DE102011055478A1

DE102011055478A1 - Erosionsschutzbeschichtung für Windkraftanlagen-Rotorflügel

Info

Publication number: DE102011055478A1
Application number: DE102011055478A
Authority: DE
Inventors: Pedro Luis Benito Benito; Eugenio Yegro Segovia; Po Wen Cheng
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2012-05-24
Also published as: US20110142678A1; DK201170633A; CN102536630A

Abstract

Es wird eine Rotorflügel-Baugruppe (100) für eine Windkraftanlage (10) offenbart. Die Rotorflügel-Baugruppe (100) umfasst einen Rotorflügel (16) mit Oberflächen, durch die eine Druckseite (22), eine Saugseite (24), eine Anströmkante (26) und eine Abströmkante (28) definiert werden, die sich zwischen einer Rotorflügelspitze (32) und einem Rotorflügelfuß (34) erstrecken. Die Rotorflügel-Baugruppe (100) umfasst weiter eine auf einer Oberfläche des Rotorflügels (16) angebrachte Erosionsschutzbeschichtung (110). Die Erosionsschutzbeschichtung (110) umfasst eine Keramikschicht (112), wobei die Dicke (114) der Keramikschicht (112) weniger als circa 10 Millimeter beträgt. Die Keramikschicht (112) ist dafür eingerichtet, die Erosion des Rotorflügels (16) zu reduzieren.

Description

FACHGEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Windkraftanlagen-Rotorflügel und insbesondere auf Beschichtungen, die auf die Rotorflügel aufgebracht werden, um die Rotorflügel vor Erosion zu schützen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Windenergie wird als eine der saubersten und umweltfreundlichsten der gegenwärtig zur Verfügung stehenden Energiequellen angesehen, und das Interesse an Windkraftanlagen nimmt in diesem Zusammenhang zu. Eine moderne Windkraftanlage umfasst typischerweise einen Turm, einen Generator, ein Getriebe, ein Maschinenhaus und ein oder mehrere Rotorflügel. Die Rotorflügel erfassen mit Hilfe von Prinzipien, die von Rotorflügeln her bekannt sind, die kinetische Energie des Windes. Die Rotorflügel übertragen diese kinetische Energie in Form von Rotationsenergie, so dass eine Welle gedreht wird, die die Rotorflügel mit einem Getriebe, oder, wenn kein Getriebe verwendet wird, direkt mit dem Generator verbindet. Der Generator wandelt die mechanische Energie dann in elektrische Energie um, die in ein Stromversorgungsnetz eingespeist werden kann.
Beim Betrieb einer Windkraftanlage können die Rotorflügel vielen verschiedenen Umweltbedingungen ausgesetzt sein. In vielen Fällen – beispielsweise, wenn sich die Windkraftanlagen in Küsten- oder Wüstengebieten befinden – können die Rotorflügel Umweltbedingungen ausgesetzt sein, die abrasive Materialien einschließen, beispielsweise Sandpartikel und/oder Regentropfen. Die Wechselwirkung zwischen diesen abrasiven Materialien und den Rotorflügeln kann zu einer Erosion von Teilen der Rotorflügel führen. Insbesondere die Anströmkanten von Rotorflügeln können sehr anfällig gegen Erosion sein. Durch Erosion der verschiedenen Teile der Rotorflügel wird die maximale Drehzahl der Rotorflügel begrenzt, wodurch die Ausgangsleistung der Windkraftanlage eingeschränkt wird.
Eine Lösung nach dem Stand der Technik zur Reduzierung ähnlicher Erosionsprobleme beinhaltet die Verwendung einer dicken Keramikkappe, die an einem Rotorflügel angebracht wird. Die Dicke dieser Kappe nach dem Stand der Technik beträgt über 10 Millimeter und liegt bevorzugt im Bereich von 10 Millimetern bis 1000 Millimetern. Die Verwendung einer derartigen Kappe bringt allerdings verschiedene Nachteile mit sich, wenn die Kappe bei Rotorflügeln von Windkraftanlagen eingesetzt wird. Beispielsweise muss mit zunehmender Größe von Windkraftanlagen und Rotorflügeln auch die Kappe größer werden. Eine solche große, dicke Kappe wäre extrem schwer und würde die Beanspruchung der Rotorflügel erhöhen und ihre Geschwindigkeit begrenzen. Außerdem wären diese Kappen nach dem Stand der Technik aufgrund von Vibrationen beim kontinuierlichen Betrieb der der Windkraftanlage besonders anfällig für Rissbildung.
