PL215306B1 - Sposób wytwarzania nasady lopaty turbiny wiatrowej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania nasady łopaty turbiny wiatrowej.

Turbiny wiatrowe są używane od dziesięcioleci do wykorzystywania energii wiatru, np. do wytwarzania energii elektrycznej. Aby zmniejszyć cenę energii elektrycznej wytwarzanej przez takie turbiny wiatrowe, ich wielkość wzrosła do obecnie spotykanej średniej mocy nominalnej wynoszącej w przybliżeniu 1,5 MW w stosowanych powszechnie turbinach wiatrowych, natomiast opracowuje się turbiny wiatrowe o mocy do 3 MW, a można się spodziewać, że w nadchodzących latach na rynku pojawią się nawet jeszcze większe turbiny wiatrowe. Powszechnie stosowane turbiny wiatrowe mają trzy łopaty, które przy 1,5-megawatowej turbinie wiatrowej mają długość około 35 metrów.

Łopaty między innymi poddawane są dużym siłom i momentom zginającym, powodowanym ciśnieniem wiatru oraz ciężarem i ruchem obrotowym łopat, ponadto łopaty ulegają zmęczeniu ze względu na cykliczne obciążenia. Przykładowo, w trakcie jednego obrotu łopata przemieszcza się przez obszar maksymalnego obciążenia wiatrem w górnej części okręgu, natomiast gdy łopata mija wieżę, przechodzi przez obszar słabego wiatru (lub nawet miejsce osłonięte od wiatru), ponadto zazwyczaj wiatr nie jest stały, gdyż mogą pojawiać się podmuchy wiatru. Oczywiście nasada łopaty i połączenie łopaty z piastą musi być w stanie wytrzymywać obciążenia łopaty, a uszkodzenie nasady łopaty lub piasty byłoby niszczące i potencjalnie śmiertelne dla osób znajdujących się w pobliżu turbiny wiatrowej.

Na przestrzeni lat próbowano różnych metod, jak to można zobaczyć w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki US 4915590, który ujawnia sposób mocowania łopaty turbiny wiatrowej. To znane ze stanu techniki mocowanie łopaty stanowią umocowane w nasadzie łopaty pręty z włókna szklanego, przy czym pręty te na znacznej części nie są związane z nasadą łopaty, tworząc swobodny koniec przy końcu nasady, ponadto te swobodne końce prętów są odsunięte od końca nasady łopaty, co oznacza, że pręty mogą być poddawane rozciąganiu. Ten opis patentowy pokazuje, że pręty mogą być niezwiązane z łopatą wirnika w przybliżeniu na 85% ich długości. Średnica prętów zmniejsza się w kierunku umocowanego zakończenia w obszarze wiązania, gdzie pręt jest połączony wewnętrznie z łopatą. Chociaż może to być odpowiednie dla stosunkowo małych łopat stosowanych w turbinach wiatrowych w sierpniu 1987 roku, kiedy to amerykańskie zgłoszenie patentowe było składane, ta znana konstrukcja nie jest jednak odpowiednia dla stosunkowo dużych, obecnie stosowanych łopat, gdyż pręty nie będą w stanie wytrzymać bardzo dużych sił obecnych w nasadzie łopaty w przypadku dużych łopatach, zwłaszcza, że są związane z nasadą łopaty w bardzo ograniczonym zakresie.

W mocowaniu łopaty według europejskiej publikacji patentowej WO-A2-01/42647 łopatę łączy się z piastą za pomocą śrub wkręcanych we wkładki usytuowane w promieniowo rozmieszczonych otworach w nasadzie łopaty. Konieczność wykonania promieniowo rozmieszczonych otworów w nasadzie łopaty jest jednak niekorzystna, gdyż otwory te poważnie osłabiają konstrukcję i wprowadzają spiętrzenie naprężeń, co oznacza, że nasada łopaty musi być skonstruowana jako bardzo mocna, a zatem ciężka, co z kolei poddaje konstrukcję naprężeniom.

