PL206772B1

PL206772B1 - Łopatka turbiny wiatrowej z polimeru wzmocnionego włóknami i prefabrykowany półwyrób skorupy przejściowej do wytwarzania łopatki turbiny wiatrowej

Info

Publication number: PL206772B1
Application number: PL371010A
Authority: PL
Inventors: Peter Grabau; Lars Fuglsang Andersen
Original assignee: Lm Glasfiber As
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2010-09-30
Also published as: DK175275B1; EP1485610B1; US7364407B2; DK1485610T3; CN1328500C; NO333535B1; CA2479604C; NO20044400L; AU2003218631B2; PL371010A1; EP1485610A1; AU2003218631A1; ES2401573T3; DK200200425A; US20050180854A1; WO2003078832A1; CA2479604A1; CN1643249A

Description

(13) B1 (51) Int.Cl.

F03D 1/06 (2006.01) F03D 1/00 (2006.01) F03D 3/06 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 371010 (22) Data zgłoszenia: 19.03.2003 (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:

19.03.2003, PCT/DK03/000184 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

25.09.2003,WO03/078832

₍₅₄₎ Łopatka turbiny wiatrowej z polimeru wzmocnionego włóknami i prefabrykowany ⁽⁵⁴⁾ półwyrób skorupy przejściowej do wytwarzania łopatki turbiny wiatrowej
(30) Pierwszeństwo: 19.03.2002, DK, PA200200425	(73) Uprawniony z patentu:
LM GLASFIBER A/S, Lunderskov, DK
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 13.06.2005 BUP 12/05	(72) Twórca(y) wynalazku: PETER GRABAU, Kolding, DK LARS FUGLSANG ANDERSEN, Odense S, DK
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	(74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Anna Słomińska-Dziubek
30.09.2010 WUP 09/10

PL 206 772 B1

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy łopatki turbiny wiatrowej z polimeru wzmocnionego włóknami i prefabrykowanego półwyrobu skorupy przejściowej do wytwarzania łopatki turbiny wiatrowej.

Łopatki turbiny wiatrowej są zwykle wykonane z dwóch połówek skorupy łopatek z polimeru wzmocnionego włóknami. Po ukształtowaniu te dwie połówki są sklejane ze sobą wzdłuż krawędzi i za pośrednictwem dwóch wsporników, które przed tym są przyklejone do wewnętrznej powierzchni czołowej jednej połówki skorupy łopatki. Druga połówka skorupy łopatki jest potem umieszczona na wierzchu wsporników i przyklejana do nich i wzdłuż krawędzi.

Połówki skorupy łopatki jako takie są zwykle wykonane przez topienie w próżni, w którym równomiernie rozłożone włókna, niedoprzędy, które są wiązkami włókien, wstęgami niedoprzędów lub matami, które mogą być matami filcowymi z pojedynczych włókien lub matami włókninowymi z niedoprzędów włókien, są osadzane warstwą w części formy i przykrywane torbą podciśnieniową. Poprzez wytwarzanie podciśnienia (zwykle 80-90%) we wnęce pomiędzy wewnętrzną powierzchnią czołową części formy i torbą podciśnieniową jest zasysana żywica wypełniająca wnękę zawierającą materiał włóknisty. W celu uzyskania optymalnego rozłożenia żywicy, stosuje się często pomiędzy torbą podciśnieniową i materiałem włóknistym tak zwane warstwy rozprowadzające i kanały rozprowadzające.

Stosowanym polimerem jest zwykle materiał poliestrowy lub epoksydowy, a wzmocnienie włókniste jest zwykle oparte na włóknach szklanych. Znane jest jednak także stosowanie włókien węglowych, które są sztywniejsze niż włókna szklane, ale mają mniejsze wydłużenie przy rozrywaniu. Włókna węglowe mogą być dodane dla uzyskania wyższego stopnia sztywności i/lub niższej masy. Jest więc możliwe ukształtowanie części wzmocnienia włóknistego z włókien węglowych w celu zmniejszenia masy łopatki bez zbytniej utraty sztywności łopatki. Włókna węglowe mają jednak wadę związaną z tym, że są znacznie droższe niż włókna szklane, co jest jednym z powodów niestosowania szeroko łopatek turbin z polimeru wzmocnionego włóknami węglowymi. Do wytwarzania łopatek turbiny wiatrowej mogą być także stosowane inne rodzaje włókien wzmacniających z tworzyw sztucznych lub włókna naturalne, na przykład włókna konopi lub lnu.

Z WO 98/53200 i WO 00/79128 jest znana skorupa ł opatki turbiny wiatrowej z polimeru wzmocnionego szkłem z warstwą włókna węglowego, której właściwości przewodzenia elektryczności mogą być wykorzystane do ogrzewania łopatki i odladzania jej. Warstwa włókna węglowego może być zawarta w laminacie z włókien szklanych.

Z WO 00/14405 jest znane wzmocnienie ł opatek turbiny wiatrowej z polimeru z wł óknem szklanym z wzdłużnymi wstęgami polimeru wzmocnionego włóknami węglowymi. Ta sama publikacja ujawnia tak zwany hybrydowy materiał kompozytowy, w którym stosuje się mieszaninę włókien szklanych i wł ókien wę glowych jako wzmocnienia wł óknami.