Eine verbesserte Erosionsschutzbeschichtung für Rotorflügel wäre daher wünschenswert. Vorteilhaft wäre beispielsweise eine relativ dünne und leichte Erosionsschutzbeschichtung. Wünschenswert wäre außerdem eine Erosionsschutzbeschichtung, die Komponenten zur Reduzierung der Übertragung von Spannung und Dehnung der Rotorflügel auf die Erosionsschutzbeschichtung enthält. Darüber hinaus wäre eine Erosionsschutzbeschichtung wünschenswert, die Komponenten enthält, die eine Verschmutzung der Rotorflügel während des Betriebs verhindern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung dargelegt; sie können auch aufgrund der Beschreibung offensichtlich sein oder sich bei der praktischen Anwendung der Erfindung herausstellen.
Bei einer Ausführungsform wird eine Rotorflügel-Baugruppe für eine Windkraftanlage offenbart. Die Rotorflügel-Baugruppe umfasst einen Rotorflügel mit Oberflächen, durch die eine Druckseite, eine Saugseite, eine Anströmkante und eine Abströmkante definiert werden, die sich zwischen einer Rotorflügelspitze und einem Rotorflügelfuß erstrecken. Die Rotorflügel-Baugruppe umfass weiter eine auf einer Oberfläche des Rotorflügels angebrachte Erosionsschutzbeschichtung. Die Erosionsschutzbeschichtung umfasst eine Keramikschicht, wobei die Dicke der Keramikschicht weniger als circa 10 Millimeter beträgt. Die Keramikschicht ist dafür eingerichtet, die Erosion des Rotorflügels zu reduzieren.
Bei einer anderen Ausführungsform wird eine Rotorflügel-Baugruppe für eine Windkraftanlage offenbart. Die Rotorflügel-Baugruppe umfasst einen Rotorflügel mit Oberflächen, durch die eine Druckseite, eine Saugseite, eine Anströmkante und eine Abströmkante definiert werden, die sich zwischen einer Rotorflügelspitze und einem Rotorflügelfuß erstrecken. Die Rotorflügel-Baugruppe umfasst weiter eine auf der Anströmkante des Rotorflügels angebrachte Erosionsschutzbeschichtung, die sich im Wesentlichen in Spannweitenrichtung entlang der im Wesentlichen gesamten Außenhälfte des Rotorflügels erstreckt. Die Erosionsschutzbeschichtung umfasst eine Keramikschicht. Die Keramikschicht ist dafür eingerichtet, die Erosion des Rotorflügels zu reduzieren.
Diese und andere Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen besser zu verstehen. Die begleitenden Zeichnungen, die in diese Beschreibung einbezogen sind und einen Teil von ihr darstellen, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen in Verbindung mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In der Beschreibung, die für Durchschnittsfachleute bestimmt ist, wird eine vollständige und ausführbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung dargelegt, eingeschlossen die bevorzugte (beste) Ausführungsform. Dabei wird auf die folgenden angefügten Zeichnungen Bezug genommen:
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Rotorflügel-Baugruppe gemäß der vorliegenden Offenbarung;
3 ist ein Schnitt einer Ausführungsform einer Rotorflügel-Baugruppe gemäß der vorliegenden Offenbarung;
4 ist ein Schnitt – entlang der Schnittlinie 4-4 aus 3 – einer Ausführungsform einer Erosionsschutzbeschichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
5 ist ein Schnitt einer anderen Ausführungsform einer Rotorflügel-Baugruppe gemäß der vorliegenden Offenbarung;
6 ist ein Schnitt – entlang der Schnittlinie 6-6 aus 5 – einer anderen Ausführungsform einer Erosionsschutzbeschichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
7 ist ein Schnitt einer anderen Ausführungsform einer Rotorflügel-Baugruppe gemäß der vorliegenden Offenbarung und
8 ist ein Schnitt – entlang der Schnittlinie 8-8 aus 7 – einer anderen Ausführungsform einer Erosionsschutzbeschichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird ausführlich Bezug auf Ausführungsformen der Erfindung genommen. Ein oder mehrere Beispiele dieser Ausführungsformen sind in den begleitenden Zeichnungen dargestellt. Jedes dieser Beispiele dient nur zur Erläuterung der Erfindung und soll die Erfindung nicht einschränken. Für Fachleute ist offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne vom Schutzumfang oder Sinn der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt sind oder beschrieben werden, in Verbindung mit einer weiteren Ausführungsform eine noch andere Ausführungsform ergeben. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung Änderungen und Variationen abdeckt, die im Schutzumfang der angefügten Ansprüche sowie deren Äquivalenten enthalten sind.
1 zeigt eine Windkraftanlage 10 in herkömmlicher Konstruktion. Die Windkraftanlage 10 umfasst einen Turm 12 mit einem darauf angebrachten Maschinenhaus 14. Mehrere Rotorflügel 16 sind an einer Rotornabe 18 befestigt, die wiederum mit einem Hauptflansch verbunden ist, der eine Hauptrotorwelle dreht. Die Energieerzeugungs- und Steuerungskomponenten der Windkraftanlage sind in dem Maschinenhaus 14 untergebracht. Die Ansicht aus 1 dient nur zur Veranschaulichung einer beispielhaften Nutzung. Es sollte beachtet werden, dass die Erfindung nicht auf eine bestimmte Art der Gestaltung der Windkraftanlage beschränkt ist.
