DE102008044530A1

DE102008044530A1 - Gießformen für Windkraftanlagen-Rotorflügel

Info

Publication number: DE102008044530A1
Application number: DE102008044530A
Authority: DE
Inventors: Jamie T. Livingston
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2009-04-09
Also published as: CN101396852A; US20090084932A1; DK200801308A

Abstract

Eine Gießform (20) für einen Windkraftanlagen-Rotorflügel (10) weist mehrere voneinander beabstandete Formträger (22), wobei jeder Formträger (22) eine im Wesentlichen einer Form des Rotorflügels (10) entsprechende Randkonfiguration (26) aufweist, und einen von den Rändern (26) der Formträger (22) gestützten, biegsamen Rahmen (30) zum Formen einer Außenoberfläche des Rotorflügels (10) auf.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet
Die hier beschriebene Thematik betrifft allgemein fließfähige Reaktionsflächen und insbesondere Gießformen sowie Verfahren zum Herstellen von Gießformen zur Fertigung von Windkraftanlagen-Rotorflügeln.
2. Stand der Technik
Eine Windkraftanlage ist eine Maschine zum Umwandeln der in Wind enthaltenen kinetischen Energie in mechanische Energie. Wird diese mechanische Energie direkt von einer Maschinerie genutzt, um zum Beispiel Wasser zu pumpen oder Korn zu mahlen, kann die Windkraftanlage als Windmühle bezeichnet werden. Wird die mechanische Energie weiter in elektrische Energie umgewandelt, kann die Windkraftanlage entsprechend als Windgenerator oder Windkraftwerk bezeichnet werden.
Bei Windkraftanlagen kommen eine oder mehr Schaufeln in Form eines „Rotorflügels" zum Einsatz, um Auftrieb zu erzeugen und den Impuls strömender Luft aufzunehmen, der dann auf einen Rotor übertragen wird. Jeder Rotorflügel ist in der Regel an seinem "Fuß"-Ende gesichert und „erstreckt" sich dann radial nach „außen" zu einem freien „Spitzen"-Ende. Die vordere Kante oder „Anströmkante" des Rotorflügels verbindet die vordersten Punkte des Rotorflügels, die zuerst mit der Luft in Berührung kommen. Die hintere Kante oder „Abströmkante" des Rotorflügels befindet sich dort, wo der von der Anströmkante geteilte Luft strom nach dem Überströmen der saug- und druckseitigen Flächen des Rotorflügels wieder zusammengeführt wird. Eine "Sehnenlinie" verbindet die Anström- und die Abströmkante des Rotorflügels in Richtung des typischen Luftstroms über den Rotorflügel.
Windkraftanlagen werden in der Regel nach der vertikalen oder horizontalen Achse kategorisiert, um die sich die Rotorflügel drehen. Ein so genannter Horizontalachsen-Windgenerator ist in 1 schematisch dargestellt. Diese besondere Konfiguration für eine Windkraftanlage 2 enthält einen Turm 4, der einen Antriebsstrang 6 mit einem Rotor 8 trägt, der von einem als „Gondel" bezeichneten Schutzgehäuse umgeben ist. Die Rotorflügel 10 sind an einem Ende des Rotors 8 außerhalb der Gondel angeordnet, um ein Getriebe 12 anzutreiben, das mit einem Generator 14 am anderen Ende des Antriebsstrangs 6 im Innern der Gondel verbunden ist.
Die Rotorflügel 10 für moderne Windgeneratoren können über 80 Meter lang sein. Zur Minimierung des Gewichts und zur Maximierung der Festigkeit werden die Rotorflügel 10 daher häufig als faserverstärkte Kunststoffschalen geformt, in denen ein Fasermaterial wie Glas-, Carbon- oder Aramidfasern zur Verstärkung einer Polymermatrix, wie z. B. warm aushärtendes Epoxid-, Vinylester- oder Polyesterkunstharz, verwendet wird. Die Faserkomponenten werden meist in einem Hand-Lay-Up-Verfahren in eine einseitige Gießform eingebracht, woraufhin Harz mithilfe von Handwalzen durch die einzelnen Fasermatten gepresst wird. Sobald das Glasgewebe mit Harz gesättigt ist, wird das überschüssige Harz mit Rakeln abgezogen, und das Teil darf aushärten. Varianten dieses Verfahrens schließen das durch die Verwendung von „vorimprägniertem" Material erfolgende separate Sättigen jeder einzelnen Fasermatte vor deren Einbringen in die Gießform und/oder die Verwendung von Applikatoren ein, die jede Schicht sättigen, bevor diese in die Gießform eingebracht wird. Allerdings steht für die Herstellung solcher Verbundwerkstoffe auch eine breite Vielfalt anderer Verfahren wie Formpressen, Vakuumformen, Pultrusions-, Wickel- und Harzinjektionsverfahren zur Verfügung.
