WO2017042186A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines windenergieanlagen-rotorblatt- halbzeugs oder -rovings und windenergieanlagen-rotorblatt - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Windenergieanlagen-Rotorblatt-Halbzeugs (201) vorgesehen durch Bereitstellen wenigstens eines textilen Geleges (400), Gewebes oder Rovings auf mindestens einer Rolle (350), durchtränkendes textilen Geleges (400), Gewebes oder Rovings in einer Tränkeinheit (320) mit einer Kunststoffmatrix, durch Wickeln des getränkten textilen Geleges (400), Gewebes oder Rovings auf einem Wickelgehäuse (311) durch Rotation des Wickelgehäuses (311), durch Aushärten des textilen Geleges (612, 400), Gewebes oder Rovings nach dem Aufwickeln auf dem Wickelgehäuse (311) und durch Durchführen einer Plasmabehandlung des textilen Geleges (400), Gewebes oder Rovings unmittelbar bevor das Gelege (400), Gewebe oder Roving in der Tränkeinheit (320) getränkt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Windenergieanlagen-Rotorblatt- Halbzeugs oder -Rovings und Windenergieanlagen-Rotorblatt
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Windenergieanlagen-Rotorblatt-Halbzeugs und ein Windenergieanlagen-Rotorblatt.
Grundsätzlich werden im Bereich der Rotorblatttechnologie von Windenergieanlagen besondere Stabilitätsanforderungen an die nabenseitigen Endstücke von Rotorblättern gestellt, da diese für die Krafteinleitung vom Blatt in die Nabe verantwortlich sind, und besonders hohen statischen wie auch dynamischen Belastungen ausgesetzt sind. Es ist daher von großer Bedeutung, dass der Rotorblattwu rzel bere ich mit hoher Fertigungsgenauigkeit und unter Einhaltung hoher Qualitätsstandards herstellbar ist. Blattenden für die vorgenannten Rotorblätter bestehen häufig aus mehreren Bauteilen, von denen zumin- dest einige aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt sind.
Aus dem Stand der Technik ist das Zusammenfügen mehrerer Formteile aus Faserverbundwerkstoffen in Trockenform bekannt. Die so zusammengeführten„trockenen" Faserverbund-Formteile werden bislang üblicherweise gasdicht gegeneinander verschlossen, evakuiert und anschließend in einem sogenannten Vakuum-Injektionsverfahren, oder auch Infusions-Verfahren, mit einem Fluid getränkt (hiernach bezeichnet als„Tränkfluid"). Das Fluid wird nach dem Durchdringen des Faserverbundwerkstoffs ausgehärtet, wodurch der Gesamtstruktur Bindung und Stabilität verliehen wird.
Bei diesem bekannten Verfahren, welches im Allgemeinen zufriedenstellende Ergebnisse liefert, kann es jedoch in bestimmten Einzelfällen dazu kommen, dass das Tränkfluid nicht gleich schnell in verschiedene Strukturbereiche der Formteile aus Faserverbundwerkstoff vordringt. Durch dieses Ausbilden einer ungleichmäßigen Fließfront kann es in Extremfällen dazu kommen, dass der Faserverbundwerkstoff nicht überall in gleicher Weise mit Tränkfluid benetzt wird. An den unzureichend benetzten Stellen kann es dann zu einer geringeren Festigkeit des Bauteils im ausgehärteten Zustand kommen, was das Versagensrisiko erhöht. WO 2014/072120 A1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen von Halbzeugen für eine Windenergieanlage. Ein Halbzeug wird durch Wickelung eines harzgetränkten Geleges hergestellt.
In der prioritätsbegründenden deutschen Patentanmeldung hat das Deutsche Patent- und Markenamt die folgenden Dokumente recherchiert: DE 10 2013 222 487 A1 und WO 2014/072120 A1.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, wenigstens eines der genannten Probleme zu adressieren. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbzeugs mit verbesserter Festigkeit vorzusehen. Zumindest soll eine alternative Lösung vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Windenergieanlagen- Rotorblatt-Halbzeugs nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Rotorblatt-Halbzeugs nach Anspruch 3 gelöst.