2 zeigt einen Rotorflügel 16 gemäß der vorliegenden Offenbarung, der Oberflächen umfassen kann, durch die eine Druckseite 22 (siehe 3, 5 und 7) und eine Saugseite 24 definiert werden, die sich zwischen einer Anströmkante 26 und einer Abströmkante 28 erstrecken und von einer Rotorflügelspitze 32 zu einem Rotorflügelfuß 34 verlaufen können.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Rotorflügel 6 mehrere einzelne Flügelsegmente umfassen, die von einem Ende zum andern hin ausgerichtet sind – von der Rotorflügelspitze 32 bis zum Rotorflügelfuß 34. Jedes der einzelnen Flügelsegmente kann auf spezielle Weise gestaltet sein, so dass durch die Flügelsegmente ein vollständiger Rotorflügel 16 mit einem gestalteten aerodynamischen Profil, einer Länge und anderen gewünschten Eigenschaften definiert wird. Zum Beispiel kann jedes der Rotorflügelsegmente ein aerodynamisches Profil aufweisen, das dem aerodynamischen Profil benachbarter Rotorflügelsegmente entspricht. Auf diese Weise können die aerodynamischen Profile der Rotorflügelsegmente ein kontinuierliches aerodynamisches Profil des Rotorflügels 16 bilden. Alternativ kann der Rotorflügel 16 als singulärer, einheitlicher Rotorflügel mit dem gewünschten aerodynamischen Profil, der gewünschten Länge und anderen erwünschten Eigenschaften ausgebildet sein.
Bei beispielhaften Ausführungsformen kann der Rotorflügel 16 gekrümmt sein. Das Krümmen des Rotorflügels 16 kann das Biegen des Rotorflügels in Schlagrichtung und/oder Kantenrichtung beinhalten. Die Schlagrichtung kann allgemein als die Richtung (oder die entgegengesetzte Richtung) verstanden werden, in der der aerodynamische Auftrieb auf den Rotorflügel 16 wirkt. Die Kantenrichtung verläuft im Wesentlichen zur Schlagrichtung. Die Krümmung des Rotorflügels 16 in Schlagrichtung wird auch als „Vorbiegen” bezeichnet, während die Krümmung in Kantenrichtung auch als „Pfeilung” bekannt ist. Ein gekrümmter Rotorflügel 16 kann daher vorgebogen und/oder gepfeilt sein. Durch Krümmung kann der Rotorflügel 16 in Schlag- und in Kantenrichtung einwirkende Lasten beim Betrieb der Windkraftanlage 10 möglicherweise besser aufnehmen; außerdem kann so ein Abstand des Rotorflügels 16 vom Turm 12 beim Betrieb der Windkraftanlage 10 geschaffen werden.
Wie in 2 bis 8 gezeigt, kann die vorliegende Offenbarung weiter eine Rotorflügel-Baugruppe 100 betreffen. Die Rotorflügel-Baugruppe 100 umfasst den oben erörterten Rotorflügel 16. Die Rotorflügel-Baugruppe 100 umfasst weiter eine Erosionsschutzbeschichtung 110. Wie nachfolgend erörtert, kann die Erosionsschutzbeschichtung 110 verschiedene Schichten aus unterschiedlichen Materialien umfassen, die zur Reduzierung der Erosion des Rotorflügels 16 dienen und ansonsten den Rotorflügel 16 und die Erosionsschutzbeschichtung 110 schützen.
Die Erosionsschutzbeschichtung 110 kann auf einer Oberfläche des Rotorflügels 16 angebracht sein. Bei beispielhaften Ausführungsformen kann die Erosionsschutzbeschichtung 110 auf der Anströmkante 26 des Rotorflügels 16 angebracht sein. Weiter kann sich bei Ausführungsformen, bei denen die Erosionsschutzbeschichtung 110 auf der Anströmkante 26 angebracht ist, die Erosionsschutzbeschichtung 110 auf Wunsch zumindest zum Teil bis auf die Druckseite 22 und/oder die Saugseite 24 erstrecken, um einen geeigneten Erosionsschutz zu bieten. Zusätzlich oder alternativ kann die Erosionsschutzbeschichtung 110 auf jeder geeigneten Oberfläche oder allen geeigneten Oberflächen des Rotorflügels 16 angebracht sein, zum Beispiel auf der Druckseite 22, der Saugseite 24, der Abströmkante 28, der Spitze 32 und/oder dem Fuß 34.