Podobne rozwiązanie przedstawiono w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki US 6371730, który ujawnia połączenie łopaty z piastą za pomocą śrub wkręconych w nakrętki włożone w promieniowo rozmieszczone, nieprzelotowe otwory w nasadzie łopaty. Chociaż otwory nie są przelotowe, poważnie osłabiają nasadę łopaty, stąd też ta konstrukcja jest również niekorzystna.

Próbowano także wytwarzać nasadę łopaty z osadzonymi tulejami, z których każda miała wystającą gwintowaną część śrubową, jak to ujawniono w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki US 4420354. Ten stan techniki wymaga wiercenia stosunkowo dużego, rozciągającego się osiowo otworu w nasadzie łopaty wykonanej z kompozytu drzewno-żywicznego, w którym to otworze wiąże się żywicą tuleję mającą wstępnie uformowaną mufkę z żywicy. W tym dotychczasowym rozwiązaniu usuwa się stosunkowo dużą ilość materiału nasady łopaty, co osłabia konstrukcję, tak więc nasada łopaty musi być przewymiarowana. Szczególnie w przypadku dużych łopat z nowoczesnych kompozytów, takich jak tworzywa sztuczne wzmacnianie włóknem, które są stosunkowo elastyczne, spiętrzenie naprężeń na końcu tulei może być szkodliwe, gdyż tuleje są znacznie sztywniejsze.

Znane ze stanu techniki sposoby wytwarzania nasady łopaty turbiny wiatrowej są stosunkowo pracochłonne i czasochłonne, gdyż tuleje oddziela się blokami np. materiału piankowego, przy czym bloki i tuleje muszą być rozmieszczane starannie. Ponadto istnieje ryzyko, że pomiędzy tulejami i blokami utworzą się w nasadzie łopaty kieszenie powietrzne, a takie kieszenie powietrzne, które są trudne do wykrycia, będą poważnie pogarszały wytrzymałość nasady łopaty.

PL 215 306 B1

Zgodnie z innymi sposobami znanymi ze stanu techniki dostarcza się masywną nasadę łopaty i następnie w materiale wierci się otwory na tuleje, patrz np. wspomniany opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki US 4420354. Jest to jednak metoda w pewnym stopniu niszcząca, a ponieważ kompozyty z włókna na nasadę łopaty są dość drogie, i w miarę opracowywania większych łopat będą coraz droższe, i ponieważ przewiduje się wprowadzanie najnowocześniejszych materiałów, takich jak kompozyty z włókna węglowego, metoda ta nie jest korzystna.

Istnieje zatem zapotrzebowanie na oszczędny pod względem pracy i kosztów sposób wytwarzania nasady łopaty turbiny wiatrowej, który zapewni dużą wytrzymałość łopat.

Zgodny z wynalazkiem sposób wytwarzania nasady łopaty turbiny wiatrowej mającej całkowicie związane wkładane tuleje z gwintem wewnętrznym do zamontowania śrub w celu rozłączalnego mocowania do piasty turbiny wiatrowej, charakteryzuje się tym, że dostarcza się obsadę mającą rozmieszczone w pewnej odległości od siebie wgłębienia do umieszczenia tulei, umieszcza się na obsadzie co najmniej jedną pierwszą warstwę maty z włókna pokrywającą wgłębienia, umieszcza się, głównie w kierunku wzdłużnym łopaty, tuleje na pierwszej warstwie maty z włókna w tych wgłębieniach, nakłada się dodatkowe warstwy maty z włókna na wierzch tulei, zagęszcza się maty z włókna.

Według jednej postaci wykonania wynalazku sposób obejmuje dodatkowy etap zagęszczania mat z włókna przy użyciu mat próżniowych, dzięki czemu uzyskuje się dobre zagęszczenie, a ryzyko powstania kieszeni gazu w kompozytach jest znacznie mniejsze.

