WO2015028250A1 - Rotorblattelement für eine windenergieanlage, rotorblatt, sowie ein herstellungsverfahren dafür und windenergieanlage mit rotorblatt - Google Patents

Rotorblattelement für eine windenergieanlage, rotorblatt, sowie ein herstellungsverfahren dafür und windenergieanlage mit rotorblatt Download PDF

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Alexander Hoffmann
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Definitions

  • the present invention relates to a rotor blade element for a wind power plant, a rotor blade, and a manufacturing method for the rotor blade element or the rotor blade. Moreover, the invention relates to a wind turbine.
  • Rotor blades for wind turbines have long been known and described, for example, in DE 10 2004 007 487 A1 and DE 103 19 246 A1. They are exposed in their operation by wind pressure, erosion, temperature fluctuations, UV radiation and precipitation high loads. At blade tip speeds of up to 300 km / h, grains of sand, salt particles, insects or other suspended particles are abrasive in the air. This burdens the surface of rotor blades, in particular in the front edge area. At these points, there is a removal of the rotor surface and thus a loss of aerodynamics and stability.
  • the rotor blades should be as light as possible in order to keep low the bending loads acting on a possibly present rotor blade scar as well as the associated bearings and the tower of the wind energy plant. It has proved expedient to produce rotor blades from individual elements and to connect these elements together to form a hollow-chamber-like rotor blade.
  • a rotor blade elements usually a rotor blade pressure side, a rotor blade suction side and one or more connecting webs for connecting and stiffening the rotor blade pressure and suction side are used. It has also proven itself to manufacture the rotor blade pressure and suction side in one piece and to arrange bars in their required places in this production.
  • rotor blades and rotor blade elements are produced in a molding process in which fiber materials and / or core materials, in particular balsa wood, are inserted into a rotor blade element mold and subjected to a hardening resin for forming a resilient composite material.
  • Epoxy resins are often used as the resin in the manufacture of rotor blades or rotor blade elements. These are well suited for the construction of the base of a rotor blade or rotor blade element made of fiber material and curable resin.
  • the skilled person understands the term "Curable resin" in the context of the present invention as an indication of a fundamental property of the resin and not as in the rotor blade or rotor blade element actually still existing material property.
  • German Patent and Trademark Office has in the priority application the following state of the art research: DE 10 2011 004 723 A1, US 2010/0032948 A1, EP 2 416 950 B1, WO 2013/045087 A1.
  • the invention begins, whose task is to provide a rotor blade element, a rotor blade and a wind turbine, which are improved in terms of the prior art.
  • At least an alternative solution to a known in the prior art solution should be proposed.
  • a rotor blade element for a wind turbine according to the invention has a base, comprising a fiber material impregnated with curable resin and a Oberflä- chenfolie and arranged between the base and surface film bonding layer.
  • the surface film has ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) and the bonding layer has a first rubber layer associated with the surface film and a second rubber layer associated with the base.
  • UHMWPE ultrahigh molecular weight polyethylene
  • the invention is based on the finding that a clear improvement in the abrasion resistance of rotor blade elements is possible with the use of surface foils comprising UHMWPE. Moreover, the invention includes the recognition that the application and permanent bonding of UHMWPE on a base of a rotor blade element made of fiber material and curable resin, in particular epoxy resin, advantageously over a bonding layer comprising two rubber layers is possible.
  • UHMWPE is characterized by very good wear and abrasion resistance even with abrasive media, its abrasion resistance is six times higher than that of polyurethane.
  • UHMWPE has excellent chemical resistance and a low coefficient of friction, excellent dimensional stability and high impact resistance even at low temperatures.
  • UHMWPE particularly interesting for use as a surface film to protect against erosion, although UHMWPE is very difficult to bond with conventional adhesives.
  • epoxy resins are not suitable for a direct connection to polyethylene, in particular UHMWPE.
  • the invention is based on the finding that it is possible to apply UHMWPE films to rotor blade elements or rotor blades based on epoxy resin by means of a bonding layer comprising two rubber layers and thus to improve the abrasion resistance of the rotor blade elements or rotor blades.
  • Vulcanization in the context of this application means any crosslinking reaction of the polymers contained in the first and / or the second rubber layer.
  • a rubber is understood to mean a vulcanized, ie crosslinked, rubber, in other words a polymerized rubber.
  • the concept of the invention is generally applicable to a rotor blade element, also independent of a manufacturing process.
  • a rotor blade element which has been produced by a production method according to claim 10 according to the concept of the invention has proven to be particularly advantageous. In principle, however, other methods of production can be used than the claimed production method.
  • the manufacturing method according to the concept of the invention comprises the following steps: a) providing a surface film comprising UHMWPE b) producing a composite by applying a rubber layer on one side of the surface film c) vulcanizing the rubber layer to a first rubber layer d) providing a fiber material e) forming a base by impregnating the fiber material with a curable resin f) curing the curable resin g) applying a second rubber layer to the base and / or to the composite h) applying the composite to the base such that the second rubber layer is between the base and the composite i) vulcanizing the second rubber layer to one second rubber layer.
  • the rotor blade element is produced by a manufacturing method according to the concept of the invention.