US 6,287,122 ujawnia wytwarzanie wydłużonych produktów kompozytowych, w których zmiana sztywności produktu na jego długości jest uzyskana poprzez zmianę zawartości włókien lub kąta orientacji splecionych włókien.

US 5,520,532 ujawnia część formy z polimeru wzmocnionego włóknem o zmieniającej się sztywności, która to sztywność jest uzyskana poprzez zmianę liczby warstw maty włóknistej.

US 4,077,740 ujawnia łopatkę wirnika śmigłowca z włóknistego materiału kompozytowego, przy czym sztywność łopatki zmienia się w kierunku wzdłużnym. Ta cecha jest uzyskana poprzez zmianę orientacji włókien tak, że uzyskuje się zwiększone tłumienie, drgań.

Sztywność łopatki turbiny wiatrowej oczywiście zależy od grubości skorupy, geometrii przekroju poprzecznego i materiału. Wymiary przekroju poprzecznego łopatki turbiny wiatrowej i grubość skorupy zmieniają się w kierunku wzdłużnym łopatki. Oczywiście, największe wymiary przekroju poprzecznego są w nasadzie łopatki, gdzie przekrój poprzeczny jest często kołowy. Dalej, wzdłuż łopatki, jest on bardziej płaski.

Jak wspomniano powyżej, znane jest połączenie włókien różnych typów w laminacie w celu uzyskania wymaganych właściwości lub kompromisu pomiędzy właściwościami różnych typów włókien pod względem ciężaru, sztywności i wydłużenia przy rozerwaniu. Może być jednak pożądana konstrukcja łopatki mająca zmienne właściwości łopatki w kierunku wzdłużnym łopatki. Włókna węglowe są korzystne ze względu na ich sztywność i niską gęstość, ale z drugiej strony są one drogie w porównaniu z włóknami szklanymi. Wskutek tego może być pożądane stosowanie wzmocnienia włóknami węglowymi tam, gdzie to zastosowanie jest bardziej korzystne. Może okazać się korzystne wzmacnianie najbardziej zewnętrznej części łopatki włóknami węglowymi i najbardziej wewnętrznej części łopatki włóknami szklanymi tak, że zmniejsza się ciężar najbardziej zewnętrznej części i przez to miPL 206 772 B1 nimalizuje się moment obciążenia własnego. Więc, w najbardziej wewnętrznej części łopatki jest wymagany mniejszy przekrój poprzeczny i mniej materiału, co powoduje zmniejszenie obciążenia piasty łopatki. Najbardziej zewnętrzna część łopatki może mieć dodatkowo zwiększoną sztywność, wskutek czego zmniejsza się ryzyko ugięcia łopatki na tyle duże, że końcówka łopatki uderza w wieżę turbiny. Problemy z dużym obciążeniem własnym i niedostateczną sztywnością mogą zwiększać się, gdyż zwiększa się ciągle długość łopatek turbiny. Ta tendencja będzie kontynuowana w przyszłości.

W celu zmniejszenia rozmiaru koł nierzy montaż owych i tym podobnych, mogą być wymagane przekroje poprzeczne o mniejszych wymiarach przy nasadzie łopatki. Całkowity ciężar łopatki może być znacznie zmniejszony poprzez zastosowanie włókien węglowych, jako materiału wzmacniającego w najbardziej wewnę trznej części ł opatki, to jest w nasadzie ł opatki.

Inne typy włókien, na przykład na bazie celulozy, takie jak włókna konopi lub włókna lnu są potencjalnymi materiałami do wzmacniania łopatek turbin wiatrowych.

Mogą istnieć też powody do umieszczania w różnych położeniach w łopatkach turbiny wiatrowej różnych typów włókien wzmacniających. Jeżeli dwie strefy łopatki turbiny wiatrowej, które są usytuowane obok siebie w kierunku wzdłużnym, są wzmocnione włóknem różnego typu niż sąsiednia i mają różną sztywność i wydłużenie przy zerwaniu, łopatka ma gwałtowną zmianę sztywności. Przy dużych dynamicznych lub statycznych obciążeniach, większość naprężeń jest wywoływana w najbardziej zewnętrznych częściach z najbardziej sztywnych włókien, co powoduje wysokie ryzyko zniszczenia tych włókien i całej łopatki. Z drugiej strony, ugięcie łopatki wywołuje dużą koncentrację naprężeń na powierzchni granicznej pomiędzy dwiema strefami w strefie mającej najbardziej sztywne włókna. Problem jest szczególnie dotkliwy przy obciążeniach, którym podlegają łopatki turbin wiatrowych.

Celem wynalazku jest zapewnienie łopatki turbiny wiatrowej z polimeru wzmocnionego włóknami zawierającego pierwszy typ włókien o pierwszej sztywności i pierwszym wydłużeniu przy zrywaniu i drugi typ wł ókien o innej sztywnoś ci i wydł uż eniu przy zrywaniu, w którym obszar ł opatki moż e być zoptymalizowany pod względem wytrzymałości, obciążenia własnego i sztywności, bez wywoływania niepożądanego efektu, takiego jak nagła zmiana sztywności.