Te maty mogą być suchymi matami, zawierającymi jedynie włókna wzmacniające. Jednakże, zgodnie z jedną postacią wykonania wynalazku, stosuje się maty typu preimpregnowanego, przy czym łączy się preimpregnowane maty poprzez nagrzewanie nasady łopaty, przez co łopatę można wytwarzać w bardzo wydajny sposób, gdyż całą łopatę można połączyć w jedną część po nałożeniu kompozytu.

Korzystnie, stosuje się wkładane tuleje mające pierwszą część i przedłużoną część o stopniowo wzrastającej elastyczności w kierunku od pierwszej. Dzięki temu uzyskuje się to, że tuleje, które są osadzone w nasadzie łopaty, a tym samym zintegrowane z nią, jednocześnie mogą zapewnić mocne połączenie gwintowe ze śrubą w celu zamocowania do piasty turbiny wiatrowej oraz zapewnić stosunkowo elastyczny koniec, tak więc spiętrzenia naprężeń nie nasilają się. Dzięki temu otrzymuje się bardzo lekką łopatę mająca mocowanie o dużej wytrzymałości.

Pierwsza część może mieć dowolny żądany kształt, jednakże według jednej postaci wykonania wynalazku, stosuje się zasadniczo cylindryczną pierwszą część tulei. Dzięki temu można uzyskać stosunkowo proste, a zatem opłacalne tuleje, a ponadto tuleja mająca zasadniczo cylindryczną pierwszą część zajmuje stosunkowo mało miejsca w materiale kompozytowym nasady łopaty.

Zgodnie z jedną postacią wykonania wynalazku tuleje są metalowe, choć można stosować tuleje niemetalowe, np. wykonane z polimerów lub kompozytów polimerowych o wysokiej wytrzymałości.

Przedłużona część tulei może być fazowana, aby zapewnić stopniowo zmniejszający się przekrój poprzeczny, dzięki czemu w bardzo prosty sposób osiąga się stopniowo wzrastającą elastyczność. Ponadto, poprzez zmniejszenie przekroju poprzecznego przedłużonej części tulei uzyskuje się łagodne przejście pomiędzy pierwszą częścią tulei i konstrukcją kompozytową nasady łopaty w kierunku czubka łopaty. Ponadto, dzięki temu łagodnemu przejściu, ryzyko powstania kieszeni powietrza lub gazu w konstrukcji przy tulejach jest znacznie mniejsze.

Wewnętrzny gwint tulei może przebiegać na całej długości, jednakże korzystne jest, aby bliższa część pierwszej części była bezgwintowa. Dzięki temu uzyskuje się to, że śrubę wprowadzoną w tuleję i połączoną z gwintem można poddać rozciąganiu, tak więc nasada łopaty może być utrzymywana w połączeniu z piastą przez cały czas podczas obiegu łopaty, niezależnie od cyklicznych obciążeń łopaty, które to obciążenia stanowią siły rozciągające i ściskające oraz momenty zginające i skręcające.

Chociaż w pewnych sytuacjach mogłoby być korzystne wyposażenie tulei na jej zewnętrznych powierzchniach w zaczepy, promieniowe kołnierze itp., zewnętrzne powierzchnie tulei według jednej postaci wykonania wynalazku wykonuje się jako gładkie.

Aby zapewnić dodatkowy chwyt ze spoiwem w celu związania tulei, zewnętrznym powierzchniom tulei może być nadana lekka chropowatość, np. przez wytrawianie, piaskowanie itp.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia łopatę turbiny wiatrowej w rzucie głównym, fig. 2 - nasadę łopaty w widoku z boku, fig. 3 - tuleję w przekroju wzdłużnym, fig. 4 - łopatę podczas wytwarzania w widoku z boku, fig. 5 - nasadę łopaty w przekroju, fig. 6 - nasadę łopaty w przekroju wzdłużnym poprowadzonym wzdłuż linii VI-VI na fig. 5, fig. 7 - nasadę łopaty w przekroju wzdłużnym poprowadzonym wzdłuż linii VII-VII na fig. 6.