Der Hauptvorteil des Hand-Lay-Up-Verfahrens ist seine Eignung für die Fertigung sehr großer, komplexer Teile mit relativ einfacher Ausrüstung und relativ einfachen Werkzeugen, die gegenüber anderen Fertigungsoptionen relativ kostengünstig sind. Nichtsdestotrotz ist für diese großen, komplexen Teile eine große und komplexe Gießform erforderlich, deren Anfertigung insbesondere für die Herstellung von Prototypkomponenten schwierig und kostspielig sein kann, bei der die Kosten für die Gießform nicht auf eine große Anzahl hergestellter Komponenten verteilt werden kann. Selbst bei anderen, kapitalintensiveren Fertigungsverfahren für Windkraftanlagen-Rotorflügel stellen die Kosten für die Anfertigung der Gießform einen beträchtlichen prozentualen Anteil der Gesamtkosten für die Fertigung der Rotorflügel dar.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Diese und andere Aspekte solcher konventionellen Ansätze werden hier behandelt, indem in verschiedenen Ausführungsformen eine Gießform für einen Windkraftanlagen-Rotorflügel bereitgestellt wird, die mehrere voneinander beabstandete Formträger mit jeweils einer im Wesentlichen einer Form des Rotorflügels entsprechenden Randkonfiguration und einen von den Rändern der Formträger gestützten, biegsamen Rahmen zum Formen einer Außenoberfläche des Rotorflügels aufweist. Außerdem wird ein Verfahren zum Anfertigen einer Gießform für einen Windkraftanlagen-Rotorflügel bereitgestellt, das folgende Schritte umfasst: Konfigurieren eines Streckmetallrahmens, damit dieser im Wesentlichen einer Form des Rotorflügels entspricht, und/oder Auftragen einer Beschichtung auf den Rahmen und/oder Bearbeiten der Beschichtung, damit diese im Wesentlichen einer Form einer Außenoberfläche des Rotorflügels entspricht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Aspekte dieser technologischen Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren („FIGS") beschrieben, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, aber mit den gleichen Bezugszeichen entsprechende Teile in der Gesamtheit der einzelnen Ansichten bezeichnen.
1 ist eine schematische Seitenansicht einer konventionellen Windkraftanlage.
2 ist eine schematische orthographische Teilansicht einer Gießform zum Fertigen eines Windkraftanlagen-Rotorflüels.
3 ist eine zerlegte Teilseitenansicht eines Verfahrens zum Anfertigen einer Gießform für einen Windkraftanlagen-Rotorflügel unter Verwendung der in 2 dargestellten Gießformkonfiguration.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
2 stellt schematisch einen Teil einer Gießform zum Fertigen eines gesamten oder eines Teils eines Windkraftanlagen-Rotorflügels 10 dar. Der Teil oder die Gesamtheit des Rotorflügels 10 kann zudem mithilfe verschiedener Verfahren geformt werden, die z. B. in den gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldungen beschrieben sind, die am 26. Januar 2007 mit der Seriennummer 11/627,490 unter dem Titel „Preform Spar Cap for a Wind Turbine Rotor Blade" bzw. am 19. Dezember 2005 mit der Seriennummer 11/311,053 unter dem Titel „A Modularly Constructed Rotorblade And Method For Construction" eingereicht wurden.
