PL230525B1 - Lopata turbiny wiatrowej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest łopata turbiny wiatrowej przeznaczona do stosowania w lądowych oraz morskich turbinach wiatrowych o poziomej oraz pionowej osi obrotu.

Erozja krawędzi natarcia łopat w śmigłach turbin wiatrowych stanowi poważny problem w eksploatacji farm wiatrowych, co niesie za sobą podwyższone koszty operacyjne elektrowni wiatrowych. Krawędzie te ulegają uszkodzeniu w wyniku ciągłego i długotrwałego oddziaływania na nie takich czynników zewnętrznych jak: piasek, woda, wiatr oraz promieniowanie słoneczne w połączeniu z wysoką prędkością kątową. W wyniku takiego działania warstwa wierzchnia krawędzi staje chropowata i postrzępiona, przez co zakłócony zostaje laminarny przepływ powietrza wokół profili aerodynamicznych śmigła. W rezultacie zmniejsza się sprawność energetyczna całej turbiny wiatrowej.

W celu przeciwdziałania temu problemowi stosuje się różne rozwiązania w postaci taśm i lakierów ochronnych oraz zestawów do naprawy uszkodzonej powierzchni. Jednym z podstawowych rozwiązań jest umieszczenie na krawędzi natarcia łopatek dodatkowych powłok wykonanych z materiałów o podwyższonej odporności na ścieranie, uderzenia i promieniowanie słoneczne.

W patencie europejskim EP 2419272 ujawniono plastikowy kompozytowy komponent uformowany z co najmniej dwóch warstw. Pierwsza warstwa składająca się co najmniej w części z żywicy termoutwardzalnej. Druga warstwa składa się co najmniej w części z elastomeru. Części te są ze sobą połączone przez obróbkę cieplną lub promieniowanie światłem UV. Warstwa elastomerowa zawiera co najmniej 0,5 cząsteczki czynnika sieciującego na sto cząsteczek gumy. Czynnikiem sieciującym może być składnik z grupy nadtlenków, amin i/lub bisfenolii. Plastikowy kompozytowy komponent jest uformowany z cienkiej twardej warstwy zewnętrznej, co najmniej jednej warstwy elastomerowej połączonej z tą pierwszą warstwą od wewnątrz, oraz z co najmniej jednej metalowej i/lub plastikowej warstwy nośnej połączonej z tą warstwą elastomerową od wewnątrz. Warstwa elastomerowa wykonana jest z plastiku wzmacnianego włóknami (FRP), z plastiku wzmacnianego włóknami węglowymi (CRP) lub z plastiku wzmacnianego włóknami szklanymi (CRP). Warstwa ta może stanowić część chroniącą przed uderzeniami na przedniej krawędzi skrzydła, płata lub statecznika samolotu lub na przedniej krawędzi łopaty śmigła helikoptera lub wiatraka lub na części nadwozia pojazdu takiej jak zderzak lub maska. Rozwiązanie charakteryzuje się tym, że plastikowa zewnętrzna warstwa jest uformowana z polietylenu (PE), w szczególności polietylenu o ultra wysokim ciężarze cząsteczkowym (UHMW-PE), polipropylenu o wysokim ciężarze cząsteczkowym (HMW-PE) lub politetrafluoretylenu (PTEE).

Ze zgłoszenia patentowego WO 2015/028250 znane jest rozwiązanie dotyczące elementu łopaty wirnika, w szczególności krawędzi łopaty turbiny wiatrowej. Łopata ma bazę łopaty zawierającą materiał z włókien nasycony żywicą utwardzalną oraz folię powierzchniową. Między podstawą a folią powierzchniową znajduje się warstwa wiążąca. Folia powierzchniowa zawiera polietylen o ultra wysokim ciężarze cząsteczkowym (UHMWPE), a warstwa wiążąca zawiera pierwszą warstwę gumy i drugą warstwę gumy. Pierwsza warstwa gumy jest alokowana do foli powierzchniowej zaś druga warstwa gumy jest alokowana do bazy.

Celem niniejszego wynalazku jest uzyskanie rozwiązania zapewniającego długotrwałą ochronę łopat śmigieł turbin wiatrowych, zwłaszcza krawędzi natarcia, przed uszkodzeniami spowodowanymi oddziaływaniem czynników zewnętrznych takich jak piasek, woda, wiatr oraz promieniowanie słoneczne. Proponowane rozwiązanie ma także zapewniać prostą i szybką naprawę łopat uszkodzonych w wyniku działania takich czynników. Dodatkowym celem jest poprawienie właściwości aerodynamicznych łopatek śmigieł.

Łopata turbiny wiatrowej zawierająca powłokę ochronną na krawędzi natarcia, według wynalazku charakteryzuje się tym, że powłokę ochronną stanowi warstwa materiału elastomerowego pokrytego warstwą poliuretanową. Grubość warstwy materiału elastomerowego zmniejsza się stopniowo w kierunku krawędzi spływu. Część powłoki ochronnej znajdująca się nad linią centralną wzdłużną krawędzi natarcia łopaty posiada na całej swojej długości zintegrowany generator vortex. Powłoka ochronna jest nałożona asymetrycznie względem linii centralnej wzdłużnej krawędzi natarcia tak, że większa jej część znajduje się na powierzchni łopaty znajdującej się nad krawędzią natarcia. Powłoka ochronna połączona jest z powierzchnią łopaty za pomocą warstwy spoiwa. Na krawędziach powłoki ochronnej znajduje się uszczelnienie wypełniające.

Korzystnie, warstwę materiału elastomerowego stanowi kauczuk butadienowo-styrenowy (SBR) lub kauczuk akrylo-nitrylowy (NBR) lub kauczuk chloroprenowy (CR) lub kauczuk etylenowo-propylenowy (EPDM) lub kauczuk naturalny (NR). Warstwa materiału elastomerowego może być jedno lub dwustronnie moletowana. Generator vortex korzystnie wykonany jest z materiału elastomerowego pokrytego warstwą poliuretanową lub z tworzywa sztucznego pokrytego warstwą poliuretanową. Warstwę

PL 230 525 B1 poliuretanową stanowi warstwa lakieru poliuretanowego lub farby poliuretanowej utwardzanych światłem UV. Korzystnie, szerokość powłoki ochronnej jest zmienna na długości łopaty. Powłoka ochronna może być odsunięta o stałą odległość co najmniej 50 mm od krawędzi spływu. Uszczelnienie wypełniające korzystnie stanowi materiał silikonowy lub epoksydowy żelkot techniczny. Warstwę spoiwa stanowi klej lub taśma jedno lub dwustronnie pokryta spoiwem.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest podwyższona odporność na uszkodzenia krawędzi natarcia łopat poprzez kombinację warstwy materiału elastomerowego i warstwy poliuretanowej. Warstwa materiału elastomerowego zapewnia bufor podczas uderzeń w krawędź natarcia. Podwyższona odporność wiąże się z mniejszymi kosztami serwisowania i kontroli krawędzi natarcia. Normalne rozwiązania, bez zastosowania powłok ochronnych wytrzymują zależnie od lokalizacji od 2 do 4 lat. Natomiast rozwiązanie według wynalazku pozwala na wydłużenie okresu użytkowania od 10 do 25 lat zależnie od lokalizacji, natężenia oddziaływania czynników zewnętrznych oraz długości łopat śmigła. Kolejną zaletą rozwiązania jest wysoka wydajność i kontrola grubości warstwy poliuretanowej podczas nakładania na warstwę materiału elastomerowego w trakcie malowania lub drukowania z utwardzeniem UV. Nakładanie tej warstwy odbywa się w kontrolowanych warunkach wewnątrz hal produkcyjnych poza śmigłem. Uzyskanie jednolitej i kontrolowanej grubości warstwy poliuretanowej jest właściwie niemożliwe podczas bezpośredniego nakładania na łopaty śmigła. Takie nakładanie warstwy kończy się defektami powierzchni takimi jak zacieki, wysoka porowatość i niejednolitość grubości. Fakt nanoszenia warstwy poliuretanowej na warstwę materiału elastycznego poza śmigłem zapewnia zwiększoną wydajność podczas samej produkcji łopat jak i podczas napraw uszkodzeń. Warstwy te po utwardzeniu poliuretanu mogą być szybko zamontowane na łopaty śmigieł za pomocą warstwy spoiwa i podkładu. Dzięki temu nie ma konieczności demontażu śmigieł i długotrwałego przestoju całej turbiny. Kolejną zaletą rozwiązania jest jednolitość powierzchni. Dzięki zastosowaniu uszczelnienia na krawędziach powłoki ochronnej brak jest ostrych krawędzi. W rezultacie przepływ powietrza wokół łopaty odbywa się w sposób niezakłócony i nie ma odrywania się powietrza od powierzchni oraz nie powstają lokalne zawirowania w postaci przepływu turbulentnego.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 pokazuje w przekroju łopatę śmigła, fig. 2 pokazuje w przekroju powłokę ochronną znajdującą się na łopacie śmigła, fig. 3 ilustruje w przekroju generator vortex zastosowany w powłoce ochronnej, fig. 4 przedstawia w przekroju asymetryczne nałożenie powłoki ochronnej względem linii centralnej wzdłużnej krawędzi natarcia, fig. 5 pokazuje w rzucie z góry łopatę, gdy powłoka ochronna jest odsunięta o stałą odległość od krawędzi spływu, fig. 6 przedstawia w rzucie z góry łopatę, gdy powłoka ochronna jest odsunięta o zmienną odległość od krawędzi spływu na jej długości, zaś fig. 7 pokazuje turbinę wiatrową z powłoką ochronną na łopatach śmigła.

Łopata 2 turbiny wiatrowej zgodnie z wynalazkiem posiada powłokę ochronną 1 na krawędzi natarcia. Powłokę ochronną 1 stanowi warstwa materiału elastomerowego 3 pokrytego warstwą poliuretanową 4. W przykładzie wykonania warstwa materiału elastomerowego 3 wykonana jest z kauczuku butadienowostyrenowego. Grubość zastosowanej warstwy materiału elastomerowego 3 wynosi 1 mm. W innych przykładach wykonania grubość warstwy materiału elastomerowego 3 może wynosić od 0,1 mm do 3 mm w zależności od rodzaju łopat 2. Grubość warstwy materiału elastomerowego 3 zmniejsza się stopniowo w kierunku krawędzi spływu łopaty 2. W ten sposób powstaje faza, która zmniejsza uskok na łączeniu powłoki ochronnej 1 z powierzchnią łopaty 2. Warstwa materiału elastomerowego 3 jest dwustronnie moletowana w celu zwiększenia przyczepności jej powierzchni. Warstwę poliuretanową 4 stanowi warstwa lakieru poliuretanowego utwardzanego światłem UV. Grubość warstwy poliuretanowej 4 wynosi 0,2 mm. W innych przykładach wykonania grubość tej warstwy waha się od 0,1 mm do 0,5 mm w zależności od rodzaju łopatek 2. Funkcję stricte ochronną w powłoce ochronnej 1 pełni warstwa poliuretanowa 4. Natomiast warstwa materiału elastomerowego 3 zapewnia elastyczny bufor podczas uderzeń deszczu lub piasku o łopaty 2 śmigła. Powłoka ochronna 1 połączona jest z powierzchnią łopaty 2 za pomocą warstwy spoiwa 5, której grubość może wynosić od 0,1 mm do 0,3 mm. W przykładzie wykonania warstwę spoiwa 5 stanowi klej o grubości 0,1 mm. W innym przykładzie wykonania można zastosować taśmę dwustronnie pokrytą klejem. Dodatkowo w celu zapewnienia lepszego połączenia powłoki ochronnej 1 z powierzchnią łopaty 2 pod spoiwem 5 znajduje się podkład 6. Powłoka ochronna 1 jest wykonywana w ramach oddzielnego procesu w kontrolowanych warunkach, np. w specjalnie przygotowanych pomieszczeniach. Następnie jako gotowy element jest mocowana do krawędzi natarcia łopatek 2 śmigła za pomocą warstwy spoiwa 5. Takie działanie zwiększa wydajność podczas produkcji jak i serwisowania śmigieł. Nie ma bowiem konieczności stosowania przestojów aby warstwa poliuretanowa 4, która byłaby nanoszona bezpośrednio na łopatach 2, stwardniała. Ponadto wykonywanie powłoki ochronnej 1 poza śmigłem, w kontrolowanych warunkach, pozwala na osiągnięcie

PL 230 525 B1 lepszej jakości warstwy poliuretanowej 4. Nakładanie warstwy poliuretanowej 4 na warstwę materiału elastomerowego 3 na płaskiej powierzchni pozwala na uniknięcie zacieków, porowatości lub niejednolitej grubości na całej powierzchni.

Zgodnie z wynalazkiem na krawędziach powłoki ochronnej 1 znajduje się uszczelnienie wypełniające 1. Wypełnia ono uskok, który występuje między zakończeniem powłoki ochronnej 1, a powierzchnią łopaty 2. Dzięki temu uzyskuje się gładką i ciągłą powierzchnię bez uskoku, który powodowałby odrywanie się przepływającego powietrza od powierzchni łopaty 2. W rezultacie zwiększa się wydajność turbiny. W przykładzie wykonania uszczelnienie wypełniające 1 stanowi silikon akrylowy.

Szerokość powłoki ochronnej 1 jest zmienna na długości łopaty 2.

Powłoka ochronna 1 zmniejsza stopniowo swoją szerokość w kierunku końca łopaty 2, przy czym jej minimalna szerokość wynosi 100 mm. W przykładzie wykonania, pokazanym na fig. 5 powłoka ochronna 1 jest odsunięta o stałą odległość od krawędzi spływu. Zachowanie stałej odległości między łączeniem powłoki ochronnej 1 z powierzchnią łopaty 2, a krawędzią spływu przeciwdziała przedwczesnemu odrywaniu się powietrza od łopaty 2. W innym przykładzie wykonania, pokazanym na fig. 6 odsunięcie powłoki ochronnej 1 od krawędzi spływu jest zmienne na jej długości.

Powłoka ochronna 1 jest nałożona asymetrycznie względem linii centralnej wzdłużnej krawędzi natarcia. Jej większa część (wskazana na rysunku jako odcinek „a”) znajduje się na powierzchni łopaty 2 znajdującej się nad krawędzią natarcia, zaś jej mniejsza część (wskazana na rysunku jako odcinek „b”) znajduje się na powierzchni łopaty 2 znajdującej się pod krawędzią natarcia.

Część powłoki ochronnej 1 znajdująca się nad linią centralną wzdłużną krawędzi natarcia łopaty 2 posiada na całej swojej długości zintegrowany generator vortex 8. W przykładzie wykonania generator vortex 8 wykonany jest z materiału elastomerowego pokrytego warstwą poliuretanową 4. Generatory vortex 8 zapewnią lepszą cyrkulację powietrza wokół łopatek 2 zwiększając wydajność turbiny wiatrowej.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Łopata turbiny wiatrowej zawierająca powłokę ochronną na krawędzi natarcia, znamienna tym, że powłokę ochronną (1) stanowi warstwa materiału elastomerowego (3) pokrytego warstwą poliuretanową (4), przy czym grubość warstwy materiału elastomerowego (3) zmniejsza się stopniowo w kierunku krawędzi spływu, ponadto część powłoki ochronnej (1) znajdująca się nad linią centralną wzdłużną krawędzi natarcia łopaty (2) posiada na całej swojej długości zintegrowany generator vortex (8), przy czym powłoka ochronna (1) jest nałożona asymetrycznie względem linii centralnej wzdłużnej krawędzi natarcia tak, że większa jej część znajduje się na powierzchni łopaty (2) znajdującej się nad krawędzią natarcia, przy czym powłoka ochronna (1) połączona jest z powierzchnią łopaty (2) za pomocą warstwy spoiwa (5), zaś na krawędziach powłoki ochronnej (1) znajduje się uszczelnienie wypełniające (7).
2. 2. Łopata, według zastrz. 1, znamienna tym, że warstwę materiału elastomerowego (3) stanowi kauczuk butadienowo-styrenowy (SBR) lub kauczuk akrylo-nitrylowy (NBR) lub kauczuk chloroprenowy (CR) lub kauczuk etylenowo-propylenowy (EPDM) lub kauczuk naturalny (NR).
3. 3. Łopata, według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że warstwa materiału elastomerowego (3) jest jedno lub dwustronnie moletowana.
4. 4. Łopata, według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienna tym, że generator vortex (8) wykonany jest z materiału elastomerowego pokrytego warstwą poliuretanową (4) lub z tworzywa sztucznego pokrytego warstwą poliuretanową (4).
5. 5. Łopata, według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do 4, znamienna tym, że warstwę poliuretanową (4) stanowi warstwa lakieru poliuretanowego lub farby poliuretanowej utwardzanych światłem UV.
6. 6. Łopata, według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do 5, znamienna tym, że szerokość powłoki ochronnej (1) jest zmienna na długości łopaty (2).
7. 7. Łopata, według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do 6, znamienna tym, że powłoka ochronna (1) odsunięta jest o stałą co najmniej 50 mm od krawędzi spływu.
8. 8. Łopata, według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do 7, znamienna tym, że uszczelnienie wypełniające (7) stanowi silikonowy lub epoksydowy żelkot techniczny.
9. 9. Łopata według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do 8, znamienna tym, że warstwę spoiwa (5) stanowi klej lub taśma dwustronnie pokryta spoiwem.