  • the first and second rubber layers have each been vulcanized in a separate vulcanization step and thus have a different vulcanization history
  • the first rubber layer has a different, in particular a higher, degree of vulcanization than the degree of vulcanization of the second rubber layer which is assigned to the base.
  • the different degrees of vulcanization serve the optimal adaptation of the rubber layers to their associated components.
  • the first rubber layer has the same degree of vulcanization as the second rubber layer.
  • the first and the second rubber layer are optimally networked with each other. It has proven particularly advantageous if the first rubber layer is directly attached to the surface film and the second rubber layer is directly attached to the base.
  • the bonding layer between the first rubber layer and the second rubber layer may contain a further bonding layer. This connecting layer can advantageously serve for improved bonding of the first rubber layer to the second rubber layer.
  • the first rubber layer can also be connected directly to the second rubber layer.
  • the first and / or the second rubber layer preferably comprises ethylene-propylene-diene rubber (EPDM).
  • EPDM is well suited for bonding to UHMWPE and has excellent heat, ozone and UV resistance.
  • EPDM is flexible and elastic, so that in combination with the UHMWPE, the robustness of the UHMWPE can be combined with the damping properties of the EPDM. Even at low temperatures, EPDM is highly flexible.
  • the first and / or the second rubber layer has additional UV stabilizers in a further development.
  • the curable resin is a reaction resin, particularly preferably an epoxy resin. Epoxy resins are particularly well suited for use in fiber composite materials.
  • a preferred fiber material are glass fibers and / or carbon fibers.
  • the rotor blade element may also contain other core materials as structural body, for example birch and / or balsa elements and / or foam body.
  • core materials for example birch and / or balsa elements and / or foam body.
  • the rotor blade element is a web, a rotor blade outer shell and its parts, in particular a half shell of the pressure side or suction side, a rotor blade leading edge, a rotor blade trailing edge, a rotor blade tip or a rotor blade nose.
  • UHMWPE films are dyeable, so that, for example, signal marks, as they are required for reasons of flight safety, can be applied.
  • Colored surface foils are preferably dyed in one or more of the colors according to RAL 7038 agate gray, traffic red RAL 3020, traffic orange RAL 2009, traffic white RAL 9016 and fire red RAL 3000.
  • UHMWPE films are used which are additionally UV-stabilized. These films have improved stability under outdoor conditions.
  • a manufacturing method according to the concept of the invention shares the advantages of the device described above.
  • the second rubber layer is applied to the composite and the composite is then applied to the base with the second rubber layer.
  • This allows a good connection between the network and the base.
  • the application of the second rubber layer only on the basis or of material of the second rubber layer both on the base and on the composite may be advantageous.
  • the vulcanization of the first rubber layer takes place at higher temperatures and / or higher pressures than the vulcanization of the second rubber layer.
  • the thermal capacity of epoxy resin is taken into account.
  • vulcanization of the second rubber layer makes it possible to partially vulcanize the same at low temperatures and / or low pressures, which nevertheless leads to a good bond to the first rubber layer and the resin of the base, while at the same time the resin is not overly expensive is claimed.
  • vulcanization of the second rubber layer to the degree of vulcanization of the first rubber layer for example with longer vulcanization times at lower temperatures than in the vulcanization of the first rubber layer, is within the scope of the invention.
  • the hardening of the resin and the vulcanization of the second rubber layer take place in one step.
  • the second rubber layer and the resin can better network.
  • a method is advantageous in which the bonding of the first rubber layer to the surface film takes place via mechanical adhesion, and in which the bonding of the second rubber layer to the base takes place via crosslinking reactions.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a wind turbine with rotor blades according to the invention
  • FIG. 2 schematically shows an embodiment of a rotor blade nose as rotor blade element according to the invention
  • Fig. 3 in a schematic representation of a section of the rotor blade element
  • Fig. 4 is a schematic representation of an embodiment of a manufacturing method according to the concept of the invention.
  • 1 shows a wind energy plant 1000 with a tower 1200 and a gondola 1300.
  • a rotor 1400 with three rotor blades 1 100 and a spinner 1500 is arranged on the nacelle 1300.
  • the rotor 1400 is rotated by the wind in operation and thereby drives a generator in the nacelle 1300.
  • the rotor blades 1 100 of the wind energy plant 1000 have a base of fiber material impregnated with curable resin and are coated in places with a surface film of UHMWPE, wherein between the surface film and the base is a bonding layer, which in turn has a first and a second rubber layer.
  • the first rubber layer has a different degree of vulcanization than the second rubber layer.
  • Fig. 2 shows a rotor blade element 1 1 10 of the rotor blade 1 100, namely the rotor blade nose.
  • the rotor blade nose 1 1 10 has a surface foil 1 120. This consists in this embodiment of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE).
  • UHMWPE ultra-high molecular weight polyethylene
  • the surface film 1 120 is connected via a connection layer 1 130 to the base of the rotor blade element 1 140.
  • the base 1 140 of the rotor blade element consists of a fiber material impregnated with curable resin.
  • the fiber material is glass fiber reinforced plastic (GRP) and the curable resin is an epoxy resin.
  • the bonding layer 1 130 has a first rubber layer and a second rubber layer which have different degrees of vulcanization.