PL 215 306 B1

Na fig. 1 można zobaczyć łopatę 1 turbiny wiatrowej w rzucie na płaszczyznę. Łopata 1 ma aerodynamiczną część 2, której ukształtowanie ma na celu optymalne wykorzystanie energii wiatru, oraz nasadę 3 łopaty, przeznaczoną do połączenia z piastą (niepokazaną) turbiny wiatrowej. Nasada 3 łopaty jest silnie obciążonym obszarem łopaty turbiny wiatrowej, ponieważ łopata turbiny wiatrowej jest poddawana dużym siłom powodowanym wiatrem, obracającymi się masami itp. Przykładowo, długość powszechnie stosowanej łopaty 1 turbiny wiatrowej, w przypadku 1,5-megawatowej turbiny wiatrowej, wynosi w przybliżeniu 35 m, a masa każdej łopaty wynosi w przybliżeniu 6000 kg. Najnowocześniejsze łopaty turbiny wiatrowej obejmują centralną, pustą w środku belkę o dużej wytrzymałości oraz poszycie aerodynamiczne, mające jedynie ograniczoną wytrzymałość, przy czym zazwyczaj zarówno belka, jak i poszycie są wykonane z materiału kompozytowego np. z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem. W innych wykonaniach łopaty belka ma postać dwuteownika albo belki w ogóle nie ma, a poszycie jest wzmocnione tak, aby było samonośne.

Nasadę 3 łopaty przedstawiono szczegółowiej na fig. 2, przedstawiając nasadę 3 łopaty w widoku z boku. Dla uzyskania rozłączalnego połączenia z piastą turbiny wiatrowej, nasada 3 łopaty ma szereg tulei 4, z których pokazano jedynie kilka, osadzonych w nasadzie 3 łopaty tak, że w wewnętrzny gwint tulei 4 można wkręcić śruby (niepokazane) w celu mocnego, ale rozłączalnego połączenia z piastą turbiny wiatrowej.

Fig. 3 przedstawia tuleję 4 w przekroju wzdłużnym, przy czym tuleja ma pierwszą część 6 i przedłużoną część 7 mającą przekrój poprzeczny stopniowo zmniejszający się do szpiczastego lub nieomal szpiczastego końca 9, dzięki czemu przedłużona część ma stopniowo wzrastającą elastyczność. Tę elastyczność można by oczywiście zapewnić w inny sposób, np. wprowadzając szczeliny lub inne wycięcia w kierunku promieniowym lub osiowym, jak to będzie oczywiste dla fachowca. Te dwie części 6, 7 mogą być zintegrowane bądź też mogą stanowić dwie oddzielne części, które można połączyć trwale albo rozłączalnie, np. połączeniem gwintowym, przez lutowanie, wtłaczanie itp. Obecnie preferuje się wytwarzanie tulei 4 z dwóch niezależnych części i rozłączalne łączenie ich za pomocą połączenia gwintowego, chociaż można by również zastosować trwalsze połączenie, np. poprzez kl ejenie, spawanie, lutowanie twarde itp. Wytwarzanie tulei 4 z dwóch oddzielnych części zapewnia łatwiejszą obróbkę skrawaniem przedłużonej części 7, a w otworze tulei łatwiej wykonuje się gwint 5. W jednej postaci wykonania, w 35-metrowej łopacie zastosowano gwint M30. Alternatywnie gwint 5 można wykonać w przedłużonej części 7, a przedłużoną część 7 można wtłoczyć w pierwszą część 6.

Jak schematycznie przedstawiono na fig. 3, tuleja 4 ma wewnętrzny gwint 5. Stosując bezgwintową bliższą część 11, rozciągającą się od znajdującego się przy nasadzie łopaty końca 10 tulei 4, śruba wkręcona w gwint 5 może być poddana rozciąganiu, a zatem działać jak ściąg. Tym samym można uzyskać mocne połączenie z piastą, a śruba w czasie pracy turbiny wiatrowej będzie rozciąg ana. Alternatywnie tuleja 4 może mieć wewnętrzny gwint 5 wzdłuż całej swojej długości, podczas gdy śruba może mieć gwint tylko na swoim końcu, dzięki czemu osiąga się ten sam rezultat rozciągania śruby.