Według wynalazku, łopatka turbiny wiatrowej z polimeru wzmocnionego włóknami, zawierająca włókna pierwszego typu o pierwszej sztywności i pierwszym wydłużeniu przy zerwaniu i włókna drugiego typu o innej sztywności i innym wydłużeniu przy zerwaniu, charakteryzuje się tym, że te dwa typy włókien są rozłożone w matrycy polimerowej i w widoku przekroju prostopadłego do kierunku wzdłużnego łopatki stosunek ilości włókien tych dwóch typów zmienia się w sposób ciągły w kierunku wzdłużnym łopatki.

Włóknami pierwszego typu są włókna szklane, a włóknami drugiego typu są włókna węglowe.

Stosunek ilości włókien tych dwóch typów wzrasta lub maleje ciągle od pierwszego poziomu do drugiego poziomu w kierunku wzdłużnym łopatki.

Korzystnie, stosunek ilości włókien tych dwóch typów jest zmienny w sposób ciągły w strefie przejściowej o długości mniejszej niż długość łopatki.

Strefa przejściowa może być usytuowana pomiędzy pierwszą strefą i drugą strefą, przy czym pierwsza strefa i druga strefa mają równomierny stosunek ilości włókien dwóch typów.

Długość strefy przejściowej może być pomiędzy 0,5 i 1 metr.

Łopatka korzystnie jest podzielona na strefę przejściową zawierająca nasadę łopatki i dodatkową strefę zaczynającą się od strefy przejściowej i rozciągającą się na pozostałej długości łopatki w jej kierunku wzdłużnym, lub jest podzielona na strefę przejściową zawierającą końcówkę łopatki i dodatkową strefę zaczynającą się od strefy przejściowej i rozciągającą się na pozostałej długości łopatki w jej kierunku wzd łu żnym.

Włókna lub wiązki włókien pierwszego typu o różnej długości korzystnie rozciągają się od pierwszego końca strefy przejściowej, a włókna lub wiązki włókien drugiego typu rozciągają się od przeciwnego końca strefy przejściowej.

Strefa przejściowa może być ukształtowana z laminatu kilku warstw włókien, w którym każda warstwa włókien ma powierzchnię graniczną w położeniu w kierunku wzdłużnym, przy czym warstwa włókien zawiera włókna pierwszego typu po jednej stronie powierzchni granicznej i włókna drugiego typu po drugiej stronie powierzchni granicznej, a powierzchnie graniczne każdej warstwy włókien są przesunięte względem siebie w kierunku wzdłużnym łopatki.

Powierzchnie graniczne mogą być ząbkowane w widoku przekroju równoległego do warstw włókien.

Końcówki ząbkowanych powierzchni granicznych mogą być przemieszczone względem siebie w kierunku poprzecznym ł opatki.

PL 206 772 B1

Dwa typy włókien mogą być rozłożone we wzmacniających wstęgach rozciągających się w kierunku wzdłużnym łopatki, a pozostałe części przekrojów poprzecznych łopatek mają stałą zawartość włókien pierwszego typu i/lub drugiego typu.

Według wynalazku, prefabrykowany półwyrób skorupy przejściowej do wytwarzania łopatki turbiny wiatrowej, zawierający polimer wzmocniony włóknem zawierającym włókna pierwszego typu o pierwszej sztywności i pierwszym wydłużeniu przy zerwaniu i włókna drugiego typu o innej sztywności i innym wydłużeniu przy zerwaniu, charakteryzuje się tym, że te dwa typy włókien są rozłożone w matrycy polimerowej i w widoku przekroju prostopadłego do kierunku wzdłużnego łopatki stosunek ilości włókien tych dwóch typów zmienia się ciągle w kierunku wzdłużnym półfabrykatu skorupy przejściowej łopatki.

Korzystnie, prefabrykowany półwyrób skorupy przejściowej jest ukształtowany jako wstęga do wzmocnienia obszaru skorupy łopatki tworzącej bok sprężający i ssący łopatki i oddalonej najdalej od środka przekroju poprzecznego łopatki.

Według wynalazku uzyskuje się cel poprzez takie rozłożenie w matrycy polimerowej włókien dwóch typów, że stosunek ilości włókien tych dwóch typów zmienia się ciągle w kierunku wzdłużnymi łopatki. W tym kontekście wyrażenie „ciągle powinno być rozumiane w szerokim sensie i także obejmować wyrażenia „stopniowo i „równomiernie.

Wskutek łagodnego przejścia pomiędzy dwoma obszarami łopatki turbiny wiatrowej, te obszary mają dwa różne stopnie sztywności z powodu różnego stosunku ilości włókien jednego typu do drugiego.

Zastosowanie według przykładu wynalazku włókien szklanych i włókien węglowych, wskutek czego łopatka turbiny wiatrowej jest ukształtowana tak, że ilość włókien węglowych wzrasta w kierunku końcówki łopatki, powoduje, że ciężar jest zmniejszony w najbardziej zewnętrznej części i moment obciążenia własnego jest zminimalizowany. Jest więc wymagana mniejsza ilość materiału i/lub mniejszy przekrój poprzeczny w najbardziej wewnętrznej części łopatki i obciążenie piasty turbiny jest zmniejszone.