Die Gießform 20 weist mehrere auf einer Tragestruktur 24 angeordnete Formträger 22 auf. Die Tragestruktur 24 trägt dazu bei, die Formträger 22 im geeigneten Abstand und in der geeigneten Höhe zueinander anzuordnen. Beispielsweise kann es sich bei den Formträgern 22 um 0,1 Zoll starke Platten aus Metall und/oder Verbundwerkstoffen handeln, die im Abstand von etwa zwanzig bis dreißig Zoll voneinander angeordnet sind. Es kann jedoch eine breite Vielfalt anderer Materialien und/oder Abmessungen verwendet werden, u. a. auch Sperrholz und/oder glasfaserverstärkter Kunststoff. Beispielsweise können die Formträger 22 eine erheblich größere Stärke aufweisen und/oder eng nebeneinander angeordnet sein. Obwohl die Formträger 22 in diesen veranschaulichenden Beispielen so dargestellt sind, dass sie von einer gerüstartigen Tragestruktur 24 getragen werden, können gleichermaßen auch andere Tragestrukturen und/oder Beabstandungsmechanismen verwendet werden, die auch das einfache Stellen der Formträger 20 auf den Boden einschließen.
3 stellt eine zerlegte Seitenansicht eines der Formträger 22 und vertikaler Bereiche der Tragestruktur 24 dar, anhand der verschiedene Ausführungsformen eines Verfahrens zum Anfertigen der Gießform 20 für einen Windkraftanlagen-Rotorflügel beschrieben werden. Wie bei 2 ist zu berücksichtigen, dass die verschiedenen hier beschriebenen Schritte insofern keinen einschränkenden Charakter haben, als sie auch mit anderen hier nicht erörterten Schritten kombiniert, auch mit anderen hier nicht beschriebenen Einrichtungen ausgeführt und/oder in anderer Reihenfolge als in den hier dargestellten und erörterten Ausführungsformen, d. h. auch zeitgleich, ausgeführt werden können.
Wie in 3 am besten dargestellt ist, weist der Rand 26 jedes der Formträger 22 eine Konfiguration auf, die im Wesentlichen der beabsichtigten Form der Außenoberfläche des Windkraftanlagen-Rotorflügels 10 entspricht. Insbesondere der gekrümmte Bereich des Rands 26 der dargestellten Formträger 22 entspricht einem in Sehnenrichtung verlaufenden Bereich der Außenoberfläche des Rotorflügels 10. Es ist jedoch auch möglich, dass ein beliebiger oder alle Formträger 22 in einem Winkel zur Sehne des Rotorflügels angeordnet sind, d. h., dass sie sich auch längs in Richtung der Spannweite des Rotorflügels erstrecken können. Gleichermaßen müssen die Formträger 22 nicht im Wesentlichen senkrecht zur Spannweite des Rotorflügels 10 und/oder zum Boden angeordnet sein. Infolgedessen kann jeder der Ränder 26 der Formträger 22 eine geringfügig andere Form aufweisen, die einem Gegenstück zu der Außenoberflächentopographie des Rotorflügels 10 an verschiedenen Positionen entlang des Rotorflügels 10 entspricht. Um die Ränder 26 mit präzisen Formen zu versehen, kann jeder der Formträger 22 mit einer numerisch gesteuerten Säge oder einem anderen Schneidwerkzeug so zugeschnitten werden, dass eine Form erzeugt wird, die der gewünschten Außenoberfläche des Rotorflügels 10 so weit wie möglich entspricht.
Sobald die Formträger 22 zugeschnitten und mit geeigneter Beabstandung und Ausrichtung positioniert sind, wird ein biegsamer Rahmen 30 über und zwischen den einzelnen Formträgern 22 platziert. Beispielsweise kann der biegsame Rahmen 30 aus einer typischerweise für Unterkonstruktionen verwendeten Streckmetallplatte geformt werden und typischerweise für Umzäunungen verwendeten Maschendraht und/oder eine Kunststofffolie aufweisen. Die Steifigkeit und die entsprechende Stärke der Platte, des Drahts, der Folie und/oder des anderen Materials für den Rahmen 30 werden vorzugsweise so gewählt, dass sich dieser relativ leicht an die Form der Ränder 26 der Formträger 22 anpassen lässt und gleichzeitig die ungefähre Krümmung der Ränder 26 zwischen den Formträgern 32 beibehält. Die Verwendung zusätzlicher Formträger 32, die näher zueinander angeordnet sind, erlaubt die Verwendung eines biegsameren Materials, dessen Form sich leichter an die Ränder 24 der Formträger 22 anpassen lässt. Umgekehrt machen weniger, weiter voneinander beabstandete Formträger 20 ein stärkeres, weniger biegsames Material für den Rahmen 30 erforderlich, damit die Gießform besser zwischen den längeren Spannweiten, die die Formträger 22 voneinander trennen, gestützt wird. In beiden Fällen ermöglicht die Verwendung eines mehr oder weniger biegsamen Materials, dass der Rahmen 30 mit einer Form konfiguriert werden kann, die einer Außenoberfläche des Rotorflügels 10 entspricht, wobei die Ränder 26 der Formträger 22 an jeder der Formträgerpositionen entlang der Spannweite des Rotorflügels als Schablone verwendet werden.