Bei einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die Erosionsschutzbeschichtung 110 auf nur einem Teil des Rotorflügels 16 entlang der Länge des Rotorflügels in Spannweitenrichtung angebracht sein. Die Erosionsschutzbeschichtung 110 kann zum Beispiel auf ungefähr der Außenhälfte der Länge des Rotorflügels 16 oder – bei beispielhaften Ausführungsformen – circa dem äußeren Drittel der Länge des Rotorflügels 16 (mit anderen Worten: in etwa der Hälfte oder in etwa dem Drittel der Länge des Rotorflügels 16 mitsamt der Spitze 32) angebracht sein. Auf diese Weise kann die Erosionsschutzbeschichtung sich im Wesentlichen in Spannweitenrichtung entlang der im Wesentlichen gesamten äußeren Hälfte des Rotorflügels 16 oder entlang des im Wesentlichen gesamten äußeren Drittels des Rotorflügels 16 erstrecken.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt ist, dass die Erosionsschutzbeschichtung 110 auf nur einem bestimmten Teil der Länge des Rotorflügels 16 angebracht ist oder sich nur über diesen erstreckt. Vielmehr ist jede Gestaltung der Erosionsschutzbeschichtung 110 auf jedem Teil der Länge des Rotorflügels 16 im Schutzumfang und Sinn der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen.
Wie in 3 bis 8 gezeigt, umfasst die Erosionsschutzbeschichtung 110 eine Keramikschicht 112. Die Keramikschicht 112 kann dafür eingerichtet sein, die Erosion des Rotorflügels 16 zu reduzieren. Auf diese Weise kann die Keramikschicht 112 die Oberfläche des Rotorflügels 16 schützen, auf der die Erosionsschutzbeschichtung 110 angebracht ist, wenn der Rotorflügel 16 Bedingungen ausgesetzt ist, die Erosion verursachen, beispielsweise abrasiven Umweltbedingungen wie zum Beispiel Sandpartikeln und/oder Regentropfen. Bei beispielhaften Ausführungsformen kann die Keramikschicht 112 zum Beispiel Wolframcarbid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid oder Aluminiumoxid enthalten. Alternativ kann die Keramikschicht 112 jedes geeignete Keramikmaterial enthalten, das ausreichende Eigenschaften aufweist, um die Erosion des Rotorflügels 16 zu reduzieren, wie nachfolgend erörtert.
Die Keramikschicht 112 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist eine relativ dünne Keramikschicht 112. Es können verschiedene Formen der Keramikschicht 112 und verschiedene Verfahren zum Aufbringen dieser Schicht verwendet werden, wie nachfolgend erörtert, um sicherzustellen, dass die Keramikschicht 112 relativ dünn ist. Die Keramikschicht 112 der vorliegenden Offenbarung weist eine Dicke 114 von weniger als circa 10 Millimeter auf. Die Keramikschicht 112 kann weiter eine Dicke 114 von kleiner gleich circa 5 Millimeter, kleiner gleich circa 2 Millimeter oder bei beispielhaften Ausführungsformen kleiner gleich circa 1 Millimeter aufweisen. Durch die relativ dünne Keramikschicht 112 der vorliegenden Offenbarung wird sichergestellt, dass die Erosionsschutzbeschichtung 110 das Gewicht des Rotorflügels 16 nicht in unerwünschtem Ausmaß erhöht, so dass die Belastung des Rotorflügels 16 nicht erhöht und die Geschwindigkeit des Rotorflügels 16 nicht verringert wird.
Bei einigen Ausführungsformen kann sich weiter die Dicke 114 der Keramikschicht 112 und/oder der Erosionsschutzbeschichtung 110 im Allgemeinen durch einen Teil der Keramikschicht 112 und der Erosionsschutzbeschichtung 110 verjüngen. Beispielsweise kann sich bei Ausführungsformen, bei denen die Erosionsschutzbeschichtung 110 auf der Anströmkante 26 angebracht ist, ein Teil der Keramikschicht 112 und/oder der Erosionsschutzbeschichtung 110 verjüngen, der sich zur Druckseite 22 und/oder der Saugseite 24 hin erstreckt oder auf dieser angebracht ist. Die Verjüngung kann so gestaltet sein, dass die Außenoberfläche der Rotorflügel-Baugruppe 100 zwischen der Erosionsschutzbeschichtung 110 und der übrigen Oberfläche des Rotorflügels 16 im Wesentlichen durchgehend verläuft. Bei alternativen Ausführungsformen können jedoch die Dicke 114 der Keramikschicht 112 und/oder der Erosionsschutzbeschichtung 110 im Allgemeinen nach Wunsch konstant bleiben, zunehmen oder sich verändern.