Przy danym stopniu sztywności, ciężar własny może być zmniejszony przy wykorzystaniu włókien węglowych w zewnętrznej części, wskutek czego mogą być także zmniejszone dynamiczne obciążenia na skorupę łopatki i nasadę łopatki, a wspomniane części są szczególnie czułe na obciążenia dynamiczne. Przy danym stopniu sztywności, ciężar własny może być zmniejszony przy wykorzystaniu włókien węglowych w zewnętrznej części, wskutek czego mogą być także zmniejszone dynamiczne obciążenia na skorupę łopatki i nasadę łopatki, a wspomniane części są szczególnie czułe na obciążenia dynamiczne.

Poprzez zmianę zawartości włókien węglowych w zewnętrznej części końcowej lub jej długości może być zmieniana sztywność, jak również częstotliwość drgań własnych. Sztywność i częstotliwość drgań własnych może więc być optymalizowana do szczególnych warunków.

Stosunkowo sztywna zewnętrzna część końcowa i stosunkowo mniej sztywna wewnętrzna część końcowa powoduje korzystny kształt ugięcia ze względu na tłumienie aerodynamiczne, które to tłumienie aerodynamiczne zależy od łącznego ugięcia wzdłuż łopatki podczas drgań. Zwiększone aerodynamiczne tłumienie jest korzystne, ponieważ powoduje zmniejszenie obciążenia aerodynamicznego.

W porównaniu z łopatką wykonaną jedynie z polimeru wzmocnionego włóknem szklanym lub łopatką wykonaną jedynie z polimeru wzmocnionego włóknem węglowym, łopatka według wynalazku ma optymalny stosunek sztywności do kosztów.

Koniec łopatki turbiny wiatrowej zawierający nasadę łopatki może być wyposażony w stosunkowo dużą ilość włókien węglowych mających wyższą sztywność niż włókna szklane, wskutek czego wymiary przekroju poprzecznego nasady łopatki i w konsekwencji także wymiary kołnierzy montażowych i tym podobnych mogą być zmniejszone.

Według przykładu wynalazku, stosunek ilości włókien pierwszego typu do ilości włókien drugiego typu może wzrastać lub maleć ciągle od pierwszego poziomu do drugiego poziomu.

Według korzystnego przykładu wynalazku stosunek ilości włókien pierwszego typu do ilości włókien drugiego typu zmienia się ciągle w strefie przejściowej o długości mniejszej niż długość łopatki. Stosunek ilości może więc zmieniać się tylko w ograniczonym obszarze, co może być korzystne ze względu na wytwarzanie.

Według korzystnego przykładu wynalazku, strefa przejściowa jest usytuowana pomiędzy pierwszą strefą i drugą strefą, przy czym te obie strefy mają zasadniczo równomierny stosunek ilości włókien dwóch typów. Chociaż długość strefy przejściowej jest na przykład pomiędzy 0,5 i 1 metr, to długość do 10 metrów lub nawet więcej niż 10 metrów jest także zalecana. Pierwsza strefa, która może zawierać nasadę łopatki, może także zawierać większość włókien szklanych, a druga strefa, która zawiera końcówkę łopatki, może zawierać większość włókien węglowych, wskutek czego w położeniu w środku łopatki jest ukształtowana strefa przejściowa.

PL 206 772 B1

Gdy łopatka jest podzielona na strefę przejściową zawierającą nasadę łopatki i dodatkową strefę zawierającą resztę łopatki, ilość włókien węglowych może zwiększać się stopniowo od nasady łopatki do położenia, w którym zaczyna się dodatkowa strefa, wskutek czego zawartość włókien węglowych pozostaje zasadniczo stała.

Długość strefy zawierającej końcówkę łopatki może stanowić 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85% lub nawet 90% całej długości łopatki.

W przykładzie wynalazku, w którym włókna lub wiązki włókien pierwszego typu o różnej długości rozciągają się od pierwszego końca strefy przejściowej, a włókna lub wiązki włókien drugiego typu rozciągają się od przeciwnego końca strefy przejściowej, uzyskuje się szczególnie łagodne przejście zmiany sztywności.

W innym przykł adzie wynalazku, w którym strefa przej ś ciowa jest ukształ towana z laminatu kilku warstw włókien, w którym każda warstwa włókien ma powierzchnię graniczną w położeniu w kierunku wzdłużnym, przy czym warstwa włókien zawiera włókna węglowe po jednej stronie powierzchni granicznej i włókna szklane po drugiej stronie powierzchni granicznej, a powierzchnie graniczne każdej warstwy włókien są przesunięte względem siebie w kierunku wzdłużnym łopatki, stopniowa zmiana sztywności jest uzyskana w strefie przejściowej w szczególnie prosty sposób.

Równomierne i łagodne przejście sztywności uzyskuje się także, gdy powierzchnie graniczne są ząbkowane w widoku przekroju równoległego do warstw włókien i gdy dodatkowo końcówki ząbkowanych powierzchni granicznych są przemieszczone względem siebie w kierunku poprzecznym łopatki.

