DK178598B1 - Integrerede forskydningskroppe for vindturbineblade - Google Patents

Description

Integrerede forskydningskroppe for vindturbineblade

OPFINDELSENS OMRÅDE

Den foreliggende opfindelse er rettet mod aflange bæreplaner til anvendelse med vindturbiner og fremgangsmåder til at fabrikere aflange bæreplaner til vindturbiner. Den foreliggende opfindelse er navnlig rettet mod vindturbineblade og fremgangsmåder til at fremstille vindturbineblade.

OPFINDELSENS BAGGRUND

For nylig har vindturbiner været genstand for forøget opmærksomhed som miljøvenlige og relativt billige alternative energikilder. Med denne voksende interesse er der blevet gjort en betydelig indsats for at udvikle vindturbiner, som er pålidelige og effektive.

En vindturbine omfatter overordnet en rotor med flere vindturbineblade. Vindturbinebladene er aflange bæreplaner, der er konfigureret til at tilvejebringe rotationskræfter som svar på vind. Rotoren er monteret på et hus eller en nacelle, der er placeret oven på en konsol eller et rørformet tårn. Utility grade-vindturbiner (dvs. vindturbiner, der er designet til at tilvejebringe elektrisk strøm til et forsyningsnet) kan have store rotorer (f.eks. 30 m eller mere i længden). Derudover er vindturbiner typisk monteret på tårne, som er mindst 60 m i højden. Blade på disse rotorer transformerer vindenergi til et rotationsmoment eller -kraft, som driver en eller flere generatorer, som kan være rotationskoblet til rotoren via en gearkasse. Gearkassen stepper den iboende lave rotationshastighed af turbinerotoren op, således at generatoren effektivt kan konvertere mekanisk energi til elektrisk energi, der tilføres et forsyningsnet. For at tilvejebringe effektiv konvertering af mekanisk energi til elektrisk energi anvender vindturbinen en variation af vindtur-binekomponenter såsom aksler, gearkomponenter, pitchdrev, generatorkomponenter og andre komponenter inden i vindturbinen drevet af vindturbineblade.

Vindturbineblade kan være meget store og er typisk fremstillet ved anvendelse af håndlagte kompositfabrikationsteknikker. Én frem gangsmåde er f.eks. at infusere to ydre skaller af glas med resin. Når de to skaller er hærdet, bindes præfabrikerede, hærdede kompositforskyd-ningskroppe til en lastbærende bjælke af en første skal af de to skaller. Bindingen sker typisk ved anvendelse af et adhæsiv, såsom epoxy eller et andet egnet adhæsiv. Når adhæsivet, der binder den første skal til forskydningskroppen, er hærdet, fastgøres den anden skal til forskydningskroppen og bindes dertil. Derefter hærdes hele sammensætningen for at tilvejebringe et færdigt vindturbineblad. Disse fremgangsmåder lider af den ulempe, at der er stort antal adhæsivsamlinger anvendt til at forene forskellige komponenter til hinanden. Disse adhæsivsamlinger tilføjer på uønsket vist vægt og kompleksitet til vindturbinebladet og forøger tiden krævet til fabrikationsprocessen. Derudover udelukker det store antal adhæsivsamlinger også evnen til at have små tolerancer og samlinger, navnlig ved samlinger mellem skallen og forskydningskroppen af vindturbinebladet.

Der er derfor behov for en forbedret fremgangsmåde til at fabrikere vindturbineblade ved anvendelse af færre adhæsivsamlinger, at tilvejebringe mindre materialetolerancer, som resulterer i et blad med mindre vægt, som ikke lider af ulemperne ved de kendte fremgangsmåder. I US 2003/0116262 beskrives anvendelse af en lukket resininfusi-onsproces til fremstilling af et vindturbinerotorblad af kompositmateria-ler, således at vindturbinerotorbladet primært fremstilles i ét stykke og uden limsammenføjninger. Ved den foreliggende opfindelse fremstilles vindturbinerotorbladet ved at fastgøre en anden skalkomponent til en præfabrikeret første skalkomponent.