  • the joining of UHMWPE on epoxy resin is possible on the one hand.
  • the bonding layer has damping properties, which is advantageous in particular when the surface film and the rotor base are stressed.
  • the surface film 1 120 made of UHMWPE is particularly resistant to abrasive loads such as those that occur when operating wind turbines, in particular at the rotor edges.
  • the rubber used in the first and second rubber layers in this embodiment is vulcanized EPDM rubber.
  • the rotor blade element 1 110 has the following layer structure: First, a base 1 140, on the basis of the bonding layer 1 130 consisting of the first rubber layer 1 131 and the second rubber layer 1 132.
  • the second rubber layer 1 132 is disposed directly on the base 1 140 and connected to this preferably via crosslinking reactions.
  • the first rubber layer 1 131 is disposed on the second rubber layer 1 132.
  • the first rubber layer 131 has a higher degree of vulcanization than the second rubber layer. Rubber layer 1132.
  • the surface film 1120 made of UHMWPE is directly arranged.
  • the surface film 1120 adheres to the first rubber layer 1131 via mechanical adhesion.
  • the layer structure shown enables the constant bonding of UHMWPE to the base of a rotor blade or a rotor blade element made of fiber material impregnated with epoxy resin and at the same time combines the damping properties of the rubber joints of the bonding layer with the abrasion resistance and thus the erosion protection of the UHMWPE film.
  • Fig. 4 shows schematically a manufacturing method for a rotor blade element according to the concept of the invention.
  • a surface film comprising UHMWPE is provided.
  • a composite of the surface film and a rubber layer is prepared by applying the rubber layer to one side of the surface film. The application can be done in one embodiment of the method by rolling the rubber layer on the surface foil. But it is also possible to spread the rubber.
  • the rubber layer is vulcanized to a first rubber layer.
  • the rubber is EPDM.
  • the vulcanization can be done, for example, via a sulfur vulcanization, but especially with peroxides in the case of EPDM. Suitable vulcanization temperatures are between 100 ° C and 180 ° C, especially 140 ° C, to 150 ° C. Suitable pressures for the production of the composite of UHMWPE film and EPDM are approx. 8 bar.
  • a fiber material for a base of the rotor blade element is provided.
  • the fiber material is a glass fiber reinforced plastic.
  • the base is prepared by impregnating the fiber material with a curable resin, preferably epoxy resin.
  • the curable resin may be cured immediately thereafter. The curing of the resin can also be done later in the process.
  • a second rubber layer is applied.
  • the material of the second rubber layer is applied either on the base or on the composite or in a further embodiment also in parts on the base and in parts on the composite.
  • the composite is applied to the base such that the second rubber layer is between the base and the composite.
  • the second rubber layer is vulcanized to a second rubber layer, thereby providing a durable bond of the base to the composite and thus to the surface film.
  • the vulcanization of the second rubber layer advantageously takes place at 50 ° C. and 2 bar.
  • the second rubber layer advantageously comprises EPDM.
  • EPDM is to UHMWPE as well as for connection to epoxy resin well suited. Simultaneously with the vulcanization of the second rubber layer to the second rubber layer, the curing of the curable resin can also take place.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorblattelement, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 10, insbesondere eine Rotorblattkante für eine Windenergieanlage, mit einer Basis aufweisend ein Fasermaterial getränkt mit härtbarem Harz und einer Oberflächenfolie mit einer zwischen Basis und Oberflächenfolie angeordneten Anbindungsschicht. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Oberflächenfolie Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) aufweist und die Anbindungsschicht eine erste Gummi-Schicht und eine zweite Gummi-Schicht aufweist, wobei die erste Gummi-Schicht der Oberflächenfolie zugeordnet ist und die zweite Gummi-Schicht der Basis zugeordnet ist.

Description

Rotorblattelement für eine Windenergieanlage, Rotorblatt, sowie ein Herstellungsverfahren dafür und Windenergieanlage mit Rotorblatt
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorblattelement für eine Windenergieanlage, ein Rotorblatt, sowie ein Herstellungsverfahren für das Rotorblattelement bzw. das Rotorblatt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Windenergieanlage.
Rotorblätter für Windenergieanlagen sind seit langem bekannt und beispielsweise be- schrieben in der DE 10 2004 007 487 A1 und DE 103 19 246 A1. Sie sind in ihrem Betrieb durch Winddruck, Erosion, Temperaturschwankungen, UV-Einstrahlung sowie durch Niederschläge hohen Belastungen ausgesetzt. Bei Blattspitzengeschwindigkeiten bis zu 300 km/h wirken Sandkörner, Salzpartikel, Insekten oder andere Schwebeteile in der Luft abrasiv. Dies belastet die Oberfläche von Rotorblättern, insbesondere im vorderen Kan- tenbereich. An diesen Stellen kommt es zu einem Abtrag der Rotoroberfläche und damit zu einem Verlust an Aerodynamik und Stabilität.