Die Keramikschicht 112 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist eine relativ harte Keramikschicht 112. Bei einigen Ausführungsformen kann die Keramikschicht 112 eine Härte von bis zu circa 8 nach der Mohs-Skala aufweisen. Bei anderen Ausführungsformen kann die Keramikschicht 112 eine Härte im Bereich zwischen circa 10 Gigapascal und circa 40 Gigapascal nach der Vickers-Skala aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Keramikschicht 112 mehrere Keramikkacheln 116 enthalten, wie in 4 gezeigt. Die Keramikkacheln 116 können auf dem Rotorflügel 16 angebracht und nebeneinander angeordnet sein, um die Keramikschicht 112 zu bilden. Die Keramikkacheln 116 können unter Verwendung jeder geeigneten Vorrichtung und jedes geeigneten Verfahrens zur Keramikverarbeitung bzw. Keramikbearbeitung ausgebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen können die Keramikkacheln 116 direkt auf einer Oberfläche des Rotorflügels 16 angebracht sein, zum Beispiel mit Hilfe eines geeigneten Klebstoffs. Bei anderen Ausführungsformen können eine andere Schicht oder andere Schichten der Erosionsschutzbeschichtung 110, beispielsweise eine elastische Schicht und/oder ein Blitzschutznetz, wie nachfolgend erörtert, zwischen den Keramikkacheln 116 und der Oberfläche des Rotorflügels 16 angebracht sein. Die Keramikkacheln 116 können auf der zusätzlichen Schicht bzw. den zusätzlichen Schichten mit Hilfe eines geeigneten Klebstoffs angebracht sein oder die zusätzliche Schicht bzw. zusätzlichen Schichten können auf die Oberflächen der Keramikkacheln 116 aufgebracht werden, die dafür eingerichtet sind, mit der Oberfläche des Rotorflügels 16 zusammenzuwirken.
Bei anderen Ausführungsformen, wie in 6 und 8 gezeigt, kann die Keramikschicht 112 eine Keramikfolie 118 sein, die auf die Oberfläche des Rotorflügels 16 aufgebracht wird. Die Keramikfolie 118 kann mit Hilfe verschiedener Verfahren auf die Oberfläche des Rotorflügels 16 aufgebracht werden. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Keramikfolie 118 mit Hilfe eines Abscheideverfahrens auf die Oberfläche des Rotorflügels 16 aufgebracht werden. Zu den geeigneten Abscheideverfahren gehören chemische Gasphasenabscheidung, Atomlagenabscheidung, Laserabscheidung und Plasma-Abscheidung. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Keramikfolie 118 als Keramikpulver oder Keramiklösung auf die Oberfläche des Rotorflügels 16 aufgebracht werden. Das Keramikpulver oder die Keramiklösung können zum Beispiel auf die Oberfläche des Rotorflügels 16 aufgesprüht und dann ausgehärtet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Aushärtungsprozess zum Beispiel abgeschlossen werden, während das Rotorflügel 16 in einer Gussform ausgebildet wird. Das Keramikpulver oder die Keramiklösung können auf das Substrat aufgesprüht werden, aus dem in der Gussform der Rotorflügel 16 ausgebildet wird, und das Substrat und das Keramikpulver oder die Keramiklösung können zusammen ausgehärtet werden, um den Rotorflügel 16 und die Keramikfolie 118 auszubilden. Wenn erforderlich, können die Oberflächen des Rotorflügels 16, auf denen sich das Keramikpulver oder die Keramiklösung befinden, mit einer anderen Temperatur (Wärme) behandelt werden als die übrigen Oberflächen des Rotorflügels 16. Bei anderen Ausführungsformen kann der Aushärtungsprozess zum Beispiel abgeschlossen werden, nachdem der Rotorflügel 16 in einer Gussform ausgebildet wurde. Nach dem Aushärten des Rotorflügels 16 können das Keramikpulver oder die Keramiklösung auf die Oberfläche des Rotorflügels 16 aufgesprüht werden, und das Keramikpulver oder die Keramiklösung können mit der erforderlichen Wärme behandelt werden, um das Keramikpulver oder die Keramiklösung auszuhärten und die Keramikfolie 118 auszubilden.
Bei einigen Ausführungsformen, wie in 4 gezeigt, umfasst die Erosionsschutzbeschichtung 110 weiter eine elastische Schicht 120. Die elastische Schicht 120 kann zwischen der Keramikschicht 112 und der Oberfläche des Rotorflügels 16 angeordnet sein. Die elastische Schicht 120 ist allgemein dafür eingerichtet, die Dehnungsübertragung von dem Rotorflügel 16 auf die Keramikschicht 112 zu reduzieren. Die elastische Schicht 120 kann daher ein Material enthalten, das dafür geeignet ist, die Dehnung des Rotorflügels 16 zumindest zum Teil aufzunehmen und die Übertragung dieser Dehnung auf die Keramikschicht 112 zu verhindern. Die elastische Schicht 120 kann auf diese Weise die Keramikschicht 112 vorteilhafterweise vor Schäden durch die Dehnung des Rotorflügels 16 schützen.