KORT BESKRIVELSE AF OPFINDELSEN

Et første aspekt ved opfindelsen indbefatter en fremgangsmåde til at fabrikere aflange vindturbineblade. Fremgangsmåden indbefatter at tilvejebringe en første skalforstærkende fiberstruktur. Mindst én forskydningskropforstærkende fiberstruktur placeres tilstødende den første skalforstærkende fiberstruktur. Fremgangsmåden indbefatter at infusere den første skalforstærkende fiberstruktur og forskydningskropforstærkende fiberstruktur med et bindemateriale og at hærde bindematerialet for at danne en første kompositskalkomponent ud i ét. Derefter fastgøres en anden kompositskalkomponent til den første kompositskalkomponent for at danne et aflangt kompositbæreplan, der egner sig til anvendelse som et vindturbineblad.

Et andet aspekt ved opfindelsen indbefatter en fremgangsmåde til at fabrikere aflange bæreplaner for vindturbiner. En første bjælkeforstærkende fiberstruktur, en anden bjælkeforstærkende struktur og en forskydningskropforstærkende fiberstruktur er tilvejebragt. Den første bjælkeforstærkende fiberstruktur og den anden bjælkeforstærkende fiberstruktur er placeret tilstødende den forskydningskropforstærkende fiberstruktur. Fremgangsmåden indbefatter yderligere en første skalforstærkende fiberstruktur og en forskydningsforstærkende fiberstruktur med et bindemateriale og at hærde bindematerialet for at danne en kompositkropsbjælke ud i ét. Derefter fastgøres kropsbjælken til hver af en første kompositskalkomponent og en anden kompositskalkomponent for at danne en aflang kompositbæreplansstruktur, der egner sig til anvendelse som et vindturbineblad.

Endnu et andet aspekt ved opfindelsen indbefatter et vindturbineblad med et første skalafsnit og et andet skalafsnit klæbet til det første skalafsnit. Det første skalafsnit indbefatter mindst én forskydningskrop. Vindturbinebladet indbefatter yderligere et første skalafsnit og en integreret forskydningskrop, som er en kompositkomponent ud i ét.

Endnu et andet aspekt ved opfindelsen indbefatter et vindturbineblad med et første skalafsnit og et andet skalafsnit, der indsvøber en kropsbjælke. Kropsbjælken indbefatter et første bjælkeafsnit, et andet bjælkeafsnit og mindst én forskydningskrop mellem det første bjælkeafsnit og det andet bjælkeafsnit. Vindturbinebladet indbefatter et første bjælkeafsnit og en forskydningskrop, som er en kompositkomponent ud i ét.

Andre træk og fordele ved den foreliggende opfindelse vil fremgå af den følgende mere detaljerede beskrivelse af den foretrukne udførelsesform set sammen med den medfølgende tegning, der ved hjælp af eksempler illustrerer principperne ved opfindelsen.

KORT BESKRIVELSE AF TEGNINGEN

Fig. 1 er et billede af et eksempel på en konfiguration af en vindturbine.

Fig. 2 er et perspektivbillede af en nacelle af eksemplet på vindturbinen i konfigurationen vist i fig. 1.

Fig. 3 er et tværsnit taget langs linien 3-3 ifølge fig. 2, der viser den indre struktur af et kendt vindturbineblad.

Fig. 4 er et tværsnit taget langs linien 3-3 ifølge fig. 2, der viser et vindturbineblad ifølge en udførelsesform for opfindelsen.

Fig. 5 er et tværsnit taget langs linien 3-3 ifølge fig. 2, der viser et vindturbineblad ifølge en anden udførelsesform for opfindelsen.

Fig. 6 er et tværsnit taget langs linien 3-3 ifølge fig. 2, der viser et vindturbineblad ifølge endnu en anden udførelsesform for opfindelsen.

Fig. 7 er et snitbillede af et apparat til fremstilling af et vindturbineblad ifølge en udførelsesform for opfindelsen.

Fig. 8 er et snitbillede af et vindturbineblad, der er samlet ifølge en udførelsesform for opfindelsen.