Gleichzeitig sollen die Rotorblätter jedoch möglichst leicht sein, um die auf einer allfällig vorhandenen Rotorblattnarbe sowie die zugehörigen Lager und den Turm der Windenergieanlage einwirkenden Biegelasten gering zu halten. Es hat sich als zweckmäßig erwie- sen, Rotorblätter aus einzelnen Elementen herzustellen und diese Elemente zu einem hohlkammerartigen Rotorblatt miteinander zu verbinden. Als Rotorblattelemente werden üblicherweise eine Rotorblattdruckseite, eine Rotorblattsaugseite und ein oder mehrere Verbindungsstege zum Verbinden und Versteifen der Rotorblattdruck und -saugseite eingesetzt. Ebenfalls bewährt hat es sich, die Rotorblattdruck und -saugseite einstückig herzustellen und bei dieser Herstellung bereits Stege an ihren benötigten Stellen anzuordnen.
Üblicherweise werden Rotorblätter und Rotorblattelemente in einem Formungsverfahren hergestellt, bei dem Fasermaterialien und/oder Kernwerkstoffe, insbesondere Balsaholz, in eine Rotorblattelement-Form eingelegt und mit einem aushärtenden Harz zum Bilden eines belastbaren Verbundmaterials beaufschlagt werden. Als Harz werden bei der Herstellung von Rotorblättern bzw. Rotorblattelementen häufig Epoxidharze eingesetzt. Diese sind gut geeignet für den Aufbau der Basis eines Rotorblattes oder Rotorblattelementes aus Fasermaterial und härtbarem Harz. Der Fachmann versteht den Begriff „härtbares Harz" im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung als Angabe einer grundsätzlichen Eigenschaft des Harzes und nicht als im Rotorblatt bzw. Rotorblattelement tatsächlich noch vorhandene Materialeigenschaft.
Zum Schutz der Rotorblätter bzw. der Rotorblattelemente gegen Witterungseinflüsse und insbesondere gegen Erosion ist versucht worden, eine Oberflächenschicht mit einem Gelcoat-Verfahren wie in der DE 10 3 44 379 A1 beschrieben, einzusetzen. Nachteilig dabei ist, dass bei einem solchen Verfahren eine entsprechende Verarbeitungszeit eingehalten werden muss, bis die Gelcoat-Mischung soweit ausreagiert ist, dass sie mit Fasermaterial belegt werden kann. Dies führt zu einer unerwünschten Verlangsamung des Herstellungsverfahrens eines Rotorblattes oder Rotorblattelementes. Darüber hinaus ist es nicht möglich beim Gelcoat-Verfahren, die Herstellung eines Rotorblattelementes bzw. Rotorblattes beliebig zu unterbrechen, um eine Verbindung zwischen Gelcoat- Oberflächenschicht und Infusionsharz zu ermöglichen. Des Weiteren ist versucht worden, Oberflächenfolien auf das Rotorblatt oder das Rotorblattelement aufzukleben oder an- derweitig nachträglich am Rotorblatt oder Rotorblattelement gegebenenfalls lösbar zu befestigen. Beispielsweise werden Polyurethan-Folien auf Rotorblätter aufgeklebt. Eine weitere Möglichkeit aus dem Stand der Technik ist gemäß DE 10 2009 002 501 A1 die Herstellung eines vernetzten Verbundes aus Oberflächenfolie und Infusionsharz. Auch dieses Verfahren ist insbesondere mit Polyurethan-Folien möglich. Polyurethan verfügt über eine hohe Abriebbeständigkeit. Es ist jedoch wünschenswert, die Abriebfestigkeit von Rotorblättern bzw. Rotorblattelementen zu verbessern.
Das Deutsche Patent- und Markenamt hat in der Prioritätsanmeldung folgenden Stand der Technik recherchiert: DE 10 2011 004 723 A1 , US 2010/0032948 A1 , EP 2 416 950 B1 , WO 2013/045087 A1. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein Rotorblattelement, ein Rotorblatt und eine Windenergieanlage anzugeben, die hinsichtlich des Standes der Technik verbessert sind. Zumindest soll eine alternative Lösung zu einer im Stand der Technik bekannten Lösung vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich einer Vorrichtung gelöst durch ein Rotorblattelement des Anspruchs 1. Ein Rotorblattelement für eine Windenergieanlage gemäß der Erfindung hat eine Basis, aufweisend ein Fasermaterial getränkt mit härtbarem Harz und eine Oberflä- chenfolie sowie eine zwischen Basis und Oberflächenfolie angeordnete Anbindungs- schicht. Dabei weist die Oberflächenfolie Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) auf und die Anbindungsschicht weist eine erste Gummi-Schicht, die der Oberflächenfolie zugeordnet ist, und eine zweite Gummi-Schicht, die der Basis zugeordnet ist, auf.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit dem Einsatz von Oberflächenfolien aufweisend UHMWPE eine deutliche Verbesserung der Abriebfestigkeit von Rotorblattelementen möglich ist. Darüberhinaus schließt die Erfindung die Erkenntnis ein, dass die Aufbringung und dauerhafte Verbindung von UHMWPE auf einer Basis eines Rotorblattelementes aus Fasermaterial und härtbarem Harz, insbesondere Epoxidharz, vorteilhaft über eine Anbindungsschicht, aufweisend zwei Gummi-Schichten möglich ist. UHMWPE zeichnet sich durch sehr gute Verschleiß- und Abriebfestigkeiten auch bei abrasiven Medien aus, seine Abriebfestigkeit ist sechsfach höher als die von Polyurethan. Daneben verfügt UHMWPE über exzellente chemische Beständigkeit sowie einen niedrigen Reibungskoeffizienten, eine hervorragende Dimensionsstabilität und eine hohe Schlagfestigkeit auch bei niedrigen Temperaturen. Diese Eigenschaften machen UHMWPE beson- ders interessant für den Einsatz als Oberflächenfolie zum Schutz vor Erosion, allerdings lässt sich UHMWPE mit herkömmlichen Klebstoffen nur sehr schlecht anbinden. Insbesondere Epoxidharze sind nicht für eine direkte Anbindung auf Polyethylen, insbesondere UHMWPE geeignet. Der Erfindung liegt jedoch die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, UHMWPE-Folien mittels einer Anbindungsschicht aus zwei Gummi-Schichten auch auf Rotorblattelemente bzw. Rotorblätter auf Epoxidharzbasis aufzubringen und so die Abriebfestigkeit der Rotorblattelemente bzw. Rotorblätter zu verbessern.