Bei beispielhaften Ausführungsformen kann die elastische Schicht 120 zum Beispiel Polyurethan enthalten. Alternativ kann die elastische Schicht 120 jedes relativ elastische Material enthalten, dass dafür geeignet ist, die Dehnung des Rotorflügels 16 aufzunehmen und die Übertragung dieser Dehnung durch die elastische Schicht 120 auf die Keramikschicht 112 zu reduzieren oder zu verhindern.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Erosionsschutzbeschichtung 110 weiter eine Antihaftschicht 130, wie in 4, 6 und 8 gezeigt. Die Antihaftschicht 130 kann – bezogen auf die Keramikschicht 112 – auf der der Oberfläche des Rotorflügels 16 entgegengesetzten Seite angeordnet sein. Die Antihaftschicht 130 kann sich daher auf der Außenseite der Keramikschicht 112 befinden. Die Antihaftschicht 130 kann dafür eingerichtet sein, die Verschmutzung des Rotorflügels 16 zu reduzieren. Eine Verschmutzung des Rotorflügels 16 tritt ein, wenn Materialien wie zum Beispiel Partikel oder Insekten an einer Oberfläche des Rotorflügels 16 haften. Die Antihaftschicht 130 kann verhindern, dass diese Materialien an der Oberfläche des Rotorflügels 16 haften, und so die Oberfläche des Rotorflügels 16 relativ frei von Verschmutzung halten. Bei beispielhaften Ausführungsformen kann die Antihaftschicht 130 zum Beispiel ein Fluorpolymer sein. Geeignete Fluorpolymere können beispielsweise Polytetrafluorethylen, Perfluoralkoxy oder fluoriertes Ethylen-Propylen sein. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Antihaftschicht 130 nicht auf die vorstehend offenbarten Fluorpolymere beschränkt ist, sondern dass vielmehr jedes geeignete Fluorpolymer oder jedes geeignete Material, das geeignete Antihafteigenschaften aufweist, im Schutzumfang und Sinn der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sind.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Erosionsschutzbeschichtung 110 weiter ein Blitzschutznetz 140, wie in 6 und 8 gezeigt. Das Blitzschutznetz 140 kann dafür eingerichtet sein, Blitzschäden an dem Rotorflügel 16 zu reduzieren. Das Blitzschutznetz 140 kann zum Beispiel ein Material enthalten, das dafür geeignet ist, den elektrischen Strom von Blitzeinschlägen zu leiten. Bei beispielhaften Ausführungsformen kann das Blitz-schutznetz 140 aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet sein. Das Blitzschutznetz 140 kann zum Beispiel aus Aluminium bestehen. Alternativ kann das Blitzschutznetz 140 jedoch aus jedem geeigneten leitenden Material ausgebildet sein.
Um Blitzschäden am Rotorflügel 16 zu reduzieren, kann das Blitzschutznetz 140 mit einer Blitzschutzvorrichtung 142 betriebswirksam verbunden sein, wie in 5 und 7 gezeigt. Im Allgemeinen schützt die Blitzschutzvorrichtung 142 den Rotorflügel 16 und die Windkraftanlage 10 vor Blitzeinschlägen. Bei beispielhaften Ausführungsformen ist die Blitzschutzvorrichtung 142 ein Kabel, zum Beispiel ein Kupferkabel. Die Blitzschutzvorrichtung 142 kann zumindest zum Teil im Innern des Rotorflügels 16 angeordnet sein. Die Blitzschutzvorrichtung 142 kann zum Beispiel zumindest über einen Teil der Länge des Rotorflügels 16 in dessen Inneren angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Blitzschutzvorrichtung 142 weiter an verschiedenen Stellen entlang der Länge des Rotorflügels 16 mit einem oder mehreren elektrisch leitenden Blitzrezeptoren (nicht gezeigt) verbunden sein, die auf einer oder mehreren Oberflächen des Rotorflügels 16 angeordnet sind. Es versteht sich, dass das Blitzschutznetz 140 die Blitzrezeptoren ersetzen oder ergänzen kann. Die Blitzschutzvorrichtung 142 kann weiter leitend mit einem Erdungssystem (nicht gezeigt) in der Windkraftanlage 10, beispielsweise im Turm 12 der Windkraftanlage 10, verbunden sein.