Somit wird ein Verfahren zum Herstellen eines Windenergieanlagen-Rotorblatt- Halbzeugs vorgesehen durch Bereitstellen wenigstens eines textilen Geleges, Gewebes oder Rovings auf mindestens einer Rolle, durchtränkendes textilen Geleges, Gewebes oder Rovings in einer Tränkeinheit mit einer Kunststoffmatrix, durch Wickeln des getränkten textilen Geleges, Gewebes oder Rovings auf einem Wickelgehäuse durch Rotation des Wickelgehäuses, durch Aushärten des textilen Geleges, Gewebes oder Rovings nach dem Aufwickeln auf dem Wickelgehäuse und durch Durchführen einer Plasmabehandlung des textilen Geleges, Gewebes oder Rovings unmittelbar bevor das Gelege, Gewebe oder Roving in der Tränkeinheit getränkt wird.
Die Erfindung betrifft eine entsprechende Vorrichtung zum Herstellen eines Windenergieanlagen-Rotorblatt-Halbzeugs.
Die Erfindung betrifft die Herstellung von gewickelten Glasfaserverstärkerkunststoff GFK- Körpern (insbesondere Teile eines Windenergieanlagen-Rotorblattes). Diese GFK-Körper sind typischerweise Hohlzylinder bzw. rohrartige Hohlkörper. Andere Querschnittsgeometrien als Kreisringe und über der Länge variable Querschnitte sind ebenfalls möglich. Zur Herstellung der Körper wird Glasfasergelege, -gewebe oder Glasfaser-Rovings von einer trockenen Rolle auf einen Wickeldorn gespult. Zwischen dem Abrollen des Geleges von einer trockenen Rolle und dem Aufspulen auf den Wickelkörper wird das Gelege in einem Tränkprozess mit einer Kunststoffmatrix durchtränkt. Direkt vor dem Tränkprozess erfolgt eine Plasmabehandlung. Da die Plasmaaktivierung meist nur wenige Sekunden wirksam ist, muss die Harztränkung direkt anschließend erfolgen. Dies lässt sich besonders mit der oben beschriebenen Wickeltechnologie (trocken abwickeln, getränkt aufwickeln) erreichen. Alternativ zu Glasfaser können auch Kohlenstofffasergelege, -gewebe oder -Rovings verwendet werden. Gemäß der Erfindung wird das gewickelte Halbzeug in einem mindestens zweigeteilten Rotorblatt eingesetzt. Das gewickelte Halbzeug ist Teil des fianschseitigen Teils der Rotorblätter.
Das beschriebene Wickelverfahren kann bei allen trocken-zu-nass Wickelkörpern verwendet werden. Dies gilt insbesondere für nass gewickelte Flanschverstärkungen (d.h. Preformen, die ausgehärtet in die Hauptform eingebracht werden), Rohre, Masten, Druckbehälter etc., alle Halbzeuge mit rundartigem Querschnitt.