Unter Vulkanisierung wird im Rahmen dieser Anmeldung jede Vernetzungsreaktion der Polymere verstanden, die in der ersten und/oder der zweiten Gummi-Schicht enthalten sind. Unter einem Gummi wird im Rahmen dieser Anmeldung ein vulkanisierter, also vernetzter Kautschuk, anders ausgedrückt ein polymerisierter Kautschuk, verstanden.
Das Konzept der Erfindung kommt allgemein bei einem Rotorblattelement zum Tragen, auch unabhängig von einem Herstellungsverfahren. Es hat sich jedoch besonders ein Rotorblattelement als vorteilhaft erwiesen, das mit einem Herstellungsverfahren nach Anspruch 10 gemäß dem Konzept der Erfindung hergestellt ist. Grundsätzlich können jedoch auch andere Verfahren zur Herstellung genutzt werden als das beanspruchte Herstellungsverfahren. Das Herstellungsverfahren gemäß dem Konzept der Erfindung umfasst folgende Schritte: a) Bereitstellen einer Oberflächenfolie aufweisend UHMWPE b) Herstellen eines Verbundes durch Aufbringen einer Kautschukschicht auf einer Seite der Oberflächenfolie c) Vulkanisieren der Kautschukschicht zu einer ersten Gummi-Schicht d) Bereitstellen eines Fasermaterials e) Herstellen einer Basis durch Tränken des Fasermaterials mit einem härtbaren Harz f) Härtung des härtbaren Harzes g) Aufbringen einer zweiten Kautschukschicht auf der Basis und/oder auf dem Verbund h) Aufbringen des Verbundes auf die Basis, derart, dass die zweite Kautschukschicht sich zwischen Basis und Verbund befindet i) Vulkanisieren der zweiten Kautschukschicht zu einer zweiten Gummi-Schicht.
Das Konzept der Erfindung führt auch auf ein Rotorblatt des Anspruchs 8 sowie auf eine Windenergieanlage des Anspruchs 9.
Nachfolgend werden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Rotorblattelementes beschrieben.
Bevorzugt ist das Rotorblattelement hergestellt nach einem Herstellverfahren gemäß dem Konzept der Erfindung.
Bevorzugt wurden die erste und die zweite Gummi-Schicht jeweils in einem eigenen Vulkanisierungsschritt vulkanisiert und weisen somit eine unterschiedliche Vulkanisierungshistorie auf,
Vorzugsweise weist die erste Gummi-Schicht einen anderen, insbesondere einen höheren, Vulkanisierungsgrad auf als der Vulkanisierungsgrad der zweiten Gummi-Schicht, die der Basis zugeordnet ist. Die unterschiedlichen Vulkanisierungsgrade dienen dabei der optimalen Anpassung der Gummi-Schichten an die ihnen zugeordneten Bauteile. In einer weiteren Weiterbildung weist die erste Gummi-Schicht den gleichen Vulkanisierungsgrad auf wie die zweite Gummi-Schicht. In dieser Weiterbildung sind die erste und die zweite Gummi-Schicht optimal miteinander vernetzt. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die erste Gummi-Schicht direkt angebunden an die Oberflächenfolie und die zweite Gummi-Schicht direkt angebunden an die Basis ist. In einer weiteren Weiterbildung kann die Anbindungsschicht zwischen der ersten Gummi-Schicht und der zweiten Gummi-Schicht eine weitere Verbindungsschicht enthalten. Diese Verbindungsschicht kann vorteilhaft einer verbesserten Anbin- dung der ersten Gummi-Schicht an die zweite Gummi-Schicht dienen. Die erste Gummi- Schicht kann aber auch direkt an die zweite Gummi-Schicht angebunden sein.