Wenn daher das Blitzschutznetz 140 und die Blitzschutzvorrichtung 142 betriebswirksam verbunden sind, kann die Blitzschutzvorrichtung 142 das Blitzschutznetz 140 und der Rotorflügel 16 vor Blitzeinschlägen schützen. Der elektrische Strom von Blitzen, die in die Erosionsschutzbeschichtung 110 einschlagen, kann durch das Blitzschutznetz 140 zur Blitzschutzvorrichtung 142 fließen. Bei einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Verbindungsleitungen 144 vorgesehen sein, wie in 5 bis 8 gezeigt, um das Blitzschutznetz 140 betriebswirksam mit der Blitzschutzvorrichtung 142 zu verbinden. Die Verbindungsleitung 144 wird an einem Ende an das Blitzschutznetz 140 und am anderen Ende an die Blitzschutzvorrichtung 142 angeschlossen. Elektrischer Strom von Blitzeinschlägen in die Erosionsschutzbeschichtung 110 kann so vom Blitzschutznetz 140 durch die Verbindungsleitung 144 zur Blitzschutzvorrichtung 142 und durch die Blitzschutzvorrichtung in den Erdboden fließen, wodurch Schäden an Rotorflügel 16 und Windkraftanlage 10 verhindert werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann, wie in 6 gezeigt, das Blitzschutznetz 140 zwischen der Keramikschicht 112 und der Oberfläche des Rotorflügels 16 angeordnet sein. Bei diesen Ausführungsformen kann das Blitzschutznetz 140 je nach Wunsch eine einzelne Materialschicht oder eine Materialmatrix sein. Wenn weiter eine zusätzliche Schicht wie zum Beispiel die elastische Schicht 120 in der Erosionsschutzbeschichtung 110 enthalten ist, kann das Blitzschutznetz 140 zwischen der Keramikschicht 112 und der elastischen Schicht 120 oder zwischen der elastischen Schicht 120 und der Oberfläche des Rotorflügels 16 angeordnet sein oder ein Blitzschutznetz 140 kann an beiden Stellen angeordnet sein.
Bei anderen Ausführungsformen, wie in 8 gezeigt, kann eine andere Schicht der Erosionsschutzbeschichtung 110, beispielsweise die Keramikschicht 112, die elastische Schicht 120 oder die Antihaftschicht 130 das Blitzschutznetz 140 enthalten. 6 zeigt zum Beispiel eine beispielhafte Ausführungsform, bei der die Keramikschicht 112 das Blitzschutznetz 140 umfasst. Bei diesen Ausführungsformen kann es sich beim Blitzschutznetz 140 im Allgemeinen um eine Materialmatrix oder um mehrere Stränge des Materials handeln, die in die Schicht eingebettet sind – beispielsweise in die Keramikschicht 112.
In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele zur Offenbarung der Erfindung verwendet – darunter die bevorzugte (beste) Ausführungsform (best mode) – die auch dazu dienen sollen, alle Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung anzuwenden, eingeschlossen die Herstellung und Verwendung jeder Vorrichtung oder jedes Systems sowie die Durchführung jedes enthaltenen Verfahrens. Der patentierbare Schutzbereich der Erfindung ist durch die Patentansprüche definiert und kann andere Beispiele einschließen, wie sie Fachleuten einfallen könnten. Derartige andere Beispiele sollen in dem Schutzbereich der Ansprüche eingeschlossen sein, wenn diese Beispiele strukturelle Elemente aufweisen, die nicht von der wörtlichen Bedeutung der Ansprüche abweichen, oder wenn sie gleichwertige strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden zur wörtlichen Bedeutung der Ansprüche aufweisen.
Es wird eine Rotorflügel-Baugruppe 100 für eine Windkraftanlage 10 offenbart. Die Rotorflügel-Baugruppe 100 umfasst einen Rotorflügel 16 mit Oberflächen, durch die eine Druckseite 22, eine Saugseite 24, eine Anströmkante 26 und eine Abströmkante 28 definiert werden, die sich zwischen einer Rotorflügelspitze 32 und einem Rotorflügelfuß 34 erstrecken. Die Rotorflügel-Baugruppe 100 umfasst weiter eine auf einer Oberfläche des Rotorflügels 16 angebrachte Erosionsschutzbeschichtung 110. Die Erosionsschutzbeschichtung 110 umfasst eine Keramikschicht 112, wobei die Dicke 114 der Keramikschicht 112 weniger als circa 10 Millimeter beträgt. Die Keramikschicht 112 ist dafür eingerichtet, die Erosion des Rotorflügels 16 zu reduzieren.
Bezugszeichenliste

10: Windkraftanlage
12: Turm
14: Maschinenhaus
16: Rotorflügel
18: Rotornabe
22: Druckseite
24: Saugseite
26: Anströmkante
28: Abströmkante
32: Rotorflügelspitze
34: Rotorflügelfuß
100: Rotorflügel-Baugruppe
110: Erosionsschutzbeschichtung
112: Keramikschicht
114: Dicke
116: Keramikkachel
118: Keramikfolie
120: Elastische Schicht
130: Antihaftschicht
140: Blitzschutznetz
142: Blitzschutzvorrichtung
144: Verbindungsleitung

Claims

Rotorflügel-Baugruppe (100) für eine Windkraftanlage (10), wobei die Rotorflügel-Baugruppe umfasst: einen Rotorflügel (16) mit Oberflächen, durch die eine Druckseite (22), eine Saugseite (24), eine Anströmkante (26) und eine Abströmkante (28) definiert werden, die sich zwischen einer Rotorflügelspitze (32) und einem Rotorflügelfuß (34) erstrecken, und eine Erosionsschutzbeschichtung (110), die auf einer Oberfläche des Rotorflügels (16) angebracht ist, wobei die Erosionsschutzbeschichtung (110) eine Keramikschicht (112) umfasst, und wobei die Dicke (114) der Keramikschicht (112) weniger als circa 10 Millimeter beträgt, wobei die Keramikschicht (112) dafür eingerichtet ist, die Erosion des Rotorflügels (16) zu reduzieren.