Die Plasmabehandlung ist vorteilhaft, weil dadurch die Zwischenfaserbruchwerte der Faserverbundkunststoffe des Geleges verbessert werden können. Durch die Plasmabehandlung in der Plasmaeinheit kann die Faser-Matrix-Haftung positiv beeinflusst werden. Dadurch, dass die Zwischenfaserbruchfestigkeitswerte gesteigert werden können, kann dies zu einer Materialeinsparung bei der Herstellung der Halbzeuge führen, so dass weniger Material benötigt wird, um ein Halbzeug mit gleicher Festigkeit herzustellen. Dadurch kann auch das Gewicht der Rotorblätter, welche ein derartiges Halbzeug aufweisen, reduziert werden. Ferner führt dies zu einer Kosteneinsparung bei der Fertigung von Rotorblättern einer Windenergieanlage.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zum Herstellen eines Windenergieanlagen-Rotorblatt-Halbzeugs. Die Vorrichtung weist eine Rolle mit aufgewickeltem textilen Gelege, Gewebe oder Rovings, eine Tränkeinrichtung zum Tränken des textilen Geleges vor dem Aufwickeln um ein Wickelgehäuse herum und ein Wickelgehäuse, das zum Aufwickeln des getränkten textilen Geleges rotierbar ist, auf. Ferner weist die Vorrichtung eine Plasmaeinheit unmittelbar zwischen der Rolle und der Tränkeinheit zum Durchführen einer Plasmabehandlung der von der Rolle abgewickelten textilen Gelege, unmittelbar bevor das Gelege in der Tränkeinrichtung getränkt wird, auf. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen eines (trocken-zu-nass) Wickelkörpers, insbesondere als Teil einer Windenergieanlage wie beispielsweise ein Teil eines Rotorblatts einer Windenergieanlage. Wenigstens ein textiles Gelege wird auf wenigstens einer Rolle bereit gestellt. Das textile Gelege wird von der Rolle abgerollt und in einer Tränkeinheit mit einer Kunststoffmatrix getränkt. Das getränkte textile Gelege wird auf ein Wickelgehäuse durch Rotation des Wickelgehäuses aufgewickelt. Das textile Gelege wird nach dem Aufwickeln auf dem Wickelgehäuse ausgehärtet. Eine Plasmabehandlung des textilen Geleges wird durchgeführt, bevor das Gelege in der Tränkeinheit getränkt wird.
Die Plasmaeinheit kann als ein Plasmajet ausgestaltet sein, der eine der Wickelgeschwindigkeit angepasste Leistungsdichte (ca. 5 J/cm2) erzeugen kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beispielhaft erläutert. Die Figuren enthalten dabei teilweise vereinfachte, schematische Darstellungen.
Fig. 1 zeigt eine Windenergieanlage in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Herstellen eines Halbzeugs eines Windenergieanlagen-Rotorblattes gemäß der Erfindung, und
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Windenergieanlagen- Rotorblattes gemäß der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 200 und einem Spinner 1 10 angeordnet. Der Rotor 106 wird in Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 104 an.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung eines Halbzeugs gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung 300 weist einen Wickeldorn 310 auf, welcher rotatorisch antreibbar ist. An dem Wickeldorn 310 kann ein Wickelgehäuse 31 1 befestigt sein, um welches herum ein Faserverbundwerkstoff 400 in Bahnen aufgewickelt wird. Der Wickeldorn 310 kann stationär angeordnet sein.
Die Vorrichtung 300 weist ferner eine Tränkeinrichtung 320 auf. Die Tränkeinrichtung 320 weist ein Tränkbecken 321 mit einem Boden 322 auf. Mindestens eine Umlenkrolle 330 ist zu dem Boden beabstandet in der Tränkeinrichtung 320 angeordnet. Der Abstand der Umlenkrollen 330 zum Boden 322 kann gleich gewählt sein oder unterschiedlich, je nachdem, was für ein Umschlingungswinkel des Faserverbundwerkstoffs bzw. eines Geleges 400 um die Umlenkrollen 330 herum gewünscht ist. Die Tränkeinrichtung 320 ist bis zu einem vorbestimmten Pegel mit einem Tränkfluid 350 (wie eine Kunststoff-Matrix, z. B. Harz) befüllt. Der Pegel des Tränkfluids 350 ist vorzugsweise so gewählt, dass der Faserverbundwerkstoff bzw. das Gelege 400 beim Hindurchfördern durch die Tränkeinrichtung 320 mehrmals in das Tränkfluid 350 eingetaucht werden kann. Die Tränkeinrichtung 320 ist ferner mittels einer Steuerung 301 in Verbindung mit (nicht dargestellten) Heizmitteln heizbar, derart, dass das in der Tränkeinrichtung 320 bereitgestellte Tränkfluid 350 innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird.
Die Vorrichtung 300 gemäß Fig. 4 weist ferner eine Magazineinrichtung 360 auf. Die Magazineinrichtung 360 ist in Fig. 4 nur schematisch als einzelne Rolle dargestellt. Die Magazineinrichtung 360 stellt den Faserverbundwerkstoff 400 bereit. Der Faserverbundwerkstoff wird von der Magazineinrichtung 360 in Richtung des Pfeils B abgerollt. Die Magazineinrichtung 360 kann mehrere Rollen 360 mit trocken aufgewickeltem Textilien- Gelege oder Faserverbundwerkstoffen aufweisen.