Fig. 4 przedstawia schematycznie pierwszy etap wytwarzania nasady łopaty, zilustrowany szczegółowiej na fig. 5-7. Nasada 3 łopaty jest częścią belki, korzystnie wykonanej z dwóch części, które składa się po utwardzaniu. Nasada 3 łopaty jest zasadniczo okrągła, a zatem wykonana z dwóch części o półkolistym przekroju poprzecznym. W formie (niepokazanej) umieszcza się co najmniej jedną warstwę maty z włókna, a na macie z włókna umieszcza się obsadę 12, np. wykonaną z materiału piankowego. Obsada 12 ma szereg oddalonych od siebie wgłębień 13 do umieszczenia tulei 4. Przed umieszczaniem tulei 4 we wgłębieniach 13, obsadę 12 wykłada się od wewnętrznej strony, pokrywając wgłębienia 13, co najmniej jedną pierwszą warstwą 14 maty z włókna, a na zewnętrznej stronie obsady 12 nakłada się klej 19 i laminat powłokowy 20. Następnie tuleję 4 umieszcza się we wgłębieniach 13 obsady 12 na wierzchu warstwy 14 maty z włókna i mocuje do płyty nasady (niepokazanej) w celu ich prawidłowego pozycjonowania. Pomiędzy tulejami 4 rozmieszcza się przebiegające w kierunku wzdłużnym łopaty pasy 16 z włókna szklanego, stanowiące tzw. płat środkowy. W przykładzie wykonania użyto cztery do pięciu warstw pasów 16 z włókna szklanego, ułożonych jedna na drugiej. Jak można zobaczyć na fig. 7, warstwy pasów 16 z włókna szklanego przebiegają przynajmniej częściowo wzdłuż całej długości tulei 4 i mają różną długość, przez co uzyskuje się łagodny obszar przejścia.

W postaci wykonania wynalazku przedstawionej na fig. 6 tuleja 4 składa się z dwóch oddzielnych części, a mianowicie z pierwszej części 6 i z przedłużonej części 7. Na końcu pierwszej części 6 znajduje się wewnętrzny gwint do połączenia z zewnętrznym gwintem przedłużonej części 7. Obydwie

PL 215 306 B1 części 6, 7 mają postać rur, jednakże przedłużona część jest fazowana albo ścięta tak, aby dostarczyć przedłużony element mający stopniowo wzrastającą elastyczność w kierunku od nasady łopaty 3, ku końcowi łopaty turbiny wiatrowej.

Jak można zobaczyć na fig. 6, w pobliżu gwintu 5 w otwartym końcu tulei 4 jest umieszczona zatyczka 17 zapobiegająca przedostawaniu się żywicy epoksydowej itp. do gwintu 5. Ponadto we wgłębieniu tulei 4 jest umieszczony klin piankowy 18 zapewniający pewne związanie tulei i zapobiegający powstawaniu kieszeni powietrznych w laminacie. Na tulejach 4 są rozmieszczone dodatkowe warstwy 15 maty z włókna, tworząc nasadę łopaty o konstrukcji laminowanej. Gdy nasada łopaty o kompozytowej konstrukcji jest ukończona, konstrukcję korzystnie zagęszcza się, np. za pomocą mat podciśnieniowych. Następnie maty utwardza się, np. nakładając spoiwo, takie jak epoksyd, przez natryskiwanie itp. Tuleje 4 są związane w konstrukcji laminowanej nasady łopaty wzdłuż całej swej długości, od swego końca 10 przy nasadzie łopaty do szpiczastego lub prawie szpiczastego końca 9 tak, aby zapewnić pewne zakotwienie tulei 4 w nasadzie łopaty 3. Po utwardzaniu płytę nasadową oddziela się od tulei 4. Korzystnie maty są termoutwardzalne, a w tym przypadku formę mieszczącą nasadę łopaty podgrzewa się do temperatury utwardzania. Odpowiednie maty obejmują maty z włókna z tzw. materiału SPRINT i preimpregnatów zawierających żywicę, taką jak epoksyd. Temperatura termoutwardzania tych materiałów wynosi w przybliżeniu 120°C. Poprzez określenie „maty” należy rozumieć dowolny rodzaj materiału tekstylnego, siatki itp. wykonany, np. przez tkanie, splatanie, dzianie lub jakiś rodzaj przeplatania włókien wzmacniających i ewentualnie włókien termoplastycznych lub innego typu spoiwa. Maty powinny korzystnie przebiegać w kierunku wzdłużnym łopaty tak, aby zapewnić łagodne przejście pomiędzy nasadą łopaty i belką.