Rotorflügel-Baugruppe (100) nach Anspruch 1, wobei die Dicke (114) der Keramikschicht (112) kleiner gleich circa 1 Millimeter ist.
Rotorflügel-Baugruppe (100) nach einem der Ansprüche 1–2, wobei die Keramikschicht (112) eine der folgenden Substanzen umfasst: Wolframcarbid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid oder Aluminiumoxid.
Rotorflügel-Baugruppe (100) nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Keramikschicht (112) mehrere an dem Rotorflügel (16) angebrachte Keramikkacheln (116) umfasst.
Rotorflügel-Baugruppe (100) nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Keramikschicht (112) eine auf die Oberfläche des Rotorflügels (16) aufgebrachte Keramikfolie (118) ist.
Rotorflügel-Baugruppe (100) nach Anspruch 5, wobei die Keramikfolie (118) auf die Oberfläche des Rotorflügels (16) mit Hilfe eines der folgenden Verfahren aufgebracht wird: chemische Abscheidung, Atomlagenabscheidung, Laserabscheidung oder Plasma-Abscheidung.
Rotorflügel-Baugruppe (100) nach Anspruch 5, wobei die Keramikfolie (118) durch Besprühen der Oberfläche des Rotorflügels (16) mit einem Keramikpulver oder einer Keramiklösung und Aushärten des Keramikpulvers oder der Keramiklösung aufgebracht wird.
Rotorflügel-Baugruppe (100) nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die Erosionsschutzbeschichtung (110) weiter eine elastische Schicht (120) umfasst, die zwischen der Keramikschicht (112) und der Oberfläche des Rotorflügels (16) angeordnet ist, wobei die elastische Schicht (120) dafür eingerichtet ist, die Dehnungsübertragung zwischen Rotorflügel (16) und Keramikschicht (112) zu reduzieren.
Rotorflügel-Baugruppe (100) nach einem der Ansprüche 1–8, wobei die Erosionsschutzbeschichtung (110) weiter eine Antihaftschicht (130) umfasst, die – bezogen auf die Keramikschicht (112) – auf der der Oberfläche des Rotorflügels (16) entgegengesetzten Seite angeordnet ist, wobei die Antihaftbeschichtung (130) dafür eingerichtet ist, die Verschmutzung des Rotorflügels (16) zu reduzieren.
Rotorflügel-Baugruppe (100) nach Anspruch 9, wobei die Antihaftschicht (130) ein Fluorpolymer enthält.
Rotorflügel-Baugruppe (100) nach einem der Ansprüche 1–10, wobei die Erosionsschutzbeschichtung (100) weiter ein Blitzschutznetz (140) umfasst, das dafür eingerichtet ist, Blitzschäden an dem Rotorflügel (16) zu reduzieren.
Rotorflügel-Baugruppe (100) nach Anspruch 11, wobei die Keramikschicht (112) das Blitzschutznetz (140) umfasst.
Rotorflügel-Baugruppe (100) nach Anspruch 11, wobei das Blitzschutznetz (140) zwischen der Keramikschicht (112) und der Oberfläche des Rotorflügels (16) angeordnet ist.
Rotorflügel-Baugruppe (100) für eine Windkraftanlage (10), wobei die Rotorflügel-Baugruppe umfasst: einen Rotorflügel (16) mit Oberflächen, durch die eine Druckseite (22), eine Saugseite (24), eine Anströmkante (26) und eine Abströmkante (28) definiert werden, die sich zwischen einer Rotorflügelspitze (32) und einem Rotorflügelfuß (34) erstrecken, und eine Erosionsschutzbeschichtung (110) auf der Anströmkante (26) des Rotorflügels (16), die sich im Wesentlichen in Spannweitenrichtung entlang der im Wesentlichen gesamten Außenhälfte des Rotorflügels (16) erstreckt, wobei die Erosionsschutzbeschichtung (110) eine Keramikschicht (112) umfasst, wobei die Keramikschicht (112) dafür eingerichtet ist, die Erosion des Rotorflügels (16) zu reduzieren.
Rotorflügel-Baugruppe (100) nach Anspruch 14, wobei die Erosionsschutzbeschichtung (110) sich im Wesentlichen in Spannweitenrichtung entlang des im Wesentlichen gesamten äußeren Drittels des Rotorflügels (16) erstreckt.