Vorzugsweise weist die erste und/oder die zweite Gummi-Schicht Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk (EPDM) auf. EPDM eignet sich gut für die Anbindung an UHMWPE, zudem verfügt es über eine hervorragende Hitze-, Ozon- und UV-Beständigkeit. EPDM ist darü- ber hinaus flexibel und elastisch, sodass in Verbindung des EPDM mit dem UHMWPE die Robustheit des UHMWPE mit den Dämpfungseigenschaften des EPDM kombiniert werden kann. Auch bei niedrigen Temperaturen ist EPDM hoch flexibel. Die erste und/oder die zweite Gummi-Schicht weist in einer weiteren Weiterbildung zusätzliche UV- Stabilisatoren auf. Vorzugsweise ist das härtbare Harz ein Reaktionsharz, insbesondere bevorzugt ein Epoxidharz. Epoxidharze eignen sich besonders gut für den Einsatz in Faserverbundmaterialien. Ein bevorzugtes Fasermaterial sind Glasfasern und/oder Kohlefasern. Neben dem Fasermaterial kann das Rotorblattelement auch weitere Kernwerkstoffe als Strukturkörper enthalten, beispielsweise Birken- und/oder Balsaelemente und/oder Schau mstoff- körper. Ein Vorteil solcher Fasermaterialien enthaltenden Rotorblattelemente oder Rotorblätter ist ihre Stabilität bei geringem Gewicht. Ebenfalls vorteilhaft ist ihre gute Formbarkeit, bevor das Harz ausgehärtet ist.
Vorzugsweise geschieht eine Anbindung der ersten Gummi-Schicht an die Oberflächenfolie durch mechanische Adhäsion und eine Anbindung der zweiten Gummi-Schicht an die Basis durch Vernetzungsreaktionen. In bevorzugten Weiterbildungen ist das Rotorblattelement ein Steg, ein Rotorblattaußenschale und deren Teile, insbesondere eine Halbschale der Druckseite oder Saugseite, eine Rotorblattvorderkante, eine Rotorblatthinterkante, eine Rotorblattspitze oder eine Rotorblattnase. Für Windenergieanlagen ist es besonders vorteilhaft, dass UHMWPE-Folien färbbar sind, sodass beispielsweise Signalmarkierungen, wie sie aus Gründen der Flugsicherheit erforderlich sind, aufgebracht werden können. Eingefärbte Oberflächenfolien sind vorzugsweise eingefärbt in einer oder mehreren der Farben nach achatgrau RAL 7038, verkehrsrot RAL 3020, verkehrsorange RAL 2009, verkehrsweiß RAL 9016 und feuerrot RAL 3000.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn UHMWPE-Folien eingesetzt werden, die zusätzlich UV-stabilisiert sind. Diese Folien verfügen über eine verbesserte Stabilität unter Außenbedingungen. Ein Herstellungsverfahren gemäß dem Konzept der Erfindung teilt die Vorteile der zuvor beschriebenen Vorrichtung.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn im Rahmen des Herstellungsverfahrens die zweite Kautschukschicht auf dem Verbund aufgebracht wird und der Verbund anschließend mit der zweiten Kautschukschicht auf die Basis aufgebracht wird. Dies ermöglicht eine gute Anbindung von Verbund und Basis. Aber auch das Aufbringen der zweiten Kautschukschicht nur auf der Basis oder von Material der zweiten Kautschukschicht sowohl auf der Basis als auch auf dem Verbund kann vorteilhaft sein.
Vorzugsweise findet die Vulkanisierung der ersten Kautschukschicht bei höheren Temperaturen und/oder höheren Drücken statt als die Vulkanisierung der zweiten Kautschuk- schicht. Mit einem derartigen Verfahren wird insbesondere der thermischen Belastbarkeit von Epoxidharz Rechnung getragen. So ist es beim Ausvulkanisieren der zweiten Kautschukschicht möglich, diese beispielsweise nur teilzuvulkanisieren bei geringen Temperaturen und/oder geringen Drücken, was trotzdem zu einer guten Anbindung an die erste Gummi-Schicht und das Harz der Basis führt, während gleichzeitig das Harz thermisch nicht über Gebühr beansprucht wird. Aber auch eine Vulkanisierung der zweiten Kautschukschicht bis zum Vulkanisierungsgrad der ersten Gummi-Schicht, beispielsweise mit längeren Vulkanisierungszeiten bei niedrigeren Temperaturen als bei der Vulkanisierung der ersten Kautschukschicht, liegt im Rahmen der Erfindung.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Härtung des Harzes und das Vulkanisieren der zweiten Kautschukschicht in einem Schritt erfolgen. Kombiniert man beide Prozesse in einem Schritt, so können die zweite Gummi-Schicht und das Harz besser vernetzen. Insbesondere ist ein Verfahren vorteilhaft, bei dem die Anbindung der ersten Gummi- Schicht an die Oberflächenfolie über mechanische Adhäsion erfolgt, und bei dem die Anbindung der zweiten Gummi-Schicht an die Basis über Vernetzungsreaktionen erfolgt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus mindestens zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.
Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage mit Rotorblättern gemäß der Erfindung;
Fig. 2 schematisch eine Ausführungsform einer Rotorblattnase als Rotorblattelement gemäß der Erfindung; Fig. 3 in schematischer Darstellung einen Ausschnitt des Rotorblattelementes aus
Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens gemäß dem Konzept der Erfindung. Fig. 1 zeigt eine Windenergieanlage 1000 mit einem Turm 1200 und einer Gondel 1300. An der Gondel 1300 ist ein Rotor 1400 mit drei Rotorblättern 1 100 und einem Spinner 1500 angeordnet. Der Rotor 1400 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 1300 an. Die Rotorblätter 1 100 der Windenergieanlage 1000 verfügen über eine Basis aus Fasermaterial getränkt mit härtbarem Harz und sind stellenweise mit einer Oberflächenfolie aus UHMWPE beschichtet, wobei sich zwischen der Oberflächenfolie und der Basis eine Anbindungsschicht befindet, die ihrerseits eine erste und eine zweite Gummischicht aufweist. Die erste Gummischicht weist dabei einen anderen Vulkanisierungsgrad auf als die zweite Gummi- schicht. Dieser Aufbau wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
Fig. 2 zeigt eine Rotorblattelement 1 1 10 des Rotorblattes 1 100, nämlich die Rotorblattnase. Die Rotorblattnase 1 1 10 verfügt über eine Oberflächenfolie 1 120. Diese besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE). Die Oberflächenfolie 1 120 ist über eine Anbindungsschicht 1 130 mit der Basis des Rotorblattelementes 1 140 verbunden. Die Basis 1 140 des Rotorblattelementes besteht dabei aus einem Fasermaterial getränkt mit härtbarem Harz. Im Ausführungsbeispiel ist das Fasermaterial glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) und das härtbare Harz ein Epoxidharz. Die Anbindungsschicht 1 130 weist eine erste Gummischicht sowie eine zweite Gummischicht auf, die über unterschiedliche Vulkanisierungsgrade verfügen. Durch die Anbindung der Oberflächenfolie 1 120 an die Basis 1 140 mittels einer elastischen Anbindungsschicht mit mehreren Gummischichten ist zum einen das Fügen von UHMWPE auf Epoxidharz möglich. Zum anderen hat die Anbindungsschicht dämpfende Eigenschaften, was insbesondere bei Belastungen der Oberflächenfolie und der Rotorbasis vorteilhaft ist. Die Oberflächenfolie 1 120 aus UHMWPE ist besonders widerstandsfä- hig gegen abrasive Belastungen wie sie beim Betrieb von Windenergieanlagen insbesondere an den Rotorkanten auftritt. Der in diesem Ausführungsbeispiel in der ersten und zweiten Gummi-Schicht verwendete Gummi ist vulkanisierter EPDM-Kautschuk.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt des Rotorblattelementes 1 1 10. An dieser Stelle des Rotorblattelementes 1 1 10 verfügt das Rotorblattelement 1 110 über folgenden Schichtaufbau: Zunächst eine Basis 1 140, auf der Basis die Anbindungsschicht 1 130 bestehend aus der ersten Gummischicht 1 131 und der zweiten Gummischicht 1 132. Dabei ist die zweite Gummischicht 1 132 direkt auf der Basis 1 140 angeordnet und mit dieser vorzugsweise über Vernetzungsreaktionen verbunden. Die erste Gummischicht 1 131 ist auf der zweiten Gummischicht 1 132 angeordnet. Die erste Gummischicht 1 131 verfügt im gezeigten Ausführungsbeispiel über einen höheren Vulkanisierungsgrad als die zweite Gummi- Gummischicht 1132. Auf der ersten Gummischicht 1131 ist die Oberflächenfolie 1120 aus UHMWPE direkt angeordnet. Die Oberflächenfolie 1120 haftet an der ersten Gummischicht 1131 über mechanische Adhäsion. Der gezeigte Schichtaufbau ermöglicht die beständige Anbindung von UHMWPE an die Basis eines Rotorblattes oder eines Rotorblattelementes aus mit Epoxidharz getränktem Fasermaterial und verbindet gleichzeitig die Dämpfungseigenschaften der Gummischiehten der Anbindungsschicht mit der Abriebfestigkeit und damit dem Erosionsschutz der UHMWPE-Folie.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Herstellungsverfahren für ein Rotorblattelement gemäß dem Konzept der Erfindung. In Schritt S1 wird eine Oberflächenfolie, welche UHMWPE aufweist, bereitgestellt. In Schritt S2 wird ein Verbund aus der Oberflächenfolie und einer Kautschukschicht hergestellt, indem die Kautschukschicht auf eine Seite der Oberflächenfolie aufgebracht wird. Das Aufbringen kann in einer Ausführungsform des Verfahrens durch Walzen der Kautschukschicht auf die Oberflächenfolie geschehen. Es ist aber auch möglich, den Kautschuk aufzustreichen. In Schritt S3 wird die Kautschukschicht zu einer ersten Gummischicht vulkanisiert. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Kautschuk um EPDM. Die Vulkanisation kann beispielsweise über eine Schwefelvulkanisation, aber insbesondere im Fall von EPDM auch mit Peroxiden geschehen. Geeignete Vulkanisierungstemperaturen liegen zwischen 100 °C und 180 °C, insbesondere 140 °C ,bis 150 °C. Geeignete Drücke für die Herstellung des Verbundes aus UHMWPE-Folie und EPDM liegen bei ca. 8 bar.
