 1. Overgangen mellem de to typer fibre er således 5 diffus, så at der opnås en jævn overgang fra den ydre endedel 17, der hovedsageligt er armeret med kulfibre 1, til den indre endedel 15, der hovedsageligt er armeret med glasfibre 2.

I fig. 4 ses en anden udførelsesform, hvor fibermåtter af ikke-vævede fibre eller sammenstrikkede fiberbundter er udstanset således, at de har en savtakformved den ene ende. To 10 måtter med henholdsvis kulfibre og glasfibre i samme fiberlag har tilsvarende udformede savtakker og griber således ind i hinanden. To oven på hinanden liggende fiberlagssavtak-ker kan være forskudt i forhold til hinanden, som det kan ses i figur 4, hvorved der på en forholdsvis enkel måde kan opnås en blød overgang fra stivheden af det til venstre viste område med kulfibre til stivheden af det højre viste område med glasfibre. I figur 4 ses 15 skematisk to oven på hinanden liggende kulfiberlag 3, 4 og tilsvarende glasfiberlag befinder sig i området 5. Som det også kan ses i figur 4, er spidserne 12 afdetokulfiber-lags 3,4 savtakker 11 forskudt i tværretningen for at sikre en blød stivhedsovergang. En overgangszone mellem området med kulfibre og området med glasfibre er således fastlagt af savtakkemes længde. Overgangszonen kan således varieres efter behov ved at gøre 20 savtakkeme længere eller kortere.

I fig. 5 ses en særlig enkel tilvejebringelse af overgangszonen mellem den ydre endedel * og den indre endedel. I figur 5 ses skematisk fire oven på hinanden liggende fiberlag, der omfatter kulfiberlag 6 og glasfiberlag 7. Hvert enkelt fiberlag har en grænseflade 10, hvor kulfibrene afløses af glasfibre, men da de enkelte grænseflader 10 er forskudt i 25 forhold til hinanden, opnås en overgangszone med en vis længde. Længden af overgangs zonen kan naturligvis varieres efter behov ved at forskyde grænsefladerne mere eller mindre fra hinanden og/eller at anvende flere fiberlag.

I DK 175562 B1 I

I 6 I

I I figur 6 ses skematisk mængdeforholdet mellem kulfibre og glasfibre i vingens læng- I

I deretning. Den første zone I svarer til den ydre endedel 17 og den anden zone ΙΠ svarer I

I til vingens indre endedel 15. Mellem de to zoner er der en overgangszone II, hvor andelen I

I af glasfibre 9 vokser jævnt fra niveauet i den første zone I til niveauet i den anden zone I

I 5 ΙΠ. I

I Figur 6a viser således en udførelsesform, hvor den første zone I udelukkende omfatter I

I kulfibre 8, og hvor den anden zone ΠΙ udelukkende omfatter glasfibre 9. I

I Fig. 6b viser en udførelsesform, hvor den første zone I udelukkende omfatter kulfibre 8, I

I og hvor den anden zone IH omfatter en mindre konstant andel af kulfibre 8 og en større I

I 10 konstant andel af glasfibre 9. I

I Fig. 6c viser en udførelsesform, hvor den første zone I omfatter en større konstant andel I

I af kulfibre 8 og en mindre konstant andel af glasfibre 9, og hvor den anden zone ΙΠ ude- I

I lukkende omfatter glasfibre 9. I

I Fig. 6d viser en udførelsesform, hvor den første zone I omfatter en større konstant andel I

I 15 kulfibre 8 og en mindre konstant andel glasfibre 9, og hvor den anden zone ΙΠ omfatter

I en mindre konstant andel kulfibre og en større konstant andel glasfibre 9. I

I Fig. 6a kan således anvendes til skematisk at illustrere en foretrukken udførelsesform for I

en vindmøllevinge, hvor den første zone I svarer til den ydre endedel af vingen, der I

omfatter vingetippen, og hvor den anden zone ΙΠ svarer til den indre endedel af vingen,

20 der omfatter vingeroden. Den ydre endedel omfatter således udelukkende kulfibre som I

armeringsmateriale, mens den indre endedel af vingeroden udelukkende omfatter glasfi- I

bre. Den ydre endedel kan således omfatte en overgangszone Π, hvor kulfibrene og I

glasfibrene gradvist afløser hinanden. Denne overgangszone II kan have en begrænset I

længde på f.eks. 0,5-1 meter. Vingen kan dog også udformet i overensstemmelse med de I

25 i figur 6b-6d viste udformninger.

