NL8000262A - Doorn voor windturbineblad en werwijze voor de vervaardiging ervan. - Google Patents

Description

- 1 - * φ t

Doorn voor windturbineblad en werkwijze voor de vervaardiging ervan.

De uitvinding heeft betrekking op windturbinebladen en meer in het bijzonder op de vervaardiging van een eenvoudige, stijve, lichtgewicht filament-versterkte doorn met een niet-uniforme wanddikte voor de ligger van een 5 windturbineblad.

Onder de druk bij het zoeken naar nieuwe vormen van energiebronnen, is de windturbine een attractief voorstel gebleken. In het algemeen omvat een windturbine een samenstel van rotorbladen, een naaf, een spoed-instelmechanisme, 10 een tandwielkast, een toren, een generator en eventuele elektrische inrichtingen, in het totaal geschikt voor het onttrekken van energie aan atmosferische luchtverplaatsingen en om deze om te zetten in elektrische of andere bruikbare vormen van energie.

15 Een grote windturbine met een vermogen van 100 kW en meer is gekenmerkt door zijn bijzonder lange rotorbladen, die aan grote buigings- en torsiebelastingen zijn onderworpen. De lengte van de bladen kan daarbij van 15 tot 30 meter en meer bedragen. De rotorbladen worden bij voorkeur 20 vervaardigd in de vorm van ligger met mantel, waarbij de ligger wordt vervaardigd door het wikkelen van filamenten op een doorn, zoals bijv. uiteengezet in het Amerikaanse octrooischrift 4.081.220. Hoewel de constructie van de ligger-doorn in dit octrooischrift niet in detail is beschre-25 ven, bestaat deze uit een centrale, de belasting dragende, constructie in de vorm van een stalen dooselement, waarop een serie afzonderlijk verwijderbare secties zijn aangebracht, bestaande uit vormstukken, ribben en een plaatmetalen huid, die met behulp van wiggen, pennen of dergelijke op hun 30 plaats worden vastgehouden op de centrale kokerbalk.

Om de verwijdering van de doorn mogelijk te maken loopt de ligger aanmerkelijk taps vanaf het voeteinde naar het topeinde en daar het samenstel van vormstuk/ribben/huid gedragen wordt door het buitenoppervlak van de centrale 35 kokerbalk is het draagvermogen bij de top van de doorn zeer gering. De beperking van de dikte van de top van de doorn 80 0 0 2 - 2 - t vereist dat deze primair wordt ondersteund als een vrij-dragende balk zodanig dat slechts een zeer gering deel van het gewicht (tot maximaal ongeveer 3 %) gedragen wordt door een vast deel bij de top. Dit type van doornconstructie 5 is bijzonder zwaar (in de orde van 20 ton voor een platligger met een lengte van 30,5 m) en oefent een aanmerkelijk moment uit op de kop van de machine waardoor de doorn wordt ondersteund en verdraaid tijdens het wikkelen, waardoor hoge eisen worden gesteld aan de constructie van legers 10 en fundatie.

Buiten het grote gewicht zal een doorn, die in verschillende secties is vervaardigd zoals hiervoor beschreven, steeds verplaatsingen vertonen bij de verbindingen tussen de secties ten gevolge van doorbuigingen van de constructie 15 tijdens het draaien van de doorn. Deze verplaatsingen veroorzaken een grote slijtage van de secties van de doorn en resulteren eveneens in het stukgaan van het samengestelde materiaal wanneer dit is aangebracht en uitgehard.