Im Anschluss an das Durchlaufen der Tränkeinrichtung 320 wird der getränkte Faserver- bundwerkstoff bzw. das getränkte Gelege 400 auf das rotierende Wickelgehäuse 31 1 , das sich um die Drehachse des Wickeldorns 310 herum dreht, aufgewickelt, wodurch auf dem Wickelgehäuse 31 1 die Struktur des Vorformlings bzw. des Halbzeugs abgebildet wird.
Das zunächst noch flüssige Tränkfluid 350 wird nach dem abgeschlossenen Vorgang des Aufwickelns um das Wickelgehäuse 31 1 herum ausgehärtet. Nach Entfernen des Wickelgehäuses 31 1 liegt der fertige Vorformling bzw. Preform oder Halbzeug vor.
Zwischen der Magazineinrichtung 360 und der Tränkeinrichtung 320 ist eine Piasmaein- heit 1000 mit einer Öffnung oder einem Schlitz 1 100 vorgesehen, wobei das Gelege 400 durch die Öffnung oder den Schlitz 1 100 der Plasmaeinheit 1000 durchgeführt wird. Während dieses Durchführens des Geleges 400 wird das Gelege 400 einer Plasmabehandlung unterzogen. Die Intensität der Plasmabehandlung kann in Abhängigkeit der Fließgeschwindigkeit bzw. der Durchlaufgeschwindigkeit des Geleges 400 eingestellt werden. Die Plasmabehandlung erfolgt somit unmittelbar vor dem Tränkvorgangs, so dass die Wirkung der Plasmabehandlung noch nicht nachgelassen hat.
Die Plasmaeinheit 1000 kann als ein Plasmajet ausgestaltet sein, der eine der Wickelgeschwindigkeit angepasste Leistungsdichte (ca. 5 J/cm2) erzeugen kann. Die Plasmaein- heit dient somit dazu, das Gelege 400 mit einem Plasma zu durchspülen. Die Plasmaeinheit 1000 kann die Leistungsdichte des erzeugten Plasmas in Abhängigkeit der Wickelgeschwindigkeit bzw. derjenigen Geschwindigkeit einstellen, mit welcher das Gelege 400 durch die Plasmaeinheit 1000 bewegt wird.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Rotorblattes gemäß der Erfindung. Im Anschluss an diesen Vorgang, sowie im Anschluss an das Aushärten und sonstige Fertigstellen des Vorformlings oder Halbzeugs 201 wird das Blattende mit weiteren Komponenten zu einem Rotorblatt zusammengefügt. Das Rotorblatt 200 gemäß Fig. 5 weist nabenseitig den gewickelten Vorformling bzw. Halbzeug 201 auf. Der gewickelte Vorformling bzw. Halbzeug 201 kann optional als ein Faserverbundteil nach dem Aushärten bereits im Wesentlichen die Außenkontur des Rotorblatts darstellen. Zusätzliche Faserverbundwerkstofflagen können zur Vervollkommnung der Form noch aufgelegt werden, beispielsweise zum Ausbilden des Hinterkantensegmentes 207. Der Vorformling 201 bzw. das Halbzeug wird, vorzugsweise mittels Verkleben, an der Schnittstelle 213 mit einem Hinterkantensegment 207 verbunden. Ferner wird der Vorformling 201 an der der Nabe gegenüberliegenden Seite mit einer Blattspitze 209 verbunden, vorzugsweise mittels Verschrauben 21 1.