Wenn der biegsame Rahmen 30 mit geeigneten Toleranzen hinsichtlich der beabsichtigten Abmessungen des Rotorflügels 10 konfiguriert werden kann, dann kann jedes zum Formen des Rotorflügels verwendete Material, wie z. B. faserverstärktes Kunstharz, direkt auf den Rahmen aufgebracht werden. Es kann jedoch schwierig sein, solche Materialien unter Beibehaltung der Form des Rahmens 30 aufzubringen und den ausgehärteten Rotorflügel 10 aus dem Rahmen herauszuholen. Darüber hinaus hat das Belassen des Rahmens 30 in der Formmaske des Rotorflügels 10 eine Gewichtszunahme und möglicherweise Oberflächenverformungen an dem Rotorflügel zur Folge. Infolgedessen können auf einer den Formträgern 22 gegenüberliegenden Seite des Rahmens 30 eine oder mehr Beschichtungen aufgetragen werden.
In der dargestellten Ausführungsform wird eine erste Beschichtungslage 32 auf dem Rahmen aufgetragen, und eine optionale zweite Beschichtungslage 34 wird über der Beschichtung mit geringer Dichte aufgetragen. Beispielsweise kann die erste Beschichtung 32 u. a. aus hartem, halbhartem und/oder flexibler Sprühschaum, wie z. B. Polyurethanschaum und/oder äquivalentem Polyisocyanuratschaum, bestehen. Die wegen ihrer geringen Dichte alle Öffnungen im Rahmen 30 füllenden expandierenden Materialien der ersten Beschichtung sorgen für eine verbesserte strukturelle Steifigkeit bei geringer Gewichtszunahme und sind relativ leicht zu bearbeiten.
Sobald die erste Beschichtungslage 32 aufgebracht und ausgehärtet ist, kann die Oberfläche der Lage 32 geschnitten, geschliffen und/oder auf sonstige Weise in eine Form gebracht werden, die eher der beabsichtigten äußeren Form des Rotorflügels 10 entspricht. Die Lage 32 kann insbesondere mit computergesteuerten Einrichtungen bearbeitet werden, damit eine exakte Form erzielt wird.
Da die erste Beschichtungslage 32 und/oder andere Materialien mit ähnlich geeigneten Eigenschaften relativ fragil sein kann, kann die zweite Beschichtung 34 aus einem Material mit höherer Dichte, z. B. aus gefüllten oder ungefüllten Kunstharzen wie Polyesterharz, Vinylesterharz, Epoxidharz und Epoxid-Hybridharz wie die bei Durall Plastics erhältlichen DURATEC^TM-Füllstoffbeschichtungen als Schutzüberzug aufgebracht werden. Die optionale zweite Beschichtungslage 34 verbessert nicht nur die Haltbarkeit der Gießform 20, sondern sorgt auch für eine glatte Oberfläche zum Formen des Rotorflügels 10. Eine Vielzahl anderer Materialien kann jedoch ebenfalls für die erste und die zweite Beschichtungslage 32 und 34 verwendet werden. Die zweite Beschichtungslage 34 kann auch poliert, gewachst und/oder geschliffen werden, um die Oberfläche des mit der Gießform 20 zu formenden Rotorflügels 10 weiter zu verbessern.
Eine optionale Deckschicht 36 kann zwischen der ersten Beschichtungslage 32 und der zweiten Beschichtungslage 34 aufgetragen werden, um der Gießform 20 zusätzliche strukturelle Stabilität zu verleihen. Beispielsweise kann die Deckschicht 36 aus einem Verbundwerkstoff, wie z. B. aus einem polymeren Verbundwerkstoff wie faserverstärktem Kunststoff einschließlich glasfaserverstärktem Kunststoff, gebildet werden. Die aufgebrachte Deckschicht 36 kann ebenfalls manuell geformt, direkt bearbeitet und/oder mit computergesteuerten Einrichtungen bearbeitet werden, damit eine exakte Form der Gießform 20 erzielt wird.