Het doel van de uitvinding is nu bovengenoemde bezwaren 20 op te heffen en een uit één stuk bestaande, holle, vezel-versterkte doorn voor gebruik bij de vervaardiging van een ligger van een windturbineblad te verschaffen, welke doorn een hoge sterkte-gewichtsverhouding bezit en de vorm heeft van een stijve vrijdragende constructie, die bijzonder 25 eenvoudig te fabriceren is.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op de vervaardiging van een uit één stuk bestaande doorn voor de ligger van een windturbineblad, welke doorn vanaf de voet naar de top taps toeloopt en bestaat uit een holle, vrij-30 dragende constructie van gebonden binnenste en buitenste vezelversterkte lagen en montagemiddelen, aangebracht op de einden van de constructie voor het draaibaar daarvan aanbrengen in een blad-fabricagemechanisme, welke doorn in staat is om bij zijn top tot aan 10 % te dragen van het 35 totaal van zijn eigen gewicht en het gewicht van het erop te fabriceren blad, en welke doorn voldoende stijf is om minder dan één procent uit te buigen tijdens de fabricage van het blad. Volgens een uitvoeringsvorm kan de wand van de doorn zijn voorzien van een aantal perforaties, ter 40 vergemakkelijking van de verwijdering van de erop gefabri- 800 ΰ 2 62 - 3 - ceerde bladligger, door het door de opëningen voeren van perslucht.

De uitvinding heeft verder betrekking op een werkwijze voor de vervaardiging van de doorn, welke werkwijze de 5 fasen omvat van de vervaardiging van longitudinale halve secties, het met elkaar verbinden van de secties voor het vormen van een binnenmantel van de doorn, het vormen van een buitenmantel van de doorn door het aanbrengen van vezel-versterkte epoxyhars op het buitenoppervlak van de binnen-10 mantel en het vastzetten van montagemiddelen aan tegenover liggende einden van de binnen- en buitenmantels, om de doorn geschikt te maken voor draaibare montage op het blad-fabricagewikkelmechanisme.

De uitvinding wordt nu nader toegelicht aan de hand 15 van een uitvoeringsvoorbeeld, weergegeven in de tekening, waarin: fig. 1 een perspectivisch aanzicht toont van de twee helften van de vorm van de doorn; fig. 2 een perspectivisch aanzicht toont van de 20 helften van de‘binnenmantel van de doorn; fig. 3 een perspectivisch aanzicht toont van het samenstel van de binnenste mantelhelften; fig. 4 een perspectivisch aanzicht toont van het wikkelen van de buitenste laag op de binnenmantel; 25 fig. 5 een perspectivisch aanzicht toont van het gereedgemaakte doorn-samenstel; en .

fig. 6 een dwarsdoorsnede toont over de voet van het doorn-samenstel, gemonteerd op het wikkelmechanisme.

In fig. 1 van de tekening is een paar vormen 10 en 12 30 getoond, die de in lengterichting doorgesneden helften zijn en elk een langgerekte, taps toelopende halfcilindrische vorm bezitten. De binnenoppervlakken van de vorm bezitten uiteraard de gewenste uitwendige afmeting en de vorm van de er in te vervaardigen mantelhelften van de inwendige 35 doorn. Een paar inwendige mantelhelften 14 en 16 van de doorn zijn weergegeven in fig. 2 en worden vervaardigd door het aanbrengen van platen vezelversterkt matrix-materiaal op de vormen 10 en 12.

Het vezelversterkte matrixmateriaal kan gekozen worden 40 uit een aantal verschillende combinaties van vezels en 800 0 2 62 - - * - 4 - matrixmateriaal, maar zal bij voorkeur bestaan uit geweven of fijngemaakte glasvezel zoals S-glas met grote sterkte en een hoge modulus, E-glas of dergelijke in een epoxyhars, zodanig dat de versterking zowel tot stand wordt gebracht 5 in de langs- als de dwarsrichting van de doorn van de ligger. Ook andere vezelmaterialen zijn geschikt zoals Kevlar, borium of grafiet. Voor het verkrijgen van een structurele ondersteuning van de mantelhelften 14 en 16 kunnen een aantal lichtgewichtribben 18 zijn aangebracht, 10 bijv. vervaardigd uit kunststofschuim en de mantelhelften worden dan samengesteld en met elkaar verbonden voor het verkrijgen van de binnenmantel 20 als weergegeven in fig. 3. Verbindingsstukken 22 en 24 zijn vast verbonden met resp. de voet en het topeinde van de mantel 20, ‘zodat de mantel 15 20 gemonteerd kan worden in het wikkelmechanisme voor het opvolgende gebruik ervan.