Das Halbzeug 201 kann mehrere Tonnen schwer sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das oben beschriebene Verfahren auch zum Herstellen von anderen Wickelkörpern, insbesondere trocken-zu- nass Wickelkörpern, eingesetzt. Somit wird ein Verfahren zum Herstellen eines trocken- zu-nass Wickelkörpers, insbesondere als Teil einer Windenergieanlage, vorgesehen. Die Herstellung des Wickelkörpers erfolgt durch Bereitstellen wenigstens eines textilen Geleges auf wenigstens einer rotierbaren Rolle, durch Tränken des abgerollten textilen Geleges in einer Tränkeinheit mit einer Kunststoffmatrix, durch Wickeln des getränkten textilen Geleges auf ein Wickelgehäuse durch Rotation des Wickelgehäuses, durch Aushärten des textilen Geleges nach dem Aufwickeln auf dem Wickelgehäuse und durch Durchführen einer Plasmabehandlung des textilen Geleges, bevor das Gelege in der Tränkeinheit getränkt wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Windenergieanlagen-Rotorblatt-Halbzeugs (201 ), mit den Schritten:
Bereitstellen wenigstens eines textilen Geleges, Gewebes oder Rovings (400) auf wenigstens einer Rolle (360),
Tränken des textilen Geleges, Gewebes oder Rovings (400) in einer Tränkeinheit (320) mit einer Kunststoff-Matrix,
Wickeln des getränkten textilen Geleges, Gewebes oder Rovings (400) auf ein Wickelgehäuse (31 1 ) durch Rotation des Wickelgehäuses (31 1 ), Aushärten des textilen Geleges, Gewebes oder Rovings (612, 400) nach dem Aufwickeln auf dem Wickelgehäuse ( 31 1 ), und
Durchführen einer Plasmabehandlung des textilen Geleges, Gewebes oder Rovings (400), unmittelbar bevor das Gelege, Gewebe oder Roving (400) in der Tränkeinheit (320) getränkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei
das Wickelgehäuse (31 1 ) als ein länglicher Körper ausgeführt ist und durch einen Motor bewegt wird.
3. Vorrichtung zur Herstellung eines Windenergieanlagen-Rotorblatt-Halbzeugs, mit einer Rolle (360) mit aufgewickeltem textilem Gelege, Gewebe oder Roving
(400),
einer Tränkeinrichtung (320) zum Tränken des textilen Geleges, Gewebes oder Rovings (400) vor dem Aufwickeln um ein Wickelgehäuse (31 1 ) herum,
- einem Wickelgehäuse (31 1 ), das zum Aufwickeln des getränkten textilen Geleges, Gewebes oder Rovings (400) rotierbar ist, gekennzeichnet durch
- eine Plasmaeinheit (1000) unmittelbar zwischen der Rolle (360) und der Tränkeinheit (320) zum Durchführen einer Plasmabehandlung der von der Rolle (360) abgewickelten textilen Gelege, Gewebe oder Roving (400), bevor das textile Gelege, Gewebe oder die Rovinge in der Tränkeinrichtung (320) getränkt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei
die Tränkeinrichtung (320) eine Mehrzahl Umlenkrollen (330) zur mehrfachen Um- lenkung des sich von der Rolle (360) zu dem Wickelgehäuse (31 1 ) hin erstreckenden textilen Geleges (400) aufweist, die in gleichem oder unterschiedlichem Abstand zum Boden (321 ) eines Tränkbeckens (321 ) angeordnet sind. Windenergieanlagen-Rotorblatt, mit
mindestens einem gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 hergestellten Halbzeug.
Verfahren zum Herstellen eines trocken-zu-nass Wickelkörpers, insbesondere als Teil einer Windenergieanlage, mit den Schritten:
Bereitstellen wenigstens eines textilen Geleges, Gewebes oder Rovings
(400) auf wenigstens einer Rolle (360),
Tränken des textilen Geleges, Gewebes oder Rovings (400) in einer Tränkeinheit (320) mit einer Kunststoff-Matrix,
Wickeln des getränkten textilen Geleges, Gewebes oder Rovings (400) auf ein Wickelgehäuse (31 1 ) durch Rotation des Wickelgehäuses (31 1 ), Aushärten des textilen Geleges, Gewebes oder Rovings (612, 400) nach dem Aufwickeln auf dem Wickelgehäuse ( 31 1 ), und
Durchführen einer Plasmabehandlung des textilen Geleges, Gewebes oder Rovings (400), unmittelbar bevor das Gelege, Gewebe oder Roving (400) in der Tränkeinheit (320) getränkt wird.
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