DETAUERET BESKRIVELSE AF OPFINDELSEN

Fig. 1 viser en vindturbine 100 med en nacelle 102, der indeholder en generator (ikke vist i fig. 1). Nacellen 102 er et hus monteret oven på et tårn 104, hvoraf kun et afsnit er vist i fig. 1. Højden af tårnet 104 er valgt baseret på faktorer og forhold, som er kendte inden for teknikken, og kan strække sig op til højder på 60 m eller mere. Vindturbinen 100 kan være installeret på ethvert terræn, der tilvejebringer tilgængelighed til områder med ønskede vindforhold. Terrænet kan i høj grad variere og kan indbefatte, men er ikke begrænset til, bjergterræn eller offshoreterræn. Vindturbinen 100 omfatter også en rotor 106, som indbefatter et eller flere rotorblade 108 fastgjort til et roterende nav 110. Selv om vindturbinen 100 illustreret i fig. 1 indbefatter tre rotorblade 108, er der ikke nogen specifikke begrænsninger på antallet af rotorblade 108, som kræves af den foreliggende opfindelse.

Fig. 2 illustrerer et turbineblad 108 med en forkant 201 og en bagkant 203. Turbinebladet 108 indbefatter et bæreplansafsnit 205, der strækker sig fra spidsen 207 til roden 209, der kan forbindes til navet 110 af vindturbinen.

Fig. 3 illustrerer et vindturbineblad med en tværsnitstruktur, der er kendt inden for teknikken. Fig. 3 er et tværsnit af et vindturbineblad taget langs linien 3-3 ifølge fig. 2. Vindturbinebladet 108 indbefatter et første skalafsnit 301 og et andet skalafsnit 302, der hver især er adhæsivt bundet til en forskydningskrop 303. Leddene mellem det første skalafsnit 301 og forskydningskroppen 303 indbefatter en adhæsivsamling 305. En yderligere adhæsivsamling 305 er derudover placeret mellem forskydningskroppen 303 og det andet skalafsnit 302. Det første skalafsnit 301 er også klæbet til det andet skalafsnit 302 ved hjælp af adhæsivsamling 305 tilstødende forkanten 201 og bagkanten 203. Vindturbinebladet ifølge fig. 3 indbefatter en præfabrikeret forskydningskrop 303, der er dannet, infuseret og hærdet, før den bringes i berøring med det første skalafsnit 301 og det andet skalafsnit 302. Den separate fremstilling af forskydningskroppen 303 forøger kompleksiteten og den tid, som kræves for at samle vindturbinebladet 108. Ønsket placering af forskydningskroppen 303 er endvidere vanskelig at opnå på grund af adhæsivsamlingerne 305, der er til stede ved modsatte ender af forskydningskroppen 303's tilstødende det første og andet skalafsnit. Anvendelsen af flerheden af adhæsivsamlinger 305 forøger arbejdsmængden, som kræves, hvor niveaustilling af forskydningskroppen 303 kan kræve flere personer og/eller specialiseret udstyr. Derudover er cyklustiden til at producere et vindturbineblad 108 overdrevet lang, fordi adhæsivhærdning og hærdning af præfremstillede komponenter kræves før samling. En stor mængde adhæsiv er endvidere krævet for at tilvejebringe alle adhæsivsamlinger 305, der på uønsket vis forøger vægten og densiteten af vindturbinebladet 108. Uensartet bindingslinietykkelse og store lufthuller resulterer endvidere af samlingen, hærdningen og samlingen af flere komponenter af arrangementet vist i fig. 3.