Podczas gdy łopaty znane ze stanu techniki ważą w przybliżeniu 6000 kg, stwierdzono, że ciężar łopaty według wynalazku wynosi w przybliżeniu 4500 kg, tzn. jest mniejszy o 25%. Jest to wyraźnie duże zmniejszenie ciężaru, co powoduje, że manipulowanie łopatą podczas wytwarzania, jej transport i montaż są łatwiejsze i tańsze. Ponadto lżejsze łopaty oznaczają mniejsze obciążenie na części konstrukcyjne turbiny wiatrowej.

Przykładowo, w przypadku 1,5-megawatowej turbiny mającej trzy 35-metrowe łopaty, w nasadzie łopaty osadzono 54 tuleje, przy czym całkowita długość każdej tulei wynosiła ok. 80 cm. Oczywiście liczba i wymiary tulei zależą od parametrów materiałowych (wytrzymałości, elastyczności itp.) oraz od kształtu tulei.

Claims (10)

1. Sposób wytwarzania nasady łopaty turbiny wiatrowej mającej całkowicie związane wkładane tuleje z gwintem wewnętrznym do zamontowania śrub w celu rozłączalnego mocowania do piasty turbiny wiatrowej, znamienny tym, że dostarcza się obsadę (12) mającą rozmieszczone w pewnej odległości od siebie wgłębienia (13) do umieszczenia tulei (4), umieszcza się na obsadzie (12) co najmniej jedną pierwszą warstwę maty z włókna pokrywającą wgłębienia (13), umieszcza się, głównie w kierunku wzdłużnym łopaty, tuleje (4) na pierwszej warstwie maty z włókna w tych wgłębieniach, nakłada się dodatkowe warstwy maty z włókna na wierzch tulei, zagęszcza się maty z włókna.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zagęszcza się matę z włókna przy użyciu mat próżniowych.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosuje się maty typu preimpregnowanego, przy czym łączy się preimpregnowane maty poprzez nagrzewanie nasady (3) łopaty.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że stosuje się wkładane tuleje (4) mające pierwszą część (6) i przedłużoną część (7) o stopniowo wzrastającej elastyczności w kierunku od pierwszej części (6).

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że stosuje się zasadniczo cylindryczną pierwszą część (6) tulei (4).

6. Sposób według zastrz. 4 albo 5, znamienny tym, że tuleje (4) są metalowe.

7. Sposób według zastrz. 4 albo 5, albo 6, znamienny tym, że stosuje się sfazowaną i o stopniowo zmniejszającym się przekroju poprzecznym przedłużoną część (7) tulei (4).

8. Sposób według zastrz. 4 albo 5, albo 6, albo 7, znamienny tym, że stosuje się bezgwintową bliższą część (11) tej pierwszej części (6).

PL 215 306 B1

9. Sposób według zastrz. 4 albo 5, albo 6, albo 7, albo 8, znamienny tym, że zewnętrzne powierzchnie tulei (4) wykonuje się jako gładkie.

10. Sposób według zastrz. 4 albo 5, albo 6, albo 7, albo 8, znamienny tym, że zewnętrzne powierzchnie tulei (4) wykonuje się jako lekko chropowate.