In Schritt S4 wird ein Fasermaterial für eine Basis des Rotorblattelementes bereitgestellt. Vorzugsweise ist das Fasermaterial ein glasfaserverstärkter Kunststoff. Anschließend wird in Schritt S5 die Basis durch Tränken des Fasermaterials mit einem härtbaren Harz, vorzugsweise Epoxidharz, hergestellt. In Schritt S6 kann optional gleich im Anschluss das härtbare Harz gehärtet werden. Die Härtung des Harzes kann aber auch später im Verfahren erfolgen. In Schritt S7 wird eine zweite Kautschukschicht aufgebracht. Hierbei wird das Material der zweiten Kautschukschicht entweder auf der Basis oder auf dem Verbund oder in einer weiteren Ausführungsform auch in Teilen auf der Basis und in Teilen auf dem Verbund aufgebracht. In Schritt S8 wird der Verbund derart auf die Basis aufgebracht, dass die zweite Kautschukschicht sich zwischen Basis und Verbund befindet. In Schritt S9 wird die zweite Kautschukschicht zu einer zweiten Gummischicht vulkanisiert und damit eine dauerhafte Anbindung der Basis an den Verbund und somit an die Oberflächenfolie geschaffen. Das Vulkanisieren der zweiten Kautschukschicht findet vorteil- hafterweise bei 50 °C und 2 bar statt. Ebenso wie die erste Kautschukschicht weist die zweite Kautschukschicht vorteilhafterweise EPDM auf. EPDM ist an UHMWPE als auch zur Anbindung an Epoxidharz gut geeignet. Gleichzeitig mit der Vulkanisierung der zweiten Kautschukschicht zur zweiten Gummischicht kann auch die Härtung des härtbaren Harzes erfolgen.

Claims

Ansprüche
1. Rotorblattelement, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 10, insbesondere eine Rotorblattkante, für eine Windenergieanlage, mit einer Basis aufweisend ein Fasermaterial getränkt mit härtbarem Harz und einer Oberflächenfolie mit einer zwischen Basis und Oberflächenfolie angeordneten Anbindungsschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenfolie Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) aufweist und die Anbindungsschicht eine erste Gummi-Schicht und eine zweite Gummi-Schicht aufweist, wobei die erste Gummi-Schicht der Oberflächenfolie zugeordnet ist und die zweite Gummi-Schicht der Basis zugeordnet ist.
2. Rotorblattelement nach Anspruch 1 , bei dem ein Vulkanisierungsgrad der ersten Gummi-Schicht höher ist als ein Vulkanisierungsgrad der zweiten Gummi-Schicht oder gleich einem Vulkanisierungsgrad der zweiten Gummi-Schicht ist.
3. Rotorblattelement nach Anspruch 2, bei dem die erste Gummi-Schicht direkt angebun- den ist an die Oberflächenfolie und die zweite Gummi-Schicht direkt angebunden ist an die Basis.
4. Rotorblattelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste und/oder zweite Gummi-Schicht Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) aufweist.
5. Rotorblattelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das härtbare Harz ein Reaktionsharz, vorzugsweise ein Epoxidharz ist.
6. Rotorblattelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine Anbindung der ersten Gummi-Schicht an die Oberflächenfolie durch mechanische Adhäsion geschieht und eine Anbindung der zweiten Gummi-Schicht an die Basis durch Vernetzungsreaktionen erfolgt.
7. Rotorblattelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Rotorblattelement ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Steg, einer Rotorblattaußen- schale und deren Teile, insbesondere einer Halbschale der Druckseite oder der Saugseite, einer Rotorblatthinterkante, einer Rotorblattspitze, einer Rotorblattnase.
8. Rotorblatt mit einem Rotorblattelement nach einem der vorstehenden Ansprüche.
9. Windenergieanlage mit einem Rotorblatt oder Rotorblattelement nach einem der vorstehenden Ansprüche.
10. Verfahren zur Herstellung eines Rotorblatts oder Rotorblattelementes nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Oberflächenfolie aufweisend UHMWPE b) Herstellen eines Verbundes durch Aufbringen einer Kautschukschicht auf einer Seite der Oberflächenfolie c) Vulkanisieren der Kautschukschicht zu einer ersten Gummi-Schicht d) Bereitstellen eines Fasermaterials e) Herstellen einer Basis durch Tränken des Fasermaterials mit einem härtbaren Harz f) Härtung des härtbaren Harzes g) Aufbringen einer zweiten Kautschukschicht auf der Basis und/oder auf dem Verbund h) Aufbringen des Verbundes auf die Basis, derart, dass die zweite Kautschukschicht sich zwischen Basis und Verbund befindet i) Vulkanisieren der zweiten Kautschukschicht zu einer zweiten Gummi-Schicht.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem Vulkanisierung der ersten Kautschukschicht bei höheren Temperaturen und/oder höheren Drücken stattfindet als die Vulkanisierung der zweiten Kautschukschicht.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 1 1 , bei dem die Härtung des Harzes und das Vulkanisieren der zweiten Kautschukschicht in einem Schritt erfolgen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Anbindung der ersten Gummi-Schicht an die Oberflächenfolie über mechanische Adhäsion erfolgt und bei dem die Anbindung der zweiten Gummi-Schicht an die Basis über Vernetzung erfolgt.
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