Die oben beschriebene Technologie bietet verschiedene Vorteile gegenüber der konventionellen Technologie. Das Ausbilden eines beträchtlichen Teils der Gießform 20 mithilfe des biegsamen Rahmens 30 verringert die Kosten, das Gewicht und die Einrichtungszeit, die mit der Erzeugung der Gießform verbunden sind. Infolgedessen ist die Gießform besonders nützlich bei der Herstellung von Prototypteilen in kleiner Anzahl. Außerdem sind die Formträger 24 im Vergleich zu einer konventionellen Gießform relativ klein, leicht sowie einfach zu transportieren und zu lagern. Daher lässt sich die Gießform 20 relativ leicht an einem fernen Konstruktionsstandort einrichten und verwenden, um die mit dem Transport großer Komponenten von Windkraftanlagen-Rotorflügeln verbundenen Probleme zu minimieren.
Es ist hervorzuheben, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen und insbesondere alle „bevorzugten" Ausführungsformen lediglich Beispiele für verschiedene Implementierungen sind, die hier dargelegt wurden, um ein klares Verständnis verschiedener Aspekte dieser Technologie zu vermitteln. Es ist möglich, viele dieser Ausführungsformen zu ändern, ohne erheblich vom Geltungsbereich des Schutzes abzuweichen, der allein durch die ordnungsgemäße Auslegung der folgenden Ansprüche definiert wird.
Eine Gießform 20 für einen Windkraftanlagen-Rotorflügel 10 weist mehrere voneinander beabstandete Formträger 22, wobei jeder Formträger 22 eine im Wesentlichen einer Form des Rotorflügels 10 entsprechende Randkonfiguration 26 aufweist, und einen von den Rändern 26 der Formträger 22 gestützten, biegsamen Rahmen 30 zum Formen einer Außenoberfläche des Rotorflügels 10 auf.

2: Windkraftanlage
4: Turm
6: Antriebsstrang
8: Rotor
10: Rotorflügel
12: Getriebe
14: Generator
20: Gießform
22: Formträger
24: Tragestruktur
26: Formträgerrand
30: Biegsamer Rahmen
32: erste Beschichtungslage
34: zweite Beschichtungslage
36: Deckschicht

Claims

Gießform (20) für einen Windkraftanlagen-Rotorflügel (10), die Folgendes umfasst: mehrere voneinander beabstandete Formträger (22), wobei jeder Formträger (22) eine Randkonfiguration (26) aufweist, die im Wesentlichen einer Form des Rotorflügels (10) entspricht; und einen von den Rändern der Formträger (22) getragenen biegsamen Rahmen (30) zum Formen einer Außenoberfläche des Rotorflügels (10).
Gießform nach Anspruch 1, wobei der biegsame Rahmen (30) aus Streckmetall besteht.
Gießform nach Anspruch 2, die ferner wenigstens eine Beschichtung (32, 34) umfasst, die auf einer Seite des Rahmens aufgetragen wird, die den Formträgern gegenüberliegt.
Gießform nach Anspruch 3, wobei die wenigstens eine Beschichtung Folgendes umfasst: eine auf dem Rahmen aufgetragene Beschichtung (32) mit geringer Dichte; und eine über der Beschichtung mit geringer Dichte aufgetragene Beschichtung (34) mit hoher Dichte.
Gießform nach Anspruch 4, wobei die Beschichtung (32) mit geringer Dichte einen harten Sprühschaum umfasst.
Gießform nach Anspruch 4, wobei die Beschichtung (34) mit hoher Dichte ein Polyesterharz umfasst.
Gießform nach Anspruch 6, wobei die Beschichtung (34) mit hoher Dichte ein aus der Gruppe der Polyester-, Vinylester- und Epoxidharze sowie deren Hybriden ausgewähltes Kunstharz umfasst.
Gießform nach Anspruch 7, die ferner eine Deckschicht (36) aus einem polymeren Verbundwerkstoff umfasst, die zwischen der Beschichtung (34) mit hoher Dichte und der Beschichtung (32) mit geringer Dichte aufgetragen wird.
Gießform nach Anspruch 1, wobei die Formträger (22) in Sehnenrichtung relativ zu dem Rotorflügel (10) angeordnet sind.
Gießform nach Anspruch 9, wobei der biegsame Rahmen (30) aus Streckmetall besteht.