7 DK 175562 B1

En overgangszone i en vinge kan tilvejebringes under selve fiberoplægningen i formpar-teme. Der kan dog også anvendes præfabrikerede overgangslaminater, der kan være fremstillet efter de i figur 3, 4 og 5 viste principper. Ved sådanne præfabrikerede overgangslaminater, kan der opnås produktionstekniske fordele, idet fiberoplægningen stort 5 set ikke tager længere tid end ved fremstillingen af konventionelle vindmøllevinger, hvor materialet er ens i hele vingens længderetning.

Hvis man ønsker at forsyne en eksisterende vindmølle med længere vinger, kan det gøres ved at erstatte det yderste af vingen med et overgangsområde bestående af et eller flere overgangslaminater og en kulfibertip. Vingerne bliver ikke eller kun lidt tungere end de 10 oprindelige vinger, der er fremstillet helt i glasfiberarmeret polymer. Man kan vælge at fremstille helt nye vinger til en eksisterende mølle eller at save den yderste del af vingerne og påsætte en kulfibertip med eller uden overgangsområde.

Forsøg har vist, at det yderste af kulfibrene i overgangszonen kan brække ved bøjning af overgangszonen, men denne effekt er ikke ubetinget uønskelig, idet den bidrager til en 15 yderligere udjævning af stivhedsovergangen. Således kan frekvensen afbrækkede fibre være høj, men ikke kritisk, idet de omgives af blødere glasfibre. De brækkede fibre vil dog stadig bidrage til at reducere udbøjningen og dermed brud på ydeligere fibre. Den gradvise og jævne overgang mellem egenskaberne ved kompositmaterialet baseret på glasfibre og kulfibre er således opnået ved to mekanismer. Den første mekanisme er 20 fordelingen af stive og bløde fibre, hvor der opnås en blød overgang fra det stive område ' til det bløde område. Den anden mekanisme er den ikke-kritiske brudmekanisme, der yderligere udjævner overgangen. En yderligere ikke-vist udførelsesform for en vindmøllevinge ifølge opfindelsen kan opnås ved såkaldt opsprøjtning. Her benyttes en sprøjtepistol for polymermaterialet, og en blanding af skårne fibre af de to typer sættes ind i 25 harpiksstrømmen og sprøjtes ned i formen. Ved at variere blandingsforholdet under opsprøjtningen kan den ønskede overgangszone opnås.

I DK 175562 B1 I

I 8 I

I Trækbrudstyrken for glasfiber er typisk ca. 4,8%, mens den for kulfiber typisk ligger I

I mellem 0,3% og 1,4%. Elasticitetsmodulen for glasfiber er ca. 73.000 MPa, mens den I

I for kulfiber (middelmodul) typisk ligger på ca. 245.000 MPa. Kulfibre er typisk 3-4 I

I gange stivere end glasfibre. Massefylden for glas er ca. 2,54 g/cm3, mens den for kul er I

I 5 ca. 1,75 g/cm3. I

Claims

2. Vindmøllevinge (14)ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den ydre endedel (17) udgør mellem 25% og 50% af hele vingens (14) længde.
3. Vindmøllevinge (14) ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at den ydre 10 endedel (17) modsat vingetippen omfatter en overgangszone (16), hvor kulfibrene gradvist afløses af glasfibre.
4. Vindmøllevinge (14) ifølge krav 3, hvor overgangszonen (16) har en længde på mellem 0,5 og 1 meter.
5. Vindmøllevinge (14) ifølge krav 3 eller 4, k e n d et e gn e t ved, at de to typer 15 fibre er således fordelt i polymermaterialet, at kulfibre eller kulfiberbundter (1) med forskellige længder forløber fra en første ende af overgangszonen (II), og glasfibre eller glasfiberbundter (II) forløber fra den modsatte ende af overgangszonen (II). t
6. Vindmøllevinge (14) ifølge krav 3 eller 4, kendetegnet ved, at overgagszonen (II) består af et laminat af flere fiberlag (6, 7), hvor hvert fiberlag ved en position i 20 længderetningen har en grænseflade (10), idet fiberlaget omfatter kulfibre (6) på den ene side af grænsefladen og glasfibre (7) på den anden side af grænsefladen, og hvor de enkelte fiberlags grænseflader (10) er forskudt i forhold til hinanden i vingens (14) længderetning. I DK 175562 B1 I I 10 I
7. Vindmøllevinge ifølge krav 6, hvor grænsefladerne (11) er savtakformede set i snit I I parallelt med fiberlagene (3,4,5). I
8. Vindmøllevinge ifølge krav 7, hvor de savtakformede grænsefladers (11) spidser I I (12) er forskudt i forhold til hinanden i vingens (14) tværretning. I I 5 I