W przykł adzie wynalazku, dwa typy włókien są rozł ożone we wzmacniających wstęgach rozciągają cych się w kierunku wzdłużnym łopatki, a pozostałe części przekrojów poprzecznych łopatek mają stałą zawartość włókien pierwszego typu i/lub drugiego typu. Części przenoszące obciążenie łopatki są często wykonane z takich wzmacniających wstęg, a wynalazek jest szczególnie korzystny dla takich części.

Półfabrykat skorupy przejściowej według wynalazku przyspiesza i upraszcza wytwarzanie łopatek turbiny wiatrowej, ponieważ skorupa przejściowa nie musi być wykonywana podczas wytwarzania samej łopatki turbiny wiatrowej.

Jeżeli istniejące turbiny wiatrowe mają być wyposażone w dłuższe łopatki, można to uzyskać poprzez zastąpienie najbardziej zewnętrznej części strefą przejściową zawierającą jeden lub więcej półfabrykatów skorupy przejściowej i końcówkę z włókien węglowych. Ciężar łopatki nie wzrasta lub wzrasta tylko nieznacznie w porównaniu z pierwotną łopatką wykonaną całkowicie z polimeru wzmocnionego włóknem szklanym. Opcjonalnie, mogą być wykonane całkowicie nowe łopatki do istniejącej turbiny wiatrowej lub najbardziej zewnętrzna część łopatki może być odcięta i zastąpiona końcówką z włókna węglowego z strefą przejściową lub bez niej.

Wynalazek jest objaśniony bardziej szczegółowo poniżej za pomocą różnych przykładów wykonania wynalazku na schematycznym rysunku, na którym: fig. 1 ukazuje turbinę wiatrową z trzema łopatkami, fig. 2 ukazuje łopatkę według przykładu wykonania wynalazku; fig. 3 ukazuje ciągłą zmianę stosunku ilości włókien dwóch różnych typów według pierwszego przykładu wykonania; fig. 4 ukazuje ciągłą zmianę stosunku ilości włókien dwóch różnych typów według drugiego przykładu wykonania wynalazku; fig. 5 ukazuje ciągłą zmianę stosunku ilości włókien dwóch różnych typów według trzeciego przykładu wykonania wynalazku; fig. 6 ukazuje wykresy przedstawiające jak stosunek ilości dwóch różnych typów włókien może zmieniać się w kierunku wzdłużnym łopatki.

Fig. 1 pokazuje nowoczesną turbinę wiatrową wraz z wieżą 12, piastą 13 oraz trzema łopatkami 14 turbiny wiatrowej wystającymi, z piasty.

Fig. 2 ilustruje łopatkę turbiny wiatrowej zawierającą pierwszą strefę 17, z końcówką łopatki, która to strefa jest wzmocniona włóknem węglowym. Łopatka 14 zawiera drugą strefę 15 wzmocnioną włóknem szklanym. Pierwsza strefa 17 rozciąga się w drugą strefę 15 przez strefę przejściową 16 lub obszar przejściowy, w której jeden typ włókien jest stopniowo zastąpiony drugim typem włókien.

Pierwszy przykład wynalazku pokazany na fig. 3 jest rzutem przekroju skorupy łopatki turbiny wiatrowej w strefie przejściowej, w której stopniowo zmienia się stosunek ilości dwóch typów włókien o różnych właściwościach. Włókna pierwszego typu 1, na przykład włókna węglowe, rozpościerają się od lewej strony rzutu przekroju w formie wiązek lub pojedynczych włókien o różnych długościach. Włókna drugiego typu 2, na przykład włókna szklane nie są widoczne na fig. 3, ale dopełniają włókna węglowe 1. Przejście pomiędzy dwoma typami włókien jest więc rozmyte, dzięki czemu otrzymuje się łagodne przejście od części łopatki, która jest przynajmniej w większej części wzmocniona włóknami węglowymi, do części łopatki, która jest przynajmniej w większej części wzmocniona włóknem szklanym 2. Ze względu na to, że włókna szklane tolerują większe ugięcie niż włókna węglowe, ugięcie łopatki powoduje dużą koncen6

PL 206 772 B1 trację naprężeń w częściach włókien węglowych, dochodzą do warstwy granicznej pomiędzy tymi dwoma typami włókien. Unika się tego działania w przykładzie wykonania pokazanym na fig. 3.

Fig. 4 ilustruje drugi przykład wykonania wynalazku, w którym maty włókniste z włókien nietkanych lub z wiązek włókien dzianych zostały nacięte, dzięki czemu posiadają ząbkowanie na jednym ze swoich końców. Dwie maty oparte na różnych typach włókien mają w tej samej warstwie włókien odpowiednio do siebie pasujące ząbki, dzięki którym zazębiają się. Ząbki dwóch znajdujących się jedna nad drugą warstw włókien mogą być przesunięte względem siebie jak pokazano na Fig. 4, dzięki czemu otrzymywane jest łagodne przejście pomiędzy sztywnością w obszarze pokazanym po lewej stronie, a sztywnością w obszarze pokazanym po stronie prawej. Fig. 4 jest schematycznym rzutem dwóch znajdujących się jedna nad drugą warstw 3, 4 włókien węglowych. Dwie odpowiadające im warstwy włókien szklanych znajdują się w obszarze 5. Jak również pokazano na Fig. 4 końcówki 12 ząbkowanej powierzchni granicznej 11 dwóch mat włókien węglowych 3, 4 są przesunięte w poprzecznym kierunku, by zapewnić łagodną zmianę sztywności. Strefa przejściowa pomiędzy obszarem z włóknami węglowymi, a obszarem z włóknami szklanymi jest więc uzależniona od długości ząbków powierzchni granicznej 11. Odpowiednio, strefa przejściowa może się zmieniać w zależności od potrzeby poprzez skracania lub wydłużenia ząbków powierzchni granicznej 11.

Fig. 5 pokazuje szczególnie proste wytworzenie strefy przejściowej pomiędzy pierwszą strefą i drugą strefą. Fig. 5 jest schematycznym widokiem czterech umieszczonych w stosie warstw włókien, w których warstwy włókien 6 są ukształtowane na przykład z włókien węglowych a warstwy włókien 7 są ukształtowane z włókien szklanych. Każda warstwa włókien ma powierzchnię graniczną 10, w której włókna węglowe są zastępowane włóknami szklanymi, i uzyskuje się strefę przejściową o pewnej długości, ponieważ powierzchnie graniczne 10 są przesunięte względem siebie. Długość strefy przejściowej może oczywiście być zmieniana według potrzeby poprzez przesuwanie powierzchni granicznych bardziej lub mniej względem siebie i/lub poprzez zastosowanie więcej warstw włókien.

Fig. 6 jest schematycznym widokiem stosunku ilości włókien jednego typu do włókien drugiego typu w kierunku wzdłużnym łopatki. Obie strefy pierwsza I i druga III zawierają stały stosunek ilości włókien pierwszego typu 8 do włókien drugiego typu 9. Strefa przejściowa II występuje pomiędzy tymi dwiema strefami, a stosunek włókien drugiego typu 9 w tej strefie stopniowo zwiększa się od pierwszego poziomu w pierwszej strefie ] do drugiego poziomu w drugiej strefie III.

Fig. 6a ukazuje więc przykład wykonania, w którym pierwsza strefa I jest ukształtowana jedynie z włókien pierwszego typu 8, a druga strefa III jest ukształtowana jedynie z włókien drugiego typu 9.

Fig. 6b ukazuje przykład wykonania, w którym pierwsza strefa I jest ukształtowana jedynie z włókien pierwszego typu 8, a druga strefa III zawiera stałą mniejszą ilość włókien pierwszego typu 9 i stałą większą ilość włókien drugiego typu 9.

Fig. 6c ukazuje przykład wykonania, w którym pierwsza strefa I zawiera stałą większą ilość włókien pierwszego typu 8 i stałą mniejszą ilość włókien drugiego typu 9, a druga strefa III jest ukształtowana jedynie z włókien drugiego typu 9. Fig. 6d ukazuje przykład wykonania, w którym pierwsza strefa I zawiera stałą większą ilość włókien pierwszego typu 9, a druga strefa III zawiera mniejszą stałą ilość włókien węglowych pierwszego typu 8 i dużo większą ilość włókien drugiego typu 9.

Fig. 6a ilustruje więc schematycznie korzystny przykład wykonania łopatki turbiny wiatrowej, w którym pierwsza strefa I odpowiada zewnętrznej części końcowej stanowiącej końcówkę łopatki, a druga strefa III odpowiada wewnętrznej części końcowej łopatki stanowiącej nasadę. Część łopatki zawierająca końcówkę łopatki może więc być wykonana jedynie z włókien węglowych, zaś część łopatki zawierająca nasady łopatki może być wykonana jedynie z włókien szklanych. Wskutek tego, część pomiędzy dwoma końcami łopatki może być strefą przejściową II, w której włókna węglowe i włókna szklane stopniowo są wzajemnie wymieniane. Ta strefa przejściowa II może mieć ograniczoną długość, na przykład 0,5-1 metr. Łopatka jednak może także być wykonana odpowiednio do stosunków ilości, jak pokazano na fig. 6b-6d. Łopatka 14 może także zawierać dwie strefy, to jest albo pierwszą strefę I i strefę przejściową II lub strefę przejściową II i drugą strefę III. Ostatecznie, łopatka może zawierać tylko strefę przejściową II tak, że ilość jednego typu włókien na przykład stopniowo wzrasta na całej długości łopatki.

Strefa przejściowa może być wykonana w łopatce podczas układania włókien w częściach formy. Jest jednak także możliwe stosowanie wstępnie wytworzonych laminatów przejściowych według zasad pokazanych na fig. 3, 4 i 5. Takie prefabrykowane laminaty przejściowe są korzystne ze względów wytwarzania, ponieważ czas procesu układania włókien jest zasadniczo taki sam jak przy wytwarzaniu typowych łopatek turbiny, w których jest stosowany ten sam materiał na całej długości łopatki.

PL 206 772 B1

Testy wykazały, że najbardziej zewnętrzne części włókien mających najwyższą sztywność w strefie przejś ciowej mogą pę kać przy odkształ ceniu strefy przejś ciowej, ale nie jest to cał kowicie niepożądany efekt, ponieważ sprzyja to dalszemu złagodzeniu zmiany sztywności. Częstotliwość pękania włókien może być więc wysoka ale nie krytyczna, ponieważ są one otoczone bardziej podatnymi włóknami szklanymi. Złamane włókna dalej sprzyjają zmniejszeniu uchylenia i łamaniu się dalszych włókien. Stopniowo i równomierne przejście pomiędzy właściwościami materiału kompozytowego, który jest oparty na włóknach dwóch różnych typów, jest więc uzyskane dzięki dwóm czynnikom. Pierwszym czynnikiem jest rozłożenie sztywnych i bardziej podatnych włókien w celu uzyskania łagodnego przejścia od obszaru sztywnego do podatnego. Drugim czynnikiem jest niekrytyczne łamanie, które dalej łagodzi to przejście.

Dodatkowy, niepokazany przykład wykonania łopatki turbiny wiatrowej według wynalazku może być uzyskany za pomocą tak zwanego procesu natryskiwania. W tym procesie stosuje się pistolet natryskujący do materiału polimerowego, a do strumienia żywicy wtryskuje się mieszaninę posiekanych włókien tych dwóch typów i rozpyla się ją do formy. Poprzez zmianę stosunku mieszania podczas procesu rozpylania można uzyskać strefę przejściową.

Wynalazek nie jest ograniczony do powyższych przykładów wykonania. Oprócz włókien szklanych i węglowych mogą być zastosowane inne typy włókien do wytwarzania łopatki turbiny wiatrowej według wynalazku. Przykładowe możliwe włókna obejmują włókna konopi lub inne włókna celulozowe, takie jak włókna aramidowe i inne włókna z tworzywa sztucznego.

Odpowiednio, jest możliwe wykonanie łopatki turbiny wiatrowej, w które] koniec z nasadą łopatki jest wykonany z polimeru wzmocnionego włóknem węglowym, zaś końcówka łopatki jest wykonana z polimeru wzmocnionego włóknem aramidowym, którego gęstość jest nawet mniejsza niż włókna węglowego. Może być wytworzona strefa przejściowa pomiędzy częścią wzmocnioną włóknem szklanym i częścią wzmocnioną włóknem węglowym, i pomiędzy częścią wzmocnioną włóknem węglowym i częścią wzmocnioną włóknem aramidowym.

Ponadto oprócz skorupy łopatki, jako takiej, z polimeru wzmocnionego różnymi typami włókien można wytwarzać belki wzmacniające i inne wewnętrzne wzmacniające człony w łopatkach turbin wiatrowych, przy czym stosunek ilości włókien jednego typu do drugiego typu zmienia się ciągle w kierunku wzdł u ż nym ł opatki.

Korzyści według wynalazku uzyskuje się w odniesieniu do części przenoszących obciążenie. Części przenosząc obciążenie zawierają główne laminaty w postaci wzdłużnych wstęg polimeru wzmocnionego włóknem, umieszczonych w obszarach po stronie zasysania i sprężania skorupy łopatki i oddalonych od środka przekroju poprzecznego łopatki. Laminaty wzmacniające łopatkę w kierunku zgodnym, z krawędziami na krawędzi natarcia i spływu łopatki mogą korzystnie mieć ciągle zmieniający się stosunek ilości włókien tych dwóch typów.

Ze względu na wyładowania atmosferyczne, może być korzystne wykonanie najbardziej zewnętrznej części końcówki łopatki całkowicie z włókna szklanego tak, aby zapewnić, że wyładowania atmosferyczne będą uderzały w celowo skonstruowany odbiornik, a nie w elektrycznie przewodzący materiał włókna węglowego.

Wydłużenie do rozerwania dla włókien szklanych jest zwykle około 4,8%, zaś dla włókien węglowych zwykle w zakresie od 0,3% do 1,4%. Moduł Young'a włókien szklanych jest około 73,000 MPa, zaś moduł Young'a włókien węglowych (moduł średni) zwykle jest około 245,000 MPa. Włókna węglowe są zwykle 3-4 razy sztywniejsze niż włókna szklane. Gęstość szkła jest koło 2,54 g/cm³, zaś gęstość węgla jest około 1,75 g/cm³.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Łopatka turbiny wiatrowej z polimeru wzmocnionego włóknami, zawierająca włókna pierwszego typu o pierwszej sztywności i pierwszym wydłużeniu przy zerwaniu i włókna drugiego typu o innej sztywności i innym wydłużeniu przy zerwaniu, znamienna tym, że te dwa typy włókien (1,2; 3,5; 6,7; 8,9) są rozłożone w matrycy polimerowej i w widoku przekroju prostopadłego do kierunku wzdłużnego łopatki stosunek ilości włókien (1,2; 3,5; 6,7; 8,9) tych dwóch typów zmienia się w sposób ciągły w kierunku wzdłużnym łopatki (14).
2. Łopatka turbiny wiatrowej według zastrz. 1, znamienna tym, że włóknami pierwszego typu (1) są włókna szklane, a włóknami drugiego typu (2) są włókna węglowe.

PL 206 772 B1
3. Łopatka turbiny wiatrowej według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że stosunek ilości włókien (1,2; 3,5; 6,7; 8,9) tych dwóch typów wzrasta lub maleje ciągle od pierwszego poziomu do drugiego poziomu w kierunku wzdłużnym łopatki (14).
4. Łopatka turbiny wiatrowej według zastrz. 3, znamienna tym, że stosunek ilości włókien (1,2; 3,5; 6,7; 8,9) tych dwóch typów jest zmienny w sposób ciągły w strefie przejściowej (16, II) o długości mniejszej niż długość łopatki (14).
5. Łopatka turbiny wiatrowej według zastrz. 4, znamienna tym, że strefa przejściowa (II) jest usytuowana pomiędzy pierwszą strefą (0 i drugą strefą (III), przy czym pierwsza strefa (I) i druga strefa (Ul) mają równomierny stosunek ilości włókien (1,2; 3,5; 6,7; 8,9) dwóch typów.
6. Łopatka turbiny wiatrowej według zastrz. 5, znamienna tym, że długość strefy przejściowej (II) jest pomiędzy 0,5 i 1 metr.
7. Łopatka turbiny wiatrowej według zastrz. 4, znamienna tym, że łopatka (14) jest podzielona na strefę przejściową (II) zawierająca nasadę łopatki (14) i dodatkową strefę zaczynającą się od strefy przejściowej (II) i rozciągającą się na pozostałej długości łopatki (14) w jej kierunku wzdłużnym.
8. Łopatka turbiny wiatrowej według zastrz. 4, znamienna tym, że łopatka (14) jest podzielona na strefę przejściową (II) zawierająca końcówkę łopatki (14) i dodatkową strefę zaczynającą się od strefy przejściowej (II) i rozciągającą się na pozostałej długości łopatki (14) w jej kierunku wzdłużnym.
9. Łopatka turbiny wiatrowej według zastrz. 4-8, znamienna tym, że włókna lub wiązki włókien pierwszego typu (1) o różnej długości rozciągają się od pierwszego końca strefy przejściowej (II), a włókna lub wiązki włókien drugiego typu (2) rozciągają się od przeciwnego końca strefy przejściowej (II).
10. Łopatka turbiny wiatrowej według zastrz. 4, znamienna tym, że strefa przejściowa (16, ID jest ukształtowana z laminatu kilku warstw włókien (3,5; 6,7), w którym każda warstwa włókien (3,5; 6,7) ma powierzchnię graniczną (10,11) w położeniu w kierunku wzdłużnym, przy czym warstwa włókien (3,5; 6,7) zawiera włókna pierwszego typu (3,6) po jednej stronie powierzchni granicznej (10,11) i włókna drugiego typu (5,7) po drugiej stronie powierzchni granicznej (10,11), a powierzchnie graniczne (10,11) każdej warstwy włókien (3,5; 6,7) są przesunięte względem siebie w kierunku wzdłużnym łopatki (14).
11. Łopatka turbiny wiatrowej według zastrz. 10, znamienna tym, że powierzchnie graniczne (11) są ząbkowane w widoku przekroju równoległego do warstw włókien (3,5).
12. Łopatka turbiny wiatrowej według zastrz. 11, znamienna tym, że końcówki (12) ząbkowanych powierzchni granicznych (11) są przemieszczone względem siebie w kierunku poprzecznym łopatki (14).
13. Łopatka turbiny wiatrowej według zastrz. 1, znamienna tym, że dwa typy włókien ((1,2; 3,5; 6,7; 8,9) są rozłożone we wzmacniających wstęgach rozciągających się w kierunku wzdłużnym łopatki (14), a pozostałe części przekrojów poprzecznych łopatek mają stałą zawartość włókien pierwszego typu (1,3,6,8) i/lub drugiego typu (2,5,7,9).
14. Prefabrykowany półwyrób skorupy przejściowej do wytwarzania łopatki turbiny wiatrowej, zawierający polimer wzmocniony włóknem zawierającym włókna pierwszego typu o pierwszej sztywności i pierwszym wydłużeniu przy zerwaniu i włókna drugiego typu o innej sztywności i innym wydłużeniu przy zerwaniu, znamienny tym, że te dwa typy włókien (1,2; 3,5; 6,7; 8,9) są rozłożone w matrycy polimerowej i w widoku przekroju prostopadłego do kierunku wzdłużnego łopatki (14) stosunek ilości włókien (1,2; 3,5; 6,7; 8,9) tych dwóch typów zmienia się ciągle w kierunku wzdłużnym półfabrykatu skorupy przejściowej łopatki (14).
15. Prefabrykowany półwyrób skorupy przejściowej według zastrz. 14, znamienny tym, że jest ukształtowany jako wstęga do wzmocnienia obszaru skorupy łopatki (14) tworzącej bok sprężający i ssący łopatki (14) i oddalonej najdalej od środka przekroju poprzecznego łopatki (14).