Fig. 4 viser et vindturbineblad ifølge en udførelsesform, hvor et andet skalafsnit 302 er klæbet til en integreret første skal 401 ved hjælp af adhæsivsamling 305 nær hver af forkanten 201 og bagkanten 203. Den integrerede første skal indbefatter en integreret første skal 401 og et forskydningskropafsnit 403 fremstillet af en kompositkompo-nent ud i ét. Med kompositkomponent ud i ét forstås, at komponenten indbefatter et forstærket hærdet bindemiddel/matrix i et legeme ud i ét, i det væsentlige uden adhæsivsamlinger inden i legemet. Den integrerede første skal 401 er dannet ved en infusion af resin eller andet bindemateriale ind i en fibermaterialeforstærket form, som er konfigureret hovedsageligt i forhold til den ønskede geometri af den færdige integrerede første kompositskal 401. Den integrerede første skal 401 kan f.eks. være dannet ved at tilvejebringe et enkelt, kontinuert forstærkningsmateriale, der indbefatter forskydningskropafsnittet 403 og den integrerede første skal 401 eller ved at placere et forstærkningsmateriale for forskydningskropafsnittet 403 tilstødende forstærkningsmaterialet for den integrerede første skal 401 og at infusere forskydningskropafsnittet 403 til den integrerede første skal 401 for at danne en kompositkomponent ud i ét. Den integrerede første skal 401 og det andet skalafsnit 302 er fremstillet af fibermateriale forstærket med termohærdende eller termoplastisk polymerbindemiddel. Forstærkningsmaterialet kan være tilvejebragt på enhver form, der egner sig til at tilvejebringe forstærkning til kompositkomponenten, enaksiale, toaksiale, treaksiale eller fireaksia-le vævninger, fletninger, hugne glasfibre, forgarn eller diskontinuerte fibermåtter. Fibre, der egner sig til forstærkningsmateriale, indbefatter glas, kulfiber, syntetiske fibre såsom KEVLAR® eller andre forstærkende letvægtsfibre. KEVLAR® er et føderalt registreret varemærke for E. I. DuPont de Nemours & Company for aromatiske polymidfibre. Den integrerede skal 401 og skalafsnittet 302 indbefatter fortrinsvis en afstivende kerne såsom balsatræ eller skum. Den afstivende kerne er tilvejebragt som mellemliggende lag af fibermateriale forstærket med bindemiddel og tilvejebringer yderligere stivhed. I et eksempel er den afstivende kerne anbragt mellem lag af fibermateriale forstærket med bindemateriale. Egnede bindemidler indbefatter termohærdende eller termoplastisk polymerbindemiddel. Fastgørelse til den integrerede første skal 401 kan udføres ved hjælp af adhæsivsamling 305. Adhæsivsam- linger 305 er dannet mellem overflader ved hjælp af kontakt med adhæsivsammensætninger, som er kendte inden for teknikken til at forbinde kompositmaterialer. Egnede adhæsivsammensætninger indbefatter, men er ikke begrænset til, epoxy, polyester, methylakrylat, vinylester eller andre adhæsivresiner. Geometrien af tværsnittet af turbinebladet 108 er ikke begrænset til tværsnittet vist og kan indbefatte ethvert egnet tværsnit, som kan drives som et vindturbineblad 108. Derudover er konfigurationen og placeringen af forskydningskropafsnittet 403 ikke begrænset til positionen vist og kan indbefatte ethvert sted, hvor vindturbinebladet 108's struktur bevares. Derudover kan en bjælkehætte eller en anden forstærkende struktur også indarbejdes i den integrerede første skal 301 og/eller det andet skalafsnit 302.

Fig. 5 illustrerer en anden udførelsesform for et vindturbineblad 108. Som vist i fig. 4 klæbes det andet skalafsnit 302 til en integreret første skal 401 ved hjælp af adhæsivsamling 305 nær hver af forkanten 201 og bagkanten 203. I fig. 5 indbefatter den integrerede første skal 401 flere forskydningskropafsnit 403. Antallet af forskydningskropafsnit 403, som er til stede, er ikke begrænset og kan være ét eller ethvert antal af forskydningskropafsnit 403, hvor dette antal tilvejebringer den ønskede understøtning af vindturbinebladet 108. Yderligere forskydningskropafsnit 403 på den integrerede første skal 401 tilvejebringer yderligere strukturel understøtning. I en yderligere udførelsesform kan hver af den integrerede første skal 401 og det andet skalafsnit 302 indeholde ét eller flere forskydningskropafsnit 403, idet det andet skalafsnit 302 og forskydningskropafsnittet 403 er konstrueret ud i ét.

Fig. 6 viser et vindturbineblad ifølge en udførelsesform, hvor en integreret første skal 401 er klæbet til en integreret anden skal 401' ved hjælp af adhæsivsamling 305 nær hver af forkanten 201 og bagkanten 203 og et centerpunkt 601. Den integrerede første skal 401 og den integrerede anden skal 401' indbefatter den integrerede første skal 401 og et forskydningskropafsnit 403 fremstillet af en kompositkomponent dannet ud i ét. Ved et centerpunkt 601 er en adhæsivsmling 305 anbragt mellem et forskydningskropafsnit 403 af den integrerede første skal 401 og et forskydningskropafsnit 403 af en integreret anden skal 401'. Selv om fig. 6 viser centerpunktet 601 i det væsentlige i samme afstand fra den integrerede første skal 401 og den integrerede anden skal 401', kan centerpunktet 601 være ethvert sted langs forskydningskropafsnittet 403. Hver af den integrerede første skal 401 og den integrerede anden skal 401' er dannet ved hjælp af en infusion af resin eller et andet bindemiddel ind i en fibermaterialeforstærket form, som er konfigureret hovedsageligt i forhold til den ønskede geometri af de fremstillede integrerede kompositskaller 401, 401'. I denne udførelsesform kan den første og anden integrerede skal 401, 401' være identiske eller uens. Selv om det ikke kræves, kan fremstillingen af identiske integrerede første skaller 401 og integrerede andre skaller 401' tilvejebringe lettere fremstilling og støbeformfabrikation, hvilket betyder reducerede fremstillingsomkostninger.

Den integrerede første skal 401 og bjælkekroppen 703 kan være dannet ved anvendelse af enhver egnet kompositformgivningsmeto-de. Egnede metoder indbefatter, men er ikke begrænset til, resin transfer molding (RTM), vacuum assisted resin transfer molding (VARTM), resin infusion method (RIM) eller enhver egnet resininfusionsmetode til formgivning af fiberforstærkede kompositmaterialer. I en udførelsesform for den foreliggende opfindelse vist i fig. 7 er et fibermateriale 1001 for en første skal placeret på en skalform 1003. Selv om fig. 7 illustrerer en håndlagt form, kan enhver type form, som tilvejebringer den ønskede vindturbinebladgeometri, anvendes, herunder formgeometrier, som er i stand til at svare til vindturbinebladene 108, som er over 20 m i længden. Et fibermateriale 1005 for en forskydningskrop er placeret tilstødende fibermaterialet 1001 for den første skal, hvor en forskydningskropform 1007 kan være placeret over det første fibermateriale 1001 for den første skal for at placere forskydningskropfibermaterialet 1005 i forhold til fibermaterialet 1001 for den første skal. Forskydningskropformen 1007 er enhver form, som er i stand til at blive konfigureret til at svare til geometrien af forskydningsafsnittet 403, herunder forskydningskroplængder, som kan overstige 20 m i længden. Forskydningskropformen 1007 strækker sig liggende over overfladen af fibermaterialet 1001 for den første skal og fibermaterialet 1001 for forskydnings kroppen. Forskydningskropformen 1007 er forseglet imod skalformen 1003 ved hjælp af forsegling 1009 for at tillade påføring af vakuum i rummet af fibermaterialet 1001 for den første skal og fibermaterialet 1001 forforskydningskroppen. Forseglingen 1009 kan indbefatte ethvert konventionelt forseglingsmateriale, der egner sig til vakuumforsegling. I løbet af bindemiddelinfiltration strømmer bindemiddelmateriale og fylder hulrum inden i materialet, hvor fangede luftlommer fjernes ved hjælp af det påførte vakuum. Efter hærdning bliver bindemidlet hårdt og danner et forstærket kompositmateriale. Den dannede integrerede første skal 401 indbefatter et forskydningskropafsnit 403 og et skalafsnit 405 ud i ét (se f.eks. fig. 8). Strukturer med en flerhed af forskydningskropafsnit 403 er fabrikeret ved anvendelse af en tilsvarende proces, hvor en flerhed af forskydningsforme 1007 anvendes til at placere yderligere for-skydningskropfibermateriale for at danne en flerhed af forskydningskropafsnit 403. Frigivelsesmaterialer/-belægninger, filler-forstærknings-materialer, bindemiddeladditiver, peelply, overføringsmedier, frigivelsesfilm og/eller andre konsumerbare og/eller konventionelle materialer til brug med infusionsprocesser kan benyttes i dannelsen af vindturbine-bladet 108.

Som vist i fig. 8 kan den integrerede første skal 401 efter hærdning af bindemiddel af de integrerede skalkomponenter bringes til berøring med et anden skalafsnit 302, hvor adhæsivsamling 305 (se f.eks. fig. 4) påføres til kontaktoverfladerne 1101. Adhæsivsamlingerne 305 tillades at hærde for at danne en struktur af et vindturbineblad 108.

Mens fig. 7 og 8 viser og beskriver en proces til at danne en integreret første skal 401, kan den samme proces benyttes til at producere en bjælkekrop 703, hvor materialet, der formgiver forstærkningen for bjælkekroppen 703, er placeret på en form, og resin med en egnet bin-demiddelinfusionsmetode infuseres ind i fiberen, der skal danne et kom-positvindturbineblad. Fremgangsmåderne beskrevet er egnede til fabrikation af vindturbineblade med længder større end omkring 10 m, fortrinsvis større end omkring 20 m og mere foretrukket større end omkring 50 m.

Mens opfindelsen er blevet beskrevet med reference til en fore- trukket udførelsesform, vil det blive forstået af fagmanden, at forskellige ændringer kan gøres, og ækvivalenter kan udskiftes for elementer deraf, uden at gå ud over bredden af opfindelsen. Derudover kan der gøres mange modifikationer for at tilpasse en særlig situation eller et særligt materiale til opfindelsens lære uden at gå ud over den væsentlige bredde deraf. Det er derfor meningen, at opfindelsen ikke skal være begrænset til den særlige udførelsesform beskrevet som den bedste måde til at udføre opfindelsen, men at opfindelsen vil indbefatte alle udførelsesformer, der falder inden for bredden af de vedføjede krav.

Claims (9)

1. Fremgangsmåde til at fabrikere aflange bæreplaner (108) til vindturbiner (100) omfattende: at tilvejebringe en første skalforstærkende fiberstruktur (1001), at placere mindst én forskydningskropforstærkende fiberstruktur (1005) tilstødende den første skalforstærkende fiberstruktur (1001), at infusere den første skalforstærkende fiberstruktur (1001) og den mindst ene forskydningskropforstærkende fiberstruktur (1005) med et bindemateriale og at hærde bindematerialet for at danne en første kompositskalkomponent (401) ud i ét, kendetegnet ved at fastgøre en anden kompositskalkomponent (302) til den første kompositskalkomponent (401) for at danne en aflang kompositbæ-replanstruktur, hvor placeringen omfatter at tilvejebringe en støbeform (1007), der svarer til den ønskede geometri af et forskydningskropafsnit (403) af den første kompositskalkomponent (401) ud i ét.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, hvor infuseringstrinnet omfatter en teknik valgt fra gruppen bestående af resin transfer molding, vacuum assisted resin transfer molding, resin film infusion, resin infusion eller kombinationer deraf.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, hvor mindst én af den første skalforstærkende fiberstruktur (1001), den anden skalforstærkende fiberstruktur (302) og den forskydningskropforstærkende fiberstruktur (1005) indbefatter et afstivende materiale.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 3, hvor det afstivende materiale er balsa eller skum.

5. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1-4, hvor den anden skalkomponent (302) indbefatter en anden kompositskalkomponent ud i ét med en anden skalkomponent ud i ét og en integreret forskydningskrop.

6. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1-5, hvor støbeformen (1007) anbringes over den første skalforstærkende fiberstruktur (1001) til placering af den forskydningskropforstærkende fiberstruktur (1005) i forhold til den første skalforstærkende fiberstruktur (1001).

7. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1-6, hvor støbeformen (1007) fjernes fra den første kompositskalkomponent, før den anden kompositskalkomponent fastgøres til den første kompositskalkomponent.

8. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1-7, hvor fastgørelse af den anden kompositskalkomponent til den første kompositskalkomponent opnås ved hjælp af adhæsivsamling(305).

9. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1-8, hvor, når den anden kompositskalkomponent fastgøres til den første kompositskalkomponent, fastgøres forskydningskropafsnittet (403) til den modsatte anden kompositskalkomponent ved hjælp af en adhæsivsamling (305).