Zoals blijkt uit fig. 4 wordt de mantel 20 draaibaar om zijn lengteas gemonteerd op een, op de vloer gemonteerd, mechanisme zoals de kop 26 en de losse kop 28.

20 Nabij de mantel 20 bevindt zich een vezelaanbreng- inrichting 30, die evenwijdig verplaatsbaar is met de langsas van de mantel 20. Hoewel dit niet is weergegeven zal de aanbrenginrichting bij voorkeur een aantal vezel-bronnen omvatten, een spaninrichting en een harsaanbreng-25 inrichting en wikkelkopmiddelen. Wanneer de mantel 20 wordt verdraaid zal de aanbrenginrichting 30 zich vanaf de voet verplaatsen naar de top van het blad voor het verschaffen van vezelversterkte harslagen, verkregen door elkaar overlappende schroeflijnvormige wikkelingen.

30 Een voorkeursvezel voor deze bewerking is dezelfde als die gebruikt voor de binnenmantel 20, dat wil zeggen een glasvezel met een aanmerkelijke modulus, zoals S-glas of E-glas, of een filament vervaardigd uit borium, grafiet, Kevlar of dergelijke. Elk filament is met hars bekleed 35 voor het vormen van een stevige buitenste laag van materiaal, welke laag de binnenmantel 20 van de doorn omringt. De gewikkelde filamenten worden bij voorkeur vooraf bekleed in de aanbrenginrichting 30 en in het algemeen gebruikt in de vorm van voorspinsels van verschillende filamenten, die 40 tezamen worden gehouden door de bekledingshars.

80 0 0 2 62 ·% - 5 -

Bij het bewikkelen van de doorn worden de verschillende lagen van de filamenten onder bepaalde hoeken ten opzichte van de hartlijn van de doorn aangebracht en op elkaar voor het verkrijgen van de maximale buig- en torsiesterkte.

5 Zo worden bijv. opeenvolgende lagen onder een hoek van 30° aangebracht ten opzichte van de hartlijn van de doorn, welke hoek in de meeste gevallen het gunstigste is. De filamenten worden op de binnenmantel gewikkeld in een schroeflijnvorm totdat de binnenmantel volledig is bedekt met het gewenste 10 aantal lagen van filamenten met de noodzakelijke sterkte.

De doorn zal in het bijzonder een niet-uniforme wanddikte bezitten, welke wanddikte afneemt vanaf de voet naar de top. Zoals de deskundige duidelijk zal zijn kan dit worden verkregen door een groter aantal lagen filamenten aan te 15 brengen nabij de voet of door het inbrengen van lagen stof of andere vulmiddelen of door het gebruik van tapse voor-spinsels.

Zoals weergegeven in de fig. 5 en 6 kan, nadat het wikkelen van de mantel 20 is voltooid, een eindverbindings-20 stuk 32 worden aangebracht, bestaande uit een stalen naaf met de asstomp 34 en uit binnen- en buitenringen 36 resp. 38, die vastgezet kunnen worden op het voeteinde, terwijl een identiek of soortgelijk verbindingsstuk 40 vastgezet kan worden aan het topeinde. De funktie van de samenstellen 25 32 en 40 is het verschaffen van een deugdelijke verbinding met de wikkelmachine.

Zoals eveneens blijkt uit fig. 5 kan de doorn worden voorzien van een aantal openingen 42, om het gebruik van perslucht mogelijk te maken binnen de holle doorn om de 30 doorn van de ligger te scheiden nadat de ligger er op is gewikkeld.

Het zal duidelijk zijn dat de ligger-doorn uit het samengestelde materiaal de volgende voordelen bezit: a) een beter gebruik van het beschikbare volume 35 voor de vereiste constructie; b) geen verbindingen of harde punten in de doorn waardoor slijtage of stukgaan van de laminaten zal worden veroorzaakt; · c) een gereduceerd gewicht en een vergrote stijfheid 40 gepaard gaande met het aanbrengen van het constructiemateriaal 80 0 0 2 62 - 6 - % op het buitenoppervlak van de doorn, wat resulteert in een minimale doorbuiging van de doorn tijdens het wikkelen van de ligger en de mantel van het blad; d) een vermindering van de afmetingen en de kosten 5 van de wikkelmachine ten gevolge van een minimaal buig- moment op de wikkelmachine; e) lage basiskosten van de doorn; f) gemakkelijke duplicering; g) geringere hanteringstijd daar geen demontage en 10 montage van de doorn meer vereist zijn; h) een langere levensduur van de doorn.

Het zal duidelijk zijn dat in het bovenstaande slechts mogelijkheden zijn aangegeven en dat door de deskundige vele wijzigingen kunnen worden aangebracht 15 zonder buiten de uitvindingsgedachte te vallen. De uitvinding kan bijv. ook worden toegepast voor het vervaardigen van andere lange tapse constructies overeenkomstig die van een windturbineligger of blad zoals voor scheepsmasten, lichtmasten of dergelijke, waarbij geringe doorbuigingen 20 "en een geringe ondersteuning van de top tijdens de fabricage vereist zijn.

- conclusies - 80 0 0 2 62

Claims (8)

1. Holle vrijdragende doorn voor gebruik bij de vervaardiging van een grote ligger voor een windturbineblad op een wikkelmechanisme, gekenmerkt door een binnenste buisvormige mantel uit een vezelversterkte 5 harsmatrix met een voet en een topeinde, welke binnenste mantel in diameter taps toeneemt vanaf de voet naar het topeinde; een buitenste mantel uit vezelversterkte harsmatrix die gebonden is met het buitenoppervlak van de binnenste mantel, welke binnenste en buitenste mantel de wand van een 10 doorn vormen met een niet-uniforme dikte; en verbindingsstukken aan de voet en aan het topeinde geschikt voor draaibare montage van de doorn op de wikkelmachine.

2. Doorn volgens conclusie 1, m e t het ken merk, dat de binnenste mantel bestaat uit een eerste 15 en een tweede tapse half-cilindrische Vorm uit een vezelversterkte harsmatrix, welke halve cilinders met elkaar zijn verbonden.

3. Doorn volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de wand in dikte afneemt vanaf de 20 voet naar het topeinde toe.

4. Doorn volgens conclusie 3,met het ke n- m e r k, dat de verbindingsstukken van de voet bestaan uit een paar concentrische ringen, die vastgeklemd zijn op het voeteinde van de wand.

5. Doorn volgens conclusie 4, m e t h e t k e n- m e r k, dat de wand is voorzien van een aantal perforaties.

6. Werkwijze voor de vervaardiging van een holle vrijdragende doorn voor gebruik bij de vervaardiging van liggers voor een windturbineblad op een wikkelmechanisme, 30 gekenmerkt d o o r de volgende fasen: het opleggen van een vezelversterkt harsmatrix-materiaal voor het vormen van het spiegelbeeld van holle, 80 0 0 2 62 V ' - 8-- halfcilindrische vormen, waarvan de diameter in lengterichting afneemt; het met elkaar verbinden van de halve cilinders voor het vormen van een holle, tapse cilindrische binnenste 5 mantel; het aanbrengen van een vezelversterkt harsmatrix-materiaal op het buitenoppervlak van de binnenste mantel voor het vormen van een buitenste cilindrische mantel die integraal is verbonden met de binnenste mantel, welke 10 binnenste en buitenste mantels de wand van de doorn vormen welke wand niet-uniform van dikte is; en het vastzetten van verbindingsstukken aan de tegenover elkaar liggende einden van de binnenste en buitenste mantels om de doorn geschikt te maken voor 15 draaibare montage op het wikkelmechanisme.

7. Werkwijze volgens conclusie 6,met het kenmerk, dat de wand van de doorn in dikte afneemt over zijn lengte.

8. Doorn en werkwijze voor de vervaardiging daarvan 20 als beschreven en/of weergegeven in de tekening